光纤通信原理

光纤通信原理第一章概论内容摘要：------本章主要介绍光纤通信的发展简史，光纤通信的特点，概括了光纤通信系统的主要构成，并且简单说明了光纤通信系统中的多媒体应用，最后指出光纤通信的发展方向。本章重点要求：-----了解光纤通信的发展史，理解光在电磁波谱中的位置、光纤通信所用光波的波长范围。掌握光纤通信系统的组成、光纤通信的特性。第一节.光纤通信简史----光纤通信是以光作为信息载体，以光纤作为传输媒介的通信方式。光纤通信技术是近30年迅猛发展起来的高新技术，给世界通信技术乃至国民经济、国防事业和人民生活带来了巨大变革。为了使读者对光纤通信的发展历程有个基本了解，现将该技术的进程简要介绍如下。（1）1966年，英籍华人高锟(C·K·Kao)预见利用玻璃可以制成衰减为20dB／km的通信光导纤维(简称光纤)。当时，世界上最优秀的光学玻璃衰减达l000dB／km左右。1970年，美国康宁公司首先研制成衰减为20dB／km的光纤。从此，光纤就进入了实用化的发展阶段，世界各国纷纷开展光纤通信的研究。----光纤的主要作用是引导光在光纤内沿直线或弯曲的途径传播。为了实现长距离的光纤通信，必须减小光纤的衰减。C·K·Kao早就指出降低玻璃内的过渡金属杂质离子是降低光纤衰减的主要因素。另一方面，玻璃内的OH离子对衰减也有严重的影响。到了1976年，人们设法降低OH含量后发现低衰减的长波长窗口有：1.31μm、1.55μm。1980年，光纤衰减已降低到0.2dB／km(1.55μm)，接近理论值。这样，使得进行长距离的光纤通信成为可能。与此同时，为促进光纤通信系统的实用化，人们又及时地开发出适用于长波长的光源、激光器、发光管、光检测器。应运而生的光纤成缆。光无源器件和性能测试及工程应用仪表等技术日臻成熟。这都为光纤光缆作为新的通信传输媒介奠定了良好的基础。1976年，美国西屋电气公司在亚特兰大成功地进行了世界上第一个44.736Mbit／s且传输110km的光纤通信系统的现场实验，使光纤通信向实用化迈出了第一步。1981年以后，用光纤通信技术大规模地制成商品并推向市场。历经近20年突飞猛进的发展，光纤通信速率由1978年的45Mbit／s提高到目前的40Gbit／s。---我国自70年代初就开始了光纤通信技术的研究。1977年，武汉邮电研究院研制成功中国第一根阶跃折射率分布的、波长为0.85μm多模光纤。后来又研制成单模光纤和特殊光纤以及光通信设备。现在，我国光纤通信产业已初具规模，能够生产光纤光缆、光电器件、光端机及其他工程应用方面的配套仪表器件等。由此可见，中国已具有大力发展光纤通信的综合实力。第二节.光纤通信使用波段1、光在电磁波谱中的位置----光波与无线电波相似，也是一种电磁波，只是它的频率比无线电波的频率高得多。红外线、可见光和紫外线均属于光波的范畴。图1-1下图所示为电磁波波谱图。可见光是人眼能看见的光，其波长范围为0.39至0.76。红外线是人眼能看不见的光，其波长范围为0.76至300。一般分为：近红外区，其波长范围为0.76至15；中红外区，其波长范围为15至25；远红外区，其波长范围为25至300。2、光纤通信使用波段---目前光纤通信所用光波的波长范围为=0.8～2.0，属于电磁波谱中的近红外区。其中0.8～1.0称为短波长段，1.0～2.0称为长波长段。---目前光纤通信使用的波长有三个：0.85、1.31、1.55。图1-1上图为光纤损耗与波长的关系，从图中可以看到从0.8～2.0为光纤的低损耗区域，或称为低损耗窗口。---光在真空中的传播速度约为，根据波长、频率和光速之间的关系式（1-1）可计算出各电磁波的频率范围。对应光纤通信所用光波的波长范围，由式(1-1)可得相应的频率范围为。可见光纤通信所用光波的频率是非常高的。正因为如此，光纤通信具有其他通信无法比拟的巨大的通信容量。第三节．光纤通信的特点与电缆或微波等电通信方式相比，光纤通信的优点如下：(1)传输频带极宽，通信容量很大；(2)由于光纤衰减小，无中继设备，故传输距离远；(3)串扰小，信号传输质量高；(4)光纤抗电磁干扰，保密性好；(5)光纤尺寸小，重量轻，便于传输和铺设；(6)耐化学腐蚀；(7)光纤是石英玻璃拉制成形,原材料来源丰富，并节约了大量有色金属。光纤通信同时具有以下缺点：(1)光纤弯曲半径不宜过小；(2)光纤的切断和连接操作技术复杂；(3)分路、耦合麻烦。----由于光纤具备一系列优点，所以广泛应用于公用通信、有线电视图像传输、计算机、航空、航天、船舰内的通信控制、电力及铁道通信交通控制信号、核电站通信、油田、炼油厂、矿井等区域内的通信。第四节．光纤通信系统就广义而言，通信就是各种形式信息的转移或传递。通常的具体做法是首先将拟传递的信息设法加载(或调制)到某种载体上，然后再将被调制的载体传送到目的地后，将信息从载体上解调出来。光纤通信系统中电端机的作用是对来自信息源的信号进行处理，例如模拟／数字转换多路复用等；发送端光端机的作用则是将光源(如激光器或发光二极管)通过电信号调制成光信号，输入光纤传输至远方；接收端的光端机内有光检测器(如光电二极管)将来自光纤的光信号还原成电信号，经放大、整形、再生恢复原形后，输至电端机的接收端。对于长距离的光纤通信系统还需中继器，其作用是将经过长距离光纤衰减和畸变后的微弱光信号经放大、整形、再生成一定强度的光信号，继续送向前方以保证良好的通信质量。目前的中继器多采用光--电--光形式，即将接收到的光信号用光电检测器变换为电信号，经放大、整形、再生后再调制光源将电信号变换成光信号重新发出，而不是直接放大光信号。近年来，适合作光中继器的光放大器(如掺铒光纤放大器)已研制成功，这就使得采用光纤放大器的全光中继及全光网络将会变得为期不远。第五节．光纤通信的多媒体应用由于多媒体应用信息量大，就性能价格和信号特征而言，必须采用压缩技术，压缩掉人不能分辨的部分以节约频带。假设不使用压缩技术，一个标准的个人电脑上的80MB硬盘只可存储约8min的具有CD品质的立体声，或约35s的电视广播品质的运动视频。采用压缩磁盘后，CDROM则可以存储72min的高保真音乐，或存储20min的电视广播品质的运动视频。那么位速呢?立体声的CD品质的声音如果不压缩的话，要求网络以每秒钟140万位的恒定速率传送一个比特流，这对于局域网来说是足够的。但是，由于传统的局域网技术是基于在若干个端系统(一般从几十个到几百个)之间共享一条电缆或光纤，因而有太多的这样的数据流无法并行流动。共享的最大位速范围通常是从10Mbps(以太网技术)到100MbPs(快速以太网或FDDI技术)。当不压缩时，PAL品质的数字运动视频需要160Mbps／通道。这与已有的共享传送媒体思想为概念的局域网技术是相矛盾的。在长距离通信上存在着采用哪种速度的地面电缆电路，但是使它们专用单独一个视频通道所需的费用是令人无法接受的。在这种速度下，卫星线路的性能价格比最高，费用仍然很昂贵。所以采用压缩和编码的必要性是显而易见的。多媒体应用需求的网络特征，与其他应用相比有许多相同的特性，也有不少如下特有的特征：·要求连续媒体信息(音频和视频)进行实时传送。·对连续媒体信息的编码使得被交换的数据容量大而非常重要。·大多数应用是面向分布的，特别是当服务于常驻用户时。基于这样的观察，我们选择了4个能用数量表示并且应用于通信子网的性能规则以及两个应用于大型网络的关键特征。4个关键的通信子网的性能规则如下：(1)吞吐量：多媒体通信要求的吞吐量是很大的；(2)传输延迟：多媒体通信要求的传输延迟很小；(3)延迟变化：多媒体通信要求的传输延迟波动很小；(4)差错率：多媒体通信要求的传输误码率很低。这些参数与支持连续媒体的实时传送密切相关。----大型网络的最关键的特性如下：(1)多点播送和广播能力；(2)文件缓存能力。这些特征与支持基于下载的分布和检索的应用密切相关。从前面的分析可以看出，光纤通信具备许多优点，能够满足多媒体通信的各种要求。因此，光纤必将是多媒体通信传输介质的最佳方案。第六节．光纤通信的发展20世纪提出了构建信息高速公路的伟大设想。信息高速公路从根本上说是一个全国范围乃至全球范围的宽频带、高速度、高可靠性、无传输错误的先进综合通信网络，它将任何信息源(包括声音、文件、图形、影视、数据等)连接到全部网络，送达千家万户。----一切信息源在数字化以后都是一样的，即01010101011这样的0、1形式。话音为3kHz，故每秒需传播64K比特。电视为8MHz，故每秒需传播90M比特。一部90min的电影片，用现有的电话网络传输，需要两天的时间，这是不现实的。所以必须采用宽频带和高速网络技术。用光纤网络传输，一部电影只要一分钟即可传输完了。我国若采用OC48做成超级干线，一部电影只有4s钟就可以传送完毕。----只有超干线和干线是不够的，因为到每个用户若用电话线或其他窄带的传输介质接入，都会成为一个传输瓶颈。为了解决这一难题，国际上已取得共识，认为利用和改造目前的有线电视网是一条捷径，即改造(或新建)成为混合光缆同轴互联网络(HFC)。从前端以光缆连到光节点，再用同轴作为分配网络，这样系统就能直接把交互型话音、数据和视频信号送入家庭和用户。在电视机上可加装一个机顶变换器(机顶盒)，或在计算机上接了一个电缆调制解调器，就可以实现远程教学、远程医疗、电子购物、上网、交互式电子游戏、可视电话、IP电话、电子银行等功能。由此把人们带入一个全新的信息化社会。近年来出现的塑料光纤(POF)又称为聚合物光纤(Plasticopticalfiber)。POF性能价格比好，因此为光纤到用户打开了大门(FTTH)。当前，国际推荐的IEEEl394串行接口中，是使用带屏蔽的双金属线对(ShieldedTwistedPair，STP)，速率虽然可以达100Mb／s，但距离多在4.5m以内，有一定的局限性。另一种就是正在开始初步实用的塑料光纤，由于POF本身具有比STP更多的优点，在家庭网和其他局域网的室内配线中受到了重视。宽带综合业务数字网(B-ISDN)是一种基于异步传输模式(ATM)的通信网络，为了进一步提高传输速率，建立同步数字系列(SDH)网络是必由之路。21世纪是个信息时代，为了满足人类不断增长的信息需求，现在这种高价全新的宽带IP网络能传输千兆比特多媒体数字信号。为了增加光缆的传输距离，近来研究成功了光放大器，这样就不必进行光电转换、放大、再电光转换，从而实现了直接光放大到全光网络。这对于提高信号质量、降低成本、提高网络的可靠性都是非常有益的。我国经济正在高速发展，已进入信息时代。现已铺设了360000km光缆；建成连接21个主要城市的数据网络；有强大的航天卫星工业；已经建造并在高速发展的巨大的有线电视网。具有中国特色的信息高速公路正在高速发展。我们深信中国在21世纪的信息时代会有更伟大的作为。第二章光纤与导光原理内容摘要：-----由于光纤具有低损耗、容量大以及其他方面的许多优点，现已成为通信系统的重要传输介质之一。光纤特性包括它的结构特性、光学特性及传输特性。结构特性主要指光纤的几何尺寸（芯径等）；光学特性包括折射率分布、数值孔径等；传输特性主要是损耗及色散特性。----本章在简要介绍光纤结构和分类的基础上，首先，用射线光学理论分析光纤的传输原理；然后用波动理论讨论光纤中的模式特性，给出光纤中完善的场的描述；最后对光纤的损耗及色散特性进行讨论。----本章重点要求：---能用射线光学理论分析光纤的导光原理；理解单模光纤、多模光纤、色散位移光纤的概念；掌握光纤单模传输条件的计算公式；理解光纤损耗和色散的概念及其对光纤通信系统的影响。第一节光纤的结构和分类2．1．1光纤的结构----光纤是传光的纤维波导或光导纤维的简称。其典型结构是多层同轴圆柱体，如图2-1所示，自内向外为纤芯、包层和涂覆层。----核心部分是纤芯和包层，其中纤芯由高度透明的材料制成，是光波的主要传输通道；包层的折射率略小于纤