《光纤通信原理》PPT课件

光纤通信原理
上海电信培训中心
高光辉
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第一章 概述
3000多年前，人们就开始利用光进 行通信，但光通信的真正飞跃是在光纤 出现之后，由于光纤无可比拟的优越性， 在短短的几十年中迅速地取代了电通信 的地位，通信速率由几M发展到单信道 10G，40G。
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1-1 光纤通信的发展与现状
1960年，英籍华人高锟指出：如能将 光纤中过渡金属离子减少到最低限度， 有可能使光纤的损耗减少到1 db/Km，信 息容量可能超过100MHz。
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1970年美国康宁公司拉出了损耗20 db/Km的光纤。
现在光纤的无中继传输已达几万公 里，NEC公司在实验室完成了10T以上容 量的传输。
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2-2-4 多模光纤与单模光纤
多模光纤和单模光纤是由光纤中传 输的模式数决定的。一根光纤是不是单 模传输，主要由其自身结构决定，但也 与光纤中传输的光波长有关。
多模光纤：允许多个模式在其中传 输的光纤，由于模式色散的存在，带宽 远小于单模光纤。早期多用，目前只在 小容量、短距离系统（LAN）中应用。
按传输模式的数量：多模、单模。 按光纤的工作波长：短波长、长波长、 超长波长。 按ITU-T建议：G651—G655。
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2-2 光纤的射线理论
光在均匀介质中是直线传播的，速度为 v=c/n
c=299700km/s (光在真空中的速度） n：介质的折射率（空气：1.00027,
玻璃：1.45)
为了使光纤用于各种场合，并顺利 地完成敷设施工，必须把光纤和其他元 件组合起来构成一体，这种组合体就是 光缆。
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2-4-1 光缆的技术要求
1、 使用二十年以上 2、 为光纤提供足够的保护 3、 光纤的传输特性不劣化 4、 敷设容易，维护方便
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缆芯
缆芯内有光纤、光纤套管或骨架和 加强元件（必要时还有铜线），还需填 充油膏。
1-1-1 早期的光通信
几千年前，中国就有火光通信：烽 火台，它是世界上最早的光通信，因为 它具有光通信的基本要素：光源、接受 器、信息加在光波上和光通道。
1880年，贝尔发明了光电话，它是现 代光通信的开端，但由于找不到实用的 传输手段而夭折。
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1-1-2 光纤通信
1950年曾出现过导光用的玻璃纤维， 但损耗高达1000db/Km，这天文数字的 损耗量，使有人认为光纤传输无实际意 义。
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单模光纤：只能传输一种模式的光纤。 由于不存在模式色散，具有远大于多模 光纤的带宽，这是高速传输必须的，带 宽一般在几十G以上，且大多采用折射率 阶跃分布的单模光纤。
由于光纤制造工艺的提高，单模光纤 有完全取代多模光纤的趋势。
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2-4 光缆
经过一次涂覆和二次涂覆（套塑） 的光纤虽然具有一定的抗拉强度，但还 是比较脆弱，只能用于实验室和机房。
当缆芯内有铜线和金属加强元件时， 光缆就失去了抗电磁干扰能力。因此在 雷电和强电影响严重的地区用塑料加强 元件，中继站用太阳能供电。
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Hale Waihona Puke 护层是有护套和外护层构成的多层组合 体，进一步保护光纤，能适应各种场地 敷设（架空、管道、直埋、室内、过河、 跨海）。
光纤通信的前途一片光明。
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1-2 光纤通信的主要特性
1-2-1 光纤通信的优点 1、容量大 目前商用系统单信道10G，多信道
1600G。 如果能消除OH吸收峰，带宽可达
140T。
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2、损耗低、中继距离长
目前，实用的光纤通信系统使用的 石英光纤在1.55微米波长区的损耗为0.18 db/Km，比已知的其他通信线路的损耗 低得多。如果今后采用非石英光纤，并 工作在超长波长（大于2微米），光纤损 耗的理论系数可以下降到1/10001/100000 db/Km，光纤的无中继传输可 达几万公里，在任何情况下都可以不要 再生中继。
纤芯由高度透明的材料制成，包层 的折射率略小于纤芯的折射率，从而造 成一种使光限制在纤芯中传输的效应。
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涂覆层是保护光纤不受湿气的侵蚀 和机械擦伤，同时增加柔韧性，它不用 于导光，可以染成各种标志色。
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2-1-2 光纤的类型
按光纤截面上折射率分布：阶跃型、 渐变型。
6、节约有色金属和原材料
光纤的主要成分是二氧化硅，占地球 重量的24%，而生产电缆需要大量的铜 和铅，在地球上快成为“稀有金属”了。
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1-3-2 光纤通信系统的分类
根据调制信号的类型：模拟、数字。 根据光源的调制方式：直接、间接。 根据光纤的传导模数量：多模、单模。 根据工作波长：短波长、长波长、超长 波长。
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如果有两种不同折射率的介质，折 射率较大的称为光密介质，较小的称为 光疏物质。光在光疏介质中的传播速度 比光密介质快。
光在一种介质中传播而遇到另一种 介质时，将在两种介质的分界面发生反 射和折射。
光在光纤中传播，在纤芯和包层的 分界面发生反射和折射，当入射角足够 大时，折射光消失，光线全部返回纤芯， 称为全反射，这是光纤通信必须满足的 物理现象。
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3、抗干扰能力强
光导纤维是不导电的，电磁波在其中 不会产生感生电动势，即不会产生与信 号无关的噪声。
4、保密性好
电通信方式很容易被人窃听，而光纤 中传送的光波被限制在光纤内部，很少 会跑到光纤之外。即使在弯曲半径很小 的位置光泄漏也十分微弱。
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5、体积小，重量轻
目前常用的光纤纤芯直径只有几微米， 加上包层直径是125微米，500米只有50 克。一公里四管同轴电缆重4400公斤， 而一公里四芯光缆只200公斤，是电缆的 二十分之一也不到。
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第二章 光纤和光缆
众所周知，光具有波粒二象性，光 既可以看成电磁波，有可以看成粒子流 （光子）。因此，分析光纤中光的传输 理论也有两套：波动光学理论和几何光 学理论。
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2-1 光纤的结构与类型
2-1-1 光纤的结构
一根实用化的光纤是由多层透明介 质构成，一般分三部分：折射率较高的 纤芯、折射率较低的包层和外面的涂覆 层。