光纤通信第1章-概论课件.ppt

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1、第1章 概论 1.1 光纤的基本性质 1.2 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 1.1 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。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

2、 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，

3、图1.1光的反射与折射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

4、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)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)图1.2全反射过程示意图当 入 射 角 大 于 临 界 角 时，光 由 两

5、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。图1.3为 一 种 最 基 本 的 光 纤 结 构，这 种 光

6、 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)图1.3阶跃光纤的结构及折射率分布示意图设 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，

7、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。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

8、 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。制 造 光 纤 时，一 般 先 熔 制 出 一 根 合 适 的 玻 璃 棒，

9、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

10、，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。图1.4光纤的制造工艺(a)预制棒；(b)拉丝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。

11、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：图1.5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

12、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。当 玻 璃 车 床 旋 转 时，用14001600 的 高

13、 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

14、 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 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

15、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。将MCVD 法 中 的 氢 氧 火 焰 加 热 改 为 微 波 腔 体 加 热就 是 所 谓 的

16、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

17、 想 分 布的折射率剖面；（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（V AD）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。V AD 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、SiHC

18、l3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。V AD 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

19、 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。图1.6光纤预制棒的管外化学气相沉积法示意图(a)V AD 法沉积光纤预制棒；(b)OVPD 法沉积光纤预制棒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

20、 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。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

21、 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

22、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。图1.7光纤拉丝工艺过程示意图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

23、 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。3)光纤的涂覆和套塑工艺从 预 制 棒 拉 出

24、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

25、。（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

26、曲强度，还要对光纤进行涂覆和套塑处理。图1.8光纤的涂覆工艺示意图光 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

27、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。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

28、度 固 化 速 度 较 慢，它 的 拉 丝 速 度 也 比较慢。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

29、 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。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，

30、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。图1.10是 紧 套 光 纤 的 套 塑 工 艺 示

31、 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

32、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。图1.10紧套光纤的套塑工艺示意图光 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

33、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。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)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

34、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。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

35、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。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

36、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。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

37、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。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

38、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。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

39、 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。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

40、 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。图1.11 石英光纤的衰减与波长之间的关系曲线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

41、 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

42、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。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

43、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)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。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

44、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

45、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。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

46、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)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)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

47、 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。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

48、 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

49、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。1.2 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

50、信 网。图1.12为用户利用一个通信网传递信息的示意图。图1.12通信网示意图通 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