光纖傳輸基礎知識

1、光纖傳輸基礎知識第1頁，共50頁，2022年，5月20日，4點49分，星期一光纖通信的優(yōu)點通信容量大中繼距離長不受電磁干擾資源豐富光纖重量輕、體積小第2頁，共50頁，2022年，5月20日，4點49分，星期一光通信發(fā)展簡史2000多年前烽火臺燈光、旗語1880年光電話無線光通信1970年光纖通信第3頁，共50頁，2022年，5月20日，4點49分，星期一光纖通信發(fā)展史1966年“光纖之父”高錕博士首次提出光纖通信的想法。1970年貝爾研究所林嚴雄在室溫下可連續(xù)工作的半導體激光器。1970年康寧公司的卡普隆(Kapron) 之作出損耗為20dB/km光纖。1977年芝加哥第一條45Mb/s的商用

2、線路。第4頁，共50頁，2022年，5月20日，4點49分，星期一電磁波譜1cm 1mm 100um 10um 1um 100nm 10nm 1nm 波長10G 100G 1T 10T 100T 1015 1016 1017 f (Hz)1.6um 1.5 1.4 1.3 1.2 1.1 1.0um 900 800 700 600nm光通信使用范圍紅外線紫外線第5頁，共50頁，2022年，5月20日，4點49分，星期一通信波段劃分及相應傳輸媒介頻率 Hz10110710210610310510410410510310610210710110810010910-1101010-2101110-3

3、101210-4101310-5101410-61015自由空間波長（m）電力、電話無線電、電視微波紅外可見光雙鉸線同軸電纜光纖衛(wèi)星/微波AM無線電FM無線電頻段劃分傳輸介質(zhì)第6頁，共50頁，2022年，5月20日，4點49分，星期一光的折射，反射和全反射因光在不同物質(zhì)中的傳播速度是不同的，所以光從一種物質(zhì)射向另一種物質(zhì)時，在兩種物質(zhì)的交界面處會產(chǎn)生折射和反射。而且，折射光的角度會隨入射光的角度變化而變化。當入射光的角度達到或超過某一角度時，折射光會消失，入射光全部被反射回來，這就是光的全反射。不同的物質(zhì)對相同波長光的折射角度是不同的（即不同的物質(zhì)有不同的光折射率），相同的物質(zhì)對不同波長光的折

4、射角度也是不同。光纖通訊就是基于以上原理而形成的。反射率分布：表征光學材料的一個重要參數(shù)是折射率，用N表示，真空中的光速C與材料中光速V之比就是材料的折射率。媽NC/V光纖通信用的石英玻璃的折射率約為1.5第7頁，共50頁，2022年，5月20日，4點49分，星期一光通信的發(fā)展過程雛形：古代烽火、手旗、燈光潛望鏡原理光波導之雛形第8頁，共50頁，2022年，5月20日，4點49分，星期一光的基本知識n1n2n1 n2n1n2臨界角900臨界角n1n2全反射入射角=反射角12第10頁，共50頁，2022年，5月20日，4點49分，星期一光纖結(jié)構(gòu)光纖裸纖一般分為三層：第一層：中心高折射率玻璃芯（芯

5、徑一般為9-10m,(單模）50或62.5（多模）。第二層：中間為低折射率硅玻璃包層（直徑一般為125m）。第三層：最外是加強用的樹脂涂層。纖芯包層保護套第11頁，共50頁，2022年，5月20日，4點49分，星期一光纖的結(jié)構(gòu)一、纖芯 core：折射率較高，用來傳送光；二、包層 coating：折射率較低，與纖芯一起形成全反射條件；三、保護套 jacket：強度大，能承受較大沖擊，保護光纖。3mm光纜 橘色 MM 多模 黃色 SM 單模第12頁，共50頁，2022年，5月20日，4點49分，星期一外徑一般為125um(一根頭發(fā)平均100um)內(nèi)徑：單模9um 多模50/62.5um125950

6、12562.5125光纖的尺寸第13頁，共50頁，2022年，5月20日，4點49分，星期一數(shù)值孔徑入射到光纖端面的光并不能全部被光纖所傳輸，只是在某個角度范圍內(nèi)的入射光才可以。這個角度就稱為光纖的數(shù)值孔徑。光纖的數(shù)值孔徑大些對于光纖的對接是有利的。不同廠家生產(chǎn)的光纖的數(shù)值孔徑不同（AT&TCORNING）。第14頁，共50頁，2022年，5月20日，4點49分，星期一光纖的種類按光在光纖中的傳輸模式可分為：多模（Multi-Mode） (簡稱：MM） 單模（Single-Mode）(簡稱：SM）多模光纖：中心玻璃芯較粗（50或62.5m），可傳多種模式的光。但其模間色散較大，這就限制了傳輸數(shù)

7、字信號的頻率，而且隨距離的增加會更加嚴重。例如：600MB/KM的光纖在2KM時則只有300MB的帶寬了。因此，多模光纖傳輸?shù)木嚯x就比較近，一般只有幾公里。 單模光纖：中心玻璃芯較細（芯徑一般為9或10m），只能傳一種模式的光。實際上是階躍型光纖的種，只是纖芯徑很小，理論上只允許單一傳播途徑的直進光入射至光纖內(nèi)，并在纖芯內(nèi)作直線傳播。光纖脈沖幾乎沒有展寬。因此，其模間色散很小，適用于遠程通訊，但其色度色散起主要作用，這樣單模光纖對光源的譜寬和穩(wěn)定性有較高的要求，即譜寬要窄，穩(wěn)定性要好。第15頁，共50頁，2022年，5月20日，4點49分，星期一光纖的分類按材料分類：玻璃光纖：纖芯與包層都是玻

8、璃，損耗小，傳輸距離長，成本高；膠套硅光纖：纖芯是玻璃，包層為塑料，特性同玻璃光纖差不多，成本較低；塑料光纖：纖芯與包層都是塑料，損耗大，傳輸距離很短，價格很低。多用于家電、音響，以及短距的圖像傳輸。第16頁，共50頁，2022年，5月20日，4點49分，星期一按最佳傳輸頻率窗口按最佳傳輸頻率窗口:常規(guī)型單模光纖和色散位移型單模光纖。常規(guī)型：光纖生產(chǎn)長家將光纖傳輸頻率最佳化在單一波長的光上，如1300nm。色散位移型：光纖生產(chǎn)長家將光纖傳輸頻率最佳化在兩個波長的光上，如：1300nm和1550nm。第17頁，共50頁，2022年，5月20日，4點49分，星期一突變型：光纖中心芯到玻璃包層的折射

9、率是突變的。其成本低，模間色散高。適用于短途低速通訊，如：工控。但單模光纖由于模間色散很小，所以單模光纖都采用突變型。漸變型光纖：光纖中心芯到玻璃包層的折射率是逐漸變小，可使高模光按正弦形式傳播，這能減少模間色散，提高光纖帶寬，增加傳輸距離，但成本較高，現(xiàn)在的多模光纖多為漸變型光纖。第18頁，共50頁，2022年，5月20日，4點49分，星期一常用光纖規(guī)格光纖尺寸： 1、單模纖芯直徑：9/125m，10/125m2、包層外徑（2D）125m3、一次涂敷外徑250m4、尾纖：300m5、多模：50/125m，歐洲標準62.5/125m，美國標準6、工業(yè)，醫(yī)療和低速網(wǎng)絡：100/140m， 200

10、/230m 7、塑料：98/1000m，用于汽車控制第19頁，共50頁，2022年，5月20日，4點49分，星期一光纖衰減造成光纖衰減的主要因素有：本征，彎曲，擠壓，雜質(zhì)，不均勻和對接等。本征：是光纖的固有損耗，包括：瑞利散射，固有吸收等。彎曲：光纖彎曲時部分光纖內(nèi)的光會因散射而損失掉，造成的損耗。擠壓：光纖受到擠壓時產(chǎn)生微小的彎曲而造成的損耗。雜質(zhì)：光纖內(nèi)雜質(zhì)吸收和散射在光纖中傳播的光，造成的損失。不均勻：光纖材料的折射率不均勻造成的損耗。對接：光纖對接時產(chǎn)生的損耗，如：不同軸（單模光纖同軸度要求小于0.8m），端面與軸心不垂直，端面不平，對接心徑不匹配和熔接質(zhì)量差等。第20頁，共50頁，2

11、022年，5月20日，4點49分，星期一光纜的種類1.按敷設方式分有：自承重架空光纜，管道光纜，鎧裝地埋光纜和海底光纜。2.按光纜結(jié)構(gòu)分有：束管式光纜，層絞式光纜，緊抱式光纜，帶式光纜，非金屬光纜和可分支光纜。3.按用途分有：長途通訊用光纜、短途室外光纜、混合光纜和建筑物內(nèi)用光纜。第21頁，共50頁，2022年，5月20日，4點49分，星期一光纜的接續(xù)與成端光纜的接續(xù)與成端是光纜線路維護人員必須掌握的基本技能。光纜的接續(xù)技術分類：一、光纖的接續(xù)技術和光纜的接續(xù)技術兩部分。二、光纜的成端類似光纜的接續(xù)，只不過由于接頭材料不同而操作該當也有所不同。第22頁，共50頁，2022年，5月20日，4點4

12、9分，星期一光纖接續(xù)的種類光纜接續(xù)一般可分為兩大類：一、光纖的固定接續(xù)（俗稱死接頭）。一般采用光纖熔接機；用于光纜直接頭。二、光纖的活動接頭（俗稱活接頭）。用能夠拆卸的連接器連接（俗稱活接頭）。用于光纖跳線、設備連接等地方由于光纖端面的不完整性和光纖端面壓力的不均勻性，一次放電熔接光纖的接頭損耗還比較大，現(xiàn)在采用二次放電熔接法。先對光纖端面預熱放電，給端面整形，去除灰塵和雜物，同時通過預熱使光纖端面壓力均勻。第23頁，共50頁，2022年，5月20日，4點49分，星期一光纖連接損耗的監(jiān)測方法光纖連接損耗的監(jiān)測方法有三種：1、在熔接機上進行監(jiān)測。2、光源、光功率計監(jiān)測。3、OTDR測量法第24頁

13、，共50頁，2022年，5月20日，4點49分，星期一一、光纖接續(xù)的操作方法光纖接續(xù)操作一般分為：1、光纖端面的處理。2、光纖的接續(xù)安裝。3、光纖的熔接。4、光纖接頭的保護。5、余纖的盤留五個步驟。第25頁，共50頁，2022年，5月20日，4點49分，星期一二、光纜接續(xù)的操作方法通常整個光纜的接續(xù)按以下步驟進行：第一步：大量好長度，開剝光纜，除去光纜護套；第二步：清洗、去除光纜內(nèi)的石油填充膏。第三步：捆扎好光纖。第四步：檢查光纖心數(shù)，進行光纖對號，核對光纖色標是否有誤；第五步：加強心接續(xù)；第六步：各種輔助線對，包括公務線對、控制線對、屏蔽地線等接續(xù)（如果有上述線對。第七步：光纖的接續(xù)。第八步

14、：光纖接頭保護處理；第九步：光纖余纖的盤庫留處理；第十步：完成光纜護套的接續(xù)；第十一步：光纜接頭的保護。第26頁，共50頁，2022年，5月20日，4點49分，星期一光纖的損耗1310 nm : 0.35 0.5 dB/Km1550 nm : 0.2 0.3dB/Km850 nm : 2.3 3.4 dB/Km光纖熔接點損耗：0.08dB/點光纖熔接點 1點/2km第27頁，共50頁，2022年，5月20日，4點49分，星期一常見光纖名詞衰減：光在光纖中傳輸時的能量損耗單模光纖1310nm 0.40.6dB/km1550nm 0.20.3dB/km塑料多模光纖300dB/km第28頁，共50頁

15、，2022年，5月20日，4點49分，星期一光纖的衰減光纖的衰減圖0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 nm OH-OH-OH-第一窗口第二窗口第三窗口衰減(dB/km)水峰值6 54321第29頁，共50頁，2022年，5月20日，4點49分，星期一色散(Dispersion)：光脈沖沿著光纖行進一段距離后造成的頻寬變粗。它是限制傳輸速率的主要因素。模間色散：只發(fā)生在多模光纖，因為不同模式的光沿著不同的路徑傳輸。材料色散：不同波長的光行進速度不同。波導色散：發(fā)生原因是光能量在纖芯及包層中傳輸時，會以稍有不同的速度行進。在單模光纖中，通過改變光纖內(nèi)部結(jié)

16、構(gòu)來改變光纖的色散非常重要。常見光纖名詞第30頁，共50頁，2022年，5月20日，4點49分，星期一光纖類型G.652零色散點在1300nm左右G.653零色散點在1550nm左右G.654負色散光纖G.655色散位移光纖全波光纖第31頁，共50頁，2022年，5月20日，4點49分，星期一常見光纖名詞散射由于光線的基本結(jié)構(gòu)不完美，引起的光能量損失，此時光的傳輸不再具有很好的方向性。光線缺陷第32頁，共50頁，2022年，5月20日，4點49分，星期一光纖系統(tǒng)基礎知識一、基本光纖系統(tǒng)的構(gòu)架及其功能介紹： 1.發(fā)送單元：把電信號轉(zhuǎn)換成光信號； 2.傳輸單元：載送光信號的介質(zhì)； 3.接收單元：接

17、收光信號并轉(zhuǎn)換成電信號； 4.連接器件：連接光纖到光源、光檢測以及其它光纖。第33頁，共50頁，2022年，5月20日，4點49分，星期一光纖系統(tǒng)基礎知識二、基本光纖系統(tǒng)方框圖： 信號光發(fā)射機光源中繼器檢測器光接收機信號電E/光O轉(zhuǎn)換光纖光O/電E轉(zhuǎn)換發(fā)送單元傳輸單元接收單元連接器件第34頁，共50頁，2022年，5月20日，4點49分，星期一常用連接器類型SC LC MT-RJ DSC VF-45 Opti-Jack第35頁，共50頁，2022年，5月20日，4點49分，星期一常用連接器類型FC TypeSC TypeSC2 TypeFDD Type第36頁，共50頁，2022年，5月20日

18、，4點49分，星期一常用連接器類型BICONIC TypeD4 TypeSMA 905 TypeSMA 906 TypeMINI BNC Type第37頁，共50頁，2022年，5月20日，4點49分，星期一連接頭端面類型Ferrule + Flange Insertion Loss(插入損耗) 40dB SPC45dB UPC50dB APC60dB第38頁，共50頁，2022年，5月20日，4點49分，星期一無源器件耦合器（coupler）主要功能再分配光信號重要應用在光纖網(wǎng)絡尤其是應用在局域網(wǎng)在波分復用器件上應用第39頁，共50頁，2022年，5月20日，4點49分，星期一無源器件耦合器

19、（coupler）基本結(jié)構(gòu)耦合器是雙向無源器件基本形式有樹型、星型與耦合器對應的有分路器（splitter）第40頁，共50頁，2022年，5月20日，4點49分，星期一無源器件耦合器以圖形表示 1423第41頁，共50頁，2022年，5月20日，4點49分，星期一無源器件波分復用器WDMWavelength Division Multiplexer在一條光纖中傳輸多個光信號，這些光信號頻率不同，顏色不同。波分復用器就是要把多個光信號耦合進同一根光纖中；解波分復用器就是從一根光纖中把多個光信號區(qū)分出來。第42頁，共50頁，2022年，5月20日，4點49分，星期一無源器件波分復用器（圖例） 1傳送器 2傳送器 1+ 2 1+ 2 1接收器 2接收器第43頁，共50頁，2022年，5月20日，4點49分，星期一發(fā)送單元驅(qū)動器光源第44頁，共50頁，2022年，5月20日，4點49分，星期一接收單元檢測器放大器 輸出電路第45頁，共50頁，2022年，5月20日，4點49分，星期一光放大器 0 1輸入（信號弱） 1輸出（信號強）光放大器波分復用器耦合器 1光源監(jiān)測第46頁，共50頁，2022年，5月20日，4點49分，星期一光纖數(shù)字通信數(shù)字系統(tǒng)中脈沖的定義：10%90%50%脈沖寬度上升時間下降時間周期振幅第47頁，共50頁，2022年，5月20日，4點4