光學基礎1概要課件

1、光學基礎無源器件篇光學基礎無源器件篇光纖的種類按傳播模式分類：多模光纖和單模光纖1、多模光纖：多模光纖纖芯的幾何尺寸遠大于光波波長，一般為50um、62.5um；光信號是以多個模式方式進行傳播的，光信號的波長以主從模為準。不同的傳播模式會具有不同的傳速度和相位，因此經過長距離的傳播之后會產生時延，導致光脈沖變寬，叫做光纖模式色散或模間色散。由于模間色散影響較嚴重，降低了多模光纖的傳輸容量和距離，多模光纖僅用于較小容量、短距離的光纖傳輸通信。50/125m漸變折射率多模光纖中傳輸模的數目大約是62.5/125m多模光纖中傳輸模的1/2.5，有效地降低了多模光纖的模色散，使得帶寬得到了顯著的增加。

2、2、單模光纖：當光纖的幾何尺寸可以與光波長相比擬時，即纖芯的幾何尺寸與光信號波長相差不大時，一般為510um，光纖只允許一種模式在其中傳播，其他的高次模全部被截止，這樣的光纖叫做單模光纖。單模光纖只允許一種模式在其中傳播，從而避免了模間色散的問題，故單模光纖具有極寬的帶寬，特別適用于大容量的光纖通信。 按工作波長分類：短波長光纖和長波長光纖短波長的光信號波長在600nm900nm之間，長波長的光信號在13101550nm之間，長波長光纖因具有衰減低，帶寬寬等優(yōu)點，適用于長距離、大容量的光纖傳輸。光纖的種類按傳播模式分類：多模光纖和單模光纖光纖結構光纖結構可分成三部分： 纖芯Core (SiO2

3、摻雜GeO2, 折射率n1) 包層Clad (SiO2摻雜B2O3或F, 折射率n2) n1 n2 涂覆層Coating (環(huán)氧樹脂或硅橡膠)單模光纖: 9/125/250um；多模光纖: 50/125/250um (Bare Fiber 裸光纖)再外面還有緩沖層及套塑層 (尼龍、聚乙烯或聚丙烯等材料)光纖外徑可選擇0.9mm,2.0mm,3.0mm (900um, 2000um, 3000um)光纖結構光纖結構可分成三部分：光纖截面光纖截面多模光纖與單模光纖1. 單模光纖是只傳導一個模式的光纖2. 多模光纖是傳導多個模式的光纖階躍多模光纖Step Index Fiber梯度多模光纖GIF:

4、Graded Index Fiber折射率分布折射率分布階躍光纖，脈沖展寬嚴重，傳輸帶寬窄。梯度光纖的模間色散要比階躍光纖小得多，從而有更高的傳輸帶寬。多模光纖與單模光纖1. 單模光纖是只傳導一個模式的光纖2. 常用光纖類型11、 G.651光纖 (多模光纖) 多模漸變光纖（GIF：Graded Index Fiber） ITU-T G.651光纖即OM2/OM3多模光纖（50/125)。ITU-T推薦光纖中 并沒有OM1多模光纖（62.5/125)，但它們在美國仍非常普遍使用。 工作窗口：850 nm 應用：接入網， 局域網 缺點：不能用于大容量，長距離通信 Corning InfiniCo

5、r SXi (OM2-150) # Corning InfiniCor SX+ (OM3-300) Corning InfiniCor eSX+ (OM3-550, a.k.a. OM4) 常用光纖類型11、 G.651光纖 (多模光纖)常用光纖類型22、 G.652光纖 (非色散位移單模光纖) 常規(guī)單模光纖或非色散位移光纖（第一代單模光纖） 分G.652.A、B、C、D四種規(guī)格，每種規(guī)格的性能不同 在1310nm波長窗口色散性能最佳，是目前應用最廣泛的光纖 工作窗口：在1310nm處(零色散)，色散小，衰耗大 -PDH 在1550nm處(最小損耗) ，色散大，衰耗小 SDH CorningS

6、MF-28 (dual-window single-mode fiber) # CorningSMF-28e single-mode fiber with low water peak attenuation (an ITU-T G.652.D-compliant optical fiber，也稱全波光纖或低水峰光纖) G.652A型光纖，支持10Gbit/s系統(tǒng)傳輸距離可達400km，10Gbit/s以太網的傳輸達40km， 支持40Gbit/s系統(tǒng)的距離為2km。 G.652B型光纖，支持10Gbit/s系統(tǒng)傳輸距離可達3000km以上，40Gbit/s系統(tǒng)的 傳輸距離為80km。 G.6

7、52C型光纖，基本屬性與G.652A相同，但在1550nm的衰減系數更低，而且 消除了1380nm附近的水吸收峰，即系統(tǒng)可以工作在13601530nm波段。 G.652D型光纖，屬性與G.652B光纖基本相同，而衰減系數與G.652C光纖相同，即 系統(tǒng)可以工作在13601530nm波段。常用光纖類型22、 G.652光纖 (非色散位移單模光纖)常用光纖類型33、 G.653光纖 (色散位移單模光纖) 色散位移光纖（DSF: Dispersion Shifted Fiber）（第二代單模光纖） 工作窗口：在1550nm，衰耗和色散皆為最小，可實現大容量長距離傳輸通過制造工藝將零色散轉移到1550

8、nm處，使得光纖在1550處同時具有零色散和最小損耗。 應用：長距離全光中繼傳輸，光孤子通信。 缺點：1550nm 的零色散因出現四波混頻效應(FWM), 帶來嚴重的非線形效應，不利于WDM(波分復用)方面的應用。常用光纖類型33、 G.653光纖 (色散位移單模光纖)常用光纖類型4-54、 G.654光纖 (截止波長位移單模光纖) 超低損耗光纖，主要用于海底光纜 1550nm最低損耗單模光纖 (選用純SiO2芯來降低光纖的衰減) 在G.652光纖的基礎上將1550nm處的 損耗進一步降低為0.18dB/km 工作窗口：1550nm 應用：長距離無中繼傳輸的海底光纜，制造困難，價格昂貴。5、G

9、.655光纖 (非零-色散位移單模光纖) 非零-色散位移光纖 (NZ-DSF: Non Zero-DSP)，屬于色散位移光纖， 不過在1550nm處色散不是零值，克服了G.652光纖在1550nm處色散受限和 G.653光纖在1550nm處零色散出現四波混頻非線形效應的缺陷 (將1550nm處 的零色散向 1525nm或1585nm處轉移，1550處的微小色散來控制非線形效應) 工作波長：1550nm 應用：DWDM系統(tǒng)，光孤子通信常用光纖類型4-54、 G.654光纖 (截止波長位移單模光常用光纖類型6-76、G.656光纖 (低斜率非零-色散位移單模光纖)G.656是未來導向光纖，工作波長

10、明顯增大，包括S， C和L波段(1460到1625nm) ，是非零-色散位移光纖 (NZ-DSF)的一種，對于色散的速度有嚴格的要求 工作窗口： 1460到1625nm 應用：確保DWDM系統(tǒng)中更大波長范圍的傳輸性能。7、G.657光纖 (耐彎單模光纖) ITU-T光纖系列中的最新成員。 根據FTTx技術需求及組裝應用而生的新產品。 G.657A光纖與G.652光纖兼容 工作波長：1310nm(色散小，衰耗大)，1550nm(色散大，衰耗小) 應用： FTTx (FTTx技術最常用的光纖為G.652和G.657)常用光纖類型6-76、G.656光纖 (低斜率非零-色散位移光纖選擇多模光纖單模光

11、纖名稱漸變折射率多模光纖非色散位移單模光纖 非零色散位移單模光纖寬帶光傳輸用非零色散單模光纖小彎曲半徑光纖ITU-T分類G.651G.652G.655G.656G.657子分類50/12562.5/125A、BC、DA、B、CIEC分類A1aA1bB1.1B1.3B4子系列俗稱傳統(tǒng)50/125新一代50/125BIF15等代號OM2: 1G/2000OM3:10G 150/300/500OM1應用場合以太網、視頻等局域網，覆蓋距離2km以內高速以太網、辦公樓豎井布線、局域網匯聚層鏈路等，對應距離以太網、視頻等局域網，覆蓋距離2km以內通信干線、城域網、本地網、光纖接入等，中繼距離達600km，

12、以太網通信達20km通信干線、城域網、本地網、光纖接入等，中繼距離達600km，以太網通信可以達20km，多業(yè)務密集波分復用，骨干網等粗波分復用和密集波分復用系統(tǒng)FTTH應用，樓內布線光纖選擇多模光纖單模光纖名稱漸變折射率多模光纖非色散位移單模常用光纖類型簡表名稱工作窗口特點應用G.651多模漸變光纖850nm便宜中小容量、短距離G.652常規(guī)單模光纖(非色散位移單模光纖)1310nm零色散PDH1550nm最低損耗SDHG.653色散位移單模光纖1550nm零色散和最低損耗長途干線G.654最低損耗單模光纖1550nm進一步降低最低損耗海底長途干線G.655非零色散位移單模光纖1550nm零

13、色散在1550附近DWDM光孤子通信常用光纖類型簡表名稱工作窗口特點應用G.651多模漸變光纖8常用多模光纖ISO/IEC 11801在2002年9月正式頒布了新的多模光纖標準等級，將多模光纖重新分為OM1、OM2和OM3三類，其中OM1指目前傳統(tǒng)62.5m多模光纖，OM2指目前傳統(tǒng)50m多模光纖，OM3就是新增的50m萬兆光纖。傳統(tǒng)的62.5m多模光纖在850nm的帶寬只有200MHz，即使在1300nm的帶寬也只有 500MHz，根本就無法真正進行萬兆傳輸，而OM3萬兆50m多模光纖在850nm的帶寬可以高達2000MHz.Km。 傳統(tǒng)的OM1和OM2多模光纖從標準上和設計上均以LED方式

14、為基礎，隨著網絡速率和規(guī)模的提高，調制速率達到 Gb/s的短波長VCSEL激光光源成為高速網絡的光源之一。由于兩種發(fā)光器件的不同，必須對光纖本身進行改造，以適應光源的變化。 為了滿足10Gb/s傳輸速率的需要，國際標準化組織/國際電工委員會（iso/iec）和美國電信工業(yè)聯盟（itatr42）聯合起草了新一代多模光纖的標準。iso/iec在其所制定的新的多模光纖等級中將新一代多模光纖劃為OM3類別。 OM4光纖是一種激光優(yōu)化型纖芯為50m的多模光纖，目前標準確定的指標實際是一種OM3多模光纖的升級版?，F在許多康寧公司在市場上銷售的OM3光纖，其實際指標已經達到OM4的標準。目前的OM4標準與O

15、M3光纖相比，只是在光纖帶寬指標做了提升。即OM4標準在850nm波長的有效模式帶寬（EMB）和滿注入帶寬（OFL）相比OM3 光纖都做了提高。常用多模光纖ISO/IEC 11801在2002年9月正式頒光纖的損耗、色散光通道參數：衰減、色散光信號在光纖中傳輸的距離要受到色散和衰減的雙重影響。衰減使在光纖中傳輸的光信號隨著傳輸距離的增加而功率下降。850nm窗口每公里衰減：3.03.5dB/km1310nm窗口每公里衰減： 0.30.4dB/km1490nm每公里衰減：0.250.3dB/km1550nm窗口每公里衰減：0.150.25dB/km活動連接器衰耗：一般每個為0.5 dB熔接頭：每

16、個為0.1 dB實際接收光功率與接收靈敏度相比較，前者應比后者高5dB以上，才能保證光傳輸系統(tǒng)長期正常工作。色散會使在光纖中傳輸的數字脈沖展寬，引起碼間干擾，降低信號質量，導致帶寬降低。光纖的損耗、色散光通道參數：衰減、色散光纖損耗譜特性 石英光纖本身的光傳輸損耗或衰減來自金屬雜質離子和 OH 根的吸收損耗石英材料不均勻或缺陷的散射損耗，且隨波長的增加而下降。但是位于1385nm 和 1245nm 的 OH 根吸收峰 (水吸收峰) 改變了單調下降的光纖損耗特性曲線的形狀，在光纖通信用 800nm1800nm 的波長范圍內，形成了損耗相對較平坦的三個工作波長窗口。第一、二、三窗口的中心波長分別是

17、850、1310 和 1550nm，其典型損耗分別為 2dB/km0.35dB/km0.2dB/km。損耗主要機理：材料吸收、瑞利散射和輻射損耗通過超純光纖生產工藝削去1.24m及1.39m的0H-峰,實現12001650m的全波光纖,最大損耗不超過0.5dB/km,為波分復用在更寬的光波范圍內的應用提供了可能。光纖損耗譜特性 石英光纖本身的光傳輸損耗或衰減來自金損耗起因吸收損耗：光波通過光纖材料時，一部分光能變成熱能，造成光功率的損失。本征吸收：是光纖基礎材料(如SiO2)固有的吸收，不是雜質或缺陷引起的， 因此，本征吸收基本確定了某一種材料吸收損耗的下限。 （紫外吸收、紅外吸收）雜質吸收：

18、由光纖材料的不純凈而造成的附加吸收損耗。 （金屬離子、OH離子、H2）散射損耗：由于光纖的材料、形狀、折射率分布等的缺陷或不均勻，使光纖、 中傳導的光與微小粒子相碰撞發(fā)生散射，由此產生的損耗。散射：指光通過密度或折射率等不均勻的物質時，除了在光的傳播方向以外， 在其他方向也可以看到光，這種現象叫光的散射。附加損耗：微彎損耗：光纖側面受到不均勻壓力，軸向上發(fā)生微米級 彎曲，造成纖芯 與包層界面微小凹凸，產生光輻射損耗。彎曲損耗：光纖彎曲的曲率半徑較小，光泄露到包層中，產生損耗。接續(xù)損耗：光纖接續(xù)時，兩纖芯間不完全吻合，致使一根光纖的出射光泄露 到包層而輻射損耗掉。損耗起因吸收損耗：光波通過光纖材

19、料時，一部分光能變成熱能，造多模光纖的模間色散、差模延遲(DMD)輸出有一定的時延差，使光譜變寬產生色散，導致 帶寬降低，不利于高速 數字傳輸。 脈沖展寬嚴重時會使相鄰碼元的脈沖發(fā)生部分重疊 而造成碼間干擾。為降低碼間干擾，勢必要限制傳輸 距離以減少色散或增加碼間間距，即降低傳輸碼速。脈沖展寬輸入光脈沖輸出光脈沖光帶寬差模延遲 (DMD，Differential Mode Delay)什么是DMD？多模光纖在傳送光脈沖時，光脈沖在傳送過程中會發(fā)散展寬，當這種發(fā)散狀況嚴重到一定程度后，前后脈沖之間會相互疊加，使得接收端根本無法準確分辨每一個光脈沖信號，這種現象被稱為DMD。它是接收端收到的第一個

20、和最后一個脈沖之間的時間差。光傳輸速率越高，這種現象就越明顯。DMD越低，系統(tǒng)的碼間干擾越小。改善光纖的制造工藝可以很大程度上減小DMD。所以當傳輸10Gb/s速率時，普通光纖只能傳60米，這么短的距離根本無法滿足智能建筑的需要。所以，國際標準TIA/EIA-455-220或IEC 60793-1-49明確指出，萬兆光纖必須通過DMD測試。也就是說，未能通過DMD測試的OM3光纖不是“萬兆光纖”。所以，用戶選擇“萬兆光纖”時，一定要查看一下該“萬兆光纖”是否通過DMD測試。多模光纖的模間色散、差模延遲(DMD)輸出有一定的時延差，使多模光纖的有效模帶寬(EMB)與距離光纖等級光纖型號帶寬（MH

21、z.km）衰減（db/km）10Gbps距離OFBOverfilledBandwidth全模式帶寬EMBEffective ModalBandwidth有效模帶寬Optical Mode多模850nm1310nm850nm850nm1310nm850nm1310nmOM1標準62.5/125m2005002203.51.033m300mOM2標準50/125m5005005103.51.582m300mOM250/125m-1507005008503.51.5150m300mOM350/125m-300150050020003.51.5300300OM450/125m-550350050047

22、003.00.7550m550m單模1310nm1550nm1310/1383/1550nm標準9/125m0.30.410000-40000mCorning InfiniCor 300 (OM1)Corning InfiniCor 600 (OM2)Corning InfiniCor SXi (OM2-150), Corning InfiniCor SX+ (OM3-300)，Corning InfiniCor eSX+ (OM3-550, a.k.a. OM4)多模光纖的有效模帶寬(EMB)與距離光纖等級光纖型號帶寬（M單模光纖的頻率色散、偏振模色散(PMD) 多模光纖中光脈沖承載在不同傳

23、輸速度的傳導模上而產生的脈沖展寬稱為模 間色散，而單模光纖中光脈沖不同譜線分量傳輸速度不同而產生的脈沖展寬稱為頻率（或波長）色散。模間色散比頻率色散大得多，因此，現代高速通信中只用單模光纖而不用多模光纖。理想園單模光纖中的一個傳導模是一種線偏振波，即它的電場方向在傳輸中始終處于光纖的一個軸平面內。如果光纖有一定的不園度，則這種線偏波會分解成速度略異的水平和垂直兩個偏振波，從而產生偏振模色散 (PMD)。偏振模色散雖然很小，但會在 10Gb/s 量級上會限制單模光纖的傳輸速率。光纖中的光傳輸可描述成完全是沿X軸振動和完全是沿Y軸振動或一些光在兩軸上的振動。每個軸代表一個偏振“模”兩個偏振模的到達

24、時間差偏振模色散PMD單模光纖的頻率色散、偏振模色散(PMD) 多模光纖中單模光纖類型和損耗譜色散的大小由時延差表示。時延：指信號傳輸單位長度時，所需要的時間。時延差：指不同速度的信號在時延上的差別。(e.x. G.655光纖在1,550nm波長時每千米色散等于或低于5psnm)時延本身不代表色散的大小，因為任何光信號傳輸某個距離都需要時間，即都有時延，而信號中不同頻率成分或不同模式成分之間的時延差才能表示色散的大小。時延差越大，色散越嚴重。單位：ps/nm.km單模光纖類型和損耗譜色散的大小由時延差表示。各種常見的光纖接頭SC接頭LC接頭ST接頭MTRJ接頭SC connector 方型光纖

25、接頭 (大方頭) LC connector 收發(fā)分離結構光纖接頭 (小方頭)ST connector 類似BNC光纖接頭MTRJ connector方形，一頭雙纖，收發(fā)一體光纖接頭SC型連接器是由日本NTT公司開發(fā)的光纖連接器。其外殼呈矩形， 所采用的插針與耦合套筒的結構尺寸與FC型完全相同，其中插針 的端面多采用PC或APC型研磨方式；緊固方式是采用插拔銷閂式， 不需旋轉 (尺寸為2.5mm)。 LC型連接器是著名Bell研究室研究開發(fā)出來的，采用操作方便 的模塊化插孔(RJ)閂鎖機理制成。 LC所采用的插針和套筒的尺寸是普通SC、FC等所用尺寸的一半， 為1.25mm。這樣可以提高光配線架

26、中光纖連接器的密度。 目前，在單模SFF方面，LC類型的連接器實際已經占據了主導 地位，在多模方面的應用也增長迅速。 各種常見的光纖接頭SC接頭LC接頭ST接頭MTRJ接頭SC 光纖接頭端面研磨SC / PC，LC / PC方型光纖接頭/微凸球面研磨拋光（藍色接頭為單模PC 、UPC研磨）SC / APC，LC / APC 方型光纖接頭/面呈8度角并作微凸球面研磨拋光（綠色接頭單模為APC研磨）/斜劃前面表示光纖接頭的外部形態(tài)： FC圓頭，SC方頭，LC收發(fā)分離結構，ST，MTRJ/斜劃后面表示光纖接頭插針端面的接觸方式，即研磨方式：有FC 、PC (UPC) 、和APC FC 型表示：光纖端

27、面為平面型連接器 PC (UPC) 型表示：光纖端面為微凸球面形連接器 電信網絡用, digital signal APC 型表示：光纖端面為斜八度微凸球面形連接器 廣電, 有線電視用，主要用于對回波損耗 要求較高的CATV模擬信號的傳輸上，analog video SC/PC SC/UPC SC/APC 能夠混合連接，信號衰減不會很大，按照國標插損應該是小于0.5dBFC：face connect，平面對接型光纖連接器PC：physical connect，對接端面是物理端面，陶瓷截面為平面UPC：ultra physical connect，超級物理端面APC：angle polished

28、 connect，斜八度物理端面，以截面中心為圓心，向外傾斜8度（灰色接頭為多模接頭）光纖接頭端面研磨SC / PC，LC / PCSC / AP常見的光纖連接器 - 1平面對接型光纖連接器 (FC型face connect)問題所在：FC 型光纖連接器的接頭是平面型，產生菲涅爾反射，形成損耗和引入噪聲 。菲涅耳反射：光在不同折射率的介質平面的交界面上會發(fā)生入射光的部分反射 。常見的光纖連接器 - 1平面對接型光纖連接器 (FC型f常見的光纖連接器 - 2直接接觸型光纖連接器 (PC型physical connect)優(yōu)點： 減少了光的菲涅爾反射，避免了回波噪聲。特點：插針體 (包括光纖) 的

29、端面研磨成凸面球，使得被連接的光纖的端面可以直接接觸，實現 物理結構的直接連接。常見的光纖連接器 - 2直接接觸型光纖連接器 (PC型ph光纖連接器（法蘭盤）的主要性能指標Adapter (Coupler)：適配器，又稱法蘭盤，光纖活動連接器，用于設備與光纖、光纖與光纖、光纖與其他無源器件的連接，光纖活動連接器也有多模和單模之分，單模光纖的連接需采用單模光纖活動連接器，多模光纖的連接需采用多模光纖活動連接器插入損耗 =0.3dB =0.5dB重復性 =0.1dB 2000次插拔 2000次插拔重復性：即每次插拔后其損耗的變化范圍，一般應小于0.1dB。多模連接器單模連接器SC-LC 轉換適配器

30、Adapter 適配器Converter/Hybrid Adapter： 轉換型適配器，即兩頭不一樣的適配器光纖連接器（法蘭盤）的主要性能指標Adapter (Coup光接收模塊靈敏度dBm mW 0 1.0 mW 1 1.3 mW 2 1.6 mW 3 2.0 mW 4 2.5 mW 5 3.2 mW 6 4.0 mW 7 5.0 mW 8 6.0 mW 9 8.0 mW 10 10 mW 11 13 mW 12 16 mW 13 20 mW 14 25 mW 15 32 mW 16 40 mW 17 50 mW 18 64 mW 19 80 mW 20 100 mW 21 128 mW 2

31、2 160 mW 23 200 mW 24 250 mW 25 320 mWdBm mW 26 400mW 27 500mW 28 640mW 29 800mW 30 1.0W 31 1.3W 32 1.6W 33 2.0W 34 2.5W 35 3.0W 36 4.0W 37 5.0W 38 6.0W 39 8.0W 40 10W 41 13W 42 16W 43 20W 44 25W 45 32W 46 40W 47 50W 48 64W 49 80W 50 100W 60 1000W光接收模塊靈敏度： 指接收模塊被調整到最佳狀態(tài)時，在滿足給定的誤碼率 指標條件下，接收模塊接收微弱信號的能

32、力。 光接收模塊的動態(tài)范圍： 在保證系統(tǒng)的誤碼率指標要求下，接收模塊的最低輸入 光功率(dBm)和最大允許輸入光功率(dBm)之差(dB)。發(fā)射功率dBm路徑損失dB接收信號強度dBm最小發(fā)射功率dBm路徑損失dB接收靈敏度下限dBm最小發(fā)射功率dBm路徑損失dB接收靈敏度下限dBm(實際接收信號強度與接收靈敏度相比較，前者應比后者高5dB以上，才能保證光傳輸系統(tǒng)長期正常工作)dBm = 10 * log(mW) 或 mW = 10( dBm / 10 ) 0 dBm = 1 mW 10 dBm = 10 mW 14 dBm = 25 mW 15 dBm = 32 mW 16 dBm = 40 mW 17 dBm = 50 mW 20 dBm = 100 mW 30 dBm = 1000 mW = 1W光接收模塊靈敏度dBm mW dBm mW 光接收模塊靈mw、W、dBm 、dB功率電平（dBm）: 放大器的輸