光纤通信原理及基础知识

包层( 包层(SiO2+F )掺氟二氧化硅 125 µm
标准单模光纤 涂层(acrylic) acrylic) 250 µm 涂层 的防护
标准梯度折射率分布多模光纤
涂层 250 µm
塑料光纤
涂层 1000 µm
力学影响
光纤的基本结构和分类
光纤的分类
按材料分类： 按材料分类：
• • •
二氧化硅系光纤
105m 100km 10km 1km 1k 10k 100k 无线电 1M
100m 10m 10M 100M 电视
1dm 10G
10Hz 100Hz
微波
卫星
1cm
1mm 100µm 10µm 1µm 100nm 10nm 1nm 100pm 10pm 1pm 1T 10T 100T 1015T 1016T 1017T 1018T 1019T 1020T 紫外线 X射线
多组份光纤
塑料光纤
光纤的基本结构和分类
光纤的分类
按用途分类： 按用途分类：
• • • •
用于通信，如：光缆 用于通信， 用于传感器，如：光纤陀螺 用于传感器， 用于传输图像，如：内窥镜 用于传输图像， 其它用途，如用于传输能量 其它用途，
光纤的基本结构和分类
光纤的分类
按传输模式分类： 按传输模式分类：
光纤的基本参数
光纤的光学及传输特性参数之一-----光纤的光学及传输特性参数之一------
色散系数D /km·nm) 色散系数D (ps /km·nm)
定义： 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。 速度不同的现象。其程度用色散系数进行反映。
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(多模光纤) • 纤芯直径(单模光纤)： 纤芯直径(单模光纤) • 纤芯/包层同心度： 纤芯/包层同心度： • 包层外径： 包层外径： • 包层不圆度： 包层不圆度： • 涂层外径： 涂层外径： • 包层/涂层同心度： 包层/涂层同心度： • 光纤翘曲度： 光纤翘曲度： •62.5/50µm 62.5/50µ •8～10µm 10µ •≤1.0µm 1.0µ •125µm±2µm 125µ •≤2% •245µm±10µm 245µ 10µ •≤15µm 15µ •≥2m
媒质 折射率 真空 空气 水 多模光纤 单模光纤 玻璃 钻石
1.0
1.0003
1.33
1.457
1.471
1.5~1.9 2.42
全反射： 全反射：
随着入射角的不断增加，在入射角达到某一值时， 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90 ，我们把此时的入射角称为临界角α 角达到 oC，我们把此时的入射角称为临界角α0 。当入射角大于临界角 将发生全反射。 时，将发生全反射。 媒质1 媒质 根据折射定律， 根据折射定律，我 们可以求出临界角， 们可以求出临界角， 此时α 此时α2＝90o。即 n1·Sinα0=n2·Sin90o α 媒质2 媒质 所以 Sinα0=n2/n1 α
包层 n2
α0
纤芯 n1 包层 n2
光纤中 心轴线
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
Fra Baidu bibliotek
α > α0
α0: 入射角, 和 sinα0=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 大容量 •长中继距离 长中继距离 •适应能力强 适应能力强 •体积小，重量轻，便于安装和维护 体积小，重量轻， 体积小 •选材丰富，价格低Raw material abundance, low price 选材丰富，价格低Raw 选材丰富 •保密性强 保密性强
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， 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， 光波导)内形成全反射 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。 而达到长距离传输的目的。
90- α0
空气 n0 ≈ 1 θ
P0
●
Pe
光纤的光传输特性
§1.2衰减系数
衰减系数α 衰减系数α＝10lg(Pi/Po)/L
下面: Pi 输入功率 下面 Po 通过长度为 的光纤后的输出功率 通过长度为L的光纤后的输出功率 L 传输距离
定义: 定义 Loss(dB)= -10lg(Pout/Pin)
限制传输距离. 限制传输距离 固有损耗: 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: 外来损耗 吸收， 分离点损耗
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 光纤： 光纤 窗口给定波长区间内色散不为零的色 光纤， 光纤， 称为非零色散位移光纤 G655A ：单信道光纤 光纤(1995)
G655B、 G655C ：DWDM光纤 、 光纤(2000.10,2003.1) 光纤 ♦ G656光纤：使用于 光纤： 系统S+C+L波带的非零色散位移光纤 光纤 使用于DWDM 系统 (2003.10提出，2004.4争取会议同意 提出， 争取会议同意) 提出 争取会议同意
10G 100G
红外线
伽玛射线 1.6µm 1.5µm 1.4µm 1.3µm 1.2µm 1.1µm 1µm 900nm 800nm 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： 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： 以下行为 一部分入射光将被反射 生折射 一部分入射光将进入第二种媒质， 一部分入射光将进入第二种媒质，并产
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
光纤的光学及传输特性参数之一-----光纤的光学及传输特性参数之一------
模场直径
定义： 定义：
高斯分布的单模光纤，模场直径是 高斯分布的单模光纤， 光场幅度分布1/e处各点所围成圆的 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 直径，也等于光功率分布1/e 点所围成圆的直径。 点所围成圆的直径。
媒质1 媒质 α1 α2 折射率n 折射率 1 α1
媒质1 媒质 折射率n 折射率 1
媒质2 媒质 折射率n2 折射率
α2
媒质2 媒质 折射率n 折射率 2
α1=α2 α
n1·Sinα1=n2·Sinα2 α α
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 光在真空中的传播速度/
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
§1.1 光纤通信的基本原理
光纤、 光纤、光缆的基本知识
光波导 信号 处理
信号 处理
发送端
接收端
光纤通信的基本原理
频谱分配
高频 低频 电磁波谱 LW λ f 0 交流电 107 m MW KW UKW 1m 1G dm cm 1cm 微波
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 规定的SDH传输系统，G.691规 传输系统， ：支持G.957规定的 规定的 传输系统 规 定的带光放大的单通过路STM-16（ 2.5Gbit/s ）的SDH 定的带光放大的单通过路 （ 传输系统， 规定的40km的10Gbit/s以太网系统及 传输系统，G.693规定的 规定的 的 以太网系统及 STM-256 2.G.652B：主要支持更高速率 ，例如 例如G.691和G.692传 ： 和 传 输系统中直到STM-64 （10Gbit/s），在G.693和 ），在 输系统中直到 ）， 和 G.959.1中对于 中对于STM-256的某些应用 中对于 的某些应用 3.G.652C（低水峰光纤） ：与G.652A光纤属性类似， 光纤属性类似， （低水峰光纤） 光纤属性类似 允许使用在1360~1530nm扩展波长范围 允许使用在 扩展波长范围 4.G.652D：与G.652B光纤属性类似，允许使用在 光纤属性类似， ： 光纤属性类似 1360~1530nm扩展波长范围 扩展波长范围
光纤的基本结构和分类
单模光纤的特性
单模光纤特性 G.652光纤 G.652光纤 G.653光纤 G.653光纤 G.654光纤 G.654光纤 G.655光纤 G.655光纤 最成熟的单模光纤，但未把最小的衰 最成熟的单模光纤， 减与最小的色散有效的结合在一起。 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 过渡性的单模光纤， 了衰减最小的波长。 了衰减最小的波长。 过渡性的单模光纤，通过对光纤的截 过渡性的单模光纤， 止波长进行位移而获得极低的衰减。 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 一种新型的单模光纤， 与小的色散结合在一起。 与小的色散结合在一起。
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 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（ 城域网中，低水峰光纤（ G.652C、 G.652D）有较大的应用前景， 、 ）有较大的应用前景， 关键在价格， 要采用的是G.652A、 G.652B光纤 关键在价格，目前主 要采用的是 、 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 光纤， 接入网中将主要应用 光纤 （目前市场规模在下降，但仍继续占主导地位） 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62.5µm向50 µm发 中将主要应用多模光纤，芯径逐渐由 中将主要应用多模光纤 µ 向 发 展，市场在逐渐扩大 室内布线将向塑料光纤发展
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/ 纤芯/包层同心度 包层外径(d={d 包层外径(d={dx+dy}/2) 包层不圆度(|d 包层不圆度(|dmax-dmin|/d) 涂层外径 包层/ 包层/涂层同心度 光纤翘曲度 R
L Pi Po
光纤的基本参数
光纤的光学及传输特性参数之一-----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 单模光纤的典型频谱衰耗
衰减 (dB/km)
OH-吸收峰 (又称为：水峰 又称为： 又称为 水峰)
0.36 0.20 1310 1550
波长(nm) 波长
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 多模光纤：工作波长为850nm的LAN用的多模光纤 多模光纤 的 用的多模光纤 ♦ G652光纤：最佳工作波长为1310nm的单模光纤： 光纤：最佳工作波长为 光纤 的单模光纤 G652A G652B:标准光纤 标准光纤 G652C G652D：低水峰（全波 ）光纤 ：低水峰（ ♦ G653光纤：零色散波长在 光纤： 光纤 零色散波长在1.55µm窗口的单模光纤 µ 窗口的单模光纤 ♦ G654光纤：截止波长在 光纤： 的海底应用单模光纤,又称为最低 光纤 截止波长在1500 nm的海底应用单模光纤 又称为最低 的海底应用单模光纤
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
光纤的基本结构和分类
光纤的结构及组成
纤芯 (SiO2+Ge+F) (掺锗二氧化硅) 掺锗二氧化硅) 8.68.6-9.5 µm
纤芯 掺锗二氧化硅) (掺锗二氧化硅) 50 µm / 62.5 µm / 100 µm 纤芯 (聚甲基丙烯酸甲酯 ) 980 µm