弱電工程傳輸知識(shí)普及
在弱電行業(yè)，光纖的應(yīng)用涉及到各個(gè)領(lǐng)域，光纖傳輸知識(shí)是我們必須熟知的內(nèi)容，今天一舟為您普及我們經(jīng)常用的光纖知識(shí)。對(duì)于一些新手很有幫助！
正文：
光纖通信的優(yōu)點(diǎn)
●通信容量大
●中繼距離長(zhǎng)
●不受電磁干擾
●資源豐富
●光纖重量輕、體積小
光通信發(fā)展簡(jiǎn)史
2000多年前，烽火臺(tái)——燈光、旗語(yǔ)
1880年，光電話——無(wú)線光通信
1970年，光纖通信
●1966年“光纖之父”高錕博士首次提出光纖通信的想法。
●1970年貝爾研究所林嚴(yán)雄在室溫下可連續(xù)工作的半導(dǎo)體激光器。
●1970年康寧公司的卡普隆(Kapron) 之作出損耗為20dB/km光纖。
●1977年芝加哥第一條45Mb/s的商用線路。
電磁波譜
通信波段劃分及相應(yīng)傳輸媒介
光的折射/反射和全反射
因光在不同物質(zhì)中的傳播速度是不同的，所以光從一種物質(zhì)射向另一種物質(zhì)時(shí)，在兩種物質(zhì)的交界面處會(huì)產(chǎn)生折射和反射。而且，折射光的角度會(huì)隨入射光的角度變化而變化。當(dāng)入射光的角度達(dá)到或超過(guò)某一角度時(shí)，折射光會(huì)消失，入射光全部被反射回來(lái)，這就是光的全反射。不同的物質(zhì)對(duì)相同波長(zhǎng)光的折射角度是不同的（即不同的物質(zhì)有不同的光折射率），相同的物質(zhì)對(duì)不同波長(zhǎng)光的折射角度也是不同。光纖通訊就是基于以上原理而形成的。
反射率分布：表征光學(xué)材料的一個(gè)重要參數(shù)是折射率，用N表示，真空中的光速C與材料中光速V之比就是材料的折射率。
N＝C/V
光纖通信用的石英玻璃的折射率約為1.5
光通信的發(fā)展過(guò)程
光的基本知識(shí)
光纖結(jié)構(gòu)
光纖裸纖一般分為三層：
第一層：中心高折射率玻璃芯（芯徑一般為9-10μm,(單模）50或62.5（多模）。
第二層：中間為低折射率硅玻璃包層（直徑一般為125μm）。
第三層：最外是加強(qiáng)用的樹(shù)脂涂層。
1)纖芯 core：折射率較高，用來(lái)傳送光；
2)包層 coating：折射率較低，與纖芯一起形成全反射條件；
3)保護(hù)套 jacket：強(qiáng)度大，能承受較大沖擊，保護(hù)光纖。
3mm光纜 ：橘色， MM，多模；黃色，SM，單模
光纖的尺寸
外徑一般為125um(一根頭發(fā)平均100um)
內(nèi)徑：?jiǎn)文?um；多模50/62.5um
數(shù)值孔徑
入射到光纖端面的光并不能全部被光纖所傳輸，只是在某個(gè)角度范圍內(nèi)的入射光才可以。這個(gè)角度就稱為光纖的數(shù)值孔徑。光纖的數(shù)值孔徑大些對(duì)于光纖的對(duì)接是有利的。不同廠家生產(chǎn)的光纖的數(shù)值孔徑不同
光纖的種類
按光在光纖中的傳輸模式可分為：
多模（Multi-Mode） (簡(jiǎn)稱：MM） ；單模（Single-Mode）(簡(jiǎn)稱：SM）
多模光纖：中心玻璃芯較粗（50或62.5μm），可傳多種模式的光。但其模間色散較大，這就限制了傳輸數(shù)字信號(hào)的頻率，而且隨距離的增加會(huì)更加嚴(yán)重。例如：600MB/KM的光纖在2KM時(shí)則只有300MB的帶寬了。因此，多模光纖傳輸?shù)木嚯x就比較近，一般只有幾公里。
單模光纖：中心玻璃芯較細(xì)（芯徑一般為9或10μm），只能傳一種模式的光。實(shí)際上是階躍型光纖的種，只是纖芯徑很小，理論上只允許單一傳播途徑的直進(jìn)光入射至光纖內(nèi)，并在纖芯內(nèi)作直線傳播。光纖脈沖幾乎沒(méi)有展寬。因此，其模間色散很小，適用于遠(yuǎn)程通訊，但其色度色散起主要作用，這樣單模光纖對(duì)光源的譜寬和穩(wěn)定性有較高的要求，即譜寬要窄，穩(wěn)定性要好。
光纖的分類
按材料分類：
玻璃光纖：纖芯與包層都是玻璃，損耗小，傳輸距離長(zhǎng)，成本高；
膠套硅光纖：纖芯是玻璃，包層為塑料，特性同玻璃光纖差不多，成本較低；
塑料光纖：纖芯與包層都是塑料，損耗大，傳輸距離很短，價(jià)格很低。多用于家電、音響，以及短距的圖像傳輸。
按最佳傳輸頻率窗口：常規(guī)型單模光纖和色散位移型單模光纖。
常規(guī)型：光纖生產(chǎn)長(zhǎng)家將光纖傳輸頻率最佳化在單一波長(zhǎng)的光上，如1300nm。
色散位移型：光纖生產(chǎn)長(zhǎng)家將光纖傳輸頻率最佳化在兩個(gè)波長(zhǎng)的光上，如：1300nm和1550nm。
突變型：光纖中心芯到玻璃包層的折射率是突變的。其成本低，模間色散高。適用于短途低速通訊，如：工控。但單模光纖由于模間色散很小，所以單模光纖都采用突變型。
漸變型光纖：光纖中心芯到玻璃包層的折射率是逐漸變小，可使高模光按正弦形式傳播，這能減少模間色散，提高光纖帶寬，增加傳輸距離，但成本較高，現(xiàn)在的多模光纖多為漸變型光纖。
常用光纖規(guī)格
光纖尺寸：
1)單模纖芯直徑：9/125μm，10/125μm
2)包層外徑（2D）＝125μm
3)一次涂敷外徑＝250μm
4)尾纖：300μm
5)多模：50/125μm，歐洲標(biāo)準(zhǔn)；62.5/125μm，美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)
6)工業(yè)，醫(yī)療和低速網(wǎng)絡(luò)：100/140μm， 200/230μm
7)塑料：98/1000μm，用于汽車(chē)控制
光纖衰減
造成光纖衰減的主要因素有：本征，彎曲，擠壓，雜質(zhì)，不均勻和對(duì)接等。
本征：是光纖的固有損耗，包括：瑞利散射，固有吸收等。
彎曲：光纖彎曲時(shí)部分光纖內(nèi)的光會(huì)因散射而損失掉，造成的損耗。
擠壓：光纖受到擠壓時(shí)產(chǎn)生微小的彎曲而造成的損耗。
雜質(zhì)：光纖內(nèi)雜質(zhì)吸收和散射在光纖中傳播的光，造成的損失。
不均勻：光纖材料的折射率不均勻造成的損耗。
對(duì)接：光纖對(duì)接時(shí)產(chǎn)生的損耗，如：不同軸（單模光纖同軸度要求小于0.8μm），端面與軸心不垂直，端面不平，對(duì)接心徑不匹配和熔接質(zhì)量差等。
光纜的種類
1)按敷設(shè)方式分有：自承重架空光纜，管道光纜，鎧裝地埋光纜和海底光纜。
2)按光纜結(jié)構(gòu)分有：束管式光纜，層絞式光纜，緊抱式光纜，帶式光纜，非金屬光纜和可分支光纜。
3)按用途分有：長(zhǎng)途通訊用光纜、短途室外光纜、混合光纜和建筑物內(nèi)用光纜。
光纜的接續(xù)與成端
光纜的接續(xù)與成端是光纜線路維護(hù)人員必須掌握的基本技能。
光纜的接續(xù)技術(shù)分類：
1)光纖的接續(xù)技術(shù)和光纜的接續(xù)技術(shù)兩部分。
2)光纜的成端類似光纜的接續(xù)，只不過(guò)由于接頭材料不同而操作該當(dāng)也有所不同。
光纖接續(xù)的種類
光纜接續(xù)一般可分為兩大類：
1)光纖的固定接續(xù)（俗稱死接頭）。一般采用光纖熔接機(jī)；用于光纜直接頭。
2)光纖的活動(dòng)接頭（俗稱活接頭）。用能夠拆卸的連接器連接（俗稱活接頭）。用于光纖跳線、設(shè)備連接等地方
由于光纖端面的不完整性和光纖端面壓力的不均勻性，一次放電熔接光纖的接頭損耗還比較大，現(xiàn)在采用二次放電熔接法。先對(duì)光纖端面預(yù)熱放電，給端面整形，去除灰塵和雜物，同時(shí)通過(guò)預(yù)熱使光纖端面壓力均勻。
光纖連接損耗的監(jiān)測(cè)方法
光纖連接損耗的監(jiān)測(cè)方法有三種：
1、在熔接機(jī)上進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
2、光源、光功率計(jì)監(jiān)測(cè)。
3、OTDR測(cè)量法
光纖接續(xù)的操作方法
光纖接續(xù)操作一般分為：
1、光纖端面的處理。
2、光纖的接續(xù)安裝。
3、光纖的熔接。
4、光纖接頭的保護(hù)。
5、余纖的盤(pán)留五個(gè)步驟。
通常整個(gè)光纜的接續(xù)按以下步驟進(jìn)行：
第一步：大量好長(zhǎng)度，開(kāi)剝光纜，除去光纜護(hù)套；
第二步：清洗、去除光纜內(nèi)的石油填充膏。
第三步：捆扎好光纖。
第四步：檢查光纖心數(shù)，進(jìn)行光纖對(duì)號(hào)，核對(duì)光纖色標(biāo)是否有誤；
第五步：加強(qiáng)心接續(xù)；
第六步：各種輔助線對(duì)，包括公務(wù)線對(duì)、控制線對(duì)、屏蔽地線等接續(xù)（如果有上述線對(duì)。
第七步：光纖的接續(xù)。
第八步：光纖接頭保護(hù)處理；
第九步：光纖余纖的盤(pán)庫(kù)留處理；
第十步：完成光纜護(hù)套的接續(xù)；
第十一步：光纜接頭的保護(hù)。
光纖的損耗
1310 nm : 0.35 ~ 0.5 dB/Km
1550 nm : 0.2 ~ 0.3dB/Km
850 nm : 2.3 ~ 3.4 dB/Km
光纖熔接點(diǎn)損耗：0.08dB/點(diǎn)
光纖熔接點(diǎn) 1點(diǎn)/2km
常見(jiàn)光纖名詞
1)衰減
衰減：光在光纖中傳輸時(shí)的能量損耗，單模光纖1310nm 0.4~0.6dB/km，1550nm 0.2~0.3dB/km；塑料多模光纖300dB/km
2)色散
色散(Dispersion)：光脈沖沿著光纖行進(jìn)一段距離后造成的頻寬變粗。它是限制傳輸速率的主要因素。
模間色散：只發(fā)生在多模光纖，因?yàn)椴煌Ｊ降墓庋刂煌穆窂絺鬏敗?/span>
材料色散：不同波長(zhǎng)的光行進(jìn)速度不同。
波導(dǎo)色散：發(fā)生原因是光能量在纖芯及包層中傳輸時(shí)，會(huì)以稍有不同的速度行進(jìn)。在單模光纖中，通過(guò)改變光纖內(nèi)部結(jié)構(gòu)來(lái)改變光纖的色散非常重要。
光纖類型
G.652零色散點(diǎn)在1300nm左右
G.653零色散點(diǎn)在1550nm左右
G.654負(fù)色散光纖
G.655色散位移光纖
全波光纖
3)散射
由于光線的基本結(jié)構(gòu)不完美，引起的光能量損失，此時(shí)光的傳輸不再具有很好的方向性。
光纖系統(tǒng)基礎(chǔ)知識(shí)
基本光纖系統(tǒng)的構(gòu)架及其功能介紹：
1.發(fā)送單元：把電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)；
2.傳輸單元：載送光信號(hào)的介質(zhì)；
3.接收單元：接收光信號(hào)并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)；
4.連接器件：連接光纖到光源、光檢測(cè)以及其它光纖。
常用連接器類型
連接頭端面類型
耦合器（coupler）
主要功能在分配光信號(hào)，重要應(yīng)用在光纖網(wǎng)絡(luò)，尤其是應(yīng)用在局域網(wǎng)，在波分復(fù)用器件上應(yīng)用。
基本結(jié)構(gòu)
耦合器是雙向無(wú)源器件，基本形式有樹(shù)型、星型，與耦合器對(duì)應(yīng)的有分路器（splitter）
以圖形表示
波分復(fù)用器
WDM—Wavelength Division Multiplexer在一條光纖中傳輸多個(gè)光信號(hào)，這些光信號(hào)頻率不同，顏色不同。波分復(fù)用器就是要把多個(gè)光信號(hào)耦合進(jìn)同一根光纖中；解波分復(fù)用器就是從一根光纖中把多個(gè)光信號(hào)區(qū)分出來(lái)。
波分復(fù)用器（圖例）
發(fā)送單元
接收單元
放大器
光纖數(shù)字通信
數(shù)字系統(tǒng)中脈沖的定義：
1.振幅：脈沖的高度在一舟光纖系統(tǒng)中表示光功率能量。
2.上升時(shí)間：脈沖從最大振幅的10%上升到90%所需要的時(shí)間。
3.下降時(shí)間：脈沖從振幅的90%下降到10%所需要的時(shí)間。
4.脈沖寬度：脈沖在50%振幅位置的寬度，用時(shí)間表示。
5.周期：脈沖特定的時(shí)間，就是完成一個(gè)循環(huán)所需要的工作時(shí)間。
6.消光比：1信號(hào)光功率于0信號(hào)光功率的比值。
光纖通信中常用單位的定義：
1. dB = 10 log10 ( Pout / Pin )
Pout ：輸出功率； Pin ：輸入功率
2. dBm = 10 log10 ( P / 1mw)，是通信工程中廣泛使用的單位；通常表示以1毫瓦為參考的光功率；
example： –10dBm表示光功率等于100uw。
3. dBu = 10 log10 ( P / 1uw) 一舟
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