光纤及相关测试仪表漫谈教程文件

《光纤及相关测试仪表漫谈教程文件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《光纤及相关测试仪表漫谈教程文件（110页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、光纤主要特征 及 测试指标,占我们公司年销售额最多的通信仪器有哪几个？ （熔接机和OTDR；光源+功率计数量也不少) 这些仪器都是为谁而设计的？ （光纤） 那我们对光纤的分类、制造过程、特性、优缺点了解多少呢？ 是不是跟客户交流时感到知识面不够？ 光纤除了以上常见仪表外还需大量测试仪来为它服务，有哪些？ 本胶片主要目的： 1、了解光纤基础知识从而熟悉光纤的分类、特性、优缺点 2、清楚光纤测试所需的所有仪表有哪些 3、更容易与客户沟通、更好挖掘项目、更专业销售光纤测试仪,目录,根据光纤的不同特性本胶片按以下内容来分类： 前言 光纤光学特性 光纤几何特性 光纤传输特性 光纤机械特性 光纤环境特性,

2、前言 光纤发展史 为什么要用光纤 光纤通信方式,为什么要用光纤,90年代前，我国大多数还是使用同轴电缆（京广线1800/3600路，只相当现在一个2.5G的通信量），光纤相比电缆优势如下：,900 对铜缆,216 根光缆,22规的导体 （直径0.63毫米） 4800 镑/1000 英尺 1.54 Mb/s 10,800 1.14 英里,单模光纤 200 镑/1000 英尺 40 x 10 Gb/s 27,869,000 72 英里,介质类型 重量 传输速率 2路电话呼叫 中继间隔,2.86英寸,0.70英寸,PK,为什么要用光纤,宽带通讯（超大容量） 光纤：2. 5 Gbps；同轴电缆： 5

3、bps 低损耗，中继距离长： 光纤：公里；同轴电缆： 公里 低通讯成本（电缆成本很高） 寿命长（几十年），电缆5-10年左右 无电磁波干扰 通讯保密性好 体积小、重量轻、便于施工维护 原材料来源丰富，潜在价格低廉 应用领域：全球的海底网络/陆地网络/卫星系统与光纤网络/光纤到户和光纤到桌面局域网、城域网、广域网等,光纤通信方式,光纤是光导纤维的简称。光纤是以光脉冲的形式来传输数字信号，材质以玻璃或有机玻璃为主的网络传输介质。,光纤通信方式,最简单光纤通信网络结构图,光纤光学特性 认识光 光学原理 光纤基本结构 光纤分类方法 光纤光学特性技术指标 光纤光学特性测试仪表,11,光是占据电磁波谱中特

4、定范围的电磁波（比如：1200-1620NM) 用光波长来量化光的“颜色”、光波长单位是 nm 或m、功率单位为 dBm 对人类来说，波长为380nm(紫) 750nm(红)的光为可见光， 通信用光为不可见光，波长通常为850nm、1310nm和 1550nm等等 扩充通信系统传输容量时，需用CWDM、 DWDM系统，传输用光波长为 1525nm1625nm 之间的4、8、16、32 、80、200等波长通道，或增加更多的光纤数。,认识光,OTDR波长：1310、1490、1550、1625nm,650nm红光源波长,光学原理,1、基本光学定律： 光在均匀介质(折射率n不变)中是沿直线路径传播

5、的. 传播速度为：V=C/n ，式中， C=3108m/s（光速：光在真空中的传播速度，n是介质的折射率）,第1种媒质（n1）,分界面,第2种媒质（n2） n1n2,法线,折射定律： n1sin 入n2sin 折,入,反,折,入射光线,折射光线,反射光线,2、反射、折射定律：光在不同折射率介质中传输时,反射定律： 入射角入反射角反,13,光学原理,光纤是一种导光的石英玻璃纤维，光在纤芯内满足全反射条件时向前传播 当光沿纤芯向前传播时，实际上同时存在反射和折射现象 反射：当纤芯中的光传到芯/包界面时，被反射回纤芯内。 折射：当纤芯中的光传到芯/包界面时，小于临界角时透过界面进入包层（即光源入射到

6、光纤的入射角过大）。所以光纤入射光源的入射角度是有规范要求的，否则折射影响传输,第1种媒质（n1）,分界面,第2种媒质（n2） n1n2,法线,折射光线,反射光线,入射光线,全反射定律： 当入射角度增大到某一角度时，折射角可以获得最大值90，此时可认为无折射光存在，所有的入射光都被反射，称为全反射现象，满足全反射现象的最小角度称为全反射的临界角 C。 当入射角大于 C时，只有反射光而没有折射光,C,3、全反射定律：,光在光纤中传输条件,光纤工作原理（举例：多模）,光纤利用控制光源入射到光纤的入射角，保证入射到光纤中的光在界面上的全反射原理进行工作。 芯层反射率N1包层反射率N2时大于临界角会形

7、成反射而无折射 实际上这是多模光纤传输示意图，单模光纤只有平行于中心轴的直线光传播，没有弯曲的反射和折射光,光学工作原理,15,经散射之后前向传播的光变弱,前向传播的光遇到玻璃中微观上的折射率变化时，部分光会向四面八方散射，称为瑞利散射 其中的一部分散射光经反射后回到入射端，称为背向散射 OTDR的工作原理以这种背向散射为基础的,瑞利散射,16,菲涅尔（Fresnel）反射,向前传播的光到达光纤端面后发生反射，称之为菲涅尔反射 菲涅尔反射也是被OTDR利用的一个重要现象,光纤基本结构,纤芯 core：折射率较高，用来传送光；高纯度SiO2+掺杂剂如GeO2 P2O5掺杂，提高芯层折射率等。 包

8、层 coating：折射率较低，与纤芯一起形成全反射条件（把光能量束缚在纤芯）；高纯度SiO2+掺杂剂如B2O3降低薄层折射率。 纤芯和包层都用石英作为基本材料，折射率差通过在纤芯和包层进行不同的掺杂来实现。 涂覆套 jacket：强度大，能承受较大冲击，保护光纤；环氧树脂、硅橡胶和尼龙。 护套：尼龙或其他有机材料,跳纤 (紧套-盘纤 松套-跳纤）,裸 纤,18,光纤基本结构,无论何种光纤，其包层直径都是一致的,涂覆层的主要作用是为光纤提供保护 （记住：加热管是加热这一部分）,纤芯和包层仅在折射率等参数上不同，结构上是一个完整整体 （记住：光纤熔接就是对接这一部分）,不同光纤的芯层直径是不同的

9、，所以熔接后损耗比较大,纤芯直径 单模光纤： 8-10（9）um; 多模光纤： 50um/62.5um 包层直径 普通光纤： 125um 涂覆层直径(内外层） 内层 170200um 外层 245um,光纤基本结构,芯层: SiO2+Ge+F 包层: SiO2+F 内涂覆层:丙烯酸树脂 外涂敷层:丙烯酸树脂,光纤分类方法,按折射率分布 按传到模式 按材料 按二次涂覆层结构,2020年7月9日星期四,按折射率分类,阶跃型光纤(SIF ：Step Index Fiber) 信号畸变大（色散）； 渐变型光纤(GIF：Graded Index Fiber) 信号畸变小。,单模光纤(Single-Mod

10、e) 只传输主模，也就是说光线只沿平行于光纤的中心轴进行传输，只有一种传输途径，没有反射和折射现象发生，到达末端时间一致，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。,单模光纤,多模光纤(Multi-Mode) 在一定的工作波长下，有多个模式在光纤中传输（850nm/1300nm）即有多种传播途径, 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，频带比较窄，传输容量也比较小，距离比较短 。,阶跃型多模,模式是指光的在光纤中的传输方式（电磁场分布形式），即不同的传输路径 每一个

11、模式对应于沿光纤轴向传播的一种电磁波 光纤中能够传导的模式是由光纤结构参数所决定的。外界光源（LED多模或激光单模光源）激励只能激励起光纤中允许存在的一种或几种模式而不会改变模式的固有性质,按传导模式,2020年7月9日星期四,(a) 阶跃型多模光纤； (b) 渐变型多模光纤； (c) 单模光纤,按传导模式,2020年7月9日星期四,此动画为光信号在多模阶跃折射率光纤中的传输，由动画可以直观地看出：不同模式的光信号到达终点所需的时间不相等（折射率相同、路径不同） 即模间色散太大，带宽窄；只用于100M以下传输 此类光纤现在已淘汰不用了,按传导模式,按传导模式,2020年7月9日星期四,此动画为

12、光信号在多模渐变折射率光纤中的传输，由动画可以直观地看出：虽然有多种模式但不同模式的光信号到达终点所需的时间基本相等（折射率由小到大，路径由近变远，最后乘积基本相同） 模间色散比较小，带宽有所提高，还是不利于长距离高速传输 现多模光纤多使用此方法,按传导模式,2020年7月9日星期四,此动画为光信号在单模阶跃折射率光纤中的传输，由动画可以直观地看出：单模光纤中只有一个模式（即平行于中心轴）的光信号可以传输，不存在不同模式之间的时间差，只有模内色散（即同一模式下不同波长的十分微小的时间差，后面会讲） 所以带宽高，适合长距离高速传输、但对光源耦合要求高,按传导模式,光纤剖面折射率示意图,多模,G.

13、652,G.655,特种光纤,按传导模式,W型,三角,椭圆,W型：色散平坦、色散位移光纤 三角形：改进型色散位移、非零色散光纤 椭圆（双折射光纤）：偏振保持光纤,2020年7月9日星期四,按光纤构成的原材料分类 石英系光纤 光子晶体光纤 塑料包层光纤 全塑光纤 目前光纤通信中主要使用石英系列光纤。 按光纤的套塑层分类 紧套光纤，900m（盘纤或裸光纤） 松套光纤，3mm（跳纤、尾纤）,按材料和涂覆层分类,光纤光学特性技术指标,折射率分布 最大理论数值孔径 模场直径 截至波长 差分模延迟DMD（Differential Mode Delay） 满注入带宽（OFL) 有效模式带宽(850nm),折

14、射率分布(适用：单模、多模）： 我们知道，由于纤芯中的光折射率不是均匀分布的，它随r（离开芯轴的距离）的变化而变化 不同光纤、不同波长的折射率不一样，变化规律一般分三种，表现在g（折射率分布指数）的不同取定： g=1三角形分布; g=2抛物线分布(梯度分布); g阶跃分布,多模光纤的折射率分布，决定光纤带宽和连接损耗 单模光纤的折射率分布，决定工作波长的选择 问题：为什么不能随意更改OTDR配置菜单中的折射率值？,数值孔径（只适用多模）：远场光分步法 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。 在光纤中，把受光角的一半（max）

15、的正弦定义为光纤的数值孔径，即NA sinmax,光纤的数值孔径（NA）对光源耦合效率、光纤损耗、弯曲的敏感性以及带宽有着密切的关系，数值孔径大，接收光功率大，容易耦合，微弯敏感小，带宽较窄,截至波长（只适用：单模）：传输功率法 是单模光纤中光信号能以单模方式（仅基模）传播的最小波长，也可以理解为多模传输转变为单模传输时的最小波长点截止波长条件可以保证在最短光缆长度上单模传输，并且可以抑制高次模的产生或可以将产生的高次模噪声功率代价减小到完全可以忽略的地步 如果用小于截至波长的光来传输，损耗和色散将会很大,模场直径（单模）：远场可变孔径法、直接远场扫描法 单模光纤传输的光能不是完全集中在纤芯中

16、，而是有相当大一部分在包层中传输，所以不用纤芯的几何尺寸作为单模光纤参数，而采用模场直径作为描述光纤传输光能集中程度的参量，当光纤横截面上光强度下降到它的峰值的1/e2横截面积尺寸 模场直径越小，通过光纤横截面的能量密度就越大。当通过光纤的能量密度过大时，会引起光纤的非线性效应，造成光纤通信系统的光信噪比降低，影响系统性能。,波长越长，模场直径越大，光更容易受弯曲向外泄露，产生宏弯衰减 问题1：为什么OTDR测试会出现负损耗？ 两端模场直径大小不一致（越小散射光越强 模场直径不一致的光纤熔接在一起会导致熔接损耗误差（需要双向测试），是OTDR损耗误差中影响最大的因素，当模场损耗大于接头损耗时测试就可能会出现负值， 问题2：为什么熔接机性能很好，但熔接损耗很大？,差分模延迟DMD(多模OM3/OM4）： 区分普通多模和新一代多模光纤技术指标是：带宽和DMD 普通光纤使用低带宽、满注入LED光源（色度色散），光面积大而分散 新一代多模光纤为增加带宽又降低成本启用单模光纤使用的高带宽激光光源