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2024年3月22日发(作者:)
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光纤的光传输原理是什么?
1.光纤通信原理——简介 光纤通信(Fiber-optic
communication),也作光纤通讯。光纤通信是以光作为信
息载体,以光纤作为传输媒介的通信方式,首先将电信号
转换成光信号,再透过光纤将光信号进行传递,属于有线
通信的一种。光经过调变后便能携带资讯。自1980年代
起,光纤通讯系统对于电信工业产生了革命性 ,同时也在
数位时代里扮演非常重要的角色。光纤通信传输容量大,
保密性好等优点。光纤通信现在已经成为当今最主要的有
线通信方式。2.光纤通信原理——组成部分 最基本的
光纤通信系统由光发信机、光收信机、光纤线路、中继器
以及无源器件组成。其中光发信机负责将信号转变成适合
于在光纤上传输的光信号,光纤线路负责传输信号,而光
收信机负责接收光信号,并从中提取信息,然后转变成电
信号,最后得到对应的话音、图象、数据等信息。 (1)
光发信机----由光源、驱动器和调制器组成,实现电/光转
换的光端机。其功能是将来自于电端机的电信号对光源发
出的光波进行调制,成为已调光波,然后再将已调的光信
号耦合到光纤或光缆去传输。 (2)光收信机----由光检
测器和光放大器组成,实现光/电转换的光端机。其功能是
将光纤或光缆传输来的光信号,经光检测器转变为电信
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号,然后,再将这微弱的电信号经放大电路放大到足够的
电平,送到接收端的电端级去。 (3)光纤线路----其功
能是将发信端发出的已调光信号,经过光纤或光缆的远距
离传输后,耦合到收信端的光检测器上去,完成传送信息
任务。 (4)中继器----由光检测器、光源和判决再生电
路组成。它的作用有两个:一个是补偿光信号在光纤中传
输时受到的衰减;另一个是对波形失真的脉冲进行整形。
(5)无源器件----包括光纤连接器、耦合器等,完成光纤间
的连接、光纤与光端机的连接及耦合。3.光纤通信原理
光纤通信的原理就是:在发送端首先要把传送的信息(如话
音)变成电信号,然后调制到激光器发出的激光束上,使光
的强度随电信号的幅度(频率)变化而变化,并通过光纤经过
光的全反射原理传送;在接收端,检测器收到光信号后把它
变换成电信号,经解调后恢复原信息。 光通信正是利
用了全反射原理,当光的注入角满足一定的条件时,光便
能在光纤内形成全反射,从而达到长距离传输的目的。光
纤的导光特性基于光射线在纤芯和包层界面上的全反射,
使光线限制在纤芯中传输。光纤中有两种光线,即子午光
线和斜射光线,子午光线是位于子午面上的光光线,而斜
射光线是不经过光纤轴线传输的光线。 下面以光线在
阶跃光纤中传输为例解释光通信的原理。 如图所示为
阶跃型光纤,纤芯折射率为n1,包层的折射率为n2,且
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n1>n2,空气折射率为n0。在光纤内传输的子午光线,简
称内光线,遇到纤芯与包层的分界面的入射角大于θc时,
才能保证光线在纤芯内产生多次反射,使光线沿光纤传
输。然而,内光线的入射角大小又取决于从空气中入射的
光线进入纤芯中所产生折射角θ2,因此,空气和纤芯界面
上入射光的入射角θi就限定了光能否在光纤中以全反射形
式传输,与内光线入射角的临界角θc相对应,光纤入射光
的入射角θi 有一个最大值θmax。 当光线以θi>θmax
入射到纤芯端面上时,内光线将以小于θc 的入射角投射到
纤芯和包层界面上。这样的光线在包层中折射角小于90
度,该光线将射入包层,很快就会露出光纤。 当光线
以 θi4、有关光线的基本相关概念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
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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
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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
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尺寸:1)单模纤芯直径:9/125μm,10/125μm 2)
包层外径(2D)=125μm3)一次涂敷外径=250μm4)尾
纤:300μm5)多模:50/125μm,欧洲标准62.5/125μ
m,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1)按敷设方式分
有:自承重架空光缆,管道光缆,铠装地埋光缆和海底光
缆。2)按光缆结构分有:束管式光缆,层绞式光缆,紧抱式
光缆,带式光缆,非金属光缆和可分支光缆。3)按用途分
有:长途通讯用光缆、短途室外光缆、混合光缆和建筑物
内用光缆。光缆的接续与成端光缆的接续与成端是光缆线
路维护人员必须掌握的基本技能。光缆的接续技术分类:1)
光纤的接续技术和光缆的接续技术两部分。2)光缆的成端类
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似光缆的接续,只不过由于接头材料不同而操作该当也有
所不同。光纤接续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(如果有上述线对。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
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缆接头的保护。光纤的损耗1310 nm : 0.35 ~ 0.5
dB/Km1550 nm : 0.2 ~ 0.3dB/Km850 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/km,1550nm
0.2~0.3dB/km,塑料多模光纤300dB/km2)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)散射由于光线的基本结构
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
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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)发送单元
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。
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