光纤传输原理简介

光纤传输原理简介 物资技术资料 光纤传输原理简介 一、光纤简介 光纤(Fibre)是光导纤维(Optical-fibre)的简称，具有把光封闭在其中并沿轴向进行传播的导波结构。光纤通信就是以光纤作为物理基础而发展起来的以光波为载频、光导纤维为传输介质的一种通信方式。 二、光纤结构 光纤的典型结构是由高纯度SiO(二氧化硅)石英晶体2 构成的多层同轴圆柱体，自内向外分别为纤芯、包层;其外依次为环氧树脂或硅橡胶构成的涂覆层及缓冲层、套塑层。 纤芯与包层中SiO晶体纯度分别为两个固定值，导致纤2 芯的折射率与包层的折射率不同;通过使纤芯折射率大于包层折射率，从而确保光信号在光纤中以全反射方式沿光纤轴向传播; 涂覆层(厚度通常为5~40微米)的作用为增强光纤的机械强度; 缓冲层(厚度通常为100微米)的作用为布放光纤时降低外力冲击强度; 套塑层的作用是保护内层材料免受机械磨损。 下图为光纤结构及光信号传播示意图: 第1页 共7页 物资技术资料 , (注意:上述描述 是针对单根光纤<或 尾纤>的，该封装方式 只适合在有严格路由保护措施的机房内布放使用;光传输系统的室外部份必须采用光缆。光缆的封装方式为数根、数十根光纤纽绞或疏松地置于特制的螺旋槽聚乙烯支架(骨架)里，外缠塑料绑带及铝皮，再用复合材料护套封装而成。一般在光缆内心处穿以钢丝，以加强光缆抗拉性。) 根据光纤横截面上折射率的分布模式，光纤分为三大类:阶跃型光纤和梯度型光纤、单模光纤。 阶跃型光纤的纤芯和包层折射率n、n分别为两个固定12 的值，且n>n,因此属于骤变型光纤;光线主要在纤芯与包12 第2页 共7页 物资技术资料 层界面上反射传播(较大波长的光信号)，部分经纤芯与包层界面折射进入包层(较小波长的光信号);随着传播路径延伸，由于短波长光信号与长波长光信号的传播路由长度差距越来越加大，光波能量消耗的差距也越来越大。 梯度型光纤的纤芯横截面折射率分布呈关于纤芯原点对称的渐变减小模式，但纤芯、包层折射率仍有分界;光线绝大部分在纤芯内按近似等幅正弦波的轨迹在部以反射方式传播，从而大大降低了因光线折射进入包层导致传播路由增大而产生的光波能量损耗。 单模光纤为阶跃型光纤的特殊衍生型，通过最大限度缩小纤芯半径并加大纤芯与包层折射率差距，使较长波长光信号完全在纤芯内沿纵截面看按微幅折波轨迹反射传播，由于幅度微小(趋于0)，故近似沿光纤轴线按直线传播，最大限度消除了因光线反射造成路由增加而产生的能量损耗，而较短波长光信号则因基本折射进入包层而随传播路径延伸被过滤消失。 上述三种光纤，梯度型及阶跃型一般用于多模光信号(近距离)传输，又称多模光纤;单模光纤则只适合(长距离)传输单模光信号。 单模光纤的芯径小于多模光纤,由光纤外观即可看出,。 三、光信号传输原理 第3页 共7页 物资技术资料 1、光纤传输规律,相同条件下(即光源发光功率、纤芯及包层折射率一定)，纤芯芯径越小衰减越小，可传输距离越远，但对光波波长的过滤作用也越强。 (注意:光纤的情况正好与电导体的情况相反，电导体截面越大，电阻越小，传输路由上电功率衰耗越小。) 2、解释, (一)、从机械物理学观点看 纤径越大，纤芯内单次全反射所经路径越长，导致消耗于光纤介质粒子振动的光信号能量越大，从而当光源发光功率恒定时，传输距离越短，反之，当纤径越小，则必然传输距离越远; (二)、以电磁场原理进行简单定性分析 光纤中电磁波的传播通过光源的高频微幅交变电磁场辐射引发光纤介质中分子内部电子轨道同步共振变化(能量传递)，大量分子受激分别形成电场及磁场场强矢量;磁场场强矢量为轴向(沿光纤轴向)，电场场强矢量沿截平面分布(光源与光纤呈平面对接且同轴向，光源固定沿轴向向光纤介质辐射电磁波，磁场场强方向与光纤轴向平行〈同向、反向交替变化〉，从而光纤中光波的电磁场场强方向分布在截平面上仅有环形(TE波)及TE波由顺时针方向转变为反时针方向时形成的放射形分量(TM波)两种模式，称为TEM波)两种范畴的分量;当纤径越大，则纤芯截面越大，介质沿截平面分布的分子数量越多，则截平面场强分布面增大，场能消耗随之增大;当光源辐射功率恒定时，将导致光纤轴向场强分布减弱，造成有效传播(光 第4页 共7页 物资技术资料 功率在接收机灵敏度以上)距离缩短。该规律在理论分析中表现为波阻抗与纤芯芯径成正比。 6 同时，光波传播速度恒定(3×10公里/秒)，根据T=λ/V(T:光波周期，λ:光波波长，V:光波传播速度)，可知T与λ成正比，即λ越长T越长，而f=1/T(f:光波〈场强变化〉频率)，从而λ越短f越高，导致单位时间内光纤截平面上电场场强分布的模式转换过程中出现TM波的时长增大而加大信号衰减(TM波模式的场强方向为放射状，因此其场能辐射扩散进入包层而被消耗);由此可知，短波长光信号的传输衰减大只能用于短距传输而长波长光信号的传输衰减小适于中、长距传输。 四、光传输模式介绍, 光端口的模式共分两种:单模和多模。为确保传输质量，工程上要求单模口互连使用单模光纤，多模口互连使用多模光纤。 多模光接口中心波长850nm;一般有部分在可见光的红光频段的能量，因此对多模光信号，肉眼可见红光。 单模光接口的中心波长有两种:1310nm和1550nm，1310nm一般为短距、中距或长距接口，1550nm一般为长距、超长距接口。单模光信号都在红外线频段，为不可见光。 判断光口单、多模式: 1.通过标注的中心波长。中心波长850nm为多模，1310nm或1550nm为单模。 第5页 共7页 物资技术资料 2.把光口的发射端激活，快速查看发射端是否有红光发出，如有则为多模口，否则为单模口。 多模光纤的中心高折射率纤芯直径有两种型号:62.5μm和50μm。多模使用50μm光纤时，可以传递550米，使用62.5μm光纤时，可以传递275米。 单模光纤的中心高折射率纤芯直径有三种型号:8μm、9μm和10μm。单模有多种型号，中心波长在1310nm的单模口传输距离有10Km、30Km、40Km等，中心波长在1550nm的单模口传输距离有40Km、70Km、100Km等。 实际传输距离取决于对应型号光模块的实际发射功率、光路上的传输衰减和光口的接收灵敏度。 发射功率的范围: 多模口发射功率比单模口小，一般在-9.5dBm到-4dBm之间;单模光口的范围一般在0dBm左右，一些超长距接口会高达+5dBm。 接收功率的范围: 多模口接收功率一般在-20dBm到0dBm之间;单模在-23 dBm到0dBm之间。 最大可接收功率(不烧坏收光板光口的功率上限)叫做过载光功率，最小可接收功率(收光板光口对光信号的识别下限功率)叫做接收灵敏度。 工程上要求正常工作接收光功率小于过载光功率3,5dBm，大 第6页 共7页 物资技术资料 于接收灵敏度3,5dBm。一般来讲不管单模接口还是多模接口，实际接收功率在-5,-15dBm之间算比较合理的工作范围。 因水平有限，上述表述有不当之处，敬请同仁不吝指正为谢～ 第7页 共7页