【正文】 ? ? ?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 12nn? 時 ，逐漸增大 1? ， 進入介質(zhì) 2 的折射光線 將 進 一步趨向界面，直到 r? 趨于 。 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。這正是光纖傳輸?shù)脑怼? 總結(jié)： ① 歸一化頻率 V的表達式： 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 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。 ② 塑料光纖。 這種光纖的纖芯和包層是由高純度 2iOS 的 中摻雜適當?shù)碾s質(zhì)制成的。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。 漸變折射率多模光纖通過用纖芯、包層折射率漸變的方式來代替突變邊界，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。 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，這種光纖稱為漸變 型光纖，又稱為非均勻光纖。同時，性能最好的光放大器比如摻鉺光纖放大器，其工作波長范圍是 ～ ，但階躍折射率單模光纖在這一波段的色散非常大。 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，稱為階躍型光纖，又可稱為均勻光纖。 這種空間分布在傳播過程中只有相位的變化，沒有形狀的變化，且始終滿足邊界條件， 每一種這樣的分布對應(yīng)一種模式。 所謂模式， 光纖纖芯中的電場和磁場，包層中的電場和磁場均滿足波動方程， 但它們的解不是彼此獨立的，而是滿足在纖芯和包層處電場和磁場的邊界條件。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。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。 ② 多模光纖。 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。 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、 長距離的光纖通信。 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 認為是 均勻分布 的。 光纖中只傳輸一種模式時，叫做單模光纖。 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 光纖的種類很多，分類方法也是各種各樣的。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 對前兩者 提供機械保護 ，同時又增加光纖的柔韌性， 起 著延長光纖壽命的作用。核心部分為纖芯和包層， 二者共同構(gòu)成介質(zhì)光波導(dǎo) ,對光纖的特性起決定性作用， 形成對光信號的傳導(dǎo)和約束，實現(xiàn)光的傳輸 。 光纖的基本結(jié) 構(gòu) 光纖的典型結(jié)構(gòu)是一種細長多層同軸圓柱形實體復(fù)合纖維。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，進而使光在纖芯內(nèi)傳播 。 隨著通信技術(shù)的進一步發(fā)展 ， 光纖光纜已逐步取代電纜成為國家通信技術(shù)的主干線。 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性效應(yīng)的影響很明顯。在子網(wǎng)中使用 WDM 可增強網(wǎng)絡(luò)的靈活性和可靠性，而 TDM 則是實現(xiàn)高速傳輸?shù)挠辛ν緩健? ② 光時分復(fù)用。其基本原理是在發(fā)送端將不同波長的光信號復(fù)用，并 耦合到光纜線路上的同一根光纖中進行傳輸，在接收端又將組合波長的光信號解復(fù)用。 ① 光波分復(fù)用。 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)。 所以 一條光纖線路可能存在多根光纖連接 的問題。其主要作用有兩個：一個是對波形失真的脈沖進行整形；另一個是補償光信號在光纖中傳輸時受到的衰減。其主要功能是將發(fā)信端發(fā)出的已調(diào)光信號，經(jīng)過光纖或光纜的遠距離傳輸后，耦合到收信端的光檢測器上去，完成傳送信息過程。然后再將這微弱的電信號經(jīng)放大電路放大到足夠的電平，送到接收端的電端 機。它由光檢測器和光放大器構(gòu)成。然后再將已調(diào)的光信號耦合到光纖或光纜 中 進行傳輸。它由光源、驅(qū)動器和調(diào)制器組成。光收信機和光收信機在一起稱為光端機 [10]。 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度調(diào)制 、 數(shù)字編碼 、直接檢波通信系統(tǒng)。 但這些缺點并不影響它的廣泛應(yīng)用。光纖不能輸送中繼器所需要的電能。切斷和連接光纖時，需要高精度技術(shù)，這在連接電纜時是沒有的 ，且分路耦合不方便。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。 ⑺ 光纖使用壽命長的優(yōu)點 光纖 存在著諸多優(yōu)點的同時，也有其相應(yīng)的缺點 。 ⑹ 光纖信道體積小、重量輕 、便于傳輸和鋪設(shè) 的優(yōu)點。制備光纖、光纜的主要原材料 2iOS 是地球上儲量最豐富的物質(zhì) 。由于能免除電磁脈沖效應(yīng)，光 纖傳輸系還特別適合于軍事應(yīng)用。與之相聯(lián)系的一個重要特性是光波導(dǎo)對電磁干擾的免疫力，它不受自然界的雷電干擾、電離層的變化和太陽黑子活動的干擾，也不受人為釋放的電磁干擾，還可用它與高壓輸電線平行架設(shè)或與電力導(dǎo)體復(fù)合構(gòu)成復(fù)合光纜。 ⑷ 抗 電磁 干擾能力強的優(yōu)點 。 光纖還是一種介質(zhì)光波導(dǎo)，可以將光波封閉在其中進行傳播， 光波在光纖中傳輸，因為光信號被完善地限制在光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中，而任何泄漏的射線都被環(huán)繞光纖的不透明包 層 所吸收， 即使在轉(zhuǎn)彎處，漏出的光波也十分微弱， 還有 即使光纜內(nèi)光纖總數(shù)很多，相鄰信道也不會出現(xiàn)串音干擾，同時在光纜外面，也無法竊聽到光纖中傳輸?shù)男畔ⅰ? ⑶ 光纖通信系統(tǒng) 無串音干擾、 安全性好 。 現(xiàn)在單模光纖的帶寬可達 THz ⑵ 頻帶寬、信息容量大。 對于一個長途傳輸線路，又由于中繼站數(shù)目的減少，系統(tǒng)成本和復(fù)雜性可大大降低。 目前，商品石英光纖損耗可低于 0～ 20dB/km，這樣的傳輸損耗比其他任何傳輸介質(zhì)的損耗都低。 其之所以得到如此飛速的發(fā)展，是因為它具有不可比擬的一系列獨特的優(yōu)點 [2]。 20 世紀 90 年代初期光纖放大器的問世引起了光纖通信領(lǐng)域的重大變革，摻鉺光纖放大器 EDFA 用于光孤子放大，進一步提升了高速長距離的潛力，因此光孤子通信是一種具有潛在應(yīng)用前景的傳輸方式 [2]。 圖 113 相干光纖通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 ㈤ 第五代光纖通信系統(tǒng) — 光孤子通信系統(tǒng) 光孤子通信是利用光纖非線性進行超大容量、超長距離的光纖通信方式。 相干光纖通信結(jié)構(gòu)圖如下圖 12 所示。 第三代光纖通信系統(tǒng)的比特率為 ，中繼距離大于 100 km[2]。當時由于多縱模常規(guī) InGaAsP 半導(dǎo)體激光器 的譜寬問題未能解決，而且光纖在 ，也因此而推遲了第三代光纖通信系統(tǒng)的應(yīng)用。 ㈢ 第三代光纖通信系統(tǒng) 1990 年，第三代光纖通信系統(tǒng)已經(jīng)可以初步 投入 商業(yè)運營，光源為 InGaAsP 半導(dǎo)體激光器，光電探測器與第二代光纖通信系統(tǒng)同為鍺光電探測器，信道為單模光纖，其工作波長為 λ=，該光纖通信系統(tǒng)稱為長波光纖通信系統(tǒng)。隨著由多模光纖發(fā)展到單模光纖 ，單模光纖比多模光纖的損耗更小，色散更低，因此采用單模光纖通信系統(tǒng)可進一步提高系統(tǒng)的比特率和中繼距離。 ㈡ 第二代光纖通信系統(tǒng) 1981 年又實現(xiàn)了兩電話局間使用 ，為第二代 早期多模 光纖通信系統(tǒng)，光源為 InGaAsP 半導(dǎo)體激光器，其工作波長為 λ=，該波段是石英系光纖的第二個低損耗窗口，有較低的損耗和最低的色散。km（通信系統(tǒng)的通信容量通常用比特率與距離積 BL 表示。 ㈠ 第一代光纖通信系統(tǒng) 1978 年， 第一代光纖通信系統(tǒng) ( )正式投 入商業(yè)應(yīng)用，光源為半導(dǎo)體激光器（ GaAlAs LD）或發(fā)光二極管，其工作波長為 λ=， 該光纖通信系統(tǒng)稱為短波通信系統(tǒng) 。 ⑧ 相繼建成了多條長距離光纖通信 網(wǎng)絡(luò) ，我國的“八橫八縱”格狀國家通信網(wǎng)骨干網(wǎng)也已基本建成，我國鋪設(shè)光纜的方向已經(jīng)開始轉(zhuǎn)向城域網(wǎng)等局部性網(wǎng)絡(luò)，而且隨著光通信的發(fā)展，高質(zhì)量、高速度數(shù)據(jù)傳輸將進一步得到應(yīng)用 [1]。 國外 光纖技術(shù)發(fā)展情況 ： ① 20 世紀 60 年代中期，所研制的最好的光纖損耗在 400dB/Km以上； ② 1966 年英國標準電信研究所高錕及 從理論上預(yù)言光纖損耗可降至 20dB/Km以下； ③ 1970 年康寧公司采用“粉末法”先后獲得了損耗低于 20dB/Km 和 4dB/Km的低損耗石英光纖； ④ 1974 年貝爾實驗室采用改進的化學(xué)汽相沉積法制出性能優(yōu)于康寧公司額光纖產(chǎn)品； ⑤ 1979 年，摻鍺石英光纖在 dB/km，這一數(shù)值已經(jīng)十分接近由瑞利散射所決定的石英光纖理論損耗極 限； ⑥ 1988 年 ，第一條跨越大西洋海底，連接美國東海岸同歐洲大陸的光纜開通。 自此以后，光纖通信的研究在世界范圍內(nèi)展開并得到迅猛發(fā)展，在 短短的三、四十年中，已經(jīng)從 ～ 纖，也相繼開發(fā)出 ～ ，激光器的壽命已達數(shù)十萬小時，甚至百萬小時 。 同年， Hayashi 等人研制出了室溫下連續(xù)運行的的GaAlAs(鎵鋁砷 )雙異質(zhì)結(jié)注入式半導(dǎo)體激光器，從而為光通信提供了合適的光源和信道， 使光纖進行遠距離傳輸成為可能， 從此開啟光纖通信的的新紀元。從此，也宣告敲開了光纖通信的大門，引起了更多人的重視。目前也主要采用三種通信窗口，即波長為 、 。 2 1 簡述光纖通信技術(shù) 光纖通信技術(shù)的發(fā)展 歷史 在光纖問世之前 ,人們對光通信已經(jīng)進行了大量的探索 ,研究及使用 ,光波是我們最熟悉的電磁波 ,它的波長在微米級 ,頻率為 1014 數(shù)量級 ,從 圖 11 電磁波譜可以看出 ,紅外線、紫外線、可見光均屬于光波的范疇。 在內(nèi)容安排上，論文第一章簡述光纖通信技術(shù)的發(fā)展歷史、光纖通信技術(shù)的特點 及 光纖通信系統(tǒng)的組成 ；第二章介紹了傳輸介質(zhì) —— 光纖， 用射線光學(xué)理論和光纖導(dǎo)光原理 詳細闡述了光纖傳輸理論，并在此基礎(chǔ)上分析了光纖的傳輸特性 ， 另外 還介紹了新型光纖；第三章 歸結(jié)為光纖通信技術(shù)的前景展望，重點闡述了光孤子 通信和全光網(wǎng)絡(luò) 技術(shù)及其及應(yīng)用前景 ；緊接著的是此次畢業(yè)論文的總結(jié)，包含著對此次畢業(yè)設(shè)計的整個研究工作的歸納，也是本文的思想精髓。而且， 光纖 在制備技術(shù)、連接方式、傳輸理論、 檢測方式等方面，都采用了與銅質(zhì)電纜不同的、比較獨特的理論與方法，也可以說，這是又一次新技術(shù)革命的一個里程碑 。光纖與以往使用的傳輸媒介相比，具有 諸多顯著的傳輸優(yōu)點。 光 纖 通信系統(tǒng)使用電磁波譜中的可見光或近紅外區(qū)域的高頻電磁波 ，運用光反射原理，把光的全反射限制在光纖內(nèi)部，用光信號取代傳統(tǒng)通信方式中的電信號，通過光交換從而實現(xiàn)信息的傳遞。 這也是本論文要綜合論述的結(jié)論 .最后分析指出光纖通信技術(shù)的應(yīng)用前景 以及前沿技術(shù) 。 本論文集中研究一種特殊的傳輸媒介 —— 光纖，針對光纖的基本結(jié)構(gòu)、光纖傳輸理論以及新型光纖和光纖的基本特性展開研究論述。 畢業(yè)設(shè)計 （ 論文 ） 題目 名稱 ： 光纖通信技術(shù)研究現(xiàn)狀和應(yīng)用前景 學(xué)院 名稱 ： 班 級： 學(xué) 號： 學(xué)生姓名 ： 指導(dǎo)教師 ： 2021 年