第5章光纤通信技术

《光电子技术基础与技能》电子教案总主编陈振源主编陈克香主审陈忠职业院校理论实践一体化系列教材（光电子技术专业）电子工业出版社第5章光纤通信技术5.1光纤通信技术概述5.2光纤和光缆5.3光纤通信系统技能训练9光纤的熔接本章小结《光电技术基础与技能》教学演示文稿电子工业出版社1.光纤通信的历史与现状2.光纤通信的特点3.光纤通信的发展趋势5.1光纤通信技术概述电子工业出版社第5章光纤通信技术1.光纤的历史和现状（1）光纤通信的基本概念通信，就是将信息从一个地点转移到另一个地点，从而满足人们之间交换信息的需求。通信主要有电通信和光通信两个方式。所谓电通信，指的是用电波作为我们要传送的信息的载体。通常的电通信方式又分为有线和无线两种方式。通过电波来传送信息在我们的日常生活中最为常见，例如大家使用的手机，就是利用无线电波进行通信的例子。而光通信的方式，是指利用光波作为载体来传送信息的方式。光通信也分为利用大气传播光波信息的无线光通信和利用光纤进行的有线光通信。目前，由于光波在大气中的损耗很大，我们所说的光通信通常都是指利用光纤进行的光通信。电子工业出版社第5章光纤通信技术1.光纤的历史和现状（2）光纤通信的历史光通信从烽火台到光纤通信是很漫长的过程，其过程如图5—1所示。图5—1光纤通信发展的历程电子工业出版社第5章光纤通信技术2.光纤的通信的特点（1）光纤通信的优点光纤通信具有容量大、损耗低、中继距离长、抗干扰能力强、保密性好等优点。①光纤的容量大——“超高速公路”②光纤通信传输损耗低、中继距离长——“长跑健将”③传输过程中抗干扰能力强④光纤通信的保密性好⑤光纤的体积小、重量轻⑥制造光纤的材料资源丰富，可以极大的节省有色金属等原材料电子工业出版社第5章光纤通信技术2.光纤的通信的特点（2）光纤通信的缺点光纤通信也并不是完美无缺的，光纤通信也具有以下的一些缺点。①抗拉强度低，容易折断。②光纤连接困难。③光纤通信过程中怕水、怕冰。电子工业出版社第5章光纤通信技术3.光纤的通信的发展趋势光纤可以传输数字信号，也可以传输模拟信号。光纤在通信网、广播电视网与计算机网，以及在其它数据传输系统中，都得到了广泛应用。光纤宽带干线传送网和接入网发展迅速，是当前研究开发应用的主要目标。随着光纤光缆、各种光器件和系统的品种和性能的逐步完善和更新，光纤通信呈现出了蓬勃发展的趋势，当今光纤技术的发展趋势主要有以下几个方面：首先，朝着传输的速率越来越高、容量越来越大网络化的方向发展。其次，光器件向集成化的方向发展第三，发展新型的光纤及光缆纤芯的高密度化。电子工业出版社第5章光纤通信技术5.2.1光纤的结构和分类5.2.2光纤的特性5.2.3光纤的连接5.2.4光缆5.2光纤和光缆电子工业出版社第5章光纤通信技术5.2.1光纤的结构和分类1.光纤的结构如图5—8所示，光纤一般分为三层：中心是折射率高的纤芯（芯径一般为50μm或62.5μm），中间为低折射率包层（直径一般为125μm），最外层的是加强用的树脂涂覆层。其中纤芯是由高度透明的材料做成的，包层的折射率低于纤芯，从而造成一种光效应，使得光波在纤芯和包层的分界面上发生全反射。因此在纤芯中传播的光大部分被限制在纤芯中向前传播。外部的涂覆层是起到保护光纤的作用。图5-8光纤结构电子工业出版社第5章光纤通信技术2.光纤的分类（1）按光纤的材料来分常见的光纤可以分为石英光纤和塑料光纤。石英光纤一般是由掺杂石英的纤芯和掺杂石英的包层组成。石英光纤具有很低的损耗，传输的频带较宽和中等的机械强度等特点，具有较大的应用范围。塑料光纤和石英光纤相比，虽然塑料光纤传输光信号时有较大的损耗，但是塑料光纤具有纤芯的直径大（施工方便），数值孔径大（就像人的眼睛在不转动的时候能够只能看到一定的范围一样，光纤也只能接收一定角度的光线，这个角度的范围就是光纤的数值孔径。数值孔径大的光纤在连接的时候允许一定的差错，耦合容易）以及塑料注入成形技术成本较低的特点。因此，塑料光纤适用短距离的光通信场合，例如室内的计算机联网，船舶飞机内的通信及入户光纤的最后一段的应用等。电子工业出版社第5章光纤通信技术2.光纤的分类（2）按光纤截面上的折射率的分布来分可以分为阶跃型光纤和渐变型光纤两大类。如图5—9所示为两种光纤在截面上的折射率分布图，图中n1代表纤芯的折射率，n2代表包层的折射率。图5-9光纤截面上的折射率分布图电子工业出版社第5章光纤通信技术2.光纤的分类①阶跃型光纤纤芯折射率高于包层折射率，使得输入的光能在纤芯一包层交界面上不断产生全反射而前进，如图5—10所示，这种光纤纤芯的折射率是均匀的，包层的折射率稍低一些，光纤中心芯到玻璃包层的折射率是突变的，只有一个台阶，所以称为阶跃型折射率多模光纤，简称阶跃光纤，也称突变光纤。图5-10光在阶跃型光纤中的传播电子工业出版社第5章光纤通信技术2.光纤的分类②渐变型光纤渐变光纤的纤芯折射率中心最大，沿纤芯半径方向逐渐减小。在光的传输过程中，光的行进方向与光纤轴方向所形成的角度将逐渐变小。同样的过程不断发生，直至光在某一折射率层产生全反射，使光改变方向，朝中心较高的折射率层行进。这时，光的行进方向与光纤轴方向所构成的角度，在各折射率层中每折射一次，其值就增大一次，最后达到中心折射率最大的地方。在这以后，和上述完全相同的过程不断重复进行，由此实现了光波的传输。图5-11光在渐变型光纤中的传播电子工业出版社第5章光纤通信技术5.2.2光纤的特性（1）光纤的损耗光波在光纤中传输时，随着传输距离的增加，光的能量将发生衰减。引起光纤损耗的因素主要有吸收损耗、散射损耗和弯曲损耗。①吸收损耗由于光纤材料和杂质对光能的吸收而引起的，它们把光能以热能的形式消耗于光纤中，是光纤损耗中重要的损耗。1.光纤的传输特性—损耗与色散电子工业出版社第5章光纤通信技术1.光纤的传输特性—损耗与色散②散射损耗光纤内部的散射，会减小传输的功率，产生损耗。散射中最重要的是瑞利散射，它是由光纤材料内部的密度和成份变化而引起的。光纤材料在加热过程中，由于热骚动，使原子得到的压缩性不均匀，使物质的密度不均匀，进而使折射率不均匀。这种不均匀在冷却过程中被固定下来，它的尺寸比光波波长要小。光在传输时遇到这些比光波波长小，带有随机起伏的不均匀物质时，改变了传输方向，产生散射，引起损耗。另外，光纤中含有的氧化物浓度不均匀以及掺杂不均匀也会引起散射，产生损耗。③弯曲损耗光纤是柔软的，可以弯曲，可是弯曲到一定程度后，光纤虽然可以导光，但会使光的传输途径改变。使一部分光能渗透到包层中或穿过包层成为向外泄漏损失掉（通俗的说法就叫漏光），从而产生损耗。当弯曲半径大于5～10cm时，由弯曲造成的损耗可以忽略。电子工业出版社第5章光纤通信技术1.光纤的传输特性—损耗与色散（2）光纤的色散光纤中传输的光信号具有一定的频谱宽度，也就是说光信号具有许多不同的频率成分。在光纤中传输的光信号的不同频率成份分量以不同的速度传播，到达一定距离后必然产生在时间上不同的延迟，从而产生信号失真，这种现象称为光纤的色散。在光纤数字信号传输系统中，色散会造成数字脉冲信号的展宽，如图5-12所示。严重时前后脉冲信号将互相重叠，造成误码。图5-12光脉冲的展宽电子工业出版社第5章光纤通信技术2.光纤的机械特性和温度特性（1）光纤的机械特性光纤的机械特性主要是指光纤的抗拉性能。理论上来讲，外径为125um的光纤能够承受的拉力可以达到30kg，但是由于实际的光纤表面或者内部存在细小的裂痕和气泡，导致光纤的抗拉伸的强度下降。对于裸光纤尤其如此，一根没有外部涂覆层的裸光纤的抗张力不到100g。加上涂覆层的光纤（如图5-13所示）实际的抗张能力可以达到7kg，虽然比理论值30kg下降了不少，但是相比于同样粗细的钢丝，光纤的抗张能力比钢丝强一倍。电子工业出版社第5章光纤通信技术2.光纤的机械特性和温度特性在制造过程中，当光纤丝被拉出以后，要在包层之外涂上一层丙烯酸环氧树脂或硅酮树脂（硅橡胶）等保护材料（此工序称为一次涂覆或预涂覆）。涂覆层除了可以防止光纤的机械损伤外，还可以隔离光纤纤芯和空气中的水分和各种化学成分，可以防止光纤表面已经存在的微小的裂纹进一步的腐蚀扩大，从而提高光纤的抗张能力。光纤的机械性能还与制造过程的各道工序紧密相关，尤其对于制造环境的整洁度要求很高，如果有污染物接触了裸光纤就会造成制造出来的光纤的最终的抗拉强度大大的降低。图5-13含有涂覆层的光纤电子工业出版社第5章光纤通信技术2.光纤的机械特性和温度特性（2）光纤的温度特性光纤的温度特性的是指光纤在使用过程中随着温度的变化表现出来的稳定性能。如前所述，为了增加光纤的抗拉性能，裸光纤增加涂覆层和套塑层。由于涂覆层和套塑层的材料是树脂和塑料，它们的膨胀系数大于裸光纤的膨胀系数。因此，在温度变化时，由于涂覆层和套塑层的热胀冷缩的程度比裸光纤的热胀冷缩程度高，所以会造成光纤的弯曲引起光纤的附加损耗。光纤的温度特性受到涂覆层和套塑层所使用的材料和制造的工艺影响很大。因此，在光纤的制造过程中，必须合理的选择涂覆层和套塑层的所使用的材料和相关的工艺，减小由于温度变化引起的涂覆层和套塑层热胀冷缩造成的光纤弯曲。电子工业出版社第5章光纤通信技术5.2.3光纤的连接实际的光纤系统都是由许许多多的光纤连接构成的,而两根光纤的连接比两根金属导线的连接复杂许多。金属导线的连接只需要紧密接触就可以了，金属连接的连接损耗几乎小到可以忽略不计。而两根光纤的连接却需要很精密的连接技术来实现，以达到减小由光纤接头的损耗。通常，光纤接头引起的损耗达到系统总损耗的30％以上。光纤连接的方法主要有固定连接和活动连接两种方法。电子工业出版社第5章光纤通信技术1.光纤的连接方法（1）光纤的固定连接光纤的固定连接主要包括三个步骤：光纤端面的制备、光纤的对准和光纤头的固定。①光纤端面的制备为了获得低损耗的光纤接头，待连接的两根光纤的端面必须光滑平整，并且端面必须与光纤的轴相垂直。②光纤的对准包括无源对准和有源对准两种方式。无源对准是指利用光纤的包层或支撑光纤的套管的几何一致性来使光纤的纤芯对准。有源对准是指通过监测光纤到光纤的耦合效率，使光纤的接收功率最大或者是使光纤的连接损耗达到最小，从而获得最佳的对准效果。电子工业出版社第5章光纤通信技术1.光纤的连接方法③光纤的固定光纤的固定包括胶粘、机械夹持和熔接三种方式。胶接技术在光纤连接中起到十分重要的作用。除了熔接接头外，几乎所有的光纤连接都离不开各种各样的胶粘剂。应用胶粘的方法固定光纤接头，最重要的就是要选择热性能良好的胶粘剂，这样才能保证接头特性的长期稳定。机械夹持技术是为临时连接两根光纤提供一种简便而快速的方法。它的原理是在光纤对准的基础上，利用机械机构使光纤固定，机械夹持与胶粘剂结合使用可以作为稳固的永久性的光纤接头。光纤的熔接技术是性能最稳定、应用最普遍的一种，常用与永久性的光纤固定接头。在光纤熔接过程中，通常是将光纤经过端面的制备、光纤对准后利用电弧、等离子焊枪或者氢氧焰焊枪对准光纤连接部位进行加热使得两根光纤熔接。采用熔接的光纤接头的连接损耗很低。电子工业出版社第5章光纤通信技术1.光纤的连接方法（2）光纤的活动连接光纤的活动连接是靠光纤连接器来实现的。光纤活动连接器是一种可以拆卸的连接器件，它可以用来反复的连接和断开光纤。电子工业出版社第5章光纤通信技术2.光纤连接中的辅助器件在光纤通信的传输系统中，在传输线路中还需要各种辅助器件以实现光纤与光纤之间或光纤与光端机之间的连接、耦合、合分路、线路倒换以及保护等多种功能。辅助器件有光纤连接器、光纤耦合器、光开关、光隔离器、光衰减器等。（1）光纤连接器①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，目前有代表性并且正在使用的光纤连接器主要有四种结构。（如下图所示）电子工业出版社第5章光纤通信技术2.光纤连接中的辅助器件a）套管结构如图5－19所示，套管结构主要由套筒和插针构成。光纤放置