第一章、 光纖通訊原理
第一節、光纖通訊的概念
一、光纖通訊的概念
光纖通訊概念：利用光纖來傳輸攜帶資訊的光波以達到通訊的目的。 典型的光纖通訊系統方框圖如下：
數字光纖通訊系統方框圖
從圖中可以看出，數字光纖通訊系統基本上由光傳送機、光纖與光接收機組成。傳送端的電端機把資訊（如話音）進行模/數轉換，用轉換後的數碼訊號去調製傳送機中的光源器件ld，則ld就會發出攜帶資訊的光波。即當數碼訊號為「1」時，光源器件傳送乙個「傳號」光脈衝；當數碼訊號為「0」時，光源器件傳送乙個「空號」（不發光）。
光波經低衰耗光纖傳輸後到達接收端。在接收端，光接收機把數碼訊號從光波中檢測出來送給電端機，而電端機再進行數/模轉換，恢復成原來的資訊。就這樣完成了一次通訊的全過程。
其中光傳送機的調製方式有兩種：直接調製也稱內調製（一般速率小於等於2.5gb/s時）；間接調製也稱外調製（一般速率大於2.
5gb/s時）。
二、光纖通訊的特點
1、通訊容量大
2、中繼距離長
3、保密性能好
2、適應能力強
5、體積小、重量輕、便於施工和維護
6、原材料**豐富，潛在的**低廉
第二節、光纖的導光原理
一、全反射原理
我們知道，當光線在均勻介質中傳播時是以直線方向進行的，但在到達兩種不同介質的分介面時，會發生反射與折射現象，如圖2.5所示。
圖2.5 光的反射與折射
根據光的反射定律，反射角等於入射角。
根據光的折射定律：
2.2）
其中n1為纖芯的折射率，n2為包層的折射率。
顯然，若n1>n2，則會有θ2>θ1。如果n1與n2的比值增大到一定程度，則會使折射角θ2≥90°，此時的折射光線不再進入包層，而會在纖芯與包層的分界面上掠過（θ2=90°時），或者重返回到纖芯中進行傳播（θ2>90°時）。這種現象叫做光的全反射現象，如圖2.
6所示。
圖：光的全反射現象
人們把對應於折射角θ2等於90°的入射角叫做臨界角。很容易可以得到臨界角。
不難理解，當光在光纖中發生全反射現象時，由於光線基本上全部在纖芯區進行傳播，沒有光跑到包層中去，所以可以大大降低光纖的衰耗。早期的階躍光纖就是按這種思路進行設計的。
第三節、光纖與光纜基本概念
一、光纖的結構
光纖呈圓柱形，由纖芯（直徑約9-50um）、包層（直徑約125um）與塗敷層（直徑約1.5cm）三大部分組成，如下圖：
纖芯主要採用高純度的sio2（二氧化矽），並摻有少量的摻雜劑，提高纖芯的光折射率n1；包層也是高純度的二氧化矽，也摻雜一些摻雜劑，主要是降低包層的光折射率n2；塗敷層採用丙烯酸酯、矽橡膠、尼龍，增加機械強度和可彎曲性。
二、光纖的分類方式
光纖有以下的分類方式：
1、 按折射率分布分類
a、階躍光纖si
定義：在纖芯與包層區域內，折射率的分布分別是均勻的，其值分別是n1與n2，但在纖芯與包層的分界處，其折射率的變化是階躍的。
其折射率分布的表示式為：
n1r小於等於a1時
n(r)=
n2r式中：n1為光纖纖芯區的折射率
n2為包層區的折射率
a1為纖芯半徑
a2為包層半經
b、漸變光纖gi
定義：光纖蛛心處的折射率最大，但隨橫截面的增加而逐漸變小，其變化規律一般符合拋物線規律，到了纖芯與包層的分界處，正好降到與包層區域的折射率相等的數值；在包層區域中其折射率的分布是均勻的。
2、 按傳輸的模式分類
● 多模光纖
定義：傳輸光波的模式不止一種。
多模光纖纖芯的幾何尺寸遠大於光波波長，一般在50um左右，光訊號是以多個模式方式進行傳播的，光訊號的波長以主縱模為準。不同的傳播模式會具有不同的傳播速度和相位，因此經過長距離的傳播之後會產生時延，導致光脈衝變寬，叫做光纖的模式色散或模間色散。由於模式色散影響較嚴重，降低了多模光纖的傳輸容量和距離，多模光纖僅用於較小容量、短距離的光纖傳輸通訊。
● 單模光纖
定義：傳輸光波的模式只有一種。（目前主用）
當光纖的幾何尺寸可以於光波長相比擬時，即纖芯的幾何尺寸與光訊號波長相差不大時，一般為5~10um，光纖只允許一種模式在其中傳播，其餘的高次模全部截止，這樣的光纖叫做單模光纖。單模光纖只允許一種模式在其中傳播，從而避免了模式色散的問題，故單模光纖具有極寬的頻寬，特別適用於大容量的光纖通訊。對於單模光纖，由於光纖的幾何尺寸小，使v的值小於2.
2028，這樣n的值就為1，只有一種模式
3、 按工作波長分類
● 短波長光纖
定義：習慣上把波長在600-900nm範圍內呈現低衰耗光纖稱做短波長光纖。
● 長波長光纖
定義：習慣上把波長在1000-2000nm範圍內的光纖稱做短波長光纖。
2、套塑型別分類
a、緊套光纖
定義：指二次、三次塗敷層與予塗敷層及光纖的纖芯、包層等緊密的結合在一起的光纖。目前居多。
b、 松套光纖
定義：指經過予塗敷層的光纖鬆散的放在一塑料管中，不再進行二次、三次塗敷。
三、光纖的種類以及應用狀況
①、 g.652光纖
1310nm效能最佳光纖(色散未移位光纖)。
它有二個波長工作區：1310nm與1550nm。
在1310nm波長：色散最小(未移位)，小於3.5ps/但損耗較大，為0.3~0.4db/km。
在1550nm波長：色散較大，為20ps/但損耗很小，為0.15~0.25db/km。
在我國佔99﹪以上。雖稱1310nm效能最佳光纖，但絕大部分卻用於1550nm，其原因是在1310nm無實用化光放大器。
它可會傳輸2.5g或以2.5g為基群的wdm系統；但傳輸tdm的10g ，面臨色散受限的難題(色度色散與pmd)。
②、 g.653光纖
1550nm效能最佳光纖(色散移位光纖)。
它主要用於1550nm波長工作區。
在1550nm波長，色散較小(色散移位)，為3.5ps/損耗也很小，為0.15~0.25db/km。
但它不能用於wdm方式，因會出現四波混頻效應(fwm)。
③、g.654光纖
1550nm損耗最小光纖。它主要用於1550nm波長工作區，其損耗為0.15~0.19db/km；主要用於海纜通訊。
④、 g.655光纖
它是為克服g.653光纖的fwm效應而設計的新型光纖。其效能與g.653光纖類似，但既能用於wdm，又能傳輸tdm方式的10g。
理想情況：
a）、低色散：2~10ps/
b)、色散斜率小於0.05ps/便於色散補償；
c)、大的有效面積，可避免出現非線性效應。
目前，g.655光纖尚無國際統一規範。
---大的有效面積，會有效地避免非線性效應，但將導致色散斜的增加。
---小的色散斜率將會便於色散的補償；但其有效面積卻減小。
四、光纜結構
層絞式、骨架式、束管式、帶狀式
第四節、 光纖的特性與引數
一、光纖的三大特性
光纖的特性引數可以分為三大類即幾何特性引數、光學特性引數與傳輸特性引數。
二、光纖的衰耗
衰耗係數a
衰耗係數是光纖最重要的特性引數之一。因為在很大程度上決定了光纖通訊的中繼距離。
衰耗係數的定義為：每公里光纖對光功率訊號的衰減值。其表示式為：
db/km2.6）
其中pi為輸入光功率值（瓦特）
po為輸出光功率值（瓦特）
如某光纖的衰耗係數為a=3db/km，則
這就意味著，經過一公里的光纖傳輸之後，其光功率訊號減少了一半。
長度為l公里的光纖的衰耗值為a = al 。
② 光纖的衰耗機理
使光纖產生衰耗的原因很多，但可歸納如下：
本徵吸收
吸收衰耗：
雜質吸收
線性散射
衰耗散射衰耗： 非線性散射
結構不完整散射
其它衰耗（微彎曲衰耗）
本徵吸收：
定義：構成光纖材料本身所固有的吸收作用。
純二氧化矽對光的吸收作用所引起的光纖衰耗是比較小，在600-900nm波長範圍稍大，但小於1db/km,而在1000-1800波長範圍，幾乎為零。
雜質吸收:
光纖中的雜質對光的吸收作用，是造成光纖衰耗的主要原因。
光纖中的雜質大致可以分為二大類，即過渡金屬離子與氫氧根離子。
過渡金屬離子包括銅、鐵、鉻、鈷、錳、鎳離子等，這些離子在光的作用下會發生震動而吸收光能量；每種離子都有自己的吸收峰波長，上述過渡金屬離子的吸收峰波長都落在600~1800nm波長範圍。
氫氧根離子對光的吸收峰波長落在1000~1800nm波長範圍；因此在此波長範圍氫氧根離子的含量多少對光纖的衰耗具有重大影響。
散射衰耗:
定義：所謂散射衰耗是指光在光纖中發生散射時所引起的衰耗。
光的散射現象可分為線性散射與非線性散射。
a. 線性散射衰耗-----瑞利散射
所謂線性散射，是指光波的某種模式的功率線性地（與其功率成正比）轉換成另一種模式的功率，但光的波長不變。線性散射會把光功率輻射到光纖外部而引起衰耗。
瑞利散射是典型的線性散射，它與波長的2次方成反比，即光波長越長，瑞利散射衰耗越小。
光纖材料不均勻，會造成其折射率會布不均勻，易產生瑞利散射。
b. 非線性散射衰耗
所謂非線性散射，是指某光波長模式的部分功率非線性地轉換到其它的波長中。
布里淵散射與拉曼散射是典型的非線性散射。
如果光纖中的光功率過大，就會出現非線性散射現象。因此防止發生非線性散射的根本方法，就是不要使光纖中的光功率訊號過大，如不超過+25dbm。
其它衰耗
其它衰耗包括微彎曲衰耗與連線衰耗等；它們佔的比例很小。
總之，在影響光纖衰耗的諸多因素中，最主要的是雜質吸收所引起的衰耗。光纖材料中的雜質如氫氧根離子與過渡金屬離子對光的吸收能力極強，它們是產生光纖衰耗的主要因素。因此要想獲得低衰耗光纖，必須對製造光纖用的原材料二氧化矽等進行非常嚴格的化學提純，使其雜質的含量降到幾個ppb以下。
移動通訊基本原理
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