技术分享 | 两千年来，人类从未停止过对光的探索...

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技术分享 | 两千年来，人类从未停止过对光的探索...



光通信发展简史

2000多年前
烽火台——灯光、旗语
1880年
光电话——无线光通信
1970年
光纤通信

●1966年“光纤之父”高锟博士首次提出光纤通信的想法。
●1970年贝尔研究所林严雄在室温下可连续工作的半导体激光器。
●1970年康宁公司的卡普隆(Kapron) 之作出损耗为20dB/km光纤。
●1977年芝加哥第一条45Mb/s的商用线路。



电磁波谱


通信波段划分及相应传输媒介


光的折射/反射和全反射

因光在不同物质中的传播速度是不同的，所以光从一种物质射向另一种物质时，在两种物质的交界面处会产生折射和反射。而且，折射光的角度会随入射光的角度变化而变化。当入射光的角度达到或超过某一角度时，折射光会消失，入射光全部被反射回来，这就是光的全反射。不同的物质对相同波长光的折射角度是不同的（即不同的物质有不同的光折射率），相同的物质对不同波长光的折射角度也是不同。光纤通讯就是基于以上原理而形成的。

反射率分布：表征光学材料的一个重要参数是折射率，用N表示，真空中的光速C与材料中光速V之比就是材料的折射率。


N＝C/V


光纤通信用的石英玻璃的折射率约为1.5



光通信的发展过程



光的基本知识



光纤结构

光纤裸纤一般分为三层：


第一层：中心高折射率玻璃芯（芯径一般为9-10μm,(单模）50或62.5（多模）。



第二层：中间为低折射率硅玻璃包层（直径一般为125μm）。


第三层：最外是加强用的树脂涂层。





1) 纤芯  core：折射率较高，用来传送光；


2) 包层  coating：折射率较低，与纤芯一起形成全反射条件；


3) 保护套  jacket：强度大，能承受较大冲击，保护光纤。


3mm光缆   橘色       MM　     多模
                  黄色       SM　      单模



光纤的尺寸

外径一般为125um(一根头发平均100um)


内径：单模9um  多模50/62.5um





数值孔径

入射到光纤端面的光并不能全部被光纤所传输，只是在某个角度范围内的入射光才可以。这个角度就称为光纤的数值孔径。光纤的数值孔径大些对于光纤的对接是有利的。不同厂家生产的光纤的数值孔径不同。



光纤的种类

按光在光纤中的传输模式可分为：


多模（Multi-Mode） (简称：MM）


单模（Single-Mode）(简称：SM）

多模光纤：中心玻璃芯较粗（50或62.5μm），可传多种模式的光。但其模间色散较大，这就限制了传输数字信号的频率，而且随距离的增加会更加严重。例如：600MB/KM的光纤在2KM时则只有300MB的带宽了。因此，多模光纤传输的距离就比较近，一般只有几公里。

单模光纤：中心玻璃芯较细（芯径一般为9或10μm），只能传一种模式的光。实际上是阶跃型光纤的种，只是纤芯径很小，理论上只允许单一传播途径的直进光入射至光纤内，并在纤芯内作直线传播。光纤脉冲几乎没有展宽。因此，其模间色散很小，适用于远程通讯，但其色度色散起主要作用，这样单模光纤对光源的谱宽和稳定性有较高的要求，即谱宽要窄，稳定性要好。



光纤的分类

按材料分类：


玻璃光纤：纤芯与包层都是玻璃，损耗小，传输距离长，成本高；


胶套硅光纤：纤芯是玻璃，包层为塑料，特性同玻璃光纤差不多，成本较低；


塑料光纤：纤芯与包层都是塑料，损耗大，传输距离很短，价格很低。多用于家电、音响，以及短距的图像传输。

按最佳传输频率窗口:常规型单模光纤和色散位移型单模光纤。


常规型：光纤生产长家将光纤传输频率最佳化在单一波长的光上，如1300nm。


色散位移型：光纤生产长家将光纤传输频率最佳化在两个波长的光上，如：1300nm和1550nm。

突变型：光纤中心芯到玻璃包层的折射率是突变的。其成本低，模间色散高。适用于短途低速通讯，如：工控。但单模光纤由于模间色散很小，所以单模光纤都采用突变型。

渐变型光纤：光纤中心芯到玻璃包层的折射率是逐渐变小，可使高模光按正弦形式传播，这能减少模间色散，提高光纤带宽，增加传输距离，但成本较高，现在的多模光纤多为渐变型光纤。



常用光纤规格

光纤尺寸：



1)单模纤芯直径：9/125μm，10/125μm　



2)包层外径（2D）＝125μm


3)一次涂敷外径＝250μm


4)尾纤：300μm


5)多模：62.5/125μm，美国标准


6)工业，医疗和低速网络：100/140μm， 200/230μm

　
7)塑料：98/1000μm，用于汽车控制50/125μm，欧洲标准　　



光纤衰减

造成光纤衰减的主要因素有：本征，弯曲，挤压，杂质，不均匀和对接等。


本征：是光纤的固有损耗，包括：瑞利散射，固有吸收等。


弯曲：光纤弯曲时部分光纤内的光会因散射而损失掉，造成的损耗。


挤压：光纤受到挤压时产生微小的弯曲而造成的损耗。


杂质：光纤内杂质吸收和散射在光纤中传播的光，造成的损失。


不均匀：光纤材料的折射率不均匀造成的损耗。


对接：光纤对接时产生的损耗，如：不同轴（单模光纤同轴度要求小于0.8μm），端面与轴心不垂直，端面不平，对接心径不匹配和熔接质量差等。



光缆的种类

光缆接续一般可分为两大类：



1)光纤的固定接续（俗称死接头）。一般采用光纤熔接机；用于光缆直接头。


2)光纤的活动接头（俗称活接头）。用能够拆卸的连接器连接（俗称活接头）。用于光纤跳线、设备连接等地方

由于光纤端面的不完整性和光纤端面压力的不均匀性，一次放电熔接光纤的接头损耗还比较大，现在采用二次放电熔接法。先对光纤端面预热放电，给端面整形，去除灰尘和杂物，同时通过预热使光纤端面压力均匀。



光纤连接损耗的监测方法

光纤连接损耗的监测方法有三种：


1、在熔接机上进行监测。


2、光源、光功率计监测。


3、OTDR测量法



光纤接续的操作方法

光纤接续操作一般分为：


1、光纤端面的处理。


2、光纤的接续安装。


3、光纤的熔接。


4、光纤接头的保护。


5、余纤的盘留五个步骤。

通常整个光缆的接续按以下步骤进行：


第一步：大量好长度，开剥光缆，除去光缆护套；


第二步：清洗、去除光缆内的石油填充膏。



第三步：捆扎好光纤。


第四步：检查光纤心数，进行光纤对号，核对光纤色标是否有误；


第五步：加强心接续；


第六步：各种辅助线对，包括公务线对、控制线对、屏蔽地线等接续。



第七步：光纤的接续。


第八步：光纤接头保护处理；


第九步：光纤余纤的盘库留处理；


第十步：完成光缆护套的接续；


第十一步：光缆接头的保护。



光纤的损耗

1310 nm : 0.35 ~ 0.5 dB/Km


1550 nm : 0.2 ~ 0.3dB/Km


850 nm :  2.3 ~ 3.4 dB/Km


光纤熔接点损耗：0.08dB/点


光纤熔接点 1点/2km



常见光纤名词

1)衰减


衰减：光在光纤中传输时的能量损耗单模光纤1310nm  0.4~0.6dB/km1550nm 0.2~0.3dB/km塑料多模光纤300dB/km





2)色散


色散(Dispersion)：光脉冲沿着光纤行进一段距离后造成的频宽变粗。它是限制传输速率的主要因素。


模间色散：只发生在多模光纤，因为不同模式的光沿着不同的路径传输。


材料色散：不同波长的光行进速度不同。


波导色散：发生原因是光能量在纤芯及包层中传输时，会以稍有不同的速度行进。在单模光纤中，通过改变光纤内部结构来改变光纤的色散非常重要。

光纤类型
G.652零色散点在1300nm左右
G.653零色散点在1550nm左右
G.654负色散光纤
G.655色散位移光纤
全波光纤

3)散射



于光线的基本结构不完美，引起的光能量损失，此时光的传输不再具有很好的方向性。






光纤系统基础知识

基本光纤系统的构架及其功能介绍：


1.发送单元：把电信号转换成光信号；


2.传输单元：载送光信号的介质；


3.接收单元：接收光信号并转换成电信号；


4.连接器件：连接光纤到光源、光检测以及其它光纤。



常用连接器类型




连接头端面类型




耦合器（coupler）

主要功能再分配光信号
重要应用在光纤网络
尤其是应用在局域网
在波分复用器件上应用

基本结构
耦合器是双向无源器件
基本形式有树型、星型
——与耦合器对应的有分路器（splitter）

以图形表示





波分复用器

WDM—Wavelength Division Multiplexer在一条光纤中传输多个光信号，这些光信号频率不同，颜色不同。波分复用器就是要把多个光信号耦合进同一根光纤中；解波分复用器就是从一根光纤中把多个光信号区分出来。

波分复用器（图例）


通信波段划分及相应传输媒介


接收单元



放大器



光纤数字通信



数字系统中脉冲的定义：


1.振幅：脉冲的高度在光纤系统中表示光功率能量。


2.上升时间：脉冲从最大振幅的10%上升到90%所需要的时间。


3.下降时间：脉冲从振幅的90%下降到10%所需要的时间。


4.脉冲宽度：脉冲在50%振幅位置的宽度，用时间表示。


5.周期：脉冲特定的时间，就是完成一个循环所需要的工作时间。


6.消光比：1信号光功率于0信号光功率的比值。

光纤通信中常用单位的定义：

1. dB = 10 log10 ( Pout / Pin )


Pout :输出功率 ; Pin :输入功率

2. dBm = 10 log10 ( P / 1mw)


是通信工程中广泛使用的单位；


通常表示以1毫瓦为参考的光功率；


example: –10dBm表示光功率等于100uw。

3.  dBu = 10 log10 ( P / 1uw)     


成丰连接