光纤通信的基本原理

光纤通信的基本原理

光纤是由单根玻璃光纤、紧靠纤心的包层、一次涂履层以及套塑保护层组成。纤芯和包层由两种光学性能不同的介质构成，内部的介质对光的折射率比环绕它的介质的折射率高，因此当光从折射率高的一侧射入折射率低的一侧时，只要入射角度大于一个临界值，就会发生反射现象，能量将不受损失。这时包在外围的覆盖层就象不透明的物质一样，防止了光线在穿插过程中从表面逸出。

由发光二极管 LED 或注入型激光二极管 ILD 发出光信号沿光纤传播，在另一端则有 PIN 或 APD 光电二极管作为检波器接收信号。为确保信号的有效传输，在光发送端之前需增加光放大器，以提高入纤的光功率，在接收端的光电检测器之后将微信号进行放大，以提高接收能力。

光纤类型

根据光在光纤中的传播方式可将光纤划分为两种类型：即多模光纤和单模光纤。多模光纤又根据其包层的折射率进一步分为突变型折射率光纤和渐变型折射率光纤。多模光纤主要用于短距离、低速率的通信，用于干线传输网建设的光纤主要有三种，即 G.652 常规单模光纤、 G.653 色散位移单模光纤和 G.655 非零色散位移光纤。而其中的 G.65 3 光纤除了在日本等国家的干线网上有应用之外，在我国的干线网上几乎没有应用。 G.655 光纤中的新型光纤最多，如低色散斜率光纤、大有效面积光纤、无水峰光纤等。

G.652 单模光纤：在 C 波段 1530 ～ 1565 nm 和 L 波段 1565 ～ 1625nm 的色散较大，系统速率达到 2.5 Gbit/s 以上时，需要进行色散补偿，在 10 Gbit/s 时系统色散补偿成本较大，它是目前传输网中敷设最为普遍的一种光纤。

G.653 色散位移光纤：在 C 波段和 L 波段的色散很小，在 1550nm 是零色散，系统速率可达到 20 Gbit/s 和 40 Gbit/s ，是单波长超长距离传输的最佳光纤。但是，由于其零色散的特性，在采用 DWDM 扩容时会出现非线性效应，产生四波混频（ FWM ），导致信号串扰，因此不太适用于 DWDM 。

G.655 非零色散位移光纤：在 C 波段和 L 波段的色散较小，避开了零色散区，既抑制了四波混频，也可以开通高速系统。新型的 G.655 光纤可以使有效面积扩大到一般光纤的 1.5 ～ 2 倍，大有效面积可以降低功率密度，减少光纤的非线性效应。

光纤的优点

传输频带宽、通信容量大。

光纤传输损耗低、中继距离长。

光纤传输的信号不受电磁的干扰、保密性强、使用安全。

光纤具有抗高温和耐腐蚀的性能，因而可以抵御恶劣的工作环境。

光纤的体积小、重量轻，便于敷设。

制作光纤的原材料丰富，石英光纤的主要成分是二氧化硅（ SiO 2 ）。

光缆的制造：

光缆的制造过程一般分以下几个过程：

光纤的筛选：选择传输特性优良和张力合格的光纤。

光纤的染色：应用标准的全色谱来标识，要求高温不退色不迁移。

二次挤塑：选用高弹性、低膨胀系数的塑料挤塑成一定尺寸的松套管，将光纤纳入并填入防潮防水的凝胶。

光缆绞合：将数根挤塑好松套管的光纤与加强单元绞合在一起。

挤光缆外护套：在绞合的光缆外加一层护套。

光缆的种类

按敷设方式分有：自承重架空光缆、管道光缆、铠装地埋光缆和海底光缆。

按光缆结构分有：束管式光缆、层绞式光缆、紧抱式光缆、带式光缆、非金属光缆和可分支光缆。

按用途分有：长途通信光缆、短途室外光缆、混合光缆和建筑物内用光缆。

光纤产生损耗的原因

造成光纤损耗的主要因素有：本征、弯曲、挤压、杂质、不均匀和对接等。

本征：是光纤的固有损耗，包括：瑞利散射，固有吸收等。

弯曲：光纤弯曲时部分光纤内的光会因散射而损失掉，造成损耗。

挤压：光纤受到挤压时产生微小的弯曲而造成的损耗。

杂质：光纤内杂质吸收和散射在光纤中传播的光，造成的损失。

不均匀：光纤材料的折射率不均匀造成的损耗。

对接：光纤对接时产生的损耗，如：不同轴 ( 单模光纤同轴度要求小于 0.8μm) 、端面与轴心不垂直、端面不平、对接心径不匹配和熔接质量差等。

光纤损耗的分类：光纤损耗大致可分为光纤具有的固有损耗以及光纤制成后由使用条件造成的附加损耗。固有损耗包括散射损耗、吸收损耗和因光纤结构不完善引起的损耗；附加损耗则包括微弯损耗、弯曲损耗和接续损耗。 附加损耗是在光纤的铺设过程中人为造成的。在实际应用中，不可避免地要产生光纤连接损耗，光纤微小弯曲、挤压、拉伸受力也会引起损耗，究其主要原因是在这些条件下，光纤纤芯中的传输模式发生了变化，因此，附加损耗是可以尽量避免的。

在固有损耗中，散射损耗和吸收损耗是由光纤材料本身的特性决定的，在不同的工作波长下引起的固有损耗也不同。材料的吸收损耗是由于制造光纤材料中的粒子吸收光能以后，产生振动、发热，而将能量散失掉而产生的；散射损耗是由于光纤材料分子的“瑞利散射”而引起的光损耗，鉴于目前的光纤制造工艺水平，可以说瑞利散射损耗是无法避免的。

光纤接续衰减的产生

影响光纤接续损耗的因素较多，大体可分为光纤本征因素和非本征因素两类。

光纤本征因素是指光纤自身因素，主要有：光纤模场直径不一致、两根光纤芯径失配、纤芯截面不圆、纤芯与包层同心度不佳等，其中光纤模场直径不一致影响最大。

影响光纤接续损耗的非本征因素即接续技术。

轴心错位：当错位 1.2μm 时，接续损耗达 0.5dB 。

轴心倾斜：当光纤断面倾斜 1° 时，约产生 0.6dB 的接续损耗，如果要求接续损耗 ≤0.1dB ，则单模光纤的倾角应为 ≤0.3° 。

端面分离：活动连接器的连接不好或熔接机放电电压较低时，很容易产生端面分离，造成连接损耗较大。

端面质量：光纤端面的平整度差时也会产生损耗，甚至气泡。

接续点附近光纤物理变形：光缆在架设过程中的拉伸变形，接续盒中夹固光缆压力太大等，都会对接续损耗有影响，甚至熔接几次都不能改善。

其他因素的影响。接续人员操作水平、操作步骤、盘纤工艺水平、熔接机中电极清洁程度、熔接参数设置、工作环境清洁程度等均会影响到熔接损耗的值。

降低光纤接续损耗的措施

一条线路上尽量采用同一批次的优质裸纤，对于同一批次的光纤，其模场直径基

本相同，光纤在某点断开后，两端间的模场直径可视为一致，因而在此断开点熔接可使模场直径对光纤熔接损耗的影响降到最低程度。

光缆架设按要求进行。在光缆敷设施工中，严禁光缆打小圈及折、扭曲，牵引力不超过光缆允许的 80 ％，瞬间最大牵引力不超过 100 ％，牵引力应加在光缆的加强件上，避免光纤芯受损伤导致的接续损耗增大。

接续光缆应在整洁的环境中进行，严禁在多尘及潮湿的环境中露天操作，光缆接续部位及工具、材料应保持清洁，不得让光纤接头受潮，准备切割的光纤必须清洁、不得有污物，切割后光纤不得在空气中暴露时间过长。

选用精度高的光纤端面切割器来制备光纤端面，切割的光纤应为平整的镜面，无毛刺，无缺损，光纤端面的轴线倾角应小于 1 度。

熔接机要正确使用，要根据光纤类型正确合理地设置熔接参数、预放电电流、时间及主放电电流、主放电时间等，特别是在放置与使用环境差别较大的地方，应根据当时的气压、温度、湿度等环境情况，重新设置熔接机的放电电压及放电位置以及使 V 型槽驱动器复位等调整。

光纤的发展应用

人类很早以前就认识到用光可以传递信息，并逐步探索到可以用玻璃纤维把光信号封闭在其中进行光传送的方式，但早期的光纤衰减特别大，直到 20 世纪 60 年代，人类所能制造的最好的玻璃纤维的衰减仍在每公里 1000dB 以上。 1966 年 7 月，

利用光导纤维作为光的传输媒介的光纤通信，其发展只有二三十年的历史。

光纤通信的发展可分为以下几代进程：

第一代光纤通信系统，是以 1973 － 1976 年的 850nm 波长的多模光纤通信系统为代表；

第二代光纤通信系统，是 70 年代末， 80 年代初的多模和单模光纤通信系统；

第三代光纤通信系统是 80 年代中期以后的长波长单模光纤通信系统，中继距离约 50km ；

第四代光纤通信系统，是指进入 90 年代以后的同步数字体系光纤传输网络。

随着密集波分复用 DWDM 技术、掺铒光纤放大器 EDFA 技术和光时分复用 OTDM 技术的发展和成熟，光纤通信技术正向着超高速、大容量通信系统发展，并且逐步向全光网络演进。采用光时分复用 OTDM 和波分复用 DWDM 相结合的试验系统，容量可达 3 Tb/s （即 3000 Gb/s ）或更高；时分复用 TDM 的 10 Gb/s 系统和与 DWDM 相结合的 32×10 Gb/s 和 160×10 Gb/s 系统已经商用化， TDM 40 Gb/s 系统已经在实验室进行试验。在如此高速率的 DWDM 系统中，开发敷设新一代光纤已成为构筑下一代通信网的重要基础。要求新一代光纤应具有所需的色散值和低色散斜率、大有效面积、低的偏振模色散，以克服光纤带来的色散限制和非线性效应问题。

目前而言，对于基于 2.5 Gb/s 及其以下速率的 WDM 系统， G.652 光纤是一种

最佳选择；对于基于 10 Gb/s 及更高速率的 WDM 系统， G.652 和 G.655 光纤均能支持；对于通路非常密集的 WDM 系统， G.652 光纤承载的系统在技术上有较好的优势，在考虑光纤选型时应综合性能及成本等