[導讀]光纖通信的優點通信容量大中繼距離長不受電磁幹擾資源豐富光纖重量輕、體積小……

光纖通信的優點

• 通信容量大

• 中繼距離長

• 不受電磁幹擾

• 資源豐富

• 光纖重量輕、體積小

光通信發展簡史

2000多年前

烽火臺——燈光、旗語

1880年

光電話——無線光通信

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年貝爾研究所林嚴雄在室溫下可連續工作的半導體激光器。

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傳輸媒介

光的折射/反射和全反射

因光在不同物質中的傳播速度是不同的，所以光從一種物質射向另一種物質時，在兩種物質的交界面處會產生折射和反射。而且，折射光的角度會隨入射光的角度變化而變化。當入射光的角度達到或超過某一角度時，折射光會消失，入射光全部被反射回來，這就是光的全反射。不同的物質對相同波長光的折射角度是不同的（即不同的物質有不同的光折射率），相同的物質對不同波長光的折射角度也是不同。光纖通訊就是基於以上原理而形成的。

反射率分布：表征光學材料的一個重要參數是折射率，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

光的基本知識

光纖結構

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：中間為低折射率矽玻璃包層（直徑一般為125μm）。

第三層：最外是加強用的樹脂塗層。

1)纖芯 core：折射率較高，用來傳送光；

2)包層 coating：折射率較低，與纖芯一起形成全反射條件；

3)保護套 jacket：強度大，能承受較大沖擊，保護光纖。

3mm光纜

橘色 MM　 多模

黃色 SM　 單模

光纖的尺寸

外徑一般為125um(一根頭發平均100um)

內徑：單模9um 多模50/62.5um

數值孔徑

入射到光纖端面的光並不能全部被光纖所傳輸，只是在某個角度範圍內的入射光才可以。這個角度就稱為光纖的數值孔徑。光纖的數值孔徑大些對於光纖的對接是有利的。不同廠家生產的光纖的數值孔徑不同

光纖的種類

按光在光纖中的傳輸模式可分為：

多模（Multi-Mode） (簡稱：MM）

單模（Single-Mode）(簡稱：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，這就限制了傳輸數字信號的頻率，而且隨距離的增加會更加嚴重。例如：600MB/KM的光纖在2KM時則只有300MB的帶寬了。因此，多模光纖傳輸的距離就比較近，一般只有幾公裏。

單模光纖：中心玻璃芯較細（芯徑一般為9或10μm），只能傳一種模式的光。實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光入射至光纖內，並在纖芯內作直線傳播。光纖脈沖幾乎沒有展寬。因此，其模間色散很小，適用於遠程通訊，但其色度色散起主要作用，這樣單模光纖對光源的譜寬和穩定性有較高的要求，即譜寬要窄，穩定性要好。

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，成本高；

膠套矽光纖：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，價格很低。多用於家電、音響，以及短距的圖像傳輸。

按最佳傳輸頻率窗口:常規型單模光纖和色散位移型單模光纖。

常規型：光纖生產長家將光纖傳輸頻率最佳化在單一波長的光上，如1300nm。

色散位移型：光纖生產長家將光纖傳輸頻率最佳化在兩個波長的光上，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。適用於短途低速通訊，如：工控。但單模光纖由於模間色散很小，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，現在的多模光纖多為漸變型光纖。

常用光纖規格

光纖尺寸：

1)單模纖芯直徑：9/125μm，10/125μm

2)包層外徑（2D）＝125μm

3)一次塗敷外徑＝250μm

4)尾纖：300μm

5)多模：

50/125μm，歐洲標準

62.5/125μm，美國標準

6)工業，醫療和低速網絡：100/140μm， 200/230μm

7)塑料：98/1000μm，用於汽車控制

光纖衰減

造成光纖衰減的主要因素有：本征，彎曲，擠壓，雜質，不均勻和對接等。

本征：是光纖的固有損耗，包括：瑞利散射，固有吸收等。

彎曲：光纖彎曲時部分光纖內的光會因散射而損失掉，造成的損耗。

擠壓：光纖受到擠壓時產生微小的彎曲而造成的損耗。

雜質：光纖內雜質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。

對接：光纖對接時產生的損耗，如：不同軸（單模光纖同軸度要求小於0.8μm），端面與軸心不垂直，端面不平，對接心徑不匹配和熔接質量差等。

光纜的種類

1)按敷設方式分有：自承重架空光纜，管道光纜，鎧裝地埋光纜和海底光纜。

2)按光纜結構分有：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：長途通訊用光纜、短途室外光纜、混合光纜和建築物內用光纜。

光纜的接續與成端

光纜的接續與成端是光纜線路維護人員必須掌握的基本技能。

光纜的接續技術分類：

1)光纖的接續技術和光纜的接續技術兩部分。

2)光纜的成端類似光纜的接續，只不過由於接頭材料不同而操作該當也有所不同。

光纖接續的種類

光纜接續一般可分為兩大類：

1)光纖的固定接續（俗稱死接頭）。一般采用光纖熔接機；用於光纜直接頭。

2)光纖的活動接頭（俗稱活接頭）。用能夠拆卸的連接器連接（俗稱活接頭）。用於光纖跳線、設備連接等地方

由於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，現在采用二次放電熔接法。先對光纖端面預熱放電，給端面整形，去除灰塵和雜物，同時通過預熱使光纖端面壓力均勻。

光纖連接損耗的監測方法

光纖連接損耗的監測方法有三種：

1、在熔接機上進行監測。

2、光源、光功率計監測。

3、OTDR測量法

光纖接續的操作方法

光纖接續操作一般分為：

1、光纖端面的處理。

2、光纖的接續安裝。

3、光纖的熔接。

4、光纖接頭的保護。

5、余纖的盤留五個步驟。

通常整個光纜的接續按以下步驟進行：

第一步：大量好長度，開剝光纜，除去光纜護套；

第二步：清洗、去除光纜內的石油填充膏。

第三步：捆紮好光纖。

第四步：檢查光纖心數，進行光纖對號，核對光纖色標是否有誤；

第五步：加強心接續；

第六步：各種輔助線對，包括公務線對、控制線對、屏蔽地線等接續（如果有上述線對。

第七步：光纖的接續。

第八步：光纖接頭保護處理；

第九步：光纖余纖的盤庫留處理；

第十步：完成光纜護套的接續；

第十一步：光纜接頭的保護。

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

光纖熔接點損耗：0.08dB/點

光纖熔接點 1點/2km

常見光纖名詞

1)衰減

衰減：光在光纖中傳輸時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一段距離後造成的頻寬變粗。它是限制傳輸速率的主要因素。

模間色散：只發生在多模光纖，因為不同模式的光沿著不同的路徑傳輸。

材料色散：不同波長的光行進速度不同。

波導色散：發生原因是光能量在纖芯及包層中傳輸時，會以稍有不同的速度行進。在單模光纖中，通過改變光纖內部結構來改變光纖的色散非常重要。

光纖類型

G.652零色散點在1300nm左右

G.653零色散點在1550nm左右

G.654負色散光纖

G.655色散位移光纖

全波光纖

3)散射

由於光線的基本結構不完美，引起的光能量損失，此時光的傳輸不再具有很好的方向性。

光纖系統基礎知識

基本光纖系統的構架及其功能介紹：

1.發送單元：把電信號轉換成光信號；

2.傳輸單元：載送光信號的介質；

3.接收單元：接收光信號並轉換成電信號；

4.連接器件：連接光纖到光源、光檢測以及其它光纖。

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

重要應用在光纖網絡

尤其是應用在局域網

在波分復用器件上應用

基本結構

耦合器是雙向無源器件

基本形式有樹型、星型

——與耦合器對應的有分路器（splitter）

以圖形表示

波分復用器

WDM—Wavelength Division Multiplexer在一條光纖中傳輸多個光信號，這些光信號頻率不同，顏色不同。波分復用器就是要把多個光信號耦合進同一根光纖中；解波分復用器就是從一根光纖中把多個光信號區分出來。

波分復用器（圖例）

發送單元

接收單元

放大器

光纖數字通信

數字系統中脈沖的定義：

1.振幅：脈沖的高度在光纖系統中表示光功率能量。

2.上升時間：脈沖從最大振幅的10%上升到90%所需要的時間。

3.下降時間：脈沖從振幅的90%下降到10%所需要的時間。

4.脈沖寬度：脈沖在50%振幅位置的寬度，用時間表示。

5.周期：脈沖特定的時間，就是完成一個循環所需要的工作時間。

6.消光比：1信號光功率於0信號光功率的比值。

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表示光功率等於100uw。

3. dBu = 10 log10 ( P / 1uw)

光纖通信原理