光纤通信系统 顾畹仪 李国瑞 编著 zhangxia 主讲.

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1 光纤通信系统 顾畹仪 李国瑞 编著 zhangxia 主讲

2 课程的性质与任务 本课程是“通信工程”、“电子信息”、计算机应用等专业的一门专业课。这门课主要介绍了光纤通信的基本概念，基本组成，光纤的传输理论和特性，光端机的组成和特性；数字光纤通信系统及通信网络各项性能指标，光通信网的设计及 规划，光通信的新技术。

3 课程基本要求： 掌握光纤通信系统的基本组成； 了解光纤和光缆的结构和类型，光纤的传输原理和特性，光纤特性的测量；
了解 光源、光检测器和光无源器件的类型、原理和性质； 掌握光端机的组成和特性；数字光纤通信系统(PDH和SDH)； 了解光纤通信新技术 了解模拟光纤通信系统，包括副载波复用光纤通信系统；光纤通信的若干新技术，如光纤放大器、光波分复用技术、光交换技术、光孤子通信、相干光通信技术、光时分复用技术等； 了解光纤通信网络，包括单波长的SDH传送网，多波长的WDM全光网和光接入网。

4 主要内容 第1章 概述 第2章 光纤的传输理论 第3章 光源和光调制 第4章 光接收机 第5章 光纤通信系统和通信网 第6章 光纤通信新技术

5 课程的重点和难点 本课程的重点是光纤的传输特性、半导体器件工作原理、光同步传输网网络结构、光纤通信系统的设计、掺铒光纤放大器的性能与应用、密集波分复用技术和全光通信网的原理和关键技术。 本课程的难点是光纤传输的波动理论、无源光器件和有源光器件的原理，光接受机灵敏度的计算、它们涉及到光学原理和电磁场理论，教学中强调基本概念，避免繁琐的公式推导，着重讲解有用结论的物理意义。

6 教 学 方 式 以理论讲授为主，实验讲授及实际操作为辅。 考 核 方 式 闭卷考试 本课程通过二方面 进行考核： 作业20%，考 试80%

7 第一章 概 述 内 容（2学时） 1.1 通信网 1.2 光纤通信的发展与现壮 1.3 光纤通信的主要特性 1.4 光纤通信系统的组成和分类

8 基本要求 了解通信网的网络结构、光纤通信在通信网中的位置和作用、光通信的发展历史与发展前景、光通信的特点、组成。

9 1.1 通信网： （一）、通信系统 终端、传输线 （二）、通信网：多个通信系统的有机结合 终端、交换、传输设备组成

10 终端： 交换： 传输： 磁石话机、共电话机、脉冲话机、多频话机、 数字话机、 电传机、三类传真机、四类传真机、计算机
磁石交换机、共电交换机、纵横制交换机 模拟程控交换机、数字程控交换机、IP交换机 ATM交换机 传输： 电话线、铁线、铜线、载波、微波、光纤

11 1.2 光纤通信的发展与现状 1.2.1 早期的光通信 到了1880年，贝尔发明了第一个光电话，这一大胆的尝试，可以说是现代光通信的开端。
1.2 光纤通信的发展与现状 早期的光通信 到了1880年，贝尔发明了第一个光电话，这一大胆的尝试，可以说是现代光通信的开端。 在这里，将弧光灯的恒定光束投射在话筒的音膜上，随声音的振动而得到强弱变化的反射光束，这个过程就是调制。 大气作为光通道 213M 音膜 贝尔用弧光灯或者太阳光作为光源，光束通过透镜聚焦在话筒的震动片上。当人对着话筒讲话时，震动片随着话音震动而使反射光的强弱随着话音的强弱作相应的变化，从而使话音信息“承载”在光波上（这个过程叫调制）。在接收端，装有一个抛物面接收镜，它把经过大气传送过来的载有话音信息的光波反射到硅光电池上，硅光电池将光能转换成电流（这个过程叫解调）。电流送到听筒，就可以听到从发送端送过来的声音了。 贝尔电话系统

12 光纤通信 在大气光通信受阻之后，人们将研究的重点转入到地下光波通信的实验，先后出现过反射波导和透镜波导等地下通信的实验，如图1.2.2所示。（ ） 贝尔光电话和烽火报警一样，都是利用大气作为光通道，光波传播易受气候的影响，在大雾天气，它的可见度距离很短 ，遇到下雨下雪天也有影响。 图 反射波导和透镜波导

13 1966年，英籍华人高锟(K.C.Kao，当时工作于英国标准电信研究所)博士深入研究了光在石英玻璃纤维中的严重损耗问题，发现这种玻璃纤维引起光损耗的主要原因是其中含有过量的铬、铜、铁与锰等金属离子和其他杂质，其次是拉制光纤时工艺技术造成了芯、包层分界面不均匀及其所引起的折射率不均匀，他还发现一些玻璃纤维在红外光区的损耗较小。 在高锟理论的指导下，1970年美国的康宁公司拉出了第一根损耗为20dB/km的光纤。 1977年美国在芝加哥进行了44.736Mbit/s的现场实验，1978年，日本开始了32.064Mbit/s和97.728Mbit/s的光纤通信实验；1979年，美国AT&T和日本NTT均研制出了波长为1.55μm的半导体激光器，

14 日本也做出了超低损耗的光纤(损耗为0. 2dB/km，波长为1. 55μm)，同时进行了多模光纤(同时允许多个方向的光线在其中传送的光纤)1
日本也做出了超低损耗的光纤(损耗为0.2dB/km，波长为1.55μm)，同时进行了多模光纤(同时允许多个方向的光线在其中传送的光纤)1.31μm的长波长传输系统的现场试验。 70年代、80年代、90年代 光纤通信已经发展到以采用光放大器增加中继距离和采用波分复用增加传输容量为特征的第四代系统。 到如今，已开始采用全光网络,通信容量达到上千GMZ 1.3 光纤通信的主要特性 光纤通信的优点 1. 光纤的容量大 光纤通信是以光纤为传输媒介，光波为载波的通信系统，其 载波—光波具有很高的频率(约1014GHz)，因此光纤具有很大的 通信容量。

15 我们知道，电话线和电缆一般是不能跟高压电线平行架设的，也不能在电气铁化路附近铺设。
2. 损耗低、中继距离长 目前，实用的光纤通信系统使用的光纤多为石英光纤，此类光纤在1.55μm波长区的损耗可低到0.18dB/km，比已知的其他通信线路的损耗都低得多，因此，由其组成的光纤通信系统的中继距离也较其它介质构成的系统长得多。 如果今后采用非石英光纤，并工作在超长波长(＞2μm)，光纤的理论损耗系数可以下降到10-3～10-5dB/km，此时光纤通信的中继距离可达数千，甚至数万公里。 3. 抗电磁干扰能力强 我们知道，电话线和电缆一般是不能跟高压电线平行架设的，也不能在电气铁化路附近铺设。 4. 保密性能好 对通信系统的重要要求之一是保密性好。然而，随着科学技术的发展，电通信方式很容易被人窃听：只要在明线或电缆附近(甚至几公里以外)设置一个特别的接收装置，就可以获取明线或电缆中传送的信息。更不用去说无线通信方式 5. 体积小，重量轻 6. 节省有色金属和原材料

16 光纤通信的缺点 事物都是一分为二的，光纤通信有许多优点，因而发展很快，但光纤通信也有以下缺点。 1. 抗拉强度低 2. 光纤连接困难  1.4 光纤通信系统的组成和分类 光纤通信系统的组成 光纤通信系统是以光纤为传输媒介，光波为载波的通信系统。主要由光发送机、光纤光缆、中继器和光接收机组成。系统中光发送机的作用是将电信号转换为光信号，并将生成的光信号注入光纤。光发送机一般由驱动电路、光源和调制器组成。

17 光接收机的作用是将光纤送来的光信号还原成原始的电信号。它一般由光电检测器和解调器组成。
光纤的作用是为光信号的传送提供传送媒介(信道)，将光信号由一处送到另一处。 中继器分为电中继器和光中继器(光放大器)两种，其主要作用就是延长光信号的传输距离。 光纤通信系统的分类 根据调制信号的类型，光纤通信系统可以分为模拟光纤通信系统和数字光纤通信系统。 根据光源的调制方式，光纤通信系统可以分为直接调制光纤通信系统和间接调制光纤通信系统 根据光纤的传导模数量，光纤通信系统可以分为多模光 纤通信系统和单模光纤通信系统。 根据系统的工作波长，光纤通信系统可分为短波长光纤 通信系统、长波长光纤通信系统和超长波长光纤通信系统。

18 第2章 光纤的传输理论(10学时) 主 要 内 容 2.1、光纤的几何描述 2.2、光在光纤中的传输 2.3、光纤的模式 2.4、光纤的损耗
第2章 光纤的传输理论(10学时) 主 要 内 容 2.1、光纤的几何描述 2.2、光在光纤中的传输 2.3、光纤的模式 2.4、光纤的损耗 2.5、光纤的色散 2.6、单模光纤与光缆 2.7、光纤的非线性特性

19 重点、难点 掌握用射线方法分析光纤导光原理数值孔径和时延差； 掌握模式的有关概念； 掌握光纤的损耗、色散和非线性以及影响。
基本要求 掌握用射线方法分析光纤导光原理数值孔径和时延差； 掌握模式的有关概念； 掌握光纤的损耗、色散和非线性以及影响。 了解光纤的结构与分类； 了解常用光纤的主要特性参数； 了解光纤的模式理论。 重点、难点 光纤的波动理论、光纤的色散和非线性特性。

20 　　2.1 光纤几何描述 （一）光纤的结构： 本章首先介绍光纤的结构与类型，然后用射线光学理论和波动光学理论重点分析光在阶跃型光纤中的传输情况，

21 （二）光纤的分类： 石英系光纤：分为多模阶跃折射率光纤、多模渐变折射率 光纤和单模阶跃折射率光纤三种，如图1.1.3。
石英系光纤：分为多模阶跃折射率光纤、多模渐变折射率 光纤和单模阶跃折射率光纤三种，如图1.1.3。 多组份玻璃纤维：钠玻璃掺有适当杂质 塑料包层光纤 全塑光纤

22 1、 基本光学定义和定律 2.2、光在光纤中的传输 (光纤的射线理论分析) 光在均匀介质中是沿直线传播的，其传播速度为 v=c/n
1、 基本光学定义和定律 光在均匀介质中是沿直线传播的，其传播速度为 v=c/n 式中：c＝2.997×105km/s，是光在真空中的传播速度；n是介质的折射率(空气的折射率为 ，近似为1；玻璃的折射率为1.45左右)。

23 反射定律：反射光线位于入射光线和法线所决定的平面内，反射光线和入射光线处于法线的两侧，并且反射角等于入射角，即： θ1′ ＝θ1。
θ2 n1 n2 反射定律：反射光线位于入射光线和法线所决定的平面内，反射光线和入射光线处于法线的两侧，并且反射角等于入射角，即： θ1′ ＝θ1。 折射定律 ：折射光线位于入射光线和法线所决定的平面内，折射光线和入射光线位于法线的两侧，且满足： n1sinθ1=n2sinθ2

24 子午射线:光线始终在一个包含光纤中心轴线的平面内传播，并且一个传播周期与光纤轴线相交两次; 那个包含光纤轴线的固定平面称为子午面；
2 、光纤中光的传播 子午射线:光线始终在一个包含光纤中心轴线的平面内传播，并且一个传播周期与光纤轴线相交两次; 那个包含光纤轴线的固定平面称为子午面； 偏射线:光线在传播过程中不在一个固定的平面内，并且不与光纤的轴线相交. 一束光线从光纤的入射端面耦合进光纤时，光纤中光线的传播分两种情形：

25 阶跃型光纤是由半径为a、折射率为常数n1的纤芯和折射率为常数n2的包层组 成，并且n1>n2，如图下图所示。
（1）子午射线在阶跃型光纤中的传播 阶跃型光纤是由半径为a、折射率为常数n1的纤芯和折射率为常数n2的包层组 成，并且n1>n2，如图下图所示。 　　如果光在纤芯中传输必须满足全反射条件 :SinψC=n2/n1 那么光的最大入射角： sinθmax=n1sina(900-ΨC)=（n12-n22）1/2

26 1）、光纤的数字孔径：NA=（n12-n22）1/2 2）、 相对折射率差： 3)、 最大群时延 单位长度最大群时延：

27 渐变型光纤与阶跃型光纤的区别在于其纤芯的折射率不是常数，而是随半径的增加而递减直到等于包层的折射率。
（2.） 子午射线在渐变型光纤中的传播 渐变型光纤与阶跃型光纤的区别在于其纤芯的折射率不是常数，而是随半径的增加而递减直到等于包层的折射率。 对于渐变型多模光纤，同样，其导模不仅要满足全反射条件，还要满足相位一致条件。 在渐变型多模光纤中，低阶模由于靠近光纤轴线，其传播路程短，但靠近轴线处的折射率大，该处光线传播速度慢； 高阶模远离轴线，它的传播路程长，但离轴线越远折射率越小，该处光线的传播速度越快。适当的选择折射率 分布形式，可以使 不同入射角的光线 有大致相等的光程 抛物线 分布 双曲正割函数

28 （3.） 偏射线在光纤中的传播 子午射线的传播过程始终在一个子午面内，因此可以在二维的平面内来分析，很直观。而偏射线是一个不在一个平面内的空间曲线

29 2.3、光纤的模式(波动理论) 一）、介质平板波导中光的传输模式 均匀平面波的一般概念 所谓均匀平面波是指在与传播方向垂直的无限大的平面上，电场强度E和磁场强度H的幅度和相位都相等的波型，简称为平面波。平面波是非常重要的波型，一些复杂的波可以由平面波叠加得到。在折射率为n的无限大的介质中，一工作波长为λ0的平面波在其中传播，其波数为： 式中：k0是真空中的波数，ω是光的角频率，μ和ε分别是介质的导磁率和介电常数,设平面波传播方向的单位矢量为as，则k = as·k称为平面波在该介质中的波矢量。

30 导行波和辐射波的概念 当平面波由光密介质射向两介质分界面上时，根据入射角θ1的大小，可以产生两种类型的波：当入射角大于临界角时产生导行波，能量集中在光密介质及其界面附近；当入射角小于临界角时产生辐射波，一部分能量辐射到光疏介质中并在其中传播。对于光波导来说，导波是一种重要的波型。 1、分析步骤 基本波导方程式 介质平板波导中存在的传输模式 求解各模式的特征方程，分析传输条件和截止条件 2、过程 （1）波动方程 在均匀介质中，介质材料一般是线性和各向同性的，并且不存在电流和自由电荷，因此在无源区域，均匀、无损、简谐形式的麦克斯韦方程组为

31 法拉第电磁感应定律 安培环路定律 磁通连续性定律 高斯定律 对于各向同性的线性媒质：D=εE， B=μΗ 波动方程：

32 （２）基本波导方程式 将波导的纵轴定义成Z轴，设波导中能量是沿Z方向传播的，传输常数为β，ε不依赖于Z但随x，y变化，则波导中的电磁场可为 利用上述公式经过计算得

33 （3）、介质平板波导中存在的传输模式 根据解出的场分量EZ 和HZ的情况,导行波可以分成各种不同的模式,在介质中或在介质波导中可以存在的各种不同模式

34 （4）TE模式的特征方程(EZ=EX=HY=0, EY,HX,HZ≠0, EY=EY(x,y)e-iβz
设 奇TE模的特征方程 (5)传输常数的确定

35 特征方程

36 用作图的办法求传输常数 若设计一个多模介质波导 单模传输条件

37 波导中参数与模式数量的关系

38 （6）模式截止条件 当某模式在平板介质以外也有振荡形式的解,这个模式就是截止状态,表征这个解的参数是 临界状态 X是介质板的法线方向

39 (二)、阶跃折射率光纤的模式理论 1、光纤中存在的模式 TM0m：场分量沿圆周方向不变化HZ=Eφ＝Hr=0
TE0m 场分量沿圆周方向不变化Ez= Er = Hφ=0 HEVM 、EHVM混和模 2、各模式截止值的方程

40 3、光纤中的主模 归一化频率 光纤的归一化频率V=0时 ， HE11模才截止，即截止频率为0， 永不截止，故称为光纤中的主模。 4、单模传输条件：

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42 5、光纤中导模数量的计算 阶跃折射率光纤： M=V2/2 g=2时的渐变折射率光纤：M=V2/4 6、模功率分布 在纤芯中导模携带的功率为： 用同样的方法也可以计算导模在包层中携带的光功率 各层传输功率占总功率之比：

43 2.4、光纤的损耗 1、定义: 光波在光纤中传输随着传输距离的增加光功率下降的现象 2、分类
（一）、概念 1、定义: 光波在光纤中传输随着传输距离的增加光功率下降的现象 2、分类 （1）、吸收损耗：由制造光纤材料本身以及其中的过渡金属离子和氢氧根离子(OH－)等杂质对光的吸收而产生的损耗。 A、本征吸收损耗 本征吸收损耗在光学波长及其附近有两种基本的吸收方式。 紫外吸收损耗(短波长） 由光纤中传输的光子流将光纤材料中的电子从低能级激发到高能级时，光子流中的能量将被电子吸收,从而引起的损耗。 红外吸收损耗（长波长) 由于光纤中传播的光波与晶格相互作用时，一部分光波能量传递给晶格，使其振动加剧，从而引起的损耗。

44 B、杂质吸收损耗非固有损耗 光纤中的有害杂质主要有过渡金属离子，如铁、钴、镍、铜、锰、铬等和OH－。 （2）、散射损耗 A、瑞利散射 光纤材料的本征散射主要指瑞利散射，它是由于光纤中折射串在微观上的随机起伏所引起。石英光纤在加热拉制过程中，由于热骚动，使原子得到的压缩性不均匀，这使物质的密度不均匀，进而使折射率不均匀，这种不均匀性在冷却的过程中被固定下来。这种不均匀度与波长相比是小尺寸的，因此产生的散射称为瑞利散射。瑞利散射按I／λ4的比例产生损耗，在较长的波长上传输时，瑞利散射损耗大大减小。 B、波导散射损耗 光纤波导宏观上的不均匀性也会增加光纤的损耗，称之为波导散射损耗。波导散射损耗是由于波导尺寸、结构上的不均匀以及表面畸变引起模式转换或模式耦合所造成。由于不均匀性，一部分导模可能转换成辐射模，而产生附加损耗。 C、非线性散射损耗 当入射光功率很强时，光纤中存在两种非线性散射，它们都与石英光纤的振动激发态有关，分别为受激喇曼散射和受激布里渊散射。

45 （3）、辐射损耗（弯曲损耗） 光纤的弯曲有两种形式：一种是曲率半径比光纤的直径大得多的弯曲，我们习惯称为弯曲或宏弯；另一种是光纤轴线产生微米级的弯曲，这种高频弯曲习惯称为微弯。 光纤的弯曲会产生一定的辐射损耗 按照损耗机理损耗又可分为： 固有损耗： 本征吸收和瑞利散射 它决定了光纤的损耗极限。 非固有损耗：杂质吸收、波导散射、 非线性辐射、弯曲损耗

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48 （二）、参数 光纤损耗系数 即传输单位长度(1km)光纤所引起的光功率减小的分贝数，
一般用α表示损耗系数，单位是dB/km。用数学表达式表示为： 式中：L为光纤长度，以km为单位；P1和P2分别为光纤的输入和输出光功率，以mW或μW位。

49 2.5、光纤的色散： 2、分类 1）．模式色散又称模间色散
一、 概念 1、定义： 光信号的不同频率成分或不同模式在光纤中传输时传输速度不同而造成到达终端的时间不同从而形成时延差，这种现象称为光纤的色散。色散反应了光脉冲沿光纤传播时的展宽。 2、分类 1）．模式色散又称模间色散 　　 光纤的模式色散只存在于多模光纤中。每一种模式到达光纤终端的时间先后不同，造成了脉冲的展宽，从而出现色散现象。 　 　2）．材料色散 　　 含有不同波长的光脉冲通过光纤传输时，不同波长的电磁波会导致玻璃折射率不相同，传输速度不同就会引起脉冲展宽，导致色散。 　　 3）．波导色散又称结构色散 　　 它是由光纤的几何结构决定的色散，其中光纤的横截面积尺寸起主要作用。光在光纤中通过芯与包层界面时，受全反射作用，被限制在纤芯中传播。但是，如果横向尺寸沿光纤轴发生波动，除导致模式间的模式变换外，还有可能引起一少部分高频率的光线进入包层，在包层中传输，而包层的折射率低、传播速度大，这就会引起光脉冲展宽，从而导致色散。 　　 光纤的色散现象对光纤通信极为不利。光纤数字通信传输的是一系列脉冲码，光纤在传输中的脉冲展宽，导致了脉冲与脉冲相重叠现象，即产生了码间干扰，从而形成传输码的失误，造成差错。为避免误码出现，就要拉长脉冲间距，导致传输速率降低，从而减少了通信容量。另一方面，光纤脉冲的展宽程度随着传输距离的增长而越来越严重。因此，为了避免误码，光纤的传输距离也要缩短。

50 二、色散（带宽）的描述 4）、偏振模色散（PMD）
又称光的双折射 　　单模光纤只能传输一种基模的光。基模实际上是由两个偏振方向相互正交的模场HE11x和HE11y所组成。若单模光纤存在着不圆度、微弯力、应力等，HE11x和HE11y存在相位差，则合成光场是一个方向和瞬时幅度随时间变化的非线性偏振，就会产生双折射现象，即x和y方向的折射率不同。因传播速度不等，模场的偏振方向将沿光纤的传播方向随机变化，从而会在光纤的输出端产生偏振色散。PCVD工艺生产出的单模光纤具有极低的偏振模色散（PMD）。 二、色散（带宽）的描述 　　 色散系数的定义是：单位光源光谱宽度、单位光纤长度所对应的光脉冲的展宽（延时差）[ps/（nm.km）]。

51 2.6、单模光纤与光缆 一、 单模光纤 一）、 单模光纤的基本分析 1、横向电场分量： 2、传输常数 3、截止波长

52 4、近似分布： 近似高斯分布 最大

53 5、模场直径： 用来表征在单模光纤的纤芯区域基模光的分布状态。 基模在纤芯区域轴心线处光强最大，并随着偏离轴心线的距离增大而逐渐减弱，如右图所示。一般将模场直径定义为光强降低到轴心线处最大光强的1/e的各点中两点最大距离。模场直径的大小与所使用的波长有关系，随着波长的增加模场直径增大。1310nm典型值：9.2±0.5µm，1550nm典型10.5±1.0µm。

54 二）、 单模光纤的结构 凹陷型 W型 常规型 多层结构作用 （1）减小基模的损耗 (2) 得到纤芯半径较大的单模光纤

55 三） 单模光纤的频率色散 1、单模光纤频率色散的计算 单位长度的光纤中的传输时延 单位长度的光纤的时延差 N1=n1+ 无模式色散
三） 单模光纤的频率色散 1、单模光纤频率色散的计算 无模式色散 单位长度的光纤中的传输时延 单位长度的光纤的时延差 单位频率单位长度的时延差 三项 材料色散 材料色散 波导色散 （二) (三） （一） N1=n1+ （群折射率）

56 2、单模光纤的零频率色散 单模光纤的材料色散和波导色散在适当的波长可以互相抵消 材料色散 波导色散 1.5—2.4

57 波导色散 材料色散 我们

58 四）、 单模光纤的极化 单模光纤的极化演化 极化色散

59 ２、极化色散 对于弱导行光纤，βy 和βx之差为

60 3、单模单极化光纤 在单模光纤的许多应用中，例如单模光纤通信系统或集成光路的激发等许多应用中，都要求双折射很小或者要求输出极化保持恒定，这就提出了单模单极化光纤的问题。解决这个问题往注从下述三个方面入手： 第一个方法是减小单模光纤的不完善性，尽量减小其椭圆度、减小其内部残余应力，以尽量减小单模光纤中的双折射； 第二个方法是制作尽可能高的双折射光纤，使两个基模的传输系数之差很大，使光纤微扰产生的耦合作用很小，当光纤输入端激发起某一个极化方向的基模时，可以在较长的距离里保持它的主导地位，从而得到单模单极化传输； 第三个方法是把光纤设计成水平极化或垂直极化被，使两个极化方向的模式的传输损耗不等，以致使其中一个截止，得到绝对单模光纤。 制作椭圆光纤或在光纤内形成强内应力是增加双折射的有效方法，用这种方法制作的几种高双折射光纤如图1．5.6所示。绝对单模光纤的制作方法是在轴对称的折射率分布里加进两个折射率深谷，其结构如图1．5．7所示。

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62 1、常规单模光纤 五)、 单模光纤的发展与演变 （1—6ps/nm.km），从而既能适应高速系统对带宽的要求，有能使FWM
常规单模光纤(G.652光纤)，其结构多采用阶跃型或者下陷包层型折射率 分布。这种光纤的零色散波长在1.31μm，在该波长上有较低的损耗和很大 的带宽，曾经大量敷设，在光纤通信中扮演过重要角色。 的性能。 2、色散位移光纤 G.653光纤。这种光纤的基本设计思路是通过结构和尺寸的适当选择来加 大波导色散，使零色散波长从1.3l μm移到1.55μm, G.653光纤在80年代 末和90年代初被认为是富有应用前景的理想光纤。 3、非零色散位移光纤（NZ-DSF） G.655光纤，在1.53μm μm波长区域内具有较小的但非零的色散 （1—6ps/nm.km），从而既能适应高速系统对带宽的要求，有能使FWM 效率不高。 Nz—DSF光纤的纤芯采用三角形或梯形折射率分布，如图1.5.8所示。 它的色散在1530—1565nm(EDFA的工作波长)范围内可以是正的，也可以是 负的。若零色散波长小于1530nm ，则为正色散：若零色散波长大于1565nm， 则为负色散。从而实现长距离上的色散管理。 G.651光纤称为渐变型多模光纤，这种光纤在光纤通信发展初期广泛应用于中小容量、中短距离的通信系统中。

63 4、大有效面积光纤 Nz—DSF光纤的缺点是模场直径较小，容易加剧非线性光学效应的影响。 为了克服这— 缺点，同时也便于接续，人们又研制了大有效面积NZ—DSF 光纤。图1.5.9给出康宁玻璃公司研制的两种大有效面积Nz—DSF光纤的 折射 率分布。一种是三角形+外环结构，另一种是双环结构。三角形和内环 纤芯的作用是将零色散波长移向l. 55μm”，外环的作用是把光从中心吸引出来 一部分，增大有效面积，减少微弯损耗。 5、色散补偿光纤 色散补偿光纤。这种光纤在1.550 μm波段产生大的负色散，当与G.652 光纤连接使用时，可以抵销G．652光纤的正色散。 ． 图1.5.9 大有效而积Nz -DSF的折射率分布

64 二、光 缆 （一） 光缆特性 1. 拉力特性 光缆能承受的最大拉力取决于加强构件的材料和横截面积，一般要求大于1km光缆的重量，多数光缆在100～400kg范围。 2. 压力特性 光缆能承受的最大侧压力取决于护套的材料和结构，多数光缆能承 受的最大侧压力在100～400kg/10cm。 3. 弯曲特性 弯曲特性主要取决于纤芯与包层的相对折射率差Δ以及光缆的材料和 结构。 4. 温度特性 光纤本身具有良好的温度特性。

65 不良的成缆工艺，把光纤制成光缆后，会带来附加损耗，称之为成缆损耗。
（二 ） 成缆对光纤特性的影响 1. 成缆的附加损耗 不良的成缆工艺，把光纤制成光缆后，会带来附加损耗，称之为成缆损耗。 2. 机械强度增加 一般光纤的断点强度约为1～5kg，而由于光缆结构中加入了加强构件、护套、甚至铠装层等，因此其断点强度远大于上述值；不仅如此，光缆的抗侧压、抗冲击和抗扭曲性能都有明显增强。

66 图3.14 光纤和光缆的温度特征 3. 成缆可以改善光纤的温度特性
图3.14 光纤和光缆的温度特征 3. 成缆可以改善光纤的温度特性 套塑光纤或带有表面涂层的光纤，它的损耗随温度变化如图3.14中虚 线所示。 把光纤制成光缆，温度特性会得到相当大的改善，如图3.14中的实线所示。

67 （三 ）、光缆的结构 (2) 护层 光缆护层同电缆护层的情况一样，是由护套和外护层构成的多层组合 光缆的结构一般分为缆芯和护层两大部分。
(1) 缆芯 在光缆的构造中，缆芯是主体，其结构是否合理，与光纤的安全运行关系很大。一般来说，缆芯结构应满足以下基本要求：光纤在缆芯内处于最佳位置和状态，保证光纤传输性能稳定，在光缆受到一定的拉力、侧压力等外力时，光纤不应承受外力影响；其次缆芯内的金属线对也应得到妥善安排，并保证其电气性能；另外缆芯截面应尽可能小，以降低成本和敷设空间。 (2) 护层 光缆护层同电缆护层的情况一样，是由护套和外护层构成的多层组合 体。其作用是进一步保护光纤，使光纤能适应在各种场地敷设，如架空、 管道、直埋、室内、过河、跨海等。对于采用外周加强元件的光缆结构， 护层还需提供足够的抗拉、抗压、抗弯曲等机械特性方面的能力。

68 3、 光缆的典型结构 光缆的基本结构按缆芯组件的不同一般可以分为层绞式、骨架式、束管式和带状式四种，如图2.21所示。我国及欧亚各国用的较多的是传统结构的层绞式和骨架式两种。 图2.21光缆的典型结构示意图

69 (1) 层绞式结构 层绞式光缆的结构类似于传统的电缆结构方式，故又称为古典式光缆。 (2) 骨架式结构 骨架式光缆中的光纤置放于塑料骨架的槽中，槽的横截面可以是V形、 U形或其他合理的形状，槽的纵向呈螺旋形或正弦形，一个空槽可放置5~10 根一次涂覆光纤。 (3) 束管式结构 束管式结构的光缆近年来得到了较快的发展。它相当于把松套管扩 大为整个纤芯，成为一个管腔，将光纤集中松放在其中 (4) 带状式结构 带状式结构的光缆首先将一次涂覆的光纤放入塑料带内做成光纤带， 然后将几层光纤带叠放在一起构成光缆芯。

70 （ 四）、光缆的种类与型号 1. 光缆的种类 光缆的种类很多，其分类方法也很多，习惯的分类有：
根据光缆的传输性能、距离和用途，光缆可以分为市话光缆、长途光缆、海底光缆和用户光缆； 根据光纤的种类，光缆可以分为多模光缆、单模光缆； 根据光纤套塑的种类，光缆可以分为紧套光缆、松套光缆、束管式新型光缆和带状式多芯单元光缆； 根据光纤芯数的多少，光缆可以分为单芯光缆和多芯光缆等等； 根据加强构件的配置方式，光缆可以分为中心加强构件光缆(如层绞式光缆、骨架式光缆等)、分散加强构件光缆(如束管式光缆)和护层加强构件光缆(如带状式光缆)； 根据敷设方式，光缆可以分为管道光缆、直埋光缆、架空光缆和水底光缆； 根据护层材料性质，光缆可以分为普通光缆、阻燃光缆和防蚁、防鼠光缆等。

71 光缆的种类较多，同其他产品一样，具有具体的型式和规格。
2. 光缆的型号［6］ 光缆的种类较多，同其他产品一样，具有具体的型式和规格。 (1) 光缆的型式代号 光缆的型式代号是由分类、加强构件、派生(形状、特性等)、护套和外护层五部分组成，如图2.22所示。 图2.22 光缆的型式代号

72 GY：通信用室(野)外光缆； 无符号：金属加强构件；  ① 光缆分类代号及其意义 GR：通信用软光缆；
① 光缆分类代号及其意义 GY：通信用室(野)外光缆； GR：通信用软光缆； GJ：通信用室(局)内光缆； GS：通信用设备内光缆； GH：通信用海底光缆；  GT：通信用特殊光缆； GW：通信用无金属光缆。 ② 加强构件的代号及其意义 无符号：金属加强构件；  F：非金属加强构件； G：金属重型加强构件； H：非金属重型加强构件。

73 B：扁平式结构；  Y：聚乙烯护套；  ③ 派生特征的代号及其意义 Z：自承式结构； T：填充式结构；  S：松套结构。
③ 派生特征的代号及其意义 B：扁平式结构；  Z：自承式结构； T：填充式结构；  S：松套结构。 注：当光缆型式兼有不同派生特征时， 其代号字母顺序并列。 ④ 护套的代号及其意义 Y：聚乙烯护套；  V：聚氯乙烯护套； U：聚氨酯护套；  A：铝、聚乙烯护套； L：铝护套；  Q：铅护套； G：钢护套；  S：钢、铝、聚乙烯综合护套。

74 光纤的规格代号是由光纤数目、光纤类别、光纤主要尺寸参数、传输性能和适用温度五部分组成，各部分均用代号或数字表示。
⑤ 外护层的代号及其意义 外护层是指铠装层及铠装层外面的外被层，参照国标GB 的规定，外护层采用两位数字表示，各代号的意义如表2.4所示。 (2) 光纤的规格代号 光纤的规格代号是由光纤数目、光纤类别、光纤主要尺寸参数、传输性能和适用温度五部分组成，各部分均用代号或数字表示。 ① 光纤数目 用光缆中同类别光纤的实际有效数目的阿拉伯数字表示。

75 J：二氧化硅系多模渐变型光纤； 用阿拉伯数字(含小数点)以μm为单位表示多模光纤的芯径/包层直径或单模光纤的模场直径/包层直径。
② 光纤类别的代号及其意义  J：二氧化硅系多模渐变型光纤； T：二氧化硅系多模阶跃型(突变型)光纤； Z：二氧化硅系多模准突变型光纤； D：二氧化硅系单模光纤； X：二氧化硅纤芯塑料包层光纤； S：塑料光纤。 ③ 光纤的主要尺寸参数代号及其意义 用阿拉伯数字(含小数点)以μm为单位表示多模光纤的芯径/包层直径或单模光纤的模场直径/包层直径。 ④ 传输性能代号及其意义 光纤的传输特性代号是由使用波长、损耗系数、模式带宽的代号(分别为a、bb、cc)构成。

76 其中a表示使用波长的代号，其数字代号规定如下：
1：使用波长在0.85μm区域； 2：使用波长在1.31μm区域； 3：使用波长在1.55μm区域。 bb表示损耗系数的代号，其数字依次为光缆中光纤损耗系数值(dB/km)的个位和十分位。 cc表示模式带宽的代号，其数字依次是光缆中光纤模式带宽数值(MHz·km)的千位和百位数字。单模光纤无此项。 注意：同一光缆适用于两种以上的波长，并具有不同的传输特性时，应同时列出各波长上的规格代号，并用"/"划开。 ⑤ 适用温度代号及其意义 A：适用于-40℃ ~ +40℃；  B：适用于-30℃ ~ +50℃； C：适用于-20℃ ~ +60℃； D：适用于-5℃~ +60℃。

77 2.7、光纤的非线性特性 一、非线性光学效应 1、产生的机理
当介质受到光场的作用时，组成介质的原子或分子内的电子相对于原子核发生微小的位移或振动，使介质产生极化，也就是说光场的存在使得介质的特性发生了变化。极化后介质内出现了偶极子，这些偶极子能辐射出相应频率的电磁波。这种感生的辐射场叠加到原入射场上，便是介质内的总光场。这说明介质特性的改变又反过来影响了光场。这一过程由极化强度矢量P(r，t)与电场强度矢量E(r，t)的关系来描述。 光波在介质中传播，满足波动方程；

78 如果： 线性的 强电场作用使得电极化强度P是E的非线性函数。因为外界施加的光电场
与原子间或晶格内的场相比一般是小的，既使用聚焦的激光束，这一非线性 通常也很弱。对于小光场E，P与E的关系近似为线性，当E增强时P与E略微 偏离线性关系。在这样的条件下，描写P与E关系的函数可以围绕E＝0展开 成泰勒级数，如下式所示：

79 在半导体、介质晶体中的典型值 = 二阶非线性系数x(2将产生如二次谐波及和频等一‘系列非线性效应。但它只在某些分子结构不对称的介质中才不为零。因为sio2是对称分子，因而对石英玻璃x(2)，为零，所以光纤通常不表现出二阶非线性效应。但光纤纤芯中的掺杂物在特定的条件下也会产生二次谐波。对光纤主要讨论三阶非线性效应。 2、非线性光学效应 1）、非线性折射。 由于三阶非线性系数的作用，使得折射率依赖于光强，如下式：

80 假设电场是线偏振的 折射率对光强度的依赖特性引起大量有趣的非线性效应，其中 两个应用最广泛的是自相位调制(SPM)和交叉相位调制(XPM— Cfoss Ph3se Modulatlon)效应。 （ 1）、自相位调制 自相位调制是指传输过程中光脉冲由于自身光场引起相位变 化，导致光脉冲频谱扩展的现象。自相位调制与“自聚焦”现象 有密切联系，实际上，自相位调制现象最早就是通过光脉冲 在充满二硫化碳(CS2)的盒子中传输时的瞬态自聚焦现象观察 到的。

81 光脉冲在光纤中传播相位改变为： ΨNL与光场强度的平方成正比，是光纤非线性作用引起的相位 变化，由此可产生光纤的自相位调制。从原理上讲自相位调 制可用来实现调相。但实现调相需要很强的光强，且须选择n2， 大的材料。自相位调制的真正应用是在光纤中产生光孤子，实 现光弧子通信。这是光纤非线性特性的重要应用。

82 （ 2）．交又相位调制 当几个不同波长的光波在光纤中同时传输时，光波之间将通过光 纤的非线性而发生相互作用。此时介质对某一波长的有效折射率 不仅与该波长波的强度有关，而且与传输的其他波的强度有关。 交叉相位调制就是指光纤中传输的某一波长的光波〔光场为E1)与 同时传输的另一不同波长的光波(光场为E2)相互作用而引起的相 移。光场为E1的光波的相移ΨNL可表示为： 前一项是由自相位调制引起，后一项即为交叉相位调制引起。 交叉相位调制使传输的光脉冲的频谱不对称地展宽。 交叉 相位调制引入了光波与光波之间的耦合，在光纤中产生了大 量的有趣的非线性效应。

83 它包括不同频率、相同偏振的波之间以及同一频率但不同偏振
的波之间的耦合。利用交叉相位调制引入的非线性双折射，开 发出了“光克尔(kerr)开关”和强度鉴别器两种实用器件。 光克 尔效应是指利用强泵浦光作用于一个各向同性的非线性介质， 将产生交叉相位调制，使强光信号对相对较弱的信号的传输产 生影响。这一效应在1ps量级延迟时间的光开关中有应用前景。 克尔开关的工作原理如图3．4．2所示。

84 向与y方向的折射率改变。当无泵浦信号时，试探信号无法通过检偏器。注入强泵浦光信号后，在X、y两方向的折射率将发生不等的变化，因此改变了试探信号的偏振方向，使之可通过检偏器而到达检测器，即开关呈“开”状态。为了在实验中观察到光克尔效应，需要使用保偏光纤。 在一个多信道复用的系统中，自相位调制和交叉相位调制两者共同作用改变各信道光场的相位。如果信息通过幅度调制传输，并且采用非相干解调的方式，像在直接检测系统中那样，非线性相位改变对系统性能影响不严重。然而，如果用相干技术解调，相位改变就会严重限制系统的性能。 2）受激非弹性散射: 光和物质相互作用发生了能量间的部分交换.俗称非弹性散射。受激非弹性散射为其特殊的一种, 散射光子与种子光子是全同光子。根据参与能量交换的声子能量的大小, 分为受激布里渊散射(SBS)和受激拉曼散射

85 （1）．受激喇曼散射 受激喇曼散射是光纤中很重要的非线性过程。它可看作是介质中 分子振动对入射光(标为泵浦光)的调制。设入射光的频率为ωι， 介质的分子振动频率为ωυ，则散射光的频率为ωs＝ ωι一ωυ ωas= ωι+ ωυ这种现象叫做受激喇曼散射。所产生的频率ωs 的散射光叫斯托克斯波(stokcs)，频率为ωas 的散射光叫反斯托克 斯波。 对斯托克斯波可用物理图像描述如下 一个人射的光子消失，产生了一个频率下移的光子(即stokes波) 和一个有适当能量和动量的光子，在这个过程中能量和动量守恒。 受激喇曼散射效应在波分复用系统中，会引起系统中各信道之间 的串话，对通信性能带来不良影响。在喇曼散射过程中，短波长的 信道将会充当泵浦源而将能量转移给长波长的信道，从而引起信道 间的串话。这就限制了系统的传输功率。对于单信道系统，光纤中 受激喇曼放大效应的阈值功率仍远大于目前通信系统使用的光源人 纤功率，因而不会对系统的特性产生严重影响。

86 （2）．受激布里渊散射 受激布里渊散射与受激喇曼散射在物理过程上十分相似，入射频 率为ωρ的泵浦光波特一部分能量转移给频率ωs斯托克斯波，并 发出频率为Ω的声波，可表示为： Ω＝ωρ一ωs 受激布里渊散射与受激喇曼散射在物理本质上稍有差别。受激喇 曼散射的频移量在光频范围属光学分支，而受激布里渊散射的频移 量在声频范围，属声学分子。另外，光纤中的受激喇曼散射发生在 前向，即斯托克斯波和泵浦光波传播方向相同，而受激布里渊散射 发生在后向，其斯托克斯波和泵浦光波传播方向相反。光纤中的受 激布里渊散射的阈值功率比受激喇曼散射的低得多。在光纤中，一 旦达到受激布里渊散射阈值，将产生大量的后向传输的斯托克斯波 例如，当输入功率超过5mw时，会有65％的功率转换成斯托克斯光。 这一方面损耗了信号功率．另一方面反向传输的斯托克斯光将反馈给 激光器，使激光器工作不稳定。这些都将对光通信系统产生不良影响。另一方面，受激布里渊散射又可用来构成布里渊放大器和激光器等另一方面，受激布里渊散射又可用来构成布里渊放大器和激光器等 光纤元件。在连续波的情况下，受激布里渊散射易于产生，因为它的 阈值相对较低。但脉冲工作情况下，如果脉冲宽度T0＜10 ns，则 受激布里渊散射将会减弱或被抑制。

87 3）、四波混频 从形式上看，式中正负号决定的几个不同频率的光场都可能存 在。但是要有显著的四波混频现象发生，必须要求频率及波矢 匹配。即满足相位的匹配条件： 其相位匹配条件相对较易满足，四波混频过程较易发生，而其他 组合都不能有效地产生。在波分复用系统中，特别是当信道间隔 很小的时候，可能有相当大的倍道功率通过四波混频过程被转换 到新的光场中去。这一转换一方面直接导致信道功率损耗，另一 方面还会产生串话，引起信道问干扰。

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