第3章 光纤通信

第三章光纤通信3.1光纤通信概述3.2光纤与光缆3.3光源和光电检测器3.4光纤传输设备3.5光的波分复用3.6光纤通信新技术第三章光纤通信3.1光纤通信概述我们知道，对于载波通信而言，载波频率（简称载频）越高，意味着可以用于通信的频带就越宽，则通信容量就越大。有线通信从明线发展到电缆，无线通信从短波发展到微波和毫米波，它们的目的都是通过提高载波频率来扩大通信容量。第三章光纤通信光纤即为光导纤维的简称，它是一种能够通过光的直径很细的透明玻璃丝。光纤通信是以光波作为载波，以光纤作为传输媒质所进行的通信。光波也是一种电磁波，频率在1014Hz数量级，比微波（1010Hz）高104～105倍，因此具有比微波大得多的通信容量。所以光纤通信一经问世，就以极快的速度发展，它将是未来信息社会中各种通信网的主要传输方式。第三章光纤通信3.1.1光纤通信的发展历史一九六六年七月，英藉、华裔学者高锟博士（K.C.Kao）发表了一篇十分著名的文章《用于光频的光纤表面波导》，该文从理论上分析证明了用光纤作为传输媒体以实现光通信的可能性，并设计了通信用光纤的波导结（即阶跃光纤）。更重要的是科学地预言了制造通信用的超低耗光纤的可能性，即加强原材料提纯，加入适当的掺杂剂，可以把光纤的衰耗系数降低到20dB/km以下。第三章光纤通信1970年，美国康宁公司首先研制出损耗为20dB/km的光纤，与此同时GaAlAs-GaAs双异质结半导体激光器实现了室温下连续运转，从而光通信进入了光纤通信的新时代。国际上一般都把1970年看做是光纤通信的开元之年。此后世界各国纷纷开展研究，光纤的发展十分迅速。在这短短的30多年的时间里，光纤通信已发展了四代：第三章光纤通信第一代为短波长（0.85m）多模光纤通信；第二代为长波长（1.3m）多模光纤通信；第三代为长波长（1.3m）单模光纤通信；第四代为长波长（1.55m）单模光纤通信。随着光电集成、光纤放大器、光波复用等新技术的开发、使用，光纤通信将成为通信领域的主力军。第三章光纤通信3.1.2光纤通信的工作波长光波的波长在微米级，通常将紫外线、可见光、红外线都归入光波范畴，如图3.1所示为光的波谱图。阴影部分为光纤通信波段图3.1光的波谱图第三章光纤通信光纤通信使用的波段位于近红外区，波长范围为0.8m～1.8，其中0.8m～1.0称为短波长波段区，1.0m～1.8m称为长波长波段区。目前光纤通信使用的波长选择在两个波段区的低损耗点，即0.85m、1.31m、1.55m，通常称它们为当前光纤通信的三个窗口。第三章光纤通信3.1.3光纤通信的特点光纤通信与电通信的主要差异：一是以很高频率的光波作为载波传输信号；二是用光导纤维构成的光缆作为传输线路。因此，在光纤通信中起主导作用的是产生光波的激光器和传输光波的光导纤维。光纤通信之所以能够飞速发展，是由于它具有以下的突出优点所决定：（1）传输频带宽，通信容量大由信息理论知道，载波频率越高通信容量越大，因目前使用的光波频率比微波频率高104～105倍，所以通信容量约可增加104～105倍。第三章光纤通信（2）损耗低，中继距离远目前使用的光纤均为SiO2（石英）光纤，要减少光纤损耗，主要是靠提高玻璃纤维的纯度来达到。由于目前制成的SiO2玻璃介质的纯度极高，所以光纤的损耗极低，在光波长=1.55m附近，损耗有最低点，为0.2dB/km，已接近理论极限值。由于光纤的损耗低，因此中继距离可以很长，在通信线路中可以减少中继站的数量，降低成本并且提高了通信质量。例如，对于400Mbit/s速率的信号，光纤通信系统无中继传输距离达到70km以上，而同样速率的同轴电缆通信系统，无中继距离仅为几千米（中同轴电缆为4.5km，小同轴电缆为2km）。第三章光纤通信第三章光纤通信（3）不受电磁干扰因为光纤是非金属材料，因此它不受电磁干扰。（4）保密性强光纤内传播的光几乎不辐射，因此很难窃听，也不会造成同一光缆中各光纤之间的串扰。（5）线径细、质量轻由于光纤的直径很小，只有0.1mm左右，因此制成光缆后，直径要比电缆的直径细，而且质量轻，这样在长途干线或市内干线上空间利用率高，而且便于制造多芯光缆与敷设。第三章光纤通信（6）资源丰富由于光纤的原材料是石英，地球上是取之不尽、用之不竭的，而且很少的原材料就可以拉制很长的光纤。虽然光纤通信具备上述一系列优点，但光纤本身也有缺点，如光纤质地脆、机械强度低；要求用比较好的切断、连接技术；分路、耦合比较麻烦等。但这些问题随着技术的不断发展，都是可以克服的。第三章光纤通信3.1.4光纤通信的基本组成光纤通信系统的基本组成框图如图3.2（a）所示，它主要由光发射机、光纤、光接收机三个基本部分组成，如果进行远距离传输，则还应在线路中间插入光中继器。实用光纤通信系统一般都是双向的，因此其系统的组成包含了正反两个方向的基本组成，并且每一端的发射机和接收机做在一起，称为光端机。同样，光中继器也有正反两个方向，如图3.2（b）所示。第三章光纤通信图3.2光纤通信系统的基本组成第三章光纤通信光发射机将电信号变换成光信号，是通过发光器件来实现的。调制的方式原则上可以使用振幅、频率和相位调制，但由于目前激光器等光源的频谱不纯，频率也不稳定，使调频或调相方式难以实现。因此，现有实用系统采取控制光功率的调幅方法，通常又称为直接强度调制（IM）。经调制后的光功率信号耦合入光纤，经光纤传输后，光接收机的光电检测器采用直接检测方式（DD）将光信号变换成电信号，再经放大、解调（或解码）后还原为原信号输出。这种光纤通信系统称为强度调制/直接检测（ID/DD）光纤通信系统。第三章光纤通信光纤通信既可用于数字通信，也可用于模拟通信。光纤通信系统中的模拟信号或数字信号是指将信息变换成电信号时所采取的调制方式，用这种经过调制的电信号再去改变光的强度以获得光信号。因此，如果电信号连续变化（模拟调制），光信号的强度也连续变化；如果电信号是脉冲信号（数字调制），相应的光信号的强度也以脉冲形式变化（有光无光）。但最终光信号还是强度调制。第三章光纤通信3.2光纤与光缆第三章光纤通信3.2.1光纤的结构及其分类1．光纤的结构光纤一般由纤芯和包层组成。内层为纤芯，直径为2a，折射率为n1，作用是传输光信号；外层为包层，直径为2b，折射率为n2，作用是使光信号封闭在纤芯中传输。目前光纤的包层外径2b一般为125m。第三章光纤通信为了保证光信号在纤芯中传播，要求纤芯的折射率n1稍大于包层的折射率n2。介质的折射率表示光在空气中的传播速度与光在某一介质中的传播速度之比，一般用n表示，即vcn第三章光纤通信上图所示的光纤实际上是我们平时说的裸光纤，它的强度较差。为了提高它的抗拉强度，在包层外面还要附加两层涂覆层。一次涂覆层（预涂覆）大多采用环氧树脂、聚氨基甲酸乙酯或丙烯酸树脂等材料，缓冲层一般采用硅树脂，二次涂覆层大多采用尼龙、聚乙烯或聚丙烯等套塑层。通常所说的光纤是指涂覆后的光纤，称光纤芯线。如图3.4所示是目前使用最为广泛的两种光纤结构，图3.4（a）为紧套光纤（光纤不能在套管中活动），图3.4（b）为松套光纤（光纤能在套管中活动）。第三章光纤通信图3.4光纤芯线结构第三章光纤通信第三章光纤通信2．光纤的分类光纤可以根据不同的方法进行分类。（1）按光纤的材料来分，通常有石英玻璃光纤和全塑光纤石英玻璃光纤主要材料是SiO2，并添加GeO2、B2O2、P2O3等。这种光纤有很低的损耗和中等程度的色散，目前通信用光纤绝大多数是石英玻璃光纤。全塑光纤具有损耗大、纤芯直径大及制造成本低等特点，目前全塑光纤适合于较短距离的应用，如室内计算机连网等。第三章光纤通信（2）按折射率分布来分，通常可分为阶跃型光纤和渐变型光纤阶跃型光纤（SI）又称突变型光纤。它的纤芯和包层的折射率是均匀的，纤芯和包层的折射率呈阶跃形状，如图3.5（a）所示。渐变型光纤（GI）的纤芯折射率随着半径的增加而按一定的规律减少，到纤芯与包层的交界处为包层的折射率，即纤芯中折射率的变化呈抛物线型，如图3.5（b）所示。第三章光纤通信图3.5光纤的折射率分布第三章光纤通信（3）按传输光波的模式来分。所谓模式，实质上是电磁波的一种分布形式。模式不同，其分布不同。根据光纤中传播模式数量来分，可分为单模光纤和多模光纤。多模光纤是一种传输多个光波模式的光纤。按多模光纤截面折射率的分布可分为阶跃型多模光纤和渐变型多模光纤。其光射线轨迹如图3.6（a）和（b）所示。阶跃型多模光纤的纤芯直径一般为50m，包层直径多为125m，由于其纤芯直径较大，所以传输模式较多。这种光纤的传输性能较差，带宽较窄，传输容量也较小。第三章光纤通信图3.6光纤中的光射线轨迹第三章光纤通信渐变型多模光纤的纤芯直径一般也为50m，这种光纤频带较宽，容量较大，是20世纪80年代采用较多的一种光纤形式。所以一般多模光纤指的是这种渐变型多模光纤。单模光纤是只能传输一种光波模式的光纤。单模光纤只能传输主模，不存在模间时延差，具有比多模光纤大得多的带宽。单模光纤的直径很小，约为4m～10m，其带宽一般比渐变型多模光纤的带宽高一两个数量级，因此，它适合于大容量、长距离通信，其光射线轨迹如图3.6（c）。第三章光纤通信3.2.2光纤的导光原理当光在远大于光波长的介质中传播时，光可用一条表示光传播方向的几何直线来表示，这条几何直线就称为光射线。用光射线理论来研究光波传输特性的方法称为射线法。1．光波在两介质交界面的反射和折射如图3.7所示，有两个半无限大的均匀介质，其折射率分别为n1、n2，x=0的平面为两介质的交界面，x轴为界面的法线。第三章光纤通信图3.7光波在两介质交界面的反射和折射第三章光纤通信光射线方向由介质Ⅰ投射到界面上，这时将发生反射和折射，一部分光波沿方向返回介质Ⅰ，称为反射波；另一部分光波沿方向进入到介质Ⅱ，称为折射波。图中、、分别表示入射线、反射线和折射线的传输方向，它们和法线之间的夹角分别为入射角、反射角和折射角，用、和表示。由斯涅尔定律可知1k1k2k1k1k2k112112211sinsinnn第三章光纤通信2．光波的全反射由图3.7可以看出，当光射线由介质Ⅰ射向介质Ⅱ时，若n1大于n2，则介质Ⅱ中的折射线将离开法线而折射，此时的必大于。如果入射角增加到某一值而正好使得90°时，折射线将沿界面传输，我们将此时的入射角称为临界角，用表示。根据折射定律2211sinsinnn将90°，代入上式，则2c112csinnn212c第三章光纤通信这时如果再继续增大入射角，即，则折射角必大于90°，此时光射线不再进入介质Ⅱ，而由界面全部反射回介质Ⅰ，这种现象称为全反射。由此可见，产生全反射的条件是：（1）光纤纤芯的折射率n1一定要大于光纤包层的折射率n2，即（2）进入光纤的光线向纤芯-包层界面射入时，入射角应大于临界角，即90°c1221nnc1第三章光纤通信3．用射线法分析光纤的导光原理以阶跃型光纤为例来说明光纤的导光原理。由前面分析可知，要使光信号能够在光纤中长距离传输，必须使光线在纤芯和包层交界面上形成全反射，即入射角必须大于临界角。第三章光纤通信如图3.8所示表示出光线从空气中以入射角射入光纤端面的情况（空气折射率，而纤芯石英折射率）。此时，光从低折射率介质向高折射率介质传播，根据折射定律，入射角大于折射角。图3.8（a）是一种特殊的情况，即进入光纤纤芯中的光射入纤芯与包层界面的入射角等于临界角，由图可知，折射角可以表示为10n5.11nci2根据折射定律可得)2sin(sinc10nn第三章光纤通信图3.8光纤的最大入射角第三章光纤通信因，并对上式进行简单的代数变换可得10n2sin12221nnn121nnn称为纤芯与包层相对折射率差。式中12csinnn它反映了光纤将光束缚在纤芯的能力2212122112nnnnnn