光传输通信基本原理

第一部分光传输通信基本原理

第一章、光纤通信原理

第一节、光纤通信的概念

一、光纤通信的概念

光纤通信概念：利用光纤来传输携带信息的光波以达到通信的目的。典型的光纤通信系统方框图如下：

模拟信息模拟信息

数字光纤通信系统方框图

从图中可以看出，数字光纤通信系统基本上由光发送机、光纤与光接收机组成。发送端的电端机把信息（如话音）进行模/数转换，用转换后的数字信号去调制发送机中的光源器件LD，则LD就会发出携带信息的光波。即当数字信号为“1”时，光源器件发送一个“传号”光脉冲；当数字信号为“0”时，光源器件发送一个“空号”（不发光）。光波经低衰耗光纤传输后到达接收端。在接收端，光接收机把数字信号从光波中检测出来送给电端机，而电端机再进行数/模转换，恢复成原来的信息。就这样完成了一次通信的全过程。其中光发送机的调制方式有两种：直接调制也称调制（一般速率小于等于2.5GB/S时）；间接调制也称外调制（一般速率大于2.5GB/S时）。

二、光纤通信的特点

1、通信容量大

2、中继距离长

3、性能好

2、适应能力强

5、体积小、重量轻、便于施工和维护

6、原材料来源丰富，潜在的价格低廉

第二节、光纤的导光原理

一、全反射原理

我们知道，当光线在均匀介质中传播时是以直线方向进行的，但在到达两种不同介质的分界面时，会发生反射与折射现象，如图2.5所示。

图2.5 光的反射与折射

根据光的反射定律，反射角等于入射角。

根据光的折射定律：

n Sin n Sin 1222θθ= （2.2） 其中n 1为纤芯的折射率，n 2为包层的折射率。

显然，若n 1>n 2，则会有θ2>θ1。如果n 1与n 2的比值增大到一定程度，则会使折射角θ

2≥90°，

此时的折射光线不再进入包层，而会在纤芯与包层的分界面上掠过（θ2=90°时），或者重返回到纤芯中进行传播（θ2>90°时）。这种现象叫做光的全反射现象，如图2.6所示。

θ2=90

图：光的全反射现象

人们把对应于折射角θ2等于90°的入射角叫做临界角。很容易可以得到临界角θK Sin n n =-121

。 不难理解，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。早期的阶跃光纤就是按这种思路进行设计的。

第三节、光纤与光缆基本概念

一、光纤的结构

光纤呈圆柱形，由纤芯（直径约9-50um ）、包层（直径约125um ）与涂敷层（直径约1.5cm ）三大部分组成，如下图：

纤芯 n1

包层

n2涂层

包层 n2

涂层

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；涂敷层采用丙烯酸酯、硅橡胶、尼龙，增加机械强度和可弯曲性。

二、光纤的分类方式

光纤有以下的分类方式：

1、按折射率分布分类

A、阶跃光纤SI

定义：在纤芯与包层区域，折射率的分布分别是均匀的，其值分别是n1与n2，但在纤芯与包层的分界处，其折射率的变化是阶跃的。

其折射率分布的表达式为：

n1 r小于等于a1时

n(r)=

n2 r

式中：

n1为光纤纤芯区的折射率

n2为包层区的折射率

a1为纤芯半径

a2为包层半经

B、渐变光纤GI

定义：光纤蛛心处的折射率最大，但随横截面的增加而逐渐变小，其变化规律一般符合抛物线规律，到了纤芯与包层的分界处，正好降到与包层区域的折射率相等的数值；在包层区域中其折射率的分布是均匀的。

2、按传输的模式分类

●多模光纤

定义：传输光波的模式不止一种。

多模光纤纤芯的几何尺寸远大于光波波长，一般在50um左右，光信号是以多个模式方式进行传播的，光信号的波长以主纵模为准。不同的传播模式会具有不同的传播速度和相位，因此经过长距离的传播之后会产生时延，导致光脉冲变宽，叫做光纤的模式色散或模间色散。由于模式色散影响较严重，降低了多模光纤的传输容量和距离，多模光纤仅用于较小容量、短距离的光纤传输通信。

●单模光纤

定义：传输光波的模式只有一种。（目前主用）

当光纤的几何尺寸可以于光波长相比拟时，即纤芯的几何尺寸与光信号波长相差不大时，一般为5~10um，光纤只允许一种模式在其中传播，其余的高次模全部截止，这样的光纤叫做单模光纤。单模光纤只允许一种模式在其中传播，从而避免了模式色散的问题，故单模光纤具有极宽的带宽，特别适用于大容量的光纤通信。对于单模光纤，由于光纤的几何尺寸小，使V的值小于2.2028，这样N的值就为1，只有一种模式

3、按工作波长分类

●短波长光纤

定义：习惯上把波长在600-900nm围呈现低衰耗光纤称做短波长光

纤。

●长波长光纤

定义：习惯上把波长在1000-2000nm围的光纤称做短波长光纤。

2、套塑类型分类

A、紧套光纤

定义：指二次、三次涂敷层与予涂敷层及光纤的纤芯、包层等紧密的

结合在一起的光纤。目前居多。

B、松套光纤

定义：指经过予涂敷层的光纤松散的放在一塑料管中，不再进行二次、三次涂敷。

三、光纤的种类以及应用状况

①、 G.652光纤

1310nm性能最佳光纤(色散未移位光纤)。

它有二个波长工作区：1310nm与1550nm。

在1310nm波长：色散最小(未移位)，小于 3.5ps/nm.km；但损耗较大，为

0.3~0.4dB/km。

在1550nm波长：色散较大，为20ps/nm.km；但损耗很小，为0.15~0.25dB/km。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。

它可会传输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)。

②、 G.653光纤

1550nm性能最佳光纤(色散移位光纤)。

它主要用于1550nm波长工作区。

在1550nm波长，色散较小(色散移位)，为 3.5ps/nm.km；损耗也很小，为

0.15~0.25dB/km。

但它不能用于WDM方式，因会出现四波混频效应(FWM)。

③、G.654光纤

1550nm损耗最小光纤。它主要用于1550nm波长工作区，其损耗为

0.15~0.19dB/km；主要用于海缆通信。

④、 G.655光纤

它是为克服G.653光纤的FWM效应而设计的新型光纤。其性能与G.653光纤类似，但既能用于WDM，又能传输TDM方式的10G。

理想情况：

A）、低色散：2~10ps/nm.km；

B)、色散斜率小于0.05ps/nm².km，便于色散补偿；

C)、大的有效面积，可避免出现非线性效应。

目前，G.655光纤尚无国际统一规。

---大的有效面积，会有效地避免非线性效应，但将导致色散斜的增加。

---小的色散斜率将会便于色散的补偿；但其有效面积却减小。

四、光缆结构

层绞式、骨架式、束管式、带状式

第四节、光纤的特性与参数

一、光纤的三大特性

光纤的特性参数可以分为三大类即几何特性参数、光学特性参数与传输特性参数。