光纤通信的发展史及其应用.docVIP

光纤的研究及其应用 伴随着科学技术的发展，人类对于信息交换的需求越来越大，人们已经不能满足于电子通信系统了，由此光纤通信应运而生。信息在光域上的传输、存储、交换技术的突破，为构建起全光网络奠定了物质基础。 光纤即为光导纤维的简称。从原理上看，光纤是构成光纤通信的基本物质要素。光纤除了按制造工艺、材料组成以及光学特性进行分类外，在应用中，光纤常按用途进行分类，可分为通信用光纤和传感用光纤。传输介质光纤又分为通用与专用两种，而功能器件光纤则指用于完成光波的放大、整形、分频、倍频、调制以及光振荡等功能的光纤，并常以某种功能器件的形式出现。Laser Diode 全称：Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation，含义：受激辐射光放大；原理：载流子复合发光，是属于受激辐射；特性：方向性好，色谱纯度性高； LED光谱 LD光谱 由上面可总结出：传统光源不适合用于光纤通信，而LED或者LD可以用于光纤通信。 纯度 方向性 可控性 传统光源 差 差 差 LED 好 差 好 LD 很好 好 好 表1-1 传统光源、LED、LD的比较 对于传输介质，要求：①透明度高；②无序结构；③具有一定的可塑性。首先要明确“透明”的概念——是定义在给定波长的透射率的大小上的。从本质上来说，物质都是透明的。但是，由于瑞丽反射、自由电子的吸收反射以及散射、分子或原子对入射波的吸收与散射、物质结构被破坏以及混有掺杂都会使得物质“不透明”。 传输介质的选择：Ⅰ. 金属——由于有自由电子，会使可见光全反射；Ⅱ. 水——是无序结构，有极高的透明度，但是属于液体，没有可塑性；Ⅲ. 晶体——高度有序，透射率高，具有偏光性，在传输光时会损失能量；Ⅳ. 气体——高透过性，无序性比液体还要高；Ⅴ. 玻璃（SiO2）——不是晶体，是过冷液体进一步降温的产物，属于固态，但是其内部又是液态分布，是无序结构；Ⅵ. 高分子化合物——①完全不结晶（冷固态）：如塑料，透明；②部分结晶：不透明；③全结晶（即晶体）：如病毒，透明。 由上可用于光纤通信的可以是玻璃或者冷固态的高分子化合物。 1966年，英藉、华裔高锟博士（K.C.Kao）在PIEE 杂志上发表论文《光频率的介质纤维表面波导》，从理论上分析证明了用光纤作为传输媒体以实现光通信的可能性，并预言了制造通信用的超低耗光纤的可能性⑴ 多模光纤——光在介质中传输会有很多模 式，如：HEmn，TMmn，TEmn…所以会有模式色散 的产生，故只能用于短距离小容量传输； ⑵单模光纤——当光的波长与直径相差不多时， 传输模式便只有模式HE11，其他模式被截止，携带 图2-1 多模光纤传输前后比对 能量为0，此时无模式色散。 研究光纤，就必须研究光纤的色散与 衰减。光纤的色散包括3种：模式色散、材 料色散、波导色散、偏振模色散。其中，模 式色散是多模光纤所特有的。对于材料色散， 由于光纤实质就是玻璃，而本质就是SiO2， 它对于不同频率的光传播速度不同。波导色散 主要是由于不同波长的的光在同一模式中的传 播速率不同而产生的。偏振模色散主要是由于 光纤在制作过程中半径不一致而产生的，但是 由于量级极小，可忽略。以单模光纤为例，其 色散如图2-2所示，由图可知，波导色散与材 料色散具有相互抵消的可能性。 如图2-3所示，光纤工作波长大约可在 1260nm~1550nm之间，但是实际上在这个工作窗口之间的1400nm附近有一个峰值，此处其主要影响的是氢氧键（OH-）的影响，也正是由于这个原因，所以光纤怕水。要想减小此峰峰值，就必须减小光纤玻璃中的氢氧键，即需要减小其水的含量。 光器件 ⑴ 光放大器： 光纤本身一定具有一定的损耗，光信号在其中只能传输一个固定的距离。为了延长传输距离，必须将光信号放大。传统的做法是采用光再生，但是由于其过程既复杂又耗时，而且成本高，涉及复杂的电子电路，会受到传输速度和宽带的限制。由此便出现了光放大器（OA），它是直接对光信号进行放大的器件。常用的光放大器有：掺稀土元素光纤放大器、拉曼光纤放大器（RFA）。 掺稀土元素放大器主要是利用稀土元素的离子形式的受激辐射原理实现光放大，但是这种方法具有一定的局限性，一种元素只能释放固定波长范围的光信号；拉曼光纤放大器利用的是光纤非线性拉曼散射效应，与掺稀土元素放大器相比，具有一些显著优点——增益高、噪声系数小、放大范围宽。 主要应用于越洋长途光通信系统中。光缆是一定数量的光纤按照一定方式组成缆心，外包有护套，有的还包覆外护层，用以实现光信号传输的一种通信线路。即由光纤经过一定的工艺而形