光纤传输原理及传输特性

光纤传输原理及传输特性 1 第1章 光纤与光缆概述 1.1 光纤的结构与分类 1.1.1 光纤的结构 光纤是传光的纤维波导或光导纤维的简称。其典型结构是多层同轴圆柱体自内向外为纤芯、包层和涂覆层。 核心部分是纤芯和包层其中纤芯由高度透明的材料制成 是光波的主要传输通道包层的折射率略小于纤芯使光的传输性能相对稳定。纤芯粗细、纤芯材料和包层材料的折射率对光纤的特性起决定性影响。涂覆层包括一次涂覆、缓冲层和二次涂覆起保护光纤不受水汽的侵蚀相机械的擦伤 同时又增加光纤的柔韧性 起着延长光纤寿命的作用。 1.1.2光纤的分类 根据折射率在横截面上的分布形状划分时有阶跃型光纤和渐变型 梯度型 光纤两种。阶跃型光纤在纤芯和包层交界处的折射率呈阶梯形突变纤芯的折射率n1和包层的折 射率n2是均匀常数。渐变型光纤纤芯的折射率nl随着半径的增加而按一定规律如平方律、双正割曲线等 逐渐减少到纤芯与包层交界处为包层折射率n2纤芯的折射率不是均匀常数。 根据光纤中传输模式的多少可分为单模光纤和多模光纤两类。单模光纤只传输一种模式纤芯直径较细通常在4μm10μm 范围内。而多模光纤可传输多种模式纤芯直径较粗典型尺寸为50μm左右。 按制造光纤所使用的材料分有石英系列、塑料包层石英纤芯、多组分玻璃纤维、全塑光纤等四种。光通信中主要用石英光纤以后所说的光纤也主要是指石英光纤。 另外若按工作波长来分还可分为短波长光纤和长波长光纤。 多模光纤可以采用阶跃折射率分布也可以采用渐变折射率分布单模光纤多采用阶跃折射率分布。因此石英光纤大体可以分为多模阶跃折射率光纤、多模渐变折射率光纤和单模阶跃折射率光纤等几种。 1.2光缆的结构与端别 1.2.1 光缆的结构 2 光缆在敷设时及敷设后的一定时间内20年以上为光纤提供足够的保护不使光纤遭受外力物理的、化学的、动态的和静态的外界影响而损坏同时不使光纤的传输特性恶化。光缆一般由缆芯、护层和加强件组成。 1、缆芯 缆芯是光缆的主体其结构是否合理与光纤安全运行关系极大。缆芯结构应满足的基本要求有光纤在缆内处于最佳位置和状态保证光纤传输性能稳定在光缆受到一定的拉、侧压等外力时光纤不应承受外力影响金属线对混合光缆也应得到妥善安排并保证其电气性能缆芯中的加强元件应能经受允许拉力缆芯截面应尽可能小以降低成本。缆芯的基本结构可分为层绞式、骨架式、束管式和带状式4种。 2、护层 光缆护层是由护套和外护层构成的多层组合体。护层的作用是进一步保护光纤使光纤能适应各种敷设条件如架空、管道、直埋、室内、过河、跨海等。对于采用外周加强元件的光缆结构护层还需提供足够的抗拉、抗压、抗弯曲等机械特性方面的能力。 护层之所以要提供防潮防水性能是因为水和潮气浸入光缆内会产生如下危害在光纤中产生OHˉ吸收损耗信道总衰减增大甚至使信道中断使光纤材料的原子结构产生缺陷导致光纤的抗拉强度降低造成光缆中金属构件的腐蚀现象导致光缆强度降低遇到低温、水结冰后体积增大可能压坏光纤。 为保持光纤的特性不致劣化在光纤和光缆结构、生产、运输、施工和维护中都采取了一系列的防水措施。光缆防潮的主要措施有配置聚乙烯PE护层、挡潮屏蔽层、填充石油膏、松套管和管内石油膏对于有铠光缆还有PE外护层和铠装层。PE护层是第一道防线在运输过程中应很好的保护防止损伤。挡潮屏蔽层是第二道防线要求在生产过程中密封严密叠压处应热熔密封。松套管是第三层防线松套管在一个单盘长度上为一个整体中间不允许有接头、裂缝及其他损伤点。石油膏是光纤防淹的最后一道防线它可有效地阻止潮气及水的浸入和扩散以延缓潮气及水对光纤传输性能的影响。 1.2.2 光缆的端别 3 光缆的端别基本沿用电缆端别的规定即面对光缆断面红色松套管或标志色 为起始色绿色松套管或标志色为终止色绕过其他松套管或标志色顺时针方向排列为A端反时针排列为B端。在每层松套管中只有一个红色和一个绿色标志松套管且二者并排在一起同时要求标志色应鲜明不褪色、不迁染。 对于小芯数中心束管式光缆一般可不分A、B端因束管内光纤分布松散且芯数较少不会影响到光纤接续因此可不区分A、B端。 松套管内的光纤排列一般没有规律可循通常光纤用不同色谱的涂覆层加以区分不同的光纤光纤的色谱各厂家规定有所不同。常用的色谱有白、红、黑、黄、紫、蓝、橙、绿、棕、灰。 第2章 光纤传输原理及传输特性 2.1 光纤传输原理分析 光独立传播定律认为从不同光源发出的光线以不同的方向通过介质某点时各光线彼此互不影响好象其他光线不存在似的。 光的直线传播和折射、反射定律认为光在各向同性的均匀介质折射率n不变中光线按直线传播。光在传播中遇到两种不同介质的光滑界面时光发生反射和折射现象。光在均匀介质中的传播速度为Vc/n式中c是光在真空中的传播速度n是介质的折射率。 反射定律为反射线位于入射线和法线所决定的平面内反射线和入射线处于法线的两侧反射角等于入射角。 折射定律为折射线位于入射线和法线所决定的平面内折射线和入射线位于法线的两侧。 光在传播过程中若从一种介质传播到另一种介质的交界面时因两种介质的折射率不等将会在交界面上发生反射和折射现象。一般将折射率较大的介质称为光密媒质折射率小的称为光疏媒质。 为了保证光信号在光纤中能进行远距离传输一定要使光信号在光纤中反复进行全反射才能保证衰减最小色散最小到达远端。实现全反射的两个条件为:一定要使光纤纤芯的折射率n1大于光纤包层的折射率N2光入光纤的光线向纤芯一包层界面入射时入射角应大十临界角。 4 2.2 光纤的传输特性 2.2.1 损耗特性 由于损耗的存在在光纤中传输的光信号不管是模拟信号还是脉冲信号其幅度都要减小。衰减是光纤的一个重要的传输参数。它明了光纤对光能的传愉损耗光纤每单位长度的损耗直接关系到光纤通信系统传翰距离的长短对光纤质量的评定和对光纤通信系统的中继距离的确定都起着十分重要的作用。 形成光纤损耗的原因很多既有来自光纤本身的损耗也有光纤与光源的藕合损耗以及光纤之间的连接损耗。 光纤本身损耗的原因主要有吸收损耗和散射损耗两类。 吸收损耗是光波通过光纤的材料时有一部分光能变成热能从而造成光功率的损失。造成吸收损耗的原因很多主要有本征吸收和杂质吸收。 本征吸收是指光纤基本材料例如:纯Site 固有的吸收。本征吸收是不可避免的所以本征吸收基本上确定了任何特定材料的吸收下限。对于石英光纤本征吸收有两个吸收带一个是紫外吸收带一个是红外吸收带。 光纤中的杂质吸收有铁、铬、铜等过渡金属离子和氢氧根离子吸收。目前过渡金属离子含量可以降低到0.4ppb以下1ppb表示质量的十亿分之一吸收峰损耗也可降低到1dB/km以下。 由氢氧根离子产生吸收峰出现在950mm、1240mm和1390mm波和附近。其中以1390mm的吸收峰影响最为严重。一般氢氧根离子的含量可降低到l0.5dB/km以下。目前采用特殊的生产工艺几乎可以完全消除光纤内部的氢氧根离子从而可以制成一个无水峰光纤也称全波光纤。 散射损耗是由于光纤的材料、形状、折射率分布等的缺陷或不均匀使光纤中传导的光发生散射而产生的损耗。 2.2.2 色散特性与带宽 光纤色散是光纤通信的最重要的传输特性之一。在光纤中由于不同成分的光信号有不同的传输速度。因而有不同的时间延时而产生的一种物理效应。 在光纤中不同速率的信号传过同样的距离需要不同的时间从而产生时延差.时延差越大色散越严重因此可用时延差表示色散的程度。由干光纤中色 5 散的存在将直接导致光信号在光纤传愉过程 中的畸变会使输入脉冲在传输过程中展宽产生码间干扰.增加误码率从而限制了通信容量和传愉距离。因此制造优质的、色散小的光纤对于通信系统容量和加大传输距离是非常重要的。 从光纤色散产生的机理来看它包括模式色散、材料色散和波导色散3种。 模式色散在多模光纤中由于各传输模式的传输路径不同各模式到达出射端的时间不同从而引起光脉冲展宽由此产生的色散称为模式色散。 材料色散光纤材料石英玻璃的折射率对不同的传输光波长有不同的值包含有许多波长的太阳光通过棱镜以后可分成7种不同颜色就是一个证明。由于上述原因材料折射率随光波长而变化从而引起脉冲展宽的现象称为材料色散。 波导色散由于光纤的纤芯与包层的折射率差别很小因而在界面产生全反射现象时有一部分光进入到包层之内。由于出现在包层内的这部分光大小与光波长有关这就相当于光传输路径长度随光波波长的不同而异。具有一定波谱线宽的光源所发出的光脉冲射入到光纤后由于不同波长的光其传输路程不完全相同所以到达光纤出射端的时间也不相同从而使脉冲展宽。具体说入射光的波长越长进入到包层的光强比例就越大传输路径距离越长。由上述原因所形成的脉冲展宽现象叫做波导色散。 材料色散和波导色散都与光波长有关所以又统称为波长色散。模式色散仅在多模光纤中存在在单模光纤中不产生模式色散而只有材料色散和波导色散。通常各种色散的大小顺序是模式色散gt材料色散gt波导色散因此多模光纤的传输带宽几乎仅由模式色散所制约。在单模光纤中由于没有模式色散所以它具有非常宽的带宽。色散的单位是指单位光源光谱宽度、单位光纤长度所对应的光脉冲的展宽延时差。 无论是核心网还是接入网目前主要应用的还是G.652单模光纤不过在核心网新建线路中已开始采用G.655光纤。光纤的选型是波分复用系统设计中很重要的一个问题过去由于技术的限制光纤只有少数的几种同时我国已埋设的光纤几乎都是常规单模光纤选型问题显得不是很重要。现在新型光纤种类越来越多在设计波分复用系统和进行传输网建设时光纤的选型就十分重要。 通过实验可以发现如果输入光信号的功率大小保持不变随着调制频率的增加通过光纤传输后其输出光功率会随发端调制频率的增加而减小这说明 6 光纤也存在象电缆一样的带宽系数即对调制光信号的调制频率有一定的响应特性。象电缆一样有高频线、低频线的区分目„高频、低频线的衰减也不一样。 带宽系数的定义:一公里长的光纤其输出光信号的功率下降到其最大值直流光输入时的输出光功率的一半时此时光信号的调制频率就叫做光纤的带宽系数即下降一半时光信号的带宽也叫3dB带宽对DWDM设备还有O.SdB带宽、1dB带宽、20dB带宽的特性测试。如下图2.1所示: 需要注意的是光信号是以光功率来度量的一般以dBm为单位也可用瓦特W来表示W与dBm是可相互转换的换算公式为dBm l 0lgW1mW就是OdBm5OOuW就是一3 dBm左右。所以3dB带宽就是光信号输出功率减少一半时的带宽相同的对十电缆来说一般以6dB带宽来表示其电能量衰减一半因为电信号是以电压或电流来度量的是以201g来计算的。 引起光纤带宽变窄的原因主要是光纤的色散。对于多模光纤而言传输的是多模光信号带宽也叫模式色散带宽用带宽系数表示多模光纤的传输能力。对于单模光纤因模式色散为零也有带宽系数的概念同时引入色散系数的概念。由十单模光纤制造技术的提高其色散系数一般为20ps/km.nm。对于单模发送激光器都会给出一个色散容限值参数如7200ps则7200/20--360km表示此激光器在无电中继的情况下可传输360km对于SDH的传输其无电中继传输时一般不会超过150km一般不考虑色散容限值这个参数只有在DWDM中才考虑这个参数在DWDM中无电中继最大可传输 640km所以要求的色散容限值要在12800ps/km以上。显然光纤的带宽与色散有关与长度呈非线性关系但光纤的衰耗与长度有与长度呈线性关系。 带宽系数Bc是在频域范围内描述光纤传输特性的重要参数实际上沿用了模拟通信的概念。对多模光纤来说测量时一般用均方根谱宽of末表述带宽系数特性对单模光纤来说一般测量3dB和20dB谱宽特性来表述带宽系数特性。 光纤的均方根谱宽的物理定义:对应于光纤高斯冲击响应最大函数值的0.61倍时自变量时间t的数值。一方面在实际工作中人们在时域内进行测量比在频域内测量更加方便可行另一方面光纤的均方根of与数字光纤通信理 7 论有着更密切的关系直接和其传输的光脉冲的均方根脉宽发生联系。均方根谱宽不仅能确切地描述光脉冲的特性而且与光纤通信系统的传输中继距离密切相关所以在光纤通信的理论中经常用到。 1.3 光缆分类与选择 1.3.1 光缆的分类 光缆的常用分类方法有以下几种 根据光纤分类按光纤的传输性能、距离和用途可分为用户光缆、市话光缆、长途光缆和海缆按光纤的种类可分为多模光缆和单模光缆按光纤的套塑方法可分为紧套光缆、松套光缆和带状光缆。 根据光缆结构分类按加强件位置可分为中心加强件光缆、分散加强件光缆和护层加强件光缆按护层材料可分为普通光缆、阻燃光缆和防蚁光缆按光缆结构可分为扁平结构的入户光缆、高密度带状光缆、层绞式光缆和铠装光缆。 根据光缆的敷设方式分类按敷设方式可分为室内光缆、架空光缆、直埋光缆、管道光缆和水底光缆。 目前通信光缆常用分类方法 野外光缆用于室外直埋、管道、槽道、隧道、架空及水下敷设的光缆。 软光缆具有优良的曲绕性能的可移动光缆。 局内光缆用于室内布放的光缆。 设备内光缆用于设备被布放的光缆。 海底光缆用于跨越海洋敷设的光缆。 特种光缆用作特殊用途的光缆。 1.3.2光缆的选择要点 8 1、光缆芯数的选定 在施工方便的条件下尽量选择盘长较大的光缆。选择光缆芯数时要把近期效益和长期规划结合起来充分考虑扩容的可能性根据“建设一条线服务一大片”的指导思想充分考虑沿途各大单位的通信需要。 2、光缆结构程式的选择 长途干线光缆应采用波长1310nm窗口并能在1550nm窗口使用的单模光纤光纤筛选张力应不小于5N牛顿采用无金属线对光缆在雷击严重或强电影响地段可采用非金属构件加强芯光缆光缆芯采用充油膏结构。 光缆护层结构选择的规定架空和管道光缆简易塑料管管道为防潮层PE外护层直埋光缆为防潮层PE内护层钢带铠装层PE外护层水底光缆为防潮层PE内护层粗钢丝铠装层PE外护层。 光缆的机械性能应符合表1.1所规定。光缆承受短期允许张力或侧压力在张力或侧压力解除后光纤衰减不变化光纤延伸率不大于0.15光缆在?惺艹て谠市碚帕虿嘌沽κ惫庀怂ゼ醪槐浠饫卵由炻什淮笥?.2光前没有应变。 表1.1 光缆的机械性能要求 敷设方式 允许张力N 允许侧压力N/100mm 短期 长期 短期 管道及架空 每千米光缆重量不小于1500 300 1000 一般直埋 3000 1000 3000 特殊直埋 2000 3000 5000 一般水底 20000 3000 5000 40000 5000 8000 3、水底光缆的选用 9 通航机动船、帆船、木筏较多的主要航运河流应采用钢丝铠装光缆河水流速特别急、河道变化较大时应采用双层钢丝铠装光缆河宽两堤或自然岸间大于150m的平原河流宜采用钢丝铠装光缆有的河宽虽小于150m但流速较大3m/s以上、河床土质松散、两岸易受冲刷塌方、河底坎坷不平或为石质河床、大卵石河床应才用刚丝铠装的水底光缆有的河宽虽不大于150m但河床土质稳定流速很小河道顺直又无冲刷现象可不采用刚丝铠装的水底光缆山区河流应根据河床土质、流速、流量的大小、冲刷程度以及上游水文等情况确定。 备用水底光缆的设置综合考虑的因素有特大的河 流河床稳定性能很差的较大河流有其他特殊要求限于自然地形和施工条件光缆的安全程度较差或抢修很困难。 光缆传输的优点 过去光纤通信一直被用于长途电信传输、广播电视系统和计算机网络通信方面很少被用在其它方面。目前国内外有多家公司根据光纤的传输特性开发设计了用于智能交通系统和安防系统的视音频和数据光端机。根据我们多年的产品开发和工程使用经验特将光纤传输的优势及几种使用方式如下 由于光纤传输具有带宽大衰减小不受电磁波干扰不怕雷击、保密性强体积小重量轻等优点所以在特殊应用环境和长距离传输方面具有无法比拟的优势。 光纤的带宽可达1.0GHz以上而一般图像的带宽只有8MHzNTSC制式只有6MHz所以用一芯光纤传输一路图像是绰绰有余的。因此市场上有多家公司的产品是针对这一特点来开发的如利用一芯光纤传输1路2路、4路8路图像甚至同时传输更多图像。 光纤带宽大的特点并不只用来同时传输多路图像目前市场上有多种产品可同时传输图像音频控制信号或开关结点信号。由于工程当中具体的功能应用较多无法一一说明通常要根据用户的具体要求来决定使用设备的种类和功用。 目前光纤的衰减非常小如使用62.5/125um的多模光纤850nm波长的衰减约为3.0dB/km而1300nm波长的衰减更低约为1.0dB/km所以一般多模LED光源的光功率大约可以传输3--5公里如果使用9/125μm的单模光纤1300nm波长的衰减约0.4dB/km 10 而1550nm波长的衰减约为0.3dB/km所以一般的LD光源的光功率可以传输 20--60公里甚至目前已有传输距离近100公里的产品出现。因此在远距离传输上同轴缆与光纤是不可同日而语的。 利用光纤传输即使处在电磁波很强的环境中也不受干扰甚至可以同时和电源线集中布放在同一管道内也不会受到电源干扰而出现雪花的现象。另外由于光纤采用石英做材质不导电所以可以防雷击纵使遭雷击也不至使得两端的设备遭受损坏 。 由于通信信号在光纤中传输是以光的形式传递所以不会像传统电线因短路或接触不良而产生火花或静电等现象。这一特点使得光纤传输在油库、弹药库易燃易爆气体仓库化学工厂等有高挥发与易燃气体的场合特别适用。能够确保使用安全和设备安全.由于光纤纤细如丝所以其重量相当轻即使使用多芯数的光缆其重量不会增加太多。一般因为光缆要保护内部光纤外面都有一些保护的PVC护套和皱纹钢铠及金属加强筋所以光缆一般外径多在1--2分左右但是增加光纤芯数如48芯96芯等它的外径并未增加重量也不会增加太多。不像一般电缆线一样重量和外径都是成倍数增加的。 光信号在光纤中传输具有绝佳地保密性因为它无法像一般电缆线一样被人窃听除非将光纤砍断。但是光纤一旦断掉用户马上就会发现传输即刻中断信息当然就不会继续传输所以其保密性会比传统电缆要强百倍。 如前所述光纤的带宽相当大所以可传输的信息量极其大除了目前一般人熟知的电脑网络外也可以应用在闭路电视监视系统中用来传输摄像机图像。 一般以最经济最基本的使用方式来说光纤在图像传输的应用是以1芯光纤传送1路摄像机图像。有时考虑到光纤可供使用的芯数不多可采用以1芯光纤传输2个摄像机图像或者是使用1芯光纤传输4路摄像机图像或是更多图像。但是成本较高。 因为省下了光纤芯数但在光端机成本上相对就要提高教多.一般在保安监控系统中会要求有一些摄像机具有旋转、升降变焦等功能 或是性能更优越的全功能球型一体摄像机它们不仅要传输图像信号同时也要传送云台和镜头的控制信号。 在闭路监视系统中控制信号多半是RS-232、RS-422、RS-485接口 所以不论是云台、一体化球型摄像机或是其它用于门禁系统也都可以使用光纤来进行远距离传输 11 光缆接续要求 光缆接续和测试技术要求 1、光缆开剥前首先检查光缆是否有?鹕斯 ぷ骺邮欠窈鲜省?2、接续时开剥光缆长度要符合设计要求光缆开剥后仔细检查松套管和光纤有无损伤经检查无误后方可安装接头盒。 3、安装接头盒时固定好两端进线光缆避免光缆扭动固定光缆加强件包括金属加强芯和金属外护层确保电气不连通。光纤固定方式和盘留要符合设计要求。 4、光纤接续指标符合设计要求后接头盒内放入接续责任卡片卡片上要签上接续人的姓名接续时间等。 5、接续各项指标完全符合设计要求后封装接头盒时必须使用厂家配备的专用工具封装按规定旋紧螺丝防止接头盒内进入潮气。 八 机房成端光缆安装技术要求 1 机房内光缆成端ODF架安放位置要稳定可靠远离热源。 2 自光缆成端接头引出的尾纤和适配器应按设计要求插入光纤配线架牢固可靠。 3 对暂时不用的适配器盖上塑料帽。 4 尾纤在ODF子框内的盘绕符合规定的曲率半.