光传输通信基本原理

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1、第一部分 光传输通信基本原第一章、 光纤通信原第一节、光纤通信的概一、光纤通信的概光纤通信概：用光纤来传输携带信息的光波以达到通信的目的。 典 型的光纤通信系统方框图如下：光发送关机_LD7APD-光接机丿光发送机b光1接收机中继器V电端机电端机（数字）（数字）模拟信息 模拟信息数字光纤通信系统方框图从图中可以看出，数字光纤通信系统基本上由光发送机、光纤与光接收机组成。发送端的电端机把信息（如话音）进模 /数转换，用转换后的数字信号去 调制发送机中的光源器件LD，则LD就会发出携带信息的光波。即当数字信号为 “1时，光源器件发送一个“传号光脉冲；当数字信号为“ 0时，光源器件 发送一个“空号

2、（发光） 。光波经低衰耗光纤传输后到达接收端。在接收端， 光接收机把数字信号从光波中检测出来送给电端机，而电端机再进数 /模转换， 恢复成原来的信息。就这样完成一次通信的全过程。 其中光发送机的调制方式 有两种：直接调制也称内调制（一般速小于等于 2.5GB/S时）；间接调制也称 外调制（一般速大于 2.5GB/S时）。二、光纤通信的特点1、通信容大2、中继距离长3、保密性能好2、适应能强5 、体积小、重轻、于施工和维护6、原材来源丰富，潜在的价格低第二节、光纤的导光原一、全反射原 我们知道，当光线在均匀介质中传播时是以直线方向进的，但在到达两种同介质 的分界面时，会发生反射与折射现象，如图

3、2.5 所示。图 2.5 光的反射与折射根据光的反射定，反射角等于入射角。 根据光的折射定：2.2)n Sin0 = n Sin01 2 2 2其中 n1 为纤芯的折射， n2 为包层的折射。显然，n1n2，则会有&2 & 。如果n1与n2的比值增大到一定程，则会使折射角& 290，此时的折射光线再进入包层，而会在纤芯与包层的分界面上过（&2=9时），或者重返回到纤芯中进传播 （& 290时）。这种现象叫做光的全反射现象，如图 2.6 所示。人们把对应于折射角& 等于 90的入射角叫做临界角。很容可以得到临界角n0 = Sin t 2 oKn1难解，当光在光纤中发生全反射现象时，由于光线基本上

4、全部在纤芯区进传播， 没有光跑到包层中去，所以可以大大低光纤的衰耗。早期的阶跃光纤就是按这种思进 设计的Jo第三节、光纤与光缆基本概一、光纤的结构光纤呈圆柱形，由纤芯（直径约9-50um）、包层（直径约125um）与涂敷层（直径约1.5cm）三大部分组成，如下图：涂层包层n2纤芯n11包层n2丿涂层纤芯主要采用高纯的 Si02 （二氧化硅），并掺有少的掺杂剂， 提高纤芯 的光折射 n1 ；包层也是高纯的二氧化硅，也掺杂一些掺杂剂，主要是低 包层的光折射 n2 ；涂敷层采用丙烯酸酯、硅橡胶、尼龙，增加机械强和可 弯曲性。二、光纤的分类方式光纤有以下的分类方式：1 、按折射分布分类A、阶跃光纤SI

5、定义：在纤芯与包层区域内，折射的分布分别是均匀的，其值分别是n1与n2，但在纤芯与包层的分界处，其折射的变化是阶跃的。其折射分布的表达式为：n1r 小于等于 a1 时n(r)=n2式中：n1 为光纤纤芯区的折射n2 为包层区的折射a1 为纤芯半径a2 为包层半经B、渐变光纤GI定义：光纤蛛心处的折射最大，但随横截面的增加而逐渐变小，其 变化规一般符合抛物线规， 到纤芯与包层的分界处， 正好到与包层区域 的折射相等的数值；在包层区域中其折射的分布是均匀的。2、按传输的模式分类多模光纤多模光纤纤芯的几何尺寸远大于光波波长，一般在50um左右，光信号是以多 个模式方式进传播的， 光信号的波长以主纵模

6、为准。同的传播模式会具 有同的传播速和相位， 因此经过长距离的传播之后会产生时延，导致光 脉冲变宽，叫做光纤的模式色散或模间色散。由于模式色散影响较严重， 低多模光纤的传输容和距离， 多模光纤仅用于较小容、 短距离的光纤 传输通信。 单模光纤定义：传输光波的模式只有一种。（目前主用）当光纤的几何尺寸可以于光波长相比拟时，即纤芯的几何尺寸与光信号波长相差大时，一般为 510um，光纤只允许一种模式在其中传播，其 余的高次模全部截止，这样的光纤叫做单模光纤。单模光纤只允许一种模 式在其中传播，从而避免模式色散的问题，故单模光纤具有极宽的带宽， 特别适用于大容的光纤通信。对于单模光纤，由于光纤的几何

7、尺寸小，使 V 的值小于2.2028，这样 N 的值就为1 ，只有一种模式3、按工作波长分类短波长光纤定义：习惯上把波长在600-900nm范围内呈现低衰耗光纤称 做短波 长光纤。 长波长光纤定义：习惯上把波长在1000-2000nm范围内的光纤 称做短波长光 纤。2、套塑类型分类A、紧套光纤 定义：指二次、三次涂敷层与予涂敷层及光纤的纤芯、包层等紧密的 结合在一起的光纤。目前居多。B、松套光纤定义：指经过予涂敷层的光纤松散的放在一塑管中，再进二 次、三次涂敷。三、光纤的种类以及应用状况、 G.652 光纤1310nm 性能最佳光纤（色散未移位光纤）。它有二个波长工作区：1310nm与1550

8、nm。在1310nm波长：色散最小（夫移位），小于 3.5ps/nm.km ；但损耗较大，为 0.30.4dB/km。在1550nm波长：色散较大，为20ps/nm.km ；但损耗很小，为0.150.25dB/km。 在我国占99%以上。虽称1310nm性能最佳光纤，但绝大部分却用于1550nm，其 原因是在1310nm 无实用化光放大器。它可会传输2.5G或以2.5G为基群的WDM系统；但传输TDM的10G ，面临色散 受限的难题（色色散与PMD）。 、G.653光纤1550nm性能最佳光纤（色散移位光纤）。它主要用于1550nm波长工作区。在1550nm波长，色散较小（色散移位），为3.5

9、ps/nm.km ；损耗也很小，为 0.150.25dB/km。但它能用于 WDM方式，因会出现四波混频效应（FWM）。 、G.654光纤1550nm 损 耗 最 小 光 纤 。 它 主 要 用 于 1550nm 波 长 工 作 区 ， 其 损 耗 为0.150.19dB/km ；主要用于海缆通信。 、G.655光纤它是为克服G.653光纤的FWM效应而设计的新型光纤其性能与G.653光纤类似， 但既能用于WDM，又能传输TDM方式的10G。想情况：A）、低色散：210ps/nm.km ；B）、色散斜小于 0.05ps/nmlkm，于色散补偿；C）、大的有效面积，可避免出现非线性效应。目前，

10、G.655 光纤尚无国际统一规范。-大的有效面积，会有效地避免非线性效应，但将导致色散斜的增加。 -小的色散斜将会于色散的补偿；但其有效面积却减小。四、光缆结构层绞式、骨架式、束管式、带状式第四节、光纤的特性与参数一、光纤的三大特性光纤的特性参数可以分为三大类即几何特性参数、光学特性参数与传输 特性参数。二、光纤的衰耗 衰耗系数 a衰耗系数是光纤最重要的特性参数之一。因为在很大程上决定光纤通信 的中继距离。衰耗系数的定义为：每公光纤对光功信号的衰减值。其表达式为：pa = 101g p(dB/km)(2.6)O其中Pi 为输入光功值(瓦特)PO 为输出光功值(瓦特)如某光纤的衰耗系数为a=3d

11、B/km，则Pa = 1Oo.3 = 2PO这就意味着，经过一公的光纤传输之后，其光功信号减少一半。长为 L 公的光纤的衰耗值为 A = aL 。 光纤的衰耗机使光纤产生衰耗的原因很多，但可归纳如下：本征吸收I吸收衰耗： f杂质吸收线性散射衰耗 ： 散射衰耗： 非线性散射结构完整散射其它衰耗（微弯曲衰耗）丄本征吸收：定义：构成光纤材本身所固有的吸收作用。 纯二氧化硅对光的吸收作用所引起的光纤衰耗是比较小，在 600-900NM波长范围稍大，但小于ldB/km,而在1000-1800波长范围，几乎为。丄杂质吸收：光纤中的杂质对光的吸收作用，是造成光纤衰耗的主要原因。 光纤中的杂质大致可以分为二大

12、类，即过渡属离子与氢氧根离子。 过渡属离子包括铜、铁、铬、钴、锰、镍离子等，这些离子在光的作 用下会发生震动而吸收光能； 每种离子有自己的吸收峰波长， 上述过渡属 离子的吸收峰波长在6001800nm波长范围。氢氧根离子对光的吸收峰波长在 10001800nm波长范围；因此在此波 长范围氢氧根离子的含多少对光纤的衰耗具有重大影响。丄散射衰耗：定义：所谓散射衰耗是指光在光纤中发生散射时所引起的衰耗。光的散射现象可分为线性散射与非线性散射。A. 线性散射衰耗瑞散射所谓线性散射，是指光波的某种模式的功线性地（与其功成正比） 转换成另一种模式的功， 但光的波长变。 线性散射会把光功辐射到光纤外 部而引

13、起衰耗。瑞散射是典型的线性散射， 它与波长的2次方成反比，即光波长越长， 瑞散射衰耗越小。光纤材均匀，会造成其折射会布均匀，产生瑞散射。B. 非线性散射衰耗所谓非线性散射，是指某光波长模式的部分功非线性地转换到其它的 波长中。布渊散射与曼散射是典型的非线性散射。如果光纤中的光功过大，就会出现非线性散射现象。因此防止发生非 线性散射的根本方法，就是要使光纤中的光功信号过大，如超过 +25dBm。丄其它衰耗其它衰耗包括微弯曲衰耗与连接衰耗等；它们占的比很小。总之，在影响光纤衰耗的诸多因素中，最主要的是杂质吸收所引起的衰耗。 光纤材中的杂质如氢氧根离子与过渡属离子对光的吸收能极强，它们是产生光纤衰耗

14、的主要因素。因此要想获得低衰耗光纤，必须对制造光纤用的原材 二氧化硅等进非常严格的化学提纯，使其杂质的含到几个PPb 以下。三、光纤的色散：当一个光脉冲从光纤输入，经过一段长的光纤传输之后， 其输出端的光脉 冲会变宽，甚至有明显的失真。 这说明光纤对光脉冲有展宽作用，即光纤存在 着色散（色散是沿用光学中的名词） 。光纤的色散是引起光纤带宽变窄的主要原因，而光纤带宽变窄则会限制光纤的传输容。对于多模光纤引起色散的原因主要有三种：模式间色散、材色散与波导色 散。对于单模光纤，因只有一种传输模式（HE11 ，LP01），所以没有模式间色散， 而只有材色散与波导色散。模式间色散因为光在多模光纤中传输时

15、会存在着许多种传播模式，而每种传播模式具有 同的传播速与相位， 因此虽然在输入端同时输入光脉冲信号，但到达到接收 端的时间却同，于是产生脉冲展宽现象。材 色散AtA所谓材色散是指组成光纤的材即二氧化硅本身所产生的色散。波导色散At w所谓波导色散是指由光纤的波导结构所引起的色散。对多模光纤而言，其 波导色散的影响甚小。四、光纤的带宽带宽系数的定义为：一公长的光纤， 其输出光功信号下到其最大值 （直光输入时的输出光功值）的一半时，此时光功信号的调制频就叫做光纤的带宽系数。如下图所示：需要注意的是，由于光信号是以光功来的，所以其带宽又称为 3dB 光带宽。即光功信号衰减 3dB 时意味着输出光功信号减少一半。 而一般的电