光纤通信原理 (全套)讲解

图1.2 反射波导和透镜波导
1966年，英籍华人高锟(K.C.Kao，当 时工作于英国标准电信研究所)博士深入研 究了光在石英玻璃纤维中的严重损耗问题， 发现这种玻璃纤维引起光损耗的主要原因 是其中含有过量的铬、铜、铁与锰等金属 离子和其他杂质，其次是拉制光纤时工艺 技术造成了芯、包层分界面不均匀及其所 引起的折射率不均匀，他还发现一些玻璃 纤维在红外光区的损耗较小。
1. 子午射线在阶跃型光纤中的传播
阶跃型光纤是由半径为 a、折射率为常
数n 1的纤芯和折射率为常数n2的包层组
成，并且n1>n2，如图2.6所示。
图2.6 光线在阶跃型光纤中的传播
2. 子午射线在渐变型光纤中的传播
渐变型光纤与阶跃型光纤的区别在于 其纤芯的折射率不是常数，而是随半径的 增加而递减直到等于包层的折射率。
在高锟理论的指导下，1970年美国的 康宁公司拉出了第一根损耗为20dB/km的 光纤。 1977年美国在芝加哥进行了 44.736Mbit/s的现场实验，1978年，日本开 始了 32.064Mbit/s和 97.728Mbit/s 的光纤通 信实验； 1979 年，美国 AT&T 和日本 NTT 均研制出了波长为1.35μm的半导体激光器，
此引入一个非常重要的结构参数，即光纤
的归一化频率，一般用V表示，其表达式
如下：
1. 多模光纤
顾明思义，多模光纤就是允许多个模
式在其中传输的光纤，或者说在多模光纤
中允许存在多个分离的传导模。
2. 单模光纤
只能传输一种模式的光纤称为单模光 纤。单模光纤只能传输基模 ( 最低阶模 ) ， 它不存在模间时延差，因此它具有比多模 光纤大得多的带宽，这对于高码速传输是 非常重要的。单模光纤的带宽一般都在几 十GHz· km以上。
光纤中传输时，则这种光纤称为多模光纤。
单模光纤是只能传输一种模式的光纤， 单模光纤只能传输基模 ( 最低阶模 ) ，不存 在模间时延差，具有比多模光纤大得多的 带宽，这对于高码速传输是非常重要的。
3. 按光纤的工作波长分类
按光纤的工作波长可以将光纤分为短 波长光纤、长波长光纤和超长波长光纤。
4. 按ITU-T建议分类
图1.1 贝尔电话系统
贝尔光电话和烽火报警一样，都是利 用大气作为光通道，光波传播易受气候的 影响，在大雾天气，它的可见度距离很短， 遇到下雨下雪天也有影响。
1.1.2 光纤通信
在大气光通信受阻之后，人们将研究 的重点转入到地下光波通信的实验，先后 出现过反射波导和透镜波导等地下通信的 实验，如图1.2所示。
日本也做出了超低损耗的光纤(损耗为 0.2dB/km，波长为1.55μm)，同时进行了多 模光纤(同时允许多个方向的光线在其中传 送的光纤)1.31μm的长波长传输系统的现场 试验。 到如今，光纤通信已经发展到以采用 光放大器 (Optical Amplifier，OA) 增加中 继 距 离 和 采 用 波 分 复 用 ( Wavelength Division Multiplexing，WDM)增加传输容 量为特征的第四代系统。
事物都是一分为二的，光纤通信有许 多优点，因而发展很快，但光纤通信也有 以下缺点。
1. 抗拉强度低 2. 光纤连接困难 3. 光纤怕水
1.3 光纤通信系统的组成和分类 1.3.1 光纤通信系统的组成
光纤通信系统是以光纤为传输媒介， 光波为载波的通信系统。主要由光发送机、 光纤光缆、中继器和光接收机组成。 系统中光发送机的作用是将电信号转 换为光信号，并将生成的光信号注入光纤。 光发送机一般由驱动电路、光源和调制器 构成，如果是直接强度调制可以省去调制 器，这些将在后续章节中详细介绍。
光纤通信原理
第一章
概
述
1.1 光纤通信的发展与现状 1.2 光纤通信的主要特性
1.3 光纤通信系统的组成和分类
1.1 光纤通信的发展与现状
1.1.1 早期的光通信
到了1880年，贝尔发明了第一个光电 话，这一大胆的尝试，可以说是现代光通 信的开端。 在这里，将弧光灯的恒定光束投射在 话筒的音膜上，随声音的振动而得到强弱 变化的反射光束，这个过程就是调制。
一旦确定了光波导和光波长，那么 n1、 n2、纤芯直径 2 a 以及真空中光的传播常数 k0也就确定了，而且式(2-17)中的最大N值 也就确定了。 对于渐变型多模光纤，同样，其导模 不仅要满足全反射条件，还要满足相位一 致条件。
在渐变型多模光纤中，低阶模由于靠
近光纤轴线，其传播路程短，但靠近轴线
1.3.2 光纤通信系统的分类
根据调制信号的类型，光纤通信系统 可以分为模拟光纤通信系统和数字光纤通 信系统。 根据光源的调制方式，光纤通信系统 可以分为直接调制光纤通信系统和间接调 制光纤通信系统。
根据光纤的传导模数量，光纤通信系
统可以分为多模光纤通信系统和单模光纤
通信系统。
根据系统的工作波长，光纤通信系统
1.2 光纤通信的主要特性
1.2.1 光纤通信的优点
1. 光纤的容量大
光纤通信是以光纤为传输媒介，光波为载 波的通信系统，其载波 — 光波具有很高的 频率(约1014Hz)，因此光纤具有很大的通信 容量。
2. 损耗低、中继距离长
目前，实用的光纤通信系统使用的光 纤多为石英光纤，此类光纤在1.55μm波长 区的损耗可低到 0.18dB/km，比已知的其 他通信线路的损耗都低得多，因此，由其 组成的光纤通信系统的中继距离也较其它 介质构成的系统长得多。
处的折射率大，该处光线传播速度慢；高
阶模远离轴线，它的传播路程长，但离轴
线越远折射率越小，该处光线的传播速度
越快。
2.2.4 多模光纤与单模光纤
多模光纤和单模光纤是由光纤中传输
的模式数决定的，判断一根光纤是不是单 模传输，除了光纤自身的结构参数外，还
与光纤中传输的光波长有关。
为了描述光纤中传输的模式数目，在
图2.1 光纤结构示意图
2.1.2 光纤的类型
光纤的分类方法很多，既可以按照光纤 截面折射率分布来分类，又可以按照光纤 中传输模式数的多少、光纤使用的材料或 传输的工作波长来分类。
1. 按光纤截面上折射率分布分类
按照截面上折射率分布的不同可以将
光纤分为阶跃型光纤 (Step-Index Fiber， SIF) 和渐变型光纤 (Graded-Index Fiber， GIF)，其折射率分布如图2.2所示。
图2.2 光纤的折射率分布
光纤的折射率变化可以用折射率
沿半径的分布函数nFra Baidu bibliotekr)来表示。
2. 按传输模式的数量分类
按光纤中传输的模式数量，可以将光
纤分为多模光纤(Multi-Mode Fiber，MMF)
和单模光纤(Single Mode Fiber，SMF)。
在一定的工作波上，当有多个模式在
3. 斜射线在光纤中的传播
子午射线的传播过程始终在一个子午 面内，因此可以在二维的平面内来分析， 很直观。
2.2.3 光纤中的模式传输
1. 传导模的概念
模式是波动理论的概念。在波动理论 中，一种电磁场的分布称之为一个模式。 在射线理论中，通常认为一个传播方向的 光线对应一种模式，有时也称之为射线模 式。
2.2 光纤的射线理论分析
2.2.1 基本光学定义和定律
光在均匀介质中是沿直线传播的，其 传播速度为
v=c/n
式中： c＝2.997×105km/s，是光在真 空中的传播速度； n 是介质的折射率 ( 空气 的折射率为 1.00027 ，近似为 1 ；玻璃的折 射率为1.45左右)。
反射定律：反射光线位于入射光线和 法线所决定的平面内，反射光线和入射光 线处于法线的两侧，并且反射角等于入射 角，即：θ1′＝θ1。 折射定律 ：折射光线位于入射光线和 法线所决定的平面内，折射光线和入射光 线位于法线的两侧，且满足：
按照 ITU-T 关于光纤类型的建议，可 以将光纤分为G.651光纤(渐变型多模光纤)、 G.652 光纤 ( 常规单模光纤 ) 、 G.653 光纤 ( 色 散位移光纤)、G.654光纤(截止波长光纤)和 G.655(非零色散位移光纤)光纤。 按套塑 ( 二次涂覆层 ) 可以将光纤分为 松套光纤和紧套光纤。 现在实用的石英光纤通常有以下三种： 阶跃型多模光纤、渐变型多模光纤和阶跃 型单模光纤。
2.3 均匀光纤的波动理论分析
2.4 光 缆
2.1 光纤的结构与类型
2.1.1 光纤的结构
光纤 (Optical Fiber，OF) 就是用来导 光的透明介质纤维，一根实用化的光纤是 由多层透明介质构成的，一般可以分为三 部分：折射率较高的纤芯、折射率较低的 包层和外面的涂覆层，如图2.1所示。
2.3 均匀光纤的波动理论分 析
2.3.1 平面波在理想介质中的传播 1. 均匀平面波的一般概念
所谓均匀平面波是指在与传播方向垂 直的无限大的平面上，电场强度 E 和磁场 强度 H 的幅度和相位都相等的波型，简称 为平面波。
平面波是非常重要的波型，一些复杂 的波可以由平面波叠加得到。在折射率为n 的无限大的介质中，一工作波长为λ0的平 面波在其中传播，其波数为：
对通信系统的重要要求之一是保密性好。 然而，随着科学技术的发展，电通信方式 很容易被人窃听：只要在明线或电缆附近 ( 甚至几公里以外 ) 设置一个特别的接收装 置，就可以获取明线或电缆中传送的信息。 更不用去说无线通信方式。
5. 体积小，重量轻 6. 节省有色金属和原材料
1.2.2 光纤通信的缺点
如果今后采用非石英光纤，并工作在 超长波长(＞2μm)，光纤的理论损耗系数可 以下降到 10 -3～ 10 -5 dB/km，此时光纤通信 的中继距离可达数千，甚至数万公里。
3. 抗电磁干扰能力强
我们知道，电话线和电缆一般是不能 跟高压电线平行架设的，也不能在电气铁 化路附近铺设。
4. 保密性能好
可分为短波长光纤通信系统、长波长光纤
通信系统和超长波长光纤通信系统。
第二章
光纤和光缆
光纤作为光纤通信系统的物理传输媒 介，有着巨大的优越性。 本章首先介绍光纤的结构与类型，然 后用射线光学理论和波动光学理论重点分 析光在阶跃型光纤中的传输情况，最后简 要介绍光缆的构造、典型结构与光缆的型 号。
2.1 光纤的结构与类型 2.2 光纤的射线理论分析
式中：R、T都是复数，包括大小及相 位。其模值分别表示反射波、传递波与入 射波幅度的大小之比； 2 Ф1、2Ф2 是 R 和 T
式中： k0 是真空中的波数， ω 是光的 角频率， μ 和 ε 分别是介质的导磁率和介电 常数 , 设平面波传播方向的单位矢量为 as， 则k = as· k称为平面波在该介质中的波矢量。
2. 平面波在介质分界面上的反射
和折射
反射波与入射波在原点处的复振幅之 比称为反射系数；传递波与入射波在原点 处的复振幅之比称为传递系数，表示为：
光接收机的作用是将光纤送来的光信 号还原成原始的电信号。它一般由光电检 测器和解调器组成，对于直接强度调制解 调器可以省略。 光纤的作用是为光信号的传送提供传 送媒介 ( 信道 ) ，将光信号由一处送到另一 处。 中继器分为电中继器和光中继器(光放 大器)两种，其主要作用就是延长光信号的 传输距离。
2. 相位一致条件
光纤中光波相位的变化情况如图2.9所
示，在这里以阶跃型光纤为例来讨论光纤 的相位一致条件，不作复杂的数学推导， 只提及波动光学中的基本观点和结论。
图2.9 光纤中光波相位的变化情况
相位一致条件就是说：如果图中所示 的这个模式在A、B处相位相等，则经过一 段传播距离后，在 A′、B′ 处也应该相位相 等或相差2π的整数倍。 光纤的相位一致条件也可以从另外一 个角度出发得到。根据物理学的知识可知： 波在无限空间中传播时，形成行波；而在 有限空间传播时，形成驻波。
n1sinθ1=n2sinθ2
2.2.2 光纤中光的传播
一束光线从光纤的入射端面耦合进光 纤时，光纤中光线的传播分两种情形：一 种情形是光线始终在一个包含光纤中心轴 线的平面内传播，并且一个传播周期与光 纤轴线相交两次，这种光线称为子午射线， 那个包含光纤轴线的固定平面称为子午面； 另一种情形是光线在传播过程中不在一个 固定的平面内，并且不与光纤的轴线相交， 这种光线称为斜射线。