光通信基础知识

湖北省电信有限公司中国电信湖北分公司12011年3月光通信基础知识湖北省电信有限公司中国电信湖北分公司2提纲SDH技术光纤与光缆光的基本知识光接入技术WDM技术室内光缆湖北省电信有限公司中国电信湖北分公司3培训目标•了解光学的基本原理；•掌握光纤的特性；•了解光纤通信基本原理；•了解光纤通信网络结构；湖北省电信有限公司中国电信湖北分公司4第一章光学原理1.1光的概念1.2光的传播湖北省电信有限公司中国电信湖北分公司51.1光的概念•光是一种能量形态，它可以从一种物体传播到另一种物体而不需要任何物体作为媒介。关于光的学术解释大致分为三种:即辐射学、波动学和量子学，而对光的描述用波动学则最为恰当。•光的本质是电磁波，而人们可见的光波则是电磁波频谱中很小的一个波段，它的波长范围在380nm到780nm之间，波长小于380nm的波又分别称为紫外线X射线和伽马射线，而波长大于380nm的波则分别称为红外线和无线电波。•光纤通信的波谱在1.67×1014Hz～3.75×1014Hz之间，即波长在0.8μm～1.8μm之间，属于红外波段，将0.8μm～0.9μm称为短波长，1.0μm～1.8μm称为长波长，2.0μm以上称为超长波长。1.1光的概念湖北省电信有限公司中国电信湖北分公司61.1光的概念光波波谱图湖北省电信有限公司中国电信湖北分公司71.1光的概念各种单位的换算公式c＝3×108m/s(真空)1MHz（兆赫）＝106Hzλ＝c/f1GHz（吉赫）＝109Hz1μm（微米）＝10−6m1THz（太赫）＝1012Hz1nm（纳米）＝10−9m1PHz（拍赫）＝1015Hz1Å（埃）＝10−10m湖北省电信有限公司中国电信湖北分公司81.2光的传播•光在同一媒介中沿直线传播,在不同媒介中,光的传播速度是不同的,在真空中的传播速度为30万公里/秒。光在真空中的传播速度与光在媒介中的传播速度之比值称之为该媒介的折射率。•光的传播速度=波长×频率，c＝f×λ。•光的频率：光每秒钟波动的次数，也可以定义为光每秒钟通过某一固定点的波数。不同波长的光，其频率是不同的，而同一波长的光在不同的媒介中其频率是固定的。但同一种光在不同的媒介中其波长是不同的。1.2.1光的传播湖北省电信有限公司中国电信湖北分公司91.2光的传播•光在相对于其波长为光滑的界面上所产生的反射为镜面反射。在镜面反射的情况下：1、入射线、反射线和过入射点的界面法线位于同一平面内；2、入射线和界面法线的夹角与反射线和界面法线的夹角相等，并分别位于法线的两侧。1.2.2光的镜面反射定律1.2.3光的折射定律•光线穿过光滑界面进入第二种媒介时,其传播方向遵循以下规律:1、入射线、折射线和过入射点的界面法线位于同一平面内；2、假设入射线和界面法线的夹角为B1,折射线和界面法线的夹角为B2,入射光线所处的媒介的折射率为n1,折射光线所处的媒介的折射率为n2,则入射线和折射线分别位于界面法线的两侧且满足：n1*sin(B1)=n2*sin(B2)。湖北省电信有限公司中国电信湖北分公司101.2光的传播光的反射、折射B1B2N1N2湖北省电信有限公司中国电信湖北分公司111.2光的传播•光线由高折射率媒介进入低折射率媒介,当折射线的折射角B2达到90度时,此时入射线的入射角B1就被称为折射零界角。如果光线的入射角大于零界角时,就不会有折射光线了,此时光线被全部反射了,这种现象被称为全反射。•光纤通信就是利用光的全反射原理设计的。1.2.4光的全反射B1N1N2B2N1N2湖北省电信有限公司中国电信湖北分公司121.2光的传播•光在绝对真空中，能量不会被吸收，但在其他媒介中，光有可能转化为热能，也有能转化为化学能或其他能量形式，这种现象称为媒介对光的吸收。某些材料，它可以让特定波长的波通过而将其他波长的波吸收，利用这一特性便可制作滤光片。在某种特定条件下，某些媒介对光的吸收为负值，光线通过该媒介时，光强会增加，当然需要给该媒介补充额外的能量，这就是激光器的制造原理。1.2.5光的吸收湖北省电信有限公司中国电信湖北分公司131.2光的传播1.2.6光的散射1.2.7光的漫反射与漫透射•光在不均匀的媒介中传播时，无数杂乱无章的界面会对光进行多次无序的反射和折射，这种现象称为散射。•当光线遇到某一媒介表面，该媒介表面的粗糙度与光的波长接近或略大于时光的波长时，光线便会向四面八方散开，散开的光线有的回到原媒介，称为漫反射，有的进入该媒介，称为漫透射。湖北省电信有限公司中国电信湖北分公司141.2光的传播1.2.8光的偏振1.2.9光的干涉现象1.2.10光的衍射•光波有垂直于光传播方向的电场,对于每一个光波,都有一个由场方向和传播方向组成的平面,那就是波的偏振面。大多数光源发出的光都是非偏振光,这种光波的扁振面是杂乱无章的。某些透明晶体仅对便振面在某一特定方向上的光波有透射，通过这种晶体透射出光，称为偏振光。•当两个波长相同，相位固定的波相遇时，同相位的光波会相互叠加而异相位的光波则相互抵消，这种现象就是光的干涉。•光线绕着障碍物边缘发生弯曲的现象，称为光的衍射。光谱分析仪就是利用光的干涉和衍射原理制作的。湖北省电信有限公司中国电信湖北分公司15第二章光纤与光缆2.3光纤的传输特性2.2光纤的导光原理2.1光纤的结构和分类2.4光缆的结构和种类湖北省电信有限公司中国电信湖北分公司162.1光纤的结构和分类2.1.1光纤的结构1.光纤结构光纤由纤芯、包层和涂覆层3部分组成，如图2-1所示。图2-1光纤的结构湖北省电信有限公司中国电信湖北分公司172.1光纤的结构和分类（1）纤芯：纤芯位于光纤的中心部位。直径d1=4μm～50μm，单模光纤的纤芯为4μm～10μm，多模光纤的纤芯为50μm。纤芯的成分是高纯度SiO2，掺有极少量的掺杂剂（如GeO2，P2O5），作用是提高纤芯对光的折射率（n1），以传输光信号。（2）包层：包层位于纤芯的周围。直径d2=125μm，其成分也是含有极少量掺杂剂的高纯度SiO2。而掺杂剂（如B2O3）的作用则是适当降低包层对光的折射率（n2），使之略低于纤芯的折射率，即n1＞n2，它使得光信号封闭在纤芯中传输。2.1.1光纤的结构湖北省电信有限公司中国电信湖北分公司182.1光纤的结构和分类（3）涂覆层：光纤的最外层为涂覆层，包括一次涂覆层，缓冲层和二次涂覆层。一次涂覆层一般使用丙烯酸酯、有机硅或硅橡胶材料；缓冲层一般为性能良好的填充油膏；二次涂覆层一般多用聚丙烯或尼龙等高聚物。涂覆的作用是保护光纤不受水汽侵蚀和机械擦伤，同时又增加了光纤的机械强度与可弯曲性，起着延长光纤寿命的作用。涂覆后的光纤其外径约1.5mm。通常所说的光纤为此种光纤。2.1.1光纤的结构湖北省电信有限公司中国电信湖北分公司192.1光纤的结构和分类2.1.2光纤的分类1.按光纤的材料分类（1）石英光纤；(2）全塑光纤；2.按光纤截面上折射率分布分类（1）阶跃型光纤；（2）渐变型光纤；图2-2光纤的折射率分布湖北省电信有限公司中国电信湖北分公司20光在阶跃折射率光纤和渐变折射率光纤的传播轨迹分别如图2-3和图2-4所示。图2-3光在阶跃折射率多模光纤中的传播图2-4光在渐变折射率多模光纤中的传播2.1光纤的结构和分类湖北省电信有限公司中国电信湖北分公司212.1光纤的结构和分类3、按传输模数分类按传输模的数量不同，光纤分为多模光纤和单模光纤。传播模式概念：当光在光纤中传播时，如果光纤纤芯的几何尺寸远大于光波波长时，光在光纤中会以几十种乃至几百种传播模式进行传播。如图2-5中所示。这些不同的光束称为模式。图2-5光在阶跃折射率光纤中的传播湖北省电信有限公司中国电信湖北分公司222.1光纤的结构和分类（1）多模光纤当光纤的几何尺寸（主要是芯径d1）远大于光波波长时（约1μm），光纤传输的过程中会存在着几十种乃至几百种传输模式，这样的光纤称为多模光纤。如图2-3和图2-4所示。（2）单模光纤当光纤的几何尺寸（主要是芯径d1）较小，与光波长在同一数量级，如芯径d1在4μm～10μm范围，这时，光纤只允许一种模式（基模）在其中传播，其余的高次模全部截止，这样的光纤称为单模光纤。如图2-6所示。图2-6光在单模光纤中的传播轨迹湖北省电信有限公司中国电信湖北分公司232.1光纤的结构和分类4、按照ITU-T关于光纤的建议标准分类（1）G.652光纤G.652光纤，也称标准单模光纤（SMF），是指色散零点（即色散为零的波长）在1310nm附近的光纤。它的折射率分布如图2-7所示。图（a）表示的阶跃折射率设计称为匹配包层型，图（b）表示的阶跃折射率设计被称为凹陷包层型。图2-7G.652光纤的折射率湖北省电信有限公司中国电信湖北分公司242.1光纤的结构和分类4、按照ITU-T关于光纤的建议标准分类（2）G.653光纤G.653光纤也称色散位移光纤（DSF），是指色散零点在1550nm附近的光纤，它相对于G.652光纤，色散零点发生了移动，所以叫色散位移光纤。（3）G.654光纤G.654光纤是截止波长移位的单模光纤。其设计重点是降低1550nm的衰减，其零色散点仍然在1310nm附近，因而1550nm窗口的色散较高。G.654光纤主要应用于海底光纤通信。（4）G.655光纤由于G.653光纤的色散零点在1550nm附近，DWDM系统在零色散波长处工作易引起四波混频效应。为了避免该效应，将色散零点的位置从1550nm附近移开一定波长数，使色散零点不在1550nm附近的DWDM工作波长范围内。这种光纤就是非零色散位移光纤（NDSF）。湖北省电信有限公司中国电信湖北分公司252.1光纤的结构和分类4、按照ITU-T关于光纤的建议标准分类（5）G.656光纤G．656光纤是一种宽带非零色散平坦光纤，其特点在工作波长范围内色散应该大于所要求的非零值，有效面积合适，色散斜率基本为零。G.656光纤既可以显著降低系统的色散补偿成本，又可以发掘光纤潜在的巨大带宽，可以保证通道间隔100GHz、40Gbit/s系统至少传输400km。（6）G.657光纤G.657弯曲不敏感单模光纤同时具有极好的弯曲能力和低水峰。G.657光的抗弯曲性能在1800nm工作窗口范围内抑制了附加损耗。不仅适合L波段使用，而且易于安装，尤其是在光纤到户的网络中，光纤的弯曲半径能满足沿最小的墙角甫设。不仅如此，G.657光纤的模场直径与标准的G.652单模光纤一致，这使其与G.652光纤有低的连接损耗，包括熔接损耗和插损等。适用于FTTH。湖北省电信有限公司中国电信湖北分公司262.2.1折射和折射率光线在不同的介质中以不同的速度传播，描述介质的这一特征的参数就是折射率，或称折射指数。折射率可由下式确定：n=c/v其中ν是光在某种介质中的速度，с是光在真空中的速度。在折射率为n的介质中，光传播速度变为c/n，光波长变为0/n（0表示光在真空中的波长）。表2-1中给出了一些介质的折射率。表2-1不同介质的折射率材料空气水玻璃石英钻石折射率1.0031.331.52～1.891.432.422.2光纤的导光原理湖北省电信有限公司中国电信湖北分公司27当一条光线照射到两种介质相接的边界时，入射光线分成两束：反射光线和折射光线（如图2-9所示）。图2-8光的折射图2-9光的反射斯涅耳定律给出了定义这些光线方向的规则：1=3n1sin1=n2sin2全反射是光信号在光纤中传播的必要条件。2.2光纤的导光原理湖北省电信有限公司中国电信湖北分公司282.2.2光的偏振光波属于横波，即光的电磁场振动方向与传播方向垂直。如果光波的振动方向始终不变，只是光波的振幅随相位改变，这样的光称为线偏振光，如图2-10（c）和图2-10（d）所示。从普通光源发出的光不是偏振光，而是自然光，如图2-10（a）所示。自然光在传播的过程中，由于外界的影响在各个振动方向的光强不相同，某一个振动方向的光强比其他方向占优势，这种光称为部分偏振光，如图2-10（b）所示。2.2光