i光纖和光纜通信基本知識 1 12.光信號在光纖內的傳輸原理 1 2 44.1衰耗系數(衰減) 4.3帶寬Bc、數值孔徑NA、模場直徑d和截止波長c等概念 10 6.接收、發送模塊介紹 11 191光纖和光纜通信基本知識光纖呈圓柱形由纖芯包層與涂層三大部分組成，如下圖包層n2涂層包層n2纖芯n1包層n2涂層d1 d2纖芯主要采用高純度的sio2二氧化硅并摻有少量的摻雜劑，提高纖芯的光折射率n13包層也是高純度的二氧化硅，也摻雜一些摻雜劑，主要是降低包層的光折射率n2；涂層采用丙烯酸酯硅橡膠尼龍增加機械強度和可彎光纜是多根光纖放在放在一個松套管內內沖石油膏和鋼絲形成的海底光纜內還有電源線，主要為中繼站的放大器等提供電源為了保證光信號在光纖中能進行遠距離傳輸，進行全反射，才能保證衰減最小，色散最小，條件為：一定要使光信號在光纖中反復到達遠端實現全反射的兩個1、一定要使光纖纖芯的折射率n1大于光纖包層的折射率N2；2、光入光纖的光線向纖芯...包層界面入射時，入射角應大于臨界角c2θ1θ1Aθ2B光的折射和反射定律：入射角=反射角所以Lθ=Lθ2角，θ繼續增大，則形成全反射，無折射進入光纖的光在光纖的纖芯...包層界面上的入射角大于臨界角時在交界面內發生全反射，而入射角小于臨界角的光就有一部分進入包層被很快衰減掉前者的傳輸衰減小，能遠距離傳輸，稱為傳導模能滿足全反射條件的光線也只有某些以特定的角度射入光纖端面的部分才能在光纖中傳輸，因此，不同模式的光傳輸方向不是連續改變的當通過同樣一段光纖時以不同角度入射后，光信號在光纖中所走的路徑也不一樣沿光纖軸前進的光走的路徑最短，而與軸線交角大的光所走的路徑長按傳播模式分類....多模光纖和單模光纖光是一種頻率極高的電磁波頻率約為3x10E14Hz它在波導光纖中傳播時根據波動光學理論和電磁場理論，當波導光纖纖芯的幾何尺寸遠大于光波波長時光在波導光纖中會以幾十種或更多的傳播模式進行傳播多模光纖纖芯的幾何尺寸遠大于光波波長，一般在50um左右，光信號是以多個模式方式進行傳播的光信號的波長以主縱模為準不同的傳播模式會具有不同的傳播速度和相位因此經過長距離的傳播之后會產生時延，導致光脈沖變寬，叫做光纖的模式色散或模間色散由于模式色散影響較嚴重降低了多模光纖的傳輸容量和距離，多模光纖僅用于較小容量、短距離的光纖傳輸通信《其中a1為纖芯的半徑，為光波波長，NA為光纖的數值孔徑，根據全反射3的原理，NA的物理意義就是能使光信號在光纖內以全反射形式傳播的接收角c的正弦值，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4也就越大導致模式色散越大使傳輸容量和距離變小，對光纖NA的取值當光纖的幾何尺寸可以于光波長相比擬時，即纖芯的幾何尺寸與光信號波長相差不大時一般為5～10um光纖只允許一種模式在其中傳播，其余的高次模全部截止，這樣的光纖叫做單模光纖單模光纖只允許一種模式在其中傳播，從而避免了模式色散的問題，故單模光纖具有極寬的帶寬，特別適用于大容量的光纖通信對于單模光纖，由于光纖的幾何尺寸小使V的值小按工作波長分類....短波長光纖和長波長光纖：1.55um兩個窗口之間長波長光纖因具有衰減低，帶寬寬等優點適用于長距離大容量的光纖傳輸單模光可在多模光纖中傳輸但多模光不能在單模光纖中傳輸按套塑類型分類....緊套光纖與松套光纖等其存在一定的色散大約為20ps/km.nm但衰減偏小現每公里大約為用于DwDM的傳輸但在1550nm窗口存在一定的色散用于10G的光信號傳輸時，需進行色散補償中國鋪設的多為G.652的光纖，用于2.5G或以下和DwDM的傳輸適用于10G，包括10G的光信號傳輸但不能用于DwDM的傳輸會產生四G.655光纖：非零色散位移光纖結合G.652和G.653光纖的特點也為了能傳輸10G和DwDM的光信號在1550nm窗口使光纖存在一定的色散但很小不使DwDM信號產生非線性效應摻餌光纖：摻餌光纖主要用于EDFA上生產摻餌光纖放大器摻餌光纖放大器是現代光通信中的重要部分也是實現全光網的關鍵部件增加無電中4摻餌光纖放大器的工作原理就是利用泵浦源照射摻餌光纖，使摻餌光纖中的餌離子由低能位躍遷到高能位形成粒子數反轉分布區餌離子在衰變的過通過控制泵浦源的發光電流的大小來控制光信號的放大增益摻餌光纖放大器雖放大了光信號，同時對噪聲也進行了放大，引入了噪聲保偏光纖和色散補償光纖：由于光信號在傳輸過程中引起相位的變化即產生偏振效應，通過保偏光纖進行相應的補償色散補償光纖主要補償光信號在光纖中傳輸引起的色散恢復信號的脈沖寬度光纖的特性參數可以分為三大類：幾何特性參數、光學特性參數與傳輸特性參數包括：衰耗系數即衰減)、色散非線性特性等4.1衰耗系數衰減)衰耗系數是多模光纖和單模光纖最重要的特性參數之一在很大程度上決定了多模和單模光纖通信的中繼距離衰耗系數的定義為：每公里光纖對光信號功率的衰減值其表達式為:《其中：Pi為輸入光功率值(w瓦特)Po為輸出光功率值(w瓦特)如某光纖的衰耗系數為a=3dB/km則意味著經過一公里光纖傳輸后，其光信號功率值減小了一半長度為L公里的光纖總的衰耗值為對于單模光纖，現在已能做到0.18dB/km的衰耗對于一個光信號若經過EDFA放大后輸出功率為+5dBm，其接收端的接收靈敏度若為.28dBm，則放大增益為33dB，除以衰耗系數除數距離為公里考慮老化等裕散射衰耗包括線性散射、非線性散射和結構不完整散射等；其它衰耗，包括微彎曲衰耗等其中最主要的是雜質吸收引起衰耗在光纖材料中的雜質如氫氧根離子、過要想獲得低衰耗光纖，必須對制造光纖用的原材料二氧化硅進行十分嚴格的5化學提純，使其雜質的含量降到幾個PPb以下當一個光脈沖從光纖中輸入，經過一段長度的光纖傳輸之后，其輸出端的光脈沖會變寬，甚至有了明顯的失真這說明光纖對光脈沖有展寬的作用，即光纖存在色散這主要是光脈沖的前端和后端在光纖中傳輸的距離不一致導致脈沖變寬光纖的色散是引起光纖帶寬變窄的主要原因，光纖帶寬變窄會限制光纖的傳輸容量同時也限制了光信號的傳輸距離時，需加色散補償光纖，進行色散補償3G.653光纖是色散位移光纖，在1550nm窗口零色散可傳輸10G的光信號，但傳輸wDM波分光信號時，因零色散會產生四波混頻等非線性效應不能用于wDM波分的傳輸G.655光纖在1550nm窗口有很小的色散可用于sDH光信號和wDM信號的光纖的色散可以分為三部分即模式色散材料色散和波導色散模式色散：主要對多模光纖而言對單模光纖來說因只有一個模式傳播不存在模式色散的問題定義：多模光在多模光纖中傳輸時會存在許多種傳輸模式而每種傳輸模式具有不同的傳播速度和相位因此雖然在輸入端同時輸入光脈沖信號，但到達接收端時的時間卻不一致于是產生了脈沖展寬的現象叫模式色散材料色散：是指組成光纖的材料二氧化硅本身所產生的色散波導色散：波導色散是指由光纖的波導結構所引起的色散對于多模光纖而言，由于其模式色散比較嚴重，而且其數值也比較大，其材料色散較小，不占主導地位波導色散對多模光纖的影響甚小所以，多模模式色散為零，考慮的是其材料色散和波導色散光纖的總色散所引起的脈沖展寬可由下式計算：即為三種色散各自平方的和后開平方色散主要用色散系數D()表示色散系數一般只對單模光纖來說包括材料色散和波導色散，統稱色散系數色散系數的定義：每公里的光纖由于單位譜寬所引起的脈沖展寬值與長度呈線性關系其計算公式為其中為光源譜寬，是一個模糊的概念，可不加考慮只要前后一致即可D()為色散系6則引起的色散總值就越大色散系數越小越好因色散系數越小根據上式可知光纖的帶寬越大傳輸容量也就越大所以，傳輸2.5G以上光信號時，要考慮光纖色散對傳輸距離的影響，最好采用零色散的G.653光纖傳輸，但光纖色散為零時傳輸wDM波分光信號會產生四波混頻等非線性效應所以色散要小但不能為零最終采用的光纖為G.655光纖來傳輸10號和wDM波分復用信號對于單模光纖其帶寬系數在25GHz.km以上，但多模光纖的帶寬系數一般在1GHz.km以下。所以多模光纖一622M以下短距離的通信，而單模光纖可用于多種速率的通信4.3帶寬Bc、數值孔徑NA、模場直徑d帶寬主要用帶寬系數Bc表示通過實驗可以發現，如果輸入光信號的功率大小保持不變，隨著調制頻率的增加，通過光纖傳輸后，其輸出光功率會隨發端調制頻率的增加而減小，這說明光纖也存在象電纜一樣的帶寬系數即對調制光信號的調制頻率有一定的響應特性象電纜一樣有高頻線低頻線的區分且高頻、低頻線的衰減也不一樣帶寬系數的定義：一公里長的光纖，其輸出光信號的功率下降到其最大值 直流光輸入時的輸出光功率)的一半時，此時光信號的調制頻率就叫做光纖的帶寬系數，即下降一半時光信號的帶寬，也叫3dB帶寬，對于DwDM設P1需要注意的是光信號是以光功率來度量的一般以dBm為單位也可用瓦特w來表示w與dBm是可相互轉換的換算公式為1mw就是0dBm，500uw就是.3dBm左右所以3dB帶寬就是光信號輸出功率減少一半時的帶寬，相同的對于電纜來說，一般以6dB帶寬來表示其電能量衰減一半，因為電信號是以電壓或電流來度量的是以20lg來計算的引起光纖帶寬變窄的原因主要是光纖的色散對于多模光纖而言傳輸的是多模光信號，帶寬也叫模式色散帶寬用帶寬系數表示多模光纖的傳輸能力對于單模光纖，因模式色散為零，也有帶寬7系數的概念，同時引入色散系數的概念由于單模光纖制造技術的提高，其可傳輸360km對于sDH的傳輸其無電中繼傳輸時，一般不會超過150km一般不考慮色散容限值這個參數，只有在DwDM中才考慮這個參對光纖而言其帶寬與色散的關系可近似表示為m為光纖的模式色散，顯然，光纖的帶寬與色散有關，與長度呈非線性關系，但光纖的衰耗與長度有與長度呈線性關系帶寬系數Bc是在頻域范圍內描述光纖傳輸特性的重要參數實際上沿用了模擬通信的概念對多模光纖來說，測量時，一般用均方根譜寬f來表述帶寬系數特性對單模光纖來說一般測量3dB和20dB譜寬特性來表述帶寬系數特性光纖的均方根譜寬的物理定義:對應于光纖高斯沖擊響應最大函數值的量比在頻域內測量更加方便可行，另一方面光纖的均方根f與數字光纖通信理論有著更密切的關系直接和其傳輸的光脈沖的均方根脈寬發生聯系均方根譜寬不僅能確切地描述光脈沖的特性，而且與光纖通信系統的傳輸中繼距離密切相關，所以在光纖通信的理論中經常用到數值孔徑NA在前面以對數值孔徑進行了描述數值孔徑是多模光纖的重要參數它表征光纖端面接收光的能力其取值的大小要兼顧光纖接收光的能力和對模式色散的影響根據全反射的原理，NA的物理意義就是能使光信號在光纖內以全反射形式傳播的接收角c的正弦值，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4也就越大導致模式色散越大使傳輸模場直徑d是表征單模光纖集中集中光能量的程度，單模光纖只允許一種模式即基模進行傳輸其模場直徑d的計算公式為其中為光波波長(um)，NAt為為單模光纖的最大理論數值孔徑通過計算不嚴格的說法就是模場直徑d和單模光纖的纖芯直徑相近。截止波長c截止波長的含義就是能使光纖實現單模傳輸的最小工作光波波長，如果要傳輸的光信號波長不大于單模光纖的截止波長，不能實現單模84.4光纖傳輸的非線性效應呈線性效應而帶寬系數與光纖長度呈非線性效應非線性效應一般在wDM系統上反映較多在sDH系統反映較少因為在wDM設備系統中，由于和波器、率的同時，分波器的插入損耗較大，對16波系統一般相加在10dB左右，對相加在15dB左右因此需采用EDFA進行放大補償在放大光功也使光纖中的非線性效應大大增加成為影響系統性能限制中繼距離的主要因數之一，同時也增加了AsE等噪聲光纖中的非線性效應包括：①散射效應(受激布里淵散射sBs和受激拉曼散射sRs等)、②與克爾效應相關的影響，即與折射率密切相關自相位調制sPM、交叉相位調制xPM、四波混頻效應FwM)，其中四波混頻、交叉相位調制對系統影響嚴重A、受激布里淵散射SBS和受激拉曼散射SRS從本質上說，任何物質都是由分子、原子等基本組成單元組成在常溫下，這些基本組成單元在不斷地作自發熱運動和振動光纖中的受激布里淵散射sBs和受激拉曼散射sRs都是激光光波通過光纖介質時，被其分子振動所調制的結果而且sBs和sRs都具有增益特性在一定條件下這種增益可沿光纖積累sBs與sRs的區別在于，sBs激發的是聲頻支聲子，sRs激發的是光頻支聲子受激布里淵散射sBs產生原理:sBs是光纖中泵浦光與聲子間相互作用的結果在使用窄譜線寬度光源的強度調制系統中一旦信號光功率超過受激布里淵散射sBs的門限時(sBs的門限較低，對于1550nm的激光器，一般為7～8dBm)，將有很強的前向傳輸信號光轉化為后向傳輸，隨著前向傳輸功率的逐漸飽和使后向散射功率急劇增加在wDM+EDFA的系統中注入到光纖中的功率大于sBs的門限值，會產生sBs散射sBs對wDM系統的影響主要是引起系統通道間的串擾及信道能量隔即波長間隔)與布里淵頻移量相等時，就會引起信道間的串擾但目前的wDM系統，在32波(包括32波)以下時其信道間隔不小于0.8間隔不小于100GHz，可以避免由于sBs產生的信道串擾，但隨著wDM朝密為信道串擾的主要因數此外由于sBs會引起一部分信道功率轉移到噪聲上影響功率放大目前抑制sBs的措施通常在激光器輸出端加一個低頻調制信號，提高sBs的門限值受激拉曼散射sRs產生原理：受激拉曼散射sRs是光與硅原子振動模式間相互作用有關的寬帶效應，在任何情況下短波長的信號總是被這種過程所衰減，同時長波長信號得到增強9在單信道和多信道系統中都可能發生受激拉曼散射sRs僅有一個單信道且沒有線路放大器的系統中，信號功率大于1w時，功率會受到這種現象的損傷，在較寬信道間隔的多信道系統中，較短波長信號通道由于受激拉曼散射sRs，使得一部分光功率轉移到較長波長的信號信道中從而可能引起信噪比性能的劣化由于受激拉曼散射sRs激發的是光頻支聲子其產生的拉曼輸距離的增長和復用的波數的增加EDFA放大輸出的光信號功率會接近因G.653光纖的等效芯經面積小于G.652光纖，受激拉曼散射sRs門限值要低于采用G.652光纖的系統，在G.653光纖上產生sRs的光纖中的克爾效應是一種折射率的非線性效應，即光纖中激光強度的變化導致光纖折射率的變化，引起光信號自身的相位調整這種效應叫做自相位調由于折射率對光強存在依賴關系在光脈沖持續時間內折射率發生變化，脈沖峰值的相位對于前、后沿來說均是延遲的，這種相移隨著傳輸距離的增加而積累起來，達到一定距離后顯示出相當大的相位調制，從而使光譜展寬導致脈沖展寬這就稱為自相位調制sPM在DwDM系統中光譜展寬是非常嚴重的可使一個信道的脈沖光譜與另一個信道的脈沖光譜發生重疊，影響系統的性能一般情況下，自相位調制sPM效應只在超長系統中表現比較明顯同時在色散大的光纖中也表現比較明顯所以采用G.653光纖，且將信道設置在零色散區附近有利于減小自相位調制效應對于使用G.652光纖且長度小于1000km的系統，可以在適當的間隔進行色散補償的方法來控制自相位調在多波長系統中一個信道的相位變化不僅與本信道的光強有關也與其它相鄰信道的光強有關，由于相鄰信道間的相互作用，相互調制的相位變化稱為交叉相位調制xPMxPM引起的頻譜展寬度與信道的間隔有關越小則產生的效應就越大反之則小xPM引起的展寬會導致多信道系統中相鄰信道間的干擾sPM和xPM在色散大的光纖中產生的效應要比在色散小的光纖中產生效應要大，在實際系統中可通過采用色散小的G.653和G.655光纖來減小sPM和xPM效應C、四波混頻四波混頻FwM亦稱四聲子混合，是光纖介質三階極化實部作用產生的一種光波間耦合效應是因不同波長的兩三個光波相互作用而導致在其它波長上產生所謂混頻產物或邊帶的新光波這種互作用可能發生于多信道系統的信號之間，可以產生三倍頻、和頻、差頻等多種參量效應在DwDM系統中當信道間距與光纖色散足夠小且滿足相位匹配時四波混頻將成為非線性串擾的主要因數當信道間隔達到10GHz以下時FwM對系統的影響將最嚴重下圖為三個信號的情況下，產生的四波混頻效應：f1f2f3四波混頻FwM對DwDM系統的影響主要表現在：(1)產生新的波長使原有信號的光能量受到損失影響系統的信噪比等性能；(2)如果產生的新波長與原有某波長相同或交疊，從而產生嚴重的串擾四波混頻FwM的產生要求要求各信號光的相位匹配當各信號光在光纖的零色散附近傳輸時材料色散對相位失配的影響很小因而較容易滿足相位匹配條件容易產生四波混頻效應目前的DwDM系統的信道間隔一般在100GHz零色散導致四波混頻成為主要原因，所以，采用G.653光纖傳輸DwDM系1550nm窗口存在一定的色散，傳輸10G信號時，應加色散補償，G.655光纖在1550nm窗口的色散很小，適合10GDwDM系統的傳輸光纖傳感器是上世紀七十年代中期發展起來的一門新技術是伴隨著光纖及光通訊技術發展而逐步形成的電絕緣好、防爆性、光路可彎曲、寬頻帶、結構簡單、體積小、重量輕、耗電少等光纖傳感器可分為兩大類：功能型傳感器和非功能型傳感器功能傳感器就是利用光纖本身的特性把光纖作為敏感元件對光纖內傳輸的光進行調制使輸出的光的強度、相位、頻率或偏振態等特性發生變化，再通過對被調制的光信號進行解調，得出被測信號的各種特性非功能傳感器是利用其他敏感元件感受被測量信號的變化，光纖僅作為光波的傳輸介質，常用來傳輸遠端場所的信號也叫傳光型光纖傳感器或混合型光纖傳感器用被測對象來引起光纖中光強度的變化，來實現對被測對象的監測與控制，是光強度調制型光纖傳感器的基本原理光強度調制分為內調制和外調制外調制時光纖僅起傳光的作用光纖本身特性不改變，調制過程發生在光纖外，稱為傳光型傳感器內調制發生在光纖內部，是通過光纖本身特性的改變來實現光強度的調制，稱為功能型光纖傳感器內調制的方法是由垂直于光纖軸線的位移或壓力引起光纖彎曲利用光纖的微彎效應，使傳輸光有一外調制的方法有很多，如利用發送光纖和接收光纖作相對橫向或縱向移動改變接收光強，達到光調制目的；通過折射率的改變或者光纖吸收特性的改變也可實現光強度的調制等如下圖為再用干涉測量技術把相位變化變換為光強度變化，從而檢測出被測量的大小實現干涉測量的方法很多通常采用的干涉主要有四種：邁克爾遜干涉儀、馬赫.承德干涉儀塞格納克干涉儀、法布里.珀羅干涉儀等發送模塊主要是發送電信號調制部分和激光器光源部分電調制部分主要去產生特定波長的光信號發光器件主要有三大類：發光管LED、FP激光器、DFB激光器下面分別介紹三類器件的特點：未經諧振輸出，發非相干光的半導體發光器件稱為發光管發光管的特點：輸出光功率低、發散角大、光譜寬調制速率低、價格低廉，適合于短距離FP激光器是以FP腔為諧振腔發出多縱模相干光的半導體發光器件這類器件的特點；輸出光功率大、發散角較小、光譜較窄、調制速率高，適合于較長距離通信DFB激光器是在FP激光器的基礎上采用光柵慮光器件使器件只有一個縱模輸4.各種激光器的性能參數指標：發光管LED)發光管有以下性能參數：工作波長3dB光譜寬度、輸出光功率、最高調制速率工作波長是指LED發出光譜的中心波長；.3dB光譜寬度是LED發射光譜的最高點降低3dB時所對應的光譜寬度；輸出光功率是器件輸出端口輸出的光功率；最高調制速率為LED所能調制的最高速率下表是某公司LED器件的性能參數pl=80mA,1310nml=80mA,1550nmVfV2其典型光譜如下圖所示工作波長：光譜寬度：激光器發出光譜的中心波長多縱模激光器的均方根譜寬當器件的工作電流超過閾值電流時激光器發出相干性很好的激光輸出光功率：激光器輸出端口發出的光功率典型參數見下表所示：p3552V其典型光譜圖為多模光譜DFB激光器DFB激光器有以下性能參數：工作波長：激光器發出光譜的中心波長邊模抑制比：激光器工作主模與最大邊模的功率比閾值電流：當器件的工作電流超過閾值電流時激光器發出相干性很好的激光輸出光功率：激光器輸出端口發出的光功率其典型參數見下表所示：p2V其典型光譜特性如下圖所示：直調就是利用電信號的1，和0，控制激光器的開、關使特定波長的光波攜載電信號因存在1，和0，頻率的變化不可避免存在啁啾外調制分為電吸收調制和馬赫.曾德爾調制電吸收調制時激光器管芯一直處于開的狀態，處于發光狀態，但光信號不耦合到光纖，通過電信號 '1'、0，控制光信號偶合到光纖上，'1，時耦合到光纖上，'0，不耦合到光纖這種激光器可用直流偏量控制其波長和功率的穩定即制冷電流控制激光器的工作同時啁啾小外調制采用馬赫.曾德爾的激光器，激光器管芯一直處于發光狀態發出的光經過一個Y型波導分束器分出兩束相位等一樣的光信號電信號控制兩個干涉臂電級使兩束光信號產生不同的相位再經過Y型合束器，'1，信號時，相位相同，進行疊加，'0，信號時，相位相差180度，光信號抵消，耦合到光纖上此種方式產生的啁啾更小激光器直調控制方式‘1'控制激光器管芯‘0'控制‘1'控制Y型合束器激光器管芯輸出Y型合束器Y型分束器‘0'控制三種調制方式產生的光信號波形如下：直調的光信號波形,存在啁啾馬赫.曾德爾波形與電吸收差不多光收模塊主要是把接收到的光信號轉換成電信號的模塊，其主要部分是光電檢測器光纖通信系統中使用2類光電檢測器即光電二極(PIN)管和雪崩光電二極管APD