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1、光纤通信及其在电力系统中应用 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望主要内容光纤通信基础知识电力系统中光纤通信的应用光纤通信常见问题分析和排查方法2光纤通信基础知识光纤传光的基本原理光纤衰耗产生的基本原理光纤通信系统的组成电力系统常用光纤电力系统常用光缆电力系统常用光纤通信的部件3光纤通信发展简史光波光波是波长极短的电磁波。因此，科学家光波是波长极短的电磁波。因此，科学家早已断定利用光波进行通讯在理论上是可早已断定利用光波进行通讯在理论上是可行的，也是人们
2、长期以来梦寐以求的。光行的，也是人们长期以来梦寐以求的。光波的频率在波的频率在3103101414以上，用这样以上，用这样高频率高频率的的波作为载波，可获得比现有通讯方式大万波作为载波，可获得比现有通讯方式大万倍的通讯容量，又倍的通讯容量，又不受一般的电磁干扰不受一般的电磁干扰，因而是一种理想的传输介质。但是如何使因而是一种理想的传输介质。但是如何使光波沿着光波沿着预定的通道预定的通道长距离传输却是一个长距离传输却是一个极难的问题。只有当激光和光导纤维问世极难的问题。只有当激光和光导纤维问世之后，才使这一难题的解决成为可能之后，才使这一难题的解决成为可能4光纤通信发展简史光纤利用光纤作为光的传
3、输介质的研究工作经历了利用光纤作为光的传输介质的研究工作经历了3030年的时间。年的时间。19501950年国外就有人开始了光在光纤中传输的年国外就有人开始了光在光纤中传输的理论研究理论研究。19511951年出现了用于年出现了用于医疗的光导纤维医疗的光导纤维。但由于那时的光纤中。但由于那时的光纤中光的传输衰耗太大，故不能用于一定距离的光通讯。光的传输衰耗太大，故不能用于一定距离的光通讯。19661966年，英籍华人年，英籍华人高锟博士高锟博士揭示了制成衰耗低于揭示了制成衰耗低于20dB/km20dB/km光纤的光纤的可能性可能性。而当时世界上最优良的光学玻璃衰耗在。而当时世界上最优良的光学玻
4、璃衰耗在1000dB/km1000dB/km左右。因而这个预见未被普遍相信和重视。只左右。因而这个预见未被普遍相信和重视。只有美国贝尔实验室主席有美国贝尔实验室主席Iam RossIam Ross和英国电信研究所（和英国电信研究所（BTRLBTRL，BPOBPO）的领导人对此极感兴趣，遂与美国康宁玻璃公司）的领导人对此极感兴趣，遂与美国康宁玻璃公司合作研制。合作研制。19701970年该公司的年该公司的MaurerMaurer等人首先制成了衰耗为等人首先制成了衰耗为20dB/km20dB/km的的光纤，取得了重大突破。高锟博士指出，降低玻璃内的过光纤，取得了重大突破。高锟博士指出，降低玻璃内的
5、过渡金属杂质离子是降低光纤衰耗的主要途径。渡金属杂质离子是降低光纤衰耗的主要途径。沿此途径，在沿此途径，在19741974年光纤衰耗已降低到年光纤衰耗已降低到2dB/km2dB/km。另外，玻。另外，玻璃内的璃内的OHOH离子也是造成衰耗的重要因素。解决此问题后，离子也是造成衰耗的重要因素。解决此问题后，19801980年用于年用于1.55m1.55m波长的光纤衰耗值已降低到波长的光纤衰耗值已降低到0.2dB/km0.2dB/km 5光纤通信发展简史光源实现光纤通讯的另一重要问题是光源。实现光纤通讯的另一重要问题是光源。6060年代，光纤通讯中光源的研究主要应用波长为年代，光纤通讯中光源的研究
6、主要应用波长为0.85m0.85m附近的近红外区。因此，当时主要研究附近的近红外区。因此，当时主要研究GaAlAsGaAlAs(镓铝砷镓铝砷)半导体激光器。当时制成的这种激光器不能半导体激光器。当时制成的这种激光器不能在室温下运用，寿命很短。在室温下运用，寿命很短。19701970年年HayashiHayashi等人终于制成了能在室温下连续运行的等人终于制成了能在室温下连续运行的GaAlAsGaAlAs激光器（激光器（LDLD）。）。19711971年年BurrusBurrus等人制成了等人制成了GsAlAsGsAlAs发光二极管（发光二极管（LEDLED），），其寿命长、价格低廉，但频谱宽、
7、速率低、功率小。其寿命长、价格低廉，但频谱宽、速率低、功率小。8080年代制成了适用于年代制成了适用于1.3m1.3m、1.55m1.55m的的InGaAsP(InGaAsP(铟镓砷铟镓砷磷磷)长波长激光器和发光管，现已得到广泛应用。长波长激光器和发光管，现已得到广泛应用。6光纤通信发展简史光接收器光接收器件也是光纤通讯必不可少的重要组成部分。光接收器件也是光纤通讯必不可少的重要组成部分。随着光纤的发展，及时地研制成功适用于短波长的随着光纤的发展，及时地研制成功适用于短波长的Si-Si-PINPIN管和管和Si-APDSi-APD雪崩光电二极管及适用长波长的雪崩光电二极管及适用长波长的InGa
8、AsInGaAs或或InPInP的的PINPIN管和管和APDAPD管，还有管，还有Ge-APDGe-APD管等。管等。7光纤通信的发展19761976年后，美国建成传输速率为年后，美国建成传输速率为44Mbit/s44Mbit/s（每秒传送（每秒传送44M44M位数位数字信号）、传输距离达到字信号）、传输距离达到10km10km的商用光纤通讯线路。的商用光纤通讯线路。8080年代，光纤通讯进入大规模发展阶段。目前世界上光纤通年代，光纤通讯进入大规模发展阶段。目前世界上光纤通讯已被广泛应用，全世界光纤用量每年约讯已被广泛应用，全世界光纤用量每年约6000700060007000万万km km。
9、国际上国际上565Mbit/s565Mbit/s的高速光纤通讯系统（可传送的高速光纤通讯系统（可传送76807680路双向电路双向电话）已广泛应用，话）已广泛应用，2.4Gbit/s2.4Gbit/s超高速系统也将投入运行。超高速系统也将投入运行。我国早在我国早在7070年代初就开展了光纤通讯的研究，年代初就开展了光纤通讯的研究，7070年代末已经年代末已经能制造用于能制造用于1.3 m1.3 m波长、衰耗为波长、衰耗为4dB/km4dB/km的多模光纤，并能制的多模光纤，并能制造造0.85 m0.85 m波长的发光二极管和激光器。波长的发光二极管和激光器。8080年代初，研制成长年代初，研制
10、成长波长多模光纤、长波长激光器和波长多模光纤、长波长激光器和PIN-FETPIN-FET光电检测组件，在光电检测组件，在武汉建立了市内光纤线路。武汉建立了市内光纤线路。19911991年，建成合肥至芜湖的年，建成合肥至芜湖的150km150km光纤线路。由此可见，我国光纤通讯的发展非常迅速，光纤线路。由此可见，我国光纤通讯的发展非常迅速，在电力系统中也得到广泛应用。在电力系统中也得到广泛应用。最新资料表明，全球的光纤使用量已经是10亿公里。8电力系统光纤通信的发展光纤通道站内复接站间直连监控网络过程层数字化变电站智能电网数据通信智能变电站9光纤通信系统的构成10光端机（发）光端机（发）电端机（
11、发）电端机（发）光纤通信的特点光纤通讯与其他通讯方式比较有很多优点，对应用光纤通讯与其他通讯方式比较有很多优点，对应用于电力系统而言，主要有以下几点。于电力系统而言，主要有以下几点。通讯容量大通讯容量大：随着电力系统保护、控制、远动技术随着电力系统保护、控制、远动技术的发展，需要愈来愈大的通讯容量。微波通道的通的发展，需要愈来愈大的通讯容量。微波通道的通讯容量一般只有讯容量一般只有960960路，而用光缆构成的光纤通道当路，而用光缆构成的光纤通道当用用0.85m0.85m短波长时通讯容量可达短波长时通讯容量可达19201920路，当用路，当用1.55m1.55m长波长时通讯容量可达长波长时通讯
12、容量可达76807680路。路。工作可靠工作可靠：载波通道受雷电和电力系统操作产生的载波通道受雷电和电力系统操作产生的电磁干扰很大，信号衰耗受天气变化的影响很大，电磁干扰很大，信号衰耗受天气变化的影响很大，有时甚至不能工作。微波通道受电磁干扰较小，但有时甚至不能工作。微波通道受电磁干扰较小，但在恶劣天气条件下信号衰落很大。光纤通道不受电在恶劣天气条件下信号衰落很大。光纤通道不受电磁干扰，基本上不受天气变化的影响，因此工作可磁干扰，基本上不受天气变化的影响，因此工作可靠性远高于载波和微波通道。这对于电力系统特别靠性远高于载波和微波通道。这对于电力系统特别重要。重要。11光纤的传光原理l光纤与光缆
13、光纤与光缆光纤的构造光纤的构造光缆的构造光缆的构造l光在光纤中的传播光在光纤中的传播光的反射和折射光的反射和折射光的全反射光的全反射光在光纤中的传播光在光纤中的传播12光纤的构造光纤横截面示意图。光纤横截面示意图。光纤由纤芯、包层、光纤由纤芯、包层、涂敷层和套塑四部涂敷层和套塑四部分组成。纤芯位于分组成。纤芯位于光纤的中心，是光光纤的中心，是光传输的主要途径，传输的主要途径，其主要成分是高纯其主要成分是高纯度的二氧化硅，其度的二氧化硅，其纯度要达到纯度要达到99.9999%99.9999%，其余成，其余成分为掺入的杂质。分为掺入的杂质。13光纤的构造常用的杂质有五氧化二磷（常用的杂质有五氧化二
14、磷（P P2 2O O5 5）和二氧化锗）和二氧化锗（GeOGeO2 2）。掺加此杂质的作用是）。掺加此杂质的作用是提高提高纤芯的纤芯的电介强度和折射率。纤芯的直径电介强度和折射率。纤芯的直径2a2a一般在一般在550m550m之间。包层也是掺加有少量杂质的高之间。包层也是掺加有少量杂质的高纯度二氧化硅。包层所用的杂质为氟或硼，其纯度二氧化硅。包层所用的杂质为氟或硼，其作用是作用是降低降低包层的电介强度和折射率。包层的包层的电介强度和折射率。包层的直径直径2b2b一般为一般为125m125m。包层的外面涂敷一层很。包层的外面涂敷一层很薄的环氧树脂或硅橡胶，其作用是增加光纤的薄的环氧树脂或硅橡胶
15、，其作用是增加光纤的机械强度。涂敷层之外是用尼龙或聚乙烯作成机械强度。涂敷层之外是用尼龙或聚乙烯作成的套塑，其作用也是加强光纤的机械强度。的套塑，其作用也是加强光纤的机械强度。14光纤按折射率分布分根据杂质在纤芯材料中的分布，光纤分根据杂质在纤芯材料中的分布，光纤分阶阶跃型跃型和和渐变型渐变型两种。所谓阶跃型光纤是指两种。所谓阶跃型光纤是指纤芯材料中杂质的分布是均匀的，因而在纤芯材料中杂质的分布是均匀的，因而在纤芯中各处电介常数和折射率也是均匀的、纤芯中各处电介常数和折射率也是均匀的、相同的，是一相同的，是一常数常数。但在纤芯与包层分界。但在纤芯与包层分界处，电介常数和折射率阶跃式地突然减少。
16、处，电介常数和折射率阶跃式地突然减少。所谓渐变型光纤是指纤芯中杂质从轴线开所谓渐变型光纤是指纤芯中杂质从轴线开始沿着半径方向逐渐变化，因而纤芯材料始沿着半径方向逐渐变化，因而纤芯材料中电介常数和折射率也沿着半径方向逐渐中电介常数和折射率也沿着半径方向逐渐变化。变化。15光缆l在实际应用中，将多根光纤在实际应用中，将多根光纤集中在一起做成类似于电缆集中在一起做成类似于电缆的光缆进行敷设，以保证不的光缆进行敷设，以保证不受外界的影响而损坏。受外界的影响而损坏。l 图图4 4表示一六芯光缆的横截表示一六芯光缆的横截面。光纤围绕一多股钢丝绳面。光纤围绕一多股钢丝绳排列。多股钢丝绳的作用是排列。多股钢丝
17、绳的作用是增强光缆的机械强度。此外，增强光缆的机械强度。此外，为了保证中继站之间的电信为了保证中继站之间的电信号联系，有些情况下也为了号联系，有些情况下也为了给中继站供电，在光缆中通给中继站供电，在光缆中通常还敷设一对塑料包皮的铜常还敷设一对塑料包皮的铜导线。除了六芯光缆外，还导线。除了六芯光缆外，还有四芯，八芯的光缆等。有四芯，八芯的光缆等。16光在光纤中的传播光的反射和折射光的全反射17光的反射和折射当光从一种介质入射到另一种介质时，由于光当光从一种介质入射到另一种介质时，由于光在两种介质中在两种介质中传播的速度传播的速度不同，在两种介质的不同，在两种介质的分界面上要分界面上要反射和折射反
18、射和折射。如果两种介质材料成。如果两种介质材料成份都是均匀的，则其物理常数如导磁率份都是均匀的，则其物理常数如导磁率 和电和电介常数介常数 也必然是均匀的。也必然是均匀的。设用下标设用下标1 1和下标和下标2 2分别表示两种介质，其导磁分别表示两种介质，其导磁率都等于空气的导磁率，即率都等于空气的导磁率，即其电介常数分别为其电介常数分别为 1 1和和 2 2，光在两种介质中传，光在两种介质中传播速度各为播速度各为其对于光的折射率分别为：其对于光的折射率分别为：18光的反射和折射设光的入射角为设光的入射角为 1 1，反射角为，反射角为 1 1，折射角为折射角为 2 2，则根，则根据斯奈尔（据斯奈
19、尔（SnellSnell）定律：定律：19光的全反射如果上面所举的两种介质的折射率之间的关系为如果上面所举的两种介质的折射率之间的关系为n1n2n1n2，则由式（则由式（1 1）知，）知，如果如果 则可以发生则可以发生 这是这是没有意义没有意义的，这说明折射角大于的，这说明折射角大于9090，亦即光亦即光不会进入介质不会进入介质2 2，而是，而是全部反射回介质全部反射回介质1 1。这种现象就是光的全反射。从式（这种现象就是光的全反射。从式（1 1）可见，产生全反射）可见，产生全反射与否不但与与否不但与n2/n1 n2/n1 有关有关,也与入射角也与入射角 1 1 有关。设产生全有关。设产生全反
20、射的临界入射角为反射的临界入射角为 c c ，则应有，则应有20光在光纤中的传播21光在光纤中的传播所谓阶跃式是指在纤芯中和包层中光的折所谓阶跃式是指在纤芯中和包层中光的折射率都是均匀分布的。包层的折射率射率都是均匀分布的。包层的折射率n n小于小于纤芯的折射率纤芯的折射率n n。从纤芯到包层，在分界面。从纤芯到包层，在分界面上折射率突然减小。光通过光纤轴线上折射率突然减小。光通过光纤轴线斜射斜射入光纤。当入射角入光纤。当入射角大于等于大于等于临界入射角时，临界入射角时，产生产生全反射全反射，光线不进入包层，完全在纤，光线不进入包层，完全在纤芯中沿着轴线方向曲折前进。实线和虚线芯中沿着轴线方向
21、曲折前进。实线和虚线代表不同的入射角时的传播情况。代表不同的入射角时的传播情况。所谓渐变式是指在纤芯中从轴线沿着径向所谓渐变式是指在纤芯中从轴线沿着径向方向折射率方向折射率逐渐减小逐渐减小。由于在渐变型光纤。由于在渐变型光纤中，纤芯中的折射率沿半径方向逐渐变化，中，纤芯中的折射率沿半径方向逐渐变化，故光在行进中故光在行进中连续地产生折射连续地产生折射，行进路径，行进路径呈曲线形状。呈曲线形状。22光纤的类型光纤传输的模式光纤传输的模式多模是指可传送多模是指可传送多束光线多束光线单模则指沿轴线传送单模则指沿轴线传送一束光线一束光线光纤有三种基本型式：光纤有三种基本型式：(1)(1)多模多模(折射
22、率折射率)阶跃式，简称多模阶跃式；阶跃式，简称多模阶跃式；(2)(2)多模多模(折射率折射率)渐变式，简称多模渐变式；渐变式，简称多模渐变式；(3)(3)单模单模(折射率折射率)阶跃式，简称单模阶跃式。阶跃式，简称单模阶跃式。23光纤通信基础知识光纤传光的基本原理光纤衰耗产生的基本原理光纤通信系统的组成电力系统常用光纤电力系统常用光缆电力系统常用光纤通信的部件24光纤的损耗和色散光在光纤中的光在光纤中的吸收损耗吸收损耗光纤材料光纤材料本身本身引起的吸收损耗引起的吸收损耗红外吸收损耗红外吸收损耗紫外吸收损耗紫外吸收损耗杂质杂质引起的吸收损耗引起的吸收损耗金属离子引起的吸收损耗金属离子引起的吸收损
23、耗氢氧根例子引起的吸收损耗氢氧根例子引起的吸收损耗原子缺陷引起的吸收损耗原子缺陷引起的吸收损耗光在光纤中的光在光纤中的散射损耗散射损耗光纤的色散光纤的色散25红外吸收和紫外吸收损耗均属于光纤材料本身引起的吸收损耗均属于光纤材料本身引起的吸收损耗石英玻璃（石英玻璃（SiO2SiO2）是光纤的基础材料。在）是光纤的基础材料。在波长波长9um9um、12.5um12.5um和和21um21um处，其处，其Si-OSi-O键发生键发生振动而吸收一部分光能，从而造成损耗。振动而吸收一部分光能，从而造成损耗。这几个波长都在红外区域，故称这几个波长都在红外区域，故称红外吸收红外吸收损耗损耗。由于目前光纤的工
24、作波长与这几个。由于目前光纤的工作波长与这几个振动波长的距离较远，故红外吸收损耗对振动波长的距离较远，故红外吸收损耗对光纤通讯光纤通讯影响不大影响不大;在光纤材料在光纤材料SiOSiO2 2的原子中，一些处于低能级的原子中，一些处于低能级的电子会吸收紫光的一些能量而跃迁到高的电子会吸收紫光的一些能量而跃迁到高能级状态，因而造成光能的损失。这种由能级状态，因而造成光能的损失。这种由于于电子跃迁电子跃迁造成的损耗发生在波长为造成的损耗发生在波长为0.16um0.16um附近的紫外区域。因此，对常用的附近的紫外区域。因此，对常用的0.85um0.85um波波长的光纤通讯长的光纤通讯有一定的影响。有一
25、定的影响。26金属离子、氢氧根离子、源自缺陷造成的损耗均属于光纤材料中均属于光纤材料中杂质杂质造成的吸收损耗造成的吸收损耗在光纤材料杂质中可能有铁、铜、钒、镍、在光纤材料杂质中可能有铁、铜、钒、镍、和钴等金属离子。这些金属离子要吸收一和钴等金属离子。这些金属离子要吸收一些光能造成损耗，但是现代提纯技术水平些光能造成损耗，但是现代提纯技术水平大大提高，使得金属离子的吸收损耗已不大大提高，使得金属离子的吸收损耗已不重要重要;在光纤加工过程中，不可避免的要有一些在光纤加工过程中，不可避免的要有一些OH-OH-根离子残留于其中，根离子残留于其中，OH-OH-根离子的振动根离子的振动要产生光能损耗。要产
26、生光能损耗。OH-OH-根振动的基波位于根振动的基波位于2.73um2.73um处，在此处吸收损耗量最大。这距离处，在此处吸收损耗量最大。这距离常用的波长较远，无大影响。但其二次和常用的波长较远，无大影响。但其二次和三次谐波分别出现在三次谐波分别出现在1.38um1.38um和和0.95um0.95um。距常。距常用的波长较近，有一定的影响。三次以上用的波长较近，有一定的影响。三次以上谐波的振动形成的吸收损耗很小，可以忽谐波的振动形成的吸收损耗很小，可以忽略不计。略不计。原子缺陷造成的吸收损耗是在光纤材料受原子缺陷造成的吸收损耗是在光纤材料受到某种激励，例如热激励或强幅射激励时，到某种激励，例
27、如热激励或强幅射激励时，造成原子缺陷而吸收光能，称为原子缺陷造成原子缺陷而吸收光能，称为原子缺陷吸收损耗。目前在光纤制作时，已选用这吸收损耗。目前在光纤制作时，已选用这种损耗最小的石英玻璃，因而原子缺陷吸种损耗最小的石英玻璃，因而原子缺陷吸收损耗的影响已经很小收损耗的影响已经很小27散射损耗太阳光穿过大气时，遇到大气的分子或微粒会发生散射而使天空变成太阳光穿过大气时，遇到大气的分子或微粒会发生散射而使天空变成蔚蓝色。同样，光在光纤中传输时遇到光纤微观结构的不均匀性也会蔚蓝色。同样，光在光纤中传输时遇到光纤微观结构的不均匀性也会产生散射。产生散射。制作光纤时，其玻璃材料在冷却过程中，内部会出现分
28、子级的密度不制作光纤时，其玻璃材料在冷却过程中，内部会出现分子级的密度不均匀性，这种均匀性，这种不均匀不均匀微粒的尺寸比光波波长还要小，光遇到这些不均微粒的尺寸比光波波长还要小，光遇到这些不均匀的微粒就要发生散射，造成散射损耗，称之为瑞利散射损耗。波长匀的微粒就要发生散射，造成散射损耗，称之为瑞利散射损耗。波长增大时，瑞利散射损耗急剧减小。此外，在入射光很强时，还会发生增大时，瑞利散射损耗急剧减小。此外，在入射光很强时，还会发生受激散射，即布里渊受激散射和喇曼受激散射。因为这样产生的散射受激散射，即布里渊受激散射和喇曼受激散射。因为这样产生的散射光与入射光的波长不一样，故称为非线性散射。受激散
29、射是一种受激光与入射光的波长不一样，故称为非线性散射。受激散射是一种受激现象，与其他受激现象一样，它的产生有一定的阈值。研究表明，只现象，与其他受激现象一样，它的产生有一定的阈值。研究表明，只有当入射到光纤中的光功率达到有当入射到光纤中的光功率达到80 mW80 mW时，才会引起严重的非线性散时，才会引起严重的非线性散射而造成非线性散射损耗。但光纤通讯中使用的半导体光源能注入光射而造成非线性散射损耗。但光纤通讯中使用的半导体光源能注入光纤的功率远小于此数值，因此可以不考虑这种散射损耗。纤的功率远小于此数值，因此可以不考虑这种散射损耗。28光纤的辐射损耗以上所讲的吸收损耗和散射损耗都是由于以上所
30、讲的吸收损耗和散射损耗都是由于光纤材料本身的固有性质所引起的，故称光纤材料本身的固有性质所引起的，故称为为本征损耗本征损耗。除此而外，在光纤生产和敷。除此而外，在光纤生产和敷设过程中还会产生一些附加的缺陷而造成设过程中还会产生一些附加的缺陷而造成损耗。例如纤芯的直径和包层的尺寸的不损耗。例如纤芯的直径和包层的尺寸的不均匀性，玻璃中残留的气泡、敷设时过大均匀性，玻璃中残留的气泡、敷设时过大的弯曲等都会产生光的辐射。辐射光的一的弯曲等都会产生光的辐射。辐射光的一部分进入包层而引起辐射损耗。随着现代部分进入包层而引起辐射损耗。随着现代光纤制作水平工艺的提高，辐射损耗已可光纤制作水平工艺的提高，辐射损
31、耗已可减到最低水平。减到最低水平。29光纤中光能总损耗的谱特性与工作窗口上述各种损耗都与入射光的波长有关。总上述各种损耗都与入射光的波长有关。总损耗对波长的关系称为总损耗的谱特性。损耗对波长的关系称为总损耗的谱特性。如图如图8 8所示。可以看到，在短波长范围和长所示。可以看到，在短波长范围和长波长范围有三个损耗相对较低的范围：波长范围有三个损耗相对较低的范围：0.8 0.8 0.90.9umum，1.21.3um1.21.3um，1.441.52um1.441.52um。这三个。这三个波长范围一般用于光纤通讯，称为三个工波长范围一般用于光纤通讯，称为三个工作窗口。作窗口。30光纤的色散所谓色散
32、是指利用光纤进行数字通讯时光脉冲被展宽的现象。所谓色散是指利用光纤进行数字通讯时光脉冲被展宽的现象。31光纤的色散由于色散现象存在，使得用在数字通讯时由于色散现象存在，使得用在数字通讯时脉冲之间的间隔不能太小，亦即传送速率脉冲之间的间隔不能太小，亦即传送速率不能太高，这限制了通讯容量的提高。此不能太高，这限制了通讯容量的提高。此外，因色散造成的脉冲展宽程度与传送距外，因色散造成的脉冲展宽程度与传送距离有关，因此色散也限制了光纤通讯的距离有关，因此色散也限制了光纤通讯的距离。离。多模阶跃式光纤的多模阶跃式光纤的数据传输速率较低数据传输速率较低，只，只能用于短距离数据传输，也常用于图像传能用于短距
33、离数据传输，也常用于图像传输。这种光纤的优点是直径较大，机械强输。这种光纤的优点是直径较大，机械强度较大，度较大，光源和光纤的对准比较容易光源和光纤的对准比较容易。多模渐变式光纤中，纤芯的折射率从轴线多模渐变式光纤中，纤芯的折射率从轴线沿着径向方向逐渐减小。光束沿着轴线传沿着径向方向逐渐减小。光束沿着轴线传输的距离虽短，但速度较慢，距中心线越输的距离虽短，但速度较慢，距中心线越远处光束的传输距离虽长但速度较快，这远处光束的传输距离虽长但速度较快，这就部分地就部分地补偿补偿了由于路程不同而产生的时了由于路程不同而产生的时间差异，使光脉冲的变形减小。这种光纤间差异，使光脉冲的变形减小。这种光纤用于
34、用于中等距离中等距离、中等信号速率的数据传输。、中等信号速率的数据传输。单模阶跃式光纤的纤芯半径较小，只传输单模阶跃式光纤的纤芯半径较小，只传输沿中心线射入的一种光束，消除了色散现沿中心线射入的一种光束，消除了色散现象，可用于远距离高数据速率的传输。其象，可用于远距离高数据速率的传输。其缺点是缺点是光纤太细光纤太细，机械强度较小，需要，机械强度较小，需要非非常精密的光源与光纤常精密的光源与光纤的对准工具，这些问的对准工具，这些问题目前都已圆满解决。题目前都已圆满解决。32光纤的色散33光纤通信基础知识光纤传光的基本原理光纤衰耗产生的基本原理光纤通信系统的组成电力系统常用光纤电力系统常用光缆电力
35、系统常用光纤通信的部件34光纤通信系统光发信机光收信机数字通信的原理多路复用技术35光发信机概述与高频通道和微波通道相似，光纤通道是与高频通道和微波通道相似，光纤通道是要将代表话音、控制命令、遥测数据或信要将代表话音、控制命令、遥测数据或信息的音频信号或脉冲调制在一种光源上，息的音频信号或脉冲调制在一种光源上，通过光纤传送到远端。这就需要有光源、通过光纤传送到远端。这就需要有光源、调制或编码电路和相应的控制电路。这些调制或编码电路和相应的控制电路。这些电路构成光发信机，其主要器件是光源。电路构成光发信机，其主要器件是光源。36光源的基本要求由于光纤芯径很小，要求光源要有较小的由于光纤芯径很小，
36、要求光源要有较小的发光面积，并且与光纤之间能够很好耦合。发光面积，并且与光纤之间能够很好耦合。光源发光的波长应在光纤通讯的三个低耗光源发光的波长应在光纤通讯的三个低耗的工作窗口内，即的工作窗口内，即0.80.90.80.9、1.21.31.21.3、1.451.55um1.451.55um。由于光纤通道要传送许多路高速脉冲信号，由于光纤通道要传送许多路高速脉冲信号，因此要求光源有足够大的功率和很快的响因此要求光源有足够大的功率和很快的响应速度应速度作为电力系统的主要通讯系统，要求光源作为电力系统的主要通讯系统，要求光源具有很高的可靠性，对温度等外界条件的具有很高的可靠性，对温度等外界条件的变化
37、不敏感变化不敏感37激光发生的原理光纤通道的光源主要是半导体激光器光纤通道的光源主要是半导体激光器（LDLD）和发光二极管（）和发光二极管（LEDLED）。为了解释）。为了解释这种光源的工作原理，首先要了解半导体这种光源的工作原理，首先要了解半导体发光的机理，亦即光的发光的机理，亦即光的受激吸收受激吸收、自发辐自发辐射射和和受激辐射受激辐射的过程。的过程。38能级和能带物质中的原子由原子核和围绕其旋转的很物质中的原子由原子核和围绕其旋转的很多电子组成。每个电子都沿着一定的轨道多电子组成。每个电子都沿着一定的轨道旋转，每个轨道代表着沿其旋转的电子所旋转，每个轨道代表着沿其旋转的电子所具有的一定能
38、量。根据量子力学的理论，具有的一定能量。根据量子力学的理论，电子的轨道不能是连续的，任意的，因此电子的轨道不能是连续的，任意的，因此每个电子只能具有对应于所在轨道的能量，每个电子只能具有对应于所在轨道的能量，其值也是不连续的，任意的，故称为其值也是不连续的，任意的，故称为能级能级（级别）（级别）39能级和能带一个电子要从一个轨道跃迁到另一轨道，必须吸收或释放两个轨道一个电子要从一个轨道跃迁到另一轨道，必须吸收或释放两个轨道能级之差能级之差的能的能量。其放出的能量常以光的形式辐射出来。图中（量。其放出的能量常以光的形式辐射出来。图中（a a）（）（b b）表示一个孤立原）表示一个孤立原子中电子的
39、轨道和能级。最外层的电子称为子中电子的轨道和能级。最外层的电子称为价电子价电子，其数目决定了物质的原，其数目决定了物质的原子价。子价。半导体中的原子按一定的规则排列，构成晶体。原子的最外层电子常为多半导体中的原子按一定的规则排列，构成晶体。原子的最外层电子常为多个原子所个原子所共有共有，成为，成为共价电子共价电子。由于各原子的互相影响。共价电子不可能只。由于各原子的互相影响。共价电子不可能只具有一个能级，而是可具有相差很小的许多能级，称为能带（在各个原子中具有一个能级，而是可具有相差很小的许多能级，称为能带（在各个原子中兼职，而在所兼职的各原子中，所处能级不同）。价电子所具有的能带称为兼职，而
40、在所兼职的各原子中，所处能级不同）。价电子所具有的能带称为价带价带，其最高能级用，其最高能级用E1E1表示表示(电子带负电荷其能量是负的电子带负电荷其能量是负的,E1,E1是的最大是的最大)，价带，价带中的电子受到外界能源，例如光或热的激发，可以吸收一定的能量而脱离原中的电子受到外界能源，例如光或热的激发，可以吸收一定的能量而脱离原子核的束缚而自由移动，亦即从价带跃迁到导电带，简称子核的束缚而自由移动，亦即从价带跃迁到导电带，简称导带导带。导带中的电。导带中的电子在外加电场的作用下移动形成电流。子在外加电场的作用下移动形成电流。导带的最小能级用导带的最小能级用E2E2或或E E表示，价带的最高
41、能级用表示，价带的最高能级用E1E1或或E E表示表示.电子不能具有电子不能具有E1E1到到E2E2之间的能级。此区域代表的能带称为禁带。（之间的能级。此区域代表的能带称为禁带。（受刺激大了，吸收的能受刺激大了，吸收的能量多了才有可能从价带到导带量多了才有可能从价带到导带）禁带的能量用禁带的能量用E EF F表示，因此，要使电子从价带跃迁到导带必须吸收等于表示，因此，要使电子从价带跃迁到导带必须吸收等于E EF F的能量。的能量。在在稳稳定定状状态态下下，能能级级较较低低的的电电子子有有一一定定的的概概率率跃跃迁迁到到较较高高的的能能级级。能能级级较较高高的的电电子子也也有有一一定定的的概概率
42、率跃跃迁迁到到较较低低的的能能级级。在在某某个个能能级级之之下下，被被电电子子占占据据的的概率大于概率大于1/21/2，此能级称为，此能级称为“费米能级费米能级”E Ef f如图中（如图中（c c）中虚线所示。）中虚线所示。40受激吸收和自发辐射当低能级当低能级E E1 1上的一个电子受到一个具有上的一个电子受到一个具有 能能量量e=Ee=E1 1-E-E2 2的光子照射时，可能吸收此能量的光子照射时，可能吸收此能量而跃迁到高能级而跃迁到高能级E E2 2上去。这个过程称为光的上去。这个过程称为光的受激吸收。光的受激吸收有一定的概率。受激吸收。光的受激吸收有一定的概率。同时与温度和照射光的频率
43、等因素有关。同时与温度和照射光的频率等因素有关。电子总是力图占据较低的能级（电子总是力图占据较低的能级（越低越稳越低越稳定定），因而在高能级），因而在高能级E2E2上的电子是不稳定上的电子是不稳定的，总是力图向低能级的，总是力图向低能级E1E1跃迁。这种跃迁跃迁。这种跃迁是自发的（非受激的）。电子在自发跃迁是自发的（非受激的）。电子在自发跃迁时以光的形式释放出其多余的能量时以光的形式释放出其多余的能量E2-E1E2-E1，称为自发辐射。自发幅射也有一定的概率。称为自发辐射。自发幅射也有一定的概率。41受激辐射除了自发跃迁外，处于高能级除了自发跃迁外，处于高能级E2E2上的电子受到光子照射时，上
44、的电子受到光子照射时，也可以从也可以从E2E2跃迁到低能跃迁到低能 级级E1E1，同时辐射出频率为，同时辐射出频率为f12f12的光的光子。这种辐射称为受激辐射。受激辐射也有一定的概率。子。这种辐射称为受激辐射。受激辐射也有一定的概率。受激辐射与自发辐射不同之处在于：自发辐射是电子独立受激辐射与自发辐射不同之处在于：自发辐射是电子独立的从高能级的从高能级E2E2向低能级向低能级E1E1跃迁时辐射的光。各电子自发辐跃迁时辐射的光。各电子自发辐射发出的光虽然频率相同，但彼此无关，可以有不同的相射发出的光虽然频率相同，但彼此无关，可以有不同的相位，并且可向所有方向传播。而受激辐射的光子和激励源位，并
45、且可向所有方向传播。而受激辐射的光子和激励源的光子不仅频率相同，而且相位和传播方向也相同，亦即的光子不仅频率相同，而且相位和传播方向也相同，亦即受激辐射的光是一种和入射光相干的光。受激辐射的光是一种和入射光相干的光。在受激辐射过程中，如果激励源光子的频率在受激辐射过程中，如果激励源光子的频率 f f与正好满足与正好满足 hf=E2-E1 hf=E2-E1 则处于高能级则处于高能级E2E2电子发生受激辐射，由电子发生受激辐射，由E2E2跃迁跃迁到到E1E1，又激励，又激励E1E1上的电子发生受激吸收，由上的电子发生受激吸收，由E1E1跃迁到跃迁到E2E2。亦即受激吸收和受激辐射两个过程同时发生，
46、而且发生的亦即受激吸收和受激辐射两个过程同时发生，而且发生的概率相同。概率相同。42光的放大对于一般的物质，在热平衡状态下处于低对于一般的物质，在热平衡状态下处于低能级能级E1E1的电子数的电子数N1N1总是大于处于高能级总是大于处于高能级E2E2的电子数的电子数N2N2，因而受激吸收占主导地位，因而受激吸收占主导地位，称为吸收媒质。光经过吸收媒质时，其能称为吸收媒质。光经过吸收媒质时，其能量逐渐被吸收而光强减弱。量逐渐被吸收而光强减弱。在一定的条件下，可使某些物质的高能级在一定的条件下，可使某些物质的高能级E2E2上的电子数上的电子数N2N2大于低能级大于低能级E1E1上的电子数上的电子数N
47、1N1。在这种情况下，光的受激辐射将占主。在这种情况下，光的受激辐射将占主导地位。在一个光子的激发下可使导地位。在一个光子的激发下可使E2E2上的上的一个电子受激辐射，产生另一个与入射光一个电子受激辐射，产生另一个与入射光子的频率、相位、传播方向完全相同的光子的频率、相位、传播方向完全相同的光子。一个光子变成两个光子。亦即光被放子。一个光子变成两个光子。亦即光被放大。如果大。如果E2E2的电子数能从外界能源不断供的电子数能从外界能源不断供给，则这种放大可继续维持下去。产生光给，则这种放大可继续维持下去。产生光放大的条件是使高能级上的电子数放大的条件是使高能级上的电子数N2N2大于大于低能级上的
48、电子数低能级上的电子数N1N1，这称为电子数的反，这称为电子数的反转分布。转分布。43光的谐振与电子学中的振荡器一样，如果将被放大与电子学中的振荡器一样，如果将被放大光的一部分作为正反馈来进行进一步放大，光的一部分作为正反馈来进行进一步放大，则可产生光的振荡。图则可产生光的振荡。图1313为光振荡器示意图，为光振荡器示意图，是由光的放大媒质与两个反射镜构成。后是由光的放大媒质与两个反射镜构成。后面的反射镜对光进行全部反射，反射率为面的反射镜对光进行全部反射，反射率为100%100%。前面的反射镜有一小孔，可使被放。前面的反射镜有一小孔，可使被放大光的一部分通过小孔射出，形成激光光大光的一部分通
49、过小孔射出，形成激光光束。其余被反射回去的部分光因而产生光束。其余被反射回去的部分光因而产生光的振荡。从图中可看出能够被放大和产生的振荡。从图中可看出能够被放大和产生振荡的光只能是与谐振腔轴线平行的光。振荡的光只能是与谐振腔轴线平行的光。不平行的光将穿过谐振腔两侧面而逸出。不平行的光将穿过谐振腔两侧面而逸出。因此经过放大和振荡而输出的激光具有很因此经过放大和振荡而输出的激光具有很强的方向性，能量非常集中，强的方向性，能量非常集中，这是激光最这是激光最大的特点。大的特点。44半导体激光器在在N N型半导体中，多数载流子型半导体中，多数载流子电子电子的数目极多；而在的数目极多；而在P P型半导体中
50、，多型半导体中，多数载流子数载流子空穴空穴的数目极多。当将这两种不同的半导体结合在一起时，的数目极多。当将这两种不同的半导体结合在一起时，N N型半导体中的电子向型半导体中的电子向P P型半导体中扩散，型半导体中扩散，P P型半导体中的空穴向型半导体中的空穴向N N 型型半导体中扩散，因而在两种半导体结合处形成半导体中扩散，因而在两种半导体结合处形成 了一个只有空间电荷了一个只有空间电荷没有自由电荷的区域，叫做没有自由电荷的区域，叫做P-NP-N结结，两种空间电荷之间出现一个静电，两种空间电荷之间出现一个静电场，称为场，称为自建电场。自建电场。自建电场阻止了电子和空穴的进一步扩散，而达自建电场