1光通信系統(tǒng)概述光纖通信的基本原理光纖知識(shí)光纖相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)介紹光纖基礎(chǔ)知識(shí)2

光纖通信系統(tǒng)概述

光通信的概述及特點(diǎn)光纖品種演進(jìn)及分類3光纖通信系統(tǒng)概述—光纖通信的概述及特點(diǎn)光纖通信是以激光為載體，以光纖作為傳輸媒介的通信方式。與電纜或微波等電通信相比，光纖通信具有頻帶寬、傳輸衰減小、信號(hào)串?dāng)_弱、抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)。傳輸頻帶寬，通信容量大：光波頻率比微波高103～104倍，通信容量約可增長(zhǎng)103～104倍。光纖細(xì)、光纜輕：對(duì)形同容量的話路，光纜質(zhì)量?jī)H為電纜的1/10~1/20中繼距離遠(yuǎn)：無(wú)中繼距離100km以上資源豐富，節(jié)省有色金屬和能源抗電磁干擾能力強(qiáng)，無(wú)串話均衡容易經(jīng)濟(jì)效益好抗腐蝕、不怕潮濕4光纖通信系統(tǒng)概述—光纖品種演進(jìn)及分類一、多模光纖1.光纖通信的思想是由美籍華人在1966年發(fā)表的論文《光頻介質(zhì)纖維表面波導(dǎo)》中提出用石英玻璃纖維（簡(jiǎn)稱光纖）傳送光信號(hào)進(jìn)行通信。該論文明確指出（Ⅰ）光纖可實(shí)現(xiàn)超高速通信；（Ⅱ）光纖對(duì)光能的損失＜20dB/km。英國(guó)郵電和貝爾實(shí)驗(yàn)室與美國(guó)康寧玻璃公司合作，在1970年研制出世界第一根衰減系數(shù)為20dB/km的多模光纖。2.與單模光纖相比，多模光纖具有大芯徑（＞50μm）和大數(shù)值孔徑等特點(diǎn)。這些特點(diǎn)賦予多模光纖比較好的集光能力和抗彎曲能力，解決了光纖通信工程應(yīng)用及初期所遇到光源與光纖的光源與光纖的光注入耦合或者光纖與光纖的熔接難題，從而推動(dòng)了多模官銜在短距離的應(yīng)用的步伐。3.自20世紀(jì)80年代到90年代初期，多模光纖因衰減大，工作波長(zhǎng)窄、帶寬小（模間色散導(dǎo)致的帶寬只有幾百M(fèi)b/S），使得其只能用在傳輸距離短、帶寬小于幾百M(fèi)b/S的局域網(wǎng)。5二、單模光纖1.1980年成功研制零色散點(diǎn)在1.31μm的單模光纖（非色散位移單模光纖，或者簡(jiǎn)稱標(biāo)準(zhǔn)單模光纖）。1983年，標(biāo)準(zhǔn)單模光纖進(jìn)入商用。國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU-T）建議將這種單模光纖定為G.652光纖。單模光纖的設(shè)計(jì)思想是只能傳輸一個(gè)模式，所以不會(huì)發(fā)生多模光纖中傳輸時(shí)所發(fā)生的模式噪聲。2.20世紀(jì)80年代初，為了提高光纖通信容量，用當(dāng)時(shí)的電子線路水平研制出傳輸速率為565Mb/S光通信設(shè)備。在光纖通信工程實(shí)踐中，發(fā)現(xiàn)G.652單模光纖的最小衰減位于1.55μm處，該點(diǎn)的衰減僅為0.22dB/km，但是該點(diǎn)的色散系數(shù)則高達(dá)18PS/nm·km。這個(gè)色散系數(shù)數(shù)值會(huì)使光信號(hào)嚴(yán)重畸變，進(jìn)而限制傳輸速率的提高和縮短傳輸距離，為解決G.652光纖在1550nm的色散系數(shù)太大的問(wèn)題，通過(guò)改變光纖折射率分布機(jī)構(gòu)所形成的波導(dǎo)負(fù)色散來(lái)抵消材料的正色散，使G.652單模光纖的零色散點(diǎn)從1310nm波長(zhǎng)位移到1550nm波長(zhǎng)，從而研制出色散位移單模光纖。這種光纖的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，就是在1550nm工作波長(zhǎng)處同時(shí)實(shí)現(xiàn)衰減和色散兩個(gè)性能的最佳：在衰減系數(shù)最小的同時(shí)色散系數(shù)為0。1985年，色散位移單模光纖進(jìn)入商用。ITU-T建議將色散位移單模光纖定義為G.653光纖。63.為實(shí)現(xiàn)跨洋洲際海底光纖通信，在G.652單模光纖的基礎(chǔ)上有研制出截止波長(zhǎng)位移單模光纖。這種光纖折射率剖面結(jié)構(gòu)形狀與G.652光纖基本相同，它是通過(guò)采用純SiO2芯來(lái)見(jiàn)降低光纖衰減?？堪鼘訐诫sF使折射率下降而獲得所需要的折射率差。與G.652光纖相比這種光纖性能上的兩個(gè)突出特點(diǎn)是：（Ⅰ）在1550nm工作波長(zhǎng)上，衰減系數(shù)極小僅為0.15dB/km左右；（Ⅱ）通過(guò)截止波長(zhǎng)位移方法，大大地改善光纖的彎曲附加損耗。ITU-T建議將截止波長(zhǎng)位移單模光纖定義為G.654光纖。4.由于G.653光纖纖芯面積比G.652光纖纖芯面積小得多，在加之G.653光纖在1550nm工作波長(zhǎng)的色散為領(lǐng)，所以G.653光纖的四波混頻效率高，干擾十分嚴(yán)重。為克服在1550nm工作波長(zhǎng)的G.652光纖色散太大，而G.653光纖四波混頻效率高，1993年美國(guó)朗訊和康寧公司共同研制出非零色散位移單模光纖。ITU-T將其命名為G.655光纖。G.655光纖是一種可以滿足采用了WDM技術(shù)和光纖放大器的光纖通信系統(tǒng)進(jìn)行高速率、大容量和遠(yuǎn)距離傳輸?shù)膯文９饫w。G.655光纖的研制思想是立足于使新光纖自身在1550nm工作波長(zhǎng)具有一個(gè)合適的色散值來(lái)解決G.652光纖在1550nm工作波長(zhǎng)的色散太大，增加了對(duì)高速傳輸系統(tǒng)線路進(jìn)行色散補(bǔ)償所付出的費(fèi)用；而G.653光纖在1550nm工作波長(zhǎng)的色散值太小會(huì)在傳輸光纖線路中產(chǎn)生四波混頻，進(jìn)而嚴(yán)重地惡化了系統(tǒng)的傳輸質(zhì)量。75.1998年，美國(guó)朗訊公司在光纖制造工藝中，通過(guò)選擇合成石英玻璃沉積管和新的脫水方法，幾乎完全消除了適應(yīng)玻璃光纖在1383nm的OH-離子吸收峰，從而使長(zhǎng)期受1383nm的OH-離子吸收峰隔開(kāi)的1360nm~1460nm波長(zhǎng)可以使用了，使工作波長(zhǎng)擴(kuò)大了50%。這種低水峰光纖可以在1285nm~1625nm整個(gè)波長(zhǎng)上工作。ITU-T將其命名為G.652C、D光纖。6.2004年ITU-T將寬帶光傳輸用的非零色散位移單模光纖規(guī)定為G.656光纖。G.656光纖的特點(diǎn)是，可以在S+C+L三個(gè)波段，即1460nm~1625nm傳輸。注：1.單模光纖波段劃分（ITU-T第15研究組SG15劃分）

O波段：原始（Original）：1260～1360nm；

E波段：擴(kuò)展（Extended）：1360～1460nm；

S波段：短波（Short）：1460～1530nm；

C波段：常規(guī)（Conventional）：1530～1565nm；

L波段：長(zhǎng)波（Long）：1565～1625nm；

U波段：超長(zhǎng)（Ultralong）：1625～1675nm8注2：光纖演進(jìn)圖G.651G.652G.653G.655G.656G.654傳輸容量/Mb/S傳輸傳輸距離/km減小模間色散零色散位移產(chǎn)生非零色散降低色散斜率截止波長(zhǎng)位移9光纖通信的基本原理10光功率的單位為dBm對(duì)人類來(lái)說(shuō)，波長(zhǎng)為380nm(紫)~750nm(紅)的光為可見(jiàn)光，通信用光為不可見(jiàn)光，波長(zhǎng)通常為850nm、1310nm和1550nm等等。當(dāng)需要擴(kuò)充通信系統(tǒng)傳輸容量時(shí)，需用CWDM、DWDM系統(tǒng)，傳輸用光波長(zhǎng)為1525nm~1625nm之間的4、8、16、32等波長(zhǎng)通道，或增加更多的光纖數(shù)。通信用光11

用光波長(zhǎng)來(lái)量化光的“顏色”光波長(zhǎng)的單位是nm或μm

不同顏色(波長(zhǎng))的光具有不同的特性1kmGammaRaysX-RaysUltra-VioletInfraredRadioWaves:MicrowavesTelevisionRadio可見(jiàn)光譜380nm750nm0.1nm1nm100nm1mm1cm1m電磁波譜光波長(zhǎng)12光纖的導(dǎo)光原理光纖是一種導(dǎo)光的石英玻璃纖維，光在纖芯內(nèi)由于全反射作用而向前傳播

當(dāng)光沿纖芯向前傳播時(shí)，同時(shí)存在反射和折射現(xiàn)象。

反射：當(dāng)纖芯中的光傳到芯/包界面時(shí)，被反射回纖芯內(nèi)。

折射：當(dāng)纖芯中的光傳到芯/包界面時(shí)，透過(guò)界面進(jìn)入包層。13光的反射和折射當(dāng)光從玻璃向空氣中傳播時(shí)，在玻璃與空氣的交界面上，一部分光線向遠(yuǎn)離法線的方向彎折(折射)，另一部分光被反射回到玻璃中(反射)。對(duì)某一波長(zhǎng)的光來(lái)說(shuō)，入射角

折射“法線”折射角

空氣n2反射玻璃n114空氣玻璃光的反射和折射折射反射臨界角

c當(dāng)入射角增大到一定值時(shí)，光線不再向空氣中折射，而是沿著玻璃-空氣界面向前傳輸，這一入射角為臨界角。15當(dāng)入射角超過(guò)臨界角時(shí)，所有的光以同樣的角度反射回玻璃中，這種情況稱為全反射。光的反射和折射空氣全反射玻璃16空氣玻璃只要光線以臨界角或大于臨界角的角度傳播到玻璃-空氣界面時(shí)，就能保留在玻璃中，直到沿傳播方向到達(dá)玻璃端面。用光纖作為波導(dǎo)的原理，是以光在纖芯和包層的界面發(fā)生全反射為基礎(chǔ)的

光的反射和折射17背向散射經(jīng)散射之后前向傳播的光變?nèi)跚跋騻鞑サ墓庥龅讲Ａе形⒂^上的折射率變化時(shí)，部分光會(huì)向四面八方散射，稱為瑞利散射，其中的一部分散射光經(jīng)反射后回到入射端，稱為背向散射。OTDR的工作原理以這種背向散射為基礎(chǔ)的。

瑞利散射18菲涅爾（Fresnel）反射向前傳播的光到達(dá)光纖端面后發(fā)生反射，稱之為菲涅爾反射

菲涅爾反射也是被OTDR利用的一個(gè)重要現(xiàn)象19光纖結(jié)構(gòu)與傳輸參數(shù)20光主要在纖芯中傳播，涂覆層起保護(hù)光纖的作用芯（單模?8~10m

；多模?50m

、?62.5m

）包層（?125m

）涂覆層（?250m)光纖的結(jié)構(gòu)模場(chǎng)直徑（）21芯層:SiO2+Ge+F包層:SiO2+F內(nèi)涂覆層:丙烯酸樹(shù)脂外涂敷層:丙烯酸樹(shù)脂

光纖結(jié)構(gòu)芯層包層涂覆層22纖芯包層內(nèi)涂敷層外涂敷層單模光纖內(nèi)徑：9μm多模光纖內(nèi)徑：50μm外徑：125μm尺寸規(guī)格：23多模光纖有較大的芯單模光纖芯較小光纖的類型24多模光纖中傳輸光有很多傳播路徑(“模式”)單模光纖只允許光有一個(gè)傳播路徑單模光纖和多模光纖25單模光纖和多模光纖多模光纖優(yōu)點(diǎn)：纖芯大，易熔接，傳輸系統(tǒng)投資小缺點(diǎn)：色散太大，衰減大。只適用于短距離，小容量的傳輸應(yīng)用單模光纖優(yōu)點(diǎn)：色散小，衰減小。適用于長(zhǎng)距離、大容量的傳輸應(yīng)用缺點(diǎn)：纖芯小，熔接衰減大。傳輸系統(tǒng)投資大26折射率和群折射率

折射率是傳播光傳播媒質(zhì)的“密度”，是光在真空中的傳播速度與光在媒質(zhì)中的傳播速度：

n=媒質(zhì)的折射率；

c=光在真空中傳播速度(m/s)；

v=光在媒質(zhì)中的傳播速度(m/s)。群折射率是光在真空中的傳播速度與一個(gè)光脈沖在光纖中的傳播速度之比

群折射率與折射率不同,這是因光脈沖不僅在纖芯中傳播（絕大部分光在纖芯中傳播），而且有一小部分光在包層中傳播，且脈沖實(shí)際上是一組不同波長(zhǎng)的光波。

27光纖的幾何參數(shù)包層/芯層直徑包層/芯層不圓度芯/包同心度誤差光纖的幾何參數(shù)對(duì)于光纖熔接損耗有很大的影響，必須將各參數(shù)控制在容忍的范圍內(nèi)28光纖的幾何參數(shù)翹曲度適當(dāng)?shù)膸缀纬叽绮贿m當(dāng)?shù)膸缀纬叽绨鼘又睆叫?包同心度誤差這些情況對(duì)熔接都不利！29光纖的幾何參數(shù)同心度誤差對(duì)熔接損耗的影響(1)纖芯對(duì)準(zhǔn)(2)預(yù)熔，端面接觸(3)融接完畢30光纖的模場(chǎng)直徑包層芯在光纖中傳輸?shù)墓獾膹?qiáng)度分布單模光纖傳輸?shù)墓饽懿皇峭耆性诶w芯中，而是有相當(dāng)大一部分在包層中傳輸，所以不用纖芯的幾何尺寸作為單模光纖參數(shù)，而采用模場(chǎng)直徑作為描述光纖傳輸光能集中程度的參量。模場(chǎng)直徑是與波長(zhǎng)相關(guān)的

0-0031光纖的模場(chǎng)直徑模場(chǎng)直徑大時(shí)優(yōu)點(diǎn)：易對(duì)接缺點(diǎn)：聚光能力差，光很容易受彎曲向外泄露模場(chǎng)直徑小時(shí)優(yōu)點(diǎn)：對(duì)接難缺點(diǎn)：聚光能力強(qiáng)，光不容易受彎曲向外泄露

波長(zhǎng)越長(zhǎng)，模場(chǎng)直徑越大，光更容易受彎曲向外泄露，產(chǎn)生宏彎衰減32光的衰減：光在光纖中傳播時(shí)強(qiáng)度會(huì)逐漸變?nèi)跛姆N原因引起光纖的衰減1.吸收：光纖中材料的固有吸收或雜質(zhì)吸收光，使傳輸光強(qiáng)變?nèi)?.散射：光纖中的固有散射或光纖結(jié)構(gòu)缺陷引起的散射，使傳輸光強(qiáng)變?nèi)?.宏彎：光纖的彎曲半徑小于允許彎曲半徑時(shí)(彎曲半徑大于2mm)，部分光從纖芯向包層折射，使傳輸光強(qiáng)變?nèi)酰ㄍǔ０l(fā)生在安裝階段）。4.微彎：光纖側(cè)面受壓時(shí)，引起光纖微觀上的扭曲變形(彎曲半徑為2μm~2mm)，部分光從纖芯向包層折射，使傳輸光強(qiáng)變?nèi)酰ㄍǔ０l(fā)生在制造階段）。光纖的衰減33光纖的衰減彎曲直徑0.01mm～2mm彎曲直徑大于2mm宏彎衰減在長(zhǎng)波長(zhǎng)更為顯著。如果一根光纖的衰減增加，且在1550nm處比在1310nm增加幅度大，原因是宏觀彎曲所致。微彎衰減發(fā)生在當(dāng)光纖被壓于不平的表面時(shí)，微觀彎曲的彎曲直徑在0.01～2mm之間，在真正的微觀彎曲中，在兩種波長(zhǎng)上的衰減的增加是相同的。34光纖的衰減石英光纖衰減最低的窗口位于1550nm波長(zhǎng)左右35吸收峰散射吸收衰減（dB/kM)光纖吸收衰減譜與波段定義:Loss(dB)=-10lg(Pout/Pin)本征吸收:

散射（瑞利散射，受激布里淵散射，受激 拉曼散射

)

材料共振吸收（紫外、紅外）非本征吸收:

雜質(zhì)吸收（OH吸收，過(guò)度金屬離子）彎曲損耗 結(jié)構(gòu)缺陷：纖芯-包層不均勻，接續(xù)不好36光纖相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)介紹37國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU-T）國(guó)際電工技術(shù)委員會(huì)（IEC）中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB）信息產(chǎn)業(yè)部標(biāo)準(zhǔn)（YD/T)主要標(biāo)準(zhǔn)38B1B2B4B1.1