第3章光纤通信PPT讲稿.ppt

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1、第3章光纤通信第1页，共168页，编辑于2022年，星期一3.1 光纤通信概述 我我们们知知道道，对对于于载载波波通通信信而而言言，载载波波频频率率（简简称称载载频频）越越高高，意意味味着着可可以以用用于于通通信信的的频频带带就就越越宽宽，则则通通信信容容量量就就越越大大。有有线线通通信信从从明明线线发发展展到到电电缆缆，无无线线通通信信从从短短波波发发展展到到微微波波和和毫毫米米波波，它它们们的的目目的的都都是是通过提高载波频率来扩大通信容量。通过提高载波频率来扩大通信容量。第2页，共168页，编辑于2022年，星期一光光纤纤即即为为光光导导纤纤维维的的简简称称，它它是是一一种种能能够够通通

2、过过光光的的直直径径很很细细的的透透明明玻玻璃璃丝丝。光光纤纤通通信信是是以以光光波波作作为为载载波波，以光纤作为传输媒质所进行的通信。以光纤作为传输媒质所进行的通信。光光波波也也是是一一种种电电磁磁波波，频频率率在在1014Hz 数数量量级级，比比微微波波（1010Hz）高高104105倍倍，因因此此具具有有比比微微波波大大得得多多的的通通信信容容量量。所所以以光光纤纤通通信信一一经经问问世世，就就以以极极快快的的速速度度发发展展，它它将将是是未未来来信信息息社社会会中中各各种种通信网的主要传输方式。通信网的主要传输方式。第3页，共168页，编辑于2022年，星期一3.1.1 光纤通信的发展

3、历史 一九六六年七月，英藉、华裔学者高锟博士一九六六年七月，英藉、华裔学者高锟博士（K.C.KaoK.C.Kao）发表了一篇十分著名的文章）发表了一篇十分著名的文章用于光频用于光频的光纤表面波导的光纤表面波导，该文从理论上分析证明了用，该文从理论上分析证明了用光纤作为传输媒体以实现光通信的可能性，并设光纤作为传输媒体以实现光通信的可能性，并设计了通信用光纤的波导结（即阶跃光纤）。更重计了通信用光纤的波导结（即阶跃光纤）。更重要的是科学地预言了制造通信用的超低耗光纤的要的是科学地预言了制造通信用的超低耗光纤的可能性，即加强原材料提纯，加入适当的掺杂剂，可能性，即加强原材料提纯，加入适当的掺杂剂，

4、可以把光纤的衰耗系数降低到可以把光纤的衰耗系数降低到20dB/km20dB/km以下。以下。第4页，共168页，编辑于2022年，星期一1970年年，美美国国康康宁宁公公司司首首先先研研制制出出损损耗耗为为20 dB/km的的光光纤纤，与与此此同同时时GaAlAs-GaAs双双异异质质结结半半导导体体激激光光器器实实现现了了室室温温下下连连续续运运转转，从从而而光光通通信信进进入入了了光光纤纤通通信信的的新新时时代代。国国际际上上一一般般都都把把1970年年看看做做是是光光纤纤通通信信的的开开元元之之年年。此此后后世世界界各各国国纷纷纷纷开开展展研研究究，光光纤纤的的发发展展十十分分迅迅速速。

5、在在这这短短短短的的30多多年年的的时时间间里里，光光纤纤通通信信已已发发展展了了四代：四代：第5页，共168页，编辑于2022年，星期一第一代为短波长（第一代为短波长（0.85 m）多模光纤通信；）多模光纤通信；第二代为长波长（第二代为长波长（1.3 m）多模光纤通信；）多模光纤通信；第三代为长波长（第三代为长波长（1.3 m）单模光纤通信；）单模光纤通信；第四代为长波长（第四代为长波长（1.55 m）单模光纤通信。）单模光纤通信。随着光电集成、光纤放大器、光波复用等随着光电集成、光纤放大器、光波复用等新技术的开新技术的开 发、使用，光纤通信将成为通信发、使用，光纤通信将成为通信领域的主力军

6、。领域的主力军。第6页，共168页，编辑于2022年，星期一3.1.2 光纤通信的工作波长 光光波波的的波波长长在在微微米米级级，通通常常将将紫紫外外线线、可可见见光光、红红外线都归入光波范畴，如图外线都归入光波范畴，如图3.1所示为光的波谱图。所示为光的波谱图。阴影部分为光纤通信波段图3.1 光的波谱图 第7页，共168页，编辑于2022年，星期一光光纤纤通通信信使使用用的的波波段段位位于于近近红红外外区区，波波长长范范围围为为0.8 m1.8，其其中中0.8 m1.0称称为为短短波波长长波波段段区区，1.0 m1.8 m称称为为长长波波长长波波段段区区。目目前前光光纤纤通通信信使使用用的的

7、波波长长选选择择在在两两个个波波段段区区的的低低损损耗耗点点，即即0.85 m、1.31 m、1.55 m，通通常常称称它它们们为为当当前前光光纤纤通通信信的的三三个窗口个窗口。第8页，共168页，编辑于2022年，星期一3.1.3 光纤通信的特点 光光纤纤通通信信与与电电通通信信的的主主要要差差异异：一一是是以以很很高高频频率率的的光光波波作作为为载载波波传传输输信信号号；二二是是用用光光导导纤纤维维构构成成的的光光缆缆作作为为传传输输线线路路。因因此此，在在光光纤纤通通信信中中起起主主导导作作用用的的是是产产生生光波的激光器和传输光波的光导纤维。光波的激光器和传输光波的光导纤维。光光纤纤通

8、通信信之之所所以以能能够够飞飞速速发发展展，是是由由于于它它具具有有以以下下的的突出优点所决定：突出优点所决定：（1）传输频带宽，通信容量大）传输频带宽，通信容量大由由信信息息理理论论知知道道，载载波波频频率率越越高高通通信信容容量量越越大大，因因目目前前使使用用的的光光波波频频率率比比微微波波频频率率高高104105倍倍，所所以以通通信信容容量量约约可可增加增加104105倍。倍。第9页，共168页，编辑于2022年，星期一 （2）损耗低，中继距离远）损耗低，中继距离远 目目前前使使用用的的光光纤纤均均为为SiO2（石石英英）光光纤纤，要要减减少少光光纤纤损损耗耗，主主要要是是靠靠提提高高玻

9、玻璃璃纤纤维维的的纯纯度度来来达达到到。由由于于目目前前制制成成的的SiO2玻玻璃璃介介质质的的纯纯度度极极高高，所所以以光光纤纤的的损损耗耗极极低低，在在光光波波长长=1.55 m附附近近，损损耗耗有有最最低低点点，为为0.2 dB/km，已已接接近近理理论极限值。论极限值。由由于于光光纤纤的的损损耗耗低低，因因此此中中继继距距离离可可以以很很长长，在在通通信信线线路路中中可可以以减减少少中中继继站站的的数数量量，降降低低成成本本并并且且提提高高了了通通信信质质量量。例例如如，对对于于400Mbit/s速速率率的的信信号号，光光纤纤通通信信系系统统无无中中继继传传输输距距离离达达到到70km

10、以以上上，而而同同样样速速率率的的同同轴轴电电缆缆通通信信系系统统，无无中中继继距距离离仅仅为为几几千千米米（中中同同轴轴电电缆缆为为4.5km，小同轴电缆为，小同轴电缆为2km）。）。第10页，共168页，编辑于2022年，星期一第11页，共168页，编辑于2022年，星期一 （3）不受电磁干扰）不受电磁干扰因为光纤是非金属材料，因此它不受电磁干扰。因为光纤是非金属材料，因此它不受电磁干扰。（4）保密性强）保密性强光光纤纤内内传传播播的的光光几几乎乎不不辐辐射射，因因此此很很难难窃窃听听，也也不不会会造造成成同一光缆中各光纤之间的串扰。同一光缆中各光纤之间的串扰。（5）线径细、质量轻）线径细

11、、质量轻 由由于于光光纤纤的的直直径径很很小小，只只有有0.1mm左左右右，因因此此制制成成光光缆缆后后，直直径径要要比比电电缆缆的的直直径径细细，而而且且质质量量轻轻，这这样样在在长长途途干干线线或或市内干线上空间利用率高，而且便于制造多芯光缆与敷设。市内干线上空间利用率高，而且便于制造多芯光缆与敷设。第12页，共168页，编辑于2022年，星期一（6 6）资源丰富）资源丰富由由于于光光纤纤的的原原材材料料是是石石英英，地地球球上上是是取取之之不不尽尽、用用之之不不竭竭的的，而而且且很很少少的的原原材材料料就就可可以以拉拉制很长的光纤。制很长的光纤。虽然光纤通信具备上述一系列优点，但光纤虽然

12、光纤通信具备上述一系列优点，但光纤本身也有缺点，如光纤质地脆、机械强度低；本身也有缺点，如光纤质地脆、机械强度低；要求用比较好的切断、连接技术；分路、耦合要求用比较好的切断、连接技术；分路、耦合比较麻烦等。但这些问题随着技术的不断发展，比较麻烦等。但这些问题随着技术的不断发展，都是可以克服的。都是可以克服的。第13页，共168页，编辑于2022年，星期一3.1.4 光纤通信的基本组成 光纤通信系统的基本组成框图如图光纤通信系统的基本组成框图如图3.2（a）所示，它主要由所示，它主要由光发射机光发射机、光纤光纤、光接收机光接收机三三个基本部分组成，如果进行远距离传输，则还个基本部分组成，如果进行

13、远距离传输，则还应在线路中间插入光中继器。实用光纤通信系应在线路中间插入光中继器。实用光纤通信系统一般都是双向的，因此其系统的组成包含了统一般都是双向的，因此其系统的组成包含了正反两个方向的基本组成，并且每一端的发射正反两个方向的基本组成，并且每一端的发射机和接收机做在一起，称为光端机。同样，光机和接收机做在一起，称为光端机。同样，光中继器也有正反两个方向，如图中继器也有正反两个方向，如图3.2（b）所示。）所示。第14页，共168页，编辑于2022年，星期一图3.2 光纤通信系统的基本组成 第15页，共168页，编辑于2022年，星期一光发射机将电信号变换成光信号，是通过发光器件来实现光发射

14、机将电信号变换成光信号，是通过发光器件来实现的。调制的方式原则上可以使用振幅、频率和相位调制，但由的。调制的方式原则上可以使用振幅、频率和相位调制，但由于目前激光器等光源的频谱不纯，频率也不稳定，使调频或调于目前激光器等光源的频谱不纯，频率也不稳定，使调频或调相方式难以实现。因此，现有实用系统采取控制光功率的调幅相方式难以实现。因此，现有实用系统采取控制光功率的调幅方法，通常又称为直接强度调制（方法，通常又称为直接强度调制（IM）。经调制后的光功率）。经调制后的光功率信号耦合入光纤，经光纤传输后，光接收机的光电检测器采信号耦合入光纤，经光纤传输后，光接收机的光电检测器采用直接检测方式（用直接检

15、测方式（DD）将光信号变换成电信号，再经放）将光信号变换成电信号，再经放大、解调（或解码）后还原为原信号输出。这种光纤通信大、解调（或解码）后还原为原信号输出。这种光纤通信系统称为强度调制系统称为强度调制/直接检测（直接检测（ID/DD）光纤通信系统。）光纤通信系统。第16页，共168页，编辑于2022年，星期一光光纤纤通通信信既既可可用用于于数数字字通通信信，也也可可用用于于模模拟拟通通信信。光光纤纤通通信信系系统统中中的的模模拟拟信信号号或或数数字字信信号号是是指指将将信信息息变变换换成成电电信信号号时时所所采采取取的的调调制制方方式式，用用这这种种经经过过调调制制的的电电信信号号再再去去

16、改改变变光光的的强强度度以以获获得得光光信信号号。因因此此，如如果果电电信信号号连连续续变变化化（模模拟拟调调制制），光光信信号号的的强强度度也也连连续续变变化化；如如果果电电信信号号是是脉脉冲冲信信号号（数数字字调调制制），相相应应的的光光信信号号的的强强度度也也以以脉脉冲冲形形式式变变化化（有有光光无无光光）。但但最最终光信号还是强度调制。终光信号还是强度调制。第17页，共168页，编辑于2022年，星期一3.2光纤与光缆光纤与光缆第18页，共168页，编辑于2022年，星期一3.2.1 光纤的结构及其分类 1光纤的结构光纤一般由纤芯和包层组成。内层为纤芯，直径为2a，折射率为n1，作用是

17、传输光信号；外层为包层，直径为2b，折射率为n2，作用是使光信号封闭在纤芯中传输。目前光纤的包层外径2b一般为125m。第19页，共168页，编辑于2022年，星期一为了保证光信号在纤芯中传播，要求纤芯的折射率n1稍大于包层的折射率n2。介质的折射率表示光在空气中的传播速度与光在某一介质中的传播速度之比，一般用n表示，即第20页，共168页，编辑于2022年，星期一上图所示的光纤实际上是我们平时说的裸光纤，它的强度较差。为了提高它的抗拉强度，在包层外面还要附加两层涂覆层。一次涂覆层（预涂覆）大多采用环氧树脂、聚氨基甲酸乙酯或丙烯酸树脂等材料，缓冲层一般采用硅树脂，二次涂覆层大多采用尼龙、聚乙烯

18、或聚丙烯等套塑层。通常所说的光纤是指涂覆后的光纤，称光纤芯线光纤芯线。如图3.4所示是目前使用最为广泛的两种光纤结构，图3.4（a）为紧套光纤（光纤不能在套管中活动），图3.4（b）为松套光纤（光纤能在套管中活动）。第21页，共168页，编辑于2022年，星期一图3.4 光纤芯线结构 第22页，共168页，编辑于2022年，星期一第23页，共168页，编辑于2022年，星期一 2光纤的分类光纤可以根据不同的方法进行分类。（1）按光纤的材料来分，通常有石英玻璃光纤和全塑光纤 石英玻璃光纤主要材料是SiO2，并添加GeO2、B2O2、P2O3等。这种光纤有很低的损耗和中等程度的色散，目前通信用光纤

19、绝大多数是石英玻璃光纤。全塑光纤具有损耗大、纤芯直径大及制造成本低等特点，目前全塑光纤适合于较短距离的应用，如室内计算机连网等。第24页，共168页，编辑于2022年，星期一 （2）按折射率分布来分，通常可分为阶跃型光纤和渐变型光纤阶跃型光纤（SI）又称突变型光纤。它的纤芯和包层的折射率是均匀的，纤芯和包层的折射率呈阶跃形状，如图3.5（a）所示。渐变型光纤（GI）的纤芯折射率随着半径的增加而按一定的规律减少，到纤芯与包层的交界处为包层的折射率，即纤芯中折射率的变化呈抛物线型，如图3.5（b）所示。第25页，共168页，编辑于2022年，星期一图3.5 光纤的折射率分布 第26页，共168页，

20、编辑于2022年，星期一 （3）按传输光波的模式来分。所谓模式，实质上是电磁波的一种分布形式。模式不同，其分布不同。根据光纤中传播模式数量来分，可分为单模光纤和多模光纤。多模光纤是一种传输多个光波模式的光纤。按多模光纤截面折射率的分布可分为阶跃型多模光纤和渐变型多模光纤。其光射线轨迹如图3.6（a）和（b）所示。阶跃型多模光纤的纤芯直径一般为50m，包层直径多为125m，由于其纤芯直径较大，所以传输模式较多。这种光纤的传输性能较差，带宽较窄，传输容量也较小。第27页，共168页，编辑于2022年，星期一图3.6 光纤中的光射线轨迹 第28页，共168页，编辑于2022年，星期一 渐变型多模光纤

21、的纤芯直径一般也为50m，这种光纤频带较宽，容量较大，是20世纪80年代采用较多的一种光纤形式。所以一般多模光纤指的是这种渐变型多模光纤。单模光纤是只能传输一种光波模式的光纤。单模光纤只能传输主模，不存在模间时延差，具有比多模光纤大得多的带宽。单模光纤的直径很小，约为4m10m，其带宽一般比渐变型多模光纤的带宽高一两个数量级，因此，它适合于大容量、长距离通信，其光射线轨迹如图3.6（c）。第29页，共168页，编辑于2022年，星期一3.2.2 光纤的导光原理 当光在远大于光波长的介质中传播时，光可用一条表示光传播方向的几何直线来表示，这条几何直线就称为光射线。用光射线理论来研究光波传输特性的

22、方法称为射线法。1光波在两介质交界面的反射和折射如图3.7所示，有两个半无限大的均匀介质，其折射率分别为n1、n2，x=0的平面为两介质的交界面，x轴为界面的法线。第30页，共168页，编辑于2022年，星期一图3.7 光波在两介质交界面的反射和折射 第31页，共168页，编辑于2022年，星期一光射线 方向由介质投射到界面上，这时将发生反射和折射，一部分光波沿方向 返回介质，称为反射波；另一部分光波沿方向 进入到介质，称为折射波。图中 、分别表示入射线、反射线和折射线的传输方向，它们和法线之间的夹角分别为入射角、反射角和折射角，用 、和 表示。由斯涅尔定律可知第32页，共168页，编辑于20

23、22年，星期一 2光波的全反射由图3.7可以看出，当光射线由介质射向介质时，若n1大于n2，则介质中的折射线将离开法线而折射，此时的 必大于 。如果入射角增加到某一值而正好使得 90时，折射线将沿界面传输，我们将此时的入射角称为临界角，用 表示。根据折射定律 将 90，代入上式，则 第33页，共168页，编辑于2022年，星期一这时如果再继续增大入射角，即 ，则折射角 必大于90，此时光射线不再进入介质，而由界面全部反射回介质，这种现象称为全反射。由此可见，产生全反射的条件是：（1）光纤纤芯的折射率n1一定要大于光纤包层的折射率n2，即 （2）进入光纤的光线向纤芯-包层界面射入时，入射角应大于

24、临界角，即 90 第34页，共168页，编辑于2022年，星期一 3用射线法分析光纤的导光原理以阶跃型光纤为例来说明光纤的导光原理。由前面分析可知，要使光信号能够在光纤中长距离传输，必须使光线在纤芯和包层交界面上形成全反射，即入射角必须大于临界角。第35页，共168页，编辑于2022年，星期一如图3.8所示表示出光线从空气中以入射角射入光纤端面的情况（空气折射率 ，而纤芯石英折射率 ）。此时，光从低折射率介质向高折射率介质传播，根据折射定律，入射角大于折射角。图3.8（a）是一种特殊的情况，即进入光纤纤芯中的光射入纤芯与包层界面的入射角等于临界角，由图可知，折射角可以表示为根据折射定律可得第3

25、6页，共168页，编辑于2022年，星期一图3.8 光纤的最大入射角 第37页，共168页，编辑于2022年，星期一 因 ，并对上式进行简单的代数变换可得称为纤芯与包层相对折射率差相对折射率差。式中它反映了光纤将光束缚在纤芯的能力第38页，共168页，编辑于2022年，星期一 当光从空气中射入光纤端面的入射角大于 ，折射光线射向纤芯与包层界面的入射角应小于临界角，不能满足全反射条件，这种光将很快在光纤中衰减，不能远距离传输。如图3.8（b）所示。当光从空气中射入光纤端面的入射角小于 ，折射光线射向纤芯与包层界面的入射角应大于临界角，满足全反射条件，这种光就能以全反射的形式在光纤中进行远距离传输

26、。如图3.8（c）所示。第39页，共168页，编辑于2022年，星期一由此可见，只有端面入射角小于 角的光线才在光纤中以全反射的形式向前传播。此 角称为光纤波导的孔径角孔径角。通常用 表示，而把其正弦函数定义为光纤的数值孔径，用NA表示，即光纤的数值孔径表示光纤接收入射光的能力。光纤的数值孔径表示光纤接收入射光的能力。NA越大，越大，光纤接收光的能力也越强。光纤接收光的能力也越强。作为通信使用的多模光纤作为通信使用的多模光纤波导的波导的值通常约为值通常约为1%，如果，如果n1为为1.5，则，则NA=0.2。第40页，共168页，编辑于2022年，星期一以以上上分分析析的的是是光光波波在在阶阶跃

27、跃型型光光纤纤中中的的传传播播情情况况，对对于于渐渐变变型型光光纤纤，我我们们可可以以将将纤纤芯芯分分割割成成无无数数个个同同心心圆圆，每每两两个个圆圆之之间间的的折折射射率率可可以以看看成成是是均均匀匀的的，那那么么光光在在这这种种介介质质中中传传播播时时，将将会会不不断断发发生生折折射射，形形成成弧弧线线波波形形的的轨迹。轨迹。第41页，共168页，编辑于2022年，星期一3.2.3 光纤的损耗特性及色散特性 1光纤的损耗特性光波在光纤中传输，随着传输距离的增加而光功率逐渐下降，这就是光纤的传播损耗。假定光纤长L（km），输入光功率Pi（mW），输出光功率Po（mW），光纤损耗常数为（dB

28、/km）不同波长的光在光纤中传输损耗是不同的，在0.85m、1.31m、1.55m附近，损耗有较小值，所以称这三个波长为光纤的三个窗口。0.85m的损耗常数最大，为2.5 dB/km，目前很少使用；1.31m的损耗常数居中，为0.35 dB/km；1.55m的损耗常数最小，为0.25 dB/km。第42页，共168页，编辑于2022年，星期一形成光纤损耗的原因很多，主要有光纤材料的吸收、散射性能以及光纤结构不完善（弯曲、微弯等）引起的，下面我们仅对吸收损耗和散射损耗进行简单分析。（1）吸收损耗 吸收损耗是光波通过光纤材料时，有一部分光能变成热能，造成光功率的损失。引起吸收损耗的主要原因有两个：

29、一是材料固有因素引起的本征吸收；二是因材料不纯引起的杂质吸收。本征吸收。本征吸收是光纤基础材料（如SiO2）固有的吸收，对于石英系光纤，本征吸收有两个吸收带，分别为紫外吸收带和红外吸收带。(见P54)第43页，共168页，编辑于2022年，星期一紫外区的波长范围是0.006m0.39m。紫外吸收是光纤材料电子跃迁所产生的，所谓电子跃迁是指电子所处能级的变化。石英玻璃中电子跃迁产生的吸收峰在紫外区的0.12m附近，它影响的区域很宽，其吸收带的尾部可拖到1m以上的波长。此外，当在石英玻璃中掺入GeO2时，紫外吸收峰将移至0.165m左右，吸收峰的尾端将移至0.363m。由此可见，紫外吸收对于石英光

30、纤在红外区工作的影响不大。例如，对于0.6m以上的可见光区，紫外吸收损耗高达1 dB/km，在1.2m波长大约是0.1 dB/km，当波长为1.31m和1.55m时，其损耗就可以忽略不计了。第44页，共168页，编辑于2022年，星期一红外吸收的波长范围是0.76m300m。红外吸收损耗是由于在红外区材料的分子振动而产生的吸收。石英分子是四面体结构，有伸缩振动和曲线振动两种。振动的吸收损耗峰值高达11010dB/km，振动的基波波长分别为9.1m、12.5m、21m和36.4m。所以石英玻璃在这四个基波波长处有吸收峰，吸收带的尾部可延伸到1m左右，将影响到目前使用的石英系光纤通信的长波波段。第

31、45页，共168页，编辑于2022年，星期一 杂质吸收。它是由于光纤材料不纯净而引起的吸收损耗。光纤内的金属杂质（如Fe、Cu、V、Mn等）、OH-离子及H2是造成杂质吸收的主要原因。它与制作工艺水平密切相关，随着技术水平的提高，已使这些金属杂质的浓度低于1ppb（即十亿分之一）以下，基本解决了金属离子的吸收问题。但OH-离子的吸收峰对光通信的长波长窗口的影响比较大，当OH-离子的含量降到1ppb时，则在1.38m处的吸收峰为0.04 dB/km，其尾部影响就更小了。(见P55)第46页，共168页，编辑于2022年，星期一 （2）散射损耗 散射是指光通过密度或折射率等不均匀的物质时，光在不均

32、匀点变更其传播方向，这种现象称为光的散射，由此产生的损耗为散射损耗。散射损耗是由于光纤的材料、形状、折射率分布等的缺陷或不均匀，使光纤中传播的光发生散射，由此产生的损耗称为散射损耗。散射损耗对光纤通信影响较大的是瑞利散射和结构缺陷散射。第47页，共168页，编辑于2022年，星期一 瑞利散射。由于透明材料中分子级大小粒子的不均匀引起密度变化而造成的折射率变化，这种不均匀的微粒大小比光波长小时，产生的散射现象称为瑞利散射。瑞瑞利利散散射射的的大大小小与与波波长长的的四四次次方方成成反反比比，所以光光波波长长越越长长，瑞瑞利利散散射射损损耗耗就就越越小小；反之光波长越短，瑞利散射损耗就越厉害。因此

33、在短波长0.85m处，瑞利散射损耗的影响最大。结构缺陷散射。光纤在制造过程中，由于结构缺陷将会产生散射损耗。结构缺陷包括气泡、未发生反应的原材料、纤芯和包层交接面的不完整、芯径的变化和光纤的扭曲等。第48页，共168页，编辑于2022年，星期一光纤的损耗特性曲线第49页，共168页，编辑于2022年，星期一 2光纤的色散特性光光纤纤的的色色散散是是导导致致传传输输信信号号的的波波形形畸畸变变的的一一种种物物理理现现象象。光光脉脉冲冲在在光光纤纤中中传传播播时时，由由于于光光脉脉冲冲信信号号存存在在不不同同频频率率成成分分或或不不同同的的模模式式，在在光光纤纤中中传传播播的的途途径径不不同同，达

34、达到到终终点点的的时时间间也也就就不不同同，产产生生了了时时延延差差，互互相相叠叠加加起起来来，使使信信号号波波形形畸畸变变，表表现现为为脉脉冲冲展展宽宽。光光纤纤色色散散限限制制了了带带宽宽，而而带带宽宽又又直直接接影影响响通通信信容容量量和和传传输输速速率率，因因此此光光纤色散特性也是光纤的另一个重要性能指标。纤色散特性也是光纤的另一个重要性能指标。光纤色散主要有材料色散、波导色散和模式色散。光纤色散主要有材料色散、波导色散和模式色散。第50页，共168页，编辑于2022年，星期一（1）材料色散材料色散是由于光纤纤芯的折射率随传输的光波长变化而造成的。光源不是发出一个波长的光，而是同时发出

35、若干个不同波长的光。由于光纤纤芯对不同的光波长有不同的折射率，因而有不同的传播速度，这样造成光脉冲展宽现象，称为材料色散。对于石英材料制作的光纤，光波长在1.31m附近，其色散趋于零，即在这个波长上没有脉冲展宽现象，通常称1.31m为零色散波长。第51页，共168页，编辑于2022年，星期一（2）波导色散波导色散是光纤的几何结构决定的色散，故也称为结构色散。光在纤芯内传播时，实际上由于光纤的几何结构、形状等方面的不完善会有部分光进入包层，由于纤芯和包层的折射率不同，这样造成脉冲展宽的现象，称为波导色散。（3）模式色散由于在多模光纤中存在很多模式，不同模式有不同的传播途径与不同的群速度，所以它们

36、到达终端的时间也就不同，引起了时延差，从而产生脉冲展宽的现象，称为模式色散。单模光纤中只有传输基模，因此不存在模式色散，只有材料色散和波导色散。第52页，共168页，编辑于2022年，星期一3.2.4 光纤的连接 光光纤纤的的连连接接分分为为固固定定连连接接和和活活动动连连接接两两种种形形式式。固固定定连连接接类类似似于于电电缆缆中中的的焊焊接接，活活动动连接类似于插头和插座的连接。连接类似于插头和插座的连接。第53页，共168页，编辑于2022年，星期一1光纤的固定连接光纤的固定连接是光缆工程中使用最普遍的一种，其特点是光纤一次性连接后不能拆卸，主要用于光缆线路中光纤之间的永久性连接。光纤连

37、接必须满足以下几点要求：连接损耗要小（0.3 dB以下）；连接损耗的稳定性好，在-2060范围温度变化时不应有附加的损耗产生；具有足够的机械强度和使用寿命；接头体积小，密封性好；便于操作，易于放置和保护。第54页，共168页，编辑于2022年，星期一目前光纤的固定连接有熔接法和非熔接法。（1）非熔接法它是利用简单的夹具夹固光纤并用黏接剂固定，从而实现光纤的低损耗连接。非熔接法主要包括：V型槽拼接法、套管连接法及三芯固定法等。如图3.9所示是V型槽拼接法接头的侧面示意图。首先在V型槽中，对接光纤端面进行调整，使轴心对准之后黏接，再在上面放置压条，使两端光纤紧紧地被压在V型槽中，然后由套管将V型槽

38、和压条一起套住。图3.9 V型槽接头（侧面）第55页，共168页，编辑于2022年，星期一非熔接法的特点是操作方便简单，不需要价格昂贵的熔接机，但在连接处损耗较大，一般为0.2 dB左右。非熔接法使用于有特别要求的场合，如油田、仓库等防火的地方。（2）熔接法熔接法是将光纤两个端头的芯线紧密接触，然后用高压电弧对其加热，使两端头表面熔化而连接。熔接法的特点是熔接损耗低，安全可靠，受外界影响小，但需要价格昂贵的熔接机。它是目前光缆线路施工和维护的主要连接方法。第56页，共168页，编辑于2022年，星期一2光纤的活动连接光纤的活动连接是通过光纤连接器实现的。连接器有对接连接器和扩展光线连接器两大类

39、。（1）对接连接器在这种连接中，两个要连接的光纤端面互相靠紧并对准，以便两根光纤的轴线重合。如图3.10所示是套管结构的对接连接器，这种连接器由插针和套筒组成。插针为一精密套管，光纤固定在插针里面。套筒也是一个加工精密的套管，两个插针在套筒中对接并保证两根光纤的对准。第57页，共168页，编辑于2022年，星期一由于这种结构设计合理，加工技术能够达到要求的精度，因而得到了广泛应用。图3.10 套管结构的对接连接器 第58页，共168页，编辑于2022年，星期一（2）扩展光线连接器在这种连接中，发射光束由半个连接器增大，再由另外半个连接器缩小到与接收光纤的芯线尺寸一致。如图3.11所示为透镜耦合

40、结构连接器的原理图，用透镜将一根光纤的发射光变成平行光，再由另一透镜将平行光聚焦导入到另一光纤中去。由于光束被展宽，因此即使连接过程中存在两边轴线不一致的情况，其影响也会大大减小。图3.11 透镜耦合结构连接器的原理图 第59页，共168页，编辑于2022年，星期一这种连接器的优点是降低了机械加工精度要求，使耦合更加容易实现。缺点是结构复杂，体积大，调整元件多，连接损耗大。在光通信中，尤其是干线上很少使用这类连接器，但在某些特殊场合，如在野战通信中这种结构仍有应用，因为野战通信距离短，环境尘土较大，可以容许损耗大一些，但要求快速接通。透镜能将光斑变大，接通更容易，正好满足这种需求。第60页，共

41、168页，编辑于2022年，星期一3.2.5 光缆和光缆的敷设 前面所述的经过二次涂覆（套塑）的光纤芯线具有一定的抗拉强度，但还是比较脆弱，不能经受弯曲、扭曲、侧压力等的作用，所以只能用于实验室中，不能满足工程安装的要求。为了能使光纤用于多种环境条件下，并能顺利完成敷设施工，必须将光纤和其他元器件组合在一起制成不同结构的光缆。1光缆的基本结构为了满足不同的用途和不同的使用环境，光缆的结构形式多式多样，但不管其具体结构形式如何，光缆大体上都是由缆芯、加强元件和护层三部分组成。第61页，共168页，编辑于2022年，星期一（1）缆芯缆芯是光缆的主体，是光纤芯线的组合。当前缆芯的基本结构大体上分为层

42、绞式、骨架式、束管式和带状式四种类型，如图3.12所示，我国及欧亚各国用得最多的是层绞式和骨架式两种。层绞式结构。它是将若干光纤芯线以加强元件为中心排成一层，隔适当的距离进行一次绞合的结构，光纤芯线有紧套光纤也有松套光纤。随着光纤数的增加，出现单元式绞合，即一个松套管就是一个单元，其内有多根光纤，也称单元式光缆。生产时先绞合成单元，再挤至松紧套，然后再绞合成缆。目前这种结构的光缆得到了大量的使用。第62页，共168页，编辑于2022年，星期一图3.12 光缆的典型结构示意图 第63页，共168页，编辑于2022年，星期一 骨架式结构。这种结构是将光纤置放于塑料骨架的槽中，骨架的中心是加强元件，

43、骨架上的沟槽可以是V型、U型或其他合理的形状，槽纵向呈螺旋型。一个空槽内放置510根一次涂覆光纤。由于光纤在骨架沟槽内有较大的空间，当受到张力时可在槽内做一定的位移，减少了光纤芯线的应力应变和微变。具有耐侧压、抗弯曲、抗拉的特点。第64页，共168页，编辑于2022年，星期一 束管式结构。束管式光缆结构近年来得到较快发展。它相当于把松套管扩大为整个缆芯，成为一个管腔，将光纤集中在其中。管内填充油膏，改善了光纤在光缆内受压、受拉、受弯曲时的受力状态，每根光纤都有很大的活动空间。相应的加强元件由缆芯的中央移至缆芯外部的护层中。第65页，共168页，编辑于2022年，星期一 带状式结构。它是将经过一

44、次涂覆的光纤放入塑料带内做成光纤带，然后将几层光纤带按一定方式排列在一起构成光缆。这种光缆的结构紧凑，可以容纳大量的光纤（一般在100芯以上），满足作为用户光缆的需要。第66页，共168页，编辑于2022年，星期一（2）加强元件光缆与电缆结构上最大的区别在于：由于光纤对任何拉伸、压缩、侧压等的承受能力很差，因而必须在光缆的中心线或四周配置加强元件。加强元件的材料可用钢丝或非金属合成纤维增强型塑料（FRP）等。第67页，共168页，编辑于2022年，星期一（3）护层如同电缆一样，光缆护层也是由内护层和外护层构成的多层组合体。护层的作用是进一步保护光纤，避免受外部机械力和环境损坏。因此要求护层不但

45、具有抗拉、抗压、抗弯曲等机械性能，而且具有防潮、防水、耐化学腐蚀等性能。目前，常用的光缆护层材料有聚乙烯（PE）、铝箔-聚 乙 烯 黏 接 护 层（PAP）、双 面 涂 塑 皱 纹 钢 带（PSP）等。架空、管道光缆使用PAP内护层较多，直埋光缆用PSP较多，大多数光缆外护层均为PE材料。第68页，共168页，编辑于2022年，星期一2光缆的敷设（1）光缆敷设注意事项光缆敷设是光缆线路工程中的关键步骤，为保证光缆的使用寿命和正常工作，光缆敷设应遵守下列规定：光缆的弯曲半径不应小于光缆外径的15倍，施工过程中应不小于20倍。用牵引方式布放光缆时，牵引力不应超过光缆最大允许张力的80%，瞬间最大牵

46、引力不超过允许张力的100%，而且主要牵引力应加在光缆的加强元件上。布放光缆时，光缆必须由缆盘上方放出并保持松弛的弧形。光缆布放过程中应无扭转、严禁浪涌现象发生。第69页，共168页，编辑于2022年，星期一 机械牵引敷设时，牵引速度应保持在每分钟20m左右，牵引张力可以调节，当牵引力超过规定值时，应能自动报警停止牵引。人工牵引敷设时，速度要均匀，一般控制在每分钟10m左右，且牵引长度不宜过长，若光缆过长，可以分几次牵引。为了使光缆在发生意外断掉时能够接续，应每隔几百米留一定的余长，余长的长度一般可在5%10%范围内，也可以根据该地面未来可能造成的损坏预留一定的余长。为了使两根光缆的接头便于在

47、地面操作，在接头处至少应留10m的余长。为了确保光缆敷设的质量和安全，施工过程中必须严密组织并有专人指挥。第70页，共168页，编辑于2022年，星期一（2）光缆敷设方式常用的光缆敷设方式有架空、管道、直埋和水下等几种。架空敷设。架空光缆要求电杆具有一定的机械强度，并应符合通信线路的建设标准。架空光缆的吊线一般采用7/2.2mm（钢绞线股数/线径）的镀锌钢绞线，并采用挂钩进行固定，挂钩间距应使光缆所受的张力在允许范围之内，一般为50cm。第71页，共168页，编辑于2022年，星期一架空光缆结构示意图第72页，共168页，编辑于2022年，星期一 管道敷设。为了提高管道的利用率，常在管道中布放

48、34根子管，每根子管穿入1根光缆。光缆穿入管道或子管时用牵引绳将其拉入，牵引力不宜过大，光缆进、出入孔和管道处要加设导向或喇叭口装置，避免尖棱角对牵引光缆造成阻力和伤害。对于不光滑的管道，在光缆表面应涂一些润滑剂。对于市内光缆敷设，主要采用管道、架空敷设。第73页，共168页，编辑于2022年，星期一管道光缆结构示意图第74页，共168页，编辑于2022年，星期一 直埋敷设。直埋敷设是通过挖沟、开槽，将光缆直接埋入地下的敷设方式。一般情况下光缆沟的深度为1.2m，沟底平坦清洁，绝不允许石块等坚硬物留在沟中。光缆放入沟中，确认无异常后开始回填并在每隔1 000m处设立标石，某些位置上还需设一定的

49、标志，如光缆连接装置、穿越河床的位置、弯曲段位置等。目前长途干线光缆工程大多采用直埋敷设。第75页，共168页，编辑于2022年，星期一地埋光缆结构示意图第76页，共168页，编辑于2022年，星期一 水底敷设。水底光缆是指用于穿越河流、湖泊、岸滩等地形的光缆。敷设方法是用光缆船等机具将光缆布放水底后，在堤岸上进行固定。水底光缆的埋深应根据水深及土质情况确定，一般来说，水深不足8m（指枯水季节）的区段，埋深可分为0.5m、1.2m、1.5m等挡次。水深超过8m的区段，一般可将光缆直接放在河床而不加掩埋。掩埋方法可采用水下冲挖机或人工冲挖机。不允许光缆在水中腾空，在堤岸上须设置“禁止抛锚”的水线

50、标志牌。第77页，共168页，编辑于2022年，星期一海底光缆结构示意图第78页，共168页，编辑于2022年，星期一光缆的基本特性：1.拉力特性2.压力特性3.弯曲特性4.温度特性第79页，共168页，编辑于2022年，星期一3.3 光源和光电检测器 光纤、光源和光电检测器是光通信中不可缺少的三个部件，它们的并行发展是光纤通信发展的重要保证。前一节介绍了光纤的导光原理及光纤的传输特性等，在这一节主要介绍光源和光电检测器。第80页，共168页，编辑于2022年，星期一3.3.1 光源 光源的主要作用是将电信号变成光信号。目前光纤通信系统中常用的光源主要有:*半导体激光器（LD）*半导体发光二极