光纤传输简介和光纤传输系统设计指南

光纤传输简介和光纤传输系统设计指南一、概述光纤即为光导纤维的简称。光纤通讯是以光波为载频，以光导纤维为传输媒介的一种通信方式。光纤通讯之所以在最近短短的二十年中能得以迅猛的发展，是由于它具有以下的突出优点而决定：1．传输频带宽、通讯容量大。光载波频率为5X1014MHz,光纤的带宽为几千兆赫兹甚至更高。2．信号损耗低。目前的实用光纤均采用纯净度很高的石英(SiO2)材料，在光波长为1550nm附近，衰减可降至0.2dB/km,已接近理论极限。因此，它的中继距离可以很远。3．不受电磁波干扰。因为光纤为非金属的介质材料，因此它不受电磁波的干扰。4．线径细、重量轻。由于光纤的直径很小，只有0.1mm左右，因此制成光缆后，直径要比电缆细，而且重量也轻。因此，便于制造多芯光缆。5．资源丰富。光纤通讯除了上述优点之外，还有抗化学腐蚀等特点。当然光纤本身也有缺点，如光纤质地脆、机械强度低；要求比较好的切断、连接技术；分路、耦合比较麻烦等。二、光纤和光缆1．光纤的分类①按照传输模式来划分：光纤中传播的模式就是光纤中存在的电磁场场形，或者说是光场场形(HE)。各种场形都是光波导中经过多次的反射和干涉的结果。各种模式是不连续的离散的。由于驻波才能在光纤中稳定的存在，它的存在反映在光纤横截面上就是各种形状的光场，即各种光斑。若是一个光斑，我们称这种光纤为单模光纤，若为两个以上光斑，我们称之为多模光纤。◆单模光纤(Single-Mode)单模光纤只传输主模，也就是说光线只沿光纤的内芯进行传输。由于完全避免了模式色散，使得单模光纤的传输频带很宽，因而适用于大容量，长距离的光纤通讯。单模光纤使用的光波长为1310nm或1550nm。如图1单模光纤光线轨迹图。◆多模光纤(Multi-Mode)在一定的工作波长下(850nm/1300nm)，有多个模式在光纤中传输，这种光纤称之为多模光纤。由于色散或像差，因此，这种光纤的传输性能较差，频带较窄，传输容量也比较小，距离比较短。如图1多模光纤光线轨迹图。②按照纤芯直径来划分：◆50/125(μm)缓变型多模光纤◆62.5/125(μm)缓变增强型多模光纤◆8.3/125(μm)缓变型单模光纤备注：50/62.5/8.3μm均为光纤的光芯直径数，125μm均为光纤玻璃包层的直径数。③按照光纤芯的折射率分布来划分◆阶跃型光纤(Stepindexfiber)，简称SIF；◆梯度型光纤(Gradedindexfiber)，简称GIF；◆环形光纤(ringfiber)；◆W型光纤2．光缆：点对点光纤传输系统是通过光缆进行连接。光缆可包含1根光纤(有时称单纤)或2根光纤(有时称双纤)，或者更多(48纤、1000纤)。3．光纤辅助器件：◆光纤配线架(Housing)用于室内光纤网络配线系统。◆光纤活动连接器(Connector)用于各类光纤设备(如光端机等)与光纤之间的连接。(ST-FC-SC)◆光纤适配器和衰减器(AdaptorandAttenuator)光纤适配器用于各类光纤设备与光纤连接方式的转换。光纤衰减器用于减弱输入光功率减，从此避免由于输入光功率超强而使光接收机产生的失真。(对于NTK光端机，无需用衰减器)◆光分路器(Coupler)适用于将一根光纤信号分解为多路光信号输出(如：计算机网络、CCTV系统)。◆光波分复用器(WDM)用于光路中不同波长的光的分离或混合。三、光端机模拟光端机绝大部分为FM调频式光端机,个别型号为AM调幅式光端机。调频技术的突出优点是抗干扰能力强，保真度高，在线性良好的传输介质中传输，对非线性失真的要求不高，只需考虑载噪比就可以。而调频系统比调幅系统的灵敏度高大约16dB，这意味着增加了至少40公里的传输能力(单模)。1．单模光端机/多模光端机：模拟光端机根据系统的传输模式可分为单模光端机和多模光端机。一般来说，单模光端机光信号传输可达几十公里的距离，有些型号可无中继传输100公里。而多模光端机的光信号一般传输为4公里左右，有些型号可达6公里。这一点也可作为光纤系统中对一般光端机选择的参考标准。2．数据/视频/音频光端机：光端机根据传输光信号又可分为数据(RS-232/RS-422/RS-485/曼彻斯特码/TTL/常开触点/常闭触点)光端机、视频(Video)光端机、音频(Audio)光端机、视频/数据光端机、视频/音频光端机、视频/数据/音频光端机以及多路复用光端机。3．独立模块/插卡式光端机①独立模块：独立模块光端机可独立使用，但需要外接电源。某些类型的光端机既可用于独立模块式也可使用于插卡式密集型机箱。独立模块光端机主要应用于系统远程设备比较分散的场合。②插卡式机箱：插卡式光端机可插入密集机箱中工作，每个密集型机箱为标准19″机架，具有多个模块式插槽。插卡式光端机主要应用在系统的控制中心，便于系统安装和维护。四、光纤系统设计简介1．设计思路：系统的设计思路：设计者能选择最有效及最节省成本的方式来传递光信号。要做到这一点，设计者必须了解系统中各个不同部件的要求和损耗，具体损耗如下表1：除此之外，设计者还必须从以下几个方面的情形着手考虑：◆光纤系统是要传输视频、音频、数据、还是这些信号的组合？◆这些信号是单向还是双向？◆信号的传输距离有多远？◆光纤系统的光学损耗预算是多少？◆系统中光学损耗的总和和光端机允许的光学最大衰减值相比较的结果如何？2．光学传输损耗：光学损耗值或全部衰减值，是接收机和发射机之间各个独立部件损耗的总和。引起光学损耗的主要原因有：◆光纤每公里损耗◆光纤耦合器的损耗◆连接器的损耗◆接口的损耗在计算这些损耗时，不可能十分准确，制造厂商将给出标准范围并制定以下内容的容限，如接头的类型，光源发射器的寿命和状态，以及包括温度变化在内的环境因素等。在估算光学能量的损耗时，可参考上面损耗表，进行预算。3．最大衰减值：所有NTK光端机都标示有最大的衰减指标，此数字(以dB分贝表示)越高，系统可工作的距离就越长。该数字也可参考光学损耗预算，表明NTK光端机的传输能力。它是系统能够容忍并工作正常时的最大信号衰减数值。整个线路的损耗，也称链路损耗可通过以下的方式决定：◆使用光学仪器来测量损耗◆实际估算各系统部件的损耗项目损耗1．连接器类型：ST连接器1.00dBFC/SC连接器0.5dB2．光纤类型：（视具体光纤类型而定）多模@850nm3.0～3.5dB/km多模@1300nm1.0～1.5dB/km单模@1310nm0.2～0.6dB/km单模@1550nm0.2～0.4dB/km3．接口类型：对接（Butt）2.0dB机械连接(Mechanical)0.5dB熔接(Fusion)0.1～0.2dB4．配线板：2.0dB后一种要考虑以下因素，每个因素均有其相关的损耗值：连接器、接头类型、光纤类型、光纤跳线/配线板，光学裕度等。随着制造技术和工艺的不断进步，这此损耗值也在日益降低，所以在估算传输距离时，除了按损耗表考虑上述各因素外，还要参照各部件厂商标称的实际参数。将这些因素所产生的光学损耗相加，如果总数小于NTK光端机所标示的最大衰减数值，则就可保证系统的正常工作。而这一点通常可作为一个光纤传输系统设计成功与否的参考标准。4．系统设计：以下的光纤系统的设计虽是处于假想的，但又是典型的条件下，可起到抛砖引玉的效果。通过该例，可以使用户更好地理解如何在设计一个光纤系统，在既定应用中使系统有效地工作。选择光纤系统部件主要基于较简单地计算标准光学损耗值。如果符合设备设定的最大损耗值(光学预算)，则可达到预期效果。计算实例：NTK3810(长距离单路视频单模传输光端机)：@1310nm最大光学衰减为26dB，(采用DFB激光器可达34dB或36dB)试问：当视频信号传输距离为60公里时，该光纤系统能否正常工作？根据以上的结构及组成，可对该系统的光学损耗进行预算：①光纤的传输损耗：60kmX0.2dB/km=12dB②FC型连接器损耗：2X0.5dB=1dB③光纤熔接点的损耗：30X0.1dB=3dB(一般每2公里光纤有1个熔接点)④光纤配线板损耗：2X2dB=4dB⑤光学损耗裕量：2.0dB光学总损耗预算值：12dB+1dB+3dB+4dB+2dB=22dB26dB(最大光学衰减值)由此可以保证：该光纤传输系统可在此预算下正常工作(若采用DFB激光器，其允许最大链损为36dB,请计算能否传输100km)。设计结果如图3所示。