光纖通信原理及基礎(chǔ)知識課件

A0光纖的通信原理及基礎(chǔ)知識A1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A2§1.1光纖通信的基本原理信號處理發(fā)送端信號處理接收端光波導(dǎo)第一章光纖、光纜的基本知識A3?f10km1km100m10m1m1cm1dm105m100km107m010Hz100Hz1k10k100k1M10M100M1G10G1cm100?m1mm10?m100nm1?m10nm1nm100pm10pm1pm10G100G1T10T100T1015T1017T1016T1019T1018T1020T1.6?m1.5?m1.3?m1.4?m1.1?m1.2?m1?m900nm800nm700nm500nm600nm400nm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A4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?1?2?1=?2n1·Sin?1=n2·Sin?2媒質(zhì)1折射率n1媒質(zhì)2折射率n2?1?2光的反射和折射定律光纖通信的基本原理A5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1.01.00031.331.4571.4711.5~1.92.42全反射：當n1>n2時，隨著入射角的不斷增加，在入射角達到某一值時，折射角達到90oC，我們把此時的入射角稱為臨界角?0。當入射角大于臨界角時，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?2＝90o。即n1·Sin?0=n2·Sin90o所以Sin?0=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A6光通信正是利用了全反射原理，當光的注入角滿足一定條件時，光便能在光纖(光波導(dǎo))內(nèi)形成全反射，從而達到長距離傳輸?shù)哪康?。包層n2纖芯n1光纖中心軸線?090-?0?包層n2空氣n0?1光纖的導(dǎo)光原理光纖通信的基本原理n1>n2>n0n0:空氣中的折射率n1:纖芯的折射率n2:包層的折射率?>?0?0:入射角,和sin?0=n2/n1條件:A7涂層包層纖芯光纖的結(jié)構(gòu)光纖的基本結(jié)構(gòu)和分類A8光纖通信的優(yōu)點光通信基本原理?大容量?長中繼距離?適應(yīng)能力強?體積小，重量輕，便于安裝和維護?選材豐富，價格低Rawmaterialabundance,lowprice?保密性強A9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A10光纖的結(jié)構(gòu)及組成涂層力學(xué)影響的防護涂層(acrylic)250μm涂層250μm標準單模光纖標準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A11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A12?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A13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A14?G651多模光纖：工作波長為850nm的LAN用的多模光纖?G652光纖：最佳工作波長為1310nm的單模光纖：G652AG652B:標準光纖G652CG652D：低水峰（全波）光纖?G653光纖：零色散波長在1.55?m窗口的單模光纖?G654光纖：截止波長在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：單信道光纖(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爭取會議同意)光纖的分類光纖的基本結(jié)構(gòu)和分類A15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，通過對光纖的截止波長進行位移而獲得極低的衰減。過渡性的單模光纖，把零色散點移到了衰減最小的波長。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A16G652光纖的分類、特點與應(yīng)用應(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擴展波長范圍4.G.652D：與G.652B光纖屬性類似，允許使用在1360~1530nm擴展波長范圍光纖的基本結(jié)構(gòu)和分類A17長距離應(yīng)用，發(fā)展方向是大有效面積色散平坦型G.655城域網(wǎng)中，低水峰光纖（G.652C、G.652D）有較大的應(yīng)用前景，關(guān)鍵在價格，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62.5?m向50?m發(fā)展，市場在逐漸擴大室內(nèi)布線將向塑料光纖發(fā)展光纖應(yīng)用的發(fā)展趨勢光纖的基本結(jié)構(gòu)和分類A18第一章光纖通信的基本原理第二章光纖的基本結(jié)構(gòu)及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A19?幾何尺寸參數(shù)?光學(xué)及傳輸特性參數(shù)?機械及環(huán)境性能參數(shù)光纖參數(shù)分類光纖的基本參數(shù)A20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RdxR光纖的基本參數(shù)A21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：?62.5/50?m?8～10?m??1.0?m?125?m?2?m??2%?245?m?10?m??15?m?光纖翹曲度：??2m光纖的基本參數(shù)A22光纖的光學(xué)及傳輸特性參數(shù)?衰減系數(shù)?色散系數(shù)?截止波長?彎曲損耗?偏振模色散?模場直徑光纖的基本參數(shù)A23定義：高斯分布的單模光纖，模場直徑是光場幅度分布1/e處各點所圍成圓的直徑，也等于光功率分布1/e2處各點所圍成圓的直徑。光纖的光學(xué)及傳輸特性參數(shù)之一------模場直徑光纖的基本參數(shù)●P0PeA24衰減系數(shù)?＝10lg(Pi/Po)/L下面:Pi輸入功率Po通過長度為L的光纖后的輸出功率L傳輸距離定義:Loss(dB)=-10lg(Pout/Pin)限制傳輸距離.固有損耗:瑞利散射,材料反射(紫外線輻射&紅外線吸收)外來損耗:吸收，分離點損耗PiPoL§1.2衰減系數(shù)光纖的光傳輸特性A25衰減(dB/km)波長(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)A26定義：由于傳輸介質(zhì)的折射率與光波的波長相關(guān)而造成不同波長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)進行反映。光纖的光學(xué)及傳輸特性參數(shù)之一------色散系數(shù)D(ps/km·nm)光纖的基本參數(shù)A27Theoreticalmaxdistancelimitedbythedispersion??2sGb????kmnmpsDkmL/??Bcapacity1550nm(G.652)1550nm(G.655)1310nm(G.652)2.5Gb/s928km4528km6400km10Gb/s58km283km400km20Gb/s14.5km70kml00km40Gb/s3.6km18km25km=105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)A2884-401200-818001400150016001700132nm4色散D(ps/(nm?km))波長(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)A29定義：基模包含兩個正交的矢量，這兩個偏振矢量在傳播過程中會產(chǎn)生時延，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)A30PMD定義?定義:減弱的波長結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的兩個線性偏振模的色散?ΔtPMD=Dpmd*LΛ0.5?PMDLinky=?PMDQ:99.99%probabilityof100000y21121????????nkxkn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)A31偏振模色散受限的最大理論傳輸距離B?當比特率大于10Gb/s,偏振模色散必須考慮.?降低光纖偏振模色散值:–改進光纖的幾何形狀?導(dǎo)致裸纖的旋轉(zhuǎn)??2sGb????2kmpsPMDkm?=104PMD(ps/4km)2.5Gb/s10Gb/s40Gb/s3.0180kmllkm<lkm1.01,600km100km6km0.56,400km400km25km0.240,000km2,500km156km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)A32固有和非固有的偏振模色散原因包層中心為橢圓包層偏心進入氣體側(cè)壓涂層橢圓涂層偏心非固有原因側(cè)壓彎曲扭曲光纖的光學(xué)及傳輸特性參數(shù)之一------偏振模色散光纖的基本參數(shù)A33定義：光纖作為單模光纖工作的最短波長。工作波長超過此波長時，只能傳輸基模，此時光纖為單模光纖；工作波長低于此波長時，除基模外，高次模也可傳輸，此時光纖為多模光纖。光纖的光學(xué)及傳輸特性參數(shù)之一------截止波長光纖的基本參數(shù)A34彎曲損耗：宏觀彎曲損耗：是指光纖在以遠遠大于光纖外徑的曲率半徑彎曲時，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)A35?衰減系數(shù)：?色散系數(shù)：?截止波長：?彎曲損耗：?1310nm波長處：?0.36dB/km?1550nm波長處：?0.22dB/km?1310nm波長處：?0ps/(nm?km)?1550nm波長處：?19ps/(nm?km)??cc?1260nm?以75mm為直徑松繞100圈1550nm波長處附加衰減：?0.05dB?模場直徑：?1310nm:8-10?m;1550nm:9-11?m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)?偏振模色散：?PMD?0.5ps/(km)1/2A36ITU-T關(guān)于光纖的主要規(guī)范1550nm1550nm1310nm和1550nm適用工作窗口???5dB???5dB?1dB1550nm的微彎衰耗0.19~0.25dB/km0.19~0.25dB/km0.17~0.25dB/km典型衰減系數(shù)（1550nm)--0.3~0.4dB/km典型衰減系數(shù)（1310nm)125±2?m125±2?m125±2?m包層直徑????????ps/(nm.km)(1530~1565nm)????ps/(nm.km)(1525~1575nm)???ps/(nm.km)(1525~1575nm)最大色散系數(shù)--????ps/(nm.km)(1288~1339nm)最大色散系數(shù)-??????ps/(nm2.km??????ps/(nm2.km零色散斜率?????nm1500~1600nm1300~1324nm零色散波長?????nm?????nm?????nm2--22米長跳線光纜截止波長?cj?????nm-?????nm22米光纜截止波長?cc?1?m?1?m?1?m短于2米長跳線光纜中光纖截止波長?c變化不超過?10%變化不超過?10%變化不超過?10%模場同心度誤差8~11?m7~8.3?m8.6~9.5?m模場直徑（標稱值）G655光纖G653光纖G652光纖光纖的光學(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)A37機械及環(huán)境性能參數(shù)?光纖篩選應(yīng)力水平?光纖抗張強度?光纖動態(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)時間：1s?典型值：500kpsi?nd?20?ns?20光纖的基本參數(shù)A38?光纖溫度衰減特性?光纖浸水性能?