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1、第一部分光纤基础知识光纤是用来传输光信号的媒质，由不导电的介质材料构成。一、光纤发展历史及发展趋势1966 年英国标准电信公司华人高锟博士 预见利用玻璃可以制成衰减为20dB/km的通信光导纤维； 1970 年美国康宁玻璃公司首先研制出衰减为 20dB/km 的光纤，证明光纤作为未来光通信的传输媒质大有希望； 同年，半导体激光器实现了室温下连续工作， 为光纤通信提供了理想的光源， 从此，便开始了光纤通信迅速发展的时代。附光纤通信系统原理图：光源光检测器电信号输入调 制光纤接 收电信号输出光信号发送端接收端目前，国际上光纤通信的发展趋势 可概括为以下几点：1、光纤通信已广泛应用于市话和长途干线的
2、建设；2、光纤通信逐渐由传统的传输窗口1310nm转向 1550nm传输窗口；3、光纤通信日益向高速率、大容量、长中继距离发展；4、光纤综合业务用户网及本地网已成为发展光纤通信的重要方向；5、光纤通信技术不断更新，例如波分复用 (WDM)技术，已引起人们的兴趣并得到迅速发展。二、光纤的优越性光纤通信和传统的铜缆媒质通信方式相比，主要优点 有：1、光纤的传输损耗低、容量大；2、尺寸小、重量轻，有利于敷设和运输；3、不存在电磁干扰问题，适合应用于有强电干扰和电磁辐射的环境中；4、保密性好；5、制造光纤的主要原材料是 SiO2，它是地球上蕴藏最丰富的物质，取之不尽，用之不竭。三、光纤的结构光纤由芯层
3、、包层、内涂层及外涂层构成。附图：外涂层包层芯层内涂层芯层是光传输层，主要成份是 SiO2 ，掺杂 GeO2；包层主要成份是 SiO2，少量光在包层中传输；涂层材料主要是固化速度快的丙稀酸环氧树脂与柔韧性好的丙稀酸聚氨脂的共混物，其中内涂层较软，其杨氏模量较低，有助于改善光纤弯曲性能，起缓冲作用；外涂层杨氏模量较高， 有助于防止光纤受机械损伤， 使其不受环境影响。四、光纤的传输原理光在传播过程中从一种介质进入另一种介质，由于折射率发生变化，会在界面发生折射和反射。那么，光纤是如何将绝大部分光限制在纤芯内传输的呢？见图：n 222n 1c1反射光入射光当入射角 c 时，少量入射光发生反射，在原
4、n1 介质中传播，大部分入射光通过界面发生折射，进入 n2 介质继续传播；当入射角 c 时，将发生全反射现象。（注： c 为临界角）根据折射定律：sin 1=n2sin 2n1当入射角为c 时，折射角2 为 90 度，即： sin2=1，所以 sin1=n /n1，因为 sin121所以n /n 1即：n n1212由此可见：当 光从光密媒质向光疏媒质传播，入射角大于临界角时，入射光就会发生全反射 。光纤就是采用在SiO2 中掺杂不同物质构成高折射率的纤芯和低折射率的包层，为光在纤芯中传输创造了全反射条件。五、光纤的分类1、按光纤原材料不同，可分为：全塑光纤、塑料包层光纤、石英光纤；全塑光纤：
5、纤芯和包层都由塑料制成，成本低，但损耗极高；塑料包层光纤：纤芯由石英制成，包层是塑料，成本较低，损耗低于全塑光纤，但只适用于短距离（几百米）的传输；石英光纤：纤芯和包层是由高纯度的SiO2 掺杂适当杂质制成 , 和其他光纤相比，其损耗最低，信息容量最大，在通信业中应用最为广泛；目前常用的石英光纤有：名称ITU-T（国际电信联盟电信标准化IEC（国际电工委员部）会）多模光纤G.651A 类非色散位移单模光纤G.652（A、B、C、D）B1.1 和 B1.3色散位移单模光纤G.653B2截止波长位移单模光G.654B1.2纤非零色散位移单模光G.655B4纤2、根据光纤横截面上折射率分布情况，可分
6、为：阶跃折射率型和渐变折射率型；阶跃折射率型光纤：纤芯中折射率分布是均匀的，在纤芯和包层的界面上折射率发生突变；渐变折射率型光纤：折射率在纤芯中连续变化；3、根据光纤中传输模式数量不同，可分为：多模光纤和单模光纤；多模光纤在一定工作波长下能传输多种模式， 但其成本高， 损耗大，主要应用于短距离通信； 单模光纤在一定工作波长下只能传输一种模式基模， 其成本低，损耗小，但其接口设备要求高，主要应用于长距离通信。第二部分单模光纤主要技术指标一、光纤衰减衰减亦即损耗指光在传输过程中光能量的损失，用A 表示，单位是分贝，用dB 表示。见图：P1P2TT输入脉冲L输出脉冲A=-10log （P2/P 1）
7、dB单位长度上的衰减称为衰减系数，用 表示，单位是分贝 / 公里，用 dB/km 表示。10log （ P2/P 1）= -dB/kmL衰减是一个重要的光纤技术指标，主要源于材料吸收和散射，不同的波长其衰减不同，在各波长上的衰减特性曲线称为谱损耗，见图：（平常我们所说的衰减指的就是衰减系数。）1310nm 传输窗口水峰1550nm 传输窗口0.5衰减0.4(dB/km)0.30.2110012001300140015001600波长 (nm)单模光纤典型谱损耗使光纤产生衰耗的原因很多， 主要有：吸收衰耗，包括杂质吸收和本征吸收；散射衰耗，包括线性散射、非线性散射和结构不完整散射等；其它衰耗，包
8、括微弯曲衰耗等。其中最主要的是杂质吸收引起衰耗。在光纤材料中的杂质如氢氧根离子、过渡金属离子对光的吸收能力极强， 它们是产生光信号衰减的重要因数。 因此，要想获得低衰耗光纤， 必须对制造光纤用的原材料二氧化硅进行十分严格的化学提纯，使其杂质的含量降到几个 PPb 以下。散射损耗通常是由于光纤材料密度的微观变化，以及所含SiO2 、GeO2 和P2O5 等成分的浓度不均匀， 使得光纤中出现一些折射率分布不均匀的局部区域，从而引起光的散射， 将一部分光功率散射到光纤外部引起损耗； 或者在制造光纤的过程中，在纤芯和包层交界面上出现某些缺陷、 残留一些气泡和气痕等。 这些结构上有缺陷的几何尺寸远大于光
9、波， 引起与波长无关的散射损耗， 并且将整个光纤损耗谱曲线上移，但这种散射损耗相对前一种散射损耗而言要小得多。综合以上几个方面的损耗，单模光纤在 1310nm 和 1550nm 波长区的衰减常数一般 分别 为 0.3 0.36dB/km(1310nm) 和 0.17 0.22dB/km(1550nm) 。 ITU-TG.652 建议 规定光纤 在 1310nm 和 1550nm 的衰 减常数应 分别 小于 0.5dB/km 和 0.4dB/km 。实际工程中，光信号的长距离传输要求信号功率足以抵消光纤的衰耗， G.652 光纤在 1550nm 窗口的衰耗系数一般为 0.22dB/km 左右，考
10、虑到光接头、 光纤冗余度等因素，综合的光纤衰耗系数一般小于 0.21dB/km 。衰减常用的测试方法：截断法：衰减测试的基准方法，常用于谱损耗的分析，典型的设备为光特性综合分析仪；后向散射法 ：衰减测试的第一替代法，多用于 1310nm、 1550nm传输窗口衰减特性的分析，典型的测试设备为 光时域反射仪（简称 OTDR）。后向散射法的测试原理：光脉冲在光纤中传输时，在光纤不同点后向散射至该光纤始端的后向散射光功率， 并通过分析后向散射光返回至入射端的时间， 可计算出被测光纤的长度。OTDR的试验装置框图如下：光发射器显示器信号处理器光分路器盲区光纤被测光纤光接收器二、色散在光纤通信系统中，
11、由于光纤中的信号是由不同的频率成份和不同的模式成份来携带的，这些不同的频率成份和不同的模式成份的传输速度不同， 导致光脉冲展宽，从而引起色散。色散主要有模间色散、材料色散、波导色散等。常用时延差表示色散程度。在光纤中，不同速度的信号传过同样的距离所需的时延不同，时延差越大，色散就越严重。色散测试方法：相移法、脉冲时延法、微分相移法。我公司所用色散测试仪（S18）的测试原理是脉冲时延法。光纤的色散是引起光纤带宽变窄的主要原因， 光纤带宽变窄会限制光纤的传输容量，同时，也限制了光信号的传输距离。G.652 光纤是 1310nm 窗口零色散，在 1550nm 窗口存在色散，在传输 10G 信号时需加
12、色散补偿光纤， 进行色散补偿； G.653 光纤是色散位移光纤， 在 1550nm 窗口零色散，可传输 10G 的光信号，但传输 WDM波分光信号时，因零色散，会产生四波混频等非线性效应，不能用于 WDM波分的传输。 G.655 光纤在 1550nm 窗口有很小的色散，可用于 SDH 光信号和 WDM信号的传输。脉冲时延法试验装置框图如下：光发生器光衰减器试样光纤时延发生器取样示波器放大器光检测器计算机三、偏振模色散在单模光纤传输中，光波的基模含有两个相互垂直的偏振态，由于纤芯的椭圆度和残余应力改变了光纤折射率的分布， 引起相互垂直的偏振态在传输过程中产生了较大的传输速度差， 最终到达光纤另一
13、端的时间不一样， 这个时间差就是偏振模色散，用 PMD表示，单位为皮秒，用 ps 表示。如图： 随着通信技术的进步，光通信迅速向高速率、大容量方向发展，同时由于光纤色散补偿和管理技术的成熟， PMD对光通信容量的限制越来越明显，因此，光纤 PMD已成为光纤光缆研制和生产厂家必不可少的测试指标。PMD的测试方法：干涉法：将光源发出的光经过起偏器形成线偏振光， 然后将光耦合到迈克尔逊干涉仪中，最后由检测器检测出光纤随反射镜位置变化的曲线， 通过数字运算计算出大致的色散系数。四、截止波长截止波长（理论截止波长）是指保证光纤单模传输的最短工作波长 ，是单模光纤所特有的重要参数之一。 实际测量研究表明， 光纤的截止波长与光纤的长度和实际所处的状态（如弯曲、受到应力作用等）有关，所以一般所说的截止波长指的是实际测得的截止波长。截止波长的测试方法：传输
