畢業設計--光纖通信技術研究現狀和應用前景(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 機上。 ⑺ 光纖使用壽命長的優點 光纖 存在著諸多優點的同時，也有其相應的缺點 。 ⑴ 光纖性質脆 、強度差， 需要適當地涂覆 加以保護。此外， 彎曲半徑不宜太小，為了保證能承受一定的敷設張力，在光纖結構上也需要多加考慮。 ⑵ 接口昂貴 。切斷和連接光纖時，需要高精度技術，這在連接電纜時是沒有的 ，且分路耦合不方便。 7 ⑶ 不能傳送電力 。光纖不能輸送中繼器所需要的電能。 ⑷ 需要特殊的光源。 但這些缺點并不影響它的廣泛應用。 可是 我們有理由相信隨著光纖通信技術的進一步發展，這些不足之處可以很好的得以解決。 光纖通信系統 結構 以光波 作為載波，以光纖作為傳輸介質的光纖通信系統，目前主要采用的是強度調制 、 數字編碼 、直接檢波通信系統。 光纖通信系統可歸結 為電 — 光 — 電的簡單模型，傳輸的信號先變成電信號，然后轉換為光信號 它的基本構成如圖所示，由光發信機、光收信機、光纖或光纜傳輸線路 、中繼器 以及光無源器件五個部分組成。光收信機和光收信機在一起稱為光端機 [10]。 ① 光發信機是實現電光轉換的光端機。它由光源、驅動器和調制器組成。其主要功能是將來自于 電端機的電信號對光源發出的光波進行調制，得到已調光 信號 。然后再將已調的光信號耦合到光纖或光纜 中 進行傳輸。 ② 光收信機是實現光電轉換的光端機。它由光檢測器和光放大器構成。其主要功能是將光纖或光纜傳輸來的 光信號，經過 光 檢測器轉變成為電信號。然后再將這微弱的電信號經放大電路放大到足夠的電平，送到接收端的電端 機。 ③ 光纖或光纜構成光的傳輸線路。其主要功能是將發信端發出的已調光信號，經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，完成傳送信息過程。 ④ 中繼器由光檢測器、光源以及判決再生電路組成。其主要作用有兩個：一個是對波形失真的脈沖進行整形；另一個是補償光信號在光纖中傳輸時受到的衰減。 8 ⑤ 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 受 限的。 所以 一條光纖線路可能存在多根光纖連接 的問題。 因此 ，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 無源器件的采用是必需的。 光 纖通信 傳輸系統 中，要提高傳輸性能 ，還必須依靠多信道系統。常用的復用方式有：波分復用 （ WDM） 、時分復用 （ TDM） 、頻分復用 （ FDM） 、空分復用（ SDM） 、碼分復用 （ CDM） 等 ,當前的光纖通信技術應用中，也就波分復用、時分復用技術較為成熟，而其他方式尚處于試驗研究階段 [1]。 ① 光波分復用。光波分復用 (WDM)技術是在一根光纖中同時傳輸多個波長光信號的一項新技術。其基本原理是在發送端將不同波長的光信號復用，并 耦合到光纜線路上的同一根光纖中進行傳輸，在接收端又將組合波長的光信號解復用。由于WDM 對長距離、大量波長數的限制，因而不適于波長數較多的情況。 ② 光時分復用。時分復用 (TDM)技術可解決 WDM 系統中受激喇曼散射和四波混頻效應等限制，同時可以提高光譜帶寬效率，還可以與 WDM 技術相結合，由 WDM構成子網，采用 TDM 高速信道將 WDM 互聯。在子網中使用 WDM 可增強網絡的靈活性和可靠性，而 TDM 則是實現高速傳輸的有力途徑。 時分復用的主要缺點：需要高速的開關器件，此外，在高速傳輸下，網路的控制、穩定性會受到一定的限制。 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的影響很明顯。 9 2 光纖 光纖全稱為光導纖維 ， 它是一種能夠通光的、直徑很細的透明玻璃絲，是一種新的傳輸介質 。 隨著通信技術的進一步發展 ， 光纖光纜已逐步取代電纜成為國家通信技術的主干線。 光纖是傳光的纖維波導或光導纖維的簡稱，光纖的基本結構十分簡單，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 在纖芯內發生全反射，進而使光在纖芯內傳播 。 為了 保護光纖不受外力和環境的影響，包層的外面還有涂 覆 層。 光纖的基本結 構 光纖的典型結構是一種細長多層同軸圓柱形實體復合纖維。自內向外為：纖芯(芯層 )→ 包層 → 涂覆層 → 護套 。核心部分為纖芯和包層， 二者共同構成介質光波導 ,對光纖的特性起決定性作用， 形成對光信號的傳導和約束，實現光的傳輸 。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。包層的折射率小于略微小于纖芯，以期光的傳輸性能穩定， 涂 覆 層 主要 對前兩者 提供機械保護 ，同時又增加光纖的柔韌性， 起 著延長光纖壽命的作用。 光纜是由若干根這樣的光纖經一定方式絞合、成纜并外擠保護層構成的實用導光線纜制 品 。 以下為光纜截面圖 ： 圖 211 光纖的基本結構 10 光纖的分類 光纖的種類很多，分類方法也是各種各樣的。 按照傳輸模式分類 [1]： ① 單模光纖。 光纖中只傳輸一種模式時，叫做單模光纖。 單模光纖系統是透明、簡單的傳輸系統，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 認為是 均勻分布 的。 由于傳輸模式只有一個， 因此避免了模間色散、模噪聲和多模傳輸附帶的其它效應，單模光纖能實現高速傳輸，且傳輸信號的速度遠遠高于多模光纖，無中繼傳輸距離大于幾千米。 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、 長距離的光纖通信。 更 需要注意的是，單模光纖中會存在雙折射特性和偏振現象 。 存在雙折射，要產生偏振色散，因而限制系統的傳輸容量。 許多單模光纖傳輸系統都要求盡可能減小或消除雙折射。 ② 多模光纖。 在一定的工作波長下，多模光纖是能傳輸多種模式的介質波導。由于模 式 色散的存在使多模光纖的帶寬變窄，但制造、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，經傳輸后到達終點的時間也不相同，因而產生時延差，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。 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光纖的模式。 所謂模式， 光纖纖芯中的電場和磁場，包層中的電場和磁場均滿足波動方程， 但它們的解不是彼此獨立的，而是滿足在纖芯和包層處電場和磁場的邊界條件。 所謂的光纖模 式 ，就是滿足邊界條件的電磁場波動方程的解，即電磁場的穩態分布。 這種空間分布在傳播過程中只有相位的變化，沒有形狀的變化，且始終滿足邊界條件， 每一種這樣的分布對應一種模式。 圖 212常用光纜 制品 11 按照折射率分布 的不同 分類 [1]： ① 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 波長處，而最小衰減值在 波長處。同時，性能最好的光放大器比如摻鉺光纖放大器，其工作波長范圍是 ～ ，但階躍折射率單模光纖在這一波段的色散非常大。 ② 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，現在的多模光纖多為漸變型光纖。 漸變折射率多模光纖通過用纖芯、包層折射率漸變的方式來代替突變邊界，從而基本上消除了模式色散，也使漸變折射率多模光纖的傳輸容量大大增加。從原理上來說，漸變折射率光纖利用的是折射而不是全內反射傳導光，光纖的折射率從光纖中心軸開始向外逐漸減小，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生模噪聲，而不能適用于高性能多模傳輸。 按照纖芯和包層材料 分類 [1]： ① 石英光纖 。 這種光纖的纖芯和包層是由高純度 2iOS 的 中摻雜適當的雜質制成的。 其損耗低、 強度和可靠性較高，目前應用最為廣泛。 ② 塑料光纖。 這種光纖的纖芯和包層都由塑料制成。 總結： ① 歸一化頻率 V的表達式： 圖 22 漸變折射率光纖折射率分 布圖 12 2 2 1 20 1 212() 22a NAV k a n nan???????? ? ? ?? ??? ② 光纖中可傳播的模式數 M 與 V的關系 (當 V20): 221 ()21 ()4VMV???? ????階 躍 光 纖漸 變 光 纖 歸一化頻率 V越大，能夠傳播的模式數就越多。 光纖傳輸 理論 光波從折射率較大的介質入射到折射率較小的介質時 ,在邊界發生反射和折射 ,當入射角超過臨界角時 ,將發生全反射。這正是光纖傳輸的原理。 從光學理論的觀點出發，研究光纖中的光波，可以更好地認識光波在光纖中的傳播機制以及運用光學理論研究分析階躍型和漸變型多模光纖的傳輸特性。 光學理論的基本關系是有關光波反射和折射的菲涅爾定律。 光的射線理論 [8] 光在均勻介質中是沿直線傳播的， 光在分層介質中傳播 時 ， 如圖 23 所示， 介質 1 的折射率為 1n ，介質 2 的折射率為 2n ，若 ， 當光線以較小的 角 1? 入射到介質界面時，部分光被反射，部分光進入介質 2 并產生折射，二者之間的比例取決于兩種介質的折射率。 反射定律 ： 1=R?? ? ?21? 2n r? 1n 12nn? 1? R? c? c? 1 c??? 入射光 折射光 圖 23 光的折射與反射 反射光 13 折射定律 ： 121sin n=sin nr?? ? ?22? 當 12nn? 時 ，逐漸增大 1? ， 進入介質 2 的折射光線 將 進 一步趨向界面，直到 r? 趨于 。 這時 ，進入介質 2 的光強顯著減小并趨于零，反射光強接近等于入射光強。取 角 r? = 極限值時，相應的角 1? 被定義為臨界角 c? 。 此時臨界角 21a r c s incnn? ??? ???? ? ?23? 在 1 c??? 時，入射光 將產生全反射。值得提出的一點就是，只有光 線 從折射率大的介質進入折射率小的介質時，也即只有 12nn? 時，才會發生全反射。 另外，對于特定的光纖結構， 如圖 231 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的光纖模式，光纖中可傳導的模式數量取決于光纖的具體結構 圖 231(a)不同入射角 ? 的光 線 ； (b) c??? 的光線 和折射率的徑向 分布。 光纖 導光的原理 [1] 光纖傳輸的條件要滿足光線在纖芯和包層界面上 反復發生 全反射 的 條件，同時還需滿足傳輸過程中的相干加強條件。 詳細描述光纖傳輸 原理 有兩種方法： (1)波動理論法。波動理論法是根據電磁場理論，用麥氏方程求解光纖的場方程、特征方程，根據解答式分析其傳輸特性； 光波是電磁波，只有通過求解由麥克斯韋方程組導出的波動方程分析電磁場的分布 (傳輸模式 )的性質，才能更準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的分布