【科普】学习光纤传输相关的基础知识

2017-04-14  by:CAE仿真在线  来源:互联网

对于光信号的传输,光纤就是少不了的元素。那么光纤到底设计到哪些内容呢,且看本文的详细说明。

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

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

●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。

电磁波谱

通信波段划分及相应传输媒介

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。

N=C/V

光纤通信用的石英玻璃的折射率约为1.5

光通信的发展过程

光的基本知识

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)。

第二层:中间为低折射率硅玻璃包层(直径一般为125μm)。

第三层:最外是加强用的树脂涂层。

1)纤芯 core:折射率较高,用来传送光;

2)包层 coating:折射率较低,与纤芯一起形成全反射条件;

3)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

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

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

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。

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。

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。

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。

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

4)尾纤:300μm

5)多模:

50/125μm,欧洲标准

62.5/125μm,美国标准

6)工业,医疗和低速网络:100/140μm, 200/230μm          

7)塑料:98/1000μm,用于汽车控制

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。

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。

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。

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:

1)光纤的接续技术和光缆的接续技术两部分。

2)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。

光纤接续的种类

光缆接续一般可分为两大类:

1)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。

2)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。

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

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。

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。

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

常见光纤名词

1)衰减

衰减:光在光纤中传输时的能量损耗单模光纤1310nm 0.4~0.6dB/km1550nm 0.2~0.3dB/km塑料多模光纤300dB/km

2)色散

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。

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

3)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。

光纤系统基础知识

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。

常用连接器类型

连接头端面类型

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

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)

以图形表示

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。

波分复用器(图例)

发送单元

接收单元

放大器

光纤数字通信

数字系统中脉冲的定义:

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。

光纤通信中常用单位的定义:

1. dB = 10 log10 ( Pout / Pin )

Pout :输出功率 ; Pin :输入功率

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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