光纤基础知识

1、光纤基础知识(Fiber Handbook Technology Data)光纤通信的优点光纤通信的优点1.高频宽：1.0GHz 数百GHz 2.低衰减：传输距离长，目前可达120公里长，中间不用加装中继器 3.不受电磁或串音干扰 4.体积小、重量轻 5.安全性高 6.可靠度高且易于维护 光纤通信的缺点光纤通信的缺点 光纤易折断 连接困难 怕弯曲光通信发展简史光通信发展简史2000多年前烽火台灯光、旗语1880年光电话无线光通信1970年光纤通信光纤通信发展史光纤通信发展史 1966年“光纤之父”高锟博士首次提出光纤通信的想法。 1970年贝尔研究所林严雄在室温下可连续工作的半导体激光器。 1

2、970年康宁公司的卡普隆(Kapron) 之作出损耗为20dB/km石英光纤。 1977年芝加哥第一条45Mb/s的商用线路。电磁波谱电磁波谱1cm 1mm 100um 10um 1um 100nm 10nm 1nm 波長波長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光通信使用范围光通信使用范围红外线红外线紫外线紫外线光纤的结构光纤的结构纤芯纤芯包层包层保护套保护套纤芯 core：折射率较高，用来传送光；包层 coating：折射率较低，与纤芯一起形成全反

3、射条件；保护套 jacket：强度大，能承受较大冲击，保护光纤。光纤种类光纤种类光纤作为光通信的传播媒介，分为多模光纤和单模光纤。多模光纤（橘红色）的纤芯直径为50um62.5um，包层外直径125um，适用于短距离传输（2KM-5KM)； 单模光纤（黄色）的纤芯直径为8.3um，包层外直径125um，多用于中长距离传输（20KM-120KM）。 光纤通信的主要优点：大容量，损耗低，中继距离长，保密性强，体积小，重量轻，光纤的原材料取之不竭。 缺点：易折断，连接困难，怕弯曲。 外径:一般为125um(一根头发平均100um)内径:单模9um 多模50/62.5um12595012562.512

4、5光纤的尺寸光纤的尺寸光纤的分类光纤的分类 按材料分类：玻璃光纤：纤芯与包层都是玻璃，损耗小，传输距离长，成本高；胶套硅光纤：纤芯是玻璃，包层为塑料，特性同玻璃光纤差不多，成本较低；塑料光纤：纤芯与包层都是塑料，损耗大，传输距离很短，价格很低。多用于家电、音响，以及短距的图像传输。5光模块简介光模块简介光收发一体模块由光电子器件、功能电路和光接口等组成，光电子器件包括发射和接收两部分。发射部分是：输入一定码率的电信号经内部的驱动芯片处理后驱动半导体激光器（LD）或发光二极管（LED）发射出相应速率的调制光信号，其内部带有光功率自动控制电路，使输出的光信号功率保持稳定。接收部分是：一定码率的光信

5、号输入模块后由光探测二极管转换为电信号。经前置放大器后输出相应码率的电信号，输出的信号一般为PECL电平。同时在输入光功率小于一定值后会输出一个告警信号。目前常规通用的光模块主要包括：光发送器，光接收器，Transceiver（光收发一体模块）以及Transponder（光转发器）。Transceiver（光收发一体模块）（光收发一体模块）Transceiver的主要功能是实现光电/电光变换，包括光功率控制、调制发送，信号探测、IV转换以及限幅放大判决再生功能，此外还有些防伪信息查询、TX-disable等功能，常见的有：SIP9、SFF、SFP、GBIC、XFP等。Transponder（光

6、转发器）（光转发器）Transponder除了具有光电变换功能外，还集成了很多的信号处理功能，如：MUX/DEMUX、CDR、功能控制、性能量采集及监控等功能。常见的Transponder有：200/300pin，XENPAK，以及X2/XPAK等。 光模块的传输距离分为短距、中距和长距三种。一般认为2km及以下的为短距离，1020km的为中距离，30km、40km及以上的为长距离。 光模块的传输距离受到限制，主要是因为光信号在光纤中传输时会有一定的损耗和色散。 损耗是光在光纤中传输时，由于介质的吸收散射以及泄漏导致的光能量损失， 这部分能量随着传输距离的增加以一定的比率耗散。 色散的产生主要

7、是因为不同波长的电磁波在同一介质中传播时速度不等，从而 造成光信号的不同波长成分由于传输距离的累积而在不同的时间到达接收端， 导致脉冲展宽，进而无法分辨信号值。 损耗和色散：损耗是光在光纤中传输时，由于介质的吸收散射以及泄漏导致的光能量损失，这部分能量随着传输距离的增加以一定的比率耗散。色散的产生主要是因为不同波长的电磁波在同一介质中传播时速度不等，从而造成光信号的不同波长成分由于传输距离的累积而在不同的时间到达接收端，导致脉冲展宽，进而无法分辨信号值。这两个参数主要影响光模块的传输距离，在实际应用过程中，1310nm光模块一般按0.35dBm/km计算链路损耗，1550nm光模块一般按0.2

8、0dBm/km计算链路损耗，色散值的计算非常复杂，一般只作参考。 因此，用户需要根据自己的实际组网情况选择合适的光模块，以满足不同的传输距离要求。6传输距离传输距离 中心波长指光信号传输所使用的光波段。目前常用的光模块的中心波长主要有三种：850nm波段、1310nm波段以及1550nm波段。 850nm波段：多用于短距离传输； 1310nm和1550nm波段：多用于中长距离传输。第一、中心波长：单位纳米（nm），目前主要有3种：1） 850nm（MM，多模，成本低但传输距离短，一般只能传输500M）；2） 1310nm (SM，单模，传输过程中损耗大但色散小，一般用于40KM以内的传输)；3

9、） 1550nm (SM，单模，传输过程中损耗小但色散大，一般用于40KM以上的长距离传输，最远可以无中继直接传输120KM)； 第二、 传输速率：指每秒钟传输数据的比特数（bit），单位bps，目前常用的有4种: 155Mbps、1.25Gbps、2.5Gbps、10Gbps等。传输速率一般向下兼容，因此155M光模块也称FE（百兆）光模块，1.25G光模块也称GE（千兆）光模块，这是目前光传输设备中应用最多的模块。此外，在光纤存储系统（SAN）中它的传输速率有2Gbps、4Gbps和8Gbps； 第三、 传输距离：指光信号无需中继放大可以直接传输的距离，单位千米（也称公里，km）,光模块一

10、般有以下几种规格：多模2km以内，单模20km、40km、60km80km和120km等等。 中心波长中心波长光收发一体模块种类繁多：光收发一体模块种类繁多： 按封装可分为：1*9，SFF，SFP，SFP+，XFP，GBIC，X2，XENPARK，300Pin等； 其中，可热插拔封装：SFP，SFP+，XFP，GBIC，X2，XENPARK，300Pin； 不可热插拔封装（带插针）：1*9，SFF； （1）1*9封装-焊接型光模块，一般速度不高于千兆，多采用SC接口。 （2）SFF封装-焊接小封装光模块，一般速度不高于千兆，多采用LC接口。SFF（Small Form Factor）小封装光模

11、块采用了先进的精密光学及电路集成工艺，尺寸只有普通双工SC（1*9)型光纤收发模块的一半，在同样空间可以增加一倍的光端口数，可以增加线路端口密度，降低每端口的系统成本。又由于SFF小封装模块采用了与铜线网络类似的MT-RJ接口，大小与常见的电脑网络铜线接口相同，有利于现有以铜缆为主的网络设备过渡到更高速率的光纤网络以满足网络带宽需求的急剧增长。 （3）GBIC封装-热插拔千兆接口光模块，采用SC接口。GBIC是Giga Bitrate Interface Converter的缩写，是将千兆位电信号转换为光信号的接口器件。GBIC设计上可以为热插拔使用。GBIC是一种符合国际标准的可互换产品。采

12、用GBIC接口设计的千兆位交换机由于互换灵活，在市场上占有较大的市场份额。 （4）SFP封装-热插拔小封装模块，目前最高速率可达4G，多采用LC接口。SFP是Small Form Pluggable的缩写，可以简单的理解为GBIC的升级版本。SFP模块体积比GBIC模块减少一半，可以在相同的面板上配置多出一倍以上的端口数量。SFP模块的其他功能基本和GBIC一致。有些交换机厂商称SFP模块为小型化GBIC（MINI-GBIC）。 （5）XENPAK封装-应用在万兆以太网，采用SC接口。 （6）XFP封装-10G光模块，可用在万兆以太网，SONET等多种系统，多采用LC接口。 按速率可分为单位M

13、b/s或Gb/s。主要涵盖了以下速率：低速率、百兆（155M，622M）、千兆、1.25G、2.5G、4.25G、4.9G、6G、8G、10G和40G等。 按波长可分为常规波长，CWDM，DWDM等几类； 按颜色可区分为单模光纤（黄色）和多模光纤（橘红色）。8光模块分类光模块分类光纤接口连接器类型光纤接口连接器类型接口连接器用于连接可插拔模块及相应的传输媒质。光纤连接器是光纤通信系统中不可缺少的无源器件，它的使用使得光通道间的可拆式连接成为可能，既方便了光系统的调测与维护，又使光系统的转接调度更加灵活。按照光纤的类型分： 单模光纤连接器（一般为G.652 纤：光纤内径9um，外径125um）；

14、 多模光纤连接器（一种是G.651 纤其内径50um，外径125um；另一种是内径62.5um，外径125um）；按照光纤连接器的连接头形式分：FC，SC，ST，LC，MU，MTRJ 等等，目前常用的有FC， SC，ST， LC Fiberpon热插拔光模块所采用的光纤连接器有两种：SC连接器和LC连接器。FC接口LC接口SC接口ST接头 SC（SubscriberConnectorStandardConnector，标准光纤连接器），标准光纤连接器）由日本NTT公司开发的模塑插拔耦合式连接器。其外壳采用模塑工艺，用铸模玻璃纤维塑料制成，呈矩形；插针由精密陶瓷制成，耦合套筒为金属开缝套管结构。

15、紧固方式采用插拔销式，不需要旋转。外观图如图11所示。LC连接器（Lucent Connector or Local Connector，朗讯连接器），外观图如图1 2所示。为了保护光纤连接器的清洁，请务必保证在未连接光纤时盖上防尘帽。光纤接口连接器类型光纤接口连接器类型光发射器技术参数：光发射器技术参数： 光功率:光发射器的光功率值，单位：dBm。由激光器发送光功率决定，光功率对光信号传输距离起着决定性作用。理论上来说，光功率越大，光信号传输距离越远（中继距离长），但实际上，光功率越大，对激光器的寿命会有很大的影响。 目前比较常用的激光器类型有：FP和DFP，当然还有其他几种类型，如VCSE

16、L，EML等；LED发光二级管也可以作为光源使用，只是一般用于低速率（155M）、短距离（2KM）场合。几种常用半导体光发射器件的比较如下表：11类型主要波长优点缺点主要应用场合LED1310nm线性度较好；温度特性好；价格低、寿命最长、使用简单谱线较宽；耦合效率低低速（155M）；短距离（2KM）VCSEL850nm谱线窄；功耗低；调制速率高；耦合效率最高；成本低线性度较差；温度特性较差155M16G；短距离（500M）FP1310nm1550nm多纵模；谱线较窄；调制速率高；成本较低耦合效率低；线性度、温度特性较差155M10G；中距离（40KM）DFB1270nm1610nm单纵模；谱线

17、窄；调制速率高；波长稳定性好耦合效率较低；温度特性较差；成本高2.5G40G；长距离（80KM）EAM（EML电吸收调制激光器）驱动电压低；功耗低；调制带宽高；体积小；结构紧凑成本高成本高比传统DFB激光器更适合高速率、长距离的传输技术参数技术参数光接收机的主要技术指标：光接收机的主要技术指标： 误码率：光纤通信系统中的误码率较低，主要来源于系统的各种噪声和干扰。 灵敏度：在保证达到所要求的误码比特率的条件下，接收机所需要的最小输入光功率，单位dBm。 光接收机的灵敏度主要由光接收机的噪声决定，有时也要考虑码间串扰的影响。噪声主要来自于检测器和放大器的噪声。（码间串扰：光纤色散和光接收机的有限

18、带宽都会引起脉冲展宽，造成码间串扰，从而降低接收机的灵敏度。） 灵敏度是光接收机最重要的性能指标，它的概念是和误码率联系在一起的。在数字光纤通信系统中，接收端的光信号经检测、放大均衡后，进行判决、再生。由于噪声的存在，接收信号就有被误判的可能性。接收码元被错误判决的概率，称为误码率。灵敏度是指保证达到给定的误码率的条件下，光接收机需要输入的最低光功率。灵敏度可以用每一光脉冲所需要的最低平衡能量来表示，但更经常的是用最低平均光功率（W或dBm）来表示。 灵敏度表示光接收机调整到最低状态时，能够接收微弱光信号的能力。提高灵敏度意味着能够接收更微弱的光信号，也即接收灵敏度越高，中继距离越远。动态范围

19、：在长期使用过程中，光接收机的光功率可能会变化。低于这个动态范围的下限（即灵敏度），将产生过大的误码；高于这个动态范围的上限（接收机的过载功率），在判决时亦产生过大的误码。在保证系统的误码率指标的情况下，接收机的最低输出光功率（dBm）和最大输入光功率（dBm）之差。饱和光功率值：光模块接收端最大可以探测到的光功率，一般为-3dBm。当接收光功率大于饱和光功率的时候同样会导致误码产生。因此对于发射光功率大的光模块不加衰减回环测试会出现误码现象。光眼图：将光发射模块输出的（NRZ码）光信号送入取样示波器，就可以观察到光信号波形的“眼图”。 光脉冲信号的质量都可以在光眼图上观察到。 光脉冲波形的上

20、升时间、下降时间、过冲和下冲应加以控制，以免降低接收灵敏度。 光脉冲形状特性由眼图模板给出，眼图模板在光通信系统的标准中都已作了具体的规定。13技术参数技术参数光功率、灵敏度、衰减度、传输距离之间的关系：光功率、灵敏度、衰减度、传输距离之间的关系： 光功率用Pout表示，灵敏度用Pin表示，传输距离用D（distance）表示，衰减度用A（attenuation)表示，他们之间的关系可以用如下公司作出粗略计算：。 一般光衰减除了光纤传输距离衰减，还包括出光接头衰减，但是比较小（大概0.5dB），可以忽略。不同波长的光有不同的衰减度：1310nm波长的光衰减度大概为0.35dB/KM；1550n

21、m波长的光衰减度大概为0.25dB/KM-0.3dB/KM。注：增加光发射机的平均光功率可以增大传输距离，但考虑到安全问题与激光器的寿命，光发射机的发射功率（光功率）不宜过大，如一般不超过+5dB。因传输距离的不同，光纤收发器本身的发射功率，接收灵敏度和使用波长也会不一样。如5KM光纤收发器的发射功率一般在-20dB-14dB之间，接收灵敏度为-30dB，使用1310nm波长；而120KM光纤收发器的发射功率多在-5dB0dB之间，接收灵敏度为-38dB，使用1550波长。 光功率单位常用毫瓦（mw）和分贝（dB）表示，其中两者的关系为：1mw=0dB，而小于1mw的分贝为负值。这就是为什么我

22、们见到的光模块的光功率基本都是负值。可以通过如下公式进行换算：，通讯用的光信号大多数都小于5mw。 衰减的表示方法： 。（注意，这里的Pout和Pin单位为瓦（W）。 发射光功率和接收灵敏度：发射光功率指光模块发送端光源的输出光功率，接收灵敏度指在一定速率、误码率情况下光模块的最小接收光功率。这两个参数的单位都是dBm(意为分贝毫瓦，功率单位mw的对数形式，计算公式为10lg，1mw折算为0dBm)，主要用来界定产品的传输距离，不同波长、传输速率和传输距离的光模块光发射功率和接收灵敏度都会不同，只要能确保传输距离就行。 PinPoutA10log10技术参数技术参数 非对称模块：非对称模块：所

23、谓的非对称模块主要是指发射和接收的速率不一样，比如发射1.25G，接收155M。光模块应用领域：光模块应用领域：光模块广泛应用于光纤收发器、PDH光端机、协议转换器、视频光端机、以太网光纤交换机等领域。其主要作用就是将通信设备传过来的电信号转换成光信号再通过光纤传输，最后通过光接收器将光信号转换成电信号，光模块在其中起着一个中介过渡的作用。光器件分类：光器件分类：按结构，可分为：TO器件（TOSA，ROSA，BOSA）；DIP（或Butterfly）器件；表面贴装（surface mount）器件。TOSA器件：光发射器件；ROSA器件：光接收器件；BOSA器件：光收发一体器件。单纤与双纤的区

24、别：单纤与双纤的区别： 单纤模块：接收和发送的数据在一根光纤上传输；双纤模块：接收和发送分别在两根光纤上传输。 单纤模块可以节省一半的光缆资源，即在一芯光纤上实现数据的收发，在光纤资源紧张的地方十分适用；双纤模块需要占用两根光纤，一根用于发送（TX），一根用于接收（RX）。 单纤模块普遍的波长分别为1310nm和1550nm，配对使用，即一端为1310nm波长，另一端为1550nm波长，既可以发送，也可以接收；而双纤模块都是统一波长，即发送和接收都是使用同一个波长。（注：单纤双向与双纤双向的主要区别在于传输与接收波长是否一致，单线双向要求波长不一致，双纤双向要求波长一致）。 单纤光接口常采用S

25、C接口，双纤光接口常采用FC接口。16BIDI模块模块BiDi（Bidirectional）即：单纤双向。利用WDM技术，发送和接收两个方向使用不同的中心波长。实现一根光纤双向传输光信号。一般光模块有两个端口，TX为发射端口，RX为接收端口；而该光模块只有1个端口，通过光模块中的滤波器进行滤波，同时完成1310nm光信号的发射和1550nm光信号的接收，或者相反。因此该模块必须成对使用，他最大的优势就是节省光纤资源。注：BIDI模块必须成对使用 17CWDM模块模块CWDM光模块采用CWDM技术，可以通过外接波分复用器，将不同波长的光信号复合在一起，通过一根光纤进行传输，从而节约光纤资源。同时

26、，接收端需要使用波分解复用器对复光信号进行分解。1270nm到1610nm波长18个信道可供选择Uncooled MQW DFB LD可以选择的封装 1X9 /GBIC / SFF / SFP 单一供电+3.3V或者+5V工作温度0C 70C（商业级） 40 85（工业级）符合Telcordia (Bellcore) GR 468 COREClass1规范产品，符合IEC60825 1 和IEC 60825 2要求符合RoHS标准的产品 18XENPAK和和X2光模块光模块Xpak和X2光模块都是从Xenpak标准演进而来的，其内部功能模块与Xenpak基本相同，在电板上的应用也相同，都是使用

27、一个模块即可实现10G以太网光接口的功能。由于Xenpak光模块安装到电路板上时需要在电路板上开槽，实现较复杂，无法实现高密度应用。而Xpak和X2光模块经过改进后体积只有Xenpak的一半左右，可以直接放到电路板上，因此适用于高密度的机架系统和PCI网卡应用。 19光模块功能失效重要原因光模块功能失效重要原因光模块功能失效分为发射端失效和接收端失效，分析具体原因，最常出现的问题集中在以下几个方面：1.光口污染和损伤光口污染和损伤由于光接口的污染和损伤引起光链路损耗变大，导致光链路不通。产生的原因有：A光模块光口暴露在环境中，光口有灰尘进入而污染；B使用的光纤连接器端面已经污染，光模块光口二次

28、污染；C带尾纤的光接头端面使用不当，端面划伤等；D使用劣质的光纤连接器；引起引起ESDESD损伤的因素有：损伤的因素有： 环境干燥，易产生ESD； 不正常的操作，如：非热插拔光模块带电操作；不做静电防护直接用手接触光模块静电敏感的管脚；运输和存放过程中没有 防静电包装； 设备没有接地或者接地不良； 2ESD损伤损伤 ESD是ElectroStatic Discharge缩写即静电放电，是一个上升时间可以小于1ns（10亿分之一秒）甚至几百ps（1ps10000亿分之一秒）的非常快的过程，ESD可以产生几十Kv/m甚至更大的强电磁脉冲。静电会吸附灰尘，改变线路间的阻抗，影响产品的功能与寿命； ESD的瞬间电场或电流产生的热，使元件受伤，短期仍能工作但寿命受到影响；甚至破坏元件的绝缘或导体，使元件不能工作（完全破坏）。ESD是不可避免，除了提高电子元器