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1、光纤通信系统顾畹仪李国瑞编著光纤通信系统优秀课件课程的性质与任务 本课程是“通信工程”、“电子信息”、计算机应用等专业的一门专业课。这门课主要介绍了光纤通信的基本概念，基本组成，光纤的传输理论和特性，光端机的组成和特性；数字光纤通信系统及通信网络各项性能指标，光通信网的设计及规划，光通信的新技术。 光纤通信系统优秀课件课程基本要求：掌握光纤通信系统的基本组成；了解光纤和光缆的结构和类型，光纤的传输原理和特性，光纤特性的测量；了解光源、光检测器和光无源器件的类型、原理和性质；掌握光端机的组成和特性；数字光纤通信系统(PDH和SDH)；了解光纤通信新技术了解模拟光纤通信系统，包括副载波复用光纤通信
2、系统；光纤通信的若干新技术，如光纤放大器、光波分复用技术、光交换技术、光孤子通信、相干光通信技术、光时分复用技术等；了解光纤通信网络，包括单波长的SDH传送网，多波长的WDM全光网和光接入网。光纤通信系统优秀课件主要内容第1章概述第2章光纤的传输理论第3章光源和光调制第4章光接收机第5章光纤通信系统和通信网第6章光纤通信新技术光纤通信系统优秀课件课程的重点和难点本课程的重点是光纤的传输特性、半导体器件工作原理、光同步传输网网络结构、光纤通信系统的设计、掺铒光纤放大器的性能与应用、密集波分复用技术和全光通信网的原理和关键技术。本课程的难点是光纤传输的波动理论、无源光器件和有源光器件的原理，光接受
3、机灵敏度的计算、它们涉及到光学原理和电磁场理论，教学中强调基本概念，避免繁琐的公式推导，着重讲解有用结论的物理意义。光纤通信系统优秀课件 教教 学学 方方 式式 以理论讲授为主，实验讲授及实际操作为辅。 考考 核核 方方 式式 闭卷考试 本课程通过二方面 进行考核： 作业20%，考 试80%光纤通信系统优秀课件第一章 概 述 内容（2学时）1.1通信网1.2光纤通信的发展与现壮1.3光纤通信的主要特性1.4光纤通信系统的组成和分类光纤通信系统优秀课件基本要求基本要求了解通信网的网络结构、光纤通信在通信网中的位置和作用、光通信的发展历史与发展前景、光通信的特点、组成。光纤通信系统优秀课件1.1
4、通信网：（一）、通信系统 终端、传输线（二）、通信网：多个通信系统的有机结合 终端、交换、传输设备组成光纤通信系统优秀课件终端：磁石话机、共电话机、脉冲话机、多频话机、数字话机、电传机、三类传真机、四类传真机、计算机交换： 磁石交换机、共电交换机、纵横制交换机 模拟程控交换机、数字程控交换机、IP交换机 ATM交换机传输：电话线、铁线、铜线、载波、微波、光纤光纤通信系统优秀课件1.2光纤通信的发展与现状1.2.1早期的光通信到了1880年，贝尔发明了第一个光电话，这一大胆的尝试，可以说是现代光通信的开端。在这里，将弧光灯的恒定光束投射在话筒的音膜上，随声音的振动而得到强弱变化的反射光束，这个过
5、程就是调制。贝尔电话系统贝尔电话系统音膜大气作为光通道213M光纤通信系统优秀课件1.2.2光纤通信在大气光通信受阻之后，人们将研究的重点转入到地下光波通信的实验，先后出现过反射波导和透镜波导等地下通信的实验，如图1.2.2所示。（1962-1964）图图1.2 .2 反射波导和透镜波导反射波导和透镜波导光纤通信系统优秀课件1966年，英籍华人高锟(K.C.Kao，当时工作于英国标准电信研究所)博士深入研究了光在石英玻璃纤维中的严重损耗问题，发现这种玻璃纤维引起光损耗的主要原因是其中含有过量的铬、铜、铁与锰等金属离子和其他杂质，其次是拉制光纤时工艺技术造成了芯、包层分界面不均匀及其所引起的折射
6、率不均匀，他还发现一些玻璃纤维在红外光区的损耗较小。在高锟理论的指导下，1970年美国的康宁公司拉出了第一根损耗为20dB/km的光纤。1977年美国在芝加哥进行了44.736Mbit/s的现场实验，1978年，日本开始了32.064Mbit/s和97.728Mbit/s的光纤通信实验；1979年，美国AT&T和日本NTT均研制出了波长为1.55m的半导体激光器，光纤通信系统优秀课件日本也做出了超低损耗的光纤(损耗为0.2dB/km，波长为1.55m)，同时进行了多模光纤(同时允许多个方向的光线在其中传送的光纤)1.31m的长波长传输系统的现场试验。70年代、80年代、90年代光纤通信已经发展
7、到以采用光放大器增加中继距离和采用波分复用增加传输容量为特征的第四代系统。到如今，已开始采用全光网络,通信容量达到上千GMZ1.3光纤通信的主要特性1.3.1光纤通信的优点1.光纤的容量大光纤通信是以光纤为传输媒介，光波为载波的通信系统，其载波光波具有很高的频率(约1014GHz)，因此光纤具有很大的通信容量。光纤通信系统优秀课件2.损耗低、中继距离长目前，实用的光纤通信系统使用的光纤多为石英光纤，此类光纤在1.55m波长区的损耗可低到0.18dB/km，比已知的其他通信线路的损耗都低得多，因此，由其组成的光纤通信系统的中继距离也较其它介质构成的系统长得多。如果今后采用非石英光纤，并工作在超长
8、波长(2m)，光纤的理论损耗系数可以下降到10-310-5dB/km，此时光纤通信的中继距离可达数千，甚至数万公里。3.抗电磁干扰能力强 我们知道，电话线和电缆一般是不能跟高压电线平行架设的，也不能在电气铁化路附近铺设。4.保密性能好对通信系统的重要要求之一是保密性好。然而，随着科学技术的发展，电通信方式很容易被人窃听：只要在明线或电缆附近(甚至几公里以外)设置一个特别的接收装置，就可以获取明线或电缆中传送的信息。更不用去说无线通信方式5.体积小，重量轻6.节省有色金属和原材料光纤通信系统优秀课件1.3.2光纤通信的缺点事物都是一分为二的，光纤通信有许多优点，因而发展很快，但光纤通信也有以下缺
9、点。1.抗拉强度低2.光纤连接困难1.4光纤通信系统的组成和分类1.4.1光纤通信系统的组成光纤通信系统是以光纤为传输媒介，光波为载波的通信系统。主要由光发送机、光纤光缆、中继器和光接收机组成。系统中光发送机的作用是将电信号转换为光信号，并将生成的光信号注入光纤。光发送机一般由驱动电路、光源和调制器组成。光纤通信系统优秀课件光接收机的作用是将光纤送来的光信号还原成原始的电信号。它一般由光电检测器和解调器组成。光纤的作用是为光信号的传送提供传送媒介(信道)，将光信号由一处送到另一处。中继器分为电中继器和光中继器(光放大器)两种，其主要作用就是延长光信号的传输距离。1.4.2光纤通信系统的分类根据
10、调制信号的类型，光纤通信系统可以分为模拟光纤通信系统和数字光纤通信系统。根据光源的调制方式，光纤通信系统可以分为直接调制光纤通信系统和间接调制光纤通信系统根据光纤的传导模数量，光纤通信系统可以分为多模光纤通信系统和单模光纤通信系统。根据系统的工作波长，光纤通信系统可分为短波长光纤通信系统、长波长光纤通信系统和超长波长光纤通信系统。光纤通信系统优秀课件第第2章章 光纤的传输理论光纤的传输理论(10学时学时)主要内容2.1、光纤的几何描述2.2、光在光纤中的传输2.3、光纤的模式2.4、光纤的损耗2.5、光纤的色散2.6、单模光纤与光缆2.7、光纤的非线性特性光纤通信系统优秀课件 基本要求基本要求
11、掌握用射线方法分析光纤导光原理数值孔径和时延差；掌握模式的有关概念；掌握光纤的损耗、色散和非线性以及影响。了解光纤的结构与分类；了解常用光纤的主要特性参数；了解光纤的模式理论。 重点、难点重点、难点光纤的波动理论、光纤的色散和非线性特性。光纤通信系统优秀课件2.1光纤几何描述（一）光纤的结构：光纤通信系统优秀课件（二）光纤的分类：1.石英系光纤：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三种，如图1.1.3。2.多组份玻璃纤维：钠玻璃掺有适当杂质3.塑料包层光纤4.全塑光纤光纤通信系统优秀课件(光纤的射线理论分析)1、基本光学定义和定律光在均匀介质中是沿直线传播的，其传播速
12、度为v=c/n式中：c2.997105km/s，是光在真空中的传播速度；n是介质的折射率(空气的折射率为1.00027，近似为1；玻璃的折射率为1.45左右)。2.2、光在光纤中的传输光纤通信系统优秀课件反射定律：反射光线位于入射光线和法线所决定的平面内，反射光线和入射光线处于法线的两侧，并且反射角等于入射角，即：1 1。折射定律：折射光线位于入射光线和法线所决定的平面内，折射光线和入射光线位于法线的两侧，且满足：n1sin1=n2sin2112n1n2光纤通信系统优秀课件2、光纤中光的传播子午射线:光线始终在一个包含光纤中心轴线的平面内传播，并且一个传播周期与光纤轴线相交两次;那个包含光纤轴
13、线的固定平面称为子午面；偏射线:光线在传播过程中不在一个固定的平面内，并且不与光纤的轴线相交.光纤通信系统优秀课件（1）子午射线在阶跃型光纤中的传播阶跃型光纤是由半径为a、折射率为常数n1的纤芯和折射率为常数n2的包层组成，并且n1n2，如图下图所示。如果光在纤芯中传输必须满足全反射条件:SinC=n2/n1那么光的最大入射角：sinmax=n1sina(900-C)=（n12-n22）1/2光纤通信系统优秀课件1）、光纤的数字孔径：NA=（n12-n22）1/22）、 相对折射率差： 单位长度最大群时延：3)、最大群时延光纤通信系统优秀课件（2.）子午射线在渐变型光纤中的传播渐变型光纤与阶跃
14、型光纤的区别在于其纤芯的折射率不是常数，而是随半径的增加而递减直到等于包层的折射率。双曲正割函数抛物线分布光纤通信系统优秀课件（3.） 偏射线在光纤中的传播子午射线的传播过程始终在一个子午面内，因此可以在二维的平面内来分析，很直观。而偏射线是一个不在一个平面内的空间曲线光纤通信系统优秀课件2.3、光纤的模式(波动理论)一）、介质平板波导中光的传输模式介质平板波导中光的传输模式 均匀平面波的一般概念均匀平面波的一般概念均匀平面波的一般概念均匀平面波的一般概念所谓均匀平面波是指在与传播方向垂直的无限大的平面上，电场强所谓均匀平面波是指在与传播方向垂直的无限大的平面上，电场强度度E和磁场强度和磁场强
15、度H的幅度和相位都相等的波型，简称为平面波。平面的幅度和相位都相等的波型，简称为平面波。平面波是非常重要的波型，一些复杂的波可以由平面波叠加得到。在折波是非常重要的波型，一些复杂的波可以由平面波叠加得到。在折射率为射率为n的无限大的介质中，一工作波长为的无限大的介质中，一工作波长为0的平面波在其中传播，的平面波在其中传播，其波数为：其波数为： 式中：式中：k0是真空中的波数，是真空中的波数，是光的角频率，是光的角频率，和和分别是介质的导分别是介质的导磁率和介电常数磁率和介电常数,设平面波传播方向的单位矢量为设平面波传播方向的单位矢量为as，则则k = ask称称为平面波在该介质中的波矢量。为平
16、面波在该介质中的波矢量。光纤通信系统优秀课件 导行波和辐射波的概念导行波和辐射波的概念导行波和辐射波的概念导行波和辐射波的概念 当平面波由光密介质射向两介质分界面上时，根据入射角当平面波由光密介质射向两介质分界面上时，根据入射角1的大小，的大小，可以产生两种类型的波：当入射角大于临界角时产生导行波，能量集中可以产生两种类型的波：当入射角大于临界角时产生导行波，能量集中在光密介质及其界面附近；当入射角小于临界角时产生辐射波，一部分在光密介质及其界面附近；当入射角小于临界角时产生辐射波，一部分能量辐射到光疏介质中并在其中传播。对于光波导来说，导波是一种重能量辐射到光疏介质中并在其中传播。对于光波导
17、来说，导波是一种重要的波型。要的波型。1、分析步骤分析步骤 基本波导方程式基本波导方程式 介质平板波导中存在的传输模式介质平板波导中存在的传输模式 求解各模式的特征方程，分析传输条件和截止条件求解各模式的特征方程，分析传输条件和截止条件2、过程、过程基本波导方程式（1）波动方程在均匀介质中，介质材料一般是线性和各向同性的，并且不存在均匀介质中，介质材料一般是线性和各向同性的，并且不存在电流和自由电荷，因此在无源区域，均匀、无损、简谐形式在电流和自由电荷，因此在无源区域，均匀、无损、简谐形式的麦克斯韦方程组为的麦克斯韦方程组为光纤通信系统优秀课件法拉第电磁感应定律安培环路定律磁通连续性定律高斯定
18、律对于各向同性的线性媒质：D=E，B=波动方程：光纤通信系统优秀课件（）基本波导方程式将波导的纵轴定义成Z轴，设波导中能量是沿Z方向传播的，传输常数为，不依赖于Z但随x，y变化，则波导中的电磁场可为利用上述公式经过计算得光纤通信系统优秀课件（3）、介质平板波导中存在的传输模式）、介质平板波导中存在的传输模式光纤通信系统优秀课件设（4）TE模式的特征方程(EZ=EX=HY=0,EY,HX,HZ0,EY=EY(x,y)e-iz奇TE模的特征方程(5)传输常数的确定偶TE模的特征方程光纤通信系统优秀课件特征方程光纤通信系统优秀课件用作图的办法求传输常数若设计一个多模介质波导单模传输条件光纤通信系统优
19、秀课件波导中参数与模式数量的关系光纤通信系统优秀课件（6）模式截止条件当某模式在平板介质以外也有振荡形式的解,这个模式就是截止状态,表征这个解的参数是临界状态X是介质板的法线方向光纤通信系统优秀课件(二)、阶跃折射率光纤的模式理论1、光纤中存在的模式TM0m：场分量沿圆周方向不变化HZ=EHr=0TE0m场分量沿圆周方向不变化Ez=Er=H=0HEVM、EHVM混和模2、各模式截止值的方程光纤通信系统优秀课件3、光纤中的主模归一化频率光纤的归一化频率V=0时，HE11模才截止，即截止频率为0，永不截止，故称为光纤中的主模。4、单模传输条件：单模传输条件：光纤通信系统优秀课件光纤通信系统优秀课件
20、5、光纤中导模数量的计算阶跃折射率光纤：M=V2/2g=2时的渐变折射率光纤：M=V2/46、模功率分布在纤芯中导模携带的功率为：用同样的方法也可以计算导模在包层中携带的光功率各层传输功率占总功率之比：光纤通信系统优秀课件2.4、光纤的损耗（一）、概念1、定义:光波在光纤中传输随着传输距离的增加光功率下降的现象2、分类 （1）、吸收损耗：）、吸收损耗：由制造光纤材料本身以及其中的过渡金属离子和氢氧根离子(OH)等杂质对光的吸收而产生的损耗。A、本征吸收损耗本征吸收损耗在光学波长及其附近有两种基本的吸收方式。紫外吸收损耗(短波长）由光纤中传输的光子流将光纤材料中的电子从低能级激发到高能级时，光子
21、流中的能量将被电子吸收,从而引起的损耗。红外吸收损耗（长波长)由于光纤中传播的光波与晶格相互作用时，一部分光波能量传递给晶格，使其振动加剧，从而引起的损耗。光纤通信系统优秀课件B、杂质吸收损耗非固有损耗光纤中的有害杂质主要有过渡金属离子，如铁、钴、镍、铜、锰、铬等和OH。（2）、散射损耗A、瑞利散射光纤材料的本征散射主要指瑞利散射，它是由于光纤中折射串在微观上的随机起伏所引起。石英光纤在加热拉制过程中，由于热骚动，使原子得到的压缩性不均匀，这使物质的密度不均匀，进而使折射率不均匀，这种不均匀性在冷却的过程中被固定下来。这种不均匀度与波长相比是小尺寸的，因此产生的散射称为瑞利散射。瑞利散射按I4
22、的比例产生损耗，在较长的波长上传输时，瑞利散射损耗大大减小。B、波导散射损耗光纤波导宏观上的不均匀性也会增加光纤的损耗，称之为波导散射损耗。波导散射损耗是由于波导尺寸、结构上的不均匀以及表面畸变引起模式转换或模式耦合所造成。由于不均匀性，一部分导模可能转换成辐射模，而产生附加损耗。C、非线性散射损耗当入射光功率很强时，光纤中存在两种非线性散射，它们都与石英光纤的振动激发态有关，分别为受激喇曼散射和受激布里渊散射。光纤通信系统优秀课件（3）、辐射损耗（弯曲损耗）（弯曲损耗）光纤的弯曲有两种形式：一种是曲率半径比光纤的直径大得多的弯曲，我们习惯称为弯曲或宏弯；另一种是光纤轴线产生微米级的弯曲，这种
23、高频弯曲习惯称为微弯。光纤的弯曲会产生一定的辐射损耗按照损耗机理损耗又可分为：固有损耗：本征吸收和瑞利散射它决定了光纤的损耗极限。非固有损耗：杂质吸收、波导散射、非线性辐射、弯曲损耗光纤通信系统优秀课件光纤通信系统优秀课件光纤通信系统优秀课件（二）、参数光纤损耗系数即传输单位长度(1km)光纤所引起的光功率减小的分贝数，一般用表示损耗系数，单位是dB/km。用数学表达式表示为：式中：L为光纤长度，以km为单位；P1和P2分别为光纤的输入和输出光功率，以mW或W位。光纤通信系统优秀课件2.5、光纤的色散：一、概念1、定义：光信号的不同频率成分或不同模式在光纤中传输时传输速度不同而造成到达终端的时
24、间不同从而形成时延差，这种现象称为光纤的色散。色散反应了光脉冲沿光纤传播时的展宽。2、分类1）模式色散又称模间色散光纤的模式色散只存在于多模光纤中。每一种模式到达光纤终端的时间先后不同，造成了脉冲的展宽，从而出现色散现象。2）材料色散含有不同波长的光脉冲通过光纤传输时，不同波长的电磁波会导致玻璃折射率不相同，传输速度不同就会引起脉冲展宽，导致色散。3）波导色散又称结构色散它是由光纤的几何结构决定的色散，其中光纤的横截面积尺寸起主要作用。光在光纤中通过芯与包层界面时，受全反射作用，被限制在纤芯中传播。但是，如果横向尺寸沿光纤轴发生波动，除导致模式间的模式变换外，还有可能引起一少部分高频率的光线进
25、入包层，在包层中传输，而包层的折射率低、传播速度大，这就会引起光脉冲展宽，从而导致色散。光纤通信系统优秀课件4）、偏振模色散（PMD）又称光的双折射单模光纤只能传输一种基模的光。基模实际上是由两个偏振方向相互正交的模场HE11x和HE11y所组成。若单模光纤存在着不圆度、微弯力、应力等，HE11x和HE11y存在相位差，则合成光场是一个方向和瞬时幅度随时间变化的非线性偏振，就会产生双折射现象，即x和y方向的折射率不同。因传播速度不等，模场的偏振方向将沿光纤的传播方向随机变化，从而会在光纤的输出端产生偏振色散。PCVD工艺生产出的单模光纤具有极低的偏振模色散（PMD）。二、色散（带宽）的描述二、
26、色散（带宽）的描述色散系数的定义是：单位光源光谱宽度、单位光纤长度所对应的光脉冲的展宽（延时差）ps/（nm.km）。光纤通信系统优秀课件2.6、单模光纤与光缆单模光纤与光缆一、单模光纤一）、单模光纤的基本分析2、传输常数3、截止波长1、横向电场分量：光纤通信系统优秀课件4、近似分布近似分布：最大近似高斯分布光纤通信系统优秀课件5、模场直径：用来表征在单模光纤的纤芯区域基模光的分布状态。基模在纤芯区域轴心线处光强最大，并随着偏离轴心线的距离增大而逐渐减弱，如右图所示。一般将模场直径模场直径定义为光强降低到轴心线处最大光强的1/e的各点中两点最大距离。模场直径模场直径的大小与所使用的波长有关系，
27、随着波长的增加模场直径增大。1310nm典型值：9.20.5m，1550nm典型10.51.0m。光纤通信系统优秀课件二）、单模光纤的结构多层结构作用（1）减小基模的损耗(2)得到纤芯半径较大的单模光纤W型凹陷型常规型光纤通信系统优秀课件三）单模光纤的频率色散1、单模光纤频率色散的计算单位长度的光纤中的传输时延单位长度的光纤的时延差N1=n1+（群折射率）单位频率单位长度的时延差（一）（二)(三）无模式色散光纤通信系统优秀课件2、单模光纤的零频率色散单模光纤的材料色散和波导色散在适当的波长可以互相抵消材料色散波导色散1.52.4光纤通信系统优秀课件材料色散波导色散光纤通信系统优秀课件四）、单模
28、光纤的极化1.单模光纤的极化演化2.极化色散光纤通信系统优秀课件、极化色散、极化色散对于弱导行光纤，对于弱导行光纤，y 和和x之差之差为光纤通信系统优秀课件3、单模单极化光纤、单模单极化光纤在单模光纤的许多应用中，例如单模光纤通信系统或集成光路的激发等许多应用中，都要求双折射很小或者要求输出极化保持恒定，这就提出了单模单极化光纤的问题。解决这个问题往注从下述三个方面入手：第一个方法是减小单模光纤的不完善性，尽量减小其椭圆度、减小其内部残余应力，以尽量减小单模光纤中的双折射；第二个方法是制作尽可能高的双折射光纤，使两个基模的传输系数之差很大，使光纤微扰产生的耦合作用很小，当光纤输入端激发起某一个
29、极化方向的基模时，可以在较长的距离里保持它的主导地位，从而得到单模单极化传输；第三个方法是把光纤设计成水平极化或垂直极化被，使两个极化方向的模式的传输损耗不等，以致使其中一个截止，得到绝对单模光纤。制作椭圆光纤或在光纤内形成强内应力是增加双折射的有效方法，用这种方法制作的几种高双折射光纤如图15.6所示。绝对单模光纤的制作方法是在轴对称的折射率分布里加进两个折射率深谷，其结构如图157所示。光纤通信系统优秀课件光纤通信系统优秀课件五)、单模光纤的发展与演变1、常规单模光纤常规单模光纤(G.652光纤)，其结构多采用阶跃型或者下陷包层型折射率分布。这种光纤的零色散波长在1.31m，在该波长上有较
30、低的损耗和很大的带宽，曾经大量敷设，在光纤通信中扮演过重要角色。的性能。2、色散位移光纤G.653光纤。这种光纤的基本设计思路是通过结构和尺寸的适当选择来加大波导色散，使零色散波长从1.3lm移到1.55m,G.653光纤在80年代末和90年代初被认为是富有应用前景的理想光纤。3、非零色散位移光纤（NZ-DSF）G.655光纤，在1.53m-1.565m波长区域内具有较小的但非零的色散（16ps/nm.km），从而既能适应高速系统对带宽的要求，有能使FWM效率不高。NzDSF光纤的纤芯采用三角形或梯形折射率分布，如图1.5.8所示。它的色散在15301565nm(EDFA的工作波长)范围内可以
31、是正的，也可以是负的。若零色散波长小于1530nm，则为正色散：若零色散波长大于1565nm，则为负色散。从而实现长距离上的色散管理。光纤通信系统优秀课件4、大有效面积光纤NzDSF光纤的缺点是模场直径较小，容易加剧非线性光学效应的影响。为了克服这缺点，同时也便于接续，人们又研制了大有效面积NZDSF光纤。图1.5.9给出康宁玻璃公司研制的两种大有效面积NzDSF光纤的折射率分布。一种是三角形+外环结构，另一种是双环结构。三角形和内环纤芯的作用是将零色散波长移向l.55m”，外环的作用是把光从中心吸引出来一部分，增大有效面积，减少微弯损耗。5、色散补偿光纤色散补偿光纤。这种光纤在1.550m波
32、段产生大的负色散，当与G.652光纤连接使用时，可以抵销G652光纤的正色散。图1.5.9大有效而积Nz-DSF的折射率分布光纤通信系统优秀课件二、光 缆（一）光缆特性1.拉力特性光缆能承受的最大拉力取决于加强构件的材料和横截面积，一般要求大于1km光缆的重量，多数光缆在100400kg范围。2.压力特性光缆能承受的最大侧压力取决于护套的材料和结构，多数光缆能承受的最大侧压力在100400kg/10cm。3.弯曲特性弯曲特性主要取决于纤芯与包层的相对折射率差以及光缆的材料和结构。4.温度特性光纤本身具有良好的温度特性。光纤通信系统优秀课件（二）成缆对光纤特性的影响1.成缆的附加损耗不良的成缆工
33、艺，把光纤制成光缆后，会带来附加损耗，称之为成缆损耗。2.机械强度增加一般光纤的断点强度约为15kg，而由于光缆结构中加入了加强构件、护套、甚至铠装层等，因此其断点强度远大于上述值；不仅如此，光缆的抗侧压、抗冲击和抗扭曲性能都有明显增强。光纤通信系统优秀课件图3.14 光纤和光缆的温度特征3.成缆可以改善光纤的温度特性套塑光纤或带有表面涂层的光纤，它的损耗随温度变化如图3.14中虚线所示。把光纤制成光缆，温度特性会得到相当大的改善，如图3.14中的实线所示。光纤通信系统优秀课件（三）、光缆的结构光缆的结构一般分为缆芯和护层两大部分。(1)缆芯在光缆的构造中，缆芯是主体，其结构是否合理，与光纤的
34、安全运行关系很大。一般来说，缆芯结构应满足以下基本要求：光纤在缆芯内处于最佳位置和状态，保证光纤传输性能稳定，在光缆受到一定的拉力、侧压力等外力时，光纤不应承受外力影响；其次缆芯内的金属线对也应得到妥善安排，并保证其电气性能；另外缆芯截面应尽可能小，以降低成本和敷设空间。(2)护层光缆护层同电缆护层的情况一样，是由护套和外护层构成的多层组合体。其作用是进一步保护光纤，使光纤能适应在各种场地敷设，如架空、管道、直埋、室内、过河、跨海等。对于采用外周加强元件的光缆结构，护层还需提供足够的抗拉、抗压、抗弯曲等机械特性方面的能力。光纤通信系统优秀课件3、光缆的典型结构光缆的基本结构按缆芯组件的不同一般
35、可以分为层绞式、骨架式、束管式和带状式四种，如图2.21所示。我国及欧亚各国用的较多的是传统结构的层绞式和骨架式两种。图图2.21光缆的典型结构示意图光缆的典型结构示意图光纤通信系统优秀课件(1)层绞式结构层绞式光缆的结构类似于传统的电缆结构方式，故又称为古典式光缆。(2)骨架式结构骨架式光缆中的光纤置放于塑料骨架的槽中，槽的横截面可以是V形、U形或其他合理的形状，槽的纵向呈螺旋形或正弦形，一个空槽可放置510根一次涂覆光纤。(3)束管式结构束管式结构的光缆近年来得到了较快的发展。它相当于把松套管扩大为整个纤芯，成为一个管腔，将光纤集中松放在其中(4)带状式结构带状式结构的光缆首先将一次涂覆的
36、光纤放入塑料带内做成光纤带，然后将几层光纤带叠放在一起构成光缆芯。光纤通信系统优秀课件（四）、光缆的种类与型号1.光缆的种类光缆的种类很多，其分类方法也很多，习惯的分类有：根据光缆的传输性能、距离和用途，光缆可以分为市话光缆、长途光缆、海底光缆和用户光缆；根据光纤的种类，光缆可以分为多模光缆、单模光缆；根据光纤套塑的种类，光缆可以分为紧套光缆、松套光缆、束管式新型光缆和带状式多芯单元光缆；根据光纤芯数的多少，光缆可以分为单芯光缆和多芯光缆等等；根据加强构件的配置方式，光缆可以分为中心加强构件光缆(如层绞式光缆、骨架式光缆等)、分散加强构件光缆(如束管式光缆)和护层加强构件光缆(如带状式光缆)；
37、根据敷设方式，光缆可以分为管道光缆、直埋光缆、架空光缆和水底光缆；根据护层材料性质，光缆可以分为普通光缆、阻燃光缆和防蚁、防鼠光缆等。光纤通信系统优秀课件2.光缆的型号6光缆的种类较多，同其他产品一样，具有具体的型式和规格。(1)光缆的型式代号光缆的型式代号是由分类、加强构件、派生(形状、特性等)、护套和外护层五部分组成，如图2.22所示。图图2.22 光缆的型式代号光缆的型式代号光纤通信系统优秀课件光缆分类代号及其意义GY：通信用室(野)外光缆；GR：通信用软光缆；GJ：通信用室(局)内光缆；GS：通信用设备内光缆；GH：通信用海底光缆；GT：通信用特殊光缆；GW：通信用无金属光缆。加强构件
38、的代号及其意义无符号：金属加强构件；F：非金属加强构件；G：金属重型加强构件；H：非金属重型加强构件。光纤通信系统优秀课件派生特征的代号及其意义B：扁平式结构；Z：自承式结构；T：填充式结构；S：松套结构。注：当光缆型式兼有不同派生特征时，其代号字母顺序并列。护套的代号及其意义Y：聚乙烯护套；V：聚氯乙烯护套；U：聚氨酯护套；A：铝、聚乙烯护套；L：铝护套；Q：铅护套；G：钢护套；S：钢、铝、聚乙烯综合护套。光纤通信系统优秀课件外护层的代号及其意义外护层是指铠装层及铠装层外面的外被层，参照国标GB2952-82的规定，外护层采用两位数字表示，各代号的意义如表2.4所示。(2)光纤的规格代号光纤
39、的规格代号是由光纤数目、光纤类别、光纤主要尺寸参数、传输性能和适用温度五部分组成，各部分均用代号或数字表示。光纤数目用光缆中同类别光纤的实际有效数目的阿拉伯数字表示。光纤通信系统优秀课件光纤类别的代号及其意义J：二氧化硅系多模渐变型光纤；T：二氧化硅系多模阶跃型(突变型)光纤；Z：二氧化硅系多模准突变型光纤；D：二氧化硅系单模光纤；X：二氧化硅纤芯塑料包层光纤；S：塑料光纤。光纤的主要尺寸参数代号及其意义用阿拉伯数字(含小数点)以m为单位表示多模光纤的芯径/包层直径或单模光纤的模场直径/包层直径。传输性能代号及其意义光纤的传输特性代号是由使用波长、损耗系数、模式带宽的代号(分别为a、bb、cc
40、)构成。光纤通信系统优秀课件其中a表示使用波长的代号，其数字代号规定如下：1：使用波长在0.85m区域；2：使用波长在1.31m区域；3：使用波长在1.55m区域。bb表示损耗系数的代号，其数字依次为光缆中光纤损耗系数值(dB/km)的个位和十分位。cc表示模式带宽的代号，其数字依次是光缆中光纤模式带宽数值(MHzkm)的千位和百位数字。单模光纤无此项。注意：同一光缆适用于两种以上的波长，并具有不同的传输特性时，应同时列出各波长上的规格代号，并用/划开。适用温度代号及其意义A：适用于-40+40；B：适用于-30+50；C：适用于-20+60；D：适用于-5+60。光纤通信系统优秀课件2.7、
41、光纤的非线性特性一、非线性光学效应1、产生的机理当介质受到光场的作用时，组成介质的原子或分子内的电子相对于原子核发生微小的位移或振动，使介质产生极化，也就是说光场的存在使得介质的特性发生了变化。极化后介质内出现了偶极子，这些偶极子能辐射出相应频率的电磁波。这种感生的辐射场叠加到原入射场上，便是介质内的总光场。这说明介质特性的改变又反过来影响了光场。这一过程由极化强度矢量P(r，t)与电场强度矢量E(r，t)的关系来描述。光波在介质中传播，满足波动方程；光纤通信系统优秀课件如果：线性的强电场作用使得电极化强度P是E的非线性函数。因为外界施加的光电场与原子间或晶格内的场相比一般是小的，既使用聚焦的
42、激光束，这一非线性通常也很弱。对于小光场E，P与E的关系近似为线性，当E增强时P与E略微偏离线性关系。在这样的条件下，描写P与E关系的函数可以围绕E0展开成泰勒级数，如下式所示：光纤通信系统优秀课件在半导体、介质晶体中的典型值=二阶非线性系数x(2将产生如二次谐波及和频等一系列非线性效应。但它只在某些分子结构不对称的介质中才不为零。因为sio2是对称分子，因而对石英玻璃x(2)，为零，所以光纤通常不表现出二阶非线性效应。但光纤纤芯中的掺杂物在特定的条件下也会产生二次谐波。对光纤主要讨论三阶非线性效应。2、非线性光学效应1）、非线性折射。由于三阶非线性系数的作用，使得折射率依赖于光强，如下式：光
43、纤通信系统优秀课件假设电场是线偏振的折射率对光强度的依赖特性引起大量有趣的非线性效应，其中两个应用最广泛的是自相位调制(SPM)和交叉相位调制(XPMCfossPh3seModulatlon)效应。（1）、自相位调制自相位调制是指传输过程中光脉冲由于自身光场引起相位变化，导致光脉冲频谱扩展的现象。自相位调制与“自聚焦”现象有密切联系，实际上，自相位调制现象最早就是通过光脉冲在充满二硫化碳(CS2)的盒子中传输时的瞬态自聚焦现象观察到的。光纤通信系统优秀课件光脉冲在光纤中传播相位改变为：NL与光场强度的平方成正比，是光纤非线性作用引起的相位变化，由此可产生光纤的自相位调制。从原理上讲自相位调制可
44、用来实现调相。但实现调相需要很强的光强，且须选择n2，大的材料。自相位调制的真正应用是在光纤中产生光孤子，实现光弧子通信。这是光纤非线性特性的重要应用。光纤通信系统优秀课件（2）交又相位调制当几个不同波长的光波在光纤中同时传输时，光波之间将通过光纤的非线性而发生相互作用。此时介质对某一波长的有效折射率不仅与该波长波的强度有关，而且与传输的其他波的强度有关。交叉相位调制就是指光纤中传输的某一波长的光波光场为E1)与同时传输的另一不同波长的光波(光场为E2)相互作用而引起的相移。光场为E1的光波的相移NL可表示为：前一项是由自相位调制引起，后一项即为交叉相位调制引起。交叉相位调制使传输的光脉冲的频
45、谱不对称地展宽。交叉相位调制引入了光波与光波之间的耦合，在光纤中产生了大量的有趣的非线性效应。光纤通信系统优秀课件它包括不同频率、相同偏振的波之间以及同一频率但不同偏振的波之间的耦合。利用交叉相位调制引入的非线性双折射，开发出了“光克尔(kerr)开关”和强度鉴别器两种实用器件。光克尔效应是指利用强泵浦光作用于一个各向同性的非线性介质，将产生交叉相位调制，使强光信号对相对较弱的信号的传输产生影响。这一效应在1ps量级延迟时间的光开关中有应用前景。克尔开关的工作原理如图342所示。光纤通信系统优秀课件向与y方向的折射率改变。当无泵浦信号时，试探信号无法通过检偏器。注入强泵浦光信号后，在X、y两方
46、向的折射率将发生不等的变化，因此改变了试探信号的偏振方向，使之可通过检偏器而到达检测器，即开关呈“开”状态。为了在实验中观察到光克尔效应，需要使用保偏光纤。在一个多信道复用的系统中，自相位调制和交叉相位调制两者共同作用改变各信道光场的相位。如果信息通过幅度调制传输，并且采用非相干解调的方式，像在直接检测系统中那样，非线性相位改变对系统性能影响不严重。然而，如果用相干技术解调，相位改变就会严重限制系统的性能。2）受激非弹性散射:光和物质相互作用发生了能量间的部分交换.俗称非弹性散射。受激非弹性散射为其特殊的一种,散射光子与种子光子是全同光子。根据参与能量交换的声子能量的大小,分为受激布里渊散射(
47、SBS)和受激拉曼散射光纤通信系统优秀课件（1）受激喇曼散射受激喇曼散射是光纤中很重要的非线性过程。它可看作是介质中分子振动对入射光(标为泵浦光)的调制。设入射光的频率为，介质的分子振动频率为，则散射光的频率为s一as=+这种现象叫做受激喇曼散射。所产生的频率s的散射光叫斯托克斯波(stokcs)，频率为as的散射光叫反斯托克斯波。对斯托克斯波可用物理图像描述如下一个人射的光子消失，产生了一个频率下移的光子(即stokes波)和一个有适当能量和动量的光子，在这个过程中能量和动量守恒。受激喇曼散射效应在波分复用系统中，会引起系统中各信道之间的串话，对通信性能带来不良影响。在喇曼散射过程中，短波长
48、的信道将会充当泵浦源而将能量转移给长波长的信道，从而引起信道间的串话。这就限制了系统的传输功率。对于单信道系统，光纤中受激喇曼放大效应的阈值功率仍远大于目前通信系统使用的光源人纤功率，因而不会对系统的特性产生严重影响。光纤通信系统优秀课件（2）受激布里渊散射受激布里渊散射与受激喇曼散射在物理过程上十分相似，入射频率为的泵浦光波特一部分能量转移给频率s斯托克斯波，并发出频率为的声波，可表示为：一s受激布里渊散射与受激喇曼散射在物理本质上稍有差别。受激喇曼散射的频移量在光频范围属光学分支，而受激布里渊散射的频移量在声频范围，属声学分子。另外，光纤中的受激喇曼散射发生在前向，即斯托克斯波和泵浦光波传
49、播方向相同，而受激布里渊散射发生在后向，其斯托克斯波和泵浦光波传播方向相反。光纤中的受激布里渊散射的阈值功率比受激喇曼散射的低得多。在光纤中，一旦达到受激布里渊散射阈值，将产生大量的后向传输的斯托克斯波例如，当输入功率超过5mw时，会有65的功率转换成斯托克斯光。这一方面损耗了信号功率另一方面反向传输的斯托克斯光将反馈给激光器，使激光器工作不稳定。这些都将对光通信系统产生不良影响。另一方面，受激布里渊散射又可用来构成布里渊放大器和激光器等另一方面，受激布里渊散射又可用来构成布里渊放大器和激光器等光纤元件。在连续波的情况下，受激布里渊散射易于产生，因为它的阈值相对较低。但脉冲工作情况下，如果脉冲宽度T010ns，则受激布里渊散射将会减弱或被抑制。光纤通信系统优秀课件从形式上看，式中正负号决定的几个不同频率的光场都可能存在。但是要有显著的四波混频现象发生，必须要求频率及波矢匹配。即满足相位的匹配条件：3）、四波混频其相位匹配条件相对较易满足，四波混频过程较易发生，而其他组合都不能有效地产生。在波分复用系统中，特别是当信道间隔很小的时候，可能有相当大的倍道功率通过四波混频过程被转换到新的光场中去。这一转换一方面直接导致信道功率损耗，另一方面还会产生串话，引起信道问干扰。光纤通信系统优秀课件光纤通信系统优秀课件
