光纤传输基础

光纤传输基础1第一页，共五十六页，编辑于2023年，星期日光纤与光缆光无源器件光有源器件光传输基础内容介绍2第二页，共五十六页，编辑于2023年，星期日

一、光纤与光缆3第三页，共五十六页，编辑于2023年，星期日光纤传输基本原理光波 光是一种电磁波,按照波长、频率、应用的不同，电磁波分类概况如下图所示。光纤通信用的光波，其波长在800—1600nm的近红外区内，使用四个低损耗窗口：850nm、1300nm、1310nm、1550nm。4第四页，共五十六页，编辑于2023年，星期日1966年，英籍华人高锟预见，利用玻璃可以制成衰减为20dB/km的光导纤维，可以引导光波转弯，实现通信。1970年，美国康宁玻璃公司首先制成衰减为20dB/km的光导纤维。1974年，光纤衰减降低到2dB/km。1976年，打开了1.31和1.55um两个低衰减长波长窗口。1980年，1.55um波长衰减减低为0.2dB/km，远距离的光纤通信成为可能。进入80年代后，采用注入油膏于光纤套管中，使光纤与外界的水和潮气隔绝，完善的光缆付诸工程应用。光导玻璃纤维通信5第五页，共五十六页，编辑于2023年，星期日光纤是由纤芯和包层两部分组成，纤芯折射率n1，包层纤芯折射率n2，且n1n2。光纤周围是空气。当光线以某一角度θ0射到光纤端面时，在端面发生折射进入光纤后又射到纤芯和包层界面，只要在界面的入射角大于全反射临界角，就能发生全反射，由于入射角等于反射角，当光纤是均匀圆柱体时，光就在光纤的纤芯和包层的界面处发生全反射，从而沿光纤全长传输。光纤中的光传输6第六页，共五十六页，编辑于2023年，星期日光纤的分类按照传输模式分：光纤中传输的模式就是光纤中存在的电磁场模式，或者说是光场模式。各种模式都是光波导中经过多次的反射和干涉的结果。各种模式是不连续的离散的。由于驻波才能在光纤中稳定的存在，它的存在反映在光纤横截面上就是各种形状的光场。即各种光斑。若是一个光斑，我们称这种光纤为单模光纤，若是两个以上光斑，我们称之为多模光纤。

7第七页，共五十六页，编辑于2023年，星期日按纤芯直径分：

50/125µm、62.5/125µm、9/125µm

其中50/62.5/9µm为光纤的芯径尺寸，125为光纤的包层尺寸

多模光纤：

50/125µm、62.5/125µm两种。带宽窄、衰耗大、传输距离近、多用于短途或低速数据。趋于淘汰。

单模光纤：

9/125µm，容量大、损耗低、传输距离远、多用于长途或高速数据。得到广泛和大量应用。光纤的分类8第八页，共五十六页，编辑于2023年，星期日单模光纤的衰减

衰减是光纤的一个重要的传输参数，它表明了光纤对光能的传输损耗。其对光纤质量评定和光纤通信系统的传输距离的确定起着十分重要的作用

光在光纤中传播时,平均光功率沿光纤长度按照指数规律减少,即:P(z)＝P(0)10-(az/10)式中,P(0)是在z＝0处注入进光纤的光功率:P(z)是经过传输在轴向距离z处的光功率;α是以dB/km为单位的衰减系数。9第九页，共五十六页，编辑于2023年，星期日单模光纤衰减谱0.50.40.30.20.11100

1300

15001700波长

l1310窗口1550窗口10第十页，共五十六页，编辑于2023年，星期日光纤的色散

当把一束阳光投射到三棱镜的一边，由于玻璃对各种波长的光具有不同折射率，阳光通过棱镜后便散开成为七种颜色，这便是色散现象。 不同波长的光通过光纤传输，同样会有色散发生。光纤输入端加上窄的光脉冲信号，经光纤传输后，输出的光脉冲会发生展宽。光纤长度越长，脉冲展宽越大。我们把光脉冲在传输中展宽称为光纤的色散。11第十一页，共五十六页，编辑于2023年，星期日光纤的色散随着脉冲在光纤中传输，脉冲的宽度被展宽劣化的程度随数据速率的平方增大决定了中继器之间的距离12第十二页，共五十六页，编辑于2023年，星期日常见不同色散特性的光纤G.652光纤：其零色散波长在1310nm附近，典型损耗为0.33dB/km。也可工作在1550nm，是当前应用最为普遍的光纤。G.653光纤：零色散波长点从原来的1310nm移到1550nm，就是色散位移光纤(DSF)G.655光纤：非零色散位移光纤，零色散波长移到了光纤放大器的工作波段之外，在1530nm～1565nm工作波段内没有零色散点。13第十三页，共五十六页，编辑于2023年，星期日光缆分类

缆芯结构不同:分为中心管式、层绞式和骨架式光缆

敷设条件不同:分为架空光缆、管道光缆、直埋光缆、水底光缆和海缆

光缆中光纤的松紧状态不同:分为紧结构、松结构和半松半紧结构光缆

使用环境不同:可分为金属加强构件、非金属加强构件、阻燃和防蚁光缆14第十四页，共五十六页，编辑于2023年，星期日中心束管式光缆二次被覆松套光纤直放在光缆的中心位置,加强构件是平行于中心管放置的两根平行高碳钢丝光缆中光纤芯数最大为36芯适用于架空、管道或直埋方式15第十五页，共五十六页，编辑于2023年，星期日层绞式光缆二次被覆松套光纤或紧套光纤螺旋绞合在中心加强构件上光缆中光纤芯数最大可做到200芯以上适用于架空、管道、直埋、水下等各种方式16第十六页，共五十六页，编辑于2023年，星期日光纤带状光缆带状光纤缆结构类同于非带状光纤缆，可分为中心管式、松套层绞式和骨架式三大类国内的带状光纤缆中的光纤芯数最大可做到720芯以上17第十七页，共五十六页，编辑于2023年，星期日光缆的性能及测试机械性能：包括拉伸、磨损、压扁、冲击、反复弯曲、扭转、曲绕、弯折、枪击等环境性能：包括温度循环、护套完整性、渗水、滴流、阻燃等以上测试均有专用测试设备18第十八页，共五十六页，编辑于2023年，星期日光缆路由和衰耗的确定

用户应提供从每个监控点到前端的光缆路由、距离、所用光缆的单位衰耗。通常情况下，在设计中按每盘单模G.652光缆在1310nm波长的衰耗为0.4dB/km，在1550nm波长的衰耗为0.25dB/km取值；多模光缆在850nm波长的衰耗为3.0dB/km左右，在1300nm波长的衰耗为1.0dB/km左右。（以上数据不含融接损耗。） 但应特别注意的是，如光缆的实际衰耗与上述数值相差较大，则会对网络的实际指标产生很大的影响。光缆实际皮长和余长

通常按实际测量距离（光缆皮长）的5%预留敷设余长。

光缆工程设计、施工中的几个问题19第十九页，共五十六页，编辑于2023年，星期日光缆敷设 分管道敷设、架空敷设、直埋敷设、水底敷设、室内敷设等 光缆接续与安装 光纤的固定连接（熔接）、活动连接、接续护套盒、终端盒，光纤配线架安装，接地等。单模光缆熔接损耗要求小于0.05db，活动连接器插入损耗要求小于0.3db。光缆线路的测量 单盘测量、连接损耗测量、光缆链路测量20第二十页，共五十六页，编辑于2023年，星期日

二、无源光器件21第二十一页，共五十六页，编辑于2023年，星期日常用无源光器件光纤跳线：用于设备与设备之间或者设备与光纤线路之间的连接；法兰盘：用于光纤的活动连接；耦合器：完成光能量的分配或混合，一般用于同一波长；WDM：完成1310nm和1550nm两种波长光的合并或分解；CWDM：目前完成8种波长光的合并或分解；22第二十二页，共五十六页，编辑于2023年，星期日光纤跳线跳线插头：FC、ST、SC、MU、LC跳线端面：PC、UPC、APC单模回波损耗：≥45dB/PC、≥50dB/UPC、≥60dB/APC多模回波损耗：≥36dB插拔次数：≥1000次23第二十三页，共五十六页，编辑于2023年，星期日光纤跳线

跳线两端的插头可以不同，这种跳线也叫桥接线。将跳线一分为二时，就成了两条尾纤。尾纤经常与光缆内的光纤熔接，使光纤能连接到设备上；尾纤也多用于光器件上，如带尾纤的激光器等。目前最常用的跳线是FC/PC类的，在计算机网络中则主要使用SC/PC类，安防行业有使用ST/PC的习惯，这是早期用多模光纤和小容量传输时养成的。现在安防系统也已经较多使用单模光纤和大容量传输，应该尽量使用FC/PC类跳线。24第二十四页，共五十六页，编辑于2023年，星期日法兰盘

法兰盘的作用就是将两个跳线插头准确方便地连接起来，完成光纤的连接。所以法兰盘为适应不同的光纤连接器插头而有不同类型，这些类型基本与跳线插头类型相同，只是因为APC端面的跳线要求有更高的对准精确度，而出现了一种专门用于APC端面插头连接的法兰盘。法兰盘通常两端都是同样类型的插座，但也可以不同，这种法兰盘一般称为转接法兰。法兰盘主安装于设备或器件用于与光纤连接，法兰盘必须与同类型的光纤连接插头连接，因此，在选择设备是这是一个必须要注意的因素，否则会影响工程中设备的开通。25第二十五页，共五十六页，编辑于2023年，星期日法兰盘26第二十六页，共五十六页，编辑于2023年，星期日耦合器工作波长：C或L、1310±40nm、1310±40和1550±40nm分光比：1/99–50/50回波损耗：≥50dB方向性：≥55dB插入损耗：2.7dB-3.5dB@50/50PDL：≤0.1dBTDL：≤0.1dB27第二十七页，共五十六页，编辑于2023年，星期日耦合器

以一分二的耦合器为例，器件有三个端口，可两个方向工作，即光可以从两个分支端口输入，合并后从公共端口输出，也可反过来，这时从公共端口输入的光按所要求的分光比从两个分支端口输出。在单向传输系统中，可以用这种器件实现一个发射机带多个接收机的传输方式，只要光功率足够分配即可。28第二十八页，共五十六页，编辑于2023年，星期日WDM工作波长：1310nm和1550nm±40nm工作带宽：±15nm或±30nm波长隔离度：≥15dB或≥40dB或≥45dB插入损耗：≤1.2dB方向性：≥60dBPDL：≤0.2dB29第二十九页，共五十六页，编辑于2023年，星期日WDM

WDM被广泛应用于单纤双向传输的产品，是安防产品中最为常见的一种光器件。这种器件有三个端口，可两个方向工作，即光可以从两个分支端口输入，合并后从公共端口输出，也可反过来，这时从公共端口输入的光按波长不同分别从两个分支端口输出。30第三十页，共五十六页，编辑于2023年，星期日CWDM中心波长：1470nm、1490nm、1510nm、1530nm、1550nm、1570nm、1590nm和1610nm0.5dB带宽：≥14nm通带平坦度：≤0.5dB±30nm典型插入损耗：≤1.4dB@2通道最大插入损耗：≤1.8dB@2通道相邻通道隔离度：≥30dB非相邻通道隔离度：≥45dB回波损耗：≥45dB方向性：≥55dBPDL：≤0.1dB31第三十一页，共五十六页，编辑于2023年，星期日技术指标衰减（或插损）回波色散32第三十二页，共五十六页，编辑于2023年，星期日回波

回波从方向上看，会进入发射机，从两个方面对系统产生影响。一方面是进入发射部分，同波长的光对发光器件产生影响，特别是对高速发光器件；另一方面是进入接收部分，与正常的接收的光混合在一起，产生影响，特别是近端回波，这时回波功率最大而正常接收光的功率已达到最小，因而影响最大。

光在两种不同折射率的介质形成的界面上会发生反射。

如果光传输链路中出现这种界面就会产生回波。

例如：光纤的熔接点、连接点，光纤损伤等； 以及光有源器件，特别是不带尾纤的。33第三十三页，共五十六页，编辑于2023年，星期日色散

色散在绝大多数情况下是有害的，会降低系统的链路损耗预算，严重时可使系统无法工作。

不同波长或不同模式的光由于所历路径不同，在光纤中传播时不能同时经过光纤中任一点，这种现象就是光的色散。

色散与光源和传输介质如光纤有关。采用多模光纤传输时由于有很多模式的光在光纤中传输，会产生很大的模式色散；同时由于常用的多模光源也是宽谱光源，也会产生较大的波长色散。FP激光器的谱宽较DFB的大，其波长色散也大一些。1550nm波长窗口的光较1310nm波长窗口的光在G.652光纤中传输时有大得多的色散。34第三十四页，共五十六页，编辑于2023年，星期日

三、有源光器件35第三十五页，共五十六页，编辑于2023年，星期日70年代前，主要发展GaAlAs（镓铝砷）注入式半导体激光器，工作波长为0.85um的近红外区。其寿命短，不能在常温下工作；1970年，研制出了室温连续运行的GaAlAs双异质结注入式激光器；1971年，研制出了GaAlAs发光二极管，寿命长、价格廉。但谱线宽、速率低、功率小，属非相干光源；80年代，研制出了波长为1.31和1.55um的InGaAsP（铟镓砷磷）长波长激光器和发光管；90年代，研制出了分布反馈激光器（DFB）和更优良的量子阱激光器，使高速、远距离的通信成为可能。光通信器件的研究过程36第三十六页，共五十六页，编辑于2023年，星期日常用有源光器件LED：宽谱、大发散角、功率不大；FPLD：窄谱、能量集中、功率适中；DFBLD：窄谱、能量集中、功率偏大；PIN：较好的线性；APD：较高的信号转化效率。一体化光模块：光发射和光接收封装在一个器件内EDFA：有较大的增益、大量应用、价格低；37第三十七页，共五十六页，编辑于2023年，星期日FPLD额定功率 1mW阈值电流 10mA额定工作电流 30mA正向电压 1.2V中心波长 1290–1330@1310nm 1520–1580@1550nm光谱宽度 2nm带宽 1GHz38第三十八页，共五十六页，编辑于2023年，星期日DFBLD额定功率 1mW阈值电流 10mA额定工作电流 30mA正向电压 1.2V中心波长 1290–1330@1310nm1520–1580@1550nm光谱宽度 1nm带宽 1GHz39第三十九页，共五十六页，编辑于2023年，星期日PIN工作波长范围 1100nm–1650nm饱各光功率 -3dBm接收灵敏度 -25dBm@1.25G供电电流 110mA供电电压 5V40第四十页，共五十六页，编辑于2023年，星期日APD工作波长范围 1100nm–1650nm饱各光功率 -7dBm接收灵敏度 -33dBm@2.5G供电电流 250mA供电电压 5V41第四十一页，共五十六页，编辑于2023年，星期日一体化光模块光发射和光接收封装在一个器件内，光发射部分含偏置和驱动电路，光接收部分含前置放大电路；速率：155M、622M、1.25G光口：多为SC接口，也可以带尾纤以FC接口输出；外形封装：1×942第四十二页，共五十六页，编辑于2023年，星期日EDFA工作波长范围 1529nm–1562nm光增益 25dB输出光功率 17dBm增益平坦度 1.0dB噪声指数 5.0dB输入回波损耗 50dB输出回波损耗 50dB43第四十三页，共五十六页，编辑于2023年，星期日

四、光传输基础44第四十四页，共五十六页，编辑于2023年，星期日通信频带宽、容量大；1310nm窗口大于10GHz1550nm窗口大于30THz同轴电缆带宽1GHz损耗小、传输距离远；1310nm窗口小于0.45dB/km,无中继传输距离大于30km1550nm窗口小于0.25dB/km,无中继传输距离大于80km光纤通信的优点45第四十五页，共五十六页，编辑于2023年，星期日抗电磁干扰、无辐射、保密性好；无金属或少用金属，抗腐蚀能力强；重量轻，可弯曲，易敷设；不受气候、温度影响；资源丰富，价格便宜。光纤通信的优点46第四十六页，共五十六页，编辑于2023年，星期日模拟光纤通信系统基带广播、电视图象的远程传输；专用远程图象监控系统；有线电视系统。应用范围调幅AM调频FM脉冲调频PFM调制技术47第四十七页，共五十六页，编辑于2023年，星期日模拟通信系统光强调制解调制光纤48第四十八页，共五十六页，编辑于2023年，星期日模拟光纤通信系统的特点相对造价较低技术成熟传输距离有限传输质量受带宽影响较大多路复用困难生产一致性较差缺乏统一标准49第四十九页，共五十六页，编辑于2023年，星期日数字光纤通信系统应用范围电信级国家干线传输系统；高速计算机数据网；本地电信网；广播级远程图像传输系统；标准电信接口图像监控。50第五十页，共五十六