光纖傳輸原理_光纖的發(fā)展及應(yīng)用詳解

光纖是一種纖細(xì)的、柔軟的固態(tài)玻璃物質(zhì)，它由纖芯、包層、涂覆層三部分組成，可作為光傳導(dǎo)工具。

光纖的纖芯主要采用高純度的二氧化硅(SiO2)，并摻有少量的摻雜劑，提高纖芯的光折射率n1;包層也是高純度的二氧化(SiO2)，也摻有一些的摻雜劑，以降低包層的光折射率n2，n1>n2，發(fā)生全反射;涂覆層采用丙烯酸酯、硅橡膠、尼龍，增加機(jī)械強(qiáng)度和可彎曲性。

光纖傳輸原理

全反射原理：因光在不同物質(zhì)中的傳播速度是不同的，所以光從一種物質(zhì)射向另一種物質(zhì)時(shí)，在兩種物質(zhì)的交界面處會(huì)產(chǎn)生折射和反射。而且，折射光的角度會(huì)隨入射光的角度變化而變化。

當(dāng)入射光的角度達(dá)到或超過(guò)某一角度時(shí)，折射光會(huì)消失，入射光全部被反射回來(lái)，這就是光的全反射。

不同的物質(zhì)對(duì)相同波長(zhǎng)光的折射角度是不同的(即不同的物質(zhì)有不同的光折射率)，相同的物質(zhì)對(duì)不同波長(zhǎng)光的折射角度也是不同。光纖通訊就是基于以上原理而形成的。

按照幾何光學(xué)全反射原理，射線在纖芯和包層的交界面產(chǎn)生全反射，并形成把光閉鎖在光纖芯內(nèi)部向前傳播的必要條件，即使經(jīng)過(guò)彎曲的路由光線也不射出光纖之外。

光纖技術(shù)的起源與發(fā)展

1966年，美籍華人高錕和霍克哈姆發(fā)表論文，光纖的概念由此產(chǎn)生。1970年，美國(guó)康寧公司首次研制成功損耗為20dB/km的光纖，光纖通信時(shí)代由此開(kāi)始。

1977年美國(guó)在芝加哥首次用多模光纖成功地進(jìn)行了光纖通信試驗(yàn)。當(dāng)時(shí)8.5微米波段的多模光波為第一代光纖通信系統(tǒng)。隨即在1981年、1984年以及19世紀(jì)80年代中后期，光纖通信系統(tǒng)迅速發(fā)展到第四代。第五代光纖通信系統(tǒng)達(dá)到了應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了光波的長(zhǎng)距離傳輸。

光纖通信的發(fā)展階段

第一階段：1966-1976年，是從基礎(chǔ)研究到商業(yè)應(yīng)用的開(kāi)發(fā)時(shí)期。在這一階段，實(shí)現(xiàn)了短波長(zhǎng)0.85μm低速率45或34Mb/s多模光纖通信系統(tǒng)，無(wú)中繼傳輸距離約10km。

第二階段：1976-1986年，這是以提高傳輸速率和增加傳輸距離為研究目標(biāo)和大力推廣應(yīng)用的大發(fā)展時(shí)期。在這個(gè)時(shí)期，光纖從多模發(fā)展到單模，工作波長(zhǎng)從短波長(zhǎng)0.85μm發(fā)展到長(zhǎng)波長(zhǎng)1.31μm和1.55μm，實(shí)現(xiàn)了工作波長(zhǎng)為1.31μm、傳輸速率為140565Mb/s的單模光纖通信系統(tǒng)，無(wú)中繼傳輸距離為10050km。

第三階段：1986-1996年，這是以超大容量超長(zhǎng)距離為目標(biāo)、全面深入開(kāi)展新技術(shù)研究的時(shí)期。在這個(gè)時(shí)期，實(shí)現(xiàn)了1.55μm色散移位單模光纖通信系統(tǒng)。采用外調(diào)制技術(shù)，傳輸速率可達(dá)2.510Gb/s，無(wú)中繼傳輸距離可達(dá)150100km。實(shí)驗(yàn)室可以達(dá)到更高水平。

光纖的種類

光纖的種類很多，分類方法也是各種各樣的。

按照制造光纖所用的材料分：石英系光纖、多組分玻璃光纖、塑料包層石英芯光纖、全塑料光纖和氟化物光纖。

塑料光纖是用高度透明的聚苯乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯(有機(jī)玻璃)制成的。它的特點(diǎn)是制造成本低廉，相對(duì)來(lái)說(shuō)芯徑較大，與光源的耦合效率高，耦合進(jìn)光纖的光功率大，使用方便。但由于損耗較大，帶寬較小，這種光纖只適用于短距離低速率通信，如短距離計(jì)算機(jī)網(wǎng)鏈路、船舶內(nèi)通信等。目前通信中普遍使用的是石英系光纖。

按光在光纖中的傳輸模式分：?jiǎn)文９饫w和多模光纖。

單模光纖：中心玻璃芯很細(xì)(芯徑一般為9或10μm)，只能傳一種模式的光。因此，其模間色散很小，適用于遠(yuǎn)程通訊，但還存在著材料色散和波導(dǎo)色散，這樣單模光纖對(duì)光源的譜寬和穩(wěn)定性有較高的要求，即譜寬要窄，穩(wěn)定性要好。后來(lái)又發(fā)現(xiàn)在1.31μm波長(zhǎng)處，單模光纖的材料色散和波導(dǎo)色散一為正、一為負(fù)，大小也正好相等。

這就是說(shuō)在1.31μm波長(zhǎng)處，單模光纖的總色散為零。從光纖的損耗特性來(lái)看，1.31μm處正好是光纖的一個(gè)低損耗窗口。這樣，1.31μm波長(zhǎng)區(qū)就成了光纖通信的一個(gè)很理想的工作窗口，也是現(xiàn)在實(shí)用光纖通信系統(tǒng)的主要工作波段。1.31μm常規(guī)單模光纖的主要參數(shù)是由國(guó)際電信聯(lián)盟ITU-T在G652建議中確定的，因此這種光纖又稱G652光纖。

多模光纖：中心玻璃芯較粗(50或62.5μm)，可傳多種模式的光。但其模間色散較大，這就限制了傳輸數(shù)字信號(hào)的頻率，而且隨距離的增加會(huì)更加嚴(yán)重。例如：600MB/KM的光纖在2KM時(shí)則只有300MB的帶寬了。因此，多模光纖傳輸?shù)木嚯x就比較近，一般只有幾公里。

按折射率分布情況分：階躍型和漸變型光纖。

階躍型：光纖的纖芯折射率高于包層折射率，使得輸入的光能在纖芯一包層交界面上不斷產(chǎn)生全反射而前進(jìn)。這種光纖纖芯的折射率是均勻的，包層的折射率稍低一些。光纖中心芯到玻璃包層的折射率是突變的，只有一個(gè)臺(tái)階，所以稱為階躍型折射率多模光纖，簡(jiǎn)稱階躍光纖，也稱突變光纖。

這種光纖的傳輸模式很多，各種模式的傳輸路徑不一樣，經(jīng)傳輸后到達(dá)終點(diǎn)的時(shí)間也不相同，因而產(chǎn)生時(shí)延差，使光脈沖受到展寬。所以這種光纖的模間色散高，傳輸頻帶不寬，傳輸速率不能太高，用于通信不夠理想，只適用于短途低速通訊，比如：工控。但單模光纖由于模間色散很小，所以單模光纖都采用突變型。這是研究開(kāi)發(fā)較早的一種光纖，現(xiàn)在已逐漸被淘汰了。

漸變型光纖：為了解決階躍光纖存在的弊端，人們又研制、開(kāi)發(fā)了漸變折射率多模光纖，簡(jiǎn)稱漸變光纖。光纖中心芯到玻璃包層的折射率是逐漸變小，可使高次模的光按正弦形式傳播，這能減少模間色散，提高光纖帶寬，增加傳輸距離，但成本較高，現(xiàn)在的多模光纖多為漸變型光纖。

漸變光纖的包層折射率分布與階躍光纖一樣，為均勻的。漸變光纖的纖芯折射率中心最大，沿纖芯半徑方向逐漸減小。由于高次模和低次模的光線分別在不同的折射率層界面上按折射定律產(chǎn)生折射，進(jìn)入低折射率層中去，因此，光的行進(jìn)方向與光纖軸方向所形成的角度將逐漸變小。

同樣的過(guò)程不斷發(fā)生，直至光在某一折射率層產(chǎn)生全反射，使光改變方向，朝中心較高的折射率層行進(jìn)。這時(shí)，光的行進(jìn)方向與光纖軸方向所構(gòu)成的角度，在各折射率層中每折射一次，其值就增大一次，最后達(dá)到中心折射率最大的地方。

在這以后、和上述完全相同的過(guò)程不斷重復(fù)進(jìn)行，由此實(shí)現(xiàn)了光波的傳輸?？梢钥闯?，光在漸變光纖中會(huì)自覺(jué)地進(jìn)行調(diào)整，從而最終到達(dá)目的地，這叫做自聚焦。

按光纖的工作波長(zhǎng)分：短波長(zhǎng)光纖、長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖和超長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖。

短波長(zhǎng)光纖是指0.8～0.9μm的光纖;長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖是指1.0～1.7μm的光纖;而超長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖則是指2μm以上的光纖。

目前，國(guó)際上單模光纖的標(biāo)準(zhǔn)主要是ITU-T的系列：G.650“單模光纖相關(guān)參數(shù)的定義和試驗(yàn)方法”、G.652“單模光纖和光纜特性”、G.653“色散位移單模光纖和光纜特性”、G.654“截止波長(zhǎng)位移型單模光纖和光纜特性”、G.655“非零色散位移單模光纖和光纜特性”及G.656“用于寬帶傳輸?shù)姆橇闵⑽灰乒饫w和光纜特性”。ITU-T對(duì)多模光纖的標(biāo)準(zhǔn)是G.651“50/125μm多模漸變折射率光纖和光纜特性”。

單模光纖

普通單模光纖

普通單模光纖是指零色散波長(zhǎng)在1310nm窗口的單模光纖，又稱色散未移位光纖或普通光纖，國(guó)際電信聯(lián)盟(ITU-T)把這種光纖規(guī)范為G.652光纖。

G.652屬于第一代單模光纖，是1310nm波長(zhǎng)性能最佳的單模光纖。當(dāng)工作波長(zhǎng)在1310nm時(shí)，光纖色散很小，色散系數(shù)D在0～3.5ps/nm·km，但損耗較大，約為0.3～0.4dB/km。此時(shí)，系統(tǒng)的傳輸距離主要受光纖衰減限制。

在1550nm波段的損耗較小，約為0.19～0.25dB/km，但色散較大，約為20ps/nm·km。傳統(tǒng)上在G.652上開(kāi)通的PDH系統(tǒng)多是采用1310nm零色散窗口。但近幾年開(kāi)通的SDH系統(tǒng)則采用1550nm的最小衰減窗口。

另外，由于摻鉺光纖放大器(ErbiumDopedFiberAmplifier，EDFA)的實(shí)用化，密集波分復(fù)用(DWDM)也工作于1550nm窗口，使得1550nm窗口己經(jīng)成為G.652光纖的主要工作窗口。

對(duì)于基于2.5Gb/s及其以下速率的DWDM系統(tǒng)，G.652光纖是一種最佳的選擇。但由于在1550nm波段的色散較大，若傳輸10Gb/s的信號(hào)，一般在傳輸距離超過(guò)50km時(shí)，需要使用價(jià)格昂貴的色散補(bǔ)償模塊，這會(huì)使系統(tǒng)的總成本增大。色散補(bǔ)償模塊會(huì)引入較大的衰減。因此常將色散補(bǔ)償模塊與EDFA一起工作，置于EDFA兩級(jí)放大之間，以免占用鏈路的功率余度。

G.652光纖的一些光學(xué)特性參數(shù)和凡何特性參數(shù)。

G.652類光纖進(jìn)一步分為A、B、C、D四個(gè)子類：

G.652A光纖主要適用于ITU-TG.951規(guī)定的SDH傳輸系統(tǒng)和G.691規(guī)定的帶光放大的單通道直到STM-16的SDH傳輸系統(tǒng)，只能支持2.5Gb/s及其以下速率的系統(tǒng)。

G.652B光纖主要 適用于ITU-T G.957規(guī)定的SDH傳輸系統(tǒng)和G.691規(guī)定的帶光放大的單通道SDH傳輸系統(tǒng)直到STM-64的ITU-T G.692帶光放大的波分復(fù)用傳輸系統(tǒng)，可以支持對(duì)PMD有參數(shù)要求的10 Gb/s速率