光纤传输基础知识

线路中心1月8日光纤传输基础知识

光纤通信的优点通信容量大中继距离长不受电磁干扰资源丰富光纤重量轻、体积小光通信发展简史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。电磁波谱1cm1mm100um10um1um100nm10nm1nmλ波長10G100G1T10T100T10^1510^1610^17f(Hz)1.6um1.51.41.31.21.11.0um900800700600nm光通信使用范围红外线紫外线通信波段划分及相应传输媒介频率Hz10110710210610310510410410510310610210710110810010910-1101010-2101110-3101210-4101310-5101410-61015自由空间波长（m）电力、电话无线电、电视微波红外可见光双铰线同轴电缆光纤卫星/微波AM无线电FM无线电频段划分传输介质光的折射，反射和全反射因光在不同物质中的传播速度是不同的，所以光从一种物质射向另一种物质时，在两种物质的交界面处会产生折射和反射。而且，折射光的角度会随入射光的角度变化而变化。当入射光的角度达到或超过某一角度时，折射光会消失，入射光全部被反射回来，这就是光的全反射。不同的物质对相同波长光的折射角度是不同的（即不同的物质有不同的光折射率），相同的物质对不同波长光的折射角度也是不同。光纤通讯就是基于以上原理而形成的。反射率分布：表征光学材料的一个重要参数是折射率，用N表示，真空中的光速C与材料中光速V之比就是材料的折射率。妈N＝C/V光纤通信用的石英玻璃的折射率约为1.5光通信的发展过程雏形：古代烽火、手旗、灯光潜望镜原理——光波导之雏形光的基本知识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光纤结构光纤裸纤一般分为三层：第一层：中心高折射率玻璃芯（芯径一般为9-10μm,(单模）50或62.5（多模）。第二层：中间为低折射率硅玻璃包层（直径一般为125μm）。第三层：最外是加强用的树脂涂层。纤芯包层保护套光纤的结构一、纤芯core：折射率较高，用来传送光；二、包层coating：折射率较低，与纤芯一起形成全反射条件；三、保护套jacket：强度大，能承受较大冲击，保护光纤。

3mm光缆橘色MM多模

黄色SM单模外径一般为125um(一根头发平均100um)内径：单模9um

多模50/62.5um12595012562.5125光纤的尺寸数值孔径入射到光纤端面的光并不能全部被光纤所传输，只是在某个角度范围内的入射光才可以。这个角度就称为光纤的数值孔径。光纤的数值孔径大些对于光纤的对接是有利的。不同厂家生产的光纤的数值孔径不同（AT&TCORNING）。光纤的种类按光在光纤中的传输模式可分为：多模（Multi-Mode）(简称：MM）单模（Single-Mode）(简称：SM）

多模光纤：中心玻璃芯较粗（50或62.5μm），可传多种模式的光。但其模间色散较大，这就限制了传输数字信号的频率，而且随距离的增加会更加严重。例如：600MB/KM的光纤在2KM时则只有300MB的带宽了。因此，多模光纤传输的距离就比较近，一般只有几公里。

单模光纤：中心玻璃芯较细（芯径一般为9或10μm），只能传一种模式的光。实际上是阶跃型光纤的种，只是纤芯径很小，理论上只允许单一传播途径的直进光入射至光纤内，并在纤芯内作直线传播。光纤脉冲几乎没有展宽。因此，其模间色散很小，适用于远程通讯，但其色度色散起主要作用，这样单模光纤对光源的谱宽和稳定性有较高的要求，即谱宽要窄，稳定性要好。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。按最佳传输频率窗口按最佳传输频率窗口:常规型单模光纤和色散位移型单模光纤。

常规型：光纤生产长家将光纤传输频率最佳化在单一波长的光上，如1300nm。

色散位移型：光纤生产长家将光纤传输频率最佳化在两个波长的光上，如：1300nm和1550nm。

突变型：光纤中心芯到玻璃包层的折射率是突变的。其成本低，模间色散高。适用于短途低速通讯，如：工控。但单模光纤由于模间色散很小，所以单模光纤都采用突变型。渐变型光纤：光纤中心芯到玻璃包层的折射率是逐渐变小，可使高模光按正弦形式传播，这能减少模间色散，提高光纤带宽，增加传输距离，但成本较高，现在的多模光纤多为渐变型光纤。常用光纤规格光纤尺寸：

1、单模纤芯直径：9/125μm，10/125μm

2、包层外径（2D）＝125μm

3、一次涂敷外径＝250μm

4、尾纤：300μm

5、多模：50/125μm，欧洲标准

62.5/125μm，美国标准

6、工业，医疗和低速网络：100/140μm，200/230μm

7、塑料：98/1000μm，用于汽车控制光纤衰减造成光纤衰减的主要因素有：本征，弯曲，挤压，杂质，不均匀和对接等。本征：是光纤的固有损耗，包括：瑞利散射，固有吸收等。弯曲：光纤弯曲时部分光纤内的光会因散射而损失掉，造成的损耗。挤压：光纤受到挤压时产生微小的弯曲而造成的损耗。杂质：光纤内杂质吸收和散射在光纤中传播的光，造成的损失。不均匀：光纤材料的折射率不均匀造成的损耗。对接：光纤对接时产生的损耗，如：不同轴（单模光纤同轴度要求小于0.8μm），端面与轴心不垂直，端面不平，对接心径不匹配和熔接质量差等。光缆的种类1.按敷设方式分有：自承重架空光缆，管道光缆，铠装地埋光缆和海底光缆。2.按光缆结构分有：束管式光缆，层绞式光缆，紧抱式光缆，带式光缆，非金属光缆和可分支光缆。3.按用途分有：长途通讯用光缆、短途室外光缆、混合光缆和建筑物内用光缆。光缆的接续与成端光缆的接续与成端是光缆线路维护人员必须掌握的基本技能。光缆的接续技术分类：一、光纤的接续技术和光缆的接续技术两部分。二、光缆的成端类似光缆的接续，只不过由于接头材料不同而操作该当也有所不同。光纤接续的种类光缆接续一般可分为两大类：一、光纤的固定接续（俗称死接头）。一般采用光纤熔接机；用于光缆直接头。二、光纤的活动接头（俗称活接头）。用能够拆卸的连接器连接（俗称活接头）。用于光纤跳线、设备连接等地方由于光纤端面的不完整性和光纤端面压力的不均匀性，一次放电熔接光纤的接头损耗还比较大，现在采用二次放电熔接法。先对光纤端面预热放电，给端面整形，去除灰尘和杂物，同时通过预热使光纤端面压力均匀。光纤连接损耗的监测方法光纤连接损耗的监测方法有三种：1、在熔接机上进行监测。2、光源、光功率计监测。3、OTDR测量法一、光纤接续的操作方法光纤接续操作一般分为：1、光纤端面的处理。2、光纤的接续安装。3、光纤的熔接。4、光纤接头的保护。5、余纤的盘留五个步骤。二、光缆接续的操作方法通常整个光缆的接续按以下步骤进行：第一步：大量好长度，开剥光缆，除去光缆护套；第二步：清洗、去除光缆内的石油填充膏。第三步：捆扎好光纤。第四步：检查光纤心数，进行光纤对号，核对光纤色标是否有误；第五步：加强心接续；第六步：各种辅助线对，包括公务线对、控制线对、屏蔽地线等接续（如果有上述线对。第七步：光纤的接续。第八步：光纤接头保护处理；第九步：光纤余纤的盘库留处理；第十步：完成光缆护套的接续；第十一步：光缆接头的保护。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：0.08dB/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

1310nm0.4~0.6dB/km

1550nm0.2~0.3dB/km

塑料多模光纤

300dB/km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色散(Dispersion)：光脉冲沿着光纤行进一段距离后造成的频宽变粗。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。常见光纤名词光纤类型G.652零色散点在1300nm左右G.653零色散点在1550nm左右G.654负色散光纤G.655色散位移光纤全波光纤常见光纤名词散射

由于光线的基本结构不完美，引起的光能量损失，此时光的传输不再具有很好的方向性。光线缺陷光纤系统基础知识一、基本光纤系统的构架及其功能介绍：1.发送单元：把电信号转换成光信号；2.传输单元：载送光信号的介质；3.接收单元：接收光信号并转换成电信号；4.连接器件：连接光纤到光源、光检测以及其它光纤。光纤系统基础知识二、基本光纤系统方框图：

信号光发射机光源中继器检测器光接收机信号电E/光O转换光纤光O/电E转换发送单元传输单元接收单元连接器件常用连接器类型SCLCMT-RJDSCVF-45Opti-Jack常用连接器类型FCTypeSCTypeSC2TypeFDDType常用连接器类型BICONICTypeD4TypeSMA905TypeSMA906TypeMINIBNCType连接头端面类型Ferrule+Flange

InsertionLoss(插入损耗)<0.3dBReturnLoss(回波损耗)PC>40dBSPC>45dBUPC>50dBAPC>60dB无源器件耦合器（coupler）主要功能再分配光信号重要应用在光纤网络尤其是应用在局域网在波分复用器件上应用无源器件耦合器（coupler）基本结构

耦合器是双向无源器件

基本形式有树型、星型

——与耦合器对应的有分路器（splitter）无源器件耦合器

以图形表示1423无源器件波分复用器

WDM—WavelengthDivisionMultiplexer

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。无源器件波分复用器（图例）

λ1传送器

λ2传送器

λ1+

λ2

λ1+

λ2

λ1接收器

λ2接收器发送单元驱动器光源接收单元检测器放大器

输出电路光放大器

λ0

λ1输入（信号弱）

λ1输出（信号强）光放大器波分复用器耦合器

λ1光源监测光纤数字通信数字系统中脉冲的定义：10%90%50%脉冲宽度上升时间下降时间周期振幅1.振幅：脉冲的高度在光纤系统中表示光功率能量。2.上升时间：脉冲从最大振幅的10%上升到90%所需要