【正文】 x Fiber，GIF)， 其折射率分布如圖 。 第二章 光纖和光纜 光纖作為光纖通信系統(tǒng)的物理傳輸媒介 ， 有著巨大的優(yōu)越性 。 ? 根據(jù)調(diào)制信號的類型，光纖通信系統(tǒng)可以分為模擬光纖通信系統(tǒng)和數(shù)字光纖通信系統(tǒng)。 光接收機的作用是將光纖送來的光信號還原成原始的電信號 。 ? 1. ? 2. ? 3. 光纖通信系統(tǒng)的組成和分類 ? 光纖通信系統(tǒng)是以光纖為傳輸媒介 ，光波為載波的通信系統(tǒng) 。 ? 4. 對通信系統(tǒng)的重要要求之一是保密性好 。 光纖通信的主要特性 ? ? 1. 光纖通信是以光纖為傳輸媒介 ， 光波為載波的通信系統(tǒng) ， 其載波 — 光波具有很高的頻率 (約 1014Hz)， 因此光纖具有很大的通信容量 。 在高錕理論的指導下， 1970年美國的康寧公司拉出了第一根損耗為 20dB/km的光纖。 在這里 ， 將弧光燈的恒定光束投射在話筒的音膜上 ， 隨聲音的振動而得到強弱變化的反射光束 ， 這個過程就是調(diào)制 。 圖 貝爾電話系統(tǒng) 貝爾光電話和烽火報警一樣 ， 都是利用大氣作為光通道 ， 光波傳播易受氣候的影響 ， 在大霧天氣 ， 它的可見度距離很短 ，遇到下雨下雪天也有影響 。 1 9 7 7 年 美 國 在 芝 加 哥 進 行 了， 1978年 ， 日本開始了 信實驗； 1979年 ， 美國 ATamp。 ? 2. 損耗低 、 目前 ， 實用的光纖通信系統(tǒng)使用的光纖多為石英光纖 ， 此類光纖在 區(qū)的損耗可低到 ， 比已知的其他通信線路的損耗都低得多 ， 因此 ， 由其組成的光纖通信系統(tǒng)的中繼距離也較其它介質(zhì)構(gòu)成的系統(tǒng)長得多 。然而 ， 隨著科學技術(shù)的發(fā)展 ， 電通信方式很容易被人竊聽：只要在明線或電纜附近(甚至幾公里以外 )設置一個特別的接收裝置 ， 就可以獲取明線或電纜中傳送的信息 。 主要由光發(fā)送機 、光纖光纜 、 中繼器和光接收機組成 。 它一般由光電檢測器和解調(diào)器組成 ， 對于直接強度調(diào)制解調(diào)器可以省略 。 根據(jù)光源的調(diào)制方式 ， 光纖通信系統(tǒng)可以分為直接調(diào)制光纖通信系統(tǒng)和間接調(diào)制光纖通信系統(tǒng) 。 本章首先介紹光纖的結(jié)構(gòu)與類型 ， 然后用射線光學理論和波動光學理論重點分析光在階躍型光纖中的傳輸情況 ， 最后簡要介紹光纜的構(gòu)造 、 典型結(jié)構(gòu)與光纜的型號 。 圖 光纖的折射率分布 光纖的折射率變化可以用折射率沿半徑的分布函數(shù) n(r)來表示 。 ? 3. 按光纖的工作波長可以將光纖分為短波長光纖 、 長波長光纖和超長波長光纖 。 光纖的射線理論分析 ? 光在均勻介質(zhì)中是沿直線傳播的 ， 其傳播速度為 v=c/n 式中： c＝ 105km/s， 是光在真空中的傳播速度； n是介質(zhì)的折射率 (空氣的折射率為 ， 近似為 1；玻璃的折射率為 )。 圖 光線在階躍型光纖中的傳播 ? 2. 子午射線在漸變型光纖中的傳播 漸變型光纖與階躍型光纖的區(qū)別在于其纖芯的折射率不是常數(shù) ， 而是隨半徑的增加而遞減直到等于包層的折射率 。在射線理論中 ， 通常認為一個傳播方向的光線對應一種模式 ， 有時也稱之為射線模式 。 根據(jù)物理學的知識可知：波在無限空間中傳播時 ， 形成行波；而在有限空間傳播時 ， 形成駐波 。 ? 多模光纖和單模光纖是由光纖中傳輸?shù)哪Ｊ綌?shù)決定的 ， 判斷一根光纖是不是單模傳輸 ， 除了光纖自身的結(jié)構(gòu)參數(shù)外 ， 還與光纖中傳輸?shù)墓獠ㄩL有關(guān) 。 單模光纖的帶寬一般都在幾十 GHz在折射率為 n的無限大的介質(zhì)中，一工作波長為 λ0的平面波在其中傳播，其波數(shù)為： 式中： k0是真空中的波數(shù) ， ω是光的角頻率 ， μ和 ε分別是介質(zhì)的導磁率和介電常數(shù) ,設平面波傳播方向的單位矢量為 as，則 k = as ? 3. 全反射是一種重要的物理現(xiàn)象，當光波從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)，且入射角大于臨界角時才能產(chǎn)生全反射，即全反射必須滿足： n1n2， θcθ190 ? (1) 全反射情況時介質(zhì) 1 在全反射時，式 (232)根號中是負數(shù)，因此可以變化成下面的形式。 ? ? 1. ? (1) 麥克斯韋方程組和邊界條件 ［ 1］ 在均勻光纖中 ， 介質(zhì)材料一般是線性和各向同性的 ， 并且不存在電流和自由電荷 ， 因此在無源區(qū)域 ， 均勻 、 無損 、 簡諧形式的麥克斯韋方程組為： 式中： E為電場強度矢量； D為電位移矢量； H為磁場強度矢量； B為磁感應強度矢量。 式中： A代表任何一個矢量，當然 E、 H也滿足式 (247)。 這種光纖可以近似地用平面波束分析光的傳播 。 由于光纖中的導模還必須滿足光纖的邊界條件 ， 所以還要利用光纖的邊界條件來確定場表達式中的參數(shù) U、 W和 β。 ? ② TE波和 TM 光纖中是否存在 TE波和 TM波 ， 實際上是看單獨的 TE波和 TM波是否滿足邊界條件 。 ?① 導模的截止條件 → → ? ② 遠離截止時的 U 光纖中導模的 U值是隨頻率而變化的 。一般來說 ， 纜芯結(jié)構(gòu)應滿足以下基本要求：光纖在纜芯內(nèi)處于最佳位置和狀態(tài) ， 保證光纖傳輸性能穩(wěn)定 ， 在光纜受到一定的拉力 、 側(cè)壓力等外力時 ， 光纖不應承受外力影響；其次纜芯內(nèi)的金屬線對也應得到妥善安排 ， 并保證其電氣性能；另外纜芯截面應盡可能小 ， 以降低成本和敷設空間 。 ? 2. 光纜的基本結(jié)構(gòu)按纜芯組件的不同一般可以分為層絞式 、 骨架式 、 束管式和帶狀式四種 ， 如圖 。 ? (3) 束管式結(jié)構(gòu)的光纜近年來得到了較快的發(fā)展 。 ? 2. 光纜的型號 ［ 6］ 光纜的種類較多，同其他產(chǎn)品一樣，具有具體的型式和規(guī)格。 ? (2) 光纖的規(guī)格代號是由光纖數(shù)目 、 光纖類別 、 光纖主要尺寸參數(shù) 、 傳輸性能和適用溫度五部分組成 ， 各部分均用代號或數(shù)字表示 。 ? ④ 光纖的傳輸特性代號是由使用波長 、損耗系數(shù) 、 模式帶寬的代號 (分別為 a、 bb、cc)構(gòu)成 。 ? (1) 紫外吸收損耗是由光纖中傳輸?shù)墓庾恿鲗⒐饫w材料中的電子從低能級激發(fā)到高能級時 ， 光子流中的能量將被電子吸收 ，從而引起的損耗 。 ? ? 1. 任何光纖波導都不可能是完美無缺的 ，無論是材料 、 尺寸 、 形狀和折射率分布等等 ， 均可能有缺陷或不均勻 ， 這將引起光纖傳播模式散射性的損耗 ， 由于這類損耗所引起的損耗功率與傳播模式的功率成線性關(guān)系 ， 所以稱為線性散射損耗 。 ? (2) 光纖結(jié)構(gòu)不完善引起的散射損耗 (波導散射損耗 ) 在光纖制造過程中 ， 由于工藝 、 技術(shù)問題以及一些隨機因素 ， 可能造成光纖結(jié)構(gòu)上的缺陷 ， 如光纖的纖芯和包層的界面不完整 、 芯徑變化 、 圓度不均勻 、 光纖中殘留氣泡和裂痕等等 。 微彎是由于光纖受到側(cè)壓力和套塑光纖遇到溫度變化時，光纖的纖芯、包層和套塑的熱膨脹系數(shù)不一致而引起的，其損耗機理和彎曲一致，也是由模式變換引起的。 ? 1. 在階躍型光纖中 ， 傳播最快的和最慢的兩條光線分別是沿軸線方向傳播的光線① 和以臨界角 θc入射的光線 ② ， 如圖 示 。km） 。L 式 (325)中： Δλ為光源的譜線寬度，即光功率下降到峰值光功率一半時所對應的波長范圍； L是光纖的傳播長度。 單模光纖中可能同時存在 LP01x 和LP01y兩種基模 ， 也可能只存在其中一種模式 ， 并且可能由于激勵和邊界條件的隨機變化而出現(xiàn)這兩種模式的交替 。 ? 光纖的色散和帶寬對通信容量的影響 光纖的色散和帶寬描述的是光纖的同一特性 ?？捎檬?(333)表示 。 波長色散帶寬定義為： 式中： Δλ是光源的譜線寬度 ， 單位是nm； L是光纖的長度 ， 單位是 km； D(λ)是材料色散和波導色散的色散系數(shù) (即波長色散系數(shù) )， 單位是 ps/(nmLγ 式中： L是光纖的制造長度 (km)， γ為帶寬距離指數(shù) ， 它的取值與光纖的剖面分布及模耦合狀態(tài)有關(guān) ， 一般在 ～ (多模光纖取 ～ ， 單模光纖 γ＝ 1)。 ? 成纜對光纖特性的影響 ? 1. 不良的成纜工藝 ， 把光纖制成光纜后 ，會帶來附加損耗 ， 稱之為成纜損耗 。 一般光纖的斷點強度約為 1～ 5kg， 而由于光纜結(jié)構(gòu)中加入了加強構(gòu)件 、 護套 、 甚至鎧裝層等 ， 因此其斷點強度遠大于上述值；不僅如此 ， 光纜的抗側(cè)壓 、 抗沖擊和抗扭曲性能都有明顯增強 。 ， 其特點是在波長 ， 損耗又最小 。 第四章 常用光無源器件 光 纖 連 接 器 光纖耦合器 波分復用 /解復用器 光 開 關(guān) 光 纖 連 接 器 ? 光纖連接器的結(jié)構(gòu)與種類 光纖 (纜 )活動連接器是實現(xiàn)光纖 (纜 )之間活動連接的光無源器件 ， 它還具有將光纖 (纜 )與其他無源器件 、 光纖 (纜 )與系統(tǒng)和儀表進行活動連接的功能 。 ? (3) V V形槽結(jié)構(gòu)的光纖連接器是將兩個插針放入 V形槽基座中 ， 再用蓋板將插針壓緊 ， 利用對準原理使纖芯對準 ， (如圖 示 )。 下面針對 FC、 SC和 ST這三種連接器作簡單的介紹 。 ? (5) 由于實際使用情況非常復雜 ， 因而跳線的規(guī)格也多種多樣 。 ? 1. 插入損耗是指光纖中的光信號通過活動連接器之后 ， 其輸出光功率相對輸入光功率的比率的分貝數(shù) ， 表達式為： Ac＝ 10lgP1/P0 (dB) 式中： A c為連接器插入損耗； P0為輸入端的光功率； P1為輸出端的光功率 。 互換性是指連接器各部件互換時插入損耗的變化 ， 也用 dB表示 。 熔融拉錐法就是將兩根 (或兩根以上 )除去涂覆層的光纖以一定的方式靠攏 ， 在高溫加熱下熔融 ， 同時向兩側(cè)拉伸 ， 最終在加熱區(qū)形成雙錐體形式的特殊波導結(jié)構(gòu) ，實現(xiàn)傳輸光功率耦合的一種方法 ?？偟哪Ｊ綌?shù)為： M=V2/2 式中： V為歸一化頻率 。 該值以分貝 (dB)表示的數(shù)學表達式為 式中： Pouti為第 i個輸出口的輸出功率； Pin為輸入光功率 。 ? 5. 均勻性就是衡量均分器件的 “ 不均勻程度 ” 的參數(shù) 。它是指當傳輸光信號的偏振態(tài)發(fā)生 360176。 其數(shù)學表達式為 式中： Pt是某一光路輸出端測到的其他光路信號的功率值； Pin是被檢測光信號的輸入功率值 。 圖 波導陣列光柵型 DWDM ? 3. 光纖光柵是利用光纖制造中的缺陷 ，用紫外光照射 ， 使得光纖纖芯折射率分布呈周期性變化圖 ，在滿足布拉格光柵條件的波長上全反射 ，而其余波長通過的是一種全光纖陷波濾波器 ， 如圖 。 (1) 中心波長 (或通帶 )λ λ2… λn+1 (2) 中心波長工作范圍 Δλ Δλ2 (3) 中心波長對應的最小插入損耗 L1 式中： P′1代表波長為 λ1的光束在輸出端的光功率； P01分別代表波長為 λ1的光束在輸入端合路信號中的光功率 。 光 開 關(guān) ? ? 1. 機械式光開關(guān)是最傳統(tǒng)的光開關(guān) ， 一種實用化的機械式多模光纖光開關(guān)的插入損耗小于 1dB， 開關(guān)時間小于 1ms。 圖 使用了金屬膜與無源波導相結(jié)合的光開關(guān)結(jié)構(gòu) ? 2. 液晶光開關(guān)是在硅襯底材料上制作出偏振光束分支波導 ， 再把每個分支波導交叉點刻蝕成有一定角度的槽 ， 槽內(nèi)裝上折射匹配的液晶 ， 液晶槽下面是電熱器 。 ? 2. 回波損耗 (也稱反射損耗或反射率 )是指從輸入端返回的光功率與輸入光功率的比值 ， 以分貝表示： 式中： P0為進入輸入端的光功率； P1為輸入端口接收到的返回光功率 。 ? 4. 遠端串擾是指光開關(guān)的接通端口的輸出光功率與串入另一端口的輸出光功率的比值 。 ? 7. 開關(guān)時間是指開關(guān)端口從某一初始狀態(tài)轉(zhuǎn)為通或斷所需的時間 ， 開關(guān)時間從開關(guān)上施加或撤去轉(zhuǎn)換能量的時刻算起 。 在圖 ， 半導體內(nèi)部自由運動的電子 (簡稱自由電子 )所填充的能帶稱為導帶；價電子所填充的能帶稱為價帶；導帶和價帶之間不允許電子填充 ， 所以稱為禁帶 ，其寬度稱為禁帶寬度 ， 用 Eg表示 ， 單位為電子伏特 (eV)。s； ν12為光子的頻率； E2為高能級能量； E1為低能級能量 。 ?