第一部分光传输通信基本原理
第一章、光纤通信原理
第一节、光纤通信的概念
一、光纤通信的概念
光纤通信概念：利用光纤来传输携带信息的光波以达到通信的目的。

典型的光纤通信系统方框图如下：
模拟信息模拟信息
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/模转换，恢复成原来的信息。

就这样完成了一次通信的全过程。

其中光发送机的调制方式有两种：直接调制也称内调制（一般速率小于等于2.5GB/S时）；间接调制也称外调制（一般速率大于2.5GB/S时）。

二、光纤通信的特点
1、通信容量大
2、中继距离长
3、保密性能好
2、适应能力强
5、体积小、重量轻、便于施工和维护
6、原材料来源丰富，潜在的价格低廉
第二节、光纤的导光原理
一、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。

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 Sin 1222θθ=
（2.2）
其中n 1为纤芯的折射率，n 2为包层的折射率。

显然，若n 1>n 2，则会有θ2>θ1。

如果n 1与n 2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。

θ2=90
图：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。

第三节、光纤与光缆基本概念
一、光纤的结构
光纤呈圆柱形，由纤芯（直径约9-50um ）、包层（直径约125um ）与涂敷层（直径约1.5cm ）三大部分组成，如下图：
纤芯 n1包层 n2涂层
包层 n2涂层
纤芯主要采用高纯度的SiO2（二氧化硅），并掺有少量的掺杂剂，提高纤芯的光折射率n1；包层也是高纯度的二氧化硅，也掺杂一些掺杂剂，主要是降低包层的光折射率n2；涂敷层采用丙烯酸酯、硅橡胶、尼龙，增加机械强
度和可弯曲性。

二、光纤的分类方式
光纤有以下的分类方式：
1、按折射率分布分类
A、阶跃光纤SI
定义：在纤芯与包层区域内，折射率的分布分别是均匀的，其值分别是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。

其折射率分布的表达式为：
n1 r小于等于a1时
n(r)=
n2 r
式中：
n1为光纤纤芯区的折射率
n2为包层区的折射率
a1为纤芯半径
a2为包层半经
B、渐变光纤GI
定义：光纤蛛心处的折射率最大，但随横截面的增加而逐渐变小，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相等的数值；在包层区域中其折射率的分布是均匀的。

2、按传输的模式分类
多模光纤
定义：传输光波的模式不止一种。

多模光纤纤芯的几何尺寸远大于光波波长，一般在50um左右，光信号是以多个模式方式进行传播的，光信号的波长以主纵模为准。

不同的传播模式会具有不同的传播速度和相位，因此经过长距离的传播之后会产生时延，导致光脉冲变宽，叫做光纤的模式色散或模间色散。

由于模式色散影响较严重，降低了多模光纤的传输容量和距离，多模光纤仅用于较小容量、短距离的光纤传输通信。

●单模光纤
定义：传输光波的模式只有一种。

（目前主用）
当光纤的几何尺寸可以于光波长相比拟时，即纤芯的几何尺寸与光信号波长相差不大时，一般为5~10um，光纤只允许一种模式在其中传播，其余的高次模全部截止，这样的光纤叫做单模光纤。

单模光纤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。

对于单模光纤，由于光纤的几何尺寸小，使V的值小于2.2028，这样N的值就为1，只有一种模式
3、按工作波长分类
●短波长光纤
定义：习惯上把波长在600-900nm范围内呈现低衰耗光纤称做短波长光纤。

●长波长光纤
定义：习惯上把波长在1000-2000nm范围内的光纤称做短波长光纤。

2、套塑类型分类
A、紧套光纤
定义：指二次、三次涂敷层与予涂敷层及光纤的纤芯、包层等紧密的
结合在一起的光纤。

目前居多。

B、松套光纤
定义：指经过予涂敷层的光纤松散的放在一塑料管中，不再进行二次、三次涂敷。

三、光纤的种类以及应用状况
①、G.652光纤
1310nm性能最佳光纤(色散未移位光纤)。

它有二个波长工作区：1310nm与1550nm。

在1310nm波长：色散最小(未移位)，小于 3.5ps/nm.km；但损耗较大，为
0.3~0.4dB/km。

在1550nm波长：色散较大，为20ps/nm.km；但损耗很小，为0.15~0.25dB/km。

在我国占99﹪以上。

虽称1310nm性能最佳光纤，但绝大部分却用于1550nm，其原因是在1310nm无实用化光放大器。

它可会传输2.5G或以2.5G为基群的WDM系统；但传输TDM的10G ，面临色散受限的难题(色度色散与PMD)。

②、G.653光纤
1550nm性能最佳光纤(色散移位光纤)。

它主要用于1550nm波长工作区。

在1550nm波长，色散较小(色散移位)，为 3.5ps/nm.km；损耗也很小，为
0.15~0.25dB/km。

但它不能用于WDM方式，因会出现四波混频效应(FWM)。

③、G.654光纤
1550nm损耗最小光纤。

它主要用于1550nm波长工作区，其损耗为
0.15~0.19dB/km；主要用于海缆通信。

④、G.655光纤
它是为克服G.653光纤的FWM效应而设计的新型光纤。

其性能与G.653光纤类似，但既能用于WDM，又能传输TDM方式的10G。

理想情况：
A）、低色散：2~10ps/nm.km；
B)、色散斜率小于0.05ps/nm².km，便于色散补偿；
C)、大的有效面积，可避免出现非线性效应。

目前，G.655光纤尚无国际统一规范。

---大的有效面积，会有效地避免非线性效应，但将导致色散斜的增加。

---小的色散斜率将会便于色散的补偿；但其有效面积却减小。

四、光缆结构
层绞式、骨架式、束管式、带状式
第四节、光纤的特性与参数
一、光纤的三大特性
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。

二、光纤的衰耗 ①
衰耗系数a
衰耗系数是光纤最重要的特性参数之一。

因为在很大程度上决定了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
P i 为输入光功率值（瓦特） P O 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
==10203. 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 。

② 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：
本征吸收
吸收衰耗：
杂质吸收
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）
本征吸收：
定义：构成光纤材料本身所固有的吸收作用。

纯二氧化硅对光的吸收作用所引起的光纤衰耗是比较小，在600-900NM波长范围稍大，但小于1dB/km,而在1000-1800波长范围，几乎为零。

杂质吸收:
光纤中的杂质对光的吸收作用，是造成光纤衰耗的主要原因。

光纤中的杂质大致可以分为二大类，即过渡金属离子与氢氧根离子。

过渡金属离子包括铜、铁、铬、钴、锰、镍离子等，这些离子在光的作用下会发生震动而吸收光能量；每种离子都有自己的吸收峰波长，上述过渡金属离子的吸收峰波长都落在600~1800nm波长范围。

氢氧根离子对光的吸收峰波长落在1000~1800nm波长范围；因此在此波长范围氢氧根离子的含量多少对光纤的衰耗具有重大影响。

散射衰耗:。