光纖通信技術畢業(yè)

1、<p><b>　　光纖通信技術</b></p><p><b>　　論 文</b></p><p>　　班 級： 信息10-1 </p><p>　　學 號： 201016050133 </p><p>　　姓 名：X X

2、 X </p><p>　　指導老師： </p><p>　　成 績： </p><p><b>　　前言</b></p><p>　　人類社會的一切活動都離不開資訊的傳遞——通信,它像人

3、的神經(jīng)系統(tǒng)一樣重要。通信是人與人之間通過某種媒體進行的信息交流與傳遞。從廣義上說，無論采用何種方法，使用何種媒質(zhì)，只要將信息從一地傳送到另一地，均可稱為通信。</p><p>　　古代的通信方式有烽火臺、擊鼓、驛站快馬接力、信鴿、旗語等。古代的通信對遠距離來說，最快也要幾天的時間，而現(xiàn)代通信以電信方式，如電報電話、快信、短信、E-MAIL等，實現(xiàn)了即時通信</p><p>　　在目前人類的

4、一切通信方式中，電話通信是應用最廣泛的一種。電話通信的目的是達成人們在任意兩地之間的通話。因此，必須要解決三個問題：第一是語音信號的發(fā)送和接收；第二是語音信號的傳輸；第三是語音信號的交換。第一個問題由使用者的終端設備——電話機來解決。第二個問題由各種類型的電話傳輸設備從最簡單的音頻傳輸線到多路載波設備，數(shù)位微波，衛(wèi)星通信線路設備等等來解決。第三個問題，則由各種類型的電話交換設備來解決。這三個部分只要有系統(tǒng)地結(jié)合起來，就能構(gòu)成一個完整的電

5、話通信系統(tǒng)。而電話交換設備，是整個電話通信網(wǎng)路中的樞紐，有著相當重要的作用。</p><p>　　20世紀90年代中期以前的光線通信系統(tǒng)事以電時分復用為基礎的單波長系統(tǒng)。在新一代超高速光線通信系統(tǒng)中，最具代表性的成就事指在2000年，光波分復用系統(tǒng)使用波分復用技術在一根光纖上實現(xiàn)了3.28Tb/s的傳輸速率。光波分復用的突出優(yōu)點是可有效地利用單模光纖地損耗區(qū)所帶來的巨大帶寬資源，明顯提高系統(tǒng)的傳輸容量，同時將相應

6、增加的成本降到很低的程度。目前，“摻鉺光纖放大器+密集波分復用+非零色散光纖+光子集成”正成為國際上長途高速光纖通信線路的主要技術方向。同時，光交叉鏈接設備和光分插復用設備以及基于波長選路的密集波分復用全光網(wǎng)正在大力研究和試驗。此外，新型的光器件，新興的技術和新型的系統(tǒng)也都層出不窮，并獲得迅速發(fā)展。</p><p><b>　　光纖通信概念</b></p><p>　

7、　所謂光纖通信，就是利用光纖來傳輸攜帶信息的光波以達到通信之目的。要使光波成為攜帶信息的載體，必須對之進行調(diào)制，在接收端再把信息從光波中檢測出來。然而，由于目前技術水平所限，對光波進行頻率調(diào)制與相位調(diào)制等仍局限在實驗室內(nèi)，尚未達到實用化水平，因此目前大都采用強度調(diào)制與直接檢波方式（IM-DD）。又因為目前的光源器件與光接收器件的非線性比較嚴重，所以對光器件的線性度要求比較低的數(shù)字光纖通信在光纖通信中占據(jù)主要位置。</p>

8、<p>　　數(shù)字光纖通信系統(tǒng)基本上由光發(fā)送機、光纖與光接收機組成。發(fā)送端的電端機把信息（如話音）進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，用轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號去調(diào)制發(fā)送機中的光源器件(LED)，則LED 就會發(fā)出攜帶信息的光波。即當數(shù)字信號為“1”時，光源器件發(fā)送一個“傳號”光脈沖；當數(shù)字信號為“0”時，光源器件發(fā)送一個“空號”（不發(fā)光）。光波經(jīng)光纖傳輸后到達接收端。在接收端，光接收機把數(shù)字信號從光波中檢測出來送給電端機，而電端機再進行數(shù)/模轉(zhuǎn)換，恢復成

9、原來的信息。就這樣完成了一次通信的全過程。</p><p><b>　　光纖通信的介紹</b></p><p>　　光纖即為光導纖維的簡稱。光纖通信是以光波作為信息載體,以光纖作為傳輸媒介的一種通信方式。從原理上看，構(gòu)成光纖通信的基本物質(zhì)要素是光纖、光源和光檢測器。</p><p>　　光纖通信的原理是在發(fā)送端首先要把傳送的信息(如話音)變成電

10、信號，然后調(diào)制到激光器發(fā)出的激光束上，使光的強度隨電信號的幅度(頻率)變化而變化，并通過光纖發(fā)送出去。在接收端，檢測器收到光信號后把它變換成電信號，經(jīng)解調(diào)后恢復原信息。</p><p>　　光纖通信之所以發(fā)展迅猛，主要緣于它具有以下特點：</p><p>　　(1)通信容量大、傳輸距離遠。</p><p>　　(2)信號串擾小、保密性能好。</p>&

11、lt;p>　　(3)抗電磁干擾、傳輸質(zhì)量好。</p><p>　　(4)光纖尺寸小、重量輕、便于敷設和運輸。</p><p>　　(5)材料來源豐富，環(huán)境保護好，有利于節(jié)約有色金屬銅。</p><p>　　(6)無輻射,難于竊聽。</p><p>　　(7)光纜適應性強，壽命長。</p><p><b>

12、;　　光纖通信發(fā)展的歷史</b></p><p>　　伴隨社會的進步與發(fā)展，以及人們?nèi)找嬖鲩L的物質(zhì)與文化需求，通信向大容量、長距離的方向發(fā)展已經(jīng)是必然趨勢。由于光波具有極高的頻率，也就是說是具有極高的寬帶從而可以容納巨大的通信信息，所以用光波作為載體來進行通信是人們幾百年來追求的目標。</p><p>　　1966年，英籍華裔學者高錕博士在PIEE雜志上發(fā)飆了一篇十分著名的文章

13、——《用于高頻的光纖表面波導》，該文從理論上分析和證明了用光纖作為傳輸媒體以實現(xiàn)光通信的可靠性，并設計了通信用光纖的波導結(jié)。</p><p>　　1970年，美國康寧玻璃公司根據(jù)高錕文章的設想，用改進型化學汽相沉積法制造出當時世界上第一根超低損耗光纖，成為使光纖通信爆炸性競相發(fā)展的導火索。雖然當時康寧玻璃公司制造出的光纖只有幾米長，衰耗約20dB/km，而且?guī)讉€小時之后便損壞了。但它證明了用當時的科學技術與工藝方

14、法制造通信用的超低損耗光纖是完全有可能的。</p><p>　　1970年以后，世界各發(fā)達國家對光纖通信的研究傾注了大量的人力與物力，其來勢之兇、規(guī)模之大、速度之快遠遠超出了人們的意料，使光纖通信技術取得了及其驚人的進展。</p><p>　　從光纖的損耗來看，1970年是20dB/km，1972年是4 dB/km，1974年是1.1dB/km，1976年是0.5 dB/km，1979年是

15、0.2 dB/km，1990年是0.14 dB/km，已經(jīng)接近石英光纖的理論衰耗極限值0.1 dB/km。</p><p>　　從光器件看，1970年，美國貝爾公司研制出世界上第一只在室溫下連續(xù)波工作的的砷化鎵鋁半導體激光器，為光纖通信找到了合適的光源器件。后來逐漸發(fā)展到性能更好、壽命達幾萬小時的異質(zhì)結(jié)條形激光器和現(xiàn)在的分布反饋式單縱模激光器以及多量子阱激光器。光接收器件也從簡單的硅PIN光二極管發(fā)展到量子效率達

16、90%的雪崩光二極管APD。</p><p>　　從光纖通信系統(tǒng)看，正是光纖制造技術和光電器件制造技術的飛速發(fā)展，以及大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路技術和微處理機技術的發(fā)展，帶動了光纖通信系統(tǒng)從小容量刀大容量、從短距離刀長距離、從低水平到高水平、從舊體制刀新體制的迅猛發(fā)展。</p><p><b>　　光纖通信發(fā)展的現(xiàn)狀</b></p><p>　　

17、1976年美國在亞特蘭大進行的現(xiàn)場試驗，標志著光纖通信基礎研究發(fā)展到了商業(yè)應用的新階段。此后，光纖通信技術不斷創(chuàng)新；光纖從多模發(fā)展到單模，工作波長從0.85um發(fā)展到1.31 um和1.55 um，傳輸速率從幾十兆特每秒發(fā)展到幾十吉比特每秒。另一方面，隨著技術的進步和大規(guī)模產(chǎn)業(yè)的形成，光纖價格不斷下降，應用范圍不斷擴大；從初期的單一類型信息的傳輸?shù)蕉喾N業(yè)務的傳輸。目前光纖已成為信息寬帶傳輸?shù)闹饕劫|(zhì)，光纖通信系統(tǒng)將成為未來國家信息基礎設

18、施的支柱。</p><p>　　總之，從1970年刀現(xiàn)在雖然只有短短30多年的時間，但光纖通信技術卻取得了及其驚人的進展。用帶寬極其驚人的進展。用帶寬極其寬的光波作為傳送信息的載體以實現(xiàn)通信，這一百年來人們夢寐以求的幻想在今天已成為活生生的現(xiàn)實。然而就目前的光纖通信而言，其實際應用的僅是其潛在能力的2%左右，尚有巨大的潛力等待人們?nèi)ラ_發(fā)和利用。因此，光纖通信技術并未停滯不前，而是向高水平、更高階段方向發(fā)展。<

19、;/p><p><b>　　光纖通信的優(yōu)點</b></p><p>　　光纖通信之所以受到人們的極大重視，這是因為和其它通信手段相比，具有</p><p><b>　　無以倫比的優(yōu)越性。</b></p><p><b>　　1. 通信容量大</b></p><p

20、>　　從理論上講，一根僅有頭發(fā)絲粗細的光纖可以同時傳輸1000 億個話路。雖然目前遠遠未達到如此高的傳輸容量，但用一根光纖同時傳輸24 萬個話路的試驗已經(jīng)取得成功，它比傳統(tǒng)的明線、同軸電纜、微波等要高出幾十乃至上千倍以上。一根光纖的傳輸容量如此巨大，而一根光纜中可以包括幾十根甚至上千根光纖，如果再加上波分復用技術把一根光纖當作幾根、幾十根光纖使用，其通信容量之大就更加驚人了。</p><p><b&g

21、t;　　2. 中繼距離長</b></p><p>　　由于光纖具有極低的衰耗系數(shù)（目前商用化石英光纖已達0.19dB/km 以下），若配以適當?shù)墓獍l(fā)送與光接收設備，可使其中繼距離達數(shù)百公里以上。這是傳統(tǒng)的電纜（1.5km）、微波（50km）等根本無法與之相比擬的。因此光纖通信特別適用于長途一、二級干線通信。據(jù)報導，用一根光纖同時傳輸24 萬個話路、100 公里無中繼的試驗已經(jīng)取得成功。此外，已在進行的

22、光孤子通信試驗，已達到傳輸120 萬個話路、6000 公里無中繼的水平。因此，在不久的將來實現(xiàn)全球無中繼的光纖通信是完全可能的。</p><p><b>　　3. 保密性能好</b></p><p>　　光波在光纖中傳輸時只在其芯區(qū)進行，基本上沒有光“泄露”出去，因此其保密性能極好。</p><p><b>　　4. 適應能力強<

23、;/b></p><p>　　適應能力強是指，不怕外界強電磁場的干擾、耐腐蝕，可撓性強（彎曲半徑大于25厘米時其性能不受影響）等。</p><p>　　5. 體積小、重量輕、便于施工維護</p><p>　　光纜的敷設方式方便靈活，既可以直埋、管道敷設，又可以水底和架空。</p><p>　　6. 原材料來源豐富，潛在價格低廉</

24、p><p>　　制造石英光纖的最基本原材料是二氧化硅，即砂子，而砂子在大自然界中幾乎是取之不盡、用之不竭的。因此其潛在價格是十分低廉的。</p><p><b>　　光纖通信的發(fā)展趁勢</b></p><p>　　光纖通信從1970年真正起步，乃今為止僅有30多年的時間，但光纖通信的技術無論是光纖制造技術還是光電器件的制造技術，以及光纖通行系統(tǒng)的水

25、平都取得了極其驚人的進展，它以成為現(xiàn)代通信最主要的傳輸手段。</p><p>　　光纖通信的潛力是巨大的，目前的光纖通信應用水平據(jù)分析僅僅是其能力的1%~2%左右。光纖通信作為現(xiàn)代通信的主要支柱，在現(xiàn)代通信網(wǎng)中起著重要的作用。光纖通信具有以下幾個發(fā)展趁勢：</p><p>　　6.1 波分復用技術</p><p>　　所謂波分復用，就是用一根光纖同時傳輸幾種不同波長

26、的光波，已達到擴大通信容量的</p><p>　　目的。在系統(tǒng)的發(fā)送端，由各個分系統(tǒng)分別發(fā)出不同波長的光波，并由合波器合成一束光波進入光纖進行傳輸，而在接收端用光波分離開，分別輸入刀各個系統(tǒng)的光接收機。</p><p><b>　　6.2 相干光通信</b></p><p>　　乃今為止，已應用的光纖通信都是采用強度調(diào)制與直接檢波的工作方式，它

27、只相當于原始的無線通信所使用的調(diào)制與解調(diào)技術。在此方式下，光波元器件的調(diào)制速率、光接收機的靈敏度受到局限而難以再提高，適用不了超大容量、超長距離通信的要求。</p><p>　　所謂相干光通信，就是在發(fā)端由激光器發(fā)出譜線較窄，頻率穩(wěn)定、相位恒定的相干光，并用先進的調(diào)制方法對之進行調(diào)制。在收端，把由光纖傳輸來的相干光載波與本振光源發(fā)出的相干光，經(jīng)光耦合器后加到光混合器上進行混頻與差額，然后把差額后的中頻光信號進行放

28、大、檢波。</p><p>　　6.3 超大波長光纖通信</p><p>　　為了實現(xiàn)越來越大的信息容量和超長距離傳輸，必須適用低損耗和低色散的單模光纖。目前石英光纖的損耗已接近理論極限值，再無多大潛力可挖。</p><p><b>　　6.4 光集成技術</b></p><p>　　它和電子技術中的集成電路相類似，是把

29、許多微型光學元件，如光源器件、光檢測器，光透鏡、光濾波器、光柵等集成在一塊很小的芯片上，構(gòu)成具有復雜性能的光器件；還可以和集成電路等電子元件集成在一起形成功能更復雜的光電部件，如光發(fā)送機與光接收機等。采用光集成技術，不僅是設備的體積、重量大大減少、而且提高了穩(wěn)定性與可靠性。</p><p><b>　　6.5 光弧子通信</b></p><p>　　通信容量越大，要求

30、光脈沖越窄。窄光脈沖經(jīng)光纖傳輸后，因光纖的色散作用出現(xiàn)脈沖展寬一直是制約大容量、長距離傳輸?shù)年P鍵因素。</p><p>　　經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，當注入光強密度足夠大時，會引起光脈沖變窄的奇特現(xiàn)象，其光脈沖寬度可抵達幾個皮秒，即所謂光弧子脈沖。因此用弧子脈沖可以實現(xiàn)超大容量的光纖通信。</p><p><b>　　光纖的介紹</b></p><p>&l

31、t;b>　　7.1 光纖概念</b></p><p>　　光纖，是由纖芯和包層兩部分組成的。纖芯區(qū)域完成光信號的傳輸,包層則是將光封閉在纖芯內(nèi)，并保護纖芯,增加光纖的機械強度。</p><p>　　目前，通信光纖的纖芯和包層的主體材料都是石英玻璃，但兩區(qū)域中摻雜情況不同，因而折射率也不同。纖芯的折射率一般是1.463～1.467，包層的折射率是1.45～1.46左右。也就

32、是說，纖芯的折射率比包層的折射率稍微大一些。這就滿足了全反射的一個條件。當纖芯內(nèi)的光線入射到纖芯與包層的交界面時，只要其入射角大于臨界角，就會在纖芯內(nèi)發(fā)生全反射，光就會全部由交界面偏向中心。當碰到對面交界面時，又全反射回來，光纖中的光就是這樣在芯包交界面上，不斷地來回全反射，傳向遠方，而不會漏射到包層中去。</p><p>　　7.2 光纖傳輸原理分析</p><p>　　光獨立傳播定律認

33、為，從不同光源發(fā)出的光線，以不同的方向通過介質(zhì)某點時，各光線彼此互不影響，好象其他光線不存在似的。</p><p>　　光的直線傳播和折射、反射定律認為，光在各向同性的均勻介質(zhì)（折射率n不變）中，光線按直線傳播。光在傳播中遇到兩種不同介質(zhì)的光滑界面時，光發(fā)生反射和折射現(xiàn)象。光在均勻介質(zhì)中的傳播速度為：V=c/n。(式中c是光在真空中的傳播速度,n是介質(zhì)的折射率)</p><p>　　反射定

34、律為反射線位于入射線和法線所決定的平面內(nèi)，反射線和入射線處于法線的兩側(cè)，反射角等于入射角。</p><p>　　折射定律為折射線位于入射線和法線所決定的平面內(nèi)，折射線和入射線位于法線的兩側(cè)。</p><p>　　光在傳播過程中，若從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)的交界面時，因兩種介質(zhì)的折射率不等，將會在交界面上發(fā)生反射和折射現(xiàn)象。一般將折射率較大的介質(zhì)稱為光密媒質(zhì)，折射率小的稱為光疏媒質(zhì)。<

35、;/p><p>　　為了保證光信號在光纖中能進行遠距離傳輸，一定要使光信號在光纖中反復進行全反射，才能保證衰減最小，色散最小，到達遠端。實現(xiàn)全反射的兩個條件為:一定要使光纖纖芯的折射率n1大于光纖包層的折射率n2;光入光纖的光線向纖芯一包層界面入射時，入射角應大于臨界角。</p><p>　　7.3 光纖的傳輸特性</p><p><b>　　(1)損耗特性&

36、lt;/b></p><p>　　由于損耗的存在，在光纖中傳輸?shù)墓庑盘柌还苁悄M信號還是脈沖信號，其幅度都要減小。衰減是光纖的一個重要的傳輸參數(shù)。它表明了光纖對光能的傳愉損耗、光纖每單位長度的損耗，直接關系到光纖通信系統(tǒng)傳翰距離的長短，對光纖質(zhì)量的評定和對光纖通信系統(tǒng)的中繼距離的確定都起著十分重要的作用。</p><p>　　形成光纖損耗的原因很多，既有來自光纖本身的損耗，也有光纖與

37、光源的藕合損耗以及光纖之間的連接損耗。</p><p>　　光纖本身損耗的原因主要有吸收損耗和散射損耗兩類。</p><p>　　吸收損耗是光波通過光纖的材料時，有一部分光能變成熱能，從而造成光功率的損失。造成吸收損耗的原因很多，主要有本征吸收和雜質(zhì)吸收。</p><p>　　本征吸收是指光纖基本材料固有的吸收。本征吸收是不可避免的，所以本征吸收基本上確定了任何特定

38、材料的吸收下限。對于石英光纖，本征吸收有兩個吸收帶;一個是紫外吸收帶，一個是紅外吸收帶。</p><p>　　光纖中的雜質(zhì)吸收有鐵、鉻、銅等過渡金屬離子和氫氧根離子吸收。目前過渡金屬離子含量可以降低到0.4ppb以下，1ppb表示質(zhì)量的十億分之一，吸收峰損耗也可降低到1dB/km以下。</p><p>　　由氫氧根離子產(chǎn)生吸收峰出現(xiàn)在950mm、1240mm和1390mm波和附近。其中以1

39、390mm的吸收峰影響最為嚴重。一般氫氧根離子的含量可降低到l0.5dB/km以下。目前采用特殊的生產(chǎn)工藝幾乎可以完全消除光纖內(nèi)部的氫氧根離子，從而可以制成一個無水峰光纖，也稱全波光纖。</p><p>　　散射損耗是由于光纖的材料、形狀、折射率分布等的缺陷或不均勻，使光纖中傳導的光發(fā)生散射而產(chǎn)生的損耗。</p><p><b>　　(2)色散特性</b></p

40、><p>　　光纖色散是光纖通信的最重要的傳輸特性之一。在光纖中由于不同成分的光信號有不同的傳輸速度。因而有不同的時間延時而產(chǎn)生的一種物理效應。</p><p>　　在光纖中，不同速率的信號傳過同樣的距離需要不同的時間，從而產(chǎn)生時延差.時延差越大，色散越嚴重，因此可用時延差表示色散的程度。由干光纖中色散的存在，將直接導致光信號在光纖傳愉過程中的畸變，會使輸入脈沖在傳輸過程中展寬，產(chǎn)生碼間干擾.

41、增加誤碼率，從而限制了通信容量和傳愉距離。因此制造優(yōu)質(zhì)的、色散小的光纖，對于通信系統(tǒng)容量和加大傳輸距離是非常重要的。</p><p>　　從光纖色散產(chǎn)生的機理來看，它包括模式色散、材料色散和波導色散3種?！　?lt;/p><p>　　模式色散：在多模光纖中由于各傳輸模式的傳輸路徑不同，各模式到達出射端的時間不同，從而引起光脈沖展寬，由此產(chǎn)生的色散稱為模式色散。</p><p

42、>　　材料色散：光纖材料石英玻璃的折射率對不同的傳輸光波長有不同的值，包含有許多波長的太陽光通過棱鏡以后可分成7種不同顏色就是一個證明。由于上述原因，材料折射率隨光波長而變化從而引起脈沖展寬的現(xiàn)象稱為材料色散。</p><p>　　波導色散：由于光纖的纖芯與包層的折射率差別很小，因而在界面產(chǎn)生全反射現(xiàn)象時，有一部分光進入到包層之內(nèi)。由于出現(xiàn)在包層內(nèi)的這部分光，大小與光波長有關，這就相當于光傳輸路徑長度隨光波

43、波長的不同而異。具有一定波譜線寬的光源所發(fā)出的光脈沖射入到光纖后，由于不同波長的光其傳輸路程不完全相同，所以到達光纖出射端的時間也不相同，從而使脈沖展寬。具體說入射光的波長越長，進入到包層的光強比例就越大，傳輸路徑距離越長。由上述原因所形成的脈沖展寬現(xiàn)象叫做波導色散。</p><p>　　材料色散和波導色散都與光波長有關，所以又統(tǒng)稱為波長色散。模式色散僅在多模光纖中存在，在單模光纖中不產(chǎn)生模式色散，而只有材料色散

44、和波導色散。通常各種色散的大小順序是模式色散>材料色散>波導色散，因此多模光纖的傳輸帶寬幾乎僅由模式色散所制約。在單模光纖中由于沒有模式色散，所以它具有非常寬的帶寬。色散的單位是指單位光源光譜寬度、單位光纖長度所對應的光脈沖的展寬。</p><p>　　7.4 光纖的型號介紹</p><p>　　在這里主要介紹GYTA單模光纖。</p><p>　　GY

45、TA光纜的結(jié)構(gòu)是將250µm光纖套入高模量材料制成的松套管中，松套管內(nèi)填充防水化合物。纜芯的中心是一根金屬加強芯，對于某些芯數(shù)的光纜來說，金屬加強芯外還需擠上一層聚乙烯（PE）。松套管圍繞中心加強芯絞合成緊湊和圓形的纜芯，纜芯內(nèi)的縫隙充以阻水填充物。涂塑鋁帶（APL）縱包后擠制聚乙烯護套成纜。8、12代表是8芯和12芯，B1代表G.652類是常規(guī)單模光纖。</p><p>　　通信光纖具體分為G.651

46、、G.652、G.653、G.654、G.655和G.656六個大類和若干子類。</p><p>　　(1) G.651類是多模光纖，IEC和GB/T又進一步按它們的纖芯直徑、包層直徑、數(shù)值孔徑的參數(shù)細分為A1a、A1b、A1c和A1d四個子類。 </p><p>　　(2) G.652類是常規(guī)單模光纖，目前分為G.652A、G.652B、G.652C和G.652D四個子類,IEC和GB/

47、T把G.652C命名為B1.3外，其余的則命名為B1.1。</p><p>　　(3)G.653光纖是色散位移單模光纖，IEC和GB/T把G.653光纖分類命名為B2型光纖。</p><p>　　(4)G.654光纖是截止波長位移單模光纖，也稱為1550nm性能最佳光纖，IEC和GB/T把G.654光纖分類命名為B1.2型光纖。</p><p>　　(5)G.655

48、類光纖是非零色色散位移單模光纖，目前分為G.655A、G.655B和G.655C三個子類，IEC和GB/T把G.655類光纖分類命名為B4類光纖。</p><p><b>　　光纜的介紹</b></p><p>　　光纜(optical fiber cable)主要是由光導纖維（細如頭發(fā)的玻璃絲）和塑料保護套管及塑料外皮構(gòu)成，光纜內(nèi)沒有金、銀、銅鋁等金屬，一般無回收價

49、值。光纜是一定數(shù)量的光纖按照一定方式組成纜心，外包有護套，有的還包覆外護層，用以實現(xiàn)光信號傳輸?shù)囊环N通信線路。即由光纖(光傳輸載體)經(jīng)過一定的工藝而形成的線纜。</p><p><b>　　圖2-1 光纜</b></p><p><b>　　8.1光纜歷史</b></p><p>　　1976年，美國貝爾研究所在亞特蘭

50、大建成第一條光纖通信實驗系統(tǒng)，采用了西方電氣公司制造的含有144根光纖的光纜。1980年，由多模光纖制成的商用光纜開始在市內(nèi)局間中繼線和少數(shù)長途線路上采用。單模光纖制成的商用光纜于1983年開始在長途線路上采用。1988年，連接美國與英法之間的第一條橫跨大西洋海底光纜敷設成功，不久又建成了第一條橫跨太平洋的海底光纜。中國于1978年自行研制出通信光纜，采用的是多模光纖，纜心結(jié)構(gòu)為層絞式。曾先后在上海、北京、武漢等地開展了現(xiàn)場試驗。后不久

51、便在市內(nèi)電話網(wǎng)內(nèi)作為局間中繼線試用，1984年以后，逐漸用于長途線路，并開始采用單模光纖。 通信光纜比銅線電纜具有更大的傳輸容量，中繼段距離長、體積小，重量輕，無電磁干擾，自1976年以后已發(fā)展成長途干線、市內(nèi)中繼、近海及跨洋海底通信、以及局域網(wǎng)、專用網(wǎng)等的有線傳輸線路骨干，并開始向市內(nèi)用戶環(huán)路配線網(wǎng)的領域發(fā)展，為光纖到戶、寬代綜合業(yè)務數(shù)字網(wǎng)提供傳輸線路。</p><p><b>　　8.2 光纜的種類

52、</b></p><p>　　光纜的種類很多，其分類的方法就更多，下面介紹一些習慣的分類：</p><p>　　(1)按敷設方式分有：自承重架空光纜、管道光纜、鎧裝地埋光纜和海底光纜。</p><p>　　(2)按光纜結(jié)構(gòu)分有：束管式光纜、層絞式光纜、緊抱式光纜、帶式光纜，非金屬光纜和可分支光纜。</p><p>　　(3)按用途

53、分有：長途通訊用光纜、短途室外光纜、混合光纜和建筑物內(nèi)用光纜。</p><p>　　8.3 光纜網(wǎng)是信息高速路的基石</p><p>　　光纜是當今信息社會各種信息網(wǎng)的主要傳輸工具。如果把“互聯(lián)網(wǎng)”稱作“信息高速公路”的話，那么，光纜網(wǎng)就是信息高速路的基石---光纜網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)的物理路由。一旦某條光纜遭受破壞而阻斷，該方向的“信息高速公路”即告破壞。通過光纜傳輸?shù)男畔?，除了通常的電話、電報?/p>

54、傳真以外，現(xiàn)在大量傳輸?shù)倪€有電視信號、銀行匯款、股市行情等一刻也不能中斷的信息。目前，長途通信光纜的傳輸方式已由PDH向SDH發(fā)展，傳輸速率已由當初的140MB/S發(fā)展到2.5GB/S、4×2.5GB/S、16×2.5GB/S甚至更高。也就是說，一對纖芯可開通3萬條、12萬條、48萬條甚至向更多話路發(fā)展。如此大的傳輸容量，光纜一旦阻斷不但給電信部門造成巨大損失，而且由于通信不暢會給廣大群眾造成諸多不便，如計算機用戶不

55、能上網(wǎng)、股票行情不能知曉、銀行匯兌無法進行、異地存取成為泡影、各種信息無法傳輸。在邊遠山區(qū)，一旦光纜中斷，就會使全縣甚至光纜沿線幾個縣在通信上與世隔絕，成為孤島。給黨政軍機關和人民群眾造成的損失是無法估量的。</p><p><b>　　光端機的介紹</b></p><p>　　當今社會,光纖通信已成為通信的主要手段之一。同時，光纖通訊技術也在飛速的發(fā)展，使得光纖傳輸

56、系統(tǒng)以其眾多的優(yōu)點，贏得了大家的青睞。</p><p>　　光纖傳輸系統(tǒng)具有以下顯著優(yōu)點：容量大、傳輸距離遠、抗干擾能力強等。</p><p>　　光傳輸系統(tǒng)由光發(fā)送機、傳輸介質(zhì)、光接收機三部分組成。其中，光發(fā)送機與光接收機統(tǒng)稱為光端機。光端機是光纖通信系統(tǒng)中的光纖傳輸中斷設備，它們位于電端機和光纖傳輸線路之間。光端機就是將多個E1信號變成光信號并傳輸?shù)脑O備，它的作用主要就是實現(xiàn)電-光和光

57、-電轉(zhuǎn)換。光端機根據(jù)傳輸E1口數(shù)量的多少，價格也不同。一般最小的光端機可以傳輸4個E1，目前最大的光端機可以傳輸4032個E1。</p><p><b>　　圖9--1 光端機</b></p><p>　　由于光纖傳輸?shù)姆N種優(yōu)點，光端機應用的場合非常廣泛。例如可以應用于企業(yè)內(nèi)部部門之間長距離局域網(wǎng)絡之間的數(shù)據(jù)通信、移動網(wǎng)絡中無線基站間傳輸系統(tǒng)，公共交換電話網(wǎng)中遠端線路

58、單元，商業(yè)網(wǎng)中提供專線及PABX群路的網(wǎng)絡終端，校園網(wǎng)中的點對點鏈路和接入網(wǎng)中用于通常的信號傳輸?shù)鹊?。目前光端機應用最多的方面就是長距離視頻和數(shù)據(jù)的傳輸。在高速公路、銀行、電力、電信等的監(jiān)控領域都要求對視頻信號進行遠程的傳輸，目前主要的解決方法是利用光端機將視頻信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號通過光纖進行傳輸。此外光端機在遠程視頻會議、遠程教學、遠程醫(yī)療、通訊等諸多領域都有很廣闊的用武之地，未來的光端機將向著數(shù)字化、網(wǎng)絡化的方向發(fā)展。</p&g

59、t;<p>　　下圖是光端機的工作原理：</p><p>　　圖9--2 光端機工作原理圖</p><p><b>　　9.1模擬光端機</b></p><p>　　模擬光端機采用了PFM調(diào)制技術實時傳輸圖像信號，是目前使用較多的一種。發(fā)射端將模擬視頻信號先進行PFM調(diào)制后(一般有調(diào)頻、調(diào)相、調(diào)幅幾種方式，從而把模擬光端機分成調(diào)

60、頻、調(diào)相、調(diào)幅等幾種光端機)，再進行電-光轉(zhuǎn)換，光信號傳到接收端后，進行光-電轉(zhuǎn)換，然后進行PFM解調(diào)，恢復出視頻信號。由于采用了PFM調(diào)制技術，其傳輸距離很容易就能達到30 Km左右，有些產(chǎn)品的傳輸距離可以達到60 Km，甚至上百公里。并且，圖像信號經(jīng)過傳輸后失真很小，具有很高的信噪比和很小的非線性失真。通過使用波分復用技術，還可以在一根光纖上實現(xiàn)圖像和數(shù)據(jù)信號的雙向傳輸。</p><p><b>　

61、　9.2數(shù)字光端機</b></p><p>　　由于數(shù)字技術與傳統(tǒng)的模擬技術相比在很多方面都具有明顯的優(yōu)勢，所以正如數(shù)字技術在許多領域取代了模擬技術一樣，光端機的數(shù)字化也是一種必然趨勢。目前，數(shù)字圖像光端機主要有兩種技術方式：一種是MPEG II圖像壓縮數(shù)字光端機，另一種是非壓縮數(shù)字圖像光端機。圖像壓縮數(shù)字光端機一般采用MPEG II圖像壓縮技術，它能將活動圖像壓縮成N×2Mbps的數(shù)據(jù)流通

62、過標準電信通信接口傳輸或者直接通過光纖傳輸。由于采用了圖像壓縮技術，它能大大降低信號傳輸帶寬。</p><p>　　圖像壓縮數(shù)字光端機一般采用MPEG II圖像壓縮技術，它能將活動圖像壓縮成N×2Mbps的數(shù)據(jù)流通過標準電信通信接口傳輸或者直接通過光纖傳輸。由于采用了圖像壓縮技術，它能大大降低信號傳輸帶寬，以利于占用較少的資源就能傳送圖像信號。同時，由于采用了N×2Mbps的標準接口，可以利用

63、現(xiàn)有的電信傳輸設備的富裕通道傳輸監(jiān)控圖像，為工程應用帶來了方便。不過，圖像壓縮數(shù)字光端機也有其固有的缺點。其致命的弱點就是不能保證圖像傳輸?shù)膶崟r性。因為圖像壓縮與解壓縮需要一定的時間，所以一般會對所傳輸?shù)膱D像產(chǎn)生1-2s的延時。因此，這種設備只適合于用在對實時性要求不高的場所，在工程使用上受到一些限制。另外，經(jīng)過壓縮后圖像會產(chǎn)生一定的失真，并且這種光端機的價格也偏高。</p><p>　　非壓縮數(shù)字圖像光端機的原

64、理就是將模擬視頻信號進行A/D變換后和語音、音頻、數(shù)據(jù)等信號進行復接，再通過光纖傳輸。它用高的數(shù)據(jù)速率來保證視頻信號的傳輸質(zhì)量和實時性，由于光纖的帶寬非常大，所以這種高數(shù)據(jù)速率也并沒有對傳輸通道提出過高要求。非壓縮數(shù)字圖像光端機能提供很好的圖像傳輸質(zhì)量(信噪比大于60dB，微分相位失真小于2°，微分增益失真小于2%)，達到了廣播級的傳輸質(zhì)量，并且圖像傳輸是全實時的。由于采用數(shù)字化技術，在設備中可以利用已經(jīng)很成熟的通信技術比如復

65、接技術、光收發(fā)技術等，提高了設備的可靠性，也降低了成本。</p><p><b>　　光纖通信系統(tǒng)</b></p><p><b>　　10.1 名詞解釋</b></p><p>　　光纖通信技術和計算機技術是信息化的兩大核心支柱，計算機負責把信息數(shù)字化，輸入網(wǎng)絡中去；光纖則是擔負著信息傳輸?shù)闹厝?。當代社會和?jīng)濟發(fā)展中，信

66、息容量日益劇增，為提高信息的傳輸速度和容量，光纖通信被廣泛的應用于信息化的發(fā)展，成為繼微電子技術之后信息領域中的重要技術。</p><p>　　10.2 基本光纖通信系統(tǒng)</p><p>　　最基本的光纖通信系統(tǒng)由數(shù)據(jù)源、光發(fā)送端、光學信道和光接收機組成。其中數(shù)據(jù)源包括所有的信號源，它們是話音、圖象、數(shù)據(jù)等業(yè)務經(jīng)過信源編碼所得到的信號；光發(fā)送機和調(diào)制器則負責將信號轉(zhuǎn)變成適合于在光纖上傳輸?shù)?/p>

67、光信號，先后用過的光波窗口有0.85、1.31和1.55。光學信道包括最基本的光纖，還有中繼放大器EDFA等；而光學接收機則接收光信號，并從中提取信息，然后轉(zhuǎn)變成電信號，最后得到對應的話音、圖象、數(shù)據(jù)等信息。</p><p>　　10.3 數(shù)字光纖通信系統(tǒng)</p><p>　　光纖傳輸系統(tǒng)是數(shù)字通信的理想通道。與模擬通信相比較，數(shù)字通信有很多的優(yōu)點，靈敏度高、傳輸質(zhì)量好。因此，大容量長距離

68、的光纖通信系統(tǒng)大多采用數(shù)字傳輸方式。</p><p>　　在光纖通信系統(tǒng)中，光纖中傳輸?shù)氖嵌M制光脈沖"0"碼和"1"碼，它由二進制數(shù)字信號對光源進行通斷調(diào)制而產(chǎn)生。而數(shù)字信號是對連續(xù)變化的模擬信號進行抽樣、量化和編碼產(chǎn)生的，稱為PCM（pulse code modulation），即脈沖編碼調(diào)制。這種電的數(shù)字信號稱為數(shù)字基帶信號，由PCM電端機產(chǎn)生。</p>

69、<p><b>　　10.4 基本構(gòu)成</b></p><p><b>　?。?）光發(fā)信機</b></p><p>　　光發(fā)信機是實現(xiàn)電/光轉(zhuǎn)換的光端機。它由光源、驅(qū)動器和調(diào)制器組成。其功能是將來自于電端機的電信號對光源發(fā)出的光波進行調(diào)制，成為已調(diào)光波，然后再將已調(diào)的光信號耦合到光纖或光纜去傳輸。電端機就是常規(guī)的電子通信設備。<

70、/p><p><b>　?。?）光收信機</b></p><p>　　光收信機是實現(xiàn)光/電轉(zhuǎn)換的光端機。 它由光檢測器和光放大器組成。其功能是將光纖或光纜傳輸來的光信號，經(jīng)光檢測器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，然后，再將這微弱的電信號經(jīng)放大電路放大到足夠的電平，送到接收端的電端汲去。</p><p><b>　?。?）光纖或光纜</b><

71、;/p><p>　　光纖或光纜構(gòu)成光的傳輸通路。其功能是將發(fā)信端發(fā)出的已調(diào)光信號，經(jīng)過光纖或光纜的遠距離傳輸后，耦合到收信端的光檢測器上去，完成傳送信息任務。</p><p><b>　?。?）中繼器</b></p><p>　　中繼器由光檢測器、光源和判決再生電路組成。它的作用有兩個：一個是補償光信號在光纖中傳輸時受到的衰減；另一個是對波形失真的

72、脈沖近行整形。</p><p>　　（5）光纖連接器、耦合器等無源器件</p><p>　　由于光纖或光纜的長度受光纖拉制工藝和光纜施工條件的限制，且光纖的拉制長度也是有限度的（如1Km)。因此一條光纖線路可能存在多根光纖相連接的問題。于是，光纖間的連接、光纖與光端機的連接及耦合，對光纖連接器、耦合器等無源器件的使用是必不可少的。</p><p>　　10.5 備用

73、系統(tǒng)與輔助設備</p><p>　　為了確保系統(tǒng)的暢通，通常設置都有備用系統(tǒng)，就好比對磁盤的備份。正常情況下只有主系統(tǒng)工作，一旦主要系統(tǒng)出現(xiàn)故障，就可以立即切換到備用系統(tǒng)，這樣就可以保障通信的暢通和正確無誤。</p><p>　　輔助設備是對系統(tǒng)的完善，它包括監(jiān)控管理系統(tǒng)、公務通信系統(tǒng)、自動倒換系統(tǒng)、告警處理系統(tǒng)、電源供給系統(tǒng)等。</p><p>　　其中，監(jiān)控管理

74、系統(tǒng)可對組成光纖傳輸系統(tǒng)的各種設備自動進行性能和工作狀態(tài)的監(jiān)測，發(fā)生故障時會自動告警并予以處理，對保護倒換系統(tǒng)實行自動控制。對于設有多個中繼站的長途通信線路及裝有通達多方向、多系統(tǒng)的線路維護中心局來說，集中監(jiān)控是必須采用的維護手段。</p><p><b>　　光纖通信器件 </b></p><p><b>　　11.1 光耦合器</b><

75、/p><p>　　光耦合器 (Coupler) 是能使光信號在特殊結(jié)構(gòu)的耦合區(qū)發(fā)生耦合，并進行光功率再分配的器件。</p><p>　　目前，光耦合器已形成一個多功能、多用途的產(chǎn)品系列。從功能上，可分為光功率分配器和光波長分配（合/分波）耦合器。</p><p>　　從端口形式上，可分為 X 形 (2×2 )、Y形(1×2 )、星形( N×

76、N, N＞2) 以及樹形 (1×N , N＞2 ）耦合器。</p><p>　　從工作帶寬上，可分為單工作窗口的窄帶耦合器、單工作窗口的寬帶耦合器和雙工作窗口的寬帶耦合器。</p><p>　　另外，由于傳導光模式的不同，又有多模光纖耦合器和單模光纖耦合器之分。</p><p>　　11.1.1耦合機理</p><p>　　1 ．單

77、模光纖耦合器</p><p>　　在單模光纖中，傳導模是兩個正交的基模(HE11模) ，耦合器中光場強分布如圖所示。</p><p>　　傳導模進入熔融錐區(qū)，纖心不斷變細， V 值逐漸減小，有越來越多的光功率進入光纖包層中，實際光功率是在以包層為心、光纖外介質(zhì)為包層的復合波導中傳輸?shù)摹?lt;/p><p>　　在輸出端，隨著纖心的逐漸變粗，V值增大，光功率被兩根纖心以特

78、定比例捕獲。在熔錐區(qū)，兩根光纖包層合并在一起，兩根光纖纖心足夠接近，形成弱耦合，如圖所示。</p><p>　　假定光功率由一根光纖注入，初始條件為, 。由此可求得每根光纖中的功率為</p><p>　　可以看出，經(jīng)過耦合區(qū)后，能量從第1根光纖向第2根光纖發(fā)生了轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移的能量有多少取決于兩根光纖結(jié)構(gòu)的差別、藕合系數(shù)和耦合長度</p><p>　　顯然，代表著光纖之

79、間藕合的最大功率。當兩根光纖相同時，有，則。</p><p>　　定義耦合臂輸出的光功率與直通臂輸入的光功率之比為耦合比率。下圖就是耦合比率與熔融拉伸長度的關系曲線。</p><p>　　最大耦合比率可以達到 100 ％。而且，對于不同的波長，耦合比率是不同的。即對某一個波長耦合比率可以達到100％，可以從耦合臂得到最大的輸出。這時對另一個波長來說，耦合比率可能達到0，將從直通臂輸出。&l

80、t;/p><p>　　11.1.2．多模光纖耦合器</p><p>　　階躍多模光纖的模式總數(shù)N＝V2/2，當傳導模（靠近光軸為低階模，離光軸較遠的是高階模）進入多模光纖耦合器的熔錐區(qū)時，纖心變細，V值變小，纖心中束縛的模式數(shù)減小，較高階模進入包層，形成包層模。</p><p>　　在熔錐區(qū)，兩光纖包層合并，在輸出端纖心又逐漸變粗時，耦合臂的纖心將以一定比例捕獲這些高次

81、模式，獲得耦合光功率，但低次模不參與耦合。</p><p>　　11.2 描述光耦合器特性的一些技術參數(shù)</p><p>　　表示光纖耦合器性能的主要參數(shù)有插入損耗，附加損耗，分光比與隔離度(串音)。</p><p>　　在實際的耦合器中，信號通過它時，總會有一些損耗。兩種基本類型的損耗就是插入損耗和附加損耗。</p><p>　　1 ．插入

82、損耗 (Insertion Loss) </p><p>　　插入損耗是指光功率從特定的端口到另一端口路徑的損耗。從輸入端口k到輸出端口j的插入損耗可表示為 </p><p>　　式中，為第k個輸入端口的光功率，為第j個輸出端口的光功率。 ? </p><p>　　插入損耗是各輸出端口的輸出功率狀況，不僅與固有損耗有關，而且與分光比有很大的關系。</p>

83、<p>　　2 ．附加損耗 (Excess Loss)</p><p>　　附加損耗定義為輸入功率與總輸出功率的比值</p><p>　　插入損耗并不能反映器件制作質(zhì)量，這一點值得注意。</p><p>　　3．分光比(Coupling Ration)</p><p>　　分光比是某一輸出端口的光功率與所有輸出端口光功率之比&l

84、t;/p><p>　　它是光耦合器特有的技術指標。它說明輸出端口間光功率分配的百分比。對于2×2耦合器可以是</p><p>　　4．隔離度(Isolation)</p><p>　　隔離度是指光纖耦合器件的某一光路對其他光路中的光信號的隔離能力。隔離度高，也就意味著線路之間的“串擾” (crosstalk）小。對于光纖耦合器來說，隔離度更有意義的是用于反映W

85、DM器件對不同波長信號的分離能力。其數(shù)學表達式是</p><p>　　式中：是某一光路輸出端測到的其他光路信號的功率值．是被檢測光信號的輸入功率值。</p><p>　　從上述定義可知，隔離度對于分波耦合器的意義更為重大，要求也就相應地要高些，實際工程中往往需要隔離度達到40dB以上的器件；而一般來說，合波耦合器對隔離度的要求并不苛刻，20dB左右將不會給實際應用帶來明顯不利的影響。<

86、;/p><p>　　5．方向性 (Directivity)</p><p>　　方向性是光耦合器特有的技術指標 , 是衡量器件定向傳輸特性的參數(shù)。以X形耦合器為例，</p><p>　　方向性定義為耦合器正常工作時，輸入一側(cè)非注入光的一端輸出的光功率與全部注入的光功率的比值。</p><p>　　式中，代表總注入光功率；代表輸入端非注入光端口的輸

87、出光功率。</p><p>　　6．均勻性（ Uniformity )</p><p>　　對于要求均勻分光的光耦合器（主要是樹形和星形器件），實際制作時，因為工藝的局限，往往不可能做到絕對的均分。</p><p>　　均勻性就是用來衡量均分器件的“不均勻程度”的參數(shù)。它定義為在器件的工作帶寬范圍內(nèi)，各輸出端口輸出光功率的最大變化量．其數(shù)學表達式為</p>

88、;<p>　　式中：為最小輸出光功率；為最大輸出光功率。</p><p>　　7．偏振相關損耗 (Polarization Dependent Loss)</p><p>　　衡量器件對于傳輸光信號的偏振態(tài)的敏感程度的參量，也稱為偏振靈敏度。</p><p>　　偏振相關損耗是衡量器件性能對于傳輸光信號的偏振態(tài)的敏感程度的參量，俗稱偏振靈敏度。它是指當

89、傳輸光信號的偏振態(tài)發(fā)生360°變化時，器件各輸出端口輸出光功率的最大變化量</p><p>　　在實際應用中，光信號偏振態(tài)的變化是經(jīng)常發(fā)生的，因此，為了不影響器件的使用效果往往要求器件有足夠小的偏振相關損耗。</p><p>　　11.3 波分復用/解復用器</p><p>　　11.3.1 光波分復用器的工作原理</p><p>

90、;　　光波分復用器是對不同波長的光波進行分離(分波、解復)與合并(合波、復用)的光無源器件。</p><p>　　光波分復用器：將不同波長的光信號混合在一起送入同一根光纖中傳輸。</p><p>　　光解復用器：將一根光纖中傳來的多波長信號按波長進行分離。</p><p>　　它在高速光通信系統(tǒng)、接入網(wǎng)、全光網(wǎng)絡等領域中，光纖頻帶資源有著廣闊的應用前景。</p

91、><p>　　本質(zhì)上講，波分復用/解復用器就是一種方向耦合器。從耦合機理分析可知，對于不同的波長，耦合比率是不同的。即對某一個波長耦合比率可以達到100％，可以從耦合臂得到最大的輸出。這時對另一個波長來說，耦合比率可能達到0，將從直通臂輸出。因此通過合理地設計耦合器的結(jié)構(gòu)，就可以實現(xiàn)合波和分波的目的。</p><p>　　實際的光波分復用器件的一個端口，作為器件的輸出/輸入端； N個端口作為器

92、件的輸入/輸出端．如圖所示。</p><p>　　當器件用作解復用器時，注入到入射端（單端口）的各種光波信號，分別按波長傳輸?shù)綄某錾涠耍∟個端口之一）。對于不同的工作波長其輸出端口是不同的。在給定的工作波長的光信號從輸入單端口傳輸?shù)綄妮敵龆丝跁r，器件具有最低的插入損耗。而其他輸出端口對該輸入光信號具有理想的隔離。</p><p>　　在器件用作復用器時，其作用同上述情況相反。在給定

93、的工作波長的光信號從對應輸入端口（N個端口之一）被傳輸?shù)絾味丝跁r，具有最低的插入損耗．而其他輸入端口對該輸入光則有理想的隔離。</p><p><b>　　11.4 濾波器</b></p><p><b>　　11.4.1 概念</b></p><p>　　濾波器是一種波長選擇器件，在光纖通信系統(tǒng)中有著重要的應用， 如光放

94、大器中噪聲的濾波。特別在WDM光纖網(wǎng)絡中每個接收機都必須選擇所需要的信道，濾波器成為必不可少的部分。</p><p>　　濾波器分成固定濾波器和可調(diào)諧濾波器兩大類。前者是允許一個確定波長的信號光通過，而后者是可以在一定光帶寬范圍內(nèi)動態(tài)地選擇波長，見圖 5.2.5 所示。</p><p><b>　　固定波長濾波器</b></p><p><

95、;b>　　可調(diào)諧濾波器</b></p><p>　　濾波器的特性如圖所示。</p><p>　　固定波長濾波器的主要參數(shù)是中心波長λ0，帶寬 Δλ，除它們以外，還有插入損耗和 隔離度等。</p><p>　　對于可調(diào)諧濾波器，主要參數(shù)有調(diào)諧范圍、帶寬、可分辨信道數(shù)、調(diào)諧速度、插入損耗、偏振相關損耗和分辨率等。其中可分辨信道數(shù)是信道范圍與最小信道間隔

96、之比。調(diào)諧速度指的是濾波器調(diào)到指定波長所需要的時間。分辨率是濾波器能檢測的最小波長偏移。</p><p>　　11.4.2 固定波長濾波器</p><p>　　1. 薄膜干涉濾波器</p><p>　　這種濾波器采用多層不同材料的介質(zhì)薄膜構(gòu)成，一層為高折射率，一層為低折射率，交疊而成。每層介質(zhì)的等效光學厚度為λ/4，利用各層的反射光與入射光的干涉效應實現(xiàn)濾波。<

97、;/p><p><b>　　薄膜干涉濾波器結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　當光由光疏介質(zhì)入射到光密介質(zhì)時，反射光不產(chǎn)生相移；而當光由光密介質(zhì)入射到光疏介質(zhì)時，反射光產(chǎn)生180°相移。由于介質(zhì)厚度為λ/4，光經(jīng)低折射率層內(nèi)傳輸、反射、再傳輸后的總相移為360°，與經(jīng)高折射率層的反射光同相疊加，這樣，在中心波長附近，各層的反射光疊加，在濾波器上端面形成很

98、強的反射光，得到具有一定帶寬的中心波長光信號。其它頻率的光因不能滿足相長干涉而不能被反射。</p><p>　　2．法布里－珀羅固定波長濾波器</p><p>　　法布里－珀羅固定波長濾波器是由兩片平行鏡組成的諧振腔組成</p><p>　　當入射光波長滿足諧振條件時方能通過。式中L為諧振腔體的長度， m為整數(shù)</p><p>　　該濾波器的

99、傳輸特性可由下式表示</p><p>　　式中，是介質(zhì)和平行鏡吸收引起的插入損耗，R為兩平行鏡的反射率。</p><p>　　由上式可看出，傳輸特性是與R密切相關的一個周期函數(shù)，圖(b)畫出了傳輸特性曲線，我們將周期長度稱為自由光譜范圍FSR</p><p>　　F-P濾波器的帶寬由下列公式給出</p><p><b>　　定義 &

100、lt;/b></p><p>　　為F-P濾波器的精細度，它反映濾波器的選擇性，即能分辨的最小頻率差。</p><p>　　11.4.3 可調(diào)諧濾波器</p><p>　　嚴格來說，可調(diào)諧濾波器屬于有源器件，它可以通過控制電壓或溫度的變化來改變?yōu)V波器的某些參數(shù)，從而達到波長動態(tài)選擇的目的。</p><p>　　可調(diào)諧濾波器主要使用在WD

101、M系統(tǒng)中。WDM網(wǎng)絡中所有波長都應從ITU標準中選取，如波長間隔約為0.8nm(1550nm 窗口)，則對應信道頻率間隔是100GHz 。所以可調(diào)諧濾波器的調(diào)諧范圍、帶寬應該根據(jù)要求來設計。</p><p>　　下面介紹以下幾種濾波器</p><p>　　1．光纖法布里－珀羅濾波器</p><p>　　下圖是一個光纖法布里－珀羅濾波器的結(jié)構(gòu)示意圖</p>

102、<p>　　其工作原理與固定波長濾波器相同，輸入光纖和輸出光纖的兩個端面被拋光鍍膜，兩個光纖端面之間的部分構(gòu)成了法布里－珀羅腔，這兩根光纖經(jīng)過支架與壓電陶瓷相連，對壓電陶瓷施加電壓（300～500V ）可使支架產(chǎn)生左右變化的位移，從而改變反射鏡之間的長度，達到波長調(diào)諧的目的。</p><p>　　如果不是通過壓電陶瓷改變腔長，而是在兩光纖端面之間填入介質(zhì)液晶，由于液晶的折射率隨著施加電壓的變化迅速改

103、變，腔的光程nL也隨之變化。這種填充液晶的濾波器調(diào)諧時間在10ns內(nèi)，調(diào)諧范圍達80nm ，波長分辨率0.05～0.10nm，插入損耗為幾個分貝。</p><p>　　11.4.4 馬赫－曾特干涉濾波器</p><p>　　馬赫一曾德爾（Mach 一 Zehnder ）光纖干涉濾波器由兩個3dB耦合器串聯(lián)組成一個馬赫一曾德爾干涉儀，干涉儀的兩臂長度不等，光程差為ΔL。</p>

104、<p>　　馬赫－曾特（M－Z）干涉濾波器的機理是，兩個相干單色光經(jīng)過不同長度光波導傳輸后發(fā)生干涉。</p><p>　　考慮兩個波長λ1和λ2復用后的光信號由光纖送入馬赫一曾德爾干涉濾波器的輸入端1，兩個波長的光功率經(jīng)第一個3dB耦合器均勻地分配到干涉儀的兩臂上，由于兩臂的長度差為ΔL，所以經(jīng)兩臂傳輸后的光，在到達第二個3dB耦合器時就產(chǎn)生相位差。，式中n是波導折射率，復合后每個波長的信號光在滿足一

105、定的相位條件下，在兩個輸出光纖中的一個相長干涉，而在另一個相消干涉。如果在輸出端口3，λ2滿足相長條件，λ1滿足相消條件，則輸出λ2光；如果在輸出端口4，λ2滿足相消條件，λ1滿足相長條件，則輸出入λ1光。</p><p>　　馬赫一曾德爾光纖干涉濾波器與上面的馬赫一曾德爾干涉儀原理基本相同，但在最后輸出時還是有細微的差別。馬赫一曾德爾干涉儀中來個相干光經(jīng)過分束器2后相互疊加，然后合為一路輸出。而在馬赫一曾德爾光

106、纖干涉濾波器中，兩個相干光在通過第2個3dB耦合器時，實際上沿著兩個光路傳播的，只不過這兩路光靠得非常近，使得它們相互耦合而交換能量，最后還是從兩個光路輸出，但這時每個光路輸出光功率與光通過第2個3dB耦合器前不同，其變化的程度取決于耦合程度。</p><p>　　馬赫一曾德爾干涉濾波器的原理可進一步用耦合波理論來解釋。從輸入端口1 到輸出端口3和4的傳輸特性分別可表示為</p><p>

107、　　由此可見，從干涉儀端口3和4輸出的光強隨λ和ΔL呈正弦或余弦變化。因此，若有兩個波長為λ1和λ2的光波從端口1輸入而且分別滿足</p><p><b>　　則有 </b></p><p>　　這就是說，在輸入端口輸入波長間距為（相應的頻率間隔為）的光，分別在不同的輸出端口輸出。</p><p>　　這種濾波器要求輸入光波的頻率間隔必須精確

108、地控制在的整數(shù)倍。當波長數(shù)為4個時，需要3個馬赫一曾德爾干涉濾波器級聯(lián)，當波長數(shù)為8個時，需要三級共7個馬赫一曾德爾干涉濾波器級聯(lián)，而且要使第一級的頻率間隔為，第二級的頻率間隔為2，第三級的頻率間隔為4，才能將它們分開，如圖所示。</p><p>　　改變既可以通過分別控制有效光通道的折射率n和長度差ΔL，也可以同時控制n和ΔL。還可以通過對熱敏薄膜加熱或者改變壓電晶體的控制電壓來達到。</p>&

109、lt;p>　　級聯(lián)馬赫一曾德爾干涉濾波器可以用光纖耦合器或硅襯底上的硅波導（平面光波導）來實現(xiàn)。因為這種濾波器的調(diào)諧機理是熱電的，所以切換時間約為1ms 。</p><p>　　此外，馬赫一曾德爾干涉儀（M 一 ZI）構(gòu)成的可調(diào)諧濾波器制造成本低，對偏振很不靈敏，串音很低。但是調(diào)諧控制復雜，調(diào)諧速度較慢。</p><p>　　11.4.5 光柵濾波器</p><p

110、><b>　?。?）布拉格光柵</b></p><p>　　布拉格（Bragg）光柵由間距為Λ的一列平行半反射鏡組成</p><p>　　Λ稱為布拉格間距。如果半反射鏡數(shù)量N（布拉格周期）足夠大，那么對于某個特定波長的光信號，即使功率反射系數(shù)R很小，從第一個反射鏡反射出來的總能量Er,tot約為入射的能量Ein。該特定波長λB強反射的條件是</p>