第1章SolidWorks基本概念1.1SolidWorks基本概念

1.2SolidWorks的基本操作

1.3統一數據庫的作用

1.4SolidWorks選項練習題1.5光纖通信發展歷史回顧及現狀

1.1光通信的發展史

光通信的歷史可以追溯到古代的烽火通信，以及現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，光信號本身即是信息?，F在的光通信則有本質不同，它是以光波作為載波，即將信息調制在光載波上的通信方式。光波是一種電磁波，電磁波的波譜圖如圖

1-1-1所示。從圖中可見，電磁波頻率由低到高，包括音頻、長波、中波、短波、微波、光波、X射線、γ射線等。無論是有線通信還是無線通信，都是將低頻信息（如音頻或視頻）調制搬移到高頻載波上；載波頻率越高，其所在頻段頻帶越寬，通信容量越大，所以通信載頻由低到高發展，先后經歷了長波、中波、短波、微波等無線電波的各個波段。光波頻率很高（約1014數量級），其通信頻帶是無線電波（包括長波、中波、短波、微波）頻帶總和的103～104倍。因此，對通信頻率資源不斷開發利用的結果，人們自然想到利用光波作為載波載荷傳輸信息，因為光通信的傳輸容量是驚人的。圖1-1-1電磁波的波譜圖

1.2光纖通信的基本概念和特點

1.2.1光纖通信的光波波段

從圖1-1-1中可見，光波由紅外線、可見光、紫外線等波段組成，其波長范圍λ在300～6×10－3μm之間。可見光是人們熟悉的光波，它由紅、橙、黃、綠、藍、青、紫等七種顏色的連續光波組成，其波長范圍為0.76～0.39μm，其中紅光的波長最長，紫光的波長最短。紅外線和紫外線都屬于不可見光。紅外線波長范圍為300～0.76μm，它又可以按波長劃分為近紅外、中紅外及遠紅外。紫外線的波長范圍為0.39～6×10－3μm。目前，光纖通信的工作波長在0.8～1.8μm之間，屬近紅外波段，通常又將工作波長在0.8～0.9μm之間的稱為短波長，波長在1.0～1.8μm之間的稱為長波長。短波長波段主要是指0.85μm波長范圍，長波長波段主要是指1.31μm和1.55μm波長范圍，這是目前光通信中主要采用的三個光纖通信窗口。1.2.2光纖通信的基本組成

光纖通信系統種類很多，但其基本構成是相同的，都是由光發送端機、光接收端機和光纖光纜組成的。若通信距離長，還必須設置光中繼器。考慮到目前各種信息尚無法直接轉變成光信號，而是要先轉換成電信號，以電信號的方式進行交換、復用等，所以光纖通信系統中通常還包括電端機（由電發送端機和電接收端機組成）。這樣，光纖通信系統的基本組成如圖1-2-1所示。從圖中可見，它由電端機、光端機（由光發送端機和光接收端機組成）、光中繼器和光纖光纜組成。下面以單向通信的情況說明各部分的作用。圖1-2-1光纖通信系統的基本組成

(1)電發送端機：主要完成電信號的頻分多路復用或時分多路復用，然后將群路信號送往光發送端機。送往光端機的信號可能是模擬信號，也可能是數字信號。輸出模擬信號的電端機有載波機或電視圖像發送設備等，對應的光纖通信系統稱為模擬光纖通信系統；輸出數字信號的電端機主要有脈沖編碼調制（PCM）設備，對應的光纖通信系統稱為數字光纖通信系統。由于數字信號抗干擾能力強，因此目前應用的系統大多數屬于數字光纖通信系統。

(2)光發送端機：主要任務是將電發送端機送來的電信號轉換為光信號，然后送往光纖光纜傳輸。電/光變換（E/O）主要由光源器件完成。光纖通信中的光源器件通常都采用半導體材料制成，半導體光源器件包括發光二極管（LED）和激光二極管（LD）兩種。LED發熒光，其發光功率較小，波譜較寬，工作壽命長，主要適用于小容量、短距離的光纖通信系統。LD發激光，發光功率大，波譜較窄，主要適用于大容量、遠距離的光纖通信系統。

(3)光纖或光纜：主要功能為傳送光信號，完成信號傳輸任務。通信用光纖在結構上主要由纖芯和包層組成，為了保證光信號束縛在纖芯中傳播，要求纖芯折射率大于包層折射率。光纖的主要傳輸特性包括損耗和色散兩項，它們是影響光纖通信中繼距離和傳輸容量的決定性因素。在實際應用中，通常將若干根光纖以一定方式制成光纜。光纜中的光纖數，根據需要，有單芯、二芯、四芯、六芯乃至百余芯到數千芯不等。通常，一根光纖傳送一個方向的光信號，故雙向通信需要兩根光纖，但現在已有辦法在一根光纖上傳送雙向光信號，如采用波分復用技術等。

(4)光中繼器：主要功能是將傳輸后的光信號進行放大再生，以實現遠距離的傳輸。由于光纖存在損耗和色散，光信號經過光纖光纜長距離傳輸后，光信號被衰減變小，波形也產生畸變，為了保證遠距離的通信，每隔一定距離設置光中繼器，將接收到的微弱光信號變換成電信號，然后對電信號進行放大或再生處理，再經過電光變換轉換為光信號，耦合進光纖光纜繼續傳輸。這種放大再生方式稱為光—電—光方式，目前的中繼距離一般在幾十公里，隨著技術的進步，將達到幾百公里甚至幾千公里。

(5)光接收機：主要任務是將接收到的光信號再還原為電信號，然后送回電接收端機。光/電變換(O/E)主要由光電檢測器完成。光纖通信中采用的光電檢測器也是由半導體材料制成的，包括PIN型光電二極管和APD型光電二極管(雪崩光電二極管)。其中APD管在完成光/電轉換的同時，通過其雪崩效應可實現對光信號的內部放大作用，有助于提高光接收機的靈敏度。

(6)電接收端機：同發送端機作用相反，其主要功能為頻分解復用或時分解復用，可為模擬接收設備或數字接收設備。1.2.3光纖通信的優點

(1)傳輸頻帶寬，通信容量大。由于通信容量和載波頻率成正比，而光纖傳輸的光載波比傳統電通信頻率高104倍以上，所以光纖通信的通信容量在理論上比以往的電通信容量大數萬倍以上，目前實際水平已經達到幾十倍。如現在已大量投入使用2.5Gb/s數字光纖通信系統，在一根光纖上可同時傳輸三萬多路電話，而以前電通信中容量最大的中同軸電纜，通信容量僅同時傳輸一千多路電話。

(2)損耗小，中繼距離長。目前使用的石英光纖在0.8～1.8μm波長范圍內損耗比所有傳統的電傳輸線低，尤其在1.55μm波長處，光纖損耗低達0.2dB/km。由于光纖傳輸損耗低，因此中繼距離可以達到幾十公里，甚至成百上千公里，而傳統的電傳輸線中繼距離僅為幾公里。

(3)無電磁干擾，不會產生電光干擾。光纖是非金屬介質材料，它不受電磁干擾，這是傳統的電通信所無法比擬的，因此光纖通信在電力輸配、電氣化鐵路、核試驗等特殊環境有特殊的優越性。此外，由于光信號束縛在纖芯內傳播，因此不會產生光纖間的串光現象，這對同一光纜中不同光纖間光信號的傳播質量及光纜中光纖的高密度布放等問題帶來了很好的保證與方便。

(4)尺寸小，重量輕。光纖直徑僅為0.1mm左右，因而制成光纜后，直徑比電纜細，重量也輕很多，給工程應用帶來極大便利。

(5)原材料豐富。光纖的主要成分是二氧化硅(SiO2)，它是組成地球最主要的成分之一，因而制作光纖的原材料是非常豐富的。同傳統的電傳輸線相比，光纖傳輸媒介在通信中的廣泛應用節省了大量越來越寶貴的金屬材料。

總之，光纖光纜線路代替傳統的金屬傳輸線路是必然的趨勢。

1.3光纖的基本性質

1.3.1光纖的結構、材料及制造工藝

1.光纖的結構

光纖是一種絲狀的圓柱光波導，它將光封閉在其內進行傳遞。大家知道，光是一種電磁波，其傳播規律可由麥克斯韋方程來描述。當它所傳播的空間中介質的物理變化尺寸遠大于光的波長時，光的傳播可用簡化了的射線理論描述。從射線光學的角度看，光纖是一種利用全反射原理進行光信號傳遞的導波介質。下面我們從射線光學的角度簡單介紹一下光在光纖中的傳輸原理。光在兩種均勻介質分界面上的行為如圖1-3-1所示，MM′為兩介質的分界面，NN′為MM′面的法線，n1和n2分別為兩介質的折射率。光在均勻介質中沿直線傳播，當光入射到兩個介質的分界面時，一部分光將反射回原傳播介質成為反射光，另一部分光將進入另一介質成為折射光。光的反射服從反射定律：反射光線位于入射光和法線NN′所決定的平面，反射光與入射光分居法線的兩側，反射角j1′等于入射角j1。光的折射服從如下折射定律：折射光線位于入射光和法線NN′所決定的平面，折射光與入射光分居法線的兩側，入射角j1與折射角j2的關系為

(1-3-1)圖1-3-1光的反射與折射如圖1-3-2所示，當光線從折射率大的介質進入折射率小的介質時，根據折射定律，折射角將大于入射角，當入射角增大時，折射角也隨著增大，當入射角增大到j0時，折射角等于90°，j

0被稱為臨界角。由式(1-3-1)，臨界角為(1-3-2)當入射角大于臨界角時，光由兩介質的界面全部反射回原介質，這種現象稱為全反射。在全反射情況下，光能無損失地返回原介質。顯然，只有當光從折射率大的介質進入折射率小的介質時，才能產生全反射。圖1-3-2全反射過程示意圖光纖就是依據全反射原理構造的一種光波導，為了將光信號封閉在光纖中傳輸，根據全反射原理，光纖從纖芯到纖芯外部，折射率應有某種遞減的規律，以保證全反射現象的出現。

圖1-3-3為一種最基本的光纖結構，這種光纖稱為階躍光纖，其纖芯折射率n1大于包層折射率n2。光纖橫截面上折射率分布如下式：(1-3-3)圖1-3-3階躍光纖的結構及折射率分布示意圖設光線以某一角度θ射入光纖端面，進入光纖后又以角度j射入到纖芯和包層之間的界面上。因為纖芯折射率n1大于包層折射率n2，所以纖芯與包層的界面上有一個產生全反射的臨界角j

m，相應地，在光纖端面上也有一臨界端面入射角θ0。如果θ>θ0，則光纖內包層界面入射角j<j

m，這時不會產生全反射，光線將有一部分進入包層而跑到光纖外面去，造成能量損失，經多次反射后光能將全部損耗掉，無法實現光的長距離傳輸。如果端面入射角小于θ0，則光纖內包層界面處的入射角大于jm，滿足全反射條件，入射光線將在纖芯和包層的分界面上不斷地來回反射，實現光的無損耗傳輸。

2.光纖材料及制造工藝

目前，通信用光纖主要是用高純度的玻璃材料制成的，按玻璃內所含化學元素組分的不同，大體上可分為以石英玻璃(SiO2)為主的石英系光纖和普通的多組分玻璃光纖兩類。普通的多組分玻璃是在SiO2中含有較多成分的堿金屬氧化物和硼、鋁等氧化物，它的熔融溫度比石英玻璃低得多，制造成光纖后的抗拉強度也低得多，因而目前通信中主要使用的是石英光纖。下面結合石英光纖介紹光纖的制造工藝。制造光纖時，一般先熔制出一根合適的玻璃棒，如圖

1-3-4所示。以制造階躍光纖為例，玻璃棒的包層和纖芯的主體材料都是石英玻璃，即透明的SiO2，石英玻璃的折射率為1.458。欲使光在光纖纖芯中傳輸，必須使纖芯的折射率稍高于包層的折射率，為此，在制造纖芯玻璃時均勻地摻入少量的比石英折射率稍高的材料，而制造包層玻璃時均勻地摻入少量的比石英折射率稍低的材料，這樣就制成了拉制纖維的原始棒體材料，通常把它叫做光纖的預制棒。然后將預制棒放入高溫拉絲爐中加溫軟化，以相似比例的尺寸拉成線徑很小的又長又細的玻璃絲，這種玻璃絲中的芯和包層的厚度比例及折射率分布與原始的光纖預制棒的完全一樣，這種玻璃絲就是我們所說的光纖。圖1-3-4光纖的制造工藝

1)光纖預制棒的制造工藝

光纖預制棒的熔煉工藝很多，主要有管內化學氣相沉積法和管外化學氣相沉積法。管內化學氣相沉積法是目前制造高質量石英光纖比較穩定可靠的方法，通常被叫做改進的化學氣相沉積法(MCVD法)。它的特點是在石英反應管內沉積內包層和芯層的玻璃，整個系統是處在封閉的超提純狀態下，所以用這種方法制得的預制棒可以生產高質量的單模和多模光纖。

MCVD法制造光纖預制棒的示意圖如圖1-3-5所示。圖1-3-5MCVD法

MCVD法的制造過程分兩步：

第一步，先熔制光纖的內包層玻璃。內包層玻璃的折射率要比石英折射率稍低，選用液態的四氯化硅(SiCl4)作為主體材料，選用氟利昂(CF2Cl2)、六氟化硫(SF6)、四氟化二碳(C2F4)等低折射率材料作為摻雜的試劑。把一根外徑18~

25mm，壁厚1.4~2mm的石英反應管夾在玻璃車床上，用超純氧氣(O2)和氬氣(Ar)作為載運氣體通過SiCl4和摻雜試劑的蒸發瓶后，含有SiCl4、CF2Cl2等物質的載運氣體就一起導入石英反應管。

當玻璃車床旋轉時，用1400~1600℃的高溫氫氧火焰加熱石英反應管的外壁，這時，管內的SiCl4和CF2Cl2等試劑在高溫下起氧化反應：

SiCl4+O2

SiO2+2Cl2↑

(1-3-4)

2CF2Cl2+4SiCl4+2O2

SiF4+2Cl2↑+2CO2↑

(1-3-5)

高溫高溫反應形成粉塵狀氧化物(SiO2―SiF4等)，沉積在高溫區氣流下游的管內壁上，當氫氧火焰的高溫區經過這里時，就在石英反應管的內壁上形成一層均勻透明的摻雜玻璃SiO2―SiF4,氯氣(Cl2)和沒反應完的材料均從石英管的尾端排出去。氫氧火焰來回左右移動，每移動一次，就在石英反應管內壁上沉積一層透明的玻璃薄膜，這樣不斷地重復沉積，就在反應管的內壁上形成一定厚度的SiO2―SiF4玻璃層，作為纖維的內包層。第二步，熔制纖芯玻璃。纖芯的折射率比包層的折射率要稍高，可選用的摻雜材料有三氯氧磷、四氯化鍺等。同樣用超純氧氣把摻雜物質帶入反應管中進行反應，經過一段時間的沉積后，就得到一定厚度的纖芯玻璃。為了消除反應管中最后留下的小孔，可以加大火焰或降低火焰左右移動的速度，并保持石英反應管的旋轉狀態，使石英管外壁的溫度達到1800℃左右。石英反應管在高溫下軟化收縮，最后形成一個實心的預制棒，原石英反應管和沉積的玻璃熔為一個整體，成為光纖的外包層，外包層不導光。將MCVD法中的氫氧火焰加熱改為微波腔體加熱就是所謂的等離子體激活化學氣相沉積法(PCVD)。它的原理是把中小功率的微波能量送入諧振腔中，使諧振腔內石英反應管內的低壓氣體受激產生輝光放電來實現加溫氧化沉積玻璃，這種工藝的特點是：

(1)沉積溫度低于相應的熱反應溫度，反應管不易變形。

(2)由于氣體電離不受反應管的熱容量的限制，微波加熱體可沿反應管做快速往返運動，沉積厚度可小于1μm，從而可制造出多達上千層的接近理想分布的折射率剖面。

(3)光纖幾何特性和光學特性的重復性好，適合于批量生產。對SiCl4的沉積效率接近100%，沉積速度快，有利于降低成本。

光纖預制棒的管外化學氣相沉積法有兩種：氣相軸向沉積法(VAD)和棒外氣相沉積法(OVPD)。這兩種方法就原理而言是相同的，它們沉積玻璃的示意圖如圖1-3-6所示。VAD法制作光纖預制棒的過程是把經過提純的化學試劑，如SiCl4、GeCl4、SiHCl3等以氣態送入氫氧火焰噴燈，使之在氫氧火焰中水解，生成石英玻璃微粒粉塵。這些粉塵被吹附在種子石英棒的下端并沉積下來，這樣沿軸向就生長出由玻璃粉塵組成的多孔粉塵預制棒，這種多孔粉塵預制棒被向上提升，通過一管狀的加熱器，被燒結處理，熔縮成透明的光纖預制棒。圖1-3-6光纖預制棒的管外化學氣相沉積法示意圖

VAD法的特點是：

(1)靠大量的載送化學試劑的氣體通過氫氧火焰，大幅度地提高了氧化粉塵的沉積速度，比MCVD法快5~10倍。

(2)一次性形成相當于纖芯和包層組成的粉塵棒，然后分段熔融，并通入氦氣、氯氣以及氯化亞砜(SOCl2)進行脫水處理，使光纖玻璃中OH-含量很低，適合于制造長波長低損耗光纖。

OVPD法的沉積順序與MCVD法相反，它先沉積芯層，后沉積包層。如果芯棒是一根合成的高純石英玻璃，則只需沉積包層材料，最后的工藝是把沉積的疏松的管棒材放入燒結爐中進行脫水處理，燒結成透明的預制棒。該方法的優點如下：

(1)能生產出大型的預制棒。

(2)不需要高質量的石英管做套管。

(3)棒芯中雜質含量極低。

(4)幾何尺寸精度高。

(5)能大規模生產，成本低。

2)光纖的拉制工藝

將光纖預制棒拉制成光纖的示意圖如圖1-3-7所示。預制棒由送料機構以一定的速度均勻地送往管狀加熱爐中，預制棒尖端熱到一定溫度時，棒體尖端的粘度變低，靠自身重量逐漸下垂變細而成纖維，該纖維被拉引到牽引輥繞到卷筒上，在一定的牽引速度下拉制出所要求的光纖。在拉絲過程中，纖維絲徑由激光線徑測量儀監測，并利用監測結果控制拉絲速度及送料速度，以得到合格的產品。由預制棒拉制成的光纖的截面折射率分布可以完全保持預制棒原有的折射率分布，這是因為玻璃中的分子擴散要比晶體中的難得多，即使使用2000℃的高溫去熔融預制棒，已摻入棒體中的摻雜物質也不會擴散，仍保持原預制棒中折射率分布。圖1-3-7光纖拉絲工藝過程示意圖

3)光纖的涂覆和套塑工藝

從預制棒拉出的光纖不能直接使用，這是因為它達不到實際使用的強度要求。玻璃與金屬不同，它是脆性斷裂材料，其抗拉和抗彎能力都較差，實際拉出的光纖由于制造工藝的不完善，強度將進一步下降。制造中造成強度下降的主要原因如下：

(1)預制棒在制造中可能存在雜質和氣泡，這些雜質和氣泡會轉移到光纖中。由于雜質的膨脹系數與周圍玻璃不同，可能導致裂紋，造成強度的下降；氣泡對強度的影響將更大。

(2)拉絲過程中，拉絲爐的溫度穩定性、周圍環境中的粉塵及拉絲卷繞等有可能使光纖表面出現劃痕、裂紋等機械損傷，影響光纖的強度。拉出的光纖如果直接使用，除會造成進一步機械損傷外，周圍環境中的水分等有害物質還會對光纖造成腐蝕，使光纖表面的裂紋擴展，降低光纖強度。圖1-3-8光纖的涂覆工藝示意圖總之，直接拉出的光纖的抗拉能力只有100g左右，無法使用。因此，為保護光纖表面，提高抗拉強度和抗彎曲強度，還要對光纖進行涂覆和套塑處理。

光纖的涂覆是與拉絲工藝同時進行的。當光纖向下拉制時，光纖表面的微裂紋尚未與空氣中水分等發生反應或擴大，就迅速地進行涂覆來保護光纖的表面。涂覆材料一般是硅酮樹脂和丙烯酸脂類材料，圖1-3-8為光纖的硅酮樹脂涂覆工藝示意圖。通常涂覆都在兩層以上，里面的一層采用折射率比石英玻璃稍大的變性硅酮樹脂，可以用來吸收透過包層的光，涂覆厚度一般為30~150μm；外面的第二層是普通的硅酮樹脂，而且涂層較厚。兩次涂覆后的外徑約為0.8~0.9mm，有利于提高光纖的低溫性能和抗微彎性能。兩次涂覆中涂覆層的厚度可通過調節涂覆器端頭的小孔直徑和錐角來控制。涂覆后的光纖在樹脂干燥爐中用幾百度的高溫對樹脂進行固化，酮樹脂涂覆的涂層較厚，低溫性能和抗微彎性能良好，但由于溫度固化速度較慢，它的拉絲速度也比較慢。

丙烯酸脂類材料的涂覆工藝與硅酮樹脂的涂覆工藝類似，不同之處是丙烯酸脂類材料使用的涂層固化方法為紫外光固化。由于光固化速度快，這種涂覆的拉絲速度也快，涂覆后的外徑在200~500μm。

經涂覆之后的光纖可承受幾千克的拉力，要實際使用還需套塑來保護光纖的涂覆層并進一步增加光纖的機械強度。套塑分緊套和松套兩種，緊套是在涂覆層的外面再緊緊地套上一層尼龍或聚乙烯等塑料，塑料是緊貼在涂覆層上的，光纖與套塑層之間不能自由活動；松套就是在涂覆的光纖上再包上塑料套管，光纖可以在管內自由活動。圖1-3-9是緊套光纖和松套光纖結構示意圖。圖1-3-9緊套光纖和松套光纖結構圖對于緊套光纖來說，由于涂覆材料和套塑材料的膨脹系數不一樣，為了降低溫度變化引起的微彎損耗，一般要求涂覆層厚些，套塑層薄些，因此，硅酮樹脂涂覆適合于緊套工藝。而涂層較薄的丙烯酸脂類材料的涂覆工藝適合于松套工藝。在松套結構工藝中，考慮到塑料管的膨脹系數比石英光纖大3個數量級的因素，塑料管的直徑應選得大些，使緊靠管壁的光纖中心到套塑管中心的距離大于0.3mm，這樣就可使光纖在套塑管內收縮時滑動自如，改善低溫特性。圖1-3-10是緊套光纖的套塑工藝示意圖。套塑時，涂覆光纖從安裝在模具內部并與模具同心的導向管中穿過，在模具出口處涂覆上溶化了的套塑材料，經過冷卻水槽，套塑材料被冷卻固化，再送到收絲的轉輪上，模具出口處的尺寸決定了套塑層的厚度和外徑。套塑后，由于冷卻固化，套塑材料將會收縮，造成光纖的微彎，增大光纖的傳輸損耗。為減少這種因套塑引起的附加損耗，應該使套塑材料的冷卻速度、擠壓速度和光纖的牽引速度之間的關系達到最佳值。一般來說，涂覆厚些，套塑薄些，光纖的低溫特性就會好一點。圖1-3-10緊套光纖的套塑工藝示意圖光纖經過涂覆和套塑后已具有一定的抗拉強度，但一般還經不起實用場合的彎曲、扭曲和側壓力的作用。為此，欲使成品光纖達到通信工程的實用要求，必須像通信用的各種銅線電纜那樣，借用傳統的絞合、套塑、金屬帶鎧裝等成纜工藝，將光纖成纜，使之既保持光纖原有的傳輸特性，又具備滿足實際工程使用要求的機械性能。具體的光纖成纜工藝請參見有關專著，這里不再贅述。1.3.2光纖傳輸衰減

光在光纖中傳輸時，光纖對光信號的功率有衰減，光的強度將會減弱，這是光纖的一個重要性質。若P0是入射光的強度，則傳輸距離L后的光強度為(1-3-6)其中α是衰減系數，其單位為[長度單位]－1。在通信中習慣用單位dB/km來表示光纖的衰減，單位之間的換算關系為(1-3-7)光纖對光信號產生衰減的原因很多，有的是光纖材料固有的，有的是使用中造成的，可以歸納為吸收衰減、散射衰減和工程應用中造成的衰減。

1.材料吸收衰減

吸收衰減就是光纖材料中的某些粒子吸收光能以產生振動，并以熱的形式散失掉。造成吸收的原因主要是材料中存在著不需要的雜質離子，特別是過渡金屬離子銅(Cu2+)、鐵(Fe2+)、鈷(Co2+)、錳(Mn2+)、鎳(Ni2+)、釩(V)等和氫氧根負離子(OH－)。這些離子在光波的激勵下發生振動而消耗光能。每一種雜質離子都有自己的吸收帶，其中有害的過渡金屬雜質離子的吸收帶都處在0.5~1.1μm的波段內，而OH－的基波吸收峰在2.73μm，二次諧波吸收峰在1.38μm，三次諧波吸收峰在0.95μm。要降低材料的吸收衰減，必須對制造光纖的原材料進行嚴格的化學提純，要求雜質過渡金屬離子含量下降到10－6級，含氫化合物的雜質含量控制在1×10－6以下。

2.光纖的散射衰減

光在光纖內傳播過程中遇到不均勻或不連續的情況時，會有一部分光散射到其它方向上，不能傳輸到終點，從而造成光能的衰減。

1)材料散射

材料散射包括材料固有的不均勻性造成的散射和材料制造缺陷造成的散射。光纖材料在加熱過程中，由于熱運動，使原子受到壓縮性的不均勻或起伏，造成材料密度起伏，進而使折射率不均勻，并在冷卻過程中被固定下來，這種密度不均勻引起的散射，是一種本征散射。由于不均勻的長度通常比波長短，因此這種散射是瑞利散射，它與波長的四次方成反比，其衰減系數可表示為(1-3-8)這里常數C在0.7~0.9dB/(km·μm)范圍內，其具體值與纖芯的成分有關。其次，在纖芯制造過程中的缺陷，如雜質、氣泡、不溶解離子及折晶等，也會引起散射衰減。降低這種衰減的辦法是在熔煉光纖預制棒和拉絲時，選擇合適的工藝，以避免上述問題的出現。

2)波導散射

實際制造的光纖并不是理想的圓柱光波導，將會引起光的散射。其中一種是由幾何尺寸的變化造成的散射。在拉制光纖時，由于工藝的不完善，會造成粗細不均和截面形狀改變等，當光波傳播到這里時，會有部分光輻射出光纖，造成衰減。降低這種衰減除了要求熔煉預制棒時注意幾何精度外，還要在拉絲工藝上要切實采取措施，保證光纖的尺寸均勻。光纖波導不理想造成散射的另一種原因是光纖纖芯和包層界面的不平滑性。

光在光纖中傳輸時，當遇到不平滑的包層界面，除了有一部分光會穿透光纖芯與包層的界面造成損失外，還會引起模式的變換。降低這種影響的辦法是在制作光纖時，人為的制造一層光滑的包層界面，例如，在MCVD工藝中選擇幾何尺寸均勻的包層管，沉積一定厚度的光滑的內包層。總之，在以上所講的各種衰減中，除原材料的雜質吸收和瑞利散射外，其它衰減都是制造工藝不完善造成的。當衰減在1000dB/km時，絕大部分的光衰減是由材料雜質吸收產生的；當衰減下降到10dB/km以下時，波導散射和材料散射引起的衰減就占比較重要的地位了。圖1-3-11給出了石英光纖的衰減與波長之間的關系曲線，可以看出，石英光纖有三個衰減區，或者稱為三個傳輸窗口。第一個窗口在0.9μm附近，通常稱為短波長窗口；第二、三個窗口分別在

1.3μm和1.55μm附近，各有100nm左右的寬度，通常這兩個窗口稱為長波長窗口。圖1-3-11石英光纖的衰減與波長之間的關系曲線

3.光纖工程應用中造成的衰減

光纖工程應用中造成的衰減主要有彎曲衰減、微彎衰減和接頭衰減。光纖是柔軟的，可以彎曲，如果彎曲的曲率半徑太小，會使全反射傳播條件被打破，使光從纖芯泄漏到包層并損失掉，彎曲損耗常發生在成纜、現場鋪設及光纜接頭等場合，導致彎曲損耗的曲率半徑一般遠大于光纖的橫截面尺寸。微彎衰減與彎曲衰減類似，是光纖局部彎曲造成的，微彎是一些隨機的，其曲率半徑可以與光纖的橫截面尺寸比擬的畸變，常發生在套塑、成纜及光纖周圍溫度發生變化的場合。通信用的長光纖實際上是由許許多多的短光纖連接而成的，在光纖的連接部分將產生光的衰減，造成衰減的原因是光纖的對接誤差及局部的折射率變化。1.3.3光纖色散

光是一種電磁波，當光與光纖這種電介質相遇時會發生相互作用，介質的響應通常與光波的頻率有關，這種特性稱為色散，它表明折射率對頻率的依賴關系。一般來說，色散的起源與介質通過束縛電子的振蕩吸收電磁輻射的特征諧振頻率有關。遠離介質諧振頻率時，折射率可由Sellmeier方程近似表示為(1-3-9)這里ωj是諧振頻率，Bj是j階諧振強度，求和號包含了所有相關的介質諧振頻率。對石英材料而言，取前三個諧振頻率處的值，即可得到折射率的比較精確的結果，這些參數為

B1=0.6961663，B2=0.4079426，B3=0.8974794，λ1=

0.0684043μm，λ2=0.1162414μm，λ3=9.89616μm。這里λ=2πC/ωj，C為真空中的光速。光纖材料的色散特性將使在其中傳輸的光信號的不同頻率成分有不同的傳輸速度，經過一段距離的傳播后，這些頻率成分之間將存在相對時間延遲，造成信號畸變，對通信是有害的。在光纖中，還有一種由于傳播路徑不同造成的信號不同成分之間的相對時間延遲，為了名稱上的統一，稱之為路徑色散?？疾靾D1-3-3，從射線光學的角度看，凡是送入光纖中的光在芯包分界面上的入射角大于臨界角的，都可形成有效的傳輸?，F在假設光信號由單一頻率成分組成，由于從不同角度射入光纖的光成分的傳播的路徑不同，雖然傳播速度相同，經過一段縱向距離傳播后將造成相對延遲，使信號產生畸變。1.3.4光纖的非線性

在高強度電磁場作用下，任何電介質對光的響應都會變成非線性，光纖也不例外。介質非線性響應的起因與其束縛電子的非諧振運動有關，在強電磁場作用下的這種束縛電子的非諧振運動表現為電偶極子的極化強度對電場的非線性。極化強度P的非線性可表示為(1-3-10)式中，ε0為真空中的介電常數，χ(j)(j=1，2，3，…)為j階電極化率，考慮介質的各向異性，χ(j)是j+1階張，·、∶、…分別表示相應階數的張量乘積。在上式中，線性極化率χ(1)對P

的貢獻是主要的，在各向同性介質中，它與折射率的關系為

(1-3-11)一般來說，高階極化系數都比較小，理論研究表明，相鄰的兩極化系數之間的比值是個非常小的量，近似為其中，Ea為原子內的平均電場強度，約為108V/cm。在大多數應用中，與介質相互作用的電場的強度遠小于Ea，故非線性效應可以忽略。但在光纖通信中，由于光纖芯徑很小，纖芯中的強度可以很高，并且由于光纖的衰減很小，非線性作用的持續時間有可能很長，這就使得光纖中的非線性效應變的不可忽略。(1.12)在非線性光學領域，許多重要光學現象都來自二階和三階電極化率，如二階電極化率χ(2)對應于二次諧波的產生及混頻運轉等非線性效應；三階電極化率對應著三次諧波、克爾效應、雙光子吸收、喇曼散射、布里淵散射、自相位調制及四波混頻等。然而，二階非線性效應和三階非線性效應實際上是不會在同一種介質中產生的，二階和三階電極化率與介質的結構有關，二階電極化率只在某些結構非反演對稱的介質中才出現，而三階電極化率則出現在中心對稱的介質中。目前通信中使用的石英光纖是中心對稱結構，所以只有三階非線性效應產生。在光纖通信中，我們主要考慮受激喇曼散射、受激布里淵散射、自相位調制、交叉相位調制及四波混頻等非線性效應。

1.4光纖通信需要解決的問題

通信的目的是為了實現位于不同地理位置上的用戶之間的信息傳遞，由于每個用戶都可能與許多用戶建立通信聯系，要實現這些用戶之間的通信，就需將這些用戶以某種方式聯系起來，這些將諸多用戶聯系起來的通信系統就組成了所謂的通信網。圖1-4-1為用戶利用一個通信網傳遞信息的示意圖。圖1-4-1通信網示意圖通信網可以由多種方法組建，一種方法是將所有要傳遞信息的用戶之間都用固定通信系統網狀連接起來，這在經濟上是不可行的，在使用上也是沒有必要的。合理的方法是根據信息的需求量，依據資源共享和效益的原則組建通信網。例如，現代通信網的傳輸網部分對所有用戶是共享的，在接入網部分有一定的獨占性，采用這種方式可以實現信息傳輸設備的共享，大大降低信息的傳輸成本?，F代通信網就是利用資源共享的原則構筑的一個高效、大容量信息傳送網。目前在地球上及太空中幾乎所有有人類活動的地區都建立了通信網，這個通信網可以在很大程度上滿足人們對信息傳遞的要求。光纖通信主要是一種信息傳輸技術。當然，網絡管理技術、網絡監控技術及網絡工程建設與維護技術與光纖通信技術也是密切相關的。本節主要探討作為傳輸技術的光纖通信技術要解決的基本問題。1.4.1光纖通信系統

光纖通信系統的原理框圖如圖1-4-2所示。圖中給出了一個方向的傳輸結構，反方向的傳輸結構是相同的，其中，電端機的作用是對來自信息源的信號進行處理，如模/數變換、多路復用等，它是常規的通信設備。圖1-4-2光纖通信系統原理框圖光端機的發射端將電信號變成光信號，輸入光纖中傳輸；光端機的接收端將光信號還原成電信號，經放大、整形及再生恢復原形后，輸入到電端機，完成整個光信號的傳輸過程。對于長距離的光傳輸系統，由于光纖對信號產生的衰減及畸變效應，為保證信號的傳輸質量，經過一段距離的傳輸后，需采用中繼器對衰減和畸變了的光信號進行放大、整形，再生成一定強度的光信號，繼續向前傳送。

為了提高通信系統的傳輸速率,一方面要提高發射機和接收機的轉換速率,另一方面要提高光纖的傳輸帶寬。從光纖傳輸的實際情況來看,光纖的傳輸帶寬要遠高于電光轉換和光電轉換系統及電子系統的帶寬。就目前的材料及工藝水平來看，電子系統的帶寬最高能達到100Gb/s，商用光傳輸系統以時分復用方式達到的最高傳輸速率為10Gb/s，而這個帶寬只達到光纖可用帶寬的1%。顯然，要進一步提高光纖通信系統的速率，就必須采用新的技術，多信道光傳輸技術，即光波分復用技術就是在現有光電子技術水平下可以大幅度提高通信容量的一種技術。所謂光波分復用，在原理上與傳統無線電通信中的頻分復用完全相同，即同時在不同的頻段上傳輸多路信號，以此來擴大通信容量。在光學頻段，一般將傳輸不同信號的頻段之間的間隔大于100GHz的復用通信稱為波分復用，而將間隔小于100GHz的復用通信稱為頻分復用通信，在波分復用中又將同一窗口開的多路通信稱為密集波分復用通信。

圖1-4-3所示為大量使用的采用開放式結構的點對點WDM系統。圖中所示OTM為光終端，TM為SDH終端，OTU為光波長轉換器，OMUX為合波器，ODMUX為分波器，OBA為功率放大器，OLA為線路放大器，OPA為前置放大器。圖1-4-3點對點WDM系統結構1.4.2光纖通信要解決的基本問題

1．光纖線路問題

光纖線路是傳輸光信號的通道，與之相關的問題很多，具體有以下一些技術問題：

(1)光纖的設計與制造問題。從通信的角度，作為傳輸介質的光纖的通信頻帶應盡可能寬，對光信號的損耗盡可能小，對光信號的的畸變也應盡可能小，并且機械性能能滿足實際工程使用要求，這就要解決光纖的材料問題、光纖的結構設計問題及光纖的制造問題。為充分利用密集波分復用通信技術挖掘光纖的帶寬資源，還必須根據密集波分復用通信的特點來設計光纖，研制開發適合不同需求的新型光纖。

(2)光信號的放大問題。由于光纖對信號的衰減總是存在的，在光纖的傳輸線路中就需要解決光信號的放大問題，在密集波分復用通信中要求光放大器有足夠的帶寬，并且在帶寬范圍內增益要足夠平坦。

(3)光信號碼形的控制問題。由于光纖的色散和非線性，對信號的畸變總是存在的，在光纖的傳輸線路中就需要解決光信號碼形的問題。

(4)光通道中噪聲的抑制問題。在光纖線路中，由于多種因素的影響，有可能出現信道噪聲，為抑制信道噪聲，需解決信道的濾波問題。

(5)光通道中反向噪聲的隔離問題。在光傳輸信道中，器件的連接、耦合及非線性等因素都可能引起與光傳輸方向相反的反向噪聲，這種噪聲會干擾激光器及光放大器等有源光器件的正常工作，需解決這種噪聲的隔離問題。

(6)光路控制問題。在光傳輸中有時要對光信號進行分路，對不同通道的光信號進行分波或合波，以及對光信號按要求進行選路，因此需解決光路的控制問題。

(7)目前全世界范圍內光纜的鋪設量非常巨大，而絕大多數光纖光纜是為單信道通信設計的，為了保護已投入的巨額資金，必須研究已鋪設光纜的擴容問題。

(8)密集波分復用通信中的非線性光學現象是決定通信容量的最終因素，但目前對光纖中非線性光學問題的研究還不是很深入，尚需做大量工作。

(9)其它工程問題。

2．基于光纖傳輸的光發射及光檢測問題

基于光纖傳輸的光發射及光檢測問題主要包括以下具體技術問題：

(1)光源問題。為了在光纖中傳輸信號，需將電信號變成光信號，這就需要解決將電信號轉變成光信號的光源技術問題。

(2)光傳輸的編碼問題。由于光信號只有單極信號，還要根據這個特點解決適合光信號傳輸的編碼問題。

(3)光檢測問題。光信號傳輸到接收點后，還要轉變成電信號，因此光通信中要解決光信號的檢測問題。

(4)光通信技術的體制問題。光通信所用電磁波的頻率遠高于傳統的無線通信所用電磁波的頻率，與傳統通信相似，光纖通信也需研究通信的體制問題，以提高光纖通信的技術性能。

(5)密集波分復用系統中光波長穩定技術及窄譜線寬度的光源技術。在密集波分復用通信中，由于信道間隔較小，各信道寬度很窄，這就要求采取特殊措施將各路信號的中心波長穩定在信道的中心波長處，以免信號偏離出信道，影響信號傳輸。

(6)光信號的調制問題。在一些高速光纖通信系統中，有時需要采用外調制技術將電信號轉變成光信號，故還需要解決光信號的調制問題。

1.5光纖通信發展歷史回顧及現狀

早在19世紀人們就知道在光纖中利用全反射原理可以傳輸光信號，并在19世紀20年代就制成了無包層的玻璃光纖，但直到20世紀50年代，才知道包層的使用能夠改善光纖的光學特性，當時制作的光纖的損耗約為1000dB/km，人們主要是利用光纖束傳輸圖像。到20世紀60年代，人們認識到通過降低光纖材料中的雜質，可以大大降低光纖的損耗，使人們看到了利用光纖進行通信的可能性，進而開始了光纖通信技術的研究。近30年來，光纖通信得到了飛速發展，信息傳送網已從以銅纜和微波傳送為基礎的網絡體系發展到以光傳送網為主體的光電混合網絡體系，并正在向全光網方向過渡。光纖通信之所以發展迅速，主要是它的可用頻帶特別寬，僅在長波長窗口，就有約20THz的可用帶寬，另外，光纖還有重量輕、不受電磁干擾、中繼距離長等優點。

我們認為，光纖通信在過去30多年的發展過程中經歷了三個發展階段。從技術特征上看，第一階段是技術開發階段，第二階段為單信道技術大發展階段，第三階段是多信道技術大發展階段，目前正處在第三階段。下面我們簡單介紹一下光纖通信各個發展階段的概況。1.5.1光纖通信技術開發階段

光纖通信的第一發展階段為技術開發階段，大約是從1966年到1985年這一時期。這一階段主要開展光纖通信器件技術研究及系統技術研究，通過鋪設短距離線路，組建小容量系統，在實驗場合考察和驗證實驗系統技術、性能指標的可行性，在經濟效益和社會效益上與其它通信方式相比，是否具有競爭力。

1966年，英籍華人高錕和Hockham指出，利用玻璃可以制成衰減為20dB/km的光導纖維，實現通信。這是一個非常大膽和科學的預見，它引發了對光纖通信技術的研究，是光纖通信歷史上的一個重大事件。因為當時最好的光學玻璃的衰減約為1000dB/km，這一預見引起了極大的爭議，只有少數有遠見卓識的科學家支持這一預見，并支持開展光纖技術的研究。1970年，美國康寧玻璃公司的Maurer等在世界上首先制出衰減為20dB/km的光纖，取得了重大突破，這使得人們真正看到了光纖通信的可行性。之后，世界各發達國家紛紛開展光纖通信技術的研究。在光纖制造技術方面，1970年制造出衰減為20dB/km的光纖后，為實現長距離大容量的通信，一方面設法降低衰減，另一方面設法降低色散。根據高錕的預言，首先通過降低光纖中金屬雜質的含量，在1974年使光纖的衰減降低到2dB/km，通信窗口在0.85μm波段，之后通過降低光纖中OH離子的含量，開發出了光通信的1.3μm和1.55μm兩個長波長窗口，光纖衰減的最小值降低到0.2dB/km。為了降低光纖的色散，需要研制單模光纖，但在20世紀70年代初期，光纖制造的工藝水平達不到制造單模光纖的要求。

為了降低多模光纖的色散，1976年日本玻璃公司研制出漸變型光纖，又稱自聚焦光纖，大大地改善了多模光纖的色散特性，達到了實用化的要求。到20世紀80年代初，光纖制造技術有了極大的提高，先研制出了1.3μm的零色散單模光纖，于1985年又研制出了1.55μm的零色散單模光纖。另外與光纖相關的實用工程技術也得到發展，光纖光纜技術已完全達到實用化要求，光纖在1.3μm和1.55μm兩個長波長窗口提供的帶寬已高達20THz。要實現光通信還要有適當的光源和光檢測器。光源是將電信號轉變成光信號的器件，是光發射機的核心