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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 光源源 光放放大 复复用和解复复用 光光监控信道道 摘要：本课程主要要介绍了波波分复用技技术的基础础知识，并并对的主要要关键技术术、光传输输技术规范范进行了讲讲解。通过过本课程，您您可以对知知识以及光光传输网络络的发展方方向，有一一个较全面面的了解。缩略语清单单：无。参考资料清清单：（1）光光纤通信基基础（2）密密集波分复复用技术导导论（3）传传输系统原原理与测试试（4）高高速光纤通通信规范与与系统设计计（
2、5）城城域光网络络（6）00524001 光监监控信道及及其在系统统中的应用用 1.00（7）光光纤与光器器件专题（8）光光放大器专专题 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分分复用技术术的基础知知识，并对对的主要关关键技术、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术术概述这一章内容容告诉你什什么是波分分复用技术术，如何发发展而来，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技术有一个基本的了解。第二章 传传输媒质这一章主要要介绍光纤纤的
3、结构、种种类和特性性。通过这这一章的学学习使我们们对于G.652、GG.6533、G.6654、GG.6555光纤有一一个基本的的认识，同同时对于色色散、非线线性等概念念有一个基基本的了解解。第三章的关关键技术如果要把这这种新型技技术转化为为商品，在在硬件上如如何实现呢呢？带着这这个疑问从从本节内容容中可以了了解到的关关键技术以以及实现方方法，包括括光源、光光放大和波波分复用器器件等内容容。第四章光传传输系统的的技术规范范本章内容主主要介绍了了对于系统的的一些建议议以及规范范，使我们们对于在系系统中涉及及的到的一一些知识有有一个基本本的了解。2 波分复用技技术概述& 目标：掌握的基本本概念。掌
4、握的基本本原理、传传输方式以以及的组成。了解的产生生背景、技技术特点。2.1 波分复用光光传输技术术2.1.1 波分复用的的基本概念念光通信系统统可以按照照不同的方方式进行分分类。如果果按照信号号的复用方方式来进行行分类，可可分为频分分复用系统统（ ）、时时分复用系系统（）、波波分复用系系统（）和和空分复用用系统（）。所所谓频分、时时分、波分分和空分复复用，是指指按频率、时时间、波长长和空间来来进行分割割的光通信信系统。应应当说，频频率和波长长是紧密相相关的，频频分也即波波分，但在在光通信系系统中，由由于波分复复用系统分分离波长是是采用光学学分光元件件，它不同同于一般电电通信中采采用的滤波波器
5、，所以以我们仍将将两者分成成两个不同同的系统。波分复用是是光纤通信信中的一种种传输技术术，它利用用了一根光光纤可以同同时传输多多个不同波波长的光载载波的特点点，把光纤纤可能应用用的波长范范围划分成成若干个波波段，每个个波段作一一个独立的的通道传输输一种预定定波长的光光信号。光光波分复用用的实质是是在光纤上上进行光频频分复用（），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（）。这里可以将将一根光纤纤看作是一一个“多车道”的公用道道路
6、，传统统的系统只只不过利用用了这条道道路的一条条车道，提提高比特率率相当于在在该车道上上加快行驶驶速度来增增加单位时时间内的运运输量。而而使用技术术，类似利利用公用道道路上尚未未使用的车车道，以获获取光纤中中未开发的的巨大传输输能力。2.1.2 技术的发展展背景随着科学技技术的迅猛猛发展，通通信领域的的信息传送送量正以一一种加速度度的形式膨膨胀。信息息时代要求求越来越大大容量的传传输网络。近近几年来，世世界上的运运营公司及及设备制造造厂家把目目光更多地地转向了技技术，并对对其投以越越来越多的的关注，增增加光纤网网络的容量量及灵活性性，提高传传输速率和和扩容的手手段可以有有多种，下下面对几种种扩
7、容方式式进行比较较。n 空分复用（）空分复用是是靠增加光光纤数量的的方式线性性增加传输输的容量，传传输设备也也线性增加加。在光缆制造造技术已经经非常成熟熟的今天，几几十芯的带带状光缆已已经比较普普遍，而且且先进的光光纤接续技技术也使光光缆施工变变得简单，但但光纤数量量的增加无无疑仍然给给施工以及及将来线路路的维护带带来了诸多多不便，并并且对于已已有的光缆缆线路，如如果没有足足够的光纤纤数量，通通过重新敷敷设光缆来来扩容，工工程费用将将会成倍增增长。而且且，这种方方式并没有有充分利用用光纤的传传输带宽，造造成光纤带带宽资源的的浪费。作作为通信网网络的建设设，不可能能总是采用用敷设新光光纤的方式式
8、来扩容，事事实上，在在工程之初初也很难预预测日益增增长的业务务需要和规规划应该敷敷设的光纤纤数。因此此，空分复复用的扩容容方式是十十分受限。n 时分复用（）时分复用也也是一项比比较常用的的扩容方式式，从传统统的一次群群至四次群群的复用，到到如今的1、4、16乃至64的复用用。通过时时分复用技技术可以成成倍地提高高光传输信信息的容量量，极大地地降低了每每条电路在在设备和线线路方面投投入的成本本，并且采采用这种复复用方式可可以很容易易在数据流流中抽取某某些特定的的数字信号号，尤其适适合在需要要采取自愈愈环保护策策略的网络络中使用。但时分复用用的扩容方方式有两个个缺陷：第第一是影响响业务，即即在“全
9、盘”升级至更更高的速率率等级时，网网络接口及及其设备需需要完全更更换，所以以在升级的的过程中，不不得不中断断正在运行行的设备；第二是速速率的升级级缺乏灵活活性，以设设备为例，当当一个线路路速率为一一五5的系系统被要求求提供两个个一五5的通通道时，就就只能将系系统升级到到622，即即使有两个个一五5将被被闲置，也也没有办法法。对于更高速速率的时分分复用设备备，目前成成本还较高高，并且440的设备已经经达到电子子器件的速速率极限，即即使是100的速率,在不同类类型光纤中中的非线性性效应也会会对传输产产生各种限限制。现在，时分分复用技术术是一种被被普遍采用用的扩容方方式，它可可以通过不不断地进行行系
10、统速率率升级实现现扩容的目目的，但当当达到一定定的速率等等级时，会会由于器件件和线路等等各方面特特性的限制制而不得不不寻找另外外的解决办办法。不管是采用用空分复用用还是时分分复用的扩扩容方式，基基本的传输输网络均采采用传统的的或技术，即即采用单一一波长的光光信号传输输，这种传传输方式是是对光纤容容量的一种种极大浪费费，因为光光纤的带宽宽相对于目目前我们利利用的单波波长信道来来讲几乎是是无限的。我我们一方面面在为网络络的拥挤不不堪而忧心心忡忡，另另一方面却却让大量的的网络资源源白白浪费费。n 波分复用（）波分复用是是利用单模模光纤低损损耗区的巨巨大带宽，将将不同速率率（波长）的的光混合在在一起进
11、行行传输，这这些不同波波长的光信信号所承载载的数字信信号可以是是相同速率率、相同数数据格式，也也可以是不不同速率、不不同数据格格式。可以以通过增加加新的波长长特性，按按用户的要要求确定网网络容量。对对于2.55以下的速速率的,目目前的技术术可以完全全克服由于于光纤的色色散和光纤纤非线性效效应带来的的限制，满满足对传输输容量和传传输距离的的各种需求求。扩容方方案的缺点点是需要较较多的光纤纤器件，增增加失效和和故障的概概率。n 和技术合用用利用和两种种技术的优优点进行网网络扩容是是应用的方方向。可以以根据不同同的光纤类类型选择的的最高传输输速率，在在这个基础础上再根据据传输容量量的大小选选择复用的
12、的光信道数数，在可能能情况下使使用最多的的光载波。毫毫无疑问，多多信道永远远比单信道道的传输容容量大，更更经济。2.2 原理概述技术是利用用单模光纤纤的带宽以以及低损耗耗的特性，采采用多个波波长作为载载波，允许许各载波信信道在光纤纤内同时传传输。与通通用的单信信道系统相相比，密集集（）不仅极极大地提高高了网络系系统的通信信容量，充充分利用了了光纤的带带宽，而且且它具有扩扩容简单和和性能可靠靠等诸多优优点，特别别是它可以以直接接入入多种业务务更使得它它的应用前前景十分光光明。在模拟载波波通信系统统中，为了了充分利用用电缆的带带宽资源，提提高系统的的传输容量量，通常利利用频分复复用的方法法。即在同
13、同一根电缆缆中同时传传输若干个个频率不同同的信号，接接收端根据据各载波频频率的不同同利用带通通滤波器滤滤出每一个个信道的信信号。同样，在光光纤通信系系统中也可可以采用光光的频分复复用的方法法来提高系系统的传输输容量。事事实上，这这样的复用用方法在光光纤通信系系统中是非非常有效的的。与模拟拟的载波通通信系统中中的频分复复用不同的的是，在光光纤通信系系统中是用用光波作为为信号的载载波，根据据每一个信信道光波的的频率（或或波长）不不同将光纤纤的低损耗耗窗口划分分成若干个个信道，从从而在一根根光纤中实实现多路光光信号的复复用传输。由于目前一一些光器件件（如带宽宽很窄的滤滤光器、相相干光源等等）还不很很
14、成熟，因因此，要实实现光信道道非常密集集的光频分分复用（相相干光通信信技术）是是很困难的的，但基于于目前的器器件水平，已已可以实现现相隔光信信道的频分分复用。人人们通常把把光信道间间隔较大（甚甚至在光纤纤不同窗口口上）的复复用称为光光波分复用用（），再再把在同一一窗口中信信道间隔较较小的称为为密集波分分复用（）。随着科科技的进步步，现代的的技术已经经能够实现现波长间隔隔为纳米级级的复用，甚甚至可以实实现波长间间隔为零点点几个纳米米级的复用用，只是在在器件的技技术要求上上更加严格格而已，因因此把波长长间隔较小小的16个个波、400个波、880乃至更更多个波长长的复用称称为。系统的构成成及光谱示示
15、意图如图图1-1所所示。发送送端的光发发射机发出出波长不同同而精度和和稳定度满满足一定要要求的光信信号，经过过光波长复复用器复用用在一起送送入掺铒光光纤功率放放大器（掺掺铒光纤放放大器主要要用来弥补补合波器引引起的功率率损失和提提高光信号号的发送功功率），再再将放大后后的多路光光信号送入入光纤传输输，中间可可以根据情情况决定有有或没有光光线路放大大器，到达达接收端经经光前置放放大器（主主要用于提提高接收灵灵敏度，以以便延长传传输距离）放放大以后，送送入光波长长分波器分分解出原来来的各路光光信号。图1-1 系统的构成成及频谱示示意图2.3 设备的传输输方式2.3.1 单向如图1-22所示，单单向
16、波分复复用系统采采用两根光光纤，一根根光纤只完完成一个方方向光信号号的传输，反反向光信号号的传输由由另一根光光纤来完成成。图1-2 的单向传输输方式这种系统可可以充分利利用光纤的的巨大带宽宽资源，使使一根光纤纤的传输容容量扩大几几倍至几十十倍。在长长途网中，可可以根据实实际业务量量的需要逐逐步增加波波长来实现现扩容，十十分灵活。在在不清楚实实际光缆色色散的前提提下，也是是一种暂时时避免采用用超高速光光系统而利利用多个22.5系统统实现超大大量传输的的手段。2.3.2 双向如图1-33所示，双双向波分复复用系统则则只用一根根光纤，在在一根光纤纤中实现两两个方向光光信号的同同时传输，两两个方向光光
17、信号应安安排在不同同波长上。单纤双向传传输方式允允许单根光光纤携带全全双工通路路，通常可可以比单向向传输节约约一半的光光纤器件，由由于两个方方向传输的的信号不交交互产生（四四波混频）产产物，因此此其总的产产物比双纤纤单向传输输少很多，但但缺点是该该系统需要要采用特殊殊的措施来来对付光反反射（包括括由于光接接头引起的的离散反射射和光纤本本身的瑞利利后向反射射），以防防多径干扰扰；当需要要将光信号号放大以延延长传输距距离时，必必须采用双双向光纤放放大器以及及光环形器器等元件，但但其噪声系系数稍差。图1-3 的双向传输输方式建议G.6692文件件对于单纤纤双向和双双纤单向传传输方式的的优劣并未未给出
18、明确确的看法。实实用的系统统大都采用用双纤单向向传输方式式。2.4 开放式与集集成式系统统通常有两种种应用形式式：n 开放式n 集成式开放式系统统的特点是是对复用终终端光接口口没有特别别的要求，只只要求这些些接口符合合建议的光光接口标准准。系统采采用波长转转换技术，将将复用终端端的光信号号转换成指指定的波长长，不同终终端设备的的光信号转转换成不同同的符合建建议的波长长，然后进进行合波。集成式系统统没有采用用波长转换换技术，它它要求复用用终端的光光信号的波波长符合系系统的规范范，不同的的复用终端端设备发送送不同的符符合建议的的波长，这这样他们在在接入合波波器时就能能占据不同同的通道，从从而完成合
19、合波。根据工程的的需要可以以选用不同同的应用形形式。在实实际应用中中，开放式式和集成式式可以混合合使用。2.5 系统组成N路波长复复用的系统统的总体结结构主要由由发送和接接收光复用用终端（）单单元与中继继线路放大大（）单元元三部分组组成，如果果按组成模模块来分有有：l 光波长转换换单元（）；l 波分复用器器：分波/合波器（）；l 光放大器（）；l 光监控信道道/通路（）；光波长转换换单元（）将将非标准的的波长转换换为所规范范的标准波波长，系统统中应用光光/电/光光（）的变变换，即先先用光电二二极管或把接收到到的光信号号转换为电电信号，然然后该电信信号对标准准波长的激激光器进行行调制，从从而得到
20、新新的合乎要要求的光波波长信号。波分复用器器可分为发发端的光合合波器。光光合波器用用于传输系系统的发送送端，是一一种具有多多个输入端端口和一个个输出端口口的器件，它它的每一个个输入端口口输入一个个预选波长长的光信号号，输入的的不同波长长的光波由由同一输出出端口输出出。光分波波器用于传传输系统的的接收端，正正好与光合合波器相反反，它具有有一个输入入端口和多多个输出端端口，将多多个不同波波长信号分分类开来。光放大器不不但可以对对光信号进进行直接放放大，同时时还具有实实时、高增增益、宽带带、在线、低低噪声、低低损耗的全全光放大器器，是新一一代光纤通通信系统中中必不可少少的关键器器件。在目目前实用的的
21、光纤放大大器中主要要有掺铒光光纤放大器器（）、半半导体光放放大器（）和和光纤拉曼曼放大器（）等，其中掺铒光纤放大器以其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。光监控信道道是为的光传输输系统的监监控而设立立的。建议议优选采用用一五100波长，容容量为2。靠靠低速率下下高的接收收灵敏度（-48）仍仍能正常工工作。但必必须在之前前下光路，而而在之后上上光路。2.6 的优势光纤的容量量是极其巨巨大的，而而传统的光光纤通信系系统都是在在一根光纤纤中传输一一路光信号号，这样的的方法实际际上只使用用了光纤丰丰富带宽的的很少一部部分。为了了充分
22、利用用光纤的巨巨大带宽资资源，增加加光纤的传传输容量，以以密集（）技术为为核心的新新一代的光光纤通信技技术已经产产生。技术具有如如下特点：n 超大容量目前使用的的普通光纤纤可传输的的带宽是很很宽的，但但其利用率率还很低。使使用技术可可以使一根根光纤的传传输容量比比单波长传传输容量增增加几倍、几几十倍乃至至几百倍。现现在商用最最高容量光光纤传输系系统为3.2系统，华华为公司波波分系统可可实现1992x100或者800x40方方案结构。n 对数据的“透明”传输由于系统按按光波长的的不同进行行复用和解解复用，而而与信号的的速率和电电调制方式式无关，即即对数据是是“透明”的。一个个系统的业业务可以承承
23、载多种格格式的“业务”信号，如如、或者将来来有可能出出现的信号号。系统完完成的是透透明传输，对对于“业务”层信号来来说，系统统中的各个个光波长通通道就像“虚拟”的光纤一一样。n 系统升级时时能最大限限度地保护护已有投资资在网络扩充充和发展中中，无需对对光缆线路路进行改造造，只需更更换光发射射机和光接接收机即可可实现，是是理想的扩扩容手段，也也是引入宽宽带业务（例例如、和等）的方方便手段，而而且利用增增加一个波波长即可引引入任意想想要的新业业务或新容容量。n 高度的组网网灵活性、经经济性和可可靠性利用技术构构成的新型型通信网络络比用传统统的电时分分复用技术术组成的网网络结构要要大大简化化，而且网
24、网络层次分分明，各种种业务的调调度只需调调整相应光光信号的波波长即可实实现。由于于网络结构构简化、层层次分明以以及业务调调度方便，由由此而带来来的网络的的灵活性、经经济性和可可靠性是显显而易见的的。n 可兼容全光光交换可以预见，在在未来可望望实现的全全光网络中中，各种电电信业务的的上/下、交叉叉连接等都都是在光上上通过对光光信号波长长的改变和和调整来实实现的。因因此，技术术将是实现现全光网的的关键技术术之一，而而且系统能能与未来的的全光网兼兼容，将来来可能会在在已经建成成的系统的的基础上实实现透明的的、具有高高度生存性性的全光网网络。2.7 简介（密集波分分复用）无无疑是当今今光纤应用用领域的
25、首首选技术，但但其也存在在着价格比比较昂贵的的一面。有有没有可能能以较低的的成本享用用波分复用用技术呢？面对这一一需求，(稀疏波分分复用)应应运而生。稀疏波分复复用，顾名名思义，是是密集波分分复用的近近亲，它们们的区别有有两点：（11）载波通通道间距较较宽，因此此一根光纤纤上只能复复用2到116个左右右波长的光光波，“稀疏”与“密集”称谓的差差别就由此此而来；（22）调制激激光采用非非冷却激光光，而采用用的是冷却却激光，它它需要冷却却技术来稳稳定波长，实实现起来难难度很大，成成本也很高高。避开了了这一难点点，系统采采用的激光光器不需要要冷却，因因而大幅降降低了成本本，整个系系统成本只只有的30
26、0%。随着着越来越多多的城域网网运营商开开始寻求更更合理的传传输解决方方案，越来来越广泛地地被业界接接受。在同一根光光纤中传输输的不同波波长之间的的间距是区区分和的主要参参数。目前前的稀疏波波分复用系系统一般工工作在从11260到到16200波段，间间隔为200，可复用用16个波波长通道，其其中14000波段由由于损耗较较大，一般般不用。相对于密集集波分复用用系统，稀稀疏波分复复用系统在在提供一定定数量的波波长和1000公里以以内的传输输距离的同同时，大大大降低了系系统的成本本，并具有有非常强的的灵活性。因因此稀疏波波分复用系系统主要应应用于城域域网中。用用很低的成成本提供了了很高的接接入带宽
27、，适适用于点对对点、以太太网、环等等各种流行行的网络结结构，特别别适合短距距离、高带带宽、接入入点密集的的通信场合合，如大楼楼内或大楼楼之间的网网络通信。但是，是成成本与性能能折衷的产产物，不可可避免地存存在一些性性能上的局局限。业内内专家指出出，目前主主要存在以以下三点不不足：（11）在单根根光纤上支支持的复用用波长个数数较少，导导致日后扩扩容成本较较高；（22）复用器器、复用调调制器等设设备的成本本还应进一一步降低，这这些设备不不能只是相相应设备的的简单改型型；（3）还未形成标准。综上所述，波波分复用系系统从200世纪900年代中期期开始，受受市场需要要和技术发发展的驱动动，在国内内外都呈
28、现现出了飞速速发展的态态式，主要要应用于长长途传输网网的密集波波分复用系系统和应用用于城域网网以及以太太网的稀疏疏波分复用用系统都有有了很大的的突破并得得到了大量量的商用，同同时，系统统的发展主主要取决于于关键技术术的突破和和相关标准准的制定，过过去数年的的发展都证证明了这一一点。2.8 思考题什么是、以以及？简述设备的的两种传输输方式？什么是开放放式与集成成式系统？简述系统的的组成？3 传输媒质&目标：掌握光纤的的基本结构构和种类。了解光纤的的基本特性性。3.1 光纤的结构构通信中使用用的光纤，其其核心部分分是由圆柱柱形玻璃纤纤芯和玻璃璃包层构成成，最外层层是一种弹弹性耐磨的的塑料护套套，整
29、根光光纤呈圆柱柱形。光纤纤的典型结结构如图11-4所示示。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、材料和和包层材料料的折射率率，对光纤纤的特性起起着决定性性的影响。图1-5所示为三种典型光纤的情况。从图中可看出，纤芯和包层横截面上，折射率剖面有两种典型的分布。一种是纤芯和包层折射率沿光纤径向分布都是均匀的，而在纤芯和包层的交界面上，折射率呈阶梯形突变，这种光纤称为阶跃折射率光纤。另一种是，纤芯的折射率不是均匀常数，而是随纤芯径向坐标增加而逐渐减少，一直渐变到等于包层折射率值，因而将这种光纤称为渐变折射率光纤。这两种光纤剖面的共同特点是：纤芯的折射率n1大于包层折射率n2
30、，这也是光信号在光纤中传输的必要条件。对阶跃折射率光纤而言，它可以使光波在纤芯和包层的交界面形成全反射，引导光波沿纤芯向前传播；对于渐变折射率光纤而言，它可以使光波在纤芯中产生连续折射，形成穿过光纤轴线的类似于正弦波的光射线，引导光波沿纤芯向前传播，两种光射线轨迹如图1-5所示。3.2 光纤的模式式3.2.1 传播模式概概念光是一种频频率极高的的电磁波，根根据波动光光学和电磁磁场理论，通通过繁琐地地求解麦克克斯韦方程程组之后就就会发现：当光在光光纤中传播播时，如果果光纤纤芯芯的几何尺尺寸远大于于光波波长长时，光在在光纤中会会以几十种种乃至几百百种传播模模式进行传传播。事实上，光光在光纤中中只能
31、以一一组独立的的光线传播播。换句话话说，如果果我们能够够看到光纤纤的内部的的话，我们们会发现一一组光束以以不同的角角度传播，传传播的角度度从零到临临界角c，传播的角角度大于临临界角c的光线穿穿过纤芯进进入包层（不不满足全反反射的条件件），最终终能量被涂涂敷层吸收收，见图11-6。这这些不同的的光束称为为模式。通通俗的讲，模模式的传播播角度越小小，模式的的级越低。所所以，严格格按光纤中中心轴传播播的模式称称为零级模模式，或基基模；其它它与光纤中中心轴成一一定角度传传播的光束束皆称为高高次模。图1-6 光在阶跃折折射率光纤纤中的传播播3.2.2 多模光纤随着纤芯直直径的粗细细不同，光光纤中传输输模
32、式的数数量多少也也不同。因因此，阶跃跃折射率光光纤或渐变变折射率光光纤又都可可以按照传传输模式的的数量多少少，分为单单模光纤和和多模光纤纤。图1-7 光在阶跃折折射率多模模光纤中的的传播当光纤的几几何尺寸（主主要是芯径径d1）远大大于光波波波长时（约约1微米），光光纤传输的的过程中会会存在着几几十种乃至至几百种传传播模式。这这样的光纤纤称为多模模光纤。光光在阶跃折折射率多模模光纤中的的传播轨迹迹如图1-9所示，光光在渐变折折射率多模模光纤中的的传播轨迹迹如图1-8所示。图1-8 光在渐变折折射率多模模光纤中的的传播由于不同的的传播模式式具有不同同的传播速速度与相位位，因此经经过长距离离传输之后
33、后会产生时时延差，导导致光脉冲冲变宽，这这种现象称称为模式色色散。模式式色散会使使多模光纤纤的带宽变变窄，降低低了其传输输容量，因因此多模光光纤仅适用用于低速率率、短距离离的光纤通通信。3.2.3 单模光纤当光纤的几几何尺寸(主要是芯芯径d1)较小，与与光波长在在同一数量量级，如芯芯径d1在510微米范范围，这时时，光纤只只允许一种种模式(基模)在其中传传播，其余余的高次模模全部截止止，这样的的光纤称为为单模光纤纤。光在单单模光纤中中的传播轨轨迹，简单单地讲是以以平行于光光纤中心轴轴线的形式式以直线方方式传播，如如图1-99所示。图1-9 光在单模光光纤中的传传播轨迹因为光在单单模光纤中中仅以
34、一种种模式（基基模）进行行传播，其其余的高次次模全部截截止，从而而避免了模模式色散的的问题，故故单模光纤纤特别适用用于大容量量长距离传传输。3.3 模场直径和和有效面积积在光纤中，光光能量不完完全集中在在纤芯中传传输，部分分能量在包包层中传输输，纤芯的的直径不能能反映光纤纤中光能量量的分布（如如图1-110），于于是提出了了模场直径径的概念。模模场直径就就是描述单单模光纤中中光能集中中程度的参参量。有效效面积与模模场直径的的物理意义义相同。通通过模场直直径可以利利用圆面积积公式计算算出有效面面积。模场直径与与有效面积积主要对通通过光纤的的能量密度度有关。模模场直径越越小，通过过光纤横截截面的能
35、量量密度就越越大。当通通过光纤的的能量密度度过大时，会会引起光纤纤的非线性性效应，造造成系统的的光信噪比比降低，大大大影响系系统性能。因因此，对于于传输光纤纤而言，模模场直径（或或有效面积积）越大越越好。图1-10 模场直径3.4 光纤的种类类由于单模光光纤具有内内部损耗低低、带宽大大、易于升升级扩容和和成本低的的优点，国国际上已一一致认同系系统将只使使用单模光光纤作为传传输媒质。目目前，已经经在G.6652、G.6553、G.6554和G.6555建议中中分别定义义了4种不同设设计的单模模光纤。其中G.6652光纤纤是目前已已广泛使用用的单模光光纤，称为为一三100性能最佳佳的单模光光纤，又
36、称称为色散未未移位的光光纤。按纤纤芯折射率率剖面，又又可分为匹匹配包层光光纤和下陷陷包层光纤纤两类，两两者的性能能十分相近近，前者制制造简单，但但在一五550波长区区的宏弯损损耗和微弯弯损耗稍大大；而后者者连接损耗耗稍大。G.6533光纤称为为色散移位位光纤或一一五50性性能最佳光光纤。这种种光纤通过过设计光纤纤折射率的的剖面，使使零色散点点移到一五五50窗口口，从而与与光纤的最最小衰减窗窗口获得匹匹配，使超超高速超长长距离光纤纤传输成为为可能。G.6544光纤是截截止波长移移位的单模模光纤。这这类光纤的的设计重点点是降低一一五50的的衰减，其其零色散点点仍然在一一三10附附近，因而而一五50
37、0的色散较较高，可达达一八()，必须配配用单纵模模激光器才才能消除色色散的影响响。G.6654光纤纤主要应用用于需要很很长再生段段距离的海海底光纤通通信。G.6555光纤是非非零色散移移位单模光光纤，与GG.6533光纤相近近，从而使使一五500附近保持持了一定的的色散值，避避免在传输输时发生四四波混频现现象，适合合于系统应应用。除上述所讲讲的四种已已正式标准准化的光纤纤外，还有有一种适合合于更大容容量和更长长传输距离离的大有效效面积光纤纤也已经问问世。其零零色散点在在一五100左右，但但有效面积积增大到772平方 mm以上，因因而可以更更有效地克克服非线性性影响，最最适合以110为基础础的系
38、统应应用。 想一想：在我国，大大面积敷设设的是哪一一种光纤？3.5 光纤的基本本特性3.5.1 光纤的损耗耗光纤的衰减减或损耗是是一个非常常重要的、对对光信号的的传播产生生制约作用用的 特性性。光纤的的损耗限制制了没有光光放大的光光信号的传传播距离。光光纤的损耗耗主要取决决于吸收损损耗、散射射损耗、弯弯曲损耗三三种损耗。3.5.1.1 吸收损耗光纤吸收损损耗是制造造光纤的材材料本身造造成的，包包括紫外吸吸收、红外外吸收和杂杂质吸收。n 红外和紫外外吸收损耗耗光纤材料组组成的原子子系统中，一一些处于低低能的电子子会吸收光光波能量而而跃迁到高高能级状态态，这种吸吸收的中心心波长在紫紫外的0.16m
39、处，吸收收峰很强，其其尾巴延伸伸到光纤通通信波段，在在短波长区区，吸收峰峰值达1，在长波波长区则小小得多，约约0.055。在红外波段段光纤基质质材料石英英玻璃的键键因振动吸吸收能量，这这种吸收带带损耗在99.1m、12.5m及21m处峰值可可达10以以上,因此构成成了石英光光纤工作波波长的上限限。红外吸吸收带的带带尾也向光光纤通信波波段延伸。但但影响小于于紫外吸收收带。在=1.555m时，由红红外吸收引引起的损耗耗小于0.01。n 氢氧根离子子（）吸收收损耗在石英光纤纤中，键的的基本谐振振波长为22.73m，与键的谐谐振波长相相互影响，在在光纤的传传输频带内内产生一系系列的吸收收峰，影响响较大
40、的是是在1.339、1.244及0.955m波长上，在在峰之间的的低损耗区区构成了光光纤通信的的三个传输输窗口。目目前，由于于工艺的改改进，降低低了氢氧根根离子（）浓浓度，这些些吸收峰的的影响已很很小。n 金属离子吸吸收损耗光纤材料中中的金属杂杂质，如：金属离子子铁（3+）、铜（22+）、锰锰（3+）、镍镍（3+）、钴钴（3+）、铬铬（3+）等，它它们的电子子结构产生生边带吸收收峰（0.51.1m），造成成损耗。现现在由于工工艺的改进进，使这些些杂质的含含量低于110-9以下，因因此它们的的影响已很很小。在光纤材料料中的杂质质如氢氧根根离子（）、过过渡金属离离子（铜、铁铁、铬等）对对光的吸收收
41、能力极强强，它们是是产生光纤纤损耗的主主要因素。因因此要想获获得低损耗耗光纤，必必须对制造造光纤用的的原材料二二氧化硅等等进行十分分严格的化化学提纯，使使其纯度达达99.99999%以上。3.5.1.2 散射损耗由于材料的的不均匀使使光散射而而引起的损损耗称为瑞瑞利散射损损耗。瑞利利散射损耗耗是光纤材材料二氧化化硅的本征征损耗。它它是由材料料折射指数数小尺度的的随机不均均匀性所引引起的。在在光纤制造造过程中，二二氧化硅材材料处于高高温熔融状状态，分子子进行无规规则的热运运动。在冷冷却时，运运动逐渐停停息。当凝凝成固体时时，这种随随机的分子子位置就在在材料中“冻结”下来，形形成物质密密度的不均均
42、匀，从而而引起折射射指数分布布不均匀。这这些不均匀匀，像在均均匀材料中中加了许多多小颗粒，其其尺度很小小，远小于于波长。当当光波通过过时，有些些光子就要要受到它的的散射，从从而造成了了瑞利散射射损耗，这这正像大气气中的尘粒粒散射了光光，使天空空变蓝一样样。瑞利散散射的大小小与光波长长的四次方方成反比。因因此对短波波长窗口的的影响较大大。另外，在制制造光纤的的过程中，在在纤芯和包包层交界面面上出现某某些缺陷、残残留一些气气泡和气痕痕等。这些些结构上有有缺陷的几几何尺寸远远大于光波波，引起与与波长无关关的散射损损耗，并且且将整个光光纤损耗增增加。3.5.1.3 弯曲损耗光纤的弯曲曲会引起辐辐射损耗
43、。实实际中，光光纤可能出出现两种情情况的弯曲曲：一种是是曲率半径径比光纤直直径大得多多的弯曲。（例例如，在敷敷设光缆时时可能出现现这种弯曲曲）；一种种是微弯曲曲，产生微微弯曲的原原因很多，光光纤和光缆缆的生产过过程中，限限于工艺条条件，都可可能产生微微弯曲。不不同曲率半半径的微弯弯曲沿光纤纤随机分布布。大曲率率半径的弯弯曲光纤比比直光纤中中传输的模模式数量要要少，有一一部分模式式辐射到光光纤外引起起损耗；随随机分布的的光纤微弯弯曲，将使使光纤中产产生模式耦耦合，造成成能量辐射射损耗。光光纤的弯曲曲损耗不可可避免，因因为不能保保证光纤和和光缆在生生产过程中中或是在使使用过程中中，不产生生任何形式
44、式的弯曲。弯曲损耗与与模场直径径有关。GG.6522光纤在一五五50波长长区的弯曲曲损耗应不不大于1，G.6555光纤在在一五500波长区的的弯曲损耗耗应不大于于0.5。弯曲损耗对对光纤衰减减常数的影影响不大；决定光纤纤衰减常数数的损耗主主要是吸收收损耗和散散射损耗。3.5.1.4 衰减系数损耗是光纤纤的主要特特性之一，描描述光纤损损耗的主要要参数是衰衰减系数。图1-11 光纤的特性性光纤的衰减减系数是指指光在单位位长度光纤纤中传输时时的衰耗量量，单位一一般用。衰衰减系数是是光纤最重重要的特性性参数之一一。因为在在很大程度度上它决定定了光纤通通信的传输输距离。在在单模光纤纤中有两个个低损耗区区
45、域，分别别在一三110和一五五50附近近，也就是是我们通常常说的一三三10窗口口和一五550窗口，一一五50窗窗口又可以以分为（一一五25一一五62）和和（一五66516110）。3.5.2 光纤的色散散光脉冲中的的不同频率率或模式在在光纤中的的群速度不不同，因而而这些频率率成分和模模式到达光光纤终端有有先有后，使使得光脉冲冲发生展宽宽，这就是是光纤的色色散。色散散一般用时时延差来表表示，所谓谓时延差，是是指不同频频率的信号号成分传输输同样的距距离所需要要的时间之之差。图1-12 色散引起的的脉冲展宽宽示意图光纤中的色色散可分为为模式色散散、色度色色散、偏振振模色散。色色度色散、也也称为模内内
46、色散，又又可以分为为材料色散散和波导色色散，模式式色散也称称为模间色色散。一般般情况下单单模光纤中中不存在模模式色散。3.5.2.1 模式色散对于多模中中不同模式式的光束有有不同的群群速度，在在传输过程程中，不同同模式的光光束的时间间延迟不同同而产生色色散，称模模式色散。模模式色散主主要存在于于多模光纤纤中。3.5.2.2 色度色散由于光源的的不同频率率（或波长长）成分具具有不同的的群速度，在在传输过程程中，不同同频率的光光束的时间间延迟不同同而产生色色散称为色色度色散。色色度色散包包括材料色色散和波导导色散。材料色散：由于材料料折射率随随光信号频频率（波长长）的变化化而不同，光光信号不同同频
47、率（波波长）成分分所对应的的群速度不不同，由此此引起的色色散称材料料色散。波导色散：由于光纤纤波导结构构引起的色色散称波导导色散，它它的大小可可以和材料料色散相比比拟。一般在单模模光纤中只只考虑材料料色散和波波导色散。色散系数就就是单位波波长间隔内内光波长信信号通过单单位长度光光纤所产生生的时延差差，用D表示，单单位是。3.5.2.3 偏振模色散散（）图1-13 偏振模色散散由于信号光光的两个正正交偏振态态在光纤中中有不同的的传播速度度而引起的的色散称偏偏振模色散散，它也是是光纤的重重要参数之之一。在实际的光光纤中，由由于光纤制制造工艺造造成纤芯截截面一定程程度的椭圆圆度，或者者是由于材材料的热涨涨系数的不不均匀性造造成光纤截截面上各向向异性的应应力而导致致光纤折射射率的各向向异性，这这两者均能能造成两个个偏振模传传播速度的的差异，从从而产生群群时延的不不同，形成成了偏振模模色散，见见图1-一一三。由于于引起偏振振模色散的的因素是随随机产生的的，因而偏偏振模色散散是一个随