光纤和光缆通信基本知识.pdf_大学文库

能满足全反射条件的光线也只有某些以特定的角度射入光纤端面的部分才能在光纤中传输,因此,不同模式的光传输方向不是连续改变的。当通过同样一段光纤时以不同角度入射后,光信号在光纤中所走的路径也不一样,沿光纤轴前进的光走的路径最短,而与轴线交角大的光所走的路径长三、光纤的种类按传播模式分类多模光纤和单模光纤。光是一种频率极高的电磁波,频率约为3X10E14Hz,它在波导光纤中传播时,根据波动光学理论和电磁场理论,当波导光纤纤芯的几何尺寸远大于光波波长时,光在波导光纤中会以几十种或更多的传播模式进行传播 ①、多模光纤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。计算多模光纤中传播模式的数量的经典公式为N=2,其中V为归一化率。例如,当V=38时,多模光纤中会存在三百多种传播模式。其中V=3mNA,其中a1为纤芯的半径,λ为光波波长,NA为光纤的数值孔径,根据全反射的原理,NA的物理意义就是能使光信号在光纤内以全反射形式传播的接收角θc的正弦值,光纤的NA并非越大越好,NA越大,虽然光纤接收光的能力越强,但光纤的模式色散也越厉害。因为 NA越大,则其相对折射率差也就越大,导致模式色散越大,使传输容量和距离变小,对光纤NA的取值有规定,CCIT建议光纤的NA=0.18-0.24之间 ②、单模光纤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24048,这样N的值就为1,只有一种模 1式按工作波长分类短波长光纤和长波长光纤短波长的光信号波长在0.6m-09mm之间,长波长的光信号在1.31um和1.55um两个窗口之间,长波长光纤因具有衰减低,带宽宽等优点,适用于长距离、大容量的光纤传输单模光可在多模光纤中传输,但多模光不能在单模光纤中传输按套塑类型分类紧套光纤与松套光纤等。按 CCITT建议的分类-G652、G653、G.655光纤 G652光纤:非色散位移光纤或常规光纤。可用于1310nm窗口和1550nm窗口的光信号波长,在1310nm窗口,其色散为零,但衰减偏大,在1550nm窗口,其存在一定的色散,大约为20ps/kmnm,但衰减偏小,现每公里大约为0.18dB。G652光纤可用于 2.5G以下的光信号传输,包括2.5G光信号,也可用于DwDM的传输。但在1550nm窗口

存在一定的色散,用于10G的光信号传输时,需进行色散补偿。中国铺设的多为 G.652的光纤,用于25G或以下和DwDM的传输。 G.653光纤:色散位移光纤。即把130nm窗口的零色散位移到1550mm窗口,适用于10G,包括10G的光信号传输,但不能用于DWDM的传输,会产生四波混频的非线性效应。现日本铺设的光纤多为G.653光纤,主要用于10G的传输。 G.655光纤:非零色散位移光纤。结合G1652和G653光纤的特点,也为了能传输 10G和DWDM的光信号,在1550m窗口,使光纤存在一定的色散,但很小,不使 DWDM信号产生非线性效应。掺饵光纤:掺饵光纤主要用于EDFA上,生产掺饵光纤放大器,掺饵光纤放大器是现代光通信中的重要部分,也是实现全光网的关键部件,增加无电中继的传输距离。特点是体积小,增益髙,插入损耗小,偏振不敏感,低噪声,交叉串扰小,工作波长落在1550nm窗口,与光纤容易对接。掺饵光纤放大器的工作原理就是利用泵浦源照射掺饵光纤,使掺饵光纤中的饵离子由低能位跃迁到高能位,形成粒子数反转分布区,饵离子在衰变的过程中释放能量,放大1550nm波长段的光信号。泵浦源一般采用980nm的光源,通过控制泵浦源的发光电流的大小,来控制光信号的放大增益。掺饵光纤放大器虽放大了光信号,同时对噪声也进行了放大,引入了噪声, 保偏光纤和色散补偿光纤:由于光信号在传输过程中,引起相位的变化,即产生偏振效应,通过保偏光纤进行相应的补偿。色散补偿光纤主要补偿光信号在光纤中传输引起的色散,恢复信号的脉冲宽度。四、光纤的特性参数光纤的特性参数可以分为三大类:几何特性参数、光学特性参数与传输特性参数。包括:衰耗系数(即衰减)、色散、非线性特性等。 1、衰耗系数(衰减) 衰耗系数是多模光纤和单模光纤最重要的特性参数之一,在很大程度上决定了多模和单模光纤通信的中继距离衰耗系数的定义为:每公里光纤对光信号功率的衰减值。其表达式为 =10g单位为dB/km 其中:Pi为输入光功率值(W瓦特) Po为输出光功率值(W瓦特) 如某光纤的衰耗系数为a=3dB/km,则B=103=2,意味着经过一公里光纤传输后,其光信号功率值减小了一半。长度为L公里的光纤总的衰耗值为A=aL 对于单模光纤,现在已能做到0.18dB/km的衰耗。对于一个光信号,若经过 EDFA放大后输出功率为+5dBm,其接收端的接收灵敏度若为-28dBm,则放大增益为 33dB,除以衰耗系数,除数距离为=183公里,考虑老化等裕度,可传输120km以使光纤产生衰耗的原因很多,主要有:吸收衰耗,包括杂质吸收和本征吸收;散射衰耗,包括线性散射、非线性散射和结构不完整散射等;其它衰耗,包括微弯曲衰耗等。其中最主要的是杂质吸收引起衰耗。在光纤材料中的杂质如氢氧根离子、过渡金属离子对光的吸收能力极强,它们是产生光信号衰减的重要因数。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进行十分严格的化学提纯,使其杂质的含量降到几个PPb以下。 2、色散当一个光脉冲从光纤中输入,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的作用,即光纤存在色散。这主要是光脉冲的前端和后端在光纤中传输的距离不一致,导致脉冲变宽光纤的色散是引起光纤带宽变窄的主要原因,光纤带宽变窄会限制光纤的传输容量,同时,也限制了光信号的传输距离。 G.652光纤是1310nm窗口零色散,在1550nm窗口存在色散,在传输10G信号时, 需加色散补偿光纤,进行色散补偿:G.653光纤是色散位移光纤,在1550m窗口零色散,可传输10G的光信号,但传输WDM波分光信号时,因零色散,会产生四波混频等非线性效应,不能用于WDM波分的传输。G.655光纤在150nm窗口有很小的色散,可用于SDH光信号和WDM信号的传输光纤的色散可以分为三部分,即模式色散、材料色散和波导色散。模式色散:主要对多模光纤而言,对单模光纤来说,因只有一个模式传播,不存在模式色散的问题。定义:多模光在多模光纤中传输时会存在许多种传输模式,而每种传输模式具有不同的传播速度和相位,因此虽然在输入端同时输入光脉冲信号,但到达接收端时的时间却不一致,于是产生了脉冲展宽的现象,叫模式色散材料色散:是指组成光纤的材料二氧化硅本身所产生的色散波导色散:波导色散是指由光纤的波导结构所引起的色散。对于多模光纤而言,由于其模式色散比较严重,而且其数值也比较大,其材料色散较小,不占主导地位,波导色散对多模光纤的影响甚小,所以,多模光纤主要考虑其模式色散。而单模光纤传输的是一个单模,不存在模式色散,模式色散为零,考虑的是其材料色散和波导色散。光纤的总色散所引起的脉冲展宽可由下式计算: △T=/T+τ2+T2即为三种色散各自平方的和后开平方。色散主要用色散系数D(λ)表示。色散系数一般只对单模光纤来说,包括材料色散和波导色散,统称色散系数。色散系数的定义:每公里的光纤由于单位谱宽所引起的脉冲展宽值,与长度呈线性关系。其计算公式为:0=6λ·D(λ)·L其中:δλ为光源谱宽,是一个模糊的概念,可不加考虑,只要前后一致即可,D(λ)为色散系数,L为长度,现在的单模光纤色散系数一般为20ps/kmnm,光纤长度越长,则引起的色散总值就越大。色散系数越小越好,,因色散系数越小,根据上式可知,光纤的带宽越大,传输容量也就越大。所以,传输2.5G以上光信号时,要考虑光纤色散对传输距离的影响,最好采用零色散的G.653光纤传输,但光纤色散为零时,传输WDM波分光信号会产生四波混频等非线性效应,所以色散要小,但不能为零,最终采用的光纤为G655光纤来传输10G的光信号和WDM波分复用信号。对于单模光纤,其带宽系数在25 GHz. km以上,但多模光纤的带宽系数一般在1 GHZ km以下。所以,多模光纤一般用于622M以下短距离的通信,而单模光纤可用于多种速率的通信 3、带宽Bc、数值孔径NA、模场直径d和截止波长λc等概念带宽主要用带宽系数Bc表示。通过实验可以发现,如果输入光信号的功率大小保持不变,随着调制频率的增加,通过光纤传输后,其输出光功率会随发端调制频率的增加而减小,这说明光纤也

存在象电缆一样的带宽系数,即对调制光信号的调制频率有一定的响应特性。象电缆样有高频线、低频线的区分,且高频、低频线的衰减也不一样带宽系数的定义:一公里长的光纤,其输出光信号的功率下降到其最大值(直流光输入时的输出光功率)的一半时,此时光信号的调制频率就叫做光纤的带宽系数即下降一半时光信号的带宽,也叫3dB带宽,对于DWDM设备,还有0.5dB带宽、 ldB带宽、20dB带宽的特性测试。如下图所示 0.5 调制频率f 需要注意的是,光信号是以光功率来度量的,一般以dBm为单位,也可用瓦特 W来表示,W与dBm是可相互转换的,换算公式为dBm=10lgW,1mW就是0dBm, 500uW就是-3dBm左右。所以3dB带宽就是光信号输出功率减少一半时的带宽,相同的对于电缆来说,一般以6dB带宽来表示其电能量衰减一半,因为电信号是以电压或电流来度量的,是以201g来计算的引起光纤带宽变窄的原因主要是光纤的色散对于多模光纤而言,传输的是多模光信号,带宽也叫模式色散带宽,用带宽系数表示多模光纤的传输能力。对于单模光纤,因模式色散为零,也有带宽系数的概念, 同时引入色散系数的概念。由于单模光纤制造技术的提高,其色散系数一般为 20ps/kmnm。对于单模发送激光器,都会给出一个色散容限值参数,如7200ps,则 7200/20=360km,表示此激光器在无电中继的情况下,可传输360km,对于SDH的传输,其无电中继传输时,一般不会超过150km,一般不考虑色散容限值这个参数,只有在DWDM中,才考虑这个参数,在DWDM中,无电中继最大可传输640km,所以要求的色散容限值要在12800ps/km以上。对光纤而言,其带宽与色散的关系可近似表示为Bc=9413,△τm为光纤的模式色散,显然,光纤的带宽与色散有关,与长度呈非线性关系,但光纤的衰耗与长度有,与长度呈线性关系带宽系数Bc是在频域范围内描述光纤传输特性的重要参数,实际上沿用了模拟通信的概念。对多模光纤来说,测量时,一般用均方根谱宽σf来表述带宽系数特性,对单模光纤来说,一般测量3dB和20dB谱宽特性来表述带宽系数特性纤的均方根谱宽的物理定义:对应于光纤高斯冲击响应最大函数值的0.61倍时,自变量时间t的数值。一方面在实际工作中,人们在时域内进行测量比在频域内测量更加方便可行,另一方面光纤的均方根σf与数字光纤通信理论有着更密切的关系, 直接和其传输的光脉冲的均方根脉宽发生联系。均方根谱宽不仅能确切地描述光脉冲的特性,而且与光纤通信系统的传输中继距离密切相关,所以在光纤通信的理论中经常用到。数值孔径NA,在前面以对数值孔径进行了描述,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。根据全反射的原理,NA的物理意义就是能使光信号在光纤内以全反射形式传播的接收角0c的正弦值,光纤的NA并非越大越好,NA越大,虽然光纤接收光

的能力越强,但光纤的模式色散也越厉害。因为NA越大,则其相对折射率差也就越大,导致模式色散越大,使传输容量和距离变小,对光纤NA的取值有规定,CCIT建议光纤的NA=0.18-0.24之间。模场直径d是表征单模光纤集中集中光能量的程度,单模光纤只允许一种模式, 即基模进行传输,其模场直径d的计算公式为:d 其中:A为光波波长 (um),NAt为为单模光纤的最大理论数值孔径,通过计算,不严格的说法就是模场直径d和单模光纤的纤芯直径相近截止波长λc,截止波长的含义就是能使光纤实现单模传输的最小工作光波波长,如果要传输的光信号波长不大于单模光纤的截止波长,不能实现单模传输 4、光纤传输的非线性效应在前面的介绍中可以知道,光纤传输的衰耗和色散与光纤长度呈线性变化的,呈线性效应,而带宽系数与光纤长度呈非线性效应。非线性效应一般在WDM系统上反映较多,在SDH系统反映较少,因为在WDM设备系统中,由于和波器、分波器的插入损耗较大,对16波系统一般相加在10dB左右,对32波系统,相加在15dB左右,因此需采用EDFA进行放大补偿,在放大光功率的同时,也使光纤中的非线性效应大大增加, 成为影响系统性能,限制中继距离的主要因数之一,同时,也增加了ASE等噪声光纤中的非线性效应包括:①散射效应(受激布里渊散射SBS和受激拉曼散射 SRS等)、②与克尔效应相关的影响,即与折射率密切相关(自相位调制SPM、交叉相位调制XPM、四波混频效应FWM),其中四波混频、交叉相位调制对系统影响严 A、受激布里渊散射SBS和受激拉曼散射SRS 从本质上说,任何物质都是由分子、原子等基本组成单元组成。在常温下,这些基本组成单元在不断地作自发热运动和振动。光纤中的受激布里渊散射SBS和受激拉曼散射SRS都是激光光波通过光纤介质时,被其分子振动所调制的结果,而且SBS和 SRS都具有增益特性,在一定条件下,这种增益可沿光纤积累。SBS与SRS的区别在于,SBS激发的是声频支声子,SRS激发的是光频支声子受激布里渊散射SBS产生原理:SBS是光纤中泵浦光与声子间相互作用的结果,在使用窄谱线宽度光源的强度调制系统中,一旦信号光功率超过受激布里渊散射SBS的门限时(SBS的门限较低,对于1550nm的激光器,一般为7-8dBm),将有很强的前向传输信号光转化为后向传输,随着前向传输功率的逐渐饱和,使后向散射功率急剧增加在WDM+EDFA的系统中,注入到光纤中的功率大于SBS的门限值,会产生SBS散射。SBS对wDM系统的影响主要是引起系统通道间的串扰及信道能量的损失。布里渊频移量在1550nm处约为10~11GHz,当WDM系统的信道间隔(即波长间隔)与布里渊频移量相等时,就会引起信道间的串扰,但目前的WDM系统,在32波(包括32波)以下时,其信道间隔不小于0.8nm,既信道间隔不小于100GHz,可以避免由于SBS产生的信道串扰,但随着WDM朝密集方向的发展,信道间隔越来越小,但信道间隔靠近 10~11GHz时,SBS将成为信道串扰的主要因数。此外,由于SBS会引起一部分信道功率转移到噪声上,影响功率放大。目前抑制SBS的措施通常在激光器输岀端加一个低频调制信号,提高SBS的门限值

受激拉曼散射SRS产生原理:受激拉曼散射SRS是光与硅原子振动模式间相互作用有关的宽带效应,在任何情况下,短波长的信号总是被这种过程所衰减,同时长波长信号得到增强。在单信道和多信道系统中都可能发生受激拉曼散射SRS。仅有一个单信道且没有线路放大器的系统中,信号功率大于1W时,功率会受到这种现象的损伤,在较宽信道间隔的多信道系统中,较短波长信号通道由于受激拉曼散射SRS,使得一部分光功率转移到较长波长的信号信道中,从而可能引起信噪比性能的劣化。由于受激拉曼散射 SRS激发的是光频支声子,其产生的拉曼频移量比布里渊频移量大得多,一般在 100GHz200GHz,且门限值较大,在1550nm处约为27dBm,一般情况下不会发生。但对于wDM系统,随着传输距离的增长和复用的波数的增加,EDFA放大输出的光信号功率会接近27dBm,SRS产生的机率会增加。因G.653光纤的等效芯经面积小于G.652光纤,受激拉曼散射SRS门限值要低于采用G652光纤的系统,在G.653光纤上产生SRS的概率要大。 B、自相位调制SPM和交叉相位调制XPM 光纤中的克尔效应是一种折射率的非线性效应,即光纤中激光强度的变化导致光纤折射率的变化,引起光信号自身的相位调整,这种效应叫做自相位调制由于折射率对光强存在依赖关系,在光脉冲持续时间内折射率发生变化,脉冲峰值的相位对于前、后沿来说均是延迟的,这种相移随着传输距离的增加而积累起来, 达到一定距离后显示出相当大的相位调制,从而使光谱展宽导致脉冲展宽,这就称为自相位调制SPM。在DWDM系统中,光谱展宽是非常严重的,可使一个信道的脉冲光谱与另一个信道的脉冲光谱发生重叠,影响系统的性能般情况下,自相位调制SPM效应只在超长系统中表现比较明显,同时在色散大的光纤中也表现比较明显,所以,采用G.653光纤,且将信道设置在零色散区附近,有利于减小自相位调制效应,对于使用G.652光纤,且长度小于1000km的系统,可以在适当的间隔进行色散补偿的方法来控制自相位调制SPM效应。在多波长系统中,一个信道的相位变化不仅与本信道的光强有关,也与其它相邻信道的光强有关,由于相邻信道间的相互作用,相互调制的相位变化称为交叉相位调制XPM。XPM引起的频谱展宽度与信道的间隔有关,越小,则产生的效应就越大,反 ,则小。XPM引起的展宽会导致多信道系统中相邻信道间的干扰。 SPM和XPM在色散大的光纤中产生的效应要比在色散小的光纤中产生效应要大, 在实际系统中可通过采用色散小的G.653和G655光纤来减小SPM和XPM效应 C、四波混频四波混频FWM亦称四声子混合,是光纤介质三阶极化实部作用产生的一种光波间耦合效应,是因不同波长的两三个光波相互作用而导致在其它波长上产生所谓混频产物,或边带的新光波,这种互作用可能发生于多信道系统的信号之间,可以产生三倍频、和频、差频等多种参量效应在DwDM系统中,当信道间距与光纤色散足够小且满足相位匹配时,四波混频将成为非线性串扰的主要因数。当信道间隔达到10GHz以下时,FWM对系统的影响将最严重。下图为三个信号的情况下,产生的四波混频效应

f1 f3 频率四波混频FWM对DWDM系统的影响主要表现在:(1)产生新的波长,使原有信号的光能量受到损失,影响系统的信噪比等性能:(2)如果产生的新波长与原有某波长相同或交叠,从而产生严重的串扰。四波混频FWM的产生要求要求各信号光的相位匹配,当各信号光在光纤的零色散附近传输时,材料色散对相位失配的影响很小,因而较容易满足相位匹配条件,容易产生四波混频效应。目前的DWDM系统的信道间隔一般在100GHz,零色散导致四波混频成为主要原因,所以,采用G.653光纤传输DWDM系统时,容易产生四波混频效应,而采用 G652或G655光纤时,不易产生四波混频效应。但G.652光纤在1550mm窗口存在一定的色散,传输10G信号时,应加色散补偿,G.655光纤在1550mm窗口的色散很小,适合 l0 GDWDM系统的传输五、光纤传感技术介绍光纤传感器是上世纪七十年代中期发展起来的一门新技术,是伴随着光纤及光通讯技术发展而逐步形成的光纤传感器与各类传统的电传感器相比有一系列的优点:灵敏度高、耐腐蚀、电绝缘好、防爆性、光路可弯曲、宽频带、结构简单、体积小、重量轻、耗电少等。光纤传感器可分为两大类:功能型传感器和非功能型传感器。功能传感器就是利用光纤本身的特性,把光纤作为敏感元件,对光纤内传输的光进行调制,使输出的光的强度、相位、频率或偏振态等特性发生变化,再通过对被调制的光信号进行解调,得出被测信号的各种特性。非功能传感器是利用其他敏感元件感受被测量信号的变化,光纤仅作为光波的传输介质,常用来传输远端场所的信号,也叫传光型光纤传感器或混合型光纤传感器 1、光波强度调制技术用被测对象来引起光纤中光强度的变化,来实现对被测对象的监测与控制,是光强度调制型光纤传感器的基本原理。光强度调制分为内调制和外调制,外调制时光纤仅起传光的作用,光纤本身特性不改变,调制过程发生在光纤外,称为传光型传感器。内调制发生在光纤内部,是通过光纤本身特性的改变来实现光强度的调制,称为功能型光纤传感器。内调制的方法是由垂直于光纤轴线的位移或压力引起光纤弯曲, 利用光纤的微弯效应,使传输光有一部分泄漏到包层中去,从而使纤芯中光强度发生变化,实现对光强度的调制。外调制的方法有很多,如利用发送光纤和接收光纤作相对横向或纵向移动,改变接收光强,达到光调制目的;通过折射率的改变或者光纤吸收特性的改变也可实现光强度的调制等。如下图为