通信光缆与电缆线路工程第2章光缆要点课件.ppt
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1、光光 纤纤 结结 构构 及及 分分 类类光光 纤纤 概概 述述光缆线路维护的主要方法光缆线路维护的主要方法光光 缆缆 结结 构构 及及 分分 类类1.1 光纤通信发展概况光纤通信发展概况 光纤通信:以光波为载波,以光导纤维(简称光纤)为传输介质的一种通信方式。 光纤通信是由光通信逐步发展演变而来。1.1.1 光通信发展史 烽火台火光光电话半导体激光器玻璃制光导纤维石英光纤光纤概述光纤概述1.光纤发展的阶段光纤发展的阶段 第一代光纤通信系统 波长:0.85m短波长(多模光纤) 传输速率:50-100Mb/s 光纤损耗:2.5-3dB/km 中继距离:10km 第二代光纤通信系统 波长:1.31m
2、(长波长多模或单模光纤) 传输速率:140Mb/s 光纤损耗:0.55-1dB/km 中继距离:20-50km光纤概述光纤概述 1. 1. 光纤发展的阶段光纤发展的阶段 第三代光纤通信系统 波长:1.31m(长波长单模光纤) 传输速率:PDH的各次群 光纤损耗:0.3-0.5dB/km 中继距离:50-100km 第四代光纤通信系统(现在所用) 传输速率:可达2.5Gb/s 中继距离:80-120km 第五代光纤通信系统 DWDM技术(密集波分复用(DWDM)技术是一种可以利用现有光纤资源彻底解决带宽危机的有效方法。光纤概述光纤概述1.3 光纤通信系统的基本组成光纤通信系统的基本组成1.3.1
3、 光纤通信系统的基本组成光发射机光中继器电信号LD光接收机电信号PIN光纤光纤 光发射机 光发射机,即发端光端机,主要作用是将来自于电端机的电信号转变为光信号,并将光信号送入到光纤中传输。 光纤光缆 光纤是光纤通信的传输介质,主要作用是将光信号由发端传送到收端。 光接收机 光接收机,即收端光端机,其主要作用是将光纤传送过来的光信号转变为电信号,然后经进一步的处理在送到接收端的电端机去。光中继器 光信号在光纤中传输一定距离后,由于受到光纤损耗和色散的影响,光信号的能量会衰减,波形也会产生失真,从而导致通信质量恶化。为此,在光信号传输一定距离后就要设置光中继器,其作用是对衰减了的光信号进行放大,恢
4、复失真了的波形。1.3.2 光纤通信系统的分类 按传输信号分类 数字光纤通信系统 模拟光纤通信系统 按传输波长分类 短波长光纤通信系统 长波长光纤通信系统 按光纤传输模式数量分类 多模光纤通信系统 单模光纤通信系统优点:通信容量大一根光纤同时传输24万个话路,比传统的明线、同轴电缆、微波等要高出几十乃至上千倍。波分复用技术的采用,把一根光纤当作几根、几十根光纤使用,通信容量近乎无限。中继距离长光纤具有极低的衰耗系数。目前商用化石英光纤已达0.19dB/km以下,配以适当的光发送与光接收设备,中继距离达数百公里以上,特别适用于长途一、二级干线通信。保密性能好,抗干扰能力强由于光的频率极高,远高于
5、一般的电磁波的频率,而且光波在光纤中传输时只在其芯区进行,不存在传统的电磁波辐射,因此其保密性能极好,同时也不怕外界强电磁场的干扰,抗干扰能力强。便于施工和维护体积小、重量轻。光缆的敷设方式方便灵活。既可以直埋、架空,双可能通过管道和水底敷设。光纤通信优点光纤通信优点缺点缺点光纤通信的缺点:抗拉强度低、光纤连接困难、光纤怕水光纤通信的缺点:抗拉强度低、光纤连接困难、光纤怕水光光 纤纤 结结 构构 及及 分分 类类光光 纤纤 概概 述述光缆线路维护的主要方法光缆线路维护的主要方法光光 缆缆 结结 构构 及及 分分 类类2.1光纤的结构和分类光纤的结构和分类 2.1.1光纤的结构 光纤呈圆柱形,由
6、纤芯、包层与涂层三大部分组成光纤呈圆柱形,由纤芯、包层与涂层三大部分组成n1n2n1n2包层纤芯涂覆层套塑光纤结构示意图光纤的构造光纤的构造纤芯主要采用高纯度的SiO2二氧化硅,并掺有少量的掺杂剂,提高纤芯的光折射率n1;包层也是高纯度的二氧化硅,也掺杂一些掺杂剂,主要是降低包层的光折射率n2;涂层采用丙烯酸酯、硅橡胶、尼龙,增加机械强度和可弯曲性。光缆是多根光纤放在放在一个松套管内,内冲石油膏和钢丝形成的。海底光缆内还有电源线,主要为中继站的放大器等提供电源。 2.1.1光纤的结构 纤芯直径的直径 单模光纤:8-10m 多模光纤:50m 包层直径: 125m光纤一次涂覆层缓冲层二次涂覆层光纤
7、油膏一次涂覆层松套管(a)紧套光纤(b)松套光纤2.1.2光纤的分类(1)按光纤折射率分布来分 阶跃型光纤 渐变型光纤 2.1.2光纤的分类(2)按光纤中传输模式数量来分 多模光纤 多模光纤就是可以传输多个模式的光纤。多模光纤的折射率分布可采用阶跃型和渐变型,前者称为阶跃型多模光纤,后者称为渐变型多模光纤。 单模光纤 单模光纤就是只能传输一种模式的光纤。单模光纤只能传输基模,不存在模式色散,具有比多模光纤大得多的带宽,故单模光纤使用大容量、长距离传输。2.1.2光纤的分类(3)按光纤的工作波长来分 短波长光纤 短波长光纤的工作波长在0.8m-0.9m范围内,具体工作窗口0.85m,主要用于短距
8、离、小容量的光纤通信系统中。 长波长光纤(目前常用的) 长波长光纤的工作波长在1.1-1.8m范围内,有1.31和1.55m两个工作窗口,主要用于长距离、大容量的光通信系统中。光纤的工作波长(工作窗口)光纤的工作波长(工作窗口)光线路信号在光纤上传送的波长:光线路信号在光纤上传送的波长:850nm、1310nm、1550nm。 850nm窗口只用于多模传输窗口只用于多模传输 1310nm和和1550nm窗口窗口 用于单模传输。用于单模传输。2.1.2光纤的分类(4)按制造光纤的材料来分 石英光纤 全塑光纤(5)按ITU-T(国际电信联盟)建议来分 为了使光纤具有统一的国际标准,ITU-T制定了
9、统一的光纤标准。 G.652光纤(常规单模光纤) G.653光纤(色散位移单模光纤) G.654光纤(1.55m性能最佳单模光纤) G.655光纤(非零色散位移单模光纤)G.652光纤:在光纤:在1310nm波长窗口色散性能最佳,是目前应用最广泛波长窗口色散性能最佳,是目前应用最广泛的光纤。的光纤。在在1310nm处,色散小,衰耗大;处,色散小,衰耗大;在在1550nm处,色散大,衰耗小;处,色散大,衰耗小;G.653光纤:在光纤:在1550nm波长,衰耗和色散皆为最小值,可实现大容波长,衰耗和色散皆为最小值,可实现大容量长距离传输。因出现四波混频效应量长距离传输。因出现四波混频效应(FWM)
10、,限制了它在限制了它在WDM(波分复用)方面的应用。波分复用)方面的应用。光纤的类型光纤的类型G.654光纤:光纤:1550nm损耗最小光纤,主要用于长再生中继距离的海损耗最小光纤,主要用于长再生中继距离的海底光缆。底光缆。G.655光纤:克服了光纤:克服了G.652光纤在光纤在1550nm处色散受限和处色散受限和G.653光纤在光纤在1550nm处出现四波混频效应的缺陷,适用于处出现四波混频效应的缺陷,适用于WDM系统。系统。WDM是波分复用系统,是一种可以提高光纤频率带宽利用率的系统是波分复用系统,是一种可以提高光纤频率带宽利用率的系统 1、G.652B与G.652D光纤简单技术比较 ()
11、分类G.652B为常规单模光纤G.652D为低水峰单模光纤,永久地降低水峰处的衰减。()工作波段区别:G.652B:O+C+L;G.652D:O+E+S+C+L单模光纤的光波段划分波段波长范围(nm)Oband1260-1360Eband1360-1460Sband1460-1530Cband1530-1565Lband1565-1625Uband1625-1675注:鉴于城域传送网接入层WDM-PON/XG-PON等新产品可能使用E波段,而G.652B型光纤不具备E波段的传送能力 G.652B与G.652D光纤简单技术比较由于光纤中水的吸收峰的存在,早期光纤的传输窗口只有3个,即850nm(
12、第一窗口)、1310nm(第二窗口)以及l550nm(第三窗口)。近几年相继开发出第四窗口(L波段)、第五窗口(全波光纤)以及S波段窗口。其中特别重要的是无“水峰”的全波窗口。这些窗口开发成功的巨大意义就在于从l280nm到1625nm的广阔的光频范围内,都能实现低损耗、低色散传输,使传输容量几十倍、几百倍上千倍的增长。 从本质上来说,就是通过尽可能地消除0H离子的“水吸收峰”的一项专门的生产工艺技术,它使普通标准单模光纤在1385nm附近处的衰减峰,降到足够低的程度。它消除了光纤玻璃中的0H离子,从而使光纤损耗完全由玻璃的特性所控制,“水吸收峰”基本上被“压平了,从而使光纤在12801625
13、nm的全部波长范围内部可以用于光通信,拓展了未来光波复用的工作波长范围。2.2.4 光纤中的模式传输(1)光纤中的模式 横电波 横磁波 混合波(2)光纤的归一化频率 为了表征光纤中所能传播模式数目的多少,引入光纤的一个特征参数,即光纤的归一化频率,其表示式为:22121222aaVnnn式中:a- 光纤的纤芯半径 - 光波的工作波长 n1、n2- 纤芯、包层的折射率 - 光纤的相对折射差 由于V值是一个无量纲参数,又与光波的频率成正比,因此被称为光纤的归一化频率。V值的大小不仅可以判断一根光纤是单模传输,而且也决定多模光纤中传输导模的数目。(3)多模光纤和单模光纤 按照光纤中传输模式数量的多少
14、,光纤可以分为多模光纤和单模光纤。 多模光纤 多模光纤就是允许多个模式在其中传输的光纤。多模传输时光纤的归一化频率V2.045,且随着V值的增加,光纤中传输的模式数也越多。 当前通信用多模光纤的芯径和外径一般为50m和125m,最大相对折射率差约为1%。 多模光纤由于存在模式色散,其带宽较窄,通信容量也较小,但多模光纤的芯径打,对光纤连接插头和连接器的要求都不高,使用起来比单模光纤方便,因此广泛用于低码速、短距离的光通信系统中。 单模光纤 在给定的工作波长上,只能传输一种模式的光纤称为单模光纤。单模光纤只能传输基模(HE11)模,它不存在模式色散,因此具有比多模光纤大得多的带宽,有利于高码速、
15、长距离的传输。 单模光纤的传输条件是: 0V 2.045 此时,光纤中除基模(HE11模)以外,其余模式均截止,即可实现单模传输。单模传输时,由于V 2.045,因此,要求光纤的纤芯半径很小,但太小,在制作、耦合、连接上都会造成困难。如果采取小的,就可容许较大的,这也是为什么通信用光纤制成弱导光纤的原因之一。 模场直径 模场直径也是单模光纤所特有的一个参数。从理论上讲,单模光纤中只有一种模式(基模)传输,但单模光纤中的基模场并没有完全集中在纤芯中,有相当部分的能量存在于包层中。所以不能像多模光纤那样用纤芯直径表示截面上的传光范围,只能用模场直径来表示。模场直径是衡量单模光纤横截面上基模场分布的
16、一个物理量。 模场直d是单模光纤产品出厂时必须给出的参数之一。ITU-T规定,在1.31m波长上,模场直径的标称值应当在9-10m范围内,容差为1m。2.3光纤的损耗和色散特性光纤的损耗和色散特性 损耗和色散是光纤的两个主要传输特性,他们分别决定光纤通信系统的传输距离和通信容量。2.3.1 光纤损耗的概念 光波在光纤中传输时,随着传输的增加光功率逐渐减小的现象称为光纤的损耗。光纤的损耗用表示010lgiPLP(dB/km)L光纤光源光脉冲AB式中:Pi、P0-光纤的输入、输出功率; L-光纤的长度; -每千米光纤的损耗值,单位为dB/km。 光纤的损耗关系到光纤通信系统传输距离的长短,光纤的损
17、耗与波长的关系曲线即损耗波谱曲线,关系到工作波长的选择。2.3.1.1 产生光纤损耗的原因(1)吸收损耗:光纤的吸收损耗主要由紫外吸收、红外吸收和杂质吸收等构成。由于这些损耗都是由光纤材料本身的特征引起的,故称为光纤的本征损耗 本征吸收 杂质吸收(2)散射损耗 瑞利散射损耗:任何材料的内部组分结构都不可能是完全均匀的。由于光纤材料的内部组分不均匀,产生了瑞利散射,造成了光能量的损耗,它属于光纤的本征损耗 波导散射损耗:波导散射损耗是由于光纤的不圆度过大造成的,若光纤制成后沿轴线方向结构不均匀,就会产生波导散射损耗。目前这项损耗已经降低到可以忽略的程度 非线性散射损耗(3)弯曲和微弯曲损耗 弯曲
18、损耗 弯曲半径越大,弯曲损耗越小,一般认为,当弯曲半径大于10cm时,弯曲损耗可以忽略不计。 微弯曲损耗 微弯曲是由于光纤成缆时产生的不均匀侧压力引起的。微弯曲使得纤芯和包层的界面出现局部凸凹,从而引起模边换而产生损耗。L光纤光源光脉冲AB2.3.2.光纤的色散色散是光纤的一个重要的传输特性,指的是光信号沿着光纤传输过程中,由于不同成分的光的时间延迟不同而产生的一种物理效应当信号在光纤中传输时,随着传输距离的增加,从而引起光信号的畸变和展宽,这种现象称为光纤的色散。2.3.2.1色散的分类(1)模式色散 在多模光纤中,由于各个模式在同一波长下的传播速度不同而引起的时延差称为模式色散。包层包层纤
19、芯模式1模式2模式3模式1模式2模式3光脉冲光脉冲 只有多模光纤才存在模式色散。在单模光纤中由于只有一种模式传输,没有模式色散,所以单模光纤的色散比多模光纤小得多,即其通信容量比多模光纤大的多,这也是单模光纤获得广泛应用的原因之一。 阶跃型光纤的模式色散 渐变型光纤的模式色散(2)材料色散 光纤材料的折射率随光波波长的变化而变化,使光信号中不同波长成分的传播速度不同,从而引起脉冲展宽的现象,称为材料色散。 在光线通信系统中,由于实际光源发出的光波并不是单一波长,而是具有一定的谱线宽度。光在其中的传播速冻也是随波长的变化而变化的。当具有一定谱线宽度的光源发出的光波在光纤中传输时,不同波长的光波将
20、有不同的传播速度,在到达输出端时将产生时延差,从而使脉冲展宽,引起材料色散。(3)波导色散 从理论上讲,光纤中的光波只在纤芯中传输,但由于光纤的几何结构、形状等方面的不完善,使得光波的一部分在纤芯中传输,而另一部分在包层中传输,由于纤芯和包层的折射率不同,而造成脉冲展宽的现象,称为波导色散2.3.2.2单模光纤的色散 对于单模光纤,不存在模式色散,只有材料色散和波导色散,典型的单模光纤与波长的关系曲线如图所示。1.01.11.21.31.41.51.6-80-60-40-20020材料色散波导色散总色散波长(m)色散(ps/km.nm)从图中可以看出,在1.27 m附近,材料色散为零,而在1.
21、31 m附近,材料色散与波导色散相抵消,单模光纤的总色散为零。 通常把零色散在1.31 m附近的光纤称为常规单模光纤,即G.652光纤。 从光纤的损耗特性的分析可知,在=1.55 m处单模光纤的损耗最低,但色散值很大,约为18ps/kmnm,如果改变光纤的结构使零色散波长由1.31 m移至1.55 m,则在1.55 m处可获得最小损耗和零色散。把零色散在1.55 m附近的单模光纤称为色散位移单模光纤,即G.653光纤,这种光纤在1.55 m处具有的良好的特性使之称为单波长、大容量、超长距传输的最佳选择。 然而随着WDM的发展EDFA的应用,发现色散位移单模光纤有一致的弱点,即工作区内的零色散点
22、将使光纤出现非线性,尤其是四波混频,严重的影响波分复用的性能。为了解决G.653光纤中严重的四波混频效应,对G.653光纤的零色散点进行了移动,如果在1.55 m附近光纤有较小的色散值,如在1.53-1.56 m范围内,色散为1-4ps/km.nm,这样就能有效遏制非线性效应。于是又设计出一种在1.55 m附近有较小色散值的光纤,这种光纤称为非零色散位移光纤,即G.655光纤,G.655光纤适用于大容量的密集波分复用系统。 光通道参数:衰减、色散光通道参数:衰减、色散 光信号在光纤中传输的距离要受到色散和衰减的双重影光信号在光纤中传输的距离要受到色散和衰减的双重影响。响。 衰减:使在光纤中传输
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