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1、+光纤与光纤通信原理论文光纤与光纤通信原理论文光信息科学与技术2班 （1）光纤释义光纤即为光导纤维的简称。光纤通信是以光波作为信息载体,以光纤作为传输媒介的一种通信方式。从原理上看,构成光纤通信的基本物质要素是光纤、光源和光检测器。光纤除了按制造工艺、材料组成以及光学特性进行分类外。在应用中,光纤常按用途进行分类,可分为通信用光纤和传感用光纤。传输介质光纤又分为通用与专用两种,而功能器件光纤则指用于完成光波的放大、整形、分频、倍频、调制以及光振荡等功能的光纤,并常以某种功能器件的形式出现。（2）光纤分类 按光在光纤中的传输模式划分，可分为多模和单模光纤两种。按折射率分布的情况化分，可分为阶跃折

2、射率（SI）光纤和渐变折射率（GI）光纤。（3）多模光纤特点 常用多模光纤的直径为125m，其中芯径一般在 50100m之间。在多模光纤中，可以有数百个光波模在传播。 多模光纤一般工作于短波长（0.8m）区，损耗与色散都比较大，带宽较小，适用于低速短距离光通信系统中。多模光纤的优点在于其具有较大的纤芯直径，可以用较高的耦合效率将光功率注入到多模光纤中。（4）单模光纤特点常用单模光纤的直径也为125m，芯径为812m。在单模光纤中，因只有一个模式传播，不存在模间色散，具有较大的传输带宽，并且在1 550 nm波长区的损耗非常低（约为0.20.25 dB/km），因而被广泛应用于高速长距离的光纤通

3、信系统中。使用单模光纤时，色度色散是影响信号传输的主要因素，这样单模光纤对光源的谱宽和稳定性都有较高的要求，即谱宽要窄，稳定性要好。单模光纤一般必须使用半导体激光器激励。按最佳传输频率窗口划分，可分为常规型单模光纤和色散位移型单模光纤。常规型单模光纤的最佳传输频率在1 310 nm附近，而色散位移光纤的最佳传输频率在1550nm附近。阶跃折射率光纤从芯层到包层的折射率是突变的。多模阶跃折射率光纤的成本低，模间色散高，适用于短距离低速通信。多模渐变折射率光纤从芯层到包层的折射率是逐渐变小，可使高阶模按正弦形式传播，这样能减少模间色散，提高光纤带宽，增加传输距离，但成本较高。现在所使用的多模光纤多

4、为渐变折射率光纤。（5）光纤的标准目前，国际上单模光纤的标准主要是ITUT的系列：G.650“单模光纤相关参数的定义和试验方法”、G.652“单模光纤和光缆特性”、G.653“色散位移单模光纤和光缆特性”、G.654“截止波长位移型单模光纤和光缆特性 ”、G.655“非零色散位移单模光纤和光缆特性”及G.656“用于宽带传输的非零色散位移光纤和光缆特性”。ITUT对多模光纤的标准是G.651“50125m多模渐变折射率光纤和光缆特性”。国际电工委员会也颁布了系列标准IEC 60793，我国的光纤标准包括国家标准GB/T15912系列和信息产业部颁布的通信行业标准YD/T系列。 （六）光纤通信特

5、点1) 通信容量大、传输距离远;一根光纤的潜在带宽可达20THz。采用这样的带宽，只需一秒钟左右，即可将人类古今中外全部文字资料传送完毕。目前400Gbit/s系统已经投入商业使用。光纤的损耗极低，在光波长为1.55m附近，石英光纤损耗可低于0.2dB/km，这比目前任何传输媒质的损耗都低。因此，无中继传输距离可达几十、甚至上百公里。 2) 信号干扰小、保密性能好; 3) 抗电磁干扰、传输质量佳,电通信不能解决各种电磁干扰问题，唯有光纤通信不受各种电磁干扰。 4) 光纤尺寸小、重量轻,便于铺设和运输; 5) 材料来源丰富,环境保护好，有利于节约有色金属铜。 6) 无辐射,难于窃听,因为光纤传输

6、的光波不能跑出光纤以外。 7) 光缆适应性强,寿命长。 8) 质地脆，机械强度差。 9) 光纤的切断和接续需要一定的工具、设备和技术。 10) 分路、耦合不灵活。 11) 光纤光缆的弯曲半径不能过小（20cm） 12) 有供电困难问题。 13) 利用光波在光导纤维中传输信息的通信方式由于激光具有高方向性、高相干性、单色性等显著优点，光纤通信中的光波主要是激光，所以又叫做激光光纤通信 （七）光纤通信的原理光纤通信的原理是：在发送端首先要把传送的信息(如话音)变成电信号，然后调制到激光器发出的激光束上，使光的强度随电信号的幅度(频率)变化而变化，并通过光纤发送出去；在接收端，检测器收到光信号后把它

7、变换成电信号，经解调后恢复原信息 （八）应用领域光纤通信主要用于市话中继线，光纤通信的优点在这里可以充分发挥，逐步取代电缆，得到广泛应用。还用于长途干线通信过去主要靠电缆、微波、卫星通信，现以逐步使用光纤通信并形成了占全球优势的比特传输方法；用于全球通信网、各国的公共电信网（如我国的国家一级干线、各省二级干线和县以下的支线）；光纤传输系统主要由：光发送机、光接收机、光缆传输线路、光中继器和各种无源光器件构成。要实现通信，基带信号还必须经过电端机对信号进行处理后送到光纤传输系统完成通信过程。 它适合于光纤模拟通信系统中，而且也适用于光纤数字通信系统和数据通信系统。在光纤模拟通信系统中，电信号处理

8、是指对基带信号进行放大、预调制等处理，而电信号反处理则是发端处理的逆过程，即解调、放大等处理。在光纤数字通信系统中，电信号处理是指对基带信号进行放大、取样、量化，即脉冲编码调制（PCM ）和线路码型编码处理等，而电信号反处理也是发端的逆过程。对数据光纤通信，电信号处理主要包括对信号进行放大，和数字通信系统不同的是它不需要码型变换。 附：光纤通信的发展光纤通信是现代通信网的主要传输手段，它的发展历史只有一二十年，已经历三代：短波长多模光纤、长波长多模光纤和长波长单模光纤采用光纤通信是通信史上的重大变革，美、日、英、法等20多个国家已宣布不再建设电缆通信线路，而致力于发展光纤通信中国光纤通信已进入

9、实用阶段 光纤通信就是利用光波作为载波来传送信息，而以光纤作为传输介质实现信息传输，达到通信目的的一种最新通信技术。光纤通信的发展过程是以不断提高载波频率来扩大通信容量的过程，光频作为载频已达通信载波的上限，因为光是一种频率极高的电磁波 ，因此用光作为载波进行通信容量极大，是过去通信方式的千百倍，具有极大的吸引力，光通信是人们早就追求的目标，也是通信发展的必然方向。 光纤通信与以往的电气通信相比，主要区别在于有很多优点：它传输频带宽、通信容量大；传输损耗低、中继距离长；线径细、重量轻，原料为石英，节省金属材料，有利于资源合理使用；绝缘、抗电磁干扰性能强；还具有抗腐蚀能力强、抗辐射能力强、可绕性

10、好、无电火花、泄露小、保密性强等优点，可在特殊环境或军事上使用。 光纤通信的发展趋势光纤到家庭(FTTH)的发展FTTH所需要的光纤可能是现有已敷光纤的23倍。过去由于FTTH成本高,缺少宽带视频业务和宽带内容等原因,使FTTH还未能提到日程上来,只有少量的试验。近来,由于光电子器件的进步,光收发模块和光纤的价格大大降低;加上宽带内容有所缓解,都加速了FTTH的实用化进程。 发达国家对FTTH的看法不完全相同:美国AT&T认为FTTH市场较小,在0F62003宣称:FTTH在20-50年后才有市场。美国运行商Verizon和Sprint比较积极,要在1012年内采用FTTH改造网络。日本NTT

11、发展FTTH最早,现在已经有近200万用户。目前中国FTTH处于试点阶段。 FTTH遇到的挑战:现在广泛采用的ADSL技术提供宽带业务尚有一定优势。与FTTH相比:价格便宜利用原有铜线网使工程建设简单对于目前1Mbps500kbps影视节目的传输可满足需求。FTTH目前大量推广受制约。 对于不久的将来要发展的宽带业务,如:网上教育,网上办公,会议电视,网上游戏,远程诊疗等双向业务和HDTV高清数字电视,上下行传输不对称的业务,ADSL就难以满足。尤其是HDTV,经过压缩,目前其传输速率尚需19.2Mbps。正在用H.264技术开发,可压缩到56Mbps。通常认为对QOS有所保证的ADSL的最高

12、传输速串是2Mbps,仍难以传输HDTV。可以认为HDTV是FTTH的主要推动力。即HDTV业务到来时,非FTTH不可。 FTTH的解决方案:通常有P2P点对点和PON无源光网络两大类。 F2P方案一一优点:各用户独立传输,互不影响,体制变动灵活;可以采用廉价的低速光电子模块;传输距离长。缺点:为了减少用户直接到局的光纤和管道,需要在用户区安置1个汇总用户的有源节点。 PON方案优点:无源网络维护简单;原则上可以节省光电子器件和光纤。缺点:需要采用昂贵的高速光电子模块;需要采用区分用户距离不同的电子模块,以避免各用户上行信号互相冲突;传输距离受PON分比而缩短;各用户的下行带宽互相占用,如果用

13、户带宽得不到保证时,不单是要网络扩容,还需要更换PON和更换用户模块来解决。(按照目前市场价格,PEP比PON经济)。 实际上可表示为:通信输+交换。 光纤只是解决传输问题,还需要解决光的交换问题。过去,通信网都是由金属线缆构成的,传输的是电子信号,交换是采用电子交换机。现在,通信网除了用户末端一小段外,都是光纤,传输的是光信号。合理的方法应该采用光交换。但目前,由于目前光开关器件不成熟,只能采用的是“光-电-光”方式来解决光网的交换,即把光信号变成电信号,用电子交换后,再变还光信号。显然是不合理的办法,是效串不高和不经济的。正在开发大容量的光开关,以实现光交换网络,特别是所谓ASON-自动交

14、换光网络。 附：不同光纤的技术指标及其特性普通单模光纤普通单模光纤是指零色散波长在1 310 nm窗口的单模光纤，又称色散未移位光纤或普通光纤，国际电信联盟（ITUT）把这种光纤规范为G.652光纤。G.652属于第一代单模光纤，是1310 nm波长性能最佳的单模光纤。当工作波长在1310 nm时，光纤色散很小，色散系数D在03.5 ps/nmkm，但损耗较大，约为0.30.4 dB/km。此时，系统的传输距离主要受光纤衰减限制。在1 550 nm波段的损耗较小，约为0.190.25 dB/km，但色散较大，约为20 psnmkm。传统上在G.652上开通的PDH系统多是采用1310nm零色散

15、窗口。但近几年开通的SDH系统则采用1550nm的最小衰减窗口。另外，由于掺铒光纤放大器（Erbium Doped Fiber Amplifier，EDFA）的实用化，密集波分复用（DWDM）也工作于1550nm窗口，使得1550nm窗口己经成为G.652光纤的主要工作窗口。对于基于2.5 Gb/s及其以下速率的DWDM系统，G.652光纤是一种最佳的选择。但由于在1550nm波段的色散较大，若传输10 Gb/s的信号，一般在传输距离超过50km时，需要使用价格昂贵的色散补偿模块，这会使系统的总成本增大。色散补偿模块会引入较大的衰减，因此常将色散补偿模块与EDFA一起工作，置于EDFA两级放大

16、之间，以免占用链路的功率余度。G.652类光纤进一步分为A、B、C、D四个子类。G.652A光纤主要适用于ITUT G.951规定的SDH传输系统和G.691规定的带光放大的单通道直到STM16的SDH传输系统，只能支持2.5Gbs及其以下速率的系统。G.652B光纤主要适用于ITUT G.957规定的SDH传输系统和G.691规定的带光放大的单通道SDH传输系统直到STM64的ITUT G.692带光放大的波分复用传输系统，可以支持对PMD有参数要求的10 Gb/s速率的系统。G.652C光纤的适用范围同 B类相似，这类光纤允许G.951传输系统使用在1 3601 530 nm之间的扩展波段

17、，增加了可用波长数。G.652D光纤为无水峰光纤，其属性与G.652B光纤基本相同，而衰减系数与G.652C光纤相同，可以工作在13601530nm全波段。色散位移光纤G.653色散位移光纤，是在G.652光纤的基础上，将零色散点从1 310 nm窗口移动到1 550 nm窗口，解决了1 550 nm波长的色散对单波长高速系统的限制问题。但是由于EDFA在DWDM中的使用，进入光纤的光功率有很大的提高，光纤非线性效应导致的四波混频在G.653光纤上对DWDM系统的影响严重，G.653并没有得到广泛推广。主要原因是在1 550 nm窗口，G.653的色散非常小，比较容易产生各种光学非线性效应网。

18、非零色散位移光纤G.655非零色散位移光纤是在1 550 nm窗口有合理的、较低的色散，能够降低四波混频和交叉相位调制等非线性影响，同时能够支持长距离传输，而尽量减少色散补偿网。G.655光纤在1 550 nm波长区的色散值约为2 ps/nmkm。在1 550 nm处具有正色散的G.655光纤可以利用色散补偿其一阶和二阶色散。具有负色散的G.655光纤不存在调制不稳定性问题，对交叉相位调制不敏感。第二代G.655光纤包括低色散斜率光纤和大有效面积光纤。所谓色散斜率指光纤色散随波长变化的速率，又称高阶色散。DWDM系统中，由于色散斜率的作用，各通路波长的色散积累量是不同的，其中位于两侧的边缘通路

19、间的色散积累量差别最大。当传输距离超过一定值后，具有较大色散积累量通路的色散值超标，从而限制了整个WDM系统的传输距离。低色散斜率光纤具有更合理的色散规范值，简化了色散补偿。低色散斜率G，655光纤的色散值在0.05 ps/nmkm以下，在1 5301 565 nm波长范围的色散值为2.66.0 ps/nmkm，在1 5651 625 nm波长范围的色散值为4.08.6 ps/nm恤。其色散随波长的变化幅度比其他非零色散光纤要小3555，从而使光纤在低波段的色散有所增加，可以较好地压制四波混频和交叉相位调制影响，而另一方面又可以使高波段的色散不致过大，仍然可以使10 Gb/s信号传输足够远的距

20、离而无须色散补偿。大有效面积光纤具有较大的有效面积，可承受较高的光功率，因而可以更有效地克服光纤的非线性影响。超高速系统的主要性能限制是色散和非线性。通常，线性色散可以用色散补偿的方法来消除，而非线性的影响却不能用简单的线性补偿的方法来消除。提高光纤纤芯的有效面积，降低纤芯内的光功率密度，是解决非线性问题的方法之一。大有效面积光纤的有效面积达72以上，零色散点处于1 510 nm左右，其色散系数在1 5301 565 nm窗口内处于26 ps/nm km之内，而在1 5651 625 nm窗口内处于4.511.2 ps/nmkm之内，从而可以进一步减小四波混频的影响。G.656光纤是为了进一步

21、扩展DWDM系统的可用波长范围，在S（14601530 nm）、C（1 5301 565 nm）和L（1 5651 625 nm）波段均保持非零色散的一种新型光纤。（2）多模光纤。尽管单模光纤的品种不断出现，功能被不断地丰富和增强着，但多模光纤并没有被单模光纤所取代，而是仍然保持了稳定的市场份额，并且得到了不断的发展。在传输距离较短、节点多、接头多、弯路多、连接器和耦合器用量大、规模小、单位光纤长度使用光源个数多的网络中，使用单模光纤无源器件比多模光纤要贵，而且相对精密、容差小，操作不如多模器件方便可靠。多模光纤的芯径较粗，数值孔径大，、能从光源中耦合更多的光功率，适应了网络中弯路多、节点多、

22、光功率分路频繁、需要有较大光功率的特点。多模光纤的特性正好满足了这种网络用光纤的要求。单模光纤只能使用激光器（LD）作光源，其成本比多模光纤使用的发光二极管（LED）高很多。垂直腔面发射激光器（VCSEL）的出现，更增强了多模光纤在网络中的应用。VCSEL具有圆柱形的光束断面和高的调制速率，与光纤的耦合更容易，而价格则与LED接近。因此虽然仅从光纤的角度看，单模光纤性能比多模光纤好，但是从整个网络用光纤的角度看，多模光纤则占有更大的优势。多模光纤一直是网络传输介质的主体，随着网络传输速率的不断提高和VCSEL的使用，多模光纤得到了更多的应用，并且促进了新一代多模光纤的发展。1976年由康宁公司

23、开发的50/125 gm渐变折射率多模光纤和1983年由朗讯Bell实验室开发的62.5/125m渐变折射率多模光纤，是两种使用量比较大的多模光纤。这两种光纤的包层直径和机械性能相同，但传输特性不同。它们都能提供如以太网、令牌网和FDDI协议在标准规定的距离内所需的带宽，而且都能升级到Gb/s的速率。SO/IEC 11801所颁布的新的多模光纤标准等级中，将多模光纤分为OM1，OM2，OM3三类。其中OM1是指传统的62.5/125m多模光纤，OM2是指传统的50/125m多模光纤，0M3是指新型的万兆位多模光纤。 62.5/125m渐变折射率多模光纤（OM1）常用的62.5/125m渐变折射

24、率多模光纤是指IEC607932光纤产品规范中的Alb类型。它的诞生晚于50/125m渐变折射率多模光纤。由于62.5/125m光纤的芯径和数值孔径较大，具有较强的集光能力和抗弯曲特性，特别是在 20世纪90年代中期以前，局域网的速率较低，对光纤带宽的要求不高，因而使这种光纤获得了最广泛的应用，成为20世纪80年代中期至90年代中期的十年间在大多数国家中数据通信光纤市场中的主流产品。62.5/125m渐变折射率多模光纤是最先被美国采用为多家行业标准的一种多模光纤，如ATT的室内配线系统标准；美国电子工业协会（ETA）的局域网标准；美国国家标准研究所（ANSI）的100 Mb/s令牌网标准；IB

25、M的令牌环标准等。通常62.5125m渐变折射率多模光纤的带宽为200400 MHzkm，在1 Gb/s的速率下，850 nm波长可传输300 m，1 300 nm波长可传输550m。表2给出了62.5/125m渐变折射率多模光纤的一些典型光学特性参数。 50/125m渐变折射率多模光纤（OM2）普通的50/125m渐变折射率多模光纤是指IEC607932光纤产品规范中的Ala类型。历史上，为了尽可能地降低局域网的系统成本，普遍采用价格低廉的LED作光源，而不用价格昂贵的LD。由于LED输出功率低，发散角比LD大很多，连接器损耗大，而50/125m多模光纤的芯径和数值孔径都比较小，不利于与LE

26、D的高效耦合，不如芯径和数值孔径大的62.5/125m（Alb类）光纤能使较多的光功率耦合到光纤链路中去，因此，50/125m渐变折射率多模光纤在20世纪90年代中期以前没有被得到广泛的应用，而是主要在日本和德国被作为数据通信标准使用。自20世纪末以来，局域网向lGb/s速率以上发展，以LED作光源的62.5/125m多模光纤的带宽己经不能满足要求。与62.5/125m多模光纤相比，50/125m多模光纤数值孔径和芯径较小，带宽比62.5/125m多模光纤大，制作成本也降低1/3。因此，50/125m多模光纤重新得到了广泛的应用。IEEE802.3z千兆位以太网标准中规定50/125m多模和6

27、2.5/125m多模光纤都可以作为千兆位以太网的传输介质使用。但对新建网络，一般首选50/125m多模光纤。50/125m渐变折射率多模光纤中传输模的数目大约是62.5/125m多模光纤中传输模的1/2.5，有效地降低了多模光纤的模色散，使得带宽得到了显著的增加。随着850 nm低价格VCSEL的出现和广泛应用，850nm窗口重要性增加了。VCSEL能以比长波长激光器低的价格给用户提高网络速率。50/125m多模光纤在850nm窗口具有较高的带宽，使用低价格VCSEL能支持较长距离的传输，适合于千兆位以太网和高速率的协议，支持较长的距离。新一代多模光纤（OM3）传统的OM1和OM2多模光纤从标

28、准上和设计上均以LED方式为基础，随着网络速率和规模的提高，调制速率达到 Gb/s的短波长VCSEL激光光源成为高速网络的光源之一。由于两种发光器件的不同，必须对光纤本身进行改造，以适应光源的变化。为了满足10 Gb/s传输速率的需要，国际标准化组织/国际电工委员会（ISO/IEC）和美国电信工业联盟（ITATR42）联合起草了新一代多模光纤的标准。ISO/IEC在其所制定的新的多模光纤等级中将新一代多模光纤划为0M3类别。LED的最大调制速率一般只有600 MHz，由于调制速率的限制，使其在1 Gb/s以上的光纤网络中无法使用，故在1 Gb/s以上的高速网络中，发光器件主要采用激光器作光源。

29、但实验中发现，简单地使用激光器代替LED作光源，系统的带宽不但没有升高，反而降低。原因是在预制棒制作工艺中，光纤的轴心容易产生折射率凹陷。在使用LED作光源时，这种光纤中心折射率的畸变对信号的传输影响不大。原因是LED光源将光纤中的所有模式都激励，光功率被分配到每一个模式上，只有少数几个传播模的时延特性会受到光纤中心折射率畸变的影响。而当使用激光器作光源时，由于激光器的光斑和发散角都很小，只有在光纤中心传输的很少几个模式能被激励，每一个模式都携带着很大一部分光功率，光纤中心折射率畸变会对这几个被激励的少数模式的时延特性产生很大的影响，从而造成光纤带宽降低，如图所示。（3）多模光纤的带宽。光纤的

30、信号传输能力常用光纤带宽的概念表述。当光源的频谱宽度比信号的频谱宽度大得多时，可将光纤近似地看成一个线性系统，它起着低通滤波器的作用。光纤的传输函数会随着信号调制频率的增加而下降。当光纤的传输函数与信号调制频率为零时的传输函数相比下降一半时，此时的信号调制频率称为光纤的3 dB带宽。光纤带宽的单位为MHzkm，即指一段光纤所能通过的脉冲的最大调制频率与光纤长度的乘积。当光纤中传输的数据速率提高时，所能传送的距离就减小。一般而言，影响多模光纤性能的指标很多，但对其传输距离造成直接影响的主要是多模光纤的衰减和带宽参数。从理论上给出对多模光纤的带宽分析，无论是对指导多模光纤的制造，或是对光纤网络的信

31、号传输性能进行分析，都是非常有意义的。但由于带宽是一个表征多模光纤光学特性的综合指标，受到诸多因素的影响，如光源、耦合方式、光波导结构，以及接收器性能等。因此，从理论上进行这种分析是非常复杂的。附：目前光纤市场状况光纤通常在光网里传输的信息,一般速度都是xGbps的,电子开关不能胜任。一般要在低次群中实现电子交换。而光交换可实现高速XGbDs的交换。当然,也不是说,一切都要用光交换,特别是低速,颗粒小的信号的交换,应采用成熟的电子交换,没有必要采用不成熟的、大容量的光交换。当前,在数据网中,信号以“包”的形式出现,采用所谓“包交换”。包的颗粒比较小,可采用电子交换。然而,在大量同方向的包汇总后,数量很大时,就应该采用容量大的光交换。 目前,少通道大容量的光交换已有实用。如用于保护、下路和小量通路调度等。一般采用机械光开关、热光开关来实现。目前,由于这些光开关的体积、功耗和集成度的限制,通路数一般在816个。 电子交换一般有“空分”和“时分”方式。在光交换中有“空分”、“时分”和“波长交换”。光纤通信很少采用光时分交换。 光空分交换:一般采用光开关可以把光信号从某一光纤转到另一光纤。空分的光开关有机械的、半导体的和热光开关等。近来,采用集成技术,开发出MEM微电机光开关,其体积小到mm。已开发出1296x1296MEM光交换机(Lucent),属于试验性质的。 光波长交换:是对