光纖通信畢業(yè)論文

1、<p>　　本科畢業(yè)設計（論文）</p><p>　　光纖的過去、現在與未來</p><p>　　論文題目 </p><p>　　系 部 信息與計算機學部 </p><p>　　專 業(yè) 信息工程 </p><p>

2、;<b>　　班 級 </b></p><p>　　學 號 </p><p>　　學生姓名 </p><p>　　指導教師 </p><p>　　一、畢業(yè)設計（論文）的內容</p><p>　　概述光纖的過去、現在

3、，弄清楚光纖的基本構造和導光原理，比較與分析國內外的情況，探索現代國內外光纖技術的現狀并且了解現代光纖的種類和國內光纖技術的發(fā)展狀況，最后展望和推測光纖未來的發(fā)展方向</p><p>　　二、畢業(yè)設計（論文）的要求與數據</p><p>　　1.光纖的過去、現在與未來；</p><p>　　2.光纖的基本構造和導光原理 </p><p>　　

4、3.比較國內外狀況；</p><p>　　4.現代國內外光纖技術的現狀</p><p>　　5.光纖未來的發(fā)展方向</p><p>　　三、畢業(yè)設計（論文）應完成的工作</p><p>　　1.收集國內外資料。</p><p>　　2.分析、整理材料。</p><p><b>　　3.

5、撰寫論文初稿。</b></p><p><b>　　4.接受老師指導。</b></p><p>　　5.按學院要求修改、定稿、打印、裝訂。</p><p><b>　　6.正式提交。</b></p><p>　　四、畢業(yè)設計（論文）進程安排</p><p>　　五

6、、應收集的資料及主要參考文獻</p><p>　　孫學康等. 光纖通信技術. [M].人民郵電出版社. 2004年,第1版.1-15</p><p>　　于尚民. 烽火通信4篇光纖光纜技術論文被IWCS’2010錄用. </p><p>　　通信產業(yè)網. 2010-09-19</p><p>　　左誠. “兩會”關注熱點　“光纖入戶”成大勢

7、所趨. </p><p>　　51cto.com. 2011-03-04</p><p>　　語錄. 中國光纖光纜應走得更遠. </p><p>　　通信產業(yè)網. 2010-08-10</p><p>　　趙梓森.光纖通信的過去和未來.</p><p>　　光纖在線. 2009-09-27 </p>&l

8、t;p>　　羅志誠. 試論光纖通信技術的發(fā)展.[J].科技資訊.2009(3).</p><p>　　何召舜. 淺論光纖通信技術的特點和發(fā)展趨勢. [J].中小企業(yè)管理與科技 2010年3月上旬刊</p><p>　　王磊、裴麗. 光纖通信的發(fā)展現狀和未來.[J].中國科技信息,2006,(4).</p><p>　　胡洪濤. 我國光纖通信的發(fā)展現狀及前景.

9、[J].科技探索.2010.8(8)</p><p>　　董君. 光纖通信技術的發(fā)展及趨勢. [J]. 中國科技博覽.2009(31)</p><p>　　畢孚軒. 中國光纖通信技術的現狀及未來. [D]. 電信院. 2009301430039</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　通信

10、從本質上講就是實現信息傳遞功能的一門科學技術，它要將大量有用的信息無失真、高效率地進行傳輸，同時還要在傳輸過程中將無用信息和有害信息抑制掉。當今的通信不僅要有效地傳遞信息，而且還有存儲、處理、采集及顯示等功能，通信已成為信息科學技術的一個重要組成部分。而這些形形色色的通信方式中，顯然只有使用光的通信方式，速度最快，最具有時效性光纖通信，就是利用光導纖維來傳輸攜帶信息的光波進行通信的方式。光波的頻率比目前電通信使用的頻率高得多，因而其通信

11、容量很大。</p><p>　　光纖通信技術是當今世界發(fā)展速度最快、覆蓋范圍最廣、滲透性最強、應用最廣泛的一個高新技術領域，同時也是推動全球信息通信業(yè)發(fā)展的主要驅動力量。光纖通信從提出理論到技術實現，再到今天的高速光纖通信也不過幾十年的時間，廣泛應用在經濟、社會各個領域，不僅能夠減少經濟活動的交易費用，促進知識的傳播和信息的共享，而且對國家國民經濟的長遠發(fā)展產生重大影響。</p><p>

12、　　關鍵詞：光纖通信，未來，高新技術，高速</p><p>　　注：本設計（論文）題目來源于教師的國家級（或部級、省級、廳級、市級、校級、企業(yè)）科研項目，項目編號為： 。</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Communication in essence is a science tec

13、hnique that achieve information transfer function , it wants to have useful information without distortion , and high-efficient transmission , but also will be suppressed useless information and harmful information out a

14、t th same time. Today's communication is not only to effectively convey information, but also the storage, processing, acquisition and display functions , Communication has become an important part of informatics tec

15、hnique.But in these kin</p><p>　　Optical fiber communication technology is the world's fastest growing, most extensive coverage, the strongest penetration, the most widely used of a high-tech fields , an

16、d it also is main driving force to promote the development of global communication industry. The optical fiber communication technology from put forward theories to technique's carry out, then to today's high-spe

17、ed optical fiber just use several decades, widely used in economic and social fields , not only can reduce the transac</p><p>　　Key words: optical fiber，future ，high-speed ，high-tech</p><p><

18、b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1 緒論1</b></p><p>　　1.1 題目背景及目的1</p><p>　　1.2 論文的構成1</p><p>　　2 探索時期的光通信2</p><p>　　3 近代光纖通信3</

19、p><p>　　4 光纖通信技術優(yōu)勢...................................................................................................5</p><p>　　4.1 頻帶極寬，通信容量大.......................................................

20、............................5</p><p>　　4.2 損耗低，中繼距離長5</p><p>　　4.3 抗電磁干擾能力強5</p><p>　　4.4 保密性能好6</p><p>　　5 光纖導光原理和結構................................................

21、.........................................................6</p><p>　　5.1 光纖結構和主要分類6</p><p>　　5.1.1 光纖基本結構6</p><p>　　5.1.2 光纖的分類7</p><p>　　5.2光纖的導光原理8</p><

22、p>　　5.2.1 光傳輸理論8</p><p>　　5.2.2 反射與折射9</p><p>　　5.2.3 光在階躍型光纖中的傳播...........................................................................11</p><p>　　5.2.4 光在漸變型光纖中的傳播.......

23、....................................................................12</p><p>　　6 光纖發(fā)展現狀....................................................................................................................13&

24、lt;/p><p>　　6.1 普通單模光纖.........................................................................................................14</p><p>　　6.2 高強度耐彎單模光纖.............................................

25、................................................15</p><p>　　6.3 無水峰光纖.............................................................................................................16</p><p>　　6.4

26、大有效面積光纖......................................................................................................16</p><p>　　6.5 寬帶光傳輸用非零色散光纖......................................................................

27、.............16</p><p>　　7 國內光纖發(fā)展......................................................................................................................16</p><p>　　8 未來光纖的發(fā)展......................

28、...........................................................................................20</p><p>　　8.1 光子晶體光纖..............................................................................................

29、..........20</p><p>　　8.2 塑料光纖................................................................................................................ 20</p><p>　　8.3 用于局域網的新型多模光纖.......................

30、.........................................................21</p><p>　　8.4 空芯光纖...............................................................................................................22</p><p

31、>　　8.5 色散控制光纖(DMF) ........................................................................................... 22</p><p>　　8.6 氟化物制造的光纖.....................................................................

32、........................... 22</p><p>　　9 國內光纖的現狀與未來................................................................................................... 23</p><p>　　9.1 國內光纖產業(yè)現狀..................

33、..............................................................................23</p><p>　　9.2 國內光纖發(fā)展動力................................................................................................24</p&

34、gt;<p>　　9.3 國內光纖未來的發(fā)展............................................................................................24</p><p>　　10 結束語....................................................................

35、.........................................................24</p><p>　　參考文獻...............................................................................................................................25</

36、p><p>　　致謝.......................................................................................................................................26</p><p>　　緒 論</p><p>　　1.1 題目背

37、景及目的</p><p>　　光纖通信的問世，給通信領域帶來了一場巨大的技術革命。由于光纖通信損耗低、傳輸頻帶寬、容量大、體積小、重量輕、抗電磁干擾、不易串音等優(yōu)點而備受行業(yè)的青睞，發(fā)展突飛猛進。目前，品種繁多的光纖層出不窮，不僅在光通信和光傳感中占據著越來越重要的地位，而且在工業(yè)、電力、軍事、航空航天、生物醫(yī)學等方面也發(fā)揮著越來越重要的作用。隨著3G網絡的大規(guī)模建設、IPv6的試用和建設、“光進銅退”戰(zhàn)略進一步

38、實施，國內外對常規(guī)通信光纖的需求進一步高漲，光纖成為通信市場最為緊俏的商品之一。</p><p>　　在我國，2011年3月1日舉行的“2011年中國光網城市發(fā)展戰(zhàn)略高層論壇”上，中國電信副總經理張繼平指出：“‘十二五’規(guī)劃末，我們希望南方城市地區(qū)實現家庭和政企用戶光纖全覆蓋，光纖接入端口和終端數要超過1億，實現世界第一的光纖的接入發(fā)展目標?！弊罱鞯叵嗬^開展寬帶光纖網絡建設，以實現寬帶網絡智能化，提升用戶寬帶

39、網絡體驗。其中，作為2011年“城市光網”改造的重點區(qū)域，中國電信上海公司已完成部分區(qū)域范圍內的光纖網絡改造建設，并將為該區(qū)域內的寬帶用戶實施“光纖入戶”的集中割接改造。同時，中國電信江西公司宣布，未來三年將以“智慧工程”納入省“十二五”規(guī)劃為契機， 投資30億元以上，加快推進寬帶網的光纖化升級，按用戶需求提高“百兆到戶、千兆進樓、百萬兆出口”的網絡能力。另外，還將結合天翼3G移動網絡，打造“高速有線＋3G無線”天地一體無縫覆蓋的高速移

40、動互聯網。</p><p>　　現代的社會生活已經離不開光纖了，但光纖并非一開始就出現了的，它的發(fā)展經歷了漫長的時間變化，經歷了許多代人的努力，才成為了現代通信史上一個巨大的飛躍。本次設計就是帶領大家走進光纖的發(fā)展史，讓大家能更深的了解光纖的演變過程。</p><p><b>　　1.2 論文的構成</b></p><p>　　在本次設計中，首

41、先會帶大家了解從古代如何利用光來進行消息的傳遞到近代光纖的雛形和發(fā)展，雖然本設計主要是對光纖發(fā)展史的研究，但隨后我們也要弄清楚光纖的基本構造和導光原理，然后我們會去探索現代國內外光纖技術的現狀并且了解現代光纖的種類和國內光纖技術的發(fā)展狀況，最后我們在現代光纖的基礎上展望未來的發(fā)展。</p><p>　　2 探索時期的光通信</p><p>　　中國古代用“烽火臺”報警，歐洲人用旗語傳送信息

42、， 這些都可以看作是原始形式的光通信。望遠鏡的出現，又極大地延長了這種目視光通信的距離。不論是烽火臺、望遠鏡，還是旗語，它們都是光通信的不同形式，但是它們有一個共同點，就是利用大氣來傳播可見光，由人眼來接收。也正因為如此，我們才會對它們如此地熟悉，可是這些卻不是真正的意義上的光通信，更不是強大的光通信，真正強大的光通信應該是光纖通信。在這里，應該明確，光通信指的是一切運用光作為載體而傳送信息的所有通信方式的總稱，而不管傳輸所使用的媒質是

43、什么；而光纖通信則是單純地依靠光纖作為媒質來傳送信息的通信方式。</p><p>　　1880年，美國人貝爾(Bell)發(fā)明了用光波作載波傳送話音的“光電話”。這種光電話利用太陽光或弧光燈作光源，通過透鏡把光束聚焦在送話器前的振動鏡片上，使光強度隨話音的變化而變化，實現話音對光強度的調制。在接收端，用拋物面反射鏡把從大氣傳來的光束反射到硅光電池上，使光信號變換為電流， 傳送到受話器。</p>&l

44、t;p>　　由于當時沒有理想的光源和傳輸介質， 這種光電話的傳輸距離很短，并沒有實際應用價值，因而進展很慢。然而， 光電話仍是一項偉大的發(fā)明，它證明了用光波作為載波傳送信息的可行性。因此，可以說貝爾光電話是現代光通信的雛型。 </p><p>　　1960年，美國人梅曼(Maiman)發(fā)明了第一臺紅寶石激光器， 給光通信帶來了新的希望，和普通光相比，激光具有波譜寬度窄，方向性極好， 亮度極高，以及頻率和相

45、位較一致的良好特性。激光是一種高度相干光，它的特性和無線電波相似， 是一種理想的光載波。繼紅寶石激光器之后，氦—氖(He - Ne)激光器、二氧化碳(CO2)激光器先后出現，并投入實際應用。 激光器的發(fā)明和應用， 使沉睡了80年的光通信進入一個嶄新的階段。</p><p>　　在這個時期，美國麻省理工學院利用He - Ne激光器和CO2激光器進行了大氣激光通信試驗。實驗證明：用承載信息的光波， 通過大氣的傳播，實

46、現點對點的通信是可行的，但是通信能力和質量受氣候影響十分嚴重。由于雨、霧、雪和大氣灰塵的吸收和散射，光波能量衰減很大。例如，雨能造成30 dB/km的衰減， 濃霧衰減高達120 dB/km。另一方面，大氣的密度和溫度不均勻，造成折射率的變化，使光束位置發(fā)生偏移。 因而通信的距離和穩(wěn)定性都受到極大的限制，不能實現“全天候”通信。雖然，固體激光器(例如摻釹釔鋁石榴石(Nd: YAG)激光器)的發(fā)明大大提高了發(fā)射光功率，延長了傳輸距離，使大氣

47、激光通信可以在江河兩岸、海島之間和某些特定場合使用， 但是大氣激光通信的穩(wěn)定性和可靠性仍然沒有解決。</p><p>　　為了克服氣候對激光通信的影響，人們自然想到把激光束限制在特定的空間內傳輸。因而提出了透鏡波導和反射鏡波導的光波傳輸系統。透鏡波導是在金屬管內每隔一定距離安裝一個透鏡，每個透鏡把經傳輸的光束會聚到下一個透鏡而實現的。反射鏡波導和透鏡波導相似，是用與光束傳輸方向成45°角的二個平行反射鏡

48、代替透鏡而構成的。這兩種波導， 從理論上講是可行的，但在實際應用中遇到了不可克服的困難。首先，現場施工中校準和安裝十分復雜；其次，為了防止地面活動對波導的影響，必須把波導深埋或選擇在人車稀少的地區(qū)使用。 </p><p>　　由于沒有找到穩(wěn)定可靠和低損耗的傳輸介質， 對光通信的研究曾一度走入了低潮。</p><p><b>　　3 近代光纖通信</b></p

49、><p>　　1966年，英籍華裔學者高錕(C.K.Kao)和霍克哈姆(C.A.Hockham)發(fā)表了關于傳輸介質新概念的論文，指出了利用光纖(Optical Fiber)進行信息傳輸的可能性和技術途徑，奠定了現代光通信——光纖通信的基礎。當時石英纖維的損耗高達1000 dB/km以上，高錕等人指出：這樣大的損耗不是石英纖維本身固有的特性， 而是由于材料中的雜質，例如過渡金屬(Fe、 Cu等)離子的吸收產生的。材料本

50、身固有的損耗基本上由瑞利(Rayleigh)散射決定，它隨波長的四次方而下降，其損耗很小。因此有可能通過原材料的提純制造出適合于長距離通信使用的低損耗光纖。 </p><p>　　如果把材料中金屬離子含量的比重降低到10-6以下，就可以使光纖損耗減小到10 dB/km。再通過改進制造工藝的熱處理提高材料的均勻性，可以進一步把損耗減小到幾dB/km。這個思想和預測受到世界各國極大的重視。</p>&

51、lt;p>　　1970 年，光纖研制取得了重大突破。在當年，美國康寧(Corning)公司就研制成功損耗20 dB/km的石英光纖。它的意義在于：使光纖通信可以和同軸電纜通信競爭，從而展現了光纖通信美好的前景，促進了世界各國相繼投入大量人力物力， 把光纖通信的研究開發(fā)推向一個新階段。1972年，康寧公司高純石英多模光纖損耗降低到4 dB/km。1973 年，美國貝爾(Bell)實驗室取得了更大成績，光纖損耗降低到2.5dB/km。

52、1974 年降低到1.1dB/km。1976 年，日本電報電話(NTT)公司等單位將光纖損耗降低到0.47 dB/km(波長1.2μm)。</p><p>　　在以后的 10 年中，波長為1.55 μm的光纖損耗：1979 年是0.20 dB/km，1984年是0.157 dB/km，1986 年是0.154 dB/km， 接近了光纖最低損耗的理論極限。 </p><p>　　1970 年

53、，作為光纖通信用的光源也取得了實質性的進展。 當年，美國貝爾實驗室、日本電氣公司(NEC)和前蘇聯先后突破了半導體激光器在低溫(-200 ℃)或脈沖激勵條件下工作的限制，研制成功室溫下連續(xù)振蕩的鎵鋁砷(GaAlAs)雙異質結半導體激光器(短波長)。 </p><p>　　雖然壽命只有幾個小時，但其意義是重大的，它為半導體激光器的發(fā)展奠定了基礎。1973 年，半導體激光器壽命達到7000小時。 1977 年，貝爾實

54、驗室研制的半導體激光器壽命達到10萬小時(約11.4年)，外推壽命達到100萬小時，完全滿足實用化的要求。 </p><p>　　在這個期間，1976年日本電報電話公司研制成功發(fā)射波長為1.3 μm的銦鎵砷磷(InGaAsP)激光器，1979年美國電報電話(AT&T)公司和日本電報電話公司研制成功發(fā)射波長為1.55 μm的連續(xù)振蕩半導體激光器。 </p><p>　　由于光纖和半

55、導體激光器的技術進步，使 1970 年成為光纖通信發(fā)展的一個重要里程碑。 </p><p>　　1976 年，美國在亞特蘭大(Atlanta)進行了世界上第一個實用光纖通信系統的現場試驗，系統采用GaAlAs激光器作光源，多模光纖作傳輸介質，速率為44.7 Mb/s，傳輸距離約10 km。1980 年，美國標準化FT - 3光纖通信系統投入商業(yè)應用， 系統采用漸變型多模光纖，速率為44.7 Mb/s。<

56、/p><p>　　隨后美國很快敷設了東西干線和南北干線，穿越22個州 光纜總長達5×104 km。1976 年和 1978 年，日本先后進行了速率為34 Mb/s，傳輸距離為64 km的突變型多模光纖通信系統， 以及速率為100 Mb/s的漸變型多模光纖通信系統的試驗。1983年敷設了縱貫日本南北的光纜長途干線，全長3400 km，初期傳輸速率為400 Mb/s，后來擴容到1.6 Gb/s。隨后，由美、日、

57、 英、法發(fā)起的第一條橫跨大西洋 TAT-8海底光纜通信系統于1988年建成，全長6400 km；第一條橫跨太平洋 TPC-3/HAW-4海底光纜通信系統于1989年建成， 全長13 200 km。 從此，海底光纜通信系統的建設得到了全面展開，促進了全球通信網的發(fā)展。</p><p>　　4 光纖通信技術優(yōu)勢</p><p>　　4.1 頻帶極寬，通信容量大</p><p

58、>　　光纖比銅線或電纜有大得多的傳輸帶寬，光纖通信系統的于光源的調制特性、調制方式和光纖的色散特性。散波長窗口，單模光纖具有幾十GHz·km的寬帶。對于單波長光纖通信系統，由于終端設備的電子瓶頸效應而不能發(fā)揮光纖帶寬大的優(yōu)勢。通常采用各種復雜技術來增加傳輸的容量，特別是現在的密集波分復用技術極大地增加了光纖的傳輸容量。采用密集波分復術可以擴大光纖的傳輸容量至幾倍到幾十倍。目前，單波長光纖通信系統的傳輸速率一般在2.5Gb

59、ps到1OGbps，采用密集波分復術實現的多波長傳輸系統的傳輸速率已經達到單波長傳輸系統的數百倍。巨大的帶寬潛力使單模光纖成為寬帶綜合業(yè)務網的首選介質。</p><p>　　4.2 損耗低，中繼距離長 </p><p>　　目前，實用的光纖通信系統使用的光纖多為石英光纖，此類光纖損耗可低于0.20dB/km，這樣的傳輸損耗比其它任何傳輸介質的損耗都低，因此，由其組成的光纖通信系統的中繼距離

60、也較其他介質構成的系統長得多。</p><p>　　如果將來采用非石英系統極低損耗光纖，其理論分析損耗可下降的更低。這意味著通過光纖通信系統可以跨越更大的無中繼距離;對于一個長途傳輸線路，由于中繼站數目的減少，系統成本和復雜性可大大降低。目前，由石英光纖組成的光纖通信系統最大中繼距離可達200多km，由非石英系極低損耗光纖組成的通信系至數公里，這對于降低通信系統的成本、提高可靠性和穩(wěn)定性具有特別重要的意義。<

61、;/p><p>　　4.3 抗電磁干擾能力強 </p><p>　　我們知道光纖原材料是由石英制成的絕緣體材料，不易被腐蝕，而且絕緣性好。與之相聯系的一個重要特性是光波導對電磁干擾的免疫力，它不受自然界的雷電干擾、電離層的變化和太陽黑子活動的干擾，也不受人為釋放的電磁干擾，還可用它與高壓輸電線平行架設或與電力導體復合構成復合光纜。它是一種非導電的介質，交變電磁波在其中不會產生感生電動勢，即不會

62、產生與信號無關的噪聲。這樣，就是把它平行鋪設到高壓電線和電氣鐵路附近，也不會受到電磁干擾。這一點對于強電領域(如電力傳輸線路和電氣化鐵道)的通信系統特別有利。2.4 光纖徑細、重量輕、柔軟、易于鋪設。 </p><p>　　光纖的芯徑很細，約為0.1mm，由多芯光纖組成光纜的直徑也很小，8芯光纜的橫截面直徑約為10mm，而標準同軸電纜為47mm。這樣采用光纜作為傳輸信道，使傳輸系統所占空間小，解決了地下管道擁擠的

63、問題，節(jié)約了地下管道建設投資。此外，光纖的重量輕，柔韌性好，光纜的重量要比電纜輕得多，在飛機、宇宙飛船和人造衛(wèi)星上使用光纖通信可以減輕飛機、輪船、飛船的重量，顯得更有意義。還有，光纖柔軟可繞，容易成束，能得到直徑小的高密度光纜。</p><p>　　4.4 保密性能好 </p><p>　　對通信系統的重要要求之一是保密性好。然而，隨著科學技術的發(fā)展，電通信方式很容易被人竊聽，只要在明線或

64、電纜附近設置一個特別的接收裝置，就可以獲取明線或電纜中傳送的信息，更不用去說無線通信方式。光纖通信與電通信不同，由于光纖的特殊設計，光纖中傳送的光波被限制在光纖的纖芯和包層附近傳送，很少會跑到光纖之外。即使在彎曲半徑很小的位置，泄漏功率也是十分微弱的。并且成纜以后光纖在外面包有金屬做的防潮層和橡膠材料的護套，這些均是不透光的，因此，泄漏到光纜外的光幾乎沒有。更何況長途光纜和中繼光纜一般均埋于地下。所以光纖的保密性能好。此外，由于光纖中的

65、光信號一般不會泄漏，因此電通信中常見的線路之間的串話現象也可忽略。</p><p>　　5 光纖導光原理和結構</p><p>　　光纖為什么會像金屬導線那樣能夠傳輸信號呢？要明白這個，我們就要先了解光纖的結構和它的導光原理</p><p>　　5.1 光纖結構和主要分類</p><p>　　5.1.1 光纖基本結構</p>&

66、lt;p>　　光纖通信時利用光導纖維來傳輸光波信號的，由直徑大約為0.1mm的細玻璃絲構成。它透明、纖細，雖比頭發(fā)絲還細，卻具有把光封閉在其中并沿軸向進行傳播的導波結構。光纖有不同的結構形式，目前，通信用的光纖絕大多數是用石英材料做成的橫截面很小的雙層同心圓柱體，外層的折射率比內層的低。</p><p>　　光纖呈圓柱形，由纖芯、包層與涂層三大部分組成，纖芯主要采用高純度的SiO2二氧化硅，并摻有少量的摻雜

67、劑，提高纖芯的光折射率 ；包層也是高純度的二氧化硅，也摻雜一些摻雜劑，主要是降低包層的光折射率 ；</p><p>　　涂層采用丙烯酸酯、硅橡膠、尼龍，增加機械強度和可彎曲性。光纜是多根光纖放在放在一個松套管內，內沖石油膏和鋼絲形成的。海底光纜內還有電源線，主要為中繼站的放大器等提供電源。</p><p>　　圖5.1 光纖基本結構</p><p>　　5.1.2

68、 光纖的分類</p><p>　　根據折射率在橫截面上的分布形狀劃分時，有階躍型光纖和漸變型 (梯度型) 光纖兩種。階躍型光纖在纖芯和包層交界處的折射率呈階梯形突變，纖芯的折射率n1和包層的折射率n2是均勻常數。漸變型光纖纖芯的折射率nl隨著半徑的增加而按一定規(guī)律(如平方律、雙正割曲線等) 逐漸減少，到纖芯與包層交界處為包層折射率n2，纖芯的折射率不是均勻常數。 </p><p>　　根據

69、光纖中傳輸模式的多少，可分為單模光纖和多模光纖兩類。單模光纖只傳輸一種模式，纖芯直徑較細，通常在4μm～10μm 范圍內。而多模光纖可傳輸多種模式，纖芯直徑較粗，典型尺寸為50μm左右。 </p><p>　　按制造光纖所使用的材料分，有石英系列、塑料包層石英纖芯、多組分玻璃纖維、全塑光纖等四種。光通信中主要用石英光纖，以后所說的光纖也主要是指石英光纖。 </p><p>　　---- 另

70、外，若按工作波長來分，還可分為短波長光纖和長波長光纖。 ---- 多模光纖可以采用階躍折射率分布，也可以采用漸變折射率分布；單模光纖多采用階躍折射率分布。因此，石英光纖大體可以分為多模階躍折射率光纖、多模漸變折射率光纖和單模階躍折射率光纖等幾種。</p><p><b>　　光纖的導光原理 </b></p><p>　　5.2.1 光傳輸理論</p>

71、<p>　　波動理論與光射線理論</p><p>　　光具有波粒二象性，既可以被看作是光波，又可以被看作是由光子組成的粒子流，所以有兩種分析光纖傳輸特性的理論，即波動理論和光射線理論。波動理論是分析光纖的標準理論，其核心是求解滿足初始條件和邊界條件的麥克斯韋方程，這種分析方法能夠精確地描述光纖的傳輸特性，但涉及的物理數學知識很廣，非常復雜；光射線理論是用幾何光學的分析方法，將光看成是傳播的“光線”，物理

72、描述直觀，可以解決一些實際間題。</p><p>　　對于多模光纖，波動理論的求解十分繁瑣，而且由于傳輸模數量很大，討論個別模的意義不大。用光射線理論進行分析卻簡潔、方便，而且多模光纖的纖芯直徑較大，使用光射線理論的分析結果，與波動理論的結果十分接近。因此分析多模光纖的導光原理大多采用光射線理論。</p><p>　　對于單模光纖，因為其芯徑很小，所以不適合使用光射線理論進行分析，而使用波

73、動理論進行分析更準確。</p><p>　　2、 光頻率和介質對光傳輸的影響</p><p>　　光是一種電磁波。其中光波范圍包括紅外線、可見光、紫外線，其波長范圍為：300μm～6×10?3μm，可見光由紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫七種顏色的連續(xù)光波組成，其中紅光的波長最長，紫光的波長最短。</p><p>　　光纖通信的波譜在1.67 1014Hz～&#

74、215; 3.75×1014Hz之間，即波長在0.8μm～1.8μm 之間，屬于紅外波段，將0.8μm～0.9μm 稱為短波長，1.0μm～1.8μm 稱為長波長，2.0μm 以上稱為超長波長。</p><p>　　光波在真空中，是以光速（c=3×105km /s ）傳播的。不同的光頻率對應不同顏色的光，如頻率f = 500THz (1THz = 1012Hz )，對應的是紅光。光的頻率是由光

75、源決定的，如頻率為231THz 的光，在真空中傳播的波長為1.3μm、速度為c= 3×105km /s ，而在光纖中傳播時，其頻率不變，但速度和波長會改變，分別約為2×105km /s 、1μm,可見光的速度和波長受傳輸介質和頻率的影響。</p><p>　　5.2.2 反射與折射</p><p>　　1、 斯涅耳定律的應用</p><p>　　

76、光在真空中的傳播速度定義為c，光在介質中的傳播速度定義為υ ,則折射率</p><p>　　水的折射率為1.333,空氣的折射率為1.000,石英玻璃的折射率是1.520。光在真空中、介質中的波長分別為 和 ，則有 </p><p><b>　　所以</b></p><p&g

77、t;　　按照光射線理論，當一條光線照射到兩種介質的分界面時，入射光線分成兩束，即反射光線與折射光線。</p><p>　　由斯涅耳定律，反射角與入射角相等，均為 ，且</p><p>　　圖5.2 光的反射與折射</p><p>　　很顯然，入射光被分為兩條光線，即入射光與折射光，且 與 的關系直接影響入射角 與折射角 的關系。這種影響達到一定程度的時候，折射

78、角 將等于或大于90℃，光線的傳播出現全反射的現象。</p><p><b>　　2、全反射</b></p><p>　　已知 (光纖的纖芯折射率)> （包層的折射率），則 < 。若 與 的比值加大到一定值后，則必然使折射角 ，這意味著折射光不再進入包層，而出現在纖芯與包層的分界面（此時的入射角 ，定義為臨界角 ）或返回纖芯，這個現象就是光的全反射。&

79、lt;/p><p><b>　　圖5.3 全反射</b></p><p>　　可以得到，滿足全反射的條件是</p><p>　　可見全反射是光信號在光纖中傳播的必要條件，此時必須滿足c ，光線會在纖芯 區(qū)域內傳播，沒有光“泄漏”到包層中，大大降低了光纖的衰耗，可以實現遠距離傳輸。</p><p>　　5.2.3 光在階躍型

80、光纖中的傳播</p><p>　　對于階躍型光纖，由于纖芯及包層的折射率有 > 的關系，因此完全可以滿足全反射的要求，只要入射角 。在階躍型光纖內，其光線的傳播軌跡將是“之”字形的，為進行定量研究，重繪該圖，如圖所示。</p><p>　　圖5.4 階躍型光纖中的傳播</p><p>　　數值孔徑NA 的定義：數值孔徑NA 是多模光纖的一個重要特性參數，它表

81、征多模光纖集光能力大小及與光源耦合難易的程度，同時對連接損耗、微彎損耗、衰減溫度特性和傳輸帶寬等都有影響。數值孔徑用來表示光纖捕捉光射線的能力，該參數表明，進入光纖的光線的入射角 （臨界角）決定了光纖收集光線的能力，即能夠實現全反射，使光線以可以允許θ的衰耗在光纖中傳播。數值孔徑NA 推導如下：</p><p>　　應用斯涅耳定律，不難得到</p><p>　　因為空氣的折射率為 ，所以

82、</p><p>　　為了滿足全反射， 有</p><p><b>　　=NA</b></p><p><b>　　所以</b></p><p>　　式中，Δ為相對折射率差</p><p>　　從上述推導中，可以發(fā)現數值孔徑NA 就是能夠使光線在光纖中以全內反射的形式進

83、行傳播的入射角 的正弦值，即纖芯與包層折射率平方差的開方。NA 的物理意義在于：它表征了光纖搜集光線的能力。NA 越大，光纖收集光線的能力越強，但并不是越大越好，因為隨著NA的加大，Δ也越大，導致模式色散加大，使光纖傳輸容量變??；NA 與光纖的幾何尺寸無關，只與纖芯和包層的折射率分布有關；CCITT 建議光纖的NA 取值范圍為0.18～0.23。</p><p>　　5.2.4 光在漸變型光纖中的傳播</p

84、><p>　　對于漸變型光纖，使用光射線理論進行定量分析是不合適的，而使用波動理論，利用麥克斯韋方程求解，顯得復雜、艱澀，因此這里只給出相應的定性分析。</p><p>　　在光纖軸心處，折射率最大，沿截面徑向向外，折射率依次變小?？梢栽O想光纖是由許許多多的同心層構成的，其折射率 、 、 …依次減小。這樣光在每個相鄰層的分界面處，均會產生折射現象，其折射角也會大于入射角（因為 > >

85、; ...），其結果是光線在不斷的折射過程中，在纖芯與包層的分界面，產生全反射，全反射光沿該分界面?zhèn)鞑ィ瓷涔鈩t向軸心方向逐層折射，不斷重復以上過程，就會得到光在漸變型光纖中的傳播軌跡。</p><p>　　圖5.5 漸變型光纖中光的傳播</p><p>　　圖5.6 漸變型光纖光傳播軌跡</p><p>　　6 國外光纖發(fā)展現狀</p><p

86、>　　自從英籍華人高錕，發(fā)表論文《光頻介質纖維表面波導》，提出用石英玻璃纖維（光纖）傳送光信號來進行通信，可實現長距離、大容量通信以來，光纖就被普遍的關注著。 </p><p>　　據說康寧公司花費3000萬美元，得到30米光纖樣品，認為非常值得。這一突破，引起整個通信界的震動，世界發(fā)達國家開始投入巨大力量研究光纖通信。1976年，美國貝爾實驗室在亞特蘭大到華盛頓間建立了世界第一條實用化的光纖通信線路，速率

87、為45Mb/s，采用的是多模光纖，光源用的是發(fā)光管LED，波長是0.85微米的紅外光。在上世紀70年代末，大容量的單模光纖和長壽命的半導體激光器研制成功。光纖通信系統開始顯示出長距離、大容量無比的優(yōu)越性。 </p><p>　　按理論計算：就光纖通信常用波長1.3微米和1.55微米波長窗口的容量至少有25000GHz。自然會想到采用多波長的波分復用技術WDM。1996年WDM技術取得突破，貝爾實驗室發(fā)展了WDM技

88、術，美國MCI公司在1997年開通了商用的WDM線路。光纖通信系統的速率從單波長的2.5Gb/s和10Gb/s爆炸性地發(fā)展到多波長Tb/s(1Tb/s=1000Gb/s)傳輸。當今實驗室光系統速率已達10Tb/s，幾乎是用之不盡的，所以它的前景輝煌。70年代，光纖網絡主要用于市內等大容量業(yè)務區(qū)，80年代向市外長途干線發(fā)展，到90年代逐步向用戶方向延伸，即所謂FTTx應用，也就是光纖到路邊（FTTC）、至大樓（FTTB）、光纖到公寓（FT

89、TA），和光纖到戶（FTTH）。自1970年美國康寧公司研制出石英玻璃光導纖維后，同年貝爾又試制成半導體激光器，這兩項新技術的結合，開創(chuàng)了光信息傳輸的新時代，然后日本緊接著研制出通信光纖的損耗是100分貝/千米，康寧公司基于粉末法研制出了損耗在20分貝/千米以下的石英光纖，到最近的摻鍺石英光纖的損耗降低至0. 2分貝/千米，已經接近了石英光纖理論上提出的損耗極限，所以，</p><p>　　6.1 普通單模光纖

90、</p><p>　　符合ITU-T G.652.A規(guī)定的普通單模光纖是最常用的一種光纖。隨著光通信系統的發(fā)展，光中繼距離和單一波長信道容量增大,G.652.A光纖的性能還有可能進一步優(yōu)化，表現在1550nm區(qū)的低衰減系數沒有得到充分的利用和光纖的最低衰減系數和零色散點不在同一區(qū)域。符合ITU-T G.654規(guī)定的截止波長位移單模光纖和符合G.653規(guī)定的色散位移單模光纖實現了這樣的改進。G.653光纖雖然可以使

91、光纖容量有所增加，但是，原本期望得到的零色散因為不能抑制四波混頻，反而變成了采用波分復用技術的障礙。 </p><p>　　為了取得更大的中繼距離和通信容量，采用了增大傳輸光功率和波分復用、密集波分復用技術，此時，傳輸容量已經相當大的G.652普通單模光纖顯得有些性能不足，表現在偏振模色散（PMD）和非線性效應對這些技術應用的限制。在10Gb／s及更高速率的系統中，偏振模色散可能成為限制系統性能的因素之一。光纖的

92、PMD通過改善光纖的圓整度和／或采用“旋轉”光纖的方法得到了改善，符合ITU-T G.652.B規(guī)定的普通單模光纖的PMDQ通常能低于0.5ps／km1/2，這意味著STM-64系統的傳輸距離可以達到大約400km。G.652.B光纖的工作波長還可延伸到1600nm區(qū)。G.652.A和G.652.B光纖習慣統稱為G.652光纖。</p><p>　　傳統的普通單模光纖(G.652光纖)在1310nm波長窗口色散為

93、0，但是損耗較大(0.35dB/km)，在1550nm波長窗口損耗小(0.2dB/km)，但是色散較大(20ps/nm?km)。為了利用光纖的1550nm長窗口的低損耗特性和成熟的光放大技術(EDFA)，而又想具有低色散，可以對光纖的結構進行設計，從而使零色散波長產生位移，設計出了色散位移光纖，即G.653光纖。G.653光纖在1550nm波長窗口的低損耗和低色散特性非常適合光纖孤子通信的需要，在高速光纖孤子通信系統中得到了大量應用，但

94、是它1550rim處的色散為零，在進行WDM時會產生嚴重的FWM效應，不適應波分復用系統的需要。</p><p>　　為了在一根光纖上開放更多的波分復用信道，國外開發(fā)出一種稱為“全波光纖”的單模光纖，它屬于ITU-T 652.C規(guī)定的低水吸收峰單模光纖。在二氧化硅系光纖的譜損曲線上，在第二傳輸窗口1310nm區(qū)（1280nm-1325nm）和第三傳輸窗口1550nm區(qū)（1380nm-1565nm）之間的1383n

95、m波長附近，通常有一個水吸收峰。通過新的工藝技術突破，全波光纖消除了這個水吸收峰，與普通單模光纖相比，在水峰處的衰減降低了2／3，使有用波長范圍增加了100nm，即打開了第五個傳輸窗口1400nm區(qū)（即1350nm-1450nm區(qū)），使原來分離的兩個傳輸窗口連成一個很寬的大傳輸窗口，使光纖的工作波長從1280nm延伸到1625nm。</p><p>　　為了提高光纜傳輸密度，國外開發(fā)了一種多芯光纖。據報道，一種四

96、芯光纖的玻璃體部分呈四瓣梅花狀，涂覆層外形為圓形，其外徑與普通單芯光纖相同（見圖1a）。光纖的折射率分布采用突變型時，光纖的平均衰減在1310nm波長上為0.375±0.01dB／km；在1550nm波長上為0.225±0.01dB／km。這種光纖的接頭采用硅棒加熱可縮套管的方法，其接頭損耗的平均值為0.17dB，標準偏差0.10dB。</p><p>　　6.2 高強度耐彎單模光纖 <

97、/p><p>　　在光通信領域中，高強度耐彎單模光纖是企業(yè)最具競爭力的一種光纖，主要是因為在光纖網建設重點由骨干網向城域網、用戶接入網發(fā)展，高強度耐彎單模光纖主導的全業(yè)務接入網正在成為光纜市場的主要拉動力，其中最具代表性的就是正在迅速發(fā)展的FTTH網絡，高強度耐彎單模光纖特點就是光纖可以沿著建筑拐角施工，從而降低網絡布線的成本。 </p><p>　　6.3 無水峰光纖 </p>

98、<p>　　與傳統的單模光纖相比，無水峰光纖具有下列優(yōu)勢：其一，在全部可用波長范圍內比常規(guī)光纖增加了約一半，可復用的波長數大大增加，可實現超大容量傳輸；其二，可用波長范圍大大擴展后，可以采用稀疏波分復用(CWDM)方案，使用波長間隔較寬、波長精度和穩(wěn)定度要求較低的元件，使元器件特別是無源器件的成本大幅度下降；其三，1350～1450nm波長窗口的光纖色散僅為1550nm波長區(qū)的一半，容易實現高比特率長距離傳輸。 </p

99、><p>　　6.4 大有效面積光纖 </p><p>　　超高速系統的主要性能限制是色散和非線性。通常線性色散可以用色散補償的方法來消除，而非線性的影響卻不能用簡單的線性補償的方法來消除，光纖的有效面積是決定光纖非線性的主要因素。為了適應超大容量長距離密集波分復用系統的應用，大有效面積光纖已經問世。在c波段，由大有效面積光纖構成的以10Gbit/s為基礎的高密集WDM系統信噪比較高，誤碼率較

100、低，光放大器的間隔較長，因而得到了廣泛的應用。 </p><p>　　6.5 寬帶光傳輸用非零色散光纖 </p><p>　　寬帶非零色散平坦光纖以G.656光纖為例，其特點是在工作波長范圍內色散應大于所要求的非零值，有效面積合適，色散斜率基本為零。因此，應用G.656光纖既可顯著降低系統的色散補償成本，又可進一步發(fā)掘石英玻璃光纖潛在的巨大帶寬。使用G.656光纖時，可保證通道間隔100G

101、Hz、40Gbit/s系統至少傳輸400km。</p><p><b>　　7 國內光纖發(fā)展</b></p><p>　　我國的光通信起步較早．1973年，世界光纖通信尚未實用。郵電部武漢郵電科學研究院（當時是武漢郵電學院）就開始研究光纖通信。由于武漢郵電科學研究院采用了石英光纖、半導體激光器和編碼制式通信機正確的技術路線，使我國在發(fā)展光纖通信技術上少走了不少彎路，從

102、而使我國光纖通信在高新技術中與發(fā)達國家有較小的差距。 </p><p>　　我國研究開發(fā)光纖通信正處于十年動亂時期，處于封閉狀態(tài)。國外技術基本無法借鑒，純屬自己摸索，一切都要自己搞，包括光纖、光電子器件和光纖通信系統。就研制光纖來說，原料提純、熔煉車床、拉絲機，還包括光纖的測試儀表和接續(xù)工具也全都要自己開發(fā)，困難極大。武漢郵電科學研究院，考慮到保證光纖通信最終能為經濟建設所用，開展了全面研究，除研制光纖外，還開展

103、光電子器件和光纖通信系統的研制，使我國至今具有了完整的光纖通信產業(yè)。 </p><p>　　1978年改革開放后，光纖通信的研發(fā)工作大大加快。上海、北京、武漢和桂林都研制出光纖通信試驗系統。1982年郵電部重點科研工程“八二工程”在武漢開通。該工程被稱為實用化工程，要求一切是商用產品而不是試驗品，要符合國際CCITT標準，要由設計院設計、工人施工，而不是科技人員施工。從此中國的光纖通信進入實用階段。 </p

104、><p>　　在20世紀80年代中期，數字光纖通信的速率已達到144Mb/s，可傳送1980路電話，超過同軸電纜載波。于是，光纖通信作為主流被大量采用，在傳輸干線上全面取代電纜。經過國家“六五”、“七五”、“八五”和“九五”計劃，中國已建成“八縱八橫”干線網，連通全國各省區(qū)市?，F在，中國已敷設光纜總長約250萬公里。光纖通信已成為中國通信的主要手段。在國家科技部、計委、經委的安排下，1999年中國生產的8×

105、2.5Gb/sWDM系統首次在青島至大連開通，隨之沈陽至大連的32×2.5Gb/sWDM光纖通信系統開通。2005年3.2Tbps超大容量的光纖通信系統在上海至杭州開通，是至今世界容量最大的實用線路。 此時中國已建立了一定規(guī)模的光纖通信產業(yè)。中國生產的光纖光纜、半導體光電子器件和光纖通信系統能供國內建設，并有少量出口。 </p><p>　　有人認為，我國光纖通信主要干線已經建成，光纖通信容量達到Tbp

106、s，幾乎用不完，再則2000年的IT泡沫，使光纖的價格低到每公里100元，幾乎無利可圖。因此不要發(fā)展光纖通信技術了。 </p><p>　　實際上，特別是中國，省內農村有許多空白需要建設；3G移動通信網的建設也需要光纖網來支持；隨著寬帶業(yè)務的發(fā)展、網絡需要擴容等，光纖通信仍有巨大的市場?，F在每年光纖通信設備和光纜的銷售量是上升的。目前．鋪設光纖總長度達2 500萬km．覆蓋了全國省會以上城市和70多地市：參與建設

107、、投資近20條海底光纜．能與世界上70多個國家和地區(qū)進行通信業(yè)務：已基本上掌握了100 Gb／s的同步數字體系高速光通信系統技術、288芯和648芯帶狀光纜生產技術以及應用到同步數字體系高速光通信系統中的光放大器生產技術等。近年來，光通信以年均15％一20％的速度發(fā)展．成為我國與發(fā)達國家之間差距最小的領域之一。但應該看到的是．我國光纖通信設備所需的一些關鍵技術、元器件、材料仍部分依賴進口。所以，今后光傳輸仍應是信息產業(yè)建設發(fā)展的重點．日