《現(xiàn)代光纖通信》課件第1章

第1章SolidWorks基本概念1.1SolidWorks基本概念

1.2SolidWorks的基本操作

1.3統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫的作用

1.4SolidWorks選項(xiàng)練習(xí)題1.5光纖通信發(fā)展歷史回顧及現(xiàn)狀

1.1光通信的發(fā)展史

光通信的歷史可以追溯到古代的烽火通信，以及現(xiàn)在還在使用的交通信號(hào)和水上交通用的“旗語”等，在這些通信方式中，光信號(hào)本身即是信息?，F(xiàn)在的光通信則有本質(zhì)不同，它是以光波作為載波，即將信息調(diào)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(diào)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(fā)展，先后經(jīng)歷了長波、中波、短波、微波等無線電波的各個(gè)波段。光波頻率很高（約1014數(shù)量級(jí)），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(duì)通信頻率資源不斷開發(fā)利用的結(jié)果，人們自然想到利用光波作為載波載荷傳輸信息，因?yàn)楣馔ㄐ诺膫鬏斎萘渴求@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(diǎn)

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?？梢姽馐侨藗兪煜さ墓獠ǎ杉t、橙、黃、綠、藍(lán)、青、紫等七種顏色的連續(xù)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(yuǎn)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(gè)光纖通信窗口。1.2.2光纖通信的基本組成

光纖通信系統(tǒng)種類很多，但其基本構(gòu)成是相同的，都是由光發(fā)送端機(jī)、光接收端機(jī)和光纖光纜組成的。若通信距離長，還必須設(shè)置光中繼器?？紤]到目前各種信息尚無法直接轉(zhuǎn)變成光信號(hào)，而是要先轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，以電信號(hào)的方式進(jìn)行交換、復(fù)用等，所以光纖通信系統(tǒng)中通常還包括電端機(jī)（由電發(fā)送端機(jī)和電接收端機(jī)組成）。這樣，光纖通信系統(tǒng)的基本組成如圖1-2-1所示。從圖中可見，它由電端機(jī)、光端機(jī)（由光發(fā)送端機(jī)和光接收端機(jī)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(tǒng)的基本組成

(1)電發(fā)送端機(jī)：主要完成電信號(hào)的頻分多路復(fù)用或時(shí)分多路復(fù)用，然后將群路信號(hào)送往光發(fā)送端機(jī)。送往光端機(jī)的信號(hào)可能是模擬信號(hào)，也可能是數(shù)字信號(hào)。輸出模擬信號(hào)的電端機(jī)有載波機(jī)或電視圖像發(fā)送設(shè)備等，對(duì)應(yīng)的光纖通信系統(tǒng)稱為模擬光纖通信系統(tǒng)；輸出數(shù)字信號(hào)的電端機(jī)主要有脈沖編碼調(diào)制（PCM）設(shè)備，對(duì)應(yīng)的光纖通信系統(tǒng)稱為數(shù)字光纖通信系統(tǒng)。由于數(shù)字信號(hào)抗干擾能力強(qiáng)，因此目前應(yīng)用的系統(tǒng)大多數(shù)屬于數(shù)字光纖通信系統(tǒng)。

(2)光發(fā)送端機(jī)：主要任務(wù)是將電發(fā)送端機(jī)送來的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，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(dǎo)體材料制成，半導(dǎo)體光源器件包括發(fā)光二極管（LED）和激光二極管（LD）兩種。LED發(fā)熒光，其發(fā)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(tǒng)。LD發(fā)激光，發(fā)光功率大，波譜較窄，主要適用于大容量、遠(yuǎn)距離的光纖通信系統(tǒng)。

(3)光纖或光纜：主要功能為傳送光信號(hào)，完成信號(hào)傳輸任務(wù)。通信用光纖在結(jié)構(gòu)上主要由纖芯和包層組成，為了保證光信號(hào)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(xiàng)，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(shí)際應(yīng)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(shù)，根據(jù)需要，有單芯、二芯、四芯、六芯乃至百余芯到數(shù)千芯不等。通常，一根光纖傳送一個(gè)方向的光信號(hào)，故雙向通信需要兩根光纖，但現(xiàn)在已有辦法在一根光纖上傳送雙向光信號(hào)，如采用波分復(fù)用技術(shù)等。

(4)光中繼器：主要功能是將傳輸后的光信號(hào)進(jìn)行放大再生，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的傳輸。由于光纖存在損耗和色散，光信號(hào)經(jīng)過光纖光纜長距離傳輸后，光信號(hào)被衰減變小，波形也產(chǎn)生畸變，為了保證遠(yuǎn)距離的通信，每隔一定距離設(shè)置光中繼器，將接收到的微弱光信號(hào)變換成電信號(hào)，然后對(duì)電信號(hào)進(jìn)行放大或再生處理，再經(jīng)過電光變換轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，耦合進(jìn)光纖光纜繼續(xù)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(shù)的進(jìn)步，將達(dá)到幾百公里甚至幾千公里。

(5)光接收機(jī)：主要任務(wù)是將接收到的光信號(hào)再還原為電信號(hào)，然后送回電接收端機(jī)。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(dǎo)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(zhuǎn)換的同時(shí)，通過其雪崩效應(yīng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)光信號(hào)的內(nèi)部放大作用，有助于提高光接收機(jī)的靈敏度。

(6)電接收端機(jī)：同發(fā)送端機(jī)作用相反，其主要功能為頻分解復(fù)用或時(shí)分解復(fù)用，可為模擬接收設(shè)備或數(shù)字接收設(shè)備。1.2.3光纖通信的優(yōu)點(diǎn)

(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?shù)墓廨d波比傳統(tǒng)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(shù)萬倍以上，目前實(shí)際水平已經(jīng)達(dá)到幾十倍。如現(xiàn)在已大量投入使用2.5Gb/s數(shù)字光纖通信系統(tǒng)，在一根光纖上可同時(shí)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(shí)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(nèi)損耗比所有傳統(tǒng)的電傳輸線低，尤其在1.55μm波長處，光纖損耗低達(dá)0.2dB/km。由于光纖傳輸損耗低，因此中繼距離可以達(dá)到幾十公里，甚至成百上千公里，而傳統(tǒng)的電傳輸線中繼距離僅為幾公里。

(3)無電磁干擾，不會(huì)產(chǎn)生電光干擾。光纖是非金屬介質(zhì)材料，它不受電磁干擾，這是傳統(tǒng)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(yàn)等特殊環(huán)境有特殊的優(yōu)越性。此外，由于光信號(hào)束縛在纖芯內(nèi)傳播，因此不會(huì)產(chǎn)生光纖間的串光現(xiàn)象，這對(duì)同一光纜中不同光纖間光信號(hào)的傳播質(zhì)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(xì)，重量也輕很多，給工程應(yīng)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(tǒng)的電傳輸線相比，光纖傳輸媒介在通信中的廣泛應(yīng)用節(jié)省了大量越來越寶貴的金屬材料。

總之，光纖光纜線路代替?zhèn)鹘y(tǒng)的金屬傳輸線路是必然的趨勢。

1.3光纖的基本性質(zhì)

1.3.1光纖的結(jié)構(gòu)、材料及制造工藝

1.光纖的結(jié)構(gòu)

光纖是一種絲狀的圓柱光波導(dǎo)，它將光封閉在其內(nèi)進(jìn)行傳遞。大家知道，光是一種電磁波，其傳播規(guī)律可由麥克斯韋方程來描述。當(dāng)它所傳播的空間中介質(zhì)的物理變化尺寸遠(yuǎn)大于光的波長時(shí)，光的傳播可用簡化了的射線理論描述。從射線光學(xué)的角度看，光纖是一種利用全反射原理進(jìn)行光信號(hào)傳遞的導(dǎo)波介質(zhì)。下面我們從射線光學(xué)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(zhì)分界面上的行為如圖1-3-1所示，MM′為兩介質(zhì)的分界面，NN′為MM′面的法線，n1和n2分別為兩介質(zhì)的折射率。光在均勻介質(zhì)中沿直線傳播，當(dāng)光入射到兩個(gè)介質(zhì)的分界面時(shí)，一部分光將反射回原傳播介質(zhì)成為反射光，另一部分光將進(jìn)入另一介質(zhì)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(cè)，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(cè)，入射角j1與折射角j2的關(guān)系為

(1-3-1)圖1-3-1光的反射與折射如圖1-3-2所示，當(dāng)光線從折射率大的介質(zhì)進(jìn)入折射率小的介質(zhì)時(shí)，根據(jù)折射定律，折射角將大于入射角，當(dāng)入射角增大時(shí)，折射角也隨著增大，當(dāng)入射角增大到j(luò)0時(shí)，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(dāng)入射角大于臨界角時(shí)，光由兩介質(zhì)的界面全部反射回原介質(zhì)，這種現(xiàn)象稱為全反射。在全反射情況下，光能無損失地返回原介質(zhì)。顯然，只有當(dāng)光從折射率大的介質(zhì)進(jìn)入折射率小的介質(zhì)時(shí)，才能產(chǎn)生全反射。圖1-3-2全反射過程示意圖光纖就是依據(jù)全反射原理構(gòu)造的一種光波導(dǎo)，為了將光信號(hào)封閉在光纖中傳輸，根據(jù)全反射原理，光纖從纖芯到纖芯外部，折射率應(yīng)有某種遞減的規(guī)律，以保證全反射現(xiàn)象的出現(xiàn)。

圖1-3-3為一種最基本的光纖結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)及折射率分布示意圖設(shè)光線以某一角度θ射入光纖端面，進(jìn)入光纖后又以角度j射入到纖芯和包層之間的界面上。因?yàn)槔w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(gè)產(chǎn)生全反射的臨界角j

m，相應(yīng)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(nèi)包層界面入射角j<j

m，這時(shí)不會(huì)產(chǎn)生全反射，光線將有一部分進(jìn)入包層而跑到光纖外面去，造成能量損失，經(jīng)多次反射后光能將全部損耗掉，無法實(shí)現(xiàn)光的長距離傳輸。如果端面入射角小于θ0，則光纖內(nèi)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(shí)現(xiàn)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(nèi)所含化學(xué)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(qiáng)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(jié)合石英光纖介紹光纖的制造工藝。制造光纖時(shí)，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(shí)均勻地?fù)饺肷倭康谋仁⒄凵渎噬愿叩牟牧?，而制造包層玻璃時(shí)均勻地?fù)饺肷倭康谋仁⒄凵渎噬缘偷牟牧希@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(yù)制棒。然后將預(yù)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(xì)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(yù)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(yù)制棒的制造工藝

光纖預(yù)制棒的熔煉工藝很多，主要有管內(nèi)化學(xué)氣相沉積法和管外化學(xué)氣相沉積法。管內(nèi)化學(xué)氣相沉積法是目前制造高質(zhì)量石英光纖比較穩(wěn)定可靠的方法，通常被叫做改進(jìn)的化學(xué)氣相沉積法(MCVD法)。它的特點(diǎn)是在石英反應(yīng)管內(nèi)沉積內(nèi)包層和芯層的玻璃，整個(gè)系統(tǒng)是處在封閉的超提純狀態(tài)下，所以用這種方法制得的預(yù)制棒可以生產(chǎn)高質(zhì)量的單模和多模光纖。

MCVD法制造光纖預(yù)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(nèi)包層玻璃。內(nèi)包層玻璃的折射率要比石英折射率稍低，選用液態(tài)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(yīng)管夾在玻璃車床上，用超純氧氣(O2)和氬氣(Ar)作為載運(yùn)氣體通過SiCl4和摻雜試劑的蒸發(fā)瓶后，含有SiCl4、CF2Cl2等物質(zhì)的載運(yùn)氣體就一起導(dǎo)入石英反應(yīng)管。

當(dāng)玻璃車床旋轉(zhuǎn)時(shí)，用1400~1600℃的高溫氫氧火焰加熱石英反應(yīng)管的外壁，這時(shí)，管內(nèi)的SiCl4和CF2Cl2等試劑在高溫下起氧化反應(yīng)：

SiCl4+O2

SiO2+2Cl2↑

(1-3-4)

2CF2Cl2+4SiCl4+2O2

SiF4+2Cl2↑+2CO2↑

(1-3-5)

高溫高溫反應(yīng)形成粉塵狀氧化物(SiO2―SiF4等)，沉積在高溫區(qū)氣流下游的管內(nèi)壁上，當(dāng)氫氧火焰的高溫區(qū)經(jīng)過這里時(shí)，就在石英反應(yīng)管的內(nèi)壁上形成一層均勻透明的摻雜玻璃SiO2―SiF4,氯氣(Cl2)和沒反應(yīng)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(dòng)，每移動(dòng)一次，就在石英反應(yīng)管內(nèi)壁上沉積一層透明的玻璃薄膜，這樣不斷地重復(fù)沉積，就在反應(yīng)管的內(nèi)壁上形成一定厚度的SiO2―SiF4玻璃層，作為纖維的內(nèi)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(zhì)帶入反應(yīng)管中進(jìn)行反應(yīng)，經(jīng)過一段時(shí)間的沉積后，就得到一定厚度的纖芯玻璃。為了消除反應(yīng)管中最后留下的小孔，可以加大火焰或降低火焰左右移動(dòng)的速度，并保持石英反應(yīng)管的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，使石英管外壁的溫度達(dá)到1800℃左右。石英反應(yīng)管在高溫下軟化收縮，最后形成一個(gè)實(shí)心的預(yù)制棒，原石英反應(yīng)管和沉積的玻璃熔為一個(gè)整體，成為光纖的外包層，外包層不導(dǎo)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(xué)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(nèi)石英反應(yīng)管內(nèi)的低壓氣體受激產(chǎn)生輝光放電來實(shí)現(xiàn)加溫氧化沉積玻璃，這種工藝的特點(diǎn)是：

(1)沉積溫度低于相應(yīng)的熱反應(yīng)溫度，反應(yīng)管不易變形。

(2)由于氣體電離不受反應(yīng)管的熱容量的限制，微波加熱體可沿反應(yīng)管做快速往返運(yùn)動(dòng)，沉積厚度可小于1μm，從而可制造出多達(dá)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(xué)特性的重復(fù)性好，適合于批量生產(chǎn)。對(duì)SiCl4的沉積效率接近100%，沉積速度快，有利于降低成本。

光纖預(yù)制棒的管外化學(xué)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(yù)制棒的過程是把經(jīng)過提純的化學(xué)試劑，如SiCl4、GeCl4、SiHCl3等以氣態(tài)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(yù)制棒，這種多孔粉塵預(yù)制棒被向上提升，通過一管狀的加熱器，被燒結(jié)處理，熔縮成透明的光纖預(yù)制棒。圖1-3-6光纖預(yù)制棒的管外化學(xué)氣相沉積法示意圖

VAD法的特點(diǎn)是：

(1)靠大量的載送化學(xué)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(dāng)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(jìn)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(jié)爐中進(jìn)行脫水處理，燒結(jié)成透明的預(yù)制棒。該方法的優(yōu)點(diǎn)如下：

(1)能生產(chǎn)出大型的預(yù)制棒。

(2)不需要高質(zhì)量的石英管做套管。

(3)棒芯中雜質(zhì)含量極低。

(4)幾何尺寸精度高。

(5)能大規(guī)模生產(chǎn)，成本低。

2)光纖的拉制工藝

將光纖預(yù)制棒拉制成光纖的示意圖如圖1-3-7所示。預(yù)制棒由送料機(jī)構(gòu)以一定的速度均勻地送往管狀加熱爐中，預(yù)制棒尖端熱到一定溫度時(shí)，棒體尖端的粘度變低，靠自身重量逐漸下垂變細(xì)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(jiān)測，并利用監(jiān)測結(jié)果控制拉絲速度及送料速度，以得到合格的產(chǎn)品。由預(yù)制棒拉制成的光纖的截面折射率分布可以完全保持預(yù)制棒原有的折射率分布，這是因?yàn)椴Ａе械姆肿訑U(kuò)散要比晶體中的難得多，即使使用2000℃的高溫去熔融預(yù)制棒，已摻入棒體中的摻雜物質(zhì)也不會(huì)擴(kuò)散，仍保持原預(yù)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(yù)制棒拉出的光纖不能直接使用，這是因?yàn)樗_(dá)不到實(shí)際使用的強(qiáng)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(shí)際拉出的光纖由于制造工藝的不完善，強(qiáng)度將進(jìn)一步下降。制造中造成強(qiáng)度下降的主要原因如下：

(1)預(yù)制棒在制造中可能存在雜質(zhì)和氣泡，這些雜質(zhì)和氣泡會(huì)轉(zhuǎn)移到光纖中。由于雜質(zhì)的膨脹系數(shù)與周圍玻璃不同，可能導(dǎo)致裂紋，造成強(qiáng)度的下降；氣泡對(duì)強(qiáng)度的影響將更大。

(2)拉絲過程中，拉絲爐的溫度穩(wěn)定性、周圍環(huán)境中的粉塵及拉絲卷繞等有可能使光纖表面出現(xiàn)劃痕、裂紋等機(jī)械損傷，影響光纖的強(qiáng)度。拉出的光纖如果直接使用，除會(huì)造成進(jìn)一步機(jī)械損傷外，周圍環(huán)境中的水分等有害物質(zhì)還會(huì)對(duì)光纖造成腐蝕，使光纖表面的裂紋擴(kuò)展，降低光纖強(qiáng)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(hù)光纖表面，提高抗拉強(qiáng)度和抗彎曲強(qiáng)度，還要對(duì)光纖進(jìn)行涂覆和套塑處理。

光纖的涂覆是與拉絲工藝同時(shí)進(jìn)行的。當(dāng)光纖向下拉制時(shí)，光纖表面的微裂紋尚未與空氣中水分等發(fā)生反應(yīng)或擴(kuò)大，就迅速地進(jìn)行涂覆來保護(hù)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(diào)節(jié)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(duì)樹脂進(jìn)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(jīng)涂覆之后的光纖可承受幾千克的拉力，要實(shí)際使用還需套塑來保護(hù)光纖的涂覆層并進(jìn)一步增加光纖的機(jī)械強(qiáng)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(dòng)；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(nèi)自由活動(dòng)。圖1-3-9是緊套光纖和松套光纖結(jié)構(gòu)示意圖。圖1-3-9緊套光纖和松套光纖結(jié)構(gòu)圖對(duì)于緊套光纖來說，由于涂覆材料和套塑材料的膨脹系數(shù)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(jié)構(gòu)工藝中，考慮到塑料管的膨脹系數(shù)比石英光纖大3個(gè)數(shù)量級(jí)的因素，塑料管的直徑應(yīng)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(nèi)收縮時(shí)滑動(dòng)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(shí)，涂覆光纖從安裝在模具內(nèi)部并與模具同心的導(dǎo)向管中穿過，在模具出口處涂覆上溶化了的套塑材料，經(jīng)過冷卻水槽，套塑材料被冷卻固化，再送到收絲的轉(zhuǎn)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(huì)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(yīng)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(guān)系達(dá)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(huì)好一點(diǎn)。圖1-3-10緊套光纖的套塑工藝示意圖光纖經(jīng)過涂覆和套塑后已具有一定的抗拉強(qiáng)度，但一般還經(jīng)不起實(shí)用場合的彎曲、扭曲和側(cè)壓力的作用。為此，欲使成品光纖達(dá)到通信工程的實(shí)用要求，必須像通信用的各種銅線電纜那樣，借用傳統(tǒng)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(shí)際工程使用要求的機(jī)械性能。具體的光纖成纜工藝請(qǐng)參見有關(guān)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(shí)，光纖對(duì)光信號(hào)的功率有衰減，光的強(qiáng)度將會(huì)減弱，這是光纖的一個(gè)重要性質(zhì)。若P0是入射光的強(qiáng)度，則傳輸距離L后的光強(qiáng)度為(1-3-6)其中α是衰減系數(shù)，其單位為[長度單位]－1。在通信中習(xí)慣用單位dB/km來表示光纖的衰減，單位之間的換算關(guān)系為(1-3-7)光纖對(duì)光信號(hào)產(chǎn)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(yīng)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(chǎn)生振動(dòng)，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(zhì)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(fù)離子(OH－)。這些離子在光波的激勵(lì)下發(fā)生振動(dòng)而消耗光能。每一種雜質(zhì)離子都有自己的吸收帶，其中有害的過渡金屬雜質(zhì)離子的吸收帶都處在0.5~1.1μm的波段內(nèi)，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(duì)制造光纖的原材料進(jìn)行嚴(yán)格的化學(xué)提純，要求雜質(zhì)過渡金屬離子含量下降到10－6級(jí)，含氫化合物的雜質(zhì)含量控制在1×10－6以下。

2.光纖的散射衰減

光在光纖內(nèi)傳播過程中遇到不均勻或不連續(xù)的情況時(shí)，會(huì)有一部分光散射到其它方向上，不能傳輸?shù)浇K點(diǎn)，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(yùn)動(dòng)，使原子受到壓縮性的不均勻或起伏，造成材料密度起伏，進(jìn)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(shù)可表示為(1-3-8)這里常數(shù)C在0.7~0.9dB/(km·μm)范圍內(nèi)，其具體值與纖芯的成分有關(guān)。其次，在纖芯制造過程中的缺陷，如雜質(zhì)、氣泡、不溶解離子及折晶等，也會(huì)引起散射衰減。降低這種衰減的辦法是在熔煉光纖預(yù)制棒和拉絲時(shí)，選擇合適的工藝，以避免上述問題的出現(xiàn)。

2)波導(dǎo)散射

實(shí)際制造的光纖并不是理想的圓柱光波導(dǎo)，將會(huì)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(shí)，由于工藝的不完善，會(huì)造成粗細(xì)不均和截面形狀改變等，當(dāng)光波傳播到這里時(shí)，會(huì)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(yù)制棒時(shí)注意幾何精度外，還要在拉絲工藝上要切實(shí)采取措施，保證光纖的尺寸均勻。光纖波導(dǎo)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(shí)，當(dāng)遇到不平滑的包層界面，除了有一部分光會(huì)穿透光纖芯與包層的界面造成損失外，還會(huì)引起模式的變換。降低這種影響的辦法是在制作光纖時(shí)，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(nèi)包層。總之，在以上所講的各種衰減中，除原材料的雜質(zhì)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(dāng)衰減在1000dB/km時(shí)，絕大部分的光衰減是由材料雜質(zhì)吸收產(chǎn)生的；當(dāng)衰減下降到10dB/km以下時(shí)，波導(dǎo)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(guān)系曲線，可以看出，石英光纖有三個(gè)衰減區(qū)，或者稱為三個(gè)傳輸窗口。第一個(gè)窗口在0.9μm附近，通常稱為短波長窗口；第二、三個(gè)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(gè)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(guān)系曲線

3.光纖工程應(yīng)用中造成的衰減

光纖工程應(yīng)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(huì)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(fā)生在成纜、現(xiàn)場鋪設(shè)及光纜接頭等場合，導(dǎo)致彎曲損耗的曲率半徑一般遠(yuǎn)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(jī)的，其曲率半徑可以與光纖的橫截面尺寸比擬的畸變，常發(fā)生在套塑、成纜及光纖周圍溫度發(fā)生變化的場合。通信用的長光纖實(shí)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(chǎn)生光的衰減，造成衰減的原因是光纖的對(duì)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(dāng)光與光纖這種電介質(zhì)相遇時(shí)會(huì)發(fā)生相互作用，介質(zhì)的響應(yīng)通常與光波的頻率有關(guān)，這種特性稱為色散，它表明折射率對(duì)頻率的依賴關(guān)系。一般來說，色散的起源與介質(zhì)通過束縛電子的振蕩吸收電磁輻射的特征諧振頻率有關(guān)。遠(yuǎn)離介質(zhì)諧振頻率時(shí)，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(qiáng)度，求和號(hào)包含了所有相關(guān)的介質(zhì)諧振頻率。對(duì)石英材料而言，取前三個(gè)諧振頻率處的值，即可得到折射率的比較精確的結(jié)果，這些參數(shù)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?shù)墓庑盘?hào)的不同頻率成分有不同的傳輸速度，經(jīng)過一段距離的傳播后，這些頻率成分之間將存在相對(duì)時(shí)間延遲，造成信號(hào)畸變，對(duì)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(hào)不同成分之間的相對(duì)時(shí)間延遲，為了名稱上的統(tǒng)一，稱之為路徑色散。考察圖1-3-3，從射線光學(xué)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(xiàn)在假設(shè)光信號(hào)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(jīng)過一段縱向距離傳播后將造成相對(duì)延遲，使信號(hào)產(chǎn)生畸變。1.3.4光纖的非線性

在高強(qiáng)度電磁場作用下，任何電介質(zhì)對(duì)光的響應(yīng)都會(huì)變成非線性，光纖也不例外。介質(zhì)非線性響應(yīng)的起因與其束縛電子的非諧振運(yùn)動(dòng)有關(guān)，在強(qiáng)電磁場作用下的這種束縛電子的非諧振運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)為電偶極子的極化強(qiáng)度對(duì)電場的非線性。極化強(qiáng)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(shù)，χ(j)(j=1，2，3，…)為j階電極化率，考慮介質(zhì)的各向異性，χ(j)是j+1階張，·、∶、…分別表示相應(yīng)階數(shù)的張量乘積。在上式中，線性極化率χ(1)對(duì)P

的貢獻(xiàn)是主要的，在各向同性介質(zhì)中，它與折射率的關(guān)系為

(1-3-11)一般來說，高階極化系數(shù)都比較小，理論研究表明，相鄰的兩極化系數(shù)之間的比值是個(gè)非常小的量，近似為其中，Ea為原子內(nèi)的平均電場強(qiáng)度，約為108V/cm。在大多數(shù)應(yīng)用中，與介質(zhì)相互作用的電場的強(qiáng)度遠(yuǎn)小于Ea，故非線性效應(yīng)可以忽略。但在光纖通信中，由于光纖芯徑很小，纖芯中的強(qiáng)度可以很高，并且由于光纖的衰減很小，非線性作用的持續(xù)時(shí)間有可能很長，這就使得光纖中的非線性效應(yīng)變的不可忽略。(1.12)在非線性光學(xué)領(lǐng)域，許多重要光學(xué)現(xiàn)象都來自二階和三階電極化率，如二階電極化率χ(2)對(duì)應(yīng)于二次諧波的產(chǎn)生及混頻運(yùn)轉(zhuǎn)等非線性效應(yīng)；三階電極化率對(duì)應(yīng)著三次諧波、克爾效應(yīng)、雙光子吸收、喇曼散射、布里淵散射、自相位調(diào)制及四波混頻等。然而，二階非線性效應(yīng)和三階非線性效應(yīng)實(shí)際上是不會(huì)在同一種介質(zhì)中產(chǎn)生的，二階和三階電極化率與介質(zhì)的結(jié)構(gòu)有關(guān)，二階電極化率只在某些結(jié)構(gòu)非反演對(duì)稱的介質(zhì)中才出現(xiàn)，而三階電極化率則出現(xiàn)在中心對(duì)稱的介質(zhì)中。目前通信中使用的石英光纖是中心對(duì)稱結(jié)構(gòu)，所以只有三階非線性效應(yīng)產(chǎn)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(diào)制、交叉相位調(diào)制及四波混頻等非線性效應(yīng)。

1.4光纖通信需要解決的問題

通信的目的是為了實(shí)現(xiàn)位于不同地理位置上的用戶之間的信息傳遞，由于每個(gè)用戶都可能與許多用戶建立通信聯(lián)系，要實(shí)現(xiàn)這些用戶之間的通信，就需將這些用戶以某種方式聯(lián)系起來，這些將諸多用戶聯(lián)系起來的通信系統(tǒng)就組成了所謂的通信網(wǎng)。圖1-4-1為用戶利用一個(gè)通信網(wǎng)傳遞信息的示意圖。圖1-4-1通信網(wǎng)示意圖通信網(wǎng)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(tǒng)網(wǎng)狀連接起來，這在經(jīng)濟(jì)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(jù)信息的需求量，依據(jù)資源共享和效益的原則組建通信網(wǎng)。例如，現(xiàn)代通信網(wǎng)的傳輸網(wǎng)部分對(duì)所有用戶是共享的，在接入網(wǎng)部分有一定的獨(dú)占性，采用這種方式可以實(shí)現(xiàn)信息傳輸設(shè)備的共享，大大降低信息的傳輸成本?，F(xiàn)代通信網(wǎng)就是利用資源共享的原則構(gòu)筑的一個(gè)高效、大容量信息傳送網(wǎng)。目前在地球上及太空中幾乎所有有人類活動(dòng)的地區(qū)都建立了通信網(wǎng)，這個(gè)通信網(wǎng)可以在很大程度上滿足人們對(duì)信息傳遞的要求。光纖通信主要是一種信息傳輸技術(shù)。當(dāng)然，網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)工程建設(shè)與維護(hù)技術(shù)與光纖通信技術(shù)也是密切相關(guān)的。本節(jié)主要探討作為傳輸技術(shù)的光纖通信技術(shù)要解決的基本問題。1.4.1光纖通信系統(tǒng)

光纖通信系統(tǒng)的原理框圖如圖1-4-2所示。圖中給出了一個(gè)方向的傳輸結(jié)構(gòu)，反方向的傳輸結(jié)構(gòu)是相同的，其中，電端機(jī)的作用是對(duì)來自信息源的信號(hào)進(jìn)行處理，如模/數(shù)變換、多路復(fù)用等，它是常規(guī)的通信設(shè)備。圖1-4-2光纖通信系統(tǒng)原理框圖光端機(jī)的發(fā)射端將電信號(hào)變成光信號(hào)，輸入光纖中傳輸；光端機(jī)的接收端將光信號(hào)還原成電信號(hào)，經(jīng)放大、整形及再生恢復(fù)原形后，輸入到電端機(jī)，完成整個(gè)光信號(hào)的傳輸過程。對(duì)于長距離的光傳輸系統(tǒng)，由于光纖對(duì)信號(hào)產(chǎn)生的衰減及畸變效應(yīng)，為保證信號(hào)的傳輸質(zhì)量，經(jīng)過一段距離的傳輸后，需采用中繼器對(duì)衰減和畸變了的光信號(hào)進(jìn)行放大、整形，再生成一定強(qiáng)度的光信號(hào)，繼續(xù)向前傳送。

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

圖1-4-3所示為大量使用的采用開放式結(jié)構(gòu)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)WDM系統(tǒng)。圖中所示OTM為光終端，TM為SDH終端，OTU為光波長轉(zhuǎn)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(diǎn)對(duì)點(diǎn)WDM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(hào)的通道，與之相關(guān)的問題很多，具體有以下一些技術(shù)問題：

(1)光纖的設(shè)計(jì)與制造問題。從通信的角度，作為傳輸介質(zhì)的光纖的通信頻帶應(yīng)盡可能寬，對(duì)光信號(hào)的損耗盡可能小，對(duì)光信號(hào)的的畸變也應(yīng)盡可能小，并且機(jī)械性能能滿足實(shí)際工程使用要求，這就要解決光纖的材料問題、光纖的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題及光纖的制造問題。為充分利用密集波分復(fù)用通信技術(shù)挖掘光纖的帶寬資源，還必須根據(jù)密集波分復(fù)用通信的特點(diǎn)來設(shè)計(jì)光纖，研制開發(fā)適合不同需求的新型光纖。

(2)光信號(hào)的放大問題。由于光纖對(duì)信號(hào)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(hào)的放大問題，在密集波分復(fù)用通信中要求光放大器有足夠的帶寬，并且在帶寬范圍內(nèi)增益要足夠平坦。

(3)光信號(hào)碼形的控制問題。由于光纖的色散和非線性，對(duì)信號(hào)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(hào)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(xiàn)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(huì)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(shí)要對(duì)光信號(hào)進(jìn)行分路，對(duì)不同通道的光信號(hào)進(jìn)行分波或合波，以及對(duì)光信號(hào)按要求進(jìn)行選路，因此需解決光路的控制問題。

(7)目前全世界范圍內(nèi)光纜的鋪設(shè)量非常巨大，而絕大多數(shù)光纖光纜是為單信道通信設(shè)計(jì)的，為了保護(hù)已投入的巨額資金，必須研究已鋪設(shè)光纜的擴(kuò)容問題。

(8)密集波分復(fù)用通信中的非線性光學(xué)現(xiàn)象是決定通信容量的最終因素，但目前對(duì)光纖中非線性光學(xué)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?shù)墓獍l(fā)射及光檢測問題

基于光纖傳輸?shù)墓獍l(fā)射及光檢測問題主要包括以下具體技術(shù)問題：

(1)光源問題。為了在光纖中傳輸信號(hào)，需將電信號(hào)變成光信號(hào)，這就需要解決將電信號(hào)轉(zhuǎn)變成光信號(hào)的光源技術(shù)問題。

(2)光傳輸?shù)木幋a問題。由于光信號(hào)只有單極信號(hào)，還要根據(jù)這個(gè)特點(diǎn)解決適合光信號(hào)傳輸?shù)木幋a問題。

(3)光檢測問題。光信號(hào)傳輸?shù)浇邮拯c(diǎn)后，還要轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，因此光通信中要解決光信號(hào)的檢測問題。

(4)光通信技術(shù)的體制問題。光通信所用電磁波的頻率遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的無線通信所用電磁波的頻率，與傳統(tǒng)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(shù)性能。

(5)密集波分復(fù)用系統(tǒng)中光波長穩(wěn)定技術(shù)及窄譜線寬度的光源技術(shù)。在密集波分復(fù)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(hào)的中心波長穩(wěn)定在信道的中心波長處，以免信號(hào)偏離出信道，影響信號(hào)傳輸。

(6)光信號(hào)的調(diào)制問題。在一些高速光纖通信系統(tǒng)中，有時(shí)需要采用外調(diào)制技術(shù)將電信號(hào)轉(zhuǎn)變成光信號(hào)，故還需要解決光信號(hào)的調(diào)制問題。

1.5光纖通信發(fā)展歷史回顧及現(xiàn)狀

早在19世紀(jì)人們就知道在光纖中利用全反射原理可以傳輸光信號(hào)，并在19世紀(jì)20年代就制成了無包層的玻璃光纖，但直到20世紀(jì)50年代，才知道包層的使用能夠改善光纖的光學(xué)特性，當(dāng)時(shí)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(jì)60年代，人們認(rèn)識(shí)到通過降低光纖材料中的雜質(zhì)，可以大大降低光纖的損耗，使人們看到了利用光纖進(jìn)行通信的可能性，進(jìn)而開始了光纖通信技術(shù)的研究。近30年來，光纖通信得到了飛速發(fā)展，信息傳送網(wǎng)已從以銅纜和微波傳送為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)體系發(fā)展到以光傳送網(wǎng)為主體的光電混合網(wǎng)絡(luò)體系，并正在向全光網(wǎng)方向過渡。光纖通信之所以發(fā)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(yōu)點(diǎn)。

我們認(rèn)為，光纖通信在過去30多年的發(fā)展過程中經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展階段。從技術(shù)特征上看，第一階段是技術(shù)開發(fā)階段，第二階段為單信道技術(shù)大發(fā)展階段，第三階段是多信道技術(shù)大發(fā)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(gè)發(fā)展階段的概況。1.5.1光纖通信技術(shù)開發(fā)階段

光纖通信的第一發(fā)展階段為技術(shù)開發(fā)階段，大約是從1966年到1985年這一時(shí)期。這一階段主要開展光纖通信器件技術(shù)研究及系統(tǒng)技術(shù)研究，通過鋪設(shè)短距離線路，組建小容量系統(tǒng)，在實(shí)驗(yàn)場合考察和驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)技術(shù)、性能指標(biāo)的可行性，在經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)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(dǎo)纖維，實(shí)現(xiàn)通信。這是一個(gè)非常大膽和科學(xué)的預(yù)見，它引發(fā)了對(duì)光纖通信技術(shù)的研究，是光纖通信歷史上的一個(gè)重大事件。因?yàn)楫?dāng)時(shí)最好的光學(xué)玻璃的衰減約為1000dB/km，這一預(yù)見引起了極大的爭議，只有少數(shù)有遠(yuǎn)見卓識(shí)的科學(xué)家支持這一預(yù)見，并支持開展光纖技術(shù)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(fā)達(dá)國家紛紛開展光纖通信技術(shù)的研究。在光纖制造技術(shù)方面，1970年制造出衰減為20dB/km的光纖后，為實(shí)現(xiàn)長距離大容量的通信，一方面設(shè)法降低衰減，另一方面設(shè)法降低色散。根據(jù)高錕的預(yù)言，首先通過降低光纖中金屬雜質(zhì)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(fā)出了光通信的1.3μm和1.55μm兩個(gè)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(jì)70年代初期，光纖制造的工藝水平達(dá)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(dá)到了實(shí)用化的要求。到20世紀(jì)80年代初，光纖制造技術(shù)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(guān)的實(shí)用工程技術(shù)也得到發(fā)展，光纖光纜技術(shù)已完全達(dá)到實(shí)用化要求，光纖在1.3μm和1.55μm兩個(gè)長波長窗口提供的帶寬已高達(dá)20THz。要實(shí)現(xiàn)光通信還要有適當(dāng)?shù)墓庠春凸鈾z測器。光源是將電信號(hào)轉(zhuǎn)變成光信號(hào)的器件，是光發(fā)射機(jī)的核心