通信基础培训- 光纤通信基本特性知识

i光纤和光缆通信基本知识 1 12.光信号在光纤内的传输原理 1 2 44.1衰耗系数(衰减) 4.3带宽Bc、数值孔径NA、模场直径d和截止波长c等概念 10 6.接收、发送模块介绍 11 191光纤和光缆通信基本知识光纤呈圆柱形由纤芯包层与涂层三大部分组成，如下图包层n2涂层包层n2纤芯n1包层n2涂层d1 d2纤芯主要采用高纯度的sio2二氧化硅并掺有少量的掺杂剂，提高纤芯的光折射率n13包层也是高纯度的二氧化硅，也掺杂一些掺杂剂，主要是降低包层的光折射率n2；涂层采用丙烯酸酯硅橡胶尼龙增加机械强度和可弯光缆是多根光纤放在放在一个松套管内内冲石油膏和钢丝形成的海底光缆内还有电源线，主要为中继站的放大器等提供电源为了保证光信号在光纤中能进行远距离传输，进行全反射，才能保证衰减最小，色散最小，条件为：一定要使光信号在光纤中反复到达远端实现全反射的两个1、一定要使光纤纤芯的折射率n1大于光纤包层的折射率N2；2、光入光纤的光线向纤芯...包层界面入射时，入射角应大于临界角c2θ1θ1Aθ2B光的折射和反射定律：入射角=反射角所以Lθ=Lθ2角，θ继续增大，则形成全反射，无折射进入光纤的光在光纤的纤芯...包层界面上的入射角大于临界角时在交界面内发生全反射，而入射角小于临界角的光就有一部分进入包层被很快衰减掉前者的传输衰减小，能远距离传输，称为传导模能满足全反射条件的光线也只有某些以特定的角度射入光纤端面的部分才能在光纤中传输，因此，不同模式的光传输方向不是连续改变的当通过同样一段光纤时以不同角度入射后，光信号在光纤中所走的路径也不一样沿光纤轴前进的光走的路径最短，而与轴线交角大的光所走的路径长按传播模式分类....多模光纤和单模光纤光是一种频率极高的电磁波频率约为3x10E14Hz它在波导光纤中传播时根据波动光学理论和电磁场理论，当波导光纤纤芯的几何尺寸远大于光波波长时光在波导光纤中会以几十种或更多的传播模式进行传播多模光纤纤芯的几何尺寸远大于光波波长，一般在50um左右，光信号是以多个模式方式进行传播的光信号的波长以主纵模为准不同的传播模式会具有不同的传播速度和相位因此经过长距离的传播之后会产生时延，导致光脉冲变宽，叫做光纤的模式色散或模间色散由于模式色散影响较严重降低了多模光纤的传输容量和距离，多模光纤仅用于较小容量、短距离的光纤传输通信《其中a1为纤芯的半径，为光波波长，NA为光纤的数值孔径，根据全反射3的原理，NA的物理意义就是能使光信号在光纤内以全反射形式传播的接收角c的正弦值，光纤的NA并非越大越好NA越大虽然光纤接收光的能力越强，但光纤的模式色散也越厉害因为NA越大，则其相对折射率差4也就越大导致模式色散越大使传输容量和距离变小，对光纤NA的取值当光纤的几何尺寸可以于光波长相比拟时，即纤芯的几何尺寸与光信号波长相差不大时一般为5～10um光纤只允许一种模式在其中传播，其余的高次模全部截止，这样的光纤叫做单模光纤单模光纤只允许一种模式在其中传播，从而避免了模式色散的问题，故单模光纤具有极宽的带宽，特别适用于大容量的光纤通信对于单模光纤，由于光纤的几何尺寸小使V的值小按工作波长分类....短波长光纤和长波长光纤：1.55um两个窗口之间长波长光纤因具有衰减低，带宽宽等优点适用于长距离大容量的光纤传输单模光可在多模光纤中传输但多模光不能在单模光纤中传输按套塑类型分类....紧套光纤与松套光纤等其存在一定的色散大约为20ps/km.nm但衰减偏小现每公里大约为用于DwDM的传输但在1550nm窗口存在一定的色散用于10G的光信号传输时，需进行色散补偿中国铺设的多为G.652的光纤，用于2.5G或以下和DwDM的传输适用于10G，包括10G的光信号传输但不能用于DwDM的传输会产生四G.655光纤：非零色散位移光纤结合G.652和G.653光纤的特点也为了能传输10G和DwDM的光信号在1550nm窗口使光纤存在一定的色散但很小不使DwDM信号产生非线性效应掺饵光纤：掺饵光纤主要用于EDFA上生产掺饵光纤放大器掺饵光纤放大器是现代光通信中的重要部分也是实现全光网的关键部件增加无电中4掺饵光纤放大器的工作原理就是利用泵浦源照射掺饵光纤，使掺饵光纤中的饵离子由低能位跃迁到高能位形成粒子数反转分布区饵离子在衰变的过通过控制泵浦源的发光电流的大小来控制光信号的放大增益掺饵光纤放大器虽放大了光信号，同时对噪声也进行了放大，引入了噪声保偏光纤和色散补偿光纤：由于光信号在传输过程中引起相位的变化即产生偏振效应，通过保偏光纤进行相应的补偿色散补偿光纤主要补偿光信号在光纤中传输引起的色散恢复信号的脉冲宽度光纤的特性参数可以分为三大类：几何特性参数、光学特性参数与传输特性参数包括：衰耗系数即衰减)、色散非线性特性等4.1衰耗系数衰减)衰耗系数是多模光纤和单模光纤最重要的特性参数之一在很大程度上决定了多模和单模光纤通信的中继距离衰耗系数的定义为：每公里光纤对光信号功率的衰减值其表达式为:《其中：Pi为输入光功率值(w瓦特)Po为输出光功率值(w瓦特)如某光纤的衰耗系数为a=3dB/km则意味着经过一公里光纤传输后，其光信号功率值减小了一半长度为L公里的光纤总的衰耗值为对于单模光纤，现在已能做到0.18dB/km的衰耗对于一个光信号若经过EDFA放大后输出功率为+5dBm，其接收端的接收灵敏度若为.28dBm，则放大增益为33dB，除以衰耗系数除数距离为公里考虑老化等裕散射衰耗包括线性散射、非线性散射和结构不完整散射等；其它衰耗，包括微弯曲衰耗等其中最主要的是杂质吸收引起衰耗在光纤材料中的杂质如氢氧根离子、过要想获得低衰耗光纤，必须对制造光纤用的原材料二氧化硅进行十分严格的5化学提纯，使其杂质的含量降到几个PPb以下当一个光脉冲从光纤中输入，经过一段长度的光纤传输之后，其输出端的光脉冲会变宽，甚至有了明显的失真这说明光纤对光脉冲有展宽的作用，即光纤存在色散这主要是光脉冲的前端和后端在光纤中传输的距离不一致导致脉冲变宽光纤的色散是引起光纤带宽变窄的主要原因，光纤带宽变窄会限制光纤的传输容量同时也限制了光信号的传输距离时，需加色散补偿光纤，进行色散补偿3G.653光纤是色散位移光纤，在1550nm窗口零色散可传输10G的光信号，但传输wDM波分光信号时，因零色散会产生四波混频等非线性效应不能用于wDM波分的传输G.655光纤在1550nm窗口有很小的色散可用于sDH光信号和wDM信号的光纤的色散可以分为三部分即模式色散材料色散和波导色散模式色散：主要对多模光纤而言对单模光纤来说因只有一个模式传播不存在模式色散的问题定义：多模光在多模光纤中传输时会存在许多种传输模式而每种传输模式具有不同的传播速度和相位因此虽然在输入端同时输入光脉冲信号，但到达接收端时的时间却不一致于是产生了脉冲展宽的现象叫模式色散材料色散：是指组成光纤的材料二氧化硅本身所产生的色散波导色散：波导色散是指由光纤的波导结构所引起的色散对于多模光纤而言，由于其模式色散比较严重，而且其数值也比较大，其材料色散较小，不占主导地位波导色散对多模光纤的影响甚小所以，多模模式色散为零，考虑的是其材料色散和波导色散光纤的总色散所引起的脉冲展宽可由下式计算：即为三种色散各自平方的和后开平方色散主要用色散系数D()表示色散系数一般只对单模光纤来说包括材料色散和波导色散，统称色散系数色散系数的定义：每公里的光纤由于单位谱宽所引起的脉冲展宽值与长度呈线性关系其计算公式为其中为光源谱宽，是一个模糊的概念，可不加考虑只要前后一致即可D()为色散系6则引起的色散总值就越大色散系数越小越好因色散系数越小根据上式可知光纤的带宽越大传输容量也就越大所以，传输2.5G以上光信号时，要考虑光纤色散对传输距离的影响，最好采用零色散的G.653光纤传输，但光纤色散为零时传输wDM波分光信号会产生四波混频等非线性效应所以色散要小但不能为零最终采用的光纤为G.655光纤来传输10号和wDM波分复用信号对于单模光纤其带宽系数在25GHz.km以上，但多模光纤的带宽系数一般在1GHz.km以下。所以多模光纤一622M以下短距离的通信，而单模光纤可用于多种速率的通信4.3带宽Bc、数值孔径NA、模场直径d带宽主要用带宽系数Bc表示通过实验可以发现，如果输入光信号的功率大小保持不变，随着调制频率的增加，通过光纤传输后，其输出光功率会随发端调制频率的增加而减小，这说明光纤也存在象电缆一样的带宽系数即对调制光信号的调制频率有一定的响应特性象电缆一样有高频线低频线的区分且高频、低频线的衰减也不一样带宽系数的定义：一公里长的光纤，其输出光信号的功率下降到其最大值 直流光输入时的输出光功率)的一半时，此时光信号的调制频率就叫做光纤的带宽系数，即下降一半时光信号的带宽，也叫3dB带宽，对于DwDM设P1需要注意的是光信号是以光功率来度量的一般以dBm为单位也可用瓦特w来表示w与dBm是可相互转换的换算公式为1mw就是0dBm，500uw就是.3dBm左右所以3dB带宽就是光信号输出功率减少一半时的带宽，相同的对于电缆来说，一般以6dB带宽来表示其电能量衰减一半，因为电信号是以电压或电流来度量的是以20lg来计算的引起光纤带宽变窄的原因主要是光纤的色散对于多模光纤而言传输的是多模光信号，带宽也叫模式色散带宽用带宽系数表示多模光纤的传输能力对于单模光纤，因模式色散为零，也有带宽7系数的概念，同时引入色散系数的概念由于单模光纤制造技术的提高，其可传输360km对于sDH的传输其无电中继传输时，一般不会超过150km一般不考虑色散容限值这个参数，只有在DwDM中才考虑这个参对光纤而言其带宽与色散的关系可近似表示为m为光纤的模式色散，显然，光纤的带宽与色散有关，与长度呈非线性关系，但光纤的衰耗与长度有与长度呈线性关系带宽系数Bc是在频域范围内描述光纤传输特性的重要参数实际上沿用了模拟通信的概念对多模光纤来说，测量时，一般用均方根谱宽f来表述带宽系数特性对单模光纤来说一般测量3dB和20dB谱宽特性来表述带宽系数特性光纤的均方根谱宽的物理定义:对应于光纤高斯冲击响应最大函数值的量比在频域内测量更加方便可行，另一方面光纤的均方根f与数字光纤通信理论有着更密切的关系直接和其传输的光脉冲的均方根脉宽发生联系均方根谱宽不仅能确切地描述光脉冲的特性，而且与光纤通信系统的传输中继距离密切相关，所以在光纤通信的理论中经常用到数值孔径NA在前面以对数值孔径进行了描述数值孔径是多模光纤的重要参数它表征光纤端面接收光的能力其取值的大小要兼顾光纤接收光的能力和对模式色散的影响根据全反射的原理，NA的物理意义就是能使光信号在光纤内以全反射形式传播的接收角c的正弦值，光纤的NA并非越大越好NA越大虽然光纤接收光的能力越强但光纤的模式色散也越厉害因为NA越大则其相对折射率差4也就越大导致模式色散越大使传输模场直径d是表征单模光纤集中集中光能量的程度，单模光纤只允许一种模式即基模进行传输其模场直径d的计算公式为其中为光波波长(um)，NAt为为单模光纤的最大理论数值孔径通过计算不严格的说法就是模场直径d和单模光纤的纤芯直径相近。截止波长c截止波长的含义就是能使光纤实现单模传输的最小工作光波波长，如果要传输的光信号波长不大于单模光纤的截止波长，不能实现单模84.4光纤传输的非线性效应呈线性效应而带宽系数与光纤长度呈非线性效应非线性效应一般在wDM系统上反映较多在sDH系统反映较少因为在wDM设备系统中，由于和波器、率的同时，分波器的插入损耗较大，对16波系统一般相加在10dB左右，对相加在15dB左右因此需采用EDFA进行放大补偿在放大光功也使光纤中的非线性效应大大增加成为影响系统性能限制中继距离的主要因数之一，同时也增加了AsE等噪声光纤中的非线性效应包括：①散射效应(受激布里渊散射sBs和受激拉曼散射sRs等)、②与克尔效应相关的影响，即与折射率密切相关自相位调制sPM、交叉相位调制xPM、四波混频效应FwM)，其中四波混频、交叉相位调制对系统影响严重A、受激布里渊散射SBS和受激拉曼散射SRS从本质上说，任何物质都是由分子、原子等基本组成单元组成在常温下，这些基本组成单元在不断地作自发热运动和振动光纤中的受激布里渊散射sBs和受激拉曼散射sRs都是激光光波通过光纤介质时，被其分子振动所调制的结果而且sBs和sRs都具有增益特性在一定条件下这种增益可沿光纤积累sBs与sRs的区别在于，sBs激发的是声频支声子，sRs激发的是光频支声子受激布里渊散射sBs产生原理:sBs是光纤中泵浦光与声子间相互作用的结果在使用窄谱线宽度光源的强度调制系统中一旦信号光功率超过受激布里渊散射sBs的门限时(sBs的门限较低，对于1550nm的激光器，一般为7～8dBm)，将有很强的前向传输信号光转化为后向传输，随着前向传输功率的逐渐饱和使后向散射功率急剧增加在wDM+EDFA的系统中注入到光纤中的功率大于sBs的门限值，会产生sBs散射sBs对wDM系统的影响主要是引起系统通道间的串扰及信道能量隔即波长间隔)与布里渊频移量相等时，就会引起信道间的串扰但目前的wDM系统，在32波(包括32波)以下时其信道间隔不小于0.8间隔不小于100GHz，可以避免由于sBs产生的信道串扰，但随着wDM朝密为信道串扰的主要因数此外由于sBs会引起一部分信道功率转移到噪声上影响功率放大目前抑制sBs的措施通常在激光器输出端加一个低频调制信号，提高sBs的门限值受激拉曼散射sRs产生原理：受激拉曼散射sRs是光与硅原子振动模式间相互作用有关的宽带效应，在任何情况下短波长的信号总是被这种过程所衰减，同时长波长信号得到增强9在单信道和多信道系统中都可能发生受激拉曼散射sRs仅有一个单信道且没有线路放大器的系统中，信号功率大于1w时，功率会受到这种现象的损伤，在较宽信道间隔的多信道系统中，较短波长信号通道由于受激拉曼散射sRs，使得一部分光功率转移到较长波长的信号信道中从而可能引起信噪比性能的劣化由于受激拉曼散射sRs激发的是光频支声子其产生的拉曼输距离的增长和复用的波数的增加EDFA放大输出的光信号功率会接近因G.653光纤的等效芯经面积小于G.652光纤，受激拉曼散射sRs门限值要低于采用G.652光纤的系统，在G.653光纤上产生sRs的光纤中的克尔效应是一种折射率的非线性效应，即光纤中激光强度的变化导致光纤折射率的变化，引起光信号自身的相位调整这种效应叫做自相位调由于折射率对光强存在依赖关系在光脉冲持续时间内折射率发生变化，脉冲峰值的相位对于前、后沿来说均是延迟的，这种相移随着传输距离的增加而积累起来，达到一定距离后显示出相当大的相位调制，从而使光谱展宽导致脉冲展宽这就称为自相位调制sPM在DwDM系统中光谱展宽是非常严重的可使一个信道的脉冲光谱与另一个信道的脉冲光谱发生重叠，影响系统的性能一般情况下，自相位调制sPM效应只在超长系统中表现比较明显同时在色散大的光纤中也表现比较明显所以采用G.653光纤，且将信道设置在零色散区附近有利于减小自相位调制效应对于使用G.652光纤且长度小于1000km的系统，可以在适当的间隔进行色散补偿的方法来控制自相位调在多波长系统中一个信道的相位变化不仅与本信道的光强有关也与其它相邻信道的光强有关，由于相邻信道间的相互作用，相互调制的相位变化称为交叉相位调制xPMxPM引起的频谱展宽度与信道的间隔有关越小则产生的效应就越大反之则小xPM引起的展宽会导致多信道系统中相邻信道间的干扰sPM和xPM在色散大的光纤中产生的效应要比在色散小的光纤中产生效应要大，在实际系统中可通过采用色散小的G.653和G.655光纤来减小sPM和xPM效应C、四波混频四波混频FwM亦称四声子混合，是光纤介质三阶极化实部作用产生的一种光波间耦合效应是因不同波长的两三个光波相互作用而导致在其它波长上产生所谓混频产物或边带的新光波这种互作用可能发生于多信道系统的信号之间，可以产生三倍频、和频、差频等多种参量效应在DwDM系统中当信道间距与光纤色散足够小且满足相位匹配时四波混频将成为非线性串扰的主要因数当信道间隔达到10GHz以下时FwM对系统的影响将最严重下图为三个信号的情况下，产生的四波混频效应：f1f2f3四波混频FwM对DwDM系统的影响主要表现在：(1)产生新的波长使原有信号的光能量受到损失影响系统的信噪比等性能；(2)如果产生的新波长与原有某波长相同或交叠，从而产生严重的串扰四波混频FwM的产生要求要求各信号光的相位匹配当各信号光在光纤的零色散附近传输时材料色散对相位失配的影响很小因而较容易满足相位匹配条件容易产生四波混频效应目前的DwDM系统的信道间隔一般在100GHz零色散导致四波混频成为主要原因，所以，采用G.653光纤传输DwDM系1550nm窗口存在一定的色散，传输10G信号时，应加色散补偿，G.655光纤在1550nm窗口的色散很小，适合10GDwDM系统的传输光纤传感器是上世纪七十年代中期发展起来的一门新技术是伴随着光纤及光通讯技术发展而逐步形成的电绝缘好、防爆性、光路可弯曲、宽频带、结构简单、体积小、重量轻、耗电少等光纤传感器可分为两大类：功能型传感器和非功能型传感器功能传感器就是利用光纤本身的特性把光纤作为敏感元件对光纤内传输的光进行调制使输出的光的强度、相位、频率或偏振态等特性发生变化，再通过对被调制的光信号进行解调，得出被测信号的各种特性非功能传感器是利用其他敏感元件感受被测量信号的变化，光纤仅作为光波的传输介质，常用来传输远端场所的信号也叫传光型光纤传感器或混合型光纤传感器用被测对象来引起光纤中光强度的变化，来实现对被测对象的监测与控制，是光强度调制型光纤传感器的基本原理光强度调制分为内调制和外调制外调制时光纤仅起传光的作用光纤本身特性不改变，调制过程发生在光纤外，称为传光型传感器内调制发生在光纤内部，是通过光纤本身特性的改变来实现光强度的调制，称为功能型光纤传感器内调制的方法是由垂直于光纤轴线的位移或压力引起光纤弯曲利用光纤的微弯效应，使传输光有一外调制的方法有很多，如利用发送光纤和接收光纤作相对横向或纵向移动改变接收光强，达到光调制目的；通过折射率的改变或者光纤吸收特性的改变也可实现光强度的调制等如下图为再用干涉测量技术把相位变化变换为光强度变化，从而检测出被测量的大小实现干涉测量的方法很多通常采用的干涉主要有四种：迈克尔逊干涉仪、马赫.承德干涉仪塞格纳克干涉仪、法布里.珀罗干涉仪等发送模块主要是发送电信号调制部分和激光器光源部分电调制部分主要去产生特定波长的光信号发光器件主要有三大类：发光管LED、FP激光器、DFB激光器下面分别介绍三类器件的特点：未经谐振输出，发非相干光的半导体发光器件称为发光管发光管的特点：输出光功率低、发散角大、光谱宽调制速率低、价格低廉，适合于短距离FP激光器是以FP腔为谐振腔发出多纵模相干光的半导体发光器件这类器件的特点；输出光功率大、发散角较小、光谱较窄、调制速率高，适合于较长距离通信DFB激光器是在FP激光器的基础上采用光栅虑光器件使器件只有一个纵模输4.各种激光器的性能参数指标：发光管LED)发光管有以下性能参数：工作波长3dB光谱宽度、输出光功率、最高调制速率工作波长是指LED发出光谱的中心波长；.3dB光谱宽度是LED发射光谱的最高点降低3dB时所对应的光谱宽度；输出光功率是器件输出端口输出的光功率；最高调制速率为LED所能调制的最高速率下表是某公司LED器件的性能参数pl=80mA,1310nml=80mA,1550nmVfV2其典型光谱如下图所示工作波长：光谱宽度：激光器发出光谱的中心波长多纵模激光器的均方根谱宽当器件的工作电流超过阈值电流时激光器发出相干性很好的激光输出光功率：激光器输出端口发出的光功率典型参数见下表所示：p3552V其典型光谱图为多模光谱DFB激光器DFB激光器有以下性能参数：工作波长：激光器发出光谱的中心波长边模抑制比：激光器工作主模与最大边模的功率比阈值电流：当器件的工作电流超过阈值电流时激光器发出相干性很好的激光输出光功率：激光器输出端口发出的光功率其典型参数见下表所示：p2V其典型光谱特性如下图所示：直调就是利用电信号的1，和0，控制激光器的开、关使特定波长的光波携载电信号因存在1，和0，频率的变化不可避免存在啁啾外调制分为电吸收调制和马赫.曾德尔调制电吸收调制时激光器管芯一直处于开的状态，处于发光状态，但光信号不耦合到光纤，通过电信号 '1'、0，控制光信号偶合到光纤上，'1，时耦合到光纤上，'0，不耦合到光纤这种激光器可用直流偏量控制其波长和功率的稳定即制冷电流控制激光器的工作同时啁啾小外调制采用马赫.曾德尔的激光器，激光器管芯一直处于发光状态发出的光经过一个Y型波导分束器分出两束相位等一样的光信号电信号控制两个干涉臂电级使两束光信号产生不同的相位再经过Y型合束器，'1，信号时，相位相同，进行叠加，'0，信号时，相位相差180度，光信号抵消，耦合到光纤上此种方式产生的啁啾更小激光器直调控制方式‘1'控制激光器管芯‘0'控制‘1'控制Y型合束器激光器管芯输出Y型合束器Y型分束器‘0'控制三种调制方式产生的光信号波形如下：直调的光信号波形,存在啁啾马赫.曾德尔波形与电吸收差不多光收模块主要是把接收到的光信号转换成电信号的模块，其主要部分是光电检测器光纤通信系统中使用2类光电检测器即光电二极(PIN)管和雪崩光电二极管APD