【正文】 通信容量作為光纖通信系統(tǒng)主要性能指標也是讀者應(yīng)掌握的基本內(nèi)容。光纖的色散則限制了傳輸數(shù)據(jù)的速率。 本章小結(jié) 光纖通信系統(tǒng)就其基本組成而言有三部分：光發(fā)射機、光纖和光接收機，讀者應(yīng)牢固建立它們地位和作用的概念。因為偏振模色散對系統(tǒng)的損害在碼率較高時（大于 10Gb/s）較為明顯，所以，它成為高速光通信系統(tǒng)發(fā)展的主要障礙之一。 AWG除了最基本的復用 /解復用功能外 ,還便于與其它器件集成，如和集成電吸收調(diào)制器 /半導體光放大器構(gòu)成 32波長直接可調(diào)鎖模激光器，與點陣式交叉濾波器集成構(gòu)成 WDM濾波器等， AWG器件具有尺寸小、易于集成、性能穩(wěn)定和制作成本低等優(yōu)點，它正受到越來越多的關(guān)注?？烧{(diào)鎖模激光器已經(jīng)能輸出 32個信道波長 .波長從 ,信道之間間隔 100Ghz。在 DWDM和SDWDM系統(tǒng)中，要求采用可調(diào)諧光源替代固定波長光源以降低通信系統(tǒng)的成本 ,波分復用可調(diào)諧光源的基本要求是輸出波長穩(wěn)定 ,波段間隙小。正在研制中的寬帶放大器還有摻銩光纖放大器，其工作波段為 1450~1480nm，增益漂移的摻銩光纖放大器工作波段為 1480nm~1510nm。而碲化物摻鉺光纖放大器的增益帶寬高到 50nm(1560nm~1610nm)增益光譜覆蓋了 C和 L兩個區(qū)域。 2. 寬帶光放大器 隨著光纖通信的帶寬從 C波段到 L波段及 S波段的發(fā)展，要實現(xiàn)長距離傳輸 ,對光放大器帶寬提出了新的要求 ,寬帶光放大器成為研究的熱點。光時分復用利用了高速光開關(guān)將多路光信號在時域里復用到一路上的技術(shù)，其基本原理是在發(fā)送端的同一載波波長上 ,把時間分割成周期性的幀，每一幀再分割成若干個時隙，然后根據(jù)一定的時隙分配原則，使不同的信源在每幀內(nèi)按照指定的時隙向信道發(fā)送信號，接收端在同步的條件下，分別在各個時隙中取回各自的信號。而混合復用技術(shù)是由單一復用技術(shù)向多種復用技術(shù)混合使用的方向發(fā)展，如雙向傳輸?shù)牟ǚ謴陀?、偏振復用?PDM）與波分復用混合方式，波分復用與碼分復用（ CDM）混合方式等。擴展帶寬是針對傳統(tǒng)光纖傳輸系統(tǒng)主要工作在低損耗 C波段 (1530nm~1565nm)而言的。 趨勢 目前 ,光纖通信的發(fā)展趨勢可以從這幾個方面來透視。其主要特征是采用了密集波分復用 DWDM對光纖系統(tǒng)傳輸容量進行擴容。尤其是在波分復用 WDM（ Wavelength Division Multiplexing）光纖通信系統(tǒng)中的應(yīng)用，波分復用是將一根光纖分割成多個光信道，從而成為充分利用光纖帶寬，有效擴展通信容量的一種光纖通信方式，這項技術(shù)使光纖使光纖通信進入了高速光纖通信階段。當作為摻鉺光纖放大器的泵浦源， 980nm和 1480nm的大功率半導體激光器研制成功后，摻鉺光纖放大器趨于成熟，進入了實用化階段。在這個時期，摻鉺光纖放大器的出現(xiàn)成為光纖通信發(fā)展史上的重要里程碑。 80年代后期，進入了使用單模光纖在 1550nm波段上傳輸?shù)牡谒拇饫w通信階段。國際上第一條海底光纜于 1986年在北海海底敷設(shè)，它連接了英格蘭和比利時。美國也從東西海岸各敷設(shè)了一條光纜干線，長度分別為 600公里和 270公里，芯數(shù)為 144芯。 1983年實現(xiàn)了使用單模光纖在 1310nm波長傳輸?shù)牡谌饫w通信。大約在 1980年，進入了工作波長在 1310nm、使用多模光纖傳輸?shù)牡诙饫w通信時代。 1977年在芝加哥相距 7公里的兩個電信局之間進行了數(shù)字光纖通信系統(tǒng)傳輸試驗，使用的速率為 ，采用的光纖工作波長為 850nm，衰減為，光源采用鋁鎵砷半導體激光器，光電探測器采用硅材料制作，它成為第一代光纖通信的標志。同年，貝爾（ Bell）實驗室研制成功室溫下可以連續(xù)工作的鋁鎵砷（ AlGaAs）半導體激光器，它體積小，功耗低，效率高，是光纖通信中的理想光源。通過降低材料中的雜質(zhì)含量和改善工藝，可以使光纖成為實用的光傳輸介質(zhì)。 光纖通信技術(shù)的回顧和展望 回顧 利用光載波遠距離傳輸信道的設(shè)想在 19世紀就被提了出來，但是因為光源和傳輸介質(zhì)這兩個基本限制一直未得到發(fā)展。km。km左右，因此除了短距離傳輸?shù)牡退俾蕯?shù)據(jù)，一般都不采用階躍折射率多模光纖。通信容量與光纖的類型、工作波長、以及使用的激光器類型等諸多因素有關(guān)。通信容量也可以用帶寬－距離積來表示，單位是 MHz LC 連接器 光發(fā)射機 距離 L (km) 光接收機 連接器 接頭 接頭 Pout Prec LC LS LS dBm 圖 光纖傳輸系統(tǒng)的損耗 500 200 ④ ② ① 比特率 B(Gb/s) 距離 (km) 30 ① 1550nm色散位移光纖 ② 1550nm單模光纖 ③ 1310nm單模光纖 ④ 850nm多模漸變光纖 ⑤ 850nm多模階躍光纖 ③ ⑤ 1 10 100 圖 光纖的傳輸速率與傳輸距離的關(guān)系 通信容量 光纖通信系統(tǒng)的通信容量用比特率－距離積 BL來表示， B為系統(tǒng)傳輸信息的比特速率， L則是中繼距離，單位是（ Mbit/s） 當光纖系統(tǒng)的信息傳輸速率較高時，色散對傳輸距離起到主要的限制作用，圖 ，圖中實線表示損耗對傳輸距離和比特率的限制，虛線表示受色散限制。連接器也是連接光纖的方式之一，它是用高精度結(jié)構(gòu)的機械，使光纖纖芯緊密接觸，光纖纖芯接觸得越緊，同心度越高，則連接損耗 LC越小。 recoutf PPL lg10???f? outPrecP圖 。光纖的衰減和色散是限制傳輸距離的兩大主要因素，而它們對傳輸距離影響程度與工作波長以及比特率有關(guān)，由圖 ，在短波窗口 850nm波段，光纖存在著較大的損耗，大約為2dB/km，根據(jù)傳輸信息的比特率不同，中繼距離一般在 10公里到 30公里之間，在長波段窗口，尤其在 1550nm波長處，光纖存在最低損耗，中繼距離最大可達 200公里。帶寬分為電帶寬和光帶寬兩種表述，如圖 ，它們分別用和表示。 需要說明的是數(shù)字光纖通信系統(tǒng)的比特率除了受光纖限制外，還受到一些關(guān)鍵器件的影響，如光源、光檢測器和光放大器等，人們一直也在致力于高速光電子器件的研制，以適應(yīng)高速光通信的發(fā)展。 解：假設(shè)輸入光脈沖的寬度 T與模式色散產(chǎn)生的展寬相比可以忽略不計，則最大比特率 光纖色散是比特率受限的主要原因。 圖 光纖色散效應(yīng)形成的比特率限制 光纖 輸入光脈沖 輸出光脈沖 時間波形 光脈沖展寬 1 0 1 1 1 1 假設(shè)輸入光脈沖是寬度為 T矩形，到達接收端的延遲和展寬分別是 τ和 ，為了將相鄰的兩個脈沖分辨出來，要求它們的間距不小于 2，這就要求輸入光脈沖的間距也不小于 2 ，見圖 。 1. 比特率 比特率也稱為信息速率，是信道上每秒鐘內(nèi)所傳輸?shù)谋忍財?shù)，單位為比特 /秒，寫成 b/s或 bps，常用符號 B表示。 在光纖通信系統(tǒng)中，高輸出功率的激光器和低損耗單模光纖的使用，使得光纖中的非線性效應(yīng)越來越顯著，這是因為單模光纖中的光場主要束縛于很細的纖芯內(nèi)，場強非常大，低損耗又使得大的場強可以維持很長距離的緣故，對非線性效應(yīng)有足夠的重視。當光強達到某一數(shù)值，將產(chǎn)生大量后向傳輸?shù)牟?，對光通信造成不良的影響? 4. 受激散射 受激喇曼散射是指當較強功率的光入射到光纖中時，會引起光纖材料中的分子振動，對入射光產(chǎn)生散射作用，它可以造成波分復用系統(tǒng)中的短波長信道產(chǎn)生過大的信號衰減，從而限制了系統(tǒng)的信道數(shù)目。 2. 交叉相位調(diào)制 交叉相位調(diào)制是指當兩個或多個不同波長的光波在光纖中同時傳輸時，它們將通過光纖的非線性而相互影響，導致某個波長光信號的相位受到其它波長光信號功率的調(diào)制，引起信道間的串音。 1. 自相位調(diào)制 自相位調(diào)制是指當輸入光信號的光強變化時，光纖的折射率隨之改變，從而引起光波的相位產(chǎn)生變化，與光纖的色散相位結(jié)合后，將導致光波頻譜展寬，并隨長度的增加而積累。nm) 30 20 10 0 10 20 30 非線性效應(yīng) 在常規(guī)光纖系統(tǒng)中，光纖一般呈現(xiàn)線性傳輸?shù)奶匦?，但當入射到光纖中的光功率較大時，光纖對光的響應(yīng)將呈現(xiàn)非線性，光纖的參數(shù)不再是恒定的，而是依賴于光強的大小。 材料色散的單位長度脈沖展寬可表示為 （ ） 波導色散和材料色散的總和稱為色度色散，圖 。 ??? ????? |)(| WDLt)/( kmnmps ?)(?wD??3. 材料色散 材料色散是由于纖芯材料的折射率隨波長變化，使得各個模式的群速率（光脈沖包絡(luò)線速度）都會隨著波長的變化而造成的。 )()( 852211 nssn nncLnt ????????? ???????????? ??? ?2. 波導色散 引起波導色散的原因是：進入單模光纖中的光信號功率大約只有 80%在纖芯中傳播，另外 20%在包層傳輸，由于纖芯和包層有著不同的折射率，所以這兩部分的傳輸速度不同，在包層中傳播的光功率速度要更大一些，因而在光纖輸出端，脈沖會展寬。 ?Lt ?0ccLt?? co s?12c o snnc ??)()1co s1(22110 nnncLnLtttCc?????????221121212122212 nnnnnnnnnnnn ???????????? cLnt 1 例 一階躍折射率光纖，已知 n1＝ ， n2＝ ，僅考慮模式色散，計算每 1km長度的脈沖展寬。脈沖展寬時間 （ ） 習慣上記 （ ） 為相對折射率，公式（ ）可以表示為 （ ） 很顯然，如果光纖中傳輸?shù)墓庵挥辛慵壞Ｊ?，就可以消除模間色散；如果減小纖芯直徑的尺寸，就可以減少模式數(shù)量；另外由（ ）式可知，減小相對折射率，也可以有效地控制模間色散，這些就是單模光纖設(shè)計的基本思路。 圖 脈沖因多個模式而起的展寬 模式色散 光源 0 纖芯 包層 1 2 3 0 1 2 3 T T＋ Δt 我們將因多個不同模式的存在而引起脈沖展寬稱為模式色散或模間色散。在多模光纖中可以傳播數(shù)百個模式的光波，顯然，以臨界傳播角入射的光線經(jīng)歷的路程最長，所以它的軸向傳播速度最慢；而與光纖橫截面垂直入射的光線傳播速度最快。下面對這幾種色散加以分析。 光纖色散主要包括模式色散、波導色散和材料色散。對數(shù)字傳輸而言，色散造成光脈沖的展寬，致使前后脈沖相互重疊，引起數(shù)字信號的碼間串擾，造成誤碼率增加；對模擬傳輸而言，它會限制帶寬，產(chǎn)生諧波失真，使得系統(tǒng)的信噪比下降。在需要對光進行可控衰減時，通過將光纖繞上幾圈就可以實現(xiàn)，所繞圈數(shù)和半徑均可控制衰減量。 彎曲損耗的另一種形式是微彎損耗，它是由光纖受到側(cè)向應(yīng)力而產(chǎn)生微小形變而引起的，同樣因不滿足全反射條件而造成能量的漏泄。關(guān)于最小彎曲半徑的經(jīng)驗數(shù)據(jù)是，對于長期應(yīng)用，彎曲半徑應(yīng)超出光纖包層直徑的 150倍；對短期應(yīng)用，應(yīng)超過包層直徑的 100倍。 (3)彎曲損耗 由于光纖的敷設(shè)中，不可避免地會遇到