光纖基礎(chǔ)知識(shí)熔接與故障處理培訓(xùn)教材

1、 光纖基礎(chǔ)知識(shí),熔接與故障處理一，光纖基本知識(shí)1，光纖的歷史光纖通信是以光作為信息載體，以光纖作為傳輸媒介的通信方式。光纖通信技術(shù)是近30年迅猛發(fā)展起來的高新技術(shù)，給世界通信技術(shù)乃至國民經(jīng)濟(jì)、國防事業(yè)和人民生活帶來了巨大變革。 1966年，英籍華人高錕 (CKKao)預(yù)見利用玻璃可以制成衰減為20dBkm的通信光導(dǎo)纖維(簡稱光纖)。當(dāng)時(shí)，世界上最優(yōu)秀的光學(xué)玻璃衰減達(dá)l000dBkm左右。1970年，美國康寧公司首先研制成衰減為20dBkm 的光纖。從此，光纖就進(jìn)入了實(shí)用化的發(fā)展階段，世界各國紛紛開展光纖通信的研究。高錕，華裔物理學(xué)家，生于中國，祖籍金山（今市金山區(qū)），擁有英國、美國國籍并持中國

2、居民身份，在和美國加州山景城兩地居住。高錕為光纖通訊、電機(jī)工程專家，華文媒體譽(yù)之為“光纖之父”、普世譽(yù)之為“光纖通訊之父”（Father of Fiber Optic Communications），曾任中文大學(xué)校長。2009年，與威拉德博伊爾和喬治埃爾伍德史密斯共享諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。光纖的主要作用是引導(dǎo)光在光纖沿直線或彎曲的途徑傳播。為了實(shí)現(xiàn)長距離的光纖通信，必須減小光纖的衰減。CKKao 早就指出降低玻璃的過渡金屬雜質(zhì)離子是降低光纖衰減的主要因素。另一方面，玻璃的OH離子對(duì)衰減也有嚴(yán)重的影響。到了 1976年，人們?cè)O(shè)法降低OH含量后發(fā)現(xiàn)低衰減的長波長窗口有：1.31m、1.55m。1980年

3、，光纖衰減已降低到 0.2dBkm (1.55m)，接近理論值。這樣，使得進(jìn)行長距離的光纖通信成為可能。與此同時(shí)，為促進(jìn)光纖通信系統(tǒng)的實(shí)用化，人們又與時(shí)地開發(fā)出適用于長波長的光源、激光器、發(fā)光管、光檢測器。應(yīng)運(yùn)而生的光纖成纜。光無源器件和性能測試與工程應(yīng)用儀表等技術(shù)日臻成熟。這都為光纖光纜作為新的通信傳輸媒介奠定了良好的基礎(chǔ)。1976年，美國西屋電氣公司在亞特蘭大成功地進(jìn)行了世界上第一個(gè) 44.736Mbits 且傳輸110km 的光纖通信系統(tǒng)的現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)，使光纖通信向?qū)嵱没~出了第一步。 歷經(jīng)近20年突飛猛進(jìn)的發(fā)展，光纖通信速率由1978年的45Mbits 提高到目前的40Gbits。我國自7

4、0年代初就開始了光纖通信技術(shù)的研究。1977年，郵電研究院研制成功中國第一根階躍折射率分布的、波長為 0.85m多模光纖。后來又研制成單模光纖和特殊光纖以與光通信設(shè)備?，F(xiàn)在，我國光纖通信產(chǎn)業(yè)已初具規(guī)模，能夠生產(chǎn)光纖光纜、光電器件、光端機(jī)與其他工程應(yīng)用方面的配套儀表器件等。由此可見，中國已具有大力發(fā)展光纖通信的綜合實(shí)力。2. 光纖通信使用波段光波與無線電波相似，也是一種電磁波，只是它的頻率比無線電波的頻率高得多。紅外線、可見光和紫外線均屬于光波的疇。圖1-1下圖所示為電磁波波譜圖?？梢姽馐侨搜勰芸匆姷墓?，其波長圍為0.39至0.76。紅外線是人眼能看不見的光，其波長圍為 0.76至300。 一般

5、分為：近紅外區(qū)， 其波長圍為0.76至15；中紅外區(qū)，其波長圍為15至25；遠(yuǎn)紅外區(qū)，其波長圍為25至300。 光纖通信使用波段目前光纖通信所用光波的波長圍為=0.82.0，屬于電磁波譜中的近紅外區(qū)。其中0.81.0稱為短波長段，1.02.0稱為長波長段。目前光纖通信使用的波長有四個(gè)：0.85、1.31、1.49, 1.55。3，光纖中的射線光學(xué)理論光波長很短，但相對(duì)光纖的幾何尺寸要大得多，因此從射線光學(xué)理論的觀點(diǎn)出發(fā)，研究光纖中的光射線，可以直觀認(rèn)識(shí)光在光纖中的傳播機(jī)理和一些必要的概念。本節(jié)用射線光學(xué)理論對(duì)階躍型與漸變型多模光纖的傳輸特性進(jìn)行分析。射線光學(xué)的基本關(guān)系式是有關(guān)其反射和折射的菲涅

6、耳（Fresnel)定律。首先，我們來看光在分層介質(zhì)中的傳播，如圖2-3所示。圖中介質(zhì)1的折射率為,介質(zhì)2的折射率為，設(shè) 。當(dāng)光線以較小的角入射到介質(zhì)界面時(shí)，部分光進(jìn)入介質(zhì)2并產(chǎn)生折射，部分光被反射。它們之間的相對(duì)強(qiáng)度取決于兩種介質(zhì)的折射率。由菲涅耳定律可知反射定律(2-1)折射定律(2-2)在時(shí)，逐漸增大，進(jìn)入介質(zhì)2的折射光線進(jìn)一步趨向界面，直到趨于。此時(shí)，進(jìn)入介質(zhì)2的光強(qiáng)顯著減小并趨于零，而反射光強(qiáng)接近于入射光強(qiáng)。當(dāng) 極限值時(shí)，相應(yīng)的角定義為臨界角 。由于,所以臨界角（2-3）4，光纖的分類 根據(jù)折射率在橫截面上的分布形狀劃分時(shí)，有階躍型光纖和漸變型 (梯度型) 光纖兩種。階躍型光纖在纖芯

7、和包層交界處的折射率呈階梯形突變，纖芯的折射率n1和包層的折射率n2是均勻常數(shù)。漸變型光纖纖芯的折射率nl隨著半徑的增加而按一定規(guī)律(如平方律、雙正割曲線等) 逐漸減少，到纖芯與包層交界處為包層折射率n2，纖芯的折射率不是均勻常數(shù)。根據(jù)光纖中傳輸模式的多少，可分為單模光纖和多模光纖兩類。單模光纖只傳輸一種模式，纖芯直徑較細(xì)，通常在4m10m 圍。而多模光纖可傳輸多種模式，纖芯直徑較粗，典型尺寸為50m左右。例：50/125，62.5/125,9/125按制造光纖所使用的材料分，有石英系列、塑料包層石英纖芯、多組分玻璃纖維、全塑光纖等四種。光通信中主要用石英光纖，以后所說的光纖也主要是指石英光纖

8、。5, 光纖的色散由于光纖中所傳信號(hào)的不同頻率成分， 或信號(hào)能量的各種模式成分，在傳輸過程中，因群速度不同互相散開，引起傳輸信號(hào)波形失真，脈沖展寬的物理現(xiàn)象稱為色散。光纖色散的存在使傳輸?shù)男盘?hào)脈沖畸變，從而限制了光纖的傳輸容量和傳輸帶寬。從機(jī)理上說，光纖色散分為材料色散， 波導(dǎo)色散和模式色散。 前兩種色散由于信號(hào)不是單一頻率所引起，后一種色散由于信號(hào)不是單一模式所引起。光纖色散 6， 光合波器，光分波器，分路器光合波器和光分波器是用于波分復(fù)用等傳輸方式中的無源光器件?？蓪⒉煌ㄩL的多個(gè)光信號(hào)合并在一起混合到一根光纖中傳輸，或者反過來說，將從一根光纖傳輸來的不同波長的復(fù)合光信號(hào)，按不同光波長分開

9、。前者稱為合波器，后者稱為光分波器。光合波器和光分波器可分為衍射光柵型，棱鏡型,波導(dǎo)型等幾種類型。 光分路器分為拉錐型與平面波導(dǎo)型，衰減： 3.5+3.5+3.5+3.5.7， 摻鉺光纖放大器 目前已實(shí)現(xiàn)的用于光纖通信的光放大器有半導(dǎo)體激光放大器，利用受激拉曼散射和受激布里淵散射的非線性光纖放大器和摻雜光纖放大器。 綜合比較這三種光放大器的增益、耦合損耗、噪聲與穩(wěn)定性指標(biāo)，摻雜光纖放大器性能最為優(yōu)良，所以摻鉺光纖放大器在光纖通信中起著十分重要的作用。摻鉺光纖的激光特性和摻鉺光纖放大器的工作原理 摻鉺光纖是一種向常規(guī)傳輸光纖的石英玻璃基質(zhì)中摻入微量鉺元素的特種光纖，它是一種主動(dòng)光纖，如圖5-1所

10、示。 摻入鉺元素的目的是， 促成被動(dòng)的傳輸光纖轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂蟹糯竽芰Φ闹鲃?dòng)光纖。由此可知，這種光纖的新特性-激光特性、光放大特性等與鉺離子的性質(zhì)密切相關(guān)。 8，常用知識(shí)我們現(xiàn)在常用光波長是1310，1490，1550納米波長的光。 1550，1490納米的光對(duì)光纖彎曲敏感，維修時(shí)要注意。 尾纖頭：FC/APC（黃色），F(xiàn)C/PC（黑色），SC/APC（草綠色），SC/PC（藍(lán)色），LC，ST 桔色尾纖 標(biāo)示/事物 數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)普遍采用PC頭，而廣電普遍采用APC頭二，熔接1，熔接機(jī) 常用的有280，280G，300T DVP，注意V形槽的清潔，電極棒的除雜，放電電流的大?。ɡ肨EST鍵）2，切割刀高

11、度調(diào)整，位置調(diào)整，切割面更換，切割刀導(dǎo)軌有很細(xì)的滾珠，沾灰影響導(dǎo)軌，因此要保持清潔。當(dāng)推動(dòng)導(dǎo)軌有抖動(dòng)感時(shí)就很不容易切好了。3，熔接順序藍(lán) 桔 綠 棕 灰 白（本）紅 黑 黃 紫 青 粉（粉，青）最遠(yuǎn)的排在前面，例如24芯光纖一條線去6個(gè)點(diǎn) 藍(lán)束始終對(duì)接 1234注意事項(xiàng) 分路器位置尾纖不能留長，光纜剪裁一般長，便于盤線。小區(qū)規(guī)劃時(shí)光纜不能太集中。光纜要壓緊，不能墊粗東西，差一點(diǎn)最好纏膠布。三，光纜故障處理1，OTDR的原理與使用目前現(xiàn)狀 OTDR（光時(shí)域反射儀）主流品牌國產(chǎn)有中電34所的FS790、中電41所的AV6416，OPWILL的OTP6123，RQ-OTDR2000等，還有OT860

12、0和OT8800。進(jìn)口有日本安立MT9090A、日本橫河AQ1200，加拿大EXFO，美國JDSU.國產(chǎn)OTDR的測試距離與測試精度已大大提高，在光纖到戶FTTH驗(yàn)收測試中得到廣泛使用。工作原理 OTDR測試是通過發(fā)射光脈沖到光纖,然后在OTDR端口接收返回的信息來進(jìn)行。當(dāng)光脈沖在光纖傳輸時(shí)，會(huì)由于光纖本身的性質(zhì)，連接器，接合點(diǎn)，彎曲或其它類似的事件而產(chǎn)生散射，反射。其中一部分的散射和反射就會(huì)返回到OTDR中。返回的有用信息由OTDR的探測器來測量，從發(fā)射信號(hào)到返回信號(hào)所用的時(shí)間，再根據(jù)光在玻璃中的速度，就可以計(jì)算出距離。以下的公式就說明了OTDR是如何測量距離的。d=ct/2n在這個(gè)公式里，

13、c是光在真空中的速度，而t是信號(hào)發(fā)射后到接收到信號(hào)（雙程）的總時(shí)間（兩值相乘除以2后就是單程的距離）。因?yàn)楣庠诓Ａе幸仍谡婵罩械乃俣嚷?，所以為了精確地測量距離，被測的光纖必須要指明折射率n（IOR）。IOR是由光纖生產(chǎn)商來標(biāo)明。OTDR使用瑞利散射和菲涅爾反射來表征光纖的特性。瑞利散射是由于光信號(hào)沿著光纖產(chǎn)生無規(guī)律的散射而形成。OTDR就測量回到OTDR端口的一部分散射光。這些背向散射信號(hào)就表明了由光纖而導(dǎo)致的衰減（損耗/距離）程度。形成的軌跡是一條向下的曲線，它說明了背向散射的功率不斷減小。 作為1550nm波長的OTDR，它也具有低的衰減性能，因此可以進(jìn)行長距離的測試。而作為高衰減的13

14、10nmOTDR的測試距離就必然受到限制OTDR的工作原理就類似于一個(gè)雷達(dá)。它先對(duì)光纖發(fā)出一個(gè)信號(hào)，然后觀察從某一點(diǎn)上返回來的是什么信息。這個(gè)過程會(huì)重復(fù)地進(jìn)行，然后將這些結(jié)果進(jìn)行平均并以軌跡的形式來顯示，這個(gè)軌跡就描繪了在整段光纖信號(hào)的強(qiáng)弱。盲區(qū)概念 事件盲區(qū) 事件盲區(qū)是 Fresnel 反射后 OTDR 可在其中檢測到另一個(gè)事件的最小距離。換而言之，是兩個(gè)反射事件之間所需的最小光纖長度。仍然以之前提到的開車為例，當(dāng)您的眼睛由于對(duì)面車的強(qiáng)光刺激睜不開時(shí)，過幾秒種后，您會(huì)發(fā)現(xiàn)路上有物體，但您不能正確識(shí)別它。轉(zhuǎn)過頭來說 OTDR，可以檢測到連續(xù)事件，但不能測量出損耗（如圖 4 所示）。OTDR 合

15、并連續(xù)事件，并對(duì)所有合并的事件返回一個(gè)全局反射和損耗。為了建立規(guī)格，最通用的業(yè)界方法是測量反射峰的每一側(cè) -1.5 dB 處之間的距離（見圖 5）。還可以使用另外一個(gè)方法，即測量從事件開始直到反射級(jí)別從其峰值下降到 -1.5 dB 處的距離。該方法返回一個(gè)更長的盲區(qū)，制造商較少使用。使得 OTDR 的事件盲區(qū)盡可能短是非常重要的，這樣才可以在鏈路上檢測相距很近的事件。例如，在建筑物網(wǎng)絡(luò)中的測試要求 OTDR 的事件盲區(qū)很短，因?yàn)檫B接各種數(shù)據(jù)中心的光纖跳線非常短。如果盲區(qū)過長，一些連接器可能會(huì)被漏掉，技術(shù)人員無法識(shí)別它們，這使得定位潛在問題的工作更加困難。衰減盲區(qū) 衰減盲區(qū)是 Fresnel 反

16、射之后，OTDR 能在其中精確測量連續(xù)事件損耗的最小距離。還使用以上例子，經(jīng)過較長時(shí)間后，您的眼睛充分恢復(fù)，能夠識(shí)別并分析路上可能的物體的屬性。如圖 6 所示，檢測器有足夠的時(shí)間恢復(fù)，以使得其能夠檢測和測量連續(xù)事件損耗。所需的最小距離是從發(fā)生反射事件時(shí)開始，直到反射降低到光纖的背向散射級(jí)別的 0.5 dB，如圖 7 所示。盲區(qū)的重要性 短衰減盲區(qū)使得 OTDR 不僅可以檢測連續(xù)事件，還能夠返回相距很近的事件損耗。例如，可以得知網(wǎng)絡(luò)短光纖跳線的損耗，這可以幫助技術(shù)人員清楚了解鏈路的情況。盲區(qū)也受其他因素影響：脈沖寬度。規(guī)格使用最短脈沖寬度是為了提供最短盲區(qū)。但是，盲區(qū)并不總是長度一樣，隨著脈沖變

17、寬，盲區(qū)也會(huì)拉伸。使用最長的可能的脈沖寬帶會(huì)導(dǎo)致特別長的盲區(qū)，然而這有不同的用途，下文會(huì)提到。動(dòng)態(tài)圍動(dòng)態(tài)圍是一個(gè)重要的 OTDR 參數(shù)。此參數(shù)揭示了從 OTDR 端口的背向散射級(jí)別下降到特定噪聲級(jí)別時(shí) OTDR 所能分析的最大光損耗。換句話說，這是最長的脈沖所能到達(dá)的最大 光纖長度。因此，動(dòng)態(tài)圍（單位為 dB）越大，所能到達(dá)的距離越長。顯然，最大距離在不同的應(yīng)用場合是不同的，因?yàn)楸粶y鏈路的損耗不同。連接器、熔接和分光器也是降低 OTDR 最大長度的因素。2,測試要領(lǐng) 合理選擇測試距離，脈沖寬度，脈沖寬測試距離遠(yuǎn)顯示粗略，脈沖窄測試距離近，顯示精細(xì)。 根據(jù)故障情況變換波長1310，1550 這樣可以確定是熔接損耗還是光纜受傷。受傷不太嚴(yán)重的1550打不過去或衰減大，往往1310可以打過去，這樣更便于分析故障。典型案例：去年桃花源汽槍把光纜打傷。 注意端口為PC頭，要轉(zhuǎn)接。