1、光纤通信原理第一章 概论内容摘要：-本章主要介绍光纤通信的发展简史，光纤通信的特点，概括了光纤通信系统的主要构成，并且简单说明了光纤通信系统中的多媒体应用，最后指出光纤通信的发展方向。-本章重点要求：- -了解光纤通信的发展史，理解光在电磁波谱中的位置、光纤通信所用光波的波长范围。掌握光纤通信系统的组成、光纤通信的特性。第一节. 光纤通信简史-光纤通信是以光作为信息载体，以光纤作为传输媒介的通信方式。光纤通信技术是近 30 年迅猛发展起来的高新技术，给世界通信技术乃至国民经济、国防事业和人民生活带来了巨大变革。为了使读者对光纤通信的发展历程有个基本了解，现将该技术的进程简要介绍如下。（1）19
2、66 年，英籍华人高锟 (CKKao)预见利用玻璃可以制成衰减为 20dBkm 的通信光导纤维(简称光纤)。当时，世界上最优秀的光学玻璃衰减达 l000dBkm 左右。1970 年，美国康宁公司首先研制成衰减为 20dBkm 的光纤。从此，光纤就进入了实用化的发展阶段，世界各国纷纷开展光纤通信的研究。-光纤的主要作用是引导光在光纤内沿直线或弯曲的途径传播。为了实现长距离的光纤通信，必须减小光纤的衰减。CKKao 早就指出降低玻璃内的过渡金属杂质离子是降低光纤衰减的主要因素。另一方面，玻璃内的 OH 离子对衰减也有严重的影响。到了 1976 年，人们设法降低 OH 含量后发现低衰减的长波长窗口有
3、：1.31m、1.55m。1980 年，光纤衰减已降低到 0.2dBkm (1.55m)，接近理论值。这样，使得进行长距离的光纤通信成为可能。与此同时，为促进光纤通信系统的实用化，人们又及时地开发出适用于长波长的光源、激光器、发光管、光检测器。应运而生的光纤成缆。光无源器件和性能测试及工程应用仪表等技术日臻成熟。这都为光纤光缆作为新的通信传输媒介奠定了良好的基础。1976 年，美国西屋电气公司在亚特兰大成功地进行了世界上第一个 44.736Mbits 且传输110km 的光纤通信系统的现场实验，使光纤通信向实用化迈出了第一步。1981 年以后，用光纤通信技术大规模地制成商品并推向市场。历经近
4、20 年突飞猛进的发展，光纤通信速率由 1978 年的45Mbits 提高到目前的 40Gbits。- 我国自 70 年代初就开始了光纤通信技术的研究。1977 年，武汉邮电研究院研制成功中国第一根阶跃折射率分布的、波长为 0.85m 多模光纤。后来又研制成单模光纤和特殊光纤以及光通信设备。现在，我国光纤通信产业已初具规模，能够生产光纤光缆、光电器件、光端机及其他工程应用方面的配套仪表器件等。由此可见，中国已具有大力发展光纤通信的综合实力。第二节. 光纤通信使用波段1、光在电磁波谱中的位置-光波与无线电波相似，也是一种电磁波，只是它的频率比无线电波的频率高得多。红外线、可见光和紫外线均属于光波
5、的范畴。图 1-1 下图所示为电磁波波谱图。可见光是人眼能看见的光，其波长范围为 0.39 至 0.76 。红外线是人眼能看不见的光，其波长范围为 0.76 至 300。 一般分为：近红外区， 其波长范围为 0.76 至 15 ；中红外区，其波长范围为 15至 25 ；远红外区，其波长范围为 25 至 300 。2、光纤通信使用波段-目前光纤通信所用光波的波长范围为 =0.82.0 ，属于电磁波谱中的近红外区。其中0.81.0 称为短波长段，1.02.0 称为长波长段。-目前光纤通信使用的波长有三个：0.85 、1.31 、1.55 。图 1-1 上图为光纤损耗与波长的关系，从图中可以看到从
6、0.82.0 为光纤的低损耗区域，或称为低损耗窗口。-光在真空中的传播速度约为 ，根据波长 、频率 和光速 之间的关系式（1-1）可计算出各电磁波的频率范围。对应光纤通信所用光波的波长范围，由式(1-1)可得相应的频率范围为 。可见光纤通信所用光波的频率是非常高的。正因为如此，光纤通信具有其他通信无法比拟的巨大的通信容量。第三节光纤通信的特点与电缆或微波等电通信方式相比，光纤通信的优点如下：(1)传输频带极宽，通信容量很大；(2)由于光纤衰减小，无中继设备，故传输距离远；(3)串扰小，信号传输质量高；(4)光纤抗电磁干扰，保密性好；(5)光纤尺寸小，重量轻，便于传输和铺设；(6)耐化学腐蚀；(
7、7)光纤是石英玻璃拉制成形,原材料来源丰富，并节约了大量有色金属。光纤通信同时具有以下缺点：(1)光纤弯曲半径不宜过小；(2)光纤的切断和连接操作技术复杂； (3)分路、耦合麻烦。-由于光纤具备一系列优点，所以广泛应用于公用通信、有线电视图像传输、计算机、空航、航天、船舰内的通信控制、电力及铁道通信交通控制信号、核电站通信、油田、炼油厂、矿井等区域内的通信。第四节 光纤通信系统就广义而言，通信就是各种形式信息的转移或传递。通常的具体做法是首先将拟传递的信息设法加载(或调制)到某种载体上，然后再将被调制的载体传送到目的地后，将信息从载体上解调出来。光纤通信系统中电端机的作用是对来自信息源的信号进
8、行处理，例如模拟数字转换多路复用等；发送端光端机的作用则是将光源( 如激光器或发光二极管 )通过电信号调制成光信号，输入光纤传输至远方；接收端的光端机内有光检测器( 如光电二极管)将来自光纤的光信号还原成电信号，经放大、整形、再生恢复原形后，输至电端机的接收端。对于长距离的光纤通信系统还需中继器，其作用是将经过长距离光纤衰减和畸变后的微弱光信号经放大、整形、再生成一定强度的光信号，继续送向前方以保证良好的通信质量。目前的中继器多采用光-电-光形式，即将接收到的光信号用光电检测器变换为电信号，经放大、整形、再生后再调制光源将电信号变换成光信号重新发出，而不是直接放大光信号。近年来，适合作光中继器
9、的光放大器(如掺铒光纤放大器)已研制成功，这就使得采用光纤放大器的全光中继及全光网络将会变得为期不远。第五节 光纤通信的多媒体应用由于多媒体应用信息量大，就性能价格和信号特征而言，必须采用压缩技术，压缩掉人不能分辨的部分以节约频带。假设不使用压缩技术，一个标准的个人电脑上的 80MB 硬盘只可存储约8min 的具有 CD 品质的立体声，或约 35s 的电视广播品质的运动视频。采用压缩磁盘后，CDROM 则可以存储 72min 的高保真音乐，或存储 20min 的电视广播品质的运动视频。那么位速呢?立体声的 CD 品质的声音如果不压缩的话，要求网络以每秒钟 140 万位的恒定速率传送一个比特流，
10、这对于局域网来说是足够的。但是，由于传统的局域网技术是基于在若干个端系统(一般从几十个到几百个)之间共享一条电缆或光纤，因而有太多的这样的数据流无法并行流动。共享的最大位速范围通常是从 10Mbps(以太网技术)到 100MbPs(快速以太网或 FDDI 技术)。当不压缩时，PAL 品质的数字运动视频需要 160Mbps通道。这与已有的共享传送媒体思想为概念的局域网技术是相矛盾的。在长距离通信上存在着采用哪种速度的地面电缆电路， 但是使它们专用单独一个视频通道所需的费用是令人无法接受的。在这种速度下，卫星线路的性能价格比最高，费用仍然很昂贵。所以采用压缩和编码的必要性是显而易见的。多媒体应用需
11、求的网络特征，与其他应用相比有许多相同的特性，也有不少如下特有的特征：要求连续媒体信息(音频和视频)进行实时传送。对连续媒体信息的编码使得被交换的数据容量大而非常重要。大多数应用是面向分布的，特别是当服务于常驻用户时。基于这样的观察，我们选择了 4 个能用数量表示并且应用于通信子网的性能规则以及两个应用于大型“网络“的关键特征。4 个关键的通信子网的性能规则如下：(1)吞吐量：多媒体通信要求的吞吐量是很大的；(2)传输延迟：多媒体通信要求的传输延迟很小；(3)延迟变化：多媒体通信要求的传输延迟波动很小；(4)差错率：多媒体通信要求的传输误码率很低。这些参数与支持连续媒体的实时传送密切相关。-大
12、型“网络“的最关键的特性如下：(1)多点播送和广播能力；(2)文件缓存能力。这些特征与支持基于下载的分布和检索的应用密切相关。从前面的分析可以看出，光纤通信具备许多优点，能够满足多媒体通信的各种要求。因此，光纤必将是多媒体通信传输介质的最佳方案。第六节光纤通信的发展20 世纪提出了构建信息高速公路的伟大设想。信息高速公路从根本上说是一个全国范围乃至全球范围的宽频带、高速度、高可靠性、无传输错误的先进综合通信网络，它将任何信息源(包括声音、文件、图形、影视、数据等)连接到全部网络，送达千家万户。-一切信息源在数字化以后都是一样的，即 01010101011 这样的 0、1 形式。话音为 3kHz
13、，故每秒需传播 64K 比特。电视为 8MHz，故每秒需传播 90M 比特。一部 90min 的电影片，用现有的电话网络传输，需要两天的时间，这是不现实的。所以必须采用宽频带和高速网络技术。用光纤网络传输，一部电影只要一分钟即可传输完了。我国若采用 OC48 做成超级干线，一部电影只有 4s钟就可以传送完毕。-只有超干线和干线是不够的， 因为到每个用户若用电话线或其他窄带的传输介质接入， 都会成为一个传输瓶颈。 为了解决这一难题，国际上已取得共识，认为利用和改造目前的有线电视网是一条捷径，即改造(或新建)成为混合光缆同轴互联网络(HFC)。从前端以光缆连到光节点，再用同轴作为分配网络，这样系统
14、就能直接把交互型话音、数据和视频信号送入家庭和用户。在电视机上可加装一个机顶变换器(机顶盒)，或在计算机上接了一个电缆调制解调器，就可以实现远程教学、远程医疗、电子购物、上网、交互式电子游戏、可视电话、IP 电话、电子银行等功能。由此把人们带入一个全新的信息化社会。 近年来出现的塑料光纤(POF)又称为聚合物光纤(Plastic optical fiber)。POF 性能价格比好，因此为光纤到用户打开了大门 (FTTH)。当前，国际推荐的 IEEEl394 串行接口中， 是使用带屏蔽的双金属线对 ( Shielded Twisted Pair， STP )， 速率虽然可以达 100Mbs，但距
15、离多在4.5m 以内，有一定的局限性。另一种就是正在开始初步实用的塑料光纤，由于 POF 本身具有比STP 更多的优点，在家庭网和其他局域网的室内配线中受到了重视。 宽带综合业务数字网(B-ISDN)是一种基于异步传输模式(ATM)的通信网络，为了进一步提高传输速率，建立同步数字系列 (SDH)网络是必由之路。21 世纪是个信息时代，为了满足人类不断增长的信息需求，现在这种高价全新的宽带 IP 网络能传输千兆比特多媒体数字信号。 为了增加光缆的传输距离， 近来研究成功了光放大器，这样就不必进行光电转换、放大、再电光转换，从而实现了直接光放大到全光网络。这对于提高信号质量、降低成本、提高网络的可
16、靠性都是非常有益的。我国经济正在高速发展，已进入信息时代。现已铺设了 360 000km 光缆；建成连接 21 个主要城市的数据网络；有强大的航天卫星工业；已经建造并在高速发展的巨大的有线电视网。具有中国特色的信息高速公路正在高速发展。我们深信中国在 21 世纪的信息时代会有更伟大的作为。第二章 光纤与导光原理内容摘要：-由于光纤具有低损耗、容量大以及其他方面的许多优点，现已成为通信系统的重要传输介质之一。光纤特性包括它的结构特性、光学特性及传输特性。结构特性主要指光纤的几何尺寸（芯径等）； 光学特性包括折射率分布、 数值孔径等；传输特性主要是损耗及色散特性。-本章在简要介绍光纤结构和分类的基
17、础上，首先，用射线光学理论分析光纤的传输原理；然后用波动理论讨论光纤中的模式特性，给出光纤中完善的场的描述；最后对光纤的损耗及色散特性进行讨论。-本章重点要求：- 能用射线光学理论分析光纤的导光原理；理解单模光纤、多模光纤、色散位移光纤的概念；掌握光纤单模传输条件的计算公式；理解光纤损耗和色散的概念及其对光纤通信系统的影响。第一节 光纤的结构和分类211 光纤的结构-光纤是传光的纤维波导或光导纤维的简称。其典型结构是多层同轴圆柱体，如图 2-1 所示，自内向外为纤芯、包层和涂覆层。-核心部分是纤芯和包层，其中纤芯由高度透明的材料制成， 是光波的主要传输通道；包层的折射率略小于纤芯，使光的传输性
18、能相对稳定。纤芯粗细、纤芯材料和包层材料的折射率，对光纤的特性起决定性影响。涂覆层包括一次涂覆、缓冲层和二次涂覆，起保护光纤不受水汽的侵蚀相机械的擦伤， 同时又增加光纤的柔韧性， 起着延长光纤寿命的作用。212 光纤的分类 -根据折射率在横截面上的分布形状划分时，有阶跃型光纤和渐变型 (梯度型) 光纤两种。阶跃型光纤在纤芯和包层交界处的折射率呈阶梯形突变，纤芯的折射率 n1 和包层的折射率 n2 是均匀常数。渐变型光纤纤芯的折射率 nl 随着半径的增加而按一定规律(如平方律、双正割曲线等) 逐渐减少，到纤芯与包层交界处为包层折射率 n2，纤芯的折射率不是均匀常数。-根据光纤中传输模式的多少，可
19、分为单模光纤和多模光纤两类。单模光纤只传输一种模式，纤芯直径较细，通常在 4m10m 范围内。而多模光纤可传输多种模式，纤芯直径较粗，典型尺寸为 50m 左右。-按制造光纤所使用的材料分，有石英系列、塑料包层石英纤芯、多组分玻璃纤维、全塑光纤等四种。光通信中主要用石英光纤，以后所说的光纤也主要是指石英光纤。-另外，若按工作波长来分，还可分为短波长光纤和长波长光纤。多模光纤可以采用阶跃折射率分布，也可以采用渐变折射率分布；单模光纤多采用阶跃折射率分布。因此，石英光纤大体可以分为多模阶跃折射率光纤、多模渐变折射率光纤和单模阶跃折射率光纤等几种。它们的结构、 尺寸、 折射率分布及光传输的示意图如下页
20、 图 2-2a、2-2b、2-2c 所示。-第二节 光纤中的射线光学理论-光波长很短，但相对光纤的几何尺寸要大得多，因此从射线光学理论的观点出发，研究光纤中的光射线，可以直观认识光在光纤中的传播机理和一些必要的概念。本节用射线光学理论对阶跃型及渐变型多模光纤的传输特性进行分析。射线光学的基本关系式是有关其反射和折射的菲涅耳（Fresnel)定律。首先，我们来看光在分层介质中的传播，如图 2-3 所示。图中介质 1 的折射率为 ,介质 2 的折射率为 ，设 。当光线以较小的 角入射到介质界面时，部分光进入介质 2 并产生折射，部分光被反射。它们之间的相对强度取决于两种介质的折射率。由菲涅耳定律可
21、知反射定律 (2-1)折射定律 (2-2)在 时，逐渐增大 ，进入介质 2 的折射光线进一步趋向界面，直到 趋于 。此时，进入介质 2 的光强显著减小并趋于零，而反射光强接近于入射光强。当 极限值时，相应的 角定义为临界角 。由于 ,所以临界角（2-3）当 时，入射光线将产生全反射。应当注意，只有当光线从折射率大的介质进入折射率小的介质，即 时，在界面上才能产生全反射。221 阶跃型光纤中的射线光学分析全反射现象是光纤传输的基础。光纤的导光特性基于光射线在纤芯和包层界面上的全反射，使光线限制在纤芯中传输。光纤中有两种光线，即子午光线和斜射光线。子午光线是位于子午面(过光纤轴线的平面)上的光线，
22、而斜射光线是不经过光纤轴线传输的光线。图 2-5 所示阶跃型的光纤，纤芯折射率为 ，包层的折射率为 ，且 ，空气折射率为 。在光纤内传输的子午光线，简称内光线，遇到纤芯与包层的分界面的入射角大于 时，才能保证光线在纤芯内产生多次全反射，使光线沿光纤传输。-然而，内光线的入射角大小又取决于从空气中入射的光线进入纤芯中所产生折射角 ，因此， 空气和纤芯界面上入射光的入射角 就限定了光能否在光纤中以全反射形式传输。与内光线入射角的临界角 相对应， 光纤入射光的入射角 有一个最大值 。 如图 2-6 所示：当光线以 入射到纤芯端面上时，内光线将以小于 的入射角投射到纤芯和包层界面上。这样的光线在包层中
23、折射角小于 90 度， 该光线将射入包层，很快就会漏出光纤。如图 2-7 所示：由上面分析可知，当光线从空气入射到纤芯端面上的入射角 时，进入纤芯的光线将会在芯包界面间产生全反射而向前传播，而入射角 的光线将进入包层损失掉。因此，入射角最大值 确定了光纤的接收锥半角。 是个很重要的参数，它与光纤的折射率有关。下面讨论 的确定：-由菲涅耳定律，对于内光线，有(2-4)因为 所以 即 (2-5)当光线以 入射到纤芯端面上时，入射光线在光纤内将以大于 的入射角投射到纤芯和包层界面上。这样的光线在包层中折射角大于 90 度，该光线将在纤芯和包层界面产生多次全反射，使光线沿光纤传输。如图 2-8 所示：
24、对于空气和纤芯界面，有(2-6)由（2-5）式代入（2-6）式得即 (2-7)定义为光纤的数值孔径，用 NA 表示。它的平方是光纤端面集光能力的量度。在空气中的折射率 ，因此，对于一根光纤，其数值孔径为(2-8)纤芯和包层的相对折射率差 ，定义为(2-9)则光纤的数值孔径 可以表示为(2-10)-NA 是表示光纤波导特性的重要参数，它反映光纤与光源或探测器等元件耦合时的耦合效率。应注意，光纤的数值孔径 仅决定于光纤的折射率，而与光纤的几何尺寸无关。在多模阶跃折射率光纤中，满足全反射、 但入射角不同的光线的传输路径是不同的，结果使不同的光线所携带的能量到达终端的时间不同，如图 2-9 所示，从而产生了脉冲展宽，这就限制了光纤的传输容量。
