光纤基础知识

1光通信系统概述光纤通信的基本原理光纤知识光纤相关标准介绍光纤基础知识2

光纤通信系统概述

光通信的概述及特点光纤品种演进及分类3光纤通信系统概述—光纤通信的概述及特点光纤通信是以激光为载体，以光纤作为传输媒介的通信方式。与电缆或微波等电通信相比，光纤通信具有频带宽、传输衰减小、信号串扰弱、抗电磁干扰等优点。传输频带宽，通信容量大：光波频率比微波高103～104倍，通信容量约可增长103～104倍。光纤细、光缆轻：对形同容量的话路，光缆质量仅为电缆的1/10~1/20中继距离远：无中继距离100km以上资源丰富，节省有色金属和能源抗电磁干扰能力强，无串话均衡容易经济效益好抗腐蚀、不怕潮湿4光纤通信系统概述—光纤品种演进及分类一、多模光纤1.光纤通信的思想是由美籍华人在1966年发表的论文《光频介质纤维表面波导》中提出用石英玻璃纤维（简称光纤）传送光信号进行通信。该论文明确指出（Ⅰ）光纤可实现超高速通信；（Ⅱ）光纤对光能的损失＜20dB/km。英国邮电和贝尔实验室与美国康宁玻璃公司合作，在1970年研制出世界第一根衰减系数为20dB/km的多模光纤。2.与单模光纤相比，多模光纤具有大芯径（＞50μm）和大数值孔径等特点。这些特点赋予多模光纤比较好的集光能力和抗弯曲能力，解决了光纤通信工程应用及初期所遇到光源与光纤的光源与光纤的光注入耦合或者光纤与光纤的熔接难题，从而推动了多模官衔在短距离的应用的步伐。3.自20世纪80年代到90年代初期，多模光纤因衰减大，工作波长窄、带宽小（模间色散导致的带宽只有几百Mb/S），使得其只能用在传输距离短、带宽小于几百Mb/S的局域网。5二、单模光纤1.1980年成功研制零色散点在1.31μm的单模光纤（非色散位移单模光纤，或者简称标准单模光纤）。1983年，标准单模光纤进入商用。国际电信联盟（ITU-T）建议将这种单模光纤定为G.652光纤。单模光纤的设计思想是只能传输一个模式，所以不会发生多模光纤中传输时所发生的模式噪声。2.20世纪80年代初，为了提高光纤通信容量，用当时的电子线路水平研制出传输速率为565Mb/S光通信设备。在光纤通信工程实践中，发现G.652单模光纤的最小衰减位于1.55μm处，该点的衰减仅为0.22dB/km，但是该点的色散系数则高达18PS/nm·km。这个色散系数数值会使光信号严重畸变，进而限制传输速率的提高和缩短传输距离，为解决G.652光纤在1550nm的色散系数太大的问题，通过改变光纤折射率分布机构所形成的波导负色散来抵消材料的正色散，使G.652单模光纤的零色散点从1310nm波长位移到1550nm波长，从而研制出色散位移单模光纤。这种光纤的设计特点，就是在1550nm工作波长处同时实现衰减和色散两个性能的最佳：在衰减系数最小的同时色散系数为0。1985年，色散位移单模光纤进入商用。ITU-T建议将色散位移单模光纤定义为G.653光纤。63.为实现跨洋洲际海底光纤通信，在G.652单模光纤的基础上有研制出截止波长位移单模光纤。这种光纤折射率剖面结构形状与G.652光纤基本相同，它是通过采用纯SiO2芯来见降低光纤衰减。靠包层掺杂F使折射率下降而获得所需要的折射率差。与G.652光纤相比这种光纤性能上的两个突出特点是：（Ⅰ）在1550nm工作波长上，衰减系数极小仅为0.15dB/km左右；（Ⅱ）通过截止波长位移方法，大大地改善光纤的弯曲附加损耗。ITU-T建议将截止波长位移单模光纤定义为G.654光纤。4.由于G.653光纤纤芯面积比G.652光纤纤芯面积小得多，在加之G.653光纤在1550nm工作波长的色散为领，所以G.653光纤的四波混频效率高，干扰十分严重。为克服在1550nm工作波长的G.652光纤色散太大，而G.653光纤四波混频效率高，1993年美国朗讯和康宁公司共同研制出非零色散位移单模光纤。ITU-T将其命名为G.655光纤。G.655光纤是一种可以满足采用了WDM技术和光纤放大器的光纤通信系统进行高速率、大容量和远距离传输的单模光纤。G.655光纤的研制思想是立足于使新光纤自身在1550nm工作波长具有一个合适的色散值来解决G.652光纤在1550nm工作波长的色散太大，增加了对高速传输系统线路进行色散补偿所付出的费用；而G.653光纤在1550nm工作波长的色散值太小会在传输光纤线路中产生四波混频，进而严重地恶化了系统的传输质量。75.1998年，美国朗讯公司在光纤制造工艺中，通过选择合成石英玻璃沉积管和新的脱水方法，几乎完全消除了适应玻璃光纤在1383nm的OH-离子吸收峰，从而使长期受1383nm的OH-离子吸收峰隔开的1360nm~1460nm波长可以使用了，使工作波长扩大了50%。这种低水峰光纤可以在1285nm~1625nm整个波长上工作。ITU-T将其命名为G.652C、D光纤。6.2004年ITU-T将宽带光传输用的非零色散位移单模光纤规定为G.656光纤。G.656光纤的特点是，可以在S+C+L三个波段，即1460nm~1625nm传输。注：1.单模光纤波段划分（ITU-T第15研究组SG15划分）

O波段：原始（Original）：1260～1360nm；

E波段：扩展（Extended）：1360～1460nm；

S波段：短波（Short）：1460～1530nm；

C波段：常规（Conventional）：1530～1565nm；

L波段：长波（Long）：1565～1625nm；

U波段：超长（Ultralong）：1625～1675nm8注2：光纤演进图G.651G.652G.653G.655G.656G.654传输容量/Mb/S传输传输距离/km减小模间色散零色散位移产生非零色散降低色散斜率截止波长位移9光纤通信的基本原理10光功率的单位为dBm对人类来说，波长为380nm(紫)~750nm(红)的光为可见光，通信用光为不可见光，波长通常为850nm、1310nm和1550nm等等。当需要扩充通信系统传输容量时，需用CWDM、DWDM系统，传输用光波长为1525nm~1625nm之间的4、8、16、32等波长通道，或增加更多的光纤数。通信用光11

用光波长来量化光的“颜色”光波长的单位是nm或μm

不同颜色(波长)的光具有不同的特性1kmGammaRaysX-RaysUltra-VioletInfraredRadioWaves:MicrowavesTelevisionRadio可见光谱380nm750nm0.1nm1nm100nm1mm1cm1m电磁波谱光波长12光纤的导光原理光纤是一种导光的石英玻璃纤维，光在纤芯内由于全反射作用而向前传播

当光沿纤芯向前传播时，同时存在反射和折射现象。

反射：当纤芯中的光传到芯/包界面时，被反射回纤芯内。

折射：当纤芯中的光传到芯/包界面时，透过界面进入包层。13光的反射和折射当光从玻璃向空气中传播时，在玻璃与空气的交界面上，一部分光线向远离法线的方向弯折(折射)，另一部分光被反射回到玻璃中(反射)。对某一波长的光来说，入射角

折射“法线”折射角

空气n2反射玻璃n114空气玻璃光的反射和折射折射反射临界角

c当入射角增大到一定值时，光线不再向空气中折射，而是沿着玻璃-空气界面向前传输，这一入射角为临界角。15当入射角超过临界角时，所有的光以同样的角度反射回玻璃中，这种情况称为全反射。光的反射和折射空气全反射玻璃16空气玻璃只要光线以临界角或大于临界角的角度传播到玻璃-空气界面时，就能保留在玻璃中，直到沿传播方向到达玻璃端面。用光纤作为波导的原理，是以光在纤芯和包层的界面发生全反射为基础的

光的反射和折射17背向散射经散射之后前向传播的光变弱前向传播的光遇到玻璃中微观上的折射率变化时，部分光会向四面八方散射，称为瑞利散射，其中的一部分散射光经反射后回到入射端，称为背向散射。OTDR的工作原理以这种背向散射为基础的。

瑞利散射18菲涅尔（Fresnel）反射向前传播的光到达光纤端面后发生反射，称之为菲涅尔反射

菲涅尔反射也是被OTDR利用的一个重要现象19光纤结构与传输参数20光主要在纤芯中传播，涂覆层起保护光纤的作用芯（单模Ø8~10m

；多模Ø50m

、Ø62.5m

）包层（Ø125m

）涂覆层（Ø250m)光纤的结构模场直径（）21芯层:SiO2+Ge+F包层:SiO2+F内涂覆层:丙烯酸树脂外涂敷层:丙烯酸树脂

光纤结构芯层包层涂覆层22纤芯包层内涂敷层外涂敷层单模光纤内径：9µm多模光纤内径：50µm外径：125µm尺寸规格：23多模光纤有较大的芯单模光纤芯较小光纤的类型24多模光纤中传输光有很多传播路径(“模式”)单模光纤只允许光有一个传播路径单模光纤和多模光纤25单模光纤和多模光纤多模光纤优点：纤芯大，易熔接，传输系统投资小缺点：色散太大，衰减大。只适用于短距离，小容量的传输应用单模光纤优点：色散小，衰减小。适用于长距离、大容量的传输应用缺点：纤芯小，熔接衰减大。传输系统投资大26折射率和群折射率

折射率是传播光传播媒质的“密度”，是光在真空中的传播速度与光在媒质中的传播速度：

n=媒质的折射率；

c=光在真空中传播速度(m/s)；

v=光在媒质中的传播速度(m/s)。群折射率是光在真空中的传播速度与一个光脉冲在光纤中的传播速度之比

群折射率与折射率不同,这是因光脉冲不仅在纤芯中传播（绝大部分光在纤芯中传播），而且有一小部分光在包层中传播，且脉冲实际上是一组不同波长的光波。

27光纤的几何参数包层/芯层直径包层/芯层不圆度芯/包同心度误差光纤的几何参数对于光纤熔接损耗有很大的影响，必须将各参数控制在容忍的范围内28光纤的几何参数翘曲度适当的几何尺寸不适当的几何尺寸包层直径芯/包同心度误差这些情况对熔接都不利！29光纤的几何参数同心度误差对熔接损耗的影响(1)纤芯对准(2)预熔，端面接触(3)融接完毕30光纤的模场直径包层芯在光纤中传输的光的强度分布单模光纤传输的光能不是完全集中在纤芯中，而是有相当大一部分在包层中传输，所以不用纤芯的几何尺寸作为单模光纤参数，而采用模场直径作为描述光纤传输光能集中程度的参量。模场直径是与波长相关的

0-0031光纤的模场直径模场直径大时优点：易对接缺点：聚光能力差，光很容易受弯曲向外泄露模场直径小时优点：对接难缺点：聚光能力强，光不容易受弯曲向外泄露

波长越长，模场直径越大，光更容易受弯曲向外泄露，产生宏弯衰减32光的衰减：光在光纤中传播时强度会逐渐变弱四种原因引起光纤的衰减1.吸收：光纤中材料的固有吸收或杂质吸收光，使传输光强变弱2.散射：光纤中的固有散射或光纤结构缺陷引起的散射，使传输光强变弱3.宏弯：光纤的弯曲半径小于允许弯曲半径时(弯曲半径大于2mm)，部分光从纤芯向包层折射，使传输光强变弱（通常发生在安装阶段）。4.微弯：光纤侧面受压时，引起光纤微观上的扭曲变形(弯曲半径为2µm~2mm)，部分光从纤芯向包层折射，使传输光强变弱（通常发生在制造阶段）。光纤的衰减33光纤的衰减弯曲直径0.01mm～2mm弯曲直径大于2mm宏弯衰减在长波长更为显著。如果一根光纤的衰减增加，且在1550nm处比在1310nm增加幅度大，原因是宏观弯曲所致。微弯衰减发生在当光纤被压于不平的表面时，微观弯曲的弯曲直径在0.01～2mm之间，在真正的微观弯曲中，在两种波长上的衰减的增加是相同的。34光纤的衰减石英光纤衰减最低的窗口位于1550nm波长左右35吸收峰散射吸收衰减（dB/kM)光纤吸收衰减谱与波段定义:Loss(dB)=-10lg(Pout/Pin)本征吸收:

散射（瑞利散射，受激布里渊散射，受激 拉曼散射

)

材料共振吸收（紫外、红外）非本征吸收:

杂质吸收（OH吸收，过度金属离子）弯曲损耗 结构缺陷：纤芯-包层不均匀，接续不好36光纤相关标准介绍37国际电信联盟（ITU-T）国际电工技术委员会（IEC）中国国家标准（GB）信息产业部标准（YD/T)主要标准38B1B2B4B1.1