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光纤传输基础知识 线路中心 1月8日
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光纤通信的优点 通信容量大 中继距离长 不受电磁干扰 资源丰富 光纤重量轻、体积小
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光通信发展简史 2000多年前 烽火台——灯光、旗语 1880年 光电话——无线光通信 1970年 光纤通信
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光纤通信发展史 1966年“光纤之父”高锟博士首次提出光纤通信的想法。 1970年贝尔研究所林严雄在室温下可连续工作的半导体激光器。 1970年康宁公司的卡普隆(Kapron) 之作出损耗为20dB/km光纤。 1977年芝加哥第一条45Mb/s的商用线路。
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电磁波谱 红外线 紫外线 光通信使用范围 1cm 1mm 100um 10um 1um 100nm 10nm 1nm λ波長
10G 100G 1T 10T 100T 10^ ^16 10^ f (Hz) 1.6um um nm 光通信使用范围 红外线 紫外线
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通信波段划分及相应传输媒介 频率 Hz 自由空间波长(m) 频段划分 传输介质 电力、电话 无线电、电视 微波 红外 可见光 101 107
102 106 103 105 104 108 100 109 10-1 1010 10-2 1011 10-3 1012 10-4 1013 10-5 1014 10-6 1015 自由空间波长(m) 电力、电话 无线电、电视 微波 红外 可见光 双铰线 同轴电缆 光纤 卫星/微波 AM无线电 FM无线电 频段划分 传输介质
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光的折射,反射和全反射 因光在不同物质中的传播速度是不同的,所以光从一种物质射向另一种物质时,在两种物质的交界面处会产生折射和反射。而且,折射光的角度会随入射光的角度变化而变化。当入射光的角度达到或超过某一角度时,折射光会消失,入射光全部被反射回来,这就是光的全反射。不同的物质对相同波长光的折射角度是不同的(即不同的物质有不同的光折射率),相同的物质对不同波长光的折射角度也是不同。光纤通讯就是基于以上原理而形成的。 反射率分布:表征光学材料的一个重要参数是折射率,用N表示,真空中的光速C与材料中光速V之比就是材料的折射率。妈N=C/V 光纤通信用的石英玻璃的折射率约为1.5
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光通信的发展过程 潜望镜原理——光波导之雏形 雏形:古代烽火、手旗、灯光
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光的基本知识 入射 反射 θ1 θ3 n1 空气 水 n2 视觉位置 n1<n2 θ2 折射 实际位置
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光的基本知识 n1 n2 n1 > n2 临界角 900 全反射 入射角=反射角 θ1 θ2
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光纤结构 光纤裸纤一般分为三层: 第一层:中心高折射率玻璃芯(芯径一般为9-10μm,(单模)50或62.5(多模)。
第三层:最外是加强用的树脂涂层。 纤芯 包层 保护套
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光纤的结构 一、纤芯 core:折射率较高,用来传送光; 二、包层 coating:折射率较低,与纤芯一起形成全反射条件; 三、保护套 jacket:强度大,能承受较大冲击,保护光纤。 3mm光缆 橘色 MM 多模 黄色 SM 单模
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光纤的尺寸 外径一般为125um(一根头发平均100um) 内径:单模9um 多模50/62.5um 125 9 50 62.5
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数值孔径 入射到光纤端面的光并不能全部被光纤所传输,只是在某个角度范围内的入射光才可以。这个角度就称为光纤的数值孔径。光纤的数值孔径大些对于光纤的对接是有利的。不同厂家生产的光纤的数值孔径不同(AT&TCORNING)。
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光纤的种类 按光在光纤中的传输模式可分为:多模(Multi-Mode) (简称:MM) 单模(Single-Mode)(简称:SM)
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,这就限制了传输数字信号的频率,而且随距离的增加会更加严重。例如:600MB/KM的光纤在2KM时则只有300MB的带宽了。因此,多模光纤传输的距离就比较近,一般只有几公里。 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。实际上是阶跃型光纤的种,只是纤芯径很小,理论上只允许单一传播途径的直进光入射至光纤内,并在纤芯内作直线传播。光纤脉冲几乎没有展宽。因此,其模间色散很小,适用于远程通讯,但其色度色散起主要作用,这样单模光纤对光源的谱宽和稳定性有较高的要求,即谱宽要窄,稳定性要好。
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光纤的分类 按材料分类: 玻璃光纤:纤芯与包层都是玻璃,损耗小,传输距离长,成本高;
胶套硅光纤:纤芯是玻璃,包层为塑料,特性同玻璃光纤差不多,成本较低; 塑料光纤:纤芯与包层都是塑料,损耗大,传输距离很短,价格很低。多用于家电、音响,以及短距的图像传输。
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按最佳传输频率窗口 按最佳传输频率窗口:常规型单模光纤和色散位移型单模光纤。
常规型:光纤生产长家将光纤传输频率最佳化在单一波长的光上,如1300nm。 色散位移型:光纤生产长家将光纤传输频率最佳化在两个波长的光上,如:1300nm和1550nm。
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突变型:光纤中心芯到玻璃包层的折射率是突变的。其成本低,模间色散高。适用于短途低速通讯,如:工控。但单模光纤由于模间色散很小,所以单模光纤都采用突变型。
渐变型光纤:光纤中心芯到玻璃包层的折射率是逐渐变小,可使高模光按正弦形式传播,这能减少模间色散,提高光纤带宽,增加传输距离,但成本较高,现在的多模光纤多为渐变型光纤。
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常用光纤规格 光纤尺寸: 1、单模纤芯直径:9/125μm,10/125μm 2、包层外径(2D)=125μm 3、一次涂敷外径=250μm
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光纤衰减 造成光纤衰减的主要因素有:本征,弯曲,挤压,杂质,不均匀和对接等。 本征:是光纤的固有损耗,包括:瑞利散射,固有吸收等。
本征:是光纤的固有损耗,包括:瑞利散射,固有吸收等。 弯曲:光纤弯曲时部分光纤内的光会因散射而损失掉,造成的损耗。 挤压:光纤受到挤压时产生微小的弯曲而造成的损耗。 杂质:光纤内杂质吸收和散射在光纤中传播的光,造成的损失。 不均匀:光纤材料的折射率不均匀造成的损耗。 对接:光纤对接时产生的损耗,如:不同轴(单模光纤同轴度要求小于0.8μm),端面与轴心不垂直,端面不平,对接心径不匹配和熔接质量差等。
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光缆的种类 1.按敷设方式分有:自承重架空光缆,管道光缆,铠装地埋光缆和海底光缆。
2.按光缆结构分有:束管式光缆,层绞式光缆,紧抱式光缆,带式光缆,非金属光缆和可分支光缆。 3.按用途分有:长途通讯用光缆、短途室外光缆、混合光缆和建筑物内用光缆。
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光缆的接续与成端 光缆的接续与成端是光缆线路维护人员必须掌握的基本技能。 光缆的接续技术分类: 一、光纤的接续技术和光缆的接续技术两部分。
二、光缆的成端类似光缆的接续,只不过由于接头材料不同而操作该当也有所不同。
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光纤接续的种类 光缆接续一般可分为两大类: 一、光纤的固定接续(俗称死接头)。一般采用光纤熔接机;用于光缆直接头。
二、光纤的活动接头(俗称活接头)。用能够拆卸的连接器连接(俗称活接头)。用于光纤跳线、设备连接等地方 由于光纤端面的不完整性和光纤端面压力的不均匀性,一次放电熔接光纤的接头损耗还比较大,现在采用二次放电熔接法。先对光纤端面预热放电,给端面整形,去除灰尘和杂物,同时通过预热使光纤端面压力均匀。
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光纤连接损耗的监测方法 光纤连接损耗的监测方法有三种: 1、在熔接机上进行监测。 2、光源、光功率计监测。 3、OTDR测量法
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一、光纤接续的操作方法 光纤接续操作一般分为: 1、光纤端面的处理。 2、光纤的接续安装。 3、光纤的熔接。 4、光纤接头的保护。
5、余纤的盘留五个步骤。
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二、光缆接续的操作方法 通常整个光缆的接续按以下步骤进行: 第一步:大量好长度,开剥光缆,除去光缆护套;
第二步:清洗、去除光缆内的石油填充膏。 第三步:捆扎好光纤。 第四步:检查光纤心数,进行光纤对号,核对光纤色标是否有误; 第五步:加强心接续; 第六步:各种辅助线对,包括公务线对、控制线对、屏蔽地线等接续(如果有上述线对。 第七步:光纤的接续。 第八步:光纤接头保护处理; 第九步:光纤余纤的盘库留处理; 第十步:完成光缆护套的接续; 第十一步:光缆接头的保护。
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光纤的损耗 1310 nm : 0.35 ~ 0.5 dB/Km 1550 nm : 0.2 ~ 0.3dB/Km 850 nm : 2.3 ~ 3.4 dB/Km 光纤熔接点损耗:0.08dB/点 光纤熔接点 1点/2km
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常见光纤名词 衰减:光在光纤中传输时的能量损耗 单模光纤 1310nm 0.4~0.6dB/km 1550nm 0.2~0.3dB/km 塑料多模光纤 300dB/km
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光纤的衰减 衰减(dB/km) 光纤的衰减图 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 λ nm 6
OH- 第一窗口 第二窗口 第三窗口 衰减(dB/km) 水峰值 6 5 4 3 2 1
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色散(Dispersion):光脉冲沿着光纤行进一段距离后造成的频宽变粗。它是限制传输速率的主要因素。
常见光纤名词 色散(Dispersion):光脉冲沿着光纤行进一段距离后造成的频宽变粗。它是限制传输速率的主要因素。 模间色散:只发生在多模光纤,因为不同模式的光沿着不同的路径传输。 材料色散:不同波长的光行进速度不同。 波导色散:发生原因是光能量在纤芯及包层中传输时,会以稍有不同的速度行进。在单模光纤中,通过改变光纤内部结构来改变光纤的色散非常重要。
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光纤类型 G.652零色散点在1300nm左右 G.653零色散点在1550nm左右 G.654负色散光纤 G.655色散位移光纤 全波光纤
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散射 由于光线的基本结构不完美,引起的光能量损失,此时光的传输不再具有很好的方向性。
常见光纤名词 散射 由于光线的基本结构不完美,引起的光能量损失,此时光的传输不再具有很好的方向性。 光线 缺陷
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光纤系统基础知识 一、基本光纤系统的构架及其功能介绍: 1.发送单元:把电信号转换成光信号; 2.传输单元:载送光信号的介质;
3.接收单元:接收光信号并转换成电信号; 4.连接器件:连接光纤到光源、光检测以及其它光纤。
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光纤系统基础知识 二、基本光纤系统方框图: 发送单元 传输单元 接收单元 连接器件 信号 光发 射机 光源 中继器 检测器 光接 收机
电E/光O转换 光纤 光O/电E转换 发送单元 传输单元 接收单元 连接器件
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常用连接器类型 SC LC MT-RJ DSC VF Opti-Jack
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常用连接器类型 FC Type SC Type SC2 Type FDD Type
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常用连接器类型 BICONIC Type D4 Type SMA 905 Type SMA 906 Type MINI BNC Type
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连接头端面类型 Ferrule + Flange Insertion Loss(插入损耗) <0.3dB
Return Loss(回波损耗) PC>40dB SPC>45dB UPC>50dB APC>60dB
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无源器件 耦合器(coupler) 主要功能再分配光信号 重要应用在光纤网络 尤其是应用在局域网 在波分复用器件上应用
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无源器件 耦合器(coupler) 基本结构 耦合器是双向无源器件 基本形式有树型、星型 ——与耦合器对应的有分路器(splitter)
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无源器件 耦合器 以图形表示 1 4 2 3
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无源器件 波分复用器 WDM—Wavelength Division Multiplexer 在一条光纤中传输多个光信号,这些光信号频率不同,颜色不同。波分复用器就是要把多个光信号耦合进同一根光纤中;解波分复用器就是从一根光纤中把多个光信号区分出来。
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无源器件 波分复用器(图例) λ1传送器 λ2传送器 λ1+ λ2 λ1接收器 λ2接收器
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发送单元 驱动器 光源
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接收单元 检测器 放大器 输出电路
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光放大器 光源 监测 λ0 λ1 波分复用器 耦合器 光放大器 λ1输入 (信号弱) λ1输出 (信号强)
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光纤数字通信 数字系统中脉冲的定义: 10% 90% 50% 脉冲宽度 上升时间 下降时间 周期 振幅
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光纤数字通信 1.振幅:脉冲的高度在光纤系统中表示光功率能量。 2.上升时间:脉冲从最大振幅的10%上升到90%所需要的时间。
3.下降时间:脉冲从振幅的90%下降到10%所需要的时间。 4.脉冲宽度:脉冲在50%振幅位置的宽度,用时间表示。 5.周期:脉冲特定的时间,就是完成一个循环所需要的工作时间。 6.消光比:1信号光功率于0信号光功率的比值。
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光纤数字通信 光纤通信中常用单位的定义: 1. dB = 10 log10 ( Pout / Pin )
2. dBm = 10 log10 ( P / 1mw) 是通信工程中广泛使用的单位; 通常表示以1毫瓦为参考的光功率; example: –10dBm表示光功率等于100uw。 3. dBu = 10 log10 ( P / 1uw)
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光纤收发器作用 光纤收发器使用原理类似家庭上网中的ADSL设备(俗称猫,因为拔号中会发出一种类似猫叫的声音)它实际是一种数摸转换器,因为电脑是处理数据信号,而电话线传输的1M或2M是摸拟信号,之间需要转换。而光纤通信,光纤传输的是光信号,而设备(电脑)是电信号(数字信号)。所以也需使用光纤收发器。 分类:一、分为多模和单模拟收发大器。 二、分为单芯和双芯收发器。(RX接收、TX发送) 三、分为音频和视频收发器。
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结束 谢谢大家
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