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1、资料编码码产品名称称使用对象象产品版本本编写部门门资料版本本原理专题题拟制：日期：审核：日期：审核：日期：批准：日期：华为技术术有限公司x所有xx必究修 订订 记记 录录日期修订版本本作者描述目录关键词： 光纤纤 光源 光放放大 复用和和解复用用 光光监控信信道 摘要：本课程主主要介绍绍了波分分复用技技术的基基础知识识，并对对的主要要关键技技术、光光传输技技术规范范进行了了讲解。通过本本课程，您您可以对对知识以以及光传传输网络络的发展展方向，有有一个较较全面的的了解。缩略语清清单：无。参考资料料清单：（1）光光纤通信信基础（2）密密集波分分复用技技术导论论（3）传输系统原理与测试（4）高高速光
2、纤纤通信规规范与系系统设计计（5）城城域光网网络（6）052401 光监控信道及其在系统中的应用 1.0（7）光光纤与光光器件专专题（8）光光放大器器专题 原理专专题1 内容说明明1.1 内容介绍绍本文主要要介绍了了波分复复用技术术的基础础知识，并并对的主主要关键键技术、光传输输技术规规范进行行了讲解解。通过过本课程程，您可可以对知知识以及及光传输输网络的的发展方方向，有有一个较较全面的的了解。1.2 内容结构构内容分为为四章：第一章波波分复用用技术概概述这一章内内容告诉诉你什么么是波分分复用技技术，如如何发展展而来，的工作方式和组成形式以及的特点。通过本章的学习，可以使我们对于光传输网络前沿
3、技术有一个基本的了解。第二章 传输媒媒质这一章主主要介绍绍光纤的的结构、种类和和特性。通过这这一章的的学习使使我们对对于G.6522、G.6533、G.6544、G.6555光纤有有一个基基本的认认识，同同时对于于色散、非线性性等概念念有一个个基本的的了解。第三章的的关键技技术如果要把把这种新新型技术术转化为为商品，在在硬件上上如何实实现呢？带着这这个疑问问从本节节内容中中可以了了解到的的关键技技术以及及实现方方法，包包括光源源、光放放大和波波分复用用器件等等内容。第四章光光传输系系统的技技术规范范本章内容容主要介介绍了对对于系统统的一些些建议以以及规范范，使我我们对于于在系统统中涉及及的到的
4、的一些知知识有一一个基本本的了解解。2 波分复用用技术概概述& 目标：掌握的基基本概念念。掌握的基基本原理理、传输输方式以以及的组成。了解的产产生背景景、技术术特点。2.1 波分复用用光传输输技术2.1.1 波分复用用的基本本概念光通信系系统可以以按照不不同的方方式进行行分类。如果按按照信号号的复用用方式来来进行分分类，可可分为频频分复用用系统（ ）、时分复用系统（）、波分复用系统（）和空分复用系统（）。所谓频分、时分、波分和空分复用，是指按频率、时间、波长和空间来进行分割的光通信系统。应当说，频率和波长是紧密相关的，频分也即波分，但在光通信系统中，由于波分复用系统分离波长是采用光学分光元件，
5、它不同于一般电通信中采用的滤波器，所以我们仍将两者分成两个不同的系统。波分复用用是光纤纤通信中中的一种种传输技技术，它它利用了了一根光光纤可以以同时传传输多个个不同波波长的光光载波的的特点，把把光纤可可能应用用的波长长范围划划分成若若干个波波段，每每个波段段作一个个独立的的通道传传输一种种预定波波长的光光信号。光波分分复用的的实质是是在光纤纤上进行行光频分分复用（），只是因为光波通常采用波长而不用频率来描述、监测与控制。随着电-光技术的向前发展，在同一光纤中波长的密度会变得很高。因而，使用术语密集波分复用（），与此对照，还有波长密度较低的系统，较低密度的就称为稀疏波分复用（）。这里可以以将一根
6、根光纤看看作是一一个“多车道道”的公用用道路，传传统的系系统只不不过利用用了这条条道路的的一条车车道，提提高比特特率相当当于在该该车道上上加快行行驶速度度来增加加单位时时间内的的运输量量。而使使用技术术，类似似利用公公用道路路上尚未未使用的的车道，以以获取光光纤中未未开发的的巨大传传输能力力。2.1.2 技术的发发展背景景随着科学学技术的的迅猛发发展，通通信领域域的信息息传送量量正以一一种加速速度的形形式膨胀胀。信息息时代要要求越来来越大容容量的传传输网络络。近几几年来，世世界上的的运营公公司及设设备制造造厂家把把目光更更多地转转向了技技术，并并对其投投以越来来越多的的关注，增增加光纤纤网络的
7、的容量及及灵活性性，提高高传输速速率和扩扩容的手手段可以以有多种种，下面面对几种种扩容方方式进行行比较。n 空分复用用（）空分复用用是靠增增加光纤纤数量的的方式线线性增加加传输的的容量，传传输设备备也线性性增加。在光缆制制造技术术已经非非常成熟熟的今天天，几十十芯的带带状光缆缆已经比比较普遍遍，而且且先进的的光纤接接续技术术也使光光缆施工工变得简简单，但但光纤数数量的增增加无疑疑仍然给给施工以以及将来来线路的的维护带带来了诸诸多不便便，并且且对于已已有的光光缆线路路，如果果没有足足够的光光纤数量量，通过过重新敷敷设光缆缆来扩容容，工程程费用将将会成倍倍增长。而且，这这种方式式并没有有充分利利用
8、光纤纤的传输输带宽，造造成光纤纤带宽资资源的浪浪费。作作为通信信网络的的建设，不不可能总总是采用用敷设新新光纤的的方式来来扩容，事事实上，在在工程之之初也很很难预测测日益增增长的业业务需要要和规划划应该敷敷设的光光纤数。因此，空空分复用用的扩容容方式是是十分受受限。n 时分复用用（）时分复用用也是一一项比较较常用的的扩容方方式，从从传统的的一次群群至四次次群的复复用，到到如今的的1、4、16乃至至64的复复用。通通过时分分复用技技术可以以成倍地地提高光光传输信信息的容容量，极极大地降降低了每每条电路路在设备备和线路路方面投投入的成成本，并并且采用用这种复复用方式式可以很很容易在在数据流流中抽取
9、取某些特特定的数数字信号号，尤其其适合在在需要采采取自愈愈环保护护策略的的网络中中使用。但时分复复用的扩扩容方式式有两个个缺陷：第一是是影响业业务，即即在“全盘”升级至至更高的的速率等等级时，网网络接口口及其设设备需要要完全更更换，所所以在升升级的过过程中，不不得不中中断正在在运行的的设备；第二是是速率的的升级缺缺乏灵活活性，以以设备为为例，当当一个线线路速率率为一五五5的系系统被要要求提供供两个一一五5的的通道时时，就只只能将系系统升级级到6222，即即使有两两个一五五5将被被闲置，也也没有办办法。对于更高高速率的的时分复复用设备备，目前前成本还还较高，并并且400的设备已已经达到到电子器器
10、件的速速率极限限，即使使是100的速率率,在不同同类型光光纤中的的非线性性效应也也会对传传输产生生各种限限制。现在，时时分复用用技术是是一种被被普遍采采用的扩扩容方式式，它可可以通过过不断地地进行系系统速率率升级实实现扩容容的目的的，但当当达到一一定的速速率等级级时，会会由于器器件和线线路等各各方面特特性的限限制而不不得不寻寻找另外外的解决决办法。不管是采采用空分分复用还还是时分分复用的的扩容方方式，基基本的传传输网络络均采用用传统的的或技术，即即采用单单一波长长的光信信号传输输，这种种传输方方式是对对光纤容容量的一一种极大大浪费，因因为光纤纤的带宽宽相对于于目前我我们利用用的单波波长信道道来
11、讲几几乎是无无限的。我们一一方面在在为网络络的拥挤挤不堪而而忧心忡忡忡，另另一方面面却让大大量的网网络资源源白白浪浪费。n 波分复用用（）波分复用用是利用用单模光光纤低损损耗区的的巨大带带宽，将将不同速速率（波波长）的的光混合合在一起起进行传传输，这这些不同同波长的的光信号号所承载载的数字字信号可可以是相相同速率率、相同同数据格格式，也也可以是是不同速速率、不不同数据据格式。可以通通过增加加新的波波长特性性，按用用户的要要求确定定网络容容量。对对于2.5以下下的速率率的,目目前的技技术可以以完全克克服由于于光纤的的色散和和光纤非非线性效效应带来来的限制制，满足足对传输输容量和和传输距距离的各各
12、种需求求。扩容容方案的的缺点是是需要较较多的光光纤器件件，增加加失效和和故障的的概率。n 和技术合合用利用和两两种技术术的优点点进行网网络扩容容是应用用的方向向。可以以根据不不同的光光纤类型型选择的的最高传传输速率率，在这这个基础础上再根根据传输输容量的的大小选选择复用用的光信信道数，在在可能情情况下使使用最多多的光载载波。毫毫无疑问问，多信信道永远远比单信信道的传传输容量量大，更更经济。2.2 原理概述述技术是利利用单模模光纤的的带宽以以及低损损耗的特特性，采采用多个个波长作作为载波波，允许许各载波波信道在在光纤内内同时传传输。与与通用的的单信道道系统相相比，密密集（）不仅仅极大地地提高了了
13、网络系系统的通通信容量量，充分分利用了了光纤的的带宽，而而且它具具有扩容容简单和和性能可可靠等诸诸多优点点，特别别是它可可以直接接接入多多种业务务更使得得它的应应用前景景十分光光明。在模拟载载波通信信系统中中，为了了充分利利用电缆缆的带宽宽资源，提提高系统统的传输输容量，通通常利用用频分复复用的方方法。即即在同一一根电缆缆中同时时传输若若干个频频率不同同的信号号，接收收端根据据各载波波频率的的不同利利用带通通滤波器器滤出每每一个信信道的信信号。同样，在在光纤通通信系统统中也可可以采用用光的频频分复用用的方法法来提高高系统的的传输容容量。事事实上，这这样的复复用方法法在光纤纤通信系系统中是是非常
14、有有效的。与模拟拟的载波波通信系系统中的的频分复复用不同同的是，在在光纤通通信系统统中是用用光波作作为信号号的载波波，根据据每一个个信道光光波的频频率（或或波长）不不同将光光纤的低低损耗窗窗口划分分成若干干个信道道，从而而在一根根光纤中中实现多多路光信信号的复复用传输输。由于目前前一些光光器件（如如带宽很很窄的滤滤光器、相干光光源等）还还不很成成熟，因因此，要要实现光光信道非非常密集集的光频频分复用用（相干干光通信信技术）是是很困难难的，但但基于目目前的器器件水平平，已可可以实现现相隔光光信道的的频分复复用。人人们通常常把光信信道间隔隔较大（甚甚至在光光纤不同同窗口上上）的复复用称为为光波分分
15、复用（），再把在同一窗口中信道间隔较小的称为密集波分复用（）。随着科技的进步，现代的技术已经能够实现波长间隔为纳米级的复用，甚至可以实现波长间隔为零点几个纳米级的复用，只是在器件的技术要求上更加严格而已，因此把波长间隔较小的16个波、40个波、80乃至更多个波长的复用称为。系统的构构成及光光谱示意意图如图图1-11所示。发送端端的光发发射机发发出波长长不同而而精度和和稳定度度满足一一定要求求的光信信号，经经过光波波长复用用器复用用在一起起送入掺掺铒光纤纤功率放放大器（掺掺铒光纤纤放大器器主要用用来弥补补合波器器引起的的功率损损失和提提高光信信号的发发送功率率），再再将放大大后的多多路光信信号送
16、入入光纤传传输，中中间可以以根据情情况决定定有或没没有光线线路放大大器，到到达接收收端经光光前置放放大器（主主要用于于提高接接收灵敏敏度，以以便延长长传输距距离）放放大以后后，送入入光波长长分波器器分解出出原来的的各路光光信号。图1-1 系统的构构成及频频谱示意意图2.3 设备的传传输方式式2.3.1 单向如图1-2所示示，单向向波分复复用系统统采用两两根光纤纤，一根根光纤只只完成一一个方向向光信号号的传输输，反向向光信号号的传输输由另一一根光纤纤来完成成。图1-2 的单向传传输方式式这种系统统可以充充分利用用光纤的的巨大带带宽资源源，使一一根光纤纤的传输输容量扩扩大几倍倍至几十十倍。在在长途
17、网网中，可可以根据据实际业业务量的的需要逐逐步增加加波长来来实现扩扩容，十十分灵活活。在不不清楚实实际光缆缆色散的的前提下下，也是是一种暂暂时避免免采用超超高速光光系统而而利用多多个2.5系统统实现超超大量传传输的手手段。2.3.2 双向如图1-3所示示，双向向波分复复用系统统则只用用一根光光纤，在在一根光光纤中实实现两个个方向光光信号的的同时传传输，两两个方向向光信号号应安排排在不同同波长上上。单纤双向向传输方方式允许许单根光光纤携带带全双工工通路，通通常可以以比单向向传输节节约一半半的光纤纤器件，由由于两个个方向传传输的信信号不交交互产生生（四波波混频）产产物，因因此其总总的产物物比双纤纤
18、单向传传输少很很多，但但缺点是是该系统统需要采采用特殊殊的措施施来对付付光反射射（包括括由于光光接头引引起的离离散反射射和光纤纤本身的的瑞利后后向反射射），以以防多径径干扰；当需要要将光信信号放大大以延长长传输距距离时，必必须采用用双向光光纤放大大器以及及光环形形器等元元件，但但其噪声声系数稍稍差。图1-3 的双向传传输方式式建议G.6922文件对对于单纤纤双向和和双纤单单向传输输方式的的优劣并并未给出出明确的的看法。实用的的系统大大都采用用双纤单单向传输输方式。2.4 开放式与与集成式式系统通常有两两种应用用形式：n 开放式n 集成式开放式系系统的特特点是对对复用终终端光接接口没有有特别的的
19、要求，只只要求这这些接口口符合建建议的光光接口标标准。系系统采用用波长转转换技术术，将复复用终端端的光信信号转换换成指定定的波长长，不同同终端设设备的光光信号转转换成不不同的符符合建议议的波长长，然后后进行合合波。集成式系系统没有有采用波波长转换换技术，它它要求复复用终端端的光信信号的波波长符合合系统的的规范，不不同的复复用终端端设备发发送不同同的符合合建议的的波长，这这样他们们在接入入合波器器时就能能占据不不同的通通道，从从而完成成合波。根据工程程的需要要可以选选用不同同的应用用形式。在实际际应用中中，开放放式和集集成式可可以混合合使用。2.5 系统组成成N路波长长复用的的系统的的总体结结构
20、主要要由发送送和接收收光复用用终端（）单元与中继线路放大（）单元三部分组成，如果按组成模块来分有：l 光波长转转换单元元（）；l 波分复用用器：分分波/合合波器（）；l 光放大器器（）；l 光监控信信道/通通路（）；光波长转转换单元元（）将将非标准准的波长长转换为为所规范范的标准准波长，系系统中应应用光/电/光光（）的的变换，即即先用光光电二极极管或把接收收到的光光信号转转换为电电信号，然然后该电电信号对对标准波波长的激激光器进进行调制制，从而而得到新新的合乎乎要求的的光波长长信号。波分复用用器可分分为发端端的光合合波器。光合波波器用于于传输系系统的发发送端，是是一种具具有多个个输入端端口和一
21、一个输出出端口的的器件，它它的每一一个输入入端口输输入一个个预选波波长的光光信号，输输入的不不同波长长的光波波由同一一输出端端口输出出。光分分波器用用于传输输系统的的接收端端，正好好与光合合波器相相反，它它具有一一个输入入端口和和多个输输出端口口，将多多个不同同波长信信号分类类开来。光放大器器不但可可以对光光信号进进行直接接放大，同同时还具具有实时时、高增增益、宽宽带、在在线、低低噪声、低损耗耗的全光光放大器器，是新新一代光光纤通信信系统中中必不可可少的关关键器件件。在目目前实用用的光纤纤放大器器中主要要有掺铒铒光纤放放大器（）、半导体光放大器（）和光纤拉曼放大器（）等，其中掺铒光纤放大器以其
22、优越的性能被广泛应用于长距离、大容量、高速率的光纤通信系统中，作为前置放大器、线路放大器、功率放大器使用。光监控信信道是为为的光传传输系统统的监控控而设立立的。建建议优选选采用一一五100波长，容容量为22。靠低低速率下下高的接接收灵敏敏度（-48）仍仍能正常常工作。但必须须在之前前下光路路，而在在之后上上光路。2.6 的优势光纤的容容量是极极其巨大大的，而而传统的的光纤通通信系统统都是在在一根光光纤中传传输一路路光信号号，这样样的方法法实际上上只使用用了光纤纤丰富带带宽的很很少一部部分。为为了充分分利用光光纤的巨巨大带宽宽资源，增增加光纤纤的传输输容量，以以密集（）技术术为核心心的新一一代的
23、光光纤通信信技术已已经产生生。技术具有有如下特特点：n 超大容量量目前使用用的普通通光纤可可传输的的带宽是是很宽的的，但其其利用率率还很低低。使用用技术可可以使一一根光纤纤的传输输容量比比单波长长传输容容量增加加几倍、几十倍倍乃至几几百倍。现在商商用最高高容量光光纤传输输系统为为3.22系统，华华为公司司波分系系统可实实现1992x110或者者80xx40方方案结构构。n 对数据的的“透明”传输由于系统统按光波波长的不不同进行行复用和和解复用用，而与与信号的的速率和和电调制制方式无无关，即即对数据据是“透明”的。一一个系统统的业务务可以承承载多种种格式的的“业务”信号，如如、或者将将来有可可能
24、出现现的信号号。系统统完成的的是透明明传输，对对于“业务”层信号号来说，系统中的各个光波长通道就像“虚拟”的光纤一样。n 系统升级级时能最最大限度度地保护护已有投投资在网络扩扩充和发发展中，无无需对光光缆线路路进行改改造，只只需更换换光发射射机和光光接收机机即可实实现，是是理想的的扩容手手段，也也是引入入宽带业业务（例例如、和等）的的方便手手段，而而且利用用增加一一个波长长即可引引入任意意想要的的新业务务或新容容量。n 高度的组组网灵活活性、经经济性和和可靠性性利用技术术构成的的新型通通信网络络比用传传统的电电时分复复用技术术组成的的网络结结构要大大大简化化，而且且网络层层次分明明，各种种业务
25、的的调度只只需调整整相应光光信号的的波长即即可实现现。由于于网络结结构简化化、层次次分明以以及业务务调度方方便，由由此而带带来的网网络的灵灵活性、经济性性和可靠靠性是显显而易见见的。n 可兼容全全光交换换可以预见见，在未未来可望望实现的的全光网网络中，各各种电信信业务的的上/下、交交叉连接接等都是是在光上上通过对对光信号号波长的的改变和和调整来来实现的的。因此此，技术术将是实实现全光光网的关关键技术术之一，而而且系统统能与未未来的全全光网兼兼容，将将来可能能会在已已经建成成的系统统的基础础上实现现透明的的、具有有高度生生存性的的全光网网络。2.7 简介（密集波波分复用用）无疑疑是当今今光纤应应
26、用领域域的首选选技术，但但其也存存在着价价格比较较昂贵的的一面。有没有有可能以以较低的的成本享享用波分分复用技技术呢？面对这这一需求求，(稀稀疏波分分复用)应运而而生。稀疏波分分复用，顾顾名思义义，是密密集波分分复用的的近亲，它它们的区区别有两两点：（11）载波波通道间间距较宽宽，因此此一根光光纤上只只能复用用2到116个左左右波长长的光波波，“稀疏”与“密集”称谓的的差别就就由此而而来；（22）调制制激光采采用非冷冷却激光光，而采采用的是是冷却激激光，它它需要冷冷却技术术来稳定定波长，实实现起来来难度很很大，成成本也很很高。避避开了这这一难点点，系统统采用的的激光器器不需要要冷却，因因而大幅
27、幅降低了了成本，整整个系统统成本只只有的330%。随着越越来越多多的城域域网运营营商开始始寻求更更合理的的传输解解决方案案，越来来越广泛泛地被业业界接受受。在同一根根光纤中中传输的的不同波波长之间间的间距距是区分分和的主要要参数。目前的的稀疏波波分复用用系统一一般工作作在从112600到16620波波段，间间隔为220，可可复用116个波波长通道道，其中中14000波段段由于损损耗较大大，一般般不用。相对于密密集波分分复用系系统，稀稀疏波分分复用系系统在提提供一定定数量的的波长和和1000公里以以内的传传输距离离的同时时，大大大降低了了系统的的成本，并并具有非非常强的的灵活性性。因此此稀疏波波
28、分复用用系统主主要应用用于城域域网中。用很低低的成本本提供了了很高的的接入带带宽，适适用于点点对点、以太网网、环等等各种流流行的网网络结构构，特别别适合短短距离、高带宽宽、接入入点密集集的通信信场合，如如大楼内内或大楼楼之间的的网络通通信。但是，是是成本与与性能折折衷的产产物，不不可避免免地存在在一些性性能上的的局限。业内专专家指出出，目前前主要存存在以下下三点不不足：（11）在单单根光纤纤上支持持的复用用波长个个数较少少，导致致日后扩扩容成本本较高；（2）复复用器、复用调调制器等等设备的的成本还还应进一一步降低低，这些些设备不不能只是是相应设设备的简简单改型型；（33）还未未形成标标准。综上
29、所述述，波分分复用系系统从220世纪纪90年年代中期期开始，受受市场需需要和技技术发展展的驱动动，在国国内外都都呈现出出了飞速速发展的的态式，主主要应用用于长途途传输网网的密集集波分复复用系统统和应用用于城域域网以及及以太网网的稀疏疏波分复复用系统统都有了了很大的的突破并并得到了了大量的的商用，同同时，系系统的发发展主要要取决于于关键技技术的突突破和相相关标准准的制定定，过去去数年的的发展都都证明了了这一点点。2.8 思考题什么是、以及？简述设备备的两种种传输方方式？什么是开开放式与与集成式式系统？简述系统统的组成成？3 传输媒质质&目标：掌握光纤纤的基本本结构和和种类。了解光纤纤的基本本特性
30、。3.1 光纤的结结构通信中使使用的光光纤，其其核心部部分是由由圆柱形形玻璃纤纤芯和玻玻璃包层层构成，最最外层是是一种弹弹性耐磨磨的塑料料护套，整整根光纤纤呈圆柱柱形。光光纤的典典型结构构如图11-4所所示。图1-4 光纤的典典型结构构图1-5 三种典型型光纤纤芯的粗粗细、材材料和包包层材料料的折射射率，对对光纤的的特性起起着决定定性的影影响。图图1-55所示为为三种典典型光纤纤的情况况。从图图中可看看出，纤纤芯和包包层横截截面上，折折射率剖剖面有两两种典型型的分布布。一种种是纤芯芯和包层层折射率率沿光纤纤径向分分布都是是均匀的的，而在在纤芯和和包层的的交界面面上，折折射率呈呈阶梯形形突变，这
31、这种光纤纤称为阶阶跃折射射率光纤纤。另一一种是，纤纤芯的折折射率不不是均匀匀常数，而而是随纤纤芯径向向坐标增增加而逐逐渐减少少，一直直渐变到到等于包包层折射射率值，因因而将这这种光纤纤称为渐渐变折射射率光纤纤。这两两种光纤纤剖面的的共同特特点是：纤芯的的折射率率n1大于于包层折折射率nn2，这这也是光光信号在在光纤中中传输的的必要条条件。对对阶跃折折射率光光纤而言言，它可可以使光光波在纤纤芯和包包层的交交界面形形成全反反射，引引导光波波沿纤芯芯向前传传播；对对于渐变变折射率率光纤而而言，它它可以使使光波在在纤芯中中产生连连续折射射，形成成穿过光光纤轴线线的类似似于正弦弦波的光光射线，引引导光波
32、波沿纤芯芯向前传传播，两两种光射射线轨迹迹如图11-5所所示。3.2 光纤的模模式3.2.1 传播模式式概念光是一种种频率极极高的电电磁波，根根据波动动光学和和电磁场场理论，通通过繁琐琐地求解解麦克斯斯韦方程程组之后后就会发发现：当当光在光光纤中传传播时，如如果光纤纤纤芯的的几何尺尺寸远大大于光波波波长时时，光在在光纤中中会以几几十种乃乃至几百百种传播播模式进进行传播播。事实上，光光在光纤纤中只能能以一组组独立的的光线传传播。换换句话说说，如果果我们能能够看到到光纤的的内部的的话，我我们会发发现一组组光束以以不同的的角度传传播，传传播的角角度从零零到临界界角c，传播的的角度大大于临界界角c的光
33、线线穿过纤纤芯进入入包层（不不满足全全反射的的条件），最最终能量量被涂敷敷层吸收收，见图图1-66。这些些不同的的光束称称为模式式。通俗俗的讲，模模式的传传播角度度越小，模模式的级级越低。所以，严严格按光光纤中心心轴传播播的模式式称为零零级模式式，或基基模；其其它与光光纤中心心轴成一一定角度度传播的的光束皆皆称为高高次模。图1-6 光在阶跃跃折射率率光纤中中的传播播3.2.2 多模光纤纤随着纤芯芯直径的的粗细不不同，光光纤中传传输模式式的数量量多少也也不同。因此，阶阶跃折射射率光纤纤或渐变变折射率率光纤又又都可以以按照传传输模式式的数量量多少，分分为单模模光纤和和多模光光纤。图1-7 光在阶跃
34、跃折射率率多模光光纤中的的传播当光纤的的几何尺尺寸（主主要是芯芯径d1）远远大于光光波波长长时（约约1微米），光光纤传输输的过程程中会存存在着几几十种乃乃至几百百种传播播模式。这样的的光纤称称为多模模光纤。光在阶阶跃折射射率多模模光纤中中的传播播轨迹如如图1-9所示示，光在在渐变折折射率多多模光纤纤中的传传播轨迹迹如图11-8所所示。图1-8 光在渐变变折射率率多模光光纤中的的传播由于不同同的传播播模式具具有不同同的传播播速度与与相位，因因此经过过长距离离传输之之后会产产生时延延差，导导致光脉脉冲变宽宽，这种种现象称称为模式式色散。模式色色散会使使多模光光纤的带带宽变窄窄，降低低了其传传输容量
35、量，因此此多模光光纤仅适适用于低低速率、短距离离的光纤纤通信。3.2.3 单模光纤纤当光纤的的几何尺尺寸(主要是是芯径dd1)较小，与与光波长长在同一一数量级级，如芯芯径d1在510微米米范围，这这时，光光纤只允允许一种种模式(基模)在其中中传播，其其余的高高次模全全部截止止，这样样的光纤纤称为单单模光纤纤。光在在单模光光纤中的的传播轨轨迹，简简单地讲讲是以平平行于光光纤中心心轴线的的形式以以直线方方式传播播，如图图1-99所示。图1-9 光在单模模光纤中中的传播播轨迹因为光在在单模光光纤中仅仅以一种种模式（基基模）进进行传播播，其余余的高次次模全部部截止，从从而避免免了模式式色散的的问题，故
36、故单模光光纤特别别适用于于大容量量长距离离传输。3.3 模场直径径和有效效面积在光纤中中，光能能量不完完全集中中在纤芯芯中传输输，部分分能量在在包层中中传输，纤纤芯的直直径不能能反映光光纤中光光能量的的分布（如如图1-10），于于是提出出了模场场直径的的概念。模场直直径就是是描述单单模光纤纤中光能能集中程程度的参参量。有有效面积积与模场场直径的的物理意意义相同同。通过过模场直直径可以以利用圆圆面积公公式计算算出有效效面积。模场直径径与有效效面积主主要对通通过光纤纤的能量量密度有有关。模模场直径径越小，通通过光纤纤横截面面的能量量密度就就越大。当通过过光纤的的能量密密度过大大时，会会引起光光纤的
37、非非线性效效应，造造成系统统的光信信噪比降降低，大大大影响响系统性性能。因因此，对对于传输输光纤而而言，模模场直径径（或有有效面积积）越大大越好。图1-10 模场直径径3.4 光纤的种种类由于单模模光纤具具有内部部损耗低低、带宽宽大、易易于升级级扩容和和成本低低的优点点，国际际上已一一致认同同系统将将只使用用单模光光纤作为为传输媒媒质。目目前，已已经在GG.6552、G.6653、G.6654和和G.6655建建议中分分别定义义了4种不同同设计的的单模光光纤。其中G.6522光纤是是目前已已广泛使使用的单单模光纤纤，称为为一三110性能能最佳的的单模光光纤，又又称为色色散未移移位的光光纤。按按
38、纤芯折折射率剖剖面，又又可分为为匹配包包层光纤纤和下陷陷包层光光纤两类类，两者者的性能能十分相相近，前前者制造造简单，但但在一五五50波波长区的的宏弯损损耗和微微弯损耗耗稍大；而后者者连接损损耗稍大大。G.6553光纤纤称为色色散移位位光纤或或一五550性能能最佳光光纤。这这种光纤纤通过设设计光纤纤折射率率的剖面面，使零零色散点点移到一一五500窗口，从从而与光光纤的最最小衰减减窗口获获得匹配配，使超超高速超超长距离离光纤传传输成为为可能。G.6554光纤纤是截止止波长移移位的单单模光纤纤。这类类光纤的的设计重重点是降降低一五五50的的衰减，其其零色散散点仍然然在一三三10附附近，因因而一五五
39、50的的色散较较高，可可达一八八()，必须须配用单单纵模激激光器才才能消除除色散的的影响。G.6654光光纤主要要应用于于需要很很长再生生段距离离的海底底光纤通通信。G.6555光纤纤是非零零色散移移位单模模光纤，与与G.6653光光纤相近近，从而而使一五五50附附近保持持了一定定的色散散值，避避免在传传输时发发生四波波混频现现象，适适合于系系统应用用。除上述所所讲的四四种已正正式标准准化的光光纤外，还还有一种种适合于于更大容容量和更更长传输输距离的的大有效效面积光光纤也已已经问世世。其零零色散点点在一五五10左左右，但但有效面面积增大大到722平方 mm以上，因因而可以以更有效效地克服服非线
40、性性影响，最最适合以以10为基基础的系系统应用用。 想一想想：在我国，大大面积敷敷设的是是哪一种种光纤？3.5 光纤的基基本特性性3.5.1 光纤的损损耗光纤的衰衰减或损损耗是一一个非常常重要的的、对光光信号的的传播产产生制约约作用的的 特性性。光纤纤的损耗耗限制了了没有光光放大的的光信号号的传播播距离。光纤的的损耗主主要取决决于吸收收损耗、散射损损耗、弯弯曲损耗耗三种损损耗。3.5.1.1 吸收损耗耗光纤吸收收损耗是是制造光光纤的材材料本身身造成的的，包括括紫外吸吸收、红红外吸收收和杂质质吸收。n 红外和紫紫外吸收收损耗光纤材料料组成的的原子系系统中，一一些处于于低能的的电子会会吸收光光波能
41、量量而跃迁迁到高能能级状态态，这种种吸收的的中心波波长在紫紫外的00.166m处，吸吸收峰很很强，其其尾巴延延伸到光光纤通信信波段，在在短波长长区，吸吸收峰值值达1，在长长波长区区则小得得多，约约0.005。在红外波波段光纤纤基质材材料石英英玻璃的的键因振振动吸收收能量，这这种吸收收带损耗耗在9.1m、122.5m及21m处峰值值可达110以上上,因此构构成了石石英光纤纤工作波波长的上上限。红红外吸收收带的带带尾也向向光纤通通信波段段延伸。但影响响小于紫紫外吸收收带。在在=1.555m时，由由红外吸吸收引起起的损耗耗小于00.011。n 氢氧根离离子（）吸吸收损耗耗在石英光光纤中，键的基本谐振
42、波长为2.73m，与键的谐振波长相互影响，在光纤的传输频带内产生一系列的吸收峰，影响较大的是在1.39、1.24及0.95m波长上，在峰之间的低损耗区构成了光纤通信的三个传输窗口。目前，由于工艺的改进，降低了氢氧根离子（）浓度，这些吸收峰的影响已很小。n 金属离子子吸收损损耗光纤材料料中的金金属杂质质，如：金属离离子铁（3+）、铜（2+）、锰（3+）、镍（3+）、钴（3+）、铬（3+）等，它们的电子结构产生边带吸收峰（0.51.1m），造成损耗。现在由于工艺的改进，使这些杂质的含量低于10-9以下，因此它们的影响已很小。在光纤材材料中的的杂质如如氢氧根根离子（）、过渡金属离子（铜、铁、铬等）对
43、光的吸收能力极强，它们是产生光纤损耗的主要因素。因此要想获得低损耗光纤，必须对制造光纤用的原材料二氧化硅等进行十分严格的化学提纯，使其纯度达99.9999%以上。3.5.1.2 散射损耗耗由于材料料的不均均匀使光光散射而而引起的的损耗称称为瑞利利散射损损耗。瑞瑞利散射射损耗是是光纤材材料二氧氧化硅的的本征损损耗。它它是由材材料折射射指数小小尺度的的随机不不均匀性性所引起起的。在在光纤制制造过程程中，二二氧化硅硅材料处处于高温温熔融状状态，分分子进行行无规则则的热运运动。在在冷却时时，运动动逐渐停停息。当当凝成固固体时，这这种随机机的分子子位置就就在材料料中“冻结”下来，形形成物质质密度的的不均
44、匀匀，从而而引起折折射指数数分布不不均匀。这些不不均匀，像像在均匀匀材料中中加了许许多小颗颗粒，其其尺度很很小，远远小于波波长。当当光波通通过时，有有些光子子就要受受到它的的散射，从从而造成成了瑞利利散射损损耗，这这正像大大气中的的尘粒散散射了光光，使天天空变蓝蓝一样。瑞利散散射的大大小与光光波长的的四次方方成反比比。因此此对短波波长窗口口的影响响较大。另外，在在制造光光纤的过过程中，在在纤芯和和包层交交界面上上出现某某些缺陷陷、残留留一些气气泡和气气痕等。这些结结构上有有缺陷的的几何尺尺寸远大大于光波波，引起起与波长长无关的的散射损损耗，并并且将整整个光纤纤损耗增增加。3.5.1.3 弯曲损
45、耗耗光纤的弯弯曲会引引起辐射射损耗。实际中中，光纤纤可能出出现两种种情况的的弯曲：一种是是曲率半半径比光光纤直径径大得多多的弯曲曲。（例例如，在在敷设光光缆时可可能出现现这种弯弯曲）；一种是是微弯曲曲，产生生微弯曲曲的原因因很多，光光纤和光光缆的生生产过程程中，限限于工艺艺条件，都都可能产产生微弯弯曲。不不同曲率率半径的的微弯曲曲沿光纤纤随机分分布。大大曲率半半径的弯弯曲光纤纤比直光光纤中传传输的模模式数量量要少，有有一部分分模式辐辐射到光光纤外引引起损耗耗；随机机分布的的光纤微微弯曲，将将使光纤纤中产生生模式耦耦合，造造成能量量辐射损损耗。光光纤的弯弯曲损耗耗不可避避免，因因为不能能保证光光
46、纤和光光缆在生生产过程程中或是是在使用用过程中中，不产产生任何何形式的的弯曲。弯曲损耗耗与模场场直径有有关。GG.6552光纤纤在一五五50波波长区的的弯曲损损耗应不不大于11，G.6655光光纤在一一五500波长区区的弯曲曲损耗应应不大于于0.55。弯曲损耗耗对光纤纤衰减常常数的影影响不大大；决定定光纤衰衰减常数数的损耗耗主要是是吸收损损耗和散散射损耗耗。3.5.1.4 衰减系数数损耗是光光纤的主主要特性性之一，描描述光纤纤损耗的的主要参参数是衰衰减系数数。图1-11 光纤的特特性光纤的衰衰减系数数是指光光在单位位长度光光纤中传传输时的的衰耗量量，单位位一般用用。衰减减系数是是光纤最最重要的
47、的特性参参数之一一。因为为在很大大程度上上它决定定了光纤纤通信的的传输距距离。在在单模光光纤中有有两个低低损耗区区域，分分别在一一三100和一五五50附附近，也也就是我我们通常常说的一一三100窗口和和一五550窗口口，一五五50窗窗口又可可以分为为（一五五25一一五622）和（一一五65516110）。3.5.2 光纤的色色散光脉冲中中的不同同频率或或模式在在光纤中中的群速速度不同同，因而而这些频频率成分分和模式式到达光光纤终端端有先有有后，使使得光脉脉冲发生生展宽，这这就是光光纤的色色散。色色散一般般用时延延差来表表示，所所谓时延延差，是是指不同同频率的的信号成成分传输输同样的的距离所所需要的的时间之之差。图1-12 色散引起起的脉冲冲展宽示示意图光纤中的的色散可可分为模模式色散散、色度度色散、偏振模模色散。色度色色散、也也称为模