光纖的發(fā)展與應(yīng)用探究畢業(yè)論文

1、<p><b>　　畢業(yè)設(shè)計（論文）</b></p><p>　　專 業(yè) 通信工程 </p><p>　　班 次 </p><p>　　姓 名 </p><p>　　指導(dǎo)老師

2、 </p><p><b>　　二0一二年 </b></p><p>　　光纖通信的發(fā)展與應(yīng)用探究</p><p>　　[摘要]：光纖是通信網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)良傳輸介質(zhì),光纖通信是以很高頻率(1014Hz 數(shù)量級)的光波作為載波,以光纖作為傳輸介質(zhì)的通信,光纖通信的問世使高速率、大容量的通信成為可能,目前它已成為最主要的信息傳輸技術(shù)。但在常規(guī)的線

3、性光纖通信系統(tǒng)中，光纖損耗和色散是限制其傳輸容量和距離的主要因素。由于光纖制作工藝的不斷提高，光纖損耗已接近理論極限，因此光纖色散已成為實現(xiàn)超大容量、超長距離光纖通信的“瓶頸”，亟待解決。人們用了很長的時間來探討，發(fā)現(xiàn)由光纖非線性效應(yīng)所產(chǎn)生的光孤子可以抵消光纖色散的作用，利用光孤子進行通信，可以很好解決這個問題，從而形成了新一代光纖通信系統(tǒng)，也是21世紀最有發(fā)展前途的通信方式。本文主要介紹光纖通信、光孤子通信和光纖入戶是否合理以及解決的

4、方案。</p><p>　　[關(guān)鍵詞] 光纖通信；光孤子通信；光纖入戶；解決方案；光纖入戶的合理性</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　第1章 緒論1</b></p><p>　　1.1 研究意義1</p><p>　　1.2

5、國內(nèi)外現(xiàn)狀1</p><p>　　1.3 研究目標與內(nèi)容2</p><p>　　第2章 光纖通信簡介3</p><p>　　2.1 光纖通信簡介3</p><p>　　2.2 光纖分類3</p><p>　　2.2.1按照制造光纖所用的材料分3</p><p>　　2.2.2按光在

6、光纖中的傳輸模式分3</p><p>　　2.2.3按最佳傳輸頻率窗口分4</p><p>　　2.2.4按折射率分布情況分4</p><p>　　2.2.5按光在光波的工作波長分5</p><p>　　第3章 光纖通信的特點和光孤子通信6</p><p>　　3.1 使用光纖通信的優(yōu)點6</p&g

7、t;<p>　　3.1.1頻帶極寬，通信容量大6</p><p>　　3.1.2損耗低，中繼距離長6</p><p>　　3.1.3抗電磁干擾能力強6</p><p>　　3.1.4無串音干擾，保密性好6</p><p>　　3.2 使用光纖通信的不足7</p><p>　　3.2.1光纖損耗

8、7</p><p>　　3.2.2光的色散7</p><p>　　3.3 光孤子通信7</p><p>　　3.3.1常規(guī)光纖通信發(fā)展的阻力7</p><p>　　3.3.2人們從自然界得到啟發(fā)8</p><p>　　3.3.3光孤子的概念8</p><p>　　3.3.4光孤子通信原

9、理9</p><p>　　3.3.5光孤子通信系統(tǒng)的基本組成9</p><p>　　3.3.6與普通線性光纖通信系統(tǒng)的不同10</p><p>　　3.3.7光孤子的發(fā)展10</p><p>　　3.3.8光孤子通信在美國和日本的實用化進程11</p><p>　　3.3.9中國光孤子通信的發(fā)展11<

10、/p><p>　　3.3.10光孤子通信的優(yōu)越性11</p><p>　　3.3.11光孤子通信的未來展望12</p><p>　　第4章 光纖通信系統(tǒng)的組成13</p><p>　　4.1 光發(fā)送機13</p><p>　　4.2 中繼器13</p><p><b>　　4.

11、3 光纖14</b></p><p>　　4.4 光接收機14</p><p>　　第5章 光纖通信的原理15</p><p>　　5.1 全反射原理15</p><p>　　5.2 光在階躍光纖中的傳播16</p><p>　　5.3 光在漸變光纖中的傳播17</p><

12、p>　　5.4 光在單模光纖中的傳播18</p><p>　　第6章 光纖通信的發(fā)展歷程19</p><p>　　6.1 光纖通信的雛形19</p><p>　　6.2 光纖通信的早期19</p><p>　　6.3 光纖通信的發(fā)展里程碑19</p><p>　　6.4 光纖通信發(fā)展的實質(zhì)性突破19

13、</p><p>　　6.5 光纖通信爆炸性發(fā)展20</p><p>　　6.5.1從光器件看20</p><p>　　6.5.2從光纖的損耗看20</p><p>　　6.5.3從光纖通信系統(tǒng)看20</p><p>　　第7章 光纖通信的應(yīng)用領(lǐng)域22</p><p>　　7.1 光

14、纖入戶22</p><p>　　7.1.1光纖入戶簡介22</p><p>　　7.1.2光纖入戶是否合理22</p><p>　　7.1.3光纖入戶的解決方案—塑料光纖24</p><p>　　7.1 光纖通信主要應(yīng)用28</p><p>　　第8章 光纖通信的未來發(fā)展趨勢29</p>&

15、lt;p>　　8.1 傳輸體制從準同步體系向同步數(shù)字體系過渡29</p><p>　　8.2 單波長通道向多波長通道過渡29</p><p>　　8.2.1已敷設(shè)的單模光纖（即G.652光纖）可用各種色散調(diào)節(jié)技術(shù)29</p><p>　　8.2.2新敷光纖采用色散移位光纖（即G.653光纖）29</p><p>　　8.2.3新

16、型的非零色散光纖（即G.655光纖）29</p><p>　　8.3 用戶網(wǎng)的光纖化30</p><p>　　8.4 電交換節(jié)點將為光交換節(jié)點取代30</p><p>　　8.5 相干光通信將普及30</p><p>　　8.6 孤子通信與全光系統(tǒng)30</p><p><b>　　結(jié)語31<

17、/b></p><p><b>　　致謝32</b></p><p><b>　　參考文獻33</b></p><p><b>　　第1章 緒論</b></p><p><b>　　·1.1 研究意義</b></p>&

18、lt;p>　　自上世紀光纖通信技術(shù)在全球問世以來，整個信息通信領(lǐng)域發(fā)生了本質(zhì)的、革命性的變革。目前，在實際運用中相當(dāng)有前途的通信技術(shù)之一，即光纖通信技術(shù)已成為現(xiàn)代化通信非常重要的支柱。作為全球新一代信息技術(shù)革命的重要標志之一，光纖通信技術(shù)已經(jīng)變?yōu)楫?dāng)今信息社會中各種多樣且復(fù)雜的信息的主要傳輸媒介，并深刻的、廣泛的改變了信息網(wǎng)架構(gòu)的整體面貌，以現(xiàn)代信息社會最堅實的通信基礎(chǔ)的身份，向世人展現(xiàn)了其無限美好的發(fā)展前景。光纖通信技術(shù)以光波作為

19、信息傳輸?shù)妮d體，以光纖作為信息傳輸媒介。因其信息傳輸頻帶較寬，所以它有很多優(yōu)點:通信速率較高和容量大，且損耗低、體積小、重量輕，還有抗電磁干擾和不易串音等一系列優(yōu)點，從而備受通信專業(yè)人士青睞，發(fā)展時分快。因此作為剛剛畢業(yè)的大學(xué)生，對即將從事通信行業(yè)的我們來說，研究光纖通信技術(shù)的現(xiàn)狀及其前景具有很重要意義。</p><p>　　·1.2 國內(nèi)外現(xiàn)狀</p><p>　　國內(nèi)：我國光

20、纖通信的研究開發(fā)與國外幾乎同時起步，1978年被全國科學(xué)大會列為國家重點科研項目，次年9月在上海裝試光纖局間中繼線， 僅此世界第一條光纖中繼線晚3年，到80年代前期，擴大到北京、武漢等十幾個城市，均為試驗性質(zhì)。 由于我國市話主要是模擬交換，用數(shù)字傳輸效益不明顯，故發(fā)展不快，“六五”和“七五”期間，國家通信干線網(wǎng)分別敷設(shè)331.5km和7310.5km的光纖；“八五”期間建成 3.7萬km的一級光纖干線，加上二級干線，達10萬km以上。

21、“九五”期間還將新建總長度為28萬km的各類光纜，其中17條一級干線光纜2.2萬km， 由于速率的提高與芯數(shù)的增多，傳輸容量將有很大提高。這將使我國很快形成一個以光纖為骨干、干線傳輸能力和長途電話接通率大大提高并保證國際電活暢通無阻的通信網(wǎng)?？梢灶A(yù)料，在下世紀初，我國能源、交通，公安、金融、國防、CATV等局部網(wǎng)和專用網(wǎng)也將逐步實現(xiàn)光纖化。</p><p>　　展望國際光纖通信的發(fā)展并結(jié)合我國的國情，我們認為：從

22、光纖通信技術(shù)來說，我國干線光纜網(wǎng)的科研和應(yīng)用開發(fā)的重點應(yīng)放在波分復(fù)用，摻鉺光纖放大器，光同步數(shù)字體系（SDH）與數(shù)字交叉連接（DXC）技術(shù)的發(fā)展及推廣應(yīng)用上； 從本地用戶光纜網(wǎng)來看，現(xiàn)階段應(yīng)重點發(fā)展用戶光纖環(huán)路（FITL）和同CATV有關(guān)的技術(shù)，并積極開展對異步傳輸模式（ATM）的本地用戶光纖通信系統(tǒng)的研究；從海底光纜網(wǎng)來看，它是將來組成我國沿海光纜網(wǎng)絡(luò)和全球光纜網(wǎng)的必要技術(shù)，對海底光纜通信技術(shù)開展研究將對我國的光電集成電路技術(shù)、光放大

23、和波分復(fù)用技術(shù)、光弧子通信技術(shù)的發(fā)展起重要的促進作用，為縮小我國通信技術(shù)與國際水平的差距、建成四通八達并具有巨大社會經(jīng)濟效益的現(xiàn)代化通信網(wǎng)而創(chuàng)造良好的條件。</p><p>　　國外：早期60年代中期，C.K.Kao和Hockham就開創(chuàng)性地預(yù)見到利用玻璃能制成損耗為 20db/km的光纖。1970年，美國率先將這一預(yù)見變?yōu)楝F(xiàn)實；1976年，世界上第一條試驗性光纖通信線路在美國敷設(shè)成功。隨后，光纖通信又走過了商業(yè)

24、應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)規(guī)模的過程，成為現(xiàn)代通信的兩大支柱之一，其發(fā)展速度之快，對社會影響之深遠是高新技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)所罕見的。</p><p>　　在解決了實用技術(shù)和短途應(yīng)用之基礎(chǔ)上，1988年，日本率先開通了全日光纖通信干線；1989年，總投資6億美元，全長1330km的海底光纜工程的TPC─3/HAW─4 投入運行，它橫穿太平洋連接日、美與關(guān)島；1990年，合同金額3.5億美元的太平洋光纜鏈路完成，全長8396km，連接美、日

25、；1992年，東南亞幾個國家開始投資2.57 億美元興建光纜網(wǎng)。在此期間，英、德、法諸國也分別投入巨資興建了龐大的光纖通信和數(shù)字網(wǎng)。據(jù)美國KMI公司統(tǒng)計，到1994年，全球僅用于海底光纜的投資就高達113 億美元，建成海底光纜總長度為22.8萬話路公里，連接70個國家和地區(qū)；從1995 年到1998年，世界海底光纜敷設(shè)光纜長度26.4萬話路公里。</p><p>　　正是這些大型光纖工程的敷設(shè)和開通，人們預(yù)計到2

26、000年，光纖通信規(guī)模將達到2000--3000億話路公里(衛(wèi)星通信的4--5倍)；到2015年，多數(shù)發(fā)達國家的電信網(wǎng)將基本完成全國光纖化的進程，從而跨入全光纖網(wǎng)絡(luò)電信傳輸時代。</p><p>　　·1.3 研究目標與內(nèi)容</p><p>　　研究目標是光纖通信技術(shù)及光纖入戶的解決方案和光孤子通信的發(fā)展與展望。</p><p>　　主要內(nèi)容包括光纖通信的

27、介紹，包括光纖通信的分類、特點、原理、發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域以及光孤子通信；光纖入戶的綜合分析以及解決的辦法。</p><p>　　第2章 光纖通信簡介</p><p>　　·2.1 光纖通信簡介</p><p>　　光纖即光導(dǎo)纖維的簡稱。光纖通信是以光為載頻，以光導(dǎo)纖維為傳輸媒質(zhì)的一種通信方式。光纖與以往的銅導(dǎo)線相比，具有損耗低，頻帶寬，無電磁感應(yīng)等傳輸特點。

28、因此，人們希望將光纖作為靈活性強，經(jīng)濟的優(yōu)質(zhì)傳輸介質(zhì)，廣泛地應(yīng)用于數(shù)字傳輸方式和圖像通信方式中，這種通信方式在今后非話業(yè)務(wù)的發(fā)展中是不可缺少的。</p><p>　　由于光纖通信具有一系列優(yōu)異的特點，因此，光纖通信技術(shù)近幾年來發(fā)展速度之快，應(yīng)用面之廣是通信史上罕見的。可以說，這種新興技術(shù)，是世界新技術(shù)革命的重要標志。又是未來信息社會中各種信息網(wǎng)的主要傳輸工具。光纖與以往的銅導(dǎo)線相比，有本質(zhì)的區(qū)別，因此，在傳輸理論

29、，制造技術(shù)，連接方法，測試方法等方面，基本上都不能采用銅質(zhì)電纜的理論與方法。</p><p><b>　　·2.2 光纖分類</b></p><p>　　2.2.1 按制造光纖所用的材料分</p><p>　　石英系光纖、多組分玻璃光纖、塑料包層石英芯光纖、全塑料光纖和氟化物光纖</p><p>　　塑料光纖是

30、用高度透明的聚苯乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯（有機玻璃）制成的。它的特點是制造成本低廉，相對來說芯徑較大，與光源的耦合效率高，耦合進光纖的光功率大，使用方便。但由于損耗較大，帶寬較小，這種光纖只適用于短距離低速率通信，如短距離計算機網(wǎng)鏈路、船舶內(nèi)通信等。目前通信中普遍使用的是石英系光纖。</p><p>　　2.2.2 按光在光纖中的傳輸模式分</p><p><b>　　單模光纖和多

31、模光纖</b></p><p>　　多模光纖的纖芯直徑為50--62.5μm，包層外直徑125μm，單模光纖的纖芯直徑為8.3μm，包層外直徑125μm。光纖的工作波長有短波長0.85μm、長波長1.31μm和1.55μm。光纖損耗一般是隨波長加長而減小，0.85μm的損耗為2.5dBkm,1.31μm的損耗為0.35dBkm，1.55μm的損耗為0.20dBkm，這是光纖的最低損耗，波長1.65μm

32、以上的損耗趨向加大。由于OHˉ的吸收作用，0.90--1.30μm和1.34--1.52μm范圍內(nèi)都有損耗高峰，這兩個范圍未能充分利用。80年代起，傾向于多用單模光纖，而且先用長波長1.31μm。</p><p>　　多模光纖(Multi Mode Fiber)：中心玻璃芯較粗(50或62.5μm)，可傳多種模式的光。但其模間色散較大，這就限制了傳輸數(shù)字信號的頻率，而且隨距離的增加會更加嚴重。例如：600MBKM

33、的光纖在2KM時則只有300MB的帶寬了。因此，多模光纖傳輸?shù)木嚯x就比較近，一般只有幾公里。</p><p>　　單模光纖(Single Mode Fiber)：中心玻璃芯很細(芯徑一般為9或10μm)，只能傳一種模式的光。因此，其模間色散很小，適用于遠程通訊，但還存在著材料色散和波導(dǎo)色散，這樣單模光纖對光源的譜寬和穩(wěn)定性有較高的要求，即譜寬要窄，穩(wěn)定性要好。后來又發(fā)現(xiàn)在1.31μm波長處，單模光纖的材料色散和波

34、導(dǎo)色散一為正、一為負，大小也正好相等。這就是說在1.31μm波長處，單模光纖的總色散為零。從光纖的損耗特性來看，1.31μm處正好是光纖的一個低損耗窗口。這樣，1.31μm波長區(qū)就成了光纖通信的一個很理想的工作窗口，也是現(xiàn)在實用光纖通信系統(tǒng)的主要工作波段。1.31μm常規(guī)單模光纖的主要參數(shù)是由國際電信聯(lián)盟ITU－T在G.652建議中確定的，因此這種光纖又稱G.652光纖。</p><p>　　2.2.3按最佳傳輸

35、頻率窗口分</p><p>　　常規(guī)型單模光纖和色散位移型單模光纖</p><p>　　常規(guī)型：光纖生產(chǎn)長家將光纖傳輸頻率最佳化在單一波長的光上，如1310nm。</p><p>　　色散位移型：光纖生產(chǎn)廠家將光纖傳輸頻率最佳化在兩個波長的光上，如：1310nm和1550nm。</p><p>　　我們知道單模光纖沒有模式色散所以具有很高的帶

36、寬，那么如果讓單模光纖工作在1.55μm波長區(qū)，不就可以實現(xiàn)高帶寬、低損耗傳輸了嗎？但是實際上并不是這么簡單。常規(guī)單模光纖在1.31μm處的色散比在1.55μm處色散小得多。這種光纖如工作在1.55μm波長區(qū)，雖然損耗較低，但由于色散較大，仍會給高速光通信系統(tǒng)造成嚴重影響。因此，這種光纖仍然不是理想的傳輸媒介。</p><p>　　為了使光纖較好地工作在1.55μm處，人們設(shè)計出一種新的光纖，叫做色散位移光纖（D

37、SF）。這種光纖可以對色散進行補償，使光纖的零色散點從1.31μm處移到1.55μm附近。這種光纖又稱為1.55μm零色散單模光纖，代號為G.653。</p><p>　　G.653光纖是單信道、超高速傳輸?shù)臉O好的傳輸媒介?，F(xiàn)在這種光纖已用于通信干線網(wǎng)，特別是用于海纜通信類的超高速率、長中繼距離的光纖通信系統(tǒng)中。</p><p>　　色散位移光纖雖然用于單信道、超高速傳輸是很理想的傳輸媒介

38、，但當(dāng)它用于波分復(fù)用多信道傳輸時，又會由于光纖的非線性效應(yīng)而對傳輸?shù)男盘柈a(chǎn)生干擾。特別是在色散為零的波長附近，干擾尤為嚴重。為此，人們又研制了一種非零色散位移光纖即G.655光纖，將光纖的零色散點移到1.55μm 工作區(qū)以外的1.60μm以后或在1.53μm以前，但在1.55μm波長區(qū)內(nèi)仍保持很低的色散。這種非零色散位移光纖不僅可用于現(xiàn)在的單信道、超高速傳輸，而且還可適應(yīng)于將來用波分復(fù)用來擴容，是一種既滿足當(dāng)前需要，又兼顧將來發(fā)展的理想

39、傳輸媒介。</p><p>　　還有一種單模光纖是色散平坦型單模光纖。這種光纖在1.31μm到1.55μm整個波段上的色散都很平坦，接近于零。但是這種光纖的損耗難以降低，體現(xiàn)不出色散降低帶來的優(yōu)點，所以目前尚未進入實用化階段。</p><p>　　2.2.4按折射率分布情況分</p><p><b>　　階躍型和漸變型光纖</b></p&

40、gt;<p>　　階躍型：光纖的纖芯折射率高于包層折射率，使得輸入的光能在纖芯一包層交界面上不斷產(chǎn)生全反射而前進。這種光纖纖芯的折射率是均勻的，包層的折射率稍低一些。光纖中心芯到玻璃包層的折射率是突變的，只有一個臺階，所以稱為階躍型折射率多模光纖，簡稱階躍光纖，也稱突變光纖。這種光纖的傳輸模式很多，各種模式的傳輸路徑不一樣，經(jīng)傳輸后到達終點的時間也不相同，因而產(chǎn)生時延差，使光脈沖受到展寬。所以這種光纖的模間色散高，傳輸頻帶

41、不寬，傳輸速率不能太高，用于通信不夠理想，只適用于短途低速通訊，比如：工控。但單模光纖由于模間色散很小，所以單模光纖都采用突變型。這是研究開發(fā)較早的一種光纖，現(xiàn)在已逐漸被淘汰了。</p><p>　　漸變型光纖：為了解決階躍光纖存在的弊端，人們又研制、開發(fā)了漸變折射率多模光纖，簡稱漸變光纖。光纖中心芯到玻璃包層的折射率是逐漸變小，可使高次模的光按正弦形式傳播，這能減少模間色散，提高光纖帶寬，增加傳輸距離，但成本較

42、高，現(xiàn)在的多模光纖多為漸變型光纖。漸變光纖的包層折射率分布與階躍光纖一樣，為均勻的。漸變光纖的纖芯折射率中心最大，沿纖芯半徑方向逐漸減小。由于高次模和低次模的光線分別在不同的折射率層界面上按折射定律產(chǎn)生折射，進入低折射率層中去，因此，光的行進方向與光纖軸方向所形成的角度將逐漸變小。同樣的過程不斷發(fā)生，直至光在某一折射率層產(chǎn)生全反射，使光改變方向，朝中心較高的折射率層行進。這時，光的行進方向與光纖軸方向所構(gòu)成的角度，在各折射率層中每折射一

43、次，其值就增大一次，最后達到中心折射率最大的地方。在這以后。和上述完全相同的過程不斷重復(fù)進行，由此實現(xiàn)了光波的傳輸?？梢钥闯?，光在漸變光纖中會自覺地進行調(diào)整，從而最終到達目的地，這叫做自聚焦。</p><p>　　2.2.5按光纖的工作波長分</p><p>　　短波長光纖、長波長光纖和超長波長光纖</p><p>　　短波長光纖是指0.8--0.9μm的光纖；長波

44、長光纖是指1.0--1.7μm的光纖；而超長波長光纖則是指2μm以上的光纖。</p><p>　　第3章 光纖通信的特點和光孤子通信</p><p>　　·3.1 使用光纖通信的優(yōu)點</p><p>　　光纖通信容量比電纜通信容量大10億倍，一根比頭發(fā)絲還細的光纖可以傳輸幾萬路電話和幾千路電視，由20根光纖組成的光纜，每天可通話7.62萬人次，而1800

45、根銅線組成的電纜，每天只能通話900人次。光纖通信還具有不受大氣干擾、中繼距離長、信息容量大、重量輕、占空小、抗電磁干擾強、絕緣性好、串話小、保密性強等優(yōu)點，是當(dāng)今最好最主要的信息傳輸方式。</p><p>　　3.1.1 頻帶極寬,通信容量大</p><p>　　光纖比銅線或電纜有大得多的傳輸帶寬,光纖通信系統(tǒng)的于光源的調(diào)制特性、調(diào)制方式和光纖的色散特性。對于單波長光纖通信系統(tǒng),由于終端

46、設(shè)備的電子瓶頸效應(yīng)而不能發(fā)揮光纖帶寬大的優(yōu)勢。通常采用各種復(fù)雜技術(shù)來增加傳輸?shù)娜萘?特別是現(xiàn)在的密集波分復(fù)用技術(shù)極大地增加了光纖的傳輸容量。目前,單波長光纖通信系統(tǒng)的傳輸速率一般在 2.5Gbps 到 1OGbps。</p><p>　　3.1.2 損耗低,中繼距離長</p><p>　　目前,商品石英光纖損耗可低于 0--20dB/km,這樣的傳輸損耗比其它任何傳輸介質(zhì)的損耗都低;若將來

47、采用非石英系統(tǒng)極低損耗光纖,其理論分析損耗可下降的更低。這意味著通過光纖通信系統(tǒng)可以跨越更大的無中繼距離;對于一個長途傳輸線路,由于中繼站數(shù)目的減少,系統(tǒng)成本和復(fù)雜性可大大降低。 </p><p>　　3.1.3 抗電磁干擾能力強</p><p>　　光纖原材料是由石英制成的絕緣體材料,不易被腐蝕,而且絕緣性好。與之相聯(lián)系的一個重要特性是光波導(dǎo)對電磁干擾的免疫力,它不受自然界的雷電干擾、電

48、離層的變化和太陽黑子活動的干擾,也不受人為釋放的電磁干擾。 </p><p>　　3.1.4 無串音干擾,保密性好</p><p>　　在電波傳輸?shù)倪^程中,電磁波的泄漏會造成各傳輸通道的串?dāng)_,而容易被竊聽,保密性差。光波在光纖中傳輸,因為光信號被完善地限制在光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中,而任何泄漏的射線都被環(huán)繞光纖的不透明包皮所吸收,即使在轉(zhuǎn)彎處,漏出的光波也十分微弱,即使光纜內(nèi)光纖總數(shù)很多,相鄰信道也不

49、會出現(xiàn)串音干擾,同時在光纜外面,也無法竊聽到光纖中傳輸?shù)男畔ⅰ?lt;/p><p>　　除以上特點之外,還有光纖徑細、重量輕、柔軟、易于鋪設(shè);光纖的原材料資 源豐富,成本低;溫度穩(wěn)定性好、壽命長。由于光纖通信具有以上的獨特優(yōu)點,其不僅可以應(yīng)用在通信的主干線路中,還可以應(yīng)用在電力通信控制系統(tǒng)中,進行工業(yè)監(jiān)測、控制,而且在軍事領(lǐng)域的用途也越來越為廣泛。</p><p>　　·3.2 使用

50、光纖通信的不足</p><p>　　我們知道光纖的損耗和色散是限制光纖通信系統(tǒng)傳輸距離和容量的兩個主要因素，尤其在Gbit/s以上的高速光纖通信系統(tǒng)中，色散將起主要作用，即由于脈沖展寬將使系統(tǒng)容量減少，傳輸?shù)木嚯x受到限制。</p><p>　　3.2.1 光纖損耗</p><p>　　光脈沖在光纖中傳輸時有光損耗，這就使光的能量不斷地衰減，為了實現(xiàn)長距離的傳輸，就得

51、在一定距離上建立中繼站，以使衰減的光信號增強，中繼站是由檢測器、調(diào)制器和激光器所組成的光電組合系統(tǒng)。要達到高傳輸速率，檢測器和強度調(diào)制器已受到電子響應(yīng)時間的限制，中繼站的造價也十分昂貴，限制了線性光纖通信系統(tǒng)傳輸速率的進一步提高。</p><p>　　目前，在1.55μm波長處，光纖損耗己做到0.18dB/km，使光信號無中繼傳輸距離達100km，這一數(shù)值已接近理論極限值0.1dB/km，在光纖損耗方面已無太大潛

52、力可挖。</p><p>　　3.2.2 光的色散</p><p>　　光的色散是指由于物質(zhì)的折射率與光的波長關(guān)系而發(fā)生的一種現(xiàn)象。對于一定物質(zhì)，折射系數(shù)n是波長λ的一定函數(shù)：</p><p>　　n=f（λ） （公式3--1）</p><p>　　決定折

53、射率n隨波長λ而改變快慢的量，稱為物質(zhì)的色散。</p><p>　　由于任一光脈沖都可以表示為不同頻率分量的組合，當(dāng)色散效應(yīng)存在時，使得光脈沖中不同頻率分量的運動速度不一致，這樣就使得光脈沖在傳輸過程中發(fā)生變形。研究表明，在光纖的正常色散區(qū)域中和反常色散區(qū)域中，光脈沖傳輸?shù)奶匦允遣煌摹Ｔ诠饫w的正常色散區(qū)域中，光脈沖的較高頻率分量（藍移）比較低的頻率分量（紅移）傳輸?shù)寐?，而在光纖的反常色散區(qū)域中，藍移比紅移傳輸?shù)?/p>

54、快，其群速度色散（GVD，Group Velocity Dispersion）效應(yīng)的最終結(jié)果導(dǎo)致光脈沖展寬。所以色散便是線性光纖通信系統(tǒng)繼續(xù)提高的主要阻力。解決這一難題的是非線性光纖通信系統(tǒng)——光孤子通信系統(tǒng)。</p><p>　　·3.3 光孤子通信</p><p>　　背景：在常規(guī)的線性光纖通信系統(tǒng)中，光纖損耗和色散是限制其傳輸容量和距離的主要因素。由于光纖制作工藝的不斷提高

55、，光纖損耗已接近理論極限，因此光纖色散已成為實現(xiàn)超大容量、超長距離光纖通信的“瓶頸”，亟待解決。人們用了一百多年的時間來探討，發(fā)現(xiàn)由光纖非線性效應(yīng)所產(chǎn)生的光孤子可以抵消光纖色散的作用，利用光孤子進行通信，可以很好解決這個問題，從而形成了新一代光纖通信系統(tǒng)，也是21世紀最有發(fā)展前途的通信方式。</p><p>　　任何事物都是在發(fā)展中前進，光通信在超長距離、超大容量發(fā)展進程中，遇到了光纖損耗和色散的問題，限制了其發(fā)

56、展的空間?？茖W(xué)家和業(yè)內(nèi)人士受自然界的啟發(fā)，發(fā)現(xiàn)了特殊的光孤子波，人們設(shè)想在光纖中波形、幅度、速度不變的波就是光孤子波。利用光孤子傳輸信息的新一代光纖通信系統(tǒng)，真正做到全光通信，無需光、電轉(zhuǎn)換，可在超長距離、超大容量傳輸中大顯身手，是光通信技術(shù)上的一場革命。</p><p>　　3.3.1 常規(guī)光纖通信發(fā)展的阻力</p><p>　　我們知道光纖的損耗和色散是限制線性光纖通信系統(tǒng)傳輸距離和容

57、量的兩個主要因素，尤其在Gbit／s以上的高速光纖通信系統(tǒng)中，色散將起主要作用，即由于脈沖展寬將使系統(tǒng)容量減少，傳輸?shù)木嚯x受到限制。</p><p>　　光的色散指的是由于物質(zhì)的折射率與光的波長有關(guān)系而發(fā)生的一些現(xiàn)象。對于一定物質(zhì)，折射系數(shù)n是波長人的一定函數(shù)： n＝f（λ） 決定折射率n隨波長入而改變快慢的量，稱為物資的色散。</p><p>　　色散怎樣使光脈沖信號在傳輸時展寬；是光纖

58、的色散，使得光脈沖中不同波長的光傳播速度不一致，結(jié)果導(dǎo)致光脈沖展寬。</p><p>　　3.3.2 人們從自然界得到啟發(fā)</p><p>　　1834年斯柯特魯塞爾對船在河道中運動而形成水的波峰進行觀察，發(fā)現(xiàn)當(dāng)船突然停止時，原來在船前被推起的水波依然維護原來的形狀、幅度和速度向前運動，經(jīng)過相當(dāng)長的時間才消失。這就是著名的孤立波現(xiàn)象。</p><p>　　3.3.3

59、 光孤子的概念</p><p>　　光孤子是指經(jīng)過長距離傳輸而保持形狀不變的光脈沖。一束光脈沖包含許多不同的頻率成分，頻率不同，在介質(zhì)中的傳播速度也不同，因此，光脈沖在光纖中將發(fā)生色散，使得脈寬變寬。但當(dāng)具有高強度的極窄單色光脈沖入射到光纖中時，將產(chǎn)生克爾效應(yīng)，即介質(zhì)的折射率隨光強度而變化，由此導(dǎo)致在光脈沖中產(chǎn)生自相位調(diào)制，使脈沖前沿產(chǎn)生的相位變化引起頻率降低，脈沖后沿產(chǎn)生的相位變化引起頻率升高，于是脈沖前沿比其

60、后沿傳播得慢，從而使脈寬變窄。當(dāng)脈沖具有適當(dāng)?shù)姆葧r，以上兩種作用可以恰好抵消，則脈沖可以保持波形穩(wěn)定不變地在光纖中傳輸，即形成了光孤子，也稱為基階光孤子。若脈沖幅度繼續(xù)增大時，變窄效應(yīng)將超過變寬效應(yīng)，則形成高階光孤子，它在光纖中傳輸?shù)拿}沖形狀將發(fā)生連續(xù)變化，首先壓縮變窄，然后分裂，在特定距離處脈沖周期性地復(fù)原。</p><p>　　3.3.4 光孤子通信原理</p><p>　　圖3-1

61、 三階（N=1）光孤子在一個周期內(nèi)的包絡(luò)演化</p><p>　　光孤子通信是一種全光非線性通信方案，其基本原理是光纖折射率的非線性（自相位調(diào)制）效應(yīng)導(dǎo)致對光脈沖的壓縮可以與群速色散引起的光脈沖展寬相平衡，在一定條件（光纖的反常色散區(qū)及脈沖光功率密度足夠大）下，光孤子能夠長距離不變形地在光纖中傳輸。它完全擺脫了光纖色散對傳輸速率和通信容量的限制，其傳輸容量比原來最好的通信系統(tǒng)提高1--2個數(shù)量級，中繼距離可達幾百

62、公里。它被認為是下一代最有發(fā)展前途的傳輸方式之一。</p><p>　　從光孤子傳輸理論分析，光孤子是理想的光脈沖，因為它很窄，其脈沖寬度在皮秒級（ps，即s）。這樣，就可使鄰近光脈沖間隔很小而不至于發(fā)生脈沖重疊，產(chǎn)生干擾。利用光孤子進行通信，其傳輸容量極大，可以說是幾乎沒有限制。傳輸速率將可能高達每秒兆比特。如此高速將意味著世界上最大的圖書館――美國國會圖書館的全部藏書，只需要100秒就可以全部傳送完畢。由此可

63、見，光孤子通信的能力何等巨大。</p><p>　　3.3.5 光孤子通信系統(tǒng)的基本組成</p><p>　　目前已提出的光孤子通信實驗系統(tǒng)的構(gòu)成方式種類較多，但其基本部件卻大體相</p><p>　　同，圖3-2所示即為其基本組成結(jié)構(gòu)。</p><p>　　圖3-2 光孤子通信系統(tǒng)基本組成</p><p>　　圖3-

64、2中的孤子源并非嚴格意義上的孤子激光器，而只是一種類似孤子的超短光脈沖源，它產(chǎn)生滿足基本光孤子能量、頻譜等要求的超短脈沖。這種超短光脈沖，在光纖中傳輸時自動壓縮、整形而形成光孤子。電信號脈沖源通過調(diào)制器將信號載于光孤子流上，承載的光孤子流經(jīng)EDFA放大后進入光纖傳輸。沿途需增加若干個光放大器，以補償光脈沖的能量損失。同時需平衡非線性效應(yīng)與色散效應(yīng)，最終保證脈沖的幅度與形狀穩(wěn)定不變。在接收端通過光孤子檢測裝置、判決器或解調(diào)器及其它輔助裝置

65、實現(xiàn)信號的還原。</p><p>　　3.3.6 與普通線性光纖通信系統(tǒng)的不同</p><p>　　1.EDFA摻鉺光纖放大器</p><p>　　光孤子在使用EDFA的系統(tǒng)中能穩(wěn)定傳輸?shù)奶匦允枪夤伦油ㄐ拍軐嵱玫囊粋€關(guān)鍵。因為光纖的損耗不可避免要消耗孤子能量，當(dāng)能量不滿足孤子形成的條件時，脈沖喪失孤子特性而展寬，但只要通過EDFA摻鉺光纖放大器給孤子補充能量，孤子即

66、自動整形。利用孤子這一特性，可進行全光中繼，不再需要像常規(guī)光纖通信系統(tǒng)那樣在中繼站進行光—電—光的轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)了全光傳輸，一般每30--50km加一個EDFA，是一種集總式能量補充方式。</p><p><b>　　2.預(yù)加重技術(shù)</b></p><p>　　預(yù)加重技術(shù)，也稱為動態(tài)光孤子通信。在上述集總式能量補充系統(tǒng)中，即使光纖的色散有抖動，這種孤子也是穩(wěn)定的。在放大器

67、的間距與孤子的特征長度可比擬時，如果使進入光纖的脈沖峰值功率大于基態(tài)孤子所要求的峰值功率，則所形成的孤子也能長距離穩(wěn)定傳輸，這種技術(shù)通常被稱為預(yù)加重技術(shù)，也稱為動態(tài)光孤子通信。</p><p>　　3.抑制戈登—豪斯效應(yīng)</p><p>　　所謂戈登—豪斯效應(yīng)是一種抖動。采用放大器的自發(fā)輻射噪聲，是一種不可避免的熱噪聲，它與孤子相互作用后，造成孤子中心頻率的隨機抖動，進而引起孤子到達接收端

68、的抖動，即戈登—豪斯效應(yīng)。這一效應(yīng)是限制孤子傳輸系統(tǒng)容量、放大器間隔等系統(tǒng)指標的重要因素。解決的辦法是在放大器后加一個帶通濾波器即能較好的抑制戈登—豪斯效應(yīng)。</p><p><b>　　4.波分復(fù)用技術(shù)</b></p><p>　　光孤子也可實現(xiàn)波分復(fù)用，即利用不同波長的光孤子在同一光纖中傳輸；也可利用不同偏振方向的光孤子在同一光纖中傳輸，即偏振復(fù)用，進一步提高傳輸

69、質(zhì)量和容量。</p><p>　　3.3.7光孤子的發(fā)展</p><p>　　光孤子通信研究的三個階段</p><p>　　1973年--1980年為第一階段：首先將光孤子應(yīng)用于光通信的設(shè)想是由美國貝爾實驗室的A.Hasegawa于1973年提出的，他經(jīng)過嚴格的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，大膽地預(yù)言了在光纖地負色散區(qū)可以觀察到光孤子的存在，并率先開辟了這一領(lǐng)域的研究工作，拉開了這一階

70、段以理論研究的序幕。 </p><p>　　1981年--1990年為第二階段：主要工作是關(guān)鍵部件的研制。自從70年代初提出光孤子的概念以來，由于以后的十多年未能有效地觀察到光孤子的存在，直到1983年，美國貝爾實驗室的Mollenauer研究小組首次研制成功了第一支色心鎖模孤子激光器CCL，從而揭開了實驗研究的序幕。</p><p>　　1991年--現(xiàn)在為第三階段：主要工作是建立實驗系

71、統(tǒng)并向?qū)嶋H應(yīng)用邁進。在這階段，半導(dǎo)體激光器和EDFA在光孤子通信試驗系統(tǒng)中的成功應(yīng)用，拉開了光孤子通信走向?qū)嵱没男蚰弧？茖W(xué)家認為，本世紀初，全光通信將走向?qū)嵱没?lt;/p><p>　　3.3.8 光孤子通信在美國和日本的實用化進程</p><p>　　在全世界范圍，全光通信系統(tǒng)已在橫跨大西洋的TAT-10系統(tǒng)和橫跨太平洋的TPC-15系統(tǒng)上首先應(yīng)用。在光孤子通信領(lǐng)域美國和日本領(lǐng)先。<

72、;/p><p>　　美國貝爾實驗室Mollenauer研究小組的實驗系統(tǒng)是世界上最早的光孤子實驗系統(tǒng)，首次檢測出脈寬為10ps的光孤子經(jīng)10km傳輸無明顯變化，從而首次從實驗上證實了光孤子傳輸?shù)目赡苄浴?lt;/p><p>　　1995年，在日本東京地區(qū)的光纖局域網(wǎng)上，NTT公司首次實現(xiàn)了10Gbit/s、 2000km的光孤子現(xiàn)場直通測試，從而將實驗室內(nèi)的實驗轉(zhuǎn)升為現(xiàn)場實驗，為實用化進程邁出了十

73、分重要的一步。 </p><p>　　美國：美國貝爾實驗室已成功地將激光脈沖信號傳輸了5920km，還利用光纖環(huán)實現(xiàn)了5Gbit/s、傳偷15000km的單信道孤子通信系統(tǒng)和傳輸11000km總碼速達到10Gbit/s的雙信道波分復(fù)用孤子通信系統(tǒng)；美國光譜物理公司已制成能產(chǎn)生4×10-13s的孤立波脈沖信號器件。 </p><p>　　日本：日本利用普通光纜線路成功地進行了超高2

74、0Tbit/s、遠距離1000km孤立波通信；日本電報電話公司在1992年推出速率為10Gbit/s、能傳輸12000km的直通光孤子通信實驗系統(tǒng)。</p><p>　　3.3.9 中國光孤子通信的發(fā)展 </p><p>　　1994年摻餌光纖放大器在武漢通過鑒定由武漢郵電科學(xué)研究院研制的EDFA，具有增益高、噪聲低、增益特性與光偏振狀態(tài)無關(guān)。在多路系統(tǒng)中信道交叉串?dāng)n通?？梢院雎缘纫幌盗袃?yōu)

75、點，達到世界先進水平。在光端機的發(fā)送端加后置式摻餌光纖放大器，在接收端加低噪聲前置摻餌光纖放大器，則可以使2.488Gbit/s系統(tǒng)具有跨越100--250km無中繼距離的能力?？纱蟠蠼档椭欣^成本。 </p><p>　　1999年“863”研究項目“OTDM光孤子通信關(guān)鍵技術(shù)研究”通過了專家驗收。</p><p>　　該項目成功地研制了增益開關(guān)激光器和2.5Gbit/s的RZ脈沖光接收機

76、，并在以下各技術(shù)領(lǐng)域取得成功：</p><p>　　1.采用色散補償光纖對光脈沖進行壓縮；</p><p>　　2.采用2.5Gbit/s--20Gbit/s的光信號復(fù)用；</p><p>　　3.從20Gbit/s的復(fù)用系統(tǒng)中提取2.5Gbit/s電時鐘；</p><p>　　4.采用非線性光學(xué)環(huán)路實現(xiàn)2.5Gbit／s--20Gbit／s

77、的解復(fù)用；</p><p>　　5.采用啁啾光柵對20Gbit／s信號在標準單模光纖中傳輸105km后造成的色散進行補償。</p><p>　　6.研制2.5Gbit／s錦酸鉀強度調(diào)制發(fā)送單元；</p><p>　　7.成功地進行了20Gbit/s、105km的光纖傳輸。</p><p>　　3.3.10光孤子通信的優(yōu)越性</p>

78、<p>　　1.光孤子通信系統(tǒng)極大地提高了傳輸容量和距離</p><p>　　光孤子通信克服了色散的制約，當(dāng)光強度足夠大時會使光脈沖變窄，脈沖寬度不到一個ps，可使光纖的帶寬增加10--100倍，極大地提高了傳輸容量和傳輸距離，尤其是當(dāng)光速度超過10Gbit/s時，光孤子傳輸系統(tǒng)顯示出明顯的優(yōu)勢。光孤子通信作為新一代光纖通信系統(tǒng)在洲際陸地通信和跨洋通信等超長距離、超大容量通信系統(tǒng)中大顯身手。<

79、/p><p>　　2.光孤子通信系統(tǒng)從根本上改進了耦合損耗和兼容問題</p><p>　　光孤子通信系統(tǒng)不但容量大、頻帶寬、增益高，更可貴的是它能夠從根本上改進現(xiàn)有通信中的光電器件和光纖耦合所帶來的損耗和兼容問題，是一場光纖通信的革命。</p><p>　　3.光孤子通信系統(tǒng)解決了高溫自動控制和測量</p><p>　　光孤子通信系統(tǒng)由于沒有使用

80、電子元件，可以在很高的溫度下工作，甚至是1000度的高溫。這對高溫條件下的自動控制或測量具有劃時代的意義，為人類提供了新的理想的傳輸系統(tǒng)，意義重大。</p><p>　　3.3.11光孤子通信的未來展望</p><p>　　非線性光纖光孤子通信是一種全新的超高速、大容量、超長距離的通信技術(shù)。信息傳輸容量比現(xiàn)在最好的線性光纖通信系統(tǒng)還要高出1--2個數(shù)量級。該系統(tǒng)將成為21世紀的主要通信系統(tǒng)

81、。</p><p>　　光孤子通信以其巨大的應(yīng)用潛力和發(fā)展前景令世人矚目，尤其是EDFA技術(shù)的迅速發(fā)展使得幾十至幾百吉比特率，幾千至幾萬公里的信息傳輸變得輕而易取。如此美好的應(yīng)用前景、如此誘人的事業(yè)，一定會吸引國內(nèi)外眾多科技人員為之努力貢獻。本世紀初葉就會看到光孤子通信實用化的到來。</p><p>　　圖3-3 光孤子通信的現(xiàn)狀與展望</p><p>　　從圖3-

82、3可見，三個坐標分別表示傳輸距離、傳輸速度和EDFA的性能，圖3-3中的陰影部分表示目前的現(xiàn)狀，三個軸所表示發(fā)展方向，表示未來的前景和達到的性能指標。從光纖通信的發(fā)展趨勢來看，完全有理由認為光纖通信進入了又一次蓬勃發(fā)展的新高潮。而這一次發(fā)展高潮涉及的范圍更廣，技術(shù)更新更難，影響力和影響面也更寬，勢必對整個電信網(wǎng)和信息業(yè)產(chǎn)生更加深遠的影響。它的演變和發(fā)展結(jié)果將在很大程度上決定電信網(wǎng)和信息業(yè)的未來大格局，也將對下一世紀的社會經(jīng)濟發(fā)展產(chǎn)生巨大

83、影響。</p><p>　　第4章 光纖通信系統(tǒng)的組成</p><p>　　光纖通信是以光波作為信息載體，以光纖作為傳輸介質(zhì)的一種通信方式。要使光波成為攜帶信息的載體，必須在發(fā)射端對其進行調(diào)制，而在接收端把信息從光波中檢測出來（解調(diào)）。以目前的技術(shù)水平，大部分采用強度調(diào)制——直接檢測方式。數(shù)字光纖通信系統(tǒng)一般由光發(fā)射機、光中繼器、光纖和光接收機組成，其組成框圖如圖4-1。</p&g

84、t;<p>　　圖4-1 數(shù)字光纖通信系統(tǒng)方框圖</p><p><b>　　·4.1光發(fā)送機</b></p><p>　　光發(fā)送機的作用是進行光電轉(zhuǎn)換，即把數(shù)字化的電脈沖信號碼流轉(zhuǎn)換成光脈沖信號碼流并輸入到光纖中進行傳輸。光發(fā)送機由光源、驅(qū)動器和調(diào)制器組成，光源是光發(fā)送機的核心。在發(fā)射端，電端機把模擬信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號復(fù)用后再

85、去調(diào)制發(fā)送機中的光源器件，則光源器件就會發(fā)出攜帶信息的光波。如當(dāng)數(shù)字信號為“1”時，光源器件發(fā)射一個“傳號”光脈沖；當(dāng)數(shù)字信號為“0”時光源器件發(fā)射一個“空號”光脈沖。</p><p><b>　　·4.2中繼器</b></p><p>　　中繼器的作用是補償光能的衰減，恢復(fù)信號脈沖的形狀。傳統(tǒng)的中繼器采用的是光-電-光的模式，光電檢測器先將光纖送來的非常微

86、弱的并失真了的光信號轉(zhuǎn)換成電信號，在經(jīng)過放大、整形、再定時，還原成與原來的信號一樣的電脈沖信號。然后，用這一種電脈沖信號驅(qū)動激光器發(fā)光，又將電信號變換成光信號，向下一端光纖發(fā)出光脈沖信號。通常把有再放大、再整形、再定時這三種功能的中繼器稱為三“R”中繼器。這種方式過程繁瑣，不利于光纖的高速傳輸。自從摻鉺光纖問世以來，中繼實現(xiàn)了全光中繼，通常又稱為“1R”中繼器。目前光放大器已經(jīng)趨于成熟，它可作為1R中繼器（僅僅放大）代替3R中繼器，構(gòu)成

87、全光通信系統(tǒng)。</p><p><b>　　·4.3 光纖</b></p><p>　　光纖線路的功能是把來自光發(fā)射機的光信號，以盡可能小的畸變（失真）和衰減傳輸?shù)焦饨邮諜C。光纖線路由光纖、光纖接頭和光纖連接器組成。</p><p><b>　　·4.4 光接收機</b></p><

88、p>　　光接收機的作用是進行光電轉(zhuǎn)換，即將由光纖傳來的微弱光信號轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)放大處理后，恢復(fù)成發(fā)射前的信號。光接收機由光檢查器、光放大器和相關(guān)電路組成，光檢查器是光接收機的核心。在接收端，光接收機把數(shù)字信號從光波中檢測出來送給電端機，由電端機解復(fù)后再進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，恢復(fù)成原來的模擬信號。</p><p>　　第5章 光纖的導(dǎo)光原理</p><p>　　光是一種頻率極高的電磁波，而

89、光纖本身是一種介質(zhì)波導(dǎo)，因此光在光纖中的傳輸理論是十分復(fù)雜的。要想全面地了解它，需要應(yīng)用電磁場理論、波動光學(xué)理論、甚至量子場論方面的知識。但作為一個光纖通信系統(tǒng)工作者，無需對光纖的傳輸理論進行深入探討與學(xué)習(xí)。</p><p>　　為了便于理解，我們從幾何光學(xué)的角度來討論光纖的導(dǎo)光原理，這樣會更加直觀、形象、易懂。更何況對于多模光纖而言，由于其幾何尺寸遠遠大于光波波長，所以可把光波看作成為一條光線來處理，這正是幾何

90、光學(xué)的處理問題的基本出發(fā)點。</p><p>　　·5.1 全反射原理</p><p>　　我們知道，當(dāng)光線在均勻介質(zhì)中傳播時是以直線方向進行的，但在到達兩種不同介質(zhì)的分界面時，會發(fā)生反射與折射現(xiàn)象，如圖5-1 所示。</p><p>　　圖5-1 光的反射與折射</p><p>　　根據(jù)光的反射定律，反射角等于入射角。</p

91、><p><b>　　根據(jù)光的折射定律：</b></p><p><b>　?。ü?-1）</b></p><p>　　其中n1為纖芯的折射率，n2為包成的折射率。</p><p>　　顯然，若n1>n2，則會有。如果n1與n2的比值增大到一定程度，則會使折射率，此時的折射率光線不再進入包層，而

92、會在纖芯與包層的分界面上經(jīng)過（），或者重返回到纖芯中進行傳播（）。這種現(xiàn)象叫光的全反射現(xiàn)象，如圖5-2所示。</p><p>　　圖5-2 光的全反射現(xiàn)象</p><p>　　人們把對應(yīng)于折射角等于90的入射角叫做臨界角，很容易可以得到臨界角。</p><p>　　不難理解，當(dāng)光在光纖中發(fā)生全反射現(xiàn)象時，由于光線基本上全部在纖芯區(qū)進行傳播，沒有光跑到包層中去，所以可

93、以大大降低光纖的衰耗。早期的階躍光纖就是按這種思路進行設(shè)計的。</p><p>　　·5.2光在階躍光纖中的傳播</p><p>　　傳播軌跡了解了光的全反射原理之后，不難畫出光在階躍光纖中的傳播軌跡，即按“之”之形傳播及沿纖芯與包層的分界面掠過，如圖5-3 所示。</p><p>　　圖5-3 光在階躍光纖中的傳輸軌跡</p><p&

94、gt;　　通常人們希望用入射光與光纖頂端面的夾角來衡量光纖接收光的能力。于是產(chǎn)生了光纖數(shù)值孔徑NA的概念。</p><p>　　因為光在空氣的折射率n0=1，于是多次應(yīng)用光的折射率定律可得：</p><p><b>　?。ü?--2）</b></p><p>　　其中，相對折射率差：</p><p><b>

95、　?。ü?--3）</b></p><p>　　因此，階躍光纖數(shù)值孔徑NA的物理意義是：能使光在光纖內(nèi)以全反射形式進行傳播的接收角θc之正弦值。</p><p>　　需要注意的是，光纖的NA并非越大越好。NA越大，雖然光纖接收光的能力越強，但光纖的模式色散也越厲害。因為NA越大，則其相對折射率差Δ也就越大（見5--2 公式），以后就會知道，Δ值較大的光纖的模式色散也越大，從而

96、使光纖的傳輸容量變小。因此NA 取值的大小要兼顧光纖接收光的能力和模式色散。CCITT建議光纖的NA=0.18--0.23。</p><p>　　·5.3 光在漸變光纖中的傳播</p><p>　　5.3.1 定性解釋</p><p>　　由圖5-1 和（5--1）式知道，漸變光纖的折射率分布是在光纖的軸心處最大，而沿剖面徑向的增加而折射率逐漸變小。采用這

97、種分布規(guī)律是有其理論根據(jù)的。假設(shè)光纖是由許多同軸的均勻?qū)咏M成，且其折射率由軸心向外逐漸變小，如圖5-4 所示。</p><p>　　圖5-4 光在漸變光纖中傳播的定性解釋</p><p>　　即n1>n11>n12>n13……>n2</p><p>　　由折射定律知，若n1>n2，則有θ2>θ1。這樣光在每二層的分界面皆會產(chǎn)生

98、折射現(xiàn)象。由于外層總比內(nèi)層的折射率要小一些，所以每經(jīng)過一個分界面，光線向軸心方向的彎曲就厲害一些，就這樣一直到了纖芯與包層的分界面。而在分界面又產(chǎn)生全反射現(xiàn)象，全反射的光沿纖芯與包層的分界面向前傳播，而反射光則又逐層逐層地折射回光纖纖芯。就這樣完成了一個傳輸全過程，使光線基本上局限在纖芯內(nèi)進行傳播，其傳播軌跡類似于由許多許多線段組成的正弦波。</p><p>　　5.3.2 傳播軌跡</p><

99、;p>　　再進一步設(shè)想，如果光纖不是由一些離散的均勻?qū)咏M成，而是由無窮多個同軸均勻?qū)咏M成。換句話講，光纖剖面的折射率隨徑向增加而連續(xù)變化，且遵從拋物線變化規(guī)律，那么光在纖芯的傳播軌跡就不會呈折線狀，而是連續(xù)變化形狀。理論上可以證明，若漸變光纖的折射率，分布遵從（5--1公式），則光在其中的傳播軌跡為：</p><p><b>　?。ü?--4）</b></p><

100、;p>　　其中 A為正弦曲線振幅，待定常數(shù)；a1為纖芯半徑；v為相對折射率差；為初始相位，待定常數(shù)。</p><p>　　于是以不同角度入射的光線均以正弦曲線軌跡在光纖中傳播，且近似成聚焦?fàn)?，如圖5-5所示。</p><p>　　圖5-5 光在漸變光纖中的傳播軌跡</p><p>　　·5.4 光在單模光纖中的傳播</p><p

101、>　　光在單模光纖中的傳播軌跡，簡單地講是以平行于光纖軸線的形式以直線方式傳播，如圖5-6 所示。</p><p>　　圖5-6 光在單模光纖中的傳播軌跡</p><p>　　這是因為在單模光纖中僅以一種模式（基模）進行傳播，而高次模全部截止，不存在模式色散。平行于光軸直線傳播的光線代表傳播中的基模。</p><p>　　第6章 光纖通信的發(fā)展歷程</

102、p><p>　　·6.1光纖通信的雛形</p><p>　　光纖通信的歷史可以追溯到古代的烽火通信，以及現(xiàn)在還在使用的交通信號和水上交通用的“旗語”等，在這些通信方式中，光信號本身就是信息，包含的信息非常的少，不能稱為嚴格意義上的通信。</p><p>　　·6.2光纖通信的早期</p><p>　　18世紀60年代，英國發(fā)明

103、第一架光電報機，利用日光作為光源，利用反光板的不同組合，通過空氣作為傳輸介質(zhì)，傳遞相應(yīng)的信息。</p><p>　　19世紀80年代，美國的貝爾發(fā)明了光學(xué)電話，他以日光作為光源，采用話筒的薄膜隨著聲音的振動而振動來實現(xiàn)聲光調(diào)制。做法是將日光發(fā)出的恒定光束投射到受聲音控制的薄膜上，這樣從薄膜上反射回來的光束強弱變化就攜帶了聲音信息，然后，將這束被調(diào)制的光信號經(jīng)大氣傳輸?shù)浇邮斩?。接收端采用一個大型拋物面反光鏡和一個硅

104、光電池組成光電檢測器，將接收到的攜帶有信息的光信號轉(zhuǎn)換成光電流，再把光電流送到聽筒發(fā)聲，從而實現(xiàn)了光電話通信。</p><p>　　從此以后，直到1960年以前，光通信的發(fā)展幾乎停滯不前,主要原因是碰到光源、光傳輸介質(zhì)和光電檢測器等技術(shù)障礙。光源：主要采用日光作為光源，而日光為非相干光，它的方向性不好，不易調(diào)制和傳輸。傳輸介質(zhì)：以空氣作為傳輸介質(zhì)，損耗很大，無法實現(xiàn)遠距離傳輸，而且通信業(yè)極不穩(wěn)定。光電檢測器：硅光

105、電池作為光電檢測器，內(nèi)部噪聲很大，通信質(zhì)量很差。</p><p>　　·6.3 光纖通信發(fā)展的里程碑</p><p>　　盡管光纖通信有很多技術(shù)障礙，然而人們從來都沒有停止過對它的研究。隨著社會的不斷進步，通信向大容量、長距離方向發(fā)展是必然的趨勢。無論是有線通信還是無線通信，都是將低頻信息調(diào)整轉(zhuǎn)移到高頻載波上去。載波頻率越高，其所在頻段頻帶越寬，通信容量就越大。</p>

106、;<p>　　1966年7月，英藉、華裔學(xué)者高錕博士（K.C.Kao）在PIEE 雜志上發(fā)表了一篇十分著名的文章《用于光頻的光纖表面波導(dǎo)》，該文從理論上分析證明了用光纖作為傳輸媒體以實現(xiàn)光通信的可能性，并設(shè)計了通信用光纖的波導(dǎo)結(jié)（即階躍光纖）。更重要的是科學(xué)地予言了制造通信用的超低耗光纖的可能性，即加強原材料提純，加入適當(dāng)?shù)膿诫s劑，可以把光纖的衰耗系數(shù)降低到20dB/km以下。而當(dāng)時世界上只能制造用于工業(yè)、醫(yī)學(xué)方面的光纖，

107、其衰耗在1000dB/km以上。對于制造衰耗在20dB/km以下的光纖，被認為是可望不可及的。以后的事實發(fā)展雄辯地證明了高錕博士文章的理論性和科學(xué)大膽予言的正確性，所以該文被譽為光纖通信的里程碑。</p><p>　　·6.4光纖通信發(fā)展的實質(zhì)性突破</p><p>　　光源：1960年，美國梅曼（Maiman）發(fā)明了紅寶石激光器，它發(fā)出的是一種譜線很窄、方向性很好、頻率和相位一

108、致的相干光，易于調(diào)制和傳輸；其缺點是耦合率極低，無法在室溫下運行，壽命很短，但是它的發(fā)明解決了光源方面的障礙，加速了光纖通信的研究和發(fā)展。</p><p>　　傳輸介質(zhì)：1970年美國康寧玻璃公司根據(jù)高錕文章的設(shè)想，用改進型化學(xué)相沉積法（MCVD 法）制造出當(dāng)時世界上第一根超低耗光纖，成為使光纖通信爆炸性競相發(fā)展的導(dǎo)火索。</p><p>　　雖然當(dāng)時康寧玻璃公司制造出的光纖只有幾米長，衰

109、耗約20dB/km，而且?guī)讉€小時之后便損壞了。但它畢竟證明了用當(dāng)時的科學(xué)技術(shù)與工藝方法制造通信用的超低耗光纖是完全有可能的，也就是說找到了實現(xiàn)低衰耗傳輸光波的理想傳輸媒體，是光通信研究的重大實質(zhì)性突破。</p><p>　　·6.5光纖通信爆炸性發(fā)展</p><p>　　自1970年以后，世界各發(fā)達國家對光纖通信的研究傾注了大量的人力與物力，其來勢之兇，規(guī)模之大、速度之快遠遠超出

110、了人們的意料之外，從而使光纖通信技術(shù)取得了極其驚人的進展。</p><p>　　6.5.1從光器件看</p><p>　　1970年，美國貝爾實驗室研制出世界上第一只在室溫下連續(xù)波工作的砷化鎵鋁半導(dǎo)體激光器，為光纖通信找到了合適的光源器件。后來逐漸發(fā)展到性能更好、壽命達幾萬小時的異質(zhì)結(jié)條形激光器和現(xiàn)在的分布反饋式單縱模激光器（DFB）以及多量子阱激光器（MQW）。光接收器件也從簡單的硅PI