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2017-04-14 by:CAE仿真在線 來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)
對(duì)于光信號(hào)的傳輸,光纖就是少不了的元素。那么光纖到底設(shè)計(jì)到哪些內(nèi)容呢,且看本文的詳細(xì)說(shuō)明。
光纖通信的優(yōu)點(diǎn)
●通信容量大
●中繼距離長(zhǎng)
●不受電磁干擾
●資源豐富
●光纖重量輕、體積小
光通信發(fā)展簡(jiǎn)史
2000多年前
烽火臺(tái)——燈光、旗語(yǔ)
1880年
光電話——無(wú)線光通信
1970年
光纖通信
●1966年“光纖之父”高錕博士首次提出光纖通信的想法。
●1970年貝爾研究所林嚴(yán)雄在室溫下可連續(xù)工作的半導(dǎo)體激光器。
●1970年康寧公司的卡普隆(Kapron) 之作出損耗為20dB/km光纖。
●1977年芝加哥第一條45Mb/s的商用線路。
電磁波譜
通信波段劃分及相應(yīng)傳輸媒介
光的折射/反射和全反射
因光在不同物質(zhì)中的傳播速度是不同的,所以光從一種物質(zhì)射向另一種物質(zhì)時(shí),在兩種物質(zhì)的交界面處會(huì)產(chǎn)生折射和反射。而且,折射光的角度會(huì)隨入射光的角度變化而變化。當(dāng)入射光的角度達(dá)到或超過(guò)某一角度時(shí),折射光會(huì)消失,入射光全部被反射回來(lái),這就是光的全反射。不同的物質(zhì)對(duì)相同波長(zhǎng)光的折射角度是不同的(即不同的物質(zhì)有不同的光折射率),相同的物質(zhì)對(duì)不同波長(zhǎng)光的折射角度也是不同。光纖通訊就是基于以上原理而形成的。
反射率分布:表征光學(xué)材料的一個(gè)重要參數(shù)是折射率,用N表示,真空中的光速C與材料中光速V之比就是材料的折射率。
N=C/V
光纖通信用的石英玻璃的折射率約為1.5
光通信的發(fā)展過(guò)程
光的基本知識(shí)
光纖結(jié)構(gòu)
光纖裸纖一般分為三層:
第一層:中心高折射率玻璃芯(芯徑一般為9-10μm,(單模)50或62.5(多模)。
第二層:中間為低折射率硅玻璃包層(直徑一般為125μm)。
第三層:最外是加強(qiáng)用的樹(shù)脂涂層。
1)纖芯 core:折射率較高,用來(lái)傳送光;
2)包層 coating:折射率較低,與纖芯一起形成全反射條件;
3)保護(hù)套 jacket:強(qiáng)度大,能承受較大沖擊,保護(hù)光纖。
3mm光纜 橘色 MM 多模
黃色 SM 單模
光纖的尺寸
外徑一般為125um(一根頭發(fā)平均100um)
內(nèi)徑:單模9um 多模50/62.5um
數(shù)值孔徑
入射到光纖端面的光并不能全部被光纖所傳輸,只是在某個(gè)角度范圍內(nèi)的入射光才可以。這個(gè)角度就稱為光纖的數(shù)值孔徑。光纖的數(shù)值孔徑大些對(duì)于光纖的對(duì)接是有利的。不同廠家生產(chǎn)的光纖的數(shù)值孔徑不同
光纖的種類
按光在光纖中的傳輸模式可分為:
多模(Multi-Mode) (簡(jiǎn)稱:MM)
單模(Single-Mode)(簡(jiǎn)稱:SM)
多模光纖:中心玻璃芯較粗(50或62.5μm),可傳多種模式的光。但其模間色散較大,這就限制了傳輸數(shù)字信號(hào)的頻率,而且隨距離的增加會(huì)更加嚴(yán)重。例如:600MB/KM的光纖在2KM時(shí)則只有300MB的帶寬了。因此,多模光纖傳輸?shù)木嚯x就比較近,一般只有幾公里。
單模光纖:中心玻璃芯較細(xì)(芯徑一般為9或10μm),只能傳一種模式的光。實(shí)際上是階躍型光纖的種,只是纖芯徑很小,理論上只允許單一傳播途徑的直進(jìn)光入射至光纖內(nèi),并在纖芯內(nèi)作直線傳播。光纖脈沖幾乎沒(méi)有展寬。因此,其模間色散很小,適用于遠(yuǎn)程通訊,但其色度色散起主要作用,這樣單模光纖對(duì)光源的譜寬和穩(wěn)定性有較高的要求,即譜寬要窄,穩(wěn)定性要好。
光纖的分類
按材料分類:
玻璃光纖:纖芯與包層都是玻璃,損耗小,傳輸距離長(zhǎng),成本高;
膠套硅光纖:纖芯是玻璃,包層為塑料,特性同玻璃光纖差不多,成本較低;
塑料光纖:纖芯與包層都是塑料,損耗大,傳輸距離很短,價(jià)格很低。多用于家電、音響,以及短距的圖像傳輸。
按最佳傳輸頻率窗口:常規(guī)型單模光纖和色散位移型單模光纖。
常規(guī)型:光纖生產(chǎn)長(zhǎng)家將光纖傳輸頻率最佳化在單一波長(zhǎng)的光上,如1300nm。
色散位移型:光纖生產(chǎn)長(zhǎng)家將光纖傳輸頻率最佳化在兩個(gè)波長(zhǎng)的光上,如:1300nm和1550nm。
突變型:光纖中心芯到玻璃包層的折射率是突變的。其成本低,模間色散高。適用于短途低速通訊,如:工控。但單模光纖由于模間色散很小,所以單模光纖都采用突變型。
漸變型光纖:光纖中心芯到玻璃包層的折射率是逐漸變小,可使高模光按正弦形式傳播,這能減少模間色散,提高光纖帶寬,增加傳輸距離,但成本較高,現(xiàn)在的多模光纖多為漸變型光纖。
常用光纖規(guī)格
光纖尺寸:
1)單模纖芯直徑:9/125μm,10/125μm
2)包層外徑(2D)=125μm
3)一次涂敷外徑=250μm
4)尾纖:300μm
5)多模:
50/125μm,歐洲標(biāo)準(zhǔn)
62.5/125μm,美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)
6)工業(yè),醫(yī)療和低速網(wǎng)絡(luò):100/140μm, 200/230μm
7)塑料:98/1000μm,用于汽車控制
光纖衰減
造成光纖衰減的主要因素有:本征,彎曲,擠壓,雜質(zhì),不均勻和對(duì)接等。
本征:是光纖的固有損耗,包括:瑞利散射,固有吸收等。
彎曲:光纖彎曲時(shí)部分光纖內(nèi)的光會(huì)因散射而損失掉,造成的損耗。
擠壓:光纖受到擠壓時(shí)產(chǎn)生微小的彎曲而造成的損耗。
雜質(zhì):光纖內(nèi)雜質(zhì)吸收和散射在光纖中傳播的光,造成的損失。
不均勻:光纖材料的折射率不均勻造成的損耗。
對(duì)接:光纖對(duì)接時(shí)產(chǎn)生的損耗,如:不同軸(單模光纖同軸度要求小于0.8μm),端面與軸心不垂直,端面不平,對(duì)接心徑不匹配和熔接質(zhì)量差等。
光纜的種類
1)按敷設(shè)方式分有:自承重架空光纜,管道光纜,鎧裝地埋光纜和海底光纜。
2)按光纜結(jié)構(gòu)分有:束管式光纜,層絞式光纜,緊抱式光纜,帶式光纜,非金屬光纜和可分支光纜。
3)按用途分有:長(zhǎng)途通訊用光纜、短途室外光纜、混合光纜和建筑物內(nèi)用光纜。
光纜的接續(xù)與成端
光纜的接續(xù)與成端是光纜線路維護(hù)人員必須掌握的基本技能。
光纜的接續(xù)技術(shù)分類:
1)光纖的接續(xù)技術(shù)和光纜的接續(xù)技術(shù)兩部分。
2)光纜的成端類似光纜的接續(xù),只不過(guò)由于接頭材料不同而操作該當(dāng)也有所不同。
光纖接續(xù)的種類
光纜接續(xù)一般可分為兩大類:
1)光纖的固定接續(xù)(俗稱死接頭)。一般采用光纖熔接機(jī);用于光纜直接頭。
2)光纖的活動(dòng)接頭(俗稱活接頭)。用能夠拆卸的連接器連接(俗稱活接頭)。用于光纖跳線、設(shè)備連接等地方
由于光纖端面的不完整性和光纖端面壓力的不均勻性,一次放電熔接光纖的接頭損耗還比較大,現(xiàn)在采用二次放電熔接法。先對(duì)光纖端面預(yù)熱放電,給端面整形,去除灰塵和雜物,同時(shí)通過(guò)預(yù)熱使光纖端面壓力均勻。
光纖連接損耗的監(jiān)測(cè)方法
光纖連接損耗的監(jiān)測(cè)方法有三種:
1、在熔接機(jī)上進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
2、光源、光功率計(jì)監(jiān)測(cè)。
3、OTDR測(cè)量法
光纖接續(xù)的操作方法
光纖接續(xù)操作一般分為:
1、光纖端面的處理。
2、光纖的接續(xù)安裝。
3、光纖的熔接。
4、光纖接頭的保護(hù)。
5、余纖的盤留五個(gè)步驟。
通常整個(gè)光纜的接續(xù)按以下步驟進(jìn)行:
第一步:大量好長(zhǎng)度,開(kāi)剝光纜,除去光纜護(hù)套;
第二步:清洗、去除光纜內(nèi)的石油填充膏。
第三步:捆扎好光纖。
第四步:檢查光纖心數(shù),進(jìn)行光纖對(duì)號(hào),核對(duì)光纖色標(biāo)是否有誤;
第五步:加強(qiáng)心接續(xù);
第六步:各種輔助線對(duì),包括公務(wù)線對(duì)、控制線對(duì)、屏蔽地線等接續(xù)(如果有上述線對(duì)。
第七步:光纖的接續(xù)。
第八步:光纖接頭保護(hù)處理;
第九步:光纖余纖的盤庫(kù)留處理;
第十步:完成光纜護(hù)套的接續(xù);
第十一步:光纜接頭的保護(hù)。
光纖的損耗
1310 nm : 0.35 ~ 0.5 dB/Km
1550 nm : 0.2 ~ 0.3dB/Km
850 nm : 2.3 ~ 3.4 dB/Km
光纖熔接點(diǎn)損耗:0.08dB/點(diǎn)
光纖熔接點(diǎn) 1點(diǎn)/2km
常見(jiàn)光纖名詞
1)衰減
衰減:光在光纖中傳輸時(shí)的能量損耗單模光纖1310nm 0.4~0.6dB/km1550nm 0.2~0.3dB/km塑料多模光纖300dB/km
2)色散
色散(Dispersion):光脈沖沿著光纖行進(jìn)一段距離后造成的頻寬變粗。它是限制傳輸速率的主要因素。
模間色散:只發(fā)生在多模光纖,因?yàn)椴煌Ｊ降墓庋刂煌穆窂絺鬏敗?/span>
材料色散:不同波長(zhǎng)的光行進(jìn)速度不同。
波導(dǎo)色散:發(fā)生原因是光能量在纖芯及包層中傳輸時(shí),會(huì)以稍有不同的速度行進(jìn)。在單模光纖中,通過(guò)改變光纖內(nèi)部結(jié)構(gòu)來(lái)改變光纖的色散非常重要。
光纖類型
G.652零色散點(diǎn)在1300nm左右
G.653零色散點(diǎn)在1550nm左右
G.654負(fù)色散光纖
G.655色散位移光纖
全波光纖
3)散射
由于光線的基本結(jié)構(gòu)不完美,引起的光能量損失,此時(shí)光的傳輸不再具有很好的方向性。
光纖系統(tǒng)基礎(chǔ)知識(shí)
基本光纖系統(tǒng)的構(gòu)架及其功能介紹:
1.發(fā)送單元:把電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào);
2.傳輸單元:載送光信號(hào)的介質(zhì);
3.接收單元:接收光信號(hào)并轉(zhuǎn)換成電信號(hào);
4.連接器件:連接光纖到光源、光檢測(cè)以及其它光纖。
常用連接器類型
連接頭端面類型
耦合器(coupler)
主要功能再分配光信號(hào)
重要應(yīng)用在光纖網(wǎng)絡(luò)
尤其是應(yīng)用在局域網(wǎng)
在波分復(fù)用器件上應(yīng)用
基本結(jié)構(gòu)
耦合器是雙向無(wú)源器件
基本形式有樹(shù)型、星型
——與耦合器對(duì)應(yīng)的有分路器(splitter)
以圖形表示
波分復(fù)用器
WDM—Wavelength Division Multiplexer在一條光纖中傳輸多個(gè)光信號(hào),這些光信號(hào)頻率不同,顏色不同。波分復(fù)用器就是要把多個(gè)光信號(hào)耦合進(jìn)同一根光纖中;解波分復(fù)用器就是從一根光纖中把多個(gè)光信號(hào)區(qū)分出來(lái)。
波分復(fù)用器(圖例)
發(fā)送單元
接收單元
放大器
光纖數(shù)字通信
數(shù)字系統(tǒng)中脈沖的定義:
1.振幅:脈沖的高度在光纖系統(tǒng)中表示光功率能量。
2.上升時(shí)間:脈沖從最大振幅的10%上升到90%所需要的時(shí)間。
3.下降時(shí)間:脈沖從振幅的90%下降到10%所需要的時(shí)間。
4.脈沖寬度:脈沖在50%振幅位置的寬度,用時(shí)間表示。
5.周期:脈沖特定的時(shí)間,就是完成一個(gè)循環(huán)所需要的工作時(shí)間。
6.消光比:1信號(hào)光功率于0信號(hào)光功率的比值。
光纖通信中常用單位的定義:
1. dB = 10 log10 ( Pout / Pin )
Pout :輸出功率 ; Pin :輸入功率
2. dBm = 10 log10 ( P / 1mw)
是通信工程中廣泛使用的單位;
通常表示以1毫瓦為參考的光功率;
example: –10dBm表示光功率等于100uw。
3. dBu = 10 log10 ( P / 1uw)
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