看动图,读懂光纤通信背后的原理!

光纤通信因其通信容量大、传输距离远,已经是现代通信的主要支柱之一。下面将有一大波动图,让你简单直观的了解光纤通信背后的原理。

1 电磁波谱
光纤通信的工作波长位于近红外区。
分为如下几个波段:O波段、E波段、S波段、C波段、L波段和U波段,如下图:
可参考文章:《认识光
2 光纤结构
裸纤一般分为纤芯(core)、包层(cladding)、涂敷层
可参考文章:《光纤的结构
3 光纤的全反射
4 单模光纤与多模光纤
外径一般约125um,单模的内径 9um
外径一般约125um,多模的内径50/62.5um
可参考文章:《单模光纤/多模光纤
5 数值孔径(NA)
数值也径(Numerical Aperture)只有在某个角度范围内的入射光可以在光纤中传输。角度α的正弦值=数值孔径(NA = sinα)
6 光的散射
光通过不均匀介质时偏离原方向传播的现象会造成能量损失,称之为光的散射。
7 瑞利散射
瑞利散射(Rayleigh Scattering )属于散射的一种情况,又称“分子散射”。粒子尺度远小于入射光波长时(小于波长的十分之一),其各方向上的散射光强度是不一样的,该强度与入射光的波长四次方成反比,这种现象称为瑞利散射。
8 背向散射
背向散射(Backscatter)是指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。在发光器处利用分光器观察背向散射的时间曲线,从一端不仅能测量接入的均匀光纤的长度和衰减,而且能测出局部的不规则性、断点及在接头和连接器引起的光功率损耗。如OTDR正是利用背向散射原理。
9 菲涅尔反射
菲涅尔反射(Fresnel Reflection)是指当光入射到折射率不同的两个媒质分界面时,一部分光会被反射的现象。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。
10 色度色散(CD)
色度色散(Chromatic dispersion)是由于光纤材料石英玻璃对不同光频的折射率不同,而光源具有一定的光谱宽度,不同的光频引起的群速率也不同,从而造成了光脉冲的展宽。它包括:材料色散和波导色散。
可参考:《相速度和群速度:色散》、《波分系统中的色度色散CD
(1)材料色散
材料色散是由光纤材料自身特性造成的。石英玻璃的折射率,严格来说,并不是一个固定的常数,而是对不同的传输波长有不同的值。光纤通信实际上用的光源发出的光,并不是只有理想的单一波长,而是有一定的波谱宽度。
(2)波导色散
对于光纤的某一传输模式,在不同的光频下的群速度不同引起的脉冲展宽。它与光纤结构的波导效应有关,因此也被成为结构色散。
11 光纤的折射率
可参考文章:《阶跃光纤/渐变光纤
12 模场直径(MFD)
模场直径(Mode Field Diameter)是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。
可参考文章:《光纤通信:模场直径和截止波长是什么?
13 光纤衰减
光纤损耗(Optical Attenuation)所谓损耗是指光纤每单位长度上的衰减,单位为dB/km。光纤损耗的高低直接影响传输距离或中继站间隔距离的远近,因此,了解并降低光纤的损耗对光纤通信有着重大的现实意义。
光纤弯曲损耗
光纤对弯曲非常敏感,如果弯曲半径 <20x 外径,大部分光都会从涂层溢出。两种弯曲都会发生光损耗:Macrobend(宏弯) 和Microbend(微弯)。
Macrobend
当Macrobend弯曲被纠正,可以得到恢复。
Microbend
Microbend无法恢复,比如由线缆捆扎过紧造成。
14 光纤的熔接
15 光纤连接器
光纤适配器
光纤接头的截面分为PC、UPC、APC。
16 耦合器(Coupler)
光纤耦合器将光信号从一条光纤中分至多条光纤中的无源光器件。
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