【文章內容簡介】 為 ，求臨界傳播角。 由（ ）式可知 按照傳送光的模式的不同，光纖分為單模光纖和多模光纖。單模光纖的纖芯直徑大約幾個微米，主要傳送 1550nm波長的光，多模光纖的纖芯直徑為一般為幾十微米， 常用來傳送 850nm波長的光。單模光纖和多模光纖的包層直徑一般都為 125μm。 12sin nnc ??2121 )(1s in nnc ?? ??c???021 ) (1 ??? ?S inc?2. 光纜 僅有纖芯和包層的光纖稱為裸光纖，它的強度較差，柔韌性無法達到使用的要求。在光纖制造過程中，裸纖從高溫爐拉出后，立即要經過涂覆層流水線進行涂覆。涂覆層的主要成分是環(huán)氧樹脂和硅橡膠分子材料。它具有如下的功能 （ 1）吸附性好。與裸光纖保持堅固的接觸。 （ 2）可剝離性。在光纖的連接中希望剝離力小，以利于安裝操作。 （ 3）柔韌性?？梢员Ｗo光纖免受任何外部損傷。 （ 4）抗潮性。涂覆層可以保護光纖免受濕氣，從而延緩光纖的老化，增強其穩(wěn)定性。 （ 5）溫度系數與裸光纖一致性。涂覆層的熱膨脹系數應與裸光纖的熱膨脹系數保持一致，否則，將會導致其對光纖的壓力發(fā)生變化，造成光纖的微彎和較大的衰減。 涂覆層有單層和雙層之分，在雙層結構中，內層為軟涂敷層，它提供較好的粘貼度和光纖襯墊。硬外層保護光纖以適用于多種環(huán)境及磨損。涂覆層的外徑在 245～ 900um之間。 經過一兩次涂覆（套塑）的光纖雖然具有一定的抗拉強度，但還是比較脆弱，經不起彎曲、扭曲和側壓的作用，無法投入實際應用。為了能使光纖用于多種環(huán)境條件下，便于敷設施工，必須將光纖制成光纜。圖。 圖 光纜實物圖 光接收機 光接收機的主要作用是將接收到的微弱光信號轉變?yōu)殡娦盘?，放大并處理，恢復為原來的形式。光接收機由光電檢測器、放大器和相關電路組成。 根據應用不同，光接收機又分為模擬光接收機和數字光接收機。圖， RF表示模擬射頻信號，其中光電檢測器 PD(photodiode)是光接收機的核心，它的工作機理基于我們前面介紹的半導體材料的光電效應，光電檢測器可以將光信號轉變?yōu)殡娏餍盘?。目前廣泛使用的光電檢測器有兩種：本征型光電二極管（簡稱 PIN管）和雪崩型光電二極管（簡稱 APD）。 PIN光電二極管無放大能力，主要用于要求簡單，性能不高的短距離通信系統(tǒng)，價格較為便宜。與 PIN管比較起來， APD具有內部增益高、響應速度快、光電轉換效率高、光生電流大等特點，因此主要用于要求性能好、有高靈敏度的中長距離光纖通信系統(tǒng)中。對光檢測器的主要要求是：高靈敏度，低噪聲，響應速度快，足夠的帶寬，對溫度變化不敏感等。 直流偏置 組件 PD 連接器 阻抗匹配 RF電信號輸出 放大器 光信號輸入 圖 模擬光接收機的主要組成部分 對于光纖數字傳輸鏈路而言，由光發(fā)射機發(fā)出的光脈沖信號在沿著光纖傳輸時會發(fā)生衰減和失真，到達接收機經光檢測器產生電流信號，經過放大器轉換成電壓信號后，還要用濾波器對失真的波形進行補償，消除碼間干擾并減小噪聲影響，最后要用判決再生電路將濾波器的輸出電壓與閾值進行比較，再生出只有兩個電平的數字信號，圖 意圖。 光源 輸入 電脈沖 光檢測器 放大器 和濾波器 判決再生 輸出 光脈沖 光纖 輸入 光脈沖 電流脈沖 輸出 電脈沖 光接收機 圖 數字信號在光纖鏈路上的傳輸 將 PD管、前置放大器、阻抗匹配和電路狀態(tài)監(jiān)視 /警示電路以及若干光學元件集成在一個管殼內可制成光接收模塊，圖 CATV接收模塊的實物圖。 圖 光 CATV接收模塊 光接收機的主要指標是靈敏度，它是指在滿足給定誤碼率或信噪比條件下，接收機接收微弱信號的能力，工程上常用最低平均光功率 來描述，靈敏度表示為 （ ） 式中， 的單位為 ， 的單位為 mW。 光接收機的另一指標是動態(tài)范圍，它是指在保證系統(tǒng)誤碼率指標要求下，接收機的最低光功率和最大允許光功率之比 () D的單位為 dB。 minPmi nlg10 PS r ?rS dBm minPmi nma xlg10 PPD ? 光放大器 光信號沿光纖傳輸一定距離后，會因為光纖的衰減特性而減弱，從而使傳輸距離受到限制。通常，對于多模光纖，無中繼距離約為 20多公里，對于單模光纖，不到 80公里。為了使信號傳送的距離更大，就必須增強光信號。光纖通信早期使用的是光－電－光再生中繼器，需要進行光電轉換、電放大、再定時脈沖整形及電光轉換，這種中繼器適用于中等速率和單波長的傳輸系統(tǒng)。對于高速、多波長應用場合，則中繼的設備復雜，費用昂貴。在光纖網絡中，當有許多光發(fā)送器以不同比特率和不同格式將光發(fā)送到許多接收器時，無法使用傳統(tǒng)中繼器，因此產生了對光放大器的需要。經過多年的探索，科學家們已經研制出多種光放大器。光放大器的作用如圖 。與傳統(tǒng)中繼器比較起來，它具有兩個明顯的優(yōu)勢，第一，它可以對任何比特率和格式的信號都加以放大，這種屬性稱之為光放大器對任何比特率和信號格式是透明的。第二，它不只是對單個信號波長，而是在一定波長范圍內對若干個信號都可以放大。 圖 光放大器的作用 輸入光信號 輸出光信號 光纖 光纖 光放大器 光放大器是基于受激輻射機理來實現(xiàn)入射光功率放大的，工作原理如圖 。 圖 光放大器的原理 隔離器 輸入光 激活介質 泵浦源 隔離器 輸出光 圖中的激活介質為一種稀土摻雜光纖，它吸收了泵浦源提供的能量，使電子跳到高能級上，產生粒子數反轉，輸入信號光子通過受激輻射過程觸發(fā)這些已經激活的電子，使躍遷到較低的能級，從而產生一個放大信號。泵浦源是具有一定波長的光能量源，以目前使用較為普及的摻鉺光纖放大器來說，其泵浦光源的波長有 1480nm和 980nm兩種，激活介質則為摻鉺光纖。圖 光纖放大器中摻鉺光纖（ EDF）長度、泵浦光強度與信號光強度之間的關系。由圖可知，泵浦光能量入射到摻鉺光纖中后，將能量沿光纖逐漸轉移到信號上，也即對信號光進行放大。當沿摻鉺光纖傳輸到某一點時，可以得到最大信號光輸出。所以對摻鉺光纖放大器而言，有一個最佳長度，這個長度大約在 20－ 40米。而 1480nm泵浦光的功率為數十毫瓦。 圖 摻鉺光纖中泵浦光功率與信號光功率之間的轉換 包層 信號光 1550nm 泵浦光 1480nm 或 980nm EDF 信號光 泵浦光 摻鉺光纖長度 最佳長度 光 強 需要指出的是，在圖 ，再生中繼器與光放大器的作用是不同的，我們用圖 。再生中繼器可產生表示原有信息的新信號，消除脈沖信號傳輸后的展寬，將脈沖調整到原來水平，從這個意義上講，光放大器并不能代替再生中繼器。光放大器存在著噪聲積累，而且不能消除色散對脈沖展寬。當信號的傳輸距離在 500公里到 800公里之間時，可采用光放大器來補償信號的衰減，當超過這個距離時，再生中繼器則是必不可少的。 圖 再生中繼器 再生中繼器 再生中繼器 光信號輸入 光信號輸出 光電 轉換 電光 轉換 判決 電路 對光纖放大器的主要要求是：高增益，低噪聲，高的輸出光功率，低的非線性失真，圖 。 圖 摻鉺光纖放大器 光纖通信的基本問題 衰減和色散是因光纖特性而導致的光纖通信系統(tǒng)的基本問題，在傳輸光信號功率較時，光纖的非線性效應影響則不能忽略。 衰減 這里的衰減指的是光信號功率在光纖傳輸過程中的損耗，它是由光纖特性決定的，也稱為光纖衰減。光纖衰減是光纖最重要的特性之一，它在很大程度上決定了在無需信號放大和再生的條件下，光發(fā)射機和光接收機之間所允許的最大距離。由于光放大器、光中繼器的制造、安裝及維護費用較高，光纖衰減成為整個系統(tǒng)成本的決定性因素之一。 1. 衰減的表示 我們把光纖衰減的特性用衰減系數，光信號在光纖中傳播時，其功率 P隨著傳輸距離的增加按指數形式衰減 （ ） 設起始處（ z=0）的信號光功率為 P(0)，則在光纖中經過距離 z的傳播后，其值為 () 衰減系數 （ ） 單位為 km1 通常，工程用 dB/km作為光纖衰減的單位，有 （ ） 以后如不加以說明，均以（ ）式的單位 dB/km作為光纖衰減的單位。 PdzdP ???zePzP ??? )0()()( )0(ln1 zPPz??)( )0(lg10)/( zPPzkmdB ??例 一根光纖長 20km，衰減為 ，一端注入功率為 600μW的光信號，求其輸出光功率。 解：在光通信系統(tǒng)中，經常用 dBm表示發(fā)射光功率，接收光功率，它是在1mW為基準的光功率相對量的單位，用下式計算： （ ） 式中的 P0單位為毫瓦（ mW）。 顯然 1mW為 0dBm， 1μW為 30dBm。 首先利用（ ）式將輸入光功率單位轉換為 dBm，有 再由（ ）式，可得到在 z=20km時的輸出功率（用 dBm表示） 換回到以瓦表示的單位。因為， 是以 mW為單位的量 d B mPP )lg (10 0?)()10600lg (10)0( 3 d B mP ???? ?)()(20)/()()0()20(d B mkmkmd B md B mzPP???????? ?)20(10))(20( 39。PdBmP ?)()(10)20( 10 39。 WmWP ??? ?2. 衰減的原因 光纖衰減的原因有散射損耗、吸收損耗和彎曲損耗等，下面分別介紹。 （ 1）散射損耗 散射損耗是由于光纖材料密度的微觀變化、成分的起伏、結構上的不完善以及制造過程中產生的缺陷造成的。光在不均勻的介質中傳播將被散射，散射效應破壞了在纖芯包層邊界保持全反射的條件，部分光會穿出纖芯，造成功率損耗。這種散射也稱為瑞利散射。它與波長的四次方成反比，在為 1550nm時，瑞利散射損耗為 。 （ 2）吸收損耗 在光纖制造過程，光纖中的氧與氫相結合會形成 OH離子時，會對 1390nm和940nm的光造成大量的吸收，見圖 ，它基于我們在第一節(jié)中討論的光的吸收機理。為了降低光纖的吸收損耗，已經研制出全波長光纖，它可在1200nm～ 1650nm范圍內將損耗做得很低。 OH離子也可以是因為氫氣進入光纖內部形成的，在含有很多氫氣的環(huán)境中使用光纖，或者光纜的金屬部分在水中因腐蝕產生氫氣時，有可能出現(xiàn)光纖損耗大量增加的現(xiàn)象。 我們將 OH離子引起的衰減稱為雜質吸收損耗。除此之外，還有光纖石英材料（ SiO2）固有的吸收，稱之為內部吸收。當波長大于 2μm時，石英材料會產生諧振吸收光能，吸收帶延伸到 1500nm～ 1700nm波段，形成了光纖工作波長的上限。常用的石英光纖，內部吸收損耗在 1550nm時，約為 ，但當波長為 1700nm時，損耗增