光纖傳輸基礎(chǔ)

1、光纖傳輸基礎(chǔ)知識1光纖與光纜光無源器件光有源器件光傳輸基礎(chǔ)內(nèi)容介紹2一、光纖與光纜3光纖傳輸基本原理光波光是一種電磁波,按照波長、頻率、應(yīng)用的不同，電磁波分類概況如下圖所示。光纖通信用的光波，其波長在8001600nm的近紅外區(qū)內(nèi)，使用四個低損耗窗口：850nm、1300nm、1310nm、1550nm。41966年，英籍華人高錕預(yù)見，利用玻璃可以制成衰減為20dB/km的光導(dǎo)纖維，可以引導(dǎo)光波轉(zhuǎn)彎，實(shí)現(xiàn)通信。1970年，美國康寧玻璃公司首先制成衰減為20dB/km的光導(dǎo)纖維。1974年，光纖衰減降低到2dB/km。1976年，打開了1.31和1.55um兩個低衰減長波長窗口。1980年， 1

2、.55um波長衰減減低為0.2 dB/km，遠(yuǎn)距離的光纖通信成為可能。進(jìn)入80年代后，采用注入油膏于光纖套管中，使光纖 與外界的水和潮氣隔絕，完善的光纜付諸工程應(yīng)用。光導(dǎo)玻璃纖維通信5 光纖是由纖芯和包層兩部分組成，纖芯折射率n1，包層纖芯折射率n2，且n1 n2。光纖周圍是空氣。當(dāng)光線以某一角度0射到光纖端面時(shí)，在端面發(fā)生折射進(jìn)入光纖后又射到纖芯和包層界面，只要在界面的入射角大于全反射臨界角，就能發(fā)生全反射，由于入射角等于反射角，當(dāng)光纖是均勻圓柱體時(shí)，光就在光纖的纖芯和包層的界面處發(fā)生全反射，從而沿光纖全長傳輸。光纖中的光傳輸6光纖的分類按照傳輸模式分： 光纖中傳輸?shù)哪Ｊ骄褪枪饫w中存在的電磁

3、場模式，或者說是光場模式。各種模式都是光波導(dǎo)中經(jīng)過多次的反射和干涉的結(jié)果。各種模式是不連續(xù)的離散的。由于駐波才能在光纖中穩(wěn)定的存在，它的存在反映在光纖橫截面上就是各種形狀的光場。即各種光斑。若是一個光斑，我們稱這種光纖為單模光纖，若是兩個以上光斑，我們稱之為多模光纖。 7按纖芯直徑分：50/125m、62.5/125m、9/125 m其中50/62.5/9 m為光纖的芯徑尺寸，125為光纖的包層尺寸多模光纖： 50/125 m、62.5/125 m兩種。帶寬窄、衰耗大、傳輸距離近、多用于短途或低速數(shù)據(jù)。趨于淘汰。 單模光纖： 9/125 m，容量大、損耗低、傳輸距離遠(yuǎn)、多用于長途或高速數(shù)據(jù)。得

4、到廣泛和大量應(yīng)用。光纖的分類8單模光纖的衰減衰減是光纖的一個重要的傳輸參數(shù)，它表明了光纖對光能的傳輸損耗。其對光纖質(zhì)量評定和光纖通信系統(tǒng)的傳輸距離的確定起著十分重要的作用光在光纖中傳播時(shí), 平均光功率沿光纖長度按照指數(shù)規(guī)律減少, 即: P(z)P(0)10-(az/10)式中, P(0)是在z0處注入進(jìn)光纖的光功率: P(z)是經(jīng)過傳輸在軸向距離z處的光功率; 是以dB/km為單位的衰減系數(shù)。9單模光纖衰減譜0.50.40.30.20.11100 1300 15001700波長l1310窗口1550窗口10光纖的色散當(dāng)把一束陽光投射到三棱鏡的一邊，由于玻璃對各種波長的光具有不同折射率，陽光通過

5、棱鏡后便散開成為七種顏色，這便是色散現(xiàn)象。不同波長的光通過光纖傳輸，同樣會有色散發(fā)生。光纖輸入端加上窄的光脈沖信號，經(jīng)光纖傳輸后，輸出的光脈沖會發(fā)生展寬。光纖長度越長，脈沖展寬越大。我們把光脈沖在傳輸中展寬稱為光纖的色散。11光纖的色散隨著脈沖在光纖中傳輸，脈沖的寬度被展寬劣化的程度隨數(shù)據(jù)速率的平方增大決定了中繼器之間的距離12常見不同色散特性的光纖G.652光纖：其零色散波長在1310nm附近，典型損耗為0.33dB/km。也可工作在1550nm，是當(dāng)前應(yīng)用最為普遍的光纖。G.653光纖：零色散波長點(diǎn)從原來的1310nm移到1550nm，就是色散位移光纖(DSF)G.655光纖：非零色散位移

6、光纖，零色散波長移到了光纖放大器的工作波段之外，在1530nm1565nm工作波段內(nèi)沒有零色散點(diǎn)。13光纜分類 纜芯結(jié)構(gòu)不同:分為中心管式、層絞式和骨架式光纜 敷設(shè)條件不同:分為架空光纜、管道光纜、直埋光纜、水底光纜和海纜 光纜中光纖的松緊狀態(tài)不同:分為緊結(jié)構(gòu)、松結(jié)構(gòu)和半松半緊結(jié)構(gòu)光纜 使用環(huán)境不同:可分為金屬加強(qiáng)構(gòu)件、非金屬加強(qiáng)構(gòu)件、阻燃和防蟻光纜14中心束管式光纜二次被覆松套光纖直放在光纜的中心位置,加強(qiáng)構(gòu)件是平行于中心管放置的兩根平行高碳鋼絲光纜中光纖芯數(shù)最大為36芯適用于架空、管道或直埋方式15層絞式光纜二次被覆松套光纖或緊套光纖螺旋絞合在中心加強(qiáng)構(gòu)件上光纜中光纖芯數(shù)最大可做到200芯

7、以上適用于架空、管道、直埋、水下等各種方式16光纖帶狀光纜帶狀光纖纜結(jié)構(gòu)類同于非帶狀光纖纜，可分為中心管式、松套層絞式和骨架式三大類國內(nèi)的帶狀光纖纜中的光纖芯數(shù)最大可做到720芯以上17光纜的性能及測試機(jī)械性能：包括拉伸、磨損、壓扁、沖擊、反復(fù)彎曲、扭轉(zhuǎn)、曲繞、彎折、槍擊等環(huán)境性能：包括溫度循環(huán)、護(hù)套完整性、滲水、滴流、阻燃等以上測試均有專用測試設(shè)備18光纜路由和衰耗的確定 用戶應(yīng)提供從每個監(jiān)控點(diǎn)到前端的光纜路由、距離、所用光纜的單位衰耗。通常情況下，在設(shè)計(jì)中按每盤單模G.652光纜在1310nm波長的衰耗為0.4dB/km，在1550nm 波長的衰耗為 0.25dB/km取值；多模光纜在85

8、0 nm波長的衰耗為3.0dB/km左右，在1300 nm波長的衰耗為1.0dB/km左右。（以上數(shù)據(jù)不含融接損耗。）但應(yīng)特別注意的是，如光纜的實(shí)際衰耗與上述數(shù)值相差較大，則會對網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際指標(biāo)產(chǎn)生很大的影響。光纜實(shí)際皮長和余長 通常按實(shí)際測量距離（光纜皮長）的5%預(yù)留敷設(shè)余長。 光纜工程設(shè)計(jì)、施工中的幾個問題19光纜敷設(shè)分管道敷設(shè)、架空敷設(shè)、直埋敷設(shè)、水底敷設(shè)、室內(nèi)敷設(shè)等光纜接續(xù)與安裝光纖的固定連接（熔接）、活動連接、接續(xù)護(hù)套盒、終端盒，光纖配線架安裝，接地等。單模光纜熔接損耗要求小于0.05db，活動連接器插入損耗要求小于0.3db。光纜線路的測量單盤測量、連接損耗測量、光纜鏈路測量20二、

9、無源光器件21常用無源光器件光纖跳線：用于設(shè)備與設(shè)備之間或者設(shè)備與光纖線路之間的連接；法蘭盤：用于光纖的活動連接；耦合器：完成光能量的分配或混合，一般用于同一波長；WDM：完成1310nm和1550nm兩種波長光的合并或分解；CWDM：目前完成8種波長光的合并或分解；22光纖跳線跳線插頭：FC、ST、SC、MU、LC跳線端面：PC、UPC、APC單模回波損耗：45dB/PC、 50dB/UPC、 60dB/APC多?；夭〒p耗： 36dB插拔次數(shù)： 1000次23光纖跳線 跳線兩端的插頭可以不同，這種跳線也叫橋接線。將跳線一分為二時(shí)，就成了兩條尾纖。尾纖經(jīng)常與光纜內(nèi)的光纖熔接，使光纖能連接到設(shè)備

10、上；尾纖也多用于光器件上，如帶尾纖的激光器等。 目前最常用的跳線是FC/PC類的，在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中則主要使用SC/PC類，安防行業(yè)有使用ST/PC的習(xí)慣，這是早期用多模光纖和小容量傳輸時(shí)養(yǎng)成的?，F(xiàn)在安防系統(tǒng)也已經(jīng)較多使用單模光纖和大容量傳輸，應(yīng)該盡量使用FC/PC類跳線。24法蘭盤 法蘭盤的作用就是將兩個跳線插頭準(zhǔn)確方便地連接起來，完成光纖的連接。所以法蘭盤為適應(yīng)不同的光纖連接器插頭而有不同類型，這些類型基本與跳線插頭類型相同，只是因?yàn)锳PC端面的跳線要求有更高的對準(zhǔn)精確度，而出現(xiàn)了一種專門用于APC端面插頭連接的法蘭盤。法蘭盤通常兩端都是同樣類型的插座，但也可以不同，這種法蘭盤一般稱為轉(zhuǎn)接法蘭

11、。 法蘭盤主安裝于設(shè)備或器件用于與光纖連接，法蘭盤必須與同類型的光纖連接插頭連接，因此，在選擇設(shè)備是這是一個必須要注意的因素，否則會影響工程中設(shè)備的開通。25法蘭盤26耦合器工作波長：C或L、131040nm、 131040和155040nm分光比：1/99 50/50回波損耗：50dB方向性： 55dB插入損耗：2.7dB - 3.5dB50/50PDL： 0.1dBTDL： 0.1dB27耦合器 以一分二的耦合器為例，器件有三個端口，可兩個方向工作，即光可以從兩個分支端口輸入，合并后從公共端口輸出，也可反過來，這時(shí)從公共端口輸入的光按所要求的分光比從兩個分支端口輸出。 在單向傳輸系統(tǒng)中，可

12、以用這種器件實(shí)現(xiàn)一個發(fā)射機(jī)帶多個接收機(jī)的傳輸方式，只要光功率足夠分配即可。28WDM工作波長：1310nm和1550nm40nm工作帶寬：15nm或30nm波長隔離度： 15dB或40dB或45dB插入損耗：1.2dB方向性： 60dBPDL： 0.2dB29WDM WDM被廣泛應(yīng)用于單纖雙向傳輸?shù)漠a(chǎn)品，是安防產(chǎn)品中最為常見的一種光器件。這種器件有三個端口，可兩個方向工作，即光可以從兩個分支端口輸入，合并后從公共端口輸出，也可反過來，這時(shí)從公共端口輸入的光按波長不同分別從兩個分支端口輸出。30CWDM中心波長：1470nm、1490nm、1510nm、1530nm、1550nm、 1570nm

13、、1590nm和1610nm0.5dB帶寬：14nm通帶平坦度：0.5dB 30nm典型插入損耗：1.4dB2通道最大插入損耗：1.8dB2通道相鄰?fù)ǖ栏綦x度：30dB非相鄰?fù)ǖ栏綦x度：45dB回波損耗：45dB方向性： 55dBPDL： 0.1dB31技術(shù)指標(biāo)衰減（或插損） 回波色散32回波 回波從方向上看，會進(jìn)入發(fā)射機(jī)，從兩個方面對系統(tǒng)產(chǎn)生影響。一方面是進(jìn)入發(fā)射部分，同波長的光對發(fā)光器件產(chǎn)生影響，特別是對高速發(fā)光器件；另一方面是進(jìn)入接收部分，與正常的接收的光混合在一起，產(chǎn)生影響，特別是近端回波，這時(shí)回波功率最大而正常接收光的功率已達(dá)到最小，因而影響最大。 光在兩種不同折射率的介質(zhì)形成的界面

14、上會發(fā)生反射。 如果光傳輸鏈路中出現(xiàn)這種界面就會產(chǎn)生回波。 例如：光纖的熔接點(diǎn)、連接點(diǎn)，光纖損傷等； 以及光有源器件，特別是不帶尾纖的。33色 散 色散在絕大多數(shù)情況下是有害的，會降低系統(tǒng)的鏈路損耗預(yù)算，嚴(yán)重時(shí)可使系統(tǒng)無法工作。 不同波長或不同模式的光由于所歷路徑不同，在光纖中傳播時(shí)不能同時(shí)經(jīng)過光纖中任一點(diǎn)，這種現(xiàn)象就是光的色散。 色散與光源和傳輸介質(zhì)如光纖有關(guān)。采用多模光纖傳輸時(shí)由于有很多模式的光在光纖中傳輸，會產(chǎn)生很大的模式色散；同時(shí)由于常用的多模光源也是寬譜光源，也會產(chǎn)生較大的波長色散。FP激光器的譜寬較DFB的大，其波長色散也大一些。1550nm波長窗口的光較1310nm波長窗口的光在

15、G.652光纖中傳輸時(shí)有大得多的色散。34三、有源光器件3570年代前，主要發(fā)展GaAlAs（鎵鋁砷）注入式半導(dǎo)體激光器，工作波長為0.85um的近紅外區(qū)。其壽命短，不能在常溫下工作；1970年，研制出了室溫連續(xù)運(yùn)行的GaAlAs雙異質(zhì)結(jié)注入式激光器；1971年，研制出了GaAlAs發(fā)光二極管，壽命長、價(jià)格廉。但譜線寬、速率低、功率小，屬非相干光源；80年代，研制出了波長為1.31和1.55um的InGaAsP（銦鎵砷磷）長波長激光器和發(fā)光管；90年代，研制出了分布反饋激光器（DFB）和更優(yōu)良的量子阱激光器，使高速、遠(yuǎn)距離的通信成為可能。光通信器件的研究過程36常用有源光器件LED：寬譜、大發(fā)

16、散角、功率不大；FP LD：窄譜、能量集中、功率適中；DFB LD：窄譜、能量集中、功率偏大；PIN：較好的線性；APD：較高的信號轉(zhuǎn)化效率。一體化光模塊：光發(fā)射和光接收封裝在一個器件內(nèi)EDFA：有較大的增益、大量應(yīng)用、價(jià)格低；37FP LD額定功率1mW閾值電流10mA額定工作電流30mA正向電壓1.2V中心波長1290 1330 1310nm1520 1580 1550nm光譜寬度2nm帶寬1GHz38DFB LD額定功率1mW閾值電流10mA額定工作電流30mA正向電壓1.2V中心波長1290 1330 1310nm 1520 1580 1550nm光譜寬度1nm帶寬1GHz39PIN工

17、作波長范圍1100nm 1650nm飽各光功率-3dBm接收靈敏度-供電電流110mA供電電壓5V40APD工作波長范圍1100nm 1650nm飽各光功率-7dBm接收靈敏度-供電電流250mA供電電壓5V41一體化光模塊光發(fā)射和光接收封裝在一個器件內(nèi)，光發(fā)射部分含偏置和驅(qū)動電路，光接收部分含前置放大電路；速率：155M、622M、1.25G光口：多為SC接口，也可以帶尾纖以FC接口輸出；外形封裝：1942EDFA工作波長范圍1529nm 1562nm光增益25dB輸出光功率17dBm增益平坦度1.0dB噪聲指數(shù)5.0dB輸入回波損耗50dB輸出回波損耗50dB43四、光傳輸基礎(chǔ)44通信頻帶

18、寬、容量大；1310nm窗口大于10GHz1550nm窗口大于30THz同軸電纜帶寬1GHz損耗小、傳輸距離遠(yuǎn)；1310nm窗口小于0.45dB/km,無中繼傳輸距離大于30km1550nm窗口小于0.25dB/km,無中繼傳輸距離大于80km光纖通信的優(yōu)點(diǎn)45抗電磁干擾、無輻射、保密性好；無金屬或少用金屬，抗腐蝕能力強(qiáng)；重量輕，可彎曲，易敷設(shè)；不受氣候、溫度影響；資源豐富，價(jià)格便宜。光纖通信的優(yōu)點(diǎn)46模擬光纖通信系統(tǒng)基帶廣播、電視圖象的遠(yuǎn)程傳輸；專用遠(yuǎn)程圖象監(jiān)控系統(tǒng)；有線電視系統(tǒng)。應(yīng)用范圍調(diào)幅AM調(diào)頻FM脈沖調(diào)頻PFM調(diào)制技術(shù)47模擬通信系統(tǒng)光強(qiáng)調(diào)制解調(diào)制光纖48模擬光纖通信系統(tǒng)的特點(diǎn)相對造價(jià)較低技術(shù)成熟傳輸距離有限傳輸質(zhì)量受帶寬影響較大多路復(fù)用困難生產(chǎn)一致性較差缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)49數(shù)字光纖通信系統(tǒng)應(yīng)用范圍電信級國家干線