光光纤纤传传输输技技术术主主讲讲：陈陈厚厚新新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？为什么要学习为什么要学习光纤技术基础光纤技术基础？一、什么是光纤？一、什么是光纤？ 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形状分为平板波导、矩形波导园柱形波导等等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n1，直径为，直径为2a；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n2，直径为，直径为2b。带状式带状式把带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芯有利于制造容纳几百根光纤的高密度光缆，这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、光纤的优点、光纤的优点二、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、从专业方向和知识面看、从专业方向和知识面看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。2 2、光纤的应用、光纤的应用“传传”和和“感感”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是一条沿欧亚大陆铺设的洲际海底光缆，总长海底光缆，总长38,000km，从德国到南韩、，从德国到南韩、澳大利亚，连接澳大利亚，连接40个国家或城市站点，传输个国家或城市站点，传输速率为速率为4-82.5Gb/s（10-20千兆比特）。千兆比特）。n信息高速公路信息高速公路第二部分第二部分 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 (Step-Index Optical FiberFiber，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沿半径方向也保持一定，而且纤芯和包层的折射率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。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 (Graded-Index Optical FiberFiber，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图图1.1光纤的折射率分布光纤的折射率分布b bb b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(SingleModeFiber，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-ModeFiber，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）。）。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，因此向有关，因此光波导是单模还是多模与其传光波导是单模还是多模与其传播的光的波长有关播的光的波长有关三、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在光纤工业发展早期，光纤的传输窗口主要有两个（个（0.85和和1.31微米），后来有了第三个传输窗微米），后来有了第三个传输窗口（口（1.55微米）。在技术得到发展的今天，在波微米）。在技术得到发展的今天，在波长长1.26至至1.68微米范围内，光纤可以传输的窗口微米范围内，光纤可以传输的窗口有有6个（表个（表1）。利用波分复用（）。利用波分复用（WDM）技术，）技术，每个窗口（波段）可同时传输多个信道。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四、按光纤的材料组成分类n全塑料光纤全塑料光纤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转化为分贝转化为分贝单位：单位：R=Pout/Pin(功率比）功率比）R（indB）=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按功能可分为：光功率分配耦合器和光波长分配耦合器。耦合器。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、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。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 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。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；(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：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。定定义义为为指指定定输输出出端端口口的的光光功功率率相相对对全全部部输输入入光光功功率率的的减减少少值值。该该值值通通常常以以分分贝贝(dB)表表示示，数数学表达式为学表达式为其其中中：是是第第i个个输输出出端端口口的的插插入入损损耗耗；Pi是是第第i个个输输出出端端口口测测到到的的光光功功率率值值；Pi是是输输入入端端的的光光功功率值。率值。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。定定义义为为所所有有输输出出端端口口的的光光功功率率总总和和与与全全部部输输入入光光功率的比值。该值以分贝表示的数学表达式为功率的比值。该值以分贝表示的数学表达式为式式中中：Pj为为第第j个个输输出出口口的的输输出出功功率率；Pi为为输输入入总总光功率。光功率。4、分光比、分光比分分光光比比是是光光耦耦合合器器所所特特有有的的技技术术术术语语，它它定定义义为为耦耦合合器器各各输输出出端端口口的的输输出出功功率率相相对对输输出出总总功功率率的的百百分分比比，在在具具体体应应用用中中常常用用数数学学表表达达式式表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代表了同代表了同样的分光比，即输出为均分的器件。样的分光比，即输出为均分的器件。5、隔离比（、隔离比（isolation）隔隔离离度度是是指指某某一一光光路路对对其其他他光光路路中中的的信信号号的的隔隔离离能能力力。隔隔离离度度高高，也也就就意意味味着着线线路路之之间间的的“串话串话”小。其数学表达式为小。其数学表达式为式式中中：Pt是是某某一一光光路路输输出出端端测测到到的的其其他他光光路路信信号号的功率值；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。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(550MHz、750MHz、860MHz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）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）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）作业作业问答：问答：“光纤到户光纤到户”之我见之我见内容包括：内容包括：“光纤到户光纤到户”的进程，的进程，“光光纤到户纤到户”的利与弊，国家及产业界对的利与弊，国家及产业界对“光纤到户光纤到户”的政策和态度，你自己的看的政策和态度，你自己的看法法。下次课堂提问：下次课堂提问：1、光纤有哪几种分类方法？、光纤有哪几种分类方法？2、光纤色散的概念、光纤色散的概念