第1章 光纤通信概述
1.1 光纤通信
本章简要介绍光纤通信的基本概念、发展简史及其突出的优点。
1.1.1 光纤通信的概念
所谓光纤通信，就是利用光纤来传输携带信息的光波以达到通信之目的。
要使光波成为携带信息的载体，必须在发射端对其进行调制，而在接收端把信息从光波中检测出来（解调）。依目前技术水平，大部分采用强度调制与直接检测方式（IM-DD）。
典型的数字光纤通信系统方框图如图1-1所示。
图1-1 数字光纤通信系统
从图1-1可以看出，数字光纤通信系统基本上由光发射机、光纤与光接收机组成。在发射端，电端机把模拟信息（如话音）进行模/数转换，用转换后的数字信号去调制发射机中的光源器件（一般是半导体激光器LD），则光源器件就会发出携带信息的光波。如当数字信号为“1”时，光源器件发射一个“传号”光脉冲；当数字信号为“0”时，光源器件发射一个“空号”（不发光）。光波经光纤传输后到达接收端。在接收端，光接收机把数字信号从光波中检测出来送给电端机，而电端机再进行数/模转换，恢复成原来的模拟信息。就这样完成了一次通信的全过程。
1.2 光纤基础
1.2.1 光纤的结构
通信用光纤主要是由纤芯和包层构成，包层外是涂覆层，整根光纤呈圆柱形。光纤的典型结构如图1-2所示。
图1-2 光纤的典型结构
纤芯的粗细、纤芯材料和包层材料的折射率，对光纤的特性起着决定性的影响。图1-3所示为常用光纤三种基本类型。
图1-3 常用光纤三种基本类型
按照光在光纤中传输模式的不同，分为单模光纤和多模光纤。单模光纤的纤芯直径极细，一般不到10?m，如图1-5（a）所示；多模光纤的纤芯直径较粗，通常在50?m左右。但从光纤的外观上来看，两种光纤区别不大。
从图中可以看出，在纤芯和包层横截面上，折射率剖面有两种典型的分布。对于多模光纤而言，一种是纤芯和包层折射率沿光纤径向分布都是均匀的，而在纤芯和包层的交界面上，折射率呈阶梯形突变，这种光纤称为突变型光纤，如图1-5（b）所示；另一种是纤芯的折射率不是均匀常数，而是随纤芯径向坐标增加而逐渐减小，一直渐变到等于包层折射率值，因而将这种光纤称为渐变型光纤，如图1-5（c）所示。这两种光纤剖面的共同特点是：纤芯的折射率n1大于包层折射率n2，这也是光信号在光纤中传输的必要条件。对于突变型光纤而言，它可以使光波在纤芯和包层的交界面形成全反射，引导光波沿纤芯向前传播；对于渐变型光纤而言，它可以使光波在纤芯中产生连续折射，形成穿过光纤轴线的类似于正弦波的光射线，引导光波沿纤芯向前传播，两种光射线轨迹如图1-5（b）、（c）所示。
1.2.2 光纤的基本特性
1. 衰减系数
光纤的损耗主要包括吸收损耗、散射损耗、弯曲损耗三种，在弯曲半径较大的情况下，弯曲损耗对光纤衰减系数的影响不大，决定光纤衰减系数的损耗主要是吸收损耗和散射损耗。
吸收损耗是制造光纤的材料本身造成的，是光纤中过量金属杂质和氢氧根离子OH-吸收光而产生的光功率损耗。
散射损耗通常是由于光纤材料密度的微观变化，以及所含SiO2、GeO2和P2O5等成分的浓度不均匀，使得光纤中出现一些折射率分布不均匀的局部区域，从而引起光的散射，将一部分光功率散射到光纤外部引起损耗；或者在制造光纤的过程中，在纤芯和包层交界面上出现某些缺陷、残留一些气泡和气痕等。这些结构上有缺陷的几何尺寸远大于光波，引起与波长无关的散射损耗，并且将整个光纤损耗谱曲线上移，但这种散射损耗相对前一种散射损耗而言要小得多。