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看動(dòng)圖,讀懂光纖通信背后的原理!

 DOICT觀察者 2021-09-02

光纖通信因其通信容量大、傳輸距離遠(yuǎn),已經(jīng)是現(xiàn)代通信的主要支柱之一。下面將有一大波動(dòng)圖,讓你簡(jiǎn)單直觀的了解光纖通信背后的原理。

1 電磁波譜

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光纖通信的工作波長(zhǎng)位于近紅外區(qū)。

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分為如下幾個(gè)波段:O波段、E波段、S波段、C波段、L波段和U波段,如下圖:

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可參考文章:《認(rèn)識(shí)光
2 光纖結(jié)構(gòu)

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裸纖一般分為纖芯(core)、包層(cladding)、涂敷層

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可參考文章:《光纖的結(jié)構(gòu)
3 光纖的全反射

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4 單模光纖與多模光纖

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外徑一般約125um,單模的內(nèi)徑 9um 

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外徑一般約125um,多模的內(nèi)徑50/62.5um

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可參考文章:《單模光纖/多模光纖
5 數(shù)值孔徑(NA)
數(shù)值也徑(Numerical Aperture)只有在某個(gè)角度范圍內(nèi)的入射光可以在光纖中傳輸。角度α的正弦值=數(shù)值孔徑(NA = sinα)
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6 光的散射
光通過(guò)不均勻介質(zhì)時(shí)偏離原方向傳播的現(xiàn)象會(huì)造成能量損失,稱(chēng)之為光的散射。

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7 瑞利散射
瑞利散射(Rayleigh Scattering )屬于散射的一種情況,又稱(chēng)“分子散射”。粒子尺度遠(yuǎn)小于入射光波長(zhǎng)時(shí)(小于波長(zhǎng)的十分之一),其各方向上的散射光強(qiáng)度是不一樣的,該強(qiáng)度與入射光的波長(zhǎng)四次方成反比,這種現(xiàn)象稱(chēng)為瑞利散射。
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8 背向散射
背向散射(Backscatter)是指光纖中的光功率絕大部分為前向傳播,但有很少部分朝發(fā)光器背向散射。在發(fā)光器處利用分光器觀察背向散射的時(shí)間曲線,從一端不僅能測(cè)量接入的均勻光纖的長(zhǎng)度和衰減,而且能測(cè)出局部的不規(guī)則性、斷點(diǎn)及在接頭和連接器引起的光功率損耗。如OTDR正是利用背向散射原理。
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9 菲涅爾反射
菲涅爾反射(Fresnel Reflection)是指當(dāng)光入射到折射率不同的兩個(gè)媒質(zhì)分界面時(shí),一部分光會(huì)被反射的現(xiàn)象。如果光在光纖中的傳輸路徑為光纖—空氣—光纖,由于光纖和空氣的折射率不一樣,將產(chǎn)生菲涅爾反射。

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10 色度色散(CD)
色度色散(Chromatic dispersion)是由于光纖材料石英玻璃對(duì)不同光頻的折射率不同,而光源具有一定的光譜寬度,不同的光頻引起的群速率也不同,從而造成了光脈沖的展寬。它包括:材料色散和波導(dǎo)色散。

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可參考:《相速度和群速度:色散》、《波分系統(tǒng)中的色度色散CD
(1)材料色散
材料色散是由光纖材料自身特性造成的。石英玻璃的折射率,嚴(yán)格來(lái)說(shuō),并不是一個(gè)固定的常數(shù),而是對(duì)不同的傳輸波長(zhǎng)有不同的值。光纖通信實(shí)際上用的光源發(fā)出的光,并不是只有理想的單一波長(zhǎng),而是有一定的波譜寬度。

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(2)波導(dǎo)色散
對(duì)于光纖的某一傳輸模式,在不同的光頻下的群速度不同引起的脈沖展寬。它與光纖結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)效應(yīng)有關(guān),因此也被成為結(jié)構(gòu)色散。

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11 光纖的折射率

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可參考文章:《階躍光纖/漸變光纖
12 模場(chǎng)直徑(MFD)
模場(chǎng)直徑(Mode Field Diameter)是用來(lái)表征在單模光纖的纖芯區(qū)域基模光的分布狀態(tài)?;T诶w芯區(qū)域軸心線處光強(qiáng)最大,并隨著偏離軸心線的距離增大而逐漸減弱。一般將模場(chǎng)直徑定義為光強(qiáng)降低到軸心線處最大光強(qiáng)的1/(e^2)的各點(diǎn)中兩點(diǎn)最大距離。

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可參考文章:《光纖通信:模場(chǎng)直徑和截止波長(zhǎng)是什么?
13 光纖衰減
光纖損耗(Optical Attenuation)所謂損耗是指光纖每單位長(zhǎng)度上的衰減,單位為dB/km。光纖損耗的高低直接影響傳輸距離或中繼站間隔距離的遠(yuǎn)近,因此,了解并降低光纖的損耗對(duì)光纖通信有著重大的現(xiàn)實(shí)意義。

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光纖彎曲損耗
光纖對(duì)彎曲非常敏感,如果彎曲半徑 <20x 外徑,大部分光都會(huì)從涂層溢出。兩種彎曲都會(huì)發(fā)生光損耗:Macrobend(宏彎) 和Microbend(微彎)。
Macrobend

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當(dāng)Macrobend彎曲被糾正,可以得到恢復(fù)。

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Microbend

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Microbend無(wú)法恢復(fù),比如由線纜捆扎過(guò)緊造成。

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14 光纖的熔接

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15 光纖連接器

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光纖適配器

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光纖接頭的截面分為PC、UPC、APC。

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16 耦合器(Coupler)
光纖耦合器將光信號(hào)從一條光纖中分至多條光纖中的無(wú)源光器件。

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