光纤

光光光光 纤纤纤纤 通通通通 信信信信 基基基基 础础础础 －ＳＤＨ培训教材之一 王王王王 鸿鸿鸿鸿 滨滨滨滨 编编编编 华为公司传输系统部 一九九八年三月 1 第一篇 光纤通信基础 第一章第一章第一章第一章 概概概概 论论论论 §§§§1.1 光纤通信概念光纤通信概念光纤通信概念光纤通信概念 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，必须对之进行调制，在接收端再把信息从光 波中检测出来。然而，由于目前技术水平所限，对光波进行频率调制与相位调制 等仍局限在实验室内，尚未达到实用化水平，因此目前大都采用强度调制与直接 检波方式（IM-DD）。又因为目前的光源器件与光接收器件的非线性比较严重， 所以对光器件的线性度要求比较低的数字光纤通信在光纤通信中占据主要位 置。 典型的数字光纤通信系统方框图如图 1.1所示。 光发送机 电端机 （数字） 模拟信息 LD 光接收机 电端机 （数字） 模拟信息 APD 中继器 图 1.1 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 2 转换，恢复成原来的信息。 就这样完成了一次通信的全过程。 §§§§1.2 光纤通信发展简史光纤通信发展简史光纤通信发展简史光纤通信发展简史 伴随社会的进步与发展，以及人们日益增长的物质与文化需求，通信向大容 量，长距离的方向发展已经是必然的发展趋势。由于光波具有极高的频率（大约 3亿兆赫兹），也就是说是具有极高的宽带从而可以容纳巨大的通信信息，所以 用光波作为载体来进行通信一直是人们几百年来追求的目标所在。 1、光纤通信的里程碑、光纤通信的里程碑、光纤通信的里程碑、光纤通信的里程碑 在六十年代中期以前，人们虽然历经苦心研究过光圈波导、气体透镜波导、 空心金属波导管等，想用它们作为传送光波的媒体以实现通信，但终因它们或者 衰耗过大或者造价昂贵而无法实用化。也就是说历经几百年人们始终没有找到传 输光波的理想传送媒体。 一九六六年七月，英藉、华裔学者高锟博士（K.C.Kao）在 PIEE 杂志上发 了一篇十分著名的文章《用于光频的光纤表面波导》，该文从理论上证明 了用光纤作为传输媒体以实现光通信的可能性，并设计了通信用光纤的波导结 （即阶跃光纤）。更重要的是科学地予言了制造通信用的超低耗光纤的可能性， 即加强原材料提纯，加入适当的掺杂剂，可以把光纤的衰耗系数降低到 20dB/km 以下。而当时世界上只能制造用于工业、医学方面的光纤，其衰耗在 1000dB/km 以上。对于制造衰耗在 20dB/km以下的光纤，被认为是可望不可及的。 以后的事实发展雄辩地证明了高锟博士文章的理论性和科学大胆予言的正 确性，所以该文被誉为光纤通信的里程碑。 2、导火索、导火索、导火索、导火索 一九七０年美国康宁玻璃公司根据高锟文章的设想，用改进型化学相沉积法 （MCVD 法）制造出当时世界上第一根超低耗光纤，成为使光纤通信爆炸性竞 相发展的导火索。 虽然当时康宁玻璃公司制造出的光纤只有几米长，衰耗约 20dB/km，而且几 个小时之后便损坏了。但它毕竟证明了用当时的科学技术与工艺方法制造通信用 的超低耗光纤是完全有可能的，也就是说找到了实现低衰耗传输光波的理想传输 媒体，是光通信研究的重大实质性突破。 3 3、爆炸性发展、爆炸性发展、爆炸性发展、爆炸性发展 自一九七０年以后，世界各发达国家对光纤通信的研究倾注了大量的人力与 物力，其来势之凶，规模之大、速度之快远远超出了人们的意料之外，从而使光 纤通信技术取得了极其惊人的进展。 从光纤的衰耗看： 七 O年：20dB/km 七二年： 4 dB/km 七四年：1.1dB/km 七六年：0.5dB/km 七九年：0.2dB/km 九 O年：0.14dB/km 它已经接近石英光纤的理论衰耗极限值 0.1dB/km。 从光器件看： 一九七 O 年，美国贝尔实验室研制出世界上第一只在室温下连续波工作的 砷化镓铝半导体激光器，为光纤通信找到了合适的光源器件。后来逐渐发展到性 能更好、寿命达几万小时的异质结条形激光器和现在的分布反馈式单纵模激光器 （DFB）以及多量子阱激光器（MQW）。光接收器件也从简单的硅 PIN光二极 管发展到量子效率达 90％的Ⅲ-Ⅴ族雪崩光二极管 APD。 从光纤通信系统看： 正是光纤制造技术和光电器件制造技术的飞速发展，以及大规模、超大规模 集成电路技术和微处理机技术的发展，带动了光纤通信系统从小容量到大容量、 从短距离到长距离、从低水平到高水平、从旧体制（PDH）到新体制（SDH）的 迅猛发展。 七六年，美国在亚特兰大开通了世界上第一个实用化光纤通信系统。码率为 45Mb/s，中继距离为 10 km。 八０年，多模光纤通信系统商用化（140Mb/s），并着手单模光纤通信系统 的现场试验工作。 九０年，单模光纤通信系统进入商用化阶段（565Mb/s），并着手进行零色 散移位光纤和波分复用及相干通信的现场试验，而且陆续制定数字同步体系 （SDH）的技术。 九三年，SDH产品开始商用化（622Mb/s以下）。 九五年，2.5Gb/s的 SDH产品进入商用化阶段。 九六年，10Gb/s的 SDH产品进入商用化阶段。 九七年，采用波分复用技术（WDM）的 20Gb/s和 40Gb/s的 SDH产品试验 4 取得重大突破。 此外，在光孤子通信、超长波长通信和相干光通信方面也正在取得巨大进 展。 总之，从一九七０年到现在虽然只有短短不到三十年的时间，但光纤通信技 术却取得了极其惊人的进展。用带宽极宽的光波作为传送信息的载体以实现通 信，这一几百年来人们梦寐以求的幻想在今天已成为活生生的现实。然而就目前 的光纤通信而言，其实际应用仅是其潜在能力的 2％左右，尚有巨大的潜力等待 人们去开发利用。因此，光纤通信技术并未停滞不前，而是向更高水平、更高阶 段方向发展。 §§§§1.3 光纤通信优点光纤通信优点光纤通信优点光纤通信优点 光纤通信之所以受到人们的极大重视，这是因为和其它通信手段相比，具有 无以伦比的优越性。 1、通信容量大、通信容量大、通信容量大、通信容量大 从理论上讲，一根仅有头发丝粗细的光纤可以同时传输 1000 亿个话路。虽 然目前远远未达到如此高的传输容量，但用一根光纤同时传输 24 万个话路的试 验已经取得成功，它比传统的明线、同轴电缆、微波等要高出几十乃至上千倍以 上。 一根光纤的传输容量如此巨大，而一根光缆中可以包括几十根甚至上千根光 纤，如果再加上波分复用技术把一根光纤当作几根、几十根光纤使用，其通信容 量之大就更加惊人了。 2、中继距离长、中继距离长、中继距离长、中继距离长 由于光纤具有极低的衰耗系数（目前商用化石英光纤已达 0.19dB/km 以 下），若配以适当的光发送与光接收设备，可使其中继距离达数百公里以上。这 是传统的电缆（1.5km）、微波（50km）等根本无法与之相比拟的。因此光纤通 信特别适用于长途一、二级干线通信。据报导，用一根光纤同时传输 24 万个话 路、100 公里无中继的试验已经取得成功。此外，已在进行的光孤子通信试验， 已达到传输 120 万个话路、6000 公里无中继的水平。因此，在不久的将来实现 全球无中继的光纤通信是完全可能的。 5 3、保密性能好、保密性能好、保密性能好、保密性能好 光波在光纤中传输时只在其芯区进行，基本上没有光“泄露”出去，因此其 保密性能极好。 4、适应能力强、适应能力强、适应能力强、适应能力强 适应能力强是指，不怕外界强电磁场的干扰、耐腐蚀，可挠性强（弯曲半径 大于 25厘米时其性能不受影响）等。 5、体积小、重量轻、便于施工维护、体积小、重量轻、便于施工维护、体积小、重量轻、便于施工维护、体积小、重量轻、便于施工维护 光缆的敷设方式方便灵活，既可以直埋、管道敷设，又可以水底和架空。 6、原材料来源丰富，潜在价格低廉、原材料来源丰富，潜在价格低廉、原材料来源丰富，潜在价格低廉、原材料来源丰富，潜在价格低廉 制造石英光纤的最基本原材料是二氧化硅即砂子，而砂子在大自然界中几乎 是取之不尽、用之不竭的。因此其潜在价格是十分低廉的。 6 第二章第二章第二章第二章 光纤与光缆光纤与光缆光纤与光缆光纤与光缆 §§§§2.1 光纤的构造光纤的构造光纤的构造光纤的构造 光纤呈园柱形，它由纤芯、包层与涂敷层三大部分组成，如图 2.1所示。 涂层 包层 纤芯 包层 涂层 n2 n1 n2 d1 d2 图 2.1 光纤的构造 1、纤芯、纤芯、纤芯、纤芯 纤芯位于光纤的中心部位（直径 d1约 9～50微米），其成份是高纯度的二 氧化硅，此外还掺有极少量的掺杂剂如二氧化锗，五氧化二磷等，掺有少量掺杂 剂的目的是适当提高纤芯的光折射率 (n1) 。 2、包层、包层、包层、包层 包层位于纤芯的周围（其直径 d2约 125微米），其成份也是含有极少量掺 杂剂的高纯度二氧化硅。而掺杂剂（如三氧化二硼）的作用则是适当降低包层的 光折射率 (n2) ，使之略低于纤芯的折射率。 3、涂敷层、涂敷层、涂敷层、涂敷层 光纤的最外层是由丙烯酸酯、硅橡胶和尼龙组成的涂敷层，其作用是增加光 纤的机械强度与可弯曲性。一般涂敷后的光纤外径约 1.5厘米。 7 §§§§2.2 光纤的分类光纤的分类光纤的分类光纤的分类 目前光纤的种类繁多，但就其分类方法而言大致有四种，即按光纤剖面折射 率分布分类，按传播模式分类、按工作波长分类和按套塑类型分类等。 此外按光纤的组成成份分类，除目前最常应用的石英光纤之外，还有含氟光 纤与塑料光纤等。 1、按折射率分布分类──阶跃光纤与渐变光纤、按折射率分布分类──阶跃光纤与渐变光纤、按折射率分布分类──阶跃光纤与渐变光纤、按折射率分布分类──阶跃光纤与渐变光纤 ① 阶跃光纤 所谓阶跃光纤是指：在纤芯与包层区域内，其折射率分布分别是均匀的，其 值分别为 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，如图 2.2所示。 r n1 n(r) n2 a1 a2 d1 d2 图 2.2 阶跃光纤的折射率分布 其折射率分布的表达式为： ( )n n nr = � � � 1 2 r a a r a ≤ < ≤ 1 1 2 阶跃光纤是早期光纤的结构方式，后来在多模光纤中逐渐被渐变光纤所取代 （因渐变光纤能大大降低多模光纤所特有的模式色散），但用它来解释光波在光 纤中的传播还是比较形象的。 而现在当单模光纤逐渐取代多模光纤成为当前光纤的主流产品时，阶跃光纤 结构又作为单模光纤的结构形式之一。 ② 渐变光纤 所谓渐变光纤是指：光纤轴心处的折射率最大（n1），而沿剖面径向的增加 时 时 8 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 n2 相等的数值；在包层区域中其折射率的分布是均匀 的即为 n2。如图 2.3所示。 r n1 n(r) n2 a1 d1 d2 a2 图 2.3 渐变光纤的折射率分布 n r a 1 1 2 1 2 − � � � � � �∆ r a≤ 1时 ( )n r = （2.1） n2 a r a1 2< ≤ 时 其中： n1为光纤轴心处的折射率 n2为包层区域折射率 a1为纤芯半径 ∆ = − ≈ −n n n n n n 1 2 2 2 1 2 1 2 12 称之为相对折射率差 至于渐变光纤的剖面折射率为何做如此分布，其主要原因是为了降低多模光 纤的模式色散，增加光纤的传输容量，详见§2.4部分。 2、按传播模式分类──多模光纤与单模光纤、按传播模式分类──多模光纤与单模光纤、按传播模式分类──多模光纤与单模光纤、按传播模式分类──多模光纤与单模光纤 传播模式概念 我们知道，光是一种频率极高（3×1014 赫兹）的电磁波，当它在波导── 光纤中传播时，根据波动光学理论和电磁场理论，需要用麦克斯韦式方程组来解 9 决其传播方面的问题。而通过繁琐地求解麦氏方程组之后就会发现，当光纤纤芯 的几何尺寸远大于光波波长时，光在光纤中会以几十种乃至几百种传播模式进行 传播，如 TMmn模、TEmn模、HEmn模等等（其中 m、n=0、1、2、3、……）。 其中 HE11模被称为基模，其余的皆称为高次模。 ① 多模光纤 当光纤的几何尺寸（主要是纤芯直径 d1）远远大于光波波长时（约 1微米）， 光纤中会存在着几十种乃至几百种传播模式。不同的传播模式会具有不同的传播 速度与相位，因此经过长距离的传输之后会产生时延，导致光脉冲变宽。这种现 象叫做光纤的模式色散（又叫模间色散）。 计算多模光纤中传播模式数量的经典公式为 N V= 1 4 2，其中 V 为归一化频 率。例如当 V=38时，多模光纤中会存在三百多种传播模式。 模式色散会使多模光纤的带宽变窄，降低了其传输容量，因此多模光纤仅适 用于较小容量的光纤通信。 多模光纤的折射率分布大都为抛物线分布即渐变折射率分布。其纤芯直径 d1，大约在 50微米左右。 ② 单模光纤 根据电磁场理论与求解麦氏方程组发现，当光纤的几何尺寸（主要是芯径） 可以与光波长相比拟时，如芯径 d1在 5～10微米范围，光纤只允许一种模式（基 模 HE11）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。 由于它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。 其实，准确地讲要实现单模传输，必须使光纤的诸参量满足一定的条件，即 其归一化频率 V ≤ 2.4048。 因为 V a NA= 2 1π λ 所以可以解得光纤的纤芯半径应满足下式才能实现单模传输： a NA1 12024 ≤ . λ π 其中： a1为纤芯半径 λ为光波波长 NA为光纤的数值孔径 例如，对于 NA=0.12 的光纤要在λ=1.3 微米以上实现单模传输时，光纤纤 芯的半径应为 10 a1 12024 13 012 4 2≤ × × = . . . . π 微米 即其纤芯直径 d1≤8.2微米方可。 由于单模光纤的纤芯直径非常细小，所以对其制造工艺提出了更苛刻的要 求。 3、按工作波长分类──短波长光纤与长波长光纤、按工作波长分类──短波长光纤与长波长光纤、按工作波长分类──短波长光纤与长波长光纤、按工作波长分类──短波长光纤与长波长光纤 ① 短波长光纤 在光纤通信发展的初期，人们使用的光波之波长在 0.6～0.9微米范围内（典 型值为 0.85 微米），习惯上把在此波长范围内呈现低衰耗的光纤称作短波长光 纤。短波长光纤属早期产品，目前很少采用。 ② 长波长光纤 后来随着研究工作的不断深入，人们发现在波长 1.31微米和 1.55微米附近， 石英光纤的衰耗急剧下降如图 2.4所示。不仅如此，而且在此波长范围内石英光 纤的材料色散也大大减小。因此人们的研究工作又迅速转移，并研制出在此波长 范围衰耗更低，带宽更宽的光纤，习惯上把工作在 1.0～2.0微米波长范围的光纤 称之为长波长光纤。 长波长光纤因具有衰耗低、带宽宽等优点，特别适用于长距离、大容量的光 纤通信。 1.551.31 波长 衰耗 图 2.4 石英光纤的衰耗谱线 4、按套塑类型分类──紧套光纤与松套光纤、按套塑类型分类──紧套光纤与松套光纤、按套塑类型分类──紧套光纤与松套光纤、按套塑类型分类──紧套光纤与松套光纤 ① 紧套光纤 11 所谓紧套光纤是指二次、三次涂敷层与予涂敷层及光纤的纤芯，包层等紧密 地结合在一起的光纤。目前此类光纤居多。 未经套塑的光纤，其衰耗──温度特性本是十分优良的，但经过套塑之后其 温度特性下降。这是因为套塑材料的膨胀系数比石英高得多，在低温时收缩较厉 害，压迫光纤发生微弯曲，增加了光纤的衰耗。 ② 松套光纤 所谓松套光纤是指，经过予涂敷后的光纤松散地放置在一塑料管之内，不再 进行二次、三次涂敷。 松套光纤的制造工艺简单，其衰耗──温度特性与机械性能也比紧套光纤 好，因此越来越受到人们的重视。 §§§§2.3 光纤的导光原理光纤的导光原理光纤的导光原理光纤的导光原理 光是一种频率极高的电磁波，而光纤本身是一种介质波导，因此光在光纤中 的传输理论是十分复杂的。要想全面地了解它，需要应用电磁场理论、波动光学 理论、甚至量子场论方面的知识。但作为一个光纤通信系统工作者，无需对光纤 的传输理论进行深入探讨与学习。 为了便于理解，我们从几何光学的角度来讨论光纤的导光原理，这样会更加 直观、形象、易懂。更何况对于多模光纤而言，由于其几何尺寸远远大于光波波 长，所以可把光波看作成为一条光线来处理，这正是几何光学的处理问题的基本 出发点。 1、全反射原理、全反射原理、全反射原理、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。 折射光 反射光入射光 θ1θ1 θ2包层 n2 纤芯 n1 12 图 2.5 光的反射与折射 根据光的反射定律，反射角等于入射角。 根据光的折射定律： n Sin n Sin1 2 2 2θ θ= （2.2） 其中 n1为纤芯的折射率，n2为包层的折射率。 显然，若 n1>n2，则会有θ2>θ1。如果 n1与 n2的比值增大到一定程度，则 会使折射角θ2≥90°，此时的折射光线不再进入包层，而会在纤芯与包层的分 界面上掠过（θ2=90°时），或者重返回到纤芯中进行传播（θ2>90°时）。这 种现象叫做光的全反射现象，如图 2.6所示。 折射光 入射光 θk θ2=90° n2 n1 图 2.6 光的全反射现象 人们把对应于折射角θ2等于 90°的入射角叫做临界角。很容易可以得到临 界角θK Sin n n = −1 2 1 。 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。 2、光在阶跃光纤中的传播、光在阶跃光纤中的传播、光在阶跃光纤中的传播、光在阶跃光纤中的传播 传播轨迹 了解了光的全反射原理之后，不难画出光在阶跃光纤中的传播轨迹，即按 “之”之形传播及沿纤芯与包层的分界面掠过，如图 2.7所示。 13 θ1 θ3 θc n2 n1 图 2.7 光在阶跃光纤中的传播轨迹 数值孔径 NA 通常人们希望用入射光与光纤顶端面的夹角θc 来衡量光纤接收光的能力， 于是产生了光纤数值孔径 NA的概念。 因为光在空气的折射率 n。=1，于是多次应用光的折射定律可得： n Sin n Sinc0 1 3θ θ= ( )= °−n Sin1 190 θ 为保证光在光纤中的全反射，则应有θ θ1 = K，且 Sin n nK θ = 2 1 于是有 ( )Sin n SinC Kθ θ= °−1 90 = n K1 cosθ = − � � � � � �n n n1 2 1 2 1 = −n n1 2 2 2 = − • n n n n1 2 2 2 1 2 1 2 2 2 = n1 2∆ = NA （2.3） 其中，相对折射率差: △= −n n n 1 2 2 2 1 22 ≈ −n n n 1 2 1 （2.4） 因此，阶跃光纤数值孔径 NA的物理意义是：能使光在光纤内以全反射形式 进行传播的接收角θc之正弦值。 需要注意的是，光纤的 NA并非越大越好。NA越大，虽然光纤接收光的能 14 力越强，但光纤的模式色散也越厉害。因为 NA越大，则其相对折射率差Δ也就 越大（见 2.3式），以后就会知道，Δ值较大的光纤的模式色散也越大，从而使 光纤的传输容量变小。因此 NA 取值的大小要兼顾光纤接收光的能力和模式色 散。CCITT建议光纤的 NA=0.18～0.23。 3、光在渐变光纤中的传播、光在渐变光纤中的传播、光在渐变光纤中的传播、光在渐变光纤中的传播 ① 定性解释 由图 2.3 和（2.1）式知道，渐变光纤的折射率分布是在光纤的轴心处最大， 而沿剖面径向的增加而折射率逐渐变小。采用这种分布规律是有其理论根据的。 假设光纤是由许多同轴的均匀层组成，且其折射率由轴心向外逐渐变小，如 图 2.8所示。 n2 n15 n14 n13 n12 n11 n1 图 2.8 光在渐变光纤中传播的定性解释 即 n1>n11>n12>n13……>n2 由折射定律知，若 n1>n2，则有θ2>θ1。这样光在每二层的分界面皆会产 生折射现象。由于外层总比内层的折射率要小一些，所以每经过一个分界面，光 线向轴心方向的弯曲就厉害一些，就这样一直到了纤芯与包层的分界面。而在分 界面又产生全反射现象，全反射的光沿纤芯与包层的分界面向前传播，而反射光 则又逐层逐层地折射回光纤纤芯。就这样完成了一个传输全过程，使光线基本上 局限在纤芯内进行传播，其传播轨迹类似于由许多许多线段组成的正弦波。 ② 传播轨迹 再进一步设想，如果光纤不是由一些离散的均匀层组成，而是由无穷多个同 轴均匀层组成。换句话讲，光纤剖面的折射率随径向增加而连续变化，且遵从抛 15 物线变化规律，那么光在纤芯的传播轨迹就不会呈折线状，而是连续变化形状。 理论上可以证明，若渐变光纤的折射率，分布遵从（2.1）式，则光在其中 的传播轨迹为： γ ( )z ASin a Z= + � � � � � � 2 1 ∆ Φ （2.5） 其中 A为正弦曲线振幅，待定常数 a1为纤芯半径 Δ为相对折射率差 Φ为初始相位，待定常数 于是以不同角度入射的光线族皆以正弦曲线轨迹在光纤中传播，且近似成聚 焦状，如图 2.9所示。 n2 n1 图 2.9 光在渐变光纤中的传播轨迹 4、光在单模光纤中的传播、光在单模光纤中的传播、光在单模光纤中的传播、光在单模光纤中的传播 光在单模光纤中的传播轨迹，简单地讲是以平行于光纤轴线的形式以直线方 式传播，如图 2.10所示。 n2 n1 n2 图 2.10 光在单模光纤中的传播轨迹 这是因为在单模光纤中仅以一种模式（基模）进行传播，而高次模全部截止， 不存在模式色散。平行于光轴直线传播的光线代表传播中的基模。 16 §§§§2.4 光纤的特性与参数光纤的特性与参数光纤的特性与参数光纤的特性与参数 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。受篇幅所限我们仅简单介绍几个富有代表性的典型参数。 1、多模光纤的特性参数、多模光纤的特性参数、多模光纤的特性参数、多模光纤的特性参数 ① 衰耗系数 a 衰耗系数是多模光纤最重要的特性参数之一（另一个是带宽系数）。因为在 很大程度上决定了多模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： a p P i O = 10lg (dB/km) （2.6） 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 P P i O = =10 20 3. 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公里的光纤的衰耗值为 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： 杂质吸收 吸收衰耗 本征吸收 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（微弯曲衰耗等） 其中最主要的是杂质吸收所引起的衰耗。在光纤材料中的杂质如氢氧根离 子、过渡金属离子（铜、铁、铬等）对光的吸收能力极强，它们是产生光纤衰耗 17 的主要因素。因此要想获得低衰耗光纤，必须对制造光纤用的原材料二氧化硅等 进行十分严格的化学提纯，使其杂质的含量降到几个 PPb以下。 ② 光纤的色散与带宽 色散 当一个光脉冲从光纤输入，经过一段长度的光纤传输之后，其输出端的光脉 冲会变宽，甚至有了明显的失真。这说明光纤对光脉冲有展宽作用，即光纤存在 着色散（色散是沿用了光学中的名词）。 光纤的色散是引起光纤带宽变窄的主要原因，而光纤带宽变窄则会限制光纤 的传输容量。 光纤的色散可以分为三部分即模式色散、材料色散与波导色散。 模式色散Δτm 因为光在多模光纤中传输时会存在着许多种传播模式，而每种传播模式具有 不同的传播速度与相位，因此虽然在输入端同时输入光脉冲信号，但到达到接收 端的时间却不同，于是产生了脉冲展宽现象。 可以证明，对阶跃光纤而言其模式色散引起的脉冲展宽为 ∆ ∆τm n c = 1 (s/km) （2.7） 对于渐变光纤而言 ∆ ∆τm n c = 1 2 2 (s/km) （2.8） 其中 n1为光纤轴心处的折射率 C为光在真空中的传播速度，C=3×105 km/s Δ为光纤的相对折射率差 例如，某阶跃光纤 n1=1.5，Δ=0.01则Δτm=50ns/km。 再如，某渐变光纤 n1=1.5，Δ=0.01，则可求得Δτm=0.25ns/km。 可见渐变光纤的模式色散要比阶跃光纤小得多。 材料色散Δτλ 所谓材料色散是指组成光纤的材料即二氧化硅本身所产生的色散。可以证明 其表达式为 Δτλ=δλ·m(λ)·L （2.9） 其中 δλ为光源的谱线宽度(nm) L为光纤的长度(km) m(λ)为石英光纤的材料色散系数(s/km·nm)。对石英光纤而言在光波长λ 18 =0.85μm处；m(λ)=85ps/km·nm；在光波长λ=1.31μm处，m(λ)=0.15ps/km·nm。 对多模光纤而言，由于其模式色散比较严重，而且其数值也较大，所以其材 料色散不占主导地位。但对单模光纤而言，由于其模式色散为零，所以其材料色 散占主要地位。 波导色散Δτw 所谓波导色散是指由光纤的波导结构所引起的色散。对多模光纤而言，其波 导色散的影响甚小。 多模光纤的总色散所引起的脉冲展宽可由下式计算 Δτ τ τ τλT m w= + + 2 2 2 （2.10） 带宽系数 Bc 通过实验我们发现，如果保证光纤的输入光功率信号大小不变，随着调制光 功率信号的调制频率的增加，光纤的输出光功率信号也会逐渐下降。这说明光纤 也存在着象电缆一样的带宽系数，即对调制光功率信号的调制频率有一定的响应 特性。 带宽系数的定义为：一公里长的光纤，其输出光功率信号下降到其最大值（直 流光输入时的输出光功率值）的一半时，此时光功率信号的调制频率就叫做光纤 的带宽系数。如图 2.11所示。 P 调制频率f 1.0 0.5 Bc 0 图 2.11 光纤的带宽系数 需要注意的是，由于光信号是以光功率来度量的，所以其带宽又称为 3dB 光带宽。即光功率信号衰减 3dB 时意味着输出光功率信号减少一半。而一般的 电缆之带宽称为 6dB电带宽，因为输出电信号是以电压或电流来度量的。 引起光纤带宽变窄的主要原因是光纤的色散。 对于多模光纤而言，因为其模式色散占统治地位（材料色散与波导色散的大 19 小可以忽略不计），所以其带宽又称模式色散带宽，或称模时变带宽。对单模光 纤而言，由于其模式色散为零，所以材料色散与波导色散占主要地位。注意，单 模光纤没有带宽系数的概念，仅有色散系数的概念。 对多模光纤而言，其带宽与色散的关系可近似地表达为 Bc T ≈ 0 4413. ∆τ ≈ 0 4413. ∆τm (MHz·km) （2.11） 光纤的带宽距离指数γ: 实验证明，长度为 L公里的光纤之模畸变带宽为 B Bc LL = γ (MHz) （2.12） 其中γ叫做光纤的带宽距离指数。对多模光纤而言，γ=0.5～0.9。 显然，与光纤的衰耗不同，光纤的带宽和其长度呈非线性关系。 当不同带宽系数的光纤互相连接在一起，其总的模畸变带宽可用下式求得： B L B L B L C C = + + � � � � � � � � − 1 1 1 2 1 1 γ γ γ …… （2.13） 例如，有两段光纤分别为 L1= 2km，Bc1= 800MHz·km；L2=3 km， Bc2=500MHz·km。 其连接后的总带宽为 BL = + � � � � � � � � − 2 800 3 500 1 0 5 1 0 5 0 5 . . . =257MHz 根均方带宽σf 带宽系数 Bc是在频域范围内描述光纤传输特性的重要参数，实际上它演用 了模拟通信的概念，在数字光纤通信中的实际意义并不大。在时域范围内，人们 经常使用根均方带宽σf来描述光纤的传输特性。 一方面在实际工作中人们在时域内进行测量比在频域内测量更加方便可 行；另一方面光纤的根均方带宽σf 与数字光纤通信理论有着更密切的关系，因 为它能直接和其传输的光脉冲的根均方脉宽发生联系。而根均方脉宽不仅能确切 地描述光脉冲的特性，而且与光纤通信系统的传输中继距离密切相关，所以在光 纤通信的理论中经常用到它。 在时域范围内，光纤的冲击响应是一个高斯波形，如图 2.12所示。 光纤的根均方带宽的物理含义是：对应于光纤高斯形冲击响应最大函数值的 0.61倍时，自变量时间 t的数值。 20 它与光纤模畸变带宽的关系为 σ f LB 01874. (s) （2.14） h(t) t 1.0 0.61 σf 0 ③ 数值孔径 NA 我们已经对光纤的数值孔径进行了讨论，并推导出其表达式。数值孔径是多 模光纤的重要参数，它表征光纤端面接收光的能力，其取值的大小要兼顾光纤接 收光的能力和对模式色散的影响。CCITT 建议多模光纤的数值孔径取值范围为 0.18～0.23，其对应的光纤端面接收角θc=10°～13°。 此外，（2.3）式的数值孔径表达式是在阶跃光纤的条件下推导出来的，即 认为纤芯区域的折射率是均匀的。但多模光纤目前大多为渐变光纤，其纤芯区域 中的折射率是渐变的。所以对应于（2.3）式的数值孔径叫做最大理论数值孔径 NAt，而在实际中却最常使用强度有效数值孔径 NAe ，它们两者的关系为 NAt=1.05NAe （2.15） ④ 归一化频率 V 归一化频率是光纤的最重要的结构参数，它能表征光纤中传播模式的数量。 其表达式为： ν π λ＝ 2 1 1 2n a ∆ （2.16） = 2 1π λ a NAt 其中 λ为光波的波长(μm) n1 为纤芯区域中最大折射率，对阶跃光纤而言它为常数，对渐变光纤而言 它为轴心处的折射率。 a1为纤芯的半径(μm) Δ为光纤的相对折射率差 21 实际上 V是一个无量纲的参数。 其值的大小能决定光纤中传播模式的数量。 理论上可以证明，对于阶跃光纤而言其传播模式的数量为 N V= 1 2 2，对于渐 变光纤而言则为 N V= 1 4 2。 此外，由归一化频率 V值的大小还可以初步确定是否能实现单模传输。若 V 值小于归一化截止频率 Vc（2.4048），则可以实现单模传输。 2、单模光纤的特性参数、单模光纤的特性参数、单模光纤的特性参数、单模光纤的特性参数 ① 衰耗系数 a 其规定与物理含义与多模光纤完全相同，在此不多叙述。 ② 色散系数 D(λ) 我们已经知道，光纤的色散可以分为三大部分即模式色散、材料色散与波导 色散。而对于单模光纤而言，由于实现了单模传输所以不存在模式色散的问题， 故其色散主要表现为材料色散与波导色散（统称模内色散）。 综合考虑单模光纤的材料色散与波导色散，统称色散系数。 色散系数可以这样理解：每公里的光纤由于单位谱宽所引起的脉冲展宽值。 因此，L公里光纤由色散引起的脉冲展宽值为： σ=δλ·D（λ）·L （2.17） 其中：δλ为光源谱宽 σ为根均方展宽值 色散系数越小越好。光纤的色散系数越小，就意味着其带宽系数越大即传输 容量越大。例如 CCITT 建议在波长 1.31 微米处单模光纤的色散系数应小于 3.5ps/km.nm。经过计算，其带宽系数在 25000MHz·km以上，是多模光纤的 60 多倍（多模光纤的带宽系数一般在 1000MHz·km以下）。 ③ 模场直径 d 模场直径表征单模光纤集中光能量的程度。 由于单模光纤中只有基模在进行传输，因此粗略地讲，模场直径就是在单模 光纤的接收端面上基模光斑的直径（实际上基模光斑并没有明显的边界）。 为了直观和便于理解，模场直径可近似地表达为： d NAt ≈ 2 2 π λ （μm） （2.18） 其中 λ为光波波长(μm) 22 NAt为单模光纤的最大理论数值孔径。 例如：某一单模光纤参数为 n1=1.45，Δ=0.0036 则其最大理论数值孔径可求 NA nt = = × =1 2 145 2 0 0036 012∆ . . .× 当它工作在 =1.31微米时，其模场直径为 d NAt = 2 2 π λ = × = 2 2 131 012 9 8 . . . π 微米 可以极其粗略地认为（很不严格的说法），模场直径 d和单模光纤的纤芯直 径相近。 ④ 截止波长λc 我们知道，当光纤的归一化频率 V小于其归一化截止频率 Vc时，才能实现 单模传输，即在光纤中仅有基模在传输，其余的高次模全部截止。由归一化频率 的表达式(2.16)可得 2 1 1 2 π λ n a Vc∆ ≤ 由上式可以得出 λ πc Vc a NAt≥ 2 1 （2.19） 也就是说，除了光纤的参量如纤芯半径，数值孔径必须满足一定条件外，要 实现单模传输还必须使光波波长大于某个数值，即λ≥λc，这个数值就叫做单 模光纤的截止波长。 因此，截止波长λc的含义是，能使光纤实现单模传输的最小工作光波波长。 也就是说，尽管其它条件皆满足，但如果光波波长不大于单模光纤的截止波长， 仍不可能实现单模传输。 以上我们简单介绍了多模光纤与单模光纤几项重要的特性参数，尽管光纤的 特性参数很多，但作为一个系统工作者能了解上述特性参数就已经足够了。 §§§§2.5 光缆简介光缆简介光缆简介光缆简介 光缆设计的任务是，为光纤提供可靠的机械保护，使之适应外部使用环境， 并确保在敷设与使用过程中光缆中的光纤具有稳定可靠的传输性能。 光缆的制造技术与电缆是不一样的。光纤虽有一定的强度和抗张能力，但经 不起过大的侧压力与拉伸力；光纤在短期内接触水是没有问题的，但若长期处在 23 多水的环境下会使光纤内的氢氧根离子增多，会增大光纤的衰耗。因此制造光缆 不仅要保证光纤在长期使用过程中机械物理性能，而且还要注意其防水防潮性 能。 从一九七 O年到现在，光缆的结构也经历了多次变迁。 在光纤通信初期，多采用紧套光纤的层绞式结构，它是从电缆的结构演变而 来。但由于光纤直接绕在光缆中的加强芯上，所以难以保证在其施工与使用过程 中不受外部侧压力与内部应力的影响。后来光缆发展到骨架式结构光缆，即把紧 套光纤绕在处光缆中心部位的骨架上。由于具有骨架的保证使光纤的环境优于层 绞式结构光缆。第三类光缆结构是松套光纤的层绞式结构，即把经过予涂敷的光 纤松散的放在由聚丙烯或尼龙制成的松套管之中，松套管内填充石油膏等。由于 光纤在松套管内可以松散地活动，所以可以免受内部应力与外部侧压力的影响。 第四类光缆结构是近期发展起来的束管式光缆，即把光纤束放在外壁比松套管更 加坚硬的管子中，光纤束位于光缆的中心部位，而光缆的加强芯则移到外护层之 中。 目前，光缆可以适用于各种不同的使用环境，如架空光缆，直埋式光缆、铠 装光缆、海底光缆、阻燃光缆等等。 总之，伴随光纤通信技术的不断发展，光缆的设计与制造技术也在日益取得 进展。 24 第三章第三章第三章第三章 光源器件与光发送机光源器件与光发送机光源器件与光发送机光源器件与光发送机 §§§§3.1 光纤通信对光源器件的要求光纤通信对光源器件的要求光纤通信对光源器件的要求光纤通信对光源器件的要求 我们知道，所谓光纤通信就是用低衰耗光纤来传输携带通信信息的光波，但 并非所有的光都能用于光纤通信。人们希望用相于性好的激光作为携带通信信息 的载体，因为它具有频率一致性好，相位差恒定，方向性强等优点。 自从一九六０年梅曼发明了世界上第一只激光器（红宝石）以来，激光技术 取得了突飞猛进的发展，并在各个领域尤其是工业领域取得了广泛的应用。但截 止到一九七０年以前，世界上生产的激光器都不能用于光纤通信，这是因为大多 数激光器体积庞大，而且不能连续波工作。而通信是要求长期连续不间断地工 作。只有在一九七０年美国贝尔实验室研制出能在室温下连续波工作的世界上第 一只 GaAsAl激光器，才为光纤通信找到了合适的光源。 光纤通信对光源器件的要求是： 1、发射光波长适中、发射光波长适中、发射光波长适中、发射光波长适中 光源器件发射光波的波长，必须落在光纤呈现低衰耗的 0.85μm、1.31μm 和 1.55μm附近。 2、发射光功率足够大、发射光功率足够大、发射光功率足够大、发射光功率足够大 光源器件一定要能在室温下连续工作，而且其入纤光功率足够大，最少也应 有数百微瓦，当然达到一毫瓦以上(odBm)更好。在这里我们强调的是入纤光功率 而不指单纯的发光功率。因为只有进入光纤后的光功率才有实际意义，由于光纤 的几何尺寸极小（单模光纤的芯径不足 10 微米），所以要求光源器件要具有与 光纤较高的耦合效率。 3、温度特性好、温度特性好、温度特性好、温度特性好 光源器件的输出特性如发光波长与发射光功率大小等，一般来讲随温度变化 而变化，尤其是在较高温度下其性能容易劣化。在光纤通信的初期与中期，经常 需要对半导体激光器加致冷器和自动温控电路，而目前一些性能优良的激光器可 以不需要任何温度保护措施。 25 4、发光谱宽窄、发光谱宽窄、发光谱宽窄、发光谱宽窄 光源器件发射出来的光的谱线宽度应该越窄越好。因为若其谱线过宽，会增 大光纤的色散，减少了光纤的传输容量与传输距离（色散受限制时）。例如对于 长距离、大容量的光纤通信系统，其光源的谱线宽度 应该小于 2nm。 5、工作寿命长、工作寿命长、工作寿命长、工作寿命长 光纤通信要求其光源器件长期连续工作，因此光源器件的工作寿命越长越 好。光源器件寿命的终结并不是我们所想象的完全损坏，而是其发光功率降低到 初始值的一半或者其阈值电流增大到其初始值的二倍以上。 目前工作寿命近百万小时（约 100年）的半导体激光器已经商用化。 6、体积小重量轻、体积小重量轻、体积小重量轻、体积小重量轻 光源器件要安装在光发送机或光中继器内，为使这些设备小型化，光源器件 必须体积小、重量轻。 目前，光纤通信中经常使用的光源器件可以分为二大类，即发光二极管 （LED）和激光二极管（LD）。当然 LD又可以包括异质结激光二极管、分布反 馈型激光二极管和多量子阱式激光二极管等（就结构而言）。 §§§§3.2 发光二极管发光二极管发光二极管发光二极管 LED 1、、、、LED的发光机理的发光机理的发光机理的发光机理 半导体材料与其它材料（如金属与绝缘体）不同，它具有能带结构而不是能 级结构。半导体材料的能带分为导带、价带与禁带，电子从高能级范围的导带跃 迁到低能级范围的价带，会释放光子而发光。 LED是由 GaAsAl 类的 P 型材料和 N 型材料制成，在两种材料的交界处形 成了 PN结。若在其二端加上正偏置电压，则 N区中的电子与 P区中的空穴会流 向 PN 结区域并复合。复合时电子从高能级范围的导带跃迁到低能级范围的价 带，并释放出能量约等于禁带宽变 Eg（导带与价带之差）的光子，即发出莹光。 因为导带与价带本身的能级具有一定范围，所以电子跃迁释放出的光子之频 率不是一个单一数值而是有一定的范围，故 LED 是属于自发幅射发光，且其谱 线宽度较宽（较激光二极管而言）。 26 2、、、、LED的优点的优点的优点的优点 LED是光纤通信中应用非常广泛的光源器件之一，因为它具有以下优点： ① 线性度好 LED 发光功率的大小基本上与其中的工作电流成正比关系，也就是说 LED 具有良好的线性度。其发光特性曲线如图 3.1所示。 发生功率 P 工作电流 I0 图 3.1 LED的发光特性曲线 ② 温度特性好 所有的半导体器件对温度的变化都是比较敏感的，LED 自然不例外，其输 出光功率随着温度的升高而会降低。但相对于 LD而言，LED的温度特性是比较 好的，在温度变化 100°的范围内，其发光功率的降低不会超过 50％，因此在使 用时一般不需要加温控措施。 ③ 价格低、寿命长、使用简单 LED 是一种非阈值器件，所以使用时不需要进行予偏置，也不存在阈值电 流随温度及工作时间而变化的问题，故其使用非常简单。 此外，与 LD相比它价格低廉，工作寿命也较长。据报导工作寿命近千万小 时（107）的 LED已经问世。 3、、、、LED的缺点的缺点的缺点的缺点 ① 谱线较宽 由于 LED 的发光机理是自发幅射发光，它所发出的光是非相干光而是莹 光，所以其谱线较宽，一般在 30～100nm 范围，故难以用于大容量的光纤通信 之中。 27 ② 与光纤的耦合效率低 一般来讲，LED 可以发出几毫瓦的光功率，但这没有多大的实际意义。因 为我们关心是能输入到光纤中进行有效传输的光功率是多少而不是它的总发光 功率。 LED和光纤的耦合效率是比较低的，一般仅有 1％～2％，最多不超过 10%。 光源器件与光纤的耦合效率与下列因素有关：光源发光的幅射图形、光源出 光面积与纤芯面积之比以及两者之间的对准程度、距离等。 4、、、、LED的应用范围的应用范围的应用范围的应用范围 鉴于 LED 的谱线较宽，所以它难以用于大容量的光纤通信；鉴于它与光纤 的耦合效率较低，所以难以用于长距离的光纤通信。但因为其使用简单、价格低 廉，工作寿命长等优点，所以它广泛地应用在较小容量，较短距离的光纤通信之 中；而且由于其线性度甚佳，所以也常常用于对线性变要求较高的模拟光纤通信 之中。 §§§§3.3 激光二极管激光二极管激光二极管激光二极管 LD 1、、、、LD的发光机理的发光机理的发光机理的发光机理 LD 的发光机理是受激发光，即利用 LD 中的谐振腔发生振荡而激发出许许 多多的频率相同的光子，从而形成激光。 用半导体工艺技术在 PN结两侧加工出两个相互平行的反射镜面，这两个反 射镜面与原来的两个解理面（晶体的天然晶面）构成了谐振腔结构。当在 LD两 端加上正偏置电压时，象 LED 一样在 PN 结区域内因电子与空穴的复合而释放 光子。而其中的一部分光子沿着和反射镜面相垂直的方向运动时，会受到反射镜 面的反射作用在谐振腔内往复运动。只要外加正偏置电流足够大，光子的往复运 动会激射出更多的、与之频率相同的光子，即发生振荡现象，从而发出激光。此 之所谓受激发光。 2、、、、LD的优点的优点的优点的优点 ① 发光谱线窄 由于在谐振腔内因振荡而激射出来的光子，具有大小基本相同的频率，因此 LD所发出的光之谱线十分狭窄，仅有 1～5nm。从而大大降低了光纤的色散，增 大了光纤的传输带宽。故 LD能适用于大容量的光纤通信。 28 谈到光源的谱宽，有两种谱宽的定义，即根均方谱宽与半值谱宽（对多模激 光器而言）。 假设光源的谱宽服从高斯分布，如图 3.2所示。 所谓根均方谱宽δλrms，是指对应于幅度等于中心波长幅度的 0.61倍时的 谱线宽度。而所谓半值谱宽是指对应于中心波长幅度的一半时的谱线满宽度。 幅度 谱线宽度 1.0 0.61 δλrms0 δλ 12 图 3.2 光源器件的谱宽 可以证明它们两者具有以下关系： δλ1/2=2.35δλrms （3.1） ② 与光纤的耦合效率高 由于从谐振腔反射镜输出的光，其出光方向一致性好，发散角小，所以 LD 与光纤的耦合效率较高，一般用直接耦合方式就可达 20％以上。如果采用适当 的耦合措施可达 90％。由于耦合效率高，所以入纤光功率就比较大，故 LD适用 于长距离的光纤通信。 ③ 阈值器件 LD的发光特性曲线如图 3.3所示。 29 发生功率 工作电流 0 Ith 图 3.3 LD发光特性曲线 从图中可以看出，当 LD中的工作电流低于其阈值电流 Ith时，LD仅能发出 极微弱的非相干光（莹光），这相当于 LD中的谐振腔并未产生振荡。而 LD中 的工作电流大于阈值电流 Ith时，它会发出谱线狭窄的激光，这相当于形成了粒 子数反转分布（产生激光的必要条件），谐振腔产生了振荡现象。 由于 LD是一个阈值器件，所以在实际使用时必须对之进行予偏置。即予先 赋于 LD一个偏置电流 IB，其值略小于但接近于 LD的阈值电流，使其仅发出极 其微弱的莹光；一旦有调制信号输入，LD立即工作在能发出激光的区域，且其 发光曲线相当陡