光纤光缆知识培训资料(修改版)

目录•光纤和光缆•光纤概述•光缆线路的施工1.1光纤通信发展概况光纤通信：以光波为载波，以光导纤维（简称光纤）为传输介质的一种通信方式。光纤通信是由光通信逐步发展演变而来。1.1.1光通信发展史烽火台火光—光电话—半导体激光器—玻璃制光导纤维—石英光纤光纤概述1.1.2光纤发展的阶段①第一代光纤通信系统波长:0.85μm短波长(多模光纤)传输速率:50-100Mb/s光纤损耗:2.5-3dB/km中继距离：10km②第二代光纤通信系统波长：1.31μm（长波长多模或单模光纤）传输速率:140Mb/s光纤损耗:0.55-1dB/km中继距离：20-50km光纤概述1.1.2光纤发展的阶段③第三代光纤通信系统波长：1.31μm（长波长单模光纤）传输速率：PDH的各次群光纤损耗:0.3-0.5dB/km中继距离：50-100km④第四代光纤通信系统传输速率：可达2.5Gb/s中继距离：80-120km⑤第五代光纤通信系统DWDM技术光纤概述1.2光在电磁波中的位置光波与无线电波相似，也是一种电磁波，只是它的频率比无线电波的频率高得多。光纤通信所用光波的波长范围：0.8-1.8μm短波长：0.8-0.9μm长波长：1.0-1.8μm超长波长：≥2.0光纤通信采用的三个通信窗口短波长：0.85μm长波长：1.31μm和1.55μm波长、频率和光速之间的关系式：fc光在真空中的传播速度约为sm/10381.3光纤通信系统的基本组成1.3.1光纤通信系统的基本组成光发射机光中继器电信号LD光接收机电信号PIN光纤光纤①光发射机光发射机，即发端光端机，主要作用是将来自于电端机的电信号转变为光信号，并将光信号送入到光纤中传输。②光纤光缆光纤是光纤通信的传输介质，主要作用是将光信号由发端传送到收端。③光接收机光接收机，即收端光端机，其主要作用是将光纤传送过来的光信号转变为电信号，然后经进一步的处理在送到接收端的电端机去。④光中继器光信号在光纤中传输一定距离后，由于受到光纤损耗和色散的影响，光信号的能量会衰减，波形也会产生失真，从而导致通信质量恶化。为此，在光信号传输一定距离后就要设置光中继器，其作用是对衰减了的光信号进行放大，恢复失真了的波形。1.3.2光纤通信系统的分类①按传输信号分类数字光纤通信系统模拟光纤通信系统②按传输波长分类短波长光纤通信系统长波长光纤通信系统③按光纤传输模式数量分类多模光纤通信系统单模光纤通信系统1.4光纤通信的特点1.4.1光纤通信的优点①传输频带宽，通信容量大②中继距离长③抗电磁干扰④保密性能好，无串话⑤原材料资源丰富，节省有色金属⑥体积小，重量轻，便于敷设和运输1.4.2光纤通信的缺点①抗拉强度低②光纤连接空难③光纤怕水下表列出了光缆和其他几种传输介质特性的比较。介质特性对称电缆或四芯对绞电缆同轴电缆微波波导光纤（缆）传输体直径（mm）1～410500.1～0.2缆的重量比（同等传输容量）1110.1每段缆的制造长度（m）100～500100～5003～10＞2000传输的损耗（dB/km）20（4MHz时）19（60MHz时）20.2～3带宽（MHz）64004～120（GHz）（指微波频带）＞10GHz·km（指所传送信号）敷设安装方便方便特殊方便接头和连接方便较方便特殊特殊中继距离（km）1～21.510＞501.5光纤通信的发展趋势①向超高速系统发展②向超大容量WDM系统演进③向全光网络方向发展④想光孤子通信方向发展⑤向用户网的光纤化发展•通信容量大一根光纤同时传输24万个话路，比传统的明线、同轴电缆、微波等要高出几十乃至上千倍。波分复用技术的采用，把一根光纤当作几根、几十根光纤使用，通信容量近乎无限。•中继距离长光纤具有极低的衰耗系数。目前商用化石英光纤已达0.19dB/km以下，配以适当的光发送与光接收设备，中继距离达数百公里以上，特别适用于长途一、二级干线通信。•保密性能好，抗干扰能力强由于光的频率极高，远高于一般的电磁波的频率，而且光波在光纤中传输时只在其芯区进行，不存在传统的电磁波辐射，因此其保密性能极好，同时也不怕外界强电磁场的干扰，抗干扰能力强。•便于施工和维护体积小、重量轻。光缆的敷设方式方便灵活。既可以直埋、架空，双可能通过管道和水底敷设。光纤通信优点目录•光纤和光缆•光纤概述•光缆的测试•光缆线路的施工•光缆线路线路维护和管理2.1光纤的结构和分类2.1.1光纤的结构光纤呈圆柱形，由纤芯、包层与涂层三大部分组成n1n2n1n2包层纤芯涂覆层套塑光纤结构示意图•光纤的构造纤芯主要采用高纯度的SiO2二氧化硅，并掺有少量的掺杂剂，提高纤芯的光折射率n1；包层也是高纯度的二氧化硅，也掺杂一些掺杂剂，主要是降低包层的光折射率n2；涂层采用丙烯酸酯、硅橡胶、尼龙，增加机械强度和可弯曲性。光缆是多根光纤放在放在一个松套管内，内冲石油膏和钢丝形成的。海底光缆内还有电源线，主要为中继站的放大器等提供电源。2.1.1光纤的结构纤芯直径的直径单模光纤：8-10μm多模光纤：50μm包层直径：125μm光纤一次涂覆层缓冲层二次涂覆层光纤油膏一次涂覆层松套管(a)紧套光纤(b)松套光纤2.1.2光纤的分类（1）按光纤折射率分布来分①阶跃型光纤如果纤芯折射率是均匀不变的常数n1，包层折射率也是均匀不变的常数n2，且在纤芯和包层的界面折射率发生突变，即由n1突变为n2，则这种光纤成为阶跃型光纤。②渐变型光纤如果纤芯折射率不是常数，而是随着半径的加大而逐渐减小，到了纤芯和包层界面降至包层的折射率n2，则这种光纤成为渐变型光纤。2.1.2光纤的分类（2）按光纤中传输模式数量来分①多模光纤多模光纤就是可以传输多个模式的光纤。多模光纤的折射率分布可采用阶跃型和渐变型，前者称为阶跃型多模光纤，后者称为渐变型多模光纤。②单模光纤单模光纤就是只能传输一种模式的光纤。单模光纤只能传输基模，不存在模式色散，具有比多模光纤大得多的带宽，故单模光纤使用大容量、长距离传输。2.1.2光纤的分类（3）按光纤的工作波长来分①短波长光纤短波长光纤的工作波长在0.8μm-0.9μm范围内，具体工作窗口0.85μm，主要用于短距离、小容量的光纤通信系统中。②长波长光纤长波长光纤的工作波长在1.1-1.8μm范围内，有1.31和1.55Μm两个工作窗口，主要用于长距离、大容量的光通信系统中。•光纤的工作波长（工作窗口）光线路信号在光纤上传送的波长：850nm、1310nm、1550nm。850nm窗口只用于多模传输1310nm和1550nm窗口用于单模传输。2.1.2光纤的分类（4）按制造光纤的材料来分①石英光纤②全塑光纤（5）按ITU-T建议来分为了使光纤具有统一的国际标准，ITU-T制定了统一的光纤标准。①G.652光纤(常规单模光纤)②G.653光纤(色散位移单模光纤)③G.654光纤(1.55μm性能最佳单模光纤)④G.655光纤(非零色散位移单模光纤)•光纤的类型G.652光纤：在1310nm波长窗口色散性能最佳，是目前应用最广泛的光纤。•在1310nm处，色散小，衰耗大；•在1550nm处，色散大，衰耗小；G.653光纤：在1550nm波长，衰耗和色散皆为最小值，可实现大容量长距离传输。因出现四波混频效应(FWM),限制了它在WDM（波分复用）方面的应用。•光纤的类型G.654光纤：1550nm损耗最小光纤，主要用于长再生中继距离的海底光缆。G.655光纤：克服了G.652光纤在1550nm处色散受限和G.653光纤在1550nm处出现四波混频效应的缺陷，适用于WDM系统。WDM是波分复用系统，是一种可以提高光纤频率带宽利用率的系统2.2光纤的导光原理2.2.1光的反射和折射•光纤的导光原理光是一种频率很高的电磁波，而光纤本身是一种介质波导。我们从几何光学的角度来简单讨论光纤的导光原理。•全反射原理•光线在均匀介质中是以直线传播的，但在两种不同介质的分界面会产生反射和折射现象，如图所示：包层纤芯折射光反射光入射光光的反射与折射n2n1123•全反射原理当n2/n1的比值增大到一定程度，则会使折射角≥90度，此时的折射光线不再进入包层，而会在纤芯与包层的分界面上掠过，或者重返回到纤芯中进行传播，这种现象叫做光的全反射现象。不难理解，当光在光纤中发生全反射现象时，由于光线基本上全部在纤芯区进行传播，没有光跑到包层中去，所以可以大大降低光纤的衰耗。•全反射现象光的全反射现象包层n2纤芯n1折射光13入射光•光在光纤中的传播•光在光纤中以“Z”形轨迹传播及沿纤芯与包层的分界面掠过包层n2纤芯n1（1）反射定律和折射定律反射定律是指反射光线位于入射光线和法线所决定的平面内,反射光线和入射光线分居法线两侧,反射角等于入射角,即θ1=θ2折射定律是指折射光线和入射光线分居法线两侧,不论入射角怎样改变,入射角的正弦值和折射角的正弦值之比等于介质2的折射率n2与介质1的n1之比,即n1sinθ1=n2sinθ2（2）光密介质和光疏介质介质的折射率表示介质的传光能力,某一介质的折射率n等于光在真空中的传播速度c与在该介质中的传播速度之比v之比,即cnv相对来说,传光速度大(折射率小)的介质称为光疏介质,传光速度小(折射率大)的介质称为光密介质.（3）光的全反射产生全反射必须满足两个条件：①光线从光密介质射向光疏介质。②入射角大于临界角。2.2.2光在光纤中的射线传播光纤的传输特性在很大程度上取决于它的折射率分布，光纤的折射率分布有很多类型，但主要的是阶跃型和渐变型。（1）光在阶跃型光纤中的传播在阶跃型光纤中，纤芯的折射率为常数n1，包层的折射率为常数n2，并且n1＞n2。设光纤周围为空气，其折射率为n0，当光线以入射角φ0射到光纤端面时，将有一部分光线射入纤芯。由于阶跃型光纤的纤芯折射率为常数，故前心中的光线将沿直线传播，当纤芯中的光线以入射角φ1射至芯-包界面时，也将产生反射和折射，具体其传播可分为三种情况。①临界状态时的光线的传播由于n1＞n2，所以纤芯和包层界面存在一产生全反射的临界角φc。在临界状态时，即φ1=φc，芯-包界面的折射光线不再进入包层，而是在纤芯和包层的界面掠射。②部分光进入包层的传播当入射角φ1＜φc时，此时芯-包界面既有一部分光线反射回纤芯，又有一部分光折射进包层。由于包层中的折射光线损耗大，每折射一次能量就损耗一些，因此这条光线经几次反射和折射后，很快就损耗掉了，而不能在纤芯中传输。③全反射的传播当φ1＞φc时，光线将在芯-包界面产生全反射，即光线全部反射回纤芯，而反射回纤芯中的光线又以同样的入射角射到纤芯与包层的另一界面再次产生全反射，如此不断反复，光线就从一端传输到另一端。根据上面的分析，要使光线在纤芯中传播，必须使其在芯-包界面产生全反射。由光纤的端面的折射定律可知，光纤端面的入射角φ0减小，芯-包界面的入射角θ1就增大，反之亦然。若设φc是与临界角θc相对应的光纤端面的入射角，称之为受光角或孔径角，则当φ0＜φc时，有θ1＞φc。上述分析表明，当光线以入射角φ0射至光纤端面时，如果φ0＞φc，则θ1＜φc，那么光线不能在芯-包界面产生全反射，此时将有部分光纤折射进入包层不再成为有用的传播，成为辐射模。只有当φ0＜φc时，才能使θ1＞φc，即才能使纤芯中的光线在芯-包界面不断产生全反射而封闭在纤芯中传播，成为传导模。这种菜纤芯中产生全反射并穿过轴心的光射线称为子午射线。对于阶跃型光纤，其导光原理可以概括为：①纤芯的折射率n1必须大于包层的折射率n2，即首先要满足光波导田间n1＞n2；②在光纤的芯-包界面上满足全反射条件，即入射角必须大于临界角（θ1＞θ2）；③为保证能在芯-包界面上发生全反射，光线在光纤端面上的入射角必须小于孔径角，即φ0＜φc（2）光在渐变型光纤中的传播对于渐变型光纤的导光原理，可以按照阶跃型光纤的分析思路做近视处理。2.2.3光纤的光学参数光纤不仅具有芯径、外径、同心度等几何参数，还有“相对折射率差”、“数值孔径”等光学参数。①相对折射率差2212212nnn②数值孔径