FTTH光纤通信概论基础知识.pdf

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1、FTTH光 纤 通 信 概 论 基 础 知 识 1.1.光 纤 通 信 概 论 1.1.1.光 通 信 光 通 信，就 是 利 用 光 波 来 载 送 信 息，实 现 通 信。光 通 信 是 自 然 界 最 原 始、最 普 遍 的 一 种 通 信 手 段，也 是 人 与 自 然、人 与 社 会、人 与 人 交 流 的 最 基 础 的 手 段 之 一。我 们 每 天 目 视 的 一 切，都 是 一 种 光 通 信 过 程，只 不 过 是 一 种 被 动 的 接 收 性 光 通 信 过 程。随 着 信 息 交 互 的 需 要，发 展 出 主 动 利 用 光 传 递 信 息 的 手 段 和 技 术，

2、比 如 古 代 的 烽 火 台、现 在 用 以 指 挥 交 通 的 红 绿 灯 等 均 可 算 是 主 动 性 光 通 信 手 段，但 这 种 光 通 信 仅 限 于 大 气 式 视 距 通 信，并 且 仅 仅 具 备 传 送 图 像 信 息 的 功 能。随 着 近 现 代“信 息”含 义 的 内 伸 和 外 延，信 息 通 信 除 了 图 像 交 互，还 发 展 出 了 文 本 交 互、音 频 交 互、视 频 交 互 和 数 据 交 互 等 等 方 式，这 些 信 息 交 互 方 式 以“超 视 距、不 可 视”为 特 征，并 且 这 些 交 互 方 式 已 经 复 杂 到 不 可 能 单

3、纯 只 利 用 光 在 空 气 中 的 直 线 传 播 特 性 来 完 成，光 通 信 系 统 应 运 而 生。光 通 信 系 统 具 有 如 下 模 型：信 源 系 统 光 信 道 系 统 信 宿 系 统 图 1 T 光 通 信 系 统 模 型信 源 系 统：信 息 的 产 生 来 源，是 信 息 动 态 运 行 一 个 周 期 的 起 始 环 节。可 以 是 人、机 器、自 然 界 的 物 体 等 等。信 宿 系 统：信 宿 系 统 是 相 对 于 信 源 系 统 而 言 的。信 宿 系 统 是 信 息 动 态 运 行 一 个 周 期 的 最 终 环 节。其 功 能 是 接 收 情 报 信

4、 息，并 选 择 对 自 身 有 用 的 信 息 加 以 利 用，直 接 或 间 接 地 为 某 一 目 的 服 务。光 信 道 系 统：以 光 波 作 为 运 输 载 体 和 处 理 对 象，以 有 效 性 和 可 靠 性 为 目 的，保 证 信 源 信 息 高 效 无 误 地 传 送 至 信 宿 的 通 路 系 统，是 连 接 信 源 系 统 与 信 宿 系 统 的 中 间 环 节。1.1.2.光 纤 通 信 早 在 光 纤 通 信 之 前，人 们 已 经 在 利 用 光 进 行 通 信 上 的 尝 试 了。容 易 想 象，利 用 光 在 空 气 中 直 线 传 播 的 特 点，进 行 大

5、 气 传 输 光 通 信，不 需 要 任 何 线 路，简 单、经 济。1960年 梅 曼(T.H.Maiman)发 明 了 红 宝 石 激 光 器，产 生 了 单 色 相 干 光，使 高 速 的 光 调 制 成 为 可 能，美 国 林 肯 实 验 室 首 先 利 用 氢 笳 激 光 器 通 过 大 气 传 输 了 一 路 彩 色 电 视。随 后，相 继 出 现 了 各 色 各 样 的 大 气 传 输 系 统 实 验。但 后 来 发 现 大 气 传 输 光 通 信 有 许 多 严 重 的 问 题：(1).气 候 对 通 信 的 影 响 十 分 严 重。大 雾 时，通 信 几 乎 中 断。(2).

6、由 于 大 气 气 温 不 均 匀，使 它 的 密 度 或 折 射 率 不 均 匀,以 及 大 气 湍 流 的 影 响，使 光 线 发 生 漂 移 和 抖 动。通信 的 信 噪 比 变 劣，传 输 不 稳 定。(3).大 气 传 输 设 备 要 求 架 设 在 高 处,收 发 两 地 直 线 可 见。这 种 地 理 条 件 使 大 气 传 输 光 通 信 的 使 用 范 围 具 有 局 限 性。1966年，英 籍 华 人 高 银(C.K.Kao)和 Hockham预 见 利 用 玻 璃 可 以 制 成 衰 减 为 20dB/km的 通 信 光 导 纤 维(简 称 光 纤)。同 时 期 的 其

7、他 实 验 证 明，编 码 在 光 信 号 上 的 信 息 可 以 通 过 玻 璃 纤 维 波 导 传 输。波 导 提 供 了 一 种 可 以 传 导 光 信 号 的 介 质，该 介 质 使 光 信 号 在 其 中 传 输 一 定 的 距 离 而 不 发 生 散 射，即 光 能 仍 较 集 中。这 就 使 信 号 在 另 一 端 被 接 受 时 仍 有 足 够 的 强 度，因 此 传 输 的 信 息 可 以 通 过 解 码 被 读 取 出 来。这 些 早 期 的 实 验 证 明 了 光 信 息 通 过 光 纤 传 输 是 可 行 的。1970年，康 宁 公 司 的 Maurer等 人 根 据

8、高 银 的 理 论 首 先 制 出 衰 减 为 20dB/km的 光 纤，光 纤 传 输 的 实 用 取 得 重 大 突 破。之 后，世 界 各 发 达 国 家 纷 纷 开 展 光 纤 通 信 的 研 究，从 此 光 纤 传 输 开 始 了 以 最 高 的 传 输 容 量 和 最 长 的 传 输 距 离 来 传 输 信 息 的 历 程，并 且 发 展 速 度 惊 人。随 着 技 术 难 题 的 解 决，光 网 络 传 输 容 量 和 传 输 距 离 持 续 增 长，同 时，将 一 比 特 信 息 传 输 一 公 里 所 耗 费 的 造 价 持 续 降 低。基 本 上 实 现 了 运 营 商 可

9、 以 不 考 虑 传 输 距 离，而 只 对 线 路 估 价 的 目 标。光 纤 引 入 通 信 领 域 之 后，随 着 光 纤 传 输 系 统 的 发 展，通 信 网 络 也 一 步 步 向 着 光 网 络 进 化。单 纵 模 激 光 器 发 射 机 1.55 um接 收 机 图 1-2 光 纤 传 输 系 统 的 进 化(a)使 用 发 光 二 级 管 和 多 模 光 纤 的 早 期 系 统(b)使 用 多 纵 模 激 光 器 和 单 模 光 纤、工 作 波 长 波 段、抑 制 模 间 色 散 的 系 统(c)工 作 波 长 为 波 段、低 损 耗、使 用 单 纵 模 激 光 器 抑 制

10、色 散 射 的 系 统(d)工 作 波 长 为、使 用 光 放 大 器 代 替 再 生 器、多 波 长 传 输 的 当 代 波 分 复 用 系 统。发 射 机 左 侧 的 P-入 曲 线 表 征 发 射 信 号 的 功 率 谱 上 图 简 要 概 括 了 光 纤 传 输 系 统 的 进 化。可 以 看 出，光 纤 传 输 系 统 的 进 化 依 赖 于 发 射 机 技 术(光 源)/接 收 机 技 术(光 源 检 测)、光 纤 技 术 和 放 大 器 技 术 的 不 断 突 破。驱 动 光 纤 技 术 不 断 突 破 的 两 大 源 动 力 是 对 长 距 离 和 大容 量 孜 孜 不 倦 的

11、 追 求。长 距 离 要 求 光 纤 损 耗 小，不 断 降 低 其 固 有 损 耗 和 附 加 损 耗；大 容 量 要 求 光 纤 具 有 很 宽 的 带 宽，采 用 长 波 长 的 载 波 并 抑 制 色 散。目 前 使 用 的 光 纤 绝 大 部 分 都 是 基 于 二 氧 化 硅(SiO2)材 质 的 光 纤，这 种 光 纤 在 红 外 波 段 有 三 个 低 损 耗 窗 口，分 别 是、和。其 中，窗 口 被 称 为 短 波 长 窗 口，和 窗 口 被 成 为 长 波 长 窗 口。高 银 在 其 论 文 中 指 出：降 低 玻 璃 内 的 过 度 金 属 杂 志 粒 子 是 降 低

12、光 纤 衰 减 的 主 要 因 素。根 据 这 一 理 论 的 指 引，在 70年 代 初 期，人 们 对 原 材 料 经 过 严 格 提 纯 以 后，发 现 在 波 段 内 石 英 光 纤 的 损 耗 比 较 低。因 此，7 0年 代 至 8 0年 代 初 期 的 光 纤 通 信 系 统 就 使 用 这 一 波 段。（0.94um）I-1977 年】978年）（1.如 m）/（.38pm）,第 一，窗 口,。8 1.0 1.2 1.4 1.6光 波 长/m图 1-3 光 纤 的 损 耗 窗 口 瑞 利 散 射 损 耗 亲 赢 谑.1 9 7 9 年 1984 年 红 外 吸 收 损 耗 之

13、后 通 过 对 光 纤 损 耗 原 因 作 进 一 步 分 析，人 们 发 现 光 纤材 料 中 的 水 气（主 要 是 0H）对 光 纤 损 耗 影 响 很 大，特 别 是 在 波 长 的 地 方 有 一 个 强 烈 的 吸 收 峰。在 改 进 工 艺，降 低 这 个 吸 收 峰 以 后，人 们 又 发 现 在 和 这 两 个 波 长 处 有 比 波 段 更 低 的 损 耗。波 长 的 最 低 损 耗 可 达 以 下，波 长 的 最 低 损 耗 可 达。后 来 由 于 激 光 器 首 先 成 熟 并 得 到 广 泛 应 用，所 以 现 在 正 在 大 量 运 营 的 光 纤 通 信 系 统

14、就 工 作 在 这 一 窗 口。不 过，由 于 波 长 的 损 耗 最 低，其 损 耗 系 数 大 约 为 波 长 区 的 一 半，因 此 又 称 波 长 区 为 石 英 光 纤 的 最 低 损 耗 窗 口，继 和 波 长 之 后，被 称 之 为 第 三 窗 口。1980年，在 窗 口，实 用 光 纤 衰 减 低 至，已 接 近 理 论 值。这 样，使 得 长 距 离 的 光 纤 通 信 成 为 可 能。这 一 窗 口 对 人 们 具 有 很 大 的 吸 引 力，特 别 是 近 几 年 光 纤 放 大 器 的 研 制 成 功，使 得 这 一 窗 口 成 为 人 们 积 极 开 发、应 用 的

15、热 点。要 实 现 大 容 量 的 通 信，就 要 求 光 纤 具 备 很 宽 的 带 宽。受 归 一 化 频 率 的 制 约，单 模 光 纤 具 有 最 宽 的 带 宽，是 最 理 想 的 传 输 介 质。但 单 模 光 纤 的 芯 径 只 有，工 艺 要 求 极 高，在 70年 代 初，难 以 做 到，所 以 在 当 时 多 采 用 芯 径 较 粗 的 多 模 光 纤。光 信 号 在 多 模 光 纤 中 传 输 时，遵 循 传 统 的 几 何 光 学 模 型，光 信 号 中 的 每 一 条 光 线，都 沿 着 不 同 的 路 径 在 光 纤 中 传 播，每 一 条 不 同 的 路 径 相

16、应 于 一 个 传 输 模 式。不 同 的 路 径 长 度 有 所 不 同，因 此 与 其 他 模 式 相 比，每 一 个 模 式 在 光 纤 中 传 播 的 速 度 也 稍 有 不 同。这 样，不 同 的 模 式 到 达 光 纤 接 收 端 时 的 时 间也 不 同，造 成 光 信 号 的 展 宽 模 糊，这 种 信 号 模 糊 通 常 被 称 为 色 散，而 由 于 上 述 情 况 引 入 的 色 散 被 称 为 模 间 色 散。随 着 光 纤 制 作 工 艺 的 改 进，波 段 的 单 模 光 纤 研 制 成 功，这 样 在 光 纤 中 光 能 量 只 能 以 单 一 模 式 传 输，有

17、 效 消 除 了 模 间 色 散 的 影 响，应 用 于 通 信 系 统 后，使 得 传 输 的 比 特 率 和 传 输 距 离 都 大 幅 增 加。但 伴 随 更 低 损 耗 的 1.55波 段 单 模 光 纤 的 研 制 和 使 用，另 一 个 限 制 因 素 一 一 色 散 射，逐 渐 成 为 影 响 系 统 性 能 的 主 要 限 制 因 素。与 模 间 色 散 相 似 但 不 同 的 是，色 散 射 是 由 于 玻 璃 材 质 的 不 均 匀 性（如 折 射 率 不 均 匀、参 杂 离 子 浓 度 不 均 匀 等），引 起 光 脉 冲 中 不 同 的 频 率 分 量 以 不 同 的

18、速 度 传 播，最 终 造 成 和 模 间 色 散 一 样 的 信 号 展 宽 现 象，使 得 光 信 号 变 模 糊，而 且，光 脉 冲 的 谱 越 宽，由 色 散 引 发 的 信 号 模 糊 程 度 越 大。对 于 标 准 的 基 于 二 氧 化 硅 的 光 学 纤 维 而 言，在 波 段 几 乎 没 有 色 散 射，但 在 波 段 色 散 射 则 较 大。为 克 服 这 种 难 题,色 散 位 移 光 纤 发 展 了 起 来。终 于 在 8 0 年 代 中 期，经 过 仔 细 设 计，在 波 长 窗 口 色 散 为 零 的 色 散 位 移 光 纤 研 制 成 功。这 样 采 用 单 模

19、光 纤 进 行 超 大 容 量 光 纤 通 信 也 成 为 了 可 能。解 决 了 光 纤 低 损 耗 和 零 色 散 的 问 题，使 长 距 离、超 大 容 量 的 光 纤 通 信 变 成 了 现 实。1.1.3.光 纤 通 信 的 特 点 与 电 缆 和 微 波 通 信 相 比，光 纤 通 信 具 有 无 与 伦 比 的 优 越 性。(1).通 信 容 量 大 光 纤 通 信 是 以 光 纤 为 传 输 媒 介，光 波 为 载 波 的 通 信 方 式，其 载 波 一 光 波 一 具 有 很 高 的 频 率(约)，因 此 光 纤 具 有 很 大 的 通 信 容 量。(2).传 输 距 离 长

20、 光 纤 具 有 极 低 的 传 输 衰 耗 系 数，若 配 以 适 当 的 光 发 送 设 备 和 光 接 收 设 备，可 使 其 中 继 距 离 达 数 百 公 里 以 上。这 是 传 统 的 电 缆、微 波 等 根 本 无 法 与 之 比 拟 的。(3).保 密 性 能 好 光 波 在 光 纤 中 传 输 时 只 在 其 芯 区 进 行，基 本 上 没 有 光 泄 露 出 去，因 此 其 保 密 性 能 极 好。(4).适 应 能 力 强 光 纤 基 材 为 玻 璃，无 金 属 辅 件 的 光 缆 可 以 在 强 电 场 环 境 下 工 作，不 受 电 磁 场 干 扰，可 用 于 电 力

21、 网 或 变 电 所 内 做 通 信 控 制 线 路；光 纤 的 抗 腐 蚀 能 力 很 强，可 以 在 具 有 有 害 气 体 环 境 下 工 作，如 化 工 厂 等；光 纤 还 具 有 优 良 的 抗 核 辐 射 能 力。(5).体 积 小、重 量 轻、便 于 施 工 维 护 光 缆 的 敷 设 方 式 方 便 灵 活，既 可 以 直 埋、管 道 敷 设，又 可 以 水 底 敷 设 和 架 空。(6).原 材 料 来 源 丰 富，价 格 低 廉 制 造 石 英 光 纤 的 最 基 本 原 材 料 是 二 氧 化 硅 既 石 英 砂，在 大 自 然 中 几 乎 是 取 之 不 尽、用 之 不

22、 竭，规 模 生 产 后 价 格 低 廉,并 且 替 代 了 铜 缆 以 后，节 省 了 有 色 金 属 资 源，的 光 缆 线 路 可 以 节 省 铜 150吨、铅 500吨。但 光 纤 也 具 有 其 固 有 的 缺 点：(1).质 地 脆，机 械 强 度 差 因 此 光 纤 外 围 需 要 大 量 的 辅 材 以 弥 补 这 一 缺 点，同 时 提 高 了 施 工 工 艺 要 求。(2).光 纤 的 切 断 和 接 续 需 要 一 定 的 工 具、设 备 和 技 术 对 光 纤 的 断 续 操 作 其 实 是 对 纤 芯 的 一 项 精 细 化 操 作，已 经 超 出 了 人 的 手 眼

23、 可 以 直 接 操 作 的 范 畴，必 须 借 助 一 定 的 工 具 和 设 备，采 用 特 殊 的 操 作 手 段。(3).分 路、耦 合 不 灵 活 光 纤 的 分 路、耦 合 涉 及 到 对 光 纤 的 熔 融 操 作，且 需 要 精 密 的 仪 器 控 制 操 作 参 数 以 保 障 分 路、耦 合 后 光 纤 的 技 术 参 数，非 工 厂 环 境 下 难 以 实 施。止 匕 外，由 于 光 纤 本 身 的 物 理 特 性，需 要 对 光 纤 的 分 路、耦 合 设 计 额 外 的 接 口 单 元。(4).光 纤 光 缆 的 弯 曲 半 径 不 能 过 小 光 在 纤 芯 中 是

24、 以 全 反 射 的 方 式 进 行 传 播，光 纤 光 缆 弯 曲 半 径 过 小 将 破 环 全 反 射 条 件，使 得 光 能 量 泄 露，造 成 光 信 号 大 幅 衰 减 甚 至 通 信 中 断。1.2.光 纤 及 光 缆 基 础 知 识 1.2.1.光 纤 的 概 念 光 纤 是 光 导 纤 维(Optical Fiber)的 简 称。它 是 由 玻璃、塑 料 和 晶 体 等 对 某 个 波 长 范 围 透 明 的 材 料 制 成 的，能 传 输 光 的 纤 维，是 一 种 介 质 光 波 导，具 有 把 光 封 闭 在 其 中 进 行 传 播 的 导 波 结 构。光 纤 主 要

25、由 纤 芯、包 层 和 涂 敷 层 三 部 分 组 成，如 图 4所 示。护 套（包 括 涂 覆 层）图 1-4 光 纤 构 造 示 意 图 纤 芯 的 作 用 是 传 导 光 波。包 层 的 作 用 是 将 光 波 封 闭 在 光 纤 中 传 播。纤 芯 和 包 层 均 由 石 英 材 料 构 成，只 不 过 是 为 了 形 成 光 波 导 效 应，必 须 使 纤 芯 折 射 率 高 于 包 层 折 射 率（即），因 而 两 者 石 英 材 料 的 掺 杂 情 况 不 同。涂 敷 层 的 作 用 是 保 护 光 纤 不 受 水 汽 的 侵 蚀 和 机 械 的 擦 伤，同 时 增 加 光 纤

26、的 柔 韧 性，它 一 般 采 用 环 氧 树 脂 或 硅 橡 胶。在 涂 敷 层 外，有 时 为 了 增 加 光 纤 的 机 械 强 度，满 足 成 缆 要 求,在 涂 覆 层 外 面 还 加 有 塑 料 外 套。目 前 主 流 应 用 的 光 纤 有 两 种 尺 寸 规 格，一 种 是 芯 线 标 称直 径 规 格 为（纤 芯 直 径/包 层 直 径，下 同）或 的 多 模 光 纤，一 种 是 芯 线 标 称 直 径 规 格 为 的 单 模 光 纤。如 图 1-5所 光 波 与 通 信 用 的 无 线 电 波 一 样 也 是 一 种 电 磁 波。不 同 的 只 是 它 的 波 长 比 无

27、线 电 波 的 波 长 短 很 多，或 者 说 它 的 频 率 比 无 线 电 波 高 很 多，达 到 10翼 10叫 2。图 1-6中 显 示 出 了 光 波 在 电 磁 波 谱 图 中 的 位 置。人 们 所 能 直 接 看 到 的 光 波，仅 仅 是 波 长 从 起 到 这 一 小 段 的 光 波，我 们 称 之 为 可 见 光。可 见 光 包 含 红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫 七 种 颜 色，这 七 种 颜 色 的 光 波 混 合 在 一 起 就 成 为 白 光。300Am 25 15 0,76 0,39 6X10 gm远 红 外 中 红 外 近 红 外 可 见 光 紫 外 线 无 线

28、电 波 红 外 线 可 见 也 紫 外 线 10km 1km 10m 10cm 1 mm 10J.U T I 01 pm IOA 10-lA IO-A10,km 10km 10 m Im 1cm 0.1 min Ipim 0.01 pin IA 10-:A 4(波 长)300 3K 30K 3M 30M；3 G 30G 3T 30T 1 3 P 30P!/(H z)300K 300M 3OOC 300T 300P图 1-6 电 磁 波 波 谱 图 比 红 光 波 长（）更 长 的 光 波，叫 红 外 光；比 紫 光 波 长（）更 短 的 光 波，叫 紫 外 光。人 们 把 紫 外 光、红 外

29、光 和 可 见 光 都 归 入 到 光 波 的 范 围。当 今 用 作 通 信 传 输 的 介 质 一 石 英 光 纤 的 低 衰 减“窗 口”为 的 波 段 范 围，就 坐 落 在 可 见 的 红 光 波 段 和 不 可 见 的 近 红 外 光 波 段。光 波 与 其 他 波 长 的 电 磁 波 一 样，在 真 空 中 的 传 播 速 度 为。光 波 在 均 匀 介 质 中 是 直 线 传 播 的，在 介 质 中 的 传 播 速 度 与 其 介 质 中 的 光 折 射 率 成 反 比，即 式 中，为 介 质 的 光 折 射 率；代 表 光 速（）o光 波 的 波 长（）、频 率（）和 波 速

30、（）之 间 的 关 系 为 当 所 使 用 的 光 纤 的 纤 芯 半 径 远 大 于 传 输 光 波 长 时（如 多 模 光 纤，其 纤 芯 半 径 为，工 作 波 长 约 为）,可 用 几 何 光 学 理 论 对 光 在 光 纤 中 的 传 播 原 理 进 行 解 释，而 当 所 使 用 的 光 纤 的 纤 芯 半 径 接 近 传 输 光 波 长 时（如 单 模 光 纤，其 纤 芯 半 径 为，工 作 波 长 约 为），则 需 用 波 动 光 学 理 论 进 行 解 释。下 面 将 通 过 几 何 光 学 理 论，对 光 在 光 纤 中 的 传 播 原 理 进 行 简 单 说 明。在 几

31、何 光 学 理 论 中，传 输 的 光 信 号 被 看 作 是 有 许 多 条 光 线 所 组 成，在 一 种 材 料（或 介 质）中 以 直 线 传 播，并 在 两 种 介 质 的 交 界 处 发 生 反 射 和 折 射，图 1-7（a）给 出 了 纤 芯（折 射 率 为）和 包 层（折 射 率 为）的 模 拟 界 面。一 束 光 从 纤芯 射 向 纤 芯 和 包 层 的 界 面，部 分 能 量 被 以 反 射 光 的 形 式 反 射 回 纤 芯，在 忽 略 吸 收 的 情 况 下，其 余 的 能 量 以 折 射 光 形 式 传 入 包 层。入 射 角 是 入 射 光 线 和 两 种 介 质

32、 界 面 的 法 线 之 间 夹 角，用 表 示。反 射 角 是 反 射 光 线 和 法 线 之 间 的 夹 角，用 表 示。折 射 角 是 折 射 光 线 和 法 线 之 间 的 夹 角，用 表 示。根 据 几 何 光 学 原 理：反 射 定 律：折 射 定 律（斯 涅 尔 定 律）：（a）光 的 反 射、折 射（入 射 角 临 界 角）(c)光 的 全 反 射(入 射 角 临 界 角)图 1-7 几 何 光 学 原 理 当 入 射 角 增 大 时，折 射 角 也 随 着 增 大。如 果，当 时，达 到 临 界 点，如 图 1-7(b)o随 着 继 续 增 大，折 射 光 线 消 失，所 有

33、 的 入 射 光 能 量 都 被 反 射 回 纤 芯。这 种 现 象 称 之 为 全 反 射。达 到 全 反 射 现 象 时 的 最 小 的 入 射 角 被 称 之 为 临 界 角，如 图 1-7(c)o因 此，根 据 几 何 光 学 理 论，光 信 号 是 靠 着 光 束 在 纤 芯 和 包 层 界 面 的 一 系 列 全 反 射 在 光 纤 中 向 前 传 播 的，如 图 1-8所/J o图 8 光 信 号 在 光 纤 中 的 传 播 必 须 指 出 的 是，根 据，只 有 当 光 从 折 射 率 大 的 介 质 射 入 折 射 率 小 的 介 质 时，即 时，才 能 产 生 全 反 射。

34、例 如，当 光 从 玻 璃 射 入 空 气 时 能 产 生 全 反 射；而 当 光 从 折 射 率 小 的 空 气 射 入 折 射 率 大 的 玻 璃 时，就 不 可 能 产 生 全 反 射。1.2.3.光 纤 类 型(1).按 其 本 身 材 料 分 类 解 石 英 系 光 纤 纤 芯 和 包 层 均 是 由 高 纯 度 的 二 氧 化 硅(SiO2)掺 有 适 当 的 杂 质(如 B2O3、P205 GeO2 Ae2()3等 氧 化 物)制 成。特 点 是 损 耗 低、强 度 大、可 靠 性 好、但 价 格 较 高，目 前 应 用 最 为 广 泛。f 石 英 芯 塑 料 层 光 纤 纤 芯

35、 采 用 石 英 制 成，包 层 采 用 硅 树 脂。特 性 同 石 英 系 光 纤，但 价 格 较 低。f 多 成 分 玻 璃 光 纤一 般 采 用 SiO2 Na2O CaO等 多 组 玻 璃 材 料 制 成。其 特 点 是 损 耗 较 低，但 可 靠 性 也 较 差。0 塑 料 光 纤 纤 芯 和 包 层 都 由 高 度 透 明 的 聚 苯 乙 烯 或 聚 甲 基 丙 烯 酸 甲 酯（有 机 塑 料）制 成。具 有 重 量 轻（为 石 英 光 纤 的）,韧 性 好（直 径 为 仍 可 自 由 弯 曲 不 断 裂，而 同 样 粗 的 石 英 光 纤 已 成 为 玻 璃 棒），工 艺 简 单

36、，成 本 低 等 优 点，但 损 耗 较 大、可 靠 性 较 差。多 用 于 家 电、音 响，以 及 短 距 的 图 像 传 输 0 红 外 光 纤 红 外 光 纤 是 利 用 红 外 材 料 制 成 的 光 纤。具 有 极 低 的 理 论 损 耗 极 限，适 用 于 长 距 离 通 信。但 目 前 由 于 工 艺 和 技 术 上 的 原 因，损 耗 还 相 当 大（每 公 里 几 十 至 几 百 分 贝），正 在 进 一 步 研 究 之 中。（2）.按 光 纤 横 截 面 上 折 射 率 分 布 状 况 分 类 副 阶 跃 型 光 纤 f 渐 变 型 光 纤 f W 型 光 纤图 1-9 典

37、 型 的 光 纤 截 面 和 相 应 的 折 射 率 分 布 图(3).按 光 纤 内 部 允 许 激 励 的 电 磁 场 总 模 数 分 类 f 多 模 光 纤 1 单 模 光 纤 图 1 T 0 多 模 光 纤 和 单 模 光 纤(4).按 使 用 波 长 分 类1 短 波 长 光 纤：波 长 为 的 光 纤。1 长 波 长 光 纤：波 长 为 的 光 纤。1 超 长 波 长 光 纤：波 长 为 的 光 纤。(5).按 特 殊 用 途 分 类 特 殊 用 途 的 光 纤 亦 称 为 特 种 光 纤，是 指 适 用 于 某 些 特 殊 场 合 的 光 纤。如：0 保 偏(单 偏 振)光 纤

38、0 有 源 光 纤 0 双 包 层 或 多 包 层 光 纤 1 增 敏 光 纤 f 特 殊 涂 层 光 纤 f 耐 辐 射 光 纤 0 发 光 光 纤(6).按 ITU-T或 IEC文 号 分 类 f G.651多 模 光 纤 f G.652零 色 散 点 在 波 长 左 右 的 单 模 光 纤 f G.653零 色 散 点 在 波 长 左 右 的 单 模 光 纤 f G.654截 止 波 长 位 移 单 模 光 纤 f G.655非 零 色 散 位 移 单 模 光 纤 f G.656宽 带 光 传 送 的 非 零 色 散 光 纤 f G.657接 入 网 用 弯 曲 衰 减 不 敏 感 单

39、模 光 纤1.2.4.光 纤 性 能 指 标 光 纤 的 特 性 参 数 主 要 有：(1).数 值 孔 径(Numerical Aperture；)在 阶 跃 型 光 纤 中，把 受 光 角 一 半(即 光 线 在 光 纤 端 面 的 最 大 入 射 角)的 正 弦 值 定 义 为 光 纤 的 数 值 孔 径(简 称 NA)0即：光 纤 的 数 值 孔 径 反 映 了 光 纤 接 受 光 能 力 的 强 弱。越 大,即 越 大，光 纤 接 受 光 的 能 力 越 强。但 太 大 时，光 纤 的 模 畸 变 加 大，影 响 光 纤 的 带 宽。对 于 通 信 光 纤，一 般 为(0.18 0.

40、24)0.02o(2).归 一 化 截 至 频 率()和 截 止 波 长()归 一 化 频 率 是 光 纤 最 重 要 的 结 构 参 数，它 能 表 征 光 纤 中 传 播 模 式 的 数 量。光 纤 中 传 播 的 各 模 式 均 有 其 自 身 的 归 一 化 截 止 频 率。它 描 述 了 各 个 模 式 的 截 止 条 件。对 应 归 一 化 截 止 频 率 的 波 长 称 为 截 止 波 长。某 一 模 式 在 光 纤 中 导 行、截 止 和 临 界 的 条 件 分 别 为：导 行 条 件：截 止 条 件：临 界 条 件：当 光 纤 的 归 一 化 频 率 满 足 时，光 纤 中

41、只 能 传 输 HE”模,其 它 模 都 被 截 止，这 种 情 况 被 称 为 光 纤 的 单 模 传 输。(3).模 场 直 径(Mode Field Diameter；MFD)模 场 直 径，用 来 表 征 在 单 模 光 纤 的 纤 芯 区 域 基 模 光 的 分 布 状 态。基 模 在 纤 芯 区 域 轴 心 线 处 光 强 最 大，并 随 着 偏 离 轴 心 线 的 距 离 增 大 而 逐 渐 减 弱。一 般 将 模 场 直 径 定 义 为 光 强 降 低 到 轴 心 线 处 最 大 光 强 的 的 各 点 中 两 点 最 大 距 离。模 场 直 径 的 大 小 与 所 使 用 的

42、 波 长 有 关 系，随 着 波 长 的 增 加 模 场 直 径 增 大。典 型 值：，典 型 值：。模 场 直 径 一 般 越 小 越 好，有 利 于 增 加 光 纤 的 抗 弯 性 能，但 减 小 模 场 直 径 必 然 增 加 相 对 折 射 率 差，这 会 增 加 光 纤 的 色 散。故 在 选 取 模 场 直 径 时 要 全 面 权 衡。光 纤 的 传 输 参 数 主 要 有：(1).损 耗 损 耗(loss)是 衡 量 光 纤 性 能 的 关 键 指 标 之 一。它 决 定 了 光 纤 通 信 系 统 所 能 达 到 的 最 大 无 中 继 距 离。光 纤 损 耗 定 义 为 单

43、位 长 度 光 纤 光 功 率 衰 减 的 分 贝 数，即：式 中：分 别 为 输 入 和 输 出 光 纤 的 有 效 功 率。通 过 对 光 纤 损 耗 的 来 源 进 行 研 究，可 归 纳 如 下:紫 外 本 征 吸 收 本 征 吸 收 损 耗 红 外 本 征 吸 收 吸 收 损 耗 氢 氧 根 离 子 吸 收 杂 质 吸 收 损 耗 过 渡 金 属 离 子 吸 收 原 子 缺 陷 吸 收 损 耗 固 有 损 耗 瑞 利 散 射 损 耗 线 性 散 射 损 耗 结 构 不 完 善 散 射 损 耗 光 纤 损 耗 散 射 损 耗 受 激 喇 曼 散 射 弯 曲 损 耗 非 线 性 散 射

44、损 耗 受 激 布 里 渊 散 射 附 加 损 耗 接 续 损 耗 耦 合 损 耗 图 1 T 1 光 纤 损 耗 来 源 A.吸 收 损 耗 吸 收 损 耗 是 指 由 于 组 成 光 纤 的 材 料 及 其 中 的 杂 质 对 光 波 的 吸 收，使 一 部 分 光 能 转 变 为 热 能 散 失，从 而 造 成 光 功 率 的 损 失。a）本 征 吸 收 损 耗 本 征 吸 收 损 耗 是 指 光 纤 材 料 在 不 含 有 杂 质 的 情 况 下 自 身 的 固 有 吸 收。根 据 吸 收 机 理 可 分 为 紫 外 本 征 吸 收 和 红 外 本 征 吸 收 两 种。b）杂 质 吸

45、收 损 耗 杂 质 吸 收 是 由 于 光 纤 中 的 杂 质 对 光 的 吸 收 作 用 而 造 成 的 附 加 吸 收 损 耗。这 里 的 杂 质 并 非 指 光 纤 中 的 掺 杂 物，而 是 指 由 于 材 料 不 纯 或 工 艺 不 完 善 而 引 入 的 杂 质。杂 质 吸 收 损 耗 中，影 响 最 为 严 重 的 有 两 种 杂 质:1 过 渡 金 属 离 子：铁、铭、钻、铜 等，杂 质 含 量 的 浓 度 越 大，损 耗 越 大。1 氢 氧 根 离 子：当 熔 融 的 石 英 玻 璃 中 含 有 水 份 时，由 于 水 分 子 中 氢 氧 根 离 子 的 振 动 而 造 成

46、吸 收 损 耗。C）原 子 缺 陷 吸 收 损 耗 原 子 缺 陷 吸 收 损 耗 是 指 玻 璃 材 料 受 到 某 种 激 励（热 激 励 或 强 辐 射 激 励）时 所 感 生 的 一 种 损 耗。原 子 缺 陷 吸 收 损 耗 可 高 达 几 百 甚 至 几 万。B.散 射 损 耗 散 射 损 耗 是 指 由 于 远 小 于 波 长 的 不 均 匀 性（如 折 射 率 不 均 匀、掺 杂 离 子 浓 度 不 均 匀 等）引 起 光 的 散 射 而 造 成 的 损 耗。a）瑞 利 散 射 损 耗 瑞 利（Rayleigh）散 射 损 耗 是 指 在 制 造 光 纤 过 程 中，由 于 局

47、 部 浓 度 微 观 漂 移 而 引 起 的 一 种 损 耗。即 在 制 造 石 英 玻 璃 光 纤 的 过 程 中，因 为 冷 却 条 件 不 均 匀 而 出 现 分 子 级 大 小 的 密 度 不 均 匀，使 得 折 射 率 不 均 匀 而 引 起 的 散 射。b）结 构 不 完 善 散 射 损 耗 结 构 不 完 善 散 射 损 耗 有 的 资 料 上 也 称 为 波 导 散 射 损 耗，是 指 在 光 纤 制 造 过 程 中，由 于 光 纤 存 在 缺 陷 而 引 起 的 损 耗。如 气 泡、粗 细 不 均 匀、纤 芯 与 包 层 交 界 面 粗 糙 等。当 光 线 传 输 遇 到 这

48、 些 缺 陷 时，就 会 产 生 光 的 散 射，引 起 损 耗。C.弯 曲 损 耗 弯 曲 损 耗 是 指 光 纤 弯 曲 的 曲 率 半 径 小 到 一 定 程 度 时，纤 芯 中 传 输 的 光 射 线 不 再 满 足 全 反 射 条 件，使 光 线 由 纤 芯 折 射 到 包 层，即 光 功 率 由 传 输 模 转 变 为 辐 射 模 而 引 起 的 损 耗。弯 曲 损 耗 依 模 式 不 同 分 为 宏 弯（Macro bending）损 耗 和 微 弯（Micro bending）损 耗 两 种。f 宏 弯 损 耗：光 纤 的 曲 率 半 径 比 光 纤 直 径 大 的 多 的 弯

49、 曲（宏 弯）引 起 的 附 加 损 耗，主 要 原 因 有：路 由 转 弯 和 敷 设 中 的 弯 曲；光 纤 光 缆 的 各 种 预 留 造 成 的 弯 曲（预 留 圈、各 种 拿 弯、自 然 弯 曲）；接 头 盒 中 光 纤 的 盘 留、机 房 及 设 备 内 尾 纤 的 盘 绕 等。f 微 弯 损 耗：光 纤 轴 产 生 u m 级 的 弯 曲（微 弯）引 起 的 附 加 损 耗，主 要 原 因 有：光 纤 成 缆 时，支 承 表 面 微 小 的 不 规 则 引 起 各 部 分 应 力 不 均 匀 而 形 成 的 随 机 性 微 弯；纤 芯 与 包 层 的 分 界 面 不 光 滑 形

50、成 的 微 弯；光 缆 敷 设 时，各 处 张 力 不 均 匀 而 形 成 的 微 弯；光 纤 受 到 的 侧 压 力 不 均 匀 而 形 成 的 微 弯；光 纤 遇 到 温 度 变 化，因 热 胀 冷 缩 形 成 的 微 弯。D.接 续 损 耗 接 续 损 耗 又 称 为 连 接 损 耗，是 指 两 根 光 纤 连 接 时 由 于 发 生 空 间 错 位 而 产 生 的 损 耗。E.耦 合 损 耗耦 合 损 耗 是 指 光 源 和 光 探 测 器 与 光 纤 之 间 耦 合 时 产 生 的 损 耗。光 纤 在 使 用 过 程 中，其 固 有 损 耗 由 于 源 自 光 纤 本 身，因 此 损