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一级建造师考点:1L411081 掌握单模和多模光纤的特点和应用

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  1L411081 掌握单模和多模光纤的特点和应用 ( P14:光传输媒质;P58)

  一、光纤结构和类型

  二、光纤通信的工作窗口

  三、光纤分类

  四、多模光纤

  五、单模光纤

  一、光纤结构和类型

  (一)光纤的结构

  光纤是光导纤维的简称,是一种新的光波导,是光通信系统最普遍和最重要的传输媒质。

  它由单根玻璃纤芯、紧靠纤芯的包层、一次涂覆层以及套塑保护层组成。(光纤呈圆柱形,由纤芯、包层和涂覆层三部分组成。)

  纤芯和包层由两种光学性能不同的介质构成,内部的介质对光的折射率比环绕它的介质的折射率高。

  包在外围的覆盖层就像不透明的物质一样,防止了光线在穿插过程中从表面逸出。

  1. 纤芯

  位置: 位于光纤的中心部位,

  直径:在4~50μm,单模光纤的纤芯直径为4~10μm ,多模光纤的纤芯直径为50μm。纤芯的成分:含有极少量掺杂剂的高纯度二氧化硅(如二氧化锗,五氧化二磷)作用是适当提高纤芯对光的折射率,用于传输光信号。

  2. 包层

  位置: 位于纤芯的周围

  直径:125μm

  成分:是含有极少量掺杂剂的高纯度二氧化硅。

  掺杂剂(如三氧化二硼)的作用:适当降低包层对光的折射率,使之略低于纤芯的折射率,即纤芯的折射率大于包层的折射率(这是光纤结构的关键),它使得光信号封闭在纤芯中传输。

  3. 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。

  一次涂覆层:一般使用丙烯酸醋、有机硅或硅橡胶材料;

  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。

  涂覆层的作用:是保护光纤不受水汽侵蚀和机械擦伤,同时增加光纤的机械强度与可弯曲性,起着延长光纤寿命的作用。涂覆后的光纤外径约2. 5 mm 。

  (二)光纤的折射率分布

  光纤的折射率分布有两种典型的情况:阶跃折射率光纤,渐变折射率光纤。

  它们的共同特点:纤芯的折射率大于包层的折射率,这也是光信号在光纤中传输的必要条件。

  (三)光在光纤中的传播

  对于阶跃折射率光纤,由于纤芯和包层的折射率分布有明显的分界,光波在纤芯和包层界面的交界面形成全反射,并且形成锯齿形传输途径,引导光纤芯向前传播。

  对于渐变折射率光纤,由于在其界面上折射率是连续变化的,轴中心的折射率最大,沿纤芯半径方向折射率按抛物线规律减小,在纤芯边缘的折射率最小,因此光波在纤芯中产生连续折射,形成穿过光纤轴线的类似于正弦波的光折射线,引导光波沿纤芯向前传播。

  (四) 光纤最重要的两个传输特性 (P14)

  损耗和色散是光纤最重要的两个传输特性,它们直接影响光传输的性能。

  (1)光纤传输损耗:损耗是影响系统传输距离的重要因素之一,光纤自身的损耗主要有吸收损耗和散射损耗。

  吸收损耗是因为光波在传输中有部分光能转化为热能;

  散射损耗是因为材料的折射率不均匀或有缺陷、光纤表面畸变或粗糙造成的。

  当然,在光纤通信系统中还存在非光纤自身原因的一些损耗,包括连接损耗、弯曲损耗和微弯损耗等。这些损耗的大小将直接影响光纤传输距离的长短和中继距离的选择。

  (2)光纤传输色散:色散是光脉冲信号在光纤中传输,到达输出端时发生的时间上的展宽。

  产生的原因是光脉冲信号的不同频率成分、不同模式,在传输时因速度不同,到达终点所用的时间不同而引起的波形畸变。

  色散结果:这种畸变使得通信质量下降,从而限制了通信容量和传输距离。

  二、光纤通信的工作窗口

  光纤损耗系数随着波长而变化,为获得低损耗特性,光纤通信选用波长范围在800 ~1800nm,并称850nm(800~900nm)为短波长波段;1300~1600nm为长波长波段,主要有1310nm和1550nm两个窗口。实用的低损耗波长是:第一代系统,波长850nm,最低损耗2. 5dB/km,分贝(dB)采用石英多模光纤;第二代系统,波长1310nm,最低损耗0. 27dB/km,采用石英单模最低色散光纤;第三代系统,波长1550nm,最低损耗0.16dB/km,采用石英单模最低损耗与适应色散光纤。上述三个波长称为三个工作窗口。

  三、光纤分类

  四、多模光纤

  当光纤的几何尺寸远大于光波波长时(约lμm),光纤传输的过程中会存在一着几十种乃至上百种传输模式,这样的光纤称为多模光纤。

  由于不同的传播模式具有不同的传播速度与相位,因此,经过长距离传输会产生模式色散(经过长距离传输后,会产生时延差,导致光脉冲变宽)。模式色散会使多模光纤的带宽边窄,降低传输容量,因此,多模光纤只适用于低速率、短距离的光纤通信,目前数据通信局域网大量采用多模光纤。

  五、单模光纤

  当光纤的几何尺寸较小,与光波长在同一数量级,如芯径在4~10μm范围,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,这样的光纤称为单模光纤。单模光纤避免了模式色散,适用于大容量长距离传输。

  (一)单模光纤分类:

  按电信标准化部门(ITU-T)建议分类可分为G.652, G.653, G.654, G.655四种单模光纤;按IEC标准分类可分为Bl.1、B1.2、Bl.3、B2、B4;按我国标准(GB/T)分类可分为Bl.l、B1.2、B1.3、B2、B4。我国标准对光纤类别型号的命名等采用了IEC规定,所以二者是一样的。

  (二)几种单模光纤的特点和应用

  1. G. 652标准单模光纤特点及应用

  ①零色散波长在1310nm附近。既可以使用在1310nm波长区域,也可以使用在1550nm波长区域。最佳工作波长在1310nm区域。

  ②当工作波长在1.3μm时,光纤色散很小,系统的传输距离只受光纤衰减所限制。

  ③光纤在1.3μm波段的损耗较大;在1.55μm波段的损耗较小。

  ④光纤截止波长:λ从

  ⑤模场直径:1310nm处的模场直径是8.6~9.5μm士0.7。在1550nm处没有具体规定,但一般不大于10. 3μm。

  ⑥衰减:衰减系数最大值在1310nm窗口,A级为0.36dB/krn, B级为0. 40dB/km,C级为0.50dB/km。

  ⑦色散:零色散波长范围是1300~1324nm。

  ⑧偏振模色散(PMD)系数最大值:0. 3ps/km。 ◇一级建造师

  2. G. 653色散位移光纤特点及应用

  色散位移光纤在1.55μm色散为零,不利于多信道的WDM传输,用的信道数较多时,信道间距较小,这时就会发生四波混频(FWM)导致信道间发生串扰。如果光纤线路的色散为零,FWM(四波混频)的干扰就会十分严重;如有微量色散,FWN干扰反而还会减少。

  ①光纤截止波长:λc

  ②模场直径:1550nm处的模场直径是7. 8~ 8.5μm士0. 8 .

  ③衰减:衰减系数最大值在1310nm窗口,A级为0.40dB/km,B级为0.45dB/km,C级为0. 55dB/km

  ④偏振模色散(PMD)系数最大值:0. 3 ps/km .

  此种光纤除了在日本等国家干线网上有应用外,在我国干线网上几乎没有应用

  3. G.654截止波长位移光纤特点及应用

  也叫衰减最小光纤(在1550nm处)。

  ①零色散波长在1310nm附近,截止波长位移到较长的波长,所以该光纤也被称为截止波长位移单模光纤。

  ②工作波长为1.55μm,在该波长附近上的衰减最小。

  ③零色散点在1300nm附近,但在1550nm窗口色散较大,约为17~20ps/ (nm• km)

  ④光纤截止波长:1350nm

  ⑤模场直径:1550nm处的模场直径是9.5~10.5μm士0. 7 。◇一级建造师

  ⑥衰减:衰减系数最大值在1550 nm窗口,A级为0.19dB/km, B级为0. 22dB/km。

  ⑦色散:1550nm色散系数最大值20ps/nm•km; 1550nm零色散斜率最大值为0.07ps/(nm2•km)。

  ⑧偏振模色散(PMD)系数最大值:0. 3ps/km。

  该种光纤主要应用于长距离数字传输系统。如海底缆。

  4. G.655非零色散位移光纤特点及应用

  ①非零色散光纤实质上是一种改进的色散位移光纤,其零色散波长不在1. 55μm,而是在1. 525μm或1. 585μm处。

  ②在使用波长区域内具有非零的小色散值,削减了色散效应和四波混频效应。

  ③最佳使用波长范围在1530~1565nm区域,也可以一支持更高波长,直至16 (××不大于25)。

  ④光纤截止波长

  ⑤模场直径

  ⑥衰减

  ⑦C波段色散

  ⑧L波段色散

  ⑨偏振模色散(PMD)系数最大值环球网校友情提示:如果您在此过程中遇到任何疑问,请登录环球网校及考试,随时与广大考生朋友们一起交流!编辑推荐: