数字光纤通信系统

芯 包层 (b) 折射率
芯 A 包层 (c) 折射率
图 5.6 裸光纤结构示意图 (a) 阶跃型多模光纤(SI); (b) 梯度型多模光纤(GI); (c) 单模光纤
课题二 数字光纤通信系统
二、光缆 为了使光纤能在工程中实用化 , 能承受工程中拉伸、
侧压和各种外力作用, 还要具有一定的机械强度才能使性能
课题二 数字光纤通信系统
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单芯型由单根二次涂覆处理后的光纤组成。 多芯型由多根经二次涂覆处理后的光纤组成, 它又分为 带状结构和单位式结构。目前国内外对二次涂覆主要采用 下列两种保护结构: (1) 紧套结构。 如图 5.8(a)所示, 在光纤与套管之间有一个缓冲层, 其目 的是为了减少外面应力对光纤的作用。缓冲层一般采用硅 树脂, 二次被覆用尼龙口。这种光纤的优点是: 结构简单、 使用方便。 (2) 松套结构。
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一、 光纤的发明及发展（课外拓展知识） 1、 高琨：光纤之父——2009年诺贝尔物理学奖得主，拥有英国和美国 双重国籍的物理学家、北京邮电大学名誉教授。 1）国内历程：高锟1933年生于上海。他父亲是律师，家住在当时的法 租界，小学时代是在上海度过的。童年的高锟对化学最感兴趣，他曾经 自己制造过灭火筒、焰火?烟花 和晒相纸。最危险的一次是自制炸弹? 后来?他又迷上了无线电，小小年纪就曾成功地装了一部有五六个真空 管的收音机。 2) 香港及英国历程：1948年，他们举家迁往香港。高锟先是入读圣约 瑟书院，后来曾考入香港大学。但当时的高锟已立志攻读电机工程，而 港大没有这个专业，于是他辗转就读了伦敦大学。毕业后，他加入英国 国际电话电报公司?ITT任工程师，因表现出色被聘为研究实验室的研究 员，同时攻读伦敦大学的博士学位，1967年毕业。
3) 护层
光缆的护层主要是对已形成的光纤芯线起保护作用, 避 免受外部机械力和环境损坏。因此, 要求护层具有耐压力、 防潮、 湿度特性好、重量轻、耐化学侵蚀、阻燃等特点。 光缆的护层又分内护层和外护层 , 内护层一般采用聚乙烯 或聚氦乙烯等, 外护层可根据敷设条件而定, 要采用由钻带 和聚乙烯组成的LAP外护套加钢丝铠装等。
图 5.8 紧套和松套光纤结构示意图 (a) 紧套光纤结构示意图； (b) 松套光纤结构示意图
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2)加强构件 由于光纤的材料比较脆, 容易断裂, 为了使光缆便于承 受敷设安装时所加的外力等 , 在光缆内中心或四周要加一 根或多根加强元件。加强构件的材料可用钢丝或非金属的 纤维——增强塑料(FRP)等。
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(3) 骨架式光缆。 这种结构是将单根或多根光纤放入骨架的螺旋槽内 , 骨 架中心是强度元件 , 骨架上的沟槽可以是 V 型、 U 型或凹型 , 如图5.9(c)所示。由于光纤在骨架沟槽内具有较大空间, 因此 当光纤受到张力时, 可在槽内作一定的位移, 从而减少了光纤 芯线的应力应变和微变 , 这种光纤具有耐侧压、抗弯曲、抗 拉的特点。 (4) 带状式光缆。
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2、光纤通信发展历程：
1）国外的发展状况： A、1880年，美国人贝尔发明了用光波做载波传送语音的“光电话” ，该光电话就是现代光通信的雏形。 B、1960年，美国人梅曼发明了第一台红宝石激光器，给光通信技术 带来了新的希望，正是激光器的发明及应用，才使得沉睡了80年的光 通信技术进入一个崭新的阶段。但是由于找不到稳定可靠和低损耗的 传输介质，对于光通信的研究再次走入低潮。 C、1966年，英籍华人高锟和霍克哈姆共同发表了关于传输介质新概 念的论文，指出了利用光纤进行信息传输的可能性和技术途径，奠定 了现代光通信即光纤通信技术的基础。20 世纪70年代，光纤的研制 取得了重大的突破： D、1970年，美国康宁公司研制成功损耗为20dB/km的石英光纤。把 光纤通信的研究开发推向一个新阶段。
纤的纤芯直径一般为 4~10 μm, 包层即外层直径一般为 125μm, 比多模光纤小得多。
3) 单模光纤的主要特性 光纤的特性参数及定义相当复杂。在一般数字光纤工程中， 单模光纤所需的主要参数有 : 模场直径、衰减系数和工作波长
或截止波长等。
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包层 D C B A 2b 芯(n 1 ) 包层(n 2 ) (a) 折射率 包层 C B A 2a




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E、1972年，康定公司又研制成功高纯石英多模光纤，将损耗降之 4dB/km。1974年，美国贝尔实验室的光纤损耗降低到1.1dB/km。 F、1976年，日本电报电话公司将光纤损耗降到0.47dB/km。十年以 后，光纤损耗更是达到了0.154dB/km 的惊人数值，该数值已经十分 接近光纤最低损耗的理论极限。 G、1976 年，光纤通信系统进入实质性实验阶段。 H、1989年，第一条横跨太平洋的海底光缆通信系统建成，自此，光 纤通信系统的建设于全世界范围内全面展开。
情况如图 5.3 所示。图中，入射角为 θ0—— 入射光线与法线
YY′夹角, 折射角为θ1——折射光线与YY′夹角，由图可见， θ1＜θ0。
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光疏媒质 Y
0 B
X′ A A′
B′ X
1
光密媒质 Y′
图 5.3 光的折射示意图
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若使光束从光密媒质射向光疏媒质时 , 则折射角大于 入射角，如图5.4所示。如果不断增大θ0可使折射角θ1达到 90°, 这时的θ1称为临界角。如果继续增大θ1, 则折射角会 大于临界角, 使光线全部返回光密媒质中, 这种现象称为光 的全反射当光线从光密媒质射向光疏媒质 , 且入射角大于
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纤芯 包层 一次涂覆 ( 涂覆层) 二次涂覆 ( 套塑)
2a 2b
图5.5 光纤芯线的剖面构造
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4. 单模光纤及特性参数 根据波导传输波动理论分析 , 光纤的传播模式可分为多模 光纤和单模光纤。 1) 多模光纤
多模光纤即能承受多个模式的光纤, 如图5.6(a)、(b)所示。
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2、 光缆的种类 在公用通信网中用的光缆结构如表 5.2 所示。
下面介绍几种有代表性的光缆结构形式。
(1) 层绞式光缆。
它是将若干根光纤芯线以强度元件为中心绞合在一起的一 种结构, 如图5.9(a)所示。特点是成本低, 芯线数不超过10根。
(2) 单位式光缆。 它是将几根至十几根光纤芯线集合成一个单位 , 再由数个 单位以强度元件为中心绞合成缆, 如图5.9(b)所示, 其芯线数一 般适用于几十芯。
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①
光疏媒质
n0
②
③
c
③ ②
光密媒质 ①
图5.4 临界角和光线的全反射
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要做成这样的光导管, 除了对光纤芯部的折射率有要 求以外, 还要使靠近纤芯与包层的边沿具有极小的光损耗, 使能量都集中在光芯中传播。 当然, 这就对光纤材料提出了很高的要求。由于石英 玻璃质地脆、易断裂, 为了保护光纤表面, 提高抗拉强度， 以便于实用, 一般都在裸光纤外面进行两次涂覆而构成光 纤芯线。光纤芯线结构如图5.5所示。 3.光纤的芯线由纤芯、包层、涂覆层、套塑四部分组 成。 包层的外面涂覆一层很薄的涂覆层, 涂覆的材料为硅 铜树脂或聚氨基甲醚乙脂, 涂覆层的外面套塑, 套塑的原 料大都采用尼龙、聚乙烯或聚本烯等塑料。
临界角时, 就会产生全反射现象, 光纤就是利用这种全反射 来传输光信号的。 根据这一原理, 在制造光纤时, 使光 纤芯的折射率高, 在外面涂上一包屏层, 可使折射率低, 当 选择一定的角度θ0时，射入纤芯的光束将会全部返回纤芯 中。这就要制造一种像水管一样的光导管 , 在光导管壁及 光纤芯包的边界使之形成光束的全反射 , 从而达到将光束 都集中在光纤芯部传输而不向外泄漏 , 就似水管中的水流 那样, 使之永远在水管中流动。
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一、光纤 二、光缆
三、光纤通信系统的基本组成
四、光波分复用（WDM）系统
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瑞典皇家科学院宣布， 将２００９年诺贝尔物 理学奖授予英国华裔科 学家高锟以及两位美国 科学家。高锟获奖，是 因为他在“有关光在纤 维中的传输以用于光学 通信方面”做出了突破 性成就。
如图5.8(b)所示, 将一次涂覆后的光纤放在一个管子中, 管中充油膏, 形成松套结构。这种光纤的优点是: 机械性能 好, 防水性好, 便于成缆。
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光纤 一次涂覆 缓冲层 二次被涂覆层 一次涂覆 松套管 0 .1 25 0 .4 0 .9 (a) 单位：mm (b) 光纤 油膏
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光纤是利用光的全反射特性来导光的。在物理中学习 过光从一种介质向另一种介质传播 , 由于它们在不同介质
中传输速率不一样, 因此, 当通过两个不同的介质交界面就
会发生折射。 若现在有两种不同介质, 其折射率分别为 n0, n1而且n1 ＞n0, 设界面为XX′, 折射率小的称光疏媒质, 折射率大的 称光密媒质。假定光线从光疏媒质射向光密媒质 , 其折射
稳定。 因此, 将光纤制成不同结构、不同形状和不同种类 的光缆以适应光纤通信的需要。 1、 根据不同的用途和条件, 制成的光缆种类很多, 但其 基本结构是相同的。光缆主要由缆芯、护层和加强构件组
成。
1) 缆芯 缆芯是由光纤芯组成的, 它可分为单芯和多芯两种。单 芯型缆芯和多芯型缆芯结构的比例如表 5.1 所示。
这种光纤结构简单、易于实现, 接头连接要求不高, 用起来方便, 也较便宜。因而在早期的数字光纤通信系统 (PDH系列 ) 中采用 但这种光纤传输带宽窄、衰耗大、时延差大, 因而已逐步被单 模光纤代替。