1、.光纖傳輸技術光纖傳輸技術主講：陳厚新主講：陳厚新.本章主要內容本章主要內容 光纖傳輸技術概述光纖傳輸技術概述 光纖的種類光纖的種類 光纖的傳輸理論、傳輸特性、性能參數光纖的傳輸理論、傳輸特性、性能參數 光無源器件光無源器件 光有源器件光有源器件 光纖的應用光纖的應用 光纖設備的使用和維護光纖設備的使用和維護.教學目標 了解光通信技術的基本原理和過程，掌握光設備的使用，連接和測量方法以及基本故障檢修。 .第一部分第一部分 概述概述 什么是光纖？什么是光纖？ 什么是光纖技術？什么是光纖技術？ 為什么要學習為什么要學習光纖技術基礎光纖技術基礎？.一、什么是光纖？一、什么是光纖？ 光纖是光纖是“光導

2、纖維光導纖維”的簡稱，是指能夠約束并導引光波在的簡稱，是指能夠約束并導引光波在其內部或表面附近沿軸線方向傳播的傳輸介質通常以其截面其內部或表面附近沿軸線方向傳播的傳輸介質通常以其截面形狀分為平板波導、矩形波導園柱形波導等等形狀分為平板波導、矩形波導園柱形波導等等1 1、基本結構、基本結構折射率高的中心部分叫做纖芯，其折射率為折射率高的中心部分叫做纖芯，其折射率為n n1 1，直徑為，直徑為2 2a a；折射率低的外圍部分稱為包層，其折射率為折射率低的外圍部分稱為包層，其折射率為n n2 2，直徑為，直徑為2 2b b。.帶狀式帶狀式把帶狀光纖單元放入大套管內，把帶狀光纖單元放入大套管內， 形成

3、中心束管式形成中心束管式結構，也可以把帶狀光纖單元放入骨架凹槽內或結構，也可以把帶狀光纖單元放入骨架凹槽內或松套管內，松套管內， 形成骨架式或層絞式結構。形成骨架式或層絞式結構。帶狀式纜帶狀式纜芯有利于制造容納幾百根光纖的高密度光纜，這芯有利于制造容納幾百根光纖的高密度光纜，這種光纜已廣泛應用于接入網。種光纜已廣泛應用于接入網。外護層金屬加強件塑料繞包帶帶狀光纖單元帶狀線光纖塑料.光纖光纖電線電線損耗低損耗低損耗大損耗大信息容量大信息容量大信息容量小信息容量小體積小，重量輕體積小，重量輕大而重大而重防水、防火、耐腐蝕防水、防火、耐腐蝕怕水、怕火、怕腐蝕怕水、怕火、怕腐蝕成本低，儲量豐富成本低，

4、儲量豐富成本高，資源有限成本高，資源有限抗電磁干擾抗電磁干擾電磁影響大電磁影響大2 2、光纖的優點、光纖的優點.二、為什么要學習光纖技術基礎？二、為什么要學習光纖技術基礎？ 從專業方向和從專業方向和知識面知識面看看 從光纖的應用看從光纖的應用看 從光纖技術的發展趨勢看從光纖技術的發展趨勢看.專業方向：專業方向： 無線電通訊無線電通訊 計算機網絡計算機網絡 省內省內HFC網絡網絡 互聯網互聯網 電信網絡電信網絡 國家干線網絡國家干線網絡知識面知識面1 1、從專業方向和知識面看、從專業方向和知識面看.2 2、從光纖的應用看、從光纖的應用看 光纖在通信中的應用光纖在通信中的應用 范圍：范圍： 公用通

5、信公用通信（全國性寬帶綜合業務數字網、省內（全國性寬帶綜合業務數字網、省內 中距線路、市內局間線路和用戶網、中距線路、市內局間線路和用戶網、 鄉村線路以及沿海島嶼間的線路等）鄉村線路以及沿海島嶼間的線路等） 專用通信專用通信（各企業、工礦、機關、學校等大、中（各企業、工礦、機關、學校等大、中 型單位內部專用的局域網、電力線通型單位內部專用的局域網、電力線通 信線路、鐵道線通信線路、交通管理信線路、鐵道線通信線路、交通管理 監控線路、電視臺發射傳輸線路等監控線路、電視臺發射傳輸線路等 ） 工業發達國家和我國均已宣布：工業發達國家和我國均已宣布： 干線大容量通信線路不再新建同軸電纜，而全部鋪干線大

6、容量通信線路不再新建同軸電纜，而全部鋪設光纜。設光纜。.2 2、光纖的應用、光纖的應用“傳傳”和和“感感”.諾爾頓亞歷山大蘇伊士吉布提卡拉奇吉達孟買仰光檳城雅加達珀斯新加坡呂宋島上海沖繩汕頭塞新布拉 Sea-Me-We-3是一條沿歐亞大陸鋪設的洲際是一條沿歐亞大陸鋪設的洲際海底光纜，總長海底光纜，總長38,000km，從德國到南韓、，從德國到南韓、澳大利亞，連接澳大利亞，連接40個國家或城市站點，傳輸個國家或城市站點，傳輸速率為速率為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 光纖分類光纖分類 光纖的分類光纖的分類 光纖材料光纖材料.

7、一、按照光纖橫截面折射率分布不同來劃一、按照光纖橫截面折射率分布不同來劃分分 階躍折射率分布光纖階躍折射率分布光纖(Step-Index Optical Fiber(Step-Index Optical Fiber，SIOF)SIOF) 纖芯折射率纖芯折射率n1沿半徑方向保持一定，包層折射率沿半徑方向保持一定，包層折射率n2沿半徑方向也保持一定，而且纖芯和包層的折射率沿半徑方向也保持一定，而且纖芯和包層的折射率在邊界處呈階梯型變化的光纖稱為階躍型光纖，又在邊界處呈階梯型變化的光纖稱為階躍型光纖，又稱為均勻光纖。稱為均勻光纖。 漸變折射率分布光纖漸變折射率分布光纖(Graded-Index Op

8、tical (Graded-Index Optical FiberFiber，GIOF)GIOF) 如果纖芯折射率如果纖芯折射率n1隨著半徑加大而逐漸減小，而包隨著半徑加大而逐漸減小，而包層中折射率層中折射率n2是均勻的，這種光纖稱為漸變型光纖，是均勻的，這種光纖稱為漸變型光纖，又稱為非均勻光纖。又稱為非均勻光纖。 2.1 2.1 光纖的分類光纖的分類.圖圖1.1 光纖的折射率分布光纖的折射率分布b bb b.二、按照纖芯中傳輸模式的多少來劃分二、按照纖芯中傳輸模式的多少來劃分 單模光纖單模光纖(Single Mode Fiber，SMF) 光纖中只傳輸一種模式時，叫做單模光纖。光纖中只傳輸一

9、種模式時，叫做單模光纖。 單模光纖的纖芯直徑較小，約為單模光纖的纖芯直徑較小，約為410m。 適用于大容量、長距離的光纖通信。適用于大容量、長距離的光纖通信。 多模光纖多模光纖(Multi-Mode Fiber，MMF) 在一定的工作波長下，多模光纖是能傳輸多種在一定的工作波長下，多模光纖是能傳輸多種模式的介質波導。模式的介質波導。 多模光纖可以采用階躍折射率分布，也可以采多模光纖可以采用階躍折射率分布，也可以采用漸變折射率分布。用漸變折射率分布。 多模光纖的纖芯直徑不等，但基本都大于單模多模光纖的纖芯直徑不等，但基本都大于單模光纖（光纖（5062.5m ）。）。.波導模解釋波導模解釋 光波導

10、由于只在其軸向傳播能量，同時光能量光波導由于只在其軸向傳播能量，同時光能量在橫向又被限制在一定的空間內，因此在軸向在橫向又被限制在一定的空間內，因此在軸向的光波為行波或行波與駐波的疊加，而在橫向的光波為行波或行波與駐波的疊加，而在橫向則必然是駐波，橫向不同的駐波結構就構成了則必然是駐波，橫向不同的駐波結構就構成了光波導不同的傳播模式光波導不同的傳播模式 當光波導的橫向尺寸及折射率分布所確定的波當光波導的橫向尺寸及折射率分布所確定的波導結構只能傳播一個橫向駐波結構的光時，我導結構只能傳播一個橫向駐波結構的光時，我們稱之為單模光波導能傳播一個以上的橫向們稱之為單模光波導能傳播一個以上的橫向駐波結構

11、時，稱之為多模光波導駐波結構時，稱之為多模光波導 由于橫向駐波的節距與光波波長和光的傳播方由于橫向駐波的節距與光波波長和光的傳播方向有關，因此向有關，因此光波導是單模還是多模與其傳光波導是單模還是多模與其傳播的光的波長有關播的光的波長有關.三、三、 按光纖的工作波長分類按光纖的工作波長分類 短波長光纖（短波長光纖（0.80.9m ） 長波長光纖（長波長光纖（1.01.7m ） 超長波長光纖。（超長波長光纖。（25m ）在光纖工業發展早期，光纖的傳輸窗口主要有兩在光纖工業發展早期，光纖的傳輸窗口主要有兩個（個（0.85和和1.31微米），后來有了第三個傳輸窗微米），后來有了第三個傳輸窗口（口（1

12、.55微米）。在技術得到發展的今天，在波微米）。在技術得到發展的今天，在波長長1.26至至1.68微米范圍內，光纖可以傳輸的窗口微米范圍內，光纖可以傳輸的窗口有有6個（表個（表1）。利用波分復用（）。利用波分復用（WDM）技術，）技術，每個窗口（波段）可同時傳輸多個信道。每個窗口（波段）可同時傳輸多個信道。 .四、按光纖的材料組成分類四、按光纖的材料組成分類n全塑料光纖全塑料光纖n塑料包層石英芯光纖塑料包層石英芯光纖n石英光纖石英光纖n多組分玻璃光纖多組分玻璃光纖n液芯光纖液芯光纖n氟化物氟化物/硫化物硫化物/重金屬氧化物玻璃光纖重金屬氧化物玻璃光纖 n光子晶體光纖光子晶體光纖.第三部分第三部

13、分 光纖的特性參數光纖的特性參數 n光纖的損耗光纖的損耗n光纖的色散與帶寬光纖的色散與帶寬n單模光纖模場半徑單模光纖模場半徑n單模光纖截止波長單模光纖截止波長.3.1 光纖的損耗光纖的損耗入射端入射端與元件的與元件的耦合損耗耦合損耗吸吸收收損損耗耗光纖光纖吸收吸收不均勻性不均勻性散散射射損損耗耗彎曲彎曲彎曲引起的彎曲引起的輻射損耗輻射損耗連接連接連連接接損損耗耗與元件的與元件的耦合損耗耦合損耗輸出端輸出端 光波在光纖中傳輸時，隨著傳輸距離的增加光波在光纖中傳輸時，隨著傳輸距離的增加而光功率逐漸下降，這就是光纖的傳輸損耗。而光功率逐漸下降，這就是光纖的傳輸損耗。圖圖1 光纖傳輸損耗的原因和種類光

14、纖傳輸損耗的原因和種類.分貝單位分貝單位 利用下面的一般定義，可將利用下面的一般定義，可將 任意比率任意比率R轉化為分轉化為分貝單位：貝單位： R=Pout/Pin (功率比）功率比） R（in dB）=10lgR（功率增益）（功率增益） R=1,R=0; R1, R; R1, R02）耦合器。耦合器。 按光纖型號可分為：多模耦合器和單模耦合器。按光纖型號可分為：多模耦合器和單模耦合器。 按工作帶寬可分為：單工作窗口的窄帶耦合器、按工作帶寬可分為：單工作窗口的窄帶耦合器、單工作窗口的寬帶耦合器和雙工作窗口的寬帶耦單工作窗口的寬帶耦合器和雙工作窗口的寬帶耦合器。合器。 按功能可分為：光功率分配耦

15、合器和光波長分配按功能可分為：光功率分配耦合器和光波長分配耦合器。耦合器。.三、光纖耦合器的結構三、光纖耦合器的結構棱鏡式定向耦合器：棱鏡式定向耦合器：采用分立光學元件采用分立光學元件（如棒透鏡、反射鏡、棱鏡等）（如棒透鏡、反射鏡、棱鏡等）組合拼接。組合拼接。損耗大，與光纖耦合困難，環境穩定性較差。損耗大，與光纖耦合困難，環境穩定性較差。全光纖耦合器：全光纖耦合器：即直接在兩根（或兩根以上）光纖之間形成某種形式的耦合。即直接在兩根（或兩根以上）光纖之間形成某種形式的耦合。.圖 6.11 集成光波導耦合器集成光波導耦合器(a) Y形耦合器基本結構； (b) 樹形集成光波導耦合器基本構成 嵌入的波

16、導玻璃襯底12121212121212(b)(a) 集成化是未來光纖通信發展的必然趨勢。集成化是未來光纖通信發展的必然趨勢。 利用利用平面光波導平面光波導制作的光耦合器具有體積小，分光比控制精確，制作的光耦合器具有體積小，分光比控制精確， 易于大批量生產等特點。易于大批量生產等特點。.圖圖 6.10 幾種典型光纖耦合器的結構示意圖幾種典型光纖耦合器的結構示意圖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；(a) (c) 多端口星形耦合器；多端口星形耦合器； (d) 波分復用器波分復用器 分路器(3端口)合路器(3端口)(a)(b)M或 NN12121221合

17、波器分波器(c)(d).四、光纖耦合器的性能參數四、光纖耦合器的性能參數 耦合比耦合比 插入損耗插入損耗 附加損耗附加損耗 分光比分光比 隔離比隔離比.1、耦合比、耦合比 表示由輸入信道（表示由輸入信道（i）耦合到指定輸出信）耦合到指定輸出信道道(j)的功率大小。的功率大小。 定義為輸出信道功率與輸入信道功率之定義為輸出信道功率與輸入信道功率之比：比：ijijPPT .2、插入損耗、插入損耗 表示由輸入信道表示由輸入信道i到指定信道到指定信道j的損耗。的損耗。 定義為指定輸出端口的光功率相對全部輸入光定義為指定輸出端口的光功率相對全部輸入光功率的減少值。該值通常以分貝功率的減少值。該值通常以分

18、貝(dB)表示，數表示，數學表達式為學表達式為 其中：其中：是第是第i個輸出端口的插入損耗個輸出端口的插入損耗；Pi是第是第i個輸出端口測到的光功率值；個輸出端口測到的光功率值；Pi是輸入端的光是輸入端的光功率值。功率值。)( )lg(10lg10dBTPPijij.3、 附加損耗附加損耗 附加損耗表示由耦合帶來的總損耗。附加損耗表示由耦合帶來的總損耗。 定義為所有輸出端口的光功率總和與全部輸入定義為所有輸出端口的光功率總和與全部輸入光功率的比值。該值以分貝表示的數學表達式光功率的比值。該值以分貝表示的數學表達式為為 式中：式中：Pj為第為第j個輸出口的輸出功率；個輸出口的輸出功率；Pi為輸入

19、為輸入總光功率。總光功率。)( lg10dBPPijj.4、分光比、分光比 分光比是光耦合器所特有的技術術語，它定義分光比是光耦合器所特有的技術術語，它定義為耦合器各輸出端口的輸出功率相對輸出總功為耦合器各輸出端口的輸出功率相對輸出總功率的百分比，在具體應用中常用數學表達式表率的百分比，在具體應用中常用數學表達式表示為示為 例如對于標準例如對于標準X形耦合器，形耦合器，1 1或或50 50代表了代表了同樣的分光比，即輸出為均分的器件。同樣的分光比，即輸出為均分的器件。%100.jjjPPRC.5、隔離比（、隔離比（isolation） 隔離度是指某一光路對其他光路中的信號的隔隔離度是指某一光路

20、對其他光路中的信號的隔離能力。隔離度高，也就意味著線路之間的離能力。隔離度高，也就意味著線路之間的“串話串話”小。其數學表達式為小。其數學表達式為 式中：式中：Pt是某一光路輸出端測到的其他光路信是某一光路輸出端測到的其他光路信號的功率值；號的功率值；Pi是被檢測光信號的輸入功率值。是被檢測光信號的輸入功率值。)( lg10dBPPIit.第五部分 光纖通信器件 一、光纖發射機 1、 分類按光波長： 1310nm 光發和1550nm 光發 按調制方式：模擬調制和數字調制。 按調制方式與光源的關系：直接調制光發和外調制光發. 模擬調制又有兩類，一類是用模擬基帶信號直接對光源進行強度調制（DIM）

21、；另一采用連續或脈沖的射頻（RF）波作為副載波，模擬基帶信號先對它的幅度、頻率或相位等進行調制，再用該受調制的副載波去強度調制光源。模擬調制的優點是設備簡單，占有帶寬較窄，但它的抗干擾性能差，中繼時噪聲累積。. 數字調制是光纖通信的主要調制方式，將模擬信號抽樣量化后，以二進制數字信號“1”或“0”對光載波進行通斷調制，并進行脈沖編碼（PCM）。數字調制的優點是抗干擾能力強，中繼時噪聲及色散的影響不積累，因此可實現長距離傳輸，它的缺點是需要較寬的頻帶，設備也復雜。. 2、基本原理 從前端輸入的 RF 電視信號經過放大等電路處理，從末級分出一部分信號，經過峰值檢波、直流放大去控制由 PIN 二極管

22、組成的電調衰減器和自動增益控制 (AGC) ， 經過這樣一系列的處理以后，將射頻信號加入激光器激勵口，來控制半導體激光器的偏流，進而控制激光器的輸出光強度，一般采用 DFB 激光器作為光源。. 3、 * 光發射機的應用 直接調制型：線性好,失真小,輸出功率18mw以內.價格低廉適用于近距離傳輸（35公里以內）。 外調制型：非線性失真大，電路復雜成本高。輸出功率大2X20mw，色散小，適合長距離傳輸。.二 光分路器 光分路器介紹：它屬于無源器件，可以對光信號進行耦合、分配、分支。是具有多個輸入端和輸出端的光纖匯接器件。在有線電視系統中多用一個輸入，多個輸出。（注：老式的分波長，新式的為通用型）.

23、 三、光接收機原理和應用 1、分類：光接收機分為模擬光接收機和 數字光接收機兩種 2、作用：在有線電視HFC網絡中，光接收機通常位于光纖接點處，它的主要功能是把光信號轉變為RF信號 . 3、原理：. 光電檢測器是從輸入的光信號中取出有用的電信號(有線電視信號) , 能完成O /E轉換的光接收器件稱光電檢測器或光電二極管( PD)。光電檢測器輸出的射頻有線電信號送入電信號放大級放大, 之后送至均衡器, 完成對帶寬內( 550MH z、750 MH z、860 MH z的帶寬內)的平坦度調整, 之后送入衰減器, 衰減器完成對帶寬內各頻道幅度的調整, 保證輸出級有合適的輸出電平(即保證光接收機有合適的輸出電平)。輸出放大器輸出信號送入分支器(或分配器) , 之后送到接收機的各輸出口, 從輸出放