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

 

光通信的发展过程

 

 

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)