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光纤光缆基础知识 1 什么是光纤通信 光纤通信就是以光波为载波 光导纤维为传输介质的通信方式 这里所讲的 光波为载波 就是表示将需要传输的信息经调制变成光波的形式 再送到光纤中去传输 光波在此成了运载信息工具 2 光纤通信系统的基本构成 根据信息论理论 任何一种通信系统都是由信源 信道和信宿三要素组成 相应地 一个基本的光纤通信系统组成也可归纳为三大要素 光发射机 光纤光缆和光接收机 3 光纤通信系统的基本构成 二 光纤通信系统的基本结构示意图 4 光纤通信系统的基本构成 基本结构图由三部分组成 光发射机 光纤光缆和光接收机 由于光纤只能传光信号不能传电信号 因此 这种通信系统在发送端必须把电信号变成光信号 在接收端再把光信号变为电信号 即电 光和光 电变换 5 光纤通信的优点 通信容量大 传输距离长 原材料来源丰富 节省了有色金属 环境保护好 抗电磁干扰 传输质量佳 信道串扰小 保密性好 光缆尺寸小 重量轻 便于敷设和运输 光缆适应性强 寿命长 6 光纤通信的缺点 抗拉强度低 光纤连接困难 光纤怕水 7 光通信发展简史 2000多年前烽火台 灯光 旗语1980年光电话 无线光通信1970年光纤通信 8 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 9 光纤通信的传输窗口及传输波长的划分 光纤通信与电通信的主要差异有两点 一是传输的是光波信号 二是传输光信号的介质是光纤 光波在光纤中传输时会带来一定的传输损耗 光纤每千米的长度损耗直接关系到光纤通信系统传输距离的长短 光纤对不同波长的光波信号呈现出不同的衰减特征 于是 很自然地就会将低损耗地波长用于光纤通信 并将低损耗波长点称为传输窗口 10 目前光纤通信采用的通信窗口 短波长窗口 波长为0 85 m 长波长窗口 波长为1 31 m和1 55 m 其中 在0 8 0 9 m波段内 损耗约为2dB km 在1 31 m波长处损耗为0 35dB km 在1 55 m处 损耗为0 2dB km 11 传输波长的划分 根据传输的波长 可以将光纤通信系统分为短波长光纤通信系统 长波长光纤通信系统以及超长波长光纤通信系统 短波长光纤通信系统工作波长为0 8 0 9 m 中继距离小于或等于10km 长波长光纤通信系统工作波长为1 0 1 6 m 中继距离大于100km 超长波长光纤通信系统工作波长大于或等于2 m 中继距离大于或等于1000km 采用非石英光纤 12 常见光纤名词 色散 Dispersion 在光纤中 光信号是由很多不同的成份 如不同的模式 不同的频率 组成的 由于信号的各频率成份或各模式成份的传播速度不同 经过光纤传输一段距离后 不同成份之间出现时延 从而引起信号畸变 这种现象称之为色散 也就是出现时延差 从而引起脉冲展宽 时延差越大 色散就越严重 所以常用时延差表示色散程度 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 13 常见光纤名词 按照色散产生的原因 光纤的色散主要分为模式 模间 色散 材料色散 波导色散和极化色散 模式色散 就是由于轨迹不同的各光线沿轴向的平均速度不同所造成的时延差 模式色散一般存在于多模光纤中 由于在多模光纤中同时存在多个模式 不同模式沿光纤轴向的传播速度不同 到达终端时就有先后 出现时延差 从而引起脉冲展宽 材料色散 光纤材料的折射率随光波长的变化而变化 从而引起脉冲展宽的现象称为材料色散 不同波长的光脉冲将有不同的传播速度 在到达出射端面时将产生时延差 从而使脉冲展宽 波导色散和极化色散就不作介绍 在多模光纤中 主要存在模式色散 材料色散和波导色散 单模光纤中不存在模式色散 而只存在材料色散和波导色散 14 常见光纤名词 模式 光学波动理论认为 光纤是一种传光的波导 光波在光纤中只能以一定形式的电磁场分布进行传输 这种周期性的电磁分布称为模式 通常为模 截止波长 截止波长是指单模光纤通常存在某一波长 当所传输的光波长超过该波长时 光纤就只能传播一种模式 基模 而在该波长之下 光纤可能传播多种模式 15 常见光纤名词 零色散波长 当波导色散与材料色散在某个波长互相抵消 使总的的色散度为零时 该波长即为零色散波长 波长 波长所指的是光源的波长 16 光纤 光缆的标准 ITU T 国际电信联盟 电信标准化机构 分别对G 651光纤 G 652光纤 G 653光纤 G 654光纤 G 655光纤的主要参数特性进行了标准化 G 651光纤称为渐变型多模光纤 这种光纤在光纤通信发展初期广泛应用于中小容量 中短距离的通信系统中 G 652光纤称为常规单模光纤 其特点是在波长1 31 m处色散为零 系统的传输距离一般只受损耗的限制 目前世界上已敷设的光缆线路90 采用这种光纤 G 652光纤的缺点是在零色散波长1 31 m处的损耗不是最小值 大约为0 4dB km左右 在1 31 m光纤放大器投入使用之前 要实现长距离通信只能采用光一电一光的中继方式 17 G 653光纤称为色散位移光纤 其特点是在波长1 55 m处色散为零 损耗又最小 G 653光纤适用于大容量长距离通信系统中 特别是20世纪80年代末期1 55 m分布式反馈激光器 DFB LD研制成功和90年代初期1 55 m掺铒光纤放大器 EDFA 投入使用后 突破了通信距离受损耗的限制 进一步提高了大容量长距离通信系统的水平 光纤 光缆的标准 18 光纤 光缆的标准 G 654光纤称为截止波长光纤 其特点是在波长1 31 m处色散为零 在1 55 m处色散为17 20ps nm km 和G 652光纤相同 但从损耗上看 G 654光纤在1 55 m处的损耗要小于G 652光纤在1 55 m处的损耗 可达到0 2dB km以下 因此G 654光纤也称为1 55 m损耗最小的单模光纤 这种光纤实际上是一种用于1 55 m波长的改进的常规单模光纤 目的是增加传输距离 19 光纤 光缆的标准 G 655光纤称为非零色散位移光纤 是一种改进的色散位移光纤 在密集波分复用 DWDM 系统中 当使用波长1 55 m色散为零的色散位移光纤时 由于复用信道多 信道间隔小 将出现四波混频的非线性效应 这种效应是由于多个波长的传输光混合而产生的有害频率分量 从而使各信道之间相互干扰 如果色散为零 四波混频的干扰十分严重 如果在光纤中存在微量色散 四波混频反而减小 为了消除四波混频的非线性效应 研制出了非零色散位移光纤 G 655光纤的特点是有效面积较大 零色散波长不在1 55 m 而在1 525 m或1 585 m处 在1 55 m处有适当的微量色散 其值大到足以抑制DWDM系统中的四波混频效应 允许信道速率达到10Gbit s以上 非零色散位移光纤具有常规单模光纤和色散位移光纤的优点 是最新一代的光纤 这种光纤在密集波分复用系统和孤子传输系统中使用 实现了超大容量 超长距离的通信 20 传输光纤的参数指标 21 传输光纤的参数指标 22 光缆的种类 型号及规格传输 根据传输性能 距离和用途 光缆可分为市话光缆 长途光缆 海底光缆和用户光缆 按光纤的种类可分为多模光缆 单模光缆 按光纤套塑方法可分为紧套光缆 束管式新型光缆 按光纤的芯数多少可分为单芯光缆 双芯光缆 四芯光缆 八芯光缆 十二芯光缆 二十四芯光缆和四十八芯光缆 23 光缆的种类 型号及规格传输 按加强件配置方法可分为中心加强构件光缆 骨架光缆 分散加强构件光缆 如束管两侧加强光缆 护层加强构件光缆 如束管钢丝轻铠光缆 按敷设方式可分为管道光缆 直埋式光缆 架空光缆和水底光缆 按护层性质材料可分为聚乙烯护层普通光缆 聚氯乙烯护层阻燃光缆等 按传输导体介质状况可分为无金属光缆 普通光缆和综合光缆 24 光缆的种类 型号及规格传输 目前通信用光缆可分为 室 野 外光缆 用于室外直埋 管道 槽道 隧道 架空及水下敷设光缆 室 局 内光缆 用于室内布放的光缆 软光缆 具有优良的曲扰性能的可移动光缆 设备内光缆 用于设备内布放的光缆 海底光缆 用于跨越海洋敷设的光缆 特种光缆 除上述几类之外 作特殊用途的光缆 25 光缆型式组成 光缆型式有五部分组成如上图 26 光缆型式组成 分类的代号及其意义为 GY 通信用室 野 外光缆 GR 通信用软光缆 GJ 通信用室 局 内光缆 GS 通信设备室内光缆 GH 通信用海底光缆 GT 通信用特殊光缆 加强构件的代号及其意义为 无符号 金属加强构件 F 非金属加强构件 G 金属重型加强构件 H 非金属重型加强构件 27 光缆型式组成 派生特征的代号及其意义为 B 扁平式结构 Z 自承式结构 T 填充式结构 护层的代号及其意义为 Y 聚乙烯护层 V 聚氯乙烯护层 U 聚氨酯护层 A 铝聚乙烯粘结护层 L 铝护套 G 钢护套 Q 铅护套 S 钢 铝 聚乙烯综合护套 28 光缆型式组成 外护层的代号及其意义为 外护层是指铠装层及其铠装外边的外被层 外护层的代号及其意义如表 29 光缆的规格 光缆的规格有五部分七项内容组成如下图光纤规格代号 光纤的规格由光纤数和光纤类别组成 光纤数目代号 用光缆中同类别光纤的实际有效数目的数字表示 光纤类别代号 用大写A表示多模光纤 大写B表示单模光纤 再以数字和小写字母表示不同种类 类型的光纤 30 举例 光缆型号为 GYTA53 4 2D10 125其表示意义为通信室 野 外光缆 金属加强构件 松套层绞结构 油膏填充式结构铝 聚乙烯粘结护套 皱纹钢带铠装 内装8根纤芯直径为10 m 包层直径125 m的常规单模光纤 31 光纤的结构 一次涂复层 32 光纤的结构 纤芯 折射率较高 用来传送光 包层 折射率较低 与纤芯一起形成全反射条件 涂复层 起增加弯曲强度和柔韧性的作用 尾纤橘色MM黄色SM 33 常见光纤名词 数值孔径 NumericAperture NA SIN 34 常见光纤名词 35 外径一般为125um 一根头发平均100um 内径 单模9um多模50 62 5um 光纤的尺寸 36 按照光纤的模式分类单模 Single Mode 多模 Multi Mode 按折射率分类阶越光纤渐变折射率光纤 光纤的分类 37 单模 多模光纤的定义及其特性和主要参数 单模光纤 只传一种光信号 HE11 模式的光纤为单模光纤 多模光纤 能传两种以上光信号模式的光纤为多模光纤 单模光纤的芯径只有几微米 而多模光纤的芯径有几十微米 两种光纤的包层直径 包层不圆度均相等 其外 单模光纤还有重要参数 模场直径及场同心度 截止波长 多模光纤还有数值孔径 折射率分布 传输带宽等参数 单模光纤适用于大容量长距离通信 多模光纤适用于中容量 中距离通信 38 单模 多模光纤的定义及其特性和主要参数 单模光纤几何参数 1 模场直径 模场直径是表示基模场强空间强度分布集中程度的度量 2 模场同心度误差 模场同心度误差指光纤模场中心与包层中心之间的距离 3 包层直径 4 包层不园度 单模光纤的光学特性 1 截止波长单模光纤的传输特性 1 色散 2 衰减 39 常用连接器类型 40 常用连接器类型 FCType SCType SC2Type FDDType 41 常用连接器类型 BICONICType D4Type SMA905Type SMA906Type MINIBNCType 42 连接头端面类型 43 几个问题 影响光纤传输质量的传输特性有那些 影响光纤传输质量的传输特性为光纤的传输衰减及单模光纤的色散 多模光纤的带宽 光缆敷设和