【正文】 光纖通信原理 上海電信培訓中心 高光輝 第一章 概述 3000多年前，人們就開始利用光進行通信，但 光通信的真正飛躍是在 光纖出現(xiàn) 之后， 由于光纖無可比擬的優(yōu)越性，在短短的幾十年中迅速地取代了電通信的地位，通信速率由幾 M發(fā)展到單信道10G， 40G。 11 光纖通信的發(fā)展與現(xiàn)狀 111 早期的光通信 幾千年前，中國就有火光通信：烽火臺，它是世界上最早的光通信，因為它具有光通信的基本要素： 光源、接受器、信息加在光波上和光通道。 1880年，貝爾發(fā)明了 光電話 ，它是現(xiàn)代光通信的開端，但由于找不到實用的傳輸手段而 夭折 。 112 光纖通信 1950年曾出現(xiàn)過導光用的玻璃纖維，但 損耗高達 1000db/Km，這天文數(shù)字的損耗量，使有人認為光纖傳輸無實際意義。 1960年，英籍華人高錕指出：如能將光纖中過渡金屬離子減少到最低限度，有可能使光纖的損耗減少到 1 db/Km，信息容量可能超過 100MHz。 1970年美國康寧公司拉出了 損耗 20 db/Km的光纖。 現(xiàn)在光纖的無中繼傳輸已達幾萬公里， NEC公司在實驗室完成了 10T以上容量的傳輸。 光纖通信的前途一片光明 。 12 光纖通信的主要特性 121 光纖通信的優(yōu)點 容量大 目前商用系統(tǒng)單信道 10G，多信道1600G。 如果能消除 OH吸收峰，帶寬可達140T。 損耗低、中繼距離長 目前，實用的光纖通信系統(tǒng)使用的石英光纖在 db/Km，比已知的其他通信線路的損耗低得多。如果今后采用非石英光纖，并工作在超長波長（大于 2微米），光纖損耗的理論系數(shù)可以下降到 1/10001/100000 db/Km，光纖的無中繼傳輸可達幾萬公里，在任何情況下都可以不要再生中繼。 抗干擾能力強 光導纖維是不導電的，電磁波在其中不會產(chǎn)生感生電動勢，即不會產(chǎn)生與信號無關的噪聲。 保密性好 電通信方式很容易被人竊聽，而光纖中傳送的光波被限制在光纖內(nèi)部，很少會跑到光纖之外。即使在彎曲半徑很小的位置光泄漏也十分微弱。 體積小，重量輕 目前常用的光纖纖芯直徑只有幾微米，加上包層直徑是 125微米， 500米只有 50克。一公里四管同軸電纜重 4400公斤，而一公里四芯光纜只 200公斤， 是電纜的二十分之一也不到。 節(jié)約有色金屬和原材料 光纖的主要成分是二氧化硅， 占地球重量的 24%， 而生產(chǎn)電纜需要大量的銅和鉛，在地球上快成為“稀有金屬”了。 132 光纖通信系統(tǒng)的分類 根據(jù)調(diào)制信號的類型： 模擬、數(shù)字 。 根據(jù)光源的調(diào)制方式： 直接、間接 。 根據(jù)光纖的傳導模數(shù)量： 多模、單模 。 根據(jù)工作波長： 短波長、長波長、超長波長。 第二章 光纖和光纜 眾所周知，光具有 波粒二象性 ，光既可以看成電磁波，有可以看成粒子流（光子）。因此，分析光纖中光的傳輸理論也有兩套：波動光學理論和幾何光學理論。 21 光纖的結(jié)構(gòu)與類型 211 光纖的結(jié)構(gòu) 一根實用化的光纖是由多層透明介質(zhì)構(gòu)成，一般分三部分：折射率較高的纖芯、折射率較低的包層和外面的涂覆層。 纖芯由高度透明的材料制成， 包層的折射率略小于纖芯的折射率， 從而造成一種使光限制在纖芯中傳輸?shù)男?。 涂覆層是保護光纖不受濕氣的侵蝕和機械擦傷，同時增加柔韌性，它不用于導光，可以 染成各種標志色 。 212 光纖的類型 按光纖截面上折射率分布：階躍型、漸變型。 按傳輸模式的數(shù)量：多模、單模。 按光纖的工作波長：短波長、長波長、超長波長。 按 ITUT建議： G651— G655。 22 光纖的射線理論 光在均勻介質(zhì)中是直線傳播的，速度為 v=c/n c=299700km/s (光在真空中的速度） n：介質(zhì)的折射率（空氣： , 玻璃： ) 如果有兩種不同折射率的介質(zhì)，折射率較大的稱為光密介質(zhì)，較小的稱為光疏物質(zhì)。光在光疏介質(zhì)中的傳播速度比光密介質(zhì)快。 光在一種介質(zhì)中傳播而遇到另一種介質(zhì)時，將在兩種介質(zhì)的分界面發(fā)生反射和折射。 光在光纖中傳播，在纖芯和包層的分界面發(fā)生反射和折射，當入射角足夠大時，折射光消失，光線全部返回纖芯，稱為全反射，這是光纖通信必須滿足的物理現(xiàn)象。 224 多模光纖與單模光纖 多模光纖和單模光纖是由光纖中傳輸?shù)哪Ｊ綌?shù)決定的。一根光纖是不是單模傳輸，主要由其自身結(jié)構(gòu)決定，但也與光纖中傳輸?shù)墓獠ㄩL有關。 多模光纖：允許多個模式在其中傳輸?shù)墓饫w，由于 模式色散的存在，帶寬遠小于單模光纖。早期多用，目前只在小容量、短距離系統(tǒng)（ LAN）中應用。 單模光纖：只能傳輸一種模式的光纖。由于 不存在模式色散，具有遠大于多模光纖的帶寬， 這是高速傳輸必須的，帶寬一般在幾十 G以上，且大多采用折射率階躍分布的單模光纖。 由于光纖制造工藝的提高， 單模光纖有完全取代多模光纖的趨勢。 24 光纜 經(jīng)過一次涂覆和二次涂覆（套塑）的光纖雖然具有一定的抗拉強度，但還是比較脆弱，只能用于實驗室和機房。 為了使光纖用于各種場合，并順利地完成敷設施工，必須把光纖和其他元件組合起來構(gòu)成一體，這種組合體就是光纜。 241 光纜的技術要求 使用 二十年以上 為光纖提供足夠的保護 光纖的傳輸特性不劣化 敷設容易，維護方便 纜芯 纜芯內(nèi)有光纖、光纖套管或骨架和加強元件（ 必要時還有銅線 ），還需填充油膏。 當纜芯內(nèi)有銅線和金屬加強元件時，光纜就失去了抗電磁干擾能力。因此在雷電和強電影響嚴重的地區(qū) 用塑料加強元件，中繼站用太陽能供電。 護層 是有護套和外護層構(gòu)成的多層組合體，進一步保護光纖，能適應各種場地敷設（架空、管道、直埋、室內(nèi)、過河、跨海 ）。 護層必須防潮防水 。水進入光纜后，會產(chǎn)生 OH吸收損耗 ， 總損耗大大增加 ,甚至使通信中斷。 光纜的典型結(jié)構(gòu) 層絞式：加強元件位于中心，其中 光纖數(shù)量較少（ 12芯以下）。 骨架式 ：對光纖保護較好，耐壓、抗彎性能好。 束管式：將光纖集中松放，填充油膏，改善了受力狀態(tài)，體積小、成本低。 帶狀式 ：可容納大量的光纖，適用于用戶光纜（ FTTH）。 光纜的種類 根據(jù)傳輸性能：市話、長途、海底、用戶。 根據(jù)套塑：緊套、松套、束管式、帶狀式。 根據(jù)芯數(shù)：單芯、多芯。 根據(jù)加強構(gòu)件：中心、分散、護層。 根據(jù)敷設方式：管道、直埋、架空、水底。 根據(jù)護層材料：普通、阻燃、防蟻、防鼠。 光纜的型號 ? 光纜的型式代號由分類、加強構(gòu)件、派生（形狀、特性等）、護套和外護層五部分組成。 第三章 光纖的傳輸特性 光纖的特性很多，基本上可以分為幾何尺寸特性、光學特性、傳輸特性、機械特性和溫度特性五類。其中 最主要的是光纖的傳輸特性。 31 光纖的損耗特性 光纖通信是隨著光纖損耗的不斷降低而發(fā)展起來的 ，造成光纖損耗的原因很多，其損耗機理也很復雜。 主要有三類：吸收損耗、散射損耗和彎曲損耗。 311 吸收損耗 吸收損耗是由制造光纖材料本身以及其中的過渡金屬離子和氫氧根離子等雜質(zhì)對光的吸收而產(chǎn)生的損耗，前者是由光纖材料本身的特性所決定的，稱為本征吸收損耗。 本征吸收損耗 本征吸收損耗是固有的 ，他包括紫外吸收損耗和紅外吸收損耗。 紫外吸收損耗對于波長小于 光波表現(xiàn)得特別強烈，形成紫外吸收帶。 紅外吸收損耗對于波長大于 2微米的光波表現(xiàn)得特別強烈，形成紅外吸收帶。 雜質(zhì)吸收損耗 雜質(zhì)吸收損耗可以隨雜質(zhì)濃度的降低而減小，直至清除。因此得到一個很寬的低損耗波長窗口 ，有利于波分復用（ WDM）。 原子缺陷吸收損耗 原子缺陷吸收損耗可以通過選用合適的制造工藝，不同的摻雜材料及含量使之減小到可以忽略不記的程度。 312 散射損耗 光線通過均勻透明介質(zhì)時，從側(cè)面是難以看到光線的，如果介質(zhì)不均勻，如空氣中漂浮的大量灰塵，我們便可以從側(cè)面清晰地看到光束的軌跡。這是由于介質(zhì)中的不均勻性使光線四面八方散開的結(jié)果，這種現(xiàn)象稱之為散射。散射損耗是以光能的形式把能量輻射出光纖之外的一種損耗。散射損耗可分為線性散射損耗和非線性散射損耗。 313 彎曲損耗 光纖的彎曲有兩種形式：一種是曲率半徑比光纖的直徑大得多的彎曲，我們習慣稱為彎曲或宏彎；另一種是光纖軸線產(chǎn)生微米級的彎曲，這種高頻彎曲習慣稱為微彎。為了盡量減小這種損耗，施工過程中嚴格規(guī)定了光纖光纜的允許彎曲半徑，使彎曲損耗降低到可以忽略不記的程度。 32 光纖的色散特性 321 色散的概念 在物理光學中，色散是指由于某種物理原因使具有不同波長的光經(jīng)過透明介質(zhì)后被散開的現(xiàn)象。 在光纖傳輸理論中，借用了這一古老的術語表達了新的內(nèi)容。 在光纖中，光信號是由許多不同的成分（模式、頻率）組成的，其傳播速度不同，經(jīng)過一段距離后，出現(xiàn)了時延差，從而引起信號畸變，這種現(xiàn)象稱為色散。 322 模式色散 模式色散一般存在于多模光纖中 ，由于在多模光纖中存在多個模式，其傳播速度不同，使光脈沖展寬，最終影響光纖的帶寬，即 多模光纖的帶寬遠小于單模光纖。 理想的單模光纖在由于只傳輸一個模式（基模），不存在模式色散，因此有較高的帶寬，被廣泛采用。 323 材料色散 光纖材料的折射率隨光波長的變化而變化，從而引起光脈沖展寬的現(xiàn)象稱為材料色散。 光纖的材料色散遠小于模式色散，是影響單模光纖帶寬的主要原因。 為什么？ 326 總色散 光纖中存在著模式色散、材料色散、波導色散和極化色