光纤通信原理

光纤通信原理上海电信培训中心高光辉第一章概述3000多年前，人们就开始利用光进行通信，但光通信的真正飞跃是在光纤出现之后，由于光纤无可比拟的优越性，在短短的几十年中迅速地取代了电通信的地位，通信速率由几M发展到单信道10G，40G。1-1光纤通信的发展与现状1-1-1早期的光通信几千年前，中国就有火光通信：烽火台，它是世界上最早的光通信，因为它具有光通信的基本要素：光源、接受器、信息加在光波上和光通道。1880年，贝尔发明了光电话，它是现代光通信的开端，但由于找不到实用的传输手段而夭折。1-1-2光纤通信1950年曾出现过导光用的玻璃纤维，但损耗高达1000db/Km，这天文数字的损耗量，使有人认为光纤传输无实际意义。1960年，英籍华人高锟指出：如能将光纤中过渡金属离子减少到最低限度，有可能使光纤的损耗减少到1db/Km，信息容量可能超过100MHz。1970年美国康宁公司拉出了损耗20db/Km的光纤。现在光纤的无中继传输已达几万公里，NEC公司在实验室完成了10T以上容量的传输。光纤通信的前途一片光明。1-2光纤通信的主要特性1-2-1光纤通信的优点1、容量大目前商用系统单信道10G，多信道1600G。如果能消除OH吸收峰，带宽可达140T。2、损耗低、中继距离长目前，实用的光纤通信系统使用的石英光纤在1.55微米波长区的损耗为0.18db/Km，比已知的其他通信线路的损耗低得多。如果今后采用非石英光纤，并工作在超长波长（大于2微米），光纤损耗的理论系数可以下降到1/1000-1/100000db/Km，光纤的无中继传输可达几万公里，在任何情况下都可以不要再生中继。3、抗干扰能力强光导纤维是不导电的，电磁波在其中不会产生感生电动势，即不会产生与信号无关的噪声。4、保密性好电通信方式很容易被人窃听，而光纤中传送的光波被限制在光纤内部，很少会跑到光纤之外。即使在弯曲半径很小的位置光泄漏也十分微弱。5、体积小，重量轻目前常用的光纤纤芯直径只有几微米，加上包层直径是125微米，500米只有50克。一公里四管同轴电缆重4400公斤，而一公里四芯光缆只200公斤，是电缆的二十分之一也不到。6、节约有色金属和原材料光纤的主要成分是二氧化硅，占地球重量的24%，而生产电缆需要大量的铜和铅，在地球上快成为“稀有金属”了。1-3-2光纤通信系统的分类根据调制信号的类型：模拟、数字。根据光源的调制方式：直接、间接。根据光纤的传导模数量：多模、单模。根据工作波长：短波长、长波长、超长波长。第二章光纤和光缆众所周知，光具有波粒二象性，光既可以看成电磁波，有可以看成粒子流（光子）。因此，分析光纤中光的传输理论也有两套：波动光学理论和几何光学理论。2-1光纤的结构与类型2-1-1光纤的结构一根实用化的光纤是由多层透明介质构成，一般分三部分：折射率较高的纤芯、折射率较低的包层和外面的涂覆层。纤芯由高度透明的材料制成，包层的折射率略小于纤芯的折射率，从而造成一种使光限制在纤芯中传输的效应。涂覆层是保护光纤不受湿气的侵蚀和机械擦伤，同时增加柔韧性，它不用于导光，可以染成各种标志色。2-1-2光纤的类型按光纤截面上折射率分布：阶跃型、渐变型。按传输模式的数量：多模、单模。按光纤的工作波长：短波长、长波长、超长波长。按ITU-T建议：G651—G655。2-2光纤的射线理论光在均匀介质中是直线传播的，速度为v=c/nc=299700km/s(光在真空中的速度）n：介质的折射率（空气：1.00027,玻璃：1.45)如果有两种不同折射率的介质，折射率较大的称为光密介质，较小的称为光疏物质。光在光疏介质中的传播速度比光密介质快。光在一种介质中传播而遇到另一种介质时，将在两种介质的分界面发生反射和折射。光在光纤中传播，在纤芯和包层的分界面发生反射和折射，当入射角足够大时，折射光消失，光线全部返回纤芯，称为全反射，这是光纤通信必须满足的物理现象。2-2-4多模光纤与单模光纤多模光纤和单模光纤是由光纤中传输的模式数决定的。一根光纤是不是单模传输，主要由其自身结构决定，但也与光纤中传输的光波长有关。多模光纤：允许多个模式在其中传输的光纤，由于模式色散的存在，带宽远小于单模光纤。早期多用，目前只在小容量、短距离系统（LAN）中应用。单模光纤：只能传输一种模式的光纤。由于不存在模式色散，具有远大于多模光纤的带宽，这是高速传输必须的，带宽一般在几十G以上，且大多采用折射率阶跃分布的单模光纤。由于光纤制造工艺的提高，单模光纤有完全取代多模光纤的趋势。2-4光缆经过一次涂覆和二次涂覆（套塑）的光纤虽然具有一定的抗拉强度，但还是比较脆弱，只能用于实验室和机房。为了使光纤用于各种场合，并顺利地完成敷设施工，必须把光纤和其他元件组合起来构成一体，这种组合体就是光缆。2-4-1光缆的技术要求1、使用二十年以上2、为光纤提供足够的保护3、光纤的传输特性不劣化4、敷设容易，维护方便缆芯缆芯内有光纤、光纤套管或骨架和加强元件（必要时还有铜线），还需填充油膏。当缆芯内有铜线和金属加强元件时，光缆就失去了抗电磁干扰能力。因此在雷电和强电影响严重的地区用塑料加强元件，中继站用太阳能供电。护层是有护套和外护层构成的多层组合体，进一步保护光纤，能适应各种场地敷设（架空、管道、直埋、室内、过河、跨海）。护层必须防潮防水。水进入光缆后，会产生OH-吸收损耗，总损耗大大增加,甚至使通信中断。光缆的典型结构1、层绞式：加强元件位于中心，其中光纤数量较少（12芯以下）。2、骨架式：对光纤保护较好，耐压、抗弯性能好。3、束管式：将光纤集中松放，填充油膏，改善了受力状态，体积小、成本低。4、带状式：可容纳大量的光纤，适用于用户光缆（FTTH）。光缆的种类根据传输性能：市话、长途、海底、用户。根据套塑：紧套、松套、束管式、带状式。根据芯数：单芯、多芯。根据加强构件：中心、分散、护层。根据敷设方式：管道、直埋、架空、水底。根据护层材料：普通、阻燃、防蚁、防鼠。光缆的型号•光缆的型式代号由分类、加强构件、派生（形状、特性等）、护套和外护层五部分组成。第三章光纤的传输特性光纤的特性很多，基本上可以分为几何尺寸特性、光学特性、传输特性、机械特性和温度特性五类。其中最主要的是光纤的传输特性。3-1光纤的损耗特性光纤通信是随着光纤损耗的不断降低而发展起来的，造成光纤损耗的原因很多，其损耗机理也很复杂。主要有三类：吸收损耗、散射损耗和弯曲损耗。3-1-1吸收损耗吸收损耗是由制造光纤材料本身以及其中的过渡金属离子和氢氧根离子等杂质对光的吸收而产生的损耗，前者是由光纤材料本身的特性所决定的，称为本征吸收损耗。本征吸收损耗本征吸收损耗是固有的，他包括紫外吸收损耗和红外吸收损耗。紫外吸收损耗对于波长小于0.4微米的光波表现得特别强烈，形成紫外吸收带。红外吸收损耗对于波长大于2微米的光波表现得特别强烈，形成红外吸收带。杂质吸收损耗杂质吸收损耗可以随杂质浓度的降低而减小，直至清除。因此得到一个很宽的低损耗波长窗口，有利于波分复用（WDM）。原子缺陷吸收损耗原子缺陷吸收损耗可以通过选用合适的制造工艺，不同的掺杂材料及含量使之减小到可以忽略不记的程度。3-1-2散射损耗光线通过均匀透明介质时，从侧面是难以看到光线的，如果介质不均匀，如空气中漂浮的大量灰尘，我们便可以从侧面清晰地看到光束的轨迹。这是由于介质中的不均匀性使光线四面八方散开的结果，这种现象称之为散射。散射损耗是以光能的形式把能量辐射出光纤之外的一种损耗。散射损耗可分为线性散射损耗和非线性散射损耗。3-1-3弯曲损耗光纤的弯曲有两种形式：一种是曲率半径比光纤的直径大得多的弯曲，我们习惯称为弯曲或宏弯；另一种是光纤轴线产生微米级的弯曲，这种高频弯曲习惯称为微弯。为了尽量减小这种损耗，施工过程中严格规定了光纤光缆的允许弯曲半径，使弯曲损耗降低到可以忽略不记的程度。3-2光纤的色散特性3-2-1色散的概念在物理光学中，色散是指由于某种物理原因使具有不同波长的光经过透明介质后被散开的现象。在光纤传输理论中，借用了这一古老的术语表达了新的内容。在光纤中，光信号是由许多不同的成分（模式、频率）组成的，其传播速度不同，经过一段距离后，出现了时延差，从而引起信号畸变，这种现象称为色散。3-2-2模式色散模式色散一般存在于多模光纤中，由于在多模光纤中存在多个模式，其传播速度不同，使光脉冲展宽，最终影响光纤的带宽，即多模光纤的带宽远小于单模光纤。理想的单模光纤在由于只传输一个模式（基模），不存在模式色散，因此有较高的带宽，被广泛采用。3-2-3材料色散光纤材料的折射率随光波长的变化而变化，从而引起光脉冲展宽的现象称为材料色散。光纤的材料色散远小于模式色散，是影响单模光纤带宽的主要原因。为什么？3-2-6总色散光纤中存在着模式色散、材料色散、波导色散和极化色散，这几种色散的大小有下列关系：模式色散》材料色散》波导色散》极化色散。由于极化色散很小，一般忽略不计。在多模光纤中，主要存在模式色散、材料色散和波导色散；单模光纤中不存在模式色散，而只存在材料色散和波导色散。3-3成缆对光纤特性的影响3-3-1光缆特性1、拉力特性光缆能承受的最大拉力取决于加强构件的材料和横截面积，一般要求大于1公里光缆的重量，多数光缆在100~400公斤范围。2、压力特性光缆能承受的最大侧压力取决于护套的材料和结构，多数光缆能承受的最大侧压力在100~400公斤/10厘米。3、弯曲特性弯曲特性主要取决于纤芯与包层的相对折射率差△以及光缆的材料和结构。实用光纤的最小弯曲半径一般为50~70毫米，光缆的最小弯曲半径一般为500~700毫米，等于或大于光纤最小弯曲半径的10倍。在以上条件下，光辐射引起的光纤附加损耗可以忽略，若小于最小弯曲半径，附加损耗则急剧增加。4、温度特性光纤本身具有良好的温度特性。光缆温度特性主要取决于光缆材料的选择及结构的设计，采用松套二次涂覆光纤的光缆温度特性较好。在我国，对光缆使用温度的要求，一般在低温地区为-40度~+40度，在高温地区为—-5度~+60度。3-3-2成缆对光纤特性的影响1、成缆的附加损耗不良的成缆工艺，把光纤制成光缆后，会带来附加损耗，称之为成缆损耗。主要原因是由于成缆过程中光纤受到了以来应力，骨架式结构的光缆附加损耗几乎为零，因为光纤在槽内几乎不受应力。2、成缆可以改善光纤的温度特性把光纤制成光缆，温度特性会得到相当大的改善，这是因为光缆中的金属强加构件的支撑作用，阻止了光纤套管在温度变低时的收缩。若采用优质的玻璃钢作为光缆的附加构件，则可以得到非常良好的温度特性。3、机械强度增加成缆后光缆的拉力，抗侧压、抗冲击和扭曲性能都有明显增加。3-4典型光纤参数G651光纤称为渐变型多模光纤，这种光纤在光纤通信发展初期广泛应用于中小容量、中短距离的通信系统中。G652光纤称为常规单模光纤，其特点是在波长1.31微米处色散为零，系统的传输距离一般只受损耗的限制。G653光纤称为色散位移光纤，其特点是在波长1.55微米处色散为零，损耗又最小。G653光纤适用于大容量长距离通信系统中。G654光纤称为截止波长光纤，其特点是在波长1.31微米处色散为零。G655光纤称为非零色散位移光纤，是一种改进的色散位移光纤。在密集波分复用（DWDM）系统中。随着传输速率的提高,传输距离的加长和波分复用技术的实用化,工作在传输损耗最低区域(1.55微米附近)的非零色散位移光纤将获得迅速的发展。第四章常用光无源器件光纤通信中所用的光器件可分成光有源器件和光无源器件两大类。区别在于其内部是否发生光电转换。有光电转换就称为光有源器件,否则为光无源器件。4-1光纤连接器4-1-1光纤连接器的结构和种类光纤（缆）活动连接器是实现光纤（缆）之间活动连接的光无源器件，还具有将光纤（缆）与其他无源器件、光纤（缆）与系统和仪表进行活动连接的功能。光纤连接器的结构光纤连接器基本上是采用某种机械和光学结构，使两根光纤的纤芯对准，保证90%以上的光能够通过。光纤连接器的五种结构：套管构、双锥结构、V型槽结构、球面定心结构、透镜耦合结