1、光纖通信原理光纖通信原理瑞典皇家科學院日宣布，將年諾貝爾物理學獎授予英國華裔科學家高錕以及兩位美國科學家。高錕獲獎，是因為他在“有關光在纖維中的傳輸以用于光學通信方面”做出了突破性成就。 Asiaweek回顧影響20世紀的5位亞洲人時，他和鄧小平、黑澤明、甘地、盛天昭夫并列，各自在不同的領域塑造了整個世界的面貌。1 光纖通信概述1.1什么是光纖通信1.2光纖通信的發展史1.3光纖通信的特點1.4光纖通信系統的組成1.5光纖通信的發展趨勢1.1什么是光纖通信q 利用光導纖維傳輸光波信號的通信方式，稱為光纖通信。q 光纖通信是工作在近紅外區，其波長是0.81.8m，對應的頻率為167375THz。

2、q 光纖通信技術的發展十分迅速，已經起到了舉足輕重的地位，發展前景十分廣闊。 1.2光纖通信的發展史我國古代使用的烽火臺就是大氣光通信的最好例子。后來的手旗、燈光甚至交通紅綠燈等均可劃入光通信的范疇。近代光通信的雛形可追朔到1880年Bell發明的光電話。但通信光電話未能像其它電通信方式那樣得到發展。1966年英籍華人高琨博士提出光導纖維的概念在全世界范圍內掀起了發展光纖通信的高潮。 1978年工作于0.8m的第一代光波系統正式投入商業應用。上世紀80年代初，早期的采用多模光纖的第二代光波通信系統問世。1990年，工作于2.4Gb/s，1.55m的第三代光波系統已能提供通信商業業務。第四代光波

3、系統以采用光放大器(OA)增加中繼距離和采用頻分與波分復用(FDM與WDM)增加比特率為特征。第五代光波通信系統的研究與發展也經歷了20多年歷程，已取得突破性進展。它基于光纖非線性壓縮抵消光纖色散展寬的新概念產生的光孤子，實現光脈沖信號保形傳輸。 從通信網來看第一代為純電信網第二代通信網僅僅是用光纖代替銅線，使通信網的性能得到了某種改善，而網絡的拓撲骨架基本上之前的模式，光波通信的潛力尚未完全發揮。第三代通信網為全光通信網。1990年后，隨著光纖與光波電子技術的發展，新穎光纖與半導體功能光器件相繼問世，掀起了發展全光通信網的潮流。這種通信網中，不僅用光波系統傳輸信號，交換、復用、控制與路由選擇

4、等亦全部在光域完成，由此構建真正的光波通信網。 1.3光纖通信的特點傳輸頻帶寬，通信容量大。 中繼距離遠。 抗電磁干擾能力強，無串話。 光纖細，光纜輕。 資源豐富，節約有色金屬和能源。 均衡容易。 經濟效益好。 抗腐蝕、不怕潮濕。1.4光纖通信系統的組成根據調制信號的類型，光纖通信系統可以分為模擬光纖通信系統和數字光纖通信系統。根據光源的調制方式，光纖通信系統可以分為直接調制光纖通信系統和間接調制光纖通信系統。 根據光纖的傳導模數量，光纖通信系統可以分為多模光纖通信系統和單模光纖通信系統。根據系統的工作波長，光纖通信系統可分為短波長(0.80.9m)光纖通信系統、長波長(1.01.7m)光纖通

5、信系統和超長波長(2m以上)光纖通信系統。1.5光纖通信的發展趨勢國家863計劃通信技術主題專家組副組長 紀越峰 ：在高速光傳輸方面，目前已實現了10.96Tbit/s（274波40Gbit/s）的實驗系統；在超長距離傳輸方面，已達到了4000km無電中繼的技術水平 我國已成為世界上為數不多的幾個掌握了全套SDH和WDM光通信系統系列產品技術的國家之一，在世界光通信系統和光網絡領域已經占據了一席之地。 從一九七年到現在雖然只有短短不到三十年的時間，但光纖通信技術卻取得了極其驚人的進展。用帶寬極寬的光波作為傳送信息的載體以實現通信。然而就目前的光纖通信而言，其實際應用僅是其潛在能力的2左右，尚有

6、巨大的潛力等待人們去開發利用。2 光波波譜 光波是電磁波，光波范圍包括紅外線、可見光、紫外線，其波長范圍為：300m6103m。 可見光由紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫七種顏色的連續光波組成，其中紅光的波長最長，紫光的波長最短。波長再短就是X射線、射線。電磁波波譜圖3 光纖3.1 光纖的結構與類型3.2 光纖的射線理論分析3.3 光纖的損耗特性3.4 光纖的色散特性3.5 單模光纖3.6 光纖的傳輸帶寬3.7 光纖連接器特性3.1光纖的結構與類型n3.1.1 光纖的結構光纖(Optical Fiber，OF)就是用來導光的透明介質纖維，一根實用化的光纖是由多層透明介質構成的，一般可以分為三部分：折

7、射率較高的纖芯、折射率較低的包層和外面的涂覆層光纖結構示意圖光纖結構示意圖 3.1.2 光纖的類型 光纖的分類方法很多，既可以按照光纖截面折射率分布來分類，光纖中傳輸模式數的多少光纖使用的材料傳輸的工作波長來分類。w1. 按光纖截面上折射率分布分類按照截面上折射率分布的不同可以將光纖分為階躍型光纖(Step-Index Fiber，SIF)和漸變型光纖(Graded-Index Fiber，GIF)光纖的折射率分布光纖的折射率分布w2. 按傳輸模式的數量分類按光纖中傳輸的模式數量，可以將光纖分為多模光纖(Multi-Mode Fiber，MMF)和單模光纖(Single Mode Fiber，

8、SMF)。在一定的工作波上，當有多個模式在光纖中傳輸時，則這種光纖稱為多模光纖。單模和多模光纖結構示意圖w3. 按光纖的工作波長分類按光纖的工作波長可以將光纖分為 短波長光纖、長波長光纖和超長波長光纖。w4. 按ITU-T建議分類按照ITU-T關于光纖類型的建議，可以將光纖分為G.651光纖(漸變型多模光纖)、G.652光纖(常規單模光纖)、G.653光纖(色散位移光纖)、G.654光纖(截止波長光纖)和G.655(非零色散位移光纖)光纖。ITU-T的中文名稱是國際電信聯盟遠程通信標準化組(ITU-T for ITU Telecommunication Standardization Sect

9、or), 它是國際電信聯盟管理下的專門制定遠程通信相關國際標準的組織。（1）G.652光纖。G.652光纖特點是零色散波長在1.31m，故其被稱為常規單模光纖或非色散位移單模光纖。G.652光纖在1.31m處衰減系數為0.35dB/km左右，在1.55m處衰減系數為人0.20dB/km左右，但1.55m處的色散系數大約為1720ps/km.nm，從而限制了其在工作波長為1550nm系統中的傳輸速率和傳輸距離。（2）G.653光纖。G.653光纖特點是零色散波長由G.652光纖的1.31m位移到1.55m制得的光纖，故其稱為色散位移光纖。G.653光纖同時實現了1.55m窗口的低衰減系數和小色散

10、系數。但是當其用于帶有摻鉺光纖放大器的波分復用系統中時，由于光纖芯中的光功率密度過大產生了非線性效應，限制了G.653光纖在單信道速率10Gbit/s以上波分復用或密集波分復用系統中的應用（3）G.655光纖。G.655光纖特點是在1.5301.565m波長區為非零色散，故其稱為非零色散位移光纖。G.655光纖解決G.653光纖在單信道速率10Gbit/s以上波分復用中出現的非線性效應，特別是四波混頻，所以其在10Gbit/s以上波分復用或密集波分復用的高速率、大容量、遠距離光纖傳輸系統中得到極為廣泛地應用。G.657光纖標準將成為光纖標準將成為FTTx建設的主流建設的主流G.652標準光纖的

11、彎曲半徑為25mm，受彎曲半徑的限制，光纖不能隨意地進行小角度拐彎安裝2006年12月，ITU-T第十五工作組通過了一個新的光纖標準，即G.657，稱為“用于接入網的低彎曲損耗敏感單模光纖和光纜特性”。根據G.657標準，光纖的彎曲半徑可達510mm，因此符合G.657標準的光纖可以像銅纜一樣，沿著建筑物內很小的拐角安裝，非專業的技術人員也可以掌握施工的方法，降低了FTTx網絡布線的成本。除此以外，實際施工中光纖的彎曲半徑一般會小于該類光纖的最小彎曲半徑，當光纖發生一定程度的老化時，信號仍然可以正常傳送。因此，G.657標準有助于提高光纖的抗老化能力，降低FTTx的維護成本。3.2 光纖的射線

12、理論分析n3.2.1基本光學定義和定律光在均勻介質中是沿直線傳播的，其傳播速度為v=c/n式中：c2.997105km/s，是光在真空中的傳播速度；n是介質的折射率(空氣的折射率為1.00027，近似為1；玻璃的折射率為1.45左右)。反射定律：反射光線位于入射光線和法線所決定的平面內，反射光線和入射光線處于法線的兩側，并且反射角等于入射角，即：11。折射定律 ：折射光線位于入射光線和法線所決定的平面內，折射光線和入射光線位于法線的兩側，且滿足：n1sin1=n2sin23.2.2光纖中的模式傳輸w1. 傳導模的概念模式是波動理論的概念。在波動理論中，一種電磁場的分布稱之為一個模式。在射線理論

13、中，通常認為一個傳播方向的光線對應一種模式，有時也稱之為射線模式。2. 相位一致條件光纖中光波相位的變化情況光纖中光波相位的變化情況相位一致條件就是說：如果圖中所示的這個模式在A、B處相位相等，則經過一段傳播距離后，在A、B處也應該相位相等或相差2的整數倍。光纖的相位一致條件也可以從另外一個角度出發得到。根據物理學的知識可知：波在無限空間中傳播時，形成行波；而在有限空間傳播時，形成駐波。3.3光纖的損耗特性光纖的損耗特性q1.衰減系數衰減系數q損耗是光纖的一個重要傳輸參量，是光纖傳輸系統中繼距離的主要限制因素之一。q損耗的大小可以用衰減常數定義。q通常表示成dB/km為單位的形式。2.光纖通信

14、的低損耗窗口光纖通信的低損耗窗口v由石英光纖的損耗譜曲線自然地顯示光纖通信系統的三個低損耗窗口： 第一低損耗窗口短波長0.85m附近； 第二低損耗窗口長波長1.31m附近； 第三低損耗窗口長波長1.55m附近；v實驗上曲線的損耗值為：對于單模光纖，在0.85m時約為2.5dB/km；在1.31m時約為0.4dB/km；在1.55m時僅為0.2dB/km，已接近理論值(理論極限為0.1dB/km)。 3.光纖損耗主要包括：(1) 材料的吸收損耗光纖材料吸收損耗包括紫外吸收、紅外吸收和雜質吸收等，它是材料本身所固有的，因此是一種本征吸收損耗。(2) 光纖的散射損耗瑞利散射損耗。光纖在加熱過程中，熱

15、擾動使原子產生壓縮性的不均勻，造成密度不均勻，進一步造成折射率不均勻。這種不均勻性在冷卻過程中固定了下來并引起光的散射。波導散射損耗。當光纖的纖芯直徑沿軸向不均勻時，產生導模和輻射模間的耦合，能量從導模轉移到輻射模，從而形成附加的波導散射損耗。非線性散射損耗。當光線中傳輸的光強大到一定程度時，就會產生非線性受激拉曼散射和受激布里淵散射，是輸入光能部分轉移到新的頻率分量上。(3) 輻射損耗當理想的圓柱形光纖受到某種外力作用時，會產生一定曲率半徑的彎曲，導致能量泄露到包層，這種由能量泄露導致的損耗稱為輻射損耗。3.4光纖的色散特性 1.什么是光纖色散q信號在光纖中是由不同的頻率成分和不同模式成分攜

16、帶的，這些不同的頻率成分和模式成分有不同的傳播速度，從而引起色散。q也可以從波形在時間上展寬的角度去理解，即光脈沖在通過光纖傳播期間，其波形在時間上發生了展寬，這種觀象就稱為色散。v光纖色散是光纖通信的另一個重要特性，光纖的色散會使輸入脈沖在傳輸過程中展寬，產生碼間干擾，增加誤碼率，這樣就限制了通信容量。因此制造優質的、色散小的光纖，對增加通信系統容量和加大傳輸距離是非常重要的。v引起光纖色散的原因很多，由于信號不是單一頻率而引起的色散有材料色散和波導色散，由于信號不是單一模式所引起的色散稱為模式色散。2.色散的程度描述色散的程度描述v時延差可以表示光纖的色散程度：=DL式中：D為色散系數，單

17、位為ps/(nmkm)，為光源譜寬，L為傳輸的距離時延差越大，色散越嚴重。3.材料色散和波導色散材料色散和波導色散(1) 材料色散材料色散v它是由于材料折射率隨光波長非線性變化引起的色散在0=1.27m時，時延差最小，這個波長稱為材料的零色散波長。(2) 波導色散波導色散v對于單模光纖，波導的作用不能忽略。對于某模式的電磁波而言，傳播常數可以由U（導波徑向歸一化常數）、V（歸一化頻率）和W（導波徑向歸一化衰減系數）推出，在不同的頻率下，相位常數不同，使得群速不同而引起色散，這種色散稱為波導色散。4.模式色散模式色散v模式色散是指不同模式的電磁波在光纖中傳播，群速不同而引起的色散。可以用光纖中傳

18、輸的最高模式與最低模式之間的時延差來表示3.5單模光纖單模光纖q1、什么是單模光纖、什么是單模光纖q單模光纖是在給定的工作波長上，只傳輸單一基模的光纖。q在單模光纖中不存在模式色散，因此它具有相當寬的傳輸頻帶，適用于長距離、大容量的傳輸，近年來，單模光纖通信系統得到迅速發展2、單模光纖的折射率分布、單模光纖的折射率分布(1) 階躍型單模光纖折射率分布形式(2) 下凹型單模光纖3、單模傳輸條件、單模傳輸條件0V2.40483 (3-10-1)上式稱為單模光纖的單模傳輸條件。4、單模光纖的特征參數、單模光纖的特征參數(1) 衰減系數衰減系數對 于 單 模 光 纖 在 1 . 3 1 m 附 近 約

19、 為0.35dB/km，在1.55m附近，可降至0.2dB/km以下。(2) 截止波長截止波長c所謂截止波長，一般指的是LP11模的截止波長(3) 模場直徑模場直徑d從理論上講，單模光纖只有基模（LP01）傳輸，寂寞場強在光纖截面上的分布與光纖的結構有關，而模場直徑就是衡量光纖橫截面上一定場強范圍的物理量。對于均勻單模光纖，基模場強在光纖橫截面上近似為高斯分布。通常，將纖芯中場分布曲線最大值的1/e處，所對應的寬度定義為模場直徑，用d表示。3.6光纖的傳輸帶寬光纖的傳輸帶寬色散使沿光纖傳輸的光脈沖展寬，最終可能使兩個相鄰脈沖發生重疊。重疊嚴重時使接收機無法區分它們，造成誤碼v定義相鄰兩脈沖雖重

20、疊但仍能區別開時的最高脈沖速率為該光纖線路的最大可用帶寬。v光纖的帶寬特性如圖3-11-2v對階躍多模光纖，帶寬主要受模間色散的限制，僅數十MHzkm。v漸變多模光纖，當工作在1.3m波長、采用LD光源時，模間色散是主要的限制。v對單模光纖，影響帶寬的是材料色散和波導色散，單模光纖有最大的帶寬距離積。v另外，梯度折射率分布的塑料多模光纖(芯徑420m)已達到2.5GHz的帶寬，傳輸距離100m，光源為647nmLD，預期可達到1020GHz帶寬，距離100m。這種光纖可用于近距離的局域網(LAN)中。3.7 光纖連接器特性評價一個連接器的主要指標有4個，即插入損耗、回波損耗、重復性和互換性。w

21、1. 插入損耗插入損耗是指光纖中的光信號通過活動連接器之后，其輸出光功率相對輸入光功率的比率的分貝數，表達式為：Ac-10lgP1/P0(dB)式中：Ac為連接器插入損耗；P0為輸入端的光功率；P1為輸出端的光功率。w2. 回波損耗回波損耗又稱為后向反射損耗。是電纜鏈路由于阻抗不匹配所產生的反射，是一對線自身的反射。不匹配主要發生在連接器的地方，但也可能發生于電纜中特性阻抗發生變化的地方。回波損耗將引入信號的波動，返回的信號將被雙工的千兆 網 誤 認 為 是 收 到 的 信 號 而 產 生 混 亂 。后向反射光對輸入光的比率的分貝數，表達式為：Ar-10lgPR/P0 (dB)式中：Ar表示回

22、波損耗；P0表示輸入光功率；PR表示后向反射光功率。（可達60dB）w3. 重復性和互換性重復性是指光纖(纜)活動連接器多次插拔后插入損耗的變化，用dB表示。互換性是指連接器各部件互換時插入損耗的變化，也用dB表示。4 光端機4.1 光源與光纖的耦合4.2 光調制4.1光源與光纖的耦合從光源發射出來的光功率盡可能多地送入光纖中傳輸，這就是光源與光纖的耦合問題。 衡量光源與光纖耦合的質量可以用耦合效率，它定義為 =PF/PS (6-1-1)式中： PF耦合進入光纖的光功率 PS光源發射的功率。光源與光纖的耦合效率：與光源的類型(LED或LD)及光纖的類型(多模光纖或模光纖)有關。LD與單模光纖的

23、耦合效率較高，可以達到3050%，而LED與單模光纖的耦合效率較低，可能小于1%。 4.2 光調制要實現光纖通信，首先要解決的問題是如何將電信號加載到光源的發射光束上，即需要進行光調制。根據調制與光源的關系，光調制可分為：直接調制和間接調制。 4.2.1光源的直接調制直接調制就是將調制信號直接作用在光源上，把要傳送的信息轉變為電源信號注入到LD或LED，獲得相應的光信號。這種方法調制的是光源的發光強度調制(IM)。直接調制具有簡單、經濟、容易實現等優點，但存在波長(頻率)的抖動，是光纖通信系統中廣泛采用的調制方式。從調制信號的形式來說，光源的直接調制又可分為模擬信號調制和數字信號調制模擬調制數

24、字調制4.2.2LD調制特性LD的直接調制具有許多突出的特點，它在光纖通信系統中應用極其廣泛。LD的調制特性如下：(1) 電光延遲(2) 張馳振蕩(3) 小信號輸入的頻率響應(4) 頻率啁啾4.2.3光源的外部調制光源內調制的優點是電路簡單容易實現，但是，在高碼速下將使光源的性能變壞，因此需要對光源的外調制方式。外調制方式需要調制器，結構復雜，但可獲得優良的調制性能，特別適合高速率光通信系統目前使用的外調制方式有： (1) 電光調制（2）聲光調制 （3）磁光調制電光調制器電光調制的基本工作原理是晶體的線性電光效應。電光效應是指電場引起晶體折射率變化的現象，能夠產生電光效應的晶體稱為電光晶體聲光

25、調制器聲光調制器是利用介質的圣光效應制成，他的工作原理是，當調制電信號變化時，由于壓電效應，使壓電晶體產生機械振動形成超聲波，這個聲波引起聲光介質的密度發生變化，使介質折射率跟著變化，從而形成一個變化的光柵，由于光柵的變化，時光強隨之發生變化，結果使光波受到調制磁光調制 磁光調制是利用法拉第效應得到的一種光外調制，入射光信號經過起偏器，使入射光變為偏振光，這束偏振光通過YIG（摻釔鐵石榴石）磁棒時，其偏振方向隨繞在上面線圈的調制信號而變化，當偏振方向與后面的檢偏器相同時，輸出光強最大，當偏振方向與檢偏器方向垂直時，輸出光強最小，從而使輸出光強隨調制信號變化，實現了光的外調制。4.3 光中繼器在

26、光纖通信線路上，光纖的吸收和散射導致光信號衰減，光纖的色散將使光脈沖信號畸變，導致信息傳輸質量降低，誤碼率增高，限制了通信距離。為了滿足長距離通信的需要，必須在光纖傳輸線路上每隔一定距離加入一個中繼器，以補償光信號的衰減和對畸變信號進行整形，然后繼續向終端傳送。5 波分復用技術5.1多信道復用技術5.2 波分復用技術5.1多信道復用技術盡管目前光纖通信單信道實用化系統的傳輸速率發展到了10Gbit/s，線路的利用率有了很大提高，但與光纖巨大的帶寬潛力相比還微不足道。復用技術是為了提高通信線路的利用率，而采用的在同一傳輸線路上同時傳輸多路不同信號而互不干擾的技術。光時分復用(OTDM)光碼分復用

27、(OCDM)副載波復用(SCM)空分復用(SDM)光波分復用(WDM)5.2 波分復用技術5.2.1 WDM光波分復用(Wavelength Division Multiplexing，WDM)技術是在一根光纖中同時傳輸多個波長光信號的一項技術。其基本原理是在發送端將不同波長的光信號組合起來(復用)，并耦合到光纜線路上的同一根光纖中進行傳輸，在接收端又將組合波長的光信號分開(解復用)，并作進一步處理，恢復出原信號后送入不同的終端，因此將此項技術稱為光波長分割復用技術，簡稱光波分復用技術。通常把光信道間隔較大（甚至在光纖的不同窗口上）的復用稱為光波分復用（WDM），而把在同一窗口中信道間隔較小的

28、WDM稱為密集波分復用（DWDM）。5.2.2光信號的分出和插入 通過光分插復用器（OADM）可以實現各波長的光信號在中間站的分出與插入，即完成上/下光路，利用這種方式可以完成DWDM系統的環形組網。5.2.3波分復用技術有以下主要特點。(1) 可以充分利用光纖的巨大帶寬潛力，使一根光纖上的傳輸容量比單波長傳輸增加幾十至上萬倍。(2) N個波長復用以后在一根光纖中傳輸，在大容量長途傳輸時可以節約大量的光纖。(3) 波分復用通道對傳輸信號是完全透明的，即對傳輸碼率、數據格式及調制方式均具有透明性，可同時提供多種協議的業務，不受限制地提供端到端業務。(4) 可擴展性好。(5) 降低器件的超高速要求。n5.2.4 WDM系統基本類型WDM系統從不同的角度可以分為不同的類型，常見的分類方法有：從傳輸方向分，可以分為雙纖單向波分復用系統和單纖雙向波分復用系統；從光接口類型分，可以分為集成式波分復用系統和開放式波分復用系統。w1. 雙纖單向傳輸單向DWM是指所有光路同時在一根光纖上沿同一方向傳送，如圖8.10所示。雙纖單向傳輸示意圖雙纖單向傳輸示意圖w2. 單纖雙向傳輸同一光波分復用器既可作合波器，又可作分波器，具有方向的可逆性，因此，可以在同一根光纖上實現雙向傳輸。w3. 集成式波分復用系統考