1、光纤传输技术课件第一页，共63页。本章主要内容本章主要内容 光纤传输技术概述光纤传输技术概述 光纤的种类光纤的种类 光纤的传输理论、传输特性、性能参数光纤的传输理论、传输特性、性能参数 光无源器件光无源器件 光有源器件光有源器件 光纤的应用光纤的应用 光纤设备的使用和维护光纤设备的使用和维护第二页，共63页。教学目标 了解光通信技术的基本原理和过程，掌握光设备的使用，连接和测量方法以及基本故障检修。第三页，共63页。第一部分第一部分 概述概述 什么是光纤？什么是光纤？什么是光纤技术？什么是光纤技术？为什么要学习光纤技术基础？为什么要学习光纤技术基础？第四页，共63页。一、什么是光纤？一、什么是
2、光纤？光纤是光纤是“光导纤维光导纤维”的简称，是指能够约束并导引光波在其的简称，是指能够约束并导引光波在其内部或表面附近沿轴线方向传播的传输介质通常以其截面形状内部或表面附近沿轴线方向传播的传输介质通常以其截面形状分为平板波导、矩形波导园柱形波导等等分为平板波导、矩形波导园柱形波导等等1 1、基本结构、基本结构折射率高的中心部分叫做纤芯，其折射率为折射率高的中心部分叫做纤芯，其折射率为n n1 1，直径为，直径为2 2a a；折射率低的外围部分称为包层，其折射率为折射率低的外围部分称为包层，其折射率为n n2 2，直径为，直径为2 2b b。第五页，共63页。第六页，共63页。带状式带状式把带
3、状光纤单元放入大套管内，把带状光纤单元放入大套管内，形成中心束管式形成中心束管式结构，也可以把带状光纤单元放入骨架凹槽内或结构，也可以把带状光纤单元放入骨架凹槽内或松套管内，松套管内，形成骨架式或层绞式结构。形成骨架式或层绞式结构。带状式缆带状式缆芯有利于制造容纳几百根光纤的高密度光缆，这芯有利于制造容纳几百根光纤的高密度光缆，这种光缆已广泛应用于接入网。种光缆已广泛应用于接入网。外护层金属加强件塑料绕包带带状光纤单元带状线光纤塑料第七页，共63页。光纤光纤电线电线损耗低损耗低损耗大损耗大信息容量大信息容量大信息容量小信息容量小体积小，重量轻体积小，重量轻大而重大而重防水、防火、耐腐蚀防水、防
4、火、耐腐蚀怕水、怕火、怕腐蚀怕水、怕火、怕腐蚀成本低，储量丰富成本低，储量丰富成本高，资源有限成本高，资源有限抗电磁干扰抗电磁干扰电磁影响大电磁影响大2 2、光纤的优点、光纤的优点第八页，共63页。二、为什么要学习光纤技术基础？二、为什么要学习光纤技术基础？从专业方向和从专业方向和知识面知识面看看 从光纤的应用看从光纤的应用看 从光纤技术的发展趋势看从光纤技术的发展趋势看第九页，共63页。专业方向：专业方向：无线电通讯无线电通讯 计算机网络计算机网络 省内省内HFC网络网络 互联网互联网 电信网络电信网络 国家干线网络国家干线网络知识面知识面1 1、从专业方向和知识面看、从专业方向和知识面看第
5、十页，共63页。2 2、从光纤的应用看、从光纤的应用看 光纤在通信中的应用光纤在通信中的应用 范围：范围：公用通信公用通信（全国性宽带综合业务数字网、省内（全国性宽带综合业务数字网、省内 中距线路、市内局间线路和用户网、中距线路、市内局间线路和用户网、乡村线路以及沿海岛屿间的线路等）乡村线路以及沿海岛屿间的线路等）专用通信专用通信（各企业、工矿、机关、学校等大、中（各企业、工矿、机关、学校等大、中 型单位内部专用的局域网、电力线通型单位内部专用的局域网、电力线通 信线路、铁道线通信线路、交通管理信线路、铁道线通信线路、交通管理 监控线路、电视台发射传输线路等监控线路、电视台发射传输线路等）工业
6、发达国家和我国均已宣布：工业发达国家和我国均已宣布：干线大容量通信线路不再新建同轴电缆，而全部铺干线大容量通信线路不再新建同轴电缆，而全部铺设光缆。设光缆。第十一页，共63页。2 2、光纤的应用、光纤的应用“传传”和和“感感”第十二页，共63页。诺尔顿亚历山大苏伊士吉布提卡拉奇吉达孟买仰光槟城雅加达珀斯新加坡吕宋岛上海冲绳汕头塞新布拉 Sea-Me-We-3是一条沿欧亚大陆铺设的洲际海底光是一条沿欧亚大陆铺设的洲际海底光缆，总长缆，总长38,000km，从德国到南韩、澳大利亚，连，从德国到南韩、澳大利亚，连接接40个国家或城市站点，传输速率为个国家或城市站点，传输速率为4-82.5Gb/s（1
7、0-20千兆比特）。千兆比特）。n 信息高速公路信息高速公路第十三页，共63页。第二部分第二部分 光纤分类光纤分类 光纤的分类光纤的分类 光纤材料光纤材料第十四页，共63页。一、按照光纤横截面折射率分布不同来划一、按照光纤横截面折射率分布不同来划分分 阶跃折射率分布光纤阶跃折射率分布光纤(Step-Index Optical Fiber(Step-Index Optical Fiber，SIOF)SIOF)纤芯折射率纤芯折射率n1沿半径方向保持一定，包层折射率沿半径方向保持一定，包层折射率n2沿半径沿半径方向也保持一定，而且纤芯和包层的折射率在边界处呈方向也保持一定，而且纤芯和包层的折射率在边
8、界处呈阶梯型变化的光纤称为阶跃型光纤，又称为均匀光纤。阶梯型变化的光纤称为阶跃型光纤，又称为均匀光纤。渐变折射率分布光纤渐变折射率分布光纤(Graded-Index Optical Fiber(Graded-Index Optical Fiber，GIOF)GIOF)如果纤芯折射率如果纤芯折射率n1随着半径加大而逐渐减小，而包随着半径加大而逐渐减小，而包层中折射率层中折射率n2是均匀的，这种光纤称为渐变型光纤，是均匀的，这种光纤称为渐变型光纤，又称为非均匀光纤。又称为非均匀光纤。2.1 2.1 光纤的分类光纤的分类第十五页，共63页。图图1.1 光纤的折射率分布光纤的折射率分布b bb b第十
9、六页，共63页。二、按照纤芯中传输模式的多少来划分二、按照纤芯中传输模式的多少来划分 单模光纤单模光纤(Single Mode Fiber，SMF)光纤中只传输一种模式时，叫做单模光纤。光纤中只传输一种模式时，叫做单模光纤。单模光纤的纤芯直径较小，约为单模光纤的纤芯直径较小，约为410m。适用于大容量、长距离的光纤通信。适用于大容量、长距离的光纤通信。多模光纤多模光纤(Multi-Mode Fiber，MMF)在一定的工作波长下，多模光纤是能传输多种在一定的工作波长下，多模光纤是能传输多种模式的介质波导。模式的介质波导。多模光纤可以采用阶跃折射率分布，也可以采多模光纤可以采用阶跃折射率分布，也
10、可以采用渐变折射率分布。用渐变折射率分布。多模光纤的纤芯直径不等，但基本都大于单模多模光纤的纤芯直径不等，但基本都大于单模光纤（光纤（5062.5m）。）。第十七页，共63页。波导模解释波导模解释 光波导由于只在其轴向传播能量，同时光能量在横光波导由于只在其轴向传播能量，同时光能量在横向又被限制在一定的空间内，因此在轴向的光波为向又被限制在一定的空间内，因此在轴向的光波为行波或行波与驻波的叠加，而在横向则必然是驻波，行波或行波与驻波的叠加，而在横向则必然是驻波，横向不同的驻波结构就构成了光波导不同的传播模横向不同的驻波结构就构成了光波导不同的传播模式式 当光波导的横向尺寸及折射率分布所确定的波
11、导当光波导的横向尺寸及折射率分布所确定的波导结构只能传播一个横向驻波结构的光时，我们称结构只能传播一个横向驻波结构的光时，我们称之为单模光波导能传播一个以上的横向驻波结之为单模光波导能传播一个以上的横向驻波结构时，称之为多模光波导构时，称之为多模光波导 由于横向驻波的节距与光波波长和光的传播方向有由于横向驻波的节距与光波波长和光的传播方向有关，因此关，因此光波导是单模还是多模与其传播的光的光波导是单模还是多模与其传播的光的波长有关波长有关第十八页，共63页。三、三、按光纤的工作波长分类按光纤的工作波长分类 短波长光纤（短波长光纤（0.80.9m）长波长光纤（长波长光纤（1.01.7m）超长波长
12、光纤。（超长波长光纤。（25m）在光纤工业发展早期，光纤的传输窗口主要有两个在光纤工业发展早期，光纤的传输窗口主要有两个（0.85和和1.31微米），后来有了第三个传输窗口微米），后来有了第三个传输窗口（1.55微米）。在技术得到发展的今天，在波长微米）。在技术得到发展的今天，在波长1.26至至1.68微米范围内，光纤可以传输的窗口有微米范围内，光纤可以传输的窗口有6个（表个（表1）。利用波分复用（）。利用波分复用（WDM）技术，每个窗口（波段）技术，每个窗口（波段）可同时传输多个信道。可同时传输多个信道。第十九页，共63页。四、按光纤的材料组成分类四、按光纤的材料组成分类n全塑料光纤全塑料光
13、纤n塑料包层石英芯光纤塑料包层石英芯光纤n石英光纤石英光纤n多组分玻璃光纤多组分玻璃光纤n液芯光纤液芯光纤n氟化物氟化物/硫化物硫化物/重金属氧化物玻璃光纤重金属氧化物玻璃光纤 n光子晶体光纤光子晶体光纤第二十页，共63页。第三部分第三部分 光纤的特性参数光纤的特性参数 n光纤的损耗光纤的损耗n光纤的色散与带宽光纤的色散与带宽n单模光纤模场半径单模光纤模场半径n单模光纤截止波长单模光纤截止波长第二十一页，共63页。3.1 光纤的损耗光纤的损耗入射端入射端与元件的与元件的耦合损耗耦合损耗吸吸收收损损耗耗光纤光纤吸收吸收不均匀性不均匀性散散射射损损耗耗弯曲弯曲弯曲引起的弯曲引起的辐射损耗辐射损耗连
14、接连接连连接接损损耗耗与元件的与元件的耦合损耗耦合损耗输出端输出端 光波在光纤中传输时，随着传输距离的增加光波在光纤中传输时，随着传输距离的增加而光功率逐渐下降，这就是光纤的传输损耗。而光功率逐渐下降，这就是光纤的传输损耗。图图1 光纤传输损耗的原因和种类光纤传输损耗的原因和种类第二十二页，共63页。55m处最小损耗约为0.三、按光纤的工作波长分类利用下面的一般定义，可将 任意比率R转化为分贝单位：R=Pout/Pin(功率比）第五部分 光纤通信器件第二十三页，共63页。隔离度高，也就意味着线路之间的“串话”小。例：1mw的信号经过100km的光纤传输后降至1w,则光功率衰减多少分贝？损耗系数
15、是多少？第三十七页，共63页。损 耗(dB/km)第三十九页，共63页。光电检测器是从输入的光信号中取出有用的电信号(有线电视信号),能完成O/E转换的光接收器件称光电检测器或光电二极管(PD)。第二十四页，共63页。第五十三页，共63页。利用下面的一般定义，可将 任意比率R转化为分贝单位：R=Pout/Pin(功率比）两者的主要区别在于，器件在实现本身功能的过程中，其内部是否发生光电能量转换。适用于大容量、长距离的光纤通信。分贝单位分贝单位 利用下面的一般定义，可将利用下面的一般定义，可将 任意比率任意比率R转化为分转化为分贝单位：贝单位：R=Pout/Pin(功率比）功率比）R（in dB
16、）=10lgR（功率增益）（功率增益）R=1,R=0;R1,R;R1,R02）耦合器。）耦合器。按光纤型号可分为：多模耦合器和单模耦合器。按光纤型号可分为：多模耦合器和单模耦合器。按工作带宽可分为：单工作窗口的窄带耦合器、按工作带宽可分为：单工作窗口的窄带耦合器、单工作窗口的宽带耦合器和双工作窗口的宽带耦单工作窗口的宽带耦合器和双工作窗口的宽带耦合器。合器。按功能可分为：光功率分配耦合器和光波长分配耦合按功能可分为：光功率分配耦合器和光波长分配耦合器。器。第四十页，共63页。三、光纤耦合器的结构三、光纤耦合器的结构棱镜式定向耦合器：棱镜式定向耦合器：采用分立光学元件采用分立光学元件（如棒透镜、
17、反射镜、棱镜等）（如棒透镜、反射镜、棱镜等）组合拼接。组合拼接。损耗大，与光纤耦合困难，环境稳定性较差。损耗大，与光纤耦合困难，环境稳定性较差。全光纤耦合器：全光纤耦合器：即直接在两根（或两根以上）光纤之间形成某种形式的耦合。即直接在两根（或两根以上）光纤之间形成某种形式的耦合。第四十一页，共63页。图 6.11 集成光波导耦合器集成光波导耦合器(a)Y形耦合器基本结构；(b)树形集成光波导耦合器基本构成 嵌入的波导玻璃衬底12121212121212(b)(a)集成化是未来光纤通信发展的必然趋势。集成化是未来光纤通信发展的必然趋势。利用利用平面光波导平面光波导制作的光耦合器具有体积小，分光比
18、控制精确，制作的光耦合器具有体积小，分光比控制精确，易于大批量生产等特点。易于大批量生产等特点。第四十二页，共63页。图图 6.10 几种典型光纤耦合器的结构示意图几种典型光纤耦合器的结构示意图(a)三端口分路器和合路器；三端口分路器和合路器；(b)四端口耦合器；四端口耦合器；(b)(c)多端口星形耦合器；多端口星形耦合器；(d)波分复用器波分复用器 分路器(3端口)合路器(3端口)(a)(b)M 或 NN12121221合波器分波器(c)(d)第四十三页，共63页。四、光纤耦合器的性能参数四、光纤耦合器的性能参数 耦合比耦合比 插入损耗插入损耗 附加损耗附加损耗 分光比分光比 隔离比隔离比第
19、四十四页，共63页。1、耦合比、耦合比 表示由输入信道（表示由输入信道（i）耦合到指定输出信）耦合到指定输出信道道(j)的功率大小。的功率大小。定义为输出信道功率与输入信道功率之定义为输出信道功率与输入信道功率之比：比：ijijPPT 第四十五页，共63页。2、插入损耗、插入损耗 表示由输入信道表示由输入信道i到指定信道到指定信道j的损耗。的损耗。定义为指定输出端口的光功率相对全部输入光定义为指定输出端口的光功率相对全部输入光功率的减少值。该值通常以分贝功率的减少值。该值通常以分贝(dB)表示，数表示，数学表达式为学表达式为 其中：其中：是第是第i个输出端口的插入损耗个输出端口的插入损耗；Pi
20、是第是第i个输出端口测到的光功率值；个输出端口测到的光功率值；Pi是输入端的光是输入端的光功率值。功率值。)()lg(10lg10dBTPPijij第四十六页，共63页。3、附加损耗附加损耗 附加损耗表示由耦合带来的总损耗。附加损耗表示由耦合带来的总损耗。定义为所有输出端口的光功率总和与全部输入定义为所有输出端口的光功率总和与全部输入光功率的比值。该值以分贝表示的数学表达式光功率的比值。该值以分贝表示的数学表达式为为 式中：式中：Pj为第为第j个输出口的输出功率；个输出口的输出功率；Pi为输入为输入总光功率。总光功率。)(lg10dBPPijj第四十七页，共63页。4、分光比、分光比 分光比是
21、光耦合器所特有的技术术语，它定义分光比是光耦合器所特有的技术术语，它定义为耦合器各输出端口的输出功率相对输出总功为耦合器各输出端口的输出功率相对输出总功率的百分比，在具体应用中常用数学表达式表率的百分比，在具体应用中常用数学表达式表示为示为 例如对于标准例如对于标准X形耦合器，形耦合器，1 1或或50 50代表代表了同样的分光比，即输出为均分的器件。了同样的分光比，即输出为均分的器件。%100.jjjPPRC第四十八页，共63页。5、隔离比（、隔离比（isolation）隔离度是指某一光路对其他光路中的信号的隔隔离度是指某一光路对其他光路中的信号的隔离能力。隔离度高，也就意味着线路之间的离能力
22、。隔离度高，也就意味着线路之间的“串话串话”小。其数学表达式为小。其数学表达式为 式中：式中：Pt是某一光路输出端测到的其他光路信是某一光路输出端测到的其他光路信号的功率值；号的功率值；Pi是被检测光信号的输入功率值。是被检测光信号的输入功率值。)(lg10dBPPIit第四十九页，共63页。第五部分 光纤通信器件 一、光纤发射机 1、分类按光波长：1310nm 光发和1550nm 光发 按调制方式：模拟调制和数字调制。按调制方式与光源的关系：直接调制光发和外调制光发第五十页，共63页。模拟调制又有两类，一类是用模拟基带信号直接对光源进行强度调制（DIM）；另一采用连续或脉冲的射频（RF）波作
23、为副载波，模拟基带信号先对它的幅度、频率或相位等进行调制，再用该受调制的副载波去强度调制光源。模拟调制的优点是设备简单，占有带宽较窄，但它的抗干扰性能差，中继时噪声累积。第五十一页，共63页。数字调制是光纤通信的主要调制方式，将模拟信号抽样量化后，以二进制数字信号“1”或“0”对光载波进行通断调制，并进行脉冲编码（PCM）。数字调制的优点是抗干扰能力强，中继时噪声及色散的影响不积累，因此可实现长距离传输，它的缺点是需要较宽的频带，设备也复杂。第五十二页，共63页。2、基本原理 从前端输入的 RF 电视信号经过放大等电路处理，从末级分出一部分信号，经过峰值检波、直流放大去控制由 PIN 二极管组
24、成的电调衰减器和自动增益控制(AGC)，经过这样一系列的处理以后，将射频信号加入激光器激励口，来控制半导体激光器的偏流，进而控制激光器的输出光强度，一般采用 DFB 激光器作为光源。第五十三页，共63页。3、*光发射机的应用 直接调制型：线性好,失真小,输出功率18mw以内.价格低廉适用于近距离传输（35公里以内）。外调制型：非线性失真大，电路复杂成本高。输出功率大2X20mw，色散小，适合长距离传输。第五十四页，共63页。二 光分路器 光分路器介绍：它属于无源器件，可以对光信号进行耦合、分配、分支。是具有多个输入端和输出端的光纤汇接器件。在有线电视系统中多用一个输入，多个输出。（注：老式的分
25、波长，新式的为通用型）第五十五页，共63页。三、光接收机原理和应用 1、分类：光接收机分为模拟光接收机和 数字光接收机两种 2、作用：在有线电视HFC网络中，光接收机通常位于光纤接点处，它的主要功能是把光信号转变为RF信号 第五十六页，共63页。3、原理：第五十七页，共63页。光电检测器是从输入的光信号中取出有用的电信号(有线电视信号),能完成O/E转换的光接收器件称光电检测器或光电二极管(PD)。光电检测器输出的射频有线电信号送入电信号放大级放大,之后送至均衡器,完成对带宽内(550MH z、750 MH z、860 MH z的带宽内)的平坦度调整,之后送入衰减器,衰减器完成对带宽内各频道幅
26、度的调整,保证输出级有合适的输出电平(即保证光接收机有合适的输出电平)。输出放大器输出信号送入分支器(或分配器),之后送到接收机的各输出口,从输出放大级输出取出部分信号送至AGC 控制电路,完成AGC控制作用和监测作用。第五十八页，共63页。四、光纤仪器的使用 1、光功率计 （1）作用：用于测量绝对光功率或通过一段光纤的光功率相对损耗。（2）计算方法：B点绝对电平减去A点绝对电平，所得结果就是AB之间的损耗或增益第五十九页，共63页。2、光熔接机（1）作用：熔接光纤（2）原理：主要是靠放出电弧将两头光纤熔化，同时运用准直原理平缓推进，以实现光纤对接。第六十页，共63页。设备操作实例设备操作演示
27、讲解1、场强仪：电源充电-开机-连接测量线-按CH/F键-测量图像/伴音电平和频率-按上下箭头切换频道-按斜率键测量C/N或查看两个窗口的电平。（强仪测量光发射机输入电平）2、光功率计：电源充电-开机-连接测量线-按入键设置波长-按DBm测量功率电平-按DB键测量电压电平-按REF键显示测量结果（用光功率计测量光发射机的输出电平）3、熔接机：（事先将光纤剥皮）电源充电-开机-将切割好的光纤放入槽内-按RAN键-观看熔接情况（熔接一段光纤）第六十一页，共63页。学生演练 任务一：用正确的方法连接光纤设备（分组）任务二：用光功率计和场强仪测量信号强度（要求每人上台）任务三：学习使用熔接机 任务四：故障判断（老师在线路上设故障，学生分析后上台排除）第六十二页，共63页。小结 1、光纤技术及发展 2、光纤的色散、模式和损耗 3、光纤设备（光发射机，分路器，接收机，熔接机，光功率计）第六十三页，共63页。
