光纤通信技术知识点简要(考试必备)

光纤通信光纤通信 1 光纤结构 光纤是由中心的纤 芯和外围的包层同轴组成的圆 柱形细丝 纤芯的折射率比包 层稍高 损耗比包层更低 光 能量主要在纤芯内传输 包层 为光的传输提供反射面和光隔 离 并起一定的机械保护作用 设纤芯和包层的折射率分别 为 n1 和 n2 光能量在光纤中 传输的必要条件是 n1 n2 2 光纤主要有三种基本类型 突 变型多模光纤 渐变型多模光纤 单模光纤 相对于单模光纤而 言 突变型光纤和渐变型光纤 的纤芯直径都很大 可以容纳 数百个模式 所以称为多模光 纤 3 光纤主要用途 突变型多模 光纤只能用于小容量短距离系 统 渐变型多模光纤适用于中 等容量中等距离系统 单模光 纤用在大容量长距离的系统 1 5 5 m 色散移位光纤实现了 10 G b s 容量的 100 km 的超大容量 超长距离系统 色散平坦光纤 适用于波分复用系统 这种系 统可以把传输容量提高几倍到 几十倍 三角芯光纤有效面积 较大 有利于提高输入光纤的 光功率 增加传输距离 偏振 保持光纤用在外差接收方式的 相干光系统 这种系统最大优 点是提高接收灵敏度 增加传 输距离 4 分析光纤传输原理的常用方 法 几何光学法 麦克斯韦波动 方程法 5 几何光学法分析问题的两个 出发点 数值孔径 时间延 迟 通过分析光束在光纤中传播 的空间分布和时间分布 几何光 学法分析问题的两个角度 突变型多模光纤 渐变型多 模光纤 6 产生信号畸变的主要原因是 光纤中存在色散 损耗和色散 是光纤最重要的传输特性 损 耗限制系统的传输距离 色散则 限制系统的传输容量 7 色散是在光纤中传输的光信 号 由于不同成分的光的时间 延迟不同而产生的一种物理效 应 色散的种类 模式色散 材 料色散 波导色散 8 波导色散 纤芯与包层的折射 率差很小 因此在交界面产生 全反射时可能有一部分光进入 包层之内 在包层内传输一定 距离后又可能回到纤芯中继续 传输 进入包层内的这部分光 强的大小与光波长有关 即相 当于光传输路径长度随光波波 长的不同而异 有一定谱宽的 光脉冲入射光纤后 由于不同 波长的光传输路径不完全相同 所以到达终点的时间也不相 同 从而出现脉冲展宽 具体 来说 入射光的波长越长 进 入包层中的光强比例就越大 这部分光走过的距离就越长 这种色散是由光纤中的光波导 引起的 由此产生的脉冲展宽 现象叫做波导色散 9 偏振模色散 实际光纤不可 避免地存在一定缺陷 如纤芯 椭圆度和内部残余应力 使两 个偏振模的传输常数不同 这 样产生的时间延迟差称为偏振 模色散或双折射色散 10 损耗的机理包括吸收损耗和 散射损耗两部分 吸收损耗 是由 SiO2 材料引起的固有吸收 和由杂质引起的吸收产生的 散射损耗 主要由材料微观密 度不均匀引起的瑞利散射和由 光纤结构缺陷 如气泡 引起的散 射产生的 瑞利散射损耗是光 纤的固有损耗 它决定着光纤 损耗的最低理论极限 11 光线的损耗 1 吸收损 耗 a 本征吸收损耗 紫外吸 收损耗 红外吸收损耗 b 杂质 吸收损耗 c 原子缺陷吸收损耗 2 散射损耗 a 线性散射损耗 瑞利散射 光纤结构不完善 引起的散射损耗 3 弯曲损耗 a 宏弯 曲率半径比光纤的直 径大得多的弯曲 b 微弯 微米 级的高频弯曲 微弯的原因 光纤的生产过程中的带来的不 均 使用过程中由于光纤各个 部分热胀冷缩的不同 导致的 后果 造成能量辐射损耗 与宏 弯的情况相同 模场直径大的 模式容易发生微弯损耗 12 柔性光纤的优点 1 对光的 约束增强 2 在任意波段均可实 现单模传输 调节空气孔径之 间的距离 3 可以实现光纤色散 的灵活设计 4 减少光纤中的非 线性效应 5 抗侧压性能增强 13 光纤的制作要求 1 透明 2 能将其拉制成沿长度方向 均匀分布的具有纤芯 包层结构 的细小纤维 3 能经受住所 需要的工作环境 光纤是将透 明材料拉伸为细丝制成的 14 光纤预制棒简称光棒 是一 种在横截面上有一定折射率分 布和芯 包比的的透明的石英玻 璃棒 根据折射率的不同光棒 可从结构上分为芯层和包层两 个部分 其芯层的折射率较高 是由高纯 SiO2 材料掺杂折射 率较高的高纯 GeO2 材料构成 的 包层由高纯 SiO2 材料构成 制作方法 外部气相沉积法 气相轴相沉积法 改进的化学 气相沉积法 等离子化学气相 沉积法 15 光缆基本要求 保护光纤固 有机械强度的方法 通常是采 用塑料被覆和应力筛选 光纤 从高温拉制出来后 要立即用 软塑料进行一次被覆和应力筛 选 除去断裂光纤 并对成品 光纤用硬塑料进行二次被覆 二次被覆光纤有紧套 松套 大套管和带状线光纤四种 应 力筛选条件直接影响光纤的使 用寿命 16 光缆一般由缆芯和护套两部 分组成 有时在护套外面加有 铠装 1 缆芯 缆芯通常包括被 覆光纤 或称芯线 和加强件两部 分 被覆光纤是光缆的核心 决定着光缆的传输特性 加强 件起着承受光缆拉力的作用 通常处在缆芯中心 有时配置 在护套中 光缆的基本型式 层绞式 骨架式 中心束管式 带状式 2 护套 护套起着对缆 芯的机械保护和环境保护作用 要求具有良好的抗侧压力性 能及密封防潮和耐腐蚀的能力 根据使用条件光缆可以分为 室内光缆 架空光缆 埋地 光缆和管道光缆等 护套通常由聚乙烯或聚氯乙烯 PE 或 PVC 和铝带或钢带构成 18 根据使用条件光缆可以分为 室内光缆 架空光缆 埋地 光缆和管道光缆等 19 光缆特 性 1 拉力特性 2 压力特性 3 弯曲特性 4 温度特性 20 成缆 对光纤特性的影响 1 成缆的附 加损耗 2 成缆可以改善光纤的 温度特性 3 机械强度增加 21 光纤的特性参数很多 基本 上可分为几何特性 光学特性 和传输特性三类 几何特性包 括纤芯与包层的直径 偏心度 和不圆度 光学特性主要有折 射率分布 数值孔径 模场直 径和截止波长 传输特性主要 有损耗 带宽和色散 22 1 损耗测量 光纤损耗测量 有两种基本方法 一种是测量 通过光纤的传输光功率 称剪 断法和插入法 另一种是测量 光纤的后向散射光功率 称后 向散射法 2 带宽测量 光纤带 宽测量有时域和频域两种基本 方法 时域法是测量通过光纤 的光脉冲产生的脉冲展宽 又 称脉冲法 频域法是测量通过 光纤的频率响应 又称扫频法 3 色散测量 光纤色散测量 有相移法 脉冲时延法和干涉 法等 23 光纤的熔接工艺步骤 1 将 待熔接的光纤端头切割成平整 且垂直于轴线的端面 2 利用微调装置将两根光纤调准 直 3 利用电弧放电将两根光 纤熔接在一起 24 光纤熔接引起损耗的原因 1 光纤轴线的横向相对误差 错 位 2 两根光纤的纤芯直径 不同 3 两根光纤的性能参数 不同 4 光纤端头之间的相对 距离 5 角向相对偏离 25 光纤连接器是光纤技术应用 中使用量最大的光无源器件 和光纤接头一样 光纤连接器 也是对两光纤端面进行对接 所不同的是光纤接头是永久性 的熔接 而光纤连接器是临时 性连接 具有使用的灵活性 损耗是它们重要的光学参数 以下为光无源器件 26 光纤连接器损耗的分类 1 插入损耗 2 回波损耗 27 光纤连接器的插损机理 光 纤公差引起的固有损耗 主要 由光纤制造公差 即纤芯尺寸 数值孔径及纤芯 包层同心度 等 连接器加工装配引起的固 有损耗 主要由光纤制造公差 即端面间隙 轴线倾角及横 向偏移等 28 光纤连接器的回损机理 光纤 端面菲涅耳反射引起的光能量 损耗 这种损耗发生在纤芯空 气交界面 有效的解决方法是 设计两个连接器的物理接触面 29 光纤连接器的损耗表达式 NA 引起的损耗 端面间隙引起 的插损 回波损耗 主观因素损 耗 端面划伤 尘粒 定位不 准 30 光纤连接器的组成 由跳线 尾纤或尾缆 适配器组成 31 光插头的组成 1 光纤或单 芯光缆 2 插针体 3 外部零件 32 光纤连接器的技术指标 插 入损耗 光通过连接器后 光 功率损耗的大小 回波损耗 光通过连接器后 后向反射光 与入射光的比值 重复性 重 复插拔后插损的变化值 1000 次插拔后 小于 0 1dB 互换 性 插头和适配器按一定的规 则互换后 插入损耗的变化值 互换性小于 0 2dB 33 光纤连接器的分类 1 按光 纤的模式分 单模 多模光纤连 接器 2 按插针体的端面分 端 面一般都是加工成球面 精抛 球面和斜球面等 PC SPC APC APC 将端面抛磨成与插 针体中心线成 80 角 3 按连 接器的类型分 FC SC ST 目前应用最广泛的三种 体积比 较大 FC 螺纹锁紧式 SC 插 拔式 咬合式 ST 卡口旋转锁 34 光纤耦合器是用来连接 3 个 或 3 个以上的光接点 光信号 经过光纤耦合器后 在多个输 出端口之间分配 降低了每个 信号输出端的信号强度 35 光纤耦合器的性能参数 1 插入损耗 2 耦合比 3 附加损 耗 4 隔离度 A 5 分光比 T 36 光隔离器是只沿一个方向传 输的光器件 阻止了后向反射 和散射的光到达敏感器件 比 如激光器和光放大器 是一种 光学单行道器件 光隔离器主 要应用在激光器或者是光放大 器的输出端 以防止光纤线路 中的后向反射光造成激光器或 光放大器的工作不稳定性 37 光隔离器的性能参数要求 1 隔离度大 单芯隔离器的典型 值是 40dB 2 插入损耗小 单 芯隔离器的典型值是 0 2dB 37 就光纤材料而言 光敏性是 指光纤材料的折射率在外部光 的作用下发生永久性的改变 38 光纤光栅就是利用光纤的光 敏性 用特定波长的激光以特 定方式照射光纤 导致光纤内 部的折射率沿轴向形成周期性 或非周期性的空间分布 从而 把光纤做成具有精确控制谐振 波长的光栅 39 光纤光栅的最基本原理是相 位匹配条件 1 2 是正 反向传输常数 是光纤光栅 的周期 在写入光栅的过程中 确定下来 40 波分复用技术要求光器件在 光发射机端合并多个信号进入 单根光纤同时向前传输 并在 光接收机端分离这些信号 以 便分立的光接收机进行处理 实现这种功能的光器件就是波 分复用器 波分复用器从功能 上分为两部分 发射机端的为复 用器 其作用是合并光信道 接收机端的为解复用器 其作 用正好相反 分离复用在一起 的光信道 而且必须完全分离 光信道 且串扰要低 41 光开关的性能参数 a 插入 损耗 b 回波损耗 c 隔离度 d 开 关时间 e 串扰 f 消光比 42 光衰减器主要用于光纤通信 系统的特性测试和其他测试中 是对光功率有一定衰减量的 器件 根据衰减量是否变化 可以分为固定衰减器和可变衰 减器 43 波长转换器 使信号从一个 波长转换到另一个波长的器件 波长转换器根据波长转换机 理可分为光电型波长转换器和 全光型波长转换器 以下为有源器件 44 光源器件 光纤通信设备的 核心 其作用是将电信号转换 成光信号送入光纤 光纤通信 中常用的光源器件有半导体激 光器和半导体发光二极管两种 四小类 同质半导体激光器 异质半导体激光器 PIN 光 电二极管 雪崩光电二极管 45 半导体激光器 LD 工作 原理 用半导体材料做成的激 光器 当激光器的 P N 结上外 加的正向偏压足够大时 将使 得 P N 结的结区出现了高能级 粒子多 低能级粒子少的分布 状态 这即是粒子数反转分布 状态 这种状态将出现受激辐 射大于受激吸收的情况 可产 生光的放大作用 被放大的光 在由 P N 结构成的 F P 光学谐 振腔 谐振腔的两个反射镜是 由半导体材料的天然解理面形 成的 中来回反射 不断增强 当满足阈值条件后 即可发 出激光 特性参数 1 发射 波长 2 阈值特性 3 光谱 特性 4 转换效率 5 温度 特性 6 光束发散 7 频率特 性 8 瞬态特性 46 码型效应 当电光延迟时间 t d 与数字调制的码元持续时间 T 2 为相同数量级时 会使 0 码 过后的第一个 1 码的脉冲宽度 变窄 幅度变小 严重时可能 使单个 1 丢失 47 发光二级管 LED 的结构 LED 也多采用双异质结芯片 不同的是 LED 没有解理面 即没有光学谐振腔 由于不是 激光振荡 所以没有阈值 LE D 的工作特性 1 光谱特性 2 输出光功率特性 3 温度 特性 4 耦合效率 5 调制 特性 6 频率特性 48 光电检测器是利用半导体材 料的光电效应实现光电转换的 49 雪崩光电二极管 APD A PD 的雪崩倍增效应 是在二极 管的 P N 结上加高反向电压 在结区形成一个强电场 在高 场区内光生载流子被强电场加 速 获得高的动能 与晶格的 原子发生碰撞 使价带的电子 得到了能量 越过禁带到导带 产生了新的电子 空穴对 新产生的电子 空穴对在强电 场中又被加速 再次碰撞 又 激发出新的电子 空穴对 如此循环下去 形成雪崩效应 使光电流在管子内部获得了 倍增 APD 就是利用雪崩效应 使光电流得到倍增的高灵敏度 的检测器 50 PIN 管特性包括响应度 量子效率 响应时间和暗电流 APD 管除有上述特性外 还 有雪崩倍增特性 温度特性等 PIN 光电二极管的特性 1 响应度和量子效率 响应度和 量子效率表征了光电二极管的 光电转换效率 量子效率表示 入射光子转换为光电子的效率 它定义为单位时间内产生的 光电子数与入射光子数之比 3 响应时间 表征检测器对光信 号响应速度快慢的参量 51 对 APD 特性新引入的参数 是倍增因子和附加噪声指数 52 按光纤中光波调制原理来分 强度调制 频率调制 波长 调制 相位调制和偏振调制光 纤传感器 光纤传感器系统包 括光源 光纤 传感头 光探 测器和信号处理电路等 光纤 传感器的光源的要求 1 光源 的体积小 便于与光纤耦合 2 足够的亮度 以提高传感器 输出的光功率 3 光源发出的 光波长应适合 4 稳定性好 噪 声小 5 便于维护 使用方便 光纤传感器用光探测器的要求 1 线性好 2 灵敏度高 3 响应 频带宽 响应运度快 动态特 性好 4 性能稳定 噪声小 53 光强度调制型 用被测对象 引起光纤中光强度的变化实现 对被测对象的检测 分为内调 制型和外调制型两种 外调制 型 光纤仅起传光作用 光纤 本身特性不改变 调制过程发 生在光纤以外的环节 属于传 光型传感器 内调制型 调制 过程发生在光纤内部 是通过 光纤本身特性的改变来实现光 强度的调制 属于功能型光纤 传感器 有两种途径 1 改变光纤的几何形状 从而改 变光线的传播入射角 2 改变光纤纤芯或包层的折射率 如采用电光材料 磁光材料 光弹性材料 微弯效应等 54 强度调制的原理 1 由光的 传播方向改变引起的强度调制 2 由透射率的改变引起的强度 调制 3 由光纤中光的模式的改 变引起的强度调制 4 由折射率 改变引起的强度调制 5 由光吸 收系数的改变引起的强度调制 a 利 用光纤的吸收特性引起的强度 调制 b 利用半导体的吸收特性 进行强度调制 举例 移动球镜 光学开关传感器 55 频率调制光纤传感器 频率 调制就是利用外界因素改变光 纤中光的频率 通过测量频率 的变化来测量外界被测参数 光的频率调制是在有限的一些 物理条件下出现的 最重要的 物理现象要属反射光束的多普 勒频移 56 频率检测 对光的频率的检 测不象对强度的检测那样简单 直接将光耦合到探测器上即可 由于光探测器响应速度远低 于光频 不能用来测量光频而 只能用来测量光强 所以 必 须把高频光信号转换为低频信 号才能探测频移从而达到测量 运动速度的目的 有两种方法 可以测量频移 即零差检测和 外差检测 举例 激光多谱勒 测速系统 57 波长 颜色 调制光纤传感 器 波长调制是利用外界因素 改变光纤中光能量的波长分布 或者说光谱分布 通过检测光 谱分布来检测被测参数 由于 波长与颜色直接相关 波长调 制也叫颜色调制 调制方式有 以下几种 1 利用黑体辐射进 行波长调制 2 利用磷光 荧光 光谱的变化进行波长调制 3 利用滤光器参数的变化来进行 波长调制 4 利用热色物体的颜 色变化进行波长调制 58 波长检测 光波波长检测实 际上是确定输出光谱及其能量 的分布 那么首先就要使各个 波长的光分离 棱镜 光栅以 及各种滤光片都能达到分光的 目的 其次就是各个波长能量 的测量 所以波长调制的检测 方法之一就是光谱分析法 即 用分光仪和电荷耦合器件或者 波长响应较宽的光电探测器相 结合来检测光谱的能量分布 但在许多情况下并不需要检测 输出光的整个光谱分布 而只 需检测其中某两个波长的能量 变化 所以波长调制的检测方 法之二是比色法 举例 F P 腔光谱调制传感原理 59 相位调制光纤传感器 光纤 传感器中的相位调制 原理就 是利用外界因素改变光纤中的 相位 通过检测相位的变化来 测量外界被测参量 决定光纤 中光的相位的因素 光纤波导 的物理长度 折射率及其分布 波导横向几何尺寸 60 干涉技术 目前各类光探测 器都不能敏感光的相位变化 必须采用某种技术使相位变化 转换为强度变化 才能实现对 外界物理量的检测 即干涉技 术 光纤传感器中的干涉技术 是在光纤干涉仪中实现的 61 偏振态调制光纤传感器 偏 振态调制其原理就是利用外界 因素改变光的偏振态 通过检 测光的偏振态的变化来检测各 种物理量 在光纤传感器中 偏振态调制主要基于人为旋光 现象和人为双折射 如法拉第 磁光效应 克尔效应及弹光效 应 62 偏振态的检测 检测光的偏 振态最简单的方法就是用检偏 器 在光纤传感器中 是用检 偏器与光探测器结合来检测偏 振态的 63 四种干涉仪 1 光纤马赫 曾特尔干涉仪原理 激光束通 过分束器后分为两束光 透射光 作为参考光束 反射光作为测 量光束 测量光束经透镜耦合 进入单模光纤 单模光纤紧紧 缠绕在一个顺变柱体上 顺变 柱体上端固定有质量块 顺变 柱体作加速运动时 质量块的 惯性力使圆柱体变形 从而使 绕在其上面的单模光纤被拉伸 引起光程差的改变 相位改 变的激光束由单模光纤射出后 与参考光束在分束器处会合 产生干涉效应 在垂直位置放 置的两个光探测器接收到亮暗 相反的干涉信号 两路电信号 由差动放大器处理 2 光纤迈 克尔逊干涉仪 激光器发出的 光经过一个 3dB 耦合器分成两 束光束入射到光纤 一路到达 固定的光纤反射端面 称为参 考臂 另一路到达可动光纤端 面 反射回来的光经 3dB 耦合 器耦合到光探测器 外界信号 S0 t 作用于可移动的信号臂 探测器接收到的光强为 为两臂之间的相位差 其中包 括外界信号 S0 t 引起的相位 差 3 萨格纳克光纤干涉仪 激光器发出的光由分束器或 3d B 耦合器分成 1 1 的两束光 将它们耦合进入一个多匝 多 环 单模光纤圈的两端 光纤 两端出射光经分束器送到光探 测器 4 光纤法布里 珀罗干涉仪 白光由多模光纤经聚焦透镜进 入两端设有高反射率的反射镜 或直接镀有高反射膜的腔体 使光束在两反射镜 膜 之间 产生多次反射以形成多光束干 涉 再经探测器探测 64 七种技术 光放大技术 光 波分复用技术 光交换技术 光孤子通信 相干光通信 光 时分复用技术和波长变换技术 65 光纤放大器的实质是 把工 作物质制作成光纤形状的固体 激光器 所以也称为光纤激光 器 对波分复用器的基本要求 是 插入损耗小 熔拉双锥光 纤耦合器型和干涉滤波型波分 复用器最适用 光隔离器的作 用是 防止光反射 保证系统稳 定工作和减小噪声 对光隔离 器的的基本要求是 插入损耗 小 反射损耗大 在泵浦光功 率一定的条件下 当输入信号 光功率较小时 放大器增益不 随输入信号光功率而变化 基 本上保持不变 波分复用 光 纤放大器 被认为是充分利用光 纤带宽增加传输容量最有效的 方法 66 光波分复用技术基本原理是 在发送端将不同波长的光信 号组合起来 复用 并耦合到光 缆线路上的同一根光纤中进行 传输 在接收端又将组合波长 的光信号分开 解复用 并作进 一步处理 恢复出原信号后送 入不同的终端 因此将此项技 术称为光波长分割复用 简称 光波分复用技术 对波分复用 器的基本要求是 插入损耗小 隔离度大 带内平坦 带外 插入损耗变化陡峭 温度稳定 性好 复用通路数多 尺寸小 等 67 光 交 换 技 术 在现有通信 网络中 高速光纤通信系统仅 仅充当点对点的传输手段 网 络中重要的交换功能还是采用 电子交换技术 光交换主要有 三种方式 空分光交换 时分 光交换 波分光交换 空分光 交换的功能是 使光信号的传 输通路在空间上发生改变 空 分光交