光纖通信系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)

(第5版)第1章

光纖通信概論

內(nèi)容提要光纖通信概論光纖傳輸原理及傳輸特性光纖通信基本器件光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì)SDH/MSTP光同步網(wǎng)絡(luò)DWDM/光傳送網(wǎng)（OTN）PTN/SPN分組傳送網(wǎng)絡(luò)城域與接入光網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)代光通信系統(tǒng)現(xiàn)代全光網(wǎng)絡(luò)提問？光纖通信系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)在信息通信流程中所處的位置？光纖通信是否完全可以代替電纜？光通信就是指光纖通信？您認(rèn)為光纖通信目前在哪些領(lǐng)域里用？還可以在哪些領(lǐng)域里用？第1章

光纖通信概論內(nèi)容提要§1光通信簡介§2光纖通信系統(tǒng)概況§3光纖通信網(wǎng)絡(luò)概況§4未來光通信1.1光通信簡介*基本概念1.通信----通信?電纜通信?光纖通信?

通信?相互傳遞信息.電纜通信?

以電(磁)波(較高頻率)為信息載波,以電纜為傳輸媒介的通信方式。光纖通信?

光纖通信是以激光(光波)作為信息載體，以光纖作為傳輸媒介的通信方式。電纜通信與光纖通信區(qū)別?

*通信系統(tǒng)？光纖通信系統(tǒng)？光纖傳輸系統(tǒng)？電纜通信系統(tǒng)？電纜傳輸系統(tǒng)？

2．通信分類光通信分類：有線---光纖通信無線---可視距離的光通信如搖控、海事通信。電通信分類：有線---電纜（對稱電纜/射頻同軸電纜/圓波導(dǎo)）信通。無線---可視距離微波/衛(wèi)星/移動/個人通信。1.1.1光通信概念什么是光通信？通俗地說，光通信是利用光波作為載體來傳遞信息的通信方式。自古以來，通信就是人們的基本需求之一。這種需求使人們開始發(fā)明能將信息從一個地方傳送到另一個遙遠(yuǎn)地方的通信系統(tǒng)。至今為止，已有多種形式的通信系統(tǒng)出現(xiàn)，已知的最早的光通信線路是在公元前2000多年，古人在都城和邊境堆起一些高高的土丘，遇到敵人入侵，就在這些土丘上燃起煙火傳遞受到入侵的信息，各地諸侯看見煙火就立刻領(lǐng)兵來救援，這種土丘叫作烽火臺。烽火臺燃起煙火傳遞受到入侵的信息就是一種古老的由光通信設(shè)備組成的光系統(tǒng)，如圖1-1（a）所示。此外，夜間的信號燈、水面上的航標(biāo)燈也是古老光通信的實(shí)例。1.1光通信簡介自古到今，夜間常用信號燈實(shí)現(xiàn)相鄰艦船間的通信。信號燈操作員一手掌握信號燈的照射方向，另一只手頻繁地搬動把手，使信號燈前面的遮光百葉窗按照信號規(guī)則展開和關(guān)閉，從而發(fā)送簡短信息，如圖1-1（b）所示。航標(biāo)燈（燈塔）通信，主要完成船舶導(dǎo)航指引。航標(biāo)燈是安裝在某些航標(biāo)上的交通燈，在夜間發(fā)出規(guī)定顏色的燈光和閃光頻率，達(dá)到規(guī)定的照射角度和能見距，對夜行的船舶進(jìn)行指引，如圖1-1（c）所示。航標(biāo)燈在海上晝夜發(fā)出可識別信號，供船舶測定位置和向船舶提供危險警告。早期所用光通信方式往往是原始、落后和不太可靠的。近代光通信是從1880年貝爾（Bell）發(fā)明了一種利用光波作為載波傳輸話音信息的“光電話”開始的，他證明了利用光波作載波傳遞信息的可能性。貝爾光電話是光通信歷史上的第一步，是現(xiàn)代光通信的雛形。（a）古代烽火臺

（b）信號燈

圖（c）古代航標(biāo)燈（燈塔）

圖1-1原始光通信設(shè)備如圖1-2所示，“光電話”利用太陽光或弧光燈作為光源，通過透鏡把光束聚焦在送話器的振動鏡片上，當(dāng)人嘴一發(fā)出聲音時，振動鏡片就振動而發(fā)生變形，使其光強(qiáng)度隨話音的變化而變化，實(shí)現(xiàn)話音對光強(qiáng)度的調(diào)制。這種已調(diào)制的信號光通過透鏡2變成平行光束向接收端傳送。在接收端，用拋物面反射鏡把從大氣傳送來的光束反射到硒管上，使光信號變換為電流，傳送到受話器，使受話器再生出聲音。貝爾光電話和烽火報警光系統(tǒng)一樣，都是利用大氣作為傳輸介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)光波信號傳播，但光波傳播易受氣候的影響，可靠性低。圖1-2貝爾的光電話實(shí)驗(yàn)裝置1.1.2.光通信發(fā)展概況光通信的發(fā)展史可以從兩個角度來描述，一是從光學(xué)理論的發(fā)展；二是從光通信系統(tǒng)的發(fā)展。1.光學(xué)理論發(fā)展概況

光通信是伴隨著光學(xué)理論的發(fā)展而發(fā)展的。早在10世紀(jì)，被譽(yù)為“光學(xué)之父”海塞姆首先提出“視覺是由物體發(fā)生的光輻射線引起的”，從而推論出光線的反射和折射定律。17世紀(jì)，笛卡兒運(yùn)用直觀“模型”來說明物理現(xiàn)象，如利用“網(wǎng)球”模型說明光的折射等。1678年，惠更斯出版的《光論》一書闡述光波動性原理。利用它的波動性可解釋光的反射、折射、衍射、干涉和衰減等特性。建立了解釋和分析光波傳動的理論基礎(chǔ)。2.光通信系統(tǒng)發(fā)展概況

光通信系統(tǒng)的發(fā)展反映了光通信發(fā)展的歷程。自貝爾發(fā)明光電話后，又有人用弧光燈代替日光作為光源延長了光電話的通信距離，但還是只限于數(shù)千米。在第一次世界大戰(zhàn)期間，曾有人使用弧光燈作發(fā)射機(jī)，通過聲波電流對光強(qiáng)進(jìn)行調(diào)制；使用硅光電池作接收器，當(dāng)調(diào)制后的光信號照射到硅光電池的PN結(jié)上時，通過光伏效應(yīng)在外電路產(chǎn)生變化的光電流，在晴好天氣通信距離可達(dá)8km，如圖1-3（a）所示。當(dāng)用光電倍增管作為接收器時，將調(diào)制后的光信號還原成電信號，如圖1-3（b）所示。實(shí)驗(yàn)表明，用光波承載信息進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)通信是可行的，但通話的質(zhì)量受空氣質(zhì)量和氣候影響十分嚴(yán)重，不能實(shí)現(xiàn)全天候通信。

為了克服氣候?qū)馔ㄐ诺挠绊懀藗兿氲桨鸭す馐拗圃谔囟ǖ目臻g內(nèi)傳輸，例如利用光波導(dǎo)傳輸。1958年，美國古鮑等提出了透鏡陣列光波導(dǎo)和反射鏡陣列光波導(dǎo)的光波傳輸系統(tǒng)，如圖1-3（b）和圖1-3（c）所示。這兩種光波導(dǎo)傳輸系統(tǒng)從理論上說是可行的，但是實(shí)現(xiàn)起來卻非常困難。地上人為活動會使地下透鏡光波導(dǎo)變形和振動，由于沒有找到穩(wěn)定可靠和低損耗的傳輸介質(zhì)，所以光通信的研究曾一度走入低谷。

能不能找到一種介質(zhì)，就像電線電纜傳輸電那樣來傳輸光呢？古希臘玻璃工匠發(fā)現(xiàn)玻璃棒能傳光。1910年，德國人漢德羅斯、德拜對介質(zhì)波導(dǎo)進(jìn)行了深入分析。1927年，英國人貝爾德首次利用光的全反射現(xiàn)象解釋了石英纖維解析圖像的原理，并且獲得了兩項(xiàng)專利。1930年，德國人拉姆拉出了石英細(xì)絲，人們把它稱為光導(dǎo)纖維，簡稱光纖或光波導(dǎo)，并論述了它傳光的原理。1951年，荷蘭人和英國人希爾等開始用柔軟玻璃纖維束傳送圖像。1966年，英籍華人高錕發(fā)表里程碑式論文，提出降低玻璃纖維的雜質(zhì)，使光纖的損耗降低到20dB/km，就有可能把光纖用于通信。從而奠定了光纖通信系統(tǒng)在傳輸乃至通信中的重要地位。圖1-3近代早期光通信系統(tǒng)的組成1.2光纖通信系統(tǒng)概況1.2.1光纖通信概念及發(fā)展概況光纖通信概念及特點(diǎn)

光纖通信是利用光導(dǎo)纖維（簡稱光纖）傳輸光波信號的通信方式。由于光纖的傳光性能優(yōu)異，傳輸帶寬極寬等優(yōu)勢，現(xiàn)在已形成了以光纖通信為主，微波、衛(wèi)星和電纜通信為輔的信息傳輸網(wǎng)絡(luò)格局。

通信發(fā)展始終在追求兩大目標(biāo)，一是遠(yuǎn)距離傳輸，二是大容量通信。

眾所周知，無論是無線電通信，還是有線電通信都是以電磁波為載波進(jìn)行的，而電磁波的頻譜很寬，其分布情況如圖1-4所示。圖1-4電磁波譜與傳輸介質(zhì)的關(guān)系

光纖通信與電纜或微波等通信方式相比，主要區(qū)別有二，一是用很高頻率的光波作載波；二是用光纖作為傳輸介質(zhì)。光纖具有傳輸容量大、傳輸損耗小、質(zhì)量輕、不怕電磁干擾等一系列優(yōu)點(diǎn)。基于此，光纖通信有一下明顯的優(yōu)勢。（1）由于光波頻率高，可供利用的頻帶極寬，尤其適合高速寬帶信息的傳輸，在高速通信干線寬帶綜合業(yè)務(wù)通信網(wǎng)絡(luò)中，發(fā)揮著越來越大的作用。（2）由于光纖的傳輸損耗很低，現(xiàn)已做到0.2dB/km以下，因而可以大大增加通信無中繼距離。這對于長途干線和海底傳輸十分有利，在采用了先進(jìn)的相干光通信，光放大器和光孤子通信技術(shù)之后，無中繼通信距離可提高到幾百千米甚至上千千米。（3）光纖傳輸是限制在光纖內(nèi)的，光能幾乎不會向外輻射，因此不存在光纜中各光纖之間信號串?dāng)_，很難被竊聽，信號傳輸質(zhì)量高，保密性好。（4）光纖抗電磁干擾能力很強(qiáng)，這對于電氣鐵路和高壓電力線附近的通信極為有利，也不怕雷擊和其他工業(yè)設(shè)備的電磁干擾，因此在一些要求防爆的場合使用光纖通信是十分安全的。（5）光纖幾何尺寸小，細(xì)如發(fā)絲，可繞性好，可多根成纜，便于敷設(shè)。光纖重量輕，特別適用于飛機(jī)、輪船、衛(wèi)星和宇宙飛船。（6）光纖的化學(xué)性能穩(wěn)定，耐化學(xué)侵蝕、抗高溫、不打火花，適用于特殊環(huán)境。（7）光纖是石英玻璃拉制成形的，原料資源豐富，節(jié)約有色金屬。光纖通信有其明顯的優(yōu)缺點(diǎn):光纖通信同時存在以下一些缺點(diǎn)：（1）光纖彎曲半徑不宜過小，否則可能引起較大的衰減。（2）光纖的連接操作技術(shù)要求高，需專用設(shè)備。（3）光纖的分路、耦合操作較困難、煩瑣。表1.1光纖與電纜、波導(dǎo)的特性比較傳輸介質(zhì)頻率帶寬衰減系數(shù)/（dB/km）一般傳輸距離/km敷設(shè)安裝接續(xù)市話對稱電纜4kHz1.64（線徑0.4mm）1～5方便方便5類雙絞線100MHz24（dB/100m）(90～100)m方便方便細(xì)同軸電纜30MHz4.1（dB/100m）180m.方便較方便粗同軸電纜800MHz7.1（dB/100m）500m方便較方便微波波導(dǎo)2～24GHz0.015～0.3（dB/m）<100m特殊特殊單模光纖≥10～100GHz0.2（注1）～0.36（注2）>50方便特殊注1：當(dāng)光波波長為1.55

m時的值。注2：當(dāng)光波波長為1.31

m時的值。表1.2

光纖的特點(diǎn)及其應(yīng)用場合光纖特點(diǎn)應(yīng)用場合低衰減、寬頻帶尺寸小、重量輕抗電磁干擾耐化學(xué)侵蝕應(yīng)變傳感特性公用通信、計(jì)算機(jī)通信、有線電視圖像傳輸飛機(jī)、導(dǎo)彈、航空航天、船艦內(nèi)的通信控制電力及鐵道通信，交通控制信號，核電站通信油田、煉油廠、礦井等區(qū)域的通信光纖橋梁工程結(jié)構(gòu)實(shí)時監(jiān)測2.光纖通信發(fā)展概況（1）光器件的發(fā)展

1960年，美國人梅曼（Maiman）發(fā)明了第一臺紅寶石（AL2O3）激光器

1962年半導(dǎo)體激光器出現(xiàn)，材料為GaAS。

1970年，首次研制出在室溫下連續(xù)工作的雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器.紅寶石激光器及其三能級圖

紅寶石激光器紅寶石激光器三能級圖（2）光纖的發(fā)展

1966年，華裔科學(xué)家高錕（C.K.Kao）根據(jù)介質(zhì)波導(dǎo)理論提出光纖作為光通信傳輸媒質(zhì)的概念，由此高錕教授榮獲2009年諾貝爾物理學(xué)獎。1970年，美國康寧公司首次研制出階躍多模光纖，其在波長為630nm處的衰減系數(shù)小于20dB／km.1972年，康寧公司將梯度多模光纖的衰減系數(shù)降至4dB/km。

1966年，英籍華人學(xué)者高錕

發(fā)表一篇題為《用于光頻的介質(zhì)纖維表面波波導(dǎo)》的文章，文章提出可以從石英中提煉超純的細(xì)絲狀纖維，并用于光頻成為光波導(dǎo)；指出利用光纖進(jìn)行信息傳輸?shù)目赡苄院图夹g(shù)途徑.根據(jù)介質(zhì)波導(dǎo)理論共同提出光纖通信的概念。

2009.10.5高錕獲諾貝爾物理獎

光纖之父“他們?yōu)槿粘Ｉ顜碓S多實(shí)用的創(chuàng)新，為科學(xué)探索提供了新工具。”評獎委員會在聲明中說，高錕因?yàn)樵凇肮鈱W(xué)通訊領(lǐng)域的光傳輸方面的突破性成就”獲獎。

評委會指出，高錕1966年發(fā)現(xiàn)如何通過光學(xué)玻璃纖維遠(yuǎn)距離傳輸光信號，這成為電話和高速互聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代通訊網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的基石。“利用一根純凈的玻璃纖維，可以將光信號傳輸100多公里，而60年代時的光纖只能傳輸20米。”今天文字、音樂、圖片和圖像在一眨眼間傳遍全球”，高錕功不可沒。1973年,美國貝爾實(shí)驗(yàn)室將衰減系數(shù)降至2.5dB／km1976年，日本電報電話公司(NTT))在進(jìn)一步設(shè)法降低玻璃中的OH含量時發(fā)現(xiàn)光纖的衰減在長波長區(qū)有：1310nm和1550nm兩個窗口。衰減系數(shù)降至0.45dB／km(1200nm)1980年，原料提純和光纖制備工藝得到不斷完善，使光纖的傳輸窗口由850nm移至1310nm、1550nm的進(jìn)程。在1550nm的衰減系數(shù)為0.20dB／km已接近理論值。（3）光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展光纖通信的發(fā)展可以粗略地分為三個階段：

第一階段（1966～1976年）.在這個時期，短波長=0.85μm,低速率=45或34Mb／s多模光纖通信系統(tǒng)，無中繼傳輸距離約10km.

第二階段（1976～1986年）。在這個時期，光纖從多模發(fā)展到單模，工作波長從短波長=0.85μm發(fā)展到長波長=1.31μm(和1.55μm),傳輸速率=140～565Mb／s的單模光纖通信系統(tǒng)．中繼傳輸距離為100～50km。

第三階段（1986～1996年），在這個時期，實(shí)現(xiàn)了1.55μm色散移位單模光纖通信系統(tǒng)。傳輸速率=2.5～10Gb/s，無中繼傳輸距離=150～100km。第四階段（1996—2009年），主要研究光纖通信新技術(shù)，例如，同步數(shù)字體制SDH光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，超大容量的密集波分復(fù)用DWDM技術(shù)使最高速率達(dá)到256×40Gbit/s=10Tbit/s和超長距離的光孤子通信技術(shù)等。

目前人們正涉足第五階段光纖通信系統(tǒng)的研究和開發(fā)，至少具有四大特征：超寬帶—單根光纖傳輸容量Tbit/s以上；超長距離—光放大距離可達(dá)數(shù)千千米；光交換—克服電交換瓶頸；智能化—智能光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。光通信發(fā)展簡史如表1.3所示。表1.3光通信發(fā)展簡史

古代光通信烽火臺、夜間信號燈、水面上的航標(biāo)燈、古希臘玻璃工匠發(fā)現(xiàn)玻璃棒能傳光17世紀(jì)60年代1666年牛頓用三棱鏡將太陽白光分解為七色彩帶，并用微粒學(xué)進(jìn)行解釋1669年巴塞林那斯發(fā)現(xiàn)光通過方解石晶體出現(xiàn)雙折射現(xiàn)象1678年惠更斯在《光論》中提出光波動性（一種振動）原理，其基本思想是振動源周圍的介質(zhì)是有彈性的，故一點(diǎn)的振動可通過介質(zhì)傳遞給鄰近的質(zhì)點(diǎn)，并依次向外擴(kuò)展，而成為在介質(zhì)中傳播的波。19世紀(jì)60年代

1865年麥克斯韋與光的電磁說，以實(shí)驗(yàn)和普遍動力學(xué)原理為基礎(chǔ)，導(dǎo)出了電場和磁場的波動方程。1880年美國人貝爾發(fā)明了光電話（光源為陽光，接收器為硒管，傳輸介質(zhì)為大氣）20世紀(jì)60年代1960年，美國發(fā)明了第一臺紅寶石激光器，并進(jìn)行了透鏡陣列傳輸光的實(shí)驗(yàn)1961年，美國嘉蓬等人制成氦一氖（He-Ne）氣體激光器1961年，英國人對卡潘尼、休尼查等對光纖中的模進(jìn)行了研究1962年，制成砷化鎵半導(dǎo)體激光器1966年，英籍華人高錕就光纜傳輸?shù)那熬鞍l(fā)表了具有歷史意義的論文，此時光纖損耗約為1

000dB/km20世紀(jì)70年代1970年，美國康寧公司研制成功損耗為20dB/km的石英光纖1970年，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室和日本NEC公司先后研制成功室溫下連續(xù)振蕩的GaAlAs雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器1976年，日本在奈良縣開始籌建世界上第一條完全用光纜實(shí)現(xiàn)光通信的試驗(yàn)區(qū)1977年，世界上第一條光纖通信系統(tǒng)在美國芝加哥市投入商用，速率為45Mbit/s20世紀(jì)80年代提高傳輸速率，增加傳輸距離，大力推廣應(yīng)用，光纖通信在海底通信獲得應(yīng)用20世紀(jì)90年代摻鉺光纖放大器（EDFA）的應(yīng)用迅速得到了普及，密集波分復(fù)用（DWDM）系統(tǒng)實(shí)用化2010年后先進(jìn)的調(diào)制技術(shù)、超強(qiáng)FEC糾錯技術(shù)、電子色散補(bǔ)償技術(shù)、偏振復(fù)用相干檢測技術(shù)，以及有源和無源器件集成模塊大量問世，出現(xiàn)了以40Gbit/s和100Gbit/s為基礎(chǔ)的DWDM系統(tǒng)應(yīng)用2010年~2023年2010年，潘建偉小組的劉洋等人實(shí)現(xiàn)了200km的光纖量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)。2012年，潘建偉小組在靑海湖實(shí)現(xiàn)了101km的自由空間量子糾纏分發(fā)實(shí)驗(yàn)。2018年1月，潘建偉小組與奧地利科學(xué)院研究組合作，利用“墨子號”量子實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，在中國和奧地利之間首次實(shí)現(xiàn)距離達(dá)7600公里的洲際量子密鑰分發(fā)，并利用共享密鑰實(shí)現(xiàn)加密數(shù)據(jù)傳輸和視頻通信。2023年5月24日中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉小組也分別在北京、濟(jì)南和合肥建立了實(shí)用化的城域量子通信實(shí)驗(yàn)網(wǎng)。

圖

八橫八縱光纖網(wǎng)絡(luò)圖

1.1.2光纖通信系統(tǒng)概念與發(fā)展概況圖1-5中所示的是一個方向的傳輸系統(tǒng)，反方向傳輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與之相同。光纖通信系統(tǒng)可分為三個組成部分，即光發(fā)射機(jī)、光纖線路和光接收機(jī)。1光纖通信系統(tǒng)概念圖1-5光纖通信系統(tǒng)基本構(gòu)成示意圖光發(fā)射機(jī)的關(guān)鍵部分是由光源和驅(qū)動電路組成。光纖線路是光的傳輸通道，包括光纖、光纖接頭和光纖連接器等組成。如圖1-6所示，在光纖線路中，光纜可以架空敷設(shè)，也可以敷設(shè)在管道內(nèi)、直埋于地下或敷設(shè)于海底。圖1-6光纖線路常用的敷設(shè)方式2.光纖通信系統(tǒng)的概況（1）模擬光纖通信系統(tǒng)

傳輸模擬信號的光纖通信系統(tǒng)稱為模擬光纖通信系統(tǒng)，模擬光纖通信系統(tǒng)的典型應(yīng)用場景是工業(yè)控制的單路電視系統(tǒng)和光纖有線電視（CATV）的多路傳輸系統(tǒng)。（2）數(shù)字光纖通信系統(tǒng)

傳輸數(shù)字信號的光纖通信系統(tǒng)稱為數(shù)字光纖通信系統(tǒng)，數(shù)字光纖通信系統(tǒng)有PDH和SDH兩種傳輸體制。

PDH/SDH數(shù)字光纖通信系統(tǒng)長途或中繼線圖1-7數(shù)字光纖通信系統(tǒng)原理圖圖1-8給出了一個32波分復(fù)用系統(tǒng)，即32×STM-64組成的光纖通信系統(tǒng)。圖1-832×STM-64DWDM光纖通信系統(tǒng)原理圖1.3光纖通信網(wǎng)絡(luò)概況（1）通信網(wǎng)概念

兩用戶間需要通信時，可利用通信系統(tǒng)來完成，也就是說，欲讓A、B兩地的用戶互相通信，必須在他們之間建立一個通信系統(tǒng)。

對于離散分布的n個用戶，若要讓其中任意兩個用戶能互相通信，最簡單的方法是用通信系統(tǒng)把各用戶分別一一連接起來，這就需要建立n(n-1)/2個通信系統(tǒng)。通信網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1-9所示，圖中圓點(diǎn)代表網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)具有寬泛的意義，節(jié)點(diǎn)既可以是終端節(jié)點(diǎn)，如電話機(jī)、電視機(jī)、計(jì)算機(jī)、手機(jī)等，也可以是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)（或網(wǎng)元），如交換機(jī)、路由器、傳輸設(shè)備和中繼器等。節(jié)點(diǎn)之間由傳輸線路（如電纜、光纜、無線電）連接在一起。通信網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)主要有網(wǎng)孔型、星型、復(fù)合型、環(huán)型和總線型等，如圖1-9所示。將各類網(wǎng)型結(jié)合起來使用會更合理些。圖1-9通信網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D

（2）光網(wǎng)絡(luò)概念光網(wǎng)絡(luò)是光纖通信網(wǎng)絡(luò)的簡稱，它兼顧“光”和“網(wǎng)絡(luò)”兩層含義，即可通過光纖提供大容量、長距離、高可靠性的線路傳輸，同時在傳輸介質(zhì)上，可利用先進(jìn)電或光交換技術(shù)，引入控制和管理機(jī)制，實(shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)間的聯(lián)網(wǎng)以及資源和業(yè)務(wù)需求的靈活配置功能。光網(wǎng)絡(luò)由光傳輸系統(tǒng)和在光域內(nèi)進(jìn)行交換/選路的光節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，具有光傳輸容量和光節(jié)點(diǎn)處理能力非常大的特點(diǎn)。光網(wǎng)絡(luò)組成設(shè)備常有光終端復(fù)用設(shè)備（OTM）、光分插復(fù)用(OADM)和光交叉連接設(shè)備(OXC)等。光網(wǎng)絡(luò)主要分為三級網(wǎng)，即接入網(wǎng)、本地網(wǎng)、骨干網(wǎng)。1.3.2光纖通信網(wǎng)絡(luò)模型及發(fā)展1.光纖通信網(wǎng)絡(luò)模型光纖通信網(wǎng)從電信的業(yè)務(wù)來分，有電話網(wǎng)、電報網(wǎng)、傳真通信網(wǎng)、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)網(wǎng)、圖像通信網(wǎng)及有線電視網(wǎng)等；按服務(wù)區(qū)域范圍分為：長途骨干網(wǎng)、本地網(wǎng)以及用戶接入網(wǎng)。一個完整光纖通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)質(zhì)上是由用戶終端設(shè)備、傳輸設(shè)備、交換設(shè)備和相應(yīng)的信令、協(xié)議、標(biāo)準(zhǔn)、資費(fèi)制度與質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)等軟件構(gòu)成圖1-10光纖通信網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D鏈型環(huán)型星型樹型網(wǎng)孔型2．光纖通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展概況

光纖通信網(wǎng)絡(luò)不僅適用于電信業(yè)務(wù)網(wǎng)，而且也廣泛適用于有線電視網(wǎng)、計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)、光互聯(lián)網(wǎng)等信息網(wǎng)絡(luò)。骨干網(wǎng)、本地網(wǎng)中繼傳輸主要以光纖傳輸（通信）系統(tǒng)為主，其結(jié)構(gòu)如圖1-5所示。光纖接入網(wǎng)是指在用戶接入網(wǎng)中采用光纖作為主要傳輸媒質(zhì)來實(shí)現(xiàn)用戶信息傳送的應(yīng)用形式。光纖接入網(wǎng)的主要優(yōu)點(diǎn)是可以傳輸寬帶業(yè)務(wù)，如高速數(shù)據(jù)下載業(yè)務(wù)、IPTV業(yè)務(wù)和圖像傳送業(yè)務(wù)等，且傳輸質(zhì)量好、可靠性高。網(wǎng)徑一般較小，可不需要中繼器等。圖1-11給出了一種光纖接入網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖，它將光纖引入千家萬戶保正多媒體信息暢通無阻。利用光纖作為有線電視（CATV）的干線傳輸媒質(zhì)，可大大提高信號傳輸質(zhì)量，為多功能、大容量的信息傳送提供了基礎(chǔ)。然而，目前做到光纖到戶成本很高，難于大規(guī)模實(shí)現(xiàn)。因此，目前CATV網(wǎng)的最佳選擇是光纖、同軸電纜混合（HFC）傳輸方式。基于光纖通信網(wǎng)絡(luò)容易建成高速率計(jì)算機(jī)網(wǎng)，如可將計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)連在如圖1-12所示的分前端，借助光纖通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。

利用光纖通信系統(tǒng)可容易地傳輸1

000Mbit/s計(jì)算機(jī)校園網(wǎng)的數(shù)據(jù)信號，其結(jié)構(gòu)如圖1-13所示。圖1-11光纖接入網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖圖1-12電視、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖圖1-13計(jì)算機(jī)校園網(wǎng)組成

1.4未來光通信1.4.1光纖、光纜發(fā)展趨勢

由于光纖傳輸速率的逐步高速化、大容量化（例如：美國MCI于1991年開通了Chicago至St.Louis全長442.57km的4×10Gbit/s的商用系統(tǒng)等），光纖衰減、色散、非線性效應(yīng)等現(xiàn)象嚴(yán)重影響到光纖通信系統(tǒng)的質(zhì)量，因而，人們已將光纖的工作波長由850nm向1310nm~1550nm的長波長移動，進(jìn)而向2000nm波長區(qū)域擴(kuò)展。為降低衰減、色散和非線性效應(yīng)，相繼研制出了應(yīng)用廣泛的常規(guī)單模光纖（ITU—TG.652），其在1310nm為零色散，在1550nm為最低損耗，工作波長為1310nm；色散位移單模光纖（ITU—TG.653），其低損耗和零色散均在1550nm，工作波長為1550nm；截止波長位移單模光纖（ITU—TG.654），其在1550nm衰減僅為0.15dB/km；非色散位移單模光纖（ITU—TG.655）,其在1550nm損耗小，色散小，非線性效應(yīng)小；寬帶光傳送的非零色散光纖（ITU—TG.656）；用于接入網(wǎng)彎曲衰減不敏感的單模光纖（ITU—TG.657）。1.4.2光纖通信系統(tǒng)發(fā)展趨勢隨著信息社會的到來，信息共享、有線電視、電視點(diǎn)播、電視會議、家庭辦公、計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)等應(yīng)運(yùn)而生，迫使光纖通信向高速化、大容量發(fā)展。實(shí)現(xiàn)高速化、大容量的主要手段是采用時分復(fù)用，波分復(fù)用和頻分復(fù)用。現(xiàn)代電信網(wǎng)的發(fā)展對光纖通信提出更高的要求，光纖通信已由以往單信道的光纖通信系統(tǒng)向多信道的波分復(fù)用系統(tǒng)發(fā)展。采用波分復(fù)用技術(shù)充分利用光纖的寬低損耗區(qū)，在不改變現(xiàn)有光纖通信線路的基礎(chǔ)上，可以很容易地成倍提高光纖通信系統(tǒng)的容量。目前多波長復(fù)用（DWDM）加摻鉺光纖放大器（EDFA）的高速光纖通信系統(tǒng)發(fā)展成為主流。實(shí)用的DWDM系統(tǒng)工作在8~32個波長，每個波長可傳輸2.5Gbit/s或10Gbit/s。1.4.3光纖通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展與演變趨勢（1）信道容量不斷增加

目前，實(shí)用化的單通道速率已由155Mbit/s到32×10Gbit/s，160×10Gbit/s系統(tǒng)也已投入商用。在實(shí)驗(yàn)室，NEC實(shí)現(xiàn)了274×40Gbit/s系統(tǒng)；阿爾卡特實(shí)現(xiàn)了256×40Gbit/s系統(tǒng)；西門子實(shí)現(xiàn)了176×40Gbit/s系統(tǒng)。（2）超長距離傳輸目前，實(shí)用化的距離傳輸已由40km到160km。拉曼光纖放大器的出現(xiàn)，為進(jìn)一步增大無中繼距離創(chuàng)造了條件。在實(shí)驗(yàn)室，無電中繼的傳輸距離已從600km增加到4000km。（3）光傳輸與交換技術(shù)融合實(shí)用化的點(diǎn)到點(diǎn)通信的WDM系統(tǒng)具有巨大的傳輸容量，但其靈活性和可靠性不夠理想。采用光分插復(fù)用器（OADM）和光交叉連接設(shè)備（OXC）實(shí)現(xiàn)光聯(lián)網(wǎng)，發(fā)展自動交換光網(wǎng)絡(luò)ASON。預(yù)計(jì)在未來10年內(nèi)的超高速網(wǎng)絡(luò)中，采用原來DXC設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)將走向采用OXC設(shè)備的光傳送網(wǎng)。其關(guān)鍵技術(shù)是DWDM傳輸、光放大、光節(jié)點(diǎn)處理及多信道管理等。據(jù)報道，256×256全光交叉連接設(shè)備已研制出來。（4）光纖接入網(wǎng)光纖接入網(wǎng)從廣義上包括光數(shù)字環(huán)路載波系統(tǒng)（ODLC）和無源光網(wǎng)絡(luò)（PON）兩類。ODLC不是新技術(shù)，是結(jié)合了開放的接口V5.1/V5.2，在美國受到重視；PON技術(shù)在德國和日本受到重視，它以ATM與PON結(jié)合形成APON，或以Ethernet與PON結(jié)合形成EPON，傳輸速率可達(dá)155Mbit/s或622Mbit/s甚至1Gbit/s，可以提供經(jīng)濟(jì)高效的語音、IP數(shù)據(jù)、視頻廣播等多媒體傳送平臺，并有效地利用網(wǎng)絡(luò)資源。1.4未來光通信

光纖通信的發(fā)展依賴于光纖通信技術(shù)的進(jìn)步，為了適應(yīng)傳輸容量不斷提高的需求和網(wǎng)絡(luò)發(fā)展，人們?yōu)閭鬏斚到y(tǒng)的技術(shù)開發(fā)做出了不懈的努力，光纖、光纜、器件、光系統(tǒng)的品種不斷更新，性能逐漸完善，隨著“光進(jìn)銅退”的實(shí)施，已使光纖通信成為信息高速公路的傳輸重要平臺。當(dāng)今光纖通信技術(shù)的發(fā)展趨勢主要有如下幾個方面。1.4.1光纖、光纜發(fā)展趨勢

由于光纖傳輸速率的逐步高速化、大容量化（理論上，單根光纖可以提供25THz傳輸帶寬），光纖損耗、色散、非線性效應(yīng)等嚴(yán)重影響到光纖通信系統(tǒng)的質(zhì)量，人們已將光纖的工作波長由850nm向1310～1550nm波長移動，并償試向2000nm區(qū)域擴(kuò)展。為降低光纖損耗、色散和非線性效應(yīng)，相繼研制出了應(yīng)用廣泛的常規(guī)單模光纖（ITU-TG.652），其在1310nm為零色散，在1550nm為最低損耗，工作波長為1310nm；色散位移單模光纖（ITU-TG.653），其低損耗和零色散均在1550nm，工作波長為1550nm；截止波長位移單模光纖（ITU-TG.654），其在1550nm損耗僅為0.15dB/km；非色散位移單模光纖（ITU-TG.655），其在1550nm損耗小，色散小，非線性效應(yīng)小；寬帶光傳送的非零色散光纖（ITU-TG.656）；用于接入網(wǎng)彎曲損耗不敏感的單模光纖（ITU-TG.657）等。

隨著“寬帶中國”“互聯(lián)網(wǎng)+”“萬物互聯(lián)”等戰(zhàn)略的落地，尤其是光纖到戶、光纖到基站和5G的持續(xù)建設(shè)，我國光纖光纜產(chǎn)量呈現(xiàn)逐年增長的趨勢，截至2023年全球光纖光纜產(chǎn)量達(dá)到6.5億芯千米，我國全國光纜產(chǎn)量為3.46億芯千米。隨著光纖通信容量不斷增大、中繼段距離不斷增長的需求，保偏光纖是重要研究方向。采用相干光纖通信系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)越洋無中繼通信，但要求保持光的偏振方向不變，以保證相干探測效率，因此常規(guī)單模光纖要向著保偏光纖方向發(fā)展。

市場需求是最好的發(fā)展源動力。用戶對通信的要求已從窄帶電話、傳真、數(shù)據(jù)和圖像業(yè)務(wù)逐漸轉(zhuǎn)向可視電話、電視點(diǎn)播、圖文檢索和高速數(shù)據(jù)等寬帶新業(yè)務(wù)，由此而促生了光纖用戶網(wǎng)。光纖用戶網(wǎng)的主要傳輸介質(zhì)是光纖，而用戶光纖光纜的特點(diǎn)是含纖數(shù)量要高，每纜可高達(dá)2

000～4

000芯，因此高密度化的帶狀光纜誕生了，它可減少光纜的直徑和重量，又可在工程施工中便于分支和提高接續(xù)速度。1.4.2光纖通信系統(tǒng)發(fā)展趨勢

現(xiàn)代電信網(wǎng)的發(fā)展對光纖通信提出了更高的要求，光纖通信已由以往單信道的光纖通信系統(tǒng)向多信道的波分復(fù)用系統(tǒng)發(fā)展。采用波分復(fù)用技術(shù)充分利用光纖的寬低損耗區(qū)，在不改變現(xiàn)有光纖通信線路的基礎(chǔ)上，可以很容易地成倍提高光纖通信系統(tǒng)的容量。目前密集波分復(fù)用（DWDM）加摻鉺光纖放大器（EDFA）的高速光纖通信系統(tǒng)成為發(fā)展主流。實(shí)用的DWDM系統(tǒng)工作在8～80個波長，每個波長可傳輸2.5Gbit/s或20Gbit/s。

光纖通信系統(tǒng)向相干光通信系統(tǒng)方向發(fā)展，成為另一個趨勢。目前大多數(shù)光纖通信系統(tǒng)采用的是強(qiáng)度調(diào)制IM—直接檢測DD方式，在相干光通信系統(tǒng)中采用相干檢測方式，最大的好處是可提高光接收機(jī)的檢測靈敏度，從而提高光纖通信系統(tǒng)的無中繼傳輸距離。1.4.3光纖通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展趨勢（1）信道容量不斷增加。目前，實(shí)用化的光纖通信系統(tǒng)單通道速率已由155Mbit/s擴(kuò)充到32×10Gbit/s或者160×10Gbit/s并向更高速率發(fā)展。在實(shí)驗(yàn)室，NEC實(shí)現(xiàn)了274×40Gbit/s系統(tǒng)；阿爾卡特實(shí)現(xiàn)了256×40Gbit/s系統(tǒng)；西門子實(shí)現(xiàn)了176×40Gbit/s系統(tǒng)。在未來的全光網(wǎng)絡(luò)中，如能將光時分復(fù)用（OTDM）、光碼分復(fù)用（OCDM）等技術(shù)與WDM結(jié)合起來，光纖通信系統(tǒng)容量還將大幅度的擴(kuò)展。（2）超長距離傳輸。目前商用光纖通信系統(tǒng)的傳輸距離已由40km增加到160km。拉曼光纖放大器的出現(xiàn)，為進(jìn)一步增大無中繼距離創(chuàng)造了條件。在實(shí)驗(yàn)室，無電中繼的傳輸距離已從600km增加到4000km。（3）光傳輸與光交換技術(shù)融合。將具有巨大傳輸容量、可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)到點(diǎn)通信的DWDM系統(tǒng)與光交換技術(shù)融合，可以平滑升級擴(kuò)容組建OTN及全光網(wǎng)絡(luò)。采用重構(gòu)光分插復(fù)用設(shè)備（ROADM）和光交叉連接設(shè)備（OXC）可實(shí)現(xiàn)光互聯(lián)網(wǎng)，智能光網(wǎng)絡(luò)ASON。據(jù)報道，256×256全光交叉連接設(shè)備已進(jìn)入實(shí)用。（4）光纖接入網(wǎng)。作為通信網(wǎng)的“最后一千米”，直接面向用戶，通過把光纖引入千家萬戶，將使億萬用戶的多媒體信息暢通無阻地進(jìn)入通信網(wǎng)。目前用于實(shí)現(xiàn)光纖接入網(wǎng)的技術(shù)有3種：一是已廣泛使用的基于SDH的多業(yè)務(wù)傳送平臺（MSTP），可同時實(shí)現(xiàn)TDM、ATM、Ethernet及FR、FDDI、FiberChannel、FICON和ESCON等業(yè)務(wù)的接入處理和傳送，提供統(tǒng)一網(wǎng)管的多業(yè)務(wù)的接入節(jié)點(diǎn)設(shè)備。二是基于WDM的多業(yè)務(wù)平臺，其將WDM的每個波道分別用作各個業(yè)務(wù)的通道，用透明傳輸?shù)姆绞街С指鞣N業(yè)務(wù)的接入處理，如在FE、GE等端口中嵌入Ethernet2層甚至3層交換功能等，使WDM系統(tǒng)既有傳送能力，又有業(yè)務(wù)提供能力。三是基于無源光網(wǎng)絡(luò)（PON）實(shí)現(xiàn)的接入平臺，PON技術(shù)在德國和日本受到重視，它以ATM與PON結(jié)合形成APON，或以Ethernet與PON結(jié)合形成EPON，傳輸速率可達(dá)155Mbit/s或622Mbit/s甚至1Gbit/s，可以提供經(jīng)濟(jì)高效的語音、IP數(shù)據(jù)、視頻廣播等多媒體傳送平臺，并有效地利用網(wǎng)絡(luò)資源。1.4.4光通信發(fā)展趨勢光通信系統(tǒng)既有有線的光纖通信系統(tǒng)，也有無線的光通信系統(tǒng)。目前光纖通信系統(tǒng)中所用的光收發(fā)信機(jī)大多采用的是IM-DD方式，其優(yōu)點(diǎn)是調(diào)制、解調(diào)簡單，且成本低，足以滿足現(xiàn)在的通信需求，其缺陷是受限于傳輸容量和距離。未來光通信發(fā)展趨勢是引入相干光通信、光孤子通信、光時分復(fù)用通信、光碼分復(fù)用通信和光量子通信技術(shù)，以彌補(bǔ)IM-DD光纖通信系統(tǒng)的不足。1.相干光通信技術(shù)特點(diǎn)與進(jìn)展

相干光通信，在發(fā)射端將要傳輸?shù)碾娦盘枌廨d波進(jìn)行振幅、頻率和相位調(diào)制（而不像IM調(diào)制只是改變光載波的光強(qiáng)度），在接收端則采用零差檢測或外差檢測等相干檢測技術(shù)進(jìn)行信息的接收。相干光通信具有以下特點(diǎn)：

接收機(jī)的接收靈敏度高，傳輸?shù)闹欣^距離長。

接收機(jī)的頻率選擇性好。可以充分利用光纖低損耗光譜區(qū)（1.25～1.6mm），提高光纖通信系統(tǒng)容量。有一定的色散補(bǔ)償效應(yīng)，通信容量大。

提供多種調(diào)制方式。在相干光通信中，除可以對光進(jìn)行幅度調(diào)制外，還可以使用頻率和相位等多種調(diào)制格式。

相干光通信技術(shù)經(jīng)過二十年的蟄伏期，再一次受到國際學(xué)術(shù)界的關(guān)注。從2005年至今，美國、日本、德國、荷蘭、英國、中國等每年有相關(guān)研究文章發(fā)表。相干光通信方面的理論研究正在逐年升溫，商品化研發(fā)也在緩慢進(jìn)行。2006年美國DISCOVERY公司推出了帶寬2.5Gbit/s及10Gbit/s的外差檢測相干光接收機(jī)，在帶寬為10Gbit/s、誤碼率為10-9時靈敏度可達(dá)-30dBm，集成的相干接收機(jī)體積比普通電腦機(jī)箱小，便于運(yùn)輸和野外工作。此外，相干光通信的一大熱點(diǎn)在于星間光鏈路通信。但大規(guī)模的應(yīng)用也不會在短期內(nèi)出現(xiàn)。2.光孤子通信技術(shù)特點(diǎn)與進(jìn)展

光孤子理論的出現(xiàn)，對現(xiàn)代光通信技術(shù)發(fā)展的兩個方向（一是大容量傳輸，二是延長中繼距離）起到了里程碑的作用，被認(rèn)為是第五代光纖通信系統(tǒng)。光孤子通信具有以下特點(diǎn)：傳輸容量大。傳輸速率一般可達(dá)20Gbit/s，最高可達(dá)100Gbit/s以上。光孤子傳輸由于波形保持不變，決定了其誤碼率大大低于常規(guī)光纖通信，甚至可實(shí)現(xiàn)誤碼率低于10-12的無差錯光纖通信。可以不用光中繼站。只要對光纖損耗進(jìn)行增益補(bǔ)償，可將光信號無畸變地傳輸極遠(yuǎn)距離，從而免去了光電轉(zhuǎn)換、整形放大、判決再生、電光轉(zhuǎn)換、再重新發(fā)送等復(fù)雜過程。光孤子通信的現(xiàn)狀與展望，如圖1-14所示圖1-14光孤子通信現(xiàn)狀與展望3.光時分復(fù)用通信技術(shù)特點(diǎn)與進(jìn)展光時分復(fù)用（OpticalTime-DivisionMultiplexing，OTDM）和電時分復(fù)用類似，是指光域的數(shù)字信號時分復(fù)用，是把一條復(fù)用信道劃分成若干個時隙，每個基帶數(shù)據(jù)光脈沖流分配占用一個時隙，N個基帶信道復(fù)用成高速光數(shù)據(jù)流信號進(jìn)行傳輸。圖1-15所示的光時分復(fù)用系統(tǒng)原理就是將多個高速調(diào)制光信號轉(zhuǎn)換為等速率光信號，然后放在光發(fā)射器里利用超窄光脈沖進(jìn)行時域復(fù)用，將其調(diào)制為更高速率的光信號然后再放到光纖里進(jìn)行傳輸。對于限制傳輸速率容量的電子瓶頸就得到了有效的解決。圖1-15光時分復(fù)用系統(tǒng)原理OTDM技術(shù)具有以下特點(diǎn)（1）可簡單地接入極高的線路速率（高達(dá)幾百吉比特每秒）。（2）支路數(shù)據(jù)可具有任意速率等級，并和現(xiàn)在的技術(shù)（如SDH）兼容。（3）由于是單波長傳輸，大大簡化了放大器級聯(lián)管理和色散管理。（4）網(wǎng)絡(luò)的總速率雖然很高，但在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)只需以本地的低數(shù)據(jù)速率工作。（5）OTDM和WDM的結(jié)合可支撐未來超高速光通信網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)。4.光碼分復(fù)用通信技術(shù)特點(diǎn)與進(jìn)展光碼分復(fù)用（OpticalCodeDivisionMultiplex，OCDM）是一種充分利用現(xiàn)有光纖帶寬的復(fù)用技術(shù)。OCDM技術(shù)具有以下特點(diǎn)（1）ODCM技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)光信號的直接復(fù)用與交換，能動態(tài)分配帶寬，且擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)容易，網(wǎng)管簡單，因此非常適用于實(shí)時性、高突發(fā)、高速率和高保密性的通信業(yè)務(wù)。（2）通過給用戶分配碼字實(shí)現(xiàn)多址接入，可以在無交換中心的情況下實(shí)現(xiàn)點(diǎn)到點(diǎn)、點(diǎn)到多點(diǎn)的通信，并且一個節(jié)點(diǎn)的故障不影響系統(tǒng)中其他節(jié)點(diǎn)，用戶可以即時接入，時延也很小。（3）具有很高的保密性、安全性。（4）信號處理簡單，沒有像光波分復(fù)用系統(tǒng)那樣對波長具有嚴(yán)格的要求，也不需要光時分復(fù)用那樣嚴(yán)格的時鐘同步，從而大大降低了收發(fā)設(shè)備的成本。5.光量子通信特點(diǎn)與進(jìn)展量子通信是指利用量子糾纏效應(yīng)進(jìn)行信息傳遞的一種新型的通信方式。光量子通信主要基于量子糾纏態(tài)的理論，使用量子隱形傳態(tài)（傳輸）的方式實(shí)現(xiàn)信息傳遞。根據(jù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，具有糾纏態(tài)的兩個粒子無論相距多遠(yuǎn)，只要一個發(fā)生變化，另外一個也會瞬間發(fā)生變化，利用這個特性實(shí)現(xiàn)光量子通信。6.自由空間光通信技術(shù)特點(diǎn)與進(jìn)展自由空間光通信（FreeSpaceOptics，F(xiàn)SO）是指以激光光波作為載波，大氣作為傳輸介質(zhì)的光通信系統(tǒng)。FSO結(jié)合了光纖通信與微波通信的優(yōu)點(diǎn)，既具有大通信容量、高速傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)，又不需要鋪設(shè)光纖，因此各技術(shù)強(qiáng)國在FSO領(lǐng)域投入大量人力物力，并取得了很大進(jìn)展。FSO是由兩臺激光通信機(jī)構(gòu)成的通信系統(tǒng)，它們相互向?qū)Ψ桨l(fā)射被調(diào)制的激光脈沖信號（聲音或數(shù)據(jù)），接收機(jī)解調(diào)來自對方的激光脈沖信號，實(shí)現(xiàn)雙工通信。FSO系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)

（1）

減少了不必要的E/O轉(zhuǎn)換，一條鏈路現(xiàn)在只需要2個O/E接口即可，大大降低了成本。

（2）

易于升級及維護(hù)，當(dāng)用戶的帶寬增加時，只需要對放置在室內(nèi)的系統(tǒng)進(jìn)行升級即可，免去了復(fù)雜繁瑣的對準(zhǔn)過程。

（3）利用現(xiàn)有的光纖通信系統(tǒng)中的光模塊（收/發(fā)模塊）和光器件（EDFA和WDM）與光纖耦合，就能很好地實(shí)現(xiàn)空間光通信與光纖通信網(wǎng)的結(jié)合。

（4）可以與光碼分多址復(fù)用技術(shù)（OCDMA）相結(jié)合，構(gòu)成自由空間OCDMA系統(tǒng)，進(jìn)一步擴(kuò)大系統(tǒng)的帶寬。FSO和其他無線通信相比，具有不需要頻率許可證、頻率寬、成本低廉、保密性好，誤碼率低、安裝快速、抗電磁干擾，組網(wǎng)方便靈活等優(yōu)點(diǎn)第2章光纖傳輸原理及傳輸特性

光纖通信系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)內(nèi)容提要：2.1光纖和光纜的結(jié)構(gòu)及類型2.2光纖傳輸原理分析2.3光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.4光纖的傳輸特性

在光纖通信中，長距離傳輸光信號所需要的光波導(dǎo)是一種叫做光導(dǎo)纖維（簡稱光纖）的圓柱體介質(zhì)波導(dǎo)。所謂“光纖”就是工作在光頻下的多層次的介質(zhì)波導(dǎo)，它引導(dǎo)光能沿著軸線平行方向傳輸。而光纜由多根光纖和加強(qiáng)構(gòu)件的纜芯以及外護(hù)層構(gòu)成。2.1光纖和光纜的結(jié)構(gòu)及類型2.1光纖和光纜的結(jié)構(gòu)及類型光纖？光纜？所謂“光纖”就是工作在光頻下的一種圓柱體介質(zhì)波導(dǎo)，它引導(dǎo)光能沿著軸線平行方向傳輸。所謂“光纜”就是由多根光纖和加強(qiáng)構(gòu)件以及外護(hù)層構(gòu)成。

2.1.1．光纖結(jié)構(gòu)及類型

1.光纖結(jié)構(gòu)圖2-1光纖結(jié)構(gòu)光纖可依據(jù)材料、波長、傳導(dǎo)模式、纖芯折射率分布、制造方法的不同，將其分為多種，如圖2-2所示。2．光纖的分類圖2-2光纖的分類按模式來分

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

(2)單模光纖：

①雙包層光纖

②三角芯光纖

圖2-3典型特種單模光纖SiO2+GeO2SiO2+FSiO2③橢圓芯光纖、熊貓光纖、蝴蝶光纖：，具有高雙折射特性，保偏狀態(tài)，分別如圖2-4（a）、圖2-4（b）、圖2-4（c）所示。

圖2-4幾種保偏光纖的截面結(jié)構(gòu)

按ITU-T已給的建議，光纖可分為多模光纖G.651，單模光纖G.652、G.653、G.654、G.655、G.656、G.657；還有其他相關(guān)的單模光纖，如色散平坦光纖（DFF）和色散補(bǔ)償光纖（DCF）。至今已有G.651～G.657等系列光纖產(chǎn)品種類，在抑制色散上各有獨(dú)道之處，各種光纖的適用范圍見表2.1。

從G.656光纖的應(yīng)用范圍可知，它適用S+C+L三個波段。單模光纖的波段劃分如表2.1所示。從G.656光纖的應(yīng)用范圍可知，它適用S+C+L三個波段。單模光纖的波段劃分見表所示。O波段（原始波段Original）E波段（擴(kuò)展波段-Extended）S波段（短波段-Short）C波段（常規(guī)波Conventional）L波段

（長波段-Long）U波段（超長波段-Ultralong）1326～1360nm1360～1460nm1460～1530nm1530～1560nm1565～1625nm1625～1675nm表2.1單模光纖的波段劃分圖2-6幾種典型的光纖折射率分布圖按纖芯折射率分布分類，光纖可粗分為階躍型和漸變型兩種。

2.1.2光纖標(biāo)準(zhǔn)及應(yīng)用各種光纖的標(biāo)準(zhǔn)及應(yīng)用，如表2.2所示。表2.2各種光纖的光纖標(biāo)準(zhǔn)及應(yīng)用2.1.3光纜結(jié)構(gòu)及類型

光纜由纜芯（含光纖、加強(qiáng)構(gòu)件、填充物等）和護(hù)層等構(gòu)成。

纜芯一般將帶有涂覆層的單根或多根光纖，與不同形式的加強(qiáng)構(gòu)件和填充物扭絞組合在一起，再套上一層塑料子管形成纜芯的組成。

加強(qiáng)構(gòu)件（加強(qiáng)件）用于提高光纜施工的抗拉能力。在光纜中，一根或多根加強(qiáng)構(gòu)件位于中心，稱為中心加強(qiáng)；分散四周或繞包一周，稱為鎧裝式加強(qiáng)。

加強(qiáng)構(gòu)件一般采用鍍鋅鋼絲、多股鋼絲繩、帶有緊套聚乙烯墊層的鍍鋅鋼絲、紡綸絲和玻璃增強(qiáng)塑料等。

填充物是在光纜纜芯的空隙中注滿特定物資，比如石油膏。石油膏是光纖防淹的最后防線，它可有效地阻止潮氣及水的滲入和擴(kuò)散，以延緩潮氣及水對光纖傳輸性能的影響，同時還能減少光纖的相互摩擦。

護(hù)層用來保護(hù)纜芯，使纜芯有效抵御一切外來的機(jī)械、物理、化學(xué)的作用，并能適應(yīng)各種敷設(shè)方式和應(yīng)用環(huán)境，保證光纜有足夠的使用壽命。光纜護(hù)層是由內(nèi)護(hù)層和外護(hù)層構(gòu)成的多層組合體，內(nèi)護(hù)層一般用聚乙烯（PE）和聚氯乙烯（PVC）等；外護(hù)層可根據(jù)敷設(shè)情況而定，可采用鋁帶和聚乙烯組成的LAP外護(hù)套加鋼圓絲鎧裝等，起增強(qiáng)光纜抗拉、抗壓、抗彎曲等機(jī)械保護(hù)作用。1．室內(nèi)光纜

常用的室外光纜按其纜芯結(jié)構(gòu)可分為層絞式、骨架式、中心束管式3種，就光纖芯數(shù)結(jié)構(gòu)又有單/多芯光纜和帶狀光纜，如圖2-7～圖2-10所示。

（1）層絞式圖2-7層絞式光纜（2）骨架式光纜

圖2-8骨架式光纜（3）中心束管式光纜圖2-9中心束管式光纜圖帶狀結(jié)構(gòu)光纜

圖2-10中心束管式帶狀光纜圖2．室內(nèi)光纜常用的室內(nèi)光纜都是使用非金屬的加強(qiáng)件，可分為4種類型，如圖2-11～圖2-14所示。（1）多用途室內(nèi)光纜圖2-11所示為48芯多用途室內(nèi)光纜的結(jié)構(gòu)。圖2-1148芯多用途室內(nèi)光纜的結(jié)構(gòu)（2）分支光纜分支光纜用于各光纖的獨(dú)立布線和分支，圖2-12所示為一個8芯分支光纜結(jié)構(gòu)。圖2-128芯分支光纜結(jié)構(gòu)（3）互連光纜互連光纜是為計(jì)算機(jī)、過程控制和辦公室布線系統(tǒng)等進(jìn)行語言、數(shù)據(jù)、視頻，圖像傳設(shè)備互連所設(shè)計(jì)的光纜，其結(jié)構(gòu)通常為單纖或雙纖結(jié)構(gòu)，圖2-13為雙纖結(jié)構(gòu)。這些光纜里的光纖常為G.657，主要優(yōu)點(diǎn)是連接容易、直徑細(xì)、彎曲半徑小。圖2-13雙纖互連光纜結(jié)構(gòu)（4）皮線光纜圖2-142芯入戶皮線光纜結(jié)構(gòu)3．特殊光纜常用的特種光纜主要有電力系統(tǒng)光纜、海底光纜和野戰(zhàn)軍用光纜等，如圖2-15、圖2-16所。（1）電力系統(tǒng)光纜其結(jié)構(gòu)如圖2-15所示。

圖2-15架空地線光纜（OPGW）結(jié)構(gòu)（2）海底光纜圖2-16海底光纜結(jié)構(gòu)海底光纜是為將陸地型光纖傳輸能力延伸至無中繼站的海底應(yīng)用而設(shè)計(jì)的光纜。野戰(zhàn)軍用光纜及特種軍用光纜是為野戰(zhàn)部隊(duì)的戰(zhàn)術(shù)通信、雷達(dá)車的信息傳輸、導(dǎo)彈制、導(dǎo)魚雷制導(dǎo)等應(yīng)用而設(shè)計(jì)的光纜。圖2-17幾種典型的海底光纜結(jié)構(gòu)（3）野戰(zhàn)軍用光纜

野戰(zhàn)軍用光纜是為野戰(zhàn)部隊(duì)的戰(zhàn)術(shù)通信、雷達(dá)車的信息傳輸、導(dǎo)彈制、導(dǎo)魚雷制導(dǎo)等應(yīng)用而設(shè)計(jì)的光纜，光纜形式結(jié)構(gòu)多樣，在此不多述。2.1.4光纜型號、規(guī)格及特性圖2-18

光纜型號與規(guī)格組成圖1．光纜型號代碼及意義

光纜型號代碼的意義，如表2.3所示。分類代碼（用途）加強(qiáng)件

派生（結(jié)構(gòu)特征）護(hù)層外護(hù)層

GY（野外光纜）GJ（局內(nèi)光纜）GS（設(shè)備內(nèi)光纜）

GH（海底光纜）GT（特殊光纜）GW（無金屬光纜）

無代號（金屬加強(qiáng)件）F（非金屬加強(qiáng)件）G（金屬重型加強(qiáng)件）H（非金屬重型加強(qiáng)件）

B（扁平式結(jié)構(gòu)）

C（自承式結(jié)構(gòu)）T（填充層絞式結(jié)構(gòu)）

D（光纖帶狀結(jié)構(gòu)）G（骨架槽結(jié)構(gòu)）

Z（阻燃結(jié)構(gòu)）X(中心束管式)

Y（聚乙烯護(hù)套）

V（聚氯乙烯護(hù)套）U（聚氨酯護(hù)套）

A（鋁—聚乙烯護(hù)套）L（鋁護(hù)套）

G（鋼護(hù)套）Q（鉛護(hù)套）鎧裝層材料：3/33（單/雙細(xì)圓鋼絲）4/44（單/雙粗圓鋼絲）5（單鋼帶皺紋縱包）外護(hù)層材料：1（纖維外被）2（聚氯乙烯套）3（聚乙烯套）表2.3光纜型號代碼的意義GYFTY——GYTA53（GY*TA53）——

2．光纜中光纖規(guī)格代碼及其意義光纜中光纖規(guī)格代碼由兩項(xiàng)組成，即光纖數(shù)和光纖種類。光纖數(shù)即光纖的數(shù)目，是用1、2、3、……來表示光纜內(nèi)同一類別光纖實(shí)際數(shù)目。光纖種類是依據(jù)國際電工委員會IEC60793-2（2001）等標(biāo)準(zhǔn)的最新版本規(guī)定，用大寫字母A代表多模光纖，用大寫字母B、C、D代表單模光纖，其中C、D為極短距離傳輸?shù)谋Ｆ珕文９饫w的分類代碼；以數(shù)字表示不同種類的光纖。如B1.1表示G.652A/B光纖；B1.3表示G.652C/D；B1.2表示G.654光纖；B2表示G.653光纖；B3表示色散平坦光纖（DFF），B4表示G.655光纖；B5表示G.656光纖；B6表示G.657光纖。舉例例如GYFTY-12

B1.1的光纜型號與規(guī)格的意義是非金屬加強(qiáng)構(gòu)件、油膏填充松套層絞式結(jié)構(gòu)、聚乙烯護(hù)套的通信室外光纜，內(nèi)含12芯的G.652A/B單模光纖。3.光纜特性光纜的主要特性有幾何參數(shù)、光學(xué)特性、傳輸特性、機(jī)械特性和環(huán)境特性。光纜的光學(xué)特性和傳輸特性主要由光纜中光纖決定。光纜機(jī)械性能指標(biāo)有拉伸、壓扁、沖擊、反復(fù)彎曲、扭轉(zhuǎn)、曲繞等受力狀態(tài)。如表2.4所示。光纜出廠前要對機(jī)械性能指標(biāo)按國標(biāo)進(jìn)行測試，光纜機(jī)械特性具體要求如下。

表2.4光纜機(jī)械性能指標(biāo)序

號項(xiàng)

目方

法試驗(yàn)條件測試狀態(tài)1拉伸GB7425·2試樣有效長度為12m，以10mm/min的拉伸速度，最大拉力至光纜標(biāo)稱張力，維持1分鐘，然后逐漸解除拉伸①光纖不斷裂；②光纖損耗被監(jiān)視；試驗(yàn)中光功計(jì)變化≤0.05dB；試驗(yàn)解除后應(yīng)無變化；③護(hù)層無可見裂紋；④有導(dǎo)電線的光纜，導(dǎo)電線應(yīng)保持導(dǎo)通狀態(tài)2壓扁GB7425·3試樣取5個壓點(diǎn)（間隔>0.5m），每個壓點(diǎn)的兩個垂直徑向各壓一次，受壓面積為10cm，最大壓力至光纜標(biāo)稱側(cè)壓力3沖擊GB7425·4試樣取5個點(diǎn)（間隔>0.5m）重垂落高為1m，沖擊次數(shù)不少于3次4反復(fù)彎曲GB7425·5彎曲直徑為20倍數(shù)纜徑；張力（由產(chǎn)品指標(biāo)定），試樣有效長度為1m，由中央向左右彎曲90°，彎曲速度為每秒鐘作1個外循環(huán)，總次數(shù)應(yīng)不少于10個循環(huán)5扭轉(zhuǎn)GB7425·6試樣有效長度為1m，一端懸吊重物（重量一般為100g左右），扭轉(zhuǎn)角度為±100°，總次數(shù)應(yīng)不少于10個循環(huán)2.2光纖傳輸原理分析

光的實(shí)質(zhì)是電磁波或光場，光纖的傳輸原理就是光纖的的導(dǎo)光原理。分析光纖傳輸原理的理論有兩種：射線理論和波動理論。

射線理論是忽略波長l的光學(xué)特性，把光看出沿直線傳輸?shù)摹肮饩€”，遵從光的反射、折射定律，來分析光在光纖中傳輸?shù)姆椒ā＿@種理論適用于光纖芯直徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于工作光波長（2a>>

）的多模光纖，可以得到簡單、直觀的分析結(jié)果。波動理論是把光纖中的光場作為經(jīng)典電磁場，要求光場必須服從麥克斯韋方程組以及邊界條件，該理論可以得到全面、嚴(yán)密、精確的解析式或數(shù)字結(jié)果，給出光纖中的場結(jié)構(gòu)形式（即傳輸模式），從而給出光纖中完善的場的描述形式。這種理論適用于單模光纖和多模光纖的分析。本節(jié)首先用射線理論簡單分析光在多模光纖中傳輸原理，并介紹一些重要的概念，然后采用波動理論分析光在光纖中的傳輸原理。2.2.1用射線理論分析光纖的傳輸原理

射線理論分析光纖傳輸原理主要是指從光信號射線進(jìn)入光纖開始，到光信號在纖芯和包層界面上產(chǎn)生全反射，直至光信號傳輸?shù)焦饫w線路終點(diǎn)為止，這一過程所需要滿足的傳輸條件和具有的特性。

下面要簡要介紹應(yīng)用射線理論對光纖傳輸原理及相關(guān)的分析過程。1.基本光學(xué)定律

1)直線傳播定律光在均勻介質(zhì)(折射率n不變)中是沿直線路徑傳播的，其傳播的速度為：v=c/n(2.1)

式中，C=3×108m/s，是光在真空中的傳播速度，n是介質(zhì)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)。

2)獨(dú)立傳輸定律在線性介質(zhì)中(光纖為線性介質(zhì)),來自不同方向的光線即使在空中相交也能互不影響,按各自原有方向繼續(xù)前進(jìn).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,則入射角θ1<折射角θ2當(dāng)θ2=90°時對應(yīng)的入射角θ1

=臨界角θc

只要θ1>θc，入射光出現(xiàn)全反射，光被限制在n1介質(zhì)里傳播。若光從n2向n1入射，光線是否能出現(xiàn)全反射？圖2-19光的反射和折射2.光纖中光的傳播

當(dāng)子午線（始終在一個包含光纖軸線的子午面內(nèi)傳播，并且一個傳播周期與中心軸相交兩次的光線稱為子午線）在階躍光纖中傳播時，由于光纖中纖芯折射率n1大于包層折射率n2（即n1>n2，），所以在纖芯與包層界面存在著臨界角

c，如圖2-20所示。圖2-20階躍型光纖中的子午線傳播子午線在階躍（均勻）光纖中的傳播

_____射線理論分析導(dǎo)光原理什么樣的子午線能限制在光纖纖芯中傳輸?它必須能在纖芯的界面上產(chǎn)生全反射.(1)光纖的接收角(如圖2-20所示)B點(diǎn):端面接收角φα為最大接收角.時,所對應(yīng)的光纖φα為什么是最大接收角?(2)數(shù)值孔徑NA(NumericalAperture)NA的定義?NA=sinφα物理意義:NA大小反映了光纖捕捉線的能力.NA=sinφα=?圖2-20階躍型光纖中的子午線傳播n0sinφα=n1sin(900-θc)=n1cosθc,

NA的表達(dá)示因?yàn)?.漸變型光纖中子午射線的傳播

光纖接收角?數(shù)值孔徑NA(r)?一個漸變型光纖的子午面上分層圖2-21漸變型光纖中的子午線及分層示意圖.如圖2-21所示。各層之間的折射率滿足以下關(guān)系：n(r0)＞n(r1)＞n(r2)＞n(r3)＞……由于光都是由光密介質(zhì)向光疏介質(zhì)傳播其入射角將會逐漸增大，即有θ1

＜θ2＜θ3＜θ4＜θ5……(1)光纖接收角φ分析N層的漸變型光纖的導(dǎo)光條件即光纖端面的入射角φ必須滿足條件是什么？光線最遲也必須在N層與包層界面上發(fā)生全反射。根據(jù)光線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

射線上任一點(diǎn)符合下列關(guān)系：n(r0)cosθz0=n(r)cosθz

在轉(zhuǎn)析點(diǎn)A處，射線與光纖軸平行，則cosθz=1，n(r)=n2，n2為包層的折射率n(r0)cosθZ0=n2,cosθz0=n2/n(r0)(2)數(shù)值孔徑NA(r)?設(shè)θz0所對應(yīng)φ為最大入射角sinφ=n(r0)sinθz0=(2.7)光纖的本地?cái)?shù)值孔徑在漸變折射率光纖中，相對折射指數(shù)差定義為其中n(0)，n2分別是r=0處和芯子界面上的折射率

中心點(diǎn)垂直入射(r0=0）的數(shù)值孔徑NA（0）為最大數(shù)值孔徑：2.2.2用波動理論分析光纖的傳輸原理

射線理論雖然形象地給出了光纖的傳輸原理，但無法對光信號在光纖中傳輸狀態(tài)進(jìn)行嚴(yán)格的定量分析，因此需要引入波動理論分析法。波動理論的基礎(chǔ)是波動方程，波動方程由麥克斯韋方程組作為電磁分離而得到。波動理論以求解特定邊界條件下的麥克斯韋方程組為基礎(chǔ)，獲得電磁場分布，進(jìn)而推出光信號在光纖中傳輸?shù)亩織l件。根據(jù)求解麥克斯韋方程的不同，可分為嚴(yán)格矢量分析法和近似的標(biāo)量分析法，本節(jié)只介紹階躍型光纖的近似標(biāo)量分析法。

（2.9-a）（2.9-b）式中，E是矢量電場強(qiáng)度；H是矢量磁場強(qiáng)度；k0=2

/

是真空中波數(shù)；

是真空中的光波長；n是介質(zhì)的折射率。若光波做簡諧振蕩，由波動方程可推出均勻介質(zhì)中的矢量亥姆霍茲方程：1．標(biāo)量解法求LPmn模的場方程

由于n1/n2≈1對弱導(dǎo)光纖，可采取近似解法——標(biāo)量近似解法。

因通信光纖為弱導(dǎo)光纖（n2/n1?1），LPmn模在弱導(dǎo)光纖中傳播的模式近似為TEM波，故其Ez和Hz非常小，因此可先求橫向場分量Ey和Hy，再求縱向場分量Ez和Hz。具體做法是將階躍型光纖同時定義在直角坐標(biāo)系（x、y、z）與圓柱坐標(biāo)系（r，

，z）中，并將兩個坐標(biāo)系的z軸與光纖軸線重合，如圖2-22所示。圖2-22光纖的直角和圓柱坐標(biāo)系

在弱導(dǎo)光纖中，橫向（x、y方向）電場偏振方向在傳輸過程中保持不變，故可用一個標(biāo)量來描述。設(shè)橫向電場的偏振方向沿y軸方向，它滿足標(biāo)量亥姆霍茲方程：（2.10-a）式中，Ey為電場在直角坐標(biāo)系y軸的分量。選用圓柱坐標(biāo)系（r，

，z）使z軸與光纖軸線一致。將式（2.10-a）在圓柱坐標(biāo)系中展開，得到橫向電場Ey的亥姆霍茲方程為：（2.11-a）（2.10-b）可以利用變量分離法求解Ey。（1）將Ey寫成三個變量乘積形式，即設(shè)試探函數(shù)為：（2）根據(jù)物理概念，寫出

(

)和Z(z)的形式。Z(z)表示導(dǎo)波沿光纖軸z向的變化規(guī)律，因?qū)Рㄊ茄貁向傳播的，它沿該方向呈行波狀態(tài)。用

表示其軸向相位常數(shù)，則：

(

)表明Ey沿圓周方向的變化規(guī)律，它沿

方向是以2

為周期的簡諧函數(shù)（正弦或余弦函數(shù)），因而可寫成（2.11-b）（2.11-c）（3）求出R(r)的表示形式，R(r)描述導(dǎo)波沿r方向的變化規(guī)律。將式（2.11）代入式（2.10-b），并考慮纖芯和包層中的折射率為n1和n2，a為纖芯半徑，則得（2.12-a）（2.12-b）導(dǎo)波在光纖纖芯橫截面中應(yīng)為振蕩解，故其解取第一類貝塞爾函數(shù)，在包層橫截面中應(yīng)是衰減解，故其解取第二類修正的貝塞爾函數(shù)解。于是R（r）可寫為：（2.13-a）（2.13-b）（a）第一類貝塞爾函數(shù)曲線圖2-23貝塞爾函數(shù)和修正的貝塞爾函數(shù)曲線（b）第二類修正貝塞爾函數(shù)曲線圖2-23貝塞爾函數(shù)和修正的貝塞爾函數(shù)曲線為了使分析具有一般性，先引入幾個重要的無量綱參數(shù)。在纖芯和包層中，令：U叫導(dǎo)波徑向（r向）歸一化相位常數(shù)，它描述了導(dǎo)波電場和磁場在纖芯橫截面上的分布W叫導(dǎo)波徑向（r向）歸一化衰減常數(shù)，它描述了導(dǎo)波電場和磁場在包層橫截面上的分布V叫歸一化頻率，它是表示光波頻率大小的無量綱的量β為導(dǎo)波沿光纖軸向z傳輸時的相位常數(shù)（2.14-a）（2.14-b）（2.15）（2.16-a）（2.16-b）利用光纖的邊界條件可確定式中的常數(shù)。首先根據(jù)邊界條件找出A1,A2之間的關(guān)系。在r=a處，因可得A1Jm(U)=A2Km(W)=A，將此式代入式（4.16）中，得：（2.17-a）（2.17-b）（4）橫向電場Ey的標(biāo)量解。將R(r),

(

),Z(z)代入式（2.11-a），并考慮到式（2.14）的關(guān)系，式（2.11-a）變成：光纖中的電磁波近似為TEM波，于是Hx的場分量表示式為：r≤a

r≥a

（2.18-a）（2.18-b）式中，是自由空間波阻抗。由麥克斯韋方程組，可求出縱向場Ez,Hz與橫向場Ey,Hx之間的關(guān)系：將Hx,Ey代入上式，即可求出Ez,Hz。有了電磁場的縱向分量Ez,Hz，可以通過麥克斯韋方程組導(dǎo)出電磁場橫向分量Er,Hr和E

,H

的表達(dá)式.具體的方程組請參閱相關(guān)文獻(xiàn)。（2.19-a）（2.19-b）2.標(biāo)量解的特性方程標(biāo)量解的特征方程，可由邊界條件得出。在r=a處，令Ez1=Ez2，忽略n1和n2之間的微小差別，即令n1=n2，可得（2.20-a）（2.20-b）

根據(jù)貝塞爾函數(shù)的遞推公式可以證明，（2.20）中的兩式是相等的，因而可選其一求解。從中解出U（或W）值，從而確定W（或U）和相位常數(shù)

，確定光纖中的場分布及其特性。由于（2.20）式是超越方程，須用數(shù)值法求解，很復(fù)雜，故下面只討論它在截止和遠(yuǎn)離截止兩種情況下的解。3.光纖的標(biāo)量模LPmn及其特性標(biāo)量模定義是指弱導(dǎo)光纖中傳播的近似為TEM波,它具有橫向場(x,y)極化方向不變（線極化）的特點(diǎn)，可認(rèn)為它是線極化波LPmn模，下標(biāo)m,n的值表明各模式的場型特征。

簡并模？不同的模式，有不同的場的結(jié)構(gòu)(圖案)。但如果它們具有相同的傳輸常數(shù)β=k值，則認(rèn)為這些模式是簡并的。LPmn是由HEm+1,n和HEm-1,n

模線性疊加而成.例LP0n模是由HE1n模得到；LP1n模是由HE2n，TM0n和TE0n模線性組合得來；LP2n模是由HE3n模和EH1n模線性組合得來----依次類推。（1）LPmn模的截止條件VC截止的概念:當(dāng)光纖中導(dǎo)波變?yōu)檩椛淠r,認(rèn)為導(dǎo)波截止.當(dāng)W→∝時,導(dǎo)波的場在纖芯外衰減的.當(dāng)W→0時,導(dǎo)波截止(相當(dāng)于射線理論中θ1<θc)導(dǎo)波輻射.截止臨界狀態(tài):Wc=W=0,由于V2=U2+W2Vc2=Uc2+Wc2→=Uc2

若求得Uc→Vc稱為歸一化的截止頻率.Uc=Vc?截止條件下的特征方程Wc=0UcJm-1(Uc)/Jm(Uc)=WcKm-1(W)/Km(W)=0Uc=0或Jm-1(Uc)=0在LPmn模的歸一化的截止頻率Vcmn=Ucmn截止特征方程:Jm-1(Uc=μcmn)=0當(dāng)m=0時，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…

圖2-24m＝0,1模式的U值變化范圍11J1=J-1m=0m=1HE04LP04即表示LP01模的uc01=0。意味著該模式無截止波長、無截止情況.當(dāng)m=1時，LP1n模的特征方程:Jm-1(Uc)=0---J1-1(Uc)=0當(dāng)m≠0時，也可求出相應(yīng)的根表4.3

表2.5截止情況下LPmn模的Uc=Vcnm012102.4053.83223.8325.5207.01637.0168.65410.173此值通過Jm-1(μcmn)=0方程,求解而得.如圖2.12所示.從表2.5截止情況下的LPmn模的Uc值可知:LP01模的Vc=Uc=0，說明這種模式?jīng)]有截止現(xiàn)象是光纖中的最低模，也稱基模。LP11模，稱為二階模，其Vc=Uc=2.405截止波長λc與歸一化截止頻率Vc關(guān)系對某一光纖的每一個模式，都對應(yīng)有一個截止波長λc(Vc).當(dāng)工作波長λ0＜λc時,該模式可以傳輸當(dāng)工作波長λ0＞λc時，該模式就截止了

當(dāng)光纖的V＜Vc時,該模式就截止了

當(dāng)光纖的V＞Vc時,該模式可以傳輸.因?yàn)?V=2πn1(2△)1/2a/λ0,則:Vc=2πn1(2△)1/2a/λc