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1、资料编码产品名称使用对象产品版本编写部门资料版本原理专题拟制：日期：审核：日期：审核：日期：批准：日期：华为技术有有限公司x所有x必必究修 订 记 录日期修订版本作者描述目录关键词： 光纤 光光源 光放大大 复复用和解解复用 光监监控信道道 摘要：本课程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、光传输技术规范进行了讲解。通过本课程，您可以对知识以及光传输网络的发展方向，有一个较全面的了解。缩略语清单单：无。参考资料清清单：（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）传传输系统统原理与与测试（4）高高速光纤纤通信规规范与系系统设计计（5）城城域光网网
2、络（6）00524401 光监控控信道及及其在系系统中的的应用 1.00（7）光光纤与光光器件专专题（8）光光放大器器专题 原理专题题1 内容说明1.1 内容介绍本文主要介介绍了波波分复用用技术的的基础知知识，并并对的主主要关键键技术、光传输技术规范进行了讲解。通过本课程，您可以对知识以及光传输网络的发展方向，有一个较全面的了解。1.2 内容结构内容分为四四章：第一章波分分复用技技术概述述这一章内容容告诉你你什么是是波分复复用技术术，如何何发展而而来，的的工作方方式和组组成形式式以及的的特点。通通过本章章的学习习，可以以使我们们对于光光传输网网络前沿沿技术有一一个基本本的了解解。第二章 传传输
3、媒质质这一章主要要介绍光光纤的结结构、种种类和特特性。通通过这一一章的学学习使我我们对于于G.6652、GG.6553、GG.6554、GG.6555光纤纤有一个个基本的的认识，同同时对于于色散、非非线性等等概念有有一个基基本的了了解。第三章的关关键技术术如果要把这这种新型型技术转转化为商商品，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。第四章光传传输系统统的技术术规范本章内容主主要介绍绍了对于于系统的的一些建建议以及及规范，使使我们对对于在系系统中涉涉及的到到的一些些知识有有一个基基本
4、的了了解。2 波分复用技技术概述述& 目标：掌握的基本本概念。掌握的基本本原理、传传输方式式以及的的组成。了解的产生生背景、技技术特点点。2.1 波分复用光光传输技技术2.1.1 波分复用的的基本概概念光通信系统统可以按按照不同同的方式式进行分分类。如如果按照照信号的的复用方方式来进进行分类类，可分分为频分分复用系系统（ ）、时时分复用用系统（）、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，它不同于一般电通信中采
5、用的滤波器，所以我们仍将两者分成两个不同的系统。波分复用是是光纤通通信中的的一种传传输技术术，它利利用了一一根光纤纤可以同同时传输输多个不不同波长长的光载载波的特特点，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。光光波分复复用的实实质是在在光纤上上进行光光频分复复用（），只只是因为为光波通通常采用用波长而而不用频频率来描描述、监监测与控控制。随随着电-光技术术的向前前发展，在在同一光光纤中波波长的密密度会变变得很高高。因而而，使用用术语密密集波分分复用（），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
6、用（）。这里可以将将一根光光纤看作作是一个个“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 技术的发展展背景随着科学技技术的迅迅猛发展展，通信信领域的的信息传传送量正正以一种种加速度度的形式式膨胀。信信息时代代要求越越来越大大容量的的传输网网络。近近几年来来，世界界上的运运营公司司及设备备制造厂厂家把目目光更多多地转向向了技术术，并对对其投以以越来越越多的关关
7、注，增增加光纤纤网络的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（）空分复用是是靠增加加光纤数数量的方方式线性性增加传传输的容容量，传传输设备备也线性性增加。在光缆制造造技术已已经非常常成熟的的今天，几几十芯的的带状光光缆已经经比较普普遍，而而且先进进的光纤纤接续技技术也使使光缆施施工变得得简单，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。而而且，这这种方式
8、式并没有有充分利利用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（）时分复用也也是一项项比较常常用的扩扩容方式式，从传传统的一一次群至至四次群群的复用用，到如如今的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
9、在在数据流流中抽取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。但时分复用用的扩容容方式有有两个缺缺陷：第第一是影影响业务务，即在在“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。对于更高速速率的时时分复用用设备，目目前成本本还较高高，并且且40的设备已
10、已经达到到电子器器件的速速率极限限，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，时分分复用技技术是一一种被普普遍采用用的扩容容方式，它它可以通通过不断断地进行行系统速速率升级级实现扩扩容的目目的，但但当达到到一定的的速率等等级时，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。不管是采用用空分复复用还是是时分复复用的扩扩容方式式，基本本的传输输网络均均采用传传统的或或技术，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
11、单波波长信道道来讲几几乎是无无限的。我我们一方方面在为为网络的的拥挤不不堪而忧忧心忡忡忡，另一一方面却却让大量量的网络络资源白白白浪费费。n 波分复用（）波分复用是是利用单单模光纤纤低损耗耗区的巨巨大带宽宽，将不不同速率率（波长长）的光光混合在在一起进进行传输输，这些些不同波波长的光光信号所所承载的的数字信信号可以以是相同同速率、相相同数据据格式，也也可以是是不同速速率、不不同数据据格式。可可以通过过增加新新的波长长特性，按按用户的的要求确确定网络络容量。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
12、输距距离的各各种需求求。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 和技术合用用利用和两种种技术的的优点进进行网络络扩容是是应用的的方向。可可以根据据不同的的光纤类类型选择择的最高高传输速速率，在在这个基基础上再再根据传传输容量量的大小小选择复复用的光光信道数数，在可可能情况况下使用用最多的的光载波波。毫无无疑问，多多信道永永远比单单信道的的传输容容量大，更更经济。2.2 原理概述技术是利用用单模光光纤的带带宽以及及低损耗耗的特性性，采用用多个波波长作为为载波，允允许各载载波信道道在光纤纤内同时时传输。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
13、提高了了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。在模拟载波波通信系系统中，为为了充分分利用电电缆的带带宽资源源，提高高系统的的传输容容量，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，在光光纤通信信系统中中也可以以采用光光的频分分复用的的方法来来提高系系统的传传输容量量。事实实上，这这样的复复用方法法在光纤纤通信系系统中
14、是是非常有有效的。与与模拟的的载波通通信系统统中的频频分复用用不同的的是，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。由于目前一一些光器器件（如如带宽很很窄的滤滤光器、相相干光源源等）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
15、为为光波分分复用（），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。系统的构成成及光谱谱示意图图如图11-1所所示。发发送端的的光发射射机发出出波长不不同而精精度和稳稳定度满满足一定定要求的的光信号号，经过过光波长长复用器器复用在在一起送送入掺铒铒光纤功功率放大大器（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
16、多路光信信号送入入光纤传传输，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 系统的构成成及频谱谱示意图图2.3 设备的传输输方式2.3.1 单向如图1-22所示，单单向波分分复用系系统采用用两根光光纤，一一根光纤纤只完成成一个方方向光信信号的传传输，反反向光信信号的传传输由另另一根光光纤来完完成。图1-2 的单向传输输方式这种系统可可以充分分利用光光纤的巨巨大带宽宽资源，使使一根光光纤的传传输容量量扩大几几倍至几几十倍。
17、在在长途网网中，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1-33所示，双双向波分分复用系系统则只只用一根根光纤，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。单纤双向传传输方式式允许单单根光纤纤携带全全双工通通路，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
18、比双纤纤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 的双向传输输方式建议G.6692文文件对于于单纤双双向和双双纤单向向传输方方式的优优劣并未未给出明明确的看看法。实实用的系系统大都都采用双双纤单向向传输方方式。2.4 开放式与集集成式系系统通常有两种种应用形形式：n 开放式n 集成式开放式系统统的特点点是对复复用终端端光接口口没有
19、特特别的要要求，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。集成式系统统没有采采用波长长转换技技术，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。根据工程的的需要可可以选用用不同的的应用形形式。在在实际应应用中，开开放式和和集成式式可以混混合使用用。2.5 系统组成N路波长复复用的系系统的总
20、总体结构构主要由由发送和和接收光光复用终终端（）单单元与中中继线路路放大（）单元三部分组成，如果按组成模块来分有：l 光波长转换换单元（）；l 波分复用器器：分波波/合波波器（）；l 光放大器（）；l 光监控信道道/通路路（）；光波长转换换单元（）将非标准的波长转换为所规范的标准波长，系统中应用光/电/光（）的变换，即先用光电二极管或把接收到的光信号转换为电信号，然后该电信号对标准波长的激光器进行调制，从而得到新的合乎要求的光波长信号。波分复用器器可分为为发端的的光合波波器。光光合波器器用于传传输系统统的发送送端，是是一种具具有多个个输入端端口和一一个输出出端口的的器件，它它的每一一个输入入端
21、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。光放大器不不但可以以对光信信号进行行直接放放大，同同时还具具有实时时、高增增益、宽宽带、在在线、低低噪声、低低损耗的的全光放放大器，是是新一代代光纤通通信系统统中必不不可少的的关键器器件。在在目前实实用的光光纤放大大器中主主要有掺掺铒光纤纤放大器器（）、半半导体光光放大器器（）和和光纤拉拉曼放大大器（）等等，其中中掺铒光光纤放大大器以其其优越的的性能被被广泛应
22、应用于长长距离、大大容量、高高速率的的光纤通通信系统统中，作作为前置置放大器器、线路路放大器器、功率率放大器器使用。光监控信道道是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。但但必须在在之前下下光路，而而在之后后上光路路。2.6 的优势光纤的容量量是极其其巨大的的，而传传统的光光纤通信信系统都都是在一一根光纤纤中传输输一路光光信号，这这样的方方法实际际上只使使用了光光纤丰富富带宽的的很少一一部分。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
23、一一代的光光纤通信信技术已已经产生生。技术具有如如下特点点：n 超大容量目前使用的的普通光光纤可传传输的带带宽是很很宽的，但但其利用用率还很很低。使使用技术术可以使使一根光光纤的传传输容量量比单波波长传输输容量增增加几倍倍、几十十倍乃至至几百倍倍。现在在商用最最高容量量光纤传传输系统统为3.2系统统，华为为公司波波分系统统可实现现1922x100或者880x440方案案结构。n 对数据的“透明”传输由于系统按按光波长长的不同同进行复复用和解解复用，而而与信号号的速率率和电调调制方式式无关，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
24、能出现现的信号号。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 系统升级时时能最大大限度地地保护已已有投资资在网络扩充充和发展展中，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 高度的组网网灵活性性、经济济性和可可靠性利用技术构构成的新新型通信信网络比比用传统统的电时时分复用用技术组组成的网网络结构构要大大大简化，而而且网络络层次分分明，各各种业务务
25、的调度度只需调调整相应应光信号号的波长长即可实实现。由由于网络络结构简简化、层层次分明明以及业业务调度度方便，由由此而带带来的网网络的灵灵活性、经经济性和和可靠性性是显而而易见的的。n 可兼容全光光交换可以预见，在在未来可可望实现现的全光光网络中中，各种种电信业业务的上上/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（密集波分分复用）无无疑是当当今光纤纤应用领
26、领域的首首选技术术，但其其也存在在着价格格比较昂昂贵的一一面。有有没有可可能以较较低的成成本享用用波分复复用技术术呢？面面对这一一需求，(稀疏波分复用)应运而生。稀疏波分复复用，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，因因而大幅幅降低
27、了了成本，整整个系统统成本只只有的330%。随随着越来来越多的的城域网网运营商商开始寻寻求更合合理的传传输解决决方案，越来越广泛地被业界接受。在同一根光光纤中传传输的不不同波长长之间的的间距是是区分和和的主要要参数。目目前的稀稀疏波分分复用系系统一般般工作在在从12260到到16220波段段，间隔隔为200，可复复用166个波长长通道，其其中14400波波段由于于损耗较较大，一一般不用用。相对于密集集波分复复用系统统，稀疏疏波分复复用系统统在提供供一定数数量的波波长和1100公公里以内内的传输输距离的的同时，大大大降低低了系统统的成本本，并具具有非常常强的灵灵活性。因因此稀疏疏波分复复用系统统
28、主要应应用于城城域网中中。用很很低的成成本提供供了很高高的接入入带宽，适适用于点点对点、以以太网、环等各种流行的网络结构，特别适合短距离、高带宽、接入点密集的通信场合，如大楼内或大楼之间的网络通信。但是，是成成本与性性能折衷衷的产物物，不可可避免地地存在一一些性能能上的局局限。业业内专家家指出，目前主要存在以下三点不足：（1）在单根光纤上支持的复用波长个数较少，导致日后扩容成本较高；（2）复用器、复用调制器等设备的成本还应进一步降低，这些设备不能只是相应设备的简单改型；（3）还未形成标准。综上所述，波波分复用用系统从从20世世纪900年代中中期开始始，受市市场需要要和技术术发展的的驱动，在在国
29、内外外都呈现现出了飞飞速发展展的态式式，主要要应用于于长途传传输网的的密集波波分复用用系统和和应用于于城域网网以及以以太网的的稀疏波波分复用用系统都都有了很很大的突突破并得得到了大大量的商商用，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、以以及？简述设备的的两种传传输方式式？什么是开放放式与集集成式系系统？简述系统的的组成？3 传输媒质&目标：掌握光纤的的基本结结构和种种类。了解光纤的的基本特特性。3.1 光纤的结构构通信中使用用的光纤纤，其核核心部分分是由圆圆柱形玻玻璃纤芯芯和玻璃璃包层构构成，最
30、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 光纤的典型型结构图1-5 三种典型光光纤纤芯的粗细细、材料料和包层层材料的的折射率率，对光光纤的特特性起着着决定性性的影响响。图11-5所所示为三三种典型型光纤的的情况。从从图中可可看出，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
31、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 光纤的模式式3.2.1 传播模式概概念
32、光是一种频频率极高高的电磁磁波，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
33、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 光在阶跃折折射率光光纤中的的传播3.2.2 多模光纤随着纤芯直直径的粗粗细不同同，光纤纤中传输输模式的的数量多多少也不不同。因因此，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 光在阶跃折折射率多多模光纤纤中的传传播当光纤的几几何尺寸寸（主要要是芯径径d1）远远大于光光波波长长时（约约1微米）
34、，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。这这样的光光纤称为为多模光光纤。光光在阶跃跃折射率率多模光光纤中的的传播轨轨迹如图图1-99所示，光光在渐变变折射率率多模光光纤中的的传播轨轨迹如图图1-88所示。图1-8 光在渐变折折射率多多模光纤纤中的传传播由于不同的的传播模模式具有有不同的的传播速速度与相相位，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。模模式色散散会使多多模光纤纤的带宽宽变窄，降降低了其其传输容容量，因因此多模模光纤仅仅适用于于低速率率、短距距离的光光纤通信信。3.2.3 单模光纤当光纤的几几何尺寸
35、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 光在单模光光纤中的的传播轨轨迹因为光在单单模光纤纤中仅以以一种模模式（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 模场直径和和有效面面积在光纤中，光光能量不不完
36、全集集中在纤纤芯中传传输，部部分能量量在包层层中传输输，纤芯芯的直径径不能反反映光纤纤中光能能量的分分布（如如图1-10），于于是提出出了模场场直径的的概念。模模场直径径就是描描述单模模光纤中中光能集集中程度度的参量量。有效效面积与与模场直直径的物物理意义义相同。通通过模场场直径可可以利用用圆面积积公式计计算出有有效面积积。模场直径与与有效面面积主要要对通过过光纤的的能量密密度有关关。模场场直径越越小，通通过光纤纤横截面面的能量量密度就就越大。当当通过光光纤的能能量密度度过大时时，会引引起光纤纤的非线线性效应应，造成成系统的的光信噪噪比降低低，大大大影响系系统性能能。因此此，对于于传输光光纤而
37、言言，模场场直径（或或有效面面积）越越大越好好。图1-10 模场直径3.4 光纤的种类类由于单模光光纤具有有内部损损耗低、带带宽大、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.6652光光纤是目目前已广广泛使用用的单模模光纤，称称为一三三10性性能最佳佳的单模模光纤，又又称为色色散未移移位的光光纤。按按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
38、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.6533光纤称称为色散散移位光光纤或一一五500性能最最佳光纤纤。这种种光纤通通过设计计光纤折折射率的的剖面，使使零色散散点移到到一五550窗口口，从而而与光纤纤的最小小衰减窗窗口获得得匹配，使使超高速速超长距距离光纤纤传输成成为可能能。G.6544光纤是是截止波波长移位位的单模模光纤。这这类光纤纤的设计计重点是是降低一一五500的衰减减，其零零色散点点仍然在在一三110附近近，因而而一五550的色色散较高高，可达达一八()，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.654光纤
39、主要应用于需要很长再生段距离的海底光纤通信。G.6555光纤是是非零色色散移位位单模光光纤，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。除上述所讲讲的四种种已正式式标准化化的光纤纤外，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：在我国，大大面积敷敷设的是是哪一种种光纤？3.5 光纤的基本本
40、特性3.5.1 光纤的损耗耗光纤的衰减减或损耗耗是一个个非常重重要的、对对光信号号的传播播产生制制约作用用的 特特性。光光纤的损损耗限制制了没有有光放大大的光信信号的传传播距离离。光纤纤的损耗耗主要取取决于吸吸收损耗耗、散射射损耗、弯弯曲损耗耗三种损损耗。3.5.1.1 吸收损耗光纤吸收损损耗是制制造光纤纤的材料料本身造造成的，包包括紫外外吸收、红红外吸收收和杂质质吸收。n 红外和紫外外吸收损损耗光纤材料组组成的原原子系统统中，一一些处于于低能的的电子会会吸收光光波能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
41、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。在红外波段段光纤基基质材料料石英玻玻璃的键键因振动动吸收能能量，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。但但影响小小于紫外外吸收带带。在=1.555m时，由由红外吸吸收引起起的损耗耗小于00.011。n 氢氧根离子子（）吸吸收损耗耗在石英光纤纤中，键键的基本本谐振波波长为22.733m，与键的的谐振波波长相互互影响，在在光纤的的传输频频带内产产生一系系列的吸吸收峰，影影响较大大的是在在
42、1.339、1.224及0.995m波长上上，在峰峰之间的的低损耗耗区构成成了光纤纤通信的的三个传传输窗口口。目前前，由于于工艺的的改进，降降低了氢氢氧根离离子（）浓浓度，这这些吸收收峰的影影响已很很小。n 金属离子吸吸收损耗耗光纤材料中中的金属属杂质，如如：金属属离子铁铁（3+）、铜铜（2+）、锰锰（3+）、镍镍（3+）、钴钴（3+）、铬铬（3+）等，它它们的电电子结构构产生边边带吸收收峰（00.51.1m），造造成损耗耗。现在在由于工工艺的改改进，使使这些杂杂质的含含量低于于10-9以下下，因此此它们的的影响已已很小。在光纤材料料中的杂杂质如氢氢氧根离离子（）、过过渡金属属离子（铜铜、铁、
43、铬铬等）对对光的吸吸收能力力极强，它它们是产产生光纤纤损耗的的主要因因素。因因此要想想获得低低损耗光光纤，必必须对制制造光纤纤用的原原材料二二氧化硅硅等进行行十分严严格的化化学提纯纯，使其其纯度达达99.99999%以以上。3.5.1.2 散射损耗由于材料的的不均匀匀使光散散射而引引起的损损耗称为为瑞利散散射损耗耗。瑞利利散射损损耗是光光纤材料料二氧化化硅的本本征损耗耗。它是是由材料料折射指指数小尺尺度的随随机不均均匀性所所引起的的。在光光纤制造造过程中中，二氧氧化硅材材料处于于高温熔熔融状态态，分子子进行无无规则的的热运动动。在冷冷却时，运运动逐渐渐停息。当当凝成固固体时，这这种随机机的分子
44、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匀匀，从而而引起折折射指数数分布不不均匀。这这些不均均匀，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。瑞瑞利散射射的大小小与光波波长的四四次方成成反比。因因此对短短波长窗窗口的影影响较大大。另外，在制制造光纤纤的过程程中，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。这这些结构构上有缺缺陷的几几何尺寸寸远大于于光波，引引起与波波长无关关的散射
45、射损耗，并并且将整整个光纤纤损耗增增加。3.5.1.3 弯曲损耗光纤的弯曲曲会引起起辐射损损耗。实实际中，光光纤可能能出现两两种情况况的弯曲曲：一种种是曲率率半径比比光纤直直径大得得多的弯弯曲。（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
46、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。弯曲损耗与与模场直直径有关关。G.6522光纤在在一五550波长长区的弯弯曲损耗耗应不大大于1，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。弯曲损耗对对光纤衰衰减常数数的影响响不大；决定光光纤衰减减常数的的损耗主主要是吸吸收损耗耗和散射射损耗。3.5.1.4 衰减系数损耗是光纤纤的主要要特性之之一，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 光纤的特性性光纤的衰减减系数是是指光在在单位长长度光纤纤中传输输时的衰衰
47、耗量，单单位一般般用。衰衰减系数数是光纤纤最重要要的特性性参数之之一。因因为在很很大程度度上它决决定了光光纤通信信的传输输距离。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 光纤的色散散光脉冲中的的不同频频率或模模式在光光纤中的的群速度度不同，因因而这些些频率成成分和模模式到达达光纤终终端有先先有后，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 色散引起的的脉冲展展宽示意意图光纤中的色色散可分分为模式式色散、色色度色散散、偏振振模色散散。色度度色散、也也称为模模内色散散，又可可以分为为材料色色散和波波导色散散，模式式色散也也称为模模间色散散。一般般情况下下单模光光纤中不不存在