光接入网基本知识ppt课件.ppt

《光接入网基本知识ppt课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《光接入网基本知识ppt课件.ppt（59页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、2013家庭宽带装维管理员训练营第一期,1、概述2、通信用光纤3、常用的光器件4. 光纤接续,光的本质,我们日常生活中的可见光的波长为390nm760nm。光纤通信所用的光波长范围在8001600nm的近红外区。,光波是一种电磁波，光是一种按照电磁定律在场内传播的电磁扰动（振动）。,光纤通信光纤传输的本质,属于有线通信以光波为载频，以光导纤维为介质的通信方式,光纤通信定义,光纤通信简史,1966年，高锟提出光通信概念1970年，实验室制出第一条多模光纤，衰耗为20dB/KM1976年，发现1310和1550两个低衰耗窗口1980年，光纤在1550窗口的衰减系数已降到0.2dB/KM1981年，

2、光纤通信开始大规模商用，速率从45M到目前的400Gb/s,光纤通信原理,光纤通信优点,光纤通信优点,光纤通信缺点,1、概述2、通信用光纤3、常用的光器件4. 光纤接续,光纤作为光纤通信系统的物理传输媒介，有着巨大的优越性。 本单元首先介绍光纤的导光原理，然后介绍光纤结构与类型的，最后简要介绍几何特性、光学特性、传输特性。,光纤如何导光的？光纤是什么结构？光在光纤中如何传播？光纤有什么特性？光纤的分类有哪些？,与光纤有关的问题,光在均匀介质中是沿直线传播的，其传播速度为：v=c/n 式中：c3108m/s，是光在真空中的传播速度；n是介质的折射率。 常见物质的折射率：空气 1.003； 水 1

3、.33；玻璃 (SiO2) 1.521.89；钻石 2.42；硅 3.5折射率大的媒介称为光密媒介，反之称为光疏媒介光在不同的介质中传输速度不同,光纤的导光原理,全反射条件：纤芯折射率n1大于包层折射率n2入射角大于等于全反射的临界角,入射角1=临界角,入射角1临界角,入射角1临界角,光纤的导光原理,通信用光纤的主要成分是高纯度石英，掺杂剂用于改变折射率。,纤芯,包层,一次涂敷层（硅酮树脂或聚氨基甲酸乙脂）,1.5cm,125um,9-50um,二次涂敷层（尼龙或聚乙烯）,（增加机械性能和弯曲性）,光纤的结构,光纤的结构,光纤是由纤芯、包层、涂覆层和护套构成的一种同心圆柱体结构,纤芯：折射率较

4、高，用来传送光包层：折射率较低，与纤芯一起形成全反射条件护套：强度大，能承受较大冲击，保护光纤,1. 按传输模式的数量分类 按光纤中传输的模式数量，可以将光纤分为多模光纤(Multi-Mode Fiber，MMF)和单模光纤(Single Mode Fiber，SMF)。 多模光纤和单模光纤是由光纤中传输的模式数决定的，判断一根光纤是不是单模传输，除了光纤自身的结构参数外，还与光纤中传输的光波长有关。,光纤的类别模式,多模光纤：顾名思义，多模光纤就是允许多个模式在其中传输的光纤，或者说在多模光纤中允许存在多个分离的传导模。优点：芯径大，容易注入光功率，可以使用LED作为光源缺点：存在模间色散，

5、只能用于短距离传输,模间色散：每个模式在光纤中传播速度不同，导致光脉冲在不同模式下的能量到达目的的时间不同，造成脉冲展宽。,光纤的类别模式,单模光纤：只能传输一种模式的光纤称为单模光纤。优点：单模光纤只能传输基模(最低阶模)，它不存在模间时延差，因此它具有比多模光纤大得多的带宽，这对于高码速长途传输是非常重要的。缺点：芯径小，较多模光纤而言不容易进行光耦合，需要使用半导体激光器激励。,光纤的类别模式,单模光纤和多模光纤几何尺寸,当光纤的几何尺寸（主要是芯径d）远大于光波波长时（约1m ），光纤传输的过程中会存在着几十种乃至几百种传输模式，即多模传输。当光纤的几何尺寸（主要是芯径d）较小，与光波

6、长在同一数量级，如芯径d在4m10m范围，这时，光纤只允许一种模式（基模）在其中传播，即单模传输。其余的高次模全部截止。,光纤的类别模式,2. 按光纤截面上折射率分布分类按照截面上折射率分布的不同可以将光纤分为阶跃型光纤(Step-Index Fiber，SIF)和渐变型光纤(Graded-Index Fiber，GIF)，其折射率分布如图所示。,光纤的类别折射率分布,光纤的类别折射率分布,阶跃型光纤是由半径为a、折射率为常数n1的纤芯和折射率为常数n2的包层组成，并且n1n2, n1=1.4631.467, n2=1.451.46。 渐变型光纤与阶跃型光纤的区别在于其纤芯的折射率不是常数，而

7、是随半径的增加而递减直到等于包层的折射率。,光纤的类别折射率分布,光在阶跃折射率光纤和渐变折射率光纤的传播轨迹分别如图所示。,光在阶跃折射率多模光纤中的传播,光在渐变折射率多模光纤中的传播,光纤的类别折射率分布,按套塑可以将光纤分为松套光纤和紧套光纤。 紧套光纤就是在一次涂覆的光纤上再紧紧地套上一层尼龙或聚乙烯等塑料套管，光纤在套管内不能自由活动。 松套光纤，就是在光纤涂覆层外面再套上一层塑料套管，光纤可以在套管中自由活动。,3.,光纤的类别套塑(二次涂覆层),4. 按光纤的工作波长分类,按光纤的工作波长可以将光纤分为短波长光纤、长波长光纤和超长波长光纤。 短波长光纤的波长为0.85m（0.8

8、m0.9m） 长波长光纤的波长为1.3m1.6m，主要有1.31m和1.55m两个窗口。,光纤的类别工作波长,光纤的类别文号,目前使用最为广泛,1、光纤的几何特性 芯直径 包层直径 同心度不圆度 翘曲度,光纤的特性,光纤的制造技术,选材的准则：1. 能拉长、拉细、具有一定的柔韧性、可卷绕性2. 在特定波长损耗低3. 能使纤芯的折射率略高于包层，满足波导条件按材料分类：1. 无源玻璃纤维2. 有源玻璃纤维3. 塑料纤维,光纤的特性,两种基本方法1. 直接熔化法： 按传统制造玻璃的工艺将处在熔融状态的石英玻璃的直接制成光纤。2. 汽相氧化法： - 高纯度金属卤化物(如SiCl4和GeCl4)与氧反

9、应生成SiO2微粒 - (通过四种不同的方法)将微粒收集在玻璃容器的表面 - 烧结 (在尚未熔化的状态将SiO2转化成玻璃体) 制成预制棒 - 拉丝成纤,光纤的制造技术,光纤的特性,1. 折射率分布2. 最大理论数值孔径3. 模场直径及4. 截至波长,光纤的光学特性,光纤折射率分布，可用下式表示：,其中，n1为纤芯折射率，n2为包层折射率，a为芯半径，r为离开纤芯中心的径向距离， d为折射率分布指数，为相对折射率差，=(n1 n2 )/ n1 。 多模光纤的折射率分布，决定光纤带宽和连接损耗。 单模光纤的折射率分布，决定工作波长的选择。,光纤的光学特性折射率分布,折射光线,n,光线在光纤纤芯包

10、层界面处全反射的最小入射角满足：,空气的最大入射角满足：,所有以小于最大入射角投射到光纤端面的光线都将进入纤芯，并在纤芯包层界面处发生全反射。,光纤的光学特性最大入射角,最大理论数值孔径的定义为：,其中，n1为阶跃光纤均匀纤芯的折射率（梯度光纤为纤芯中心的最大折射率），n2为均匀包层的折射率。 D = (n2 n1)/n1为纤芯包层相对折射率差。 光纤的数值孔径（NA）是一个小于1的无量纲的数，其值通常在0.14到0.50之间。数值孔径对光源耦合效率、光纤损耗、弯曲的敏感性以及带宽有着密切的关系，数值孔径大有利于光耦合。但是数值孔径太大会引起光纤的非线性效应。,光纤的光学特性最大理论数值孔径（

11、阶跃光纤）, 模场直径是指描述单模光纤中光能集中程度的参量。 有效面积与模场直径的物理意义相同，通过模场直径可以利用圆面积公式计算出有效面积。 模场直径越小，通过光纤横截面的能量密度就越大。当通过光纤的能量密度过大时，会引起光纤的非线性效应，造成光纤通信系统的光信噪比降低，影响系统性能。 因此，对于传输光纤而言，模场直径（或有效面积）越大越好。,光纤的光学特性模场直径和有效面积,模场直径示意图,光纤的光学特性模场直径和有效面积,理论上的截止波长是单模光纤中光信号能以单模方式传播的最小波长。 截止波长条件可以保证在最短光缆长度上单模传输，并且可以抑制高次模的产生或可以将产生的高次模噪声功率代价减

12、小到完全可以忽略的地步。注意：在通信链路中系统的工作波长要大于截至波长。 G.652截止波长1260nm G.655截止波长1480nm,光纤的光学特性截止波长,1.光纤的损耗特性 （1）吸收损耗： 光纤吸收损耗是制造光纤的材料本身造成的，包括紫外吸收、红外吸收和杂质吸收。 （2）散射损耗： 散射中最重要的是瑞利散射，它是由于材料的不均匀使光散射而引起的损耗。 （3）弯曲损耗： 光纤的弯曲会引起辐射损耗。 （4）光纤的衰减系数： 是指光在单位长度光纤中传输时的衰耗量，dB/km。,决定光纤衰减常数的损耗是吸收损耗和散射损耗。,光纤的传输特性,0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.

13、3 1.4 1.5,衰减（dB/km）,普通单模光纤的衰减随波长变化示意图,光纤的传输特性,0.85um 窗口2.5dB/km。 1.31um窗口0.35dB/km。 1.55um窗口0.20dB/km。 目前标准单模光纤G.652的损耗在1.55um波段最低，但其色散在1.31um 最小，因此把零色散波长移到1.55um波段上，使单模光纤的最小损耗和零色散统一到一个波段上，我们称之为色散位移光纤（DSF) G.653 ，这样可进一步延长光通信的传输距离。,光纤的传输特性,色散定义：光脉冲中的不同频率、模式或偏振态在光纤中的群速度不同，因而这些频率成分和模式到达光纤终端有先有后，使得光脉冲发生

14、展宽，这就是光纤的色散。 色散系数：单位是 ps/(nm*km)，其含义是波长间隔为1nm的光在光纤中传输1km所产生的时延。例如某光纤色散系数为18 ps/(nm*km)，其含义是波长间隔为1nm的光在此光纤中传输1km所产生的时延为18ps 。,光纤的传输特性色散,光纤中的色散可分为模式色散、色度色散、偏振模色散。（1）模式色散（多模光纤）： 对于多模光纤中不同模式的光束有不同的群速度，在传输过程中，不同模式的光束的时间延迟不同而产生色散，称模式色散。模式色散主要存在于多模光纤中，单模光纤无模式色散。,光纤的传输特性色散,（2）色度色散： 由于光源的不同频率（或波长）成分具有不同的群速度，

15、在传输过程中，不同频率的光束的时间延迟不同而产生色散称为色度色散。色度色散包括材料色散和波导色散。一般单模光纤只考虑这两种色散。材料色散： 由于材料折射率随光信号频率（波长）的变化而不同，光信号不同频率（波长）成分所对应的群速度不同，由此引起的色散称材料色散。 波导色散： 由于光纤波导结构引起的色散称波导色散，它的大小可以和材料色散相比拟。,光纤的传输特性色散,（3）偏振模色散（单模光纤） 指单模光纤中偏振色散，简称PMD（Polarization Mode Dispersion），起因于实际的单模光纤中基模含有两个相互垂直的偏振模，沿光纤传播过程中，由于光纤难免受到外部的作用，如温度和压力等

16、因素变化或扰动，并且它们的传播速度也不尽相同，从而导致光脉冲展宽，展宽量也不确定，相当于随机的色散。 （4）码间干扰 码间干扰简称 ISI（ Inter-Symbol Interference）,光纤的传输特性色散,光纤的机械特性主要包括耐侧压力、抗拉强度、弯曲以及扭绞性能等，使用者最关心的是抗拉强度。 （1）光纤的抗拉强度 光纤的抗拉强度很大程度上反映了光纤的制造水平。 影响光纤抗拉强度的主要因素是光纤制造材料和制造工艺。 预制棒的质量。 拉丝炉的加温质量和环境污染。 涂覆技术对质量的影响。 机械损伤。,1.光纤的机械特性,光纤的机械和温度特性,（2）光纤的寿命 光纤的寿命，习惯称使用寿命，

17、当光纤损耗加大以致系统开通困难时，称其已达到了使用寿命。从机械性能讲，寿命指断裂寿命。 （3）光纤的机械可靠性为了提高光纤的机械可靠性，在光纤的外包层中掺入二氧化钛。,光纤的机械和温度特性,光纤的温度特性，是指在高、低温条件下对光纤损耗的影响，一般是损耗增大。如图所示。,光纤低温特性曲线,2.光纤的温度特性,光纤的机械和温度特性,1) 光纤的抗拉强度很高，不小于240g拉力（海底光缆的光纤要求更高）2) 光纤的延展性比金属差（光纤比较细和脆）3) 当光纤内存在裂纹、气泡或杂物，在一定张力下容易断裂（断裂寿命）4) 包层中掺入二氧化钛可以增强机械可靠性5) 光纤遇水容易断裂且损耗增大（光缆制作要

18、防水）6) 在低温下损耗随温度降低而增加（膨胀系数不同）,光纤的机械和温度特性,光纤的特性,光纤的特性,1、概述2、通信用光纤3、常用的光器件4. 光纤接续,光纤连接器定义 光纤连接器：是光纤与光纤之间进行可拆卸（活动）连接的器件，它把光纤的两个端面精密对接起来，以使发射光纤输出的光能量能最大限度地耦合到接收光纤中去，并使由于其介入光链路而对系统造成的影响减到最小，这是光纤连接器的基本要求。在一定程度上，光纤连接器影响了光传输系统的可靠性和各项性能。,光纤连接器,光纤连接器结构,光纤连接器的一般采用高精密组件(由两个插针和一个耦合管共三个部分组成)实现光纤的对准连接。这种方法是将光纤穿入并固定

19、在插针中，并将插针表面进行抛光处理后，在耦合管中实现对准。插针材料用ZrO2(氧化锆) 陶瓷最理想。ZrO2陶瓷机械性能好、耐磨，热膨胀系数和光纤相近，使连接器的寿命和工作温度范围大大改善。插针的对接端必须进行研磨处理。耦合管多配有金属或塑料的法兰盘，以便于连接器的安装固定。为尽量精确地对准光纤，对插针和耦合管的加工精度要求很高。,光纤连接器,SC型,LC型,FC型,ST型,MU型,MT-RJ型,光纤连接器,光纤连接器,九十年代以后，基本上形成以2.5mm陶瓷插针为关键器件的FC、SC 和 ST型三种连接器。,1. FC/PC 型光纤连接器。,FC：表示其外部加强件是采用金属套，紧固方式为螺丝

20、扣。,PC：表示其对接端面是物理接触，端面呈凸面拱型结构。,2. SC/PC 型光纤连接器。,SC/PC：其外壳采用模塑工艺，用铸模玻璃纤维塑料制成，呈矩形；插头套管（也称插针）由精密陶瓷制成。耦合套筒为金属开缝套管结构。,3. ST/PC 型光纤连接器。,ST/PC：这种光纤连接器的紧固方式采用卡口式连接，套管端面采用球面研磨的PC接触方式。,4. APC 型光纤连接器。,APC：这种光纤连接器的端面采用80的斜面研磨；紧固方式采用插拔销闩式，不需要旋转。此类连接器价格低廉、插拔方便、损耗波动小、抗压强度高。,光纤适配器,光纤连接器,FC型,多用在楼层之间光纤连接，操作方便，但端面对灰尘敏感，容易产生菲涅尔反射，信号会产生衰减。,光纤连接器,SC型光纤连接器外形为矩形，插拔式，无需旋转，介质波动损耗小。,光纤连接器,LC型连接器，插拔式，但尺寸更小，多用于光纤配线架，安装密度高，市场占有率逐步上升。,光纤连接器,光纤连接器,光功率计,