光通信技术基础-光纤光缆-的讲解PPT课件.pptx
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- 光通信 技术 基础 光纤 光缆 讲解 PPT 课件
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1、本章的重点:本章的重点:光纤具有何种结构光纤具有何种结构光在光纤中如何传播光在光纤中如何传播光纤的常用术语光纤的常用术语 光在光纤中传输信号衰减的主要机制。光在光纤中传输信号衰减的主要机制。dBm的计算,对通信用光纤的衰减有量级概念的计算,对通信用光纤的衰减有量级概念光纤衰减的测量方法光纤衰减的测量方法光在光纤中传输信号,色散是如何影响传输的。光在光纤中传输信号,色散是如何影响传输的。光纤的非线性效应有哪些,它们对通信的影响有一个概光纤的非线性效应有哪些,它们对通信的影响有一个概念性的了解念性的了解光纤的简单分类(单模分类):了解光纤的简单分类(单模分类):了解652光纤的零色散光纤的零色散点
2、以及点以及1550的色散值,的色散值,653光纤和光纤和655光纤的色散特点光纤的色散特点和名称,以及他们的应用环境。对和名称,以及他们的应用环境。对656和和657光纤有简光纤有简单的了解。单的了解。光纤是由什么材料制造光纤是由什么材料制造的的,光纤光纤是如何制造的是如何制造的4折折100万次也不断万次也不断 欧姆龙的光波导膜欧姆龙的光波导膜 光纤具有何种结构光纤具有何种结构纤芯纤芯9um包层包层125um涂覆涂覆层层250um光纤具有何种结构光纤具有何种结构n纤芯 core:通信单模纤芯810m,多模光纤的纤芯为50m,62.5um,其他特种掺杂单模约为2-12um。折射率较高,用来束缚光
3、传播;n1=1.4631.467n 包层 cladding :直径125um,折射率较低,与纤芯形成全反射条件;n2=1.451.46n涂覆层coating:直径250um,涂覆层一般使用丙烯酸酯、有机硅或硅橡胶材料;n保护套 jacket:强度大,能承受较大冲击,保护光纤。900um:颜色使用色谱标识2/3mm 橘色 MM 黄色 SM光在光纤中如何传播光在光纤中如何传播(全内反射)全内反射)常用术语:常用术语:包层直径(包层直径(+/-2um)、)、包层不圆度(包层不圆度(2%)、)、纤芯纤芯/包层同心偏差(包层同心偏差(1um)、数值孔径、)、数值孔径、衰衰减、截止波长、模场直径减、截止波
4、长、模场直径(10%)、色散、色散、PMD、承受应力、折射率分布、承受应力、折射率分布曲线。曲线。包层直径(包层直径(+/-2um)、包层不圆度()、包层不圆度(2%)、)、纤芯纤芯/包层同心偏差(包层同心偏差(1um)衰减:衰减:本征、杂质、不均匀、本征、杂质、不均匀、弯曲弯曲(30mm100圈圈0.5dB1550)和非线性()和非线性(Raman、SBS、FWM、XPG、XGM、SPM)。)。14图 1.2 各种传输线路的损耗特性 10001001010.110 M标准同轴38 mm海底同轴光纤100 M1 G10 G100 G1 T10 T100 T 1000 T频率/HzM:(注)G:
5、T:1061091012传输损耗/(dBkm1)51 mm波导器1本征吸收本征吸收损耗损耗 这是由于石英固有的吸收引起的损耗。它有两个这是由于石英固有的吸收引起的损耗。它有两个频带,一个在近红外的频带,一个在近红外的812m区域里,这个波段的本征吸收是区域里,这个波段的本征吸收是由于振动。另一个物质固有吸收带在紫外波段,吸收很强时,它由于振动。另一个物质固有吸收带在紫外波段,吸收很强时,它的尾巴会拖到的尾巴会拖到0.71.1m波段里去。波段里去。2杂质:杂质:掺杂剂和杂质离子引起的吸收损耗掺杂剂和杂质离子引起的吸收损耗 光纤材料中含有跃光纤材料中含有跃迁金属如铁、铜、铬等,它们有各自的吸收峰和
6、吸收带并随它们迁金属如铁、铜、铬等,它们有各自的吸收峰和吸收带并随它们价态不同而不同。由跃迁金属离子吸收引起的光纤损耗取决于它价态不同而不同。由跃迁金属离子吸收引起的光纤损耗取决于它们的浓度。另外,们的浓度。另外,OH存在也产生吸收损耗,存在也产生吸收损耗,OH的基本吸收的基本吸收极峰在极峰在2.7m附近,吸收带在附近,吸收带在0.51.0m范围。对于纯石英光纤,范围。对于纯石英光纤,杂质引起的损耗影响可以不考虑。杂质引起的损耗影响可以不考虑。3不均匀:不均匀:光纤材料在加热过程中,由于热骚动,使原子得到光纤材料在加热过程中,由于热骚动,使原子得到的压缩性不均匀,使物质的密度不均匀,进而使折射
7、率不均匀。的压缩性不均匀,使物质的密度不均匀,进而使折射率不均匀。这种不均匀在冷却过程中被固定下来,它的尺寸比光波波长要小。这种不均匀在冷却过程中被固定下来,它的尺寸比光波波长要小。另外,光纤中含有的氧化物浓度不均匀以及掺杂不均匀也会引起另外,光纤中含有的氧化物浓度不均匀以及掺杂不均匀也会引起散射,产生损耗。原子缺陷吸收损耗散射,产生损耗。原子缺陷吸收损耗 光纤材料由于受热或强烈光纤材料由于受热或强烈的辐射,它会受激而产生原子的缺陷。波导散射损耗的辐射,它会受激而产生原子的缺陷。波导散射损耗 ,由于交,由于交界面随机的畸变或粗糙所产生的散射,实际上它是由表面畸变或界面随机的畸变或粗糙所产生的散
8、射,实际上它是由表面畸变或粗糙所引起的模式转换或模式耦合。粗糙所引起的模式转换或模式耦合。 宏弯:宏弯:在光缆的生产、接续和施工过程中,不可避免地出现弯曲。光纤有一定曲率半径的弯曲时就会产生辐射损耗。当曲率半径减小时,损耗以指数形式增加。高阶模比低阶模容易发生宏弯损耗,因此有时可用弯曲的办法滤掉高阶模消逝场q qq qcqRCladdingCore场分布17受激喇曼受激喇曼散射散射stimulated Raman scattering某物质能级某物质能级1与能级与能级2之间的能量之间的能量差差为为h v,当,当频率为频率为v的单色光入射到的单色光入射到此此介质介质中时中时,如处于如处于能级能级
9、 1的介质的介质分子吸收分子吸收一一个入射光子而跃迁到个入射光子而跃迁到某个虚某个虚能级上能级上,并并从此虚能级跃迁回到能级从此虚能级跃迁回到能级2上上,同时同时发射发射一个频率为一个频率为vsv- v的散射光子的散射光子,则则vs线线称为称为喇曼散射的斯托克斯线。若处于能级喇曼散射的斯托克斯线。若处于能级 2上的分子吸收一上的分子吸收一个入射光子,随后从虚能级跃迁回到能级个入射光子,随后从虚能级跃迁回到能级1上上,并发射一个频率为并发射一个频率为vav v的散射光子,则的散射光子,则va线称为喇曼散射的反斯托克斯线。当入线称为喇曼散射的反斯托克斯线。当入射光强较弱时射光强较弱时,散射过程基本
10、上是自发散射散射过程基本上是自发散射,即普通的喇曼散射。当入即普通的喇曼散射。当入射光是很强的激光时,受激散射成为主导的。散射光的这种变化过射光是很强的激光时,受激散射成为主导的。散射光的这种变化过程有明显的阈值。入射光强超过此阈值后程有明显的阈值。入射光强超过此阈值后,散射光的强度突然增大散射光的强度突然增大,并并有很高的方向性、单色性和相干性。这就是受激喇曼散射。受激喇有很高的方向性、单色性和相干性。这就是受激喇曼散射。受激喇曼散射可用于物质结构的研究,同时又是产生具有新波长的激光的曼散射可用于物质结构的研究,同时又是产生具有新波长的激光的一种方法一种方法。18受激受激布里渊布里渊散射散射
11、Brillouin scattering受激布里渊散射主要是由于入射光功率很高,由光波产生的电磁伸缩效应在物质内激起超声波,入射光受超声波散射而产生的。散射光具有发散角小、线宽窄等受激发射的特性。也可以把这种受激散射过程看作光子场与声子场之间的相干散射过程。受激布里渊散射有可能在一个信道中引起严重畸变。它会朝向源的方向上产生增益。注入条件与稳态分布注入条件与稳态分布 光纤参数测试除与光纤结构有关,还受到以下因素的影光纤参数测试除与光纤结构有关,还受到以下因素的影响:响: 光源的稳定性、耦合方式、测试条件、光源的稳定性、耦合方式、测试条件、 样品处理、信息检测等等样品处理、信息检测等等1. 光功
12、率注入光纤的注入方式光功率注入光纤的注入方式 a)稳态注入(限制注入)稳态注入(限制注入) 仅激励损耗较低的低阶模,注入光本身接近于光纤仅激励损耗较低的低阶模,注入光本身接近于光纤的稳态分布的稳态分布 b)满注入)满注入(全激励全激励) 激励所有的导模激励所有的导模2.模式稳态分布模式稳态分布 光纤中全部模功率分布是稳定的,不随距离而变,光纤光纤中全部模功率分布是稳定的,不随距离而变,光纤输出端和输入端远场辐射角以及近场光斑尺寸均相一致,衰输出端和输入端远场辐射角以及近场光斑尺寸均相一致,衰减符合长度相加性。减符合长度相加性。2. 稳态模的实现稳态模的实现 a) 扰模器(几何扰动来实现)扰模器
13、(几何扰动来实现) b)滤模器)滤模器 选择性抑制某些模式选择性抑制某些模式 ,滤模器可以是绕棒式的,即把光,滤模器可以是绕棒式的,即把光纤用较小的张力绕在一根纤用较小的张力绕在一根20mm长的棒上。或将光纤嵌入长的棒上。或将光纤嵌入s型槽型槽内其中充满折射率匹配液可消除包层模。内其中充满折射率匹配液可消除包层模。 c)包层模剥除器)包层模剥除器 去掉一小段涂敷层,浸入等于或稍大于包层折射率的匹配去掉一小段涂敷层,浸入等于或稍大于包层折射率的匹配液中,使包层模被剥除。液中,使包层模被剥除。 匹配液可以采用丙三醇匹配液可以采用丙三醇(甘油甘油)、四氯、四氯化碳和液态石腊等化碳和液态石腊等。 适当
14、的光耦合系统与扰模器,滤模器及包层剥除器一起构适当的光耦合系统与扰模器,滤模器及包层剥除器一起构成成“注入系统注入系统” 剪断法光纤损耗测量系统框图剪断法光纤损耗测量系统框图 衰减衰减测量(剪断法)测量(剪断法) 测量光纤的传输总损耗测量光纤的传输总损耗 衰减系数衰减系数 ( ) 10lg(Pout/Pin)/L切断法切断法 先测量出整个光纤的输出光功率先测量出整个光纤的输出光功率P2( ),), 保持不变保持不变,切断光纤测量,切断光纤测量2m处输出的光功率处输出的光功率P1()测量测量特点:特点: 基准测试法,属于破坏性测量,测量精度高,误差可基准测试法,属于破坏性测量,测量精度高,误差可
15、低于低于0.1dB偏置电路偏置电路注入系统注入系统探测器探测器光源光源被测光纤被测光纤耦合接头耦合接头12插入损耗法插入损耗法探测器探测器光源光源分光束耦合器分光束耦合器透镜透镜待测光纤待测光纤大功率窄脉冲光信号注入,然后在同一端检测沿光纤背大功率窄脉冲光信号注入,然后在同一端检测沿光纤背向返回的散射光功率(主要为瑞利散射),测量散射光向返回的散射光功率(主要为瑞利散射),测量散射光功率就可获得传输时光的损耗信息功率就可获得传输时光的损耗信息背向散射法背向散射法00( ) ( )exp( )( )exp( )( )zssziisPR z P zx dxR z PxxdxR(z):反射系数:反射
16、系数P(z):光到达待测点:光到达待测点z处的功率处的功率 s(x):背向散射光的单位长度衰减系数:背向散射光的单位长度衰减系数 i(x):光信号沿正向传播时单位长度损耗系数:光信号沿正向传播时单位长度损耗系数Pi:输入功率:输入功率散射光到达输入端时的输出功率为:散射光到达输入端时的输出功率为:a段:由于耦合设备和光纤前端面引起的菲涅尔反射脉冲段:由于耦合设备和光纤前端面引起的菲涅尔反射脉冲b段:光脉冲沿具有均匀特性的光纤段传播时的背向散射曲线段:光脉冲沿具有均匀特性的光纤段传播时的背向散射曲线c段:光纤的高损耗区,焊点等段:光纤的高损耗区,焊点等d段:光纤活动连接、裂痕(或气泡)段:光纤活
17、动连接、裂痕(或气泡)e段:光纤终端引起的反射损耗段:光纤终端引起的反射损耗由于由于Ps(L)采用了对数坐标,故其曲线的斜率就是损耗值)采用了对数坐标,故其曲线的斜率就是损耗值典型测量曲线典型测量曲线特点:特点: 不仅可测衰减系数,还能确定断点、接头位置,测量光纤长度不仅可测衰减系数,还能确定断点、接头位置,测量光纤长度缺点:缺点: 1.无法控制背向散射光的模式分布无法控制背向散射光的模式分布 2.对光纤的非均匀性很敏感对光纤的非均匀性很敏感注意:测量光缆链路损耗时,需两个方向各测量至少一次求平均注意:测量光缆链路损耗时,需两个方向各测量至少一次求平均l 分贝的计算:分贝的计算: (1)对于振
18、幅类物理量,)对于振幅类物理量,如光振幅、电压如光振幅、电压、电流强度等电流强度等 dB20lg(A/A0) (2) 对于功率类物理量对于功率类物理量 dB10lg(P/P0) 10lg(A2/A20) 20lg(A/A0)l dBm的的计算:计算:m=10 lg(/1mW) dBm其中其中:代表需要计量的绝对功率值,单位为毫瓦。代表需要计量的绝对功率值,单位为毫瓦。dBm表示表示以一毫瓦为基准的功率电平的分贝值以一毫瓦为基准的功率电平的分贝值。0dBm的功率代表的功率代表1mw的绝对功率的绝对功率。 绝对功率 dBm 绝对功率 dBm 绝对功率 dBm 1pW -90 1mW 0 1W 30
19、 10pW -80 2mW 3 2W 33 100pW -70 4mW 6 4W 36 0.001W -60 5mW 7 5W 37 0.01W -50 8mW 9 8W 39 0.1W -40 10mW 10 10W 40 1.0W -30 20mW 13 100W 50 2W -27 40mW 16 1000W 60 4W -24 50mW 17 10kW 70 5W -23 80mW 19 100kW 80 8W -21 100mW 20 1000kW 90 10W -20 200mW 23 20W -17 400mW 26 40W -14 500mW 27 50W -13 800mW
20、29 80W -11 100W -10 1000W 0 插入损耗插入损耗(IL)插入损耗常常简称为插损,指一个输出端口的输出功插入损耗常常简称为插损,指一个输出端口的输出功率和一个输入端口输入功率的比值,插入损耗常常率和一个输入端口输入功率的比值,插入损耗常常包括两部分,一部分是器件非理想造成的附件损耗包括两部分,一部分是器件非理想造成的附件损耗(通常是不期望存在的),另外一部分是器件本身(通常是不期望存在的),另外一部分是器件本身特性造成的(例如分路器特性造成的(例如分路器【splitter,也叫耦合器,也叫耦合器coupler】的分光比,例如某个端口本身应该输出的分光比,例如某个端口本身应
21、该输出20的输入光,对这个端口来说,本来就应该有的输入光,对这个端口来说,本来就应该有80的的“损耗损耗”)。对于数个网络构成的电路,按对于数个网络构成的电路,按线性量计算,总的电压线性量计算,总的电压放大倍数为各级放大倍数的乘积,即:放大倍数为各级放大倍数的乘积,即:2520320.0635.81001810523520倍倍按对数量计算,总的增益为各级增益的代数和,即:按对数量计算,总的增益为各级增益的代数和,即:28+26+30-24+15+40+25=140 dB47% , 3.3dB46% , 3.4dB48% , 3.2dB49% , 3.1dB50% , 3dB50% , 3dB4
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