光纤通信原理及基础知识论述

光纤的通信原理及基础知识第一章光纤通信的基本原理第二章光纤的基本结构和分类第三章光纤的基本参数第四章光纤的制造方法光纤的通信原理及基础知识§1.1光纤通信的基本原理信号处理发送端信号处理接收端光波导第一章光纤、光缆的基本知识f10km1km100m10m1m1cm1dm105m100km107m010Hz100Hz1k10k100k1M10M100M1G10G1cm100m1mm10m100nm1m10nm1nm100pm10pm1pm10G100G1T10T100T1015T1017T1016T1019T1018T1020T1.6m1.5m1.3m1.4m1.1m1.2m1m900nm800nm700nm500nm600nm400nm红外线紫外线X射线伽玛射线光纤应用范围无线电电视卫星LWKWMWUKWdmcm高频微波低频交流电微波可见光电磁波谱频谱分配光纤通信的基本原理光在传输过程中，在两种不同的传输媒质的界面将产生以下行为：一部分入射光将被反射一部分入射光将进入第二种媒质，并产生折射媒质1折射率n1媒质2折射率n2121=2n1·Sin1=n2·Sin2媒质1折射率n1媒质2折射率n212光的反射和折射定律光纤通信的基本原理折射率n＝光在真空中的传播速度/光在该媒质中的传播速度1.01.00031.331.4571.4711.5~1.92.42全反射：当n1n2时，随着入射角的不断增加，在入射角达到某一值时，折射角达到90oC，我们把此时的入射角称为临界角0。当入射角大于临界角时，将发生全反射。媒质1媒质2根据折射定律，我们可以求出临界角，此时2＝90o。即n1·Sin0=n2·Sin90o所以Sin0=n2/n1媒质折射率真空空气水多模光纤单模光纤玻璃钻石光的全反射定律光纤通信的基本原理光通信正是利用了全反射原理，当光的注入角满足一定条件时，光便能在光纤(光波导)内形成全反射，从而达到长距离传输的目的。包层n2纤芯n1光纤中心轴线090-0包层n2空气n01光纤的导光原理光纤通信的基本原理n1n2n0n0:空气中的折射率n1:纤芯的折射率n2:包层的折射率00:入射角,和sin0=n2/n1条件:涂层包层纤芯光纤的结构光纤的基本结构和分类光纤通信的优点光通信基本原理•大容量•长中继距离•适应能力强•体积小，重量轻，便于安装和维护•选材丰富，价格低Rawmaterialabundance,lowprice•保密性强第一章光纤通信的基本原理第二章光纤的基本结构和分类第三章光纤的基本参数第四章光纤的制造方法光纤的通信原理及基础知识光纤的结构及组成涂层力学影响的防护涂层(acrylic)250µm涂层250µm标准单模光纤标准梯度折射率分布多模光纤纤芯(SiO2+Ge+F)(掺锗二氧化硅)8.6-9.5µm纤芯(聚甲基丙烯酸甲酯)980µm包层(SiO2+F)掺氟二氧化硅125µm纤芯(掺锗二氧化硅)50µm/62.5µm/100µm涂层1000µm塑料光纤光纤的基本结构和分类按材料分类：•二氧化硅系光纤•多组份光纤•塑料光纤光纤的分类光纤的基本结构和分类•用于通信，如：光缆•用于传感器，如：光纤陀螺•用于传输图像，如：内窥镜•其它用途，如用于传输能量按用途分类：光纤的分类光纤的基本结构和分类按传输模式分类：多模光纤单模光纤光纤的分类光纤的基本结构和分类G651多模光纤：工作波长为850nm的LAN用的多模光纤G652光纤：最佳工作波长为1310nm的单模光纤：G652AG652B:标准光纤G652CG652D：低水峰（全波）光纤G653光纤：零色散波长在1.55m窗口的单模光纤G654光纤：截止波长在1500nm的海底应用单模光纤,又称为最低衰减单模光纤G655光纤：在1550nm窗口给定波长区间内色散不为零的色散位移单模光纤，称为非零色散位移光纤G655A：单信道光纤(1995)G655B、G655C：DWDM光纤(2000.10,2003.1)G656光纤：使用于DWDM系统S+C+L波带的非零色散位移光纤(2003.10提出，2004.4争取会议同意)光纤的分类光纤的基本结构和分类单模光纤特性G.652光纤G.653光纤G.654光纤G.655光纤最成熟的单模光纤，但未把最小的衰减与最小的色散有效的结合在一起。过渡性的单模光纤，通过对光纤的截止波长进行位移而获得极低的衰减。过渡性的单模光纤，把零色散点移到了衰减最小的波长。一种新型的单模光纤，把最小的衰减与小的色散结合在一起。单模光纤的特性光纤的基本结构和分类G652光纤的分类、特点与应用应用1.G.652A：支持G.957规定的SDH传输系统，G.691规定的带光放大的单通过路STM-16（2.5Gbit/s）的SDH传输系统，G.693规定的40km的10Gbit/s以太网系统及STM-2562.G.652B：主要支持更高速率，例如G.691和G.692传输系统中直到STM-64（10Gbit/s），在G.693和G.959.1中对于STM-256的某些应用3.G.652C（低水峰光纤）：与G.652A光纤属性类似，允许使用在1360~1530nm扩展波长范围4.G.652D：与G.652B光纤属性类似，允许使用在1360~1530nm扩展波长范围光纤的基本结构和分类长距离应用，发展方向是大有效面积色散平坦型G.655城域网中，低水峰光纤（G.652C、G.652D）有较大的应用前景，关键在价格，目前主要采用的是G.652A、G.652B光纤接入网中将主要应用G.652光纤，其发展前景仍被很多专家看好（目前市场规模在下降，但仍继续占主导地位）LAN中将主要应用多模光纤，芯径逐渐由62.5m向50m发展，市场在逐渐扩大室内布线将向塑料光纤发展光纤应用的发展趋势光纤的基本结构和分类第一章光纤通信的基本原理第二章光纤的基本结构及分类第三章光纤的基本参数第四章光纤的制造方法光纤的通信原理及基础知识•几何尺寸参数•光学及传输特性参数•机械及环境性能参数光纤参数分类光纤的基本参数光纤的几何尺寸参数•纤芯直径•纤芯/包层同心度•包层外径(d={dx+dy}/2)•包层不圆度(|dmax-dmin|/d)•涂层外径•包层/涂层同心度•光纤翘曲度RR光纤的基本参数光纤几何尺寸参数典型值•纤芯直径(多模光纤)：•纤芯直径(单模光纤)：•纤芯/包层同心度：•包层外径：•包层不圆度：•涂层外径：•包层/涂层同心度：•62.5/50m•8～10m•1.0m•125m2m•2%•245m10m•15m•光纤翘曲度：•2m光纤的基本参数光纤的光学及传输特性参数•衰减系数•色散系数•截止波长•弯曲损耗•偏振模色散•模场直径光纤的基本参数定义：高斯分布的单模光纤，模场直径是光场幅度分布1/e处各点所围成圆的直径，也等于光功率分布1/e2处各点所围成圆的直径。光纤的光学及传输特性参数之一------模场直径光纤的基本参数●P0Pe衰减系数＝10lg(Pi/Po)/L下面:Pi输入功率Po通过长度为L的光纤后的输出功率L传输距离定义:Loss(dB)=-10lg(Pout/Pin)限制传输距离.固有损耗:瑞利散射,材料反射(紫外线辐射&红外线吸收)外来损耗:吸收，分离点损耗PiPoL§1.2衰减系数光纤的光传输特性衰减(dB/km)波长(nm)131015500.360.20－单模光纤的典型频谱衰耗OH-吸收峰(又称为：水峰)光纤的光学及传输特性参数之一------典型频谱衰耗图光纤的基本参数定义：由于传输介质的折射率与光波的波长相关而造成不同波长的光在相同传输介质中的传播速度不同的现象。其程度用色散系数进行反映。光纤的光学及传输特性参数之一------色散系数D(ps/km·nm)光纤的基本参数Theoreticalmaxdistancelimitedbythedispersion2sGbkmnmpsDkmL/Bcapacity1550nm(G.652)1550nm(G.655)1310nm(G.652)2.5Gb/s928km4528km6400km10Gb/s58km283km400km20Gb/s14.5km70kml00km40Gb/s3.6km18km25km=105光纤的光学及传输特性参数之一------色散受限最大理论传输距离光纤的基本参数84-401200-818001400150016001700132nm4色散D(ps/(nm•km))波长(nm)1非色散位移光纤2色散位移光纤3色散平坦光纤4非零色散位移光纤－不同单模光纤的色散曲线光纤的光学及传输特性参数之一------色散曲线图光纤的基本参数定义：基模包含两个正交的矢量，这两个偏振矢量在传播过程中会产生时延，从而引入偏振模色散光纤的光学及传输特性参数之一------偏振模色散光纤的基本参数PMD定义•定义:减弱的波长结构导致的两个线性偏振模的色散•ΔtPMD=Dpmd*LΛ0.5•PMDLinky=•PMDQ:99.99%probabilityof100000y21121nkxkn光纤的光学及传输特性参数之一------偏振模色散光纤的基本参数偏振模色散受限的最大理论传输距离B•当比特率大于10Gb/s,偏振模色散必须考虑.•降低光纤偏振模色散值:–改进光纤的几何形状•导致裸纤的旋转2sGb2kmpsPMDkm=104PMD(ps/4km)2.5Gb/s10Gb/s40Gb/s3.0180kmllkmlkm1.01,600km100km6km0.56,400km400km25km0.240,000km2,500km156km光纤的光学及传输特性参数之一------偏振模色散受限的最大理论传输距离光纤的基本参数固有和非固有的偏振模色散原因包层中心为椭圆包层偏心进入气体侧压涂层椭圆涂层偏心非固有原因侧压弯曲扭曲光纤的光学及传输特性参数之一------偏振模色散光纤的基本参数定义：光纤作为单模光纤工作的最短波长。工作波长超过此波长时，只能传输基模，此时光纤为单模光纤；工作波长低于此波长时，除基模外，高次模也可传输，此时光纤为多模光纤。光纤的光学及传输特性参数之一------截止波长光纤的基本参数弯曲损耗：宏观弯曲损耗：是指光纤在以远远大于光纤外径的曲率半径弯曲时，所引入的附加损耗。微观弯曲损耗：是指光纤受到不均匀应力的作用，光纤轴产生的微小不规则弯曲所引入的附加损耗。光纤的光学及传输特性参数之一------弯曲损耗光纤的基本参数•衰减系数：•色散系数：•截止波长：•弯曲损耗：•1310nm波长处：0.36dB/km•1550nm波长处：0.22dB/km•1310nm波长处：0ps/(nm•km)•1550nm波长处：19ps/(nm•km)•cc1260nm•以75mm为直径松绕100圈1550nm波长处附加衰减：0.05dB•模场直径：•1310nm:8-10m;1550nm:9-11m光纤的光学及传输特性参数之一------参数典型值光纤的基本参数•偏振模色散：•PMD0.5ps/(km)1/2ITU-T关于光纤的主要规范1550nm1550nm1310nm和1550nm适用工作窗口5dB5dB1dB1550nm的微弯衰耗0.19~0.25dB/km0.19~0.25dB/km0.17~0.25dB/km典型衰减系数（1550nm)--0.3~0.4dB/km典型衰减系数（1310nm)125±2m125±2m125±2m包层直径ps/(nm.km)(1530~1565nm)ps/(nm.km)(1525~1575nm)ps/(nm.km)(1525~1575nm)最大色散系数--ps/(nm.km)(1288~1339nm)最大色散系数-ps/(n