光纖傳輸技術(shù)課件

光纖傳輸技術(shù)課件第1頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月本章主要內(nèi)容光纖傳輸技術(shù)概述

光纖的種類光纖的傳輸理論、傳輸特性、性能參數(shù)光無源器件光有源器件光纖的應(yīng)用光纖設(shè)備的使用和維護(hù)第2頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月教學(xué)目標(biāo)了解光通信技術(shù)的基本原理和過程，掌握光設(shè)備的使用，連接和測量方法以及基本故障檢修。第3頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月第一部分概述

什么是光纖？什么是光纖技術(shù)？為什么要學(xué)習(xí)《光纖技術(shù)基礎(chǔ)》？第4頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月一、什么是光纖？

光纖是“光導(dǎo)纖維”的簡稱，是指能夠約束并導(dǎo)引光波在其內(nèi)部或表面附近沿軸線方向傳播的傳輸介質(zhì)．通常以其截面形狀分為平板波導(dǎo)、矩形波導(dǎo)．園柱形波導(dǎo)等等．1、基本結(jié)構(gòu)折射率高的中心部分叫做纖芯，其折射率為n1，直徑為2a；折射率低的外圍部分稱為包層，其折射率為n2，直徑為2b。第5頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月第6頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月帶狀式把帶狀光纖單元放入大套管內(nèi)，形成中心束管式結(jié)構(gòu)，也可以把帶狀光纖單元放入骨架凹槽內(nèi)或松套管內(nèi)，形成骨架式或?qū)咏g式結(jié)構(gòu)。帶狀式纜芯有利于制造容納幾百根光纖的高密度光纜，這種光纜已廣泛應(yīng)用于接入網(wǎng)。外護(hù)層金屬加強(qiáng)件塑料繞包帶帶狀光纖單元帶狀線光纖塑料第7頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月光纖電線損耗低損耗大信息容量大信息容量小體積小，重量輕大而重防水、防火、耐腐蝕怕水、怕火、怕腐蝕成本低，儲量豐富成本高，資源有限抗電磁干擾電磁影響大2、光纖的優(yōu)點(diǎn)第8頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月二、為什么要學(xué)習(xí)光纖技術(shù)基礎(chǔ)？從專業(yè)方向和知識面看從光纖的應(yīng)用看從光纖技術(shù)的發(fā)展趨勢看第9頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月專業(yè)方向：無線電通訊計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)省內(nèi)HFC網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)網(wǎng)電信網(wǎng)絡(luò)國家干線網(wǎng)絡(luò)知識面1、從專業(yè)方向和知識面看第10頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月2、從光纖的應(yīng)用看光纖在通信中的應(yīng)用范圍：公用通信（全國性寬帶綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)、省內(nèi)中距線路、市內(nèi)局間線路和用戶網(wǎng)、鄉(xiāng)村線路以及沿海島嶼間的線路等）專用通信（各企業(yè)、工礦、機(jī)關(guān)、學(xué)校等大、中型單位內(nèi)部專用的局域網(wǎng)、電力線通信線路、鐵道線通信線路、交通管理監(jiān)控線路、電視臺發(fā)射傳輸線路等）工業(yè)發(fā)達(dá)國家和我國均已宣布：干線大容量通信線路不再新建同軸電纜，而全部鋪設(shè)光纜。第11頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月2、光纖的應(yīng)用——“傳”和“感”第12頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月諾爾頓亞歷山大蘇伊士吉布提卡拉奇吉達(dá)孟買仰光檳城雅加達(dá)珀斯新加坡呂宋島上海沖繩汕頭塞新布拉

Sea-Me-We-3是一條沿歐亞大陸鋪設(shè)的洲際海底光纜，總長38,000km，從德國到南韓、澳大利亞，連接40個國家或城市站點(diǎn)，傳輸速率為4-8×2.5Gb/s（10-20千兆比特）。信息高速公路第13頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月第二部分光纖分類光纖的分類光纖材料第14頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月一、按照光纖橫截面折射率分布不同來劃分

階躍折射率分布光纖(Step-IndexOpticalFiber，SIOF)纖芯折射率n1沿半徑方向保持一定，包層折射率n2沿半徑方向也保持一定，而且纖芯和包層的折射率在邊界處呈階梯型變化的光纖稱為階躍型光纖，又稱為均勻光纖。漸變折射率分布光纖(Graded-IndexOpticalFiber，GIOF)如果纖芯折射率n1隨著半徑加大而逐漸減小，而包層中折射率n2是均勻的，這種光纖稱為漸變型光纖，又稱為非均勻光纖。2.1光纖的分類

第15頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月圖1.1光纖的折射率分布bb第16頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月二、按照纖芯中傳輸模式的多少來劃分

單模光纖(SingleModeFiber，SMF)光纖中只傳輸一種模式時，叫做單模光纖。單模光纖的纖芯直徑較小，約為4～10μm。適用于大容量、長距離的光纖通信。多模光纖(Multi-ModeFiber，MMF)在一定的工作波長下，多模光纖是能傳輸多種模式的介質(zhì)波導(dǎo)。多模光纖可以采用階躍折射率分布，也可以采用漸變折射率分布。多模光纖的纖芯直徑不等，但基本都大于單模光纖（50~62.5μm

）。第17頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月波導(dǎo)模解釋光波導(dǎo)由于只在其軸向傳播能量，同時光能量在橫向又被限制在一定的空間內(nèi)，因此在軸向的光波為行波或行波與駐波的疊加，而在橫向則必然是駐波，橫向不同的駐波結(jié)構(gòu)就構(gòu)成了光波導(dǎo)不同的傳播模式．當(dāng)光波導(dǎo)的橫向尺寸及折射率分布所確定的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)只能傳播一個橫向駐波結(jié)構(gòu)的光時，我們稱之為單模光波導(dǎo)．能傳播一個以上的橫向駐波結(jié)構(gòu)時，稱之為多模光波導(dǎo)．由于橫向駐波的節(jié)距與光波波長和光的傳播方向有關(guān)，因此．光波導(dǎo)是單模還是多模與其傳播的光的波長有關(guān)．第18頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月三、按光纖的工作波長分類短波長光纖（0.8～0.9μm

）長波長光纖（1.0～1.7μm

）超長波長光纖。（2~5μm

）在光纖工業(yè)發(fā)展早期，光纖的傳輸窗口主要有兩個（0.85和1.31微米），后來有了第三個傳輸窗口（1.55微米）。在技術(shù)得到發(fā)展的今天，在波長1.26至1.68微米范圍內(nèi)，光纖可以傳輸?shù)拇翱谟?個（表1）。利用波分復(fù)用（WDM）技術(shù)，每個窗口（波段）可同時傳輸多個信道。第19頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月四、按光纖的材料組成分類全塑料光纖塑料包層石英芯光纖石英光纖多組分玻璃光纖液芯光纖氟化物/硫化物/重金屬氧化物玻璃光纖光子晶體光纖第20頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月第三部分光纖的特性參數(shù)

光纖的損耗光纖的色散與帶寬單模光纖模場半徑單模光纖截止波長第21頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月3.1光纖的損耗入射端與元件的耦合損耗吸收損耗光纖吸收不均勻性散射損耗彎曲彎曲引起的輻射損耗連接連接損耗與元件的耦合損耗輸出端光波在光纖中傳輸時，隨著傳輸距離的增加而光功率逐漸下降，這就是光纖的傳輸損耗。圖1光纖傳輸損耗的原因和種類第22頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月分貝單位利用下面的一般定義，可將任意比率R轉(zhuǎn)化為分貝單位：R=Pout/Pin(功率比）R’（indB）=10lgR（功率增益）R=1,R’=0;R<1,R’<0。例：1mw的信號經(jīng)過100km的光纖傳輸后降至1μw,則光功率衰減多少分貝？損耗系數(shù)是多少？

R=Pout/Pin

R’＝－30dB，α＝－0.3dB/km*10km的光纖衰減？第23頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月若所有器件的光損耗都用分貝表示,則發(fā)射或接收功率P也用分貝量度就非常有用.定義:P’(indBm)=10lg(P/1mw)1mw作為參考功率.例：當(dāng)P=1mw時P’=10lg(1mw/1mw)=0dBw當(dāng)P=10mw時P’=10lg(10mw/1mw)=10dBw當(dāng)P=100mw時P’=？dBw通過改變參考功率值,還可以引入其他表示光功率的分貝單位,如dBμ,dBw.這樣,光通過所有器件的總損耗(dB)=損耗1(dB)+損耗2(dB)+損耗3(dB)+…通過一段光纖的總損耗(dB)=α(dB/km)×長度(km)第24頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月光纖的損耗特性光纖損耗的大小與波長有密切的關(guān)系。損耗與波長的關(guān)系曲線叫做光纖的損耗譜。在譜線上，損耗值較高的地方叫做光纖的吸收峰。較低的損耗所對應(yīng)的波長叫做光纖的工作波長（或叫工作窗口）。光纖通信常用的工作窗口主要有三個：

850nm，1310nm，1550nm

第25頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月第二傳輸窗口第一傳輸窗外吸收紅外吸收瑞利散射0.22.5損耗(dB/km)波長(nm)OH離子吸收峰光纖損耗譜特性損耗主要機(jī)理：材料吸收、瑞利散射和輻射損耗第三傳輸窗口在1.55m處最小損耗約為0.2dB/km第26頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2光纖的色散與帶寬色散的概念色散的種類色散的描述幾種光纖中的色散脈沖展寬與帶寬第27頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月一、什么是光纖的色散？色散是光纖的一個重要的傳輸特性，指的是光信號沿著光纖傳輸過程中，由于不同成份的光的時間延遲不同而產(chǎn)生的一種物理效應(yīng)。光纖中傳送的信號是由不同的頻率成分和不同的模式成分構(gòu)成的，它們有不同的傳播速度，將會引起脈沖波形的形狀發(fā)生變化。也可以從波形在時間上展寬的角度去理解，也就是光脈沖在光纖中傳輸，隨著傳輸距離的加大，脈沖波形在時間上發(fā)生了展寬，這種現(xiàn)象稱為光纖的色散。第28頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月模式色散、模間色散、色度色散、材料色散、模內(nèi)色散、波導(dǎo)色散、偏振模色散二、色散的種類第29頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月單模光纖的發(fā)展與演變最早實(shí)用化的是常規(guī)單模光纖SMF(G.652光纖)，零色散波長在1310nm，曾大量敷設(shè)，在光纖通信中扮演者重要的角色。對光纖損耗機(jī)理的研究表明，光纖在1550nm窗口損耗更低，可以低于0.2dB/km，幾乎接近光纖本征損耗的極限。如果零色散移到1550nm，則可以實(shí)現(xiàn)零色散和最低損耗傳輸?shù)男阅埽瑸榇?，人們研制了色散位移光纖DSF(G.653光纖)。設(shè)計思路是通過結(jié)構(gòu)和尺寸的適當(dāng)選擇來加大波導(dǎo)色散，使零色散波長從1310nm移到1550nm。第30頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月第四部分光纖無源器件光纖器件可分為無源和有源兩大類。兩者的主要區(qū)別在于，器件在實(shí)現(xiàn)本身功能的過程中，其內(nèi)部是否發(fā)生光電能量轉(zhuǎn)換。若發(fā)生光電能量轉(zhuǎn)換，則稱其為有源光器件，主要有（半導(dǎo)體）光源、光放大器和光電檢測器。若未發(fā)生光電能量轉(zhuǎn)換，即使也需要一些電信號的介入，也稱為無源光器件。第31頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月光無源器件的功能光無源器件是要消耗光信號的一定能量而實(shí)現(xiàn)光信號的連接、能量分路／合路、波長復(fù)用／解復(fù)用、光路轉(zhuǎn)換、能量衰減、反向阻隔等功能的器件。光纖無源器件是具有上述一種功能的元器件的總稱。第32頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月光無源器件的分類自聚焦透鏡光纖定向耦合器光隔離器與光環(huán)行器光纖光柵光纖連接器第33頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月一、自聚焦透鏡的特點(diǎn)傳統(tǒng)透鏡是通過控制透鏡表面的曲率，利用產(chǎn)生的光程差使光線匯聚成一點(diǎn)。自聚焦透鏡：利用折射率漸變使光線偏折，端面準(zhǔn)直、耦合成像特性，小巧可微型化，便于加工，可以彎曲傳像、具有獨(dú)特的成像特性。

4.1自聚焦透鏡第34頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月二、幾種重要的自聚焦透鏡及其應(yīng)用1.聚焦對于1/4節(jié)距的自聚焦透鏡，當(dāng)從一端面輸入一束平行光時，經(jīng)過自聚焦透鏡后光線會匯聚在另一端面上。這種端面聚焦的功能是傳統(tǒng)曲面透鏡所無法實(shí)現(xiàn)的。第35頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月準(zhǔn)直：準(zhǔn)直是聚焦功能的可逆應(yīng)用兩個自聚焦透鏡組合，分別用做準(zhǔn)直和聚焦，這樣我們可在兩個自聚焦透鏡之間加入多種光學(xué)器件，例如：濾波片、偏振片、法拉第旋光器等等，來構(gòu)成多種光學(xué)無源器件。第36頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月2、耦合：由于自聚焦透鏡可以通過端面完成聚焦功能，加之其簡單的圓柱外型，使得它在進(jìn)行光能量連接及轉(zhuǎn)換中有著很廣泛的用途。例如:光纖和光源、光纖和光電探測器以及光纖和光纖之間的耦合等等。

圖8中L1為光源或光纖到自聚焦透鏡端面的距離，Z為自聚焦透鏡的長度，L2為自聚焦透鏡端面到光纖的距離。為了使光源或光纖發(fā)出的光經(jīng)過自聚焦透鏡聚焦后能夠有效地耦合進(jìn)光纖，需要調(diào)節(jié)L1

和L2的距離來達(dá)到最佳耦合效率。但是，在實(shí)際耦合過程中，耦合效率要小于其理論值，其原因是耦合效率與器件的結(jié)構(gòu)和使用方法有直接的關(guān)系。第37頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月4.2光纖定向耦合器光纖耦合器的作用光纖耦合器的分類光纖耦合器的結(jié)構(gòu)光纖耦合器的制作方法和耦合機(jī)理光纖耦合器的性能參數(shù)第38頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月一、光耦合器的作用在光纖通信系統(tǒng)或光纖測試中，經(jīng)常遇到需要從光纖的主傳輸信道中取出一部分光作為監(jiān)測、控制等使用，有時也需要把兩個不同方向來的光信號合起來送入一根光纖中傳輸。這都需要光纖耦合器來完成。光耦合器是將光信號進(jìn)行分路或合路、插入及分配的一種器件。第39頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月二、光纖耦合器的分類按結(jié)構(gòu)大致可分為：分立光學(xué)元件組合型、全光纖型、平面波導(dǎo)型等。按端口形式可分為：X型（2×2）、Y型（1×2）、星型（N×N）和樹型（1×N,N>2）耦合器。按光纖型號可分為：多模耦合器和單模耦合器。按工作帶寬可分為：單工作窗口的窄帶耦合器、單工作窗口的寬帶耦合器和雙工作窗口的寬帶耦合器。按功能可分為：光功率分配耦合器和光波長分配耦合器。第40頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月三、光纖耦合器的結(jié)構(gòu)棱鏡式定向耦合器：采用分立光學(xué)元件（如棒透鏡、反射鏡、棱鏡等）組合拼接。損耗大，與光纖耦合困難，環(huán)境穩(wěn)定性較差。全光纖耦合器：即直接在兩根（或兩根以上）光纖之間形成某種形式的耦合。第41頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月圖6.11集成光波導(dǎo)耦合器(a)Y形耦合器基本結(jié)構(gòu)；(b)樹形集成光波導(dǎo)耦合器基本構(gòu)成集成化是未來光纖通信發(fā)展的必然趨勢。利用平面光波導(dǎo)制作的光耦合器具有體積小，分光比控制精確，易于大批量生產(chǎn)等特點(diǎn)。第42頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月圖6.10幾種典型光纖耦合器的結(jié)構(gòu)示意圖三端口分路器和合路器；(b)四端口耦合器；(c)多端口星形耦合器；(d)波分復(fù)用器第43頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月四、光纖耦合器的性能參數(shù)耦合比插入損耗附加損耗分光比隔離比第44頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月1、耦合比表示由輸入信道（i）耦合到指定輸出信道(j)的功率大小。定義為輸出信道功率與輸入信道功率之比：第45頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月2、插入損耗表示由輸入信道i到指定信道j的損耗。定義為指定輸出端口的光功率相對全部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)式為其中：α是第i個輸出端口的插入損耗；Pi是第i個輸出端口測到的光功率值；Pi是輸入端的光功率值。第46頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月3、附加損耗附加損耗表示由耦合帶來的總損耗。定義為所有輸出端口的光功率總和與全部輸入光功率的比值。該值以分貝表示的數(shù)學(xué)表達(dá)式為式中：Pj為第j個輸出口的輸出功率；Pi為輸入總光功率。第47頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月4、分光比分光比是光耦合器所特有的技術(shù)術(shù)語，它定義為耦合器各輸出端口的輸出功率相對輸出總功率的百分比，在具體應(yīng)用中常用數(shù)學(xué)表達(dá)式表示為例如對于標(biāo)準(zhǔn)X形耦合器，1∶1或50∶50代表了同樣的分光比，即輸出為均分的器件。第48頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月5、隔離比（isolation）隔離度是指某一光路對其他光路中的信號的隔離能力。隔離度高，也就意味著線路之間的“串話”小。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為式中：Pt是某一光路輸出端測到的其他光路信號的功率值；Pi是被檢測光信號的輸入功率值。第49頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月第五部分光纖通信器件一、光纖發(fā)射機(jī)1、分類按光波長：1310nm光發(fā)和1550nm光發(fā)按調(diào)制方式：模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制。按調(diào)制方式與光源的關(guān)系：直接調(diào)制光發(fā)和外調(diào)制光發(fā)第50頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月模擬調(diào)制又有兩類，一類是用模擬基帶信號直接對光源進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制（D－IM）；另一采用連續(xù)或脈沖的射頻（RF）波作為副載波，模擬基帶信號先對它的幅度、頻率或相位等進(jìn)行調(diào)制，再用該受調(diào)制的副載波去強(qiáng)度調(diào)制光源。模擬調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡單，占有帶寬較窄，但它的抗干擾性能差，中繼時噪聲累積。第51頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月數(shù)字調(diào)制是光纖通信的主要調(diào)制方式，將模擬信號抽樣量化后，以二進(jìn)制數(shù)字信號“1”或“0”對光載波進(jìn)行通斷調(diào)制，并進(jìn)行脈沖編碼（PCM）。數(shù)字調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)是抗干擾能力強(qiáng)，中繼時噪聲及色散的影響不積累，因此可實(shí)現(xiàn)長距離傳輸，它的缺點(diǎn)是需要較寬的頻帶，設(shè)備也復(fù)雜。第52頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月2、基本原理從前端輸入的RF電視信號經(jīng)過放大等電路處理，從末級分出一部分信號，經(jīng)過峰值檢波、直流放大去控制由PIN二極管組成的電調(diào)衰減器和自動增益控制(AGC)，經(jīng)過這樣一系列的處理以后，將射頻信號加入激光器激勵口，來控制半導(dǎo)體激光器的偏流，進(jìn)而控制激光器的輸出光強(qiáng)度，一般采用DFB激光器作為光源。第53頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月

3、*光發(fā)射機(jī)的應(yīng)用直接調(diào)制型：線性好,失真小,輸出功率18mw以內(nèi).價格低廉適用于近距離傳輸（35公里以內(nèi)）。外調(diào)制型：非線性失真大，電路復(fù)雜成本高。輸出功率大2X20mw，色散小，適合長距離傳輸。第54頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月二光分路器光分路器介紹：它屬于無源器件，可以對光信號進(jìn)行耦合、分配、分支。是具有多個輸入端和輸出端的光纖匯接器件。在有線電視系統(tǒng)中多用一個輸入，多個輸出。（注：老式的分波長，新式的為通用型）第55頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月三、光接收機(jī)原理和應(yīng)用

1、分類：光接收機(jī)分為模擬光接收機(jī)和數(shù)字光接收機(jī)兩種

2、作用：在有線電視HFC網(wǎng)絡(luò)中，光接收機(jī)通常位于光纖接點(diǎn)處，它的主要功能是把光信號轉(zhuǎn)變?yōu)镽F信號第56頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月

3、原理：第57頁，課件共64頁，創(chuàng)作于2023年2月光電檢測器是從輸入的光信號中取出有用的電信號(有線電視信號),能完成O/E轉(zhuǎn)換的光接收器件稱光電檢測器或光電二極管(PD)。光電檢測器輸出的射頻有線電信號送入電信號放大級放大,之后送至均衡器,完成對帶寬內(nèi)(550MHz、750MHz、860MHz的帶寬內(nèi))的平坦度調(diào)整,之后送入衰減器,衰減器完成對帶寬內(nèi)各頻道幅度的調(diào)整,保證輸出級有合適的輸出電平(即保證光接收機(jī)有合適的輸出電平)。輸出放大器輸出信號送入分支器(