光纤传输技术

光纤传输技术 本 章 主 要 内 容 光 纤 传 输 技 术 概 述 光 纤 的 种 类 光 纤 的 传 输 理 论 、 传 输 特 性 、 性 能 参 数 光 无 源 器 件 光 有 源 器 件 光 纤 的 应 用 光 纤 设 备 的 使 用 和 维 护 教 学 目 标 了 解 光 通 信 技 术 的 基 本 原 理 和 过 程 ， 掌握 光 设 备 的 使 用 ， 连 接 和 测 量 方 法 以 及基 本 故 障 检 修 。 第 一 部 分 概 述 什 么 是 光 纤 ？ 什 么 是 光 纤 技 术 ？ 为 什 么 要 学 习 光 纤 技 术 基 础 ？ 一 、 什 么 是 光 纤 ？ 光 纤 是 “ 光 导 纤 维 ” 的 简 称 ， 是 指 能 够 约 束 并 导 引 光 波 在其 内 部 或 表 面 附 近 沿 轴 线 方 向 传 播 的 传 输 介 质 通 常 以 其 截 面形 状 分 为 平 板 波 导 、 矩 形 波 导 园 柱 形 波 导 等 等 1、 基 本 结 构折 射 率 高 的 中 心 部 分 叫 做 纤 芯 ， 其 折 射 率 为 n 1， 直 径 为 2a；折 射 率 低 的 外 围 部 分 称 为 包 层 ， 其 折 射 率 为 n2， 直 径 为 2b。 带 状 式把 带 状 光 纤 单 元 放 入 大 套 管 内 ， 形 成 中 心 束 管 式结 构 ， 也 可 以 把 带 状 光 纤 单 元 放 入 骨 架 凹 槽 内 或松 套 管 内 ， 形 成 骨 架 式 或 层 绞 式 结 构 。 带 状 式 缆芯 有 利 于 制 造 容 纳 几 百 根 光 纤 的 高 密 度 光 缆 ， 这种 光 缆 已 广 泛 应 用 于 接 入 网 。外 护 层金 属 加 强 件 塑 料 绕 包 带带 状 光 纤 单 元带 状 线 光 纤塑 料 光 纤 电 线损 耗 低 损 耗 大信 息 容 量 大 信 息 容 量 小体 积 小 ， 重 量 轻 大 而 重防 水 、 防 火 、 耐 腐 蚀 怕 水 、 怕 火 、 怕 腐 蚀成 本 低 ， 储 量 丰 富 成 本 高 ， 资 源 有 限抗 电 磁 干 扰 电 磁 影 响 大2、 光 纤 的 优 点 二 、 为 什 么 要 学 习 光 纤 技 术 基 础 ？ 从 专 业 方 向 和 知 识 面 看 从 光 纤 的 应 用 看 从 光 纤 技 术 的 发 展 趋 势 看 专 业 方 向 ： 无 线 电 通 讯 计 算 机 网 络 省 内 H FC网 络 互 联 网 电 信 网 络 国 家 干 线 网 络知 识 面1、 从 专 业 方 向 和 知 识 面 看 2、 从 光 纤 的 应 用 看 光 纤 在 通 信 中 的 应 用 范 围 ： 公 用 通 信 （ 全 国 性 宽 带 综 合 业 务 数 字 网 、 省 内 中 距 线 路 、 市 内 局 间 线 路 和 用 户 网 、 乡 村 线 路 以 及 沿 海 岛 屿 间 的 线 路 等 ） 专 用 通 信 （ 各 企 业 、 工 矿 、 机 关 、 学 校 等 大 、 中 型 单 位 内 部 专 用 的 局 域 网 、 电 力 线 通 信 线 路 、 铁 道 线 通 信 线 路 、 交 通 管 理 监 控 线 路 、 电 视 台 发 射 传 输 线 路 等 ） 工 业 发 达 国 家 和 我 国 均 已 宣 布 ： 干 线 大 容 量 通 信 线 路 不 再 新 建 同 轴 电 缆 ， 而 全 部 铺设 光 缆 。 2、 光 纤 的 应 用 “ 传 ” 和 “ 感 ” 诺 尔 顿亚 历 山 大 苏 伊 士 吉 布 提 卡 拉 奇吉 达 孟 买 仰 光槟 城 雅 加 达 珀 斯 新 加 坡 吕 宋 岛上 海 冲 绳汕 头塞 新 布 拉 Sea-Me-We-3是 一 条 沿 欧 亚 大 陆 铺 设 的 洲 际海 底 光 缆 ， 总 长 38,000km， 从 德 国 到 南 韩 、澳 大 利 亚 ， 连 接 40个 国 家 或 城 市 站 点 ， 传 输速 率 为 4-8 2.5Gb/s（ 10-20千 兆 比 特 ） 。 n 信 息 高 速 公 路 第 二 部 分 光 纤 分 类 光 纤 的 分 类 光 纤 材 料 一 、 按 照 光 纤 横 截 面 折 射 率 分 布 不 同 来 划分 阶 跃 折 射 率 分 布 光 纤 (Step-Index Optical Fiber，SIOF) 纤 芯 折 射 率 n1沿 半 径 方 向 保 持 一 定 ， 包 层 折 射 率 n2沿 半 径 方 向 也 保 持 一 定 ， 而 且 纤 芯 和 包 层 的 折 射 率在 边 界 处 呈 阶 梯 型 变 化 的 光 纤 称 为 阶 跃 型 光 纤 ， 又称 为 均 匀 光 纤 。 渐 变 折 射 率 分 布 光 纤 (Graded-Index Optical Fiber， GIOF) 如 果 纤 芯 折 射 率 n 1随 着 半 径 加 大 而 逐 渐 减 小 ， 而 包层 中 折 射 率 n2是 均 匀 的 ， 这 种 光 纤 称 为 渐 变 型 光 纤 ，又 称 为 非 均 匀 光 纤 。 2.1 光 纤 的 分 类 图 1.1 光 纤 的 折 射 率 分 布b b 二 、 按 照 纤 芯 中 传 输 模 式 的 多 少 来 划 分 单 模 光 纤 (Single Mode Fiber， SMF) 光 纤 中 只 传 输 一 种 模 式 时 ， 叫 做 单 模 光 纤 。 单 模 光 纤 的 纤 芯 直 径 较 小 ， 约 为 4 10m。 适 用 于 大 容 量 、 长 距 离 的 光 纤 通 信 。 多 模 光 纤 (Multi-Mode Fiber， MMF) 在 一 定 的 工 作 波 长 下 ， 多 模 光 纤 是 能 传 输 多 种模 式 的 介 质 波 导 。 多 模 光 纤 可 以 采 用 阶 跃 折 射 率 分 布 ， 也 可 以 采用 渐 变 折 射 率 分 布 。 多 模 光 纤 的 纤 芯 直 径 不 等 ， 但 基 本 都 大 于 单 模光 纤 （ 5062.5m ） 。 波 导 模 解 释 光 波 导 由 于 只 在 其 轴 向 传 播 能 量 ， 同 时 光 能 量在 横 向 又 被 限 制 在 一 定 的 空 间 内 ， 因 此 在 轴 向的 光 波 为 行 波 或 行 波 与 驻 波 的 叠 加 ， 而 在 横 向则 必 然 是 驻 波 ， 横 向 不 同 的 驻 波 结 构 就 构 成 了光 波 导 不 同 的 传 播 模 式 当 光 波 导 的 横 向 尺 寸 及 折 射 率 分 布 所 确 定 的 波导 结 构 只 能 传 播 一 个 横 向 驻 波 结 构 的 光 时 ， 我们 称 之 为 单 模 光 波 导 能 传 播 一 个 以 上 的 横 向驻 波 结 构 时 ， 称 之 为 多 模 光 波 导 由 于 横 向 驻 波 的 节 距 与 光 波 波 长 和 光 的 传 播 方向 有 关 ， 因 此 光 波 导 是 单 模 还 是 多 模 与 其 传播 的 光 的 波 长 有 关 三 、 按 光 纤 的 工 作 波 长 分 类 短 波 长 光 纤 （ 0.8 0.9m ） 长 波 长 光 纤 （ 1.0 1.7m ） 超 长 波 长 光 纤 。 （ 25m ）在 光 纤 工 业 发 展 早 期 ， 光 纤 的 传 输 窗 口 主 要 有 两个 （ 0.85和 1.31微 米 ） ， 后 来 有 了 第 三 个 传 输 窗口 （ 1.55微 米 ） 。 在 技 术 得 到 发 展 的 今 天 ， 在 波长 1.26至 1.68微 米 范 围 内 ， 光 纤 可 以 传 输 的 窗 口有 6个 （ 表 1） 。 利 用 波 分 复 用 （ WDM） 技 术 ，每 个 窗 口 （ 波 段 ） 可 同 时 传 输 多 个 信 道 。 四 、 按 光 纤 的 材 料 组 成 分 类n全 塑 料 光 纤n塑 料 包 层 石 英 芯 光 纤n石 英 光 纤n多 组 分 玻 璃 光 纤n液 芯 光 纤n氟 化 物 /硫 化 物 /重 金 属 氧 化 物 玻 璃 光 纤 n光 子 晶 体 光 纤 第 三 部 分 光 纤 的 特 性 参 数 n光 纤 的 损 耗n光 纤 的 色 散 与 带 宽n单 模 光 纤 模 场 半 径n单 模 光 纤 截 止 波 长 3.1 光 纤 的 损 耗入 射 端与 元 件 的 耦 合 损 耗 吸收损耗光 纤 吸 收 不 均 匀 性散射损耗 弯 曲弯 曲 引 起 的辐 射 损 耗 连 接 连接损耗 与 元 件 的耦 合 损 耗输 出 端 光 波 在 光 纤 中 传 输 时 ， 随 着 传 输 距 离 的 增 加而 光 功 率 逐 渐 下 降 ， 这 就 是 光 纤 的 传 输 损 耗 。图 1 光 纤 传 输 损 耗 的 原 因 和 种 类 分 贝 单 位 利 用 下 面 的 一 般 定 义 ， 可 将 任 意 比 率 R转 化 为 分贝 单 位 ： R=Pout/Pin (功 率 比 ） R（ in dB） =10lgR（ 功 率 增 益 ） R=1,R=0; R1, R2）耦 合 器 。 按 光 纤 型 号 可 分 为 ： 多 模 耦 合 器 和 单 模 耦 合 器 。 按 工 作 带 宽 可 分 为 ： 单 工 作 窗 口 的 窄 带 耦 合 器 、单 工 作 窗 口 的 宽 带 耦 合 器 和 双 工 作 窗 口 的 宽 带 耦合 器 。 按 功 能 可 分 为 ： 光 功 率 分 配 耦 合 器 和 光 波 长 分 配耦 合 器 。 三 、 光 纤 耦 合 器 的 结 构棱 镜 式 定 向 耦 合 器 ： 采 用 分 立 光 学 元 件 （ 如 棒 透 镜 、 反 射 镜 、 棱 镜 等 ）组 合 拼 接 。 损 耗 大 ， 与 光 纤 耦 合 困 难 ， 环 境 稳 定 性 较 差 。全 光 纤 耦 合 器 ： 即 直 接 在 两 根 （ 或 两 根 以 上 ） 光 纤 之 间 形 成 某 种 形 式 的 耦 合 。 图 6.11 集 成 光 波 导 耦 合 器 (a) Y形 耦 合 器 基 本 结 构 ； (b) 树 形 集 成 光 波 导 耦 合 器 基 本 构 成 嵌入的波导 玻璃衬底 12 1212 12121212(b)(a) 集 成 化 是 未 来 光 纤 通 信 发 展 的 必 然 趋 势 。 利 用 平 面 光 波 导 制 作 的 光 耦 合 器 具 有 体 积 小 ， 分 光 比 控 制 精 确 ， 易 于 大 批 量 生 产 等 特 点 。 图 6.10 几 种 典 型 光 纤 耦 合 器 的 结 构 示 意 图 三 端 口 分 路 器 和 合 路 器 ； (b) 四 端 口 耦 合 器 ；(c) 多 端 口 星 形 耦 合 器 ； (d) 波 分 复 用 器 分路器(3端口)合路器(3端口)(a) (b) M或N N 12 1212 21 合波器分波器(c) (d) 四 、 光 纤 耦 合 器 的 性 能 参 数 耦 合 比 插 入 损 耗 附 加 损 耗 分 光 比 隔 离 比 1、 耦 合 比 表 示 由 输 入 信 道 （ i） 耦 合 到 指 定 输 出 信道 (j)的 功 率 大 小 。 定 义 为 输 出 信 道 功 率 与 输 入 信 道 功 率 之比 ： ijij PPT 2、 插 入 损 耗 表 示 由 输 入 信 道 i到 指 定 信 道 j的 损 耗 。 定 义 为 指 定 输 出 端 口 的 光 功 率 相 对 全 部 输 入 光功 率 的 减 少 值 。 该 值 通 常 以 分 贝 (dB)表 示 ， 数学 表 达 式 为 其 中 ： 是 第 i个 输 出 端 口 的 插 入 损 耗 ； Pi是 第 i个 输 出 端 口 测 到 的 光 功 率 值 ； Pi是 输 入 端 的 光功 率 值 。 )( )lg(10lg10 dBTPP ijij 3、 附 加 损 耗 附 加 损 耗 表 示 由 耦 合 带 来 的 总 损 耗 。 定 义 为 所 有 输 出 端 口 的 光 功 率 总 和 与 全 部 输 入光 功 率 的 比 值 。 该 值 以 分 贝 表 示 的 数 学 表 达 式为 式 中 ： Pj为 第 j个 输 出 口 的 输 出 功 率 ； Pi为 输 入总 光 功 率 。 )( lg10 dBPP ij j 4、 分 光 比 分 光 比 是 光 耦 合 器 所 特 有 的 技 术 术 语 ， 它 定 义为 耦 合 器 各 输 出 端 口 的 输 出 功 率 相 对 输 出 总 功率 的 百 分 比 ， 在 具 体 应 用 中 常 用 数 学 表 达 式 表示 为 例 如 对 于 标 准 X形 耦 合 器 ， 1 1或 50 50代 表 了同 样 的 分 光 比 ， 即 输 出 为 均 分 的 器 件 。%100. j jjPPRC 5、 隔 离 比 （ isolation） 隔 离 度 是 指 某 一 光 路 对 其 他 光 路 中 的 信 号 的 隔离 能 力 。 隔 离 度 高 ， 也 就 意 味 着 线 路 之 间 的“ 串 话 ” 小 。 其 数 学 表 达 式 为 式 中 ： Pt是 某 一 光 路 输 出 端 测 到 的 其 他 光 路 信号 的 功 率 值 ； Pi是 被 检 测 光 信 号 的 输 入 功 率 值 。)( lg10 dBPPI it 第 五 部 分 光 纤 通 信 器 件 一 、 光 纤 发 射 机 1、 分 类按 光 波 长 ： 1310nm 光 发 和 1550nm 光 发 按 调 制 方 式 ： 模 拟 调 制 和 数 字 调 制 。 按 调 制 方 式 与 光 源 的 关 系 ： 直 接 调 制 光 发和 外 调 制 光 发 模 拟 调 制 又 有 两 类 ， 一 类 是 用 模 拟 基 带信 号 直 接 对 光 源 进 行 强 度 调 制 （ DIM） ； 另 一 采 用 连 续 或 脉 冲 的 射 频 （ RF）波 作 为 副 载 波 ， 模 拟 基 带 信 号 先 对 它 的幅 度 、 频 率 或 相 位 等 进 行 调 制 ， 再 用 该受 调 制 的 副 载 波 去 强 度 调 制 光 源 。 模 拟调 制 的 优 点 是 设 备 简 单 ， 占 有 带 宽 较 窄 ，但 它 的 抗 干 扰 性 能 差 ， 中 继 时 噪 声 累 积 。 数 字 调 制 是 光 纤 通 信 的 主 要 调 制 方 式 ，将 模 拟 信 号 抽 样 量 化 后 ， 以 二 进 制 数 字信 号 “ 1”或 “ 0”对 光 载 波 进 行 通 断 调 制 ，并 进 行 脉 冲 编 码 （ PCM） 。 数 字 调 制 的优 点 是 抗 干 扰 能 力 强 ， 中 继 时 噪 声 及 色散 的 影 响 不 积 累 ， 因 此 可 实 现 长 距 离 传输 ， 它 的 缺 点 是 需 要 较 宽 的 频 带 ， 设 备也 复 杂 。 2、 基 本 原 理 从 前 端 输 入 的 RF 电 视 信 号 经 过 放 大 等电 路 处 理 ， 从 末 级 分 出 一 部 分 信 号 ， 经过 峰 值 检 波 、 直 流 放 大 去 控 制 由 PIN 二极 管 组 成 的 电 调 衰 减 器 和 自 动 增 益 控 制 (AGC) ， 经 过 这 样 一 系 列 的 处 理 以 后 ，将 射 频 信 号 加 入 激 光 器 激 励 口 ， 来 控 制半 导 体 激 光 器 的 偏 流 ， 进 而 控 制 激 光 器的 输 出 光 强 度 ， 一 般 采 用 DFB 激 光 器 作为 光 源 。 3、 * 光 发 射 机 的 应 用 直 接 调 制 型 ： 线 性 好 ,失 真 小 ,输 出 功 率18mw以 内 .价 格 低 廉 适 用 于 近 距 离 传 输（ 35公 里 以 内 ） 。 外 调 制 型 ： 非 线 性 失 真 大 ， 电 路 复 杂 成本 高 。 输 出 功 率 大 2X20mw， 色 散 小 ， 适合 长 距 离 传 输 。 二 光 分 路 器 光 分 路 器 介 绍 ： 它 属 于 无 源 器 件 ， 可 以对 光 信 号 进 行 耦 合 、 分 配 、 分 支 。 是 具有 多 个 输 入 端 和 输 出 端 的 光 纤 汇 接 器 件 。在 有 线 电 视 系 统 中 多 用 一 个 输 入 ， 多 个输 出 。 （ 注 ： 老 式 的 分 波 长 ， 新 式 的 为通 用 型 ） 三 、 光 接 收 机 原 理 和 应 用 1、 分 类 ： 光 接 收 机 分 为 模 拟 光 接 收 机 和 数 字 光 接 收 机 两 种 2、 作 用 ： 在 有 线 电 视 HFC网 络 中 ， 光 接收 机 通 常 位 于 光 纤 接 点 处 ， 它 的 主 要 功能 是 把 光 信 号 转 变 为 RF信 号 3、 原 理 ： 光 电 检 测 器 是 从 输 入 的 光 信 号 中 取 出 有 用 的 电信 号 (有 线 电 视 信 号 ) , 能 完 成 O /E转 换 的 光 接 收器 件 称 光 电 检 测 器 或 光 电 二 极 管 ( PD)。 光 电 检测 器 输 出 的 射 频 有 线 电 信 号 送 入 电 信 号 放 大 级放 大 , 之 后 送 至 均 衡 器 , 完 成 对 带 宽 内 ( 550MH z、 750 MH z、 860 MH z的 带 宽 内 )的 平 坦 度 调整 , 之 后 送 入 衰 减 器 , 衰 减 器 完 成 对 带 宽 内 各 频道 幅 度 的 调 整 , 保 证 输 出 级 有 合 适 的 输 出 电 平(即 保 证 光 接 收 机 有 合 适 的 输 出 电 平 )。 输 出 放大 器 输 出 信 号 送 入 分 支 器 (或 分 配 器 ) , 之 后 送到 接 收 机 的 各 输 出 口 , 从 输 出 放 大 级 输 出 取 出部 分 信 号 送 至 AGC 控 制 电 路 , 完 成 AGC控 制 作用 和 监 测 作 用 。 四 、 光 纤 仪 器 的 使 用 1、 光 功 率 计 （ 1） 作 用 ： 用 于 测 量 绝 对 光 功 率 或 通 过一 段 光 纤 的 光 功 率 相 对 损 耗 。 （ 2） 计 算 方 法 ： B点 绝 对 电 平 减 去 A点绝 对 电 平 ， 所 得 结 果 就 是 AB之 间 的 损 耗或 增 益 2、 光 熔 接 机 （ 1） 作 用 ： 熔 接 光 纤 （ 2） 原 理 ： 主 要 是 靠 放 出 电 弧 将 两 头 光纤 熔 化 ， 同 时 运 用 准 直 原 理 平 缓 推 进 ，以 实 现 光 纤 对 接 。 设 备 操 作 实 例 设 备 操 作 演 示 讲 解 1、 场 强 仪 ： 电 源 充 电 -开 机 -连 接 测 量 线 -按 CH/F键 -测量 图 像 /伴 音 电 平 和 频 率 -按 上 下 箭 头 切 换 频 道 -按 斜 率键 测 量 C/N或 查 看 两 个 窗 口 的 电 平 。 （ 强 仪 测 量 光 发 射机 输 入 电 平 ） 2、 光 功 率 计 ： 电 源 充 电 -开 机 -连 接 测 量 线 -按 入 键 设 置波 长 -按 DBm测 量 功 率 电 平 -按 DB键 测 量 电 压 电 平 -按REF键 显 示 测 量 结 果 （ 用 光 功 率 计 测 量 光 发 射 机 的 输出 电 平 ） 3、 熔 接 机 ： （ 事 先 将 光 纤 剥 皮 ） 电 源 充 电 -开 机 -将 切割 好 的 光 纤 放 入 槽 内 -按 RAN键 -观 看 熔 接 情 况 （ 熔 接一 段 光 纤 ） 学 生 演 练 任 务 一 ： 用 正 确 的 方 法 连 接 光 纤 设 备 （ 分 组 ） 任 务 二 ： 用 光 功 率 计 和 场 强 仪 测 量 信 号 强 度（ 要 求 每 人 上 台 ） 任 务 三 ： 学 习 使 用 熔 接 机 任 务 四 ： 故 障 判 断 （ 老 师 在 线 路 上 设 故 障 ， 学生 分 析 后 上 台 排 除 ） 小 结 1、 光 纤 技 术 及 发 展 2、 光 纤 的 色 散 、 模 式 和 损 耗 3、 光 纤 设 备 （ 光 发 射 机 ， 分 路 器 ， 接 收机 ， 熔 接 机 ， 光 功 率 计 ） 作 业 问 答 ： “ 光 纤 到 户 ” 之 我 见 内 容 包 括 ： “ 光 纤 到 户 ” 的 进 程 ， “ 光纤 到 户 ” 的 利 与 弊 ， 国 家 及 产 业 界 对“ 光 纤 到 户 ” 的 政 策 和 态 度 ， 你 自 己 的看 法 。 下 次 课 堂 提 问 ： 1、 光 纤 有 哪 几 种 分 类 方 法 ？ 2、 光 纤 色 散 的 概 念