第9章 光纤通信技术

第9章光纤通信技术第一节光纤通信概述第二节光纤传输原理与特性第三节光发送机与光接收机第四节光纤通信系统第五节光纤通信新技术9．1光纤通信概述9.1.1电磁波谱信息的传输是以电磁波为媒介进行的。电磁波的波谱很宽，如图9.1所示。通信所用的波段是在波长为千米至微米数量级范围。通信的容量与电磁波频率成正比探索将更高频率的电磁波用于通信技术是人们追求的目标。各种频段电磁波的划分和常用传输媒质如表9.1所示。9频段和波段名称频率范围和波长范围传输媒质主要用途极低频(ELF)极长波30-3000Hz0.1-l000km有线线对极长波无线电●潜艇通信、矿井通信．甚低频(TLF)超长波3-30kHz1000-lOkm有线线对超长波无线电●潜艇通信、远程导航、远程无线电通信低频(LF)长波30-300kHzlO-1km有线线对长波无线电●中远距离通信、地下通信、无线电导航中频(MF)中波O．3-3MHzl000-100m同轴电缆中波无线电调幅广播、导航、业余无线电高频(HF)短波3-30MHz100—10m同轴电缆短波无线电调幅广播、移动通信、军用通信甚高频(VHF)超短波30—300MHz10～lm同轴电缆超短波无线电调幅广播、电视、移动通信、电离层散射通信特高频(UHF)分米波0.3—3GHzlO—lcm波导分米波无线电微波接力、移动通信、空间遥测雷达、电视微波超高频(SHF)厘米波3—30GHz10—1cm波导厘米波无线电雷达、微波接力、卫星和空间通信极高频(EHF)毫米波30一300GHz10一lm波导毫米波无线电雷达、微波接力、射电天文紫外、可见光、红外105—107GHzO．3～3×10-6cm光纤激光空间传播光通信9.1.2光纤通信系统基本结构与特点光纤通信是以光波为载频、以光纤（光导纤维）为传输媒质的通信方式。光纤通信系统的基本组成如图9.2所示，它包括了电收发端机、光收发端机、光纤光缆线路、中继器等。图9.2光纤通信系统组成LD/LEDLD/LEDPIN/APD光纤通信系统由于采用了光纤传输信号实现通信，因此，和其他通信系统相比，具有一系列独特的优点：（1）频带宽，通信容量大（2）传输损耗低，无中继距离长（3）抗电磁干扰（4）光纤通信串话小，保密性强，使用安全（5）体积小，重量轻，便于敷设（6）材料资源丰富9.2光纤传输原理与特性9.2.1光纤的结构和分类光纤是圆截面介质波导(图9.3)。光纤由纤芯、包层和涂覆层构成。纤芯由高度透明的材料构成；包层的折射率略小于纤芯，从而可以形成光波导效应，使大部分的光被束缚在纤芯中传输；涂覆层的作用是增强光纤的柔韧性。为了进一步保护光纤，提高光纤的机械强度，在带有涂覆层的光纤外面在套一层热塑性材料，成为套塑层（或二次涂覆层）。在涂覆层和套塑层之间还需填充一些缓冲材料，成为缓冲层（或称垫层）。光纤大多为石英光纤。它以纯净的二氧化硅材料为主，中间掺以合适的杂质。掺锗和磷使折射率增加，掺硼和氟使折射率降低。1．按光纤横截面的折射率分布分类根据光纤横截面折射率分布的不同，常用的光纤可以分成阶跃折射率分布光纤（简称阶跃光纤）和渐变折射率分布光纤（简称渐变光纤〕两种类型，其折射率分布如图9．4所示。图（a）是光纤的横截面图，其纤芯直径为2a，包层直径为2b。(1)阶跃光纤：图(b)为阶跃光纤横截面的折射率分布，纤芯折射率为n1，包层折射率为n2。纤芯和包层的折射率都是均匀分布，折射率在纤芯和包层的界面上发生突变。第9章光纤通信技术（2）渐变光纤：图（C）为渐变光纤横截面的折射率分布，包层的折射率为n2，是均匀的，而在纤芯中折射率则随着纤芯的半径的加大而减小，是非均匀的、且连续变化。此外，还有三角型折射率光纤，其纤芯折射率分布曲线为三角形；双包层光纤、四包层光纤等，如图9．5所示。2n2．按光纤中的传导模式数量分类光是一种电磁波，它沿光纤传输时可能存在多种不同的电磁场分布形式（即传播模式），能够在光纤中远距离传输的传播模式称为传导模式。根据传导模式数量的不同，光纤可以分为单模光纤和多模光纤两类。(1)单模光纤光纤中只传输一种模式，即基模（最低阶模式）。单模光纤的纤芯直径约为4－10μm范围，包层直径为125μm。单模光纤适用于长距离、大容量的光纤通信系统。(2)多模光纤光纤中传输的模式不止一个，即在光纤中存在多个传导模式。多模光纤的纤芯纤芯直径一般为50μm，其横截面的折射率分布为渐变型，包层的外径125μm。多模光纤适用于中距离、中容量的光纤通信系统。3．按光纤构成的原材料分类（1）石英系光纤石英系光纤主要是由高纯度的SiO2并掺有适当的杂质制成，如用和作芯子，用作包层。目前这种光纤损耗最低、强度和可靠性最高、应用最广泛。（2）多组分玻璃光纤例如用钠玻璃掺有适当杂质制成的光纤。这种光纤的损耗较低，但可靠性不高。（3）塑料包层光纤光纤的芯子是用石英制成，包层是硅树脂。（4）全塑光纤光纤的芯子和包层均由塑料制成，其损耗较大，可靠性也不高。22.SiOGeO252.SiOOP232.SiOOB4．按光纤的套塑层分类（1）紧套光纤典型的紧套光纤各层之间都是紧贴的，光纤被套管紧紧箍住，不能在其中松动。在光纤与套管之间放置了一个缓冲层，以减小外面应力对光纤的作用。紧套光纤的结构简单，使用和测试都比较方便。（2）松套光纤典型的松紧套光纤的护套为松套管，光纤能在其中松动。管内空间填充油膏，以防水份渗入。松套光纤的机械性能、防水性能都比较好，便于成缆。若一根管内放入2－20根光纤，可制成光纤束，称为松套光纤束。9.2.2光纤的导光原理*光具有波粒二象性，既可以将光看成光波，也可以将光看作是由光子组成的粒子流。因而，在分析光纤中光的传输特性时相应地也有两种理论，即射线光学（即几何光学）理论和波动光学理论。射线光学是用光射线代表光能量传输线路来分析问题的方法。这种理论适用于光波长远远小于光波导尺寸的多模光纤，可以得到简单、直观的分析结果。波动光学是把光纤中的光作为经典电磁场来处理。从波动方程和电磁场的边界条件出发，可以得到全面、正确的解析或数字结果，给出光纤中的场的结构形式（即传输模式），从而给出光纤中完善的场的描述形式。它的特点是：能够精确地、全面地描述光纤的传输特性，这种理论适合于单模光纤和多模光纤的分析。1．采用射线光学分析光纤的特性（1）多模阶跃折射率光纤的射线光学理论分析在多模阶跃光纤的纤芯中，光接直线传输，在纤芯和包层的界面上光发生反射。由于光纤中纤芯的折射率n1大于包层的折射率所以在芯包界面存在着临界角，如图9．6所示。图9．6为阶跃光纤的子午光线。通过光纤轴线的平面称称作子午面，把传输中总是位于子午面内的光线称为子午光线）C当光线在芯包界面上的入射角大于时，将产生全反射。若小于，入射光一部分反射，一部分通过界面进入包层，经过多次反射后，光很快衰减掉。所以可以形象地说阶跃光纤中的传输模式是：靠光射线在纤芯和包层的界面上全反射而使能量集中在芯子之中传输。cc这里首先定义光纤的相对折射率差，这一参数直接影响光纤的性能。光纤通信中所用的光纤的△一般小于1％，所以△可近似表示为由光纤中光线在界面的全反射条件。可以推出临界角为那么光在纤芯端面的最大入射角应满足由此可以定义光纤的数值孔径为数值孔径表征了光纤的集光能力。由此看出n1,n2差别越大，即△越大，光纤的集光能力越强。通信用光纤的数值孔径是较小的。cmax在多模阶跃折射率光纤中满足全反射条件，但入射角不同光线的传输路径是不同的，使不同的光线所携带的能量到达终端的时间不同，即存在着时延差，即模式色散，从而使传输的脉冲发生了展宽，限制了光纤的传输容量。采用射线光学的分析方法可以计算出多模阶跃折射率光纤中子午光线的最大时延差：（2）多模渐变折射率光纤的射线光学理论分析多模渐变折射率光纤纤芯中的折射率是连续变化的。它随纤芯半径r的增加按一定规律减小，如前图9．4所示。采用渐变光纤的目的是减小多模光纤的模式色散。在多模渐变折射率光纤中，相对折射率差定义为渐变折射光纤的折射率分布可以表示为如图9．7所示的渐变光纤中的子午射线，以不同入射角进入纤芯的光射线在光纤中传过同一距离时，靠近光纤轴线的射线所走的路程短，而远离轴线所走的路程长。由于纤芯折射率是渐变的，所以近轴处的光速慢，远轴处的光速快。当折射率分布指数g取最佳时，就可以使全部子午射线以同样的轴向速度在光纤中传输。分析指出，如果光纤的折射率分布采取双曲正割函数的分布，所有的子午射线具有完善的自聚焦性质，即从光纤端面入射的子午光线经过适当的距离会重新汇聚到一点，这些光线具有相同的时延。纤芯折射率分布为分析渐变光纤中的光线传输轨迹时，采用射线方程，可以由已知的折射率分布和初始条件求出光线的轨迹。射线方程为由于渐变光纤纤芯折射率是变化的，所以纤芯端面上不同点的集光能力不同，因此在渐变光纤中引入本地数值孔径的概念，它是指光纤端面上某一点的数值孔径，表征了渐变光纤端面上某一点的集光能力的大小。其表达式为2．采用波动理论分析光纤的特性光是电磁波它具有电磁波的通性。因此，光波在光纤中传输的一些基本性质都可以从电磁场的基本方程——麦克斯韦方程组——推导出来。一般的求解方法是由麦克斯韦方程组推导出光在均匀介质中的波动方程，经过简化后的波动方程为式中μ0为光波导介质（或真空）的导磁率；ε为光波导介质的介电系数。如果电磁场作简谐振荡，由波动方程可以推出均匀介质中的矢量亥姆霍兹方程在直角坐标系中，E，H的x，y，z分量均满足标量的亥姆霍兹方程在光纤的分析中，求上述亥姆霍兹方程满足边界条件的解，即可得到光纤中的场的解答。求解的方法主要有标量近似解和矢量解。（1）标量近似解分析阶跃光纤时，假设光纤里的横向(非光传输的方向）电磁场的幅度满足标量亥姆霍兹方程，求出近似解。这是一种近似，前提是光纤的相对折射率差已很小。西很小的光纤称作弱导波光纤，一般阶跃光纤可以满足这一条件。分析渐变光纤时，假设纤芯的尺寸无穷，边界不起作用，然后假设横向（非光传输的方向）电磁场的幅度满足标量亥姆霍兹方程，求出近似解。采用这一解法可以得到光纤中各个模式的传输系数、模式的截止条件、单模传输条件、多模传输时的模式数量、模式功率分布等的简便计算公式。还可以利用这一方法来分析光纤的色散特性。采用标量近似解得到的光纤中的模式为标量模。（2）矢量解矢量解是求满足边界条件的矢量亥姆霍兹方程的解答。矢量解中各个分量在直角坐标系中都满足标量的亥姆霍兹方程。在分析阶跃光纤时，纤芯和包层的折射率都是均匀的，所以矢量解是严格的分析方法，它可以得到精确的模式及分布，但是比较复杂。对于渐变光纤，需要作一些近似假设，分析仍然十分复杂，需进行数值计算。采用矢量解得到的光纤中的模式为矢量模式。9.2.3光纤的传输特性光纤的传输特性主要包括光纤的损耗特性和色散特性，此外还有光纤的非线性效应。1．光纤的损耗特性光波在光纤中传输时，随着传输距离的增加，光功率会不断下降。光纤对光波产生的衰减作用称为光纤的损耗。衡量光纤损耗特性的参数为衰减系数（损耗系数）α，定义为单位长度光纤引起的光功率衰减，其表达式为光纤的损耗特性是光纤的一个很重要的传输参数，它对于评价光纤质量和确定光纤通信系统的中继距离有着决定性的作用。目前光纤在1.55μm处的损耗可以做到0.2dB／km左右，接近光纤损耗的理论极限值。（1）引起光纤损耗的因素光纤的损耗因素主要有吸收损耗、散射损耗和其他损耗。这些损耗又可以归纳为本征损耗、制造损耗和附加损耗等。除上述三类损耗外，在光纤的使用中还会存在连接损耗、耦合损耗，如果光纤中入射光功率超出某值时还会有非线性效应带来的散射损耗。（2）光纤的损耗特性曲线——损耗谱将以上三类损耗相加就可以得到总的损耗，它是一条随波长而变化的曲线，叫做光纤的损耗特性曲线——损耗谱。第9章光纤通信技术如图9.8为石英光纤的损耗谱曲线。从图中可以看到光纤通信所使用的3个低损耗“窗口”——3个低损耗谷，850nm波段——短波长波段1310nm波段——长波长波段1550nm波段——长波长波段。目