第一章：光纤通信概述

第一节：通信基本概念

1.1光纤通信基本概念

1.1.1光纤通信的概念

利用光导纤维传输广播信号的通信方式称为光纤通信。光波主要包括紫外线、可见光和红外线。光纤通信工作波长在近红外区，0.8um~1.8um的波长区，频率为167THz~375THz。光纤基础材料是，光纤属于介质光波导的范畴。光纤有3个低损耗窗口，分别是850nm、1310nm、1550nm。

2.光纤通信的优点（填空、选择考点）

（1）传输频带宽，通信容量大

（2）传输损耗小，中继距离长

（3）抗电磁干扰能力强（因为光信号集中在纤芯中传输，纤芯内的光不会跑到外面，外面的东西也不会跑到里面，所以光纤通信具有很强的抗干扰能力）

（4）保密性好 （因为外界无法干扰到它）

另外光纤线径细，重量轻，制作光线的资源丰富（沙子的主要成分就是）。

第二节：光纤

1.2光纤的结构与分类

1.2.1光线的结构

光纤的中心部分为纤芯，纤芯外有一层叫包层，包层外套着一层保护套（防护层），纤芯和包层的主要成分都是二氧化硅，但是纤芯的折射率大于包层的折射率，因为当纤芯折射率高于包层折射率时，在光纤中会形成光波导效应，使大部分光被束缚在纤芯中传输，实现光信号的传输。在石英中掺入折射率高的掺杂剂就可以制作纤芯，掺入低于石英的参杂剂则可以制作包层。

1.2.2光纤的分类

（1）按照光纤横截面上折射率的分布不同，光纤一般可以分为：阶跃型光纤和渐变型光纤 （其实还有很多种分类如：单模光纤，多模光纤等，这里只考虑折射率这一种分类方法）

• 阶跃型光纤：纤芯折射率沿半径方向保持一定，包层折射率沿半径方向也保持一定，由于纤芯折射率大于包层折射率从而在边界处呈阶梯性变化的光纤称为阶跃型光纤，又称均匀光纤。
• 渐变型光纤：纤芯折射率随着半径的加大而逐渐减小，包层折射率沿半径方向保持一定，又称为非均匀光纤。

（2）按照光纤中传输模式的数量来划分。（理解：高速公路上有一个车道，相当于一个光纤，一种车型就相当于一个模式，如果高速公路允许不同种类的车型在上面行驶，比如小汽车、大卡车、驴车都可以在上面形式，那么这个光纤就是多模光纤；如果车道只允许一种车型走，那么这条光纤就是单模光纤）

提问：单模光纤和多模光纤哪个更好？

答：应该是单模光纤更好。因为同一车型干扰小，车速差不多，所以流量更大一些。如果一条车道上三轮车、大卡车、小汽车、驴车都在上面走，那么速度就起不来。所以，单模光纤的容量和速率要比多模光纤更好。

单模光纤：光纤中之传输一种模式，纤芯直径一般为4um~10um。通常单模光纤采用阶跃型折射率分布。单模光纤只传输基模，完全避免了模式色散，从而使传输带宽大大加宽，所以它适用于大容量、长距离的光纤通信。

多模光纤：传输多个模式的光纤。典型多模光纤的纤芯直径约为50um，可以采用阶跃型折射率分布，也可以采用渐变型折射率分布。采用渐变型折射率分布的多模光纤的制作工艺复杂，阶跃型折射率分布的多模光纤产生的模间延时较大，传输带宽较窄。

 1.2.3光纤的传输特性

光纤的传输特性包括：光纤的损耗特性和色散特性。光信号在光纤中传输时幅度会因损耗而减小，波形则会因色散产生越来越大的失真，使得脉宽展宽（2018年真题考点）

1. 光纤的损耗特性（重点考点）

科普内容：

基础知识：功率是描述单位时间内做多少功的物理量，其中功用W表示(单位是焦耳J)，时间用t表示，功率用P表示(单位是瓦特W，1瓦特=1焦耳/秒)，所以：

另外，瓦时是能量单位，是功率乘以1小时，表示功率P在1小时的时间中所做的功，单位是（瓦特乘上小时），1瓦时=3600焦耳

单位换算：

1W=1000mW（因为通信属于弱电，所以功率的单位通常都是mW或dBm）

分贝毫瓦（dBm）：与mW之间有换算关系， ，其中P的单位是mW

分贝（dB）：通信中的分贝和声学中的分贝有很大不同，通信中的分贝是增益单位，是功率放大倍数的另一种表示方法，即：dB和放大倍数是一一对应的关系，如：3dB的增益就是将信号功率放大2倍。

注意：AdB=BdBm-CdBm

推导公式：

回到正题：

（1）基本概念：光纤损耗的损耗系数或衰减系数用（单位dB/km）表示，单位dB/km。衰减系数定义：

 （单位：dB/km）

表示光纤长度

 表示信号输入功率

表示信号输出功率

光功率随传输距离长度按指数规律衰减。光功率的单位为毫瓦（mW），实际工程应用中常用分贝毫（dBm）来表示。光功率分贝毫的定义为：

（2）产生机理：光线材料固有损耗的产生原因大致包括两大类——吸收损耗、散射损耗。

• 吸收损耗：光波通过光线材料时，部分光能变成热能，造成光功率的损失。造成吸收损耗的原因有很多，但都与光纤材料有关，主要包括本征吸收和杂质吸收。本征吸收是光纤基本材料（如纯）固有的吸收，并不是由杂志或缺陷引起的。本征吸收基本上确定了任何特定材料的吸收下限。杂志吸收是由材料的不纯净和工艺不完善而造成的附加吸收损耗。
• 散射损耗：由于光纤的材料、形状及折射指数分布等的缺陷或不均匀，光纤中传导的光出现散射而产生的损耗称为散射损耗。根据散射损耗所引起的损耗功率与传播模式的功率是否呈线性关系，散射损耗分为线性散射损耗和非线性散射损耗（了解即可）。散射损耗举例：在漆黑的下雨的夜晚，打出一束手电筒的光，会发现光柱中由无数个小雨滴，这就是前进的光往回散射了，那么前进的光就会减弱，这种损耗就是散射损耗

1.2.4光纤的色散特性

（1）基本概念：光纤中不同频率成分和模式成分有不同的传播速度，导致信号波形在时间上发生了宽展，这种现象就是色散。光纤的色散会使光脉冲在传输过程中展宽，致使前后脉冲相互重叠，引起数字信号的码间串扰，增加误码率，限制了光纤的最高信息传输速率，进而限制了通信容量。

（2）产生机理：色散分为模式色散和频率色散（又称波长色散）。

• 模式色散：若光纤中由多个波导模式传输时，这些模式有不同的相位常数和不同的传播速度，从而导致光脉冲的展宽，引起的色散称为模式色散，也成为模间色散。模式色散与光源谱宽无关。

多模光纤中模式色散占主要地位。与阶跃型折射率分布的多模光纤相比，在相同条件下，渐变型光纤的色散更小。

严格来讲，模式色散只存在于多模光纤中，但单模光纤中单一基模由两种正交的偏振态，由于光纤的形状，折射率及应力等分布不均匀，这两个偏振态模式在传输过程中产生附力相位差，这种特殊的色散称为偏振模色散，它对于高速大容量的光纤通信系统的带宽容量以及中继距离会产生一定影响。

• 频率色散（波长色散）：不同波长或频率成分的光信号传播时由于速度不同引起的光脉冲的展宽现象。

频率色散分为材料色散和波导色散。由于光纤纤芯和包层的材料的折射率（是波长的函数）随波长变化，引起的色散称为材料色散。

光纤中同一模式在不同频率下传输时，其相位常数不同，称为波导色散。

波长约在1.31um附近时，材料色散和波导色散相互抵消，使光纤中总色散为0，因此将1.31um称为零色散波长。

单模光纤只传输单一基模，不存在模式色散，使传输带宽大大增加，所以单模光纤的应用非常广泛。

1.2.3常用的单模光纤

单模光纤之传输单一基模，不存在模式色散，使传输带宽大大增加，所以单模光纤的应用非常广泛。

1. G.652光纤：一种常规型单模光纤（SMF），其零色散波长损耗在1310nm附近，该波长处的典型损耗值为0.34dB/km；最低损耗在1550nm附近，该波长处的色散值为17ps/nm.km。G.652光纤是目前城域网最多的光纤，对于短距离的单波长SDH/MSTP系统，设备光接口一般使用1310nm波长，而长在长距离无中继环境下通常使用1550nm波长。G.652光可实现2波长（1310nm和1550nm）波分复用（WDM）系统用于无光源网络（PON）系统。在短距离并适当运用色散补偿技术的情况下，G.652光纤也可用于波长书不多的稀疏（粗）波分复用（CWDM）系统。

2. G.653光纤：又称为色散位移单模光纤（DSF）。DSF在常规光纤中的1310nm附近的零色散点位移到1550nm附近。在1550nm光纤的材料色散和波导色散相互抵消。G.653光纤在1550nm有最低损耗和最小色散，适合单波长远距离传输。然而随着密集波分复用（DWDM）系统的应用，当在一根G.653光纤中同时传输多个波长的光信号时，四波混频效应会非常显著，将产生严重的干扰，因此不适合于DWDM系统。

3. G.655光纤：称为非零色散位移单模光纤（NZDSF），又称非零色散光纤。G.655在1550nm不是零色散，而是在1530nm~1565nm有较小的色散和的损耗都较小，应用WDM时能够避免四波混频，适用于DWDM系统。

4. 色散平坦型单模光纤：了解

5. 色散补偿光纤：又称光均衡。

1.2.4 光纤的非线性效应

光纤的非线性效应时只在强光场的作用下，光波信号和光纤介质相互作用的一种物理效应。通常在光场较弱的情况下，光纤的各种特征参数随光场强弱变化很小。但在很强的光场作用下，光纤的各种特征参数会随光场强度而显著变化，从而引起光纤的非线性效应。

单模光纤的非线性效应主要包括两类：受激散射效应和非线性折射率效应。

第三节：通信管线（考试不怎么考）

1.3 通信管线

1.3.1 光缆线路

1. 光缆的基本结构：光缆的结构分为缆芯、加强元件和外护层三大部分。

缆芯可分为单芯和多芯。多芯光缆还要求对光纤进行着色以便于识别。为防止气体和水分子浸入，芯线应包裹各种防潮层或置于填充油膏的管子内。

加强原件有两种结构方式，一种是放在光缆中心的中心加强方式，另一种时放在四周的外层加强件方式。

加强原件能使光缆承受敷设安装时所加的外力。外护层主要是对已经成缆的光纤芯起保护作用，避免由外部机械力和环境影响造成对光纤的损坏。护层具有耐压力，防潮湿度特性号、重量轻、耐化学腐蚀、阻燃等特点。

2. 光缆的分类：安光缆的结构分为层绞式、骨架式、束管式、带状式等。

1.4 光通信器件（考试重点）

1.4.1 光源

光通信器件分为有源光器件和无源光器件。有源光器件包括发送端的光源、接收端的光检测器等，无源光器件包括光耦合器、光隔离器等。

光源用在光发射机中，将电信号转换为光信号（E/O）。光纤通信的光源包括半导体激光器（LD）和半导体发光二极管（LED）。