光纤传输技术主讲：陈厚新本章主要内容 光纤传输技术概述 光纤的种类 光纤的传输理论、传输特性、性能参数 光无源器件 光有源器件 光纤的应用 光纤设备的使用和维护教学目标 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。 第一部分 概述 什么是光纤？ 什么是光纤技术？ 为什么要学习光纤技术基础？一、什么是光纤？光纤是“光导纤维”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 状分为平板波导、矩形波导园柱形波导等等 1、基本结构折射率高的中心部分叫做纤芯，其折射率为n1，直径为2a； 折射率低的外围部分称为包层，其折射率为n2，直径为2b。带状式 把带状光纤单元放入大套管内， 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 松套管内， 形成骨架式或层绞式结构。带状式缆 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。外护层 金属加强件 塑料绕包带带状光纤单元带状线光纤 塑料光纤电线损耗低损耗大信息容量大信息容量小体积小，重量轻大而重防水、防火、耐腐蚀怕水、怕火、怕腐蚀成本低，储量丰富成本高，资源有限抗电磁干扰电磁影响大2、光纤的优点二、为什么要学习光纤技术基础？ 从专业方向和知识面看 从光纤的应用看 从光纤技术的发展趋势看专业方向： 无线电通讯 计算机网络 省内HFC网络 互联网 电信网络 国家干线网络知识面1、从专业方向和知识面看2、从光纤的应用看 光纤在通信中的应用范围： 公用通信（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、 乡村线路以及沿海岛屿间的线路等）专用通信（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 ）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 设光缆。2、光纤的应用“传”和“感 ”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 海底光缆，总长38,000km，从德国到南韩、 澳大利亚，连接40个国家或城市站点，传输 速率为4-82.5Gb/s（10-20千兆比特）。n 信息高速公路第二部分 光纤分类 光纤的分类 光纤材料一、按照光纤横截面折射率分布不同来划 分 阶跃折射率分布光纤(Step-Index Optical Fiber ，SIOF) 纤芯折射率n1沿半径方向保持一定，包层折射率n2 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(Graded-Index Optical Fiber，GIOF) 如果纤芯折射率n1随着半径加大而逐渐减小，而包 层中折射率n2是均匀的，这种光纤称为渐变型光纤 ，又称为非均匀光纤。 2.1 光纤的分类图1.1 光纤的折射率分布bb二、按照纤芯中传输模式的多少来划分 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。 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。 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 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 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 光纤（5062.5m ）。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，横向不同的驻波结构就构成了 光波导不同的传播模式 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 由于横向驻波的节距与光波波长和光的传播方 向有关，因此光波导是单模还是多模与其传 播的光的波长有关三、 按光纤的工作波长分类 短波长光纤（0.80.9m ） 长波长光纤（1.01.7m ） 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（0.85和1.31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1.26至1.68微米范围内，光纤可以传输的窗口 有6个（表1）。利用波分复用（WDM）技术， 每个窗口（波段）可同时传输多个信道。 四、按光纤的材料组成分类n全塑料光纤n塑料包层石英芯光纤n石英光纤n多组分玻璃光纤n液芯光纤n氟化物/硫化物/重金属氧化物玻璃光纤 n光子晶体光纤第三部分 光纤的特性参数 n光纤的损耗 n光纤的色散与带宽 n单模光纤模场半径 n单模光纤截止波长3.1 光纤的损耗入射端与元件的 耦合损耗吸 收 损 耗光纤吸收不均匀性散 射 损 耗弯曲弯曲引起的 辐射损耗连接连 接 损 耗与元件的 耦合损耗输出端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。图1 光纤传输损耗的原因和种类分贝单位 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）R（in dB）=10lgR（功率增益）R=1,R=0; R2）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、 单工作窗口的宽带耦合器和双工作窗口的宽带耦 合器。 按功能可分为：光功率分配耦合器和光波长分配 耦合器。三、光纤耦合器的结构棱镜式定向耦合器：采用分立光学元件（如棒透镜、反射镜、棱镜等） 组合拼接。损耗大，与光纤耦合困难，环境稳定性较差。 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。图 6.11 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 集成化是未来光纤通信发展的必然趋势。利用平面光波导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。图 6.10 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； (b) 四端口耦合器； (c) 多端口星形耦合器； (d) 波分复用器 四、光纤耦合器的性能参数 耦合比 插入损耗 附加损耗 分光比 隔离比1、耦合比 表示由输入信道（i）耦合到指定输出信 道(j)的功率大小。 定义为输出信道功率与输入信道功率之 比：2、插入损耗 表示由输入信道i到指定信道j的损耗。 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(dB)表示，数 学表达式为 其中：是第i个输出端口的插入损耗；Pi是第i 个输出端口测到的光功率值；Pi是输入端的光功 率值。3、 附加损耗 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光 功率的比值。该值以分贝表示的数学表达式为 式中：Pj为第j个输出口的输出功率；Pi为输入总 光功率。4、分光比 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 率的百分比，在具体应用中常用数学表达式表 示为 例如对于标准X形耦合器，11或5050代表了同 样的分光比，即输出为均分的器件。5、隔离比（isolation） 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“串 话”小。其数学表达式为 式中：Pt是某一光路输出端测到的其他光路信号 的功率值；Pi是被检测光信号的输入功率值。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 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。 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。 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。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。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：老式的分波长，新式的 为通用型） 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 3、原理： 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。 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 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。 设备操作实例 设备操作演示讲解 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）学生演练 任务一：用正确的方法连接光纤设备（分组