光纖通信基礎(chǔ)知識(shí)3

1、Optical Network Products Innovator光纖通信基礎(chǔ)知識(shí)光纖通信基礎(chǔ)知識(shí)易飛揚(yáng)通信技術(shù)有限公司光纖通信的優(yōu)點(diǎn)傳輸容量大再生中繼距離長(zhǎng)不受電磁干擾，信息傳輸質(zhì)量高抗腐蝕性強(qiáng)資源豐富重量輕 、體積小易于敷設(shè)與其他傳輸方式比較與其他傳輸方式比較光纖 單波道微波系統(tǒng) 同軸電纜 速率速率 10Gbit/s 280Mbit/s 560Mbit/s 中繼距離中繼距離 100200km 50km 幾公里抗腐蝕性抗腐蝕性 強(qiáng) 、 差 抗電磁干擾抗電磁干擾 強(qiáng)弱一般傳輸容量傳輸容量 大一般一般資源資源 豐富 、 少 通信信息容量大通信信息容量大 無(wú)線電波頻率：300KHz微波頻率：10

2、0GHz真空光速：C=3*108m/s光纖中所用波長(zhǎng)為1310nm、1550nm。光波頻率：f=V/1014Hz可通電話路數(shù)：N=f/f=2.5*1010路（250億）可通電視路數(shù)：N=f/f=1.4*107路（1600萬(wàn)）smc/1038信息量及單位信息量及單位 二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)有0和1兩個(gè)信號(hào)位，稱(chēng)為比特（bit）。這就是數(shù)字信號(hào)常用的信息量單位b（或Kb、Mb、Gb等）。 信息量舉例：信息量舉例： 一位十進(jìn)制數(shù)字 4b， 三分鐘講話 20Mb 一個(gè)漢字 16b， 三分鐘音樂(lè) 100Mb 一頁(yè)文字 20Kb， 一幅圖片 5Mb一本書(shū) 5Mb， 一場(chǎng)電影 200Gb光通信發(fā)展簡(jiǎn)史2000多年前

3、烽火臺(tái)燈光、旗語(yǔ)1880年光電話無(wú)線光通信1970年光纖通信光通信發(fā)展簡(jiǎn)史1966年“光纖之父”高錕博士首次提出光纖通信的想法。1970年貝爾研究所林嚴(yán)雄在室溫下可連續(xù)工作的半導(dǎo)體激光器。1970年康寧公司的卡普隆(Kapron) 之作出損耗為20dB/km光纖。1977年芝加哥第一條45Mb/s的商用線路。光通訊網(wǎng)絡(luò) 主要用途： 電話網(wǎng)絡(luò) 數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng) 有線電視的分類(lèi)發(fā)送 光通訊網(wǎng)絡(luò) 電話網(wǎng)絡(luò) 長(zhǎng)距離的通信網(wǎng)絡(luò)，大于600km的轉(zhuǎn)發(fā)間距?？偟倪B接長(zhǎng)度可以達(dá)到9000km。造價(jià)昂貴。主要用在submarine, longhaul 。 Access network (1 km - 20 km)

4、local exchange, regional interexchange, FTTC, FTTH 光通訊網(wǎng)絡(luò) 數(shù)據(jù)通信 (1 m - 500 m) 主要用在LAN, FDDI, Gigabit-Ethernet, Fiber Channel 有線電視網(wǎng)(城市間的分類(lèi)發(fā)送) 其他網(wǎng)絡(luò)光通訊網(wǎng)絡(luò) 光纖通訊系統(tǒng)EDFAOADM2 2 EDFAdata1data2data3data4data1data2data3data41234E/O TransmitterO/E ReceiverMUXDe-MUX0 1 0 0 1 10 1 0 0 1 1光通訊網(wǎng)絡(luò) 光纖通訊網(wǎng)絡(luò)電磁波譜1cm 1mm 100

5、um 10um 1um 100nm 10nm 1nm 波長(zhǎng)波長(zhǎng)10G 100G 1T 10T 100T 1015 1016 1017 f (Hz)1.6um 1.5 1.4 1.3 1.2 1.1 1.0um 900 800 700 600nm光通信使用范圍光通信使用范圍紅外線紅外線紫外線紫外線光的基本知識(shí)光是一種電磁波可見(jiàn)光350nm750nm光纖通信所用的波長(zhǎng)8001600nm光的反射、折射全反射光的基本知識(shí)光的反射光的反射反射定律：入射光線和反射光線在同一平面內(nèi)，分居在法線的兩側(cè)，且有反射角等于入射角。 n1n2法線入射光線分界面反射光線光的基本知識(shí)光的折射光的折射 當(dāng)光線由一種介質(zhì)進(jìn)入

6、另一種介質(zhì)時(shí)，光線在兩個(gè)介質(zhì)的分界面上除了被反射外，還有折射光線。如右圖所示。n1n2法線入射光線折射光線折射定律：入射光線和折射光線分居在法線的兩側(cè)，且有sinsin21nn光的基本知識(shí)棱鏡對(duì)光的折射 如果是一束白光，我們能看到彩帶。即紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫。實(shí)驗(yàn)表明，同一種介質(zhì)對(duì)不同波長(zhǎng)的光折射率是不同的，這種現(xiàn)象稱(chēng)為色散。光的基本知識(shí)n1n2n1 n2n1n2臨界角臨界角900臨界角臨界角n1n2全反射全反射入射角入射角=反射角反射角12光纖傳輸?shù)幕驹砉饫w傳輸?shù)幕驹?即當(dāng)光以某一角度進(jìn)入光纖芯層時(shí)，如果入射角大于全反射臨界角，則此時(shí)光參被封閉在芯層中傳輸，而不會(huì)有能量的損失，

7、這種現(xiàn)象叫全反射。ncoresin(inc)=ncladdingsin(trans)光的全反射光的全反射光的基本知識(shí)光的全反射光的全反射當(dāng)入射光的角度達(dá)到或超過(guò)某一角度時(shí)， 折射光會(huì)消失， 入射光全部被反射回來(lái)，這就是光的全反射。光纖通訊就是基于以上原理而形成的。 光導(dǎo)纖維2.光纖的結(jié)構(gòu)光纖的結(jié)構(gòu)纖芯纖芯包層包層保護(hù)套保護(hù)套（涂覆（涂覆層）層）2.光纖的結(jié)構(gòu)光纖的結(jié)構(gòu) 纖芯 core：折射率較高，用來(lái)傳送光； 包層 coating：折射率較低，與纖芯一起形成全反射條件； 保護(hù)套 jacket：強(qiáng)度大，能承受較大沖擊，保護(hù)光纖。 3mm光纜 橘色 MM 黃色 SM2.光纖的結(jié)構(gòu)光纖的結(jié)構(gòu) 光纖簡(jiǎn)

8、單的說(shuō)就是一種高度透明的玻璃絲，他是由二氧化硅玻璃經(jīng)復(fù)雜的工藝?yán)贫桑淙Q(chēng)為光導(dǎo)纖維。 光纖結(jié)構(gòu)圖 單模光纖：芯層：直徑810m,810m, 包層：直徑125m125m，涂層：外徑250m250m。多模光纖：芯層：直徑50m 50m 或62.562.5，包層：直徑125m125m，涂層：外徑250m250m。數(shù)值孔徑 Acceptance / Emission ConeNA= sin = n2core - n2cladding數(shù)值孔徑常用光纖名詞輸入輸入輸入輸入輸出輸出輸出輸出低數(shù)值孔徑低數(shù)值孔徑NA高數(shù)值孔徑高數(shù)值孔徑NANANA常用光纖名詞 色散(Dispersion)：光脈沖沿著光纖

9、行進(jìn)一段距離后造成的頻寬變粗。它是限制傳輸速率的主要因素。 模間色散：只發(fā)生在多模光纖，因?yàn)椴煌Ｊ降墓庋刂煌穆窂絺鬏敗?材料色散：不同波長(zhǎng)的光行進(jìn)速度不同。 波導(dǎo)色散：發(fā)生原因是光能量在纖芯及包層中傳輸時(shí)，會(huì)以稍有不同的速度行進(jìn)。在單模光纖中，通過(guò)改變光纖內(nèi)部結(jié)構(gòu)來(lái)改變光纖的色散非常重要。光纖的尺寸外徑一般為外徑一般為125um(一根頭發(fā)平均一根頭發(fā)平均100um)內(nèi)徑：?jiǎn)文?nèi)徑：?jiǎn)文?um 多模多模50/62.5um12595012562.5125光纖的分類(lèi) 按材料分類(lèi)： 玻璃光纖：纖芯與包層都是玻璃，損耗小，傳輸距離長(zhǎng)，成本高； 膠套硅光纖：纖芯是玻璃，包層為塑料，特性同玻璃光纖差不

10、多，成本較低； 塑料光纖：纖芯與包層都是塑料，損耗大，傳輸距離很短，價(jià)格很低。多用于家電、音響，以及短距的圖像傳輸。光纖的分類(lèi) 按照光纖的模式分類(lèi) 單模（Single-Mode） 多模（Multi-Mode） 按折射率分類(lèi) 階越光纖 漸變折射率光纖 光纖的損耗 1310 nm : 0.35 0.5 dB/Km 1550 nm : 0.2 0.3dB/Km 850 nm : 2.3 3.4 dB/Km 光纖熔接點(diǎn)損耗：0.03dB/點(diǎn) 光纖熔接點(diǎn) 1點(diǎn)/2km常見(jiàn)光纖名詞 衰減：光在光纖中傳輸時(shí)的能量損耗單模光纖1310nm 0.40.6dB/km1550nm 0.20.3dB/km塑料多模光纖

11、300dB/km101210111010109 (1 km)108107106 (1 m)105104103 (1 mm)102101 (1 m)10-110-210-3 (1 nm)10-410-510-610-710-910-1010-8波長(zhǎng)波長(zhǎng)(nm) 1064 104波長(zhǎng)波長(zhǎng)(m)6 1035 10376062259757749245539030020010極遠(yuǎn)遠(yuǎn)中近紅橙黃綠藍(lán)紫近遠(yuǎn)極遠(yuǎn)紫外線紫外線可見(jiàn)光可見(jiàn)光紅外線紅外線長(zhǎng)電磁場(chǎng)長(zhǎng)電磁場(chǎng)無(wú)線電波無(wú)線電波微波微波X 射線射線 射線射線宇宙射線宇宙射線1.71031.2103SiO2 fiber光的本質(zhì)電磁波光的本質(zhì)電磁波光纖的衰減光纖的

12、衰減圖光纖的衰減圖0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 nm OH-OH-OH-第一窗口第二窗口第三窗口衰減(dB/km)水峰值6 54321光纖類(lèi)型 G.652零色散點(diǎn)在1300nm左右 G.653零色散點(diǎn)在1550nm左右 G.654負(fù)色散光纖 G.655色散位移光纖 全波光纖使用光纖應(yīng)注意的主要事項(xiàng)使用光纖應(yīng)注意的主要事項(xiàng) 防止側(cè)壓，造成對(duì)光纖的損傷。 勿過(guò)度彎折光纖，造成光纖的折斷。 防止尖銳物體對(duì)光纖的損傷。 注意保持光纖表面或端面的清潔。 注意眼睛不要注視光源。光纖的缺點(diǎn)光纖的缺點(diǎn) 光纖脆性較強(qiáng)，易折斷，對(duì)光源穩(wěn)定性、單一性要求高，預(yù)制棒制

13、備技術(shù)，拉絲工藝要求高，光源對(duì)準(zhǔn)難度大。通信光纖的種類(lèi)通信光纖的種類(lèi) 單模光纖(Single-mode Fiber)：就是只允許一種模式傳輸?shù)墓饫w，通常為基模，芯徑約為89m，外徑約為125m。傳輸距離較長(zhǎng)。 多模光纖(Multi-mode Fiber)：就是允許有多個(gè)導(dǎo)模傳輸?shù)墓饫w，芯徑50m；光纖局域網(wǎng)中應(yīng)用的多模光纖，芯徑為62.5m或82.5m，衰減相對(duì)較高，易于接續(xù)。一般光纖保護(hù)套用橙色表示。傳輸距離較短。 公司所用光纖大多為單模光纖：250m，900m。 光纜/松套管： 2.0mm, 3.0mm,通信光纖的種類(lèi)通信光纖的種類(lèi)Bare fiber裸光纖250um fiber coat

14、ing250um 光纖涂層Fiber core光纖核心Fiber cladding光纖包層250um光纖光纖 通信光纖的種類(lèi)通信光纖的種類(lèi)900um光纖光纖 Bare fiber裸光纖Fiber core光纖核心Fiber cladding光纖包層250um fiber coating250um光纖涂層900um buffer jacket900um緩沖保護(hù)Teflon coating聚四氟乙烯涂層通信光纖的種類(lèi)通信光纖的種類(lèi)光纜光纜 注: Buffered fiber:緩沖光纖 Strength members:加強(qiáng)組織-尼龍纖維（如Kevlar） Jacket:保護(hù)層ITU-T已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化的

15、光纖有5種 G652光纖：用于1310m ，性能最佳。 G653光纖： G654光纖： G655光纖：非零色散位移單模光纖，用于高密度波分復(fù)用系統(tǒng)。 G657光纖：小彎曲半徑光纖，主要應(yīng)用于FTTH 松套光纖和緊套光纖光纖的選用1多模光纖與單模光纖相比，多模光纖芯徑大，便于接續(xù)；但其衰減系數(shù)大，帶寬小，故目前多模光纖只適用于短距離、小用量的數(shù)據(jù)和模擬光信息傳輸。光纖的選用2單模光纖 （1）G.652光纖。G.652光纖特點(diǎn)是零色散波長(zhǎng)在1.31m，故其被稱(chēng)為常規(guī)單模光纖或非色散位移單模光纖。G.652光纖在1.31m處衰減系數(shù)為0.35dB/km左右，在1.55m處衰減系數(shù)為人0.20dB/k

16、m左右，但1.55m處的色散系數(shù)大約為1720ps/km.nm，從而限制了其在工作波長(zhǎng)為1550nm系統(tǒng)中的傳輸速率和傳輸距離。 光纖的選用2單模光纖 （2）G.653光纖。G.653光纖特點(diǎn)是零色散波長(zhǎng)由G.652光纖的1.31m位移到1.55m制得的光纖，故其稱(chēng)為色散位移光纖。G.653光纖同時(shí)實(shí)現(xiàn)了1.55m窗口的低衰減系數(shù)和小色散系數(shù)。但是當(dāng)其用于帶有摻鉺光纖放大器的波分復(fù)用系統(tǒng)中時(shí)，由于光纖芯中的光功率密度過(guò)大產(chǎn)生了非線性效應(yīng)，限制了G.653光纖在單信道速率10Gbit/s以上波分復(fù)用或密集波分復(fù)用系統(tǒng)中的應(yīng)用。 光纖的選用：2單模光纖 （3）G.654光纖是一種截止波長(zhǎng)大于131

17、0nm，專(zhuān)門(mén)用于1550nm波段（衰減最小窗口）的海底光纖通信系統(tǒng)用光纖。 人們通過(guò)改變光纖的折射率分布來(lái)改變波導(dǎo)色散，從而使光纖的總色散在1550nm波長(zhǎng)上為零，這樣在1550nm波長(zhǎng)上兼有最低衰減和最大寬帶的G.653光纖。光纖的選用2單模光纖 （4）G.655光纖。G.655光纖特點(diǎn)是在1.5301.565m波長(zhǎng)區(qū)為非零色散，故其稱(chēng)為非零色散位移光纖。G.655光纖解決G.653光纖在單信道速率10Gbit/s以上波分復(fù)用中出現(xiàn)的非線性效應(yīng)，特別是四波混頻，所以其在10Gbit/s以上波分復(fù)用或密集波分復(fù)用的高速率、大容量、遠(yuǎn)距離光纖傳輸系統(tǒng)中得到極為廣泛地應(yīng)用。 光纖的選用2單模光纖

18、（5）G.657光纖。小彎曲半徑單模光纖。用于接入網(wǎng)的低彎曲損耗敏感單模光纖。 G.657光纖具有卓越的抗彎曲性能 ，可以沿著建筑物內(nèi)很小的拐角安裝（象安裝銅纜一樣） ，能大幅度地降低運(yùn)營(yíng)商推廣光纖到戶(hù)（FTTH）項(xiàng)目的成本 。光纖的選用 2006年末，ITU-T制定新標(biāo)準(zhǔn)G.657光纖，它是一種接入網(wǎng)用彎曲不敏感單模光纖。 目前根據(jù)ITU的標(biāo)準(zhǔn)，做了兩種規(guī)格的解釋CLASS A（15mm半徑） 和 CLASS B（7.5mm半徑） 。這表明光纖通信界不僅關(guān)注長(zhǎng)途干線網(wǎng)、城域網(wǎng)，對(duì)接入網(wǎng)也高度重視，F(xiàn)TTX提上日程。 G.657.A光纖模場(chǎng)直徑的指標(biāo)與G.652.D一致，但G.657.B模場(chǎng)直

19、徑的指標(biāo)與G.652.D的指標(biāo)差異就比較大。 G.657光纖問(wèn)世通信系統(tǒng)發(fā)送器接收器信息 （語(yǔ)音，視頻，數(shù)據(jù)）信息 （語(yǔ)音，視頻，數(shù)據(jù)）鏈路傳輸介質(zhì)一個(gè)點(diǎn)到點(diǎn)的電信系統(tǒng)EDFPump LasersWDMIsolatorTapCouplerPDWDMIsolatorTapCouplerPDDevices Applications (EDFA Module)TX1TX2TX3TX4RX1RX2RX3RX4WDMWDMMUXDEMUXPowerLinePre-amplifier外形圖光傳輸網(wǎng)絡(luò)為什么要用 WDM模塊 Example: 4 signals, 100 km span length wit

20、h regenerationWithout DWDM 4 x 100 km fibre 4 EDFATx - 1Tx - 2Tx - 3Tx - 4Rx - 1Rx - 2Rx - 3Rx - 4OAOAOAOAWith DWDM 4 ch Mux & Demux 1 x 100 km fibre 1 EDFAOARx - 1Rx - 2Rx - 3Rx - 4Tx - 1Tx - 2Tx - 3Tx - 4WDM ModulesMXDMX光纖通信系統(tǒng)中的器件光纖通信系統(tǒng)中的器件 波分復(fù)用波分復(fù)用薄膜濾波器薄膜濾波器光纖光柵光纖光柵列陣波導(dǎo)光柵列陣波導(dǎo)光柵全息光柵全息光柵光環(huán)行器光環(huán)行器光交錯(cuò)

21、復(fù)用器光交錯(cuò)復(fù)用器分波分波/合波摸合波摸塊塊增益放大增益放大光纖放大器光纖放大器光隔離器光隔離器分路耦合器分路耦合器泵浦激光器泵浦激光器光增益平衡器光增益平衡器光衰減器光衰減器半導(dǎo)體光放大半導(dǎo)體光放大器器光開(kāi)關(guān)光開(kāi)關(guān)光插分復(fù)用光插分復(fù)用器器光交叉聯(lián)接光交叉聯(lián)接器器波長(zhǎng)變換器波長(zhǎng)變換器可調(diào)濾波器可調(diào)濾波器可調(diào)激光器可調(diào)激光器開(kāi)關(guān)交換開(kāi)關(guān)交換發(fā)送接收發(fā)送接收信號(hào)激光器信號(hào)激光器光調(diào)制器光調(diào)制器光電探測(cè)器光電探測(cè)器鎖波器鎖波器光發(fā)送摸塊光發(fā)送摸塊光接收摸塊光接收摸塊光收發(fā)摸塊光收發(fā)摸塊產(chǎn)品超過(guò)產(chǎn)品超過(guò) 9000 品種品種系統(tǒng)管理系統(tǒng)管理光性能監(jiān)控光性能監(jiān)控管理管理摸塊摸塊色散補(bǔ)償器色散補(bǔ)償器偏振模色

22、散偏振模色散管理管理摸塊摸塊這些器件用在哪里？這些器件用在哪里？通信網(wǎng)絡(luò)：信息技術(shù)食物鏈信息技術(shù)食物鏈光通信器件的分類(lèi) 光器件按不同的特性和功能的分類(lèi)光器件按不同的特性和功能的分類(lèi): 光無(wú)源器件光無(wú)源器件 Optical Passive Devices（光被動(dòng)器件）（光被動(dòng)器件） 光有源器件光有源器件 Optical Active Devices ( 光主動(dòng)器件光主動(dòng)器件 )WDM/ CouplingAmplifier ComponentsAttenuatorProductsSwitching MOMSPBCVCBVSAInterleaverTFF D/CWDMGFFMATT ArrayMVI

23、nterconnectsSNES VOAFFCVCFFFC/ TFF CombinerCable AssyAdaptersTerminatorsWavelockerCirculatorMATTDIL, TO, -packageManual SwitchMEMsFixed AttenuatorsIsolatorHybrids無(wú)源器件主要分為：1、光連接器 (Connector) :光纖、器件之間的連接2、光分光器/耦合器(Coupler): 光信號(hào)的耦合/分配3、光衰減器(Attenuator):光功率衰減4、光隔離器( Isolator ): 偏振相關(guān)型、偏振無(wú)關(guān)型5、光環(huán)行器(Circula

24、tor): 固定順序光路6、光開(kāi)關(guān)(Switch) : 光路的通斷、選擇7、波分復(fù)用(WDM)器件:多路波長(zhǎng)信號(hào)的合波、 分波, 密集波分復(fù)用(DWDM)器件：無(wú)源器件（PASSIVE）-被動(dòng)器件（光-光傳輸）Sourcing laserPump laserModulatorOA EDFACircuit pack9xx4w/uncooled2.5Gb/sAPECooled TOSACW1550980180/300/36010Gb/sPDEDFA15dBmUncooled TOSATunable APD10Gb/sPIN10Gb/sPINLarge areaAPD2.5Gb/s14xx 300m

25、w有源器件（ACTIVE）-主動(dòng)器件（光電-電光轉(zhuǎn)換）有源器件有：1、信號(hào)光源：信號(hào)光源：光信號(hào)的發(fā)射光信號(hào)的發(fā)射2、泵浦光源：泵浦光源：光信號(hào)的放大光信號(hào)的放大3、探測(cè)器：探測(cè)器： 光信號(hào)的探測(cè)等。光信號(hào)的探測(cè)等。4、光調(diào)制器光調(diào)制器: 光信號(hào)的光調(diào)制和波長(zhǎng)變換等。光信號(hào)的光調(diào)制和波長(zhǎng)變換等。5、光放大器光放大器: 光信號(hào)的放大光信號(hào)的放大光通信器件中常用的技術(shù)指標(biāo)1 插損（IL）2 隔離度（Isolation）3 回波損耗（RL）4 偏振相關(guān)損耗（PDL）5 偏振模色散（PMD）6 附加損耗（EL）光通信器件中常用的技術(shù)指標(biāo)插入損耗是指器件輸出端的光功率相對(duì)輸入光功率的減少值。該值通常以分貝（dB）表示，數(shù)學(xué)表達(dá)式為)(lg10dBppILinout注：插損越小越好插入損耗（插入損耗（Insertion Loss）若若Pin=10mw，Pout=5mw，IL=-10lg0.5=3dB 單位：?jiǎn)挝唬篸B光通信器件中常用的技術(shù)指標(biāo)隔離度（隔離度（Isolation）對(duì)不同的器件定義有所不同。以光纖耦合器為例：隔離度是指光纖耦合器件的某一光路對(duì)其它光路中的光信號(hào)的隔離能力。隔離度高，意味著線路之間的“串話(crosstalk)”小。所以隔離度越大越好。)(lg10