光纤通信原理及基础知识

-8
波长(nm)
光纤的基本参数
偏振模色散 光纤的光学及传输特性参数之一------
定义：
基模包含两个正交的矢量，这两个偏振矢量在传播过 程中会产生时延，从而引入偏振模色散
光纤的基本参数
偏振模色散 光纤的光学及传输特性参数之一-----PMD定义 • 定义: 减弱的波长结构导致的两个线性偏振模的色散
• 包层不圆度(|dmax-dmin|/d)
• 涂层外径
R
• 包层/涂层同心度
• 光纤翘曲度 R
光纤的基本参数
光纤几何尺寸参数典型值
• 纤芯直径(多模光纤)： • 纤芯直径(单模光纤)： • 纤芯/包层同心度： • 包层外径： • 包层不圆度： • 涂层外径： • 包层/涂层同心度： • 光纤翘曲度：
条件:
n1>n2>n0
n0: 空气中的折射率 n1: 纤芯的折射率 n2: 包层的折射率
> 0
0: 入射角, 和 sin0=n2/n1
光纤的基本结构和分类 光纤的结构
涂 包 纤芯 层 层
光通信基本原理
光纤通信的优点
•大容量 •长中继距离 •适应能力强 •体积小，重量轻，便于安装和维护
•选材丰富，价格低Raw material abundance, low price •保密性强
光纤的通信原理及基础知识
第一章 光纤通信的基本原理 第二章 光纤的基本结构及分类 第三章 光纤的基本参数 第四章 光纤的制造方法
光纤的基本参数
光纤参数分类 • 几何尺寸参数 • 光学及传输特性参数 • 机械及环境性能参数
光纤的基本参数 光纤的几何尺寸参数
• 纤芯直径
• 纤芯/包层同心度
• 包层外径(d={dx+dy}/2)
径的曲率半径弯曲时，所引入的附加损耗。
微观弯曲损耗：是指光纤受到不均匀应力的作
用，光纤轴产生的微小不规则弯曲所引入的附加损耗。
光纤的基本参数
参数典型值 光纤的光学及传输特性参数之一------
• 模场直径： • 衰减系数：
• 色散系数：
• 偏振模色散：
• 截止波长： • 弯曲损耗：
•1310nm: 8-10m; 1550nm: 9-11m
光纤的基本结构和分类
光纤应用的发展趋势
长距离应用，发展方向是大有效面积色散平坦型G.655 城域网中，低水峰光纤（ G.652C、 G.652D）有较大的应用前景， 关键在价格，目前主 要采用的是G.652A、 G.652B光纤 接入网中将主要应用G.652光纤，其发展前景仍被很多专家看好 （目前市场规模在下降，但仍继续占主导地位） LAN中将主要应用多模光纤，芯径逐渐由62.5m向50 m发 展，市场在逐渐扩大 室内布线将向塑料光纤发展
光纤的基本结构和分类
光纤的分类
按用途分类：
• 用于通信，如：光缆 • 用于传感器，如：光纤陀螺 • 用于传输图像，如：内窥镜 • 其它用途，如用于传输能量
光纤的基本结构和分类
光纤的分类
按传输模式分类：
多模光纤
单模光纤
光纤的基本结构和分类
光纤的分类
G651多模光纤：工作波长为850nm的LAN用的多模光纤
40Gb/s
3.6km
18km
25km
光纤的基本参数
色散曲线图 光纤的光学及传输特性参数之一------
－不同单模光纤的色散曲线
8
1 非色散位移光纤 2 色散位移光纤 3 色散平坦光纤 4 非零色散位移光纤
1
4
2
4
3
0 1200
1400 1500 1600 1700 1800 nm
-4
色散D(ps/(nm•km))
• 当比特率大于10Gb/s, 偏振模色散必须考虑.
• 降低光纤偏振模色散值:
– 改进光纤的几何形状
• 导致裸纤的旋转
光纤的基本参数
偏振模色散 光纤的光学及传输特性参数之一------
固有和非固有的偏振模色散原因
包层中心为椭圆 包层偏心 进入气体
侧压
涂层椭圆
涂层偏心
非固有原因
侧压
弯曲
扭曲
光纤的基本参数
光纤的基本参数
色散系数D 光纤的光学及传输特性参数之一------
(ps /km·nm)
定义：
由于传输介质的折射率与光波的波长相关 而造成不同波长的光在相同传输介质中的传播 速度不同的现象。其程度用色散系数进行反映。
光纤的基本参数
光纤的光学及传输特性参数之一------色散受限最大理论传输距离
Theoretical max distance limited by the dispersion
纤芯 (聚甲基丙烯酸甲酯 ) 980 µm
包层(SiO2+F )掺氟二氧化硅
125 µm
标准单模光纤
标准梯度折射率分布多模光纤
涂层(acrylic) 250 µm
涂层 250 µm
涂层
力学影响的防护
塑料光纤
涂层 1000 µm
光纤的基本结构和分类
光纤的分类
按材料分类：
• 二氧化硅系光纤 • 多组份光纤 • 塑料光纤
Fra Baidu bibliotek交流电

107 m
105m 100km 10km 1km 100m 10m
1m
1dm 1cm
f 0 10Hz 100Hz 1k 10k 100k 1M 10M 100M 1G 10G 无线电
电视
微波
卫星
1cm 1mm 100m 10m 1m 100nm 10nm 1nm 100pm 10pm 1pm 10G 100G 1T 10T 100T 1015T 1016T 1017T 1018T 1019T 1020T
定义：
高斯分布的单模光纤，模场直径是 光场幅度分布1/e处各点所围成圆的 直径，也等于光功率分布1/e2处各 点所围成圆的直径。
P0
●
Pe
§1.2衰减系数
光纤的光传输特性
衰减系数＝10lg(Pi/Po)/L
下面: Pi Po L
定义:
输入功率 通过长度为L的光纤后的输出功率 传输距离
Loss(dB)= -10lg(Pout/Pin)
红外线
紫外线
X射线
1.6m 1.5m 1.4m 1.3m 1.2m 1.1m 1m
900nm
800nm
伽玛射线 700nm 600nm
500nm
400nm
光纤应用范围
可见光
光纤通信的基本原理
光的反射和折射定律
光在传输过程中，在两种不同的传输媒质的界面将产生以下行为：
一部分入射光将被反射
截止波长 光纤的光学及传输特性参数之一------
定义：
光纤作为单模光纤工作的最短波长。工作 波长超过此波长时，只能传输基模，此时光纤 为单模光纤；工作波长低于此波长时，除基模 外，高次模也可传输，此时光纤为多模光纤。
光纤的基本参数
弯曲损耗 光纤的光学及传输特性参数之一------
弯曲损耗：
宏观弯曲损耗：是指光纤在以远远大于光纤外
光纤， 称为非零色散位移光纤
G655A ：单信道光纤(1995) G655B、 G655C ：DWDM光纤(2000.10,2003.1) G656光纤：使用于DWDM 系统S+C+L波带的非零色散位移光纤 (2003.10提出，2004.4争取会议同意)
光纤的基本结构和分类
单模光纤的特性
单模光纤特性
t D • Δ PMD= pmd * LΛ0.5
•
PMD Link
y=
1
n
n k 1
xk2

1 2
• PMDQ :99.99% probability of 100000 y
光纤的基本参数
光纤的光学及传输特性参数之一------偏振模色散受限的最大理 论传输距离
偏振模色散受限的最大理论传输距离
媒质2
n1·Sin0=n2·Sin90o 所以 Sin0=n2/n1
光纤通信的基本原理
光纤的导光原理
光通信正是利用了全反射原理，当光的注入角满足一
定条件时，光便能在光纤(光波导)内形成全反射，从
而达到长距离传输的目的。
90- 0
空气 n0
0
1
包层 n2 纤芯 n1
包层 n2
光纤中 心轴线
G.652光纤 G.653光纤 G.654光纤 G.655光纤
最成熟的单模光纤，但未把最小的衰 减与最小的色散有效的结合在一起。
过渡性的单模光纤，把零色散点移到 了衰减最小的波长。
过渡性的单模光纤，通过对光纤的截 止波长进行位移而获得极低的衰减。
一种新型的单模光纤，把最小的衰减 与小的色散结合在一起。
光纤的基本结构和分类
G652光纤的分类、特点与应用
应用 1.G.652A：支持G.957规定的SDH传输系统，G.691规 定的带光放大的单通过路STM-16（ 2.5Gbit/s ）的SDH 传输系统，G.693规定的40km的10Gbit/s以太网系统及 STM-256 2.G.652B：主要支持更高速率 ，例如G.691和G.692传 输系统中直到STM-64 （10Gbit/s），在G.693和 G.959.1中对于STM-256的某些应用 3.G.652C（低水峰光纤） ：与G.652A光纤属性类似， 允许使用在1360~1530nm扩展波长范围 4.G.652D：与G.652B光纤属性类似，允许使用在 1360~1530nm扩展波长范围
光纤的通信原理及基础知识
第一章 光纤通信的基本原理 第二章 光纤的基本结构和分类 第三章 光纤的基本参数 第四章 光纤的制造方法
纤芯 (SiO2+Ge+F) (掺锗二氧化硅)
8.6-9.5 µm
光纤的基本结构和分类
光纤的结构及组成
纤芯 (掺锗二氧化硅) 50 µm / 62.5 µm / 100 µm
•1310nm波长处：0.36dB/km •1550nm波长处：0.22dB/km
限制传输距离.
固有损耗: 瑞利散射, 材料反射 (紫外线辐射 & 红外线吸收)
外来损耗: 吸收， 分离点损耗
L
Pi
Po
光纤的基本参数
光纤的光学及传输特性参数之一------典型频谱衰耗图
－单模光纤的典型频谱衰耗
OH-吸收峰 (又称为：水峰)
衰减 (dB/km)
0.36 0.20
1310
1550
波长(nm)
光纤的通信原理及基础知识
光纤的通信原理及基础知识
第一章 光纤通信的基本原理 第二章 光纤的基本结构和分类 第三章 光纤的基本参数 第四章 光纤的制造方法
第一章 光纤、光缆的基本知识
§1.1 光纤通信的基本原理
信号 处理
发送端
光波导
信号 处理
接收端
光纤通信的基本原理
频谱分配
电磁波谱
低频
高频
微波
LW MW KW UKW dm cm
一部分入射光将进入第二种媒质，并产生折射
1 2
媒质1 折射率n1
媒质2 折射率n2
1=2
媒质1
1
折射率n1
2
媒质2
折射率n2
n1·Sin1=n2·Sin2
光纤通信的基本原理
光的全反射定律
折射率 n＝光在真空中的传播速度/光在该媒质中的传播速度
媒质 真空 空气 水 多模光纤 单模光纤 玻璃 钻石
B Gb s2
Lkm Dps nm/ km
5
=10
capacity 2.5Gb/s
1550nm (G.652)
928km
1550nm (G.655)
4528km
1310nm (G.652)
6400km
10Gb/s
58km
283km
400km
20Gb/s
14.5km
70km
l00km
•62.5/50m •8～10m •1.0m •125m2m •2% •245m10m •15m •2m
光纤的基本参数
光纤的光学及传输特性参数
• 模场直径 • 衰减系数 • 色散系数 • 截止波长 • 弯曲损耗 • 偏振模色散
光纤的基本参数
模场直径 光纤的光学及传输特性参数之一------
G652光纤：最佳工作波长为1310nm的单模光纤： G652A G652B:标准光纤 G652C G652D：低水峰（全波 ）光纤
G653光纤：零色散波长在1.55m窗口的单模光纤 G654光纤：截止波长在1500 nm的海底应用单模光纤,又称为最低
衰减单 模光纤
G655光纤：在1550nm窗口给定波长区间内色散不为零的色 散位移单模
折射率 1.0 1.0003 1.33 1.457 1.471 1.5~1.9 2.42
全反射：
当n1>n2时，随着入射角的不断增加，在入射角达到某一值时，折射 角达到90oC，我们把此时的入射角称为临界角0 。当入射角大于临界角 时，将发生全反射。
媒质1
根据折射定律，我 们可以求出临界角， 此时2＝90o。即
4
B Gb s2 km PMD ps
2
km
=10
PMD (ps/4 km)
2.5 Gb/s
10 Gb/s 40 Gb/s
3.0
180km
llkm
<lkm
1.0
1,600 km
100 km
6km
0.5
6,400 km
400 km
25km
0.2
40,000 km 2,500 km 156km