光通信光通信实施技施技术第二章第二章2.1 光光纤结构和构和类型型 2.1.1 光光纤结构构 光光纤（Optical Fiber）是是由由中中心心的的纤芯芯和和外外围的的包包层同同轴组成的成的圆柱形柱形细丝。 纤芯芯的的折折射射率率比比稍稍高高，损耗耗比比更更低低，光光能能量量主主要要在在纤芯芯内内传输。使大部分的光被束缚在纤芯中传输， 实现光信号的长距离传输。 为光光的的传输提提供供反反射射面面和和光光隔隔离离，并并起起一一定定的的机机械械保保护作用。作用。 设纤芯芯和和的的折折射射率率分分别为n1和和n2，光光能能量量在在光光纤中中传输的必要条件是的必要条件是n1n2。图2.1 光光纤的外形的外形 2.1.2 光光纤类型型 光光纤种种类很很多多，这里里只只讨论作作为信信息息传输波波导用用的的由由高高纯度石英（度石英（SiO2）制成的光）制成的光纤。实用光用光纤主要有三种基本主要有三种基本类型，型， 突突变型多模光型多模光纤（Step-Index Fiber, SIF） 渐变型多模光型多模光纤（Graded-Index Fiber, GIF） 单模光模光纤（Single-Mode Fiber, SMF） 相相对于于单模模光光纤而而言言，突突变型型光光纤和和渐变型型光光纤的的纤芯芯直径都很大，可以容直径都很大，可以容纳数百个模式，所以称数百个模式，所以称为多模光多模光纤 图 2.2三种基本三种基本类型的光型的光纤(a) 突突变型多模光型多模光纤； (b) 渐变型多模光型多模光纤； （c） 单模光模光纤 主要用途：主要用途： 突突变型多模光型多模光纤只能用于小容量短距离系只能用于小容量短距离系统。 渐变型多模光型多模光纤适用于中等容量中等距离系适用于中等容量中等距离系统。 单模光模光纤用在大容量用在大容量长距离的系距离的系统。 特种特种单模光模光纤大幅度提高光大幅度提高光纤通信系通信系统的水平的水平 1.55m色色散散移移位位光光纤实现了了10 Gb/s容容量量的的100 km的的超超大大容容量超量超长距离系距离系统。 色色散散平平坦坦光光纤适适用用于于波波分分复复用用系系统，这种种系系统可可以以把把传输容量提高几倍到几十倍。容量提高几倍到几十倍。 三三角角芯芯光光纤有有效效面面积较大大，有有利利于于提提高高输入入光光纤的的光光功功率率，增加增加传输距离。距离。 偏偏振振保保持持光光纤用用在在外外差差接接收收方方式式的的相相干干光光系系统， 这种种系系统最大最大优点是提高接收灵敏度，增加点是提高接收灵敏度，增加传输距离。距离。 2.2 光光纤传输原理原理分析光分析光纤传输原理的常用方法：原理的常用方法： 几何光学法几何光学法 麦克斯麦克斯韦波波动方程法方程法 2.2.1 几何光学方法几何光学方法 几何光学法分析几何光学法分析问题的两个出的两个出发点点 数数值孔径孔径 时间延延迟 通通过分析光束在光分析光束在光纤中中传播的空播的空间分布分布和时间分布分布 几何光学法分析几何光学法分析问题的两个角度的两个角度 突突变型多模光型多模光纤 渐变型多模光型多模光纤 图 2.4 突突变型多模光型多模光纤的光的光线传播原理播原理1. 突突变型多模光型多模光纤 数数数数值值孔径孔径孔径孔径 为简便便起起见，以以突突突突变变型型型型多多多多模模模模光光光光纤纤的的交交轴(子子午午)光光线为例例，进一步一步讨论光光纤的的传输条件。条件。 设纤纤芯芯芯芯和和包包包包层层折折射射率率分分别为n1和和n2，空空气气的的折折射射率率n0=1， 纤芯中心芯中心轴线与与z轴一致，一致， 如如图2.4。 光光线在在光光纤端端面面以以小小角角度度从从空空气气入入射射到到纤芯芯(n0n2)。 根根据据这个个传播播条条件件，定定义临界界角角c的的正正弦弦为数数数数值值孔孔孔孔径径径径(Numerical Aperture, NA)。根据定。根据定义和和斯奈斯奈斯奈斯奈尔尔定律定律定律定律 NA=n0sinc=n1cosc ， n1sinc =n2sin90 (2.2)n0=1，由式（，由式（2.2）经简单计算得到算得到 式中式中=(n1-n2)/n1为纤纤芯芯芯芯与包包包包层层相相相相对对折射率差折射率差折射率差折射率差。 NANA表表表表示示示示光光光光纤纤接接接接收收收收和和和和传传输输光光光光的的的的能能能能力力力力，NA(或或c)越越大大，光光纤接接收光的能力越收光的能力越强，从光源到光，从光源到光纤的的耦合效率耦合效率耦合效率耦合效率越高。越高。 对于无于无损耗光耗光纤，在，在c内的入射光都能在光内的入射光都能在光纤中中传输。 NA越越大大， 纤芯芯对光光能能量量的的束束缚越越强，光光纤抗抗弯弯曲曲性性能能越越好好; 但但NA越越大大，经光光纤传输后后产生生的的信信号号畸畸变越越大大，因因而而限限限限制制制制了了了了信信信信息息息息传输传输容量容量容量容量。 所以要根据所以要根据实际使用使用场合，合，选择适当的适当的NA。 (2.3)时时间间延延延延迟迟 根根据据图2.4，入入射射角角为的的光光线在在长度度为L(ox)的的光光纤中中传输，所所经历的的路路程程为l(oy)， 在在不不大大的的条条件件下下，其其传播播时间即即时间时间延延延延迟迟为 式式中中c为真真空空中中的的光光速速。由由式式(2.4)得得到到最最大大入入射射角角(=c)和和最小入射角最小入射角(=0)的光的光线之之间时间时间延延延延迟迟差近似差近似为 (2.4)(2.5) 这种种时间延延迟差在差在时域域产生生脉冲展脉冲展脉冲展脉冲展宽宽，或称，或称为信号畸信号畸信号畸信号畸变变。 由此可由此可见，突突突突变变型多模光型多模光型多模光型多模光纤纤的信号畸的信号畸变是由于不同入射角的是由于不同入射角的光光线经光光纤传输后，其后，其时间时间延延延延迟迟不同而不同而产生的。生的。 图 2.5 渐变型多模光纤的光线传播原理 2. 渐变型多模光型多模光纤 由此可见，渐渐变变型型型型多多多多模模模模光光光光纤纤的光线轨迹是传输距离z的正弦函数，对于确定的光纤，其幅度的大小取决于入射角0， 其周期=2/A=2a/ ， 取决于光纤的结构参数(a, )， 而与入射角0无关。 自自自自聚聚聚聚焦焦焦焦效效效效应应 为观察方便，把光线入射点移到中心轴线(z=0, ri=0)，由式(2.12)和式(2.13)得到(2.14a) *=0cos(Az) (2.14b) 这说明不同入射角相应的光线， 虽然经历的路程不同，但是最终都会聚在P点上，见图2.5和图2.2(b)， 这种现象称为自聚焦自聚焦自聚焦自聚焦(Self-Focusing)(Self-Focusing)效效效效应应。 4. 单模光模光纤的模式特性的模式特性 单单模条件和截止波模条件和截止波模条件和截止波模条件和截止波长长 单单模模模模传输传输条件条件条件条件为 V=2.405 或c= 由式(2.36)可以看到，对于给定的光纤(n1、n2和a确定)，存在一个临临界界界界波波波波长长cc，当c时，是单模传输，这个临界波长c称为截止波截止波截止波截止波长长。由此得到(2.36)2.3 光光纤传输特性特性 产生生信信信信号号号号畸畸畸畸变变的的主主要要原原因因是是光光纤中中存存在在色色色色散散散散，损损耗和色散耗和色散耗和色散耗和色散是光是光纤最重要的最重要的传输特性：特性： 损损耗限制系耗限制系耗限制系耗限制系统统的的的的传输传输距离距离距离距离 色散色散色散色散则则限制系限制系限制系限制系统统的的的的传输传输容量容量容量容量 2.3.1 光光纤色散色散 1. 色散、色散、 带宽和脉冲展和脉冲展宽 色色色色散散散散(Dispersion)是在光纤中传输的光信号，由于不同成分的光的时间时间延延延延迟迟不同而产生的一种物理效应。 色散的种色散的种类： 模式色散：由于不同模式的模式色散：由于不同模式的模式色散：由于不同模式的模式色散：由于不同模式的时间时间延延延延迟迟不同而不同而不同而不同而产产生的生的生的生的 材材材材料料料料色色色色散散散散：由由由由于于于于光光光光纤纤的的的的折折折折射射射射率率率率随随随随波波波波长长而而而而变变化化化化，不不不不同同同同成成成成分分分分的的的的光光光光时时延不同而延不同而延不同而延不同而产产生的生的生的生的 波波波波导导色散：由于波色散：由于波色散：由于波色散：由于波导结导结构参数与波构参数与波构参数与波构参数与波长长有关二有关二有关二有关二产产生的生的生的生的(2.61a) 2.3.2 光光纤损耗耗 损损耗耗耗耗的存在 光信号幅幅幅幅度度度度减小 限制系统的传传输输距距距距离离离离 。 在最一般的条件下，在光纤内传输的光光光光功功功功率率率率P P随距距距距离离离离z z的变化，可以用下式表示习惯上的单位用dB/km， 由式(2.60)得到损损耗系数耗系数耗系数耗系数Po=Pi exp(-L) (2.60) 设长度为L(km)的光纤，输入光光光光功功功功率率率率为为P Pi i，根据式(2.59)，输输出光功率出光功率出光功率出光功率应为 式中，是损损耗系数耗系数耗系数耗系数。(2.59) 1. 损耗的机理耗的机理 图2.15是单单模模模模光光光光纤纤的损耗谱，图中示出各种机理产生的损损耗耗耗耗与波与波与波与波长长的关系，这些机理包括吸收吸收吸收吸收损损耗耗耗耗和散射散射散射散射损损耗耗耗耗两部分。 吸吸吸吸收收收收损损耗耗耗耗 是由SiO2材料引起的固有吸收和由杂质引起的吸收产生的。 散散散散 射射射射 损损 耗耗耗耗 主要由材料微观密度不均匀引起的 瑞瑞瑞瑞 利利利利( (Rayleigh )Rayleigh )散射散射散射散射和由光纤结结构缺陷构缺陷构缺陷构缺陷(如气泡)引起的散射产生的。 瑞瑞瑞瑞利利利利散散散散射射射射损损耗耗耗耗是光纤的固固固固有有有有损损耗耗耗耗，它决定着光纤损耗的最低理论极限。 图 2.15 单模光纤损耗谱， 示出各种损耗机理 2.3.3 光光纤标准和准和应用用 G.651G.651多多多多模模模模渐渐变变型型型型(GIF)(GIF)光光光光纤纤 应用于中小容量、中短距离的通信系统。 G.652G.652常常常常规规单单模模模模光光光光纤纤 是第一代单模光纤，其特点是在波长1.31 m色散为零，系统的传输距离只受损耗的限制。 G.653G.653色色色色散散散散移移移移位位位位光光光光纤纤 是第二代单模光纤，其特点是在波长1.55 m色散为零，损耗又最小。这种光纤适用于大容量长距离通信系统。 G.654 G.654 1.55 1.55 mm损损耗耗耗耗最最最最小小小小的的的的单单模模模模光光光光纤纤 其特点是在波长1.31 m色散为零，在1.55 m色散为1720 ps/(nmkm)，和常规单模光纤相同，但损耗更低，可达0.20 dB/km以下。 色散色散色散色散补偿补偿光光光光纤纤 其特点是在波长1.55 m具有大的负色散。 G.655G.655非零色散光非零色散光非零色散光非零色散光纤纤 是一种改进的色散移位光纤。2.4 光光缆 在在实际工工程程应用用中中，需需要要把把若若干干根根光光纤绞合合成成缆，在在外外面面再再加加上上保保护套套，以以防防止止外外界界各各种种机机械械压力力和和施施工工过程程中中可可能能发生生的的损伤。光光缆的的结构构取取决决于于用用途途（可可根根据据不不同同需需要要进行行设计）。有有些些在在光光纤外外加加一一层塑塑料料外外套套，有有些些是是使使用用钢质加加强心心之之类的的增增强材材料料以以保保证光光缆具有足具有足够的机械的机械强度。度。 2.4.2 光光缆结构和构和类型型 光光缆一一般般由由缆缆芯芯芯芯和和护护套套套套两两部部分分组成成，有有时在在护套套外外面面加加有有铠装。装。 1. 缆缆芯芯芯芯 缆芯通常包括芯通常包括被覆光被覆光被覆光被覆光纤纤(或称芯或称芯线)和和加加加加强强件件件件两部分。两部分。 被覆光被覆光被覆光被覆光纤纤是光是光缆的核心，决定着光的核心，决定着光缆的的传输特性。特性。 加加加加强强件件件件起起着着承承受受光光缆拉拉力力的的作作用用，通通常常处在在缆芯芯中中心心，有有时配置在配置在护套中。套中。 图 2.20光缆类型的典型实例 (a) 6芯紧套层绞式光缆(架空、管道)；(b) 12芯松套层绞式光缆(直埋防蚁)；(c) 12芯骨架式光缆(直埋)；(d) 648芯束管式光缆(直埋)；(e) 108芯带状光缆；(f) LXE束管式光缆(架空、管道、直埋)；(g) 浅海光缆；(h) 架空地线复合光缆(OPGW)光光缆 的基本型式的基本型式层绞层绞式式式式 把松套光把松套光纤绕在中心加在中心加强件周件周围绞合而构成。合而构成。 骨架式骨架式骨架式骨架式 把把紧套光套光纤或一次被覆光或一次被覆光纤放入中心加放入中心加强件周件周围的螺的螺旋形塑料骨架凹槽内而构成。旋形塑料骨架凹槽内而构成。 中中中中心心心心束束束束管管管管式式式式 把把一一次次被被覆覆光光纤或或光光纤束束放放入入大大套套管管中中， 加加强件配置在套管周件配置在套管周围而构成。而构成。带带状状状状式式式式 把把带状状光光纤单元元放放入入大大套套管管内内， 形形成成中中心心束束管管式式结构构，也也可可以以把把带状状光光纤单元元放放入入骨骨架架凹凹槽槽内内或或松松套套管管内内， 形形成骨架式或成骨架式或层绞式式结构。构。光缆的铺设1.架空式2.直埋式3.预埋式