光纖通信原理及基礎(chǔ)知識(shí)V1.0課件

光纖的通信原理及基礎(chǔ)知識(shí)工程規(guī)劃設(shè)計(jì)部

第一章光纖通信的基本原理第二章光纖的基本結(jié)構(gòu)和分類第三章光纖的基本參數(shù)第四章光纖的制造方法光纖的通信原理及基礎(chǔ)知識(shí)f10km1km100m10m1m1cm1dm105m100km107m010Hz100Hz1k10k100k1M10M100M1G10G1cm100m1mm10m100nm1m10nm1nm100pm10pm1pm10G100G1T10T100T1015T1017T1016T1019T1018T1020T1.6m1.5m1.3m1.4m1.1m1.2m1m900nm800nm700nm500nm600nm400nm紅外線紫外線X射線伽瑪射線光纖應(yīng)用范圍無線電電視衛(wèi)星LWKWMWUKWdmcm高頻微波低頻交流電直流電微波可見光電磁波譜頻譜分配光纖通信的基本原理光在傳輸過程中，在兩種不同的傳輸媒質(zhì)的界面將產(chǎn)生以下行為：一部分入射光將被反射 一部分入射光將進(jìn)入第二種媒質(zhì)，并產(chǎn)生折射媒質(zhì)1折射率n1媒質(zhì)2折射率n2入射光線反射光線121=2n1·Sin1=n2·Sin2媒質(zhì)1折射率n1媒質(zhì)2折射率n2入射光線12折射光線光的反射和折射定律光纖通信的基本原理折射率n＝光在真空中的傳播速度/光在該媒質(zhì)中的傳播速度全反射：

當(dāng)n1>n2時(shí)，隨著入射角的不斷增加，在入射角達(dá)到某一值時(shí)，折射角達(dá)到90oC，我們把此時(shí)的入射角稱為臨界角0。當(dāng)入射角大于臨界角時(shí)，將發(fā)生全反射。媒質(zhì)1媒質(zhì)2根據(jù)折射定律，我們可以求出臨界角，此時(shí)2＝90o。即n1·Sin0=n2·Sin90o所以Sin0=n2/n1媒質(zhì)折射率真空空氣水多模光纖單模光纖玻璃鉆石光的全反射定律光纖通信的基本原理光通信正是利用了全反射原理，當(dāng)光的注入角滿足一定條件時(shí)，光便能在光纖(光波導(dǎo))內(nèi)形成全反射，從而達(dá)到長(zhǎng)距離傳輸?shù)哪康?。包層n2纖芯n1光纖中心軸線090-0包層n2空氣n01光纖的導(dǎo)光原理光纖通信的基本原理?Verysmallsignalloss?Impervioustoelectromagnetic?Moresafety?Easyforoperation?Largecapacity1Mb/s=1,000,000bitspersecond2Mb/s=30lines565Mb/s=7680lines光纖通信的優(yōu)點(diǎn)光通信基本原理光纖的結(jié)構(gòu)及組成

涂層

力學(xué)影響的防護(hù)涂層(acrylic)250μm涂層

250μm

標(biāo)準(zhǔn)單模光纖標(biāo)準(zhǔn)梯度折射率分布多模光纖

纖芯(SiO2+Ge+F)

(摻鍺二氧化硅)

8.6-9.5μm

纖芯

(聚甲基丙烯酸甲酯)

980μm

包層(SiO2+F)摻氟二氧化硅

125μm

纖芯

(摻鍺二氧化硅)

50μm/62.5μm/100μm涂層1000μm塑料光纖光纖的基本結(jié)構(gòu)和分類PCVDfiber:Core:SiO2+Ge+FCladding:SiO2+FPri.Coating:acrylicSec.Coating:acrylicCoreCladdingCoating光纖的組成光纖的基本結(jié)構(gòu)和分類按材料分類：二氧化硅系光纖多組份光纖塑料光纖光纖的分類光纖的基本結(jié)構(gòu)和分類用于通信，如：光纜用于傳感器，如：光纖陀螺用于傳輸圖像，如：內(nèi)窺鏡其它用途，如用于傳輸能量按用途分類：光纖的分類光纖的基本結(jié)構(gòu)和分類按傳輸模式分類：多模光纖單模光纖光纖的分類光纖的基本結(jié)構(gòu)和分類G651多模光纖：工作波長(zhǎng)為850nm的LAN用的多模光纖G652光纖：最佳工作波長(zhǎng)為1310nm的單模光纖：

G652AG652B:標(biāo)準(zhǔn)光纖

G652CG652D：低水峰（全波）光纖

G653光纖：零色散波長(zhǎng)在1.55m窗口的單模光纖

G654光纖：截止波長(zhǎng)在1500nm的海底應(yīng)用單模光纖,又稱為最低 衰減單模光纖

G655光纖：在1550nm窗口給定波長(zhǎng)區(qū)間內(nèi)色散不為零的色散位移單模光纖，稱為非零色散位移光纖

G655A：?jiǎn)涡诺拦饫w(1995)G655B、G655C：DWDM光纖(2000.10,2003.1)G656光纖：使用于DWDM系統(tǒng)S+C+L波帶的非零色散位移光纖

(2003.10提出，2004.4爭(zhēng)取會(huì)議同意)光纖的分類光纖的基本結(jié)構(gòu)和分類單模光纖特性G.652光纖G.653光纖G.654光纖G.655光纖最成熟的單模光纖，但未把最小的衰減與最小的色散有效的結(jié)合在一起。過渡性的單模光纖，通過對(duì)光纖的截止波長(zhǎng)進(jìn)行位移而獲得極低的衰減。過渡性的單模光纖，把零色散點(diǎn)移到了衰減最小的波長(zhǎng)。一種新型的單模光纖，把最小的衰減與小的色散結(jié)合在一起。單模光纖的特性光纖的基本結(jié)構(gòu)和分類3.應(yīng)用1.G.652A：支持G.957規(guī)定的SDH傳輸系統(tǒng)，G.691規(guī)定的帶光放大的單通過路STM-16（2.5Gbit/s）的SDH傳輸系統(tǒng)，G.693規(guī)定的40km的10Gbit/s以太網(wǎng)系統(tǒng)及STM-2562.G.652B：主要支持更高速率，例如G.691和G.692傳輸系統(tǒng)中直到STM-64（10Gbit/s），在G.693和G.959.1中對(duì)于STM-256的某些應(yīng)用3.G.652C（低水峰光纖）：與G.652A光纖屬性類似，允許使用在1360~1530nm擴(kuò)展波長(zhǎng)范圍4.G.652D：與G.652B光纖屬性類似，允許使用在1360~1530nm擴(kuò)展波長(zhǎng)范圍G652光纖的分類、特點(diǎn)與應(yīng)用光纖的基本結(jié)構(gòu)和分類G655光纖的分類、特點(diǎn)與應(yīng)用1.分類2003年1月20日~31日，ITU-T15組根據(jù)光纖的PMD的要求和色散特性的要求區(qū)分將G.655光纖進(jìn)一步細(xì)分為：3種，即G.655A、G.655B、G.655C2.特點(diǎn)最新的一種單模光纖；充分利用C/L波段衰減小和其為EDFA工作波段的特點(diǎn)；較小的色散有利于高速傳輸，同時(shí)又能有效抑制非線性效應(yīng)光纖的基本結(jié)構(gòu)和分類

長(zhǎng)距離應(yīng)用，大有效面積色散平坦型G.655是發(fā)展方向城域網(wǎng)中，低水峰光纖有較大的應(yīng)用前景，關(guān)鍵在價(jià)格，目前主要采用的是G.652A、G.652B光纖接入網(wǎng)中將主要應(yīng)用G.652光纖，其發(fā)展前景仍被很多專家看好（目前市場(chǎng)規(guī)模在下降，但仍繼續(xù)占主導(dǎo)地位）LAN中將主要應(yīng)用多模光纖，芯徑逐漸由62.5m向50m發(fā)展，市場(chǎng)在逐漸擴(kuò)大室內(nèi)布線將向塑料光纖發(fā)展光纖應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)

光纖的基本結(jié)構(gòu)和分類光纖選用技術(shù)建議

核心網(wǎng)城域網(wǎng)接入網(wǎng)A1a、A1b√適用G.652B√可用√適用√可用G.652CG.652D√可用√適用G.655BG.655C√適用√可用光纖種類網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)光纖的基本結(jié)構(gòu)和分類幾何尺寸參數(shù)光學(xué)及傳輸特性參數(shù)機(jī)械及環(huán)境性能參數(shù)光纖參數(shù)分類光纖的基本參數(shù)光纖的幾何尺寸參數(shù)

纖芯直徑纖芯/包層同心度包層外徑(d={dx+dy}/2)

包層不圓度(|dmax-dmin|/d)

涂層外徑包層/涂層同心度光纖翹曲度RdxdyR光纖的基本參數(shù)光纖幾何尺寸參數(shù)典型值

纖芯直徑(多模光纖)：

纖芯直徑(單模光纖)：

纖芯/包層同心度：

包層外徑：

包層不圓度：

涂層外徑：

包層/涂層同心度：62.5/50m8～10m1.0m125m2m2%245m10m15m

光纖翹曲度：2m光纖的基本參數(shù)定義：高斯分布的單模光纖，模場(chǎng)直徑是光場(chǎng)幅度分布1/e處各點(diǎn)所圍成圓的直徑，也等于光功率分布1/e2處各點(diǎn)所圍成圓的直徑。Definition:Powerlowerdownto0.135Po.MFDrelatedtowavelengthSplicelossmostlydependedbyMFDmismatchMFDcaninfluencebendingloss,Dispersionandetc.Salesstrategy:selectfiberwithMFDmatchedwell光纖的光學(xué)及傳輸特性參數(shù)之一------模場(chǎng)直徑光纖的基本參數(shù)衰減系數(shù)

＝10log(P0/PL)/L 這里； P0輸入光功率 PL經(jīng)過L長(zhǎng)度的光纖后的輸出光功率 L傳輸距離Definition:Loss(dB)=-10lg(Pout/Pin)Limitedthetransmissiondistance.Intrinsiclosses:Rayleighscattering,Materialresonance(Ultraviolet&InfraredAbsorption)Extrinsiclosses:Absorption,BendinglossesP0PLL光纖的光學(xué)及傳輸特性參數(shù)之一------衰減系數(shù)光纖的基本參數(shù)衰減(dB/km)波長(zhǎng)(nm)131015500.360.20－單模光纖的典型頻譜衰耗OH-吸收峰(又稱為：水峰)光纖的光學(xué)及傳輸特性參數(shù)之一------典型頻譜衰耗圖光纖的基本參數(shù)定義：

由于傳輸介質(zhì)的折射率與光波的波長(zhǎng)相關(guān)而造成不同波長(zhǎng)的光在相同傳輸介質(zhì)中的傳播速度不同的現(xiàn)象。其程度用色散系數(shù)進(jìn)行反映。光纖的光學(xué)及傳輸特性參數(shù)之一------色散系數(shù)光纖的基本參數(shù)Theoreticalmaxdistancelimitedbythedispersion

Bcapacity1550nm(G.652)1550nm(G.655)1310nm(G.652)2.5Gb/s928km4528km6400km10Gb/s58km283km400km20Gb/s14.5km70kml00km40Gb/s3.6km18km25km=10

光纖的光學(xué)及傳輸特性參數(shù)之一------色散受限最大理論傳輸距離光纖的基本參數(shù)84-401200-818001400150016001700132nm4色散D(ps/(nm?km))波長(zhǎng)(nm)1

非色散位移光纖2 色散位移光纖3 色散平坦光纖4非零色散位移光纖－不同單模光纖的色散曲線光纖的光學(xué)及傳輸特性參數(shù)之一------色散曲線圖光纖的基本參數(shù)定義：

光纖作為單模光纖工作的最短波長(zhǎng)。工作波長(zhǎng)超過此波長(zhǎng)時(shí)，只能傳輸基模，此時(shí)光纖為單模光纖；工作波長(zhǎng)低于此波長(zhǎng)時(shí)，除基模外，高次模也可傳輸，此時(shí)光纖為多模光纖。光纖的光學(xué)及傳輸特性參數(shù)之一------截止波長(zhǎng)光纖的基本參數(shù)Cut-offwavelengthDefinition:[2πna/V]2?PowerincladdingvsVV<=2.405,singlemode.workingwavelengthmustbiggerthancutoff.powerincladding.bendinglosssensitive.Fibertheoreticalcutoff.fibereffectivecutoff(2m).cablecutoff.MAC:MFD/Cutoff光纖的光學(xué)及傳輸特性參數(shù)之一------截止波長(zhǎng)光纖的基本參數(shù)彎曲損耗：

宏觀彎曲損耗：是指光纖在以遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于光纖外徑的曲率半徑彎曲時(shí)，所引入的附加損耗。

微觀彎曲損耗：是指光纖受到不均勻應(yīng)力的作用，光纖軸產(chǎn)生的微小不規(guī)則彎曲所引入的附加損耗。光纖的光學(xué)及傳輸特性參數(shù)之一------彎曲損耗光纖的基本參數(shù)定義：

基模包含兩個(gè)正交的矢量，這兩個(gè)偏振矢量在傳播過程中會(huì)產(chǎn)生時(shí)延，從而引入偏振模色散光纖的光學(xué)及傳輸特性參數(shù)之一------偏振模色散光纖的基本參數(shù)PMD定義Definition:dispersionofthetwolinear-polarizedmodescausedbyimperfectwaveguidestructureΔtPMD=Dpmd*LΛ0.5PMDLinky=PMDQ:99.99%probabilityof100000y光纖的光學(xué)及傳輸特性參數(shù)之一------偏振模色散光纖的基本參數(shù)TheoreticalmaxdistancelimitedbythedispersionBWhentheBitrateexceed10Gb/s,thePMDmustbeconsidered.ReducefiberPMDvalue:improvefibergeometryperformanceinducerotationtobarefiber=10

PMD(ps/4km)2.5Gb/s10Gb/s40Gb/s3.0180kmllkm<lkm101,600km100km6km0.56,400km400km25km0.240,000km2,500km156KM光纖的光學(xué)及傳輸特性參數(shù)之一------偏振模色散受限的最大理論傳輸距離光纖的基本參數(shù)IntrinsicandextrinsicreasonsofPMDellipticalCladdingcoreeccentriccladdingairvoidstressellipticalcoatingeccentriccoatingExtrinsicCausesstressbendtwist光纖的光學(xué)及傳輸特性參數(shù)之一------偏振模色散光纖的基本參數(shù)

衰減系數(shù)：

色散系數(shù)：

截止波長(zhǎng)：

彎曲損耗：

偏振模色散：1310nm波長(zhǎng)處：0.36dB/km1550nm波長(zhǎng)處：0.22dB/km1310nm波長(zhǎng)處：0ps/(nm?km)1550nm波長(zhǎng)處：19ps/(nm?km)cc1260nm以75mm為直徑松繞100圈1550nm波長(zhǎng)處附加衰減：0.05dBPMD0.5ps/(km)1/2

模場(chǎng)直徑：1310nm:8-10m;1550nm:9-11m光纖的光學(xué)及傳輸特性參數(shù)之一------參數(shù)典型值光纖的基本參數(shù)光纖的光學(xué)及傳輸特性參數(shù)之一------ITU規(guī)范典型值光纖的基本參數(shù)機(jī)械及環(huán)境性能參數(shù)

光纖篩選應(yīng)力水平

光纖抗張強(qiáng)度

光纖動(dòng)態(tài)疲勞參數(shù)

光纖靜態(tài)疲勞參數(shù)篩選應(yīng)力：0.69GPa持續(xù)時(shí)間：1s典型值：500k