11光通信3-1

目录第一章信息与信号第二章光通信的一般概念第三章传输光路第四章光发射机第五章光接收机与基本光纤数字通信系统第六章基于电复用的光纤通信系统第七章光放大第八章光路复用技术第三章传输光路第一节光纤和光缆3.1.1光纤的一般理论3.1.2通信用光纤的结构和制造3.1.3光缆的结构和制造3.1.4光纤中光信号的传输特性第三章传输光路第二节无源光器件3.2.1光纤连接器3.2.2光纤耦合器3.2.3波长相关器件3.2.4偏光器件3.2.5功率相关器件3.2.6自聚焦透镜与光纤准直器3.2.7光开关传输光路要求传输光路指的是从光信号的产生到接收的整个光通路要求:1.没有光能的损失2.没有色散和脉冲展宽（延迟问题）3.光强的响应是线性的4.偏振不敏感性、相位稳定性第一节光纤和光缆3.1.1光纤的一般理论3.1.2通信用光纤的结构和制造3.1.3光缆的结构3.1.4光纤中光信号的传输特性3.1.1光纤的一般理论1.射线理论2.波动理论3.量子理论3.1.1光纤的一般理论1.射线理论光是一种频率很高的电磁波，而光纤本身是一种介质波导。全反射原理光线在均匀介质中是以直线传播的，但在两种不同介质的分界面会产生反射和折射现象：入射光反射光折射光折射率n1折射率n2n1n2θ1当n1n2θ1θc时发生全反射θc：临界角光纤中光波的传输原理-全反射“之”字线传输只要满足全内反射条件连续改变入射角的任何光射线都能在光纤纤芯内传输n2n1当光在光纤中发生全反射现象时，由于光线基本上全部在纤芯区进行传播，没有光跑到包层中去，所以可以大大降低光纤的衰耗。2.波动理论0222EEnkE3.量子理论☺模式理论☺模耦合理论在纵向上折射率分布是均匀的，在横向上用一个简单的函数即可描述折射率的分布，称沿纵向折射率均匀分布的无限长光纤为正规光波导。模式的概念非正规光波导，各模式场的大小沿纵向不断变化，相当于各模式场之间互相传递能量，出现“耦合”3.1.2通信光纤结构和制造1.光纤结构2.光纤的类型3.光纤的制造技术(1)预制棒制造工艺(2)拉丝工艺纤芯主要采用高纯度的SiO2二氧化硅，并掺有少量的掺杂剂，提高纤芯的光折射率n1；包层也是高纯度的二氧化硅，也掺杂一些掺杂剂，主要是降低包层的光折射率n2；涂层采用丙烯酸酯、硅橡胶、尼龙，增加机械强度和可弯曲性。3.1.2通信光纤的结构和制造1.光纤的结构3.1.2通信光纤的结构和制造1.光纤的结构石英光纤芯层包层涂敷层护套:紧套松套芯包层树脂被覆层ncorenclad2.光纤的类型光纤的分类方法很多：按照光纤截面折射率分布来分类；按照光纤中传输模式数的多少来分类；按照光纤使用的材料来分类；按照传输的工作波长来分类。(1)按光纤截面上折射率分布分类按照截面上折射率分布的不同可以将光纤分为：阶跃型光纤(Step-IndexFiber，SIF)和渐变型光纤(Graded-IndexFiber，GIF。根据芯区折射率径向分布的不同，可分为：不同的折射率分布，传输特性完全不同图2.2光纤的折射率分布(2)按传输模式的数量分类按光纤中传输的模式数量，可以将光纤分为多模光纤(Multi-ModeFiber，MMF)和单模光纤(SingleModeFiber，SMF)。在一定的工作波上，当有多个模式在光纤中传输时，则这种光纤称为多模光纤。单模光纤是只能传输一种模式的光纤，单模光纤只能传输基模(最低阶模)，不存在模间时延差，具有比多模光纤大得多的带宽，这对于高码速传输是非常重要的。(3)按光纤的工作波长分类按光纤的工作波长可以将光纤分为：短波长光纤、长波长光纤和超长波长光纤。(4)按ITU-T建议分类按照ITU-T关于光纤类型的建议，可以将光纤分为G.651光纤(渐变型多模光纤)、G.652光纤(常规单模光纤)、G.653光纤(色散位移光纤)、G.654光纤(截止波长光纤)和G.655(非零色散位移光纤)光纤。按套塑(二次涂覆层)可以将光纤分为松套光纤和紧套光纤。现在实用的石英光纤通常有以下三种：阶跃型多模光纤、渐变型多模光纤和阶跃型单模光纤。•三种主要类型光纤的比较单模光纤的种类•标准单模光纤（G.652光纤）•色散位移单模光纤（G.653光纤）•1550nm波长最低衰减光纤（G.654光纤）•非零色散位移光纤（G.655光纤）•色散补偿光纤（G.65X光纤）•色散平坦光纤在1310nm波长工作时，理论色散值为零，衰耗大；在1550nm波长工作时，传输损耗最低，色散系数较大。单通路速率达到STM-64时，需要采取色散调节手段。G.652光纤——标准单模光纤在我国占99%以上。虽称1310nm性能最佳光纤，但绝大部分却用于1550nm，其原因是在1310nm无实用化光放大器。它可传输2.5G或以2.5G为基群的WDM系统；但传输TDM的10G，面临色散受限的难题（色度色散与PMD）。G.653光纤——色散位移单模光纤实现了在1550nm波长低衰减和零色散。可以20Gbit/s系统，不需任何色散补偿。日本全国铺设。在1550nm波长，衰耗和色散皆为最小值，可实现大容量长距离传输。因出现四波混频效应(FWM),限制了它在WDM（波分复用）方面的应用。G.654光纤--1550nm波长最低衰减光纤选用纯SiO2芯来降低光纤的衰减最大优点：在1550nm波长的最低衰减为0.18dB/km制造困难，价格昂贵，不实用。截止波长移位的单模光纤，它的设计重点是降低1550nm波长处的衰减。1550nm损耗最小光纤，主要用于长再生中继距离的海底光缆。G.655光纤——非零色散位移光纤1994年专门为DWDM系统设计的新型光纤特定的最小色散保证抑制四波混频非线性。克服了G.652光纤在1550nm处色散受限和G.653光纤在1550nm处出现四波混频效应的缺陷，适用于WDM系统。零色散点移至1570nm或1510-1520nm附近，使1550nm处具有一定的色散值。色散受限距离达数百公里。可以有效的减少波分复用系统的四波混频的影响。因既可传输TDM（时分复用模式）的10G，又可传以2.5G或10G为基群的WDM系统，所以近年倍受青睐。但理想的G.655光纤无法实现，因为在光纤的有效横截面积与色散斜率二方面难以均衡。目前，G.655光纤尚无国际统一规范。—大的有效面积，会有效地避免非线性效应，但将导致色散斜率的增加。—小的色散斜率将会便于色散的补偿；但其有效面积却减小。G.655光纤——非零色散位移光纤单模光纤主要技术规范光纤G.652G.653G.654G.655截止波长nm1270127015301470零色散波长nm1300-13241500-1600色散斜率ps/km.nm20.0930.085最大色散值ps/km.nm13103.53.53.5155020206.0典型损耗值B/km13100.3-0.415500.15-0.250.19-0.250.15-0.190.19-0.25工作窗口nm1310和1550155015501550单模光纤主要技术规范模场直径8-11μm(+10%)包层直径125μm+2μm几种光纤折射率分布阶跃型渐变型W型多包层型某光纤实际折射率分布-8-6-4-202468-10123456x10-3折射率分布三维立体图目前通信用的光纤主要是石英系光纤，其主要成分是高纯度的SiO2玻璃。如果在石英中掺入折射率高于石英的掺杂剂，就可以制作光纤的纤芯。同样，如果在石英中掺入折射率低于石英的掺杂剂，就可以作为包层材料。纤芯中广泛应用的掺杂剂为二氧化锗（GeO2）、五氧化二磷(P2O5)等，包层中主要的掺杂剂为三氧化二硼（B2O3）、氟（F）等。3.光纤的制造技术单晶硅3.光纤的制造技术光纤预制棒生长拉丝光纤制造工艺流程主要包括：3.光纤的制造技术用气相沉积法制作具有所需折射率分布的预制棒（典型预制棒长1m,直径2cm）使用精密馈送机构将预制棒以合适的速度送入炉中加热成缆--光缆(1)光纤预制棒制造工艺MCVD（改进的化学气相沉积）法MCVD-ModifiedChemicalVapourDepositionOVD（棒外气相沉积）法VAD（轴向气相沉积）法PCVD（等离子体化学气相沉积）法PCVD-PlasmaChemicalVapourDepositionMCVD是目前使用最广泛的预制棒生产工艺。MCVD法生产光纤预制棒的基本原理是用氧气按特定的次序将SiO2、SiCl4、GeCl4送入旋转的高纯石英管中，硅管维持较高的温度，使硅和掺杂元素按受控方式产生化学反应。反应的产物均匀沉积在石英管的内壁，随着沉积不断产生，中空的石英管逐渐被封闭。MCVD法装置示意图O2SiCl4GeCl4喷灯O2和H2来回移动Cl2最后沉积光纤的纤芯，其氧化反应过程为：高温高温SiCl4+O2→SiO2+2Cl2↑GeCl4+O2→GeO2+2Cl2↑为了保证沉积的均匀性，在整个过程中要以一定的速度旋转石英管，并使氢氧焰喷灯以适当的速度沿石英管来回移动。玻璃车床多余气体排出旋转的硅管BCl3、GeCl4SiCl4、SiO2O2喷灯左右移动MCVD法(2)光纤拉丝装置示意图送棒装置石墨加热炉测径仪涂覆装置光纤扭绞装置牵引辊光纤盘当预制棒由送料机构以一定的速度均匀地送往环状加热炉中加热，且预制棒尖端加热到一定的温度时，棒体尖端的粘度变低，靠自身重量逐渐下垂变细而成纤维，由牵引棍绕到卷筒上。光纤外径和圆的同心度由激光测径仪和同心度测试仪监测，其监测结果控制送棒机构和牵引辊相互配合，以保证光纤的同心度和外径的均匀性。目前，光纤的外径波动可控制在±0.5μm以内，拉丝速度一般为600-1500m/min。1.光缆的技术要求为了构成实用的传输线路，同时便于工程上安装和敷设，常常将若干根光纤组合成光缆。虽然在拉丝过程中经过涂覆的光纤已具有一定的抗拉强度，但仍经不起弯折、扭曲等侧压力，所以必须把光纤和其他保护元件组合起来构成光缆，使光纤能在各种敷设条件下和各种工程环境中使用，达到实际应用的目的。3.1.3光缆的结构光缆干线缆(架空光缆,直埋光缆,海底光缆,复合光缆……)96芯以下局内光缆芯数少，比光线缆柔软用户缆根据需要几百芯或几千芯,纤芯为带状光纤光缆的最主要的技术要求是保证在制造成缆、敷设以及在各种使用环境下光纤的传输性能不受影响并具有长期稳定性。其主要性能有：(1)机械性能：包括抗拉强度、抗压、抗冲击和弯曲性能。(2)温度特性：包括高温和低温温度特性。(3)重量和尺寸：每千米重量(kg/km)及外径尺寸。其中最关键的是机械性能，它是保持光缆在各种敷设条件下都能为缆芯提供足够的抗拉、抗压、抗弯曲等机械强度的关键指标。必须采用加强芯和光缆防护层（简称护层），根据敷设方式的不同，护层要求也不一样：管道光缆的护层要求具有较高的抗拉、抗侧压、抗弯曲的能力；直埋光缆要加装铠装层，要考虑地面的振动和虫咬等；架空光缆的护层要考虑环境的影响，还要有防弹层等；海底光缆则要求具有更高的抗拉强度和更高的抗水压能力。海底光缆内还有电源线，主要为中继站的放大器等提供电源。为了满足以上所说的光缆的性能，必须合理地设计光缆的结构。光缆的结构可分为缆芯、加强元件和护层三大部分。缆芯是光缆结构中的主体，其作用主要是妥善地安置光纤的位置，使光纤在各种外力影响下仍能保持优良的传输性能。多芯光缆还要对光纤进行着色以便于识别。另外，为防止气体和水分子浸入，光纤中应具有各种防潮层并填充油膏。2.光缆结构加强元件有两种结构方式，一种是放在光缆中心的中心加强方式，另一种是放在护层中的外层加强方式。对加强元件的要求是具有高杨氏模量，高弹性范围，高比强度(强度和重量之比)，低线膨胀系数，优良的抗腐蚀性和一定的柔软性。加强件一般采用钢丝，钢绞线或钢管等，而在强电磁干扰环境和雷区中则应使用高强度的非金属材料玻璃丝和凯夫拉尔纤维(Kevlar)。光纤护层同电缆护层一样，是