光纤概论
光通信概论
第一节光通信发展史在近代各种通信手段中，光纤通信是最有发展前途的通信方式之一。
光纤通信这门课程，所涉及的基础知识面十分广泛，不仅涉及到物理学中近代光学和电磁学的一些基本理论，而且还涉及到通信原理中诸如调制-解调方式、数字脉冲信号传输等方面的技术基础理论，以及电子电路基础理论等。
光纤（或称为光导纤维）是一种由高纯度的二氧化硅材料制作的介质传输线，以光载波载送信息，以光纤作为传输媒介传送光载信息的传输方式，称为光纤通信。
光纤通信是七十年代初期发展起来的一门新技术，目前已被广泛地应用到人类社会的各个领域，并且与微波通信、卫星通信构成了全球通信的三大体系之一。
然而，人们探求最有效的用光传送信息，却经历了漫长的岁月。
古代用烽火台的火光传送敌情，实质上就是一种大气空间的光通信。
类似这类极为原始的光通信方式一直沿用至今，例如用红绿灯向驾驶员传送交通指挥信息，目前仍被广泛采用，但它所能传送的信息量非常有限。
实际上人们从未停止过对光通信技术作更高级更完美的追求。
值得重视的是1880年A.G.Bell所发明的光学电话。
他采用普通光源发出的自然光作载波，在200m的大气空间的通信距离上完成了语言信息的传送实验。
因此，光学电话一度引起人们的极大关注，该项研究工作一直进行到20世纪，但进展不大，一直停留在短距离通信，低通信容量的水平上，无法像微波通信那样作为一种有效的通信手段加以利用。
主要原因由两点：其一，没有找到理想的强相干光源，采用普通光源发出的光波，频率成分复杂，振动方向杂乱，不具备通常使用的无线电波的性质，因而无法将它作为光载波进行调制；其二，没有找到合适的传送光的介质，光在大气空间传输，远不及无线电波稳定，严重受气象条件的影响，通信距离和通信可靠性都受到限制。
除外层空间人造卫星之间采用空间光通信外，地面上的大气空间的光通信没有发展前途。
1960年T.H.Maiman研制成功了第一只红宝石激光器，从此获得了理想的强相干光源。
光纤通信技术概述
光纤通信技术概述
光纤通信技术是利用光纤作为传输介质，通过光信号的传输和调制来实现高速、长距离、大容量的信息传输。
光纤通信技术主要包括三个主要部分：光源、光纤和光接收器。
光源是产生光信号的装置，常见的光源包括激光器和发光二极管（LED）。
激光器具有高亮度、窄谱宽、方向性好等特点，适用于长距离通信。
而LED则具有低成本、大发光角度等特点，适用于短距离通信。
光纤是光信号的传输介质，由光纤芯和包层组成。
光纤芯是光信号传输的核心部分，通常由高纯度的二氧化硅制成，具有较高的折射率。
包层是光纤芯的外层，由低折射率的材料制成，用于保护光纤芯并使光信号在光纤内部反射传输。
光接收器是将光信号转换为电信号的装置，主要由光电二极管和放大电路组成。
光电二极管能将光信号转换为电流信号，然后经过放大电路进行放大和处理，最终得到可用于数据处理的电信号。
光纤通信技术具有以下优点：传输速度快、带宽大、传输距离远、抗干扰能力强、安全性高等。
因此，在现代通信领域得到广泛应用，包括互联网、电视、电话等各个方面。
光纤通信技术
多模 多模 10～ 100Mb/s
10Km
第二代80 1300nm 年代初
第三代80 年代中～ 90年代初
1550nm
多模 多模 单模
单模 单模
100Mb/s 1.7Gb/s
20Km 50Km
2.5Gb/s～ 100Km 10Gb/s
光纤通信技术的发展大体上可分为:（续）
第四 代90 年代
第五 代
1.1 光纤通信发展的历史和现状 1.2 光纤通信的特点和应用 1.3 光纤通信系用的基本组成 1.4 光纤通信的发展趋势
通信从广义的角度来说，就是彼此之间传递信息。 现代的通信一般是指电信（telecommunication）。
IEEE（电气和电子工程师协会）对电信的定义是 借助诸如电话系统、无线电系统或电视系统这样的设备， 在相隔一定距离的条件下进行的信息交换。
1.1 光纤通信发展的历史和现状
电通信（electrical communication）
(GaAsAI 850nm)
(20dB/km)
1300、1550nm 多模LD 单模LD
1300(0.5dB/km),1550nm(0.2dB/km) 低损耗窗口光纤开发
单模光纤
1.1 光纤通信发展的历史和现状
由于光纤和半导体激光器的技术 进步，使 1970 年成为光纤通信发展 的一个重要里程碑。
•光纤通信系统的发展历程
通信系统容量：比特率-距离积BL，B 比特率，
L 中继距离
每秒钟传输的比特数目。
光纤通信追求目标: 大容量、长距离 技术发展：短波长-长波长、多模光纤-单
模光纤、多模激光器-单模激光器
光纤通信技术的发展大体上可分为：
工作波长 光纤 激光器 比特率B 中继距离L
光纤通信系统
第一章概论光纤通信系统是以光纤为传输媒介，光波为载体的通信系统，主要由光发电机、光纤光缆、中继器和光接收机组成。
光线通信系统可以传输数字信号，也可以传输模拟信号。
不管是数字系统，还是模拟系统，输入到光发射机的带有信息的电信号，都可以调制转换为光信号。
光载波经过光纤线路传输到接收端。
再由光接收机把光信号转换为电信号。
光纤的主要作用：利用光的全反射原理传递光学信号，其优点是信号损耗小，抗干扰能力强。
与电缆或微波等电通信方式相比，光通信优点：（1）通信容量大（2）中继距离长（3）保密性能好（4）适应能力强（5）体积小、重量轻，便于施工维护（6）原材料资源丰富，节约有色金属和能源，潜在价格低廉。
光纤通信中常用的三个低功耗窗口的中心波长为：0.85微米 1.31微米 1.55微米其中后两个的应用更为广泛。
基本光纤传输系统作为独立的“光信道”单元，若配置适当的接口设备，则可以插入现有的数字通信系统或模拟通信系统，有线通信系统或无线通信系统的发射与接收之间。
光发射机、光纤线路和光接收机，若配置适当的光器件，可以组成传输能力更强、功能更完善的光纤通信系统。
光发射机的功能是把输入的电信号转换为光信号，并用耦合技术把光信号最大限度地注入光纤线路。
光发射机由光源、驱动器和调制器组成。
其中，光源是光发射机的核心。
光发射机的性能基本上取决于光源的特性，对光源的要求是输出光功率足够大，调制频率足够高，谱线宽度和光束发散角尽可能小，输出功率和波长稳定，器件寿命长。
光纤线路的功能是把来自光发射机的光信号，以尽可能小的畸变（失真）和衰减传输到光接收机。
光纤线路由光纤、光纤接头和光纤连接器组成。
光纤是光纤线路的主体，接头和连接器是不可缺少的器件。
实际工程中使用的是容纳多根光纤的光缆。
光接收机的功能是把从光纤线路输出、产生畸变和衰减的微弱光信号转换为电信号，并经放大和处理后恢复成发射前的电信号。
光接收机由光检测器、放大器和相关电路组成，光检测器是光接收机的核心，对光检测器的要求是响应度高、噪声低和响应速度快。
光纤光缆知识培训
光纤光缆知识培训一、光纤光缆的基本概念光纤光缆是一种用于传输光信号的通信线路，它由一根或多根纤维组成，每根纤维都是以光波导的形式将光信号进行传输。
光纤光缆能够实现宽带、高速、远距离传输，并且具有抗干扰能力强、信息安全性高的优点。
光纤光缆的基本构造包括光纤芯、包层和护套。
光纤芯是传输光信号的主体，其材料通常为二氧化硅。
包层用于包裹光纤芯以提高光纤的抗折和抗拉性能，通常采用二氧化硅或者氟化聚合物。
护套则是用于保护整根光缆的材料，一般为聚乙烯或者聚氯乙烯等塑料材料。
二、光纤光缆的传输特性1. 带宽大：相比于传统的铜质电缆，光纤光缆的带宽更大，能够支持更高速的数据传输。
2. 传输距离远：光纤光缆能够实现较长距离的信号传输，通常能够实现几十公里到上百公里的传输距离。
3. 信号衰减小：光纤光缆的信号衰减非常小，可以在长距离内保持信号的稳定传输。
4. 抗干扰性强：由于光信号是以光波导的形式进行传输，光纤光缆具有良好的抗干扰性，能够在电磁干扰较严重的环境下实现稳定的传输。
5. 信息安全性高：光纤光缆传输的是光信号，而非电信号，因此很难被窃听，具有较高的信息安全性。
三、光纤光缆的应用领域1. 通信网络：光纤光缆是构建光纤通信网络的关键基础设施，其宽带、高速、远距离传输的特性使得其被广泛应用于长途、城域通信网的建设。
2. 数据中心：在数据中心网络中，光纤光缆能够提供高速、大容量的数据传输，以满足大数据处理和云计算等应用的需求。
3. 工业自动化：光纤光缆的抗干扰性强，使得其在工业自动化领域得到广泛应用，用于传输各类传感器信息、控制信号等。
4. 医疗领域：光纤光缆被广泛应用于医疗设备中，用于传输医学图像、激光手术器械等。
5. 军事领域：由于其信息安全性高的特性，光纤光缆在军事通信和指挥控制系统中得到广泛应用。
四、光纤光缆的安装和维护1. 安装前的准备：在进行光纤光缆的安装前，需要对线路进行详细的规划设计，包括线路路径选择、光缆类型选择等。
光纤通信概论 考题,复习题及答案
光纤通信概论参考题库1、光电二极管的主要功能是什么：将信号光功率转化成信号电流2、P-I-N代表什么意思？P型半导体和N型半导体之间夹有一层厚的本征型半导体。
3、与P-N光电二极管相比P-I-N的优点是什么？大大提高了光电转换效率，同时还提高了PIN管的响应速度。
4、与P-I-N光电二极管相比APD的优点是什么？内置放大，不引入外部电路相关噪声，偏压电路简单、价格低，超高速和较高灵敏度的接收器。
5、APD的缺点是什么？极大的温度倚赖性，存在倍增随机噪声，偏压电路复杂、价格高。
6、光电二极管的响应度是0.85A/W，饱和输入光功率是1.5mW，当入射光功率是1mW和2mW时，光电流分别是多少？解：当输入光功率是1mW时，由I=RP，可得，I=RP=[ 0.85A/W] ×[1mW]= 0.85mA当输入光功率是2mW时，公式I=RP不适用，因此我们无法得到光电流的值。
7、光波长解复用器的作用是什么?把在同一根光纤中传输的不同波长信道分别送到不同的光纤中传输。
（即：分解同一根光纤中传输的不同波长信道）8、解释电吸收调制器的工作原理：电吸收调制器的工作原理为，由激光器发射的连续光穿过半导体波导管。
当不加电压时，光直接穿过，因为它的截止波长λC小于入射光的波长；当加上了调制电压后，波导材料的禁带Eg变窄了。
这称为弗朗兹-科尔迪希效应，它是理解EA调制器工作原理的关键。
由于禁带Eg变窄，因而截止波长增大（λC=1024/ Eg ），波导材料开始吸收入射光。
因此，通过对半导体波导管施加调制电压，可以改变其吸收特性。
9.写出几种无源器件，它们的用途？1.光纤连接器：连接光纤2.光衰减器：减少传输光功率3.光纤定向耦合器：实现光的分路、合路4.波分复用器：5.光隔离器：阻挡背向光，保护激光器、光纤放大器6.光环行器7.光滤波器：对光波进行筛选，允许特定波长范围光通过8.光开关：用光控制电路的通路或断路9.光调制器10.把你所知道的光纤通信元件分为两组：有源的和无源的。
光纤通信概论第二章2
满足f(ax+by)=af(x)+bf(y)称为线性系统： 是各分量互不相干的独立贡献 一分耕耘，一分收获！ 否则称为非线性系统！ 非线性是相互作用，而正是这种相互作用，使得 整体不再是简单地等于部分之和，而可能出现不 同于"线性叠加"的增益或亏损。 在光学中，线性与非线性分别表示非功率依赖和功 率依赖。 如果一个光纤系统的参数依赖于光强，就称为非 线性的
材料色散与波导色散
色散(ps/nm.km)
20
材料色散 G652光纤色散 零色散点
单模光纤的色散 D=DM+DW
G653光纤色散 0 波导色散 12701310 1550 在光纤通信波长范围内，波导色散系数为负，在一定的波长范 围内，材料色散和波导色散符号相反 材料色散一般大于波导色散，但在零色散波长附近二者大小可 以相比拟，普通单模光纤在1.31μm处这两个值基本相互抵消
模式色散
High-order Mode (Longer path) Axial Mode (shortest path) core
模式色散：
cladding
Low-order Mode (shorter path)
以不同入射角进入光纤的光线将经历不同的途径，虽然在输 入端同时入射并以相同的速度传播，但到达光纤输出端的时 间却不同，出现了时间上的分散，导致脉冲严重展宽
2
FWMratio
PFWM P
P
f 2 A eff
D
色散的分类
模式色散：不同模式不同传输速度，多模光纤特有 色度色散(Chromatic Dispersion)： 通常简称的 色散概念！ 材料色散：不同波长（频率）信号的折射率不同， 传输速度不同 波导色散：光纤的波导结构(不同区域折射率不同) 引起的色散效应 偏振模色散：不同偏振态不同传输速度
光纤通信技术
以上几种通信都是利用大气作为光通道，光波 传播易受气候的影响，在大雾天气，它的可见 度距离很短，遇到下雨、下雪天也有影响。也 就是这种通信不是全天候的。
• 在光器件方面，1960年使用的是固体红宝石激 光器，1961开发出氦-氖气体激光器，1970年 美国贝尔实验室研制成功可以在室温下工作的 半导体激光器。
即：第三代光纤通信
光纤通信技术发展趋势
• 继续增大通信容量和传输距离 • 光同步数字体系得到了迅速应用和发展 • 宽带业务本地用户光纤网和ATM引起世界重视 • 光电集成技术迅速发展 • 全光通信技术发展迅速
1.2 光纤通信的主要特性
1.2.1 光纤通信的优点
1. 光纤的容量大
光纤通信是以光纤为传输媒介，光波为载波的通信系统， 其载波—光波具有很高的频率(约1014Hz)，因此光纤具有 很大的通信容量。
2. 损耗低、中继距离长
目前，实用的光纤通信系统使用的光纤多为石英光 纤，此类光纤在1.55μm波长区的损耗可低到0.18dB/km， 比已知的其他通信线路的损耗都低得多，因此，由其组成 的光纤通信系统的中继距离也较其它介质构成的系统长得 多。
如果今后采用非石英光纤，并工作在超长波长(＞ 2μm)，光纤的理论损耗系数可以下降到10-3～10-5dB/km， 此时光纤通信的中继距离可达数千，甚至数万公里。
例如：在光纤线路中插入光纤放大器，便 可以组成光纤中继长途系统
又如：通过配置光波分复用和解复用可以 组成大容量波分复用系统
第2章 通信用光器件
通信 用光 器件
有源器件 无源器件
光源 光检测器 光放大器 波长转换
连接器 耦合器 波分复用器 调制器 光开关 隔离器
2.1 光纤的结构、类型及性质
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光纤概论
一、光纤的材料和主要成分
光纤是光导纤维的缩写，是一种由玻璃或塑料制成的纤维作为光传导的工具。
光纤的主要成分是SiO2，同时参杂极少量的铋或硼，为了改善光纤纤芯的折射率，实现光的全反射。
二、光纤的工作原理
光纤的传导是利用“光的全反射”。
在日常生活中光在光纤中的传导损耗比电在电线中传导的损耗低得多，因此光纤被使用长距离传递。
三、光纤的结构和分类
光纤分三层：光纤的纤芯由玻璃经拉丝而成，因此它脆弱极易发生断裂，它位于光纤的中心，它的折射率高于纤芯的包成。
中间是低折射率的包层，它的作用是有利于发生全反射，增加纤芯的机械强度。
最外边是涂覆层，它的主要成分是环氧树脂和硅橡胶等高分子材料他，它的作用是增强光纤的柔韧性和老化特性。
光纤按原材料分为：石英光纤，多成分玻璃光纤，塑料光纤，复合材料光纤。
按光纤特性分为：弯曲损耗不敏感性单模光纤如：G657A1(B6a)/G657A2,G657B(B6b),非色散位移单模光纤如：G652B(B1.1),波长段扩展的非色散位移的单模光纤如G652D(B1.3)。
还有多模光纤，单模光纤的特点：1.传输传输距离长（20—120KM），2.传输带宽，3.信号畸变小。
单模光纤（SMF）:在工作波长中，只能传输一过传播模式的光纤，主要用于：有线电视和光通信中，单模纤
芯直径为10um（微米即0.1mm）,多模光纤（MMF）的传播模式大于1个，有的可达几百个，多模光纤直径一般为50um和62.5um,包层125um。
四、光纤中的光信号是如何转化为电信号
极其细微的光纤封装在塑料，它能够弯曲而不至于断裂，通常光纤的一端发射装置使用发光二极管或一束激光脉冲传到光纤，将电信号传换为光信号，光纤的另一端接收装置使用光敏元件检测脉冲，将光信号转变为电信号。
五、光纤的结构
光纤的中心是折射率较高的玻璃芯（称为纤芯），纤芯的直径通常是0.1mm、加包层后0.24mm，光纤的直径是0.245-0.25mm。
纤芯及其脆弱，极易发生断裂，中间层为低折射率的包层，包层有利于光纤光道信号发生全反射增加机械强度。
最外层是涂覆层，它的主要成分是环氧树脂等高分子材料，其作用是增强光纤的柔韧性和提高光纤的耐光化特性。
六、光纤的分类
按原材料分，第一、石英光纤；第二、多成分玻璃光纤；第三、塑料光纤；第四、复合材料光纤。
按性能特性分：弯曲不敏感性单模光纤，如常用的B6a(G657A)和B6b(G657B)非色散位移单模光纤，如B1.1（G652B）波长段扩展的非色散位移单模光纤，如B1.3（G 652D）
皮线蝶形光缆：室内皮线蝶形光缆和室外皮线蝶形光缆，皮线蝶形光
缆的室内安装温度是0-50℃，室内皮线蝶形光纤分为GJXH、GJXFH，GJXV 、 GJXFV 、GJYXCH 等等
GJX：室内蝶形皮线光缆 H：低烟列卤阻燃护套料（聚烯烃） V：聚氯乙烯护套，但必须为90℃软护套 F：非金属加强件（分两种，一种是纺纶纤维用KFRP表示，另一种是玻璃纤维用GFRP表示），C:表示自承式，Y表示：野外即室外，J:表示局域网用。
G:表示光纤。
光纤的标准长度为500M、1000M、2000M三种。
光缆的允许最大拉力：室内100N(非金属)，200N（金属），室外自承式：660N。
光纤中运用波长是：850 nm 1310 nm 1550nm..
室内皮线蝶形光缆的结构：金属加强件（0.5mm磷化钢丝或镀锌钢丝）、或非金属加强件、光纤、护套（黑色和白色，黑色室外，白色室内）室外不能用PVC作护套。
皮线光纤又称蝶形光纤（外形像一只蝴蝶）的描述：将光通信单元置于产品的几何中心，两侧放置两根非金属加强件或金属加强件，在任意一侧再放置一根金属增强件，最后挤制白色或黑色的低烟无卤聚烯烃或PUC护套料。
室内皮线蝶形光纤通常采用1芯、2芯或4芯。
包装方式通常采用￠400mm木盘包装外加纸箱包装。
通常长度为2km或3km。
室外皮线蝶形光缆的型号为GJYXCH和GJYXFCH。
室外皮线蝶形光纤尺寸是2×5，室内皮钱蝶形光缆是2×3（单位均为mm）它们的公差控制为正负0.1mm。
室外皮线蝶形光缆结构除开室内皮线蝶形光缆结构相同处另外放置一根1mm的磷化钢丝作为金属增强件，增强构件可采用三种，一种是单根钢丝，另一种是多根金属线绞合而成，还有一种是纤维增强塑料圆杆（FRP）
金属加强件、非金属加强件、金属增强件的护套最小厚度不得小于0.4mm
金属增加件或加强件在制造长度内不充许有结头。
七、光纤衰减形成的主要因素：1.本征。
2.弯曲。
3.挤压。
4.杂质。
本征是光纤的固有损坏，不均匀性指光纤材料的折射率不均匀的损耗。
1.固有吸收2.瑞利色散。
弯曲：光纤弯曲时部分内的光因色散而损失掉。
挤压：光纤受到挤压时产生微小的弯曲而造成的损耗。
杂质：光纤内杂质吸收或色散光纤中传播的光。
八、全双工方式:是指数据的放射和接受分流，分别由两根不同的传输线传送时，通信双方都在同一时刻进行发送和接受操作。
金属加强件的室内皮线蝶形光缆重量为10.7㎏/km, 室外金属增强构件皮形蝶形光缆重量为20㎏/km。
室外非金属皮形蝶形光缆重量为了18.4㎏/km
皮线蝶形光缆的一个很重要指标是成缆后最大衰减，对于B6a波长为1310nm最大衰减小于0.4db/km波长为1550nm时小于0.3db/km。
对于B6a最大静态（工作的时候称为静态）弯曲半径不得小于15mm，最大动态
（安装的时候称为动态）安装的时候不得小于30mm
光缆的使用温度：A级－5℃—50℃
光缆的安装环境温度应在－5℃—40℃范围内
室内内皮线蝶形光缆的执行标准YD/T1997—2009
常用术语介绍：
FTTH 光纤到户FTTD 光纤到桌面FTTO 光纤到办公室 FTTB 光纤到楼宇
光纤的接续方式：
1、物理续接冷接技术，由两根光纤完全靠V型槽和匹配液实现连接，节点损耗大，最潜在的故障点，目前冷接技术采用进口匹配液寿命3年国产1.5年到2年，这种方法仅用于光纤通讯中应急处理。
2、热熔接技术，采用新型皮线光纤熔接机，热熔技术优点是，熔接损耗小，使用寿命长，维护成本低与光纤寿命大致一致。
3、单模光纤与多模光纤熔接机不能熔接，单模在采用熔接屏蔽模式的前提下不同型号的纤芯可以熔接。
皮线光纤生产中的控制要点
1、张力的控制；1.加强件的张力应大于纤芯的张力，以免纤芯被
拉断。
2.增强件的张力应大于加强件的张力。
3.纤芯的张力控制
应注意纤芯刚好受力拉直即可，避免过度拉伸或弯曲加热机头，会造成衰减超标。
2、挤出压力的控制：1.挤出压力的调节应以可分离性测试合格为
标准。
2.压力过小纤芯容易拔出。
3.压力过度大纤芯不好剥离，
后续施工困难，还可能衰减超标，表现在1550超标，而1310
合格。
3.根据我们的生产测试结果经验：压力小比压力大的衰
减值低。
4、1550衰减超标是放线张力偏大，同时1310衰减同
样偏大。
5、张力过小会造成衰减超标和有一处或几处弯曲，
ODR显示弯曲故障，1550、1310波长衰减严重超标。
3、冷却的控制：1.热水应控制在60—70度之间，冬天可适当加高
10度，温度过低会造成护套急剧冷却回缩，温度过高会造成冷
却不够，纤芯过度拉伸，衰减超标。
2.生产热水槽与机头距离
尽量缩短。
3、生产速度控制以确保产品完全冷却后在上机。
4、光纤必须预热，温度在120—140度。
5、纤芯应放置在干燥、
阴凉、通风避光保存。
4、长度偏差控制在小于等于0.5%，护套最小厚度大于等于
0.4mm，护套外观应光滑，色泽均匀、没有汽包、裂纹、污渍。
5、光缆每盘必须通过红光测试仪明显通断测试，如没有疑虑应交
质检室用光时域计测试。
6、衰减特性必须测试两个测试值通过：1310um小于等于0.4 dB
1550um小于等于0.3dB.
7、标识要求：用棉布用力循环擦拭不少于5次，目测任可辨认为
合格。
8、阻燃性要求：垂直点燃不延燃，会自然熄灭。