光纤通信期末复习

第1章概述

1、光纤通信的基本概念：利用光导纤维传输光波信号的通信方式。

光纤通信工作波长在于近红外区：0.8～1.8μm 的波长区， 对应频率: 167～375THz 。

对于SiO2光纤，在上述波长区内的三个低损耗窗口，是目前光纤通信的实用工

作波长，即0.85μm 、1.31μm 及1.55μm 。

2、光纤通信系统的基本组成：（P2图1-3）

目前采用比较多的系统形式是强度调制/直接检波（IM/DD ）的光纤数字通信系

统。该系统主要由光发射机、光纤、光接收机以及长途干线上必须设置的光中继

器组成。

1）在点对点的光纤通信系统中，信号的传输过程：由电发射机输出的脉码调制

信号送入光接收机，光接收机将电信号转换成光信号耦合进光纤，光接收机将光

纤送过来的光信号转换成电信号，然后经过对电信号的处理以后，使其恢复为原

来的脉码调制信号送入电接收机，最后由信息宿恢复用户信息。

2）光发射机中的重要器件是能够完成电-光转换的半导体光源，目前主要采用半

导体发光二极管(LED)和半导体激光二极管（LD)。

3）光接收机中的重要部件是能够完成光-电转换的光电检测器，目前主要采用光

电二极管（PIN ）和雪崩光电二极管（APD ）。特性参数：灵敏度

4）一般地，大容量、长距离光纤传输 : 单模光纤+半导体激光器LD

小容量、短距离光纤传输 : 多模光纤+半导体发光二极管LED

5）光纤线路系统：

功能：把来自光发射机的光信号，以尽可能小的畸变和衰减传输到光接收机。

组成：光纤、光纤接头和光纤连接器

要求：较小的损耗和色散参数

3、光纤通信的特点：

优点：（1），传输频带宽，通信容量大。（2）传输损耗小，中继距离长：石英光

纤损耗低达0.19 dB/km ，用光纤比用同轴电缆或波导管的中继距离长得多。

（3）保密性能好：光波仅在光纤芯区传输，基本无泄露。

（4）抗电磁干扰能力强：光纤由电绝缘的石英材料制成，不受电磁场干扰。

（5）体积小、重量轻。（6）原材料来源丰富、价格低廉。

缺点：1）不能远距离传输；2）传输过程易发生色散。

4、（1）光纤通信在通信网中的未来发展趋势：GFP 、ASON 、全光网

（◊ 波分复用技术（WDM ）◊ 相干光通信◊ 超长波长光纤通信 ◊ 光集成技术

◊ 光孤子通信）

（2）相应技术手段：时分复用 TDM ；波分复用 WDM ；光时分复用 OTDM ；

光放大技术；色散补偿技术。

（3）技术现状：PDH 、SDH 、WDM 、光电收发器、EPON

接 收发 射

超高速度、超大容量以及超长距离传输的光纤通信一直是人们追求的目标，光纤到户和全光网是人们希望早日实现的梦想。目前1.6Tbit/s的WDM系统已经大量使用，随着技术和业务的不断发展，WDM技术正从长途传输领域向城域网领域扩展。未来的高速通信网是全光网。它是以光节点代替电节点，节点之间也是全光化，具有良好的透明性、开放性、兼容性以及可靠性，并且能够提供巨大的带宽，网络结构简单，组网非常灵活。

要形成一个已WDM技术与光交换技术为主的光网络层，建立起真正的全光网络，必须要解决的问题是消除电光瓶颈，而光纤到户FTTH是解决从Internet 主干网到用户的“最后一公里”瓶颈现象的最好方案。

第2章光导纤维

1、光纤的结构：目前，通信用的光纤绝大多数用石英材料做成的横截面积很小的双层同心圆柱体。光纤由涂覆层、纤芯、包层组成。

折射率高的中心部分叫做纤芯，其折射率为n1，直径为2a；

折射率低的外围部分称为包层，其折射率为n2，直径为2b。

纤芯：纤芯位于光纤的中心部位（直径d1= 9 ～50μm）。

多模光纤的纤芯为50μm，单模光纤的纤芯为9～10μm。

成份：高纯度的二氧化硅。还掺有极少量的掺杂剂（如二氧化锗，五氧化二磷）。作用：适当提高纤芯对光的折射率(n1)，用于传输光信号。

包层：位于纤芯的周围（直径d2= 125μm），含有极少量掺杂剂的高纯度二氧化硅。作用：适当降低包层对光的折射率(n2)，使之略低于纤芯的折射率，即n1> n2，这是光纤结构的关键，它是使光信号封闭在纤芯中传输。

涂敷层：由丙烯酸酯、硅橡胶和尼龙组成。

作用：增加光纤的机械强度与可弯曲性。

2、光纤的分类：

目前在通信中使用较为广泛的光纤有两种：紧套光纤与松套光纤。

1）、按照光纤横截面折射率分布不同来划分：

①阶跃型光纤：纤芯折射率n1沿半径方向保持一定，包层折射率n2沿半径方向也保持一定，而且纤芯和包层的折射率在边界处呈阶梯型变化的光纤称为阶跃型光纤，称为：均匀光纤。

②渐变型光纤：如果纤芯折射率n1随着半径加大而逐渐减小，而包层中折射率n2是均匀的，这种光纤称为渐变型光纤，又称为：非均匀光纤。

2）按照纤芯中传输模式的数量划分：

多模光纤：在一定的工作波下，多模光纤是能传输多种模式的介质波导。

多模光纤可以采用阶跃折射率分布，也可采用渐变折射率分布

多模光纤的纤芯直径约为50μm。

模式色散，仅适用于低速率、短距离通信

单模光纤：光纤中只传输一种模式时，叫做单模光纤

单模光纤的纤芯直径较小，约为4～10μm。适用于大容量、长距离的光纤通信。3）按照传输波长分类：

（1）短波长光纤：0.85μm （0.8～0.9μm)

作用：用于短距离市话中继线路或专用通信网等线路.

（2）长波长光纤：1.3～1.6μm （主要1.3μm 和1.55μm 两个窗口）

作用：用于干线传输。

4）按照使用材料的不同来分：玻璃光纤、全塑光纤、石英系列光纤。

3、阶跃型光纤的导光原理

1）相对折射指数差： 弱导波光纤： 2）导波：携带信息的光波在光纤的纤芯中，由纤芯和包层的界面引导前进，这

种波称为导波。

形成导波的条件：能在纤芯界面上产生全反射的子午线才能在纤芯中形成导波，

即子午射线只有满足: 才能在纤芯中形成导波（即满足全反射条件 ）。 3）数值孔径NA ：表示光纤捕捉入射光线的能力。

4）阶跃型光纤中的光射线种类

子午射线 ：子午线在端面上的投影是一条直线 斜射线：是不经过光纤轴线的空间折线。

4、渐变型光纤的导光原理

1）渐变型的子午线不是直线，而是曲线。在轴线处折射指数最大；在纤芯和包

层的交界面处折射指数最小为n2,即n2=n(a).

2）得到最佳折射指数分布的前提条件：（1）均匀的激励；（2）恒定的光中心波

长；（3）相同传输损耗的模式；

最佳折射指数分布：这种在最大程度上减少模式色散的 n(r) 分布，称为渐变型

光纤的最佳折射指数分布。双曲正割型和平方律型

3）渐变型（平方律）光纤的最佳折射指数分布表达为：

4）渐变型光纤的本地数值孔径 NA

渐变型光纤纤芯折射指数 n 1 随半径r 变化。因此，数值孔径NA 是纤芯端

面上位置的函数。故，渐变型光纤纤芯在某一点的数值孔径可表示为：

比较：阶跃型光纤的数值孔径

渐变型光纤的数值孔径 NA 表征的意义：

当折射指数越大时，本地数值孔径也越大，表示光纤捕捉射线的能力就越强。

轴线处的折射指数最大，捕捉射线的能力最强。 例题：已知：渐变型光纤的折射指数分布为： 试求：该光纤的本地数值孔径。

解： 2

12])(21)[0()(a r n r n ∆-=2122212n n n -=∆121n n n -≈∆2221sin n n -≤φ)

()()(22a n r n r NA -=21)(21)0()(⎥⎦⎤⎢⎣⎡∆-=a a r n r n )()()(22a n r n r NA -= )()(21)0()(22a n r a n r NA a -⎥⎦⎤⎢⎣

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