光纤通信技术

光纤通信技术6.1光纤通信概述光信号可以用于传输信息吗？光通信具有什么样的特点？探讨光纤通信是以光纤为传输媒质，以光信号为信息载体的通信方式。6.1.1光纤通信的发展1880年，美国科学家贝尔发明光电话，标志着光通信的起源。1960年，美国人梅曼发明第一台红宝石激光器。1966年，“光纤之父”——高锟博士首次提出光纤通信的想法，这是光纤通信发展的里程碑。1970年，美国康宁公司研制出了损耗系数为20dB/km的光纤，光纤通信从此进入飞速发展。1977年，芝加哥第一条45Mbit/s的商用线路。1976年和1978年，日本先后进行了速率为34Mb/s以及速率为100Mbit/s的光纤通信系统的试验。1980年，140Mbit/s光纤通信系统投入商业应用。1983年敷设了纵贯日本南北的光缆长途干线。由美、日、英、法发起的第一条横跨大西洋TAT-8海底光缆通信系统于1988年建成。第一条横跨太平洋TPC-3/HAW-4海底光缆通信系统于1989年建成。1990年，565Mbit/s的光纤通信系统进入商用化阶段。1993年，速率622Mbit/s以下SDH产品开始商用化。1995年，速率2.5Gbit/s的SDH产品开始商用化。1996年，10Gbit/s的SDH产品开始商用化。1997年，20Gbit/s和40Gbit/s的产品试验取得巨大发展。2005年3.2Tbps超大容量的光纤通信系统在上海至杭州开通，是至今世界容量最大的实用线路。目前研究中的商用速率为数十Tbit/s。光纤通信发明家高锟(左)1998年在英国接受IEE授予的奖章从光纤的损耗看光纤通信的发展–1970年是20dB/km–1972年是4dB/km–1974年是1.1dB/km–1976年是0.5dB/km–1979年是0.2dB/km–1990年是0.14dB/km，已经接近石英光纤的理论损耗极限值0.1dB/km。6.1.2光纤通信的工作波长光波是电磁波的一种，其波长在微米级，频率为1014Hz～1015Hz数量级。目前光纤通信使用的波长范围是在近红外区，即波长为0.8~1.8μm。光纤通信使用的三个工作窗口–0.85μm、1.31μm、1.55μm。6.1.3光纤通信的特点优点–（1）传输频带宽，通信容量大–（2）传输衰减小，中继距离长–（3）抗电磁干扰，传输质量好–（4）体积小、重量轻、便于施工–（5）原材料丰富，节约有色金属，有利于环保缺点–光纤质地脆，机械强度低；光纤的切断和接续需要一定的工具设备和技术，光缆的弯曲半径不能过小等等。6.2光纤与光缆6.2.1光纤的结构与分类6.2.2光纤的导光原理6.2.3单模传输条件6.2.4光纤的传输特性6.2.5光缆6.2.1光纤的结构与分类1．光纤的结构–光纤是由中心的纤芯和外面的包层构成的，一般为双层或多层的同心圆柱体，为轴对称结构。–纤芯位于光纤中心，作用是传输光波。包层位于纤芯外层，作用是将光波限制在纤芯中，同时还起到一定的机械保护作用。–通信用的单模光纤纤芯为4-10μm，多模光纤纤芯直径为50~85μm，不管单模光纤还是多模光纤，包层的直径均为125μm。n1n26.2.1光纤的结构与分类1．光纤的结构光纤一般由纤芯和包层组成，其基本结构如图6.3所示。内层为纤芯，纤芯直径为2a，折射率为n1，作用是传输光信号；外层为包层，包层直径为2b，折射率为n2，作用是使光信号封闭在纤芯中传输。目前使用光纤的包层外径2b一般为125m。为了保证光信号在纤芯中传播，要求纤芯的折射率n1稍大于包层的折射率n2。介质的折射率表示光在空气中的传播速度与光在某一介质中的传播速度之比，一般用n表示，即vcn图6.3光纤的基本结构如图6.3所示的光纤实际上是我们平时说的裸光纤，它的强度较差。为了提高它的抗拉强度，在包层外面还要附加两层涂覆层。一次涂覆层（预涂覆）大多采用环氧树脂、聚氨基甲酸乙酯或丙烯酸树脂等材料，缓冲层一般采用硅树脂，二次涂覆层大多采用尼龙、聚乙烯或聚丙烯等套塑层。通常所说的光纤是指涂覆后的光纤，称光纤芯线。如图6.4所示是目前使用最为广泛的两种光纤结构，图6.4（a）为紧套光纤（光纤不能在套管中活动），图6.4（b）为松套光纤（光纤能在套管中活动）。图6.4光纤芯线结构2．光纤的分类光纤可以根据不同的方法进行分类。（1）按光纤的材料来分，通常有石英玻璃光纤和全塑光纤石英玻璃光纤主要材料是SiO2，并添加GeO2、B2O2、P2O3等。这种光纤有很低的损耗和中等程度的色散，目前通信用光纤绝大多数是石英玻璃光纤。全塑光纤具有损耗大、纤芯直径大及制造成本低等特点，目前全塑光纤适合于较短距离的应用，如室内计算机连网等。（2）按折射率分布来分，通常可分为阶跃型光纤和渐变型光纤阶跃型光纤（SI）又称突变型光纤。它的纤芯和包层的折射率是均匀的，纤芯和包层的折射率呈阶跃形状，如图6.5（a）所示。渐变型光纤（GI）的纤芯折射率随着半径的增加而按一定的规律减少，到纤芯与包层的交界处为包层的折射率，即纤芯中折射率的变化呈抛物线型，如图6.5（b）所示。图6.5光纤的折射率分布（3）按传输光波的模式来分。所谓模式，实质上是电磁波的一种分布形式。模式不同，其分布不同。根据光纤中传播模式数量来分，可分为单模光纤和多模光纤。多模光纤是一种传输多个光波模式的光纤。按多模光纤截面折射率的分布可分为阶跃型多模光纤和渐变型多模光纤。其光射线轨迹如图6.6（a）和（b）所示。阶跃型多模光纤的纤芯直径一般为50m～75m，包层直径为100m～200m，由于其纤芯直径较大，所以传输模式较多。这种光纤的传输性能较差，带宽较窄，传输容量也较小。渐变型多模光纤的纤芯直径一般也为50m～75m，这种光纤频带较宽，容量较大，是20世纪80年代采用较多的一种光纤形式。所以一般多模光纤指的是这种渐变型多模光纤。单模光纤是只能传输一种光波模式的光纤。单模光纤只能传输主模，不存在模间时延差，具有比多模光纤大得多的带宽。单模光纤的直径很小，约为4m～10m，其带宽一般比渐变型多模光纤的带宽高一两个数量级，因此，它适合于大容量、长距离通信，其光射线轨迹如图6.6（c）。图6.6光纤中的光射线轨迹小结（1）按照光纤的制造材料分类–按照光纤的制造材料的不同，光纤可分为玻璃（石英）光纤和塑料光纤。（2）按照光纤的传输模式分类–根据光纤传输模式的数量，光纤可分为多模光纤（MMF）和单模光纤（SMF）。（3）按照光纤的折射率分布分类–按照光纤剖面折射率分布的不同，光纤可分为突变型光纤（SIF）和渐变型光纤（GIF）。（4）按照ITU-T建议的分类–按照ITU-T关于光纤的建议，光纤分为G.651光纤（渐变多模光纤）、G.652光纤（常规单模光纤）、G.653光纤（色散位移光纤）、G.654光纤（性能最佳单模光纤）、G.655光纤（非零色散位移单模光纤）。6.2.2光纤的导光原理当光在远大于光波长的介质中传播时，光可用一条表示光传播方向的几何直线来表示，这条几何直线就称为光射线。用光射线理论来研究光波传输特性的方法称为射线法。1．光波在两介质交界面的反射和折射如图6.7所示，有两个半无限大的均匀介质，其折射率分别为n1、n2，x=0的平面为两介质的交界面，x轴为界面的法线。图6.7光波在两介质交界面的反射和折射光射线方向由介质Ⅰ投射到界面上，这时将发生反射和折射，一部分光波沿方向返回介质Ⅰ，称为反射波；另一部分光波沿方向进入到介质Ⅱ，称为折射波。图中、、分别表示入射线、反射线和折射线的传输方向，它们和法线之间的夹角分别为入射角、反射角和折射角，用、和表示。由斯涅尔定律可知1k1k2k1k1k2k112112211sinsinnn2．光波的全反射由图6.7可以看出，当光射线由介质Ⅰ射向介质Ⅱ时，若n1大于n2，则介质Ⅱ中的折射线将离开法线而折射，此时的必大于。如果入射角增加到某一值而正好使得90°时，折射线将沿界面传输，我们将此时的入射角称为临界角，用表示。根据折射定律2211sinsinnn将90°，代入上式，则2c112csinnn212c这时如果再继续增大入射角，即，则折射角必大于90°，此时光射线不再进入介质Ⅱ，而由界面全部反射回介质Ⅰ，这种现象称为全反射。由此可见，产生全反射的条件是：（1）光纤纤芯的折射率n1一定要大于光纤包层的折射率n2，即（2）进入光纤的光线向纤芯-包层界面射入时，入射角应大于临界角，即90°c1221nnc13．用射线法分析光纤的导光原理以阶跃型光纤为例来说明光纤的导光原理。当光波射入光纤的纤芯时，一般都会出现两种情况。一种是光线在通过轴心的平面内传播，这种光线称为子午线；另一种是光线在光纤中传播时不通过轴心。为了简化分析，下面仅对子午线光线传播过程进行讨论。由前面分析可知，要使光信号能够在光纤中长距离传输，必须使光线在纤芯和包层交界面上形成全反射，即入射角必须大于临界角。如图6.8所示表示出光线从空气中以入射角射入光纤端面的情况（空气折射率，而纤芯石英折射率）。此时，光从低折射率介质向高折射率介质传播，根据折射定律，入射角大于折射角。图6.8（a）是一种特殊的情况，即进入光纤纤芯中的光射入纤芯与包层界面的入射角等于临界角，由图可知，折射角可以表示为10n5.11nci2根据折射定律可得)2sin(sinc10nn图6.8光纤的最大入射角因，并对上式进行简单的代数变换可得10n2sin12221nnn121nnn称为纤芯与包层相对折射率差。式中当光从空气中射入光纤端面的入射角大于，折射光线射向纤芯与包层界面的入射角应小于临界角，不能满足全反射条件，这种光将很快在光纤中衰减，不能远距离传输。如图6.8（b）所示。当光从空气中射入光纤端面的入射角小于，折射光线射向纤芯与包层界面的入射角应大于临界角，满足全反射条件，这种光就能以全反射的形式在光纤中进行远距离传输。如图6.8（c）所示。由此可见，只有端面入射角小于角的光线才在光纤中以全反射的形式向前传播。此角称为光纤波导的孔径角。通常用表示，而把其正弦函数定义为光纤的数值孔径，用NA表示，即max2sin1maxnNA光纤的数值孔径表示光纤接收入射光的能力。NA越大，光纤接收光的能力也越强。作为通信使用的多模光纤波导的Δ值通常约为1%，如果n1为1.5，则NA=0.2。以上分析的是光波在阶跃型光纤中的传播情况，对于渐变型光纤，我们可以将纤芯分割成无数个同心圆，每两个圆之间的折射率可以看成是均匀的，那么光在这种介质中传播时，将会不断发生折射，形成弧线波形的轨迹。6.2.4光纤的传输特性光纤的传输特性指的是光信号在光纤中传输所表现出来的特性，主要包括损耗特性和色散特性。光纤的损耗特性及色散特性1．光纤的损耗特性光波在光纤中传输，随着传输距离的增加而光功率逐渐下降，这就是光纤的传播损耗。假定光纤长L（km），输入光功率Pi（mW），输出光功率Po（mW），光纤损耗常数α为LPP/)lg10(oi（dB/km）不同波长的光在光纤中传输损耗是不同的，在0.85m、1.31m、1.55m附近，损耗有较小值，所以称这三个波长为光纤的三个窗口。0.85m的损耗常数最大，为2.5dB/km；1.31m的损耗常数居中，为0.35dB/km；1.55m的损耗常数最小，为0.25dB/km。形成光纤损耗的原因很多，主要有光纤材料的吸收、散射性能以及光纤结构不完善（弯曲、微弯等）引起的，下面我们仅对吸收损耗和散射损耗进行简单分析。（1）吸收损耗吸收损耗是光波通过光纤材料时，有一部分光能变成热能，造成光功率的损失。引起吸收损耗的主要原因有两个：一是材料固有因素引起的本征吸收；二是因材料不纯引起的杂质吸收。①本征吸收。本征吸收是光纤基础材料（如SiO2）固有的吸收，对于石英系光纤，本征吸收有两个吸收带，分别为紫外吸收带和红外吸收带。紫外区的