光纤传输基础知识精.ppt

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1、光纤传输基础知识光纤传输基础知识第1页，本讲稿共50页光纤通信的优点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、体积小第2页，本讲稿共50页光通信发展简史光通信发展简史2000多年前烽火台灯光、旗语1880年光电话无线光通信1970年光纤通信第3页，本讲稿共50页光纤通信发展史光纤通信发展史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。第4页，本讲稿共50页电磁波谱电磁波谱1cm 1mm

2、 100um 10um 1um 100nm 10nm 1nm 波長波長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光通信使用范围光通信使用范围红外线红外线紫外线紫外线第5页，本讲稿共50页通信波段划分及相应传输媒介频率 Hz10110710210610310510410410510310610210710110810010910-1101010-2101110-3101210-4101310-5101410-61015自由空间波长（m）电力、电话无线电、电视微

3、波红外可见光双铰线同轴电缆光纤卫星/微波AM无线电FM无线电频段划分传输介质第6页，本讲稿共50页光的折射，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

4、之比就是材料的折射率。妈NC/V光纤通信用的石英玻璃的折射率约为1.5第7页，本讲稿共50页光通信的发展过程雏形：古代烽火、手旗、灯光雏形：古代烽火、手旗、灯光潜望镜原理潜望镜原理光波导之雏形光波导之雏形第8页，本讲稿共50页光的基本知识光的基本知识n1n2n1 n2n1n2临界角900临界角n1n2全反射入射角=反射角12第10页，本讲稿共50页光纤结构光纤裸纤一般分为三层：光纤裸纤一般分为三层：第一层：中心高折射率玻璃芯（芯径一般为第一层：中心高折射率玻璃芯（芯径一般为9-10m,(单模）单模）50或或62.5（多模）。（多模）。第二层：中间为低折射率硅玻璃包层（直径一般为第二层：中间为低

5、折射率硅玻璃包层（直径一般为125m）。）。第三层：最外是加强用的树脂涂层。第三层：最外是加强用的树脂涂层。纤芯包层保护套第11页，本讲稿共50页光纤的结构光纤的结构一、纤芯 core：折射率较高，用来传送光；二、包层 coating：折射率较低，与纤芯一起形成全反射条件；三、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 单模第12页，本讲稿共50页外径一般为125um(一根头发平均100um)内径：单模9um 多模50/62.5um12595012562.5125光纤的尺寸光纤的尺寸第13页，本讲稿共50页数值孔径数值孔径入射到光纤端面的光

6、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（AT&TCORNING）。第14页，本讲稿共50页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）多模光纤多模光纤：中心玻璃芯较粗（50或62.5m），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

7、里。单模光纤单模光纤：中心玻璃芯较细（芯径一般为9或10m），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。第15页，本讲稿共50页光纤的分类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、

8、音响，以及短距的图像传输。第16页，本讲稿共50页按最佳传输频率窗口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。第17页，本讲稿共50页突变型：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

9、高，现在的多模光纤多为渐变型光纤。第18页，本讲稿共50页常用光纤规格光纤尺寸：1、单模纤芯直径：9/125m，10/125m2、包层外径（2D）125m3、一次涂敷外径250m4、尾纤：300m5、多模：50/125m，欧洲标准62.5/125m，美国标准6、工业，医疗和低速网络：100/140m，200/230m 7、塑料：98/1000m，用于汽车控制第19页，本讲稿共50页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

10、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0.8m），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。第20页，本讲稿共50页光缆的种类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。第21页，本讲稿共50页光缆的接续与成端光缆的接续与成端光缆的接续与成端是光缆线路维护

11、人员必须掌握的基本技能。光缆的接续技术分类：一、光纤的接续技术和光缆的接续技术两部分。二、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。第22页，本讲稿共50页光纤接续的种类光纤接续的种类光缆接续一般可分为两大类：一、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。二、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。第

12、23页，本讲稿共50页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测量法第24页，本讲稿共50页一、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。第25页，本讲稿共50页二、光缆接续的操作方法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

13、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。第26页，本讲稿共50页光纤的损耗光纤的损耗1310 nm:0.35 0.5 dB/Km1550 nm:0.2 0.3dB/Km850 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第27页，本讲稿共50页常见光纤名词常见光纤名词衰减：光在光纤中传输时的能量损耗单模光纤1310nm 0.40.6dB/km1550nm 0.20.3dB/km塑料多模光纤300dB/km第28页，本

14、讲稿共50页光纤的衰减光纤的衰减光纤的衰减图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减(dB/km)水峰值6 54321第29页，本讲稿共50页色散(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。常见光纤名词常见光纤名词第30页

15、，本讲稿共50页光纤类型光纤类型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第31页，本讲稿共50页常见光纤名词常见光纤名词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。光线缺陷第32页，本讲稿共50页光纤系统基础知识光纤系统基础知识一、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。第33页，本讲稿共50页光纤系统基础知识光纤系统基础知识二

16、、基本光纤系统方框图：信号光发射机光源中继器检测器光接收机信号电E/光O转换光纤光O/电E转换发送单元传输单元接收单元连接器件第34页，本讲稿共50页常用连接器类型常用连接器类型SC LC MT-RJ DSC VF-45 Opti-Jack第35页，本讲稿共50页常用连接器类型常用连接器类型FC TypeSC TypeSC2 TypeFDD Type第36页，本讲稿共50页常用连接器类型常用连接器类型BICONIC TypeD4 TypeSMA 905 TypeSMA 906 TypeMINI BNC Type第37页，本讲稿共50页连接头端面类型连接头端面类型Ferrule+Flange I

17、nsertion Loss(插入损耗)40dB SPC45dB UPC50dB APC60dB第38页，本讲稿共50页无源器件无源器件耦合器（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第39页，本讲稿共50页无源器件无源器件耦合器（coupler）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）第40页，本讲稿共50页无源器件无源器件耦合器以图形表示 1423第41页，本讲稿共50页无源器件无源器件波分复用器WDMWavelength Division Multiplexer在一条光纤中传输多个光信号，

18、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。第42页，本讲稿共50页无源器件无源器件波分复用器（图例）1传送器传送器 2传送器传送器 1+2 1+2 1接收器接收器 2接收器接收器第43页，本讲稿共50页发送单元发送单元驱动器光源第44页，本讲稿共50页接收单元接收单元检测器放大器 输出电路第45页，本讲稿共50页光放大器光放大器 0 1输入输入（信号弱）（信号弱）1输出输出（信号强）（信号强）光放大器波分复用器耦合器 1光源监测第46页，本讲稿共50页光纤数字通信光纤数字通信数字系统中脉冲的定义：10%90%

19、50%脉冲宽度上升时间下降时间周期振幅第47页，本讲稿共50页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。光纤数字通信光纤数字通信第48页，本讲稿共50页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

20、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)光纤数字通信光纤数字通信第49页，本讲稿共50页光纤收发器作用光纤收发器使用原理类似家庭上网中的ADSL设备（俗称猫，因为拔号中会发出一种类似猫叫的声音）它实际是一种数摸转换器，因为电脑是处理数据信号，而电话线传输的1M或2M是摸拟信号，之间需要转换。而光纤通信，光纤传输的是光信号，而设备（电脑）是电信号（数字信号）。所以也需使用光纤收发器。分类：一、分为多模和单模拟收发大器。二、分为单芯和双芯收发器。（RX接收、TX发送）三、分为音频和视频收发器。第50页，本讲稿共50页