光纤通信基础知识讲解

光纤基本知识

第一部分光纤理论与光纤结构

一、光及其特性：

1、光是一种电磁波

可见光部分波长范围是：390~760nm(毫微米)。大于760nm部分是红外光，小于390nm部分是紫外光。光纤中应用的是：850nm，1300nm，1310nm，1550nm四种。

2、光的折射，反射和全反射。

因光在不同物质中的传播速度是不同的，所以光从一种物质射向另一种物质时，在两种物质的交界面处会产生折射和反射。而且，折射光的角度会随入射光的角度变化而变化。当入射光的角度达到或超过某一角度时，折射光会消失，入射光全部被反射回来，这就是光的全反射。不同的物质对相同波长光的折射角度是不同的（即不同的物质有不同的光折射率），相同的物质对不同波长光的折射角度也是不同。光纤通讯就是基于以上原理而形成的。

二、光纤结构及种类：

1、光纤结构：

光纤裸纤一般分为三层：中心高折射率玻璃芯（芯径一般为50或62.5μm），中间为低折射率硅玻璃包层（直径一般为125μm），最外是加强用的树脂涂层。

2、数值孔径：

入射到光纤端面的光并不能全部被光纤所传输，只是在某个角度范围内的入射光才可以。这个角度就称为光纤的数值孔径。光纤的数值孔径大些对于光纤的对接是有利的。不同厂家生产的光纤的数值孔径不同（AT&TCORNING）。

3、光纤的种类：

A.按光在光纤中的传输模式可分为：单摸光纤和多模光纤。

多模光纤：中心玻璃芯较粗（50或62.5μm），可传多种模式的光。但其模间色散较大，这就限制了传输数字信号的频率，而且随距离的增加会更加严重。例如：600MB/KM的光纤在2KM时则只有300MB的带宽了。因此，多模光纤传输的距离就比较近，一般只有几公里。单模光纤：中心玻璃芯较细（芯径一般为9或10μm），只能传一种模式的光。因此，其模间色散很小，适用于远程通讯，但其色度色散起主要作用，这样单模光纤对光源的谱宽和稳定性有较高的要求，即谱宽要窄，稳定性要好。

B.按最佳传输频率窗口分：常规型单模光纤和色散位移型单模光纤。

常规型：光纤生产长家将光纤传输频率最佳化在单一波长的光上，如1300nm。

色散位移型：光纤生产长家将光纤传输频率最佳化在两个波长的光上，如：1300nm和1550nm。

C.按折射率分布情况分：突变型和渐变型光纤。

突变型：光纤中心芯到玻璃包层的折射率是突变的。其成本低，模间色散高。适用于短途低速通讯，如：工控。但单模光纤由于模间色散很小，所以单模光纤都采用突变型。

渐变型光纤：光纤中心芯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渐变型光纤。

4、常用光纤规格：

单模：8/125μm，9/125μm，10/125μm

多模：50/125μm，欧洲标准

62.5/125μm，美国标准

工业，医疗和低速网络：100/140μm，200/230μm

塑料：98/1000μm，用于汽车控制

三、光纤制造与衰减：

1、光纤制造：

现在光纤制造方法主要有：管内CVD（化学汽相沉积）法，棒内CVD法，PCVD（等离子体化学汽相沉积）法和VAD（轴向汽相沉积）法。

2.光纤的衰减：

造成光纤衰减的主要因素有：本征，弯曲，挤压，杂质，不均匀和对接等。

本征：是光纤的固有损耗，包括：瑞利散射，固有吸收等。

弯曲：光纤弯曲时部分光纤内的光会因散射而损失掉，造成的损耗。

挤压：光纤受到挤压时产生微小的弯曲而造成的损耗。

杂质：光纤内杂质吸收和散射在光纤中传播的光，造成的损失。

不均匀：光纤材料的折射率不均匀造成的损耗。

对接：光纤对接时产生的损耗，如：不同轴（单模光纤同轴度要求小于0.8μm），端面与轴心不垂直，端面不平，对接心径不匹配和熔接质量差等。

四、光纤的优点：

1、光纤的通频带很宽.理论可达30亿兆赫兹。

2、无中继段长.几十到100多公里，铜线只有几百米。

3、不受电磁场和电磁辐射的影响。

4、.重量轻，体积小。例如：通2万1千话路的900对双绞线，其直径为3英寸，重量8吨/KM。而通讯量为其十倍的光缆直径为0.5英寸，重量450P/KM。

5、光纤通讯不带电，使用安全可用于易燃，易暴场所。

6、使用环境温度范围宽。

7、化学腐蚀，使用寿命长。

通讯用光纤是由通过内部全反射来传输光信号的玻璃构成的。玻璃光纤的标准直径为125微米（0.125毫米），表面覆盖有直径250微米或900微米的树脂保护涂敷层。玻璃光纤的传送光的中心部分称为“纤芯”，其周围的包层的折射率比纤芯低，从而限制了光的流失。

石英玻璃非常脆弱，因此覆有保护涂层。通常有三种典型的光纤涂敷层。

一次涂敷光纤

覆有直径为0.25毫米紫外线固化丙烯酸树脂涂敷层的光纤。其直径非常小，增加了光缆内可容纳光纤的密度，使用非常普遍。

二次涂敷光纤

亦称为紧包缓冲层光纤或半紧包缓冲层光纤。光纤表面覆有直径为0.9毫米的热塑性树脂。与0.25毫米的光纤相比，其具有更坚固，易操作的优点。广泛应用于局域网布线及光纤数量较少的光缆。

带状光纤

带状光纤提高了连接器组装的效率，有利于多芯融接，从而提高了作业效率。

带状光纤由4根、8根或12根不同颜色的光纤组成,芯纤数最大可达1,000根。光纤表层覆有紫外线固化丙烯酸脂材料，使用标准光纤剥套钳便可轻松去除涂敷层，方便多芯融接或取出单个光纤。使用多芯融接机，带状光纤可一次性融接，在光纤数量多的光缆中能轻易识别出来。

光纤种类

以下是对最常用的通信光纤种类的描述。

MMF（多模光纤）

- OM1光纤或多模光纤（62.5/125）

- OM2/OM3光纤（G.651光纤或多模光纤（50/125））

SMF（单模光纤）

- G.652（色散非位移单模光纤）

- G.653（色散位移光纤）

- G.654（截止波长位移光纤）

- G.655（非零色散位移光纤）

- G.656（低斜率非零色散位移光纤）

- G.657（耐弯光纤）

只要光预算允许，技术上来讲,任何合适的光纤都可应用于FTTx技术，但FTTx技术最常用的光纤为G.652和G.657。

G.651（多模光纤）

G.651主要应用于局域网，不适用于长距离传输，但在300至500米的范围内，G.651是成本较低的多模传输光纤。

ITU-T G.651光纤即OM2/OM3光纤或多模光纤（50/125）。ITU-T推荐光纤中并没有OM1光纤或多模光（62.5/125）。

多模光纤（50/125）纤芯的反射率从中心到包层逐渐改变，使得多路光传输可以在同一速度下进行。

G.652光纤（色散非位移单模光纤）

世界上最普遍的单模光纤。可以将波长在1,310nm左右的使信号变形的色散降至最低。您可将1550nm波长的工作窗口用于短距离传输或与色散补偿光纤或与模块共同使用。

G.652A/B是基本的单模光纤，G.652C/D是低水峰单模光纤

G.653（色散位移光纤）

此光纤可将在1,550nm波长左右的色散降至最低，从而使光损失降至最低。

G.654（截止波长位移光纤）

G.654的正式名称为截止波长位移光纤，但普通称为低衰减光纤。低衰减的特性使得G.654光纤主要应用于海底或地面长距离传输，比如400千米无转发器的线路。

G.655（非零色散位移光纤）

G.653光纤在1,550nm波长时色散为零，而G.655光纤则具有集中的或正或负的色散，这样就减少了DWDM系统中与相邻波长相互干扰的非线性现象的不良影响。

第一代非零色散位移光纤，如PureMetro®光纤具有每千米色散等于或低于5ps/nm的优点，从而使色散补偿更为简便。第二代非零色散位移光纤，如PureGuide® 色散达到每千米10ps/nm左右，使DWDM系统的容量提高了一倍。

G.656光纤（低斜率非零色散位移光纤）

非零色散位移光纤的一种，对于色散的速度有严格的要求，确保了DWDM系统中更大波长范围内的传输性能。

G.657（耐弯光纤）

ITU-T光纤系列中的最新成员。根据FTTx技术的需求及组装应用而生的新产品。

G.657A光纤与G.652光纤兼容，G.657B光纤无需与传统单模光纤在连接上兼容。

光纤接线技术的分类

光纤接线技术可以分为融接、机械绞接及连接器接线。融接和机械绞接为永久性接线，连接器接线则可以反复拆装。光连接器接线主要用于在光服务的运用和维护中必须切换的接线点，其他场所主要使用永久性接线。

光纤接线中出现损耗的原理

光纤接线必须使光通过的纤芯部分对置，正确定位。

光纤的接线损耗主要由下列原因引起。

（1）轴偏移

连接光纤之间的光轴偏移会引起接线损耗。在通用的单模光纤的情况下，接线损耗大约为轴偏移量的平方乘以0.2的值。（例如，在光源波长为1310nm的情况下，轴偏移量为1μm时，接线损耗约为0.2dB）

（2）角度偏移

连接光纤的光轴之间的角度偏移会引起接线损耗。例如，如果融接之前用光纤切割刀切断的断面角度变大，光纤会以倾斜状态接线，因此必须注意。

（3）缝隙

光纤端面之间的缝隙会引起接线损耗。例如，如果用机械绞接连接的光纤端面没有正确贴合，就会引起接线损耗。

（4）反射

光纤端面存在空隙时，由于光纤和空气的折射率不同，会因最大0.6dB程度的反射而引起接线损耗。并且，为了防止断光，在光连接器上清洁光纤端面很重要。但是在光纤端面以外的光连接器端面夹有垃圾也会出现损耗，因此，清洁所有的光连接器端面很重要。

融接的种类和原理

融接是利用电极棒之间放电产生的热能使光纤融化为一体的接线技术。融接方式分为以下两类。

（1）光纤芯调芯方式

这是在显微镜下观察光纤的芯线，通过图像处理进行定位，使芯线的中心轴一致，然后进行放电的融接方式。采用配置双向观察摄影机的融接机从两个方向进行定位。

（2）固定V型槽调芯方式

这是采用高精度V型槽排列光纤，利用融化光纤时的表面张力所产生的调芯效果进行外径调芯的融接方式。最近，由于制造技术的发展使光纤芯位置等的尺寸精度得到提高，因此，可以实现低损耗接线。本方式主要用于多芯一次性接线。

融接作业的注意事项

这是采用高精度V型槽排列光纤，利用融化光纤时的表面张力所产生的调芯效果进行外径调芯的融接方式。最近，由于制造技术的发展使光纤芯位置等的尺寸精度得到提高，因此，可以实现低损耗接线。本方式主要用于多芯一次性接线。

①插入光纤保护套管

光纤保护套管用于保护在接线点露出的光纤。由于保护套管无法补插，因此请不要忘记插入。

②去除芯线涂敷层

因为要使光纤的玻璃部分露出，所以采用剥套钳去除涂敷层。

（注）由于去除涂敷层之后会在剥套钳上残留涂敷层废屑，因此，请去除涂敷层废屑并清洁刀刃。

（注）去除带状芯线的涂敷层时，使用加热式剥套钳。为了稳妥地进行去除作业，请将涂敷层加热5秒左右，然后再去除涂敷层。

③清洁光纤

去除涂敷后，用乙醇清洁玻璃部分。

（注）如果残留涂敷层废屑，融接时可能会出现轴偏移，接线损耗会增大，因此请仔细清扫。

（注）在多芯光纤的情况下，光纤前端之间会因酒精而粘在一起，有可能会在裁断光纤时引起裁断不良，因此，请用手指将光纤前端弹开。

④切断光纤

按照裁断光纤的操作步骤进行裁断。

（注）裁断将决定融接时的损耗特性。为了降低裁断不良，请注意清洁光纤切割刀的光纤拿持部和裁断刀刃。

（注）请注意不要碰撞或触摸裁断后的光纤前端。否则会引起接线不良。

（注）请注意不要让光纤废屑到处乱洒。

⑤融接

按照融接机的操作步骤进行融接作业。

（注）如果在融接机的V型槽和夹具上有垃圾，会因轴偏移而引起损耗异常，因此请充分清扫。

（注）如果具备接线前双向观察检查功能，便可以在接线前探测裁断状态的异常。

（注）光纤呈弯曲状态时，用手指轻轻捋直，使光纤朝下弯曲放置。

⑥融接部补强

在光纤融接部套上光纤保护套管，在加热机上进行芯线补强。

（注）移动芯线时，请注意避免使光纤弯曲或扭曲。否则会造成光缆破损断裂。

（注）设置光纤保护套管时，请使光纤保护套管的中心与接线部的中心基本保持一致。

（注）进行芯线补强时，请务必避免玻璃部分弯曲放置。

光纤的有关规定

● 光纤芯直径

适用于多模光纤的技术参数。表示最接近光纤芯范围的外围圆的直径。因为该值越小越能够实现宽带化，所以目前光纤芯直径一般为50µm。

● 模场直径 (MFD)

适用于单模光纤的技术参数。表示传输模式的电场分布范围 (光通道) 的直径。光通常通过光纤芯范围，但是在单模光纤的情况下，光也会泄露到包层范围，因此，不按光纤芯直径而按MFD规定。为此，MFD比光纤芯直径要大一 些。该值越小对校准精度的要求越高。此外，连接的光纤之间的MFD的差越大接线损耗就越大。

● 包层直径

最接近包层表面的圆的直径。连接的光纤之间的包层直径的差越大接线损耗就越大。

● 光缆截止波长

适用于单模光纤的技术参数。如果以小于该值的波长使用，则不为单模。该值由折射率分布和光纤芯的尺寸等光纤的构造来决定。

● 屏蔽等级

屏蔽是指为了去除玻璃的缺陷等、提高结构的可靠性而给予整个光纤一定的伸长率，预先使低强度部分断裂的方法。屏蔽等级表示该伸长率的值。该值越大光纤的可靠性就越高。

● 传输损耗

表示光纤传输光时两点之间的光功率的减少值，以下面的算式表示。

α=-(10/L) log (P2/P1)

L:光缆长度

P:入射光的功率

P2:出射光的功率

该值越大，光功率的减少就越大，因此，传输距离就越短。

● 传输频带

适用于多模光纤的技术参数。表示基带传输函数的大小减少到某个规定值 (6dB) 的频率。也就是说，它是表示到哪个频率为止能够使信号在不失真的状态下传输的值。该值越大就越能够以高频率、大容量传输。

● 零色散波长

适用于单模光纤的技术参数。表示波长色散为零的波长。如果以波长色散的绝对值较大的波长传输，色散会变大，光脉冲的失真也会变大。将零色散波长设计在1310nm附近的光纤为通用SM。设计在1550nm附近的光纤为色散位移光纤 (DSF）。

● 零色散斜率

适用于单模光纤的技术参数。表示零色散波长的色散倾斜度。如果零色散斜率较大，一般情况下各种波长的色散绝对值也会变大。

光缆部分的有关规定

● 最大允许张力

铺设光缆时可以施加的最大张力。但是并不是铺设后也可以一直施加该张力，因此必须加以注意。

● 最小允许弯曲半径

光缆能够弯曲的最小半径。在铺设中和铺设后，最小弯曲半径会不同。一般情况下的标准是：最小允许弯曲半径在铺设中为光纤半径的20倍，在铺设后为光纤半径的10倍。

● 适用温度范围

可铺设光纤的温度环境。一般情况下的标准是：如果在室外使用，适用温度范围为－20~＋60℃，如果在室内使用，适用温度范围为－10~＋40℃。

● 防水特性率

一般情况下，对在地下铺设的光缆要求其具备防水特性。试验方法有各种各样，本公司在常温下连续24小时进行以下试验时，一般以光缆内不会有3m程度以上程度的进水为标准，这个标准根据光缆的构造有所不同。

光连接器的有关规定

● 接线损耗

是连接光纤与光纤时，光从一方的光纤进入另一方的光纤时出现的损耗，用以下算式表示。

α=-10log (P2/P1) [dB]

P1:紧挨着接线部位前部的光功率

P2:在接线部位反射的光功率

该值越大，反射的光功率就越小，因此，噪声就越小。

● 反射损耗

是以数字表示的到光连接器的入射光功率与在接线面反射的光功率的比值，用以下算式表示。

α=-10log (P3/P1) [dB〕

P1:紧挨着接线部位前部的光功率

P3:在接线部位反射的光功率

该值越大，反射的光功率就越小，因此，噪声就越小。

● 插芯的研磨方法

插芯的研磨方法，连接器的接线特性有所不同。

光终接/接线箱、接头盒的有关规定

● 防尘防水特性

光终接/接线箱、接头盒都要求针对一般外界固体加以保护，并针对浸水加以保护 (主要是室外)。保护的分类以 [JIS C 0920] 中规定的IP代码表示。

● 表示方法

IP54：防尘形并且针对水的飞沫加以保护。

IP3X：针对直径为2.5mm以上的外界固体加以保护。省 略针对水的保护。

IPX7：省略针对外界固体的保护，保护工作做到即使浸水也没有影响。

● 表示方法

按光在光纤中的传输模式可将光纤分为单模光纤和多模光纤两种。

单模光纤(Single-mode Fiber)：一般光纤跳线用黄色表示，接头和保护套为蓝色；传输距离较长。

多模光纤(Multi-mode Fiber)：一般光纤跳线用橙色表示，也有的用灰色表示，接头和保护套用米色或者黑色；传输距离较短。

多模光纤(MMF，Multi Mode Fiber)，纤芯较粗，可传多种模式的光。但其模间色散较大，且随传输距离的增加模间色散情况会逐渐加重。多模光纤的传输距离还与其传输速率、芯径、模式带宽有关。

单模光纤(SMF，Single Mode Fiber)，纤芯较细，只能传一种模式的光。因此，其模间色散很小，适用于远程通讯。

光纤直径

光纤直径一般采用纤芯直径/包层直径的表示方法，单位μm。例如：9/125μm表示光纤中心纤芯直径为9μm，光纤包层直径为125μm。

光纤使用注意：

光纤跳线两端的光模块的收发波长必须一致，也就是说光纤的两端必须是相同波长的光模块，简单的区分方法是光模块的颜色要一致。R>一般的情况下，短波光模块使用多模光纤（橙色 的光纤），长波光模块使用单模光纤（黄色光纤），以保证数据传输的准确性。

光纤在使用中不要过度弯曲和绕环，这样会增加光在传输过程的衰减。

光纤跳线使用后一定要用保护套将光纤接头保护起来，灰尘和油污会损害光纤的耦合。

光纤连接器按传输媒介的不同可分为常见的硅基光纤的单模、多模连接器，还有其它如以塑胶等为传输媒介的光纤连接器；按连接头结构形式可分为：FC、SC、 ST、LC、D4、DIN、MU、MT等等各种形式。其中，ST连接器通常用于布线设备端，如光纤配线架、光纤模块等；而SC和MT连接器通常用于网络设备端。按光纤端面形状分有FC、PC（包括SPC或UPC）和APC；按光纤芯数划分还有单芯和多芯（如MT-RJ）之分。

FC 圆型带螺纹(配线架上用的最多)

ST 卡接式圆型

SC 卡接式方型(路由器交换机上用的最多)

MT-RJ 方型,一头双纤收发一体

PC 微球面研磨抛光

APC 呈8度角并做微球面研磨抛光

( PC, APC为对接端面的类型）

光纤通信技术的优缺点与应用领域

用玻璃纤维中的光传送信息

作为一种有线网络，光纤通信无法满足移动的需求。日常生活中，我们的手机通信用的是无线网络，光纤通信的存在感似乎并不强。

“但实际上，90%以上的信息传输是借助光纤完成的。手机通过无线网络与基站连接，而基站间信号的传递大部分依赖光纤。”光纤通信网络技术国家重点实验室光系统研究室副主任贺志学在接受科技日报记者采访时说。

光纤就是光导纤维，它细如发丝，可被直埋、架空，亦可被置于海底。因其轻盈、便捷、制作原材料成本低，最终替代了笨重的电缆成为主流的信号传输介质。

简单来说，光纤通信就是光通信。常见的光通信应用有望远镜、红绿灯等，它们利用大气传播可见光，属于视觉传输。光纤通信则是利用玻璃纤维中的光传送信息。

光纤通信的优点，通信容量大，中继距离长，不l受电磁干扰，资源丰富，光纤重量轻，体积小，，光通信发展简史，二千多年前，烽火台一灯光一旗语，一八八零年光电话一无线光通信，光纤通信，一九六六年光纤之父高锟博士首次提出光纤通信的想法。一九七零年康宁公司作出了损耗为20dB每千米的光纤。