光纤通信系统与网络完整版ppt课件全册电子教案

光纤通信系统与网络782页完整版课件第1章

光纤通信绪论

内容提要光纤通信概论光纤传输原理及传输特性基本光纤通信器件光纤通信系统及设计SDH/MSTP光同步网络DWDM/OTN光传送网络

PTN分组传送网城域与接入光网络现代光通信系统全光通信网提问？光纤通信系统与网络在信息通信流程中所处的位置？光纤通信是否完全可以代替电缆？光通信就是指光纤通信？您认为光纤通信目前在哪些领域里用？还可以在哪些领域里用？第一章光纤通信概论内容提要§1光纤通信系统发展现状§2光纤通信网络发展现状§3光纤通信发展与演变趋势§4现代光通信技术特点与进展1.1光纤通信系统发展现状*基本概念1.通信----通信?电缆通信?光纤通信?

通信?相互传递信息.电缆通信?

以电(磁)波(较高频率)为信息载波,以电缆为传输媒介的通信方式。光纤通信?

光纤通信是以激光(光波)作为信息载体，以光纤作为传输媒介的通信方式。电缆通信与光纤通信区别?

*通信系统？光纤通信系统？光纤传输系统？电缆通信系统？电缆传输系统？

2．通信分类光通信分类：有线---光纤通信无线---可视距离的光通信如摇控、海事通信。电通信分类：有线---电缆（对称电缆/射频同轴电缆/圆波导）信通。无线---可视距离微波/卫星/移动/个人通信。1.1.1光纤通信特点及发展简史光纤通信是以相干性和方向性极好的激光束作为载体来携带信息，并利用光纤来进行传输的通信方式。由于光纤的传光性能优异，传输带宽极大，现在已形成了以光纤通信为主，微波、卫星和电缆通信为辅的通信网络格局。通信发展始终在追求两大目标，一是远距离传输，二是大容量通信。人们知道无论是无线电通信，还是有线电通信都是以电磁波为载体进行的，而电磁波的频谱很宽，其情况如图1-1所示。1.1光纤通信系统发展现状

图1-1电磁波谱（1）由于光波频率高，可供利用的频带极宽，尤其适合高速宽带信息的传输，在高速通信干线宽带综合业务通信网络中，发挥着越来越大的作用。（2）由于光纤的传输损耗很低，现已做到0.2dB/km以下，因而可以大大增加通信无中继距离。这对于长途干线和海底传输十分有利，在采用了先进的相干光通信，光放大器和光孤子通信技术之后，无中继通信距离可提高到几百千米甚至上千千米。（3）光纤传输是限制在光纤内的，光能几乎不会向外辐射，因此不存在光缆中各光纤之间信号串扰，很难被窃听，信号传输质量高，保密性好。（4）光纤抗电磁干扰能力很强，这对于电气铁路和高压电力线附近的通信极为有利，也不怕雷击和其他工业设备的电磁干扰，因此在一些要求防爆的场合使用光纤通信是十分安全的。（5）光纤几何尺寸小，细如发丝，可绕性好，可多根成缆，便于敷设。光纤重量轻，特别适用于飞机、轮船、卫星和宇宙飞船。（6）光纤的化学性能稳定，耐化学侵蚀、抗高温、不打火花，适用于特殊环境。（7）光纤是石英玻璃拉制成形的，原料资源丰富，节约有色金属。光纤通信有其明显的优缺点:光纤通信同时存在以下一些缺点：（1）光纤弯曲半径不宜过小，否则可能引起较大的衰减。（2）光纤的连接操作技术要求高，需专用设备。（3）光纤的分路、耦合操作较困难、烦琐。表1.1光纤与电缆、波导的特性比较传输介质频率带宽衰减系数/（dB/km）一般传输距离/km敷设安装接续市话对称电缆4kHz1.64（线径0.4mm）1～5方便方便5类双绞线100MHz24（dB/100m）(90～100)m方便方便细同轴电缆30MHz4.1（dB/100m）180m.方便较方便粗同轴电缆800MHz7.1（dB/100m）500m方便较方便微波波导2～24GHz0.015～0.3（dB/m）<100m特殊特殊单模光纤≥10～100GHz0.2（注1）～0.36（注2）>50方便特殊注1：当光波波长为1.55m时的值。注2：当光波波长为1.31m时的值。表1.2

光纤的特点及其应用场合光纤特点应用场合低衰减、宽频带尺寸小、重量轻抗电磁干扰耐化学侵蚀应变传感特性公用通信、计算机通信、有线电视图像传输飞机、导弹、航空航天、船舰内的通信控制电力及铁道通信，交通控制信号，核电站通信油田、炼油厂、矿井等区域的通信光纤桥梁工程结构实时监测光纤通信的发展史一.光器件的发展

1960年，美国人梅曼（Maiman）发明了第一台红宝石（AL2O3）激光器

1962年半导体激光器出现，材料为GaAS。

1970年，首次研制出在室温下连续工作的双异质结半导体激光器.红宝石激光器及其三能级图

红宝石激光器红宝石激光器三能级图二．光纤的发展

1966年，华裔科学家高锟（C.K.Kao）根据介质波导理论提出光纤作为光通信传输媒质的概念，由此高锟荣获2009年诺贝尔物理学奖。1970年，美国康宁公司首次研制出阶跃多模光纤，其在波长为630nm处的衰减系数小于20dB／km.1972年，康宁公司将梯度多模光纤的衰减系数降至4dB/km。

1966年，英籍华人学者高锟

发表一篇题为《用于光频的介质纤维表面波波导》的文章，文章提出可以从石英中提炼超纯的细丝状纤维，并用于光频成为光波导；指出利用光纤进行信息传输的可能性和技术途径.根据介质波导理论共同提出光纤通信的概念。

2009.10.5高锟获诺贝尔物理奖

光纤之父“他们为日常生活带来许多实用的创新，为科学探索提供了新工具。”评奖委员会在声明中说，高锟因为在“光学通讯领域的光传输方面的突破性成就”获奖。

评委会指出，高锟1966年发现如何通过光学玻璃纤维远距离传输光信号，这成为电话和高速互联网等现代通讯网络运行的基石。“利用一根纯净的玻璃纤维，可以将光信号传输100多公里，而60年代时的光纤只能传输20米。”今天文字、音乐、图片和图像在一眨眼间传遍全球”，高锟功不可没。1973年,美国贝尔实验室将衰减系数降至2.5dB／km1976年，日本电报电话公司(NTT))在进一步设法降低玻璃中的OH含量时发现光纤的衰减在长波长区有：1310nm和1550nm两个窗口。衰减系数降至0.45dB／km(1200nm)1980年，原料提纯和光纤制备工艺得到不断完善，使光纤的传输窗口由850nm移至1310nm、1550nm的进程。在1550nm的衰减系数为0.20dB／km已接近理论值。三.光纤通信系统的发展光纤通信的发展可以粗略地分为三个阶段：

第一阶段（1966～1976年）.在这个时期，短波长=0.85μm,低速率=45或34Mb／s多模光纤通信系统，无中继传输距离约10km.

第二阶段（1976～1986年）。在这个时期，光纤从多模发展到单模，工作波长从短波长=0.85μm发展到长波长=1.31μm(和1.55μm),传输速率=140～565Mb／s的单模光纤通信系统．中继传输距离为100～50km。

第三阶段（1986～1996年），在这个时期，实现了1.55μm色散移位单模光纤通信系统。传输速率=2.5～10Gb/s，无中继传输距离=150～100km。第四阶段（1996～近年），主要研究光纤通信新技术，例如，超大容量的密集波分复用技术使最高速率达到256×40Gbit/s=10Tbit/s和超长距离的光孤子通信技术等四．光纤通信发展现状

目前人们正涉足第五阶段光纤通信系统的研究和开发，至少具有四大特征：超宽带——单根光纤传输容量Tbit/s以上；超长距离——光放大距离可达数千千米；光交换——克服电交换瓶颈；智能化——智能光网络技术。。

图

八横八纵光纤网络图

表1.3光通信发展史古代光通信烽火台、夜间信号灯、水面上的航标灯1880年美国人贝尔发明了光电话（光源为阳光，接收器为硒管，传输介质为大气）20世纪60年代1960年，美国发明了第一台红宝石激光器，并进行了透镜阵列传输光的实验1961年，制成氦一氖（He-Ne）气体激光器1962年，制成砷化鎵半导体激光器1966年，英籍华人高锟就光缆传输的前景发表了具有历史意义的论文，此时光纤损耗约为1

000dB/km20世纪70年代1970年，美国康宁公司研制成功损耗为20dB/km的石英光纤1970年，美国贝尔实验室和日本NEC公司先后研制成功室温下连续振荡的GaAlAs双异质结半导体激光器20世纪80年代提高传输速率，增加传输距离，大力推广应用，光纤通信在海底通信获得应用20世纪90年代掺铒光纤放大器（EDFA）的应用迅速得到了普及，密集波分复用（DWDM）系统实用化21世纪先进的调制技术、超强FEC纠错技术、电子色散补偿技术、偏振复用相干检测技术，以及有源和无源器件集成模块大量问世，出现了以40Gbit/s和100Gbit/s为基础的DWDM系统应用1.1.2光纤通信系统与发展现状

图1-2光纤通信系统可以传输数字信号也可以传输模拟信号，传输的信息有话音、图象、数据和多媒体业务。1光纤通信系统模型图1-2光纤通信系统构成示意图2.光纤通信系统的现状（1）模拟光纤通信系统的现状

传输模拟信号的光纤通信系统称为模拟光纤通信系统，模拟光纤通信系统的典型应用场景是工业控制的单路电视系统和光纤有线电视（CATV）的多路传输系统。（2）数字光纤通信系统的现状

传输数字信号的光纤通信系统称为数字光纤通信系统，数字光纤通信系统有PDH和SDH两种传输体制。

PDH/SDH数字光纤通信系统长途或中继线图1-3数字光纤通信系统原理图图1-4给出了一个32波分复用系统，即32×STM-64组成的光纤通信系统。图1-432×STM-64DWDM光纤通信系统原理图

1.2光纤通信网络发展

及现状1.2.1通信网概念#光纤通信网从电信的业务来分，

①电话网、②电报网、③传真通信网、④计算机数据网⑤图像通信网及⑥有线电视网等。

#就按服务区域范围分为：①长途骨干网、②本地网以及③用户接入网。光纤通信网络实质上是由①用户终端设备、②传输设备、③交换设备和④相应的信令、⑤协议、⑥标准、资费制度与质量标准等软件构成。通信网的基本结构主要有网状、星状、复合型、环状和总线型等，如图1-5所示。将各类网型结合起来，网络的结构就会合理得多。图1-5通信网的基本结构拓扑图1.2.2光纤通信网络模型光纤通信网从电信的业务来分，有电话网、电报网、传真通信网、计算机数据网、图像通信网及有线电视网等；按服务区域范围分为：长途骨干网、本地网以及用户接入网。一个完整光纤通信网络实质上是由用户终端设备、传输设备、交换设备和相应的信令、协议、标准、资费制度与质量标准等软件构成图1-6光纤通信网的基本结构拓扑图1.2.3光纤通信网络现状

光纤通信网络不仅适用于电信业务网，而且也广泛适用于有线电视网、计算机局域网、光互联网等信息网络。1．光纤通信在长途骨干网、本地网中的应用骨干网、本地网中继传输主要以光纤传输（通信）系统为主，其结构如图1-2所示。2．光纤通信在用户接入网中的应用光纤接入网是指在用户接入网中采用光纤作为主要传输媒质来实现用户信息传送的应用形式。光纤接入网的主要优点是可以传输宽带业务，如高速数据下载业务、IPTV业务和图像传送业务等，且传输质量好、可靠性高。网径一般较小，可不需要中继器等。图1-7给出了一种光纤接入网结构示意图，它将光纤引入千家万户保正多媒体信息畅通无阻。3．光纤通信在电视、数据传输网中的应用利用光纤作为有线电视（CATV）的干线传输媒质，可大大提高信号传输质量，为多功能、大容量的信息传送提供了基础。然而，目前做到光纤到户成本很高，难于大规模实现。因此，目前CATV网的最佳选择是光纤、同轴电缆混合（HFC）传输方式。基于光纤通信网络容易建成高速率计算机网，如可将计算机局域网连在如图1-8所示的分前端，借助光纤通信网络实现高速数据传输网络。4．光纤通信在计算机校园网中的应用利用光纤通信系统可容易地传输1

000Mbit/s计算机校园网的数据信号，其结构如图1-9所示。图1-7光纤接入网示例图1-8电视、数据传输网络结构图图1-9计算机校园网组成1.3光纤通信发展与演变趋势1.3.1光纤、光缆发展与演变趋势由于光纤传输速率的逐步高速化、大容量化（例如：美国MCI于1991年开通了Chicago至St.Louis全长442.57km的4×10Gbit/s的商用系统等），光纤衰减、色散、非线性效应等现象严重影响到光纤通信系统的质量，因而，人们已将光纤的工作波长由850nm向1310nm~1550nm的长波长移动，进而向2000nm波长区域扩展。为降低衰减、色散和非线性效应，相继研制出了应用广泛的常规单模光纤（ITU—TG.652），其在1310nm为零色散，在1550nm为最低损耗，工作波长为1310nm；色散位移单模光纤（ITU—TG.653），其低损耗和零色散均在1550nm，工作波长为1550nm；截止波长位移单模光纤（ITU—TG.654），其在1550nm衰减仅为0.15dB/km；非色散位移单模光纤（ITU—TG.655）,其在1550nm损耗小，色散小，非线性效应小；宽带光传送的非零色散光纤（ITU—TG.656）；用于接入网弯曲衰减不敏感的单模光纤（ITU—TG.657）。1.3.2光纤通信系统发展与演变趋势随着信息社会的到来，信息共享、有线电视、电视点播、电视会议、家庭办公、计算机互联网等应运而生，迫使光纤通信向高速化、大容量发展。实现高速化、大容量的主要手段是采用时分复用，波分复用和频分复用。现代电信网的发展对光纤通信提出更高的要求，光纤通信已由以往单信道的光纤通信系统向多信道的波分复用系统发展。采用波分复用技术充分利用光纤的宽低损耗区，在不改变现有光纤通信线路的基础上，可以很容易地成倍提高光纤通信系统的容量。目前多波长复用（DWDM）加掺铒光纤放大器（EDFA）的高速光纤通信系统发展成为主流。实用的DWDM系统工作在8~32个波长，每个波长可传输2.5Gbit/s或10Gbit/s。1.3.3光纤通信网络发展与演变趋势

1.信道容量不断增加目前，实用化的单通道速率已由155Mbit/s到32×10Gbit/s，160×10Gbit/s系统也已投入商用。在实验室，NEC实现了274×40Gbit/s系统；阿尔卡特实现了256×40Gbit/s系统；西门子实现了176×40Gbit/s系统。2.超长距离传输目前，实用化的距离传输已由40km到160km。拉曼光纤放大器的出现，为进一步增大无中继距离创造了条件。在实验室，无电中继的传输距离已从600km增加到4000km。3.光传输与交换技术融合实用化的点到点通信的WDM系统具有巨大的传输容量，但其灵活性和可靠性不够理想。采用光分插复用器（OADM）和光交叉连接设备（OXC）实现光联网，发展自动交换光网络ASON。预计在未来10年内的超高速网络中，采用原来DXC设备的网络将走向采用OXC设备的光传送网。其关键技术是DWDM传输、光放大、光节点处理及多信道管理等。据报道，256×256全光交叉连接设备已研制出来。4.光纤接入网光纤接入网从广义上包括光数字环路载波系统（ODLC）和无源光网络（PON）两类。ODLC不是新技术，是结合了开放的接口V5.1/V5.2，在美国受到重视；PON技术在德国和日本受到重视，它以ATM与PON结合形成APON，或以Ethernet与PON结合形成EPON，传输速率可达155Mbit/s或622Mbit/s甚至1Gbit/s，可以提供经济高效的语音、IP数据、视频广播等多媒体传送平台，并有效地利用网络资源。1.4现代光通信技术特点与进展

光通信系统既有有线的光纤通信系统，也有无线的光通信系统。目前光纤通信系统中所用的光收发信机大多采用的是IM-DD方式，其优点是调制、解调简单，且成本低，足以满足现在的通信需求，其缺陷是受限于传输容量和距离。现代光通信技术，即相干光通信、光孤子通信、光时分复用通信、光码分复用通信和光量子通信技术，恰好弥补IM-DD光纤通信系统的不足。1.4.1相干光通信技术特点与进展

相干光通信，在发射端将要传输的电信号对光载波进行振幅、频率和相位调制（而不像IM调制只是改变光载波的光强度），在接收端则采用零差检测或外差检测等相干检测技术进行信息的接收。相干光通信具有以下特点：

接收机的接收灵敏度高，传输的中继距离长。

接收机的频率选择性好。可以充分利用光纤低损耗光谱区（1.25～1.6mm），提高光纤通信系统容量。有一定的色散补偿效应，通信容量大。

提供多种调制方式。在相干光通信中，除可以对光进行幅度调制外，还可以使用频率和相位等多种调制格式。

相干光通信技术经过二十年的蛰伏期，再一次受到国际学术界的关注。从2005年至今，美国、日本、德国、荷兰、英国、中国等每年有相关研究文章发表。相干光通信方面的理论研究正在逐年升温，商品化研发也在缓慢进行。2006年美国DISCOVERY公司推出了带宽2.5Gbit/s及10Gbit/s的外差检测相干光接收机，在带宽为10Gbit/s、误码率为10-9时灵敏度可达-30dBm，集成的相干接收机体积比普通电脑机箱小，便于运输和野外工作。此外，相干光通信的一大热点在于星间光链路通信。但大规模的应用也不会在短期内出现。1.4.2光孤子通信技术特点与进展光孤子理论的出现，对现代光通信技术发展的两个方向（一是大容量传输，二是延长中继距离）起到了里程碑的作用，被认为是第五代光纤通信系统。光孤子通信具有以下特点：传输容量大。传输速率一般可达20Gbit/s，最高可达100Gbit/s以上。光孤子传输由于波形保持不变，决定了其误码率大大低于常规光纤通信，甚至可实现误码率低于10-12的无差错光纤通信。可以不用光中继站。只要对光纤损耗进行增益补偿，可将光信号无畸变地传输极远距离，从而免去了光电转换、整形放大、判决再生、电光转换、再重新发送等复杂过程。光孤子通信的现状与展望，如图1-10所示图1-10光孤子通信现状与展望1.4.3光时分复用通信技术特点与进展光时分复用（OpticalTime-DivisionMultiplexing，OTDM）和电时分复用类似，是指光域的数字信号时分复用，是把一条复用信道划分成若干个时隙，每个基带数据光脉冲流分配占用一个时隙，N个基带信道复用成高速光数据流信号进行传输。图1-11所示的光时分复用系统原理就是将多个高速调制光信号转换为等速率光信号，然后放在光发射器里利用超窄光脉冲进行时域复用，将其调制为更高速率的光信号然后再放到光纤里进行传输。对于限制传输速率容量的电子瓶颈就得到了有效的解决。图1-11光时分复用系统原理OTDM技术具有以下特点可简单地接入极高的线路速率（高达几百吉比特每秒）。支路数据可具有任意速率等级，并和现在的技术（如SDH）兼容。由于是单波长传输，大大简化了放大器级联管理和色散管理。网络的总速率虽然很高，但在网络节点只需以本地的低数据速率工作。OTDM和WDM的结合可支撑未来超高速光通信网的实现。1.4.4光码分复用通信技术特点与进展光码分复用（OpticalCodeDivisionMultiplex，OCDM）是一种充分利用现有光纤带宽的复用技术。OCDM技术具有以下特点ODCM技术可以实现光信号的直接复用与交换，能动态分配带宽，且扩展网络容易，网管简单，因此非常适用于实时性、高突发、高速率和高保密性的通信业务。通过给用户分配码字实现多址接入，可以在无交换中心的情况下实现点到点、点到多点的通信，并且一个节点的故障不影响系统中其他节点，用户可以即时接入，时延也很小。具有很高的保密性、安全性。信号处理简单，没有像光波分复用系统那样对波长具有严格的要求，也不需要光时分复用那样严格的时钟同步，从而大大降低了收发设备的成本。1.4.5光量子通信特点与进展量子通信是指利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型的通信方式。光量子通信主要基于量子纠缠态的理论，使用量子隐形传态（传输）的方式实现信息传递。根据实验验证，具有纠缠态的两个粒子无论相距多远，只要一个发生变化，另外一个也会瞬间发生变化，利用这个特性实现光量子通信。1.4.6自由空间光通信技术特点与进展自由空间光通信（FreeSpaceOptics，FSO）是指以激光光波作为载波，大气作为传输介质的光通信系统。FSO结合了光纤通信与微波通信的优点，既具有大通信容量、高速传输的优点，又不需要铺设光纤，因此各技术强国在FSO领域投入大量人力物力，并取得了很大进展。FSO是由两台激光通信机构成的通信系统，它们相互向对方发射被调制的激光脉冲信号（声音或数据），接收机解调来自对方的激光脉冲信号，实现双工通信。FSO系统具有以下特点

减少了不必要的E/O转换，一条链路现在只需要2个O/E接口即可，大大降低了成本。

易于升级及维护，当用户的带宽增加时，只需要对放置在室内的系统进行升级即可，免去了复杂繁琐的对准过程。

基于光纤耦合的空间光通信系统能够很好地与现有的光纤通信网络结合，利用现有的比较成熟的光纤通信系统中的器件如发射接收模块，EDFA和WDM中所用到的复用器和解复用器。

可以与光码分多址复用技术（OCDMA）相结合，构成自由空间OCDMA系统，进一步扩大系统的带宽。FSO和其他无线通信相比，具有不需要频率许可证、频率宽、成本低廉、保密性好，误码率低、安装快速、抗电磁干扰，组网方便灵活等优点第2章光纤传输原理及传输特性制作人：邮箱：

光纤通信系统与网络内容提要：2.1光纤和光缆的结构及类型2.2光纤传输原理分析2.3光纤的结构参数

2.4光纤的传输特性

在光纤通信系统与网络中，光纤作为光波传输的良好介质，尤其是石英系列光纤得到了广泛的应用。光纤的传输特性对光纤通信的传输质量起决定作用。本章从应用角度介绍光纤和光缆类型与特性。2.1光纤和光缆的结构及类型2.1光纤和光缆的结构及类型光纤？光缆？所谓“光纤”就是工作在光频下的一种圆柱体介质波导，它引导光能沿着轴线平行方向传输。所谓“光缆”就是由多根光纤和加强构件以及外护层构成。

2.1.1．光纤结构及类型

1.光纤结构图2-1光纤结构光纤可依据材料、波长、传导模式、纤芯折射率分布、制造方法的不同，将其分为多种，如图2-2所示。2．光纤的分类图2-2光纤的分类按模式来分

1)多模光纤（Step-IndexFiber/Graded-IndexFiber）

2)单模光纤：

①双包层光纤

②三角芯光纤

图2-3典型特种单模光纤SiO2+GeO2SiO2+FSiO2③椭圆芯光纤：保偏单模光纤。

④熊猫光纤：保偏状态；⑤蝴蝶光纤：保偏状态

图2-4几种保偏光纤的截面结构按ITU-T已给的建议，光纤可分为多模光纤G.651，单模光纤G.652、G.653、G.654、G.655、G.656、G.657；还有其他相关的单模光纤，如色散平坦光纤（DFF）和色散补偿光纤（DCF）。至今已有G.651～G.657等系列光纤产品种类，在抑制色散上各有独道之处，各种光纤的适用范围见表2.1表2.1各种光纤适用范围图2-6几种典型的光纤折射率分布图O2O2O2O2O2O2单模光纤的波段划分从G.656光纤的应用范围可知，它适用S+C+L三个波段。单模光纤的波段划分见表所示。O波段（原始波段Original）E波段（扩展波段-Extended）S波段（短波段-Short）C波段（常规波Conventional）L波段

（长波段-Long）U波段（超长波段-Ultralong）1326～1360nm1360～1460nm1460～1530nm1530～1560nm1565～1625nm1625～1675nm表2.2单模光纤的波段划分

2.1.2．光缆结构及类型

1．层绞式光缆2.骨架式光缆

3.中心束管式光缆带状结构光缆

常用的室内光缆都是非金属的，可分为4种类型，即多用途室内光缆、分支光缆、互连光缆和皮线光缆，如图2-11～2-14所示。

（1）多用途室内光缆图2-11所示为48芯多用途室内光缆的结构。图2-1148芯多用途室内光缆的结构（2）分支光缆分支光缆用于各光纤的独立布线和分支，图2-12所示为一个8芯分支光缆结构。图2-128芯分支光缆结构（3）互连光缆互连光缆是为计算机、过程控制和办公室布线系统等进行语言、数据、视频，图像传设备互连所设计的光缆，其结构通常为单纤或双纤结构，图2-13为双纤结构。这些光缆里的光纤常为G.657，主要优点是连接容易、直径细、弯曲半径小。图2-13双纤互连光缆结构（4）皮线光缆图2-142芯入户皮线光缆结构常用的特种光缆主要有电力系统光缆、海底光缆和野战军用光缆等，如图2-15、图2-16所示。（1）电力系统光缆其结构如图2-15所示。

图2-15架空地线光缆（OPGW）结构（2）海底光缆图2-16海底光缆结构海底光缆是为将陆地型光纤传输能力延伸至无中继站的海底应用而设计的光缆。野战军用光缆及特种军用光缆是为野战部队的战术通信、雷达车的信息传输、导弹制、导鱼雷制导等应用而设计的光缆。2.1.3光缆型号、规格及特性图2-17

光缆型号与规格组成图1．光缆型号代码及意义

（1）分类代码及其意义GY——通信用野外光缆；

GR——通信用软光缆GJ——通信用局内光缆

；

GS——通信用设备内光缆GH——通信用海底光缆；

GT——通信用特殊光缆GW——通信用无金属光缆；GM——通信用移动式光缆

（2）加强件代码及意义

无符号——金属加强件F——非金属加强件G——金属重型加强件H——非金属重型加强件X——两根分散加强件

（3）派生（结构特征）的代码及意义

B——扁平式结构；C——自承式结构T——填充式结构；D——带状结构G——骨架槽结构；Z——阻燃结构X——中心束管结构（4）护套代码及意义

Y——聚乙烯护套V——聚氯乙烯护套U——聚氨酯护套A——铝一聚乙烯粘接护套L——铝护套G——钢护套（5）外护套代码及意义（外护套是指铠装层及铠装层外边的外护层，外护套的代码两位数字组成。第一位数字:铠装层材料，第一位数字:外护层材料）表2.3外护套的代码及含义代码铠装层材料代码外被层或外套材料3/33单/双细圆钢丝铠装1纤维外被4/44单/双粗圆钢丝铠装2聚氯乙烯套5单钢带皱纹纵包铠装3聚乙烯套2双钢带铠装4聚乙烯套加覆尼龙套GYFTY——GYTA53（GY*TA53）——

2．光缆中光纤规格代码及意义光缆规格由五大部分构成，均用代号表示。按下列顺序排列：光纤纤数光纤类别光纤尺寸工作波长损耗常数α

模式带宽适用温度ⅠⅡⅢⅣ(a)Ⅳ(bb)Ⅳ(cc)Ⅴ（1）光纤纤数用光缆中同一类别光纤的实际数字表示．（2）光纤类别J——SiO2系列多模渐变光纤T——SiO2系列多模阶跃光纤Z——SiO2系列多模准突变型光纤D——SiO2系列单模光纤B1——SiO2的G.652单模光纤X——SiO2芯、塑料包层光纤S——全塑光纤（3）光纤主要尺寸参数及意义用阿拉伯数（含小数点数）及以m为单位表示多模光纤的纤芯/包层的直径，如50/125，单位为m或单模光纤的模场直径/包层直径，单位为m。（4）传输特性代码及意义（由a，bb及cc共三组数字构成。）

光纤传输特性代码由使用波长的代码a、衰减常数的代码bb及模式带宽的代码cc三组数字构成。（5）适用温度代码及意义·A——适用于-40～+40（℃）；

·B——适用于-30～+50（℃）；·C——适用于-20～+60（℃）；

·D——适用于-5～+60（℃）。（6）适用温度用英文字母表示：（1）

A——适用温度范围为

一40～＋

40（℃）（2）

B——适用温度范围为

一30～＋50（℃）（3）

C——适用温度范围为

一20～十60（℃）（4）

D——适用温度范围为

一5～＋60（℃）举例GYGZL-03-12-J50/125（21008）CGYTA53GYTA8B13.光缆特性光缆的主要特性有几何参数、光学特性、传输特性、机械特性和环境特性。光缆的光学特性和传输特性主要由光缆中光纤决定。光缆机械性能指标有拉伸、压扁、冲击、反复弯曲、扭转、曲绕等受力状态2.2光纤传输原理分析

光纤属于介质圆波导,分析导光原理很复杂,可用两种理论进行即射线理论和波动理论.2.2.1射线理论分析光纤的传输原理然后用波动理论讨论导光原理1.基本光学定律和定义

1)直线传播定律光在均匀介质(折射率n不变)中是沿直线路径传播的.

其传播的速度为：v=c/n(2.1)

式中，C=3×108m/s，是光在真空中的传播速度，n是介质的折射率(空气的折射率为1.00027，近似为1，玻璃的折射率为1.45左右)。

2)独立传输定律在线性介质中(光纤为线性介质),来自不同方向的光线即使在空中相交也能互不影响,按各自原有方向继续前进.3)反射定律和折射定律(1)反射定律θ1=θ’1

(2)折射定律θ1θ’1θ2n2=1

n1=1.45θ1=θc

θ2=900

若n1>n2,则入射角θ1<折射角θ2当θ2=90°时对应的入射角θ1

=临界角θc

只要θ1>θc，入射光出现全反射，光被限制在n1介质里传播。若光从n2向n1入射，光线是否能出现全反射？4)绝对折射率n=c/v,v介质里光速.2.光纤中光的传播

当子午线（始终在一个包含光纤轴线的子午面内传播，并且一个传播周期与中心轴相交两次的光线称为子午线）在阶跃光纤中传播时，由于光纤中纤芯折射率n1大于包层折射率n2（即n1>n2，），所以在纤芯与包层界面存在着临界角c，如图2-19所示。子午线在阶跃（均匀）光纤中的传播

_____射线理论分析导光原理什么样的子午线能限制在光纤纤芯中传输?它必须能在纤芯的界面上产生全反射.(1)光纤的接收角(如图2-19所示)B点:端面接收角φα为最大接收角.时,所对应的光纤φα为什么是最大接收角?(2)数值孔径NA(NumericalAperture)NA的定义?NA=sinφα物理意义:NA大小反映了光纤捕捉线的能力.NA=sinφα=?图2-19光纤中的子午线传播n0sinφα=n1sin(900-θc)=n1cosθc,NA的表达示因为:.渐变型光纤中子午射线的传播

光纤接收角?数值孔径NA(r)?一个渐变型光纤的子午面上分层如图2-12所示.各层之间的折射率满足以下关系：n(r0)＞n(r1)＞n(r2)＞n(r3)＞……由于光都是由光密介质向光疏介质传播其入射角将会逐渐增大，即有θ1

＜θ2＜θ3＜θ4＜θ5……(1)光纤接收角φ分析N层的渐变型光纤的导光条件即光纤端面的入射角φ必须满足条件是什么？光线最迟也必须在N层与包层界面上发生全反射。根据光线的折射和全反射定律有：n(r0)sinθ1=n(r1)sinθ2=……=n(r)sinθ(4.6)同理得出：n(r0)sin(900-θz0)=n(r1)sin(900-θz1)=……=n(r)sin(900-θz)即n(r0)cosθz0=n(r1)cosθz1=……=n(r)cosθz射线上任一点符合下列关系：n(r0)cosθz0=n(r)cosθz

在转析点A处，射线与光纤轴平行，则cosθz=1，n(r)=n2，n2为包层的折射率n(r0)cosθZ0=n2,cosθz0=n2/n(r0)(2)数值孔径NA(r)?设θz0所对应φ为最大入射角sinφ=n(r0)sinθz0=(2.7)光纤的本地数值孔径在渐变折射率光纤中，相对折射指数差定义为其中n(0),n2分别是r=0处和芯子界面上的折射率

中心点垂直入射(r0=0）的数值孔径NA（0）为最大数值孔径：2.2.2波动理论分析光纤的传输原理

波动理论的基础是波动方程，波动方程由麦克斯韦方程组作电磁分离而得到。光波在光纤中传输的一些基本性质都可以从麦克斯韦方程组推导出来。

（2.9-a）（2.9-b）式中，E是电场强度；H是磁场强度；k0=2/是真空中波数；是真空中的光波长；n是介质的折射率。一般的求解方法是由麦克斯韦方程组推导出光在均匀介质中的波动方程，若电磁波做简谐振荡，由波动方程可推出均匀介质中的矢量亥姆霍兹方程：1.标量解法

由于n1/n2≈1对弱导光纤，可采取近似解法——标量近似解法。

由于光纤是弱导光纤，光纤中传输的波Ez和Hz非常小。因此先求横向场分量Ey和Hy，再求纵向场分量Ez和Hz。同时定义阶跃光纤的圆柱坐标系如图2-21所示。图2-21光纤的坐标系n1n2在弱导光纤中横向电场偏振方向在传输过程中保持不变，可用一个标量来描述。设横向电场的偏振方向沿y轴方向，它满足标量亥姆霍兹方程，有：（2.10-a）式中，Ey为电场在直角坐标系y轴的分量。选用圆柱坐标系（r，，z）使z轴与光纤轴线一致。将式（2.10-a）在圆柱坐标系中展开，得到横向电场Ey的亥姆霍兹方程为：（2.11-a）（2.10-b）可以利用变量分离法求解Ey。（1）将Ey写成三个变量乘积形式，即设试探函数为：（2）根据物理概念，写出()和Z(z)的形式。Z(z)表示导波沿光纤轴z向的变化规律，因导波是沿z向传播的，它沿该方向呈行波状态。用表示其轴向相位常数，则：()表明Ey沿圆周方向的变化规律，它沿方向是以2为周期的简谐函数（正弦或余弦函数），因而可写成（2.11-b）（2.11-c）（3）求出R(r)的形式，R(r)描述导波沿r方向的变化规律。将式（2.11）代入式（2.10-b），并考虑纤芯和包层中的折射率为n1和n2，a为纤芯半径，则得（2.12-a）（2.12-b）导波在光纤纤芯横截面中应为振荡解，故其解取第一类贝塞尔函数，在包层横截面中应是衰减解，故其解取第二类修正的贝塞尔函数解。于是R（r）可写为：（2.13-a）（2.13-b）（a）第一类贝塞尔函数曲线（b）第二类修正贝塞尔函数曲线为了使分析具有一般性，先引入几个重要的无量纲参数。在纤芯和包层中，令：U叫导波径向（r向）归一化相位常数，它描述了导波电场和磁场在纤芯横截面上的分布W叫导波径向（r向）归一化衰减常数，它描述了导波电场和磁场在包层横截面上的分布V叫归一化频率，它是表示光波频率大小的无量纲的量β为导波沿光纤轴向z传输时的相位常数（2.14-a）（2.14-b）（2.15）（2.16-a）（2.16-b）利用光纤的边界条件可确定式中的常数。首先根据边界条件找出A1,A2之间的关系。在r=a处，因可得A1Jm(U)=A2Km(W)=A，将此式代入式（4.16）中，得：（2.17-a）（2.17-b）（4）横向电场Ey的标量解。将R(r),(),Z(z)代入式（2.11-a），并考虑到式（2.14）的关系，式（2.11-a）变成：

光纤中的电磁波近似为TEM波，于是Hx的场分量表示式为：r≤a

r≥a

（2.18-a）（2.18-b）式中，是自由空间波阻抗。由麦克斯韦方程组，可求出纵向场Ez,Hz与横向场Ey,Hx之间的关系：将Hx,Ey代入上式，即可求出Ez,Hz。有了电磁场的纵向分量Ez,Hz，可以通过麦克斯韦方程组导出电磁场横向分量Er,Hr和E,H的表达式.具体的方程组请参阅相关文献。（2.19-a）（2.19-b）2.标量解的特性方程标量解的特征方程，可由边界条件得出。在r=a处，令Ez1=Ez2，忽略n1和n2之间的微小差别，即令n1=n2，可得（2.20-a）（2.20-b）根据贝塞尔函数的递推公式可以证明，（2.20）中的两式是相等的，因而可选其一求解。从中解出U（或W）值，从而确定W（或U）和相位常数，确定光纤中的场分布及其特性。由于（2.20）式是超越方程，须用数值法求解，很复杂，故下面只讨论它在截止和远离截止两种情况下的解。3.光纤的标量模LPmn及其特性标量模定义是指弱导光纤中传播的近似为TEM波,它具有横向场(x,y)极化方向不变（线极化）的特点，可认为它是线极化波LPmn模，下标m,n的值表明各模式的场型特征。

简并模？不同的模式，有不同的场的结构(图案)。但如果它们具有相同的传输常数β=k值，则认为这些模式是简并的。LPmn是由HEm+1,n和HEm-1,n

模线性叠加而成.例LP0n模是由HE1n模得到；LP1n模是由HE2n，TM0n和TE0n模线性组合得来；LP2n模是由HE3n模和EH1n模线性组合得来----依次类推。（1）LPmn模的截止条件VC截止的概念:当光纤中导波变为辐射模时,认为导波截止.当W→∝时,导波的场在纤芯外衰减的.当W→0时,导波截止(相当于射线理论中θ1<θc)导波辐射.截止临界状态:Wc=W=0,由于V2=U2+W2Vc2=Uc2+Wc2→=Uc2

若求得Uc→Vc称为归一化的截止频率.Uc=Vc?截止条件下的特征方程Wc=0UcJm-1(Uc)/Jm(Uc)=WcKm-1(W)/Km(W)=0Uc=0或Jm-1(Uc)=0在LPmn模的归一化的截止频率Vcmn=Ucmn截止特征方程:Jm-1(Uc=μcmn)=0当m=0时，LP0n模的特征方程:J-1(Uc)=J1(Uc)=0，可解出Uc=μ0n=Vc0n=0，3.83171，7.01559，10.17347…

图2-23m＝0,1模式的U值变化范围11J1=J-1m=0m=1HE04LP04即表示LP01模的uc01=0。意味着该模式无截止波长、无截止情况.当m=1时，LP1n模的特征方程:Jm-1(Uc)=0---J1-1(Uc)=0当m≠0时，也可求出相应的根表4.3

表2.5截止情况下LPmn模的Uc=Vcnm012102.4053.83223.8325.5207.01637.0168.65410.173此值通过Jm-1(μcmn)=0方程,求解而得.如图2.12所示.从表2.5截止情况下的LPmn模的Uc值可知:LP01模的Vc=Uc=0，说明这种模式没有截止现象是光纤中的最低模，也称基模。LP11模，称为二阶模，其Vc=Uc=2.4053.截止波长λc与归一化截止频率Vc关系对某一光纤的每一个模式，都对应有一个截止波长λc(Vc).当工作波长λ0＜λc时,该模式可以传输当工作波长λ0＞λc时，该模式就截止了

当光纤的V＜Vc时,该模式就截止了

当光纤的V＞Vc时,该模式可以传输.因为:V=2πn1(2△)1/2a/λ0,则:Vc=2πn1(2△)1/2a/λcλc=2πn1(2△)1/2a/Vc4.单模传输条件

Vc01=0＜

V＜Vc11=2.405λc11=2πn1(2△)1/2a/2.405

＜λ0＜λc01=∝0λC23λC12λC21λC11λLP01LP11LP21LP12LP230VC11VC21VC12

VLP01LP11LP21LP12（2）LPmn模的传导条件根据电磁场理论，当LPmn模的归一化频率V大于LPmn模所对应归一化截止频率Vc时，LPmn模可以传导，即LPmn模的传导条件是V>Vc。在极限情况下，V→∞表示场完全集中在纤芯中，在包层中的场为零。

因V=2πn1(2△)1/2a/λ0,所以有a/λ0→∞。此时光波相当于在折射率为n1的无限大空间中传播，其相位常数β→k0n1于是有:

∞将其代入(2.20-a)可得相应情况下的特征方程(W→

∝条件下)U

Jm+1(U)/Jm(U)=WKm+1(W)/Km(W)

→

∝

可简化→

Jm(U)=0从此式即可确定远离截止情况时的U值U=μmn式中,μmn代表m阶贝塞尔函数的第n个根

图2-24α2.3光纤的结构参数光纤的结构参数主要有光纤的①几何参数、②折射率分布、③数值孔径（NA）、④模场直径和⑤截止波长等。这些参数与光纤横截面径向r有关，与光纤的长度及传输状态无关。2.3.1几何参数

几何特性有芯径、包层的尺寸和对芯／包层同心度、不圆度等。1）纤芯直径与外径纤芯直径，主要是对多模光纤的要求。ITU-T规定多模光纤的纤芯直径为50±3m。包层直径又称光纤的外径，它是指裸纤的直径。无论多模光纤、单模光纤，ITU-T规定通信用光纤的外径均为125±3m2）芯/包层同心度和不圆度

2.3.2．数值孔径

多模光纤的折射率分布，决定了多模光纤的带宽和连接损耗。单模光纤的折射率分布，决定了单模光纤的截止波长、模场直径和色散。因此，一般要求设计出的折射率分布具有使光纤宽带宽、低色散、小的损耗系数，并有合理的横截面结构，以减少生产成本。数值孔径（NA）（最大理论数值孔径）最大理论数值孔径的定义为：

2.3.3模场直径

模场直径的定义，其定义是设LP01模的电场强度分布为E(r)=E0exp(r2/W20)，取其最大值的E0/e处所对应光纤横截面径向r上两点之间的宽度为模场直径，用2W0表示。模场直径估算为：。模场直径估算：单模光纤由模场直径代替纤芯直径。ITU-T规定模场直径为[（9～10）±1]μm

图2-25基模近场功率分布图2.3.4截止波长

（模光纤的截止波长）

截止波长是单模光纤保证单模传输的条件，所以截止波长的定义是大于此波长时二阶LP11模不再传播。理论截止波长λct2.4光纤传输特性2.4.1损耗特性

一、损耗定义

p（0）为输入光纤的光功率，即在Z=0处注入的光功率；p（Z）为传输距离L处的光功率；

二、损耗系数

(当Z=L时)在光纤上两个相距L的截面之间的波长λ上的总衰减：A（λ）＝α（λ）×L（dB）

三、光纤产生损耗的原因光纤产生损耗的原因很多，其类型有吸收损耗，散射损耗和附加损耗。1.吸收损耗本征吸收:红外吸收,紫外吸收杂质吸收:铁、铜等过渡金属离子和OH离子(非本征)。公式估算红外吸收的损耗系数：其中是工作波长，单位为m，当=1.55m时ir0.02dB/km，其影响较小。但当=1.70m时，ir0.32dB/km。可见红外吸收影响了工作波长向更长波长方向发展。公式估算紫外吸收的损耗系数：其中，B是掺锗的重量百分比，当=1.31m，B=3.5%时，uv1.75×102dB/km。但当=0.60m时，uv1.00dB/km。可见紫外吸收随减少和掺锗浓度增加而增加.

2.散射损耗散射损耗是由于材料的不均匀使光散射将光能辐射出光纤外的损耗。光纤的散射损耗主要有瑞利散射、米氏散射、受激布里渊散射、受激拉曼散射、附加结构缺陷散射、弯曲散射和泄漏等。引起光纤损耗的散射主要是瑞利散射，瑞利散射具有与短波长的1/4成正比的性质，即：R=A/4。对掺锗的光纤而言，A0.63dBm4/km。对于分别0.85m、1.31m和1.55m时，则R分别约为1.3dB/km、0.3dB/km和0.1dB/km。除瑞利散射损耗较大外，其他散射损耗只是瑞利散射损耗的百分之一。3.附加损耗：

张力、侧压、弯由、挤压造成的宏弯和微弯图2-18光纤的宏弯损耗（a）射线法解释；（b）波动理论解释。2.4.2色散特性在光纤中，信号是由很多不同模式或不同频率的光波携带传输的，而不同模式或不同频率传播速度不同，因而信号达到终端时会出现传输时延差，从而引起信号畸变，这种现象就统称为色散。

根据色散产生的原因，光纤的色散主要分为：模式色散、材料色散、波导色散和偏振模色散。下面分别给予介绍。1.模式色散常用时延差表示色散程度。时延差越大，色散就越严重。模式色散

在多模阶跃光纤中，传输最快和最慢的两条光线分别是沿轴心传播的光线①和以临界角θc入射的光线②，如图4-18所示。因此，在阶跃型多模光纤中最大色散是光线②所用时间τmax和光线①所用时间τmin到达终端的时间差△τmax：△τmax=τmax－τmin根据几何光学，设在长为L的光纤中，光线①和②沿轴方向传播的速度分别为c/n1和c/n1sinθc。因此光纤的模式色散为：

2.材料色散由于光纤材料的折射率随光波长的变化而变化，使得光信号各频率的群速度不同，引起传输时延差的现象，称为材料色散。设光源谱宽为Δλ，单位长度光纤的时延差用Δτ表示:则由上式所示，时延差与光源的相对带宽成正比。因此采用窄谱宽激光器做光源有利减少色散。Δτ的单位是ps/km。*Δτ=D×Δλ;Δλ:光源谱宽,D:色散系数3.波导色散=Dw×△λ×L

（ps／nm·km）在不同的波长下，其相位常数β不同，从而群速度不同，引起色散。4．偏振色散（PMD）

单模光纤中只传输基模LP01，总色散由材料色散、波导色散和偏振模色散组成。这三个色散都与波长有关，所以单模光纤的总色散也称为波长色散。光纤中的光传输可描述完全是沿X轴振动和完全是沿Y轴上的振动或一些光在两个轴上的振动，如图2-31所示。每个轴代表一个偏振“模”。两个偏振模的到达时间差称为偏振模色散PMD（PolanzationModeDispertion）。PMD的度量单位为微微秒(ps)。光纤的PMD系数表示的单位为ps/km1/2。5.光纤的带宽

D：光纤色散系数（ps/nm.km）；△λ：光源谱宽（nm）；B0：光纤的带宽（MHz）；常数：ε=0.115（多纵模激光器）,ε=0.306（单纵模激光器）

2.4.3光纤双折射及偏振特性

基本概念1．理想的单模光纤：传输模式是线极化波LP01，即用LP01x和LP01y，两模式有相同的相位常数βx=βy，它们是相互简并的。2．光纤的双折射：光纤的不完善，将使两模式之间的简并被破坏βx≠βy。这种现象叫作模式双折射。

3．光纤双折射危害由于双折射，两种模式的群速度不同，因而引起偏振（极化）色散。4．双折射的利用保偏光纤即是利用光纤的双折射特性制成的。1．线双折射的参数（1）线双折射率ΔβL：它定义为两正交线偏振模的相位常数之差。

ΔβL＝βx-βy*归一化双折射率B：它是线双折射率ΔβL与真空中的波数k0之比。

B=ΔβL/k0=（βx-βy）/k0=nx-ny=Δneff式中：nx，ny是LP01x，LP01y模的等效折射指数；Δneff是等效折射指数差。一般单模光纤的B值为10-5~10-6之间:当B<10-6时为低双折射光纤(LB),当B>10-5时为高双折射光纤(HB).（2）拍长LB：

拍长LB即偏振态完成一个周期变化的光纤长度，叫作拍长。如图2-32所示。在一个拍长上，两正交偏振光的相位差变化2π，因而有

ΔβL×LB＝2π。

LB＝2π/ΔβL＝λ0/B图2-32光纤双折射的偏振态在一个拍长上的演化

（3）消光比和功率耦合系数

如在光纤输入端激发x方向的线偏振模，其功率为Px，由于耦合，在光纤的输出端出现了y方向的线偏振模，其功率为Py。用消光比η和功率耦合系数h来表示这一对正交线偏振模的耦合作用η=10lgtan（hL）=10lg(Px/Py)η越大说明光纤的保偏能力强。式中：L是光纤长度。这两参数说明光纤的保偏能力，η、h越大保偏能力越强。

2．线双折射的成因

线双折射归为两类:几何双折射应力双折射（1）几何双折射

其截面如图2-33所示，长轴2a，在x方向；短轴2b在y方向。椭圆度e=1-（b／a）2。当椭圆度e<<1，归一化频率V≈2.4［V值按平均光纤芯径（a＋b）/2计算］的情况下，双折射率为：

图2-33几何双折射(2)应力双折射（如图2-34所示）

图2-34(a)光纤弯曲，(b)光纤侧向受应力3．线双折射的影响单模光纤的偏振色散由于存在双折射，单模光纤中基模LP01x和LP01y的相位常数βx≠βy，从而引进偏振色散。设这两个模式传输单位长度所用的时间各为τx，τy，于是单位长度上产生的时延差为：=xy2.4.4光纤的非线性效应非线性效应的产生当今在带有掺铒光纤放大器的密集波分复用大容量、高速度的光纤通信系统中，光纤中传输的工作波长多、功率大，大的光功率可能引起信号与光纤的相互作用而产生各种非线性效应，如果不适当抑制，这些非线性效应会严重影响系统的性能和限制再生中继距离。光纤的非线性可分为两类：非线性受激散射和折射率扰动。1.受激散射受激散射是指光场把部分能量转移给非线性介质。非线性受激散射发生在光信号与光纤中的声波或系统振动相互作用的调制系统中。既光场把部分能量转移给非线性介质。受激拉曼散射和受激布里渊散射就属于此类。1.受激散射受激散射—指光场把部分能量转移给非线性介质1）受激拉曼散射SRS（StimulatedRamanScattering）

SRS是当入射一个强光信号，在光纤中引发了介质中的分子振动对入射光的相互作用,从而使入射光产生散射——拉曼非线性效应发生了。这些分子振动对光信号调制后，产生新的光频，从而对入射光产生散射作用。设入射光频率为ωp，介质分子振动频率为ωv则散射光频率为ωS=ωp-ωv和ωaS=ωp+ωv这种现象叫受激拉曼散射。ωS散射光叫斯托克斯波。斯托克斯波：使一个入射光子消失，产生了一个频率下移ωS光子（即Stoker波）和另一个频率上移ωaS光子。SRS散射光是以前后两个方向传播的，但是可采用光隔离器来消除后向传输的光功率。ωaS散射光叫反斯托克斯波。

SRS散射光是以前后两个方向传播的？对典型的单模光纤，受激拉曼散射会产生的最低阈值泵浦光功率PR可近似表示为：

式中，Aeff

为纤芯有效面积，即Aeff≈πW02（W0为模场半径）；Leff为光纤的有效互作用长度，gR拉曼增益系数。对于λ=1µm附近，gR=10-11m/W,Leff=20kmAeff=50µm2时，预测的拉曼阈值约400mW。2）受激布里渊散射（SBS）受激布里渊散射SBS（StimulatedBrillouinScattering）是当一个窄线宽，高功率光信号沿光纤输入时，将产生一个与输入光信号同向的声波，且以声速传输，这一种由光纤中的光信号和声波）之间的相互作用所引起的非线性现象。#入射的光频ωp，将部分能量转移给ωs斯托克斯波，并发出频率为Ω的声波。Ω=ωp-ωs受激布里渊散射与受激拉曼散射在物理上类似的。在光纤中,SBS产生的最低阈值泵浦光功率PB可近似表示为对于λ=1µm附近，Aeff=50µm2，Leff=20km，布里渊增益系数gB=5×10-11m/W的情况下，光纤受激布里渊散射阈值PB≈1mW，比PR小得多。2．折射率扰动通过改变所传输信号的光强度能够引起光纤的折射率的变化，它们的关系如下式所示。

n＝no+n2P/Aeef＝no+n2|E|2

式中：n0:线性折射率;P:输入功率;E:光场强度n2:非线性折射率系数;Aeef:光纤有效面积。折射率扰动引起的三种非线性效应为：自相位调制、交叉相位调制和四波混频。1）自相位调制（SelfPhaseModulation）自相位调制SPM是指传输过程中光脉冲对自身相位变化,导致脉冲频谱展宽的现象。自相位调制与”自聚焦”有密切联系.光脉冲在光纤中传输过程相位变化为:φ=(no+n2|E|2)k0L=φ0+φNL

其中:k0=2π/λ;L是光纤长度.φ0=nok0L是相位变化的线性部分.ΦNL=n2k0L

|E|2-----自相位调制在某些条件下，SPM是有利的。2）交叉相位调制(CPM)CPM是一个脉冲对其他信道脉冲相位的作用。当两个或多个不同波长的光波在光纤的非线性相互作用。CPM与SPM所不同的是SPM发生在单信道和多信道系统中，而CPM则仅出现在多信道系统中。CPM危害是，不同的波长的脉冲之间互相作用，会造成光谱的展宽

3）四波混频(FWM)FWM是指由两个或三个波长的光波混合后产生的新光波，其原理如图2-26所示。在系统中，某一波长的入射光会改变光纤的折射率，从而在不同频率处发生相位调制，产生新的波长。四波混频产生原理图图2-35四波混频产生原理第3章光纤通信基本器件制作人：邮箱：内容提要：3.1光源器件3.2光检测器件3.3光纤放大器（EDFA）3.4光纤连接器3.5光分路耦合器和波分复用器3.6光隔离器和光环行器3.7光衰减器和光开关3.8偏振控制器一个完整光纤通信系统需要：有源器件多种无源器件激光器、发光二极管:能量转换器件即电导致光的器件光检测器：能量转换器件即光导致电的器件光放大器：直流光能转换成交流光能。光无源器件：光纤连接器光无源器件：光定向耦合器、光衰减器、光隔离器、光调制器等概述3.1光源器件

光发射部分的核心：光源，它是组成光纤通信系统的重要器件。光源器件是光发射机的核心，它的作用是将电信号转换成光信号。光纤通信中常用的光源器件有半导体激光器LD和半导体发光二极管LED两种。1．半导体激光器的工作原理Femi统计规律在热平衡状态时，粒子在各能级之间的分布应服从费米统计规律。

f（E）＝1/[1＋exp（E-Ef）/K0T](3.1)f（E)—能量为E被电子占据的机率（概率）Ef

—费米能级。它与物质的特性有关，它只是反映电子在各个能级中分布情况的一个参量（它是抽象的不存在的一个能级）。K0=1.38x10-23J/K