光通讯基础知识

光通讯基础知识(FiberHandbookTechnologyData)光纤通信的优点通信容量大、传输频带宽传输衰减少、传输距离长信号串扰小、传输质量高抗电磁干扰、保密性好光纤重量轻、体积小，便于运输和敷设耐化学腐蚀，适用于特殊环境原料资源丰富节约有色金属光纤通信发展史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。1970年康宁公司的卡普隆(Kapron)之作出损耗为20dB/km光纤。1977年芝加哥第一条45Mb/s的商用线路。光的基本知识光具有波粒二象性，具有电磁波的一般特性可见光350nm—750nm光纤通信所用的波长

800——1600nm光的反射、折射全反射光的基本知识n1n2n1<n2θ1θ2θ3入射折射反射视觉位置实际位置空气水光的基本知识n1n2n1>n2n1n2临界角900临界角n1n2全反射入射角=反射角θ1θ2光纤的结构纤芯包层保护套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。按照光纤的模式分类单模（Single-Mode）多模（Multi-Mode）按折射率分类阶越光纤渐变折射率光纤

光纤的分类光纤的损耗1310nm:0.35~0.5dB/Km1550nm:0.2~0.3dB/Km850nm:2.3~3.4dB/Km光纤熔接点损耗：0.2dB/点光纤熔接点1点/2km常见光纤名词衰减：光在光纤中传输时的能量损耗

单模光纤

1310nm0.35~0.5dB/km

1550nm0.2~0.3dB/km

塑料多模光纤

300dB/km4.光纤的防护原则1）不要让光纤接触地面或任何被污染的区域（保持车间和工作台的清洁）2）在生产的全过程当中不要使光纤受到压力或损伤3）避免把光纤绕成很小的圈（过于弯曲将导致纤芯断裂）4）若光纤被污染及时用酒精擦除5）不要用手指接触去皮的裸纤6）避免管壁与桌子的角与光纤接触以免被划破7）不容许留长指甲，手上不能佩带首饰8）在显微镜下检查光纤器件端面时，光纤受弯曲半径不易过小9）不要将光纤缠绕在一起，散、绕光纤时要顺序的缠绕、自然的摆放10）操作染色笔时细心，如有染色，及时用酒精擦除光纤的弯曲度1）250um光纤绕圈直径不得小于60mm2）有特殊要求的以具体的操作指导书为准光纤的正确绕法五指弯曲使弯曲面大致组成一个圆形缠绕面，将待缠绕器件置于掌心沿着缠绕面进行缠绕。光纤的衰减光纤的衰减图0.70.80.91.01.11.21.31.41.51.6λnm

OH-OH-OH-第一窗口第二窗口第三窗口衰减(dB/km)水峰值654321光纤通信传输信号的转换EOEO信号输入信号输出发送端接收端光纤光在光纤中的前进方式光在光纤中的前进方式并不是直线投射，而是靠有角度不停的折射传输光线的散射损耗光在前进当中会因为光纤中的杂质、气泡或因光纤外覆层的不均匀等因素，产生散射损失光纤气泡覆层界面不均匀杂质无源光器件

简介是一种光学元器件工艺原理遵循光学的基本原理，即光线理论以及电磁波理论光通信设备的重要组成部分工艺涉及多种加工工艺，特别复杂光无源器件主要分为以下几种光纤连接器（Connector）

光耦合器件（Coupler）光衰减器（Attenuator）光隔离器（Isolator）光开关（switch）光纤准直器（FiberCollimators）光环形器（Circulator）偏振光合束器(PBC)1.连接器（Connector）基本原理光纤连接器的基本原理是采用某种机械和光学机构，使两根光纤的纤心对准，保证90％以上的光可以通过。光纤连接器是光学元器件中的基础元件，除了实现光纤之间的连接外，它还具有将光纤光缆、有源器件、其他无源器件、系统与仪表实现连接的功能。产品图片尾纤跳线双芯插接线束状跳线光纤带尾纤松套管尾纤产品分类---按用途FC端头SC端头ST端头D4型端头MT-RJ端头LC端头产品分类---按插头物理形状光纤纤芯光纤陶瓷插针体套筒PC(UPC)端面互相接触连接器APC端面互相接触连接器端头物理形状—端面结构光纤纤芯光纤陶瓷插针体套筒使用光缆情况按照光纤种类分类单模光纤(G.652光纤、G.655光纤、其它新设计的光纤)多模光纤(50/125m、62.5/125m、千兆/万兆比特多模光纤)特种光纤(色散补偿光纤、高衰减光纤等)按照使用光缆类型来分类：单芯光缆(0.9mm、2.0mm、2.4mm、2.9mm)以2.9mm为主,行业也称号3.0mm.容量为90%.其次是0.9mm,2.0mm用于LC或MU.双芯光缆(双芯并联式ZIPCORD、DFX双联紧套光缆、MIC双芯光缆)以2.4mm为主,市场容量为5%.束状光缆(Fanout紧套光缆、MIC紧套光缆),多芯结构极少使用水平布线光缆或垂直布线光缆(MIC紧套光缆).多芯结构极少使用松套管光缆及光纤带光缆,0.9mm的中空管穿管.相关标准主要相关指标IEC60874TIA/EIA568BellcoreGR326-COREJISC5970&5973插入损耗回波损耗环境试验机械试验GB/T12509YD/T895YD/T896YD/T897YD/T826FC光纤连接端头适用于长途及本地电信网络按照BellcoreGR-326-CORE,Issue3规范设计和测试完全符合JISC5970技术规范耐用镀镍黄铜零部件和螺纹锁紧结构使用标准FC适配器适配器适用于高密度设备内部连接按照BellcoreGR-326-CORE,Issue3规范设计和测试完全符合JISC5973技术规范插拔式闭锁结构能组合成双头并联包装形式使用标准SC适配器SC光纤连接端头APC光纤连接端头适用于模拟及CATV网络高精度插芯和部件组合体可用于SC和FC端面形式符合IEC规范要求连接器端面带斜8°角低反射损耗及低插入损耗APC端面的结构主要用于CATV网络,由于采用斜角对接,连接器有更高的回波损耗,这样有利于模拟信号的传输.中国采用8°斜角,美国采用9°斜角.注意ST结构没有APC端头结构LC光纤连接端头适于光传输网络和配线架采用1.25mm陶瓷插芯，所占位置高密度低回波损耗及极低插入损耗LC是原Lucent专门为高密度光传输设备开发的小尺寸单模光纤连接器,采用更小的陶瓷插针,在北美成为行业标准.并有望未来在中国成为新的标准结构ST光纤连接端头适用于本地电信网络高精度氧化锆陶瓷插芯耐用组合五金零部件卡口旋转连接耦合方式ST组合连接器设计使用标准ST适配器ST是FC的经济适用性,但卡口旋转显然没螺纹锁紧可靠.主要用于接入端和用户线中.在美国比较流行,在我国由于连接器本身就价廉,实际应用并不多.注意上下图采用不同的光缆,因此尾套也不相同.MT-RJ光纤连接端头适于光传输接入网络,特别是多模光纤系统,属于即插即拔系统小尺寸端面设计,低回波损耗及极低插入损耗MT-RJ是康宁,AMP,Molex,西蒙和藤仓等十三个厂家共同推荐的插头形式,特点是结构简单且价廉.现场端接简单快捷.MPT和DFX光纤连接端头适于各种光传输网络采用1.25mm陶瓷插芯，所占位置高密度允许使用扁平光纤带低回波损耗及极低插入损耗用于设备内部连接和互连的理想设计不同颜色的连接器分支以便于光纤识别紧凑、耐用的双芯结构(2.5mm光缆直径)便于光纤管理并减少配线部件上的堵塞现象适于光传输网络和配线架采用1.25m陶瓷插芯，所占位置高密度低回波损耗及极低插入损耗MU和E-2000光纤连接端头日本人的多纤连接解决方案,具有密集度高,模块式设计,面版设计简单等优点.在日本应用广泛.

E-2000欧洲设计的小尺寸连接器:适于光传输网络和配线架采用1.25m陶瓷插芯，所占位置高密度极低回波损耗及极低插入损耗适合各种光纤和端头形式,完全是工艺品,价格极高.跳纤类型LC—LCSC—FCST—FCSC—SCSC—LC2.光耦合器（Coupler）光（纤）耦合器（coupler）

在光通信技术中，光耦合器就是一类能使传输中的光信号在特殊结构的耦合区发生耦合，并进行再分配的器件耦合机理：（单模光纤耦合器）

耦合即是入射光功率在熔融拉锥区域进行功率再分配，一部分通过“直通臂”继续传输，另一部分由“耦合臂”传到另一光路。基本原理是：当光线输入进入熔锥区输入端时，由于纤芯的不断变细，入射角度也不断变大，当超过全反射的角度临界点时，会有部分的光功率会逸出“输入臂”熔锥区的光纤包层，这时光功率是以包层作为芯，纤外介质（空气）作为新的复合波导中传播的；在输出端，随着纤芯变粗，入射角度逐渐变小，光功率被两个纤芯以特定的比率捕获。

耦合机理示意图(1X2Single为例)

耦合区单模输入光（小角度单一路径）背散射臂

输入臂入射角度变大

逸出折射光耦合臂形成新的全反射直通臂主要性能技术指标1、插入损耗2、附加损耗（ExcessLoss）：全部输出端口功率总和相对于全部输入功率总和的减少值3、分光比（CouplingRatio）：耦合器各输出端口的输出功率的比值4、方向性（Directivity）：输入侧注入光一端的输出光功率与全部注入功率的比较值5、均匀性（Uniformity）:在器件工作带宽范围内，各输出端口输出光功率的最大变化值6、偏振相关损耗（PolarizationDependentLoss）当传输光信号偏振态发生360度变化，器件各端口输出光功率最大变化量7、隔离度（Isolation）：光纤耦合器件某一光路对其他光路中光信号的隔离能力

光耦合器分类：

光纤耦合器按其传导光模式的不同可分为单模光纤耦合器和多模光纤耦合器；从功能上分，可分为光功率分配器（Splitter）以及光波长分配耦合器（WDMCoupler）。从端口形式上划分，它包括X形（2*2）耦合器、Y形（1*2）耦合器、星形（N*N，N＞2）耦合器及树形（1*N，N＞2）耦合器等；从工作带宽的角度划分，它可分为单工作窗口的窄带耦合器（StandardCoupler）、单工作窗口宽带耦合器（WavelengthFlattenedCoupler）和双工作窗口的宽带耦合器（WavelengthIndependentCoupler）.光功率分配器（Splitter）光波分复用器（WDM）波分复用技术是光纤通信中的一种传输技术，它利用了一根光纤可以同时传输多个不同波长的光载波的特点，把光纤可能应用的波长范围划分成若干个波段，每个波段用作一个独立的通道传输一种预定波长的光信号。这样大大提高了单模光纤的带宽利用光波分复用器是对光波波长进行分离与合成的光无源器件。光波分复用器件的一个端口，作为器件的输出/输入端，N个端口作为器件的输入/输出端。P0(0#端口)1P1端口2P2端口nPn端口波分复用器

在一条光纤中传输多个光信号，这些光信号频率不同，颜色不同。波分复用器就是要把多个光信号耦合进同一根光纤中；解波分复用器就是从一根光纤中把多个光信号区分出来。波分复用器（图例）

λ1传送器

λ2传送器

λ1+

λ2

λ1+

λ2

λ1接收器

λ2接收器光波分复用器件技术指标（仅指单模光纤WDM器件）复用中心波长：信道通道带宽：±20nm，指允许的中心波长范围的变化。插入损耗：指器件输入端和对应的输出端光功率的减小值。隔离度：指器件输出端口的光进入非指定输出端口光能量大小。光回波损耗：指光信号从指定端口输入时，由于器件引起反向回传 的光能量。偏振相光损耗：指光信号以不同的偏振状态输入时,对应输出端口插入损耗最大变化量。温度稳定性：指器件插入损耗随温度的变化。最大光功率：指器件允许通过的最大光功率。工作温度：指器件正常工作时，允许的温度变化。储存温度：指器件存放、运输的温度范围。3.光衰减器（Attenuator）光衰减器是重要的光学无源器件，常用于在系统中吸收或反射掉光功率余量、评估系统的损耗以及各类测试中。

光衰减器可以按照用户的要求将光信号进行预期的衰减，类型很多，不同类型衰减器分别采用不同的工作原理。光衰减器的作用：

直接镀膜型光衰减器（吸收或反射膜）纵向位移型横向位移型衰减片型光衰减器液晶型光衰减器光衰减器位移型光衰减器光衰减器的种类图片手持可调光衰减器光衰减器主要性能指标1、InsertionLoss：插入损耗，即衰减量2、ReturnLoss：回波损耗3、Attenuationrange：衰减范围4、Attenuationresolution：衰减精度5、PDL：偏振相关损耗4.光隔离器（Isolator）概述隔离器主要用在激光器和光放大器的后面，以避免反射光返回到该器件致使器件性能变换。插入损耗和隔离度是隔离器的两个主要参数，对正向入射光的插入损耗其值越小越好，对反向反射光的隔离度其值越大越好，目前插入损耗的典型值约为1db，隔离度的典型值的大致范围40~50db。

图片主要性能技术指标

1、InsertionLoss：插入损耗2、ReturnLoss：回波损耗3、Isolation：反向隔离度，表征隔离器对反向传输光的衰减能力4、PolarizationDependentLoss:PDL偏振相关损耗，是指当输入光偏振态发生变化而其他参数不变时，器件插入损耗的最大变化量5、PolarizationModeDispersion：偏振模色散，是指通过器件的信号光不同偏振态之间的相位延迟。5.光开关（SWITCH）概述：

光开关的功能是转换光路，实现光交换，他是光网络的重要器件。 光开关可分为两大类：一类是机械光开关，利用电磁或步进电机驱动光纤、棱镜或反射镜等光学元件实现光路转换；另一类是固体光开关，利用磁光效应、光电效应或声光效应实现光路转换。机械光开关的优点是插入损耗小，串扰小。适合各种光纤，技术成熟；缺点是开关切换速度慢。固体光开关正好相反，优点是开关速度快；缺点是插入损耗大，串扰大，只适合单模光纤。产品图片6.光纤准直器（FiberCollimator）

原理与作用光纤准直器的基本原理是，将光纤端面置于准直透镜的焦点处，使光束得到准直，然后在焦点附近轻微调节光纤端面位置，得到所需工作距离，因此准直器的工作距离与光纤头和透镜的间距L相关。光纤准直器的作用是将光纤输出的束腰半径较小而发散角较大的近似高斯光束转化为腰斑较大而发散角较小的光束，以增加对轴向间距的容查从而提高光纤与光纤之间的耦合效率，这样可使两准直器之间保持较长的距离，可以插入光学元件以实现器件性能。如下图所示；

原理示意图

腰斑较大发散角小

GrinLens（1/4透镜）FiberPigtail束腰半径小发散角大GlassSleeve近高斯光束折射率径向变化示意图玻璃