光纤通信培训2

第一部分:基础知识第二部分:光纤传输距离的计算第三部分:OTDR的使用吴国球2012年2月基本知识光缆是利用置于包覆护套中的一根或多根光纤作为传输媒质并可以单独或成组使用的通信线缆组件。光缆主要原材料分八大类：光纤、光纤涂料、光纤二次被覆用料、光纤光缆填充膏、光缆用加强件、光缆用阻水纱、阻水带光缆用复合钢带、复合铝带及护套料，如图所示。在信号系统当中，子系统间的数据传输都应用到光缆，特此本节简单介绍光缆的基本知识。一、光缆、光纤介绍1．外皮：室内光缆外表应光滑、光亮，具柔韧性，易剥离。劣质光缆外皮光洁度很差，容易和紧套、芳纶粘连。室外光缆的PE护套成缆后外皮平整、光亮、厚薄均匀、无气泡。2．光纤：正规采用大厂的A级纤芯，一些低价劣质光缆通常使用C级、D级光纤和来路不明的走私光纤。如采用劣质光缆，会出现带宽很窄、传输距离短；粗细不均匀，不能和尾纤对接；光纤缺乏柔韧性，盘纤的时候一弯就断等问题。3．加强钢丝：正规室外光缆的钢丝是经过磷化处理的，表面呈灰色，这样的钢丝成缆后不增加氢损，不生锈，强度高。劣质光缆一般用细铁丝或铝丝代替，鉴别方法：外表呈白色，捏在手上可以随意弯曲。4．钢铠：正规企业采用双面刷防锈涂料的纵包扎纹钢带，劣质光缆采用的是普通铁皮，通常只一面作过防锈处理。5．松套管：光缆中装光纤的松套管采用PBT材料，强度高，不变形，抗老化。劣质光缆通常用PVC料生产套管，这样的套管外径很薄，用手一捏就扁。6．纤膏：室外光缆内的纤膏可以防止光纤氧化，因水气进入发潮等，劣质光纤中用的纤膏很少，严重影响光纤的寿命。7．芳纶：又名凯夫拉，是一种高强度的化学纤维。室内光缆和电力架空光缆都是用芳纶作加强件，劣质室内光缆把外径做得很细，光缆在穿管的时候很容易被拉断。光缆的主要组成部分—光纤，是光导纤维的简称，由直径大约为0.1mm的细玻璃丝构成。透明、纤细，具有把光封闭在其中并沿轴向进行传播的导波结构。（一）光纤种类1．按光在光纤中的传输模式分：单模光纤和多模光纤。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，限制了传输数字信号的频率，通常在距离不到英里时应用。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。其模间色散很小，适用于远程通讯。单模光纤相比于多模光纤可支持更长传输距离，单模光纤都可支持超过5000m的传输距离。通信系统中在同一设备房内相互设备间的传输多采用多模光纤。通信系统中在不同设备房内相互设备间的传输多采用单模光纤。2．按最佳传输频率窗口分：常规型单模光纤和色散位移型单模光纤。常规型：通常将光纤传输频率最佳化在单一波长的光上，如1300μm。色散位移型：将光纤传输频率最佳化在两个波长的光上，如：1300μm和1550μm。3．按折射率分布情况分：突变型和渐变型光纤。突变型：光纤中心芯到玻璃包层的折射率是突变的。单模光纤由于模间色散很小，所以单模光纤都采用突变型。光纤纤芯包层涂覆层护套层À强度元件内护层?光纤À缆芯外护层?单模：8~10mm多模：50mm125mm1．衰减是指光在光沿光纤传输过程中光功率的减少。光纤损耗是指光纤输出端功率与发射到光纤时功率的比值。损耗是同光纤的长度成正比。光缆损耗因子（α）：反映光纤衰减的特性。衰减的测试方法主要有剪断法、插入衰减法、背向散射法。2．回波损耗-10lg[(反射功率)/(入射功率)]又称为反射消耗。是指在光纤连接处，后向反射光相对输入光的比率的分贝数。回波损耗愈大愈好，以减少反射光对光源和系统的影响。改进回波损耗的方法：尽量选用将光纤端面加工成球面或斜球面。3．插入损耗指纤中的光信号通过活动连接器之后，其输出光功率相对输入光功率的比率的分贝数。插入损耗愈小愈好。插入损耗的测量方法同衰减的测量方法相同。主要参数在光纤内传输的光功率P会随距离z而变化.设长度为L(Km)的光纤，输入功率为Pi,其出射功率Po满足：Po=Piexp(-αL)其中α是损耗系数，一般它的单位为dB/Km。很容易我们可以得到α=10/L*lg(Pi/Po)(dB/Km)z=0z=LAttenuation光纤的损耗:损耗系数当光从光纤的一端射入，从另一端射出时，光的强度会减弱。这意味着光信号通过光纤传播后，光能量衰减了一部分。这说明光纤中有某些物质或因某种原因，阻挡光信号通过。这就是光纤的损耗。只有降低光纤损耗，才能使光信号畅通无阻。光纤损耗大致可分为光纤具有的固有损耗以及光纤制成后由使用条件造成的附加损耗。具体细分如下：光纤损耗可分为固有损耗和附加损耗。其中，附加损耗是在光纤的铺设过程中人为造成的。在实际应用中，不可避免地要将光纤一根接一根地接起来，光纤连接会产生损耗。光纤微小弯曲、挤压、拉伸受力也会引起损耗。这些都是光纤使用条件引起的损耗。究其主要原因是在这些条件下，光纤纤芯中的传输模式发生了变化。附加损耗是可以尽量避免的。下面，我们只讨论光纤的固有损耗。固有损耗中，散射损耗和吸收损耗是由光纤材料本身的特性决定的，在不同的工作波长下引起的固有损耗也不同。搞清楚产生损耗的机理，定量地分析各种因素引起的损耗的大小，对于研制低损耗光纤，合理使用光纤有着极其重要的意义。制造光纤的材料能够吸收光能。光纤材料中的粒子吸收光能以后，产生振动、发热，而将能量散失掉，这样就产生了吸收损耗。材料的吸收损耗材料的散射损耗在黑夜里，用手电筒向空中照射，可以看到一束光柱。人们也曾看到过夜空中探照灯发出粗大光柱。那么，为什么我们会看见这些光柱呢？这是因为有许多烟雾、灰尘等微小颗粒浮游于大气之中，光照射在这些颗粒上，产生了散射，就射向了四面八方。这个现象是由瑞利最先发现的，所以人们把这种散射命名为“瑞利散射”。散射是怎样产生的呢？原来组成物质的分子、原子、电子等微小粒子是以某些固有频率进行振动的，并能释放出波长与该振动频率相应的光。粒子的振动频率由粒子的大小来决定。粒子越大，振动频率越低，释放出的光的波长越长；粒子越小，振动频率越高，释放出的光的波长越短。这种振动频率称做粒子的固有振动频率。但是这种振动并不是自行产生，它需要一定的能量。一旦粒子受到具有一定波长的光照射，而照射光的频率与该粒子固有振动频率相同，就会引起共振。粒子内的电子便以该振动频率开始振动，结果是该粒子向四面八方散射出光，入射光的能量被吸收而转化为粒子的能量，粒子又将能量重新以光能的形式射出去。因此，对于在外部观察的人来说，看到的好像是光撞到粒子以后，向四面八方飞散出去了。材料的散射损耗光纤的色散色散（Dispersion）：Differentcomponentsoflighttravelatdifferentvelocitiesinthefiberandarriveatdifferenttimes.色散是光纤的一个重要参数。色散使得光纤中传输的光脉冲发生展宽。z=0z=LDispersion随着脉冲在光纤中传输，脉冲的宽度被展宽色散系数D（ps/km.nm）是光纤的一个重要的传输参数。劣化的程度随数据速率的平方增大决定了电中继器之间的距离光纤的色散色散对传输的限制色散的分类光纤的色散主要由模式色散、材料色散和波导色散组成。其中，材料色散与波导色散都与波长有关，所以又统称为波长色散。在多模光纤中，传输的模式很多，不同的模式，其传输路径不同，所经过的路程就不同，达终点的时间也就不同，这就引起了脉冲的展宽。对模式色散进行的严密分析比较复杂，这里仅作简单讨论。我们知道，在同一根光纤中，高次模到达终点走的路程长，低次模走的路程短，这就意味着高次模到达终点需要的时间长，低次模到达点需要的时间短。在同一条长度为的光纤上，最高次模与最低次模到达终点所用的时间差，就是这段光纤产生的脉冲展宽。模式色散影响光纤时延差的因素有两个：纤芯－包层相对折射率差和光纤的长度。光纤的时延差与纤芯－包层相对折射率差成正比。其中是纤芯的折射率，是包层的折射率。越大，时延差就会越大，光脉冲展宽也越大。从减小光纤时延差的观点上看，希望较小为好，这种小的光纤称为弱导光纤。通信用光纤都是弱导光纤。另外，光纤越长，时延差也越大，色散也越大。模式色散材料色散是由光纤材料自身特性造成的。石英玻璃的折射率，严格来说，并不是一个固定的常数，而是对不同的传输波长有不同的值。光纤通信实际上用的光源发出的光，并不是只有理想的单一波长，而是有一定的波谱宽度。当光在折射率n的为介质中传播时，其速度v与空气中的光速C之间的关系为：v=C/n光的波长不同，折射率n就不同，光传输的速度也就不同。因此，当把具有一定光谱宽度的光源发出的光脉冲射入光纤内传输时，光的传输速度将随光波长的不同而改变，到达终端时将产生时延差，从而引起脉冲波形展宽。材料色散光纤的第三类色散是波导色散。由于光纤的纤芯与包层的折射率差很小，因此在交界面产生全反射时，就可能有一部分光进入包层之内。这部分光在包层内传输一定距离后，又可能回到纤芯中继续传输。进入包层内的这部分光强的大小与光波长有关，这就相当于光传输路径长度随光波波长的不同而异。把有一定波谱宽度的光源发出的光脉冲射入光纤后，由于不同波长的光传输路径不完全相同，所以到达终点的时间也不相同，从而出现脉冲展宽。具体来说，入射光的波长越长，进入包层中的光强比例就越大，这部分光走过的距离就越长。这种色散是由光纤中的光波导引起的，由此产生的脉冲展宽现象叫做波导色散。芯区的折射率分布（光波导结构）因光波长而变化。波导色散一般来说，光纤三种色散的大小顺序是：模式色散材料色散波导色散对于多模光纤，总色散等于三者相加，在限制带宽方面起主导作用的是模式色散，其他两个色散影响很小。对于单模光纤，因只有一个传输模式，故不存在模式色散，其总色散为材料色散和波导色散之和。为减小总的波长色散，要尽量选用窄谱线激光器作光源。对光纤用户来说，一般只关心光纤的总带宽或总色散。光纤光缆在出厂时，也只标明光纤的总带宽或总色散。三种色散的比较1550nm1310nm色散ps/nmkm普通光纤(SMF)非色散位移光纤（NDSF，G.652）已有光纤的95%波长色散位移光纤（DSF,G.653）非零色散位移光纤（NZDSF,G.655）180DWDM波长范围三种光纤色散情况比较传输使用的三种不同类型的单模光纤G.652单模光纤（NDSF）G.653单模光纤（DSF）G.655单模光纤（NZ-DSF）常规G.655大有效面积G.655大多数已安装的光纤低损耗大色散分布大有效面积色散受限距离短2.5Gb/s系统色度色散受限距离约600km10Gb/s系统色度色散受限距离约34kmG.652+DCF方案升级扩容成本高结论:不适用于10Gb/s以上速率传输，但可应用于2.5Gb/s以下速率的DWDM。G.652单模光纤（NDSF）G.653单模光纤（DSF）低损耗零色散小有效面积长距离、单信道超高速EDFA系统四波混频（FWM）是主要的问题，不利于DWDM技术结论:适用于10Gb/s以上速率单信道传输，但不适用于DWDM应用，处于被市场淘汰的现状。G.655单模光纤（NZ-DSF）在1530－1565nm窗口有较低的损耗工作窗口较低的色散，一定的色散抑制了非线性效应（四波混频）的发生。可以有正的或负的色散——海底传输系统正色散SPM效应压缩脉冲，负色散SPM效应展宽脉冲。为DWDM系统的应用而设计的结论:适用于10Gb/s以上速率DWDM传输，是未来大容量传输，DWDM系统用光纤的理想选择。光纤的最新发展新材料光纤氟化物玻璃光纤新结构光纤琉化物玻璃光纤重金属氧化物玻璃光纤聚合物光纤色散平坦光纤（DFF）无水峰光纤保偏光纤特种光缆接续采用接头盒来完成光缆间的连接、密封光纤接头的保护。主要步骤如下：1．光缆准备（光缆检查和长度核实。光缆连接部位每测预留余长8m。）2．接头盒支架安装3．加强芯、金属层接续4．光纤连接5．余纤收容（光纤连接后应将60～80cm余留纤按半径（R≧40mm）盘留收容板上）6．接头护套密