光接入网基本知识课件

2013家庭宽带装维管理员训练营

第一期2013家庭宽带装维管理员训练营

第一期1、概述2、通信用光纤3、常用的光器件4.光纤接续1、概述光的本质我们日常生活中的可见光的波长为390nm—760nm。光纤通信所用的光波长范围在800－1600nm的近红外区。光波是一种电磁波，光是一种按照电磁定律在场内传播的电磁扰动（振动）。光的本质我们日常生活中的可见光的波长为390nm—760nm光纤通信－光纤传输的本质属于有线通信以光波为载频，以光导纤维为介质的通信方式光纤通信定义光纤通信－光纤传输的本质属于有线通信光纤通信定义光纤通信简史1966年，高锟提出光通信概念1970年，实验室制出第一条多模光纤，衰耗为20dB/KM1976年，发现1310和1550两个低衰耗窗口1980年，光纤在1550窗口的衰减系数已降到0.2dB/KM1981年，光纤通信开始大规模商用，速率从45M到目前的400Gb/s光纤通信原理光纤通信简史1966年，高锟提出光通信概念光纤通信原理光纤通信优点通信容量大光纤通信是以光纤为传输媒介，光波为载波的通信方式，其载波—光波—具有很高的频率(约1014Hz)，因此光纤具有很大的通信容量。传输距离长光纤具有极低的传输衰耗系数，若配以适当的光发送设备和光接收设备，可使其中继距离达数百公里以上。这是传统的电缆（1.5KM）、微波（50M）等根本无法与之比拟的。保密性能好光波在光纤中传输时只在其芯区进行，基本上没有光泄露出去，因此其保密性能极好。光纤通信优点通信容量大光纤通信是以光纤为传输媒介，光波为载波适应能力强适应能力强是指光传输中不怕外界强电磁场的干扰、耐腐蚀等。体积小、重量轻、便于施工维护光缆的敷设方式方便灵活，既可以直埋、管道敷设，又可以水底敷设和架空。原材料来源丰富，价格低廉制造石英光纤的最基本原材料是二氧化硅既石英砂，在大自然中的含量几乎是取之不尽、用之不竭的，规模生产后价格低廉，并且替代了铜缆以后，节省了有色金属资源。光纤通信优点适应能力强适应能力强是指光传输中不怕外界强电磁场的干扰、耐腐1、质地脆，机械强度差。2、光纤的切断和接续需要一定的工具、设备和技术。3、分路、耦合不灵活。4、光纤光缆的弯曲半径不能过小光纤通信缺点1、质地脆，机械强度差。2、光纤的切断和接续需要一定的工具、1、概述2、通信用光纤3、常用的光器件4.光纤接续1、概述

光纤作为光纤通信系统的物理传输媒介，有着巨大的优越性。本单元首先介绍光纤的导光原理，然后介绍光纤结构与类型的，最后简要介绍几何特性、光学特性、传输特性。光纤作为光纤通信系统的物理传输媒介，有着巨大的光纤如何导光的？光纤是什么结构？光在光纤中如何传播？光纤有什么特性？光纤的分类有哪些？与光纤有关的问题光纤如何导光的？与光纤有关的问题光在均匀介质中是沿直线传播的，其传播速度为：v=c/n

式中：c＝3×108m/s，是光在真空中的传播速度；n是介质的折射率。常见物质的折射率： 空气1.003； 水1.33； 玻璃(SiO2)1.52～1.89； 钻石2.42； 硅3.5折射率大的媒介称为光密媒介，反之称为光疏媒介光在不同的介质中传输速度不同光纤的导光原理光在均匀介质中是沿直线传播的，其传播速度为：v=c/n光纤的纤芯n1包层n2n1<n2θ1θ2θ3入射折射反射纤芯n1包层n2n1<n2θ1入射折射全反射条件：纤芯折射率n1大于包层折射率n2入射角大于等于全反射的临界角入射角θ1=临界角入射角θ1<临界角纤芯n1包层n2n1<n2θ1入射反射入射角θ1>临界角光纤的导光原理纤芯n1包层n2n1<n2θ1θ2θ3入射折射反射纤芯n1包通信用光纤的主要成分是高纯度石英，掺杂剂用于改变折射率。纤芯包层一次涂敷层（硅酮树脂或聚氨基甲酸乙脂）1.5cm125um9-50um二次涂敷层（尼龙或聚乙烯）（增加机械性能和弯曲性）光纤的结构通信用光纤的主要成分是高纯度石英，掺杂剂用于改变折射率。纤芯光纤的结构光纤是由纤芯、包层、涂覆层和护套构成的一种同心圆柱体结构纤芯包层涂覆层纤芯：折射率较高，用来传送光包层：折射率较低，与纤芯一起形成全反射条件护套：强度大，能承受较大冲击，保护光纤光纤的结构光纤是由纤芯、包层、涂覆层和护套构成的一种同心圆柱1.按传输模式的数量分类按光纤中传输的模式数量，可以将光纤分为多模光纤(Multi-ModeFiber，MMF)和单模光纤(SingleModeFiber，SMF)。多模光纤和单模光纤是由光纤中传输的模式数决定的，判断一根光纤是不是单模传输，除了光纤自身的结构参数外，还与光纤中传输的光波长有关。

光纤的类别——模式1.按传输模式的数量分类光纤的类别——模式多模光纤：顾名思义，多模光纤就是允许多个模式在其中传输的光纤，或者说在多模光纤中允许存在多个分离的传导模。优点：芯径大，容易注入光功率，可以使用LED作为光源缺点：存在模间色散，只能用于短距离传输模间色散：每个模式在光纤中传播速度不同，导致光脉冲在不同模式下的能量到达目的的时间不同，造成脉冲展宽。光纤的类别——模式多模光纤：顾名思义，多模光纤就是允许多个模式在其中传输的光纤单模光纤：只能传输一种模式的光纤称为单模光纤。优点：单模光纤只能传输基模(最低阶模)，它不存在模间时延差，因此它具有比多模光纤大得多的带宽，这对于高码速长途传输是非常重要的。缺点：芯径小，较多模光纤而言不容易进行光耦合，需要使用半导体激光器激励。

光纤的类别——模式单模光纤：只能传输一种模式的光纤称为单模光纤。光纤的单模光纤和多模光纤几何尺寸当光纤的几何尺寸（主要是芯径d）远大于光波波长时（约1μm），光纤传输的过程中会存在着几十种乃至几百种传输模式，即多模传输。当光纤的几何尺寸（主要是芯径d）较小，与光波长在同一数量级，如芯径d在4μm～10μm范围，这时，光纤只允许一种模式（基模）在其中传播，即单模传输。其余的高次模全部截止。光纤的类别——模式单模光纤和多模光纤几何尺寸光纤的类别——模式2.按光纤截面上折射率分布分类 按照截面上折射率分布的不同可以将光纤分为阶跃型光纤(Step-IndexFiber，SIF)和渐变型光纤(Graded-IndexFiber，GIF)，其折射率分布如图所示。光纤的类别——折射率分布2.按光纤截面上折射率分布分类光纤的类别——折射率分布光纤的类别——折射率分布光纤的类别——折射率分布

阶跃型光纤是由半径为a、折射率为常数n1的纤芯和折射率为常数n2的包层组成，并且n1>n2,n1=1.463~1.467,n2=1.45~1.46。渐变型光纤与阶跃型光纤的区别在于其纤芯的折射率不是常数，而是随半径的增加而递减直到等于包层的折射率。光纤的类别——折射率分布光纤的类别——折射率分布光在阶跃折射率光纤和渐变折射率光纤的传播轨迹分别如图所示。光在阶跃折射率多模光纤中的传播光在渐变折射率多模光纤中的传播光纤的类别——折射率分布光在阶跃折射率光纤和渐变折射率光纤的传播轨迹分别如图所示。光按套塑可以将光纤分为松套光纤和紧套光纤。紧套光纤就是在一次涂覆的光纤上再紧紧地套上一层尼龙或聚乙烯等塑料套管，光纤在套管内不能自由活动。松套光纤，就是在光纤涂覆层外面再套上一层塑料套管，光纤可以在套管中自由活动。3.光纤的类别——套塑(二次涂覆层)按套塑可以将光纤分为松套光纤和紧套光纤。3.光4.按光纤的工作波长分类

按光纤的工作波长可以将光纤分为短波长光纤、长波长光纤和超长波长光纤。

短波长光纤的波长为0.85μm（0.8μm～0.9μm）

长波长光纤的波长为1.3μm～1.6μm，主要有1.31μm和1.55μm两个窗口。

光纤的类别——工作波长4.按光纤的工作波长分类光纤的类别——工作波长光纤的类别——文号按ITU-T或IEC文号分类G.651多模光纤G.652零色散点在1300nm波长左右的单模光纤G.653零色散点在1550nm波长左右的单模光纤G.654截止波长位移单模光纤G.655非零色散位移单模光纤G.656宽带光传送的非零色散光纤G.657接入网用弯曲衰减不敏感单模光纤目前使用最为广泛光纤的类别——文号按ITU-T或IEC文号分类G.651多1、光纤的几何特性

芯直径包层直径同心度不圆度翘曲度光纤的特性1、光纤的几何特性光纤的特性光纤的制造技术选材的准则：1.能拉长、拉细、具有一定的柔韧性、可卷绕性2.在特定波长损耗低3.能使纤芯的折射率略高于包层，满足波导条件按材料分类：1.无源玻璃纤维2.有源玻璃纤维3.塑料纤维光纤的特性光纤的制造技术选材的准则：光纤的特性两种基本方法1.直接熔化法：按传统制造玻璃的工艺将处在熔融状态的石英玻璃的直接制成光纤。2.汽相氧化法：-高纯度金属卤化物(如SiCl4和GeCl4)与氧反应生成SiO2微粒-(通过四种不同的方法)将微粒收集在玻璃容器的表面-烧结(在尚未熔化的状态将SiO2转化成玻璃体)制成预制棒-拉丝成纤光纤的制造技术光纤的特性两种基本方法光纤的制造技术光纤的特性1.折射率分布2.最大理论数值孔径3.模场直径及4.截至波长光纤的光学特性1.折射率分布光纤的光学特性

光纤折射率分布，可用下式表示：其中，n1为纤芯折射率，n2为包层折射率，a为芯半径，r为离开纤芯中心的径向距离，d为折射率分布指数，Δ为相对折射率差，Δ=(n1−n2)/n1。多模光纤的折射率分布，决定光纤带宽和连接损耗。单模光纤的折射率分布，决定工作波长的选择。光纤的光学特性——折射率分布其中，n1为纤芯折射率，n2为包层折射率折射光线n光线在光纤纤芯包层界面处全反射的最小入射角满足：空气的最大入射角满足：所有以小于最大入射角投射到光纤端面的光线都将进入纤芯，并在纤芯包层界面处发生全反射。光纤的光学特性——最大入射角折射光线n光线在光纤纤芯包层界面处全反射的最小入射角满足：空

最大理论数值孔径的定义为：

其中，n1为阶跃光纤均匀纤芯的折射率（梯度光纤为纤芯中心的最大折射率），n2为均匀包层的折射率。D=(n2–n1)/n1为纤芯包层相对折射率差。

光纤的数值孔径（NA）是一个小于1的无量纲的数，其值通常在0.14到0.50之间。数值孔径对光源耦合效率、光纤损耗、弯曲的敏感性以及带宽有着密切的关系，数值孔径大有利于光耦合。但是数值孔径太大会引起光纤的非线性效应。光纤的光学特性——最大理论数值孔径（阶跃光纤）最大理论数值孔径的定义为：其中，n1

模场直径是指描述单模光纤中光能集中程度的参量。

有效面积与模场直径的物理意义相同，通过模场直径可以利用圆面积公式计算出有效面积。模场直径越小，通过光纤横截面的能量密度就越大。当通过光纤的能量密度过大时，会引起光纤的非线性效应，造成光纤通信系统的光信噪比降低，影响系统性能。

因此，对于传输光纤而言，模场直径（或有效面积）越大越好。

光纤的光学特性——模场直径和有效面积光纤的光学特性——模场直径和有效面积模场直径示意图光纤的光学特性——模场直径和有效面积模场直径示意图光纤的光学特性——模场直径和有效面积

理论上的截止波长是单模光纤中光信号能以单模方式传播的最小波长。截止波长条件可以保证在最短光缆长度上单模传输，并且可以抑制高次模的产生或可以将产生的高次模噪声功率代价减小到完全可以忽略的地步。注意：在通信链路中系统的工作波长要大于截至波长。

G.652截止波长1260nmG.655截止波长1480nm

光纤的光学特性——截止波长光纤的光学特性——截止波长1.光纤的损耗特性（1）吸收损耗：光纤吸收损耗是制造光纤的材料本身造成的，包括紫外吸收、红外吸收和杂质吸收。（2）散射损耗：散射中最重要的是瑞利散射，它是由于材料的不均匀使光散射而引起的损耗。（3）弯曲损耗：光纤的弯曲会引起辐射损耗。（4）光纤的衰减系数：是指光在单位长度光纤中传输时的衰耗量，dB/km。决定光纤衰减常数的损耗是吸收损耗和散射损耗。光纤的传输特性1.光纤的损耗特性决定光纤衰减常数的损耗是吸收损耗和散射损0.70.80.91.01.11.21.31.41.5衰减（dB/km）普通单模光纤的衰减随波长变化示意图第一窗口第二窗口波长——λ（μm）6543210。40。2第三窗口

C波段1525~1562nm1.571.62L波段1565~1610nm光纤的传输特性0.70.80.91.01.0.85um窗口2.5dB/km。1.31um窗口0.35dB/km。1.55um窗口0.20dB/km。目前标准单模光纤G.652的损耗在1.55um波段最低，但其色散在1.31um最小，因此把零色散波长移到1.55um波段上，使单模光纤的最小损耗和零色散统一到一个波段上，我们称之为色散位移光纤（DSF)G.653，这样可进一步延长光通信的传输距离。光纤的传输特性0.85um窗口2.5dB/km。1.31um窗口0.3色散定义：光脉冲中的不同频率、模式或偏振态在光纤中的群速度不同，因而这些频率成分和模式到达光纤终端有先有后，使得光脉冲发生展宽，这就是光纤的色散。色散系数：单位是ps/(nm*km)，其含义是波长间隔为1nm的光在光纤中传输1km所产生的时延。例如某光纤色散系数为18ps/(nm*km)，其含义是波长间隔为1nm的光在此光纤中传输1km所产生的时延为18ps。光纤的传输特性——色散色散定义：光脉冲中的不同频率、模式或偏振态在光纤中的群速度不

光纤中的色散可分为模式色散、色度色散、偏振模色散。（1）模式色散（多模光纤）：对于多模光纤中不同模式的光束有不同的群速度，在传输过程中，不同模式的光束的时间延迟不同而产生色散，称模式色散。模式色散主要存在于多模光纤中，单模光纤无模式色散。光纤的传输特性——色散光纤中的色散可分为模式色散、色度色散、偏振模色散。光纤的（2）色度色散：由于光源的不同频率（或波长）成分具有不同的群速度，在传输过程中，不同频率的光束的时间延迟不同而产生色散称为色度色散。色度色散包括材料色散和波导色散。一般单模光纤只考虑这两种色散。材料色散：由于材料折射率随光信号频率（波长）的变化而不同，光信号不同频率（波长）成分所对应的群速度不同，由此引起的色散称材料色散。波导色散：由于光纤波导结构引起的色散称波导色散，它的大小可以和材料色散相比拟。

光纤的传输特性——色散（2）色度色散：光纤的传输特性——色散（3）偏振模色散（单模光纤）指单模光纤中偏振色散，简称PMD（PolarizationModeDispersion），起因于实际的单模光纤中基模含有两个相互垂直的偏振模，沿光纤传播过程中，由于光纤难免受到外部的作用，如温度和压力等因素变化或扰动，并且它们的传播速度也不尽相同，从而导致光脉冲展宽，展宽量也不确定，相当于随机的色散。（4）码间干扰码间干扰简称ISI（Inter-SymbolInterference）

光纤的传输特性——色散（3）偏振模色散（单模光纤）光纤的传输特性——色散

光纤的机械特性主要包括耐侧压力、抗拉强度、弯曲以及扭绞性能等，使用者最关心的是抗拉强度。（1）光纤的抗拉强度光纤的抗拉强度很大程度上反映了光纤的制造水平。影响光纤抗拉强度的主要因素是光纤制造材料和制造工艺。①预制棒的质量。②拉丝炉的加温质量和环境污染。③涂覆技术对质量的影响。④机械损伤。

1.光纤的机械特性光纤的机械和温度特性1.光纤的机械特性光纤的机械和温度特性（2）光纤的寿命光纤的寿命，习惯称使用寿命，当光纤损耗加大以致系统开通困难时，称其已达到了使用寿命。从机械性能讲，寿命指断裂寿命。（3）光纤的机械可靠性为了提高光纤的机械可靠性，在光纤的外包层中掺入二氧化钛。光纤的机械和温度特性（2）光纤的寿命光纤的机械和温度特性光纤的温度特性，是指在高、低温条件下对光纤损耗的影响，一般是损耗增大。如图所示。光纤低温特性曲线2.光纤的温度特性光纤的机械和温度特性光纤的温度特性，是指在高、低温条件下对光纤损耗的影响1)光纤的抗拉强度很高，不小于240g拉力（海底光缆的光纤要求更高）2)光纤的延展性比金属差（光纤比较细和脆）3)当光纤内存在裂纹、气泡或杂物，在一定张力下容易断裂（断裂寿命）4)包层中掺入二氧化钛可以增强机械可靠性5)光纤遇水容易断裂且损耗增大（光缆制作要防水）6)在低温下损耗随温度降低而增加（膨胀系数不同）光纤的机械和温度特性1)光纤的抗拉强度很高，不小于240g拉力（海底光缆的光纤损耗特性光波在光纤中传输，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。光纤本身损耗的原因，大致包括两类：吸收损耗和散射损耗。吸收损耗是光波通过光纤材料时，有一部分光能变成热能，造成光功率的损失。散射损耗是由于光纤的材料、形状、折射率分布等的缺陷或不均匀，使光纤中传导的光发生散射，由此产生的损耗为散射损耗。光纤的特性损耗特性光波在光纤中传输，随着传输距离的增加而光功率逐渐下降色散特性光脉冲沿着光纤行进一段距离后造成脉冲的展宽。它是限制传输速率的主要因素。模间色散：只发生在多模光纤，因为不同模式的光沿着不同的路径传输。材料色散：不同波长的光行进速度不同。波导色散：发生原因是光能量在纤芯及包层中传输时，会以稍有不同的速度行进。在单模光纤中，通过改变光纤内部结构来改变光纤的色散非常重要。光纤的特性色散特性光脉冲沿着光纤行进一段距离后造成脉冲的展宽。它是限制1、概述2、通信用光纤3、常用的光器件4.光纤接续1、概述光纤连接器定义

光纤连接器：是光纤与光纤之间进行可拆卸（活动）连接的器件，它把光纤的两个端面精密对接起来，以使发射光纤输出的光能量能最大限度地耦合到接收光纤中去，并使由于其介入光链路而对系统造成的影响减到最小，这是光纤连接器的基本要求。在一定程度上，光纤连接器影响了光传输系统的可靠性和各项性能。光纤连接器光纤连接器定义光纤连接器光纤连接器结构光纤连接器的一般采用高精密组件(由两个插针和一个耦合管共三