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光传输通信基本原理

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：

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：

（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。

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

。

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：

n1r小于等于a1时

n（r）=

n2r

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：

（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

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:

定义：

所谓散射衰耗是指光在光纤中发生散射时所引起的衰耗。

光的散射现象可分为线性散射与非线性散射。

A.线性散射衰耗-----瑞利散射

所谓线性散射，是指光波的某种模式的功率线性地（与其功率成正比）转换成另一种模式的功率，但光的波长不变。

线性散射会把光功率辐射到光纤外部而引起衰耗。

瑞利散射是典型的线性散射，它与波长的2次方成反比，即光波长越长，瑞利散射衰耗越小。

光纤材料不均匀，会造成其折射率会布不均匀，易产生瑞利散射。

B.非线性散射衰耗

所谓非线性散射，是指某光波长模式的部分功率非线性地转换到其它的波长中。

布里渊散射与拉曼散射是典型的非线性散射。

如果光纤中的光功率过大，就会出现非线性散射现象。

因此防止发生非线性散射的根本方法，就是不要使光纤中的光功率信号过大，如不超过+25dBm。

其它衰耗

其它衰耗包括微弯曲衰耗与连接衰耗等；它们占的比例很小。

总之，在影响光纤衰耗的诸多因素中，最主要的是杂质吸收所引起的衰耗。

光纤材料中的杂质如氢氧根离子与过渡金属离子对光的吸收能力极强，它们是产生光纤衰耗的主要因素。

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非常严格的化学提纯，使其杂质的含量降到几个PPb以下。

三、光纤的色散：

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。

对于多模光纤引起色散的原因主要有三种：

模式间色散、材料色散与波导色散。

对于单模光纤，因只有一种传输模式（HE11，LP01），所以没有模式间色散，而只有材料色散与波导色散。

模式间色散

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。

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。

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。

四、光纤的带宽

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。

如下图所示：

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。

注意，单模光纤没有带宽系数的概念，仅有色散系数的概念。

五、光纤的数值孔径（NA）

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°。

六、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）。

七、截止波长λc

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。

第五节、光源对光器件的要求

一、光纤通信对光源器件的要求

1、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

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

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。

2、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

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

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）。

第六节、光发送机与光接收机的性能指标

一、光发送机

1、光功率单位

顺便介绍一下3个单位之间换算关系。

xdB=ydBm-zdBm=10lg（ymW/zmW）dB是以dBm为单位的两个光信号功率的差值。

xdBm=10lg（ymW/1mW）dBm是以mW为单位光信号功率的一种换算单位

2、发送光功率Ps

在规定伪随机码序列的调制下，光发送机在参考点S的平均发光功率。

如-3~+2dBm。

二、光接收机

1、接收灵敏度

定义为R点处为达到1×10-10的BER值所需要的平均接收功率的最小值。

一般开始使用时、正常温度条件下的接收机与寿命终了时、处于最恶劣温度条件下的接收机相比，灵敏度余度大约为2—2dB。

一般情况下，对设备灵敏度的实测值要比指标最小要求值（最坏值）大3dB左右（灵敏度余度）。

2、过载光功率

定义为在R点处为达到1×10-10的BER值所需要的平均接收光功率的最大值。

因为，当接收光功率高于接收灵敏度时，由于信噪比的改善使BER变小，但随着光接收功率的继续增加，接收机进入非线性工作区，反而会使BER下降，如图6-3所示。

BER曲线图

图中A点处的光功率是接收灵敏度，B点处的光功率是接收过载功率，A—B之间的范围是接收机可正常工作的动态范围。

第七节、光接口特性

一、光接口类型与代码

①第一类光接口

不含光放大器以及线路速率低于10G/s的接口。

光接口代码：

W---y.z

W:

I-代表局内通信；S-代表短距离通信；

L-代长距离通信；V-代表甚长距离通信；

U-代表超长距离通信。

Y:

代表STM等级，Y=1、2、16、62。

Z：

代表使用光纤类型与工作窗口；

1---G.652光纤，工作波长为1310nm；

2---G.652光纤，工作波长为1550nm；

3---G.653光纤，工作波长为1550nm；

5---G.655光纤，工作波长为1550nm。

例：

L-16.2：

工作在G.652光纤的1550nm波长区，传输速率为2.5G的长距离光接口。

S-16.1：

工作在G.652光纤的1310nm波长区，传输速率为2.5G的短距离光接口。

应用代码：

I表示局内通信，S表示短距离、L表示长距离、

V表示甚长距离、U表示超长距离局间通信。

字母后第一位

数字表示STM等级，第二位数字表示光纤类型和工作波长。

应用代码：

I表示局内通信，S表示短距离、L表示长距离、

V表示甚长距离、U表示超长距离局间通信。

字母后第一位

数字表示STM等级，第二位数字表示光纤类型和工作波长。