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光学基础知识 2007 4 30 大纲 一 光通讯定义二 光通讯工作波段三 光通讯优越性四 通讯的发展五 常见的光无源器件六 常见的光有源器件七 基本光学参数八 光纤简介九 Connector简介 一 光通信定义 通信 就是互通信息 相互传递信息 信息的含义很广 声音是信息 图象是信息 数据也是信息 光通信 是指以激光作为载体 以光纤作为传输媒介的通信方式 它有传输性能优异 传输带宽极大等特点 二 光通信工作波段 1 电磁波频谱图 光通信所使用的范围在800 1600nm的近红外区内 具体波长为850nm 1300nm 1310nm 1550nm 另见光纤衰减谱 二 光通信工作波段 2 三 光通信优越性 1 1 尺寸小 重量轻 成本低 便于运输和敷设 2 光纤不怕电磁干扰 防雷电 用于电力及铁道通信 交通 3 光纤衰耗极低 传输距离长 4 光纤具有极大的传输带宽 容量大 可适应各种业务要求 5 光纤通信传输质量好 信号串扰小 保密性好 6 耐化学腐蚀 适用于特殊环境 7 原料资源丰富 节约有色金属 三 光通信优越性 2 1 光通信主要优点例 容量大红光频率 5 1014Hz 标准电话频带宽度 4 103Hz按频分复用 能容纳话路为 N 1 25 1011光纤与电通信传输介质的特性比较 传输介质带宽衰减系数中继距敷设安装接续 MHz dB km km 对称电缆620 4MHz 1 2方便方便同轴电缆40019 60MHz 1 6方便较方便微波波导40 120210特殊特殊光纤光缆 100000 2 3 50方便特殊 四 光通信的发展 1966年美籍华人高锟和Georgo A Hockham提出光纤通信概念 1970年美国康宁公司的马勒等人首先研制出衰耗为20dB km的光纤 1976年发现光纤衰减的两个窗口 1310nm 1550nm 1980年1550窗口衰减降至0 20dB km 接近理论值 80年代初多模光纤通信系统已经投入商用 单模光纤通信系统也进入了现场试验 1983年在我国 连接武汉三镇的8Mb s系统的投入使用 目前光通信的各项技术 光纤光缆 器件 系统 已非常成熟 光通信逐步向系统高速化 网络化 光纤长波长化 光缆纤芯高密化 器件集成化等方向发展 向长波长化 集成化方向发展 有源器件 无源器件 不依靠外加电源 直流或交流 的存在就能独立表现出其外特性的器件就是无源器件 否则就称为有源器件 五 常见的光学无源器件 1 1 跳线 Jumpercable 单模 黄色多模 桔色通常为2m 五 常见的光学无源器件 2 2 耦合器 Coupler Splitter 五 常见的光学无源器件 3 光分路器 Splitter 的结构 五 常见的光学无源器件 4 FiberArray FiberArray 五 常见的光学无源器件 5 隔离器 Isolator 只容许光单向传播 五 常见的光学无源器件 6 波分复用器 WDM WavelengthDivisionMultiplexers WDC WavelengthDependentCoupler 五 常见光学无源器件 7 AWG 密集波分复用器DWDM DenseWDM WavelengthDivisionMultiplexers 光栅 薄膜 平面波导 AWG AWG图片 五 的常见的光学无源器件 8 Filter DOCColorFilter图片 五 常见的光学无源器件 9 光交叉复用器 OXC Opticalcrossconnect可调衰减器 VOA Variableopticalattenuator OXC图片 OXC图片 何为OXC 路由器OXC是一种兼有复用 配线 保护 恢复 监控和网管的多功能OTN传输设备 对于一般传输网络而言 OXC并不是一种必须的网元 其必要性和重要性取决于网络规模 规划者的保护 恢复策略和对网络可靠性的要求等各方面因素 但从整个传输网络看 为了提供网络必须的灵活配置能力和以较小的冗余代价 含线路和设备 具备必要的保护 恢复功能 则必须在网络中配置OXC设备 而且一旦在网络中采用了OXC设备 其在网络中必然处于中心地位 成为最核心的网元 OXC在网络中的基本用途 OXC在网络中的基本用途是进行自动的业务疏导 着眼点在网络 其主要功能有 1 提供以波长为基础的半永久的交叉连接功能 2 对波长通道进行配置以实现对网络光纤资源的优化 3 当网络出现故障时 迅速提供网络的重新配置 4 根据业务量的变化优化网络 5 尽量允许运营者自由使用各种信号格式 即尽量保持网络的透明 五 常见的光学无源器件 10 其他重要的光无源器件 1 光开关switch 按工作原理分为 机械式 LB 磁光式 CL 电光式等等 2 光环行器circulator 六 常见光有源器件 光源 LED Light emittingDiode LASERDiode LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiationTOSA ROSA PD光放大器 EDFA Erbium dopedOpticalFiberAmplifier 调制器驱动器 七 基本光学参数 0 损耗定义 衰减产生的原因 A 由吸收造成的损耗 吸收损耗时由于制造光纤的材料不纯所引起的 这些杂质包括过渡金属 Cr Cu Fe Mn 离子和氢氧根离子 OH B 由散射造成的损耗 是由光纤不均匀性所产生的散射引起的 与吸收损耗相比 散射损耗不存在光 热之间的能量转换 C 由光纤弯曲造成的辐射损耗 10lg P0 Pi dB 通光原理 七 基本光学参数 1 1 插入损耗 IL InsertionLoss2 回波损耗 RL ReturnLoss 七 基本光学参数 2 IL测量 七 基本光学参数 3 RL测量 七 基本光学参数 4 3 方向性 DIR Directivity4 过盈损耗 EL ExcessLoss 七 基本光学参数 5 5 损耗一致性 ILUniformity ILmax ILmin6 波长依存损耗 WDL WavelengthDependentLoss 七 基本光学参数 6 PDL是光器件或系统在所有偏振状态下的最大传输差值 它是光设备在所有偏振状态下最大传输和最小传输的比率 PDL定义如下 PDL 10log Tmax Tmin 其中Tmax和Tmin分别表示测试器件 DUT 的最大传输和最小传输 七 基本光学参数 6 7 温度依存损耗TDL TemperatureDependentLossTDL 25 85 TDL 85 TDL 25 TDL 25 40 TDL 40 TDL 25 TDL 85 40 TDL 40 TDL 85 七 基本光学参数 7 FiberDispersion 光纤的色散 FiberDispersion光纤的色散 有时又称为色度色散 是指单位长度内基模的群时延随波长的变化率 与通常所说的色散概念不同 描述色散的参数是色散系数 它的单位是ps km nm 其中ps代表10 12秒 它是引起光脉冲的波形产生失真 畸变 使光脉冲的宽度变宽 幅值也随之下降 的主要原因 尤其是在大容量高速率的时候 光纤的色散有三种 材料色散 波导色散以及模间色散 材料色散是由制造光纤材料的折射率n随波长 变化而产生的 波导色散则是由于光纤结构尺寸a 随波长 变化而产生的 材料色散和波导色散是同一个模内不同波长的色散 而模间色散 存在于多模光纤中 是同一波长不同模之间的色散 一般情况下 模间色散最大 材料色散次之 波导色散最小 七 基本光学参数 8 FiberDispersion 七 基本光学参数 9 8 偏振模色散 PMD PolarizationModeDispersion是指基模的两个正交偏振模在传输过程中 由于纤内的残余应力等作用 而引起群时延差 随着光纤中继距离的增长以及传输速率的提高 偏振模色散 PMD 显得日益重要了 PMD值 是一种统计随机规律的参数 它有两种定义 用平均群时延差来表示 其单位为 ps km用两个偏振模的传输时间的均方根差来表示 其单位为 ps km 七 基本光学参数 10 9 工作波段 OperatingBandwidth 0 5dB 1dB 3dB 七 基本光学参数 11 10 中心波长 CenterWavelength11 串扰 Crosstalk XTAX AdjacentChannelXTAX LeftChannelXTAX RightChannelXTNX Non adjacentchannelXTTX TotalXT12 截止波长 Stopband Bandwidth 20dB 40dBRippleCoherentTotalXT TotalChannelCrosstalk TX示意图 八 光纤简介 光纤的定义光纤是光导纤维 OF OpticalFiber 的简称 在光通信系统中常常将OpticalFiber 光纤 又简化为Fiber 光纤实际是指由透明材料作成的纤芯和在它周围采用比纤芯的折射率稍低的材料作成的包层所被覆 并将射入纤芯的光信号 经包层界面反射 使光信号在纤芯中传播前进的媒体 光纤的成分 一般 通信光纤的主要是由高纯度石英组成光纤结构光纤裸纤一般分为三层 中心高折射率玻璃芯 中间为低折射率硅玻璃包层 最外是加强用的树脂涂层 八 光纤简介 光纤的分类1 一 按纤芯折射率的分布来分 阶跃型光纤 梯度型光纤 环型光纤 W型光纤 二 按传导模式来分 多模光纤 单模光纤 特种光纤 三 按光纤的构成材料来分 硅酸盐光纤 氟化物光纤 塑料光纤 液体光纤 AB AB 说明 八 光纤简介 光纤分类2 八 光纤简介 光纤分类3 G652B SMF28G652C SMF28e 无水峰光纤 八 单模光纤结构 八 光纤制作 预制棒 八 光纤制作 拉丝 八 光纤通光原理1 八 光纤通光原理2 几何特性 多模光纤 纤芯直径 50 62 5 3 0 m包层直径125 0 1 0 m纤芯不圆度 6 包层不圆度 1 芯径 包层不圆度 6 涂层直径245 10 m 几何特性 单模光纤 芯径不圆度 6 包层直径125 1 m包层不圆度 1 模场同心度偏差 0 8 m涂层直径245 10 m涂层不圆度 5 涂层 包层同心度偏差 12 m 技术规范 多模光纤 技术规范 单模光纤 机械特性 光纤的衰减 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 8 m 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 光纤的优点 光纤的通频带很宽 理论可达30亿兆赫兹 无中继段长 几十到100多公里 铜线只有几百米 不受电磁场和电磁辐射的影响 重量轻 体积小 例如 通2万1千话路的900对双绞线 其直径为3英寸 重量8吨 KM 而通讯量为其十倍的光缆 直径为0 5英寸 重量450P KM 光纤通讯不带电 使用安全可用于易燃 易暴场所 使用环境温度范围宽 化学腐蚀 使用寿命长 光纤使用中注意事项 光纤在取放和传输中要轻拿轻放光纤在使用中不要过度弯曲和绕环 这样会增加光在传输过程的衰减 一般来说光纤弯曲半径不能过少 直径不能小于35mm 弯曲程度不能小于40度 光纤跳线使用后一定要用保护套将光纤接头保护起来 Pigtail标准拿取方式 参考图片 Pigtailtype摆放方式 光纤使用注意事项 有可能被折段的光纤的现象 注意考虑红光在SMF 28中以多模方式传播 所以这种判断方法只能作为一个辅助判断方法 不能肯定的表明光纤线一定断掉 还需要以性能来判定 光纤的检查 请参考WI IQC0110 光纤及connector检验标准 附录1 光纤技术指标 G652 附录1 光纤技术指标 G652 附录2 光纤技术指标 G655 附录2 光纤技术指标 G655 Connector介绍 一 光纤连接器的定义及用途二 光纤连接器的组成三 光纤Connector工作的基本原理四 Connector的分类五 常用Connector 按型号 介绍六 Connector的性能七 光纤连接器的IL RL测试原理 一 光纤连接器的定义及用途 目前对于光纤的连接有两种方式 一种是固定连接器 比如将两段光纤通过熔接机连接 另一种就是活动连接器 Connector就是一种活动连接器 俗称活接头 国际电信联盟 ITU 建议将其定义为 用以稳定地 但并不是永久地连接两根或多根光纤的无源组件 主要用于实现系统中设备间 设备与仪表间 设备与光纤间以及光纤与光纤间的非永久性固定连接 是光纤通讯系统中不可缺少的无源器件 正是由于连接器的使用 使光通道之间的可拆式连接成为可能 从而为光纤提供了测试入口 方便了光系统的调制与测试 又为网路管理提供了媒介 使光系统的转接调度更加灵活 ITU T InternationalTelecommunicationUnion TelecommunicationSector国际电信联盟 电信标准部 二 光纤连接器的组成 一 光纤连接器的形式一般以跳线 尾纤 尾缆等几类存在 1 跳线Jumper 在一段光纤 或单芯光缆 的两头都装上插头 称为跳线 主要作光配线使用 2 尾纤Pigtail 在一段光纤 或单芯光缆 的一头装上插头 另外一头装上Ferrule 称为尾纤pigtail 主要与光器件相连 3 连接器Connector 在一段光纤 或单芯光缆 的一头装上插头 4 尾缆 在一段多芯光缆的一头装上插头 称为尾缆 用于连接干线与光配线设备 5 适配器 将两个光插头连接起来的器件叫适配器 二 光插头的组成 光插头由三大部分 光纤Fiber 插芯Ferrule 外部散件Accessories Adaptor适配器光纤 常用的一般为SM MM 外径均为125um 而芯径分别为9um 50 60um Ferrule是连接器的关键零件 材料有不锈钢 不锈钢镶陶瓷 全陶瓷 玻璃 塑料等等 由于陶瓷材料具有优良的温度稳定性 机械耐磨性和抗腐蚀能力 在光通讯多采用陶瓷Ferrule 外部散件是光纤连接器中的辅助部件 制作材料以型号而定 有金属和塑料 插针的主要尺寸为 外径 2 499 0 0005mm LC型 1 25mm 外径不圆度 0 0005mm 微孔直径 125 1 0um 或 126 1 0um 127 1 0um 微孔偏心量 1um 微孔深度 4mm或10mm插针外圆柱面光洁度 14端面形状为球面 曲率半径为20 60mm 二 光纤连接器的组成 三 图片展示 JUMPER Pigtail 三 光纤Connector工作的基本原理 光纤连接器的基本原理就是利用某种机械结构 使两个抛光的光纤端面精确对准并紧密配合从而达到最好的模场匹配 三种失配 径向失配 轴向失配 角向失配 1 两根光纤之间的对接耦合 对径向错位非常敏感 因此要求固定光纤的陶瓷插芯Ferrule具有非常高的圆度 内孔具有非常的同心度 内孔径尺寸非常精确 2 为了保证两根光纤的紧密接触 要求Ferrule端面研磨成球面而非平面 这样有助于其中心的光纤相互接触 另外光纤连接器对接时 借助弹簧施加一定的压力 是陶瓷插芯的球端面发生轻微变形以保证两光纤端面的紧密接触 如图 需要说明的是 光纤连接器就是靠这种紧密接触来避免菲涅尔反射 而不用在端面镀AR增透膜 考虑到在端面镀AR增透膜 经常插拔必然会破坏膜层 所以不用ARCoating 四 Connector的分类 按端面划分 可加工平面 FC 球面 PC 精抛球面 UPC 斜球面 APC PC physicalcontact UPC ultraPC APC angledPC 按型号划分 可分为FC SC ST LC MU MT RJ VFo 双锥 F SMA D4 MT等等不少于30种 按光纤划分 单模 多模 数据光纤连接器以及特别用途的保偏PM连接器 按光纤数量 单通道 双联Duplex 多联Multiplex 黑色 FC PC SC PC 蓝色 四 Connector的分类2 接上页 FC APC 绿色 绿色 SC APC SC APC 绿色 SC PC 蓝色 错误接法 Connector的分类 五 常用Connector 按型号 介绍1 一 FC型连接器 FC FC FC PC UPC FC APC 1 最早是由日本NTT研制 FC是FerruleConnector的缩写 表明其外部加强方式是采用金属套 紧固方式为螺丝扣 最早 FC类型的连接器 采用的陶瓷插针的对接端面是平面接触方式 FC 此类连接器结构简单 操作方便 制作容易 但光纤端面对微尘较为敏感 且容易产生菲涅尔反射 提高回波损耗性能较为困难 后来 对该类型连接器做了改进 采用对接端面呈球面的插针 PC 而外部结构没有改变 使得插入损耗和回波损耗性能有了较大幅度的提高 2 图片展览 五 常用Connector 按型号 介绍2 二 SC型光纤连接器1 SC SubscriberConnector用户连接器 五 常用Connector 按型号 介绍2 2 图片展览 3 标准尺寸请参考相关资料 五 常用Connector 按型号 介绍3 三 LC型连接器1 LC Lucentconnector 五 常用Connector 按型号 介绍3 2 图片展览 五 常用Connector 按型号 介绍4 四 MU型连接器 MU Miniatureunit Coupling 1 以目前使用最多的SC型连接器为基础 由NTT研制开发出来的世界上最小的单芯光纤连接器 该连接器采用1 25mm直径的套管和自保持机构 其优势在于能实现高密度安装 利用MU的l 25mm直径的套管 NTT已经开发了MU连接器的系列 它们有用于光缆连接的插座型光连接器 MU A系列 具有自保持机构的底板连接器 MU B系列 以及用于连接LD PD模块与插头的简化插座 MU SR系列 等 随着光纤网络向更大带宽更大容量方向的迅速发展和DWDM技术的广泛应用 对MU型连接器的需求也将迅速增长 五 常用Connector 按型号 介绍4 2 图片展览 五 常用Connector 按型号 介绍5 五 ST型 StraightTip直通式光纤连接器1 ST型连接器是由美国电话电报公司 AT T公司开发的 它采用带键的卡口式锁紧机构 确保连接时准确对中 2 图片展览 五 常用Connector 按型号 介绍6 六 双锥型连接器 BiconicConnector 1 这类光纤连接器中最有代表性的产品由美国贝尔实验室开发研制 它由两个经精密模压成形的端头呈截头圆锥形的圆筒插头和一个内部装有双锥形塑料套筒的耦合组件组成 2 图片展览 五 常用Connector 按型号 介绍7 8 七 DIN47256型光纤连接器这是一种由德国开发的连接器 这种连接器采用的插针和耦合套筒的结构尺寸与FC型相同 端面处理采用PC研磨方式 与FC型连接器相比 其结构要复杂一些 内部金属结构中有控制压力的弹簧 可以避免因插接压力过大而损伤端面 另外 这种连接器的机械精度较高 因而介入损耗值较小 八 MT RJ型连接器MechanicalTransferRegisteredJack经鉴定的机械传送式插座MT RJ起步于NTT开发的MT连接器 带有与RJ 45型LAN电连接器相同的闩锁机构 通过安装于小型套管两侧的导向销对准光纤 为便于与光收发信机相连 连接器端面光纤为双芯 间隔0 75mm 排列设计 是主要用于数据传输的下一代高密度光连接器 六 Connector的性能1 一 光学性能1 插入损耗IL 它表示光在通过光纤连接器后 光功率损耗的大小 用dB表示 一般要求IL 0 3dBIL 10lg Pout Pin 2 回波损耗RL 它表示光在通过光纤连接器后 后向反射光与入射光的比值 用dB表示 RL一般PC 40dB UPC 50dB APC 60dB RL 10lg P反 Pin 3 重复性 重复插拔后IL的变化值 用dB表示 在1000次插拔之后 插入损耗IL的变化值 0 1dB 4 互换性 将插头和适配器按一定规则互换后 插入损耗IL的变化数值 互换性 0 2dB 二 机械性能1 Ferrule端面的技术指标 曲率半径 Ferrule的端面多研磨成球面或斜球面 它的曲率半径应在标准规定的范围内 曲率半径 PC 7 25mmAPC 5 15mm 顶点偏移 指研磨形成的球心和纤芯之间的距离 顶点偏移 50um 光纤高度 光纤相对于球面的高度 标准为 100 100 nm 插针端面粗糙度 Rq 0 50nmRa 0 50nm 光纤端面粗糙度 Rq 0 50nmRa 0 50nm 六 Connector的性能 2 对光纤连接器的机械性能的确定 ITU建议按下表的要求加以考虑 对于光纤连接器机械性能的实验方法 ITU建议按IEC847 1总规范最新修订版所规定的方法进行 抽样数量 除特别要求外 IEC规定一般不少于5个连接器 光缆组合体 对于部分实验项目 IEC规定的实验方法中还明确了实验条件以及评价标准 1 对于配对连接器的轴向抗拉强度和至少包含5个连接器的光缆组合体的强度保持力 IEC确定最小为90N 2 对于弯曲性能 IEC规定至少应测试5个连接器 光缆组合体样品