毕业设计--光纤通信技术研究现状和应用前景

毕业设计--光纤通信技术研究现状和应用前景 毕业设计, 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 ， 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 目名称:光纤通信技术研究现状和应用前景 学院名称: 班 级: 学 号: 学生姓名: 指导教师: 2011 年 05 月 论文编号: 光纤通信技术研究现状和应用前景 Optical fiber communication technology research present situation and application prospect 学院名称: 班 级: 学 号: 学生姓名: 指导教师: 2011 年 05 月 摘要 此次毕业论文的题目是“光纤通信技术研究现状和应用前景”，将光纤通信技术实现方法原理作为主要研究内容。 通信系统主要涉及信源(发射端)、信道(传输媒介)、信宿(接收端)三个主要部分。本论文集中研究一种特殊的传输媒介——光纤，针对光纤的基本结构、光纤传输理论以及新型光纤和光纤的基本特性展开研究论述。采用单独分析和综合分析对比, 重点分析了影响光纤传输的损耗、色散、非线性等因素,针对不同的传输模式、不同的应用场景、不同的需求等，通过对比来分析不同的传输模式、光纤传输特性对光纤通信的影响。这也是本论文要综合论述的结论.最后分析指出光纤通信技术的应用前景以及前沿技术。 关键词:光纤通信,应用前景，传输损耗，色散，波分复用，光交换，光孤子，全光网络 1 Abstract The graduation thesis topic is "optical fiber communications technology 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 source (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 fiber transmission theory and new optical fiber and the basic characteristics of optical fiber launched research paper. Using a separate analysis and comprehensive analysis and comparison, analyzes the influence of optical fiber loss, the dispersion and nonlinearity factors, in view of the different transmission mode, different scenario, different needs, adopt corresponding way, and the compromise in the existing conditions, pertinently put forward rational, effective and design of optical fiber communication systems, economic, this also is the comprehensive discussion paper the conclusion. The analysis shows that the optical fiber communication technology application prospect and cutting-edge technology. Key words:Optical fiber communication, application prospect, transmission loss , dispersion ,WDM, OSW Optical Switch, optical soliton, All Optical Network 2 目录 目录 .............................................................................................................................................1 引言 .............................................................................................................................................1 1 简述光纤通信技术 ................................................................................................................2 1.1 光纤通信技术的发展历史 ..................................................................................................2 1.2 光纤通信技术的特点 .........................................................................................................5 1.3 光纤通信系统结构 .............................................................................................................7 2 光纤 .......................................................................................................................................9 2.1 光纤的基本结构 .................................................................................................................9 2.2 光纤的分类 ....................................................................................................................... 10 2.3 光纤传输理论 ................................................................................................................... 12 [8]2.3.1 光的射线理论 ..................................................................................................... 12 [1]2.3.2 光纤导光的原理.................................................................................................. 13 2.4 光纤的传输特性 ............................................................................................................... 14 2.4.1 光纤的衰减 ............................................................................................................ 15 2.4.2 光纤的色散 ............................................................................................................ 15 2.4.3 光纤的非线性效应 ................................................................................................. 16 2.5 新型光纤 .......................................................................................................................... 16 3 光纤通信前景展望 ................................................................................................................ 20 3.1光纤通信的新技术 .............................................................................................................. 20 3.2光纤通信的应用前景 .......................................................................................................... 21 结论 ........................................................................................................................................... 23 参考文献 ................................................................................................................................... 25 致谢 ........................................................................................................................................... 26 1 引言 光纤通信，顾名思义，简而言之就是以光为载波，以光导纤维作为传输媒介的一种通信方式。光纤通信系统使用电磁波谱中的可见光或近红外区域的高频电磁波，运用光反射原理，把光的全反射限制在光纤内部，用光信号取代传统通信方式中的电信号，通过光交换从而实现信息的传递。在现代前沿通信技术中，光纤通信已成为现代通信的主要支柱，并起着举足轻重的作用。光纤与以往使用的传输媒介相比，具有诸多显著的传输优点。因此，光纤通信近年来发展及其迅速，人们将其作为优质、灵活的的传输方式，并被广泛地应用于各种具体的通信传输中，业已成为通信领域的主导技术。而且，光纤在制备技术、连接方式、传输理论、检测方式等方面，都采用了与铜质电缆不同的、比较独特的理论与方法，也可以说，这是又一次新技术革命的一个里程碑。 本论文将主要概述国内外在通信技术方向的发展历史、研究现状以及应用前景，重点分析了影响光纤传输的损耗、色散、非线性等因素。在内容安排上，论文第一章简述光纤通信技术的发展历史、光纤通信技术的特点及光纤通信系统的组成;第二章介绍了传输介质——光纤，用射线光学理论和光纤导光原理详细阐述了光纤传输理论，并在此基础上分析了光纤的传输特性，另外还介绍了新型光纤;第三章归结为光纤通信技术的前景展望，重点阐述了光孤子通信和全光网络技术及其及应用前景;紧接着的是此次毕业论文的总结，包含着对此次毕业设计的整个研究工作的归纳，也是本文的思想精髓。最后是致谢和参考文献部分。 1 1 简述光纤通信技术 1.1 光纤通信技术的发展历史 在光纤问世之前,人们对光通信已经进行了大量的探索,研究及使用,光波是我们最熟悉的电磁波,它的波长在微米级,频率为1014数量级,从图1-1电磁波谱可以看出,红外线、紫外线、可见光均属于光波的范畴。截至目前为止，光纤通信技术最常使用的波长范围是在近红外区域，可分为短波长波段和长波长波段，即波长为0.8μm,1.8μm。目前也主要采用三种通信窗口，即波长为0.85μm的短波段和波长为1.31μm、1.55μm的长波段。 采用光导纤维作为光的传输介质的光纤通信发展也只有三、四十年的历史，它 的发展是以1960年美国加利福尼亚州休斯实验室的科学家梅曼设计的红宝石激光 频率波长名称 紫外线 1 ,m可见光线 100 THz(光纤通信用) 10 ,m近红外线 10 THz远红外线100 ,m 1 THz亚毫米波 1 mm 100 GHz毫米波(EHF) 10 mm 10 GHz厘米波(SHF) 100 mm 1 GHz分米波(UHF) 1 m图1-1-1电磁波谱图 100 MHz米波(VHF)器和1966年华人高锟博士提出的利用石英玻璃可制成的光纤的设想为基础的，SiO210 m 高锟(C.K.Kao)博士和霍克哈姆(C.A.Hockham)发表了一篇划时代的性的论文，从理 10 MHz短波(HF) 100 m论上预言光纤损耗可降至20dB/Km以下，预见了低损耗的光纤能够用于通信。从此，中波(MF)1 MHz也宣告敲开了光纤通信的大门，引起了更多人的重视。这种设想到后来成为了现实，1970年美国的康宁(Corning)公司根据高锟博士的思想，采用化学气相沉积(CVD)工艺第一个制出衰减少于20dB/Km的高纯石英光纤，与同轴电缆5,10dB/Km的损耗相比，还未达到理想的指标，但在当时已为通信工程师们所接受，也因此成为世界上公认的第一根通信光导纤维。同年，Hayashi等人研制出了室温下连续运行的的GaAlAs(镓铝砷)双异质结注入式半导体激光器，从而为光通信提供了合适的光源和信道，使光纤进行远距离传输成为可能，从此开启光纤通信的的新纪元。因此从以 2 上两方面综合来说，1970年是光纤通信史上十分关键的一年，被赞誉为“光纤通信年”。自此以后，光纤通信的研究在世界范围内展开并得到迅猛发展，在短短的三、四十年中，已经从0.85μm短波长多模光纤发展到1.31μm,1.55μm的长波长单模光纤，也相继开发出1.31μm,1.55μm新型光电器件，激光器的寿命已达数十万小时，甚至百万小时。光纤通信的发展历史如图1-1-2所示。 国外光纤技术发展情况: 雏形:古代烽火、手旗灯 光 光纤(传输介激光器(发 质) 1880年 贝尔的光电话 送端) 1951年 医用玻璃纤维(损耗1000dB/km) 1960年 梅曼发明红宝石激光器 1962年 半导体激光器诞生(GaAs 870nm) 1966年高锟 理论预言 70年代 室温工作LD(GaAsAl 850nm) 1970年 康宁制出低损耗光纤(20dB/km) 1.30、1.55μm低损耗窗口光纤开发 1.30、1.55μm 多模LD 单模 LD 单模光纤 图1-1-2 光纤通信的发展历史 ? 20世纪60年代中期，所研制的最好的光纤损耗在400dB/Km以上; ? 1966年英国标准电信研究所高锟及C.A.Hockham从理论上预言光纤损耗可降至20dB/Km以下; ? 1970年康宁公司采用“粉末法”先后获得了损耗低于20dB/Km和4dB/Km的低损耗石英光纤; ? 1974年贝尔实验室采用改进的化学汽相沉积法制出性能优于康宁公司额光纤产品; ? 1979年，掺锗石英光纤在1.55μm处的损耗已降到0.2 dB/km，这一数值已经十分接近由瑞利散射所决定的石英光纤理论损耗极限; ? 1988年，第一条跨越大西洋海底，连接美国东海岸同欧洲大陆的光缆开通。 国内光纤技术发展情况: 3 ? 1963年开始光通信的研究; ? 1977年第一根短波长(0.85μm)阶跃型石英光纤问世，损耗为300 dB/km; 1978年，阶跃光纤的衰减降至5 dB/km，同时研制出短波长多模梯度光纤; ? ? 1979年研制出多模长波长光纤，衰减为1 dB/km; ? 1980年，1.30μm窗口衰减降至0.48dB/km，1.55μm窗口衰减为0.29dB/km; ? 1990年，研制出G.652标准单模光纤，最小衰减达0.35dB/km,1992年降至0.26dB/km; ? 1993年，在掺铒光纤放大器的研究上取得突破性进展，小信号增益达25dB。 ? 相继建成了多条长距离光纤通信网络，我国的“八横八纵”格状国家通信网骨干网也已基本建成，我国铺设光缆的方向已经开始转向城域网等局部性网络，而 [1]且随着光通信的发展，高质量、高速度数据传输将进一步得到应用。 光纤通信技术经过近40多年的发展，大致经历了5个发展阶段其中大多已由试验研究进入了实用阶段。 ? 第一代光纤通信系统 1978年，第一代光纤通信系统(0.85μm多模光纤通信系统)正式投入商业应用，光源为半导体激光器(GaAlAs LD)或发光二极管，其工作波长为λ=0.85μm，该光纤通信系统称为短波通信系统。信道为均匀多模光纤，衰减系数约为2.5dB/km,4 dB/km,比特率为20Mb/s,100Mb/s，最大通信容量约为500(Mb/s)?km(通信系统的通信容量通常用比特率与距离积BL表示。其中，B表示比特率，L表示中继距离)，最大中继距离约为10 km。 ? 第二代光纤通信系统 1981年又实现了两电话局间使用1.3μm多模光纤的通信系统，为第二代早期多模光纤通信系统，光源为InGaAsP半导体激光器，其工作波长为λ=1.3μm，该波段是石英系光纤的第二个低损耗窗口，有较低的损耗和最低的色散。信道为均匀多模光纤，由于多模光纤的模间色散，早期产品的比特率会有所限制。随着由多模光纤发展到单模光纤，单模光纤比多模光纤的损耗更小，色散更低，因此采用单模光纤通信系统可进一步提高系统的比特率和中继距离。1987年，第二代单模光纤通信系统(1.3μm单模光纤通信系统，称为长波光纤通信系统)投入了商业运营，其比特 [2]率高达1.7Gb/s，中继距离可达50 km左右。 ? 第三代光纤通信系统 1990年，第三代光纤通信系统已经可以初步投入商业运营，光源为InGaAsP半导体激光器，光电探测器与第二代光纤通信系统同为锗光电探测器，信道为单模光纤，其工作波长为λ=1.55μm，该光纤通信系统称为长波光纤通信系统。该波段也是 4 石英系光纤损耗最低的窗口，1979年其损耗已经达到了0.2 dB/km的低损耗，是石英光纤的第三个低损耗窗口。当时由于多纵模常规InGaAsP半导体激光器的谱宽问题未能解决，而且光纤在1.55μm处色散较高，也因此而推迟了第三代光纤通信系统的应用。而后，在波长为1.55μm附近，研制成功了具有最小色散的色散位移DSF单模光纤和单纵激光器，进而解决了1.55μm处光纤色散较高以及半导体激光器的谱宽 [2]问题。第三代光纤通信系统的比特率为2.4Gb/s，中继距离大于100 km。 ? 第四代光纤通信系统—相干光纤通信系统 相干光纤通信系统(COFCS)是利用激光的相干性，将无线电通信中采用的“外差”接收(或“零差”接收)和先进的调制方式(ASK、PSK、FSK)应用到光纤通信中的系统。相干光纤通信结构图如下图1-2所示。相干通信系统的两个突出的优点是:灵敏度高和频率选择性好，可用于长途干线通信和综合业务数字网中。 单模光纤 发射机 光匹配光载波激光器 调制器 器 混基 带频 放中频放大、滤解调器 光匹配器 光电检测器 大波 、 滤 波 本振激光器 再生 图1-1-3 相干光纤通信系统结构图 ? 第五代光纤通信系统—光孤子通信系统 光孤子通信是利用光纤非线性进行超大容量、超长距离的光纤通信方式。光孤子的存在是光纤群速度色散GVD和自相位调制SPM平衡的结果，它的产生是由于在单模光纤中，当光的强度增加到一定程度时将出现非线性效应。20世纪90年代初期光纤放大器的问世引起了光纤通信领域的重大变革，掺铒光纤放大器EDFA用于光孤子放大，进一步提升了高速长距离的潜力，因此光孤子通信是一种具有潜在 [2]应用前景的传输方式。 1.2 光纤通信技术的特点 光纤通信技术已成为现代通信的基石。其之所以得到如此飞速的发展，是因为 [2]它具有不可比拟的一系列独特的优点。 5 ? 光纤传输损耗小，中继距离很长且误码率很小。目前，商品石英光纤损耗可低于0,20dB/km，这样的传输损耗比其他任何传输介质的损耗都低。最低光纤损耗 .2 dB/km一下，这是以往的任何传输所不能与之相比的，若采用非石英系已降至0 统极低损耗光纤，其理论分析损耗可下降的更低。对于一个长途传输线路，又由于中继站数目的减少，系统成本和复杂性可大大降低。因此光纤通信系统中的无中继传输距离长，而且相干通信的无中继传输距离可超过200 km。 ? 频带宽、信息容量大。光纤比铜线或电缆有大得多的传输带宽，特别是密集波分复用技术极大地增加了光纤的传输容量，因此光纤具有极宽的潜在带宽。现在单模光纤的带宽可达THz?km量级，极大的扩大了通信的容量。 ? 光纤通信系统无串音干扰、安全性好。在电波传输的过程中，电磁波的泄漏会造成各传输通道的串扰，而容易被窃听，安全性差。光纤还是一种介质光波导，可以将光波封闭在其中进行传播，光波在光纤中传输，因为光信号被完善地限制在光波导结构中，而任何泄漏的射线都被环绕光纤的不透明包层所吸收，即使在转弯处，漏出的光波也十分微弱，还有即使光缆内光纤总数很多，相邻信道也不会出现串音干扰，同时在光缆外面，也无法窃听到光纤中传输的信息。因此在保密通信中具有广泛的应用。 ? 抗电磁干扰能力强的优点。光纤原材料是由石英制成的绝缘体材料，抗高温、抗腐蚀能力强、而且绝缘性好。与之相联系的一个重要特性是光波导对电磁干扰的免疫力，它不受自然界的雷电干扰、电离层的变化和太阳黑子活动的干扰，也不受人为释放的电磁干扰，还可用它与高压输电线平行架设或与电力导体复合构成复合光缆。这一点对于强电领域(如电力传输线路和电气化铁道)的通信系统特别有利。由于能免除电磁脉冲效应，光 纤传输系还特别适合于军事应用。 ? 原材料丰富。制备光纤、光缆的主要原材料是地球上储量最丰富的物质。SiO2 电缆的主要原材料是铜、铝等有色金属，资源有限，因此使用光纤节约了金属材料，有利于资源合理使用。 ? 光纤信道体积小、重量轻、便于传输和铺设的优点。可制成大芯数高密度光缆;单芯光缆可安装在飞机、火箭、潜艇及航天飞机上。 ? 光纤使用寿命长的优点 光纤存在着诸多优点的同时，也有其相应的缺点。 ? 光纤性质脆、强度差，需要适当地涂覆加以保护。此外，弯曲半径不宜太小，为了保证能承受一定的敷设张力，在光纤结构上也需要多加考虑。 ? 接口昂贵。切断和连接光纤时，需要高精度技术，这在连接电缆时是没有的，且分路耦合不方便。 6 ? 不能传送电力。光纤不能输送中继器所需要的电能。 ? 需要特殊的光源。 但这些缺点并不影响它的广泛应用。可是我们有理由相信随着光纤通信技术的进一步发展，这些不足之处可以很好的得以解决。 1.3 光纤通信系统结构 以光波作为载波，以光纤作为传输介质的光纤通信系统，目前主要采用的是强度调制、数字编码、直接检波通信系统。光纤通信系统可归结为电—光—电的简单模型，传输的信号先变成电信号，然后转换为光信号它的基本构成如图所示，由光发信机、光收信机、光纤或光缆传输线路、中继器以及光无源器件五个部分组成。 [10]光收信机和光收信机在一起称为光端机。 ? 光发信机是实现电光转换的光端机。它由光源、驱动器和调制器组成。其主要功能是将来自于电端机的电信号对光源发出的光波进行调制，得到已调光信号。然后再将已调的光信号耦合到光纤或光缆中进行传输。 ? 光收信机是实现光电转换的光端机。它由光检测器和光放大器构成。其主要功能是将光纤或光缆传输来的光信号，经过光检测器转变成为电信号。然后再将这微弱的电信号经放大电路放大到足够的电平，送到接收端的电端机。 ? 光纤或光缆构成光的传输线路。其主要功能是将发信端发出的已调光信号，经过光纤或光缆的远距离传输后，耦合到收信端的光检测器上去，完成传送信息过程。 ? 中继器由光检测器、光源以及判决再生电路组成。其主要作用有两个:一个是对波形失真的脉冲进行整形;另一个是补偿光信号在光纤中传输时受到的衰减。 7 ? 光纤或光缆的长度受光纤拉制工艺和光缆施工条件的限制，且光纤的拉制长度也是有受限的。 所以一条光纤线路可能存在多根光纤连接的问题。因此，光纤间的连接、光纤与光端机的连接及耦合，对光纤连接器、耦合器等无源器件的采用是必需的。 光纤通信传输系统中，要提高传输性能，还必须依靠多信道系统。常用的复用方式有:波分复用(WDM)、时分复用(TDM)、频分复用(FDM)、空分复用(SDM)、码分复用(CDM)等,当前的光纤通信技术应用中，也就波分复用、时 [1]分复用技术较为成熟，而其他方式尚处于试验研究阶段。 ? 光波分复用。光波分复用(WDM)技术是在一根光纤中同时传输多个波长光信号的一项新技术。其基本原理是在发送端将不同波长的光信号复用，并耦合到光缆线路上的同一根光纤中进行传输，在接收端又将组合波长的光信号解复用。由于WDM对长距离、大量波长数的限制，因而不适于波长数较多的情况。 ? 光时分复用。时分复用(TDM)技术可解决WDM系统中受激喇曼散射和四波混频效应等限制，同时可以提高光谱带宽效率，还可以与WDM技术相结合，由WDM构成子网，采用TDM高速信道将WDM互联。在子网中使用WDM可增强网络的灵活性和可靠性，而TDM则是实现高速传输的有力途径。 时分复用的主要缺点:需要高速的开关器件，此外，在高速传输下，网路的控制、稳定性会受到一定的限制。而且，如果不采用孤子传输，否则短脉冲的传输受光纤色散和非线性效应的影响很明显。 8 2 光纤 光纤全称为光导纤维，它是一种能够通光的、直径很细的透明玻璃丝，是一种新的传输介质。随着通信技术的进一步发展，光纤光缆已逐步取代电缆成为国家通信技术的主干线。光纤是传光的纤维波导或光导纤维的简称，光纤的基本结构十分简单，是由光折射率较高的纤芯和折射率较低的包层所组成。纤芯和包层的折射率差异引起光波在纤芯内发生全反射，进而使光在纤芯内传播。为了保护光纤不受外力和环境的影响，包层的外面还有涂覆层。 2.1 光纤的基本结构 光纤的典型结构是一种细长多层同轴圆柱形实体复合纤维。自内向外为:纤芯(芯层)-?包层-?涂覆层-?护套。核心部分为纤芯和包层，二者共同构成介质光波导,对光纤的特性起决定性作用，形成对光信号的传导和约束，实现光的传输。其中纤芯由高度透明的材料制成,作为光波的主要传输通道。包层的折射率小于略微小于纤芯，以期光的传输性能稳定，涂覆层主要对前两者提供机械保护，同时又增加光纤的柔韧性，起着延长光纤寿命的作用。 图2-1-1光纤的基本结构 光缆是由若干根这样的光纤经一定方式绞合、成缆并外挤保护层构成的实用导光线缆制品。以下为光缆截面图: 9 图2-1-2常用光缆制品 2.2 光纤的分类 光纤的种类很多，分类方法也是各种各样的。 [1]按照传输模式分类: ? 单模光纤。光纤中只传输一种模式时，叫做单模光纤。单模光纤系统是透明、简单的传输系统，将光限制为单模，大大减少脉冲色散。单模光纤的纤芯直径较小，约为4,10 μm，通常，纤芯的折射率分布被认为是均匀分布的。由于传输模式只有一个， 因此避免了模间色散、模噪声和多模传输附带的其它效应，单模光纤能实现高速传输，且传输信号的速度远远高于多模光纤，无中继传输距离大于几千米。由于单模光纤只传输基模，从而完全避免了模间色散，使传输带宽大大加宽，因此，它适用于大容量、 长距离的光纤通信。更需要注意的是，单模光纤中会存在双折射特性和偏振现象。存在双折射，要产生偏振色散，因而限制系统的传输容量。 许多单模光纤传输系统都要求尽可能减小或消除双折射。 ? 多模光纤。在一定的工作波长下，多模光纤是能传输多种模式的介质波导。由于模式色散的存在使多模光纤的带宽变窄，但制造、耦合、连接都比单模光纤容易。阶跃光纤的传输模式很多，各种模式的传输路径不一样，经传输后到达终点的时间也不相同，因而产生时延差，使光脉冲受到展宽。所以这种光纤的模式色散高，传输频带不宽，传输速率也不高，用于通信不够理想，只适用于短途、低速通信。 以某一角度入射光纤端面并能在纤芯-包层处形成全反射的光线就成为一个光纤的模式。所谓模式，光纤纤芯中的电场和磁场，包层中的电场和磁场均满足波动方程， 但它们的解不是彼此独立的，而是满足在纤芯和包层处电场和磁场的边界条件。 所谓的光纤模式，就是满足边界条件的电磁场波动方程的解，即电磁场的稳态分布。 这种空间分布在传播过程中只有相位的变化，没有形状的变化，且始终满足边界条件， 每一种这样的分布对应一种模式。 10 [1]按照折射率分布的不同分类: ? 阶跃型光纤。如果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，而且纤芯和包层的折射率在边界处呈阶梯型变化的光纤，称为阶跃型光纤，又可称为均匀光纤。阶跃折射率单模光纤的性能并不尽如人意，其最小色散值在1.31μm波长处，而最小衰减值在1.55μm波长处。同时，性能最好的光放大器比如掺铒光纤放大器，其工作波长范围是1.53μm,1.61μm，但阶跃折射率单模光纤在这一波段的色散非常大。 ? 渐变型光纤。如果纤芯折射率随着半径加大而逐渐减小，而包层中折射率是均匀的，这种光纤称为渐变型光纤，又称为非均匀光纤。这能减少模间色散，提高光纤带宽，增加传输距离，但成本较高，现在的多模光纤多为渐变型光纤。渐变折射率多模光纤通过用纤芯、包层折射率渐变的方式来代替突变边界，从而基本上消除了模式色散，也使渐变折射率多模光纤的传输容量大大增加。从原理上来说，渐变折射率光纤利用的是折射而不是全内反射传导光，光纤的折射率从光纤中心轴开始向外逐渐减小，在纤芯边界处减小到和包层的折射相同。渐变折射率光纤也有着自身的局限性,由于存在一些制约因素，如不同模式间相互干扰产生模噪声，而不能适用于高性能多模传输。 图2-2 渐变折射率光纤折射率分布图 [1] 按照纤芯和包层材料分类: ? 石英光纤。这种光纤的纤芯和包层是由高纯度的中掺杂适当的杂质制成SiO2 的。 其损耗低、 强度和可靠性较高，目前应用最为广泛。 ? 塑料光纤。这种光纤的纤芯和包层都由塑料制成。 总结:?归一化频率V的表达式: 11 2,,aNA,,2212, Vkann,,,(),0122,,an2,1,,, ?光纤中可传播的模式数M与V的关系(当V>20): 1,2V()阶跃光纤,,2 M,,12,V()渐变光纤,,4 归一化频率V越大，能够传播的模式数就越多。 2.3 光纤传输理论 光波从折射率较大的介质入射到折射率较小的介质时,在边界发生反射和折射,当入射角超过临界角时,将发生全反射。这正是光纤传输的原理。从光学理论的观点出发，研究光纤中的光波，可以更好地认识光波在光纤中的传播机制以及运用光学理论研究分析阶跃型和渐变型多模光纤的传输特性。光学理论的基本关系是有关光波反射和折射的菲涅尔定律。 [8]2.3.1 光的射线理论 光在均匀介质中是沿直线传播的，光在分层介质中传播时，如图2-3所示，介 nn质1的折射率为，介质2的折射率为，若，当光线以较小的角入,121射到介质界面时，部分光被反射，部分光进入介质2并产生折射，二者之间的比例取决于两种介质的折射率。 nn, 12折射光, r n 2 n 1 ,c,,,,,1c,1cR 入射光反射光图2-3光的折射与反射 反射定律: ,,= 21, ，，1R 12 sinn,12=折射定律: 22,，，sinn,r1 当时，逐渐增大，进入介质2的折射光线将进一步趋向界面，直到趋nn,,,121r于。这时，进入介质2的光强显著减小并趋于零，反射光强接近等于入射光强。取角=极限值时，相应的角被定义为临界角。 ,,,r1c ,,n2此时临界角 23,，，,arcsinc,,,n1,,在时，入射光将产生全反射。值得提出的一点就是，只有光线从折射率,,,1c 大的介质进入折射率小的介质时，也即只有时，才会发生全反射。另外，对nn,12 于特定的光纤结构，如图2-3-1所示，也只有满足一定条件的光波可以在光纤中有效的传输，这些特定的光波也就是所说的光纤模式，光纤中可传导的模式数量取决于光纤的具体结构 图2-3-1(a)不同入射角的光线;(b)的光线 ,,,,c 和折射率的径向分布。 [1]2.3.2 光纤导光的原理 光纤传输的条件要满足光线在纤芯和包层界面上反复发生全反射的条件，同时还需满足传输过程中的相干加强条件。 详细描述光纤传输原理有两种方法: (1)波动理论法。波动理论法是根据电磁场理论，用麦氏方程求解光纤的场方程、特征方程，根据解答式分析其传输特性; 光波是电磁波，只有通过求解由麦克斯韦方程组导出的波动方程分析电磁场的分布(传输模式)的性质，才能更准确地获得光纤的传输特性，麦克斯韦方程组反映了光纤中光场的分布情况。从麦克斯韦方程组出发: 13 ,B,B,，,,E(E,电场强度),，,,E,t,t ,D,D,，,H(H,磁场强度),，,，HJ ,,t,t ,,,D0(D,电通密度),,,D,v ,,,B0(B,磁通密度),,,B0 n设光纤没有损耗,折射率变化很小,在光纤中传播的是角频率为的单色光,电,磁场与时间的关系为,则标量波动方程为: exp(jt),t nw22 24,,，,EE()0，，c nw22 25,,，,HH()0，，c 式中,和分别为电场和磁场在直角坐标中的任一分量,为光速。选用圆柱坐标EHc ，使z轴与光纤中心轴线一致，将式(2-3)和(2-4)在圆柱坐标中展开，从(r, z),， 而得到电场的z分量的波动方程为: Ez 222,,,,EEEE11nw2ZZZZ ，，，，,()0E26,，，Z2222,,,,,rrrrZc 磁场分量的方程和式完全相同。解方程求出和，再通过麦克斯HzEzHz25,，， 韦方程组求出其他电磁场分量，就得到任意位置的电场和磁场。 多模渐变型光纤传输常数的普遍公式为: g1m(),g2，2,,,nk[12()], 27,，，1M 式中，M是模式总数，是传输常数大于的模式数。经计算得到: m(),, ggv222Makn,,,()() 28,，，1gg，，222 222gkn,,，(2)g1 29,()()mM,,，，222,kn1 主要结论是:电磁场不是以连续的、而是以离散的模式在光纤中传播。 (2)几何光学法。几何光学法是将光波看成是一条条几何射线，用光射线理论分析光纤的传输特性。 几何光学的方法比较直观，容易理解，但并不十分严格。不管是射线方程还是波动方程，几何光学的方法对光纤的传输特性只能提供近似的结果。 2.4 光纤的传输特性 光纤的特性参数主要包括损耗(衰减)、色散、非线性等。光纤通信中，限制传 14 输距离和传输容量的主要原因是损耗和色散。损耗使光信号在传输时能量不断减弱，光纤的色散使得不同频率的光波以不同的速度传播，色散则是使光脉冲在传输中逐渐展宽，光线的色散是引起光纤带宽变窄的主要原因，光纤带宽变窄会限制光纤的传输容量，同时也限制了光信号的传输距离。 2.4.1 光纤的衰减 光纤衰减是输出光相对于输入光的损耗量，总衰减是所有损耗之和，主要有:吸收损耗，包括杂质吸收和本证吸收;散射损耗，包括线性散射、非线性散射和结构不完整散射等;其它损耗，包括微弯曲损耗等。光纤衰减在很大程度上决定了多模和单模光纤通信的中继距离，光纤越长，吸收和散射损耗就越重要，相对的耦合损耗就处于次要位置。而对于短光纤来说，衰减和散射损耗要比端面耦合损耗小得多。在某些情况下，其它效应也能造成损耗，比如严重微弯光纤中的光泄露。 2 光纤的色散 2.4. 现在随着光纤制造技术的发展，光纤的损耗已经降低到接近理论极限值的程度，色散问题已成为实现超长距离和超大容量光纤通信的主要问题。色散是指光纤对在其中传输的光脉冲的展宽特性，色散造成的脉冲展宽限制了通信系统的传输速度。由于光纤中色散的存在，产生码间干扰，增加误码率，也限制了通信容量和传输距离。其主要原因在于，光在光纤中的传播速度与光波长和传输模式有关。与衰减一样，色散限制了信号在光纤中能够传输的距离，不同的一点是，色散并不是使信号 [6]衰减，而是使光脉冲在时域上重叠。 目前在高速、长距离通信中所用的光纤都是单模光纤，而单模光纤中的色散主要是色度色散，色度色散是指光通过光纤时由于群速度与波长有关而造成的脉冲展宽。与其它光纤色散造成的脉冲展宽不同的是，色度色散造成的脉冲展宽很大程度 上取决于光源。在大多数实际情况下，色度色散是材料色散和波导色散之和。材料色散仅与材料的折射率随波长变化有关，它反映了光纤材料的特性。波导色散是另一种效应，它源于纤芯和包层之间光分布的变化。 在更高速度的通信系统中偏振色散会显得重要。偏振色散是输入光脉冲的两个正交偏振分量以不同的群速度沿光纤传输导致光脉冲展宽的现象，其与普通单模光纤的群速度色散相比很小。在短距离、低速度光纤通信系统中，除零色散波长附近 15 图2-4-2 光纤的偏振色散 外，偏振色散的影响一般可以忽略，相反地，在长距离、高速通信系统中，偏振色散引起的脉冲展宽不容忽略。 2.4.3 光纤的非线性效应 光纤的非线性效应，即，如果一个光纤的参数依赖于光功率，那么就称它为非线性的。非线性效应是不同光波间的相互作用，这种特性会使光信号的脉冲产生压缩效应，它能导致噪声和串扰，单模光纤中的非线性效应在高功率密度下会变得特别突出。非线性效应成为决定高比特率、长距离光纤通信系统的重要因素，导致光纤中非线性效应的原因主要有以下几方面: ? 多波长系统的使用; ? 光纤传输距离很长; ? 线内光放大器的使用使光纤携带的功率增加; ? 使用具有小横截面的单模光纤使光纤内功率密度增加; 在光纤通信系统中，光纤的非线性效应，一方面引起传输信号的附加损耗，信号频率的移动;另一方面又可以被用于开发新型器件，如调制器、激光器、放大器等。光孤子通信就是利用光纤中的非线性效应克服色散的影响，是通信速度极大提高，传输距离极大延长。 2.5 新型光纤 光纤技术发展至今，各种能够实现特殊功能的光纤纷纷问世，不仅使得光纤通信得以飞速发展，也使得光纤传感技术进入了商业实用化阶段。 [1]? 色散位移光纤 纤芯包层结构和光纤材料的成分是决定光纤性能的关键因素，目前应用最广泛的是石英光纤。材料色散是石英光纤的本证特性，只有改变玻璃的组成成分，才能 16 改变其色散值，而这样会引起衰减的增加。更引起关注的是，阶跃折射率单模光纤的衰减参数已经降低到接近理论极限，如果没有一系列新材料的出现，几乎不可能再有任何的性能改善。调整波导色散可使色散最小值发生移动，通过设计纤芯、包层结构更为复杂的光纤能将低色散移位至1.55μm波段。 比如，零色散位移光纤，其在掺铒光纤放大器工作波段的中心处色散值为零。尽管这一方案在单信道系统中运行良好，可是却不适用波分复用系统。当光纤中存在多个信道时，各信道对应波长的色散接近于零，所以会引发四波混频效应影响传输信号，因而零色散位移光纤不能用于密集波分复用系统，这也是其最大的局限性。 图2-5-2零色散位移光纤 避免四波混频的有效办法就是将零色散波长移到掺铒光纤放大器的工作波段之外，综合以上各种考虑，我们的目标就是寻找最佳的结合点，已经研制出的长波长非零色散位移光纤的零色散波长值恰好在掺铒光纤放大器的工作波段之外，在这之间没有所谓的零色散点存在，这种光纤的应用传输距离很短，但是不需要光放大器。 ? 色散补偿光纤 由于光纤中的一些色散是无法避免的，因此色散补偿光纤应运而生。这种光纤的纤芯，包层折射率差一般很大，而且有效面积很小，但波导色散非常大。 ? 塑料光纤 17 塑料光纤是以光学塑料为材料的一类重要的光学纤维，具有轻便、廉价、韧性 好、对不可见光透过性能好等优点。但是缺点也很明显，尤其是在用于通信方面，透明塑料的衰减要比玻璃光纤高很多，塑料光纤的损耗在短波长一侧有一定的下降，完全由塑料制成的多模光纤要比石英光纤具有更高的损耗，基于此原因，塑料光纤的应用非常有限。对于塑料光纤而言，高衰减已成为一个棘手的难题。降低损耗的焦点集中在改变塑料的化学成分上。另一个问题是塑料光纤不如玻璃光纤耐用。 [1]? 光子晶体光纤(PCF) 光子晶体是指在一维、二维或三维空间上介电常数周期分布的材料，由介电常数周期分布构成的介质材料能够改变其间传播的光的性质。光子晶体中，一维、二维或三维空间中折射率的周期性分布能够使得在期间传播的光子形成禁带结构，即产生光子禁带(PBG)。如果光子频率处于禁带内，光子晶体内的原子、分子的的自发辐射和相互作用都会发生根本性的变化。另外，当光子晶体的周期性遭到破坏时，在PBG内会出现频率极窄的缺陷态，使得光子晶体能够控制光在其中的传播。 光子晶体光纤最引人注目的一个特点是，具备在所有波长上都支持单模传输的能力，即所谓的无休止单模特性，其部分原因是纤芯和包层间的有效折射率差依赖 图2-5-4 PMMA阶跃折射率光纤的衰减曲线 于波长，深层原因是，当波长降低到一定程度时，模式分布不再依赖于波长。光子晶体光纤能够在波长低于1.3μm时获得反常色散，同时保持单模，反常色散特性为短波长光孤子传输提供了可能性。在光子晶体光纤中，还可以轻易实现高双折射，而且其弯曲损耗较小，非线性效应也具有可控性，因此可以有效地减小非线性效应。 光子晶体光纤还可应用于传感。在PCF中引入多个缺陷从而形成多芯PCF，利用各芯导模的相互耦合，可用于矢量弯曲传感中。此外，多芯PCF在定向耦合器、声光调制器和频谱滤波器中也有着潜在的应用价值。 ? 掺稀土元素光纤 18 在石英光纤中掺入各种稀土元素，就可以放大通信波段的光信号，其中的掺铒石英光纤可以放大目前最主要的光通信波段，在光纤通信中发挥了极其重要的作用。它使全光通信变得可以实现。 ? 紫外光纤 紫外光纤主要是指能传输紫外光的光纤。随着激光医疗技术的发展，紫外激光器的应用领域不断扩大，这就需要能够传输紫外光的光纤。石英玻璃对紫外波段的光的透射率较高，由于石英玻璃的折射率较低，因此用石英玻璃做紫外光纤时，一般选用塑料材料做光纤的包层。 ? 红外光纤 红外光纤是指用于传输近红外和中红外波段光能量。其主要优点是:可传输更大的光功率，稳定性好，耦合效率高，透光范围更宽。 19 3 光纤通信前景展望 3.1光纤通信的新技术 损耗与色散是制约光纤通信系统传输距离以及容量的主要因素。利用光孤子传输信息的新一代光纤通信系统，可以真正做到全光通信，无需光、电转换，就能够实现超长距离、超大容量传输，是光纤通信技术上的一场革命。 ? 光孤子通信。孤子，又称孤立波，是一种特殊形式的超短脉冲，它在传播过程中形状、幅度和速度都维持不变。当光纤非线性效应和色散单独起作用时，在光纤中传输的光信号都要产生光脉冲展宽，这对传输速率的提高是有害的，光孤子的形成就是光纤的群速度色散和非线性效应相互平衡的结果。当频移时折射率的非线性变化与群色散效应相平衡，光脉冲就会形成一种基本孤子在反常色散区稳定传输，在光纤的负色散区，光孤子通信利用自相位调制与色散相互作用，使脉冲宽度在整个传输距离上保持不变，由此产生了光孤子理论，从而把通信引向非线性光纤孤子 [12]传输系统这一新领域。 光孤子通信系统主要有光孤子源、光放大器、光检测器、脉冲信号发生器、光隔离器组成，其中光孤子源是光孤子通信系统的关键。光孤子通信系统的构成如图3-1所示。 放大器 调 制 --- --- 孤子源 探测 脉冲源 图3-1光孤子通信系统的结构框图 光孤子通信技术的基本原理是基于非线性薛定谔方程。 根据光学知识，光脉冲可以用下式表示: E(z,t)A(z,t)expj(tz),,,,,,00 其中是脉冲包络。在考虑色散作用并引入光纤非线性效应中自相位调制作用A(z,t) 时，光脉冲包络的传输方程为: 23,,,,AAjAA12 ,,,,，，,,iAA12323,,,,zttt26 式中A(z,t)是脉冲包络，,,,1/，,为群速度色散系数，,为高阶色散系数，1g23是代表自相位调制效应的非线性系数。而且发现，只有方程的一个系数N为整数, 20 时，方程有解。当N=1时，该解的包络与传输距离无关，即其在光纤中保形传输。只要控制好输入脉冲的初始功率和脉宽，并选择合适色散和非线形度量的光纤，可得到N=1时的弧子脉冲，该脉冲在光纤中传播的时候，如果忽略光纤损耗的情况下，其脉冲包络的幅度和形状不会发生变化。 目前光孤子通信的主要限制是偏振色散，对于单信道光纤通信系统来说,光孤子通信系统的性能并不比在零色散波长工作的非光孤子系统更好。然而，零色散波长系统只能实现单信道传输，而光孤子系统则可用于WDM系统，大幅度增加了传输速率。孤子能够不用放大和色散补偿在非常长的光纤上传输，所以说光孤子通信是目前很有前途的传输技术。光孤子通信是一种全光非线性通信方案，它完全摆脱了光纤色散对传输速率和通信容量的限制，利用光孤子通信可以实现超长距离、超大容量的信息传输。 ? 全光网络(AON)。对光纤通信而言，超高速度、超大容量和超长距离传输一直是人们追求的目标，而全光网络也是人们不懈追求的梦想,全光网络是光纤通信技术的最高阶段。传统的光网络实现了节点间的全光化，但在网络节点处仍用电器件，限制了目前通信网干线总容量的提高。全光网络以光节点代替电节点，节点之间也是全光化，信息始终以光的形式进行传输与交换。所谓光交换技术即是指对光纤传送的光信号直接进行交换，而不需通过光/电/光变化。另外，光交换不需在光纤传输与交换机之间设置光端机进行光/电、电/光变化，而且在光交换过程中还能充分发挥光信号的高速、宽带和无电磁感应的优点，有利于克服电子瓶颈对电子交换容量的限制。言而总之，全光网络具有良好的可靠性，并提供巨大的带宽、极高的处 [12]理速度、较低的误码率。 关于智能光网络(ASON)，其基本思想是在光传送网络中引入控制平面以实现网络资源的实时按需分配，从而实现光网络的智能化。智能光网络的一个主要特征是引入了一个相对独立的控制平面，通过控制平面，使整个光网络具有提供动态链接的能力。 从发展趋势上看，形成一个真正的、以WDM技术与光交换技术为主的光网络层，建立纯粹的全光网络，消除电光瓶颈已成未来光通信发展的必然趋势，更是未来信息网络的核心，也是通信技术发展的最高级别，更是理想级别。 3.2光纤通信的应用前景 光纤通信的发展依赖于光纤通信技术的进步。近年来,光纤通信技术得到了长足的发展,新技术不断涌现,这大幅提高了通信能力,并使光纤通信的应用范围不断扩大。目前,光纤通信技术已成为信息宽带传输的的主要媒介，也已得到广泛的应用和 21 发展,其最主要的原因由原来的技术驱动为主而转向以市场驱动为主,让技术适应市场需求,在实际应用中适时地调整光纤通信技术发展的方向,使它的发展具有切实的意义。 光纤通信向超高速、超大容量系统的发展应用。光纤通信可以传输数字信号，也可以传输模拟信号，同时在通信网、广播电视网、计算机网、综合业务光纤接入网以及在其它数据传输系统中都得到了广泛的应用。由于当今社会进入了信息爆炸的时代，各种通信业务的发展，使得已经埋设的光纤快要用尽了，而且光缆埋设费用很高，可是光纤的带宽资源还没有充分利用。当前使用波分复用技术提高复用效率是首选方案，在以后的应用中，光孤子传输和全光网络则会是更佳的选择。用户需求和业务类型的变化以及光子技术的进步，给光网络提出了新的需求，WDM是全光网络的重要基础设施，全光网络是未来光传送网的发展方向。 新一代光网络具有开放性、灵活性、可扩展性、支持多业务能力以及更加简单有效地网络控制和管理能力。它主要具有以下应用特色: ? 减少费用支出;能同时达到低成本运作和提供先进的光通信服务，缩短了业务提供时间，提高了网络资源的利用率，帮助运营商在激烈的市场竞争中占据领先地位。 ? 提供区分服务;以满足客户需求和提高客户满意程度为主要目标，提供更有竞争力的区分服务。实现了实时的流量控制，根据客户层的业务需求，实时动态地调整光纤通信网，以避免拥塞，实现了网络资源的最佳配置。 ? 安全性和可靠性。 现在通信行业发展速度惊人，光纤通信网络的容量虽然已经很大，但还有许多应用能力未得到充分开发，随着技术的进步和大规模产业的形成，光纤价格不断下降，应用范围不断扩大，光通信技术作为信息技术的重要支撑平台，在未来信息社会中将起到更加重要的作用。我国经济正在高速发展，已进入信息时代，现已铺设了诸多光缆线路，同时建成连接各个主要城市的数据网络，具有中国特色的信息高速公路正在高速发展。我们深信光纤通信技术在信息时代会有更伟大的作用。也因而具有广阔的应用前景。在国内各研发机构、科研院所、大学的科研人员的共同努力下，我国已研制开发了一些具有自主知识产权的光纤通信高技术产品，取得了一批重要的研究与应用成果。这些研究工作和突出成果为O-TIME(光时代) 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 的实施奠定了坚实的基础，有望在“十二五”期间取得更多的成果，为我国的信息基础设施建设做出更多的贡献。 22 结论 截至目前,毕业设计已经顺利完成。我的论文题目是“光纤通信技术研究现状和应用前景”，这一研究方向属于当前信息领域的热点和难点，在过去的三、四十年里，也已经有相当多的科研人员对光纤通信技术的方方面面进行了详尽的研究和论述。作为一名本科毕业生，由于自身学识、研究条件以及其他一些方面的限制，并不可能像专业人员那样进行比较细致的论述，我所做也只是最大限度的查阅更多的资料文献，进行对比研究，并在导师的指导下找到一个切入点，进而提炼出自己的观点和想法，这也是此次论文的重心工作。 关于光纤通信技术，从我刚刚开始接触通信课程开始，就对它充满了好奇，因为光纤通信是通信领域的前沿技术。在论文完成的整个过程中，郭颖老师给予我很多的指导，并帮我找了许多具有针对性的最新的期刊和书籍，对于刚开始了解光纤通信的我来说，省却了许多反复筛选资料的时间，直接找到了努力的方向，关注那些最新的研究成果。由于我的知识面比较窄，对专业知识了解的深度还不够，很大程度上影响了写作的进度以及研究的深度。在今后从事的工作中，我会注意这些方面，去更多地阅读相关书籍，深化知识体系，以期达到深层次的理解，并在所从事的领域得出自己的结论。 在文献资料的收集查阅方面，查找那些与论文更相关、更深入、相对前言的资料。对于光纤材料的特性以及更多原理性的知识进行梳理，引发自己更近一步的思考。在设计过程中，对研究的光纤特性进行了详细的分析和对比总结。 结合前期的工作，包括调研报告、开题报告和此次的中期报告，来撰写毕业论文，进而完成了论文初稿。在整个论文写作过程中，不求面面俱到，只求在某一点面上能有自己的见解，不单是纯粹的机械的重复前人的工作，使自己的工作有意义。 通信系统主要涉及信源(发射端)、信道(传输媒介)、信宿(接收端)三个主要部分。本论文集中研究一种特殊的传输媒介——光纤，针对光纤的基本结构、光纤传输理论以及新型光纤和光纤的基本特性展开研究论述。采用单独分析和综合分析对比, 重点分析了影响光纤传输的损耗、色散、非线性等因素。实现超长距离、超大容量的信息传输是人们一直以来追求的梦想，光纤通信中，限制传输距离和传输容量的主要原因是损耗和色散。损耗使光信号在传输时能量不断减弱，不同的一点是，色散并不是使信号衰减，则是使光脉冲在传输中逐渐展宽，色散限制了信号在光纤中能够传输的距离。经过种种的理论与试验，科研人员已经将光纤的损耗降低到接近理论极限值的程度，因此现阶段，色散问题已成为实现超长距离和超大容量光纤通信的主要问题，这也是一些应用领域的考虑重点。另外，哲学指导我们一 23 分为二的看问题，采用矛盾分析法，一种新的光纤技术不仅有其独特的优点，也肯 定会存在相应的不足，我们在实际应用中要综合各方面进行深入的考虑。 24 参考文献 [1]饶云江，刘德森.光纤技术[M].科学出版社，2006 [2]陈才和 主编.光纤通信[M].电子工业出版社，2004.8 [3]王磊，裴丽.光纤通信的发展现状和未来[J]. 中国科技信息，2006(4).P59—60. 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