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一大波光纤通信原理动态图,美翻了!

1.电磁波谱


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振荡的电场和磁场在空间中以波的形式传播就形成了电磁波,Gamma射线、X光、紫外光、可见光、红外光、微波、无线电波和长波无线电,这些都是电磁波。


光纤通信工作波长在于近红外区。


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光纤通信工作波长在于近红外区,波段有: 

O波段:1260nm到1310nm

E波段:1360nm到1460nm

S波段:1460nm到1530nm

C波段:1535nm到1565nm

L波段:1565nm到1625nm

U波段:1640nm到1675nm


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单模光纤通常工作在1310nm、1550nm和1625nm.   


2. 光纤结构与光在光纤中的传送


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光纤裸纤一般分为三层:

1)纤芯(core):折射率较高,用来传送光;

2)包层(cladding):折射率较低,与纤芯一起形成全反射条件;

3)保护层:保护光纤。


图5.jpg


n = Index of refraction(折射率),光在真空中的传播速度与光在该介质中的传播速度之比率。


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n1=纤芯折射率;n2=包层折射率,n1>n2,形成形成全反射条件。


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3. 单模与多模


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外径一般为125um(一根头发平均100um)

内径:单模9um  多模50/62.5um


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4. 数值孔径(Numerical Aperture)


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。


图12.gif


这个角度α的正弦值就称为光纤的数值孔径(NA = sinα),不同厂家生产的光纤的数值孔径不同。


图13.jpg


从物理上看,光纤的数值孔径表示光纤接收入射光的能力。NA越大,则光纤接收光的能力也越强。从增加进入光纤的光功率的观点来看,NA越大越好,因为光纤的数值孔径大些对于光纤的对接是有利的。但是NA太大时,光纤的模畸变加大,会影响光纤的带宽。

5. 光的散射

光的散射是指光通过不均匀介质时一部分光偏离原方向传播的现象。此时引起的光能量损失,光的传输不再具有很好的方向性。


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二进位的 0, 1 在发送端是明确的分离脉冲。脉冲在接收端变为延伸和变形,并重叠在一起, 使不能正确解码。


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6. 瑞利散射(Rayleigh Scattering )


图12.gif


光纤中的瑞利散射:是一种基本损耗机制,是由于在制造过程中光纤密度的随机涨落引起折射率的局部起伏,使得光向各个方向散射。


7. 背向散射(Backscatter)

光纤中的光功率绝大部分为前向传播,但有很少部分朝发光器背向散射。


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OTDR正是利用背向散射来测光缆线路的损耗,长度等。


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光在光纤中传播时会发生瑞利散射(Rayleigh backscattering)以及菲涅尔反射(Fresnel reflection),OTDR就是利用了光这一特点,采集光脉冲的在通路中的背向散射及反射而制成的高科技、高精密的光电一体化仪表。


8. 菲涅尔反射(Fresnel Reflection)


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当光入射到折射率不同的两个媒质分界面时,一部分光会被反射,这种现象称为菲涅尔反射。如果光在光纤中的传输路径为光纤—空气—光纤,由于光纤和空气的折射率不一样,将产生菲涅尔反射。


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9. 色散(Chromatic dispersion)


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光纤中由光源光谱成分中不同波长的不同群速度所引起的光脉冲展宽的现象。


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材料色散

光纤材料石英玻璃的折射率对不同的传输光波长有不同的值,许多不同波长的太阳光通过棱镜以后可分成七种不同颜色就是一个证明。由于上述原因,材料折射率随光波长而变化从而引起脉冲展宽的现象称为材料色散。


图24.jpg


波导色散

由于光纤的纤芯与包层的折射率差很小,因此在交界面产生全反射时,就可能有一部分光进入包层之内。这部分光在包层内传输一定距离后,又可能回到纤芯中继续传输。进入包层内的这部分光强的大小与光波长有关,这就相当于光传输路径长度随光波波长的不同而异。


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把有一定波谱宽度的光源发出的光脉冲射入光纤后,由于不同波长的光传输路径不完全相同,所以到达终点的时间也不相同,从而出现脉冲展宽。具体来说,入射光的波长越长,进入包层中的光强比例就越大,这部分光走过的距离就越长。这种色散是由光纤中的光波导引起的,由此产生的脉冲展宽现象叫做波导色散。


光纤的折射率分布


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10. 模场直径(Mode Field Diameter)

大部分集中在纤芯,部分进入包层,这一更宽的分布称为模场直径。


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单模光纤中的基模场并没有完全集中在纤芯中,有一部分的能量存在于包层中。所以不能像多模光纤那样用纤芯直径表示横截面上的传光范围,只能用模场直径来表示。模场直径是衡量单模光纤横截面上基模场分布的一个物理量。


图28.gif


模场直径用来表征在单模光纤的纤芯区域基模光的分布状态。基模在纤芯区域轴心线处光强最大,并随着偏离轴心线的距离增大而逐渐减弱。 一般将模场直径定义为光强降低到轴心线处最大光强的1/(e^2)的各点中两点最大距离。


11. 光纤衰减(Optical Attenuation)
光纤中光功率沿纵轴逐渐减小。光功率减小与波长有关。光纤链路中,光功率减小主要原因是散射、吸收,以及连接器和熔接接头造成的光功率损耗。衰减的单位为dB。
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产生原因:使光纤产生衰减的原因很多,主要有:吸收衰减,包括杂质吸收和本征吸收;散射衰减,包括线性散射、非线性散射和结构不完整散射等;其它衰减,包括微弯曲衰减等。其中最主要的是杂质吸收引起衰减。


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光纤衰减系数(fiber attenuation coefficient):每公里光纤对光信号功率的衰减值。单位:dB/km。


光纤弯曲损耗


光纤对弯曲非常敏感,过度弯曲 = 光溢出。如果弯曲半径 <20x 外径,则大部分光都会从涂层溢出。单模光缆比多模光缆对弯曲损耗更敏感。


两种弯曲都会发生光损耗:Macrobend(宏弯) 和Microbend(微弯)。


Macrobend


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当Macrobend弯曲被纠正,可以得到恢复。


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Microbend


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Microbend无法恢复,比如由线缆捆扎过紧造成。


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