摘要：塑料光纖POF之所以能傳光是因?yàn)楣饫w具有芯皮結(jié)構(gòu)，光在POF中傳輸是按全反射原理進(jìn)行的，光在SIPOF中的傳輸方式為全反射式鋸齒型，光在GIPOF中的傳輸方式為正弦曲線型；子午線就是光線的傳播路徑始終經(jīng)過光纖軸并在同一平面內(nèi)，選用子午線進(jìn)行了參數(shù)計(jì)算，這些參數(shù)計(jì)算包括最大入射角或發(fā)射光角度、數(shù)值孔徑、子午線在階躍型光纖中的幾何行程及反射次數(shù)；側(cè)面發(fā)光POF和熒光POF也是按全反射原理進(jìn)行傳光的，對(duì)于單芯側(cè)面發(fā)光POF多是由非固有損耗導(dǎo)致側(cè)面發(fā)光，而對(duì)于多芯側(cè)面發(fā)光POF則是由彎曲損耗產(chǎn)生側(cè)面發(fā)光的。熒光POF經(jīng)過特定波長(zhǎng)光激發(fā)后發(fā)出特定波長(zhǎng)的光，而且激發(fā)光不僅可從端面入射，而且可從側(cè)面入射。

關(guān)鍵詞：聚合物光纖，塑料光纖，POF,傳光,原理

1．前言

光纖自身不能發(fā)光，但光纖可以傳光，用于照明；光纖照明所選用的光纖，按照光纖材質(zhì)的不同，通?？煞譃槭⒐饫w、多組分玻璃光纖和塑料光纖POF等，本文主要介紹POF的傳光原理，其它的光纖傳光原理同POF的傳光原理是一致的。

人們很早就觀察到光在透明柱體中通過多次全反射向前傳播的現(xiàn)象，他們就是古代的玻璃吹制藝人。而首次科學(xué)闡述這一現(xiàn)象的，卻是英國(guó)皇家學(xué)會(huì)的約翰·丁達(dá)爾向英國(guó)皇家學(xué)會(huì)演示了一個(gè)著名的實(shí)驗(yàn)，他當(dāng)時(shí)用一只盛滿水的器皿，讓水從器皿的側(cè)孔中流出，這時(shí)投射在水中的光也隨著水流傳導(dǎo)出來。

1880年，威廉·惠勒(WilliamWheeler)提出“管道照明”的設(shè)想，并獲得美國(guó)專利，這是有案可查的最早的“遙控照明”裝置，其基本原理是：用內(nèi)壁涂有反射層的管子把中心光源的光象自來水一樣引至若干個(gè)需要照明的地點(diǎn),這實(shí)際上是光纖用于照明的雛形，光纖照明系統(tǒng)簡(jiǎn)單地就可以看作是和上述的“管道系統(tǒng)”相類似的一個(gè)系統(tǒng)，在這個(gè)系統(tǒng)中，所傳輸?shù)慕橘|(zhì)是光，而用以傳輸光的“管道”就是光纖，光纖可以把光線從光源處傳輸至需要照明的特定區(qū)域。1954年，《自然》雜志發(fā)表了Hopkin''''s和Kapany成功地用一束10,000到20,000的纖維來傳輸圖像的文章,VanHeel發(fā)現(xiàn)低折射率光纖包層的作用，纖維的圖像傳輸?shù)某晒?shí)現(xiàn)和光纖包層的提出這兩個(gè)進(jìn)步標(biāo)志著光導(dǎo)纖維作為一個(gè)新興學(xué)科的誕生,1966年,英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)電信研究所英籍華裔科學(xué)家高錕(K.C.Kao)博士和G.A.Hockham在詳細(xì)研究了玻璃的傳輸損耗后,撰寫的文章《用于光頻的介質(zhì)纖維表面波導(dǎo)》發(fā)表在倫敦電氣工程師協(xié)會(huì)（IEE）會(huì)刊上，他們從理論上指出:如果減少或消除光導(dǎo)纖維中的有害雜質(zhì)如過渡金屬離子，可大大降低光纖傳輸損耗,提高光纖的傳光能力，從而推動(dòng)了光纖制造工藝的研究。美國(guó)杜邦DuPont公司亦在這一年向市場(chǎng)推出了世界上第一根POF[1]，POF就是光纖的一種,而光纖用于光纖照明的基本原理是利用光線在不同折射率介質(zhì)的界面發(fā)生全反射，實(shí)現(xiàn)光在光纖中的高效傳輸以及光纖與光源的充分耦合，并通過與各種光學(xué)元件的組合，達(dá)到需要的照明效果，為了解光在光纖中的傳輸方式,現(xiàn)介紹子午光線在POF中的傳輸特性。

摘要：光纖通信不僅可以應(yīng)用在通信的主干線路中，也可以在電力通信控制系統(tǒng)中發(fā)揮作用，進(jìn)行工業(yè)監(jiān)測(cè)、控制，現(xiàn)在在軍事上也被廣泛應(yīng)用，基于各領(lǐng)域?qū)π畔⒘康男枨蟛粩嘣鲩L(zhǎng)，光纖通信技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì)也備受關(guān)注。一條完整的光纖鏈路除受光纖本身質(zhì)量影響外，還取決于光纖鏈路現(xiàn)場(chǎng)的施工工藝和環(huán)境。本文探討了光纖通信技術(shù)的主要特征及發(fā)展趨勢(shì)，和它以光纖鏈路為基礎(chǔ)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。

關(guān)鍵詞：光纖通信技術(shù)特點(diǎn)發(fā)展趨勢(shì)光纖鏈路現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

1光纖通信技術(shù)

光纖通信是利用光作為信息載體、以光纖作為傳輸?shù)耐ㄐ欧绞??？梢园压饫w通信看成是以光導(dǎo)纖維為傳輸媒介的“有線”光通信。光纖由內(nèi)芯和包層組成，內(nèi)芯一般為幾十微米或幾微米，比一根頭發(fā)絲還細(xì)；外面層稱為包層，包層的作用就是保護(hù)光纖。實(shí)際上光纖通信系統(tǒng)使用的不是單根的光纖，而是許多光纖聚集在一起的組成的光纜。由于玻璃材料是制作光纖的主要材料，它是電氣絕緣體，因而不需要擔(dān)心接地回路；光波在光纖中傳輸，不會(huì)發(fā)生信息傳播中的信息泄露現(xiàn)象；光纖很細(xì)，占用的體積小，這就解決了實(shí)施的空間問題。

2光纖通信技術(shù)的特點(diǎn)

2.1頻帶極寬，通信容量大。光纖的傳輸帶寬比銅線或電纜大得多。對(duì)于單波長(zhǎng)光纖通信系統(tǒng)，由于終端設(shè)備的限制往往發(fā)揮不出帶寬大的優(yōu)勢(shì)。因此需要技術(shù)來增加傳輸?shù)娜萘?，密集波分?fù)用技術(shù)就能解決這個(gè)問題。

【摘要】分析光纖通信技術(shù)的發(fā)展歷史與特點(diǎn),并對(duì)光纖通信技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

【關(guān)鍵詞】光纖通信技術(shù)的發(fā)展特點(diǎn)前景

一、光纖通信的歷史

光纖通信的誕生與發(fā)展是電信史上的一次重要革命。1966年,美籍華人高錕(C.K.Kao)和霍克哈姆(C.A.Hockham),預(yù)見了低損耗的光纖能夠用于通信,敲開了光纖通信的大門,引起了人們的重視。

1970年,美國(guó)康寧公司首次研制成功損耗為20dB/km的光纖,光纖通信時(shí)代由此開始。1977年美國(guó)在芝加哥相距7000米的兩電話局之間,首次用多模光纖成功地進(jìn)行了光纖通信試驗(yàn)。8.5微米波段的多模光波為第一代光纖通信系統(tǒng)。1981年又實(shí)現(xiàn)了兩電話局間使用1.3微米多模光纖的通信系統(tǒng),為第二代光纖通信系統(tǒng)。1984年實(shí)現(xiàn)了1.3微米單模光纖的通信系統(tǒng),即第三代光纖通信系統(tǒng)。80年代中后期又實(shí)現(xiàn)了1.55微米單模光纖通信系統(tǒng),即第四代光纖通信系統(tǒng)。用光波分復(fù)用提高速率,用光波放大增長(zhǎng)傳輸距離的系統(tǒng),為第五代光纖通信系統(tǒng)。新系統(tǒng)中,相干光纖通信系統(tǒng),已達(dá)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)水平,將得到應(yīng)用。光孤子通信系統(tǒng)可以獲得極高的速率,20世紀(jì)末或21世紀(jì)初可能達(dá)到實(shí)用化。

二、光纖技術(shù)發(fā)展的特點(diǎn)

本文作者：張?jiān)聢@1張躍進(jìn)2周薇2劉志偉2作者單位：1華東交通大學(xué)2華東交通大學(xué)

強(qiáng)度調(diào)制格式在高速光傳輸系統(tǒng)中的性能

對(duì)NRZ、RZ、CS-RZ、DRZ、MD-RZ這幾種強(qiáng)度調(diào)制格式在高速單通道光傳輸系統(tǒng)中抗色散性能和抗非線性性能進(jìn)行研究和分析，比較五種碼型調(diào)制格式在色散容限，非線性容限，傳輸距離上的優(yōu)勢(shì)及不足，有利于光纖傳輸系統(tǒng)中選擇合適的碼型調(diào)制格式，降低系統(tǒng)的傳輸損傷，提高系統(tǒng)的傳輸性能。不同強(qiáng)度調(diào)制格式的抗非線性效應(yīng)研究主要是通過改變?nèi)肜w光功率，改變非線性效應(yīng)對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?，通過眼圖張開度代價(jià)和Q因子這兩個(gè)指標(biāo)來評(píng)價(jià)系統(tǒng)性能。而研究強(qiáng)度調(diào)制格式的色散容忍度，則是通過增大色散系數(shù)，增強(qiáng)色散對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?，通過眼圖張開度代價(jià)來表征抗色散能力[4]。非線性效應(yīng)對(duì)高速光纖通信傳輸系統(tǒng)中信號(hào)傳輸?shù)挠绊懯謬?yán)重，主要是因?yàn)殡S著傳輸速率的增高和傳輸距離的加長(zhǎng)，光信號(hào)在光纖傳輸中受到的非線性效應(yīng)會(huì)越顯著。調(diào)制格式的非線性容忍度在很大程度上決定了各種調(diào)制格式的傳輸性能，研究不同相位調(diào)制格式在高速傳輸系統(tǒng)中的抗非線性能力很重要。由于光纖的非線性效應(yīng)和色散關(guān)系緊密，因此采用的色散補(bǔ)償方式不同，信號(hào)受到非線性效應(yīng)的影響也不相同，引入較好的色散補(bǔ)償方式可以減小非線性效應(yīng)對(duì)信號(hào)的影響。我們忽略光纖的偏振模色散和光放大器的自發(fā)輻射對(duì)信號(hào)的影響，保留色散，在色散完全補(bǔ)償?shù)那闆r下，比較采用對(duì)稱色散補(bǔ)償時(shí)各種相位調(diào)制格式的抗非線性能力。利用OptiSystem光通信仿真軟件對(duì)幾種強(qiáng)度調(diào)制格式在高速單通道光傳輸系統(tǒng)中的抗非線性能力、抗色散能力進(jìn)行仿真和比較，對(duì)強(qiáng)度調(diào)制格式的實(shí)現(xiàn)以及傳輸性能進(jìn)行仿真分析，建立合理的光纖傳輸系統(tǒng)是關(guān)鍵。將幾種強(qiáng)度調(diào)制格式分別在40Gb/s單信道光纖傳輸系統(tǒng)進(jìn)行傳輸實(shí)驗(yàn)，具體分析NRZ、RZ、CSRZ、DRZ、MD-RZ調(diào)制格式的抗非線性效應(yīng)能力、抗色散能力，具體的系統(tǒng)配置如圖1所示。此系統(tǒng)包括光發(fā)送端、傳輸線路和光接收端三部分。光發(fā)送端主要包括不同調(diào)制格式的產(chǎn)生裝置；傳輸線路包括50km標(biāo)準(zhǔn)單模光纖和10km色散補(bǔ)償光纖以及光放大器；光接收端主要包括光濾波器、PIN檢測(cè)器和分析儀。調(diào)制后的信號(hào)首先經(jīng)過摻鉺光纖放大器（EDFA）進(jìn)行預(yù)放大，送入一個(gè)可調(diào)的衰減器，此衰減器用來控制光纖的入纖功率。每一跨段傳輸線路傳輸50km標(biāo)準(zhǔn)單模光纖，采用10km色散補(bǔ)償光纖（DCF）進(jìn)行色散補(bǔ)償。采用的是對(duì)稱補(bǔ)償方式，即每一跨段用到三個(gè)EDFA補(bǔ)償SMF和DCF的衰減，DCF位于兩段SMF之間，兩段SMF的距離相等。此系統(tǒng)中激光器的頻率為193.1THz，傳輸鏈路由n個(gè)跨段組成?？梢酝ㄟ^改變跨段數(shù)目來改變光纖傳輸距離。摻鉺光纖放大器EDFA的增益指數(shù)為5dB，噪聲指數(shù)為6dB。接收端采用的濾波器有貝塞爾光濾波器和低通貝塞爾濾波器兩種：貝塞爾光濾波器是一個(gè)160GHz帶寬，0dB插入損耗，深度100dB的一階濾波器；低通貝塞爾濾波器的截止頻率為32GHz，插入損耗0dB，深度100dB，階數(shù)為4。PIN檢測(cè)器響應(yīng)率為1A/W，暖電流為10nA。接收端可通過3R再生器，直接連接到誤碼率分析儀，從分析儀中可以得到仿真數(shù)據(jù)，如誤碼率、Q因子、眼圖等。

強(qiáng)度調(diào)制格式在高速光傳輸系統(tǒng)中的仿真

在高速光纖傳輸系統(tǒng)中，光信號(hào)會(huì)受到色散和非線性效應(yīng)的雙重影響，所以合理而有效地選擇光纖參數(shù)對(duì)傳輸系統(tǒng)來說是非常重要的[5]。設(shè)置光纖的參數(shù)需要多次調(diào)試和完善，方可達(dá)到所需效果。通過衰減器控制光纖的入纖光功率，改變其大小引起光纖非線性的大小發(fā)生變化，然后測(cè)量受非線性影響的接收信號(hào)的眼圖張開度，與背靠背情況下的眼圖張開度進(jìn)行比較，從而得到眼圖張開度代價(jià)。通過比較達(dá)到規(guī)定的1dB眼圖張開度代價(jià)時(shí)所允許的最大入纖光功率來比較NRZ、RZ、CSRZ、DRZ、MD-RZ調(diào)制格式的非線性容限。由于光纖的非線性效應(yīng)和色散關(guān)系緊密，采用的色散補(bǔ)償方式不同，信號(hào)受到非線性效應(yīng)的影響也不相同，引入較好的色散補(bǔ)償方式可以減小非線性效應(yīng)對(duì)信號(hào)的影響。忽略光纖的偏振模色散和光放大器的自發(fā)輻射對(duì)信號(hào)的影響，保留色散，在色散完全補(bǔ)償?shù)那闆r下，比較采用對(duì)稱色散補(bǔ)償?shù)那闆r下各種相位調(diào)制格式的抗非線性能力。從強(qiáng)度調(diào)制格式的眼圖張開度代價(jià)隨入纖光功率變化的仿真結(jié)果可以看出，這幾種強(qiáng)度調(diào)制格式的眼張開代價(jià)都隨著入纖光功率的增大而緩慢增加，其中MDRZ和DRZ有比較良好的抗非線性效應(yīng)能力，達(dá)到1dB眼圖張開度代價(jià)時(shí)，入纖光功率分別達(dá)到了5.6dBm和5dBm。這幾種強(qiáng)度調(diào)制格式中，MD-RZ的非線性容限最大,抗非線性能力最好；DRZ次之；RZ和CSRZ的非線性容忍度相當(dāng)；NRZ的非線性容限最小。總之，歸零調(diào)制格式的抗非線性能力比非歸零調(diào)制格式抗非線性能力要好。因?yàn)镽Z和CSRZ調(diào)制格式受色散影響會(huì)導(dǎo)致光脈沖快速展寬和脈沖峰值功率迅速降低,所以受非線性的影響相對(duì)于NRZ碼要小。通常用Q因子表征系統(tǒng)的誤碼率，來反映光傳輸系統(tǒng)的性能，在測(cè)試中，通過仿真比較，當(dāng)入纖光功率為0dBm時(shí)，NRZ、RZ、CSRZ、DRZ和MD-RZ這五種強(qiáng)度調(diào)制格式的Q因子隨傳輸距離的改變而變化。從強(qiáng)度調(diào)制格式的Q因子隨傳輸距離變化的仿真結(jié)果顯示，各種強(qiáng)度調(diào)制格式Q因子都隨著傳輸距離的增加而減小，只是不同強(qiáng)度調(diào)制格式Q因子減小的幅度不同。入纖光功率較低，不會(huì)引起大的非線性效應(yīng)，而且光纖的色散已經(jīng)通過對(duì)稱補(bǔ)償方式完全補(bǔ)償，該條件下主要是由于光放大器的自發(fā)輻射噪聲限制了傳輸距離。在這幾種強(qiáng)度調(diào)制格式中DRZ和MD-RZ的傳輸性能最好，因?yàn)樗鼈兊腝因子隨傳輸距離的增加而下降地比較緩慢，比較適合長(zhǎng)距離高速率系統(tǒng)傳輸；CSRZ調(diào)制格式的Q因子變化趨勢(shì)小于RZ的Q因子變化趨勢(shì)，說明CSRZ比RZ更適合長(zhǎng)距離的傳輸。很明顯可以看出，NRZ傳輸距離為600多千米時(shí)，Q因子已經(jīng)下降到了6dB以下，所以NRZ調(diào)制格式不適合高速率長(zhǎng)距離傳輸。我們比較了強(qiáng)度調(diào)制格式NRZ、RZ、CSRZ、DRZ和MD-RZ在高速單通道光傳輸系統(tǒng)中抗色散性能和抗非線性性能，以及這五種調(diào)制格式在色散容忍度、非線性容忍度、傳輸距離上的優(yōu)勢(shì)及不足。CSRZ、RZ抗非線性效應(yīng)能力均強(qiáng)于NRZ碼；在單信道傳輸系統(tǒng)中，DRZ和改進(jìn)型的MDRZ調(diào)制格式的抗非線性性能比較好，適合長(zhǎng)距離的傳輸。RZ的色散容忍度最小，NRZ比RZ有更高的頻譜效率，因而有更好的色散容忍度。CSRZ碼比RZ碼有更高的頻譜效率，更高的色散容忍度和非線性容忍度，更適合長(zhǎng)距離傳輸。

結(jié)束語

一、光纖通信技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

對(duì)光纖通信而言,超高速度、超大容量和超長(zhǎng)距離傳輸一直是人們追求的目標(biāo),而全光網(wǎng)絡(luò)也是人們不懈追求的夢(mèng)想。

1.超大容量、超長(zhǎng)距離傳輸技術(shù)波分復(fù)用技術(shù)極大地提高了光纖傳輸系統(tǒng)的傳輸容量,在未來跨海光傳輸系統(tǒng)中有廣闊的應(yīng)用前景。近年來波分復(fù)用系統(tǒng)發(fā)展迅猛,目前1.6Tbit/的WDM系統(tǒng)已經(jīng)大量商用,同時(shí)全光傳輸距離也在大幅擴(kuò)展。提高傳輸容量的另一種途徑是采用光時(shí)分復(fù)用(OTDM)技術(shù),與WDM通過增加單根光纖中傳輸?shù)男诺罃?shù)來提高其傳輸容量不同,OTDM技術(shù)是通過提高單信道速率來提高傳輸容量,其實(shí)現(xiàn)的單信道最高速率達(dá)640Gbit/s。

僅靠OTDM和WDM來提高光通信系統(tǒng)的容量畢竟有限,可以把多個(gè)OTDM信號(hào)進(jìn)行波分復(fù)用,從而大幅提高傳輸容量。偏振復(fù)用(PDM)技術(shù)可以明顯減弱相鄰信道的相互作用。由于歸零(RZ)編碼信號(hào)在超高速通信系統(tǒng)中占空較小,降低了對(duì)色散管理分布的要求,且RZ編碼方式對(duì)光纖的非線性和偏振模色散(PMD)的適應(yīng)能力較強(qiáng),因此現(xiàn)在的超大容量WDM/OTDM通信系統(tǒng)基本上都采用RZ編碼傳輸方式。WDM/OTDM混合傳輸系統(tǒng)需要解決的關(guān)鍵技術(shù)基本上都包括在OTDM和WDM通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)中。

2.光孤子通信。光孤子是一種特殊的ps數(shù)量級(jí)的超短光脈沖,由于它在光纖的反常色散區(qū),群速度色散和非線性效應(yīng)相互平衡,因而經(jīng)過光纖長(zhǎng)距離傳輸后,波形和速度都保持不變。光孤子通信就是利用光孤子作為載體實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離無畸變的通信,在零誤碼的情況下信息傳遞可達(dá)萬里之遙。

光孤子技術(shù)未來的前景是:在傳輸速度方面采用超長(zhǎng)距離的高速通信,時(shí)域和頻域的超短脈沖控制技術(shù)以及超短脈沖的產(chǎn)生和應(yīng)用技術(shù)使現(xiàn)行速率10-20Gbit/s提高到100Gbit/s以上;在增大傳輸距離方面采用重定時(shí)、整形、再生技術(shù)和減少ASE,光學(xué)濾波使傳輸距離提高到100000km以上;在高性能EDFA方面是獲得低噪聲高輸出EDFA。當(dāng)然實(shí)際的光孤子通信仍然存在許多技術(shù)難題,但目前已取得的突破性進(jìn)展使人們相信,光孤子通信在超長(zhǎng)距離、高速、大容量的全光通信中,尤其在海底光通信系統(tǒng)中,有著光明的發(fā)展前景。