【正文】 需要彎曲的場(chǎng)所，光線從光纖的平直部分進(jìn)入彎曲部位時(shí)，原來的束縛光線在彎曲部位的入射角減小，使得光纖纖芯和包層界面上的全反射條件遇到破壞，光束的一部分就從光纖的纖芯中逃離出去，造成到達(dá)目地的光功率比從光源發(fā)出的進(jìn)入光纖時(shí)的光功率小，這就是彎曲損耗，如圖 。當(dāng)波長大于 2μm時(shí)，石英材料會(huì)產(chǎn)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。 我們將 OH離子引起的衰減稱為雜質(zhì)吸收損耗。為了降低光纖的吸收損耗，已經(jīng)研制出全波長光纖，它可在1200nm～ 1650nm范圍內(nèi)將損耗做得很低。它與波長的四次方成反比，在為 1550nm時(shí)，瑞利散射損耗為 。光在不均勻的介質(zhì)中傳播將被散射，散射效應(yīng)破壞了在纖芯包層邊界保持全反射的條件，部分光會(huì)穿出纖芯，造成功率損耗。 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。因?yàn)椋? 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。 顯然 1mW為 0dBm， 1μW為 30dBm。 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(hào)，求其輸出光功率。由于光放大器、光中繼器的制造、安裝及維護(hù)費(fèi)用較高，光纖衰減成為整個(gè)系統(tǒng)成本的決定性因素之一。 衰減 這里的衰減指的是光信號(hào)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。 圖 再生中繼器 再生中繼器 再生中繼器 光信號(hào)輸入 光信號(hào)輸出 光電 轉(zhuǎn)換 電光 轉(zhuǎn)換 判決 電路 對(duì)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 。光放大器存在著噪聲積累，而且不能消除色散對(duì)脈沖展寬。 圖 摻鉺光纖中泵浦光功率與信號(hào)光功率之間的轉(zhuǎn)換 包層 信號(hào)光 1550nm 泵浦光 1480nm 或 980nm EDF 信號(hào)光 泵浦光 摻鉺光纖長度 最佳長度 光 強(qiáng) 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 。所以對(duì)摻鉺光纖放大器而言，有一個(gè)最佳長度，這個(gè)長度大約在 20－ 40米。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(zhuǎn)移到信號(hào)上，也即對(duì)信號(hào)光進(jìn)行放大。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(zhì)則為摻鉺光纖。 圖 光放大器的作用 輸入光信號(hào) 輸出光信號(hào) 光纖 光纖 光放大器 光放大器是基于受激輻射機(jī)理來實(shí)現(xiàn)入射光功率放大的，工作原理如圖 。與傳統(tǒng)中繼器比較起來，它具有兩個(gè)明顯的優(yōu)勢(shì)，第一，它可以對(duì)任何比特率和格式的信號(hào)都加以放大，這種屬性稱之為光放大器對(duì)任何比特率和信號(hào)格式是透明的。經(jīng)過多年的探索，科學(xué)家們已經(jīng)研制出多種光放大器。對(duì)于高速、多波長應(yīng)用場(chǎng)合，則中繼的設(shè)備復(fù)雜，費(fèi)用昂貴。為了使信號(hào)傳送的距離更大，就必須增強(qiáng)光信號(hào)。 minPmi nlg10 PS r ?rS dBm minPmi nma xlg10 PPD ? 光放大器 光信號(hào)沿光纖傳輸一定距離后，會(huì)因?yàn)楣饫w的衰減特性而減弱，從而使傳輸距離受到限制。 圖 光 CATV接收模塊 光接收機(jī)的主要指標(biāo)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(jī)接收微弱信號(hào)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。 直流偏置 組件 PD 連接器 阻抗匹配 RF電信號(hào)輸出 放大器 光信號(hào)輸入 圖 模擬光接收機(jī)的主要組成部分 對(duì)于光纖數(shù)字傳輸鏈路而言，由光發(fā)射機(jī)發(fā)出的光脈沖信號(hào)在沿著光纖傳輸時(shí)會(huì)發(fā)生衰減和失真，到達(dá)接收機(jī)經(jīng)光檢測(cè)器產(chǎn)生電流信號(hào)，經(jīng)過放大器轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)后，還要用濾波器對(duì)失真的波形進(jìn)行補(bǔ)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(jìn)行比較，再生出只有兩個(gè)電平的數(shù)字信號(hào)，圖 意圖。與 PIN管比較起來， APD具有內(nèi)部增益高、響應(yīng)速度快、光電轉(zhuǎn)換效率高、光生電流大等特點(diǎn)，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。目前廣泛使用的光電檢測(cè)器有兩種：本征型光電二極管（簡(jiǎn)稱 PIN管）和雪崩型光電二極管（簡(jiǎn)稱 APD）。 根據(jù)應(yīng)用不同，光接收機(jī)又分為模擬光接收機(jī)和數(shù)字光接收機(jī)。 圖 光纜實(shí)物圖 光接收機(jī) 光接收機(jī)的主要作用是將接收到的微弱光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，放大并處理，恢復(fù)為原來的形式。為了能使光纖用于多種環(huán)境條件下，便于敷設(shè)施工，必須將光纖制成光纜。涂覆層的外徑在 245～ 900um之間。 涂覆層有單層和雙層之分，在雙層結(jié)構(gòu)中，內(nèi)層為軟涂敷層，它提供較好的粘貼度和光纖襯墊。 （ 5）溫度系數(shù)與裸光纖一致性。 （ 4）抗潮性。 （ 3）柔韌性。 （ 2）可剝離性。它具有如下的功能 （ 1）吸附性好。在光纖制造過程中，裸纖從高溫爐拉出后，立即要經(jīng)過涂覆層流水線進(jìn)行涂覆。單模光纖和多模光纖的包層直徑一般都為 125μm。 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。圖中稱為臨界傳播角，它是光線發(fā)生全反射時(shí)與光纖縱向軸線之間的夾角?；窘Y(jié)構(gòu)如圖 ，內(nèi)層為纖芯，作用是傳輸光信號(hào)，外層為包層，作用是使光信號(hào)盡可能封閉在纖芯中傳輸，為了將信號(hào)限制在纖芯中，必須在纖芯和包層的界面實(shí)現(xiàn) 圖 階躍型光纖的基本結(jié)構(gòu) 光的全內(nèi)反射，參見圖 ，為此要求纖芯的折射率比包層的折射率略大，在纖芯中摻入極少量的雜質(zhì)（如 GeO2）可達(dá)到這個(gè)目的。圖 。所以說，器件的模塊化已經(jīng)成為發(fā)展的必然趨勢(shì)。而光源（特別是激光二極管）對(duì)這一反射光是十分敏感的，它會(huì)增加 LD的相對(duì)強(qiáng)度噪聲（光源的一項(xiàng)噪聲指標(biāo)），從而影響整個(gè)光纖通信系統(tǒng)的性能。實(shí)際上，當(dāng)激光入射到光纖的端面時(shí)，其中的一部分將被反射回光源處。 （ 4）光隔離器。它的散熱方向取決于電流流動(dòng)的方向，通常，由反饋回路中的溫度傳感器（熱敏電阻）控制供給溫控裝置組件電流的大小和極性。它利用半導(dǎo)體材料的帕爾帖效應(yīng)制成。因此，期望激光二極管工作時(shí)有盡可能低的和穩(wěn)定的溫度。工作溫度還與激光二極管的壽命密切相關(guān)。 （ 3）自動(dòng)溫度控制電路 ATC(Automatic Temperature Control)。通過設(shè)置在激光二極管后出光面的光電二極管對(duì)輸出光的強(qiáng)度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。激光二極管恒定的光輸出功率對(duì)保證通信系統(tǒng)的正常工作有著至關(guān)重要的意義。因?yàn)榄h(huán)境溫度的波動(dòng)會(huì)引起供給電流的波動(dòng)，所以現(xiàn)在幾乎所有高性能的激光二極管都已采用具有可調(diào)節(jié)電流和溫控裝置的電路。一般來說，驅(qū)動(dòng)電路是一種電流開關(guān)電路。對(duì)于直接強(qiáng)度調(diào)制的光源，必須給它提供恒定偏置電流和已調(diào)制的信號(hào)，它才能正常工作。下面對(duì)其中主要部件的功能作簡(jiǎn)單的介紹。 目前在光纖通信系統(tǒng)使用的外調(diào)制器通常是鈮酸鋰（ LiNbO3）電光調(diào)制器，它采用了一個(gè)集成光學(xué)馬赫 曾特（ Mach－ Zehnder）構(gòu)成，簡(jiǎn)稱為 M－ Z調(diào)制器，圖 電光路框圖。圖 （ b）示出了使用外調(diào)制器的光信號(hào)調(diào)制原理圖。直接調(diào)制光載波的方式用得比較多，但由于它本質(zhì)上是電領(lǐng)域的調(diào)試方式，所以受激光二極管調(diào)制特性的限制。 電信號(hào)對(duì)光源的調(diào)制從方式來分有兩種方式：一種稱為直接強(qiáng)度調(diào)制（ Intensity Modulation）如圖 ，即用電信號(hào)對(duì)光源的注入電流進(jìn)行調(diào)制，然后使輸出光波的強(qiáng)度隨調(diào)制信號(hào)而變化。作為一個(gè)調(diào)制好的光源希望全 0碼時(shí)沒有光功率輸出 ,否則它將使光纖系統(tǒng)產(chǎn)生噪聲 ,造成接收機(jī)靈敏度降低。 P (mW) IF (mA) Ib Ith 輸出光信號(hào) 輸入電流信號(hào) P (mW) IF (mA) 輸出光信號(hào) 輸入電流信號(hào) Ith （ a）模擬電流信號(hào)對(duì)激光器的調(diào)制 （ b）數(shù)字電流信號(hào)對(duì)激光器的調(diào)制 圖 電信號(hào)對(duì)光源的調(diào)制過程 在此需要說明消光比的概念。顯然，輸出特性的線性度越高，電光轉(zhuǎn)換時(shí)的失真就越小。 IF (mA) P (mW) (a) LED外形圖和輸出特性 IF (mA) P (mW) (b) LD外形圖和輸出特性 圖 光源的外形和特性 輸入到光發(fā)射機(jī)的電信號(hào)要轉(zhuǎn)換成適合驅(qū)動(dòng)光源的電流信號(hào)后，才能加到光源上。隨著驅(qū)動(dòng)電流的增加，輸出光功率的增加很快。 圖 LED和 LD的外形圖和其輸出特性。 （ 5）調(diào)制特性好，響應(yīng)速度快，以利于高速率、大容量數(shù)字信號(hào)的傳輸。 （ 3）電光轉(zhuǎn)換效率高，驅(qū)動(dòng)功率低，壽命長，可靠性高。 光纖通信系統(tǒng)中對(duì)光源的要求有以下幾個(gè)方面： （ 1）光源發(fā)射的峰值波長必須位于光纖低損耗窗口之內(nèi)，即為 850nm，1310nm和 1550nm。 光發(fā)射機(jī) 1. 光源及其調(diào)制方式 如前所述，光發(fā)射機(jī)由將帶有信息的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的轉(zhuǎn)換裝置和將光信號(hào)送入光纖的傳輸裝置組成，而光源是光發(fā)射機(jī)的核心部件。 光纖通信系統(tǒng)的基本單元 在上節(jié)中，我們已經(jīng)對(duì)光纖通信系統(tǒng)的構(gòu)成作了初步介紹。 光纖本身也存在一些缺陷。由于光纖的重量輕，它被應(yīng)用于飛機(jī)制造上，不但降低了通信設(shè)備的成本和飛機(jī)制造的成本，而且提高了通信系統(tǒng)的抗干擾能力和飛機(jī)設(shè)計(jì)的靈活性。 除上述列舉的優(yōu)勢(shì)外，光纖還具有線徑細(xì)、重量輕、壽命長等優(yōu)點(diǎn)。在保持同樣的傳輸容量下，僅需要 10公斤石英。據(jù)測(cè)量，從上海至北京鋪設(shè)一條電纜線路需要用銅 800噸，鉛 300噸。但光波在光纖中傳輸，不易泄漏出來，難于用傳統(tǒng)的方法竊聽其中的信息，同時(shí)，它也不會(huì)干擾其它通訊設(shè)備的正常工作。對(duì)信息的竊取通常有三個(gè)途徑：一是直接接入式竊聽；二是竊聽計(jì)算機(jī)和終端設(shè)備輻射的電磁場(chǎng)；三是竊聽電纜源輻射的電磁場(chǎng)。 4. 保密性好 保密性好是通信系統(tǒng)又一重要要求。而光纖中傳輸?shù)墓庑盘?hào)特定的頻率范圍，使它不易受各種電磁干擾的影響。目前，光纖組成的光纖通信系統(tǒng)最大中繼距離可達(dá) 200多公里，而同軸電纜系統(tǒng)的最大中繼距離僅為 6公里。為了延長通信的距離往往要在傳輸線路上設(shè)置一些放大器，也稱為中繼器，將衰減了的信號(hào)放大后再繼續(xù)傳輸，顯然，中繼器越多，傳輸線的成本就越高，通信的可靠性也會(huì)降低，若某一中繼器出現(xiàn)故障，就會(huì)影響全線的通信。 2. 中繼距離長 所謂中繼距離是指?jìng)鬏斁€路上不加放大器時(shí)信號(hào)所能傳輸?shù)淖畲缶嚯x。例如，理論上一個(gè)光纖可以同時(shí)傳輸近 100億路電話和 1000萬路電視節(jié)目，而實(shí)用水平為每對(duì)光纖傳輸 48萬多路電話信號(hào)。 光纖通信的優(yōu)勢(shì) 光纖通信與其它通信手段的主要區(qū)別有兩點(diǎn)，一是載波頻率很高；二是用光纖作為傳輸介質(zhì)，其優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： 1. 信道帶寬