光纤通信原理

Posted 2021-01-07 ydvely521

[导读]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

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

通信波段划分及相应传输媒介

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。

N＝C/V

光纤通信用的石英玻璃的折射率约为1.5

光的基本知识

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。

1)纤芯 core：折射率较高，用来传送光；

2)包层 coating：折射率较低，与纤芯一起形成全反射条件；

3)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

光纤的尺寸

外径一般为125um(一根头发平均100um)

内径：单模9um 多模50/62.5um

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

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: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：

1)光纤的接续技术和光缆的接续技术两部分。

2)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：

1)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。

2)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

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。

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

1310 nm : 0.35 ~ 0.5 dB/Km

1550 nm : 0.2 ~ 0.3dB/Km

850 nm : 2.3 ~ 3.4 dB/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

1)衰减

衰减：光在光纤中传输时的能量损耗单模光纤1310nm 0.4~0.6dB/km1550nm 0.2~0.3dB/km塑料多模光纤300dB/km

2)色散

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。

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

3)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。

光纤系统基础知识

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。

常用连接器类型

连接头端面类型

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

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）

以图形表示

波分复用器

WDM—Wavelength Division Multiplexer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）

发送单元

接收单元

放大器

光纤数字通信

数字系统中脉冲的定义：

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%所需要的时间。

3.下降时间：脉冲从振幅的90%下降到10%所需要的时间。

4.脉冲宽度：脉冲在50%振幅位置的宽度，用时间表示。

5.周期：脉冲特定的时间，就是完成一个循环所需要的工作时间。

6.消光比：1信号光功率于0信号光功率的比值。

光纤通信中常用单位的定义：

1. dB = 10 log10 ( Pout / Pin )

Pout :输出功率 ; Pin :输入功率

2. dBm = 10 log10 ( P / 1mw)

是通信工程中广泛使用的单位；

通常表示以1毫瓦为参考的光功率；

example: –10dBm表示光功率等于100uw。

3. dBu = 10 log10 ( P / 1uw)