光纖通信系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)782頁完整版課件第1章

光纖通信緒論

內(nèi)容提要光纖通信概論光纖傳輸原理及傳輸特性基本光纖通信器件光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì)SDH/MSTP光同步網(wǎng)絡(luò)DWDM/OTN光傳送網(wǎng)絡(luò)

PTN分組傳送網(wǎng)城域與接入光網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)代光通信系統(tǒng)全光通信網(wǎng)提問？光纖通信系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)在信息通信流程中所處的位置？光纖通信是否完全可以代替電纜？光通信就是指光纖通信？您認(rèn)為光纖通信目前在哪些領(lǐng)域里用？還可以在哪些領(lǐng)域里用？第一章光纖通信概論內(nèi)容提要§1光纖通信系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀§2光纖通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展現(xiàn)狀§3光纖通信發(fā)展與演變趨勢§4現(xiàn)代光通信技術(shù)特點(diǎn)與進(jìn)展1.1光纖通信系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀*基本概念1.通信----通信?電纜通信?光纖通信?

通信?相互傳遞信息.電纜通信?

以電(磁)波(較高頻率)為信息載波,以電纜為傳輸媒介的通信方式。光纖通信?

光纖通信是以激光(光波)作為信息載體，以光纖作為傳輸媒介的通信方式。電纜通信與光纖通信區(qū)別?

*通信系統(tǒng)？光纖通信系統(tǒng)？光纖傳輸系統(tǒng)？電纜通信系統(tǒng)？電纜傳輸系統(tǒng)？

2．通信分類光通信分類：有線---光纖通信無線---可視距離的光通信如搖控、海事通信。電通信分類：有線---電纜（對稱電纜/射頻同軸電纜/圓波導(dǎo)）信通。無線---可視距離微波/衛(wèi)星/移動/個(gè)人通信。1.1.1光纖通信特點(diǎn)及發(fā)展簡史光纖通信是以相干性和方向性極好的激光束作為載體來攜帶信息，并利用光纖來進(jìn)行傳輸?shù)耐ㄐ欧绞?。由于光纖的傳光性能優(yōu)異，傳輸帶寬極大，現(xiàn)在已形成了以光纖通信為主，微波、衛(wèi)星和電纜通信為輔的通信網(wǎng)絡(luò)格局。通信發(fā)展始終在追求兩大目標(biāo)，一是遠(yuǎn)距離傳輸，二是大容量通信。人們知道無論是無線電通信，還是有線電通信都是以電磁波為載體進(jìn)行的，而電磁波的頻譜很寬，其情況如圖1-1所示。1.1光纖通信系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

圖1-1電磁波譜（1）由于光波頻率高，可供利用的頻帶極寬，尤其適合高速寬帶信息的傳輸，在高速通信干線寬帶綜合業(yè)務(wù)通信網(wǎng)絡(luò)中，發(fā)揮著越來越大的作用。（2）由于光纖的傳輸損耗很低，現(xiàn)已做到0.2dB/km以下，因而可以大大增加通信無中繼距離。這對于長途干線和海底傳輸十分有利，在采用了先進(jìn)的相干光通信，光放大器和光孤子通信技術(shù)之后，無中繼通信距離可提高到幾百千米甚至上千千米。（3）光纖傳輸是限制在光纖內(nèi)的，光能幾乎不會向外輻射，因此不存在光纜中各光纖之間信號串?dāng)_，很難被竊聽，信號傳輸質(zhì)量高，保密性好。（4）光纖抗電磁干擾能力很強(qiáng)，這對于電氣鐵路和高壓電力線附近的通信極為有利，也不怕雷擊和其他工業(yè)設(shè)備的電磁干擾，因此在一些要求防爆的場合使用光纖通信是十分安全的。（5）光纖幾何尺寸小，細(xì)如發(fā)絲，可繞性好，可多根成纜，便于敷設(shè)。光纖重量輕，特別適用于飛機(jī)、輪船、衛(wèi)星和宇宙飛船。（6）光纖的化學(xué)性能穩(wěn)定，耐化學(xué)侵蝕、抗高溫、不打火花，適用于特殊環(huán)境。（7）光纖是石英玻璃拉制成形的，原料資源豐富，節(jié)約有色金屬。光纖通信有其明顯的優(yōu)缺點(diǎn):光纖通信同時(shí)存在以下一些缺點(diǎn)：（1）光纖彎曲半徑不宜過小，否則可能引起較大的衰減。（2）光纖的連接操作技術(shù)要求高，需專用設(shè)備。（3）光纖的分路、耦合操作較困難、煩瑣。表1.1光纖與電纜、波導(dǎo)的特性比較傳輸介質(zhì)頻率帶寬衰減系數(shù)/（dB/km）一般傳輸距離/km敷設(shè)安裝接續(xù)市話對稱電纜4kHz1.64（線徑0.4mm）1～5方便方便5類雙絞線100MHz24（dB/100m）(90～100)m方便方便細(xì)同軸電纜30MHz4.1（dB/100m）180m.方便較方便粗同軸電纜800MHz7.1（dB/100m）500m方便較方便微波波導(dǎo)2～24GHz0.015～0.3（dB/m）<100m特殊特殊單模光纖≥10～100GHz0.2（注1）～0.36（注2）>50方便特殊注1：當(dāng)光波波長為1.55m時(shí)的值。注2：當(dāng)光波波長為1.31m時(shí)的值。表1.2

光纖的特點(diǎn)及其應(yīng)用場合光纖特點(diǎn)應(yīng)用場合低衰減、寬頻帶尺寸小、重量輕抗電磁干擾耐化學(xué)侵蝕應(yīng)變傳感特性公用通信、計(jì)算機(jī)通信、有線電視圖像傳輸飛機(jī)、導(dǎo)彈、航空航天、船艦內(nèi)的通信控制電力及鐵道通信，交通控制信號，核電站通信油田、煉油廠、礦井等區(qū)域的通信光纖橋梁工程結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)監(jiān)測光纖通信的發(fā)展史一.光器件的發(fā)展

1960年，美國人梅曼（Maiman）發(fā)明了第一臺紅寶石（AL2O3）激光器

1962年半導(dǎo)體激光器出現(xiàn)，材料為GaAS。

1970年，首次研制出在室溫下連續(xù)工作的雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器.紅寶石激光器及其三能級圖

紅寶石激光器紅寶石激光器三能級圖二．光纖的發(fā)展

1966年，華裔科學(xué)家高錕（C.K.Kao）根據(jù)介質(zhì)波導(dǎo)理論提出光纖作為光通信傳輸媒質(zhì)的概念，由此高錕榮獲2009年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。1970年，美國康寧公司首次研制出階躍多模光纖，其在波長為630nm處的衰減系數(shù)小于20dB／km.1972年，康寧公司將梯度多模光纖的衰減系數(shù)降至4dB/km。

1966年，英籍華人學(xué)者高錕

發(fā)表一篇題為《用于光頻的介質(zhì)纖維表面波波導(dǎo)》的文章，文章提出可以從石英中提煉超純的細(xì)絲狀纖維，并用于光頻成為光波導(dǎo)；指出利用光纖進(jìn)行信息傳輸?shù)目赡苄院图夹g(shù)途徑.根據(jù)介質(zhì)波導(dǎo)理論共同提出光纖通信的概念。

2009.10.5高錕獲諾貝爾物理獎(jiǎng)

光纖之父“他們?yōu)槿粘Ｉ顜碓S多實(shí)用的創(chuàng)新，為科學(xué)探索提供了新工具?！痹u獎(jiǎng)委員會在聲明中說，高錕因?yàn)樵凇肮鈱W(xué)通訊領(lǐng)域的光傳輸方面的突破性成就”獲獎(jiǎng)。

評委會指出，高錕1966年發(fā)現(xiàn)如何通過光學(xué)玻璃纖維遠(yuǎn)距離傳輸光信號，這成為電話和高速互聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代通訊網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的基石?！袄靡桓儍舻牟ＡЮw維，可以將光信號傳輸100多公里，而60年代時(shí)的光纖只能傳輸20米?！苯裉煳淖?、音樂、圖片和圖像在一眨眼間傳遍全球”，高錕功不可沒。1973年,美國貝爾實(shí)驗(yàn)室將衰減系數(shù)降至2.5dB／km1976年，日本電報(bào)電話公司(NTT))在進(jìn)一步設(shè)法降低玻璃中的OH含量時(shí)發(fā)現(xiàn)光纖的衰減在長波長區(qū)有：1310nm和1550nm兩個(gè)窗口。衰減系數(shù)降至0.45dB／km(1200nm)1980年，原料提純和光纖制備工藝得到不斷完善，使光纖的傳輸窗口由850nm移至1310nm、1550nm的進(jìn)程。在1550nm的衰減系數(shù)為0.20dB／km已接近理論值。三.光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展光纖通信的發(fā)展可以粗略地分為三個(gè)階段：

第一階段（1966～1976年）.在這個(gè)時(shí)期，短波長=0.85μm,低速率=45或34Mb／s多模光纖通信系統(tǒng)，無中繼傳輸距離約10km.

第二階段（1976～1986年）。在這個(gè)時(shí)期，光纖從多模發(fā)展到單模，工作波長從短波長=0.85μm發(fā)展到長波長=1.31μm(和1.55μm),傳輸速率=140～565Mb／s的單模光纖通信系統(tǒng)．中繼傳輸距離為100～50km。

第三階段（1986～1996年），在這個(gè)時(shí)期，實(shí)現(xiàn)了1.55μm色散移位單模光纖通信系統(tǒng)。傳輸速率=2.5～10Gb/s，無中繼傳輸距離=150～100km。第四階段（1996～近年），主要研究光纖通信新技術(shù)，例如，超大容量的密集波分復(fù)用技術(shù)使最高速率達(dá)到256×40Gbit/s=10Tbit/s和超長距離的光孤子通信技術(shù)等四．光纖通信發(fā)展現(xiàn)狀

目前人們正涉足第五階段光纖通信系統(tǒng)的研究和開發(fā)，至少具有四大特征：超寬帶——單根光纖傳輸容量Tbit/s以上；超長距離——光放大距離可達(dá)數(shù)千千米；光交換——克服電交換瓶頸；智能化——智能光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。。

圖

八橫八縱光纖網(wǎng)絡(luò)圖

表1.3光通信發(fā)展史古代光通信烽火臺、夜間信號燈、水面上的航標(biāo)燈1880年美國人貝爾發(fā)明了光電話（光源為陽光，接收器為硒管，傳輸介質(zhì)為大氣）20世紀(jì)60年代1960年，美國發(fā)明了第一臺紅寶石激光器，并進(jìn)行了透鏡陣列傳輸光的實(shí)驗(yàn)1961年，制成氦一氖（He-Ne）氣體激光器1962年，制成砷化鎵半導(dǎo)體激光器1966年，英籍華人高錕就光纜傳輸?shù)那熬鞍l(fā)表了具有歷史意義的論文，此時(shí)光纖損耗約為1

000dB/km20世紀(jì)70年代1970年，美國康寧公司研制成功損耗為20dB/km的石英光纖1970年，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室和日本NEC公司先后研制成功室溫下連續(xù)振蕩的GaAlAs雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器20世紀(jì)80年代提高傳輸速率，增加傳輸距離，大力推廣應(yīng)用，光纖通信在海底通信獲得應(yīng)用20世紀(jì)90年代摻鉺光纖放大器（EDFA）的應(yīng)用迅速得到了普及，密集波分復(fù)用（DWDM）系統(tǒng)實(shí)用化21世紀(jì)先進(jìn)的調(diào)制技術(shù)、超強(qiáng)FEC糾錯(cuò)技術(shù)、電子色散補(bǔ)償技術(shù)、偏振復(fù)用相干檢測技術(shù)，以及有源和無源器件集成模塊大量問世，出現(xiàn)了以40Gbit/s和100Gbit/s為基礎(chǔ)的DWDM系統(tǒng)應(yīng)用1.1.2光纖通信系統(tǒng)與發(fā)展現(xiàn)狀

圖1-2光纖通信系統(tǒng)可以傳輸數(shù)字信號也可以傳輸模擬信號，傳輸?shù)男畔⒂性捯?、圖象、數(shù)據(jù)和多媒體業(yè)務(wù)。1光纖通信系統(tǒng)模型圖1-2光纖通信系統(tǒng)構(gòu)成示意圖2.光纖通信系統(tǒng)的現(xiàn)狀（1）模擬光纖通信系統(tǒng)的現(xiàn)狀

傳輸模擬信號的光纖通信系統(tǒng)稱為模擬光纖通信系統(tǒng)，模擬光纖通信系統(tǒng)的典型應(yīng)用場景是工業(yè)控制的單路電視系統(tǒng)和光纖有線電視（CATV）的多路傳輸系統(tǒng)。（2）數(shù)字光纖通信系統(tǒng)的現(xiàn)狀

傳輸數(shù)字信號的光纖通信系統(tǒng)稱為數(shù)字光纖通信系統(tǒng)，數(shù)字光纖通信系統(tǒng)有PDH和SDH兩種傳輸體制。

PDH/SDH數(shù)字光纖通信系統(tǒng)長途或中繼線圖1-3數(shù)字光纖通信系統(tǒng)原理圖圖1-4給出了一個(gè)32波分復(fù)用系統(tǒng)，即32×STM-64組成的光纖通信系統(tǒng)。圖1-432×STM-64DWDM光纖通信系統(tǒng)原理圖

1.2光纖通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展

及現(xiàn)狀1.2.1通信網(wǎng)概念#光纖通信網(wǎng)從電信的業(yè)務(wù)來分，

①電話網(wǎng)、②電報(bào)網(wǎng)、③傳真通信網(wǎng)、④計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)網(wǎng)⑤圖像通信網(wǎng)及⑥有線電視網(wǎng)等。

#就按服務(wù)區(qū)域范圍分為：①長途骨干網(wǎng)、②本地網(wǎng)以及③用戶接入網(wǎng)。光纖通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)質(zhì)上是由①用戶終端設(shè)備、②傳輸設(shè)備、③交換設(shè)備和④相應(yīng)的信令、⑤協(xié)議、⑥標(biāo)準(zhǔn)、資費(fèi)制度與質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)等軟件構(gòu)成。通信網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)主要有網(wǎng)狀、星狀、復(fù)合型、環(huán)狀和總線型等，如圖1-5所示。將各類網(wǎng)型結(jié)合起來，網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)就會合理得多。圖1-5通信網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D1.2.2光纖通信網(wǎng)絡(luò)模型光纖通信網(wǎng)從電信的業(yè)務(wù)來分，有電話網(wǎng)、電報(bào)網(wǎng)、傳真通信網(wǎng)、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)網(wǎng)、圖像通信網(wǎng)及有線電視網(wǎng)等；按服務(wù)區(qū)域范圍分為：長途骨干網(wǎng)、本地網(wǎng)以及用戶接入網(wǎng)。一個(gè)完整光纖通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)質(zhì)上是由用戶終端設(shè)備、傳輸設(shè)備、交換設(shè)備和相應(yīng)的信令、協(xié)議、標(biāo)準(zhǔn)、資費(fèi)制度與質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)等軟件構(gòu)成圖1-6光纖通信網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D1.2.3光纖通信網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀

光纖通信網(wǎng)絡(luò)不僅適用于電信業(yè)務(wù)網(wǎng)，而且也廣泛適用于有線電視網(wǎng)、計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)、光互聯(lián)網(wǎng)等信息網(wǎng)絡(luò)。1．光纖通信在長途骨干網(wǎng)、本地網(wǎng)中的應(yīng)用骨干網(wǎng)、本地網(wǎng)中繼傳輸主要以光纖傳輸（通信）系統(tǒng)為主，其結(jié)構(gòu)如圖1-2所示。2．光纖通信在用戶接入網(wǎng)中的應(yīng)用光纖接入網(wǎng)是指在用戶接入網(wǎng)中采用光纖作為主要傳輸媒質(zhì)來實(shí)現(xiàn)用戶信息傳送的應(yīng)用形式。光纖接入網(wǎng)的主要優(yōu)點(diǎn)是可以傳輸寬帶業(yè)務(wù)，如高速數(shù)據(jù)下載業(yè)務(wù)、IPTV業(yè)務(wù)和圖像傳送業(yè)務(wù)等，且傳輸質(zhì)量好、可靠性高。網(wǎng)徑一般較小，可不需要中繼器等。圖1-7給出了一種光纖接入網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖，它將光纖引入千家萬戶保正多媒體信息暢通無阻。3．光纖通信在電視、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)中的應(yīng)用利用光纖作為有線電視（CATV）的干線傳輸媒質(zhì)，可大大提高信號傳輸質(zhì)量，為多功能、大容量的信息傳送提供了基礎(chǔ)。然而，目前做到光纖到戶成本很高，難于大規(guī)模實(shí)現(xiàn)。因此，目前CATV網(wǎng)的最佳選擇是光纖、同軸電纜混合（HFC）傳輸方式?；诠饫w通信網(wǎng)絡(luò)容易建成高速率計(jì)算機(jī)網(wǎng)，如可將計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)連在如圖1-8所示的分前端，借助光纖通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。4．光纖通信在計(jì)算機(jī)校園網(wǎng)中的應(yīng)用利用光纖通信系統(tǒng)可容易地傳輸1

000Mbit/s計(jì)算機(jī)校園網(wǎng)的數(shù)據(jù)信號，其結(jié)構(gòu)如圖1-9所示。圖1-7光纖接入網(wǎng)示例圖1-8電視、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖圖1-9計(jì)算機(jī)校園網(wǎng)組成1.3光纖通信發(fā)展與演變趨勢1.3.1光纖、光纜發(fā)展與演變趨勢由于光纖傳輸速率的逐步高速化、大容量化（例如：美國MCI于1991年開通了Chicago至St.Louis全長442.57km的4×10Gbit/s的商用系統(tǒng)等），光纖衰減、色散、非線性效應(yīng)等現(xiàn)象嚴(yán)重影響到光纖通信系統(tǒng)的質(zhì)量，因而，人們已將光纖的工作波長由850nm向1310nm~1550nm的長波長移動，進(jìn)而向2000nm波長區(qū)域擴(kuò)展。為降低衰減、色散和非線性效應(yīng)，相繼研制出了應(yīng)用廣泛的常規(guī)單模光纖（ITU—TG.652），其在1310nm為零色散，在1550nm為最低損耗，工作波長為1310nm；色散位移單模光纖（ITU—TG.653），其低損耗和零色散均在1550nm，工作波長為1550nm；截止波長位移單模光纖（ITU—TG.654），其在1550nm衰減僅為0.15dB/km；非色散位移單模光纖（ITU—TG.655）,其在1550nm損耗小，色散小，非線性效應(yīng)小；寬帶光傳送的非零色散光纖（ITU—TG.656）；用于接入網(wǎng)彎曲衰減不敏感的單模光纖（ITU—TG.657）。1.3.2光纖通信系統(tǒng)發(fā)展與演變趨勢隨著信息社會的到來，信息共享、有線電視、電視點(diǎn)播、電視會議、家庭辦公、計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)等應(yīng)運(yùn)而生，迫使光纖通信向高速化、大容量發(fā)展。實(shí)現(xiàn)高速化、大容量的主要手段是采用時(shí)分復(fù)用，波分復(fù)用和頻分復(fù)用。現(xiàn)代電信網(wǎng)的發(fā)展對光纖通信提出更高的要求，光纖通信已由以往單信道的光纖通信系統(tǒng)向多信道的波分復(fù)用系統(tǒng)發(fā)展。采用波分復(fù)用技術(shù)充分利用光纖的寬低損耗區(qū)，在不改變現(xiàn)有光纖通信線路的基礎(chǔ)上，可以很容易地成倍提高光纖通信系統(tǒng)的容量。目前多波長復(fù)用（DWDM）加摻鉺光纖放大器（EDFA）的高速光纖通信系統(tǒng)發(fā)展成為主流。實(shí)用的DWDM系統(tǒng)工作在8~32個(gè)波長，每個(gè)波長可傳輸2.5Gbit/s或10Gbit/s。1.3.3光纖通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展與演變趨勢

1.信道容量不斷增加目前，實(shí)用化的單通道速率已由155Mbit/s到32×10Gbit/s，160×10Gbit/s系統(tǒng)也已投入商用。在實(shí)驗(yàn)室，NEC實(shí)現(xiàn)了274×40Gbit/s系統(tǒng)；阿爾卡特實(shí)現(xiàn)了256×40Gbit/s系統(tǒng)；西門子實(shí)現(xiàn)了176×40Gbit/s系統(tǒng)。2.超長距離傳輸目前，實(shí)用化的距離傳輸已由40km到160km。拉曼光纖放大器的出現(xiàn)，為進(jìn)一步增大無中繼距離創(chuàng)造了條件。在實(shí)驗(yàn)室，無電中繼的傳輸距離已從600km增加到4000km。3.光傳輸與交換技術(shù)融合實(shí)用化的點(diǎn)到點(diǎn)通信的WDM系統(tǒng)具有巨大的傳輸容量，但其靈活性和可靠性不夠理想。采用光分插復(fù)用器（OADM）和光交叉連接設(shè)備（OXC）實(shí)現(xiàn)光聯(lián)網(wǎng)，發(fā)展自動交換光網(wǎng)絡(luò)ASON。預(yù)計(jì)在未來10年內(nèi)的超高速網(wǎng)絡(luò)中，采用原來DXC設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)將走向采用OXC設(shè)備的光傳送網(wǎng)。其關(guān)鍵技術(shù)是DWDM傳輸、光放大、光節(jié)點(diǎn)處理及多信道管理等。據(jù)報(bào)道，256×256全光交叉連接設(shè)備已研制出來。4.光纖接入網(wǎng)光纖接入網(wǎng)從廣義上包括光數(shù)字環(huán)路載波系統(tǒng)（ODLC）和無源光網(wǎng)絡(luò)（PON）兩類。ODLC不是新技術(shù)，是結(jié)合了開放的接口V5.1/V5.2，在美國受到重視；PON技術(shù)在德國和日本受到重視，它以ATM與PON結(jié)合形成APON，或以Ethernet與PON結(jié)合形成EPON，傳輸速率可達(dá)155Mbit/s或622Mbit/s甚至1Gbit/s，可以提供經(jīng)濟(jì)高效的語音、IP數(shù)據(jù)、視頻廣播等多媒體傳送平臺，并有效地利用網(wǎng)絡(luò)資源。1.4現(xiàn)代光通信技術(shù)特點(diǎn)與進(jìn)展

光通信系統(tǒng)既有有線的光纖通信系統(tǒng)，也有無線的光通信系統(tǒng)。目前光纖通信系統(tǒng)中所用的光收發(fā)信機(jī)大多采用的是IM-DD方式，其優(yōu)點(diǎn)是調(diào)制、解調(diào)簡單，且成本低，足以滿足現(xiàn)在的通信需求，其缺陷是受限于傳輸容量和距離?，F(xiàn)代光通信技術(shù)，即相干光通信、光孤子通信、光時(shí)分復(fù)用通信、光碼分復(fù)用通信和光量子通信技術(shù)，恰好彌補(bǔ)IM-DD光纖通信系統(tǒng)的不足。1.4.1相干光通信技術(shù)特點(diǎn)與進(jìn)展

相干光通信，在發(fā)射端將要傳輸?shù)碾娦盘枌廨d波進(jìn)行振幅、頻率和相位調(diào)制（而不像IM調(diào)制只是改變光載波的光強(qiáng)度），在接收端則采用零差檢測或外差檢測等相干檢測技術(shù)進(jìn)行信息的接收。相干光通信具有以下特點(diǎn)：

接收機(jī)的接收靈敏度高，傳輸?shù)闹欣^距離長。

接收機(jī)的頻率選擇性好?？梢猿浞掷霉饫w低損耗光譜區(qū)（1.25～1.6mm），提高光纖通信系統(tǒng)容量。有一定的色散補(bǔ)償效應(yīng)，通信容量大。

提供多種調(diào)制方式。在相干光通信中，除可以對光進(jìn)行幅度調(diào)制外，還可以使用頻率和相位等多種調(diào)制格式。

相干光通信技術(shù)經(jīng)過二十年的蟄伏期，再一次受到國際學(xué)術(shù)界的關(guān)注。從2005年至今，美國、日本、德國、荷蘭、英國、中國等每年有相關(guān)研究文章發(fā)表。相干光通信方面的理論研究正在逐年升溫，商品化研發(fā)也在緩慢進(jìn)行。2006年美國DISCOVERY公司推出了帶寬2.5Gbit/s及10Gbit/s的外差檢測相干光接收機(jī)，在帶寬為10Gbit/s、誤碼率為10-9時(shí)靈敏度可達(dá)-30dBm，集成的相干接收機(jī)體積比普通電腦機(jī)箱小，便于運(yùn)輸和野外工作。此外，相干光通信的一大熱點(diǎn)在于星間光鏈路通信。但大規(guī)模的應(yīng)用也不會在短期內(nèi)出現(xiàn)。1.4.2光孤子通信技術(shù)特點(diǎn)與進(jìn)展光孤子理論的出現(xiàn)，對現(xiàn)代光通信技術(shù)發(fā)展的兩個(gè)方向（一是大容量傳輸，二是延長中繼距離）起到了里程碑的作用，被認(rèn)為是第五代光纖通信系統(tǒng)。光孤子通信具有以下特點(diǎn)：傳輸容量大。傳輸速率一般可達(dá)20Gbit/s，最高可達(dá)100Gbit/s以上。光孤子傳輸由于波形保持不變，決定了其誤碼率大大低于常規(guī)光纖通信，甚至可實(shí)現(xiàn)誤碼率低于10-12的無差錯(cuò)光纖通信?？梢圆挥霉庵欣^站。只要對光纖損耗進(jìn)行增益補(bǔ)償，可將光信號無畸變地傳輸極遠(yuǎn)距離，從而免去了光電轉(zhuǎn)換、整形放大、判決再生、電光轉(zhuǎn)換、再重新發(fā)送等復(fù)雜過程。光孤子通信的現(xiàn)狀與展望，如圖1-10所示圖1-10光孤子通信現(xiàn)狀與展望1.4.3光時(shí)分復(fù)用通信技術(shù)特點(diǎn)與進(jìn)展光時(shí)分復(fù)用（OpticalTime-DivisionMultiplexing，OTDM）和電時(shí)分復(fù)用類似，是指光域的數(shù)字信號時(shí)分復(fù)用，是把一條復(fù)用信道劃分成若干個(gè)時(shí)隙，每個(gè)基帶數(shù)據(jù)光脈沖流分配占用一個(gè)時(shí)隙，N個(gè)基帶信道復(fù)用成高速光數(shù)據(jù)流信號進(jìn)行傳輸。圖1-11所示的光時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)原理就是將多個(gè)高速調(diào)制光信號轉(zhuǎn)換為等速率光信號，然后放在光發(fā)射器里利用超窄光脈沖進(jìn)行時(shí)域復(fù)用，將其調(diào)制為更高速率的光信號然后再放到光纖里進(jìn)行傳輸。對于限制傳輸速率容量的電子瓶頸就得到了有效的解決。圖1-11光時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)原理OTDM技術(shù)具有以下特點(diǎn)可簡單地接入極高的線路速率（高達(dá)幾百吉比特每秒）。支路數(shù)據(jù)可具有任意速率等級，并和現(xiàn)在的技術(shù)（如SDH）兼容。由于是單波長傳輸，大大簡化了放大器級聯(lián)管理和色散管理。網(wǎng)絡(luò)的總速率雖然很高，但在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)只需以本地的低數(shù)據(jù)速率工作。OTDM和WDM的結(jié)合可支撐未來超高速光通信網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)。1.4.4光碼分復(fù)用通信技術(shù)特點(diǎn)與進(jìn)展光碼分復(fù)用（OpticalCodeDivisionMultiplex，OCDM）是一種充分利用現(xiàn)有光纖帶寬的復(fù)用技術(shù)。OCDM技術(shù)具有以下特點(diǎn)ODCM技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)光信號的直接復(fù)用與交換，能動態(tài)分配帶寬，且擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)容易，網(wǎng)管簡單，因此非常適用于實(shí)時(shí)性、高突發(fā)、高速率和高保密性的通信業(yè)務(wù)。通過給用戶分配碼字實(shí)現(xiàn)多址接入，可以在無交換中心的情況下實(shí)現(xiàn)點(diǎn)到點(diǎn)、點(diǎn)到多點(diǎn)的通信，并且一個(gè)節(jié)點(diǎn)的故障不影響系統(tǒng)中其他節(jié)點(diǎn)，用戶可以即時(shí)接入，時(shí)延也很小。具有很高的保密性、安全性。信號處理簡單，沒有像光波分復(fù)用系統(tǒng)那樣對波長具有嚴(yán)格的要求，也不需要光時(shí)分復(fù)用那樣嚴(yán)格的時(shí)鐘同步，從而大大降低了收發(fā)設(shè)備的成本。1.4.5光量子通信特點(diǎn)與進(jìn)展量子通信是指利用量子糾纏效應(yīng)進(jìn)行信息傳遞的一種新型的通信方式。光量子通信主要基于量子糾纏態(tài)的理論，使用量子隱形傳態(tài)（傳輸）的方式實(shí)現(xiàn)信息傳遞。根據(jù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，具有糾纏態(tài)的兩個(gè)粒子無論相距多遠(yuǎn)，只要一個(gè)發(fā)生變化，另外一個(gè)也會瞬間發(fā)生變化，利用這個(gè)特性實(shí)現(xiàn)光量子通信。1.4.6自由空間光通信技術(shù)特點(diǎn)與進(jìn)展自由空間光通信（FreeSpaceOptics，F(xiàn)SO）是指以激光光波作為載波，大氣作為傳輸介質(zhì)的光通信系統(tǒng)。FSO結(jié)合了光纖通信與微波通信的優(yōu)點(diǎn)，既具有大通信容量、高速傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)，又不需要鋪設(shè)光纖，因此各技術(shù)強(qiáng)國在FSO領(lǐng)域投入大量人力物力，并取得了很大進(jìn)展。FSO是由兩臺激光通信機(jī)構(gòu)成的通信系統(tǒng)，它們相互向?qū)Ψ桨l(fā)射被調(diào)制的激光脈沖信號（聲音或數(shù)據(jù)），接收機(jī)解調(diào)來自對方的激光脈沖信號，實(shí)現(xiàn)雙工通信。FSO系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)

減少了不必要的E/O轉(zhuǎn)換，一條鏈路現(xiàn)在只需要2個(gè)O/E接口即可，大大降低了成本。

易于升級及維護(hù)，當(dāng)用戶的帶寬增加時(shí)，只需要對放置在室內(nèi)的系統(tǒng)進(jìn)行升級即可，免去了復(fù)雜繁瑣的對準(zhǔn)過程。

基于光纖耦合的空間光通信系統(tǒng)能夠很好地與現(xiàn)有的光纖通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)合，利用現(xiàn)有的比較成熟的光纖通信系統(tǒng)中的器件如發(fā)射接收模塊，EDFA和WDM中所用到的復(fù)用器和解復(fù)用器。

可以與光碼分多址復(fù)用技術(shù)（OCDMA）相結(jié)合，構(gòu)成自由空間OCDMA系統(tǒng)，進(jìn)一步擴(kuò)大系統(tǒng)的帶寬。FSO和其他無線通信相比，具有不需要頻率許可證、頻率寬、成本低廉、保密性好，誤碼率低、安裝快速、抗電磁干擾，組網(wǎng)方便靈活等優(yōu)點(diǎn)第2章光纖傳輸原理及傳輸特性制作人：郵箱：

光纖通信系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)內(nèi)容提要：2.1光纖和光纜的結(jié)構(gòu)及類型2.2光纖傳輸原理分析2.3光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.4光纖的傳輸特性

在光纖通信系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)中，光纖作為光波傳輸?shù)牧己媒橘|(zhì)，尤其是石英系列光纖得到了廣泛的應(yīng)用。光纖的傳輸特性對光纖通信的傳輸質(zhì)量起決定作用。本章從應(yīng)用角度介紹光纖和光纜類型與特性。2.1光纖和光纜的結(jié)構(gòu)及類型2.1光纖和光纜的結(jié)構(gòu)及類型光纖？光纜？所謂“光纖”就是工作在光頻下的一種圓柱體介質(zhì)波導(dǎo)，它引導(dǎo)光能沿著軸線平行方向傳輸。所謂“光纜”就是由多根光纖和加強(qiáng)構(gòu)件以及外護(hù)層構(gòu)成。

2.1.1．光纖結(jié)構(gòu)及類型

1.光纖結(jié)構(gòu)圖2-1光纖結(jié)構(gòu)光纖可依據(jù)材料、波長、傳導(dǎo)模式、纖芯折射率分布、制造方法的不同，將其分為多種，如圖2-2所示。2．光纖的分類圖2-2光纖的分類按模式來分

1)多模光纖（Step-IndexFiber/Graded-IndexFiber）

2)單模光纖：

①雙包層光纖

②三角芯光纖

圖2-3典型特種單模光纖SiO2+GeO2SiO2+FSiO2③橢圓芯光纖：保偏單模光纖。

④熊貓光纖：保偏狀態(tài)；⑤蝴蝶光纖：保偏狀態(tài)

圖2-4幾種保偏光纖的截面結(jié)構(gòu)按ITU-T已給的建議，光纖可分為多模光纖G.651，單模光纖G.652、G.653、G.654、G.655、G.656、G.657；還有其他相關(guān)的單模光纖，如色散平坦光纖（DFF）和色散補(bǔ)償光纖（DCF）。至今已有G.651～G.657等系列光纖產(chǎn)品種類，在抑制色散上各有獨(dú)道之處，各種光纖的適用范圍見表2.1表2.1各種光纖適用范圍圖2-6幾種典型的光纖折射率分布圖O2O2O2O2O2O2單模光纖的波段劃分從G.656光纖的應(yīng)用范圍可知，它適用S+C+L三個(gè)波段。單模光纖的波段劃分見表所示。O波段（原始波段Original）E波段（擴(kuò)展波段-Extended）S波段（短波段-Short）C波段（常規(guī)波Conventional）L波段

（長波段-Long）U波段（超長波段-Ultralong）1326～1360nm1360～1460nm1460～1530nm1530～1560nm1565～1625nm1625～1675nm表2.2單模光纖的波段劃分

2.1.2．光纜結(jié)構(gòu)及類型

1．層絞式光纜2.骨架式光纜

3.中心束管式光纜帶狀結(jié)構(gòu)光纜

常用的室內(nèi)光纜都是非金屬的，可分為4種類型，即多用途室內(nèi)光纜、分支光纜、互連光纜和皮線光纜，如圖2-11～2-14所示。

（1）多用途室內(nèi)光纜圖2-11所示為48芯多用途室內(nèi)光纜的結(jié)構(gòu)。圖2-1148芯多用途室內(nèi)光纜的結(jié)構(gòu)（2）分支光纜分支光纜用于各光纖的獨(dú)立布線和分支，圖2-12所示為一個(gè)8芯分支光纜結(jié)構(gòu)。圖2-128芯分支光纜結(jié)構(gòu)（3）互連光纜互連光纜是為計(jì)算機(jī)、過程控制和辦公室布線系統(tǒng)等進(jìn)行語言、數(shù)據(jù)、視頻，圖像傳設(shè)備互連所設(shè)計(jì)的光纜，其結(jié)構(gòu)通常為單纖或雙纖結(jié)構(gòu)，圖2-13為雙纖結(jié)構(gòu)。這些光纜里的光纖常為G.657，主要優(yōu)點(diǎn)是連接容易、直徑細(xì)、彎曲半徑小。圖2-13雙纖互連光纜結(jié)構(gòu)（4）皮線光纜圖2-142芯入戶皮線光纜結(jié)構(gòu)常用的特種光纜主要有電力系統(tǒng)光纜、海底光纜和野戰(zhàn)軍用光纜等，如圖2-15、圖2-16所示。（1）電力系統(tǒng)光纜其結(jié)構(gòu)如圖2-15所示。

圖2-15架空地線光纜（OPGW）結(jié)構(gòu)（2）海底光纜圖2-16海底光纜結(jié)構(gòu)海底光纜是為將陸地型光纖傳輸能力延伸至無中繼站的海底應(yīng)用而設(shè)計(jì)的光纜。野戰(zhàn)軍用光纜及特種軍用光纜是為野戰(zhàn)部隊(duì)的戰(zhàn)術(shù)通信、雷達(dá)車的信息傳輸、導(dǎo)彈制、導(dǎo)魚雷制導(dǎo)等應(yīng)用而設(shè)計(jì)的光纜。2.1.3光纜型號、規(guī)格及特性圖2-17

光纜型號與規(guī)格組成圖1．光纜型號代碼及意義

（1）分類代碼及其意義GY——通信用野外光纜；

GR——通信用軟光纜GJ——通信用局內(nèi)光纜

；

GS——通信用設(shè)備內(nèi)光纜GH——通信用海底光纜；

GT——通信用特殊光纜GW——通信用無金屬光纜；GM——通信用移動式光纜

（2）加強(qiáng)件代碼及意義

無符號——金屬加強(qiáng)件F——非金屬加強(qiáng)件G——金屬重型加強(qiáng)件H——非金屬重型加強(qiáng)件X——兩根分散加強(qiáng)件

（3）派生（結(jié)構(gòu)特征）的代碼及意義

B——扁平式結(jié)構(gòu)；C——自承式結(jié)構(gòu)T——填充式結(jié)構(gòu)；D——帶狀結(jié)構(gòu)G——骨架槽結(jié)構(gòu)；Z——阻燃結(jié)構(gòu)X——中心束管結(jié)構(gòu)（4）護(hù)套代碼及意義

Y——聚乙烯護(hù)套V——聚氯乙烯護(hù)套U——聚氨酯護(hù)套A——鋁一聚乙烯粘接護(hù)套L——鋁護(hù)套G——鋼護(hù)套（5）外護(hù)套代碼及意義（外護(hù)套是指鎧裝層及鎧裝層外邊的外護(hù)層，外護(hù)套的代碼兩位數(shù)字組成。第一位數(shù)字:鎧裝層材料，第一位數(shù)字:外護(hù)層材料）表2.3外護(hù)套的代碼及含義代碼鎧裝層材料代碼外被層或外套材料3/33單/雙細(xì)圓鋼絲鎧裝1纖維外被4/44單/雙粗圓鋼絲鎧裝2聚氯乙烯套5單鋼帶皺紋縱包鎧裝3聚乙烯套2雙鋼帶鎧裝4聚乙烯套加覆尼龍?zhí)譍YFTY——GYTA53（GY*TA53）——

2．光纜中光纖規(guī)格代碼及意義光纜規(guī)格由五大部分構(gòu)成，均用代號表示。按下列順序排列：光纖纖數(shù)光纖類別光纖尺寸工作波長損耗常數(shù)α

模式帶寬適用溫度ⅠⅡⅢⅣ(a)Ⅳ(bb)Ⅳ(cc)Ⅴ（1）光纖纖數(shù)用光纜中同一類別光纖的實(shí)際數(shù)字表示．（2）光纖類別J——SiO2系列多模漸變光纖T——SiO2系列多模階躍光纖Z——SiO2系列多模準(zhǔn)突變型光纖D——SiO2系列單模光纖B1——SiO2的G.652單模光纖X——SiO2芯、塑料包層光纖S——全塑光纖（3）光纖主要尺寸參數(shù)及意義用阿拉伯?dāng)?shù)（含小數(shù)點(diǎn)數(shù)）及以m為單位表示多模光纖的纖芯/包層的直徑，如50/125，單位為m或單模光纖的模場直徑/包層直徑，單位為m。（4）傳輸特性代碼及意義（由a，bb及cc共三組數(shù)字構(gòu)成。）

光纖傳輸特性代碼由使用波長的代碼a、衰減常數(shù)的代碼bb及模式帶寬的代碼cc三組數(shù)字構(gòu)成。（5）適用溫度代碼及意義·A——適用于-40～+40（℃）；

·B——適用于-30～+50（℃）；·C——適用于-20～+60（℃）；

·D——適用于-5～+60（℃）。（6）適用溫度用英文字母表示：（1）

A——適用溫度范圍為

一40～＋

40（℃）（2）

B——適用溫度范圍為

一30～＋50（℃）（3）

C——適用溫度范圍為

一20～十60（℃）（4）

D——適用溫度范圍為

一5～＋60（℃）舉例GYGZL-03-12-J50/125（21008）CGYTA53GYTA8B13.光纜特性光纜的主要特性有幾何參數(shù)、光學(xué)特性、傳輸特性、機(jī)械特性和環(huán)境特性。光纜的光學(xué)特性和傳輸特性主要由光纜中光纖決定。光纜機(jī)械性能指標(biāo)有拉伸、壓扁、沖擊、反復(fù)彎曲、扭轉(zhuǎn)、曲繞等受力狀態(tài)2.2光纖傳輸原理分析

光纖屬于介質(zhì)圓波導(dǎo),分析導(dǎo)光原理很復(fù)雜,可用兩種理論進(jìn)行即射線理論和波動理論.2.2.1射線理論分析光纖的傳輸原理然后用波動理論討論導(dǎo)光原理1.基本光學(xué)定律和定義

1)直線傳播定律光在均勻介質(zhì)(折射率n不變)中是沿直線路徑傳播的.

其傳播的速度為：v=c/n(2.1)

式中，C=3×108m/s，是光在真空中的傳播速度，n是介質(zhì)的折射率(空氣的折射率為1.00027，近似為1，玻璃的折射率為1.45左右)。

2)獨(dú)立傳輸定律在線性介質(zhì)中(光纖為線性介質(zhì)),來自不同方向的光線即使在空中相交也能互不影響,按各自原有方向繼續(xù)前進(jìn).3)反射定律和折射定律(1)反射定律θ1=θ’1

(2)折射定律θ1θ’1θ2n2=1

n1=1.45θ1=θc

θ2=900

若n1>n2,則入射角θ1<折射角θ2當(dāng)θ2=90°時(shí)對應(yīng)的入射角θ1

=臨界角θc

只要θ1>θc，入射光出現(xiàn)全反射，光被限制在n1介質(zhì)里傳播。若光從n2向n1入射，光線是否能出現(xiàn)全反射？4)絕對折射率n=c/v,v介質(zhì)里光速.2.光纖中光的傳播

當(dāng)子午線（始終在一個(gè)包含光纖軸線的子午面內(nèi)傳播，并且一個(gè)傳播周期與中心軸相交兩次的光線稱為子午線）在階躍光纖中傳播時(shí)，由于光纖中纖芯折射率n1大于包層折射率n2（即n1>n2，），所以在纖芯與包層界面存在著臨界角c，如圖2-19所示。子午線在階躍（均勻）光纖中的傳播

_____射線理論分析導(dǎo)光原理什么樣的子午線能限制在光纖纖芯中傳輸?它必須能在纖芯的界面上產(chǎn)生全反射.(1)光纖的接收角(如圖2-19所示)B點(diǎn):端面接收角φα為最大接收角.時(shí),所對應(yīng)的光纖φα為什么是最大接收角?(2)數(shù)值孔徑NA(NumericalAperture)NA的定義?NA=sinφα物理意義:NA大小反映了光纖捕捉線的能力.NA=sinφα=?圖2-19光纖中的子午線傳播n0sinφα=n1sin(900-θc)=n1cosθc,NA的表達(dá)示因?yàn)?.漸變型光纖中子午射線的傳播

光纖接收角?數(shù)值孔徑NA(r)?一個(gè)漸變型光纖的子午面上分層如圖2-12所示.各層之間的折射率滿足以下關(guān)系：n(r0)＞n(r1)＞n(r2)＞n(r3)＞……由于光都是由光密介質(zhì)向光疏介質(zhì)傳播其入射角將會逐漸增大，即有θ1

＜θ2＜θ3＜θ4＜θ5……(1)光纖接收角φ分析N層的漸變型光纖的導(dǎo)光條件即光纖端面的入射角φ必須滿足條件是什么？光線最遲也必須在N層與包層界面上發(fā)生全反射。根據(jù)光線的折射和全反射定律有：n(r0)sinθ1=n(r1)sinθ2=……=n(r)sinθ(4.6)同理得出：n(r0)sin(900-θz0)=n(r1)sin(900-θz1)=……=n(r)sin(900-θz)即n(r0)cosθz0=n(r1)cosθz1=……=n(r)cosθz射線上任一點(diǎn)符合下列關(guān)系：n(r0)cosθz0=n(r)cosθz

在轉(zhuǎn)析點(diǎn)A處，射線與光纖軸平行，則cosθz=1，n(r)=n2，n2為包層的折射率n(r0)cosθZ0=n2,cosθz0=n2/n(r0)(2)數(shù)值孔徑NA(r)?設(shè)θz0所對應(yīng)φ為最大入射角sinφ=n(r0)sinθz0=(2.7)光纖的本地?cái)?shù)值孔徑在漸變折射率光纖中，相對折射指數(shù)差定義為其中n(0),n2分別是r=0處和芯子界面上的折射率

中心點(diǎn)垂直入射(r0=0）的數(shù)值孔徑NA（0）為最大數(shù)值孔徑：2.2.2波動理論分析光纖的傳輸原理

波動理論的基礎(chǔ)是波動方程，波動方程由麥克斯韋方程組作電磁分離而得到。光波在光纖中傳輸?shù)囊恍┗拘再|(zhì)都可以從麥克斯韋方程組推導(dǎo)出來。

（2.9-a）（2.9-b）式中，E是電場強(qiáng)度；H是磁場強(qiáng)度；k0=2/是真空中波數(shù)；是真空中的光波長；n是介質(zhì)的折射率。一般的求解方法是由麥克斯韋方程組推導(dǎo)出光在均勻介質(zhì)中的波動方程，若電磁波做簡諧振蕩，由波動方程可推出均勻介質(zhì)中的矢量亥姆霍茲方程：1.標(biāo)量解法

由于n1/n2≈1對弱導(dǎo)光纖，可采取近似解法——標(biāo)量近似解法。

由于光纖是弱導(dǎo)光纖，光纖中傳輸?shù)牟‥z和Hz非常小。因此先求橫向場分量Ey和Hy，再求縱向場分量Ez和Hz。同時(shí)定義階躍光纖的圓柱坐標(biāo)系如圖2-21所示。圖2-21光纖的坐標(biāo)系n1n2在弱導(dǎo)光纖中橫向電場偏振方向在傳輸過程中保持不變，可用一個(gè)標(biāo)量來描述。設(shè)橫向電場的偏振方向沿y軸方向，它滿足標(biāo)量亥姆霍茲方程，有：（2.10-a）式中，Ey為電場在直角坐標(biāo)系y軸的分量。選用圓柱坐標(biāo)系（r，，z）使z軸與光纖軸線一致。將式（2.10-a）在圓柱坐標(biāo)系中展開，得到橫向電場Ey的亥姆霍茲方程為：（2.11-a）（2.10-b）可以利用變量分離法求解Ey。（1）將Ey寫成三個(gè)變量乘積形式，即設(shè)試探函數(shù)為：（2）根據(jù)物理概念，寫出()和Z(z)的形式。Z(z)表示導(dǎo)波沿光纖軸z向的變化規(guī)律，因?qū)Рㄊ茄貁向傳播的，它沿該方向呈行波狀態(tài)。用表示其軸向相位常數(shù)，則：()表明Ey沿圓周方向的變化規(guī)律，它沿方向是以2為周期的簡諧函數(shù)（正弦或余弦函數(shù)），因而可寫成（2.11-b）（2.11-c）（3）求出R(r)的形式，R(r)描述導(dǎo)波沿r方向的變化規(guī)律。將式（2.11）代入式（2.10-b），并考慮纖芯和包層中的折射率為n1和n2，a為纖芯半徑，則得（2.12-a）（2.12-b）導(dǎo)波在光纖纖芯橫截面中應(yīng)為振蕩解，故其解取第一類貝塞爾函數(shù)，在包層橫截面中應(yīng)是衰減解，故其解取第二類修正的貝塞爾函數(shù)解。于是R（r）可寫為：（2.13-a）（2.13-b）（a）第一類貝塞爾函數(shù)曲線（b）第二類修正貝塞爾函數(shù)曲線為了使分析具有一般性，先引入幾個(gè)重要的無量綱參數(shù)。在纖芯和包層中，令：U叫導(dǎo)波徑向（r向）歸一化相位常數(shù)，它描述了導(dǎo)波電場和磁場在纖芯橫截面上的分布W叫導(dǎo)波徑向（r向）歸一化衰減常數(shù)，它描述了導(dǎo)波電場和磁場在包層橫截面上的分布V叫歸一化頻率，它是表示光波頻率大小的無量綱的量β為導(dǎo)波沿光纖軸向z傳輸時(shí)的相位常數(shù)（2.14-a）（2.14-b）（2.15）（2.16-a）（2.16-b）利用光纖的邊界條件可確定式中的常數(shù)。首先根據(jù)邊界條件找出A1,A2之間的關(guān)系。在r=a處，因可得A1Jm(U)=A2Km(W)=A，將此式代入式（4.16）中，得：（2.17-a）（2.17-b）（4）橫向電場Ey的標(biāo)量解。將R(r),(),Z(z)代入式（2.11-a），并考慮到式（2.14）的關(guān)系，式（2.11-a）變成：

光纖中的電磁波近似為TEM波，于是Hx的場分量表示式為：r≤a

r≥a

（2.18-a）（2.18-b）式中，是自由空間波阻抗。由麥克斯韋方程組，可求出縱向場Ez,Hz與橫向場Ey,Hx之間的關(guān)系：將Hx,Ey代入上式，即可求出Ez,Hz。有了電磁場的縱向分量Ez,Hz，可以通過麥克斯韋方程組導(dǎo)出電磁場橫向分量Er,Hr和E,H的表達(dá)式.具體的方程組請參閱相關(guān)文獻(xiàn)。（2.19-a）（2.19-b）2.標(biāo)量解的特性方程標(biāo)量解的特征方程，可由邊界條件得出。在r=a處，令Ez1=Ez2，忽略n1和n2之間的微小差別，即令n1=n2，可得（2.20-a）（2.20-b）根據(jù)貝塞爾函數(shù)的遞推公式可以證明，（2.20）中的兩式是相等的，因而可選其一求解。從中解出U（或W）值，從而確定W（或U）和相位常數(shù)，確定光纖中的場分布及其特性。由于（2.20）式是超越方程，須用數(shù)值法求解，很復(fù)雜，故下面只討論它在截止和遠(yuǎn)離截止兩種情況下的解。3.光纖的標(biāo)量模LPmn及其特性標(biāo)量模定義是指弱導(dǎo)光纖中傳播的近似為TEM波,它具有橫向場(x,y)極化方向不變（線極化）的特點(diǎn)，可認(rèn)為它是線極化波LPmn模，下標(biāo)m,n的值表明各模式的場型特征。

簡并模？不同的模式，有不同的場的結(jié)構(gòu)(圖案)。但如果它們具有相同的傳輸常數(shù)β=k值，則認(rèn)為這些模式是簡并的。LPmn是由HEm+1,n和HEm-1,n

模線性疊加而成.例LP0n模是由HE1n模得到；LP1n模是由HE2n，TM0n和TE0n模線性組合得來；LP2n模是由HE3n模和EH1n模線性組合得來----依次類推。（1）LPmn模的截止條件VC截止的概念:當(dāng)光纖中導(dǎo)波變?yōu)檩椛淠r(shí),認(rèn)為導(dǎo)波截止.當(dāng)W→∝時(shí),導(dǎo)波的場在纖芯外衰減的.當(dāng)W→0時(shí),導(dǎo)波截止(相當(dāng)于射線理論中θ1<θc)導(dǎo)波輻射.截止臨界狀態(tài):Wc=W=0,由于V2=U2+W2Vc2=Uc2+Wc2→=Uc2

若求得Uc→Vc稱為歸一化的截止頻率.Uc=Vc?截止條件下的特征方程Wc=0UcJm-1(Uc)/Jm(Uc)=WcKm-1(W)/Km(W)=0Uc=0或Jm-1(Uc)=0在LPmn模的歸一化的截止頻率Vcmn=Ucmn截止特征方程:Jm-1(Uc=μcmn)=0當(dāng)m=0時(shí)，LP0n模的特征方程:J-1(Uc)=J1(Uc)=0，可解出Uc=μ0n=Vc0n=0，3.83171，7.01559，10.17347…

圖2-23m＝0,1模式的U值變化范圍11J1=J-1m=0m=1HE04LP04即表示LP01模的uc01=0。意味著該模式無截止波長、無截止情況.當(dāng)m=1時(shí)，LP1n模的特征方程:Jm-1(Uc)=0---J1-1(Uc)=0當(dāng)m≠0時(shí)，也可求出相應(yīng)的根表4.3

表2.5截止情況下LPmn模的Uc=Vcnm012102.4053.83223.8325.5207.01637.0168.65410.173此值通過Jm-1(μcmn)=0方程,求解而得.如圖2.12所示.從表2.5截止情況下的LPmn模的Uc值可知:LP01模的Vc=Uc=0，說明這種模式?jīng)]有截止現(xiàn)象是光纖中的最低模，也稱基模。LP11模，稱為二階模，其Vc=Uc=2.4053.截止波長λc與歸一化截止頻率Vc關(guān)系對某一光纖的每一個(gè)模式，都對應(yīng)有一個(gè)截止波長λc(Vc).當(dāng)工作波長λ0＜λc時(shí),該模式可以傳輸當(dāng)工作波長λ0＞λc時(shí)，該模式就截止了

當(dāng)光纖的V＜Vc時(shí),該模式就截止了

當(dāng)光纖的V＞Vc時(shí),該模式可以傳輸.因?yàn)?V=2πn1(2△)1/2a/λ0,則:Vc=2πn1(2△)1/2a/λcλc=2πn1(2△)1/2a/Vc4.單模傳輸條件

Vc01=0＜

V＜Vc11=2.405λc11=2πn1(2△)1/2a/2.405

＜λ0＜λc01=∝0λC23λC12λC21λC11λLP01LP11LP21LP12LP230VC11VC21VC12

VLP01LP11LP21LP12（2）LPmn模的傳導(dǎo)條件根據(jù)電磁場理論，當(dāng)LPmn模的歸一化頻率V大于LPmn模所對應(yīng)歸一化截止頻率Vc時(shí)，LPmn?？梢詡鲗?dǎo)，即LPmn模的傳導(dǎo)條件是V>Vc。在極限情況下，V→∞表示場完全集中在纖芯中，在包層中的場為零。

因V=2πn1(2△)1/2a/λ0,所以有a/λ0→∞。此時(shí)光波相當(dāng)于在折射率為n1的無限大空間中傳播，其相位常數(shù)β→k0n1于是有:

∞將其代入(2.20-a)可得相應(yīng)情況下的特征方程(W→

∝條件下)U

Jm+1(U)/Jm(U)=WKm+1(W)/Km(W)

→

∝

可簡化→

Jm(U)=0從此式即可確定遠(yuǎn)離截止情況時(shí)的U值U=μmn式中,μmn代表m階貝塞爾函數(shù)的第n個(gè)根

圖2-24α2.3光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)主要有光纖的①幾何參數(shù)、②折射率分布、③數(shù)值孔徑（NA）、④模場直徑和⑤截止波長等。這些參數(shù)與光纖橫截面徑向r有關(guān)，與光纖的長度及傳輸狀態(tài)無關(guān)。2.3.1幾何參數(shù)

幾何特性有芯徑、包層的尺寸和對芯／包層同心度、不圓度等。1）纖芯直徑與外徑纖芯直徑，主要是對多模光纖的要求。ITU-T規(guī)定多模光纖的纖芯直徑為50±3m。包層直徑又稱光纖的外徑，它是指裸纖的直徑。無論多模光纖、單模光纖，ITU-T規(guī)定通信用光纖的外徑均為125±3m2）芯/包層同心度和不圓度

2.3.2．?dāng)?shù)值孔徑

多模光纖的折射率分布，決定了多模光纖的帶寬和連接損耗。單模光纖的折射率分布，決定了單模光纖的截止波長、模場直徑和色散。因此，一般要求設(shè)計(jì)出的折射率分布具有使光纖寬帶寬、低色散、小的損耗系數(shù)，并有合理的橫截面結(jié)構(gòu)，以減少生產(chǎn)成本。數(shù)值孔徑（NA）（最大理論數(shù)值孔徑）最大理論數(shù)值孔徑的定義為：

2.3.3模場直徑

模場直徑的定義，其定義是設(shè)LP01模的電場強(qiáng)度分布為E(r)=E0exp(r2/W20)，取其最大值的E0/e處所對應(yīng)光纖橫截面徑向r上兩點(diǎn)之間的寬度為模場直徑，用2W0表示。模場直徑估算為：。模場直徑估算：單模光纖由模場直徑代替纖芯直徑。ITU-T規(guī)定模場直徑為[（9～10）±1]μm

圖2-25基模近場功率分布圖2.3.4截止波長

（模光纖的截止波長）

截止波長是單模光纖保證單模傳輸?shù)臈l件，所以截止波長的定義是大于此波長時(shí)二階LP11模不再傳播。理論截止波長λct2.4光纖傳輸特性2.4.1損耗特性

一、損耗定義

p（0）為輸入光纖的光功率，即在Z=0處注入的光功率；p（Z）為傳輸距離L處的光功率；

二、損耗系數(shù)

(當(dāng)Z=L時(shí))在光纖上兩個(gè)相距L的截面之間的波長λ上的總衰減：A（λ）＝α（λ）×L（dB）

三、光纖產(chǎn)生損耗的原因光纖產(chǎn)生損耗的原因很多，其類型有吸收損耗，散射損耗和附加損耗。1.吸收損耗本征吸收:紅外吸收,紫外吸收雜質(zhì)吸收:鐵、銅等過渡金屬離子和OH離子(非本征)。公式估算紅外吸收的損耗系數(shù)：其中是工作波長，單位為m，當(dāng)=1.55m時(shí)ir0.02dB/km，其影響較小。但當(dāng)=1.70m時(shí)，ir0.32dB/km。可見紅外吸收影響了工作波長向更長波長方向發(fā)展。公式估算紫外吸收的損耗系數(shù)：其中，B是摻鍺的重量百分比，當(dāng)=1.31m，B=3.5%時(shí)，uv1.75×102dB/km。但當(dāng)=0.60m時(shí)，uv1.00dB/km?？梢娮贤馕针S減少和摻鍺濃度增加而增加.

2.散射損耗散射損耗是由于材料的不均勻使光散射將光能輻射出光纖外的損耗。光纖的散射損耗主要有瑞利散射、米氏散射、受激布里淵散射、受激拉曼散射、附加結(jié)構(gòu)缺陷散射、彎曲散射和泄漏等。引起光纖損耗的散射主要是瑞利散射，瑞利散射具有與短波長的1/4成正比的性質(zhì)，即：R=A/4。對摻鍺的光纖而言，A0.63dBm4/km。對于分別0.85m、1.31m和1.55m時(shí)，則R分別約為1.3dB/km、0.3dB/km和0.1dB/km。除瑞利散射損耗較大外，其他散射損耗只是瑞利散射損耗的百分之一。3.附加損耗：

張力、側(cè)壓、彎由、擠壓造成的宏彎和微彎圖2-18光纖的宏彎損耗（a）射線法解釋；（b）波動理論解釋。2.4.2色散特性在光纖中，信號是由很多不同模式或不同頻率的光波攜帶傳輸?shù)?，而不同模式或不同頻率傳播速度不同，因而信號達(dá)到終端時(shí)會出現(xiàn)傳輸時(shí)延差，從而引起信號畸變，這種現(xiàn)象就統(tǒng)稱為色散。

根據(jù)色散產(chǎn)生的原因，光纖的色散主要分為：模式色散、材料色散、波導(dǎo)色散和偏振模色散。下面分別給予介紹。1.模式色散常用時(shí)延差表示色散程度。時(shí)延差越大，色散就越嚴(yán)重。模式色散

在多模階躍光纖中，傳輸最快和最慢的兩條光線分別是沿軸心傳播的光線①和以臨界角θc入射的光線②，如圖4-18所示。因此，在階躍型多模光纖中最大色散是光線②所用時(shí)間τmax和光線①所用時(shí)間τmin到達(dá)終端的時(shí)間差△τmax：△τmax=τmax－τmin根據(jù)幾何光學(xué)，設(shè)在長為L的光纖中，光線①和②沿軸方向傳播的速度分別為c/n1和c/n1sinθc。因此光纖的模式色散為：

2.材料色散由于光纖材料的折射率隨光波長的變化而變化，使得光信號各頻率的群速度不同，引起傳輸時(shí)延差的現(xiàn)象，稱為材料色散。設(shè)光源譜寬為Δλ，單位長度光纖的時(shí)延差用Δτ表示:則由上式所示，時(shí)延差與光源的相對帶寬成正比。因此采用窄譜寬激光器做光源有利減少色散。Δτ的單位是ps/km。*Δτ=D×Δλ;Δλ:光源譜寬,D:色散系數(shù)3.波導(dǎo)色散=Dw×△λ×L

（ps／nm·km）在不同的波長下，其相位常數(shù)β不同，從而群速度不同，引起色散。4．偏振色散（PMD）

單模光纖中只傳輸基模LP01，總色散由材料色散、波導(dǎo)色散和偏振模色散組成。這三個(gè)色散都與波長有關(guān)，所以單模光纖的總色散也稱為波長色散。光纖中的光傳輸可描述完全是沿X軸振動和完全是沿Y軸上的振動或一些光在兩個(gè)軸上的振動，如圖2-31所示。每個(gè)軸代表一個(gè)偏振“模”。兩個(gè)偏振模的到達(dá)時(shí)間差稱為偏振模色散PMD（PolanzationModeDispertion）。PMD的度量單位為微微秒(ps)。光纖的PMD系數(shù)表示的單位為ps/km1/2。5.光纖的帶寬

D：光纖色散系數(shù)（ps/nm.km）；△λ：光源譜寬（nm）；B0：光纖的帶寬（MHz）；常數(shù)：ε=0.115（多縱模激光器）,ε=0.306（單縱模激光器）

2.4.3光纖雙折射及偏振特性

基本概念1．理想的單模光纖：傳輸模式是線極化波LP01，即用LP01x和LP01y，兩模式有相同的相位常數(shù)βx=βy，它們是相互簡并的。2．光纖的雙折射：光纖的不完善，將使兩模式之間的簡并被破壞βx≠βy。這種現(xiàn)象叫作模式雙折射。

3．光纖雙折射危害由于雙折射，兩種模式的群速度不同，因而引起偏振（極化）色散。4．雙折射的利用保偏光纖即是利用光纖的雙折射特性制成的。1．線雙折射的參數(shù)（1）線雙折射率ΔβL：它定義為兩正交線偏振模的相位常數(shù)之差。

ΔβL＝βx-βy*歸一化雙折射率B：它是線雙折射率ΔβL與真空中的波數(shù)k0之比。

B=ΔβL/k0=（βx-βy）/k0=nx-ny=Δneff式中：nx，ny是LP01x，LP01y模的等效折射指數(shù)；Δneff是等效折射指數(shù)差。一般單模光纖的B值為10-5~10-6之間:當(dāng)B<10-6時(shí)為低雙折射光纖(LB),當(dāng)B>10-5時(shí)為高雙折射光纖(HB).（2）拍長LB：

拍長LB即偏振態(tài)完成一個(gè)周期變化的光纖長度，叫作拍長。如圖2-32所示。在一個(gè)拍長上，兩正交偏振光的相位差變化2π，因而有

ΔβL×LB＝2π。

LB＝2π/ΔβL＝λ0/B圖2-32光纖雙折射的偏振態(tài)在一個(gè)拍長上的演化

（3）消光比和功率耦合系數(shù)

如在光纖輸入端激發(fā)x方向的線偏振模，其功率為Px，由于耦合，在光纖的輸出端出現(xiàn)了y方向的線偏振模，其功率為Py。用消光比η和功率耦合系數(shù)h來表示這一對正交線偏振模的耦合作用η=10lgtan（hL）=10lg(Px/Py)η越大說明光纖的保偏能力強(qiáng)。式中：L是光纖長度。這兩參數(shù)說明光纖的保偏能力，η、h越大保偏能力越強(qiáng)。

2．線雙折射的成因

線雙折射歸為兩類:幾何雙折射應(yīng)力雙折射（1）幾何雙折射

其截面如圖2-33所示，長軸2a，在x方向；短軸2b在y方向。橢圓度e=1-（b／a）2。當(dāng)橢圓度e<<1，歸一化頻率V≈2.4［V值按平均光纖芯徑（a＋b）/2計(jì)算］的情況下，雙折射率為：

圖2-33幾何雙折射(2)應(yīng)力雙折射（如圖2-34所示）

圖2-34(a)光纖彎曲，(b)光纖側(cè)向受應(yīng)力3．線雙折射的影響單模光纖的偏振色散由于存在雙折射，單模光纖中基模LP01x和LP01y的相位常數(shù)βx≠βy，從而引進(jìn)偏振色散。設(shè)這兩個(gè)模式傳輸單位長度所用的時(shí)間各為τx，τy，于是單位長度上產(chǎn)生的時(shí)延差為：=xy2.4.4光纖的非線性效應(yīng)非線性效應(yīng)的產(chǎn)生當(dāng)今在帶有摻鉺光纖放大器的密集波分復(fù)用大容量、高速度的光纖通信系統(tǒng)中，光纖中傳輸?shù)墓ぷ鞑ㄩL多、功率大，大的光功率可能引起信號與光纖的相互作用而產(chǎn)生各種非線性效應(yīng)，如果不適當(dāng)抑制，這些非線性效應(yīng)會嚴(yán)重影響系統(tǒng)的性能和限制再生中繼距離。光纖的非線性可分為兩類：非線性受激散射和折射率擾動。1.受激散射受激散射是指光場把部分能量轉(zhuǎn)移給非線性介質(zhì)。非線性受激散射發(fā)生在光信號與光纖中的聲波或系統(tǒng)振動相互作用的調(diào)制系統(tǒng)中。既光場把部分能量轉(zhuǎn)移給非線性介質(zhì)。受激拉曼散射和受激布里淵散射就屬于此類。1.受激散射受激散射—指光場把部分能量轉(zhuǎn)移給非線性介質(zhì)1）受激拉曼散射SRS（StimulatedRamanScattering）

SRS是當(dāng)入射一個(gè)強(qiáng)光信號，在光纖中引發(fā)了介質(zhì)中的分子振動對入射光的相互作用,從而使入射光產(chǎn)生散射——拉曼非線性效應(yīng)發(fā)生了。這些分子振動對光信號調(diào)制后，產(chǎn)生新的光頻，從而對入射光產(chǎn)生散射作用。設(shè)入射光頻率為ωp，介質(zhì)分子振動頻率為ωv則散射光頻率為ωS=ωp-ωv和ωaS=ωp+ωv這種現(xiàn)象叫受激拉曼散射。ωS散射光叫斯托克斯波。斯托克斯波：使一個(gè)入射光子消失，產(chǎn)生了一個(gè)頻率下移ωS光子（即Stoker波）和另一個(gè)頻率上移ωaS光子。SRS散射光是以前后兩個(gè)方向傳播的，但是可采用光隔離器來消除后向傳輸?shù)墓夤β省＆豠S散射光叫反斯托克斯波。

SRS散射光是以前后兩個(gè)方向傳播的？對典型的單模光纖，受激拉曼散射會產(chǎn)生的最低閾值泵浦光功率PR可近似表示為：

式中，Aeff

為纖芯有效面積，即Aeff≈πW02（W0為模場半徑）；Leff為光纖的有效互作用長度，gR拉曼增益系數(shù)。對于λ=1μm附近，gR=10-11m/W,Leff=20kmAeff=50μm2時(shí)，預(yù)測的拉曼閾值約400mW。2）受激布里淵散射（SBS）受激布里淵散射SBS（StimulatedBrillouinScattering）是當(dāng)一個(gè)窄線寬，高功率光信號沿光纖輸入時(shí)，將產(chǎn)生一個(gè)與輸入光信號同向的聲波，且以聲速傳輸，這一種由光纖中的光信號和聲波）之間的相互作用所引起的非線性現(xiàn)象。#入射的光頻ωp，將部分能量轉(zhuǎn)移給ωs斯托克斯波，并發(fā)出頻率為Ω的聲波。Ω=ωp-ωs受激布里淵散射與受激拉曼散射在物理上類似的。在光纖中,SBS產(chǎn)生的最低閾值泵浦光功率PB可近似表示為對于λ=1μm附近，Aeff=50μm2，Leff=20km，布里淵增益系數(shù)gB=5×10-11m/W的情況下，光纖受激布里淵散射閾值PB≈1mW，比PR小得多。2．折射率擾動通過改變所傳輸信號的光強(qiáng)度能夠引起光纖的折射率的變化，它們的關(guān)系如下式所示。

n＝no+n2P/Aeef＝no+n2|E|2

式中：n0:線性折射率;P:輸入功率;E:光場強(qiáng)度n2:非線性折射率系數(shù);Aeef:光纖有效面積。折射率擾動引起的三種非線性效應(yīng)為：自相位調(diào)制、交叉相位調(diào)制和四波混頻。1）自相位調(diào)制（SelfPhaseModulation）自相位調(diào)制SPM是指傳輸過程中光脈沖對自身相位變化,導(dǎo)致脈沖頻譜展寬的現(xiàn)象。自相位調(diào)制與”自聚焦”有密切聯(lián)系.光脈沖在光纖中傳輸過程相位變化為:φ=(no+n2|E|2)k0L=φ0+φNL

其中:k0=2π/λ;L是光纖長度.φ0=nok0L是相位變化的線性部分.ΦNL=n2k0L

|E|2-----自相位調(diào)制在某些條件下，SPM是有利的。2）交叉相位調(diào)制(CPM)CPM是一個(gè)脈沖對其他信道脈沖相位的作用。當(dāng)兩個(gè)或多個(gè)不同波長的光波在光纖的非線性相互作用。CPM與SPM所不同的是SPM發(fā)生在單信道和多信道系統(tǒng)中，而CPM則僅出現(xiàn)在多信道系統(tǒng)中。CPM危害是，不同的波長的脈沖之間互相作用，會造成光譜的展寬

3）四波混頻(FWM)FWM是指由兩個(gè)或三個(gè)波長的光波混合后產(chǎn)生的新光波，其原理如圖2-26所示。在系統(tǒng)中，某一波長的入射光會改變光纖的折射率，從而在不同頻率處發(fā)生相位調(diào)制，產(chǎn)生新的波長。四波混頻產(chǎn)生原理圖圖2-35四波混頻產(chǎn)生原理第3章光纖通信基本器件制作人：郵箱：內(nèi)容提要：3.1光源器件3.2光檢測器件3.3光纖放大器（EDFA）3.4光纖連接器3.5光分路耦合器和波分復(fù)用器3.6光隔離器和光環(huán)行器3.7光衰減器和光開關(guān)3.8偏振控制器一個(gè)完整光纖通信系統(tǒng)需要：有源器件多種無源器件激光器、發(fā)光二極管:能量轉(zhuǎn)換器件即電導(dǎo)致光的器件光檢測器：能量轉(zhuǎn)換器件即光導(dǎo)致電的器件光放大器：直流光能轉(zhuǎn)換成交流光能。光無源器件：光纖連接器光無源器件：光定向耦合器、光衰減器、光隔離器、光調(diào)制器等概述3.1光源器件

光發(fā)射部分的核心：光源，它是組成光纖通信系統(tǒng)的重要器件。光源器件是光發(fā)射機(jī)的核心，它的作用是將電信號轉(zhuǎn)換成光信號。光纖通信中常用的光源器件有半導(dǎo)體激光器LD和半導(dǎo)體發(fā)光二極管LED兩種。1．半導(dǎo)體激光器的工作原理Femi統(tǒng)計(jì)規(guī)律在熱平衡狀態(tài)時(shí)，粒子在各能級之間的分布應(yīng)服從費(fèi)米統(tǒng)計(jì)規(guī)律。

f（E）＝1/[1＋exp（E-Ef）/K0T](3.1)f（E)—能量為E被電子占據(jù)的機(jī)率（概率）Ef

—費(fèi)米能級。它與物質(zhì)的特性有關(guān)，它只是反映電子在各個(gè)能級中分布情況的一個(gè)參量（它是抽象的不存在的一個(gè)能級）。K0=1.38x10-23J/K