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光纤传输技术 主讲 陈厚新 本章主要内容 光纤传输技术概述光纤的种类光纤的传输理论 传输特性 性能参数光无源器件光有源器件光纤的应用光纤设备的使用和维护 教学目标 了解光通信技术的基本原理和过程 掌握光设备的使用 连接和测量方法以及基本故障检修 第一部分概述 什么是光纤 什么是光纤技术 为什么要学习 光纤技术基础 一 什么是光纤 光纤是 光导纤维 的简称 是指能够约束并导引光波在其内部或表面附近沿轴线方向传播的传输介质 通常以其截面形状分为平板波导 矩形波导 园柱形波导等等 1 基本结构 折射率高的中心部分叫做纤芯 其折射率为n1 直径为2a 折射率低的外围部分称为包层 其折射率为n2 直径为2b 带状式把带状光纤单元放入大套管内 形成中心束管式结构 也可以把带状光纤单元放入骨架凹槽内或松套管内 形成骨架式或层绞式结构 带状式缆芯有利于制造容纳几百根光纤的高密度光缆 这种光缆已广泛应用于接入网 2 光纤的优点 二 为什么要学习光纤技术基础 从专业方向和知识面看从光纤的应用看从光纤技术的发展趋势看 专业方向 无线电通讯计算机网络 省内HFC网络互联网电信网络国家干线网络 知识面 1 从专业方向和知识面看 2 从光纤的应用看 光纤在通信中的应用范围 公用通信 全国性宽带综合业务数字网 省内中距线路 市内局间线路和用户网 乡村线路以及沿海岛屿间的线路等 专用通信 各企业 工矿 机关 学校等大 中型单位内部专用的局域网 电力线通信线路 铁道线通信线路 交通管理监控线路 电视台发射传输线路等 工业发达国家和我国均已宣布 干线大容量通信线路不再新建同轴电缆 而全部铺设光缆 2 光纤的应用 传 和 感 诺尔顿 亚历山大 苏伊士 吉布提 卡拉奇 吉达 孟买 仰光 槟城 雅加达 珀斯 新加坡 吕宋岛 上海 冲绳 汕头 塞新布拉 Sea Me We 3是一条沿欧亚大陆铺设的洲际海底光缆 总长38 000km 从德国到南韩 澳大利亚 连接40个国家或城市站点 传输速率为4 8 2 5Gb s 10 20千兆比特 信息高速公路 第二部分光纤分类 光纤的分类光纤材料 一 按照光纤横截面折射率分布不同来划分阶跃折射率分布光纤 Step IndexOpticalFiber SIOF 纤芯折射率n1沿半径方向保持一定 包层折射率n2沿半径方向也保持一定 而且纤芯和包层的折射率在边界处呈阶梯型变化的光纤称为阶跃型光纤 又称为均匀光纤 渐变折射率分布光纤 Graded IndexOpticalFiber GIOF 如果纤芯折射率n1随着半径加大而逐渐减小 而包层中折射率n2是均匀的 这种光纤称为渐变型光纤 又称为非均匀光纤 2 1光纤的分类 图1 1光纤的折射率分布 b b 二 按照纤芯中传输模式的多少来划分单模光纤 SingleModeFiber SMF 光纤中只传输一种模式时 叫做单模光纤 单模光纤的纤芯直径较小 约为4 10 m 适用于大容量 长距离的光纤通信 多模光纤 Multi ModeFiber MMF 在一定的工作波长下 多模光纤是能传输多种模式的介质波导 多模光纤可以采用阶跃折射率分布 也可以采用渐变折射率分布 多模光纤的纤芯直径不等 但基本都大于单模光纤 50 62 5 m 波导模解释 光波导由于只在其轴向传播能量 同时光能量在横向又被限制在一定的空间内 因此在轴向的光波为行波或行波与驻波的叠加 而在横向则必然是驻波 横向不同的驻波结构就构成了光波导不同的传播模式 当光波导的横向尺寸及折射率分布所确定的波导结构只能传播一个横向驻波结构的光时 我们称之为单模光波导 能传播一个以上的横向驻波结构时 称之为多模光波导 由于横向驻波的节距与光波波长和光的传播方向有关 因此 光波导是单模还是多模与其传播的光的波长有关 三 按光纤的工作波长分类 短波长光纤 0 8 0 9 m 长波长光纤 1 0 1 7 m 超长波长光纤 2 5 m 在光纤工业发展早期 光纤的传输窗口主要有两个 0 85和1 31微米 后来有了第三个传输窗口 1 55微米 在技术得到发展的今天 在波长1 26至1 68微米范围内 光纤可以传输的窗口有6个 表1 利用波分复用 WDM 技术 每个窗口 波段 可同时传输多个信道 四 按光纤的材料组成分类 全塑料光纤塑料包层石英芯光纤石英光纤多组分玻璃光纤液芯光纤氟化物 硫化物 重金属氧化物玻璃光纤光子晶体光纤 第三部分光纤的特性参数 光纤的损耗光纤的色散与带宽单模光纤模场半径单模光纤截止波长 3 1光纤的损耗 光波在光纤中传输时 随着传输距离的增加而光功率逐渐下降 这就是光纤的传输损耗 图1光纤传输损耗的原因和种类 分贝单位 利用下面的一般定义 可将任意比率R转化为分贝单位 R Pout Pin 功率比 R indB 10lgR 功率增益 R 1 R 0 R 1 R 0 例 1mw的信号经过100km的光纤传输后降至1 w 则光功率衰减多少分贝 损耗系数是多少 R Pout PinR 30dB 0 3dB km 10km的光纤衰减 若所有器件的光损耗都用分贝表示 则发射或接收功率P也用分贝量度就非常有用 定义 P indBm 10lg P 1mw 1mw作为参考功率 例 当P 1mw时P 10lg 1mw 1mw 0dBw当P 10mw时P 10lg 10mw 1mw 10dBw当P 100mw时P dBw通过改变参考功率值 还可以引入其他表示光功率的分贝单位 如dB dBw 这样 光通过所有器件的总损耗 dB 损耗1 dB 损耗2 dB 损耗3 dB 通过一段光纤的总损耗 dB dB km 长度 km 光纤的损耗特性 光纤损耗的大小与波长有密切的关系 损耗与波长的关系曲线叫做光纤的损耗谱 在谱线上 损耗值较高的地方叫做光纤的吸收峰 较低的损耗所对应的波长叫做光纤的工作波长 或叫工作窗口 光纤通信常用的工作窗口主要有三个 850nm 1310nm 1550nm 1300 1550 850 紫外吸收 红外吸收 瑞利散射 0 2 2 5 损耗 dB km 波长 nm OH离子吸收峰 光纤损耗谱特性 损耗主要机理 材料吸收 瑞利散射和辐射损耗 3 2光纤的色散与带宽 色散的概念色散的种类色散的描述几种光纤中的色散脉冲展宽与带宽 一 什么是光纤的色散 色散是光纤的一个重要的传输特性 指的是光信号沿着光纤传输过程中 由于不同成份的光的时间延迟不同而产生的一种物理效应 光纤中传送的信号是由不同的频率成分和不同的模式成分构成的 它们有不同的传播速度 将会引起脉冲波形的形状发生变化 也可以从波形在时间上展宽的角度去理解 也就是光脉冲在光纤中传输 随着传输距离的加大 脉冲波形在时间上发生了展宽 这种现象称为光纤的色散 模式色散 模间色散 色度色散 材料色散 模内色散 波导色散 偏振模色散 二 色散的种类 单模光纤的发展与演变 最早实用化的是常规单模光纤SMF G 652光纤 零色散波长在1310nm 曾大量敷设 在光纤通信中扮演者重要的角色 对光纤损耗机理的研究表明 光纤在1550nm窗口损耗更低 可以低于0 2dB km 几乎接近光纤本征损耗的极限 如果零色散移到1550nm 则可以实现零色散和最低损耗传输的性能 为此 人们研制了色散位移光纤DSF G 653光纤 设计思路是通过结构和尺寸的适当选择来加大波导色散 使零色散波长从1310nm移到1550nm 第四部分光纤无源器件 光纤器件可分为无源和有源两大类 两者的主要区别在于 器件在实现本身功能的过程中 其内部是否发生光电能量转换 若发生光电能量转换 则称其为有源光器件 主要有 半导体 光源 光放大器和光电检测器 若未发生光电能量转换 即使也需要一些电信号的介入 也称为无源光器件 光无源器件的功能 光无源器件是要消耗光信号的一定能量而实现光信号的连接 能量分路 合路 波长复用 解复用 光路转换 能量衰减 反向阻隔等功能的器件 光纤无源器件是具有上述一种功能的元器件的总称 光无源器件的分类 自聚焦透镜光纤定向耦合器光隔离器与光环行器光纤光栅光纤连接器 一 自聚焦透镜的特点 传统透镜是通过控制透镜表面的曲率 利用产生的光程差使光线汇聚成一点 自聚焦透镜 利用折射率渐变使光线偏折 端面准直 耦合成像特性 小巧可微型化 便于加工 可以弯曲传像 具有独特的成像特性 4 1自聚焦透镜 二 几种重要的自聚焦透镜及其应用 1 聚焦对于1 4节距的自聚焦透镜 当从一端面输入一束平行光时 经过自聚焦透镜后光线会汇聚在另一端面上 这种端面聚焦的功能是传统曲面透镜所无法实现的 准直 准直是聚焦功能的可逆应用两个自聚焦透镜组合 分别用做准直和聚焦 这样我们可在两个自聚焦透镜之间加入多种光学器件 例如 滤波片 偏振片 法拉第旋光器等等 来构成多种光学无源器件 2 耦合 由于自聚焦透镜可以通过端面完成聚焦功能 加之其简单的圆柱外型 使得它在进行光能量连接及转换中有着很广泛的用途 例如 光纤和光源 光纤和光电探测器以及光纤和光纤之间的耦合等等 图8中L1为光源或光纤到自聚焦透镜端面的距离 Z为自聚焦透镜的长度 L2为自聚焦透镜端面到光纤的距离 为了使光源或光纤发出的光经过自聚焦透镜聚焦后能够有效地耦合进光纤 需要调节L1和L2的距离来达到最佳耦合效率 但是 在实际耦合过程中 耦合效率要小于其理论值 其原因是耦合效率与器件的结构和使用方法有直接的关系 4 2光纤定向耦合器 光纤耦合器的作用光纤耦合器的分类光纤耦合器的结构光纤耦合器的制作方法和耦合机理光纤耦合器的性能参数 一 光耦合器的作用在光纤通信系统或光纤测试中 经常遇到需要从光纤的主传输信道中取出一部分光作为监测 控制等使用 有时也需要把两个不同方向来的光信号合起来送入一根光纤中传输 这都需要光纤耦合器来完成 光耦合器是将光信号进行分路或合路 插入及分配的一种器件 二 光纤耦合器的分类 按结构大致可分为 分立光学元件组合型 全光纤型 平面波导型等 按端口形式可分为 X型 2 2 Y型 1 2 星型 N N 和树型 1 N N 2 耦合器 按光纤型号可分为 多模耦合器和单模耦合器 按工作带宽可分为 单工作窗口的窄带耦合器 单工作窗口的宽带耦合器和双工作窗口的宽带耦合器 按功能可分为 光功率分配耦合器和光波长分配耦合器 三 光纤耦合器的结构 棱镜式定向耦合器 采用分立光学元件 如棒透镜 反射镜 棱镜等 组合拼接 损耗大 与光纤耦合困难 环境稳定性较差 全光纤耦合器 即直接在两根 或两根以上 光纤之间形成某种形式的耦合 图6 11集成光波导耦合器 a Y形耦合器基本结构 b 树形集成光波导耦合器基本构成 集成化是未来光纤通信发展的必然趋势 利用平面光波导制作的光耦合器具有体积小 分光比控制精确 易于大批量生产等特点 图6 10几种典型光纤耦合器的结构示意图 三端口分路器和合路器 b 四端口耦合器 c 多端口星形耦合器 d 波分复用器 四 光纤耦合器的性能参数 耦合比插入损耗附加损耗分光比隔离比 1 耦合比 表示由输入信道 i 耦合到指定输出信道 j 的功率大小 定义为输出信道功率与输入信道功率之比 2 插入损耗 表示由输入信道i到指定信道j的损耗 定义为指定输出端口的光功率相对全部输入光功率的减少值 该值通常以分贝 dB 表示 数学表达式为其中 是第i个输出端口的插入损耗 Pi是第i个输出端口测到的光功率值 Pi是输入端的光功率值 3 附加损耗 附加损耗表示由耦合带来的总损耗 定义为所有输出端口的光功率总和与全部输入光功率的比值 该值以分贝表示的数学表达式为式中 Pj为第j个输出口的输出功率 Pi为输入总光功率 4 分光比 分光比是光耦合器所特有的技术术语 它定义为耦合器各输出端口的输出功率相对输出总功率的百分比 在具体应用中常用数学表达式表示为例如对于标准X形耦合器 1 1或50 50代表了同样的分光比 即输出为均分的器件 5 隔离比 isolation 隔离度是指某一光路对其他光路中的信号的隔离能力 隔离度高 也就意味着线路之间的 串话 小 其数学表达式为式中 Pt是某一光路输出端测到的其他光路信号的功率值 Pi是被检测光信号的输入功率值 第五部分光纤通信器件 一 光纤发射机1 分类按光波长 1310nm光发和1550nm光发按调制方式 模拟调制和数字调制 按调制方式与光源的关系 直接调制光发和外调制光发 模拟调制又有两类 一类是用模拟基带信号直接对光源进行强度调制 D IM 另一采用连续或脉冲的射频 RF 波作为副载波 模拟基带信号先对它的幅度 频率或相位等进行调制 再用该受调制的副载波去强度调制光源 模拟调制的优点是设备简单 占有带宽较窄 但它的抗干扰性能差 中继时噪声累积 数字调制是光纤通信的主要调制方式 将模拟信号抽样量化后 以二进制数字信号 1 或 0 对光载波进行通断调制 并进行脉冲编码 PCM 数字调制的优点是抗干扰能力强 中继时噪声及色散的影响不积累 因此可实现长距离传输 它的缺点是需要较宽的频带 设备也复杂 2 基本原理从前端输入的RF电视信号经过放大等电路处理 从末级分出一部分信号 经过峰值检波 直流放大去控制由PIN二极管组成的电调衰减器和自动增益控制 AGC 经过这样一系列的处理以后 将射频信号加入激光器激励口 来控制半导体激光器的偏流 进而控制激光器的输出光强度 一般采用DFB激光器作为光源 3 光发射机的应用直接调制型 线性好 失真小 输出功率18mw以内 价格低廉适用于近距离传输 35公里以内 外调制型 非线性失真大 电路复杂成本高 输出功率大2X20mw 色散小 适合长距离传输 二光分路器 光分路器介绍 它属于无源器件 可以对光信号进行耦合 分配 分支 是具有多个输入端和输出端的光纤汇接器件 在有线电视系统中多用一个输入 多个输出 注 老式的分波长 新式的为通用型 三 光接收机原理和应用1 分类 光接收机分为模拟光接收机和数字光接收机两种2 作用 在有线电视HFC网络中 光接收机通常位于光纤接点处 它的主要功能是把光信号转变为RF信号 3 原理 光电检测器是从输入的光信号中取出有用的电信号 有线电视信号 能完成O E转换的光接收器件称光电检测器或光电二极管 PD 光电检测器输出的射频有线电信号送入电信号放大级放大 之后送至均衡器 完成对带宽内 550MHz 750MHz 860MHz的带宽内 的平坦度调整 之后送入衰减器 衰减器完成对带宽内各频道幅度的调整 保证输出级有合适的输出电平 即保证光接收机有合适的输出电平 输出放大器输出信号送入分支器 或分配器 之后送到接收机的各输出口 从输出放大级输出取出部分信号送至AGC控制电路