【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 機(jī)上。 ⑺ 光纖使用壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn) 光纖 存在著諸多優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，也有其相應(yīng)的缺點(diǎn) 。 ⑴ 光纖性質(zhì)脆 、強(qiáng)度差， 需要適當(dāng)?shù)赝扛?加以保護(hù)。此外， 彎曲半徑不宜太小，為了保證能承受一定的敷設(shè)張力，在光纖結(jié)構(gòu)上也需要多加考慮。 ⑵ 接口昂貴 。切斷和連接光纖時(shí)，需要高精度技術(shù)，這在連接電纜時(shí)是沒(méi)有的 ，且分路耦合不方便。 7 ⑶ 不能傳送電力 。光纖不能輸送中繼器所需要的電能。 ⑷ 需要特殊的光源。 但這些缺點(diǎn)并不影響它的廣泛應(yīng)用。 可是 我們有理由相信隨著光纖通信技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，這些不足之處可以很好的得以解決。 光纖通信系統(tǒng) 結(jié)構(gòu) 以光波 作為載波，以光纖作為傳輸介質(zhì)的光纖通信系統(tǒng)，目前主要采用的是強(qiáng)度調(diào)制 、 數(shù)字編碼 、直接檢波通信系統(tǒng)。 光纖通信系統(tǒng)可歸結(jié) 為電 — 光 — 電的簡(jiǎn)單模型，傳輸?shù)男盘?hào)先變成電信號(hào)，然后轉(zhuǎn)換為光信號(hào) 它的基本構(gòu)成如圖所示，由光發(fā)信機(jī)、光收信機(jī)、光纖或光纜傳輸線(xiàn)路 、中繼器 以及光無(wú)源器件五個(gè)部分組成。光收信機(jī)和光收信機(jī)在一起稱(chēng)為光端機(jī) [10]。 ① 光發(fā)信機(jī)是實(shí)現(xiàn)電光轉(zhuǎn)換的光端機(jī)。它由光源、驅(qū)動(dòng)器和調(diào)制器組成。其主要功能是將來(lái)自于 電端機(jī)的電信號(hào)對(duì)光源發(fā)出的光波進(jìn)行調(diào)制，得到已調(diào)光 信號(hào) 。然后再將已調(diào)的光信號(hào)耦合到光纖或光纜 中 進(jìn)行傳輸。 ② 光收信機(jī)是實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的光端機(jī)。它由光檢測(cè)器和光放大器構(gòu)成。其主要功能是將光纖或光纜傳輸來(lái)的 光信號(hào)，經(jīng)過(guò) 光 檢測(cè)器轉(zhuǎn)變成為電信號(hào)。然后再將這微弱的電信號(hào)經(jīng)放大電路放大到足夠的電平，送到接收端的電端 機(jī)。 ③ 光纖或光纜構(gòu)成光的傳輸線(xiàn)路。其主要功能是將發(fā)信端發(fā)出的已調(diào)光信號(hào)，經(jīng)過(guò)光纖或光纜的遠(yuǎn)距離傳輸后，耦合到收信端的光檢測(cè)器上去，完成傳送信息過(guò)程。 ④ 中繼器由光檢測(cè)器、光源以及判決再生電路組成。其主要作用有兩個(gè)：一個(gè)是對(duì)波形失真的脈沖進(jìn)行整形；另一個(gè)是補(bǔ)償光信號(hào)在光纖中傳輸時(shí)受到的衰減。 8 ⑤ 光纖或光纜的長(zhǎng)度受光纖拉制工藝和光纜施工條件的限制，且光纖的拉制長(zhǎng)度也是有 受 限的。 所以 一條光纖線(xiàn)路可能存在多根光纖連接 的問(wèn)題。 因此 ，光纖間的連接、光纖與光端機(jī)的連接及耦合，對(duì)光纖連接器、耦合器等 無(wú)源器件的采用是必需的。 光 纖通信 傳輸系統(tǒng) 中，要提高傳輸性能 ，還必須依靠多信道系統(tǒng)。常用的復(fù)用方式有：波分復(fù)用 （ WDM） 、時(shí)分復(fù)用 （ TDM） 、頻分復(fù)用 （ FDM） 、空分復(fù)用（ SDM） 、碼分復(fù)用 （ CDM） 等 ,當(dāng)前的光纖通信技術(shù)應(yīng)用中，也就波分復(fù)用、時(shí)分復(fù)用技術(shù)較為成熟，而其他方式尚處于試驗(yàn)研究階段 [1]。 ① 光波分復(fù)用。光波分復(fù)用 (WDM)技術(shù)是在一根光纖中同時(shí)傳輸多個(gè)波長(zhǎng)光信號(hào)的一項(xiàng)新技術(shù)。其基本原理是在發(fā)送端將不同波長(zhǎng)的光信號(hào)復(fù)用，并 耦合到光纜線(xiàn)路上的同一根光纖中進(jìn)行傳輸，在接收端又將組合波長(zhǎng)的光信號(hào)解復(fù)用。由于WDM 對(duì)長(zhǎng)距離、大量波長(zhǎng)數(shù)的限制，因而不適于波長(zhǎng)數(shù)較多的情況。 ② 光時(shí)分復(fù)用。時(shí)分復(fù)用 (TDM)技術(shù)可解決 WDM 系統(tǒng)中受激喇曼散射和四波混頻效應(yīng)等限制，同時(shí)可以提高光譜帶寬效率，還可以與 WDM 技術(shù)相結(jié)合，由 WDM構(gòu)成子網(wǎng)，采用 TDM 高速信道將 WDM 互聯(lián)。在子網(wǎng)中使用 WDM 可增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的靈活性和可靠性，而 TDM 則是實(shí)現(xiàn)高速傳輸?shù)挠辛ν緩健? 時(shí)分復(fù)用的主要缺點(diǎn)：需要高速的開(kāi)關(guān)器件，此外，在高速傳輸下，網(wǎng)路的控制、穩(wěn)定性會(huì)受到一定的限制。 而且，如果不采用孤子傳輸，否則短脈沖的傳輸受光纖色散和非線(xiàn)性效應(yīng)的影響很明顯。 9 2 光纖 光纖全稱(chēng)為光導(dǎo)纖維 ， 它是一種能夠通光的、直徑很細(xì)的透明玻璃絲，是一種新的傳輸介質(zhì) 。 隨著通信技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展 ， 光纖光纜已逐步取代電纜成為國(guó)家通信技術(shù)的主干線(xiàn)。 光纖是傳光的纖維波導(dǎo)或光導(dǎo)纖維的簡(jiǎn)稱(chēng)，光纖的基本結(jié)構(gòu)十分簡(jiǎn)單，是由光折射率較高的纖芯和折射率較低的包層所組成。纖芯和包層的折射率差異引起光 波 在纖芯內(nèi)發(fā)生全反射，進(jìn)而使光在纖芯內(nèi)傳播 。 為了 保護(hù)光纖不受外力和環(huán)境的影響，包層的外面還有涂 覆 層。 光纖的基本結(jié) 構(gòu) 光纖的典型結(jié)構(gòu)是一種細(xì)長(zhǎng)多層同軸圓柱形實(shí)體復(fù)合纖維。自?xún)?nèi)向外為：纖芯(芯層 )→ 包層 → 涂覆層 → 護(hù)套 。核心部分為纖芯和包層， 二者共同構(gòu)成介質(zhì)光波導(dǎo) ,對(duì)光纖的特性起決定性作用， 形成對(duì)光信號(hào)的傳導(dǎo)和約束，實(shí)現(xiàn)光的傳輸 。其中纖芯由高度透明的材料制成 ,作為光波的主要傳輸通道。包層的折射率小于略微小于纖芯，以期光的傳輸性能穩(wěn)定， 涂 覆 層 主要 對(duì)前兩者 提供機(jī)械保護(hù) ，同時(shí)又增加光纖的柔韌性， 起 著延長(zhǎng)光纖壽命的作用。 光纜是由若干根這樣的光纖經(jīng)一定方式絞合、成纜并外擠保護(hù)層構(gòu)成的實(shí)用導(dǎo)光線(xiàn)纜制 品 。 以下為光纜截面圖 ： 圖 211 光纖的基本結(jié)構(gòu) 10 光纖的分類(lèi) 光纖的種類(lèi)很多，分類(lèi)方法也是各種各樣的。 按照傳輸模式分類(lèi) [1]： ① 單模光纖。 光纖中只傳輸一種模式時(shí)，叫做單模光纖。 單模光纖系統(tǒng)是透明、簡(jiǎn)單的傳輸系統(tǒng)，將光限制為單模，大大減少脈沖色散。 單模光纖的纖芯直徑較小，約為 4～ 10 μm，通常，纖芯的折射率分布 被 認(rèn)為是 均勻分布 的。 由于傳輸模式只有一個(gè)， 因此避免了模間色散、模噪聲和多模傳輸附帶的其它效應(yīng)，單模光纖能實(shí)現(xiàn)高速傳輸，且傳輸信號(hào)的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于多模光纖，無(wú)中繼傳輸距離大于幾千米。 由于單模光纖只傳輸基模， 從而完全避免了模 間 色散，使傳輸帶寬大大加寬，因此，它適用于大容量、 長(zhǎng)距離的光纖通信。 更 需要注意的是，單模光纖中會(huì)存在雙折射特性和偏振現(xiàn)象 。 存在雙折射，要產(chǎn)生偏振色散，因而限制系統(tǒng)的傳輸容量。 許多單模光纖傳輸系統(tǒng)都要求盡可能減小或消除雙折射。 ② 多模光纖。 在一定的工作波長(zhǎng)下，多模光纖是能傳輸多種模式的介質(zhì)波導(dǎo)。由于模 式 色散的存在使多模光纖的帶寬變窄，但制造、耦合、連接都比單模光纖容易。 階躍光纖的傳輸模式很多，各種模式的傳輸路徑不一樣，經(jīng)傳輸后到達(dá)終點(diǎn)的時(shí)間也不相同，因而產(chǎn)生時(shí)延差，使光脈沖受到展寬。所以這種 光纖的模 式 色散高，傳輸頻帶不寬，傳輸速率 也 不 高，用于通信不夠理想，只適用于短途、低速通信。 以某一角度入射光纖端面并能在纖芯 包層處形成全反射的光線(xiàn)就成為一個(gè)光纖的模式。 所謂模式， 光纖纖芯中的電場(chǎng)和磁場(chǎng)，包層中的電場(chǎng)和磁場(chǎng)均滿(mǎn)足波動(dòng)方程， 但它們的解不是彼此獨(dú)立的，而是滿(mǎn)足在纖芯和包層處電場(chǎng)和磁場(chǎng)的邊界條件。 所謂的光纖模 式 ，就是滿(mǎn)足邊界條件的電磁場(chǎng)波動(dòng)方程的解，即電磁場(chǎng)的穩(wěn)態(tài)分布。 這種空間分布在傳播過(guò)程中只有相位的變化，沒(méi)有形狀的變化，且始終滿(mǎn)足邊界條件， 每一種這樣的分布對(duì)應(yīng)一種模式。 圖 212常用光纜 制品 11 按照折射率分布 的不同 分類(lèi) [1]： ① 階躍型光纖。 如果纖芯折射率 沿半徑方向保持一定，包層折射率 沿半徑方向也保持一定，而且纖芯和包層的折射率在邊界處呈階梯型變化的光纖，稱(chēng)為階躍型光纖，又可稱(chēng)為均勻光纖。 階躍折射率單模光纖的性能并不盡如人意，其最小色散值在 波長(zhǎng)處，而最小衰減值在 波長(zhǎng)處。同時(shí)，性能最好的光放大器比如摻鉺光纖放大器，其工作波長(zhǎng)范圍是 ～ ，但階躍折射率單模光纖在這一波段的色散非常大。 ② 漸變型光纖。 如果纖芯折射率 隨著半徑加大而逐漸減小，而包層中折射率 是均勻的，這種光纖稱(chēng)為漸變 型光纖，又稱(chēng)為非均勻光纖。 這能減少模間色散，提高光纖帶寬，增加傳輸距離，但成本較高，現(xiàn)在的多模光纖多為漸變型光纖。 漸變折射率多模光纖通過(guò)用纖芯、包層折射率漸變的方式來(lái)代替突變邊界，從而基本上消除了模式色散，也使?jié)u變折射率多模光纖的傳輸容量大大增加。從原理上來(lái)說(shuō)，漸變折射率光纖利用的是折射而不是全內(nèi)反射傳導(dǎo)光，光纖的折射率從光纖中心軸開(kāi)始向外逐漸減小，在纖芯邊界處減小到和包層的折射相同。漸變折射率光纖也有著自身的局限性 ,由于存在一些制約因素，如不同模式間相互干擾產(chǎn)生模噪聲，而不能適用于高性能多模傳輸。 按照纖芯和包層材料 分類(lèi) [1]： ① 石英光纖 。 這種光纖的纖芯和包層是由高純度 2iOS 的 中摻雜適當(dāng)?shù)碾s質(zhì)制成的。 其損耗低、 強(qiáng)度和可靠性較高，目前應(yīng)用最為廣泛。 ② 塑料光纖。 這種光纖的纖芯和包層都由塑料制成。 總結(jié)： ① 歸一化頻率 V的表達(dá)式： 圖 22 漸變折射率光纖折射率分 布圖 12 2 2 1 20 1 212() 22a NAV k a n nan???????? ? ? ?? ??? ② 光纖中可傳播的模式數(shù) M 與 V的關(guān)系 (當(dāng) V20): 221 ()21 ()4VMV???? ????階 躍 光 纖漸 變 光 纖 歸一化頻率 V越大，能夠傳播的模式數(shù)就越多。 光纖傳輸 理論 光波從折射率較大的介質(zhì)入射到折射率較小的介質(zhì)時(shí) ,在邊界發(fā)生反射和折射 ,當(dāng)入射角超過(guò)臨界角時(shí) ,將發(fā)生全反射。這正是光纖傳輸?shù)脑怼?從光學(xué)理論的觀(guān)點(diǎn)出發(fā)，研究光纖中的光波，可以更好地認(rèn)識(shí)光波在光纖中的傳播機(jī)制以及運(yùn)用光學(xué)理論研究分析階躍型和漸變型多模光纖的傳輸特性。 光學(xué)理論的基本關(guān)系是有關(guān)光波反射和折射的菲涅爾定律。 光的射線(xiàn)理論 [8] 光在均勻介質(zhì)中是沿直線(xiàn)傳播的， 光在分層介質(zhì)中傳播 時(shí) ， 如圖 23 所示， 介質(zhì) 1 的折射率為 1n ，介質(zhì) 2 的折射率為 2n ，若 ， 當(dāng)光線(xiàn)以較小的 角 1? 入射到介質(zhì)界面時(shí)，部分光被反射，部分光進(jìn)入介質(zhì) 2 并產(chǎn)生折射，二者之間的比例取決于兩種介質(zhì)的折射率。 反射定律 ： 1=R?? ? ?21? 2n r? 1n 12nn? 1? R? c? c? 1 c??? 入射光 折射光 圖 23 光的折射與反射 反射光 13 折射定律 ： 121sin n=sin nr?? ? ?22? 當(dāng) 12nn? 時(shí) ，逐漸增大 1? ， 進(jìn)入介質(zhì) 2 的折射光線(xiàn) 將 進(jìn) 一步趨向界面，直到 r? 趨于 。 這時(shí) ，進(jìn)入介質(zhì) 2 的光強(qiáng)顯著減小并趨于零，反射光強(qiáng)接近等于入射光強(qiáng)。取 角 r? = 極限值時(shí)，相應(yīng)的角 1? 被定義為臨界角 c? 。 此時(shí)臨界角 21a r c s incnn? ??? ???? ? ?23? 在 1 c??? 時(shí)，入射光 將產(chǎn)生全反射。值得提出的一點(diǎn)就是，只有光 線(xiàn) 從折射率大的介質(zhì)進(jìn)入折射率小的介質(zhì)時(shí)，也即只有 12nn? 時(shí)，才會(huì)發(fā)生全反射。 另外，對(duì)于特定的光纖結(jié)構(gòu)， 如圖 231 所示， 也只有滿(mǎn)足一定條件的光波可以在光纖中有效的傳輸，這些特定的光波也就是所說(shuō)的光纖模式，光纖中可傳導(dǎo)的模式數(shù)量取決于光纖的具體結(jié)構(gòu) 圖 231(a)不同入射角 ? 的光 線(xiàn) ； (b) c??? 的光線(xiàn) 和折射率的徑向 分布。 光纖 導(dǎo)光的原理 [1] 光纖傳輸?shù)臈l件要滿(mǎn)足光線(xiàn)在纖芯和包層界面上 反復(fù)發(fā)生 全反射 的 條件，同時(shí)還需滿(mǎn)足傳輸過(guò)程中的相干加強(qiáng)條件。 詳細(xì)描述光纖傳輸 原理 有兩種方法： (1)波動(dòng)理論法。波動(dòng)理論法是根據(jù)電磁場(chǎng)理論，用麥?zhǔn)戏匠糖蠼夤饫w的場(chǎng)方程、特征方程，根據(jù)解答式分析其傳輸特性； 光波是電磁波，只有通過(guò)求解由麥克斯韋方程組導(dǎo)出的波動(dòng)方程分析電磁場(chǎng)的分布 (傳輸模式 )的性質(zhì)，才能更準(zhǔn)確地獲得光纖的傳輸特性 ， 麥克斯韋方程組反映了光纖中光場(chǎng)的分布