范文一:光纤传输设备的原理
单、多模光纤传输设备的原理
ZDNet 网络频道频道 更新时间:2008-05-13 作者:投影时代 来源:投影时代
本文关键词:单模光纤收发器 多模光纤收发器 光纤收发器 光纤
光纤传输设备传输方式可简单的分成:多模光纤传输设备和单模光纤传输设备。
1. 多模光纤传输设备所采用的光器件是LED,通常按波长可分为850nm和1300nm两个波长,按输出功率可分为普通LED和增强LED——ELED。多模光纤传输所用的光纤,有62.5mm和50mm两种。
在多模光纤上传输决定传输距离的主要因素是光纤的带宽和LED的工作波长,例如,如果采用工作波长1300nm的LED和50微米的光纤,其传输带宽是 400MHz.km,链路衰减为0.7dB/km,如果基带传输频率F为150MHz,对于出纤功率为-18dBm,接收灵敏度为-25 dBm的光纤传输系统,其最大链路损耗为7 dB,则可计算:
ST连接器损耗:
2dB(两个ST连接器)
光学损耗裕量:2
则理论传输距离:
L=(7 dB-2 dB-2 dB)/0.7dB/km=4.2 km
L为传输距离,而根据光纤的带宽计算:
L=B/F=400MHz.km/150MHz=2.6km
其中 B为光纤带宽,F为基带传输频率,那么实际传输测试时,L£2.6km,由此可见,决定传输距离的主要因素是多模光纤的带宽。
2. 单模传输设备所采用的光器件是LD,通常按波长可分为850nm和1300nm两个波长,按输出功率可分为普通LD、高功率LD、DFB-LD(分布反馈光器件)。单模光纤传输所用的光纤最普遍的是G.652,其线径为9微米。
1310nm波长的光在G.652光纤上传输时,决定其传输距离限制的是衰减因数;因为在1310nm波长下,光纤的材料色散与结构色散相互抵消总的色散为0,在1310nm波长上有微小振幅的光信号能够实现宽频带传输。
1550nm波长的光在G.652光纤上传输时衰减因数很小,单纯从衰减因数考虑,1550nm波长的光在相同的光功率下传输的距离大于1310nm波长的光下的传输的距离,但是实际情况并非如此,单模光纤带宽B与色散因数D的关系为:
B=132.5/(DlxDxL)GHz
其中L为光纤的长度,Dl为谱线宽度,对于1550nm波长的光,其色散因数如表3为20 ps/(nm.km),假设其光谱宽度等于1nm,传输距离为L=50公里,则有: B=132.5/(DxL)GHz=132.5MHz
也就是说,对于模拟波形,采用1550nm波长的光,当传输距离为50公里时,传输带宽已经小于132.5 MHz,如果基带传输频率F为150MHz,那么传输距离已经小于50km,况且实际应用中,光源的谱线宽度往往大于1nm。
从上式可以看出,1550nm波长的光在G.652光纤上传输时决定其传输距离限制的主要是色散因数。
范文二:光纤光缆的结构及其传输原理
一 光纤分类 1. 按波长分类,综合布线所用光纤有三个波长区: a.0.85μm波长区0.8μm,0.9μm; b.1.3μm波长区1.25μm,1.35μm; c.1.5μm波长区1.53μm,1.58μm。 不同的波长范围光纤损耗也不相同,其中0.85μm波长区为多模光纤通信方式,1.5μm波长区为单模光纤通信方式 ,1.3μm波长区有多模和单模两种。建筑物综合布线采用0.85μm和1.3μm两个波长。 2. 按纤芯直径划分,光纤有二类: a.62.5μm渐变增强型graded indexenhanced多模光纤; b.8.3μm 突变型step index单模光纤。 光纤的包层直径均为125μm。62.5/125μm增强型多模光纤结构. 其中,62.5/125μm光纤被推荐应用于所有的建筑物综合布线。这是因为它的物理特性和传输特性与建筑物布线环境中应用系统设备的光/电转换器件相兼容。62.5/125μm的大纤芯直径和传输特性有以下优点: a.光耦合效率高; b.光纤对准要求不太严格,需要较少的管理点和接头盒; l对微弯曲损耗不太灵敏; 2符合FDDI标准。 8.3/125μm突变型单模光纤如图B所示。单模光纤常用于传输距离大于2km的建筑群。由于这种光纤纤芯直径小,在建筑物中,采用LED驱动的数据链路器件耦合时,会发生物理不兼容的问题,而且价格较贵,所以,在建筑物内或传输距离小于2km时很少使用。 3. 按应用环境划分,光缆有两类 a.室内光缆采用增强型缓冲带,主要用于建筑物内干线子系统和水平子系统。 b.室外光缆常采用束状,在保护层内填满相应的复合物,护套采用高密度的聚乙烯,加上增强的钢丝或玻璃纤维,可提供额外的保护,以防止环境造成的损坏。这种光缆主要用于建筑群子系统。 二 光缆的结构 光缆的结构大体上分为缆芯Cable core和护层Sheath两大部分。 1.光缆的缆芯 综合布线常用的室外光缆缆芯主要有两类:中心束管式和集合带式。 1 中心束管式缆芯由装在塑料套管中的18束最多光纤单元束组成,简称“中心束管式”。每束光纤单元是由松绞在一起的4,6,8,10或12最多根一次涂覆光纤构成,并在单元束外面松绕有一条纱线。为了区分方便,每根光纤的涂层及每条纱线都着有颜色,中心束管式缆芯的光纤数最少为4根,最多为96根;塑料套管内皆填充专用油膏. 由于这种填充专用油膏在小拉力时,如同一个有弹性的固体,但是当拉力增加时,该专用油膏如同液体,允许光纤束在其中移动,因而大大减少了微弯曲损耗。 在头两个束蓝色束、橙色束中各有一条备用线,颜色编码是自然色加上绿色的阴影。图D中给出中心束管式光缆中一束光纤的颜色编码模式。图E中给出了中心束管式光缆中的标准光纤数。 图E 束管式光缆中的标准光纤数和色标光缆中保证 的光纤数目束数分配给光纤束的光纤 蓝束 橙束 绿束 棕束 蓝灰束 白束 红束 黑束 4 1 4 6 1 6 8 1 8 12 1 12 16 2 8 8 20 2 12 8 24 2
12 12 36 3 12 12 12 48 4 12 12 12 12 60 5 12 12 12 12 12 72 6 12 12 12 12 12 12 84 7 12
12 12 12 12 12 12 96 8 12 12 12 12 12 12 12 12 注: 对于包含于48根光纤的光缆来说,可在蓝和橙光纤束中包含一根备用光纤,颜色是绿,自然色G,N。 2集合带式缆芯由装在塑料管中的1条或最多到18条集中单元带组成。每条集合单元带由12根一次涂覆光纤排列成一个平面带构成。塑料套管中有的填充专用油膏,物理结构截面如图C之b所示。这种扁平带的接续方法,是采用12根光纤同时一次接续,快速简便。 2. 光缆的保护层 光缆的保护层大体上可分为交叠型和快速接入型两类。交叠型是由两层相互反向绞合的外周加强构件再加上聚乙烯护套构成。当加强构件为两层钢丝时,就称为金属交叠型保护层。当加强构件由两层钢丝时,就称为非金属交叠型护层。当加强构件由两层纤维构成时,则称为非金属交叠型。这类交叠型护层外面还可加外护层。例如:为了防鼠咬或防雷,可在交叠型保护层外先纵向包一层铜带
后再纵向包一层不锈钢带,最外面挤压一层聚氯乙烯护套。再如,为了穿过河流,可在交叠保护层外面绞合13层不锈钢丝,使抗拉强度大大增加。 快速接入型Lightguide eXpress Entry缩写LXE 这种保护层外周加强构件只有两根钢丝或两组玻璃纤维,彼此位于护套直径相对两侧。由于护套内只有两根组加强构件,所以可在加强构件保持不断的情况下,在塑料外护套的其它部位剥开护套即可迅速将缆芯塑料管中的光纤取出进行接续操作。这种“接入”也可在架空光缆的杆档中间进行。 LXE 护层又可细分成: 1 金属快速接入型保护层光缆铠装层型光缆 金属快速接入型LXE-ME光缆的最外层是高密度聚氯乙烯HDPE护套,沿其轴向埋入两根对称的钢加强构件钢筋,下层是电镀铬的钢ECCS波纹管,电镀铬的钢层的里层和外层各有一层防潮带,可防止渗水作用,电镀铬的钢层下方还有一根拉绳,便于拉动铠装层型的光缆进出管道。 2 非金属快速接入型护套层介质LXE光缆 非金属快速接入型 LXE-DE光缆没有铠装,其最外层是高密度聚氯乙烯HDPE保护套,其中埋入两组玻璃纤维加强构件,加强构件沿光缆轴向排列,其下方是第一层防潮带。每一级加强构件配有一根拉绳,以便拉动快速接入型光缆进出管道,下一层防潮带的下方是聚氯乙烯套管,里面的填充芯中装有光纤。 3 金属快速接入型保护层光缆LXE-RL也是一种金属铠装层型,结构同LXE-ME,只是它的铠装采用铜带与不锈钢带粘合在一起的双金属带来代替镀络钢带,用于防鼠咬R及防雷L地区。 4 快速接入型,LW是一种轻型LXE-LW光缆,它的光纤数量最多不超过24根,保护层中除具有两根金属钢丝作为加强构件外,不再纵包金属带,重量轻。这种光缆适用于新发展的有线电视网。它可以架空,穿管道,也可以直埋。 5 快速接入型LXE-SS是不锈钢SS带取代LXE-RL中的双金属带,进一步提高了防鼠咬的性能。从光缆结构发展来看,缆芯向着松结构,束管化发展,加强构件趋向在保护层中“外周加强构件”发展。 三 建筑物光缆 LGBC 建筑物光缆是由2,4,6,12,24或36根缓冲层的多模光纤构成的。这些光缆的外层具有UL防火标志的PVC外护套OFNR。这种光缆可直接放在干线信道中,如管道、天花板、墙壁或地板上非强制通风环境。另一种建筑物光缆具有UL标志的含氟聚合物套管OFNP,它们可放置于回风巷道强制通风环境。在光纤数目不足12根时,每根光纤围绕光缆的中心加强筋排列,并填入纱线层,最外面是PVC套管。纱线是作为线缆的补充加强材料。这些光缆均叫做建筑物光缆。在布线蓝图上可使用LGBC-000A-LRX或LGBC-000A-LPX命名法来标注这种电缆。 lL为62.5/125μm多模光纤 2R为聚乙烯套管 3P为含氟聚合物套管P代表充满物质的/实芯的 4X为尚未规定 这种多模光纤的传输特性: a.1300nm光波,衰减1.0dB/km带宽500MHZ(km b.850 n m光波,衰减3.75dB/km最小带宽160MHZ(km 1.多束的LGBC光缆 多束的LGBC光缆是62.5μm多模光纤,光纤数有24根和36根的。图F光纤中6根围绕在一条中心加强塑料构件FRP周围以建立一个光纤束,其外面用纱线覆盖起来,每束上加有颜色编码的标识带色标,并用透明带缠绕起来,一共有6束这样用透明带缠绕起来的光纤束。这些束围绕在一条中心加固构件周围,该中心加固构件是由PVC的FRP形成的,以建立一条36根光纤的光缆。24根光纤的是由4条光纤束和两条填充束组成。 光纤中的这些束都用透明带子缠绕起来并在PVC护套内有两根拉绳。 2. 充满物质的LGBC光缆 充满物质的LGBC光缆,常用的有LGBC-4A,LGBC-12A两种型号。图G中示出了LGBC-4A光缆。这种光缆可用于干线子系统,也可以用于水平子系统。 3.互连光缆光纤软线 光纤接插软线采用单光纤结构及双
光纤结构两种。它们都放在一根阻燃的PVC护套内,如图3-1所示。 这些接插软线用于把距离小于30m的光纤链路与应用系统的设备互连起来。它们不穿信道或管道,直接在光纤配线箱柜内进行。 光纤软线采用62.5/125μm光纤,芯纤的椭圆度和偏心率要严格加以控制。混合光纤软线,其中一端接ST连接器插头,另一端接双锥形连接器插头。互连光缆上面可标注FL1P-A单根光纤或FL2P-A双根光纤,以表示单光纤结构还是双光纤结构。此外还有已接有数据链路连接器的软线,用于对非ST兼容式设备进行互连。 互连软线光纤的规格如表H 所示。识别光纤的基本颜色如表I所示 4. 建筑物光缆的物理特性 四 光缆护套层选项 Cable Sheath Options 为了满足室外,室内及海底布线需要,光缆可配以各种不同的护套层及外护套供选择,每种护套及外护套对特定的应用提供了最经济的解决方法.对于室外光缆来说,所设计的所有护套层选项都是用来保护芯管中的光纤用的,在芯管缆芯套管外,依赖于光缆的类型可能有的层为: a.防潮带防水带; b.金属或非金属的加强构件; c.挤压的护套材料; d.外护套铠装。 所有室外光缆均采用高密度聚乙烯HDPE来制作所有的冲压聚乙烯组件。如缆芯套管,中间护套及外护套。 为了适应多种应用条件,有许多护套层选项。综合布线常用快速接入型LXE光缆。判断光缆质量的优劣,除了需要检验其构造、几何尺寸、光缆长度、单位重量、色谱标志以及有关材料的性能等项外,还需要重点检查光缆的传输性能、物理性能及环境性能。光缆的传输性能是由光缆中光纤的质量来决定的,而光缆的物理性能和光缆的环境性能则是由护套层来决定的。光缆的设计寿命一般为40年,在这样长的时间内要保持光缆的传输性能,必须对光缆的物理性能和环境性能提出严格的技术要求,并进行有效的保护。 1.光缆的物理性能 光缆的物理性能应能保证光缆为光纤提供足够的保护,使光纤在运输、施工及运行维护期内不会遭受损坏,并能保持光纤的优良传输性能。光缆的保护层应采用耐磨性能优越的高密度聚乙烯护套。这种护套可获得三大好处: a.抗磨损能力强,从而施工简便省时; b.磨擦系数小,在管道中能拉放较长的距离,从而减少了光缆的接头接续; c.抗化学腐蚀能力强,对于酸性士壤和石油污染都有很强的抵抗能力,从而延长了寿命。 2.光缆的环境性能 敷设在室外的光缆,其性能与周围环境的变化有关。 1 首先是与温度的变化密切相关。光缆在各种环境下可承受的温度范围如下: 储存/运输时 ,50?,70? 施工敷设时 ,30?,70? 维护运行时 ,40?,70? 最后一条的温度范围十分重要。因为光缆除了用于直埋及管道外,还适用于架空,一年四季甚至一天早晚的温度变化都较大,没有较宽的使用温度范围就不能适应。 2 光缆对核辐射的防护性能也是衡量其环境性能的一项技术指针。当光缆受到核辐射时,将使光纤玻璃结构发生缺陷性改变,从而使光纤损耗变大。 3 光缆环境性能的另一个重要内容是防雷。雷击对光缆的破坏作用主要有两个方面: 一是雷电击中具有金属保护层的光缆时,强大的雷电峰值电流通过金属保护层转换为热能,产生的高温足以使金属熔融或穿孔,从而影响光纤传输性能。 二是雷电峰值电流在附近大地中流过时,土壤中产生巨大的热能使周围的水分迅速变成蒸气而产生类似气锤的冲击力。这种冲击力会使光缆变形,破坏光纤。为了提高防雷击性能,光缆护套层中应不含金属加强构件。 五 混合电缆 混合电缆是由两个及两个以上不同型号或不同类别的电缆、光缆单元构成的组件,外面包覆一个总护套,护套内还可以有一个总屏蔽。其中,只由电缆单元构成的称为综合电缆;只由光缆单元构成的称为综合光缆;由电缆单元和光缆单元构成的称为混合电缆。综合布线
常用的混合电缆由两条4芯双绞电缆和两条缓冲层的2.5/125μm多模光纤组成,如图J所示。两条4芯双绞电缆中,一条为3类双绞电缆,另一条为5类双绞电缆。单根光纤直径为3.0mm,在光缆护套内并缠绕在光纤外围的纱线用来增加拉力强度及压绉阻抗。为了提供标识,一根光纤中包含有一条蓝色缓冲层的光纤,另一根光纤中包含有一条橙色的缓冲层的光纤。在安装期间,混合光纤的最小弯曲半径是3.8cm长项目为7.6 cm。相似地,对于单光纤允许的弯曲半径是:安装期间1.27 cm及长项目3.8 cm。在同一外护套内容纳不同种类的线缆,使得同一根混合电缆中可以支持信号等级差别很大的应用。 六 吹光纤技术 吹光纤技术是近几年发展起来的制造光纤的新型技术。所谓“吹光纤”即预先在建筑物中敷设特制的管道,在实际需要使用光纤时,才将光纤通过压缩空气吹入管道中。 1. 吹光纤技术的组成 吹光纤技术是由微管和微管组、吹光纤、附件和安装设备组成的。 1 微管和微管组 吹光纤的微管有5mm和8 mm两种规格。它们敷设在金属管或金属线槽内。微管内径较粗,直径8 mm。因此吹制距离较远。每一个微管组可由2、4或7 根微管组成,并按应用环境分为室内及室外两类。所用微管保护套均采用阻燃、低烟、不含卤素的材料,在燃烧时不会产生有毒气体,符合国际布线标准的要求。在进行建筑物内或建筑物间光纤布线时,可先将微管在所需线路上设置但不将光纤吹入,只有当实真正需要光纤时,才将光纤吹入微管并进行端接。采用直径5 mm微管,吹制距离在路由多弯曲的情况下可达300m,在直路中可达500米。采用8 mm微管,吹制距离在路由多弯曲的情况下可达600 m,在直路中可达1000 m,垂直安装高度由下向上可达300 m。在室内环境中单微管的最小弯曲半径为25 mm,可充分适应楼内布线环境的要求。 2 吹光纤 吹光纤有62.5/125μm,50/125μm多模和8.3/125μm单模二类。每一根微管可最多容纳4芯不同种类的光纤。由于光纤表面经过特别处理并且重量极轻每芯每米0.23克,因而吹制的灵活性较强。在吹光纤安装时,对于最小弯曲半径25mm的弯度,在允许范围内最多可有300个90度弯曲 。吹光纤表面采用特殊涂层,在压缩空气进入空管时,光纤可借助空气动力悬浮在空管内向前飘行。另外,由于吹光纤的内层结构与普通光纤相同,因此光纤的端接技术与普通光纤一样。 3 连接硬件 连接硬件包括19英寸光纤配线架、跳线及地面光纤出线盒、用于微管间连接的陶瓷接头等等。 4 吹光纤设备 吹光纤安装设备通过压缩空气将光纤吹入微管,吹制速度可达到每分钟40m。 2. 吹光纤技术的特点 吹光纤与传统光纤的区别主要在于敷设方式,光纤本身的衰减等指针与普通光纤相同,同样可采用ST型或SC型接头端接,而且吹光纤传输系统的造价亦与普通光纤传输系统相差无几。但采用吹光纤具有以下优点。 1 分期投资 目前,我们在考虑光纤传输系统设计时出于对光纤传输系统成本的考虑包括光缆和相关的配线架以及光电转换设备等,综合布线不能全面采用光纤综合布线。在很多布线工程中只有极少数信息点采用光纤到桌面方案,这样当后期需要增加光纤时用户又为没有合适的敷设路由苦恼。在吹光纤技术中,由于微管成本低不及光纤的十分之一,所以设计时应尽可能地敷设光纤微管,在以后的应用中可根据实际需要吹入光纤,从而分散投资,降低成本。 2 安装灵活、方便 普通的光纤传输信道,需做光纤各种接续工作。这样不仅增加了成本及路由光损耗,而且使安装变得较为复杂。另外,工程现场施工环境较为复杂,施工人员很可能因误操作而导致光纤损坏,造成光纤损耗加大,甚至光纤折断。在吹光纤连接时,只需安装光纤外的微管,在光纤配线架上只需用特制陶瓷接头将微管并接即可,无需做任何端接。当
所有的微管连接好后,将光纤吹入即可。由于路由上采用的是微管的物理连接,因此即使出现微管断裂,也只需简单地用另一段微管替换即可,对光纤不会造成任何损坏。另外,普通光缆一旦敷设好,建筑结构也相应固定,难以更改。而吹光纤则不同,它只需更改微管的走向和连接方式就可轻而易举地改变光纤的走向。 3 便于升级换代 信息技术的发展,对于光纤传输性能也提出了越来越高的要求。在最新的千兆以太网规范中,由于差模延迟DMD等因素,多模光纤传输1000Mbps信息时,支持距离已有原来的2km减为550m。可以预见,随着信息技术的高速发展,光纤本身亦将不断发展,而吹光纤的另一特点就是它既可以吹入,也可以吹出。当将来升级需要更换光纤类型时,用户可以将原来的光纤吹出,再将所需类型的光纤吹入,从而充分保护用户投资的安全性。 4 节省投资 据统计,我国近年来新建的建筑物都采用光纤作数据干线,然而有些建筑物目前尚无对光纤的需求,从而造成一些浪费。等到需用光纤时,现有的光纤数量、类型和光纤结构又未必满足需求,常常需要重新穿光缆。采用吹光纤技术,在建筑物建设时只需布放微管和部分光纤,等到需要时才将光纤吹入相应管道。当需要做局部修改时,还可将光纤吹出,再吹入新的光纤。 综上所述,吹光纤技术是一种新型的布线方式。为光纤在综合布线中带来了美好的前景。但由于光纤安装工艺要求高,吹光纤这项新技术尚待实施中不断完善。 七 光纤及其传输特性 1. 光纤的物理特性 光纤是光导纤维的简称。它是用石英玻璃或特制塑料拉成的柔软细丝,直径在几μm 光波波长的几倍到120μm。像水流过管子一样,光能沿着这种细丝在内部传输。因而这种细丝叫光导纤维。图7-1是光纤的典型结构,自内向外为纤芯、包层及涂覆层。纤芯的折射率为n1包层的折射率为n2。包层的折射率略小于纤芯的 折射率,即n2lt n1。按几何光学的全反射原理,光线被束敷在纤芯中传输。在包层外面是5μm,40μm的涂覆层,其作用是增强光纤的机械强度,同时增加了柔韧性。最外面常有100μm厚的缓冲层或套塑层。套塑后的光纤称为芯线还不能在工程中使用,必须把若干根光纤疏松地置于特制的塑料绑带或铝皮内,再覆塑料或用钢带铠装,加上外护套后即成光缆。套塑后的光纤称为芯线还不能在工程中使用,必须把若干根光纤疏松地置于特制的塑料绑带或铝皮内,再被覆塑料或用钢带铠装,加上外护后即成光缆。按横截面上的折射率分布,光纤可分为两大类,即突变SI型或阶跃型和渐变GI型梯度型。按光纤中传输模式的多少,可分为多模光纤和单模光纤两类。显然,单模光纤中只能传输一个模式,多模光纤则能承载成百上千的模式。 2. 光纤的传输性能 1 光源与光纤的耦合 把光源发射的光功率尽可能多地送入传输光纤叫做耦合,通常用耦合效率来衡量耦合的程度。耦合效率定义为:ηPi / P5 式中:Pi为耦合入光纤的功率;P5为光源发射的功率。 2 光线在光纤中的传输 光纤的导光特性基于光射线在纤芯包层界面上的全反射,使光线限定在纤芯中传输。当光线从光源入射纤芯端面的入射角θ?θ0时,进入纤芯的光线将会在纤芯包层界面间产生反射向前传播,而入射角θgtθ0的光线将进入包层散失掉。入射临界角θ0与光纤折射率的关系为:sinθ0 n1sin90?-θ0 ?n - n 凡角度在θ0以内的入射光纤均可在光纤内传播,定义入射临界角θ0的正弦为突变折射率光纤的数值孔径NA,它表示入射到光纤端面上的光线中只有与纤芯轴夹角为θ0的圆锥体内的入射光线,才能在纤芯内传输。 由于渐变光纤的径向折射率分布nr是变化的,因此端面各点的NA也是不同的,可用局部数值孔径NAr来描述。 3. 光纤的衰减 光能经过光纤传输后的减弱称为光纤的衰减或损耗。它直接影响着综合布
线的传输距离。光纤衰减定义为长度为Lkm的光纤输出端光功率P0与输入端光功率Pi的比值。用分贝dB表示为: af logP0 / Pi dB/km 如光功率经过一公里长的光纤传输后,输出光功率是输入的一半,则此光纤的衰减为: af 3dB/km 引起光纤衰减的主要原因有以下几种: 根据光纤对传输光波损耗物测试结果表明,光纤的损耗和所传输的光波波长有关。在某些波长附近光纤的损耗最低。这些波段称为光纤的低损耗“窗口”或“传输窗口”,如图7-3所示。多模光纤一般有两个窗口,即两个最佳的光传输波长,分别是0.85μm和1.3μm;单模光纤也有两个窗口,分别是1.31μm和1.55μm。对应于这些窗口波长,可以选用适当的光源。这将大大降低光能的损耗 4. 光纤的带宽和色散 光脉冲经过光纤传输之后,不但幅度会因衰减而减小,波形也会发生愈来愈大的失真,发生脉冲展宽现象,如图7-4所示。由图7-4可见,两个原本有一定间隔的光脉冲,经过光纤传输之后产生了部分重叠。为避免重叠的发生,输入脉冲有一最高速率限制。定义相邻两个脉冲虽重叠但仍能区别开时的最高脉冲速率为该光纤线路的最大可用带宽。脉冲的展宽不仅与脉冲的速度有关,也与光纤的长度有关。所以,用光纤的传输信号速率与其传输长度的乘积来描述光纤的带宽特性,其代表符号为B(L,单位为GHZ(Km 或MHZ(Km。其含义是对某个B(L值而言。当距离增长时,允许的带宽就得相应地减小。 光脉冲在光纤中传输后被展宽是由于色散的存在,这极大限制了光纤的传输带宽。从机理上说,色散可分为模间色散、材料色散和波导色散。对于多模光纤,波导色散比材料色散小得多,常可忽略不计。石英玻璃光纤的典型带宽如表K所示。 表K 光纤的典型带宽参数 GHz km 光 源 带宽参量 多模光纤 单模光纤 突变型 渐变型 突变型 λ 0.85μm ?λ 50 nm 模间色散材料色散 0.010.5 1 50.5 0.5 λ 1.3 km ?λ 50 nm 模间色散材料色散 0.012 8 1 52 8 2 8 λ 0.85μm ?λ 2 nm 模间色散材料色散 0.0125 1 525 25 λ
1.3μm ?λ 2 nm 模间色散材料色散 0.01100 1 5100 100 表K中分别列出了模间色散及材料色散限制下的光纤带宽。对突变多模光纤,带宽主要受模间色散的限制,仅数十MHz km。而渐变多模光纤,当工作在1.3μm波长、采用激光二极管做光源时,模间色散是主要的限制。对单模光纤,影响带宽的是材料色散和波导色散,单模光纤有最大的带宽距离积。 另外,渐变折射率分布的塑料多模光纤 芯径420μm已达2.5 GHz的带.
范文三:光纤的传输原理及应用
光纤的传输原理及应用
摘 要: 光纤利用全反射原理将信号传输应用于通信系统,具有通
信容量大,速度快等一系列优点。普遍应用于高端科技,
发展前景十分广阔。
关键词: 光纤 全反射 传输 应用
Translation:
光纤裸纤一班分为三层:中心高折射率玻璃芯,中间为低折射率硅玻璃包层,最外式加强用的树脂涂层。
如图a,在一根折射率较高的玻
璃纤维外包一层折射率较低的玻璃
介质,光线经多次全反射可沿着它
从一端传到另一端(当光导纤维细
到一定程度,传光的过程就不能用
几何光学中全反射的概念来描述了,
这是应把它看成是传播电磁波的微型波导。),而且用大量这样的纤维并成一束,光在各条纤维之间不会串通。
如果纤维束的两端各条纤维的排列
顺序严格地对应,则可以利用它来传像。
如图b所示,在这样的纤维束的一个端
面上有一图形,图形上每一点的光线沿
着一根特定的纤维传到另一端面上对应
的点,在这一端就会显现出与原来一样的图形。若能再用其他光学仪器放大,就更便于观察了。这种玻璃纤维束很柔软,可以弯成任意形状,又可以做的很细,它能探入人体腹腔内部以及结构复杂的机器部件中不易达到的部位进行照明或窥视。
光导纤维折射率的分布不一定是内、外截然不同的两层,它也可以是渐变的。这类纤维能使光线向轴线会聚。在这种聚光纤维中光线走的不是折线,而是光滑曲线。光纤中心到玻璃包层的折射率是逐渐
变小,可使高模光按正弦形式传播,这
能减少模间色散,提高光纤带宽,增加
传输距离,但成本较高。现在的多模光
纤多为此类光纤。聚光纤维具有光程短、
光的透过率和分辨率高等一系列优点。
设光线由许多折射率沿径向r减小的薄层组成(见图):n0>n1>n2>…。按折射定律n1sini1=n2sini2 式,
在各分界面上
n0sini0= n1sini1=n2sini2=…=常量,
或 n0cosθ0=n1cosθ1=n2cosθ2=…=常量, (1.1) 因n0>n1>n2>…,故i0n2,则sinθ2>sinθ1,必有θ2>θ1。现在逐渐增大入射角θ1,当增大到一定程度时,θ2就变为90°,光不能进入媒质Ⅱ,此时的入射角称为临界角θc(θ1=θc),这时
(3-3)
下面考虑折射与反射的两种情况:
① 在假设的n1>n2条件下,当θ1≥θc时,能量全部被反射,不发生折射,这种现象称为全反射。由此可见,当光波从光密(n值大的)媒质入射到光疏(n值小的)媒质时,光射线的入射角θ1≥θc时,将发生全反射。
② 假设n1n2。对于阶跃型多模光纤,这些射线分别以某一个合适的角度射到芯子与包层的交界面上,如上面已指出的,只要在光纤内光射线与光纤轴线(或与纤芯包层交界面)所形成的角度θz≤θz,就可以在交界面上得到全反射(在光纤又称全内反射)。如图3-14中,光线A是满足全反射条件的,因此光线A就被界面多次反复全反射限制在纤芯内,以“之字形”路径向前行进,形成传输波。光线B的入射角θz>θz,故辐射出纤芯外而很快衰减掉。
图3-14 光纤中光的传播和接受角 3. 光学参量和结构参量
光纤的光学参量连同光纤的结构参量(芯径2a和包层直径2b)决定了光纤的特性。
① 相对折射率差Δ
它是用以表征纤芯与包层折射率差别的一个参量,定义为 (3-5)
因纤芯的折射率n1略大于包层的折射率n2,故Δ很小,可近似表示为
(3-6)
Δ通常用百分数表示。GI型光纤典型值为1%左右,SM型光纤典型值为0.1~0.3%
(3-7)
图3-14 光纤中光的传播和接受角 3. 光学参量和结构参量
光纤的光学参量连同光纤的结构参量(芯径2a和包层直径2b)决定了光纤的特性。
① 相对折射率差Δ
它是用以表征纤芯与包层折射率差别的一个参量,定义为 (3-5)
因纤芯的折射率n1略大于包层的折射率n2,故Δ很小,可近似表示为
(3-6)
Δ通常用百分数表示。GI型光纤典型值为1%左右,SM型光纤典型值为0.1~0.3%
(3-7)
可见Δ也大,θcz表示即使与光纤纵轴的夹角较大的光射线,也能够限制在光纤芯子内向前传播。但采用小的Δ值可以改善光纤的带宽特性。因此,Δ与光纤损耗和带宽有密切关系。
② 接受角(接受光圆锥的半角)θmax
角θmax表示在光纤中形成全反射的光线时,在空气中的最大入射角。下面仍利用图3-14求光从空气中射入到光纤端面时,光纤所能允许的接受角θmax。
设光射线进入光纤后的轴向角为θcz,根据折射定律得
(3-8)
为使光源发射的光有效地射入到光纤内而传播,光的入射角必须在2θmax范围以内。从立体观点看2θmax构成一个圆锥。因n1和n2差别很小,θmax很小,故
NA表示光纤捕捉入射光的能力。NA愈大,即θmax愈大,光纤捕捉光的能力愈强。为增加进入光纤的光功率,希望NA愈大愈好,但NA大将影响光纤带宽。通信用的光纤Δ值很小,因而数值孔径并不大。 ④ 折射率分布系数α
光纤折射率的分布可用下式表示:
式中r是光纤轴心至观察点的距离,n1代表纤芯中心的最大折射率,包层内折射率分布是均匀的。其中α=称为折射率分布系数。α=1,2,∞时的分布曲线如图3-15所示。α=∞代表阶跃型光纤的折射率分布;α≈2代表渐变型光纤的折射率分布;α=1为三角形折射率分布。
图3-15 折射率分布
⑤ 光纤结构参量
对于理想的光纤断面,纤芯外圆和包层外圆都应是同心圆,如图3-16(a)所示。断面结构由纤芯直径(芯径)和包层直径(外径)决定,但实际制造的光纤总略微有些
变形,因此还需定义其他几个参数,如图3-16(b)所示。这些参数是评价光纤质量和接续损耗的重要依据,其中芯径更是作为研究光在光纤中传播的重要参数。
4. 传输模式
简单说模式就是指电磁场的“波型”。
在前面射线法的讨论中,似乎只要满足全内反射条件,连续改变入射角的任何光射线都能在光纤纤芯内传输,其实不然。只有使光强在光纤径向上的分布形成驻波状态的那些光射线才能传播。亦即满足全内反射条件下的入射角只能取其离散值,与这些特定的离散角度值相对应的电磁场波型称之为传输模式(又称导波)。各个传输模的传播轨迹可用相应的光射线来代表。传输模式有基模、低次模、高次模之分,它们各自以不同的电磁场分布规律在光纤中传输。
图3-16 光纤断面结构和结构参数