光传输通信基本原理

1、第一部分光传输通信基本原理第一章、光纤通信原理第一节、光纤通信的概念一、光纤通信的概念光纤通信概念：利用光纤来传输携带信息的光波以达到通信的目的。典型的光纤通信系统方框图如下：光发送机中继器电端机（数字）模拟信息数字光纤通信系统方框图从图中可以看出，数字光纤通信系统基本上由光发送机、光纤与光接收机组成。发送端的电端机把信息（如话音）进行模/数转换，用转换后的数字信号去调制发送机中的光源器件LD,则LD就会发出携带信息的光波。即当数字信号为1”时，光源器件发送一个“传号”光脉冲；当数字信号为0”时，光源器件发送一个“空号'（不发光）。光波经低衰耗光纤传输后到达接收端。在接收端，光接收机把

2、数字信号从光波中检测出来送给电端机，而电端机再进行数/模转换，恢复成原来的信息。就这样完成了一次通信的全过程。其中光发送机的调制方式有两种：直接调制也称内调制（一般速率小于等于2.5GB/S时）；间接调制也称外调制（一般速率大于2.5GB/S时）。二、光纤通信的特点1、通信容量大2、中继距离长3、保密性能好2、适应能力强5、体积小、重量轻、便于施工和维护6、原材料来源丰富，潜在的价格低廉第二节、光纤的导光原理一、全反射原理我们知道，当光线在均匀介质中传播时是以直线方向进行的，但在到达两种不同介质的分界面时，会发生反射与折射现象，如图2.5所示。包层折射光n2纤芯n111入射光反射光图2.5光的

3、反射与折射根据光的反射定律，反射角等于入射角。根据光的折射定律:n1sin=n2Sin%其中ni为纤芯的折射率，n2为包层的折射率。显然，若ni>n2,则会有02>Oi。,此时的折射光线不再进入包层,者重返回到纤芯中进行传播（02>90(2.2)如果ni与n2的比值增大到一定程度，则会使折射角0而会在纤芯与包层的分界面上掠过（22=90。时）或时）这种现象叫做光的全反射现象，如图2.6所示。图：光的全反射现象人们把对应于折射角。2等于90°的入射角叫做临界角。很容易可以得到临界角.jn2Bk=Sin。ni不难理解，当光在光纤中发生全反射现象时，由于光线基本上全部在纤

4、芯区进行传播，没有光跑到包层中去，所以可以大大降低光纤的衰耗。早期的阶跃光纤就是按这种思路进行设计的。第三节、光纤与光缆基本概念-、光纤的结构光纤呈圆柱形，由纤芯（直径约9-50um）、包层（直径约125um）与涂敷层（直径约1.5cm）三大部分组成，如下图：did2涂层包层n2<4n1包层n2涂层纤芯主要采用高纯度的SiO2（二氧化硅），并掺有少量的掺杂剂，提高纤芯的光折射率ni;包层也是高纯度的二氧化硅，也掺杂一些掺杂剂，主要是降低包层的光折射率n2;涂敷层采用丙烯酸酯、硅橡胶、尼龙，增加机械强度和可弯曲性。:、光纤的分类方式光纤有以下的分类方式：1、按折射率分布分类A、阶跃光纤SI

5、定义：在纤芯与包层区域内，折射率的分布分别是均匀的，具值分别是n1与n2,但在纤芯与包层的分界处，其折射率的变化是阶跃的。其折射率分布的表达式为：yn1r小于等于al时n(r)=n2r式中：n1为光纤纤芯区的折射率n2为包层区的折射率a1为纤芯半径a2为包层半经B、渐变光纤GI定义：光纤蛛心处的折射率最大，但随横截面的增加而逐渐变小，其变化规律一般符合抛物线规律，到了纤芯与包层的分界处，正好降到与包层区域的折射率相等的数值；在包层区域中其折射率的分布是均匀的。2、按传输的模式分类多模光纤定义：传输光波的模式不止一种。多模光纤纤芯的几何尺寸远大于光波波长，一般在50um左右，光信号是以多个模式方

6、式进行传播的，光信号的波长以主纵模为准。不同的传播模式会具有不同的传播速度和相位，因此经过长距离的传播之后会产生时延，导致光脉冲变宽，叫做光纤的模式色散或模间色散。由于模式色散影响较严重，降低了多模光纤的传输容量和距离，多模光纤仅用于较小容量、短距离的光纤传输通信。单模光纤定义：传输光波的模式只有一种。（目前主用）当光纤的几何尺寸可以于光波长相比拟时，即纤芯的几何尺寸与光信号波长相差不大时，一般为510um,光纤只允许一种模式在其中传播，其余的高次模全部截止，这样的光纤叫做单模光纤。单模光纤只允许一种模式在其中传播，从而避免了模式色散的问题，故单模光纤具有极宽的带宽，特别适用于大容量的光纤通信

7、。对于单模光纤，由于光纤的几何尺寸小，使V的值小于2.2028,这样N的值就为1,只有一种模式3、按工作波长分类短波长光纤定义：习惯上把波长在600-900nm范围内呈现低衰耗光纤称做短波长光纤。长波长光纤定义：习惯上把波长在1000-2000nm范围内的光纤称做短波长光2、套塑类型分类A、紧套光纤定义：指二次、三次涂敷层与予涂敷层及光纤的纤芯、包层等紧密的结合在一起的光纤。目前居多。B、松套光纤定义：指经过予涂敷层的光纤松散的放在一塑料管中，不再进行二次、三次涂敷。三、光纤的种类以及应用状况、G.652光纤1310nm性能最佳光纤（色散未移位光纤）。它有二个波长工作区：1310nm与1550

8、nm。在1310nm波长：色散最小（未移位），小于3.5ps/nm.km；但损耗较大，为0.30.4dB/km。在1550nm波长：色散较大，为20ps/nm.km;但损耗很小，为0.150.25dB/km。在我国占99%以上。虽称1310nm性能最佳光纤，但绝大部分却用于1550nm,其原因是在1310nm无实用化光放大器。它可会传输2.5G或以2.5G为基群的WDM系统;但传输TDM的10G,面临色散受限的难题（色度色散与PMD）。、G.653光纤1550nm性能最佳光纤（色散移位光纤）。它主要用于1550nm波长工作区。在1550nm波长，色散较小（色散移位），为3.5ps/nm.km；

9、损耗也很小，为0.150.25dB/km。但它不能用于WDM方式，因会出现四波混频效应（FWM）0、G.654光纤1550nm损耗最小光纤。它主要用于1550nm波长工作区，具损耗为0.150.19dB/km;主要用于海缆通信。、G.655光纤它是为克服G.653光纤的FWM效应而设计的新型光纤。其性能与G.653光纤类似，但既能用于WDM,又能传输TDM方式的10G。理想情况：A）、低色散：210ps/nm.km；B）、色散斜率小于0.05ps/nm2.km,便于色散补偿；C）、大的有效面积，可避免出现非线性效应。目前，G.655光纤尚无国际统一规范。一大的有效面积，会有效地避免非线性效应，

10、但将导致色散斜的增加。-小的色散斜率将会便于色散的补偿；但其有效面积却减小。四、光缆结构层绞式、骨架式、束管式、带状式第四节、光纤的特性与参数、光纤的三大特性光纤的特性参数可以分为三大类即几何特性参数、光学特性参数与传输特性参数二、光纤的衰耗衰耗系数a衰耗系数是光纤最重要的特性参数之一。因为在很大程度上决定了光纤通信的中继距离。衰耗系数的定义为：每公里光纤对光功率信号的衰减值。其表达式为：Pi一，、a=10lg(dB/km)(2.6)Po其中Pi为输入光功率值(瓦特)Po为输出光功率值(瓦特)如某光纤的衰耗系数为a=3dB/km,则=10。3-2Po这就意味着，经过一公里的光纤传输之后，其光功率信号减少了一半。长度为L公里的光纤白衰耗值为A=aL。光纤的衰耗机理使光纤产生衰耗的原因很多，但可归纳如下：本征吸收吸收衰耗:杂质吸收线性散射衰耗：散射衰耗：非线性散射结构不完整散射其它衰耗（微弯曲衰耗）4本征吸收：定义：构成光纤材料本身所固有的吸收作用。纯二氧化硅对光的吸收作用所引起的光纤衰耗是比较小，在600-900NM波长范围稍大，但小于1dB/km,而在1000-1800波长范围，几乎为零。事杂质吸收：光纤中的杂质对光的吸收作用，是造成光纤衰耗的主要原因。光纤中的杂质大致可以分为二大类，即