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1、1第一章 光纤的基本原理光纤是传输信息的主要介质，因此必须要对光纤的结构与分类、光纤的导光原理以及光纤的有关特性有所了解。第一节 光纤结构和分类一、光纤的结构光纤有不同的结构形式。目前，通信用的光纤绝大多数是用石英材料做成的横截面很小的双层同心玻璃体，外层玻璃的折射率比内层稍低。折射率高的中心部分叫做纤芯，其折射率为 n1,直径为 2a；折射率低的外围部分称为包层，其折射率为 n2,直径为 2b。它的基本结构形式如图 11 所示。2b 纤芯 n1 2a包层 n2 图 11 光纤的基本结构二、光纤的种类虽然光纤的基本结构形式如图 11 所示，但是按照折射率分布、传输模式多少、材料成分等的不同，光
2、纤可分为很多种类，下面将有代表性的几种，简单介绍一下。（一）按照折射率分布来分一般可以分为阶跃型光纤和渐变型光纤两种。如果纤芯折射率 n1沿半径方向保持一定，包层折射率 n2沿半径方向也保持一定，而且纤芯和包层的折射率在边界处呈阶梯型变化的光纤，称为阶跃型光纤，又可称为均匀光纤。它的结构如图 12（a）所示。如果纤芯折射率 n1，随着半径加大而逐渐减小，而包层中折射率 n2是均匀的，这种光纤称为渐变型光纤，又称为非均匀光纤。它的结构如图 12（b）所示。（二）按照传输模式的多少来分所谓模式，实质上是电磁场的一种场型结构分布形式。模式不同，其场型结构不同。根据光纤中传输模式的数量，可分为单模光纤
3、和多模光纤。22b2a 图 12 光纤的折射率剖面分布 n1 n2n(r) n1 n2 n(r) n1(r)n2 O a b r O a b r (a)均匀光纤的折射率剖面分布 （b）非均匀光纤的折射率剖面分布 1、单模光纤光纤中只传输单一模式时，叫做单模光纤。单模光纤的纤芯直径较小，约为 410 um，通常，纤芯中折射率的分布认为是均匀分布的。由于单模光纤只传输基模，从而完全避免了模式色散，使传输带宽大大加宽。因此，它适用于在大容量、长距离的光纤通信。2、多模光纤在一定的工作波长下，可以传输多种模式的介质波导，称为多模光纤。其纤芯可以采用阶跃折射率分布，也可以采用渐变折射率分布。多模光纤的纤
4、芯直径约为 50 um，由于模色散的存在使多模光纤的带宽变窄，但其制造、耦合、连接都比单模光纤容易。（三）按光纤的材料来分1、石英光纤 这种光纤的纤芯和包层是由高纯度的 SiO2掺有适当的杂质制成。这种光纤的损耗低，强度和可靠性较高，目前应用最为广泛。2、石英芯、塑料包层光纤 这种光纤的芯子是用石英制成，包层采用硅树脂。3、成分玻璃纤维 一般用钠玻璃掺有适当杂质制成。4、塑料光纤 这种光纤的芯子和包层都由塑料制成。3目前，在光纤通信中主要使用石英光纤。因此，对于石英系的阶跃型光纤和渐变型光纤，采用射线法分析它们的导波模式及特性。第二节 光纤的传输原理与特性当媒质的几何尺寸远大于光波波长时，光可
5、以用一条表示光的传播方向的几何线来代表，这条几何线就称为光射线。用光射线来研究光传播特性的方法，称为射线法。这一节将采用射线法分析光波传输的基本规律，并对光纤中的导光机理进行简单分析。一、均匀平面波的一般概念所谓均匀平面波，就是指在与传播方向垂直的无限大平面的每个点上，电场强度 E 的幅度相等、相位及方向相同；磁场强度 H 的幅度也相等、相位及方向也相同。用直角坐标系把以上含义画出图来，即如图 13 所示。X E 图 13 沿正 Z 轴传播的均匀均匀平面波 H Z Y 如果均匀平面波是在均匀理想介质中传播，其特性可概括为以下几点：1、平面波的电场、磁场互相垂直，都位于与传播方向垂直的平面上而无
6、纵向分量，因此称它为横电磁波（TEM 波） 。2、匀平面波在同一等相位面上电场的幅度相等；磁场的幅度也相等；3、面波的传播方向垂直于电磁场所在的平面，传播速度为 V=1/u。如果平面波是在折射指数为 n 的无限大的介质中传播，其传播速度为 V=c/n；如果是在空气中传播，由于真空中的折射指数 n0=1,则其传播速度即为光速V=C=3108m/s。4、匀平面波在某一种无限大的介质中传播时，在单位长度上相位变化了多少，用相位常数 k 来表示。从电磁场理论中得知 k=(2/0)n,如令 k0=2/0平面波在真空中的相位常数，则平面波在某一种介质中的相位常数，应为真空中的相位常数与这种介质折射指数的乘
7、积。为 k= k0n。5、于理想介质没有损耗，因此在传播中，电场强度和磁场强度的幅度不随距离4Z 而变化。在这个问题里，主要讨论阶跃型光纤的导光机理。射线法是将光波看成一条条几何射线，用光射线理论分析光纤的传输特性。二、所谓阶跃型光纤，即是指纤芯中的折射率分布是均匀的，是一个不随半径而变化的常数。如设纤芯中折射率为 n1，包层的折射率为 n2,为了能出现全反射，要求 n1 n2。1、阶跃型光纤中的光射线在光纤中可存在如下不同形式的光射线：子午线和斜射线。a)子午线过纤芯的轴线 00可做很多平面，这些平面称为子午面。子午面上和轴线相交的光射线，就称为子午射线，简称为子午线。可以看出，这种子午线是
8、平面折线，它在端面上的投影，是一条直线。光纤的一个纵剖面，一条光射线射到光纤端面的中心，它和端面法线之间的夹角即是入射角 ，光线从空气（折射率为 n0）射向光纤端面时，遇到了两种不同介质的交界面，即发生折射。由于 n00时,才可能发生全反射。由于 n0=1，则 sinn12-n22，因此，只要能满足上式的射线，均可以在纤芯中形成导波。b)斜射线这种射线不在一个平面里，是不经过光纤轴线的空间折线。2、跃型光纤中主要特性参数的定义a)相对折射指数差光纤的纤芯和包层是采用相同的基础材料 SiO2，然后各掺入不同的杂质，使得纤芯中的折射指数 n1略高于包层中的折射指数 n2，它们的差极小。n1和 n2
9、差的大小直接影响着光纤的性能。在光纤的分析中，常使用相对折射指数差这样一个物理量来表示它们相差的程度，并用字母表示。= （n12-n22）/2 n12，当 n1与 n2差别极小时，这种光纤称为弱导波光纤，其相对折射指数差可近似表示为（n1-n2）/ n1。b)数值孔径 NA5由上面分析可知，并不是由光源射出的全部光射线都能在纤芯中形成导波，只有满足条件的子午线才可以在纤芯中形成导波。表示光纤捕捉光射线能力的物理量被定义为光纤的数值孔径，用 NA 表示。数值孔径越在表示光纤捕捉射线的能力越强。2、阶跃型光纤的导光机理由以上分析可以得出结论：阶跃型光纤是靠全反射原理将光波限制在纤芯中向前传播。只有
10、满足全反射条件的光射线才可在纤芯中形成 导波。而这些光射线射入光纤端面的角度必须是在最大射入角以内。第二章 接口规范一、光接口分类SDH 物理层主要是光接口，也可以是电接口。传统的 PDH 系统是一个自封闭系统，光接口是厂家专用的，不同厂家光接口不能混用。而 SDH 系统是一开放系统，任何厂家的任何网元都应能在光路上互通，即具备横向兼容性。为此，SDH 网元接口需要有完整而严格的规范。在原理上，SDH 信号既可以用电方式传输，又可以用光方式传输。然而，采用电气方式来传输高速 SDH 信号有很大的局限性，一般限于短距离和较低速率的传输，而采用光纤作传输手段可以适应从低速到高速，从短距离到长距离等
11、十分广泛的应用场合。为了简化横向兼容系统的开发，可以将众多的应用场合按传输距离和所用技术归纳为三种最基本的应用场合，即局内通信、短距离局间通信和长距离局间通信。这样，只需要对这三种应用场合规范三套光接口参数即可。再考虑采用电缆作传输媒质的应用场合，则一共有四类不同的应用场合。为了便于应用，将上述三种采用光纤的应用场合分别用不同代码来表示。第一个字母表示应用场合：用字母表示局内通信，表示短距离通信，表示长距离局间通信。字母后面的第一位数字表示的等级，例如数字就表示等级。第二位数字表示工作作窗口和所用光纤类型：空白或表示标称工作波长为nm,所用光纤为光纤。表示标称要作6波长为，所用光纤为和光纤表示
12、标称要作波长为，所用光纤为光纤。下面分别就上述四种不同的应用场合作简要介绍。（一）长距离局间通信（光接口）一般指局间再生段距离为km 以上的场合，即长途通信。此时既可以工作于nm 窗口，又可以工作于nm 窗口。若工作于nm窗口，则只使用光纤。若工作于nm 窗口，则、和光纤均可使用。一般光纤主要用于海底光缆通信或那些需要超长再生段距离的场合。所用光源可以为高功率多纵模激光器（） ，也可以是单纵模激光器（） ，取决于工作波长、速率、所用光纤类型等因素。（二）短距离局间通信一般指局间再生段距离为 15km 左右的场合,主要适用市内局间通信和用户接入网环境。工作波长区可以是 1310nm 窗口，也可以
13、是 1550nm 窗口。但由于传输距离较近，从经济角度出发，建议两个窗口都只用 G光纤。所用用光源可以是，也可以是低功率。（三）局内通信（光接口）一般传输距离为几百米，最多不超过 2km。传统的局内设备之间的互连由电缆担任。由于电缆的传输衰减随频率的升高而迅速增加，因而随着传输速率的增加，传输距离越来越短，已不能适应使用要求。光纤的传输衰减基本与频率无关，而且衰减值很低，可以大大延伸传输距离。此外，采用光纤作局内通信还可以基本免除电磁干扰，避免地电位差造成的问题。由于传输距离不超过km，系统只需工作在nm 窗口，并采用光纤即可。所用光源要求不高，低功率或发光二极管（）均可适用。（四）电接口电接
14、口只适用等级，所用传输媒质为同轴电缆，此时网络单元之间的最大传输距离为m。对于更高的速率，由于技术经济原因，不再提7供电接口。下表 21 总结了上述三种采用光纤的光接口分类、应用代码、光纤类型和典型传输距离。表 21 光接口分类需要格外注意，上表中的距离只是目标性距离，用于分类目的，并非实际能达到的指标距离实际工程距离必须按照有关公式计算。第三章 SDH 的基本原理第一节 SDH 介绍一、 SDH 体系和结构 A、SDH 复用结构 局间通信应用局内通信短距离长距离光源标称波长光纤类型传输距离（km）等级8B、体系单元容器 Cn(n=1-4)：STM 信号的基本单元，用来装载 G.702 规定的传输速率的信号。 虚容器 VC-n(n=1,2,3,4): 由容器加上附加的通道开销（POH）组成，通道开销提供端到端通道控制和监视信息。支路单元
