光纤通信基础知识v1.1

中国电信股份有限公司金华分公司线路中心2010年3月光纤通信基础知识Chinatelecom光纤通信发展史2000多年前烽火台——灯光、旗语1966年“光纤之父”高锟博士首次提出光纤通信的想法。1970年贝尔研究所在室温下可连续工作的半导体激光器。同年在康宁公司做出损耗为20dB/km光纤。1977年芝加哥第一条45Mb/s的商用线路。我国上个20世纪80年代上海首先铺设一条1.8公里的光纤线路。雏形：古代烽火、手旗、灯光潜望镜原理——光波导之雏形光通信的发展过程频带宽、信息容量大传输损耗低、无中继距离远材料丰富抗电磁干扰光纤间串话小，保密性好耐腐蚀、耐高压体积小、质量轻光纤通信的优点1cm1mm100um10um1um100nm10nm1nmλ波長10G100G1T10T100T10^1510^1610^17f(Hz)1.6um1.51.41.31.21.11.0um900800700600nm光通信使用范围红外线紫外线电磁波谱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之比就是材料的折射率。妈N＝C/V光纤通信用的石英玻璃的折射率约为1.468。光的折射，反射和全反射n1n2n1<n2θ1θ2n2n1n1>n2θ2θ1结论：若要实现全反射，则必须有n1>n2光基本知识菲涅耳定律：n1sinθ1=n2sinθ2一、什么是光纤通信光纤通信是以光波为载波，以光导纤维为传输介质的通信方式。二、光纤通信的原理是光纤通信是利用光波在光导纤维中传输信息的通信方式，由于激光具有高方向性、高相干性、高单色性等显著优点，光纤通信中的光波主要是激光，所以又叫做激光-光纤通信。在发送端首先要把传送的信息(如话音)变成电信号，然后调制到激光器发出的激光束上，使光的强度随电信号的幅度(频率)变化而变化，并通过光纤发送出去；在接收端，检测器收到光信号后把它变换成电信号，经解调后恢复原信息。光纤通信原理光纤通信的特点及应用光纤通信与传统的电缆通信或微波通信相比，具有如下明显的特点：

(1)频带宽，通信容量大(2)损耗低，传输距离长(3)抗电磁干扰能力强(4)无串话、保密性能好(5)光纤的几何尺寸小，重量轻(6)节约有色金属，原材料资源丰富(7)光纤成本愈来愈低，经济效益日益显著（8）耐腐蚀能力强，绝缘性能绝不因化学腐蚀而降低光纤通信的优点光纤也如同世上其他事物一样，具有两面性，光纤本身同样存在缺点：（1)光纤质地脆，即使对光纤垂直方向施加压力，均会造成光纤的断裂。(2)光纤的连接，切断和接续需要一些精密的工具、设备和技术。(3)光信号的分路、耦合不灵活，较复杂。（4)光缆的弯曲半径不能过小。(5)在偏僻地区存在有供电困难的问题。上述这些弱点在技术上都是可以克服完善解决的，与其优越的性能相比，显然微不足道。正是光纤通信上述这些显著的优越性，它的应用范围相当广泛，除了公用通信用外，电力、铁道、公路、化工、航天、军事、公安等部门的专用网均利用光纤传送业务电话、数据检测，远距离控制和测定等各种信息传输业务。随着通信的发展，工厂、企业、院校、大厦、居民小区的通信和自动化，计算机通信的大发展，多媒体通信的需求，以及其他广泛的综合业务，都将光纤通信作为其应用的领域，相信光纤通信作为当今大容量，长距离通信的主干媒介，必将开创全球通信的新纪元。光纤结构纤芯包层涂敷层护套单模光纤内径：9µm多模光纤内径：50µm外径：125µm尺寸规格：光纤裸纤一般分为三层：第一层：中心高折射率纤芯：折射率较高，用来传送光。第二层：中间为低折射率硅玻璃包层：折射率较低，与纤芯一起形成全反射条件。第三层：最外是加强用的涂树脂保护层：强度大，能承受较大冲击，保护光纤。纤芯包层保护套光纤结构包层直径：125um(一根头发平均100um)纤芯直径：单模9um

多模50/62.5um12595012562.5125光纤的尺寸单模多模多模入射到光纤端面的光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）。数值孔径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：中心玻璃芯较粗（50或62.5μm），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。多模光纤传输的距离就比较近，一般只有几公里。多模光纤由于发光器件比较便宜（用发光二极管）以及施工简易的特性，广泛用于短距离的通讯上，多模光纤又分为50um芯径和62.5um芯径两种，其中62.5um的比较常见，但性能上没有50um的好。单模光纤：中心玻璃芯较细（芯径一般为9或10μm），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，单模光纤一般用于远距离通讯，芯径为9um，单模GBIC产品在单模光纤上传输距离分别可以达到10公里、20公里、70公里、120公里。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、音响，以及短距的图像传输。光纤的分类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0.8μm），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。光纤衰减光缆的种类2、光缆的分类①、按线路敷设方式分有：架空光缆，管道光缆，直埋光缆，隧道光缆，水底光缆。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、按使用环境与场合分：室外光缆、室内光缆、特种光缆三大类。④、按网络层次分：光缆可分为长途光缆、市内光缆、接入网光缆。常用光缆的型号：常用的通信光缆型号规格,如GYTA-8B1、GYSTS-12B1GY——通信用室（野）外光缆8、12代表是8芯和12芯B1代表G.652类是常规单模光纤。通信光纤具体分为G.651、G.652、G.653、G.654、G.655和G.656六个大类和若干子类(1)G.651类是多模光纤，IEC和GB/T又进一步按它们的纤芯直径、包层直径、数值孔径的参数细分为A1a、A1b、A1c和A1d四个子类。（2）G.652类是常规单模光纤，目前分为G.652A、G.652B、G.652C和G.652D四个子类,IEC和GB/T把G.652C命名为B1.3外，其余的则命名为B1.1（3）G.653光纤是色散位移单模光纤，IEC和GB/T把G.653光纤分类命名为B2型光纤。（4）G.654光纤是截止波长位移单模光纤，也称为1550nm性能最佳光纤，IEC和GB/T把G.654光纤分类命名为B1.2型光纤。（5）G.655类光纤是非零色色散位移单模光纤，目前分为G.655A、G.655B和G.655C三个子类，IEC和GB/T把G.655类光纤分类命名为B4类光纤。标准单模光纤（G.652光纤）。零色散在1310NM，在波长1550NM处衰减最小。色散位移单模光纤（G.653光纤）。实现了在1550NM波长低衰减和零色散。1550NM波长最低衰减光纤（G.654光纤）。非零色散位移光纤（G.655光纤）。色散补偿光纤（G.65X光纤）。色散平坦光纤。见“光纤通信介绍”。光纤、光缆色谱套管号123456789101112颜色红色绿色本色本色本色本色本色本色本色本色本色本色套管号123456789101112颜色蓝色橙色绿色棕色灰色白色红色黑色黄色紫色粉红色青绿色光纤号123456789101112颜色蓝色橙色绿色棕色灰色白色红色黑色黄色紫色粉红色青绿色松套管色谱光纤色谱光缆中松套管的色谱排列主要分为：领示色谱和全色谱两种光缆中光纤的色谱排列主要为：全色谱光缆的接续是光缆线路工程和维护人员必须掌握的基本技能。光缆的接续分为光纤的接续和光缆的外护套连接两部分。光纤接续的种类1、光纤的固定接续。一般采用光纤熔接机接续（热熔法）和光纤接线子接续（冷接法）两种方式。一般用于光缆直接头和光缆终端接续。2、光纤的活动接续。用能够拆卸的连接器连接（俗称活接头）。一般用于光纤跳线、设备连接等地方。光缆的接续与成端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和冷接子两种方式；一般用于光缆直接头。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）。一般用于光纤跳线、设备连接等地方光纤接续的种类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。光纤连接损耗的监测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。光纤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。光缆接续的操作方法1310nm:0.35dB/Km1550nm:0.22dB/Km850nm:2.3－3.4dB/Km光纤熔接点损耗：0.08dB/点塑料多模光纤:300dB/km光纤的损耗衰减：光在光纤中传输时的能量损耗

光纤的衰减图0.70.80.91.01.11.21.31.41.51.6λnm

OH-OH-OH-第一窗口第二窗口第三窗口衰减(dB/km)水峰值654321光纤的衰减色散(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。1、模式色散：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。2、材料色散：不同波长的光行进速度不同。3、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非零色散位移光纤全波光纤光纤类型散射

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。光线缺陷常见光纤名词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。光纤系统基础知识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光纤系统基础知识

用来传输单一基模光波的光纤称为单模光纤，它要求的波长大于光纤的截止波长入射光，单模光纤的纤芯直径很小，一般为5-10μm。单模光纤对于光的传输损耗将是最小的，因为光场只在光纤的中心传导。但是由于纤芯直径很小，对于光纤与光源的耦合及光纤之间的接续将带来明显困难。

单模光纤可彻底消除模间色散，在波长为1.27μm时，材料色散趋近于零，或者可以使得材料色散与波导色散相抵消。因此，长距离大容量的长途通信干线及跨洋海底光缆线路全部采用单模光纤。

光无源器件简介1.单模光纤用来传输多种模式光波的光纤称为多模光纤，模式的数目取决于芯径、数值孔径、折射率分布特性和波长。将单模光纤的纤芯增大，光纤将成为多模光纤。多模光纤的纤芯直径远远大于单模光纤，一般为50-200μm。2.多模光纤

识别单模光纤与多模光纤的基本方法是从光纤的产品规格代号中去了解。如我国光纤光缆型号的规格代号的第二部分用J代表多模渐变型光纤，用T代表多模阶跃型光纤，用Z代表多模准阶跃型光纤，用D代表单模光纤。

其次是从光纤的纤芯直径去识别。单模光纤的芯径很细，通常芯径小于10μm；多模光纤的芯径比单模光纤大几倍。例如本实验系统上配套模块的尾纤外套上标出它的芯径为62.5μm，故可识别出它是多模光纤。识别单模光纤与多模光纤的方法光纤的纤芯折射率分布2.光纤的尺寸3.光纤的传播损耗4.数值孔径5.带宽6.有效截止波长7.模场直径成品光纤的主要参数

光纤活动连接器，俗称活接头，一般称为光纤连接器（法兰），是用于连接两根光纤或光缆形成连续光通路的可以重复使用的无源器件，已经广泛应用在光纤传输线路、光纤配线架和光纤测试仪器、仪表中，是目前使用数量最多的光无源器件。按结构不同分有FC型、ST型、SC型、PC型等等。光纤活动连接器FC型活动连接器FC型连接器结构采用插头－转接器－插头的螺旋耦合方式。

FC型单模光纤连接器一般地分螺旋耦合型和卡口耦合型两种。FC型单模光纤连接器所连接的两根光纤端面是平面对接，端面间的空气气隙会产生菲涅尔反射。反射光反射到激光器会引起额外的噪声和波形失真，而端面间的多次反射还会引起插入损耗的增加。这种连接器插入损耗小，重复性、互换性和环境可靠性都能满足光纤通信系统的要求。

SC型光纤连接器SC型（矩形）光纤连接器。SC型矩形光纤连接器采用新型的直插式耦合装置，只需轴向插拔，不用旋转，可自锁和开启，装卸方便。SC型矩形连接器的装配一般分：选择套管、光纤处理、光连接器与光纤的连接、套管端面处理等各步骤。

ST型光纤连接器

ST型连接器是一种卡口式的连接器，它采用带键的卡口式紧锁机构，确保每次连接均能准确对中。目前ST型活动连接器的插入损耗典型值为0.3dB，最大值为0.5dB；其后向反射损耗在一般情况下为≤-31dB，但在端面作精细处理后，可≤-40dB

光波分复用器一般地分为有源、无源以及集成光学型几类。无源光波复用器无源光波复用器由光滤波器构成。光滤波器一般地分为三种类型，即相干光滤波器、棱镜型滤波器以及衍射光栅滤波器。光波分复用器作用：主要功能再分配光信号重要应用在光纤网络尤