光纤通信原理及基础知识

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1、光纤的通信原理及基础知识第一章 光纤通信的基本原理第二章 光纤的基本结构和分类第三章 光纤的基本参数第四章 光纤的制造方法光纤的通信原理及基础知识1.1 光纤通信的基本原理信号 处理发送端信号 处理接收端光波导第一章 光纤、光缆的基本知识f10km1km100m10m1m1cm1dm105m 100km107 m010Hz 100Hz1k10k100k1M10M100M1G10G1cm100m1mm10m100nm1m10nm1nm 100pm 10pm1pm10G100G1T10T100T1015T1017T1016T1019T1018T1020T1.6m1.5m1.3m1.4m1.1m1.

2、2m1m900nm800nm700nm500nm600nm400nm红外线紫外线X射线伽玛射线光纤应用范围无线电电视卫星LWKWMWUKWdmcm高频微波低频交流电直流电微波可见光电磁波谱频谱分配光纤通信的基本原理光在传输过程中，在两种不同的传输媒质的界面将产生以下行为：一部分入射光将被反射 一部分入射光将进入第二种媒质，并产生折射媒质1 折射率n1媒质2 折射率n2 入射光线反射光线121=2n1Sin1=n2Sin2媒质1 折射率n1媒质2 折射率n2 入射光线12折射光线光的反射和折射定律光纤通信的基本原理折射率 n光在真空中的传播速度/光在该媒质中的传播速度全反射：当n1n2时，随着入

3、射角的不断增加，在入射角达到某一值时，折射 角达到90oC，我们把此时的入射角称为临界角0 。当入射角大于临界角时，将发生全反射。媒质1媒质2根据折射定律，我 们可以求出临界角 ，此时290o。即n1Sin0=n2Sin90o所以 Sin0=n2/n1媒质折射率真空空气水多模光纤单模光纤玻璃钻石光的全反射定律光纤通信的基本原理光通信正是利用了全反射原理，当光的注入角满足一定条件时，光便能在光纤(光波导)内形成全反射，从而达到长距离传输的目的。包层 n2 纤芯 n1光纤中 心轴线090- 0 包层 n2空气 n0 1光纤的导光原理光纤通信的基本原理n1n2n0 n0: 空气中的折射率 n1: 纤

4、芯的折射率 n2: 包层的折射率 0 0: 入射角, 和 sin0=n2/n1条件:涂 层包 层纤芯光纤的结构光纤的结构光纤的基本结构和分类光纤通信的优点光通信基本原理大容量长中继距离适应能力强体积小，重量轻，便于安装和维护选材丰富，价格低Raw material abundance, low price 保密性强第一章 光纤通信的基本原理第二章 光纤的基本结构和分类第三章 光纤的基本参数第四章 光纤的制造方法光纤的通信原理及基础知识光纤的结构及组成涂层 力学影响的防护涂层(acrylic) 250 m 涂层 250 m 标准单模光纤标准梯度折射率分布多模光纤纤芯 (SiO2+Ge+F) (掺

5、锗二氧化硅) 8.6-9.5 m 纤芯(聚甲基丙烯酸甲酯 ) 980 m 包层(SiO2+F )掺氟二氧化硅 125 m 纤芯(掺锗二氧化硅) 50 m / 62.5 m / 100 m涂层 1000 m 塑料光纤光纤的基本结构和分类按材料分类：按材料分类： 二氧化硅系光纤二氧化硅系光纤 多组份光纤多组份光纤 塑料光纤塑料光纤光纤的分类光纤的分类光纤的基本结构和分类 用于通信，如：光缆用于通信，如：光缆 用于传感器，如：光纤陀螺用于传感器，如：光纤陀螺 用于传输图像，如：内窥镜用于传输图像，如：内窥镜 其它用途，如用于传输能量其它用途，如用于传输能量按用途分类：按用途分类：光纤的分类光纤的分类

6、光纤的基本结构和分类按传输模式分类：按传输模式分类：多模光纤多模光纤单模光纤单模光纤光纤的分类光纤的分类光纤的基本结构和分类 G651多模光纤：工作波长为850nm的LAN用的多模光纤 G652光纤：最佳工作波长为1310nm的单模光纤：G652A G652B:标准光纤G652C G652D：低水峰（全波 ）光纤 G653光纤：零色散波长在1.55m窗口的单模光纤 G654光纤：截止波长在1500 nm的海底应用单模光纤,又称为最低衰减单 模光纤 G655光纤：在1550nm窗口给定波长区间内色散不为零的色 散位移单模光 纤， 称为非零色散位移光纤G655A ：单信道光纤(1995) G655

7、B、 G655C ：DWDM光纤(2000.10,2003.1) G656光纤：使用于DWDM 系统S+C+L波带的非零色散位移光纤 (2003.10提出，2004.4争取会议同意)光纤的分类光纤的分类光纤的基本结构和分类单模光纤特性单模光纤特性G.652G.652光纤光纤G.653G.653光纤光纤G.654G.654光纤光纤G.655G.655光纤光纤最成熟的单模光纤，但未把最小的衰最成熟的单模光纤，但未把最小的衰 减与最小的色散有效的结合在一起。减与最小的色散有效的结合在一起。过渡性的单模光纤，通过对光纤的截过渡性的单模光纤，通过对光纤的截 止波长进行位移而获得极低的衰减。止波长进行位移

8、而获得极低的衰减。过渡性的单模光纤，把零色散点移到过渡性的单模光纤，把零色散点移到 了衰减最小的波长。了衰减最小的波长。一种新型的单模光纤，把最小的衰减一种新型的单模光纤，把最小的衰减 与小的色散结合在一起。与小的色散结合在一起。单模光纤的特性单模光纤的特性光纤的基本结构和分类G652光纤的分类、特点与应用应用 1.G.652A：支持G.957规定的SDH传输系统，G.691规定 的带光放大的单通过路STM-16（ 2.5Gbit/s ）的SDH传 输系统，G.693规定的40km的10Gbit/s以太网系统及 STM-256 2.G.652B：主要支持更高速率 ，例如G.691和G.692传

9、 输系统中直到STM-64 （10Gbit/s），在G.693和 G.959.1中对于STM-256的某些应用 3.G.652C（低水峰光纤） ：与G.652A光纤属性类似， 允许使用在13601530nm扩展波长范围 4.G.652D：与G.652B光纤属性类似，允许使用在 13601530nm扩展波长范围光纤的基本结构和分类 长距离应用，发展方向是大有效面积色散平坦型G.655 城域网中，低水峰光纤（ G.652C、 G.652D）有较大的应用前景，关键在价格，目前主 要采用的是G.652A、 G.652B光纤 接入网中将主要应用G.652光纤，其发展前景仍被很多专家看好 （目前市场规模在

10、下降，但仍继续占主导地位） LAN中将主要应用多模光纤，芯径逐渐由62.5m向50 m发展，市场在逐渐扩大 室内布线将向塑料光纤发展 光纤应用的发展趋势光纤应用的发展趋势 光纤的基本结构和分类第一章 光纤通信的基本原理第二章 光纤的基本结构及分类第三章 光纤的基本参数第四章 光纤的制造方法光纤的通信原理及基础知识 几何尺寸参数几何尺寸参数 光学及传输特性参数光学及传输特性参数 机械及环境性能参数机械及环境性能参数光纤参数分类光纤参数分类光纤的基本参数光纤的几何尺寸参数光纤的几何尺寸参数 纤芯直径纤芯直径 纤芯纤芯/ /包层同心度包层同心度 包层外径包层外径(d=d(d=dx x+d+dy y/

11、2)/2) 包层不圆度包层不圆度(|d(|dmaxmax-d-dminmin|/d)|/d) 涂层外径涂层外径 包层包层/ /涂层同心度涂层同心度 光纤翘曲度光纤翘曲度 R RdxdyR R光纤的基本参数光纤几何尺寸参数典型值光纤几何尺寸参数典型值 纤芯直径纤芯直径( (多模光纤多模光纤) )： 纤芯直径纤芯直径( (单模光纤单模光纤) )： 纤芯纤芯/ /包层同心度：包层同心度： 包层外径：包层外径： 包层不圆度：包层不圆度： 涂层外径：涂层外径： 包层包层/ /涂层同心度：涂层同心度： 62.5/5062.5/50 mm 8 81010 mm 1.01.0 mm 125125 mm 2 2

12、 mm 2%2% 245245 mm 1010 mm 1515 mm 光纤翘曲度：光纤翘曲度： 2m2m光纤的基本参数光纤的光学及传输特性参数光纤的光学及传输特性参数 衰减系数衰减系数 色散系数色散系数 截止波长截止波长 弯曲损耗弯曲损耗 偏振模色散偏振模色散 模场直径模场直径光纤的基本参数定义：定义： 高斯分布的单模光纤，模场直径是高斯分布的单模光纤，模场直径是 光场幅度分布光场幅度分布1/e1/e处各点所围成圆的处各点所围成圆的 直径，也等于光功率分布直径，也等于光功率分布1/e1/e2 2处各处各 点所围成圆的直径。点所围成圆的直径。光纤的光学及传输特性参数之一光纤的光学及传输特性参数之

13、一-模场直径模场直径光纤的基本参数P0Pe衰减系数衰减系数 10lg(P10lg(Pi i/P/Po o)/L)/L下面: Pi 输入功率Po 通过长度为L的光纤后的输出功率L 传输距离 定义: Loss(dB)= -10lg(Pout/Pin) 限制传输距离. 固有损耗: 瑞利散射, 材料反射 (紫外线辐射 1550nm: 9-11m; 1550nm: 9-11 mm光纤的光学及传输特性参数之一光纤的光学及传输特性参数之一-参数典型值参数典型值光纤的基本参数 偏振模色散：偏振模色散： PMDPMD 0.5ps/(km)1/20.5ps/(km)1/2光纤的光学及传输特性参数之一光纤的光学及传

14、输特性参数之一-ITUITU规范典型值规范典型值光纤的基本参数机械及环境性能参数机械及环境性能参数 光纤筛选应力水平光纤筛选应力水平 光纤抗张强度光纤抗张强度 光纤动态疲劳参数光纤动态疲劳参数 光纤静态疲劳参数光纤静态疲劳参数 筛选应力：筛选应力：0.69GPa0.69GPa 持续时间：持续时间：1s1s 典型值：典型值：500kpsi500kpsi nd nd 20 20 ns ns 20 20光纤的基本参数 光纤温度衰减特性光纤温度衰减特性 光纤浸水性能光纤浸水性能 光纤老化性能光纤老化性能 -60oC+85oC-60oC+85oC下附加衰减：下附加衰减： 0.05dB/km0.05dB/km 23oC23oC下，浸水下，浸水1414天后附加衰天后附加衰 减：减： 0.05dB/km0.05dB/km 温度湿度衰减特性温度湿度衰减特性 -10oC+85oC-10oC+85oC，98%RH98%RH下附下附 加衰减：加衰减： 0.05dB/km0.05dB/km 85oC85oC下老化一个月后附加衰下老化一个月后附加衰 减：减： 0.05dB/km0.05dB/km机械及环境性能参数机械及环境性能参数光纤的基本参数第一章 光纤通信的基本原理第二章 光纤的基本结构及分类第三章 光纤的