光纤通信基础知识

1、光纤通信基础知识易飞扬通信技术第二页，共72页。光纤通信的优点传输容量大再生中继距离长不受电磁干扰，信息传输质量高抗腐蚀性强资源丰富重量轻 、体积小易于敷设第三页，共72页。与其他传输方式比较与其他传输方式比较光纤 单波道微波系统 同轴电缆 速率速率 10Gbit/s 280Mbit/s 560Mbit/s 中继距离中继距离 100200km 50km 几公里抗腐蚀性抗腐蚀性 强 、 差 抗电磁干扰抗电磁干扰 强弱一般传输容量传输容量 大一般一般资源资源 丰富 、 少 第四页，共72页。通信信息容量大通信信息容量大 无线电波频率：300KHz微波频率：100GHz真空光速：C=3*108m/s

2、光纤中所用波长为1310nm、1550nm。光波频率：f=V/1014Hz可通 路数：N=f/f=2.5*1010路250亿可通电视路数：N=f/f=1.4*107路1600万smc/1038第五页，共72页。信息量及单位信息量及单位 二进制数字信号有0和1两个信号位，称为比特bit。这就是数字信号常用的信息量单位b或Kb、Mb、Gb等。信息量举例： 一位十进制数字 4b， 三分钟讲话 20Mb 一个汉字 16b， 三分钟音乐 100Mb 一页文字 20Kb， 一幅图片 5Mb一本书 5Mb， 一场电影 200Gb第六页，共72页。光通信开展简史2000多年前烽火台灯光、旗语1880年光 无线

3、光通信1970年光纤通信第七页，共72页。光通信开展简史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。第八页，共72页。光通讯网络 主要用途： 网络 数据通讯系统 有线电视的分类发送 第九页，共72页。光通讯网络 网络 长距离的通信网络，大于600km的转发间距。总的连接长度可以到达9000km。造价昂贵。主要用在submarine, longhaul 。 Access network (1 km - 20

4、km) local exchange, regional interexchange, FTTC, FTTH 第十页，共72页。光通讯网络 数据通信 (1 m - 500 m) 主要用在LAN, FDDI, Gigabit-Ethernet, Fiber Channel 有线电视网(城市间的分类发送) 其他网络第十一页，共72页。光通讯网络 光纤通讯系统EDFAOADM2 2 EDFAdata1data2data3data4data1data2data3data41234E/O TransmitterO/E Receiver0 1 0 0 1 10 1 0 0 1 1第十二页，共72页。光通讯

5、网络 光纤通讯网络第十三页，共72页。电磁波谱1cm 1mm 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十四页，共72页。光的根本知识光是一种电磁波可见光350nm750nm光纤通信所用的波长8001600nm光的反射、折射全反射第十五页，共72页。光的根本知识光的反射光的反射反射定律：入射光线和反射光线在同一平面内，分居在法线的两侧，

6、且有反射角等于入射角。 n1n2法线入射光线分界面反射光线第十六页，共72页。光的根本知识光的折射光的折射 当光线由一种介质进入另一种介质时，光线在两个介质的分界面上除了被反射外，还有折射光线。如右图所示。n1n2法线入射光线折射光线折射定律：入射光线和折射光线分居在法线的两侧，且有sinsin21nn第十七页，共72页。光的根本知识棱镜对光的折射 如果是一束白光，我们能看到彩带。即红、橙、黄、绿、青、蓝、紫。实验说明，同一种介质对不同波长的光折射率是不同的，这种现象称为色散。第十八页，共72页。光的根本知识n1n2n1 n2n1n2临界角临界角900临界角临界角n1n2全反射全反射入射角入射

7、角=反射角反射角12第二十页，共72页。光纤传输的根本原理光纤传输的根本原理 即当光以某一角度进入光纤芯层时，如果入射角大于全反射临界角，那么此时光参被封闭在芯层中传输，而不会有能量的损失，这种现象叫全反射。ncoresin(inc)=ncladdingsin(trans)光的全反射光的全反射第二十一页，共72页。光的根本知识光的全反射光的全反射当入射光的角度到达或超过某一角度时， 折射光会消失， 入射光全部被反射回来，这就是光的全反射。光纤通讯就是基于以上原理而形成的。 光导纤维第二十二页，共72页。纤芯纤芯包层包层保护套保护套（涂覆（涂覆层）层）第二十三页，共72页。 纤芯 core：折射

8、率较高，用来传送光； 包层 coating：折射率较低，与纤芯一起形成全反射条件； 保护套 jacket：强度大，能承受较大冲击，保护光纤。 3mm光缆 橘色 MM 黄色 SM第二十四页，共72页。 光纤简单的说就是一种高度透明的玻璃丝，他是由二氧化硅玻璃经复杂的工艺拉制而成，其全称为光导纤维。光纤构造图 单模光纤：芯层：直径810m,810m, 包层：直径125m125m，涂层：外径250m250m。多模光纤：芯层：直径50m 50m 或62.562.5，包层：直径125m125m，涂层：外径250m250m。第二十五页，共72页。数值孔径 Acceptance / Emission Con

9、eNA= sin = n2core - n2cladding数值孔径第二十六页，共72页。常用光纤名词输入输入输入输入输出输出输出输出低数值孔径低数值孔径NA高数值孔径高数值孔径NANANA第二十七页，共72页。常用光纤名词 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，通过改变光纤内部构造来改变光纤的色散非常重要。第二十八页，共72页。光纤的尺寸外

10、径一般为外径一般为125um(一根头发平均一根头发平均100um)12595012562.5125第二十九页，共72页。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，本钱高； 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，本钱较低； 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。第三十页，共72页。光纤的分类 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 第三十一页，共72页。光纤的损耗 1310 nm : 0.35 0.5 dB/

11、Km 850 nm : 2.3 3.4 dB/Km 光纤熔接点 1点/2km第三十二页，共72页。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第三十三页，共72页。101210111010109 (1 km)108107106 (1 m)105104103 (1 mm)102101 (1 m)10-110-210-3 (1 nm)10-410-510-610-710-910-1010-8波长波长(nm)1064 104波长波长(m)6 1035 10376062259757749245

12、539030020010极远远中近红橙黄绿蓝紫近远极远紫外线紫外线可见光可见光红外线红外线长电磁场长电磁场无线电波无线电波微波微波X 射线射线 射线射线宇宙射线宇宙射线1.71031.2103SiO2 fiber光的本质电磁波光的本质电磁波第三十四页，共72页。光纤的衰减光纤的衰减图光纤的衰减图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第三十五页，共72页。光纤类型 全波光纤第三十六页，共72页。使用光纤应注意的主要事项使用光纤应注意的主要事项 防止侧压，造成对光纤的损伤

13、。 勿过度弯折光纤，造成光纤的折断。 防止锋利物体对光纤的损伤。 注意保持光纤外表或端面的清洁。 注意眼睛不要注视光源。第三十七页，共72页。光纤的缺点光纤的缺点 光纤脆性较强，易折断，对光源稳定性、单一性要求高，预制棒制备技术，拉丝工艺要求高，光源对准难度大。第三十八页，共72页。通信光纤的种类通信光纤的种类 单模光纤(Single-mode Fiber)：就是只允许一种模式传输的光纤，通常为基模，芯径约为89m，外径约为125m。传输距离较长。 多模光纤(Multi-mode Fiber)：就是允许有多个导模传输的光纤，芯径50m；光纤局域网中应用的多模光纤，芯径为62.5m或82.5m，

14、衰减相对较高，易于接续。一般光纤保护套用橙色表示。传输距离较短。 公司所用光纤大多为单模光纤：250m，900m。 光缆/松套管： 2.0mm, 3.0mm,第三十九页，共72页。通信光纤的种类通信光纤的种类Bare fiber裸光纤250um fiber coating250um 光纤涂层Fiber core光纤核心Fiber cladding光纤包层250um光纤光纤 第四十页，共72页。通信光纤的种类通信光纤的种类900um光纤光纤 Bare fiber裸光纤Fiber core光纤核心Fiber cladding光纤包层250um fiber coating250um光纤涂层900um

15、 buffer jacket900um缓冲保护Teflon coating聚四氟乙烯涂层第四十一页，共72页。通信光纤的种类通信光纤的种类光缆光缆 注: Buffered fiber:缓冲光纤 Strength members:加强组织-尼龙纤维如Kevlar Jacket:保护层第四十二页，共72页。ITU-T已经标准化的光纤有5种 G652光纤：用于1310m ，性能最正确。 G653光纤： G654光纤： G655光纤：非零色散位移单模光纤，用于高密度波分复用系统。 G657光纤：小弯曲半径光纤，主要应用于FTTH 松套光纤和紧套光纤第四十三页，共72页。光纤的选用1多模光纤与单模光纤相

16、比，多模光纤芯径大，便于接续；但其衰减系数大，带宽小，故目前多模光纤只适用于短距离、小用量的数据和模拟光信息传输。第四十四页，共72页。光纤的选用2单模光纤 1G.652光纤。G.652光纤特点是零色散波长在1.31m，故其被称为常规单模光纤或非色散位移单模光纤。G.652光纤在1.31m处衰减系数为0.35dB/km左右，在1.55m处衰减系数为人0.20dB/km左右，但1.55m处的色散系数大约为1720ps/km.nm，从而限制了其在工作波长为1550nm系统中的传输速率和传输距离。 第四十五页，共72页。光纤的选用2单模光纤 2G.653光纤。G.653光纤特点是零色散波长由G.65

17、2光纤的1.31m位移到1.55m制得的光纤，故其称为色散位移光纤。G.653光纤同时实现了1.55m窗口的低衰减系数和小色散系数。但是当其用于带有掺铒光纤放大器的波分复用系统中时，由于光纤芯中的光功率密度过大产生了非线性效应，限制了G.653光纤在单信道速率10Gbit/s以上波分复用或密集波分复用系统中的应用。 第四十六页，共72页。光纤的选用：2单模光纤 3G.654光纤是一种截止波长大于1310nm，专门用于1550nm波段衰减最小窗口的海底光纤通信系统用光纤。 人们通过改变光纤的折射率分布来改变波导色散，从而使光纤的总色散在1550nm波长上为零，这样在1550nm波长上兼有最低衰减

18、和最大宽带的G.653光纤。第四十七页，共72页。光纤的选用2单模光纤 4G.655光纤。G.655光纤特点是在1.5301.565m波长区为非零色散，故其称为非零色散位移光纤。G.655光纤解决G.653光纤在单信道速率10Gbit/s以上波分复用中出现的非线性效应，特别是四波混频，所以其在10Gbit/s以上波分复用或密集波分复用的高速率、大容量、远距离光纤传输系统中得到极为广泛地应用。 第四十八页，共72页。光纤的选用2单模光纤 5G.657光纤。小弯曲半径单模光纤。用于接入网的低弯曲损耗敏感单模光纤。 G.657光纤具有卓越的抗弯曲性能 ，可以沿着建筑物内很小的拐角安装象安装铜缆一样

19、，能大幅度地降低运营商推广光纤到户FTTH工程的本钱 。第四十九页，共72页。光纤的选用 2006年末，ITU-T制定新标准G.657光纤，它是一种接入网用弯曲不敏感单模光纤。 目前根据ITU的标准，做了两种规格的解释CLASS A15mm半径 和 CLASS B7.5mm半径 。这说明光纤通信界不仅关注长途干线网、城域网，对接入网也高度重视，FTTX提上日程。 G.657.A光纤模场直径的指标与G.652.D一致，但G.657.B模场直径的指标与G.652.D的指标差异就比较大。 第五十页，共72页。通信系统发送器接收器信息 语音，视频，数据信息 语音，视频，数据链路传输介质一个点到点的电信

20、系统第五十一页，共72页。EDFPump LasersWDMIsolatorTapCouplerPDWDMIsolatorTapCouplerPDDevices Applications (EDFA Module)第五十二页，共72页。TX1TX2TX3TX4RX1RX2RX3RX4WDMWDMMUXDEMUXPowerLinePre-amplifier外形图光传输网络第五十三页，共72页。为什么要用 WDM模块 Example: 4 signals, 100 km span length with regenerationWithout DWDM4 x 100 km fibre4 EDFAT

21、x - 1Tx - 2Tx - 3Tx - 4Rx - 1Rx - 2Rx - 3Rx - 4OAOAOAOAWith DWDM4 ch Mux & Demux1 x 100 km fibre1 EDFAOARx - 1Rx - 2Rx - 3Rx - 4Tx - 1Tx - 2Tx - 3Tx - 4WDM ModulesMXDMX第五十四页，共72页。光纤通信系统中的器件光纤通信系统中的器件 波分复用波分复用薄膜滤波器薄膜滤波器光纤光柵光纤光柵列阵波导光柵列阵波导光柵全息光柵全息光柵光环行器光环行器光交织复用器光交织复用器分波分波/合波摸块合波摸块增益放大增益放大光纤放大器光纤放大

22、器光隔离器光隔离器分路耦合器分路耦合器泵浦激光器泵浦激光器光增益平衡器光增益平衡器光衰减器光衰减器半导体光放大器半导体光放大器光开关光开关光插分复用器光插分复用器光穿插联接器光穿插联接器波长变换器波长变换器可调滤波器可调滤波器可调激光器可调激光器开关交换开关交换发送接收发送接收信号激光器信号激光器光调制器光调制器光电探测器光电探测器锁波器锁波器光发送摸块光发送摸块光接收摸块光接收摸块光收发摸块光收发摸块产品超过产品超过 9000 品种品种系统管理系统管理光性能监控光性能监控管管理理摸块摸块色散补偿器色散补偿器偏振模色散偏振模色散管管理理摸块摸块第五十五页，共72页。这些器件用在哪里？这些器件用

23、在哪里？通信网络：第五十六页，共72页。信息技术食物链信息技术食物链第五十七页，共72页。光通信器件的分类 光器件按不同的特性和功能的分类光器件按不同的特性和功能的分类:光无源器件光无源器件 Optical Passive Devices光被动器件光被动器件光有源器件光有源器件 Optical Active Devices ( 光主动器件光主动器件 )第五十八页，共72页。WDM/ CouplingAmplifier ComponentsAttenuatorProductsSwitching MOMSPBCVCBVSAInterleaverTFF D/CWDMGFFMATT ArrayMVIn

24、terconnectsSNES VOAFFCVCFFFC/ TFF CombinerCable AssyAdaptersTerminatorsWavelockerCirculatorMATTDIL, TO, -packageManual SwitchMEMsFixed AttenuatorsIsolatorHybrids第五十九页，共72页。无源器件主要分为：1、光连接器 (Connector) :光纤、器件之间的连接2、光分光器/耦合器(Coupler): 光信号的耦合/分配3、光衰减器(Attenuator):光功率衰减4、光隔离器( Isolator ): 偏振相关型、偏振无关型5、光环

25、行器(Circulator): 固定顺序光路6、光开关(Switch) : 光路的通断、选择7、波分复用(WDM)器件:多路波长信号的合波、 分波, 密集波分复用(DWDM)器件：无源器件PASSIVE-被动器件光-光传输第六十页，共72页。Sourcing laserPump laserModulatorOA EDFACircuit pack9xx4w/uncooledAPECooled TOSACW1550980180/300/36010Gb/sPDEDFA15dBmUncooled TOSATunable APD10Gb/sPIN10Gb/sPINLarge areaAPD14xx 30

26、0mw第六十一页，共72页。有源器件ACTIVE-主动器件光电-电光转换有源器件有：1、信号光源：信号光源：光信号的发射光信号的发射2、泵浦光源：泵浦光源：光信号的放大光信号的放大3、探测器：探测器： 光信号的探测等。光信号的探测等。4、光调制器光调制器: 光信号的光调制和波长变换等。光信号的光调制和波长变换等。5、光放大器光放大器: 光信号的放大光信号的放大第六十二页，共72页。光通信器件中常用的技术指标1 插损IL2 隔离度Isolation3 回波损耗RL4 偏振相关损耗PDL5 偏振模色散PMD6 附加损耗EL第六十三页，共72页。光通信器件中常用的技术指标插入损耗是指器件输出端的光功率相对输入光功率的减少值。该值通常以分贝dB表示，数学表达式为)(lg10dBppILinout注：插损越小越好插入损耗插入损耗Insertion Loss假设假设Pin=10mw，Pout=5mw，IL=-10lg0.5=3dB 单位：单位：dB第六十四页，共72页。光通信器件中常用的技术指标隔离度隔离度Isolation对不同的器件定义有所不同。以光纤耦合器为例：隔离度是指光纤耦合器件的某一光路对其它光路中的光信号的隔离能力。隔离度高，意味着线路之间的“串话(crosstalk)小。所以隔离度越大越好。)(lg10dBppIsolationintPt：是某一光路输出