畢業(yè)設(shè)計(jì)--光纖通信技術(shù)研究現(xiàn)狀和應(yīng)用前景

1、<p><b>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）</b></p><p>　　題目名稱：光纖通信技術(shù)研究現(xiàn)狀和應(yīng)用前景</p><p><b>　　學(xué)院名稱：</b></p><p><b>　　班 級(jí)：</b></p><p><b>　　學(xué) 號(hào)：<

2、/b></p><p><b>　　學(xué)生姓名：</b></p><p>　　指導(dǎo)教師： </p><p>　　2011 年 05 月</p><p>　　光纖通信技術(shù)研究現(xiàn)狀和應(yīng)用前景</p><p>　　Optical fiber communication techno

3、logy research present situation and application prospect</p><p><b>　　學(xué)院名稱：</b></p><p><b>　　班 級(jí)：</b></p><p><b>　　學(xué) 號(hào)：</b></p><p&g

4、t;<b>　　學(xué)生姓名：</b></p><p>　　指導(dǎo)教師： </p><p>　　2011 年 05 月</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　此次畢業(yè)論文的題目是“光纖通信技術(shù)研究現(xiàn)狀和應(yīng)用前景”，將光纖通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法原理作為主要研究?jī)?nèi)容。 通信

5、系統(tǒng)主要涉及信源（發(fā)射端）、信道（傳輸媒介）、信宿（接收端）三個(gè)主要部分。本論文集中研究一種特殊的傳輸媒介——光纖，針對(duì)光纖的基本結(jié)構(gòu)、光纖傳輸理論以及新型光纖和光纖的基本特性展開(kāi)研究論述。采用單獨(dú)分析和綜合分析對(duì)比, 重點(diǎn)分析了影響光纖傳輸?shù)膿p耗、色散、非線性等因素,針對(duì)不同的傳輸模式、不同的應(yīng)用場(chǎng)景、不同的需求等，通過(guò)對(duì)比來(lái)分析不同的傳輸模式、光纖傳輸特性對(duì)光纖通信的影響。這也是本論文要綜合論述的結(jié)論.最后分析指出光纖通信技術(shù)的應(yīng)用

6、前景以及前沿技術(shù)。</p><p>　　關(guān)鍵詞：光纖通信,應(yīng)用前景，傳輸損耗，色散，波分復(fù)用，光交換，光孤子，全光網(wǎng)絡(luò)</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　The graduation thesis topic is "optical fiber communications technology

7、 research present situation and application prospect", and take optical fiber communication technology realization method as the main research contents of the principle. Communication system mainly involves the sour

8、ce (emission end), channel (transmission medium), XinSu (receiver) three main parts. This paper focuses on the study of a special kind of transmission medium - for fiber optical fiber, basic structure, optical fibe</p

9、><p>　　Key words：Optical fiber communication, application prospect, transmission loss , dispersion ,WDM, OSW Optical Switch, optical soliton, All Optical Network</p><p><b>　　目錄</b></

10、p><p><b>　　目錄1</b></p><p><b>　　引言1</b></p><p>　　1 簡(jiǎn)述光纖通信技術(shù)2</p><p>　　1.1 光纖通信技術(shù)的發(fā)展歷史2</p><p>　　1.2 光纖通信技術(shù)的特點(diǎn)5</p><p

11、>　　1.3 光纖通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)7</p><p><b>　　2 光纖9</b></p><p>　　2.1 光纖的基本結(jié)構(gòu)9</p><p>　　2.2 光纖的分類10</p><p>　　2.3 光纖傳輸理論12</p><p>　　2.3.1 光的射線理論[8]

12、12</p><p>　　2.3.2 光纖導(dǎo)光的原理[1]13</p><p>　　2.4 光纖的傳輸特性14</p><p>　　2.4.1 光纖的衰減15</p><p>　　2.4.2 光纖的色散15</p><p>　　2.4.3 光纖的非線性效應(yīng)16</p><p>

13、;　　2.5 新型光纖16</p><p>　　3 光纖通信前景展望20</p><p>　　3.1光纖通信的新技術(shù)20</p><p>　　3.2光纖通信的應(yīng)用前景21</p><p><b>　　結(jié)論23</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)25</b&g

14、t;</p><p><b>　　致謝26</b></p><p><b>　　引言</b></p><p>　　光纖通信，顧名思義，簡(jiǎn)而言之就是以光為載波，以光導(dǎo)纖維作為傳輸媒介的一種通信方式。光纖通信系統(tǒng)使用電磁波譜中的可見(jiàn)光或近紅外區(qū)域的高頻電磁波，運(yùn)用光反射原理，把光的全反射限制在光纖內(nèi)部，用光信號(hào)取代傳統(tǒng)通信方

15、式中的電信號(hào)，通過(guò)光交換從而實(shí)現(xiàn)信息的傳遞。在現(xiàn)代前沿通信技術(shù)中，光纖通信已成為現(xiàn)代通信的主要支柱，并起著舉足輕重的作用。光纖與以往使用的傳輸媒介相比，具有諸多顯著的傳輸優(yōu)點(diǎn)。因此，光纖通信近年來(lái)發(fā)展及其迅速，人們將其作為優(yōu)質(zhì)、靈活的的傳輸方式，并被廣泛地應(yīng)用于各種具體的通信傳輸中，業(yè)已成為通信領(lǐng)域的主導(dǎo)技術(shù)。而且，光纖在制備技術(shù)、連接方式、傳輸理論、檢測(cè)方式等方面，都采用了與銅質(zhì)電纜不同的、比較獨(dú)特的理論與方法，也可以說(shuō)，這是又一次新

16、技術(shù)革命的一個(gè)里程碑。</p><p>　　本論文將主要概述國(guó)內(nèi)外在通信技術(shù)方向的發(fā)展歷史、研究現(xiàn)狀以及應(yīng)用前景，重點(diǎn)分析了影響光纖傳輸?shù)膿p耗、色散、非線性等因素。在內(nèi)容安排上，論文第一章簡(jiǎn)述光纖通信技術(shù)的發(fā)展歷史、光纖通信技術(shù)的特點(diǎn)及光纖通信系統(tǒng)的組成；第二章介紹了傳輸介質(zhì)——光纖，用射線光學(xué)理論和光纖導(dǎo)光原理詳細(xì)闡述了光纖傳輸理論，并在此基礎(chǔ)上分析了光纖的傳輸特性，另外還介紹了新型光纖；第三章歸結(jié)為光纖通信技

17、術(shù)的前景展望，重點(diǎn)闡述了光孤子通信和全光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及其及應(yīng)用前景；緊接著的是此次畢業(yè)論文的總結(jié)，包含著對(duì)此次畢業(yè)設(shè)計(jì)的整個(gè)研究工作的歸納，也是本文的思想精髓。最后是致謝和參考文獻(xiàn)部分。</p><p>　　1 簡(jiǎn)述光纖通信技術(shù)</p><p>　　1.1 光纖通信技術(shù)的發(fā)展歷史</p><p>　　在光纖問(wèn)世之前,人們對(duì)光通信已經(jīng)進(jìn)行了大量的探索,研究及使用,光波

18、是我們最熟悉的電磁波,它的波長(zhǎng)在微米級(jí),頻率為1014數(shù)量級(jí),從圖1-1電磁波譜可以看出,紅外線、紫外線、可見(jiàn)光均屬于光波的范疇。截至目前為止，光纖通信技術(shù)最常使用的波長(zhǎng)范圍是在近紅外區(qū)域，可分為短波長(zhǎng)波段和長(zhǎng)波長(zhǎng)波段，即波長(zhǎng)為0.8μm～1.8μm。目前也主要采用三種通信窗口，即波長(zhǎng)為0.85μm的短波段和波長(zhǎng)為1.31μm、1.55μm的長(zhǎng)波段。</p><p>　　采用光導(dǎo)纖維作為光的傳輸介質(zhì)的光纖通信發(fā)展

19、也只有三、四十年的歷史，它</p><p>　　的發(fā)展是以1960年美國(guó)加利福尼亞州休斯實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家梅曼設(shè)計(jì)的紅寶石激光</p><p>　　圖1-1-1電磁波譜圖</p><p>　　器和1966年華人高錕博士提出的利用石英玻璃可制成的光纖的設(shè)想為基礎(chǔ)的，高錕(C.K.Kao)博士和霍克哈姆(C.A.Hockham)發(fā)表了一篇?jiǎng)潟r(shí)代的性的論文，從理</p&

20、gt;<p>　　論上預(yù)言光纖損耗可降至20dB/Km以下，預(yù)見(jiàn)了低損耗的光纖能夠用于通信。從此，也宣告敲開(kāi)了光纖通信的大門(mén)，引起了更多人的重視。這種設(shè)想到后來(lái)成為了現(xiàn)實(shí)，1970年美國(guó)的康寧（Corning）公司根據(jù)高錕博士的思想，采用化學(xué)氣相沉積（CVD）工藝第一個(gè)制出衰減少于20dB/Km的高純石英光纖，與同軸電纜5～10dB/Km的損耗相比，還未達(dá)到理想的指標(biāo)，但在當(dāng)時(shí)已為通信工程師們所接受，也因此成為世界上公認(rèn)的

21、第一根通信光導(dǎo)纖維。同年，Hayashi等人研制出了室溫下連續(xù)運(yùn)行的的GaAlAs(鎵鋁砷)雙異質(zhì)結(jié)注入式半導(dǎo)體激光器，從而為光通信提供了合適的光源和信道，使光纖進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸成為可能，從此開(kāi)啟光纖通信的的新紀(jì)元。因此從以上兩方面綜合來(lái)說(shuō)，1970年是光纖通信史上十分關(guān)鍵的一年，被贊譽(yù)為“光纖通信年”。自此以后，光纖通信的研究在世界范圍內(nèi)展開(kāi)并得到迅猛發(fā)展，在短短的三、四十年中，已經(jīng)從0.85μm短波長(zhǎng)多模光纖發(fā)展到1.31μm～1.5

22、5μm的長(zhǎng)波長(zhǎng)單模光纖，也相繼開(kāi)發(fā)出1.31μm～1.55μm新型光電器件，激光器的壽命已達(dá)數(shù)十萬(wàn)小時(shí)，甚至百萬(wàn)小時(shí)。光纖通信的發(fā)展歷史如圖1-1-2所</p><p>　　國(guó)外光纖技術(shù)發(fā)展情況：</p><p>　　20世紀(jì)60年代中期，所研制的最好的光纖損耗在400dB/Km以上；</p><p>　　1966年英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)電信研究所高錕及C.A.Hockham從理

23、論上預(yù)言光纖損耗可降至20dB/Km以下；</p><p>　　1970年康寧公司采用“粉末法”先后獲得了損耗低于20dB/Km和4dB/Km的低損耗石英光纖；</p><p>　　1974年貝爾實(shí)驗(yàn)室采用改進(jìn)的化學(xué)汽相沉積法制出性能優(yōu)于康寧公司額光纖產(chǎn)品；</p><p>　　1979年，摻鍺石英光纖在1.55μm處的損耗已降到0.2 dB/km，這一數(shù)值已經(jīng)十分

24、接近由瑞利散射所決定的石英光纖理論損耗極限；</p><p>　　1988年，第一條跨越大西洋海底，連接美國(guó)東海岸同歐洲大陸的光纜開(kāi)通。</p><p>　　國(guó)內(nèi)光纖技術(shù)發(fā)展情況：</p><p>　　1963年開(kāi)始光通信的研究；</p><p>　　1977年第一根短波長(zhǎng)（0.85μm）階躍型石英光纖問(wèn)世，損耗為300 dB/km；<

25、/p><p>　　1978年，階躍光纖的衰減降至5 dB/km，同時(shí)研制出短波長(zhǎng)多模梯度光纖；</p><p>　　1979年研制出多模長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖，衰減為1 dB/km；</p><p>　　1980年，1.30μm窗口衰減降至0.48dB/km，1.55μm窗口衰減為0.29dB/km；</p><p>　　1990年，研制出G.652標(biāo)準(zhǔn)單模

26、光纖，最小衰減達(dá)0.35dB/km,1992年降至0.26dB/km；</p><p>　　1993年，在摻鉺光纖放大器的研究上取得突破性進(jìn)展，小信號(hào)增益達(dá)25dB。</p><p>　　相繼建成了多條長(zhǎng)距離光纖通信網(wǎng)絡(luò)，我國(guó)的“八橫八縱”格狀國(guó)家通信網(wǎng)骨干網(wǎng)也已基本建成，我國(guó)鋪設(shè)光纜的方向已經(jīng)開(kāi)始轉(zhuǎn)向城域網(wǎng)等局部性網(wǎng)絡(luò)，而且隨著光通信的發(fā)展，高質(zhì)量、高速度數(shù)據(jù)傳輸將進(jìn)一步得到應(yīng)用[1]。

27、</p><p>　　光纖通信技術(shù)經(jīng)過(guò)近40多年的發(fā)展，大致經(jīng)歷了5個(gè)發(fā)展階段其中大多已由試驗(yàn)研究進(jìn)入了實(shí)用階段。</p><p><b>　　第一代光纖通信系統(tǒng)</b></p><p>　　1978年，第一代光纖通信系統(tǒng)(0.85μm多模光纖通信系統(tǒng))正式投入商業(yè)應(yīng)用，光源為半導(dǎo)體激光器（GaAlAs LD）或發(fā)光二極管，其工作波長(zhǎng)為λ=0.

28、85μm，該光纖通信系統(tǒng)稱為短波通信系統(tǒng)。信道為均勻多模光纖，衰減系數(shù)約為2.5dB/km～4 dB/km,比特率為20Mb/s～100Mb/s，最大通信容量約為500（Mb/s）·km（通信系統(tǒng)的通信容量通常用比特率與距離積BL表示。其中，B表示比特率，L表示中繼距離），最大中繼距離約為10 km。</p><p><b>　　第二代光纖通信系統(tǒng)</b></p>&

29、lt;p>　　1981年又實(shí)現(xiàn)了兩電話局間使用1.3μm多模光纖的通信系統(tǒng)，為第二代早期多模光纖通信系統(tǒng)，光源為InGaAsP半導(dǎo)體激光器，其工作波長(zhǎng)為λ=1.3μm，該波段是石英系光纖的第二個(gè)低損耗窗口，有較低的損耗和最低的色散。信道為均勻多模光纖，由于多模光纖的模間色散，早期產(chǎn)品的比特率會(huì)有所限制。隨著由多模光纖發(fā)展到單模光纖，單模光纖比多模光纖的損耗更小，色散更低，因此采用單模光纖通信系統(tǒng)可進(jìn)一步提高系統(tǒng)的比特率和中繼距離。

30、1987年，第二代單模光纖通信系統(tǒng)（1.3μm單模光纖通信系統(tǒng)，稱為長(zhǎng)波光纖通信系統(tǒng)）投入了商業(yè)運(yùn)營(yíng)，其比特率高達(dá)1.7Gb/s，中繼距離可達(dá)50 km左右[2]。</p><p><b>　　第三代光纖通信系統(tǒng)</b></p><p>　　1990年，第三代光纖通信系統(tǒng)已經(jīng)可以初步投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)，光源為InGaAsP半導(dǎo)體激光器，光電探測(cè)器與第二代光纖通信系統(tǒng)同為鍺光

31、電探測(cè)器，信道為單模光纖，其工作波長(zhǎng)為λ=1.55μm，該光纖通信系統(tǒng)稱為長(zhǎng)波光纖通信系統(tǒng)。該波段也是石英系光纖損耗最低的窗口，1979年其損耗已經(jīng)達(dá)到了0.2 dB/km的低損耗，是石英光纖的第三個(gè)低損耗窗口。當(dāng)時(shí)由于多縱模常規(guī)InGaAsP半導(dǎo)體激光器的譜寬問(wèn)題未能解決，而且光纖在1.55μm處色散較高，也因此而推遲了第三代光纖通信系統(tǒng)的應(yīng)用。而后，在波長(zhǎng)為1.55μm附近，研制成功了具有最小色散的色散位移DSF單模光纖和單縱激光器

32、，進(jìn)而解決了1.55μm處光纖色散較高以及半導(dǎo)體激光器的譜寬問(wèn)題。第三代光纖通信系統(tǒng)的比特率為2.4Gb/s，中繼距離大于100 km[2]。</p><p>　　第四代光纖通信系統(tǒng)—相干光纖通信系統(tǒng)</p><p>　　相干光纖通信系統(tǒng)(COFCS)是利用激光的相干性，將無(wú)線電通信中采用的“外差”接收（或“零差”接收）和先進(jìn)的調(diào)制方式（ASK、PSK、FSK）應(yīng)用到光纖通信中的系統(tǒng)。相干

33、光纖通信結(jié)構(gòu)圖如下圖1-2所示。相干通信系統(tǒng)的兩個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)是：靈敏度高和頻率選擇性好，可用于長(zhǎng)途干線通信和綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)中。</p><p>　　圖1-1-3 相干光纖通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　第五代光纖通信系統(tǒng)—光孤子通信系統(tǒng)</p><p>　　光孤子通信是利用光纖非線性進(jìn)行超大容量、超長(zhǎng)距離的光纖通信方式。光孤子的存在是光纖群速度色散GVD和自相位

34、調(diào)制SPM平衡的結(jié)果，它的產(chǎn)生是由于在單模光纖中，當(dāng)光的強(qiáng)度增加到一定程度時(shí)將出現(xiàn)非線性效應(yīng)。20世紀(jì)90年代初期光纖放大器的問(wèn)世引起了光纖通信領(lǐng)域的重大變革，摻鉺光纖放大器EDFA用于光孤子放大，進(jìn)一步提升了高速長(zhǎng)距離的潛力，因此光孤子通信是一種具有潛在應(yīng)用前景的傳輸方式[2]。</p><p>　　1.2 光纖通信技術(shù)的特點(diǎn)</p><p>　　光纖通信技術(shù)已成為現(xiàn)代通信的基石。其之

35、所以得到如此飛速的發(fā)展，是因?yàn)樗哂胁豢杀葦M的一系列獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)[2]。</p><p>　　光纖傳輸損耗小，中繼距離很長(zhǎng)且誤碼率很小。目前，商品石英光纖損耗可低于0～20dB/km，這樣的傳輸損耗比其他任何傳輸介質(zhì)的損耗都低。最低光纖損耗已降至0.2 dB/km一下，這是以往的任何傳輸所不能與之相比的，若采用非石英系統(tǒng)極低損耗光纖，其理論分析損耗可下降的更低。對(duì)于一個(gè)長(zhǎng)途傳輸線路，又由于中繼站數(shù)目的減少，系統(tǒng)成本

36、和復(fù)雜性可大大降低。因此光纖通信系統(tǒng)中的無(wú)中繼傳輸距離長(zhǎng)，而且相干通信的無(wú)中繼傳輸距離可超過(guò)200 km。</p><p>　　頻帶寬、信息容量大。光纖比銅線或電纜有大得多的傳輸帶寬，特別是密集波分復(fù)用技術(shù)極大地增加了光纖的傳輸容量，因此光纖具有極寬的潛在帶寬?，F(xiàn)在單模光纖的帶寬可達(dá)THz·km量級(jí)，極大的擴(kuò)大了通信的容量。</p><p>　　光纖通信系統(tǒng)無(wú)串音干擾、安全性好。

37、在電波傳輸?shù)倪^(guò)程中，電磁波的泄漏會(huì)造成各傳輸通道的串?dāng)_，而容易被竊聽(tīng)，安全性差。光纖還是一種介質(zhì)光波導(dǎo)，可以將光波封閉在其中進(jìn)行傳播，光波在光纖中傳輸，因?yàn)楣庑盘?hào)被完善地限制在光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中，而任何泄漏的射線都被環(huán)繞光纖的不透明包層所吸收，即使在轉(zhuǎn)彎處，漏出的光波也十分微弱，還有即使光纜內(nèi)光纖總數(shù)很多，相鄰信道也不會(huì)出現(xiàn)串音干擾，同時(shí)在光纜外面，也無(wú)法竊聽(tīng)到光纖中傳輸?shù)男畔?。因此在保密通信中具有廣泛的應(yīng)用。</p><

38、p>　　抗電磁干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。光纖原材料是由石英制成的絕緣體材料，抗高溫、抗腐蝕能力強(qiáng)、而且絕緣性好。與之相聯(lián)系的一個(gè)重要特性是光波導(dǎo)對(duì)電磁干擾的免疫力，它不受自然界的雷電干擾、電離層的變化和太陽(yáng)黑子活動(dòng)的干擾，也不受人為釋放的電磁干擾，還可用它與高壓輸電線平行架設(shè)或與電力導(dǎo)體復(fù)合構(gòu)成復(fù)合光纜。這一點(diǎn)對(duì)于強(qiáng)電領(lǐng)域(如電力傳輸線路和電氣化鐵道)的通信系統(tǒng)特別有利。由于能免除電磁脈沖效應(yīng)，光 纖傳輸系還特別適合于軍事應(yīng)用。</

39、p><p>　　原材料豐富。制備光纖、光纜的主要原材料是地球上儲(chǔ)量最豐富的物質(zhì)。電纜的主要原材料是銅、鋁等有色金屬，資源有限，因此使用光纖節(jié)約了金屬材料，有利于資源合理使用。</p><p>　　光纖信道體積小、重量輕、便于傳輸和鋪設(shè)的優(yōu)點(diǎn)。可制成大芯數(shù)高密度光纜；單芯光纜可安裝在飛機(jī)、火箭、潛艇及航天飛機(jī)上。</p><p>　　光纖使用壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)</p>

40、;<p>　　光纖存在著諸多優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，也有其相應(yīng)的缺點(diǎn)。</p><p>　　光纖性質(zhì)脆、強(qiáng)度差，需要適當(dāng)?shù)赝扛布右员Ｗo(hù)。此外，彎曲半徑不宜太小，為了保證能承受一定的敷設(shè)張力，在光纖結(jié)構(gòu)上也需要多加考慮。</p><p>　　接口昂貴。切斷和連接光纖時(shí)，需要高精度技術(shù)，這在連接電纜時(shí)是沒(méi)有的，且分路耦合不方便。</p><p>　　不能傳送電力。光纖

41、不能輸送中繼器所需要的電能。</p><p><b>　　需要特殊的光源。</b></p><p>　　但這些缺點(diǎn)并不影響它的廣泛應(yīng)用?？墒俏覀冇欣碛上嘈烹S著光纖通信技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，這些不足之處可以很好的得以解決。</p><p>　　1.3 光纖通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)</p><p>　　以光波作為載波，以光纖作為傳輸介質(zhì)的

42、光纖通信系統(tǒng)，目前主要采用的是強(qiáng)度調(diào)制、數(shù)字編碼、直接檢波通信系統(tǒng)。光纖通信系統(tǒng)可歸結(jié)為電—光—電的簡(jiǎn)單模型，傳輸?shù)男盘?hào)先變成電信號(hào)，然后轉(zhuǎn)換為光信號(hào)它的基本構(gòu)成如圖所示，由光發(fā)信機(jī)、光收信機(jī)、光纖或光纜傳輸線路、中繼器以及光無(wú)源器件五個(gè)部分組成。光收信機(jī)和光收信機(jī)在一起稱為光端機(jī)[10]。</p><p>　　光發(fā)信機(jī)是實(shí)現(xiàn)電光轉(zhuǎn)換的光端機(jī)。它由光源、驅(qū)動(dòng)器和調(diào)制器組成。其主要功能是將來(lái)自于電端機(jī)的電信號(hào)對(duì)光源

43、發(fā)出的光波進(jìn)行調(diào)制，得到已調(diào)光信號(hào)。然后再將已調(diào)的光信號(hào)耦合到光纖或光纜中進(jìn)行傳輸。</p><p>　　光收信機(jī)是實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的光端機(jī)。它由光檢測(cè)器和光放大器構(gòu)成。其主要功能是將光纖或光纜傳輸來(lái)的光信號(hào)，經(jīng)過(guò)光檢測(cè)器轉(zhuǎn)變成為電信號(hào)。然后再將這微弱的電信號(hào)經(jīng)放大電路放大到足夠的電平，送到接收端的電端機(jī)。</p><p>　　光纖或光纜構(gòu)成光的傳輸線路。其主要功能是將發(fā)信端發(fā)出的已調(diào)光信號(hào)，

44、經(jīng)過(guò)光纖或光纜的遠(yuǎn)距離傳輸后，耦合到收信端的光檢測(cè)器上去，完成傳送信息過(guò)程。</p><p>　　中繼器由光檢測(cè)器、光源以及判決再生電路組成。其主要作用有兩個(gè)：一個(gè)是對(duì)波形失真的脈沖進(jìn)行整形；另一個(gè)是補(bǔ)償光信號(hào)在光纖中傳輸時(shí)受到的衰減。</p><p>　　光纖或光纜的長(zhǎng)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(zhǎng)度也是有受限的。 所以一條光纖線路可能存在多根光纖連接的問(wèn)題。因此，

45、光纖間的連接、光纖與光端機(jī)的連接及耦合，對(duì)光纖連接器、耦合器等無(wú)源器件的采用是必需的。</p><p>　　光纖通信傳輸系統(tǒng)中，要提高傳輸性能，還必須依靠多信道系統(tǒng)。常用的復(fù)用方式有：波分復(fù)用（WDM）、時(shí)分復(fù)用（TDM）、頻分復(fù)用（FDM）、空分復(fù)用（SDM）、碼分復(fù)用（CDM）等,當(dāng)前的光纖通信技術(shù)應(yīng)用中，也就波分復(fù)用、時(shí)分復(fù)用技術(shù)較為成熟，而其他方式尚處于試驗(yàn)研究階段[1]。</p><

46、p>　　光波分復(fù)用。光波分復(fù)用(WDM)技術(shù)是在一根光纖中同時(shí)傳輸多個(gè)波長(zhǎng)光信號(hào)的一項(xiàng)新技術(shù)。其基本原理是在發(fā)送端將不同波長(zhǎng)的光信號(hào)復(fù)用，并耦合到光纜線路上的同一根光纖中進(jìn)行傳輸，在接收端又將組合波長(zhǎng)的光信號(hào)解復(fù)用。由于WDM對(duì)長(zhǎng)距離、大量波長(zhǎng)數(shù)的限制，因而不適于波長(zhǎng)數(shù)較多的情況。</p><p>　　光時(shí)分復(fù)用。時(shí)分復(fù)用(TDM)技術(shù)可解決WDM系統(tǒng)中受激喇曼散射和四波混頻效應(yīng)等限制，同時(shí)可以提高光譜帶寬

47、效率，還可以與WDM技術(shù)相結(jié)合，由WDM構(gòu)成子網(wǎng)，采用TDM高速信道將WDM互聯(lián)。在子網(wǎng)中使用WDM可增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的靈活性和可靠性，而TDM則是實(shí)現(xiàn)高速傳輸?shù)挠辛ν緩健?lt;/p><p>　　時(shí)分復(fù)用的主要缺點(diǎn)：需要高速的開(kāi)關(guān)器件，此外，在高速傳輸下，網(wǎng)路的控制、穩(wěn)定性會(huì)受到一定的限制。而且，如果不采用孤子傳輸，否則短脈沖的傳輸受光纖色散和非線性效應(yīng)的影響很明顯。</p><p><b&g

48、t;　　2 光纖</b></p><p>　　光纖全稱為光導(dǎo)纖維，它是一種能夠通光的、直徑很細(xì)的透明玻璃絲，是一種新的傳輸介質(zhì)。隨著通信技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，光纖光纜已逐步取代電纜成為國(guó)家通信技術(shù)的主干線。光纖是傳光的纖維波導(dǎo)或光導(dǎo)纖維的簡(jiǎn)稱，光纖的基本結(jié)構(gòu)十分簡(jiǎn)單，是由光折射率較高的纖芯和折射率較低的包層所組成。纖芯和包層的折射率差異引起光波在纖芯內(nèi)發(fā)生全反射，進(jìn)而使光在纖芯內(nèi)傳播。為了保護(hù)光纖不受外

49、力和環(huán)境的影響，包層的外面還有涂覆層。</p><p>　　2.1 光纖的基本結(jié)構(gòu)</p><p>　　光纖的典型結(jié)構(gòu)是一種細(xì)長(zhǎng)多層同軸圓柱形實(shí)體復(fù)合纖維。自內(nèi)向外為：纖芯(芯層)-→包層-→涂覆層-→護(hù)套。核心部分為纖芯和包層，二者共同構(gòu)成介質(zhì)光波導(dǎo),對(duì)光纖的特性起決定性作用，形成對(duì)光信號(hào)的傳導(dǎo)和約束，實(shí)現(xiàn)光的傳輸。其中纖芯由高度透明的材料制成,作為光波的主要傳輸通道。包層的折射率小于

50、略微小于纖芯，以期光的傳輸性能穩(wěn)定，涂覆層主要對(duì)前兩者提供機(jī)械保護(hù)，同時(shí)又增加光纖的柔韌性，起著延長(zhǎng)光纖壽命的作用。</p><p>　　光纜是由若干根這樣的光纖經(jīng)一定方式絞合、成纜并外擠保護(hù)層構(gòu)成的實(shí)用導(dǎo)光線纜制品。以下為光纜截面圖：</p><p>　　2.2 光纖的分類</p><p>　　光纖的種類很多，分類方法也是各種各樣的。</p>&l

51、t;p>　　按照傳輸模式分類[1]：</p><p>　　單模光纖。光纖中只傳輸一種模式時(shí)，叫做單模光纖。單模光纖系統(tǒng)是透明、簡(jiǎn)單的傳輸系統(tǒng)，將光限制為單模，大大減少脈沖色散。單模光纖的纖芯直徑較小，約為4～10 μm，通常，纖芯的折射率分布被認(rèn)為是均勻分布的。由于傳輸模式只有一個(gè)， 因此避免了模間色散、模噪聲和多模傳輸附帶的其它效應(yīng)，單模光纖能實(shí)現(xiàn)高速傳輸，且傳輸信號(hào)的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于多模光纖，無(wú)中繼傳輸距離

52、大于幾千米。由于單模光纖只傳輸基模，從而完全避免了模間色散，使傳輸帶寬大大加寬，因此，它適用于大容量、 長(zhǎng)距離的光纖通信。更需要注意的是，單模光纖中會(huì)存在雙折射特性和偏振現(xiàn)象。存在雙折射，要產(chǎn)生偏振色散，因而限制系統(tǒng)的傳輸容量。 許多單模光纖傳輸系統(tǒng)都要求盡可能減小或消除雙折射。</p><p>　　多模光纖。在一定的工作波長(zhǎng)下，多模光纖是能傳輸多種模式的介質(zhì)波導(dǎo)。由于模式色散的存在使多模光纖的帶寬變窄，但制造、

53、耦合、連接都比單模光纖容易。階躍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。所以這種光纖的模式色散高，傳輸頻帶不寬，傳輸速率也不高，用于通信不夠理想，只適用于短途、低速通信。</p><p>　　以某一角度入射光纖端面并能在纖芯-包層處形成全反射的光線就成為一個(gè)光纖的模式。所謂模式，光纖纖芯中的電場(chǎng)和磁場(chǎng)，包層中的電場(chǎng)和磁場(chǎng)均滿足波動(dòng)方程， 但它

54、們的解不是彼此獨(dú)立的，而是滿足在纖芯和包層處電場(chǎng)和磁場(chǎng)的邊界條件。 所謂的光纖模式，就是滿足邊界條件的電磁場(chǎng)波動(dòng)方程的解，即電磁場(chǎng)的穩(wěn)態(tài)分布。 這種空間分布在傳播過(guò)程中只有相位的變化，沒(méi)有形狀的變化，且始終滿足邊界條件， 每一種這樣的分布對(duì)應(yīng)一種模式。</p><p>　　按照折射率分布的不同分類[1]：</p><p>　　階躍型光纖。如果纖芯折射率沿半徑方向保持一定，包層折射率沿半徑方

55、向也保持一定，而且纖芯和包層的折射率在邊界處呈階梯型變化的光纖，稱為階躍型光纖，又可稱為均勻光纖。階躍折射率單模光纖的性能并不盡如人意，其最小色散值在1.31μm波長(zhǎng)處，而最小衰減值在1.55μm波長(zhǎng)處。同時(shí)，性能最好的光放大器比如摻鉺光纖放大器，其工作波長(zhǎng)范圍是1.53μm～1.61μm，但階躍折射率單模光纖在這一波段的色散非常大。</p><p>　　漸變型光纖。如果纖芯折射率隨著半徑加大而逐漸減小，而包層中

56、折射率是均勻的，這種光纖稱為漸變型光纖，又稱為非均勻光纖。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。漸變折射率多模光纖通過(guò)用纖芯、包層折射率漸變的方式來(lái)代替突變邊界，從而基本上消除了模式色散，也使?jié)u變折射率多模光纖的傳輸容量大大增加。從原理上來(lái)說(shuō)，漸變折射率光纖利用的是折射而不是全內(nèi)反射傳導(dǎo)光，光纖的折射率從光纖中心軸開(kāi)始向外逐漸減小，在纖芯邊界處減小到和包層的折射相同。漸變折射率光纖也有著

57、自身的局限性,由于存在一些制約因素，如不同模式間相互干擾產(chǎn)生模噪聲，而不能適用于高性能多模傳輸。</p><p>　　按照纖芯和包層材料分類[1]： </p><p>　　石英光纖。這種光纖的纖芯和包層是由高純度的中摻雜適當(dāng)?shù)碾s質(zhì)制成的。 其損耗低、 強(qiáng)度和可靠性較高，目前應(yīng)用最為廣泛。</p><p>　　塑料光纖。這種光纖的纖芯和包層都由塑料制成。</p&

58、gt;<p>　　總結(jié)：①歸一化頻率V的表達(dá)式：</p><p>　?、诠饫w中可傳播的模式數(shù)M與V的關(guān)系(當(dāng)V>20):</p><p>　　歸一化頻率V越大，能夠傳播的模式數(shù)就越多。</p><p>　　2.3 光纖傳輸理論</p><p>　　光波從折射率較大的介質(zhì)入射到折射率較小的介質(zhì)時(shí),在邊界發(fā)生反射和折射,當(dāng)入

59、射角超過(guò)臨界角時(shí),將發(fā)生全反射。這正是光纖傳輸?shù)脑?。從光學(xué)理論的觀點(diǎn)出發(fā)，研究光纖中的光波，可以更好地認(rèn)識(shí)光波在光纖中的傳播機(jī)制以及運(yùn)用光學(xué)理論研究分析階躍型和漸變型多模光纖的傳輸特性。光學(xué)理論的基本關(guān)系是有關(guān)光波反射和折射的菲涅爾定律。</p><p>　　2.3.1 光的射線理論[8]</p><p>　　光在均勻介質(zhì)中是沿直線傳播的，光在分層介質(zhì)中傳播時(shí)，如圖2-3所示，介質(zhì)1的

60、折射率為，介質(zhì)2的折射率為，若，當(dāng)光線以較小的角入射到介質(zhì)界面時(shí)，部分光被反射，部分光進(jìn)入介質(zhì)2并產(chǎn)生折射，二者之間的比例取決于兩種介質(zhì)的折射率。</p><p>　　反射定律： </p><p>　　折射定律： <

61、;/p><p>　　當(dāng)時(shí)，逐漸增大，進(jìn)入介質(zhì)2的折射光線將進(jìn)一步趨向界面，直到趨于。這時(shí)，進(jìn)入介質(zhì)2的光強(qiáng)顯著減小并趨于零，反射光強(qiáng)接近等于入射光強(qiáng)。取角=極限值時(shí)，相應(yīng)的角被定義為臨界角。</p><p>　　此時(shí)臨界角 </p><p>　　在時(shí)，入射光將產(chǎn)生全反射。值得提出的一點(diǎn)就是，只有光線從折射率大的介質(zhì)進(jìn)入折射率小的介質(zhì)時(shí)

62、，也即只有時(shí)，才會(huì)發(fā)生全反射。另外，對(duì)于特定的光纖結(jié)構(gòu)，如圖2-3-1所示，也只有滿足一定條件的光波可以在光纖中有效的傳輸，這些特定的光波也就是所說(shuō)的光纖模式，光纖中可傳導(dǎo)的模式數(shù)量取決于光纖的具體結(jié)構(gòu)</p><p>　　圖2-3-1(a)不同入射角的光線；(b)的光線</p><p>　　和折射率的徑向分布。</p><p>　　2.3.2 光纖導(dǎo)光的原理[1

63、]</p><p>　　光纖傳輸?shù)臈l件要滿足光線在纖芯和包層界面上反復(fù)發(fā)生全反射的條件，同時(shí)還需滿足傳輸過(guò)程中的相干加強(qiáng)條件。</p><p>　　詳細(xì)描述光纖傳輸原理有兩種方法： </p><p>　　(1)波動(dòng)理論法。波動(dòng)理論法是根據(jù)電磁場(chǎng)理論，用麥?zhǔn)戏匠糖蠼夤饫w的場(chǎng)方程、特征方程，根據(jù)解答式分析其傳輸特性；</p><p>　　光波是電

64、磁波，只有通過(guò)求解由麥克斯韋方程組導(dǎo)出的波動(dòng)方程分析電磁場(chǎng)的分布(傳輸模式)的性質(zhì)，才能更準(zhǔn)確地獲得光纖的傳輸特性，麥克斯韋方程組反映了光纖中光場(chǎng)的分布情況。從麥克斯韋方程組出發(fā)：</p><p>　　設(shè)光纖沒(méi)有損耗,折射率變化很小,在光纖中傳播的是角頻率為的單色光,電磁場(chǎng)與時(shí)間的關(guān)系為,則標(biāo)量波動(dòng)方程為：</p><p>　　式中,和分別為電場(chǎng)和磁場(chǎng)在直角坐標(biāo)中的任一分量,為光速。選用圓

65、柱坐標(biāo)，使軸與光纖中心軸線一致，將式(2-3)和(2-4)在圓柱坐標(biāo)中展開(kāi)，從而得到電場(chǎng)的分量的波動(dòng)方程為:</p><p>　　磁場(chǎng)分量的方程和式完全相同。解方程求出和，再通過(guò)麥克斯韋方程組求出其他電磁場(chǎng)分量，就得到任意位置的電場(chǎng)和磁場(chǎng)。</p><p>　　多模漸變型光纖傳輸常數(shù)的普遍公式為：</p><p>　　式中，是模式總數(shù)，是傳輸常數(shù)大于的模式數(shù)。經(jīng)計(jì)算

66、得到：</p><p>　　主要結(jié)論是：電磁場(chǎng)不是以連續(xù)的、而是以離散的模式在光纖中傳播。</p><p>　　(2)幾何光學(xué)法。幾何光學(xué)法是將光波看成是一條條幾何射線，用光射線理論分析光纖的傳輸特性。 幾何光學(xué)的方法比較直觀，容易理解，但并不十分嚴(yán)格。不管是射線方程還是波動(dòng)方程，幾何光學(xué)的方法對(duì)光纖的傳輸特性只能提供近似的結(jié)果。</p><p>　　2.4

67、 光纖的傳輸特性</p><p>　　光纖的特性參數(shù)主要包括損耗（衰減）、色散、非線性等。光纖通信中，限制傳輸距離和傳輸容量的主要原因是損耗和色散。損耗使光信號(hào)在傳輸時(shí)能量不斷減弱，光纖的色散使得不同頻率的光波以不同的速度傳播，色散則是使光脈沖在傳輸中逐漸展寬，光線的色散是引起光纖帶寬變窄的主要原因，光纖帶寬變窄會(huì)限制光纖的傳輸容量，同時(shí)也限制了光信號(hào)的傳輸距離。</p><p>　　2

68、.4.1 光纖的衰減</p><p>　　光纖衰減是輸出光相對(duì)于輸入光的損耗量，總衰減是所有損耗之和，主要有：吸收損耗，包括雜質(zhì)吸收和本證吸收；散射損耗，包括線性散射、非線性散射和結(jié)構(gòu)不完整散射等；其它損耗，包括微彎曲損耗等。光纖衰減在很大程度上決定了多模和單模光纖通信的中繼距離，光纖越長(zhǎng)，吸收和散射損耗就越重要，相對(duì)的耦合損耗就處于次要位置。而對(duì)于短光纖來(lái)說(shuō)，衰減和散射損耗要比端面耦合損耗小得多。在某些情況下

69、，其它效應(yīng)也能造成損耗，比如嚴(yán)重微彎光纖中的光泄露。</p><p>　　2.4.2 光纖的色散</p><p>　　現(xiàn)在隨著光纖制造技術(shù)的發(fā)展，光纖的損耗已經(jīng)降低到接近理論極限值的程度，色散問(wèn)題已成為實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)距離和超大容量光纖通信的主要問(wèn)題。色散是指光纖對(duì)在其中傳輸?shù)墓饷}沖的展寬特性，色散造成的脈沖展寬限制了通信系統(tǒng)的傳輸速度。由于光纖中色散的存在，產(chǎn)生碼間干擾，增加誤碼率，也限制了通

70、信容量和傳輸距離。其主要原因在于，光在光纖中的傳播速度與光波長(zhǎng)和傳輸模式有關(guān)。與衰減一樣，色散限制了信號(hào)在光纖中能夠傳輸?shù)木嚯x，不同的一點(diǎn)是，色散并不是使信號(hào)衰減，而是使光脈沖在時(shí)域上重疊[6]。</p><p>　　目前在高速、長(zhǎng)距離通信中所用的光纖都是單模光纖，而單模光纖中的色散主要是色度色散，色度色散是指光通過(guò)光纖時(shí)由于群速度與波長(zhǎng)有關(guān)而造成的脈沖展寬。與其它光纖色散造成的脈沖展寬不同的是，色度色散造成的脈

71、沖展寬很大程度</p><p>　　上取決于光源。在大多數(shù)實(shí)際情況下，色度色散是材料色散和波導(dǎo)色散之和。材料色散僅與材料的折射率隨波長(zhǎng)變化有關(guān)，它反映了光纖材料的特性。波導(dǎo)色散是另一種效應(yīng)，它源于纖芯和包層之間光分布的變化。</p><p>　　在更高速度的通信系統(tǒng)中偏振色散會(huì)顯得重要。偏振色散是輸入光脈沖的兩個(gè)正交偏振分量以不同的群速度沿光纖傳輸導(dǎo)致光脈沖展寬的現(xiàn)象，其與普通單模光纖的群

72、速度色散相比很小。在短距離、低速度光纖通信系統(tǒng)中，除零色散波長(zhǎng)附近</p><p>　　圖2-4-2 光纖的偏振色散</p><p>　　外，偏振色散的影響一般可以忽略，相反地，在長(zhǎng)距離、高速通信系統(tǒng)中，偏振色散引起的脈沖展寬不容忽略。</p><p>　　2.4.3 光纖的非線性效應(yīng)</p><p>　　光纖的非線性效應(yīng)，即，如果一個(gè)光纖

73、的參數(shù)依賴于光功率，那么就稱它為非線性的。非線性效應(yīng)是不同光波間的相互作用，這種特性會(huì)使光信號(hào)的脈沖產(chǎn)生壓縮效應(yīng)，它能導(dǎo)致噪聲和串?dāng)_，單模光纖中的非線性效應(yīng)在高功率密度下會(huì)變得特別突出。非線性效應(yīng)成為決定高比特率、長(zhǎng)距離光纖通信系統(tǒng)的重要因素，導(dǎo)致光纖中非線性效應(yīng)的原因主要有以下幾方面：</p><p><b>　　多波長(zhǎng)系統(tǒng)的使用；</b></p><p><

74、b>　　光纖傳輸距離很長(zhǎng)；</b></p><p>　　線內(nèi)光放大器的使用使光纖攜帶的功率增加；</p><p>　　使用具有小橫截面的單模光纖使光纖內(nèi)功率密度增加；</p><p>　　在光纖通信系統(tǒng)中，光纖的非線性效應(yīng)，一方面引起傳輸信號(hào)的附加損耗，信號(hào)頻率的移動(dòng)；另一方面又可以被用于開(kāi)發(fā)新型器件，如調(diào)制器、激光器、放大器等。光孤子通信就是利用

75、光纖中的非線性效應(yīng)克服色散的影響，是通信速度極大提高，傳輸距離極大延長(zhǎng)。</p><p><b>　　2.5 新型光纖</b></p><p>　　光纖技術(shù)發(fā)展至今，各種能夠?qū)崿F(xiàn)特殊功能的光纖紛紛問(wèn)世，不僅使得光纖通信得以飛速發(fā)展，也使得光纖傳感技術(shù)進(jìn)入了商業(yè)實(shí)用化階段。</p><p><b>　　色散位移光纖[1]</b&

76、gt;</p><p>　　纖芯包層結(jié)構(gòu)和光纖材料的成分是決定光纖性能的關(guān)鍵因素，目前應(yīng)用最廣泛的是石英光纖。材料色散是石英光纖的本證特性，只有改變玻璃的組成成分，才能改變其色散值，而這樣會(huì)引起衰減的增加。更引起關(guān)注的是，階躍折射率單模光纖的衰減參數(shù)已經(jīng)降低到接近理論極限，如果沒(méi)有一系列新材料的出現(xiàn)，幾乎不可能再有任何的性能改善。調(diào)整波導(dǎo)色散可使色散最小值發(fā)生移動(dòng)，通過(guò)設(shè)計(jì)纖芯、包層結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜的光纖能將低色散移

77、位至1.55μm波段。</p><p>　　比如，零色散位移光纖，其在摻鉺光纖放大器工作波段的中心處色散值為零。盡管這一方案在單信道系統(tǒng)中運(yùn)行良好，可是卻不適用波分復(fù)用系統(tǒng)。當(dāng)光纖中存在多個(gè)信道時(shí)，各信道對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的色散接近于零，所以會(huì)引發(fā)四波混頻效應(yīng)影響傳輸信號(hào)，因而零色散位移光纖不能用于密集波分復(fù)用系統(tǒng)，這也是其最大的局限性。</p><p>　　圖2-5-2零色散位移光纖</p&

78、gt;<p>　　避免四波混頻的有效辦法就是將零色散波長(zhǎng)移到摻鉺光纖放大器的工作波段之外，綜合以上各種考慮，我們的目標(biāo)就是尋找最佳的結(jié)合點(diǎn)，已經(jīng)研制出的長(zhǎng)波長(zhǎng)非零色散位移光纖的零色散波長(zhǎng)值恰好在摻鉺光纖放大器的工作波段之外，在這之間沒(méi)有所謂的零色散點(diǎn)存在，這種光纖的應(yīng)用傳輸距離很短，但是不需要光放大器。</p><p><b>　　色散補(bǔ)償光纖</b></p>&

79、lt;p>　　由于光纖中的一些色散是無(wú)法避免的，因此色散補(bǔ)償光纖應(yīng)運(yùn)而生。這種光纖的纖芯，包層折射率差一般很大，而且有效面積很小，但波導(dǎo)色散非常大。</p><p><b>　　塑料光纖</b></p><p>　　塑料光纖是以光學(xué)塑料為材料的一類重要的光學(xué)纖維，具有輕便、廉價(jià)、韌性</p><p>　　好、對(duì)不可見(jiàn)光透過(guò)性能好等優(yōu)點(diǎn)。但

80、是缺點(diǎn)也很明顯，尤其是在用于通信方面，透明塑料的衰減要比玻璃光纖高很多，塑料光纖的損耗在短波長(zhǎng)一側(cè)有一定的下降，完全由塑料制成的多模光纖要比石英光纖具有更高的損耗，基于此原因，塑料光纖的應(yīng)用非常有限。對(duì)于塑料光纖而言，高衰減已成為一個(gè)棘手的難題。降低損耗的焦點(diǎn)集中在改變塑料的化學(xué)成分上。另一個(gè)問(wèn)題是塑料光纖不如玻璃光纖耐用。</p><p>　　光子晶體光纖(PCF) [1]</p><p&g

81、t;　　光子晶體是指在一維、二維或三維空間上介電常數(shù)周期分布的材料，由介電常數(shù)周期分布構(gòu)成的介質(zhì)材料能夠改變其間傳播的光的性質(zhì)。光子晶體中，一維、二維或三維空間中折射率的周期性分布能夠使得在期間傳播的光子形成禁帶結(jié)構(gòu)，即產(chǎn)生光子禁帶(PBG)。如果光子頻率處于禁帶內(nèi)，光子晶體內(nèi)的原子、分子的的自發(fā)輻射和相互作用都會(huì)發(fā)生根本性的變化。另外，當(dāng)光子晶體的周期性遭到破壞時(shí)，在PBG內(nèi)會(huì)出現(xiàn)頻率極窄的缺陷態(tài)，使得光子晶體能夠控制光在其中的傳播。

82、</p><p>　　光子晶體光纖最引人注目的一個(gè)特點(diǎn)是，具備在所有波長(zhǎng)上都支持單模傳輸?shù)哪芰?，即所謂的無(wú)休止單模特性，其部分原因是纖芯和包層間的有效折射率差依賴</p><p>　　圖2-5-4 PMMA階躍折射率光纖的衰減曲線</p><p>　　于波長(zhǎng)，深層原因是，當(dāng)波長(zhǎng)降低到一定程度時(shí)，模式分布不再依賴于波長(zhǎng)。光子晶體光纖能夠在波長(zhǎng)低于1.3μm時(shí)獲得反常

83、色散，同時(shí)保持單模，反常色散特性為短波長(zhǎng)光孤子傳輸提供了可能性。在光子晶體光纖中，還可以輕易實(shí)現(xiàn)高雙折射，而且其彎曲損耗較小，非線性效應(yīng)也具有可控性，因此可以有效地減小非線性效應(yīng)。</p><p>　　光子晶體光纖還可應(yīng)用于傳感。在PCF中引入多個(gè)缺陷從而形成多芯PCF，利用各芯導(dǎo)模的相互耦合，可用于矢量彎曲傳感中。此外，多芯PCF在定向耦合器、聲光調(diào)制器和頻譜濾波器中也有著潛在的應(yīng)用價(jià)值。</p>

84、<p><b>　　摻稀土元素光纖</b></p><p>　　在石英光纖中摻入各種稀土元素，就可以放大通信波段的光信號(hào)，其中的摻鉺石英光纖可以放大目前最主要的光通信波段，在光纖通信中發(fā)揮了極其重要的作用。它使全光通信變得可以實(shí)現(xiàn)。</p><p><b>　　紫外光纖</b></p><p>　　紫外光纖主要

85、是指能傳輸紫外光的光纖。隨著激光醫(yī)療技術(shù)的發(fā)展，紫外激光器的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，這就需要能夠傳輸紫外光的光纖。石英玻璃對(duì)紫外波段的光的透射率較高，由于石英玻璃的折射率較低，因此用石英玻璃做紫外光纖時(shí)，一般選用塑料材料做光纖的包層。</p><p><b>　　紅外光纖</b></p><p>　　紅外光纖是指用于傳輸近紅外和中紅外波段光能量。其主要優(yōu)點(diǎn)是：可傳輸更大的光

86、功率，穩(wěn)定性好，耦合效率高，透光范圍更寬。</p><p>　　3 光纖通信前景展望</p><p>　　3.1光纖通信的新技術(shù)</p><p>　　損耗與色散是制約光纖通信系統(tǒng)傳輸距離以及容量的主要因素。利用光孤子傳輸信息的新一代光纖通信系統(tǒng)，可以真正做到全光通信，無(wú)需光、電轉(zhuǎn)換，就能夠?qū)崿F(xiàn)超長(zhǎng)距離、超大容量傳輸，是光纖通信技術(shù)上的一場(chǎng)革命。</p>

87、<p>　　光孤子通信。孤子，又稱孤立波，是一種特殊形式的超短脈沖，它在傳播過(guò)程中形狀、幅度和速度都維持不變。當(dāng)光纖非線性效應(yīng)和色散單獨(dú)起作用時(shí)，在光纖中傳輸?shù)墓庑盘?hào)都要產(chǎn)生光脈沖展寬，這對(duì)傳輸速率的提高是有害的，光孤子的形成就是光纖的群速度色散和非線性效應(yīng)相互平衡的結(jié)果。當(dāng)頻移時(shí)折射率的非線性變化與群色散效應(yīng)相平衡，光脈沖就會(huì)形成一種基本孤子在反常色散區(qū)穩(wěn)定傳輸，在光纖的負(fù)色散區(qū)，光孤子通信利用自相位調(diào)制與色散相互作用，使

88、脈沖寬度在整個(gè)傳輸距離上保持不變，由此產(chǎn)生了光孤子理論，從而把通信引向非線性光纖孤子傳輸系統(tǒng)這一新領(lǐng)域[12]。</p><p>　　光孤子通信系統(tǒng)主要有光孤子源、光放大器、光檢測(cè)器、脈沖信號(hào)發(fā)生器、光隔離器組成，其中光孤子源是光孤子通信系統(tǒng)的關(guān)鍵。光孤子通信系統(tǒng)的構(gòu)成如圖3-1所示。</p><p>　　圖3-1光孤子通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　光孤子

89、通信技術(shù)的基本原理是基于非線性薛定諤方程。</p><p>　　根據(jù)光學(xué)知識(shí)，光脈沖可以用下式表示：</p><p>　　其中是脈沖包絡(luò)。在考慮色散作用并引入光纖非線性效應(yīng)中自相位調(diào)制作用時(shí)，光脈沖包絡(luò)的傳輸方程為：</p><p>　　式中是脈沖包絡(luò)，，為群速度色散系數(shù)，為高階色散系數(shù)，是代表自相位調(diào)制效應(yīng)的非線性系數(shù)。而且發(fā)現(xiàn)，只有方程的一個(gè)系數(shù)N為整數(shù)時(shí)，方程

90、有解。當(dāng)N=1時(shí)，該解的包絡(luò)與傳輸距離無(wú)關(guān)，即其在光纖中保形傳輸。只要控制好輸入脈沖的初始功率和脈寬，并選擇合適色散和非線形度量的光纖，可得到N=1時(shí)的弧子脈沖，該脈沖在光纖中傳播的時(shí)候，如果忽略光纖損耗的情況下，其脈沖包絡(luò)的幅度和形狀不會(huì)發(fā)生變化。</p><p>　　目前光孤子通信的主要限制是偏振色散，對(duì)于單信道光纖通信系統(tǒng)來(lái)說(shuō),光孤子通信系統(tǒng)的性能并不比在零色散波長(zhǎng)工作的非光孤子系統(tǒng)更好。然而，零色散波長(zhǎng)系

91、統(tǒng)只能實(shí)現(xiàn)單信道傳輸，而光孤子系統(tǒng)則可用于WDM系統(tǒng)，大幅度增加了傳輸速率。孤子能夠不用放大和色散補(bǔ)償在非常長(zhǎng)的光纖上傳輸，所以說(shuō)光孤子通信是目前很有前途的傳輸技術(shù)。光孤子通信是一種全光非線性通信方案，它完全擺脫了光纖色散對(duì)傳輸速率和通信容量的限制，利用光孤子通信可以實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)距離、超大容量的信息傳輸。</p><p>　　全光網(wǎng)絡(luò)(AON)。對(duì)光纖通信而言，超高速度、超大容量和超長(zhǎng)距離傳輸一直是人們追求的目標(biāo)，而

92、全光網(wǎng)絡(luò)也是人們不懈追求的夢(mèng)想,全光網(wǎng)絡(luò)是光纖通信技術(shù)的最高階段。傳統(tǒng)的光網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)間的全光化，但在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)處仍用電器件，限制了目前通信網(wǎng)干線總?cè)萘康奶岣摺Ｈ饩W(wǎng)絡(luò)以光節(jié)點(diǎn)代替電節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)之間也是全光化，信息始終以光的形式進(jìn)行傳輸與交換。所謂光交換技術(shù)即是指對(duì)光纖傳送的光信號(hào)直接進(jìn)行交換，而不需通過(guò)光/電/光變化。另外，光交換不需在光纖傳輸與交換機(jī)之間設(shè)置光端機(jī)進(jìn)行光/電、電/光變化，而且在光交換過(guò)程中還能充分發(fā)揮光信號(hào)的高速、寬帶

93、和無(wú)電磁感應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)，有利于克服電子瓶頸對(duì)電子交換容量的限制。言而總之，全光網(wǎng)絡(luò)具有良好的可靠性，并提供巨大的帶寬、極高的處理速度、較低的誤碼率[12]。</p><p>　　關(guān)于智能光網(wǎng)絡(luò)(ASON)，其基本思想是在光傳送網(wǎng)絡(luò)中引入控制平面以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的實(shí)時(shí)按需分配，從而實(shí)現(xiàn)光網(wǎng)絡(luò)的智能化。智能光網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)主要特征是引入了一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的控制平面，通過(guò)控制平面，使整個(gè)光網(wǎng)絡(luò)具有提供動(dòng)態(tài)鏈接的能力。</p&g

94、t;<p>　　從發(fā)展趨勢(shì)上看，形成一個(gè)真正的、以WDM技術(shù)與光交換技術(shù)為主的光網(wǎng)絡(luò)層，建立純粹的全光網(wǎng)絡(luò)，消除電光瓶頸已成未來(lái)光通信發(fā)展的必然趨勢(shì)，更是未來(lái)信息網(wǎng)絡(luò)的核心，也是通信技術(shù)發(fā)展的最高級(jí)別，更是理想級(jí)別。</p><p>　　3.2光纖通信的應(yīng)用前景</p><p>　　光纖通信的發(fā)展依賴于光纖通信技術(shù)的進(jìn)步。近年來(lái),光纖通信技術(shù)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展,新技術(shù)不斷涌現(xiàn),

95、這大幅提高了通信能力,并使光纖通信的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。目前,光纖通信技術(shù)已成為信息寬帶傳輸?shù)牡闹饕浇椋惨训玫綇V泛的應(yīng)用和發(fā)展,其最主要的原因由原來(lái)的技術(shù)驅(qū)動(dòng)為主而轉(zhuǎn)向以市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)為主,讓技術(shù)適應(yīng)市場(chǎng)需求,在實(shí)際應(yīng)用中適時(shí)地調(diào)整光纖通信技術(shù)發(fā)展的方向,使它的發(fā)展具有切實(shí)的意義。</p><p>　　光纖通信向超高速、超大容量系統(tǒng)的發(fā)展應(yīng)用。光纖通信可以傳輸數(shù)字信號(hào)，也可以傳輸模擬信號(hào)，同時(shí)在通信網(wǎng)、廣播電視網(wǎng)、計(jì)

96、算機(jī)網(wǎng)、綜合業(yè)務(wù)光纖接入網(wǎng)以及在其它數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中都得到了廣泛的應(yīng)用。由于當(dāng)今社會(huì)進(jìn)入了信息爆炸的時(shí)代，各種通信業(yè)務(wù)的發(fā)展，使得已經(jīng)埋設(shè)的光纖快要用盡了，而且光纜埋設(shè)費(fèi)用很高，可是光纖的帶寬資源還沒(méi)有充分利用。當(dāng)前使用波分復(fù)用技術(shù)提高復(fù)用效率是首選方案，在以后的應(yīng)用中，光孤子傳輸和全光網(wǎng)絡(luò)則會(huì)是更佳的選擇。用戶需求和業(yè)務(wù)類型的變化以及光子技術(shù)的進(jìn)步，給光網(wǎng)絡(luò)提出了新的需求，WDM是全光網(wǎng)絡(luò)的重要基礎(chǔ)設(shè)施，全光網(wǎng)絡(luò)是未來(lái)光傳送網(wǎng)的發(fā)展方向

97、。</p><p>　　新一代光網(wǎng)絡(luò)具有開(kāi)放性、靈活性、可擴(kuò)展性、支持多業(yè)務(wù)能力以及更加簡(jiǎn)單有效地網(wǎng)絡(luò)控制和管理能力。它主要具有以下應(yīng)用特色：</p><p>　　減少費(fèi)用支出；能同時(shí)達(dá)到低成本運(yùn)作和提供先進(jìn)的光通信服務(wù)，縮短了業(yè)務(wù)提供時(shí)間，提高了網(wǎng)絡(luò)資源的利用率，幫助運(yùn)營(yíng)商在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)領(lǐng)先地位。</p><p>　　提供區(qū)分服務(wù)；以滿足客戶需求和提高客戶

98、滿意程度為主要目標(biāo)，提供更有競(jìng)爭(zhēng)力的區(qū)分服務(wù)。實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)的流量控制，根據(jù)客戶層的業(yè)務(wù)需求，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地調(diào)整光纖通信網(wǎng)，以避免擁塞，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)資源的最佳配置。</p><p><b>　　安全性和可靠性。</b></p><p>　　現(xiàn)在通信行業(yè)發(fā)展速度驚人，光纖通信網(wǎng)絡(luò)的容量雖然已經(jīng)很大，但還有許多應(yīng)用能力未得到充分開(kāi)發(fā)，隨著技術(shù)的進(jìn)步和大規(guī)模產(chǎn)業(yè)的形成，光纖價(jià)格不斷下

99、降，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，光通信技術(shù)作為信息技術(shù)的重要支撐平臺(tái)，在未來(lái)信息社會(huì)中將起到更加重要的作用。我國(guó)經(jīng)濟(jì)正在高速發(fā)展，已進(jìn)入信息時(shí)代，現(xiàn)已鋪設(shè)了諸多光纜線路，同時(shí)建成連接各個(gè)主要城市的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，具有中國(guó)特色的信息高速公路正在高速發(fā)展。我們深信光纖通信技術(shù)在信息時(shí)代會(huì)有更偉大的作用。也因而具有廣闊的應(yīng)用前景。在國(guó)內(nèi)各研發(fā)機(jī)構(gòu)、科研院所、大學(xué)的科研人員的共同努力下，我國(guó)已研制開(kāi)發(fā)了一些具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的光纖通信高技術(shù)產(chǎn)品，取得了一批重要的

100、研究與應(yīng)用成果。這些研究工作和突出成果為O-TIME(光時(shí)代)計(jì)劃的實(shí)施奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，有望在“十二五”期間取得更多的成果，為我國(guó)的信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)做出更多的貢獻(xiàn)。</p><p><b>　　結(jié)論</b></p><p>　　截至目前,畢業(yè)設(shè)計(jì)已經(jīng)順利完成。我的論文題目是“光纖通信技術(shù)研究現(xiàn)狀和應(yīng)用前景”，這一研究方向?qū)儆诋?dāng)前信息領(lǐng)域的熱點(diǎn)和難點(diǎn)，在過(guò)去的三、四十

101、年里，也已經(jīng)有相當(dāng)多的科研人員對(duì)光纖通信技術(shù)的方方面面進(jìn)行了詳盡的研究和論述。作為一名本科畢業(yè)生，由于自身學(xué)識(shí)、研究條件以及其他一些方面的限制，并不可能像專業(yè)人員那樣進(jìn)行比較細(xì)致的論述，我所做也只是最大限度的查閱更多的資料文獻(xiàn)，進(jìn)行對(duì)比研究，并在導(dǎo)師的指導(dǎo)下找到一個(gè)切入點(diǎn)，進(jìn)而提煉出自己的觀點(diǎn)和想法，這也是此次論文的重心工作。</p><p>　　關(guān)于光纖通信技術(shù)，從我剛剛開(kāi)始接觸通信課程開(kāi)始，就對(duì)它充滿了好奇，

102、因?yàn)楣饫w通信是通信領(lǐng)域的前沿技術(shù)。在論文完成的整個(gè)過(guò)程中，郭穎老師給予我很多的指導(dǎo)，并幫我找了許多具有針對(duì)性的最新的期刊和書(shū)籍，對(duì)于剛開(kāi)始了解光纖通信的我來(lái)說(shuō)，省卻了許多反復(fù)篩選資料的時(shí)間，直接找到了努力的方向，關(guān)注那些最新的研究成果。由于我的知識(shí)面比較窄，對(duì)專業(yè)知識(shí)了解的深度還不夠，很大程度上影響了寫(xiě)作的進(jìn)度以及研究的深度。在今后從事的工作中，我會(huì)注意這些方面，去更多地閱讀相關(guān)書(shū)籍，深化知識(shí)體系，以期達(dá)到深層次的理解，并在所從事的領(lǐng)域

103、得出自己的結(jié)論。</p><p>　　在文獻(xiàn)資料的收集查閱方面，查找那些與論文更相關(guān)、更深入、相對(duì)前言的資料。對(duì)于光纖材料的特性以及更多原理性的知識(shí)進(jìn)行梳理，引發(fā)自己更近一步的思考。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)研究的光纖特性進(jìn)行了詳細(xì)的分析和對(duì)比總結(jié)。</p><p>　　結(jié)合前期的工作，包括調(diào)研報(bào)告、開(kāi)題報(bào)告和此次的中期報(bào)告，來(lái)撰寫(xiě)畢業(yè)論文，進(jìn)而完成了論文初稿。在整個(gè)論文寫(xiě)作過(guò)程中，不求面面俱到，只

104、求在某一點(diǎn)面上能有自己的見(jiàn)解，不單是純粹的機(jī)械的重復(fù)前人的工作，使自己的工作有意義。</p><p>　　通信系統(tǒng)主要涉及信源（發(fā)射端）、信道（傳輸媒介）、信宿（接收端）三個(gè)主要部分。本論文集中研究一種特殊的傳輸媒介——光纖，針對(duì)光纖的基本結(jié)構(gòu)、光纖傳輸理論以及新型光纖和光纖的基本特性展開(kāi)研究論述。采用單獨(dú)分析和綜合分析對(duì)比, 重點(diǎn)分析了影響光纖傳輸?shù)膿p耗、色散、非線性等因素。實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)距離、超大容量的信息傳輸是人

105、們一直以來(lái)追求的夢(mèng)想，光纖通信中，限制傳輸距離和傳輸容量的主要原因是損耗和色散。損耗使光信號(hào)在傳輸時(shí)能量不斷減弱，不同的一點(diǎn)是，色散并不是使信號(hào)衰減，則是使光脈沖在傳輸中逐漸展寬，色散限制了信號(hào)在光纖中能夠傳輸?shù)木嚯x。經(jīng)過(guò)種種的理論與試驗(yàn)，科研人員已經(jīng)將光纖的損耗降低到接近理論極限值的程度，因此現(xiàn)階段，色散問(wèn)題已成為實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)距離和超大容量光纖通信的主要問(wèn)題，這也是一些應(yīng)用領(lǐng)域的考慮重點(diǎn)。另外，哲學(xué)指導(dǎo)我們一分為二的看問(wèn)題，采用矛盾分析法

106、，一種新的光纖技術(shù)不僅有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，也肯定會(huì)存在相應(yīng)的不足，我們?cè)趯?shí)際應(yīng)用中要綜合各方面進(jìn)行深入的考慮。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]饒?jiān)平瑒⒌律?光纖技術(shù)[M].科學(xué)出版社，2006 </p><p>　　[2]陳才和 主編.光纖通信[M].電子工業(yè)出版社，2004.8</p>&

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