光通信基础知识.ppt
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1、湖北省电信有限公司湖北省电信有限公司中国电信湖北分公司中国电信湖北分公司120201111年年3 3月月光通信基础知识光通信基础知识 湖北省电信有限公司湖北省电信有限公司中国电信湖北分公司中国电信湖北分公司2提提 纲纲SDH技术技术光纤与光缆光纤与光缆光的基本知识光的基本知识光接入技术光接入技术WDM技术技术室内光缆室内光缆湖北省电信有限公司湖北省电信有限公司中国电信湖北分公司中国电信湖北分公司3培训目标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湖北省电信有限公司中国电信湖北分公司中国电信湖北分公司4第一章第一章 光学原理光学原理
2、1.1 光的概念光的概念1.2 光的传播光的传播湖北省电信有限公司湖北省电信有限公司中国电信湖北分公司中国电信湖北分公司51.1 光的概念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380 nm 到780 nm 之间,波长小于380 nm 的波又分别称为紫外线 X射线和伽马射线,而波长大于380 nm 的波则分别称为红外线和无线电波。光纤通信的波谱在1.671014Hz3.751014Hz
3、之间,即波长在0.8m1.8m之间,属于红外波段,将0.8m0.9m称为短波长,1.0m1.8m称为长波长,2.0m以上称为超长波长。1.1 光的概念光的概念湖北省电信有限公司湖北省电信有限公司中国电信湖北分公司中国电信湖北分公司61.1 光的概念光的概念光波波谱图光波波谱图湖北省电信有限公司湖北省电信有限公司中国电信湖北分公司中国电信湖北分公司71.1 光的概念光的概念各种单位的换算公式各种单位的换算公式c3108m/s(真空)1MHz(兆赫)106 Hzc/f1GHz(吉赫)109 Hz1m(微米)106m1THz(太赫)1012Hz1nm(纳米)109m1PHz(拍赫)1015 Hz1(
4、埃)1010m湖北省电信有限公司湖北省电信有限公司中国电信湖北分公司中国电信湖北分公司81.2 光的传播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,cf。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 光的传播光的传播湖北省电信有限公司湖北省电信有限公司中国电信湖北分公司中国电信湖北分公司91
5、.2 光的传播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 光的镜面反射定律光的镜面反射定律1.2.3 光的折射定律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
6、:n1*sin(B1)=n2*sin(B2)。湖北省电信有限公司湖北省电信有限公司中国电信湖北分公司中国电信湖北分公司101.2 光的传播光的传播光的反射、折射光的反射、折射湖北省电信有限公司湖北省电信有限公司中国电信湖北分公司中国电信湖北分公司111.2 光的传播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 光的全反射光的全反射湖北省电信有限公司湖北省电信有限公司中国电信湖北分
7、公司中国电信湖北分公司121.2 1.2 光的传播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 光的吸收光的吸收湖北省电信有限公司湖北省电信有限公司中国电信湖北分公司中国电信湖北分公司131.2 1.2 光的传播光的传播1.2.6 光的散射光的散射1.2.7 光的漫反射与漫透射光的
8、漫反射与漫透射光光在在不不均均匀匀的的媒媒介介中中传传播播时时,无无数数杂杂乱乱无无章章的的界界面面会会对对光进行多次无序的反射和折射,这种现象称为散射。光进行多次无序的反射和折射,这种现象称为散射。当当光光线线遇遇到到某某一一媒媒介介表表面面,该该媒媒介介表表面面的的粗粗糙糙度度与与光光的的波波长长接接近近或或略略大大于于时时光光的的波波长长时时,光光线线便便会会向向四四面面八八方方散散开开,散散开开的的光光线线有有的的回回到到原原媒媒介介,称称为为漫漫反反射射,有有的的进进入入该该媒媒介,称为漫透射。介,称为漫透射。湖北省电信有限公司湖北省电信有限公司中国电信湖北分公司中国电信湖北分公司1
9、41.2 1.2 光的传播光的传播1.2.8 光的偏振光的偏振1.2.9 光的干涉现象光的干涉现象1.2.10 1.2.10 光的衍射光的衍射光光波波有有垂垂直直于于光光传传播播方方向向的的电电场场,对对于于每每一一个个光光波波,都都有有一一个个由由场场方方向向和和传传播播方方向向组组成成的的平平面面,那那就就是是波波的的偏偏振振面面。大大多多数数光光源源发发出出的的光光都都是是非非偏偏振振光光,这这种种光光波波的的扁扁振振面面是是杂杂乱乱无无章章的的。某某些些透透明明晶晶体体仅仅对对便便振振面面在在某某一一特特定定方方向向上上的光波有透射,通过这种晶体透射出光,称为偏振光。的光波有透射,通过
10、这种晶体透射出光,称为偏振光。当当两两个个波波长长相相同同,相相位位固固定定的的波波相相遇遇时时,同同相相位位的的光光波波会会相相互互叠叠加加而而异异相相位位的的光光波波则则相相互互抵抵消消,这这种种现现象象就就是是光光的干涉。的干涉。光光线线绕绕着着障障碍碍物物边边缘缘发发生生弯弯曲曲的的现现象象,称称为为光光的的衍衍射射。光谱分析仪就是利用光的干涉和衍射原理制作的。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湖北省电信有限公司中国电信湖北分公司中国电信湖北分公司15第二章第二章 光纤与光缆光纤与光缆2.3 光纤的传输特性光纤的传输特性2.2 光纤的导光原理光纤的导光原理2
11、.1 光纤的结构和分类光纤的结构和分类2.4 光缆的结构和种类光缆的结构和种类湖北省电信有限公司湖北省电信有限公司中国电信湖北分公司中国电信湖北分公司162.1 光纤的结构和分类光纤的结构和分类2.1.1 2.1.1 光纤的结构光纤的结构 1.1.光纤结构光纤结构 光纤由光纤由纤芯、包层和涂覆层纤芯、包层和涂覆层3 3部分组成,如图部分组成,如图2-12-1所示。所示。图2-1 光纤的结构湖北省电信有限公司湖北省电信有限公司中国电信湖北分公司中国电信湖北分公司172.1 光纤的结构和分类光纤的结构和分类(1 1)纤芯:纤芯位于光纤的中心部位。)纤芯:纤芯位于光纤的中心部位。直径直径d d1=4
12、m1=4m50m50m,单模光纤的纤芯为,单模光纤的纤芯为4m4m10m10m,多模光纤的纤芯为,多模光纤的纤芯为50m50m。纤芯的成分是高纯度纤芯的成分是高纯度SiO2SiO2,掺有极少量的掺杂剂(如,掺有极少量的掺杂剂(如GeO2GeO2,P2O5P2O5),作用是提高纤芯对光的折射率(),作用是提高纤芯对光的折射率(n n1 1),以传),以传输光信号。输光信号。(2 2)包层:包层位于纤芯的周围。)包层:包层位于纤芯的周围。直径直径d d2=125m2=125m,其成分也是含有极少量掺杂剂的高纯,其成分也是含有极少量掺杂剂的高纯度度SiO2SiO2。而掺杂剂(如。而掺杂剂(如B2O3
13、B2O3)的作用则是适当降低包层对光)的作用则是适当降低包层对光的折射率(的折射率(n n2 2),使之略低于纤芯的折射率,即),使之略低于纤芯的折射率,即n n1 1n n2 2,它,它使得光信号封闭在纤芯中传输。使得光信号封闭在纤芯中传输。2.1.1 光纤的结构光纤的结构湖北省电信有限公司湖北省电信有限公司中国电信湖北分公司中国电信湖北分公司182.1 光纤的结构和分类光纤的结构和分类 (3)涂覆层:光纤的最外层为涂覆层,包括一次涂覆层,)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。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;一次涂覆层一般使用
14、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;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。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作用。涂覆后的光纤其外径约1.5mm。通常所说的光纤为。通常所说的光纤为此种光纤。此种光纤。2.1.1 光纤的结构光纤的结构湖北省电信有限公司湖北省电信有限公司中国电信湖北分公司中国电信湖北分公司19
15、2.1 光纤的结构和分类光纤的结构和分类2.1.2 2.1.2 光纤的分类光纤的分类 1.1.按按光纤的材料分类光纤的材料分类 (1 1)石英光纤)石英光纤 ;(2(2)全塑光纤)全塑光纤 ;2.2.按按光纤截面上折射率分布分类光纤截面上折射率分布分类 (1 1)阶跃型光纤;()阶跃型光纤;(2 2)渐变型光纤)渐变型光纤 ;图图2-2 2-2 光纤的折射率分布光纤的折射率分布湖北省电信有限公司湖北省电信有限公司中国电信湖北分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迹分别如图2-3和图和图2-4所示。所示。图图2
16、-3 2-3 光在阶跃折射率多模光纤中的传播光在阶跃折射率多模光纤中的传播图图2-4 2-4 光在渐变折射率多模光纤中的传播光在渐变折射率多模光纤中的传播2.1 2.1 光纤的结构和分类光纤的结构和分类湖北省电信有限公司湖北省电信有限公司中国电信湖北分公司中国电信湖北分公司212.1 2.1 光纤的结构和分类光纤的结构和分类3 3、按、按传输模数分类传输模数分类 按传输模的数量不同,光纤分为多模光纤和单模按传输模的数量不同,光纤分为多模光纤和单模光纤。光纤。传播模式概念:当光在光纤中传播时,如果光纤传播模式概念: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,光在光纤中会以纤芯的几
17、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。如图几十种乃至几百种传播模式进行传播。如图2-52-5中所示。中所示。这些不同的光束称为模式。这些不同的光束称为模式。图图2-5 光在阶跃折射率光纤中的传播光在阶跃折射率光纤中的传播湖北省电信有限公司湖北省电信有限公司中国电信湖北分公司中国电信湖北分公司222.1 2.1 光纤的结构和分类光纤的结构和分类(1 1)多模光纤)多模光纤 当光纤的几何尺寸(主要是芯径当光纤的几何尺寸(主要是芯径d d1 1)远大于光波波长时(约)远大于光波波长时(约1m1m),光纤传输的过程中会存在着几十种乃至几百种传输模式,),光纤传输的过程
18、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。如图这样的光纤称为多模光纤。如图2-32-3和图和图2-42-4所示。所示。(2 2)单模光纤)单模光纤 当光纤的几何尺寸(主要是芯径当光纤的几何尺寸(主要是芯径d d1 1 )较小,与光波长在同)较小,与光波长在同一数量级,如芯径一数量级,如芯径d d1 1在在4m4m10m10m范围,这时,光纤只允许一种范围,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。如图称为单模光纤。如图2-62-6所示。所示。图图2-6 2-6 光在单模光纤
19、中的传播轨迹光在单模光纤中的传播轨迹湖北省电信有限公司湖北省电信有限公司中国电信湖北分公司中国电信湖北分公司232.1 2.1 光纤的结构和分类光纤的结构和分类4 4、按照、按照ITU-TITU-T关于光纤的建议标准分类关于光纤的建议标准分类 (1 1)G.652G.652光纤光纤 G.652G.652光纤,也称标准单模光纤(光纤,也称标准单模光纤(SMFSMF),),是指色散零是指色散零点(即色散为零的波长)在点(即色散为零的波长)在1310nm1310nm附近的光纤。它的折射附近的光纤。它的折射率分布如图率分布如图2-72-7所示。图(所示。图(a a)表示的阶跃折射率设计称为)表示的阶跃
20、折射率设计称为匹配包层型,图(匹配包层型,图(b b)表示的阶跃折射率设计被称为凹陷包)表示的阶跃折射率设计被称为凹陷包层型。层型。图图2-7 G.6522-7 G.652光纤的折射率光纤的折射率湖北省电信有限公司湖北省电信有限公司中国电信湖北分公司中国电信湖北分公司242.1 2.1 光纤的结构和分类光纤的结构和分类4 4、按照按照ITU-T关于光纤的建议标准分类关于光纤的建议标准分类 (2)G.653光纤光纤 G.653光纤也称色散位移光纤(光纤也称色散位移光纤(DSF),),是指色散零点是指色散零点在在1550nm附近的光纤,它相对于附近的光纤,它相对于G.652光纤,色散零点发光纤,色
21、散零点发生了移动,所以叫色散位移光纤。生了移动,所以叫色散位移光纤。(3)G.654光纤光纤 G.654光纤是截止波长移位的单模光纤。光纤是截止波长移位的单模光纤。其设计重点是其设计重点是降低降低1550nm的衰减,其零色散点仍然在的衰减,其零色散点仍然在1310nm附近,因附近,因而而1550nm窗口的色散较高。窗口的色散较高。G.654光纤主要应用于海底光光纤主要应用于海底光纤通信。纤通信。(4)G.655光纤光纤 由于由于G.653光纤的色散零点在光纤的色散零点在1550nm附近,附近,DWDM系系统在零色散波长处工作易引起四波混频效应。为了避免该统在零色散波长处工作易引起四波混频效应。
22、为了避免该效应,将色散零点的位置从效应,将色散零点的位置从1550nm附近移开一定波长数,附近移开一定波长数,使色散零点不在使色散零点不在1550nm附近的附近的DWDM工作波长范围内。工作波长范围内。这种光纤就是非零色散位移光纤(这种光纤就是非零色散位移光纤(NDSF)。)。湖北省电信有限公司湖北省电信有限公司中国电信湖北分公司中国电信湖北分公司252.1 光纤的结构和分类光纤的结构和分类4 4、按照按照ITU-T关于光纤的建议标准分类关于光纤的建议标准分类 (5)G.656光纤光纤 G656光纤是一种宽带非零色散平坦光纤,光纤是一种宽带非零色散平坦光纤,其特点在其特点在工作波长范围内色散应
23、该大于所要求的非零值,有效面积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。合适,色散斜率基本为零。G.656光纤既可以显著降低系统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,可以保证通道间隔保证通道间隔100GHz、40Gbit/s系统至少传输系统至少传输400km。(6)G.657光纤光纤 G.657弯曲不敏感单模光纤同时具有极好的弯曲能力和弯曲不敏感单模光纤同时具有极好的弯曲能力和低水峰。低水峰。G.657光的抗弯曲性能在光的抗弯曲性能在1800nm工作窗口范围内工作窗口范围内抑制了附加
24、损耗。不仅适合抑制了附加损耗。不仅适合L波段使用,而且易于安装,尤波段使用,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,的墙角甫设。不仅如此,G.657光纤的模场直径与标准的光纤的模场直径与标准的G.652单模光纤一致,这使其与单模光纤一致,这使其与G.652光纤有低的连接损耗,光纤有低的连接损耗,包括熔接损耗和插损等。适用于包括熔接损耗和插损等。适用于FTTH。湖北省电信有限公司湖北省电信有限公司中国电信湖北分公司中国电信湖北分公司26 2.2.1 折射和折射率折射和折射率 光线在不同的介质中以不同
25、的速度传播,描述介质的这一特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: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 n=c/vc/v 其中其中是光在某种介质中的速度,是光在某种介质中的速度,是光在真空中的速度。是光在真空中的速度。在折射率为在折射率为n n的介质中,光传播速度变为的介质中,光传播速度变为c c/n n,光波长变为,光波长变为 0 0/n n(0 0表示光在真空中的波长)。表表示光在真空中的波长)。表2-12-1中给出了一些介质的中给出了一些介质的折射率。折射率。表表2-1 2-1 不同介质的折射率不同介
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