光纤通信第1章 概论.ppt

第第1 1章章 概论概论 第第1章章 概论概论 1.1 光纤的基本性质光纤的基本性质 1.2 光纤通信要解决的问题光纤通信要解决的问题 1.3 光纤通信发展历史回顾及现状光纤通信发展历史回顾及现状 第第1 1章章 概论概论 1.1 光纤的基本性质光纤的基本性质 从通信的角度，人们在研究信道问题时，最关注的是信道引起的信号衰减和信号畸变。信号衰减从能量的角度限制了信号的传递，而信号畸变则从信号检测精度的角度限制了信号的传递。因此，本节主要介绍光纤引起光信号能量损失及光信号畸变的各种特性。第第1 1章章 概论概论 1.1.1光纤的结构、材料及制造工艺1.光纤的结构光纤是一种丝状的圆柱光波导，它将光封闭在其内进行传递。大家知道，光是一种电磁波，其传播规律可由麦克斯韦方程来描述。当它所传播的空间中介质的物理变化尺寸远大于光的波长时，光的传播可用简化了的射线理论描述。从射线光学的角度看，光纤是一种利用全反射原理进行光信号传递的导波介质。下面我们从射线光学的角度简单介绍一下光在光纤中的传输原理。光在两种均匀介质分界面上的行为如图1.1所示，第第1 1章章 概论概论 图1.1光的反射与折射第第1 1章章 概论概论 MM为两介质的分界面，NN为MM面的法线，n1和n2分别为两介质的折射率。光在均匀介质中沿直线传播，当光入射到两个介质的分界面时，一部分光将反射回原传播介质成为反射光，另一部分光将进入另一介质成为折射光。光的反射服从反射定律：反射光线位于入射光和法线NN所决定的平面，反射光与入射光分居法线的两侧，反射角1 等于入射角1。光的折射服从折射定律：折射光线位于入射光和法线NN所决定的平面，折射光与入射光分居法线的两侧，入射角1与折射角2的关系为(1.1)第第1 1章章 概论概论 图1.2所示，当光线从折射率大的介质进入折射率小的介质时，根据折射定律，折射角将大于入射角，当入射角增大时，折射角也随着增大，当入射角增大到0时，折射角等于90，0被称为临界角。由式(1.1)，临界角为(1.2)第第1 1章章 概论概论 图1.2全反射过程示意图第第1 1章章 概论概论 当入射角大于临界角时，光由两介质的界面全部反射回原介质，这种现象称为全反射。在全反射情况下，光能无损失地返回原介质。显然，只有当光从折射率大的介质进入折射率小的介质时，才能产生全反射。光纤就是依据全反射原理构造的一种光波导，为了将光信号封闭在光纤中传输，根据全反射原理，光纤从纤芯到纤芯外部，折射率应有某种递减的规律，以保证全反射现象的出现。第第1 1章章 概论概论 图1.3为一种最基本的光纤结构，这种光纤称为阶跃光纤，其纤芯折射率n1大于包层折射率n2。光纤横截面上折射率分布如下式：(1.3)第第1 1章章 概论概论 图1.3阶跃光纤的结构及折射率分布示意图第第1 1章章 概论概论 设光线以某一角度射入光纤端面，进入光纤后又以角度射入到纤芯和包层之间的界面上。因为纤芯折射率n1大于包层折射率n2，所以纤芯与包层的界面上有一个产生全反射的临界角m，相应的在光纤端面上也有一临界端面入射角0。如果0，则光纤内包层界面入射角m，这时不会产生全反射，光线将有一部分进入包层而跑到光纤外面去，造成能量损失，经多次反射后光能将全部损耗掉，无法实现光的长距离传输。如果端面入射角小于0，则光纤内包层界面处的入射角大于m，满足全反射条件，入射光线将在纤芯和包层的分界面上不断地来回反射，实现光的无损耗传输。第第1 1章章 概论概论 2.光纤材料及制造工艺目前通信用光纤主要是用高纯度的玻璃材料制成的。按玻璃内所含化学元素组分的不同，大体上可分为以石英玻璃（SiO2）为主的石英系光纤和普通的多组分玻璃光纤两类。普通的多组分玻璃是在SiO2中含有较多成分的碱金属氧化物和硼、铝等氧化物。它的熔融温度比石英玻璃低得多，制造成光纤后的抗拉强度也低得多。因而目前通信中主要使用的是石英光纤。下面结合石英光纤介绍光纤的制造工艺。第第1 1章章 概论概论 制造光纤时，一般先熔制出一根合适的玻璃棒，如图1.4所示。以制造阶跃光纤为例，玻璃棒的包层和纤芯的主体材料都是石英玻璃，即透明的SiO2。石英玻璃的折射率为1.458。欲使光在光纤纤芯中传输，必须使纤芯的折射率稍高于包层的折射率。为此，在制造纤芯玻璃时均匀地掺入少量的比石英折射率稍高的材料，而制造包层玻璃时均匀地掺入少量的比石英折射率稍低的材料，这样就制成了拉制纤维的原始棒体材料，通常把它叫做光纤的预制棒。然后将预制棒放入高温拉丝炉中加温软化，以相似比例的尺寸拉成线径很小的又长又细的玻璃丝。这种玻璃丝中的芯和包层的厚度比例及折射率分布与原始的光纤预制棒的完全一样，这种玻璃丝就是我们所说的光纤。第第1 1章章 概论概论 图1.4光纤的制造工艺(a)预制棒；(b)拉丝第第1 1章章 概论概论 1)光纤预制棒的制造工艺光纤预制棒的熔炼工艺很多，主要有管内化学气相沉积法和管外化学气相沉积法。管内化学气相沉积法是目前制造高质量石英光纤比较稳定可靠的方法，通常被叫做改进的化学气相沉积法（MCVD法）。它的特点是在石英反应管内沉积内包层和芯层的玻璃，整个系统是处在封闭的超提纯状态下，所以用这种方法制得的预制棒可以生产高质量的单模和多模光纤。MCVD法制造光纤预制棒的示意图如图1.5所示。制造过程分两步：第第1 1章章 概论概论 图1.5第第1 1章章 概论概论 第一步，先熔制光纤的内包层玻璃，内包层玻璃的折射率要比石英折射率稍低。选用液态的四氯化硅（SiCl4）作为主体材料，选用氟利昂（CF2Cl2）、六氟化硫（SF6）、四氟化二碳（C2F4）等低折射率材料作 为 掺 杂 的 试 剂。把 一 根 外 径 1825mm，壁 厚1.42mm的石英反应管夹在玻璃车床上。用超纯氧气（O2）和氩气（Ar）作为载运气体通过SiCl4和掺杂试剂的蒸发瓶后，含有SiCl4、CF2Cl2等物质的载运气体就一起导入石英反应管。第第1 1章章 概论概论 当玻璃车床旋转时，用14001600的高温氢氧火焰加热石英反应管的外壁，这时，管内的SiCl4和CF2Cl2等试剂在高温下起氧化反应：SiCl4+O2 SiO2+2Cl2(1.4)2CF2Cl2+4SiCl4+2O2 SiF4+2Cl2+2CO2(1.5)高温高温第第1 1章章 概论概论 反应形成粉尘状氧化物（SiO2SiF4等），沉积在高温区气流下游的管内壁上，当氢氧火焰的高温区经过这里时，就在石英反应管的内壁上形成一层均匀透明的掺杂玻璃SiO2SiF4。氯气（Cl2）和没反应完的材料均从石英管的尾端排出去。氢氧火焰来回左右移动，每移动一次，就在石英反应管内壁上沉积一层透明的玻璃薄膜，这样不断地重复沉积，就在反应管的内壁上形成一定厚度的SiO2SiF4玻璃层，作为纤维的内包层。第第1 1章章 概论概论 第二步，熔制纤芯玻璃，纤芯的折射率比包层的折射率要稍高，可选用的掺杂材料有三氯氧磷、四氯化锗等。同样用超纯氧气把掺杂物质带入反应管中进行反应，经过一段时间的沉积后，就得到一定厚度的纤芯玻璃。为了消除反应管中最后还留下的小孔，可以加大火焰或降低火焰左右移动的速度，并保持石英反应管的旋转状态，使石英管外壁的温度达到1800左右。石英反应管在高温下软化收缩，最后形成一个实心的预制棒。原石英反应管和沉积的玻璃熔为一个整体，成为光纤的外包层，外包层不导光。第第1 1章章 概论概论 将MCVD法中的氢氧火焰加热改为微波腔体加热就是所谓的等离子体激活化学气相沉积法(PCVD)。它的原理是把中小功率的微波能量送入谐振腔中，使谐振腔内石英反应管内的低压气体受激产生辉光放电来实现加温氧化沉积玻璃。这种工艺的特点是：（1）沉积温度低于相应的热反应温度，反应管不易变形；（2）由于气体电离不受反应管的热容量的限制，微波加热体可沿反应管做快速往返运动，沉积厚度可小于1m，从而可制造出多达上千层的接近理想分布的折射率剖面；第第1 1章章 概论概论 （3）光纤几何特性和光学特性的重复性好，适合于批量生产；对SiCl4的沉积效率接近100%，沉积速度快，有利于降低成本。光纤预制棒的管外化学气相沉积法有两种：气相轴向沉积法（VAD）和棒外气相沉积法（OVPD）。这两种方法就原理而言是相同的，它们沉积玻璃的示意图如图1.6所示。VAD法制作光纤预制棒的过程是把经过提纯的化学试剂，如SiCl4、GeCl4、SiHCl3等以气态送入氢氧火焰喷灯，使之在氢氧火焰中水解，生成石英玻璃微粒粉尘。这些粉尘被吹附在种子石英棒的下端并沉积下来，这样沿轴向就生长出由玻璃粉尘组成的多孔粉尘预制棒。这种多孔粉尘预制棒被向上提升，通过一管状的加热器，被烧结处理，熔缩成透明的光纤预制棒。第第1 1章章 概论概论 VAD法的特点是：（1）靠大量的载送化学试剂的气体通过氢氧火焰，大幅度地提高氧化粉尘的沉积速度，比MCVD法要快510倍；（2）一次性形成相当于纤芯和包层组成的粉尘棒，然后分段熔融，并通入氦气、氯气以及氯化亚砜（SOCl2）进行脱水处理，使光纤玻璃中OH-含量很低，适合于制造长波长低损耗光纤。第第1 1章章 概论概论 图1.6光纤预制棒的管外化学气相沉积法示意图(a)VAD法沉积光纤预制棒；(b)OVPD法沉积光纤预制棒第第1 1章章 概论概论 OVPD法的沉积顺序与MCVD法相反，它是先沉积芯层，后沉积包层。如芯棒是一根合成的高纯石英玻璃时，则只需沉积包层材料。最后的工艺是把沉积的疏松的管棒材放入烧结炉中进行脱水处理，烧结成透明的预制棒。该方法的优点如下：（1）能生产出大型的预制棒；（2）不需要高质量的石英管做套管；（3）棒芯中杂质含量极低；（4）几何尺寸精度高；（5）能大规模生产，成本低。第第1 1章章 概论概论 2)光纤的拉制工艺将光纤预制棒拉制成光纤的示意图如图1.7所示。预制棒由送料机构以一定的速度均匀地送往管状加热炉中，预制棒尖端热到一定温度时，棒体尖端的粘度变低，靠自身重量逐渐下垂变细而成纤维。该纤维被拉引到牵引辊绕到卷筒上，在一定的牵引速度下拉制出所要求的光纤。在拉丝过程中，纤维丝径由激光线径测量仪监测，并利用监测结果控制拉丝速度及送料速度，以得到合格的产品。由预制棒拉制成的光纤的截面折射率分布可以完全保持预制棒原有的折射率分布。这是因为玻璃中的分子扩散要比晶体中的难得多。即使使用2000的高温去熔融预制棒，已掺入棒体中的掺杂物质也不会扩散，仍保持原预制棒中折射率分布。第第1 1章章 概论概论 图1.7光纤拉丝工艺过程示意图第第1 1章章 概论概论 2)光纤的拉制工艺将光纤预制棒拉制成光纤的示意图如图1.7所示。预制棒由送料机构以一定的速度均匀地送往管状加热炉中，预制棒尖端热到一定温度时，棒体尖端的粘度变低，靠自身重量逐渐下垂变细而成纤维。该纤维被拉引到牵引辊绕到卷筒上，在一定的牵引速度下拉制出所要求的光纤。在拉丝过程中，纤维丝径由激光线径测量仪监测，并利用监测结果控制拉丝速度及送料速度，以得到合格的产品。第第1 1章章 概论概论 由预制棒拉制成的光纤的截面折射率分布可以完全保持预制棒原有的折射率分布。这是因为玻璃中的分子扩散要比晶体中的难得多。即使使用2000的高温去熔融预制棒，已掺入棒体中的掺杂物质也不会扩散，仍保持原预制棒中折射率分布。第第1 1章章 概论概论 3)光纤的涂覆和套塑工艺从预制棒拉出的光纤还不能直接使用，这是因为它达不到实际使用的强度要求。玻璃与金属不同，是脆性断裂材料，它的抗拉和抗弯能力都较差。实际拉出的光纤由于制造工艺的不完善，强度将进一步下降。制造中造成强度下降的主要原因如下：（1）预制棒在制造中可能存在杂质和气泡，这些杂质和气泡会转移到光纤中。由于杂质的膨胀系数与周围玻璃不同，可能导致裂纹，造成强度的下降；气泡对强度的影响将更大。第第1 1章章 概论概论 （2）拉丝过程中，拉丝炉的温度稳定性、周围环境中的粉尘及拉丝卷绕等有可能使光纤表面出现划痕、裂纹等机械损伤，影响光纤的强度。拉出的光纤如果直接使用，除会造成进一步机械损伤外，周围环境中的水分等有害物质将对光纤造成腐蚀，使光纤表面的裂纹扩展，降低光纤强度。总之，直接拉出的光纤的抗拉能力只有100g左右，无法使用。因此，为保护光纤表面，提高抗拉强度和抗弯曲强度，还要对光纤进行涂覆和套塑处理。第第1 1章章 概论概论 图1.8光纤的涂覆工艺示意图第第1 1章章 概论概论 光纤的涂覆是与拉丝工艺同时进行的。当光纤向下拉制时，光纤表面的微裂纹尚没与空气中水分等发生反应或扩大，就迅速地进行涂覆来保护光纤的表面。涂覆材料一般是硅酮树脂和丙烯酸脂类材料。图1.8为光纤的硅酮树脂涂覆工艺示意图。通常涂覆都在两层以上，里面的一层用折射率比石英玻璃稍大的变性硅酮树脂，可以用来吸收透过包层的光，涂覆厚度一般为30150m。外面的第二层是普通的硅酮树脂，而且涂层较厚。第第1 1章章 概论概论 两次涂覆后的外径约为0.80.9mm，有利于提高光纤的低温性能和抗微弯性能。两次涂覆中涂覆层的厚度可通过调节涂覆器端头的小孔直径和锥角来控制。涂覆后的光纤在树脂干燥炉中用几百度的温度对树脂进行固化。酮树脂涂覆的涂层较厚，低温性能和抗微弯性能好，但由于温度固化速度较慢，它的拉丝速度也比较慢。第第1 1章章 概论概论 丙烯酸脂类材料的涂覆工艺与硅酮树脂的涂覆工艺类似，不同之处是丙烯酸脂类材料使用的涂层固化方法为紫外光固化。由于光固化速度快，这种涂覆的拉丝速度也快。涂覆后的外径在200500m。经涂覆之后的光纤可承受几千克的拉力，要实际使用还需套塑来保护光纤的涂覆层并进一步增加光纤的机械强度。套塑分紧套和松套两种。紧套是在涂覆层的外面再紧紧地套上一层尼龙或聚乙烯等塑料，塑料是紧贴在涂覆层上的，光纤与套塑层之间不能自由活动。松套就是在涂覆的光纤上再包上塑料套管，光纤可以在管内自由活动。图1.9是紧套光纤和松套光纤结构示意图。第第1 1章章 概论概论 图1.9紧套光纤和松套光纤结构图(a)紧套光纤结构图；(b)松套光纤结构图第第1 1章章 概论概论 对于紧套光纤来说，由于涂覆材料和套塑材料的膨胀系数不一样，为了降低温度变化引起的微弯损耗，一般要求涂覆层厚些，套塑层薄些，因此，硅酮树脂涂覆适合于紧套工艺。而涂层较薄的丙烯酸脂类材料的涂覆工艺适合于松套工艺。在松套结构工艺中，考虑到塑料管的膨胀系数比石英光纤大3个数量级的因素，塑料管的直径应选得大些，使紧靠管壁的光纤中心到套塑管中心的距离大于0.3mm，这样就可使光纤在套塑管收缩时在管内滑动自如，改善低温特性。第第1 1章章 概论概论 图1.10是紧套光纤的套塑工艺示意图。套塑时，涂覆光纤从安装在模具内部并与模具同心的导向管中穿过，在模具出口处涂覆上溶化了的套塑材料，经过冷却水槽，套塑材料被冷却固化，再送到收丝的转轮上。模具出口处的尺寸决定了套塑层的厚度和外径。套塑后，由于冷却固化，套塑材料将会收缩，造成光纤的微弯，增大光纤的传输损耗。为减少这种因套塑引起的附加损耗，应该使套塑材料的冷却速度、挤压速度和光纤的牵引速度之间的关系达到最佳值。一般来说，涂覆的厚些，套塑的薄些，光纤的低温特性就会好一点。第第1 1章章 概论概论 图1.10紧套光纤的套塑工艺示意图第第1 1章章 概论概论 光纤经过涂覆和套塑后已具有一定的抗拉强度，但一般还经不起实用场合的弯曲、扭曲和侧压力的作用。为此，欲使成品光纤达到通信工程的实用要求，必须像通信用的各种铜线电缆那样，借用传统的绞合、套塑、金属带铠装等成缆工艺，将光纤成缆，使之既保持光纤原有的传输特性，又具备满足实际工程使用要求的机械性能。具体的光纤成缆工艺请参见有关专著，在这里不再赘述。第第1 1章章 概论概论 1.1.2光纤传输衰减当光在光纤中传输时，光纤对光信号的功率有衰减，光的强度将会减弱，这是光纤的一个重要性质。若P0是入射光的强度，则传输距离L后的光强度为(1.6)第第1 1章章 概论概论 其中是衰减常数，其单位为长度单位-1。在通信中习惯用单位dB/km来表示光纤的衰减，单位之间的换算关系为(1.7)光纤对光信号产生衰减的原因很多，有的是光纤材料固有的，有的是使用中造成的，可以归纳为吸收衰减、散射衰减和工程应用中造成的衰减。第第1 1章章 概论概论 1.材料吸收衰减吸收衰减就是光纤材料中的某些粒子吸收光能以产生振动，并以热的形式散失掉。造成吸收的原因主要是材料中存在着不需要的杂质离子，特别是过渡金属离子铜（Cu2+）、铁（Fe2+）、钴（Co2+）、锰（Mn2+）、镍（Ni2+）、钒（V）等和氢氧根负离子（OH-）。这些离子在光波的激励下发生振动而消耗光能。每一种杂质离子都有自己的吸收带，其中有害的过渡金属杂质离子的吸收带都处在0.51.1m的波段内，而OH-的基波吸收峰在2.73m，二次谐波吸收峰在1.38m，三次谐波吸收峰在0.95m。要降低材料的吸收衰减，必须对制造光纤的原材料进行严格的化学提纯，要求杂质过渡金属离子含量下降到10-6级，含氢化合物的杂质含量控制在110-6以下。第第1 1章章 概论概论 2.光纤的散射衰减光在光纤内传播过程中遇到不均匀或不连续的情况时，会有一部分光散射到其它方向上，不能传输到终点，从而造成光能的衰减。1)材料散射材料散射包括材料固有的不均匀性造成的散射和材料制造缺陷造成的散射。光纤材料在加热过程中，由于热运动，使原子受到压缩性的不均匀或起伏，造成材料密度起伏，进而使折射率不均匀，并在冷却过程中被固定下来。这种密度不均匀引起的散射，是一种本征散射。第第1 1章章 概论概论 由于不均匀的长度通常比波长短，因此这种散射是瑞利散射，它与波长的四次方成反比，其衰减系数可表示为(1.8)这里常数C在0.70.9dB/(kmm4)范围内，其具体值与纤芯的成分有关。其次，在纤芯制造过程中的缺陷，如杂质、气泡、不溶解离子及折晶等，也会引起散射衰减。降低这种衰减的办法是在熔炼光纤预制棒和拉丝时，选择合适的工艺，以避免上述问题的出现。第第1 1章章 概论概论 2)光波导结构的不完善引起的散射衰减实际制造的光纤并不是理想的圆柱光波导，将会引起光的散射。其中一种是由几何尺寸的变化造成的散射。在拉制光纤时，由于工艺的不完善，会造成粗细不均和截面形状改变等，当光波传播到这里时，会有部分光辐射出光纤，造成衰减。降低这种衰减除了要求熔炼预制棒时注意几何精度外，在拉丝工艺上要切实采取措施，保证光纤的尺寸均匀。光纤波导不理想造成散射的另一种原因是光纤纤芯和包层界面的不平滑性。第第1 1章章 概论概论 光在光纤中传输时，当遇到不平滑的包层界面，除了有一部分光会穿透光纤芯与包层的界面造成损失外，还会引起模式的变换。降低这种影响的办法是在制做光纤时，人为的制造一层光滑的包层界面，例如，在MCVD工艺中选择几何尺寸均匀的包层管，沉积一定厚度的光滑的内包层。第第1 1章章 概论概论 总之，在以上所讲的各种衰减中，除原材料的杂质吸收和瑞利散射外，其它衰减都是制造工艺不完善造成的。当衰减在1000dB/km时，绝大部分的光衰减是由材料杂质吸收产生的；当衰减下降到10dB/km以下时，波导散射和材料散射引起的衰减就占比较重要的地位了。图1.11给出了石英光纤的衰减与波长之间的关系曲线，可以看出，石英光纤有三个衰减区，或者称为三个传输窗口。第一个窗口在0.9m附近，通常称为短波长窗口；第二、三个窗口分别在1.3m和1.55m附近，各有100nm左右的宽度，通常这两个窗口称为长波长窗口。第第1 1章章 概论概论 图1.11石英光纤的衰减与波长之间的关系曲线第第1 1章章 概论概论 3.光纤工程应用中造成的衰减光纤工程应用中造成的衰减主要有弯曲衰减、微弯衰减和接头衰减。光纤是柔软的，可以弯曲，如果弯曲的曲率半径太小，会使全反射传播条件被打破，使光从纤芯泄漏到包层并损失掉。弯曲损耗常发生在成缆、现场铺设及光缆接头等场合。导致弯曲损耗的曲率半径一般远大于光纤的横截面尺寸。微弯衰减与弯曲衰减类似，是光纤局部弯曲造成的。微弯是一些随机的，其曲率半径可以与光纤的横截面尺寸比拟的畸变，常发生在套塑、成缆及光纤周围温度发生变化的场合。通信用的长光纤实际上是由许许多多的短光纤连接而成的。在光纤的连接部分将产生光的衰减，造成衰减的原因是光纤的对接误差及局部的折射率变化。第第1 1章章 概论概论 1.1.3光纤色散光是一种电磁波，当光与光纤这种电介质相遇时会发生相互作用，介质的响应通常与光波的频率有关，这种特性称为色散，它表明折射率对频率的依赖关系。一般来说，色散的起源与介质通过束缚电子的振荡吸收电磁辐射的特征谐振频率有关。远离介质谐振频率时，折射率可由Sellmeier方程近似表示为(1.9)第第1 1章章 概论概论 这里j是谐振频率，Bj是j阶谐振强度，求和号包含了所有对感兴趣的频率范围有贡献的介质谐振频率。对石英材料而言，取前三个谐振频率处的值，即可得到折射率的比较精确的结果，这些参数为B1=0.6961663,B2=0.4079426，B3=0.8974794，1=0.0684043m，2=0.1162414m，3=9.89616m。这里=2c/j，c为真空中的光速。第第1 1章章 概论概论 光纤材料的色散特性将使在其中传输的光信号的不同频率成分有不同的传输速度，经过一段距离的传播后，这些频率成分之间将存在相对时间延迟，造成信号畸变，对通信是有害的。在光纤中，还有一种由于传播路径不同造成的信号不同成分之间的相对时间延迟，为了名称上的统一，称之为路径色散。考察图1.3，从射线光学的角度看，凡是送入光纤中的光在芯-包分界面上的入射角大于临界角的，都可形成有效的传输。现在假设光信号由单一频率成分组成，由于从不同角度射入光纤的光成分的传播的路径不同，虽然传播速度相同，经过一段纵向距离传播后将造成相对延迟，使信号产生畸变。第第1 1章章 概论概论 1.1.4光纤的非线性在高强度电磁场作用下，任何电介质对光的响应都会变成非线性，光纤也不例外。介质非线性响应的起因与其束缚电子的非谐振运动有关。在强电磁场作用下的这种束缚电子的非谐振运动表现为电偶极子的极化强度对电场的非线性。极化强度P的非线性可表示为(1.10)第第1 1章章 概论概论 式中0为真空中的介电常数，(j)(j=1,2,3,#:)为j阶电极化率，考虑介质的各向异性，(j)是j+1阶张量，、分别表示相应阶数的张量乘积。在上式中，线性极化率(1)对 P 的贡献是主要的，在各向同性介质中，它与折射率的关系为(1.11)一般来说，高阶极化系数都比较小，理论研究表明，相邻的两极化系数之间的比值是个非常小的量，近似为(1.12)第第1 1章章 概论概论 其中，Ea为原子内的平均电场强度，约为108V/cm。在大多数应用中，与介质相互作用的电场的强度远小于Ea，故非线性效应可以忽略。但在光纤通信中，由于光纤芯径很小，纤芯中的强度可以很高，并且由于光纤的衰减很小，非线性作用的持续时间有可能很长，这就使得光纤中的非线性效应变的不可忽略。第第1 1章章 概论概论 在非线性光学领域，许多重要光学现象都来自二阶和三阶电极化率，如，二阶电极化率(2)对应于二次谐波的产生及混频运转等非线性效应；三阶电极化率对应着三次谐波、克尔效应、双光子吸收、喇曼散射、布里渊散射、自相位调制及四波混频等。然而，二阶非线性效应和三阶非线性效应实际上是不会在同一种介质中产生的。二阶和三阶电极化率与介质的结构有关。二阶电极化率只在某些结构非反演对称的介质中才出现，而三阶电极化率则出现在中心对称的介质中。目前通信中使用的石英光纤是中心对称结构，所以只有三阶非线性效应产生。在光纤通信中，我们主要考虑受激喇曼散射、受激布里渊散射、自相位调制、交叉相位调制及四波混频等非线性效应。第第1 1章章 概论概论 1.2 光纤通信要解决的问题光纤通信要解决的问题 大家知道，通信的目的是为了实现位于不同地理位置上的用户之间的信息传递，由于每个用户都可能与许多用户建立通信联系，要实现这些用户之间的通信，就需将这些用户以某种方式联系起来。这些将诸多用户联系起来的通信系统就组成了所谓的通信网。图1.12为用户利用一个通信网传递信息的示意图。第第1 1章章 概论概论 图1.12通信网示意图第第1 1章章 概论概论 通信网可以由多种方法组建，一种方法是将所有要传递信息的用户之间都用固定通信系统网状连接起来，这在经济上是不可行的，在使用上也是没有必要的。合理的方法是根据信息的需求量，依据资源共享和效益的原则组建通信网。例如，现代通信网的传输网部分对所有用户是共享的，在接入网部分有一定的独占性，采用这种方式可以实现信息传输设备的共享，大大降低信息的传输成本。现代通信网就是利用资源共享的原则构筑的一个高效、大容量信息传送网。目前在地球上及太空中几乎所有有人类活动的地区都建立了通信网，这个通信网可以在很大程度上满足人们对信息传递的要求。第第1 1章章 概论概论 现代通信网主要由三大类设备组成。第一类设备是用户终端设备，它承担用户信息的转换、发送及接收；第二类设备为传输设备，承担信息的传输任务；第三类设备是转接交换设备，它完成接入交换节点的信息的汇集、转接接续和分配。要制造这些设备并构筑一个高效的通信网，需要用到传输技术、组网技术、网络管理技术、网络监控技术及网络工程建设与维护技术等多方面技术。传输技术包括光传输、微波传输及铜缆传输技术，用于实现点对点（或广播式点对多点）的信息传送；第第1 1章章 概论概论 组网技术包括网络设计、通信协议、信息交换及相关信息分配等技术，用于连接传输设备，通过选路将信息送到接收点；网络管理技术主要用于对网络的性能、故障、网络配置、网络安全及网络所支撑的各种业务进行管理，以保证通信网的高效运转；网络监控技术用于收集各种告警信息，将其存储、综合及告知网络管理者，并执行网络管理者下达的各种控制命令；网络工程建设与维护技术包括各种通信设备的施工安装及通信设施的日常维护技术，用于保证通信网的正常运行。第第1 1章章 概论概论 光纤通信主要是一种信息传输技术。当然，网络管理技术、网络监控技术及网络工程建设与维护技术与光纤通信技术也是密切相关的。本节主要探讨作为传输技术的光纤通信技术要解决的基本问题。第第1 1章章 概论概论 1.2.1光纤通信系统光纤通信系统的原理方框图如图1.13所示。图中给出了一个方向的传输结构，反方向的传输结构是相同的。其中，电端机的作用是对来自信息源的信号进行处理，如模/数变换、多路复用等，它是常规的通信设备。第第1 1章章 概论概论 图1.13光纤通信系统原理框图第第1 1章章 概论概论 光端机的发射端将电信号变成光信号，输入光纤中传输。光端机的接收端将光信号还原成电信号，经放大、整形及再生恢复原形后，输入到电端机，完成整个光信号的传输过程。对于长距离的光传输系统，由于光纤对信号产生的衰减及畸变效应，为保证信号的传输质量，经过一段距离的传输后，需采用中继器对衰减和畸变了的光信号进行放大、整形，再生成一定强度的光信号，继续向前传送。第第1 1章章 概论概论 为了提高通信系统的传输速率，一方面要提高发射机和接收机的转换速率，另一方面要提高光纤的传输带宽。从光纤传输的实际情况来看，光纤的传输带宽要远高于电光转换和光电转换系统及电子系统的带宽。就目前的材料及工艺水平来看，电子系统的带宽最高能达到100Gb/s，商用光传输系统以时分复用方式达到的最高传输速率为10Gb/s。而这个带宽只达到光纤可用带宽的1%。显然，要进一步提高光纤通信系统的速率，就必须采用新的技术。多信道光传输技术，即光波分复用技术就是在现有光电子技术水平下可以大幅度提高通信容量的一种技术。第第1 1章章 概论概论 所谓光波分复用，在原理上与传统无线电通信中的频分复用完全相同，即同时在不同的频段上传输多路信号，以此来扩大通信容量。在光学频段，一般将传输不同信号的频段之间的间隔大于100GHz的复用通信称为波分复用，而将间隔小于100GHz的复用通信称为频分复用通信。在波分复用中又将同一窗口开的多路通信称为密集波分复用通信。图1.14所示为大量使用的采用开放式结构的点对点WDM系统。图中所示OTM为光终端，TM为SDH终端，OTU为 光 波 长 转 换 器，OMUX为 合 波 器，ODMUX为分波器，OBA为功率放大器，OLA为线路放大器，OPA为前置放大器。第第1 1章章 概论概论 图1.14点对点WDM系统结构第第1 1章章 概论概论 1.2.2光纤通信要解决的基本问题从信息传输的角度，人们希望光纤通信系统能将频带尽可能宽的信号以尽可能低的成本传输到尽可能远的地方。为了实现这个目的，根据光纤传输系统的组成，在传输领域，光纤通信要解决光纤线路问题及基于光纤传输的光发射及光检测问题。1光纤线路问题光纤线路是传输光信号的通道，与之相关的问题很多，具体有以下一些技术问题：第第1 1章章 概论概论 （1）光纤的设计与制造问题。从通信的角度，作为传输介质的光纤的通信频带应尽可能宽，对光信号的损耗尽可能小，对光信号的的畸变也应尽可能小，并且机械性能能满足实际工程使用要求。这就要解决光纤的材料问题、光纤的结构设计问题及光纤的制造问题。为充分利用密集波分复用通信技术挖掘光纤的带宽资源，还必须根据密集波分复用通信的特点来设计光纤，研制开发适合不同需求的新型光纤。（2）光信号的放大问题。由于光纤对信号的衰减总是存在的，在光纤的传输线路中就需要解决光信号的放大问题，在密集波分复用通信中要求光放大器有足够的带宽，并且在带宽范围内增益要足够平坦。第第1 1章章 概论概论 （3）光信号码形的控制问题。由于光纤的色散和非线性，对信号的畸变总是存在的，在光纤的传输线路中就需要解决光信号码形的问题。（4）光通道中噪声的抑制问题。在光纤线路中，由于多种因素的影响，有可能出现信道噪声，为抑制信道噪声，需解决信道的滤波问题。（5）光通道中反向噪声的隔离问题。在光传输信道中，器件的连接、耦合及非线性等因素都可能引起与光传输方向相反方向的反向噪声，这种噪声会干扰激光器及光放大器等有源光器件的正常工作，需解决这种噪声的隔离问题。第第1 1章章 概论概论 （6）光路控制问题。在光传输中有时要对光信号进行分路，对不同通道的光信号进行分波或合波，以及对光信号按要求进行选路，因此需解决光路的控制问题。（7）目前全世界范围内光缆的铺设量非常巨大，而绝大多数光纤光缆是为单信道通信设计的，为了保护已投入的巨额资金，必须研究已铺设光缆的扩容问题。（8）密集波分复用通信中的非线性光学现象是决定通信容量的最终因素。但目前对光纤中非线性光学问题的研究还不是很深入，尚需做大量工作。（9）其它工程问题。第第1 1章章 概论概论 2基于光纤传输的光发射及光检测问题基于光纤传输的光发射及光检测问题主要包括以下具体技术问题：（1）光源问题。为了在光纤中传输信号，需将电信号变成光信号，这就需要解决将电信号转变成光信号的光源技术问题。（2）适合于光传输的编码问题。由于光信号只有单极信号，还要根据这个特点解决适合光信号传输的编码问题。（3）光检测问题。光信号传输到接收点后，还要转变成电信号，因此光通信中要解决光信号的检测问题。第第1 1章章 概论概论 （4）光通信技术体制问题。光通信所用电磁波的频率远高于传统的无线通信所用电磁波的频率，与传统通信相似，光纤通信也需研究通信的体制问题，以提高光纤通信的技术性能。（5）密集波分复用系统中光波长稳定技术及窄谱线宽度的光源技术。在密集波分复用通信中，由于信道间隔较小，各信道宽度很窄，这就要求采取特殊措施将各路信号的中心波长稳定在信道的中心波长处，以免信号偏离出信道，影响信号传输。第第1 1章章 概论概论 （6）光信号的调制问题。在一些高速光纤通信系统中，有时需要采用外调制技术将电信号转变成光信号，故还需要解决光信号的调制问题第第1 1章章 概论概论 1.3 光纤通信发展历史回顾及现状光纤通信发展历史回顾及现状早在19世纪人们就知道在光纤中利用全反射原理可以传光，并在19世纪20年代就制成了无包层的玻璃光纤。但直到20世纪50年代，才知道包层的使用能够改善光纤的光学特性。当时制作的光纤的损耗约为1000dB/km，人们主要是利用光纤束传输图像。到20世纪60年代，人们认识到通过降低光纤材料中的杂质，可以大大降低光纤的损耗，使人们看到了利用光纤进行通信的可能性，进而开始了光纤通信技术的研究。第第1 1章章 概论概论 近30年来，光纤通信得到了飞速发展，信息传送网已从以铜缆和微波传送为基础的网络体系发展到以光传送网为主体的光电混合网络体系，并正在向全光网方向过渡。光纤通信之所以发展迅速，主要是它的可用频带特别宽，仅在长波长窗口，就有约20THz的可用带宽，另外，光纤还有重量轻、不受电磁干扰、中继距离长等优点。我们认为，光纤通信在过去30多年的发展过程中经历了三个发展阶段。从技术特征上看，第一阶段是技术开发阶段，第二阶段为单信道技术大发展阶段，第三阶段是多信道技术大发展阶段。目前正处在第三阶段，下面我们简单介绍一下光纤通信各个发展阶段的概况。第第1 1章章 概论概论 1.3.1光通信技术开发阶段光纤通信的第一发展阶段为技术开发阶段，大约是从1966年到1985年这一时期。这一阶段主要开展光纤通信器件技术研究及系统技术研究，通过铺设短距离线路，组建小容量系统，在实验场合考察和验证实验系统技术、性能指标的可行性，在经济效益和社会效益上与其它通信方式相比，是否具有竞争力。第第1 1章章 概论概论 1966年，英籍华人高锟（C.K.Kao）和Hockham指出，利用玻璃可以制成衰减为20dB/km的光导纤维，实现通信。这是一个非常大胆和科学的预见，它引发了对光纤通信技术的研究，是光纤通信历史上的一个重大事件。因为当时最好的光学玻璃的衰减约为1000dB/km左右，这一预见引起了极大的争议，只有少数有远见卓识的科学家支持这一预见，并支持开展光纤技术的研究。1970年，美国康宁玻璃公司的Maurer等在世界上首先制出衰减为20dB/km的光纤，取得了重大突破。这使得人们真正看到了光纤通信的可行性。之后，世界各发达国家纷纷开展光纤通信技术的研究。第第1 1章章 概论概论 在光纤制造技术方面，1970年制造出衰减为20dB/km的光纤后，为实现长距离大容量的通信，一方面设法降低衰减，另一方面设法降低色散。根据高锟的预言，首先通过降低光纤中金属杂质的含量，在1974年使光纤的衰减降低到2dB/km，通信窗口在0.85m波段，之后通过降低光纤中OH离子的含量，开发出了光通信的1.3m和1.55m两个长波长窗口，光纤衰减的最小值降低到0.2dB/km。为降低光纤的色散，需研制单模光纤，但在20世纪70年代初期，光纤制造的工艺水平达不到制造单模光纤的要求。第第1 1章章 概论概论 为降低多模光纤的色散，1976年日本玻璃公司研制出渐变型光纤，又称自聚焦光纤，大大地改善了多模光纤的色散特性，达到了实用化的要求。到20世纪80年代初，光纤制造技术有了极大的提高，先研制出了1.3m的零色散单模光纤，于1985年又研制出了1.55m的零色散单模光纤。另外与光纤相关的实用工程技术也得到发展，光纤光缆技术已完全达到实用化要求。光纤在1.3m和1.55m两个长波长窗口提供的带宽已高达20THz。第第1 1章章 概论概论 要实现光通信还要有适当的光源和光检测器。光源是将电信号转变成光信号的器件，是光发射机的核心器件。在研制光纤的同时，20世纪60年代末期也开始了光源技术的研制。当时光纤的低损耗窗口在0.85m波段，与之配套，主要发展GaAlAs（镓铝砷）注入式半导体激光器。由于制造半导体激光器的工艺极为复杂，当时的激光器尚不能在室温下运行，寿命很短，这对于人们追求光纤通信的信心是一个极大的打击。到1970年，终于制出了室温下连续运行的GaAlAs双异质结注入式激光器，几乎同时发展了GaAlAs发光二极管。第第1 1章章 概论概论 发光二极管寿命长，价格低廉，但谱线宽，速率低，功率小，适合与多模光纤通信。为了配合长波长窗口，20世纪80年代初研制出了波长为1.3m和1.55m的InGaAsP（铟镓砷磷）长波长激光器和发光管，以满足使