光纤通信第1章 概论

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1、第1章概论1.1光纤的基本性质1.2光纤通信要解决的问题1.3光纤通信发展历史回顾及现状1.1光纤的基本性质从通信的角度，人们在研究信道问题时，最关注的是信道引起的信号衰减和信号畸变。信号衰减从能量的角度限制了信号的传递，而信号畸变则从信号检测精度的角度限制了信号的传递。因此，本节主要介绍光纤引起光信号能量损失及光信号畸变的各种特性。1.1.1光纤的结构、材料及制造工艺1.光纤的结构光纤是一种丝状的圆柱光波导，它将光封闭在其内进行传递。大家知道，光是一种电磁波，其传播规律可由麦克斯韦方程来描述。当它所传播的空间中介质的物理变化尺寸远大于光的波长时，光的传播

2、可用简化了的射线理论描述。从射线光学的角度看，光纤是一种利用全反射原理进行光信号传递的导波介质。下面我们从射线光学的角度简单介绍一下光在光纤中的传输原理。光在两种均匀介质分界面上的行为如图1.1所示，图1.1光的反射与折射MM′为两介质的分界面，NN′为MM′面的法线，n1和n2分别为两介质的折射率。光在均匀介质中沿直线传播，当光入射到两个介质的分界面时，一部分光将反射回原传播介质成为反射光，另一部分光将进入另一介质成为折射光。光的反射服从反射定律：反射光线位于入射光和法线NN′所决定的平面，反射光与入射光分居法线的两侧，反射角φ′1等于入射角φ1。光的折

3、射服从折射定律：折射光线位于入射光和法线NN′所决定的平面，折射光与入射光分居法线的两侧，入射角φ1与折射角φ2的关系为(1.1)图1.2所示，当光线从折射率大的介质进入折射率小的介质时，根据折射定律，折射角将大于入射角，当入射角增大时，折射角也随着增大，当入射角增大到φ0时，折射角等于90°，φ0被称为临界角。由式(1.1)，临界角为(1.2)图1.2全反射过程示意图当入射角大于临界角时，光由两介质的界面全部反射回原介质，这种现象称为全反射。在全反射情况下，光能无损失地返回原介质。显然，只有当光从折射率大的介质进入折射率小的介质时，才能产生全反射。光纤就

4、是依据全反射原理构造的一种光波导，为了将光信号封闭在光纤中传输，根据全反射原理，光纤从纤芯到纤芯外部，折射率应有某种递减的规律，以保证全反射现象的出现。图1.3为一种最基本的光纤结构，这种光纤称为阶跃光纤，其纤芯折射率n1大于包层折射率n2。光纤横截面上折射率分布如下式：(1.3)图1.3阶跃光纤的结构及折射率分布示意图设光线以某一角度θ射入光纤端面，进入光纤后又以角度φ射入到纤芯和包层之间的界面上。因为纤芯折射率n1大于包层折射率n2，所以纤芯与包层的界面上有一个产生全反射的临界角φm，相应的在光纤端面上也有一临界端面入射角θ0。如果θ>θ0，则光纤内包

5、层界面入射角φ<φm，这时不会产生全反射，光线将有一部分进入包层而跑到光纤外面去，造成能量损失，经多次反射后光能将全部损耗掉，无法实现光的长距离传输。如果端面入射角小于θ0，则光纤内包层界面处的入射角大于φm，满足全反射条件，入射光线将在纤芯和包层的分界面上不断地来回反射，实现光的无损耗传输。2.光纤材料及制造工艺目前通信用光纤主要是用高纯度的玻璃材料制成的。按玻璃内所含化学元素组分的不同，大体上可分为以石英玻璃（SiO2）为主的石英系光纤和普通的多组分玻璃光纤两类。普通的多组分玻璃是在SiO2中含有较多成分的碱金属氧化物和硼、铝等氧化物。它的熔融温度比石

6、英玻璃低得多，制造成光纤后的抗拉强度也低得多。因而目前通信中主要使用的是石英光纤。下面结合石英光纤介绍光纤的制造工艺。制造光纤时，一般先熔制出一根合适的玻璃棒，如图1.4所示。以制造阶跃光纤为例，玻璃棒的包层和纤芯的主体材料都是石英玻璃，即透明的SiO2。石英玻璃的折射率为1.458。欲使光在光纤纤芯中传输，必须使纤芯的折射率稍高于包层的折射率。为此，在制造纤芯玻璃时均匀地掺入少量的比石英折射率稍高的材料，而制造包层玻璃时均匀地掺入少量的比石英折射率稍低的材料，这样就制成了拉制纤维的原始棒体材料，通常把它叫做光纤的预制棒。然后将预制棒放入高温拉丝炉中加温软

7、化，以相似比例的尺寸拉成线径很小的又长又细的玻璃丝。这种玻璃丝中的芯和包层的厚度比例及折射率分布与原始的光纤预制棒的完全一样，这种玻璃丝就是我们所说的光纤。图1.4光纤的制造工艺(a)预制棒；(b)拉丝1)光纤预制棒的制造工艺光纤预制棒的熔炼工艺很多，主要有管内化学气相沉积法和管外化学气相沉积法。管内化学气相沉积法是目前制造高质量石英光纤比较稳定可靠的方法，通常被叫做改进的化学气相沉积法（MCVD法）。它的特点是在石英反应管内沉积内包层和芯层的玻璃，整个系统是处在封闭的超提纯状态下，所以用这种方法制得的预制棒可以生产高质量的单模和多模光纤。MCVD法制造

8、光纤预制棒的示意图如图1.5所示。制造过程分两步：图1.5第一步，