第1章 光纤通信概述
1.1 光纤通信
本章简要介绍光纤通信的基本概念,发展简史及其突出的优点.
1.1.1 光纤通信的概念
所谓光纤通信,就是利用光纤来传输携带信息的光波以达到通信之目的.
要使光波成为携带信息的载体,必须在发射端对其进行调制,而在接收端把信息从光波中检测出来(解调).依目前技术水平,大部分采用强度调制与直接检测方式(IM-DD).
典型的数字光纤通信系统方框图如图1-1所示.
图1-1 数字光纤通信系统
从图1-1可以看出,数字光纤通信系统基本上由光发射机,光纤与光接收机组成.在发射端,电端机把模拟信息(如话音)进行模/数转换,用转换后的数字信号去调制发射机中的光源器件(一般是半导体激光器LD),则光源器件就会发出携带信息的光波.如当数字信号为"1"时,光源器件发射一个"传号"光脉冲;当数字信号为"0"时,光源器件发射一个"空号"(不发光).光波经光纤传输后到达接收端.在接收端,光接收机把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,恢复成原来的模拟信息.就这样完成了一次通信的全过程.
1.2 光纤基础
1.2.1 光纤的结构
通信用光纤主要是由纤芯和包层构成,包层外是涂覆层,整根光纤呈圆柱形.光纤的典型结构如图1-2所示.
图1-2 光纤的典型结构
纤芯的粗细,纤芯材料和包层材料的折射率,对光纤的特性起着决定性的影响.图1-3所示为常用光纤三种基本类型.
图1-3 常用光纤三种基本类型
按照光在光纤中传输模式的不同,分为单模光纤和多模光纤.单模光纤的纤芯直径极细,一般不到10mm,如图1-5(a)所示;多模光纤的纤芯直径较粗,通常在50mm左右.但从光纤的外观上来看,两种光纤区别不大.
从图中可以看出,在纤芯和包层横截面上,折射率剖面有两种典型的分布.对于多模光纤而言,一种是纤芯和包层折射率沿光纤径向分布都是均匀的,而在纤芯和包层的交界面上,折射率呈阶梯形突变,这种光纤称为突变型光纤,如图1-5(b)所示;另一种是纤芯的折射率不是均匀常数,而是随纤芯径向坐标增加而逐渐减小,一直渐变到等于包层折射率值,因而将这种光纤称为渐变型光纤,如图1-5(c)所示.这两种光纤剖面的共同特点是:纤芯的折射率n1大于包层折射率n2,这也是光信号在光纤中传输的必要条件.对于突变型光纤而言,它可以使光波在纤芯和包层的交界面形成全反射,引导光波沿纤芯向前传播;对于渐变型光纤而言,它可以使光波在纤芯中产生连续折射,形成穿过光纤轴线的类似于正弦波的光射线,引导光波沿纤芯向前传播,两种光射线轨迹如图1-5(b),(c)所示.
1.2.2 光纤的基本特性
1. 衰减系数
光纤的损耗主要包括吸收损耗,散射损耗,弯曲损耗三种,在弯曲半径较大的情况下,弯曲损耗对光纤衰减系数的影响不大,决定光纤衰减系数的损耗主要是吸收损耗和散射损耗.
吸收损耗是制造光纤的材料本身造成的,是光纤中过量金属杂质和氢氧根离子OH-吸收光而产生的光功率损耗.
散射损耗通常是由于光纤材料密度的微观变化,以及所含SiO2,GeO2和P2O5等成分的浓度不均匀,使得光纤中出现一些折射率分布不均匀的局部区域,从而引起光的散射,将一部分光功率散射到光纤外部引起损耗;或者在制造光纤的过程中,在纤芯和包层交界面上出现某些缺陷,残留一些气泡和气痕等.这些结构上有缺陷的几何尺寸远大于光波,引起与波长无关的散射损耗,并且将整个光纤损耗谱曲线上移,但这种散射损耗相对前一种散射损耗而言要小得多.
综合以上几个方面的损耗,单模光纤的衰减系数一般分别为0.3～0.4dB/km(1310nm区域)和0.17～0.25dB/km(1550nm区域).ITU-T G.652建议规定光纤在1310nm和1550nm的衰减系数应分别小于0.5dB/km和0.4dB/km.
2. 色散系数
光纤的色散指光纤中携带信号能量的各种模式成分或信号自身的不同频率成分因群速度不同,在传播过程中互相散开,从而引起信号失真的物理现象.一般光纤存在三种色散:
l 模式色散:光纤中携带同一个频率信号能量的各种模式成分,在传输过程中由于不同模式的时间延迟不同而引起的色散.
l 材料色散:由于光纤纤芯材料的折射率随频率变化,使得光纤中不同频率的信号分量具有不同的传播速度而引起的色散.
l 波导色散:光纤中具有同一个模式但携带不同频率的信号,因为不同的传播群速度而引起的色散.
几种典型光纤的色散特性如图1-4所示.

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