光纤光缆光通信传输基础知识汇总简单易懂

光纤通信的优点

●通信容量大

●中继距离长

●不受电磁干扰

●资源丰富

●光纤重量轻、体积小

光通信发展简史

2000多年前

烽火台——灯光、旗语

1880年

光电话——无线光通信

1970年

光纤通信

●1966年“光纤之父”高锟博士首次提出光纤通信的想法。

●1970年贝尔研究所林严雄在室温下可连续工作的半导体激光器。

●1970年康宁公司的卡普隆(Kapron) 之作出损耗为20dB/km光纤。

●1977年芝加哥第一条45Mb/s的商用线路。

电磁波谱

通信波段划分及相应传输媒介

光的折射/反射和全反射

因光在不同物质中的传播速度是不同的，所以光从一种物质射向另一种物质时，在两种物质的交界面处会产生折射和反射。而且，折射光的角度会随入射光的角度变化而变化。当入射光的角度达到或超过某一角度时，折射光会消失，入射光全部被反射回来，这就是光的全反射。不同的物质对相同波长光的折射角度是不同的（即不同的物质有不同的光折射率），相同的物质对不同波长光的折射角度也是不同。光纤通讯就是基于以上原理而形成的。

反射率分布：表征光学材料的一个重要参数是折射率，用N表示，真空中的光速C与材料中光速V之比就是材料的折射率。

N＝C/V

光纤通信用的石英玻璃的折射率约为1.5

光通信的发展过程

光的基本知识

光纤结构

光纤裸纤一般分为三层：

第一层：中心高折射率玻璃芯（芯径一般为9-10μm,(单模）50或62.5（多模）。

第二层：中间为低折射率硅玻璃包层（直径一般为125μm）。

第三层：最外是加强用的树脂涂层。

1)纤芯 core：折射率较高，用来传送光；

2)包层 coating：折射率较低，与纤芯一起形成全反射条件；

3)保护套 jacket：强度大，能承受较大冲击，保护光纤。

3mm光缆 橘色 MM　 多模

黄色 SM　 单模

光纤的尺寸

外径一般为125um(一根头发平均100um)

内径：单模9um 多模50/62.5um

数值孔径

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。这个角度就称为光纤的数值孔径。光纤的数值孔径大些对于光纤的对接是有利的。不同厂家生产的光纤的数值孔径不同

光纤的种类

按光在光纤中的传输模式可分为：

多模（Multi-Mode） (简称：MM）

单模（Single-Mode）(简称：SM）

　

多模光纤：中心玻璃芯较粗（50或62.5μm），可传多种模式的光。但其模间色散较大，这就限制了传输数字信号的频率，而且随距离的增加会更加严重。例如：600MB/KM的光纤在2KM时则只有300MB的带宽了。因此，多模光纤传输的距离就比较近，一般只有几公里。

单模光纤：中心玻璃芯较细（芯径一般为9或10μm），只能传一种模式的光。实际上是阶跃型光纤的种，只是纤芯径很小，理论上只允许单一传播途径的直进光入射至光纤内，并在纤芯内作直线传播。光纤脉冲几乎没有展宽。因此，其模间色散很小，适用于远程通讯，但其色度色散起主要作用，这样单模光纤对光源的谱宽和稳定性有较高的要求，即谱宽要窄，稳定性要好。

光纤的分类

按材料分类：

玻璃光纤：纤芯与包层都是玻璃，损耗小，传输距离长，成本高；

胶套硅光纤：纤芯是玻璃，包层为塑料，特性同玻璃光纤差不多，成本较低；

塑料光纤：纤芯与包层都是塑料，损耗大，传输距离很短，价格很低。多用于家电、音响，以及短距的图像传输。

按最佳传输频率窗口:常规型单模光纤和色散位移型单模光纤。

常规型：光纤生产长家将光纤传输频率最佳化在单一波长的光上，如1300nm。

色散位移型：光纤生产长家将光纤传输频率最佳化在两个波长的光上，如：1300nm和1550nm。

突变型：光纤中心芯到玻璃包层的折射率是突变的。其成本低，模间色散高。适用于短途低速通讯，如：工控。但单模光纤由于模间色散很小，所以单模光纤都采用突变型。

　　

渐变型光纤：光纤中心芯到玻璃包层的折射率是逐渐变小，可使高模光按正弦形式传播，这能减少模间色散，提高光纤带宽，增加传输距离，但成本较高，现在的多模光纤多为渐变型光纤。

常用光纤规格

光纤尺寸：

1)单模纤芯直径：9/125μm，10/125μm　　　

2)包层外径（2D）＝125μm

3)一次涂敷外径＝250μm

4)尾纤：300μm

5)多模：

50/125μm，欧洲标准

62.5/125μm，美国标准

6)工业，医疗和低速网络：100/140μm， 200/230μm 　　　　　　　　　

7)塑料：98/1000μm，用于汽车控制

光纤衰减

造成光纤衰减的主要因素有：本征，弯曲，挤压，杂质，不均匀和对接等。

本征：是光纤的固有损耗，包括：瑞利散射，固有吸收等。

弯曲：光纤弯曲时部分光纤内的光会因散射而损失掉，造成的损耗。

挤压：光纤受到挤压时产生微小的弯曲而造成的损耗。

杂质：光纤内杂质吸收和散射在光纤中传播的光，造成的损失。

不均匀：光纤材料的折射率不均匀造成的损耗。

对接：光纤对接时产生的损耗，如：不同轴（单模光纤同轴度要求小于0.8μm），端面与轴心不垂直，端面不平，对接心径不匹配和熔接质量差等。

光缆的种类

1)按敷设方式分有：自承重架空光缆，管道光缆，铠装地埋光缆和海底光缆。

2)按光缆结构分有：束管式光缆，层绞式光缆，紧抱式光缆，带式光缆，非金属光缆和可分支光缆。

3)按用途分有：长途通讯用光缆、短途室外光缆、混合光缆和建筑物内用光缆。

光缆的接续与成端

光缆的接续与成端是光缆线路维护人员必须掌握的基本技能。

光缆的接续技术分类：

1)光纤的接续技术和光缆的接续技术两部分。

2)光缆的成端类似光缆的接续，只不过由于接头材料不同而操作该当也有所不同。

光纤接续的种类

光缆接续一般可分为两大类：

1)光纤的固定接续（俗称死接头）。一般采用光纤熔接机；用于光缆直接头。

2)光纤的活动接头（俗称活接头）。用能够拆卸的连接器连接（俗称活接头）。用于光纤跳线、设备连接等地方

由于光纤端面的不完整性和光纤端面压力的不均匀性，一次放电熔接光纤的接头损耗还比较大，现在采用二次放电熔接法。先对光纤端面预热放电，给端面整形，去除灰尘和杂物，同时通过预热使光纤端面压力均匀。

光纤连接损耗的监测方法

光纤连接损耗的监测方法有三种：

1、在熔接机上进行监测。

2、光源、光功率计监测。

3、OTDR测量法

光纤接续的操作方法

光纤接续操作一般分为：

1、光纤端面的处理。

2、光纤的接续安装。

3、光纤的熔接。

4、光纤接头的保护。

5、余纤的盘留五个步骤。

通常整个光缆的接续按以下步骤进行：

第一步：大量好长度，开剥光缆，除去光缆护套；

第二步：清洗、去除光缆内的石油填充膏。

第三步：捆扎好光纤。

第四步：检查光纤心数，进行光纤对号，核对光纤色标是否有误；

第五步：加强心接续；

第六步：各种辅助线对，包括公务线对、控制线对、屏蔽地线等接续（如果有上述线对。

第七步：光纤的接续。

第八步：光纤接头保护处理；

第九步：光纤余纤的盘库留处理；

第十步：完成光缆护套的接续；

第十一步：光缆接头的保护。

光纤的损耗

1310 nm : 0.35 ~ 0.5 dB/Km

1550 nm : 0.2 ~ 0.3dB/Km

850 nm : 2.3 ~ 3.4 dB/Km

光纤熔接点损耗：0.08dB/点

光纤熔接点 1点/2km

常见光纤名词

1)衰减

衰减：光在光纤中传输时的能量损耗单模光纤1310nm 0.4~0.6dB/km1550nm 0.2~0.3dB/km塑料多模光纤300dB/km

2)色散

色散(Dispersion)：光脉冲沿着光纤行进一段距离后造成的频宽变粗。它是限制传输速率的主要因素。

模间色散：只发生在多模光纤，因为不同模式的光沿着不同的路径传输。

材料色散：不同波长的光行进速度不同。

波导色散：发生原因是光能量在纤芯及包层中传输时，会以稍有不同的速度行进。在单模光纤中，通过改变光纤内部结构来改变光纤的色散非常重要。

光纤类型

G.652零色散点在1300nm左右

G.653零色散点在1550nm左右

G.654负色散光纤

G.655色散位移光纤

全波光纤

3)散射

由于光线的基本结构不完美，引起的光能量损失，此时光的传输不再具有很好的方向性。

光纤系统基础知识

基本光纤系统的构架及其功能介绍：

1.发送单元：把电信号转换成光信号；

2.传输单元：载送光信号的介质；

3.接收单元：接收光信号并转换成电信号；

4.连接器件：连接光纤到光源、光检测以及其它光纤。

常用连接器类型

连接头端面类型

耦合器（coupler）

主要功能再分配光信号

重要应用在光纤网络

尤其是应用在局域网

在波分复用器件上应用

基本结构

耦合器是双向无源器件

基本形式有树型、星型

——与耦合器对应的有分路器（splitter）

以图形表示

波分复用器

WDM—Wavelength Division Multiplexer在一条光纤中传输多个光信号，这些光信号频率不同，颜色不同。波分复用器就是要把多个光信号耦合进同一根光纤中；解波分复用器就是从一根光纤中把多个光信号区分出来。

波分复用器（图例）

发送单元

接收单元

放大器

光纤数字通信

数字系统中脉冲的定义：

1.振幅：脉冲的高度在光纤系统中表示光功率能量。

2.上升时间：脉冲从最大振幅的10%上升到90%所需要的时间。

3.下降时间：脉冲从振幅的90%下降到10%所需要的时间。

4.脉冲宽度：脉冲在50%振幅位置的宽度，用时间表示。

5.周期：脉冲特定的时间，就是完成一个循环所需要的工作时间。

6.消光比：1信号光功率于0信号光功率的比值。

光纤通信中常用单位的定义：

1. dB = 10 log10 ( Pout / Pin )

Pout :输出功率 ; Pin :输入功率

2. dBm = 10 log10 ( P / 1mw)

是通信工程中广泛使用的单位；

通常表示以1毫瓦为参考的光功率；

example: –10dBm表示光功率等于100uw。

3. dBu = 10 log10 ( P / 1uw)

光通信之光纤光缆篇科普贴

光纤是5G发展背后的骨干力量。

光纤光缆行业属于传统通信制造业，经过长期发展已基本形成光纤预制棒-光纤-光缆-光网络产品的产业链。2018年以来光纤光缆产量下滑，但5G建设的推进将为光纤光缆带来新的市场需求。由于4G建设进入尾声，5G建设尚未大规模推进，2018年以来光纤光缆需求有所下降，当年全国光缆产量为3.17亿芯公里，较2017年下降7.24%，2019年1-10月同比降幅达17.90%。

2019年我国开启5G商用，中国移动、中国电信和中国联通用于5G建设的资本开支计划分别为240亿元、90亿元和60-80亿元。截至2019年10月底全国三大运营商已开通5G基站8.6万个，2019年年底将超过13万个，相关建设将于2020年达到高峰。

未来5G需要更密集的基站，预计5G基站的数量将是4G的4-5倍，因而5G对于光纤光缆的需求也将数倍于4G。 此外，根据国资委等部门印发的《深入推进网络提速降费加快培育经济发展新动能2018专项行动的实施意见》，国家将加快推进5G产业技术发展，推动形成全球统一5G标准，为5G发展提供政策支撑。随着5G建设高峰的到来，预计2020年光纤光缆需求将回暖。

光纤和5G之间的关系

我们知道3G和4G网络需要每隔数英里设置一座宏基站，而宏基站通常部署在高塔上或建筑物的屋顶。在宏基站网络中，由于信号受到阻挡，网络覆盖往往存在缺口，因此需要额外部署小型基站，来填补或增强对用户的覆盖。

5G网络需要使用更加紧密的无线电天线网络，才能实现大量连接、低延迟和高连接速度。尽管可能存在许多变数，但在某些情况下，可能需要每隔500英尺或更短的距离部署5G小型基站。通过在更小的面积内部署更多的基站，也就形成了一个更稠密、更快速、更连通的网络。那么，无线网络在变得越来越密集时会发生怎样的变化？简而言之，无线网络正在“玻璃纤维化”——其中加入了更多的光纤。由此形成的先进通信网络使光纤能够进一步深入到城市和社区之中，并延伸至街道设施和建筑立面。

4G光纤和5G光纤的区别：

先借用下面分析光纤企业财报的下滑原因的图：

​ 上图可知，4G的覆盖率已经超过98%，那么5G还需要光纤吗？

首先5G技术是一种空口技术，而5G的整体组网分为无线接入网、承载网、核心网。

5G的无线接入网就是大家比较熟悉的基站部分，而承载网则是把无线接入网的数据传输到核心网的中间传输部分，这一块还是主要以光纤传输为主，可能会有部分的微波传输做为辅助。

​ 可以说，如果没有中间的光纤承载的话，5G空口速度再快也是没有用的。而且，未来的5G组网CU/DU分离后，在整个5G组网中，前传(RRU/AAU到DU)、中传(DU到CU)、回传(CU到核心网)都需要光纤网络的支持。

在5G提升信号性能的同时，光纤宽带的性能也在不断提升，所以，光纤宽带将仍然是未来家用宽带的主流模式。

还有一个就是基站之间还是要用光纤来连接从而实现5G的通信功能。

5G时代，互联网的数据传输绝大部分都是建立在光纤骨干网上的。5G的无线，解决的仅仅是基站到用户端那一小段数据传输，基站到基站，基站到骨干网，还是依赖于光纤。而且如果采用的是SA组网，还要独立铺设光纤光缆，对于光纤的需求量还是蛮大的。

光纤的应用：

光纤的应用​

光纤收发用一体的模块，就是光模块，后续细分文章会单独讲解光模块。

光模块

光纤的光缆分为海底光缆和陆地光缆。

普通光缆是在陆地上使用的，在传输距离、外层保护以及施工上都不如海缆严苛。所以，会制造普通光纤的企业也很多。但普通光纤是无法适用于海底严苛环境的。而且，在海底光缆的制造过程中，为了长距离传输性能得到保证，需要光纤的拉丝工艺水准非常高。拉丝塔的建设就必不可少。所以，有能力做海底光缆的企业，都会在沿江沿海地区盖很高的拉丝塔建设厂房，然后生产出来的产品直接传输上铺设船。

具体细节很多，就不概述了，总之：

1、光缆不是电缆

2、海底光缆比普通光缆制造门槛高

3、深海（越洋）光缆比一般海底光缆门槛更高

海缆属于光电线缆中技术门槛很高的产品，由于生产工艺复杂、技术难度大、风险高，称为线缆制造皇冠上的明珠，长期以来被欧美和日本厂商垄断。目前，亨通、中天、通光在深海海缆制造方面已经实现突破、完成了5000米深海测试，而华为在海缆传输领域的光通信技术方面具有全球领先的技术水平，具备了跨洋海缆总承包交付能力和经验。

​海底光缆，尤其是随着一带一路发展的深海光缆铺设，会凸显两种稀缺。一种是制造、铺设深海光缆的核心企业溢价。另一种是深海光缆的投资运营企业溢价。

亨通光电海底光缆项目

亨通还收购华为海洋，所以亨通现在是国内和国际上海底光缆上中游能力都具备的厂商。

鹏博士海底光缆项目

光纤行业的企业财报对比：

从各光通信企业的2019年三季报财报来看：无论营收还是利润都缩水很多：

长飞光纤：

长飞光纤三季报

亨通光电：

亨通光电三季报

通鼎互联：

通鼎互联三季报

特发信息：

特发信息三季报

中天科技：

中天科技三季报​

光纤光缆企业2019年业绩下滑原因分析：

导致营收和利润缩水的最主要原因还是上半年光纤光缆集采价格出现滑铁卢和断崖式下降，但是集采数量跟去年比没太大变化。

3月12日，中国移动发布了2019年普通光缆产品集采中标公告，此次采购规模约331.20万皮长公里（折合1.05亿芯公里），但价格同比去年的60多元直接跌到了30多元，中标的厂商不仅利润会断崖式下降，甚至可能会亏钱接订单。

随后4月24日，中国电信启动2019年度室内光缆及引入光缆集采项目，集采量基本与上年持平。但是从公布的中标候选人来看，价格也差不多下降了一半。

这主要有两方面原因造成：

一方面，2018年年底我国光纤宽带接入网和4G移动通信基站的建设基本完成，行政村光纤和4G网络覆盖率超98％，光纤光缆需求量逐渐趋向饱和。

4G光纤覆盖率

另一方面，5G商用初期建网并不深入，运营商对光纤光缆需求也不强烈，导致光纤光缆出现供大于求和光纤光缆价格下滑的现象。 事实上，中国移动2018年只进行了一次普通光缆集采，总量达1.1亿芯公里，这时供过于求的局面就已经出现了。随着5G的建设期的到来，5G对于光纤光缆的需求也将数倍于4G。

光纤光缆企业目前的布局：

面对压力，光通信企业纷纷转型，围绕5G开展“军备竞赛”，同时布局新兴业务进行多元化发展。5G已成为全球科技竞争制高点，一场覆盖全球的5G竞赛已经展开。为了抓住机遇，光通信企业也提前布局，例如：

长飞光纤 的5G全联接战略，其涵盖全场景、优品质、高效率三个方面，能提供覆盖从骨干网到接入网的全系列光纤产品，形成5G端到端的全场景联接方案；还开发了G.654.E新型光纤、高密度小型化光缆、全干式光缆等多种针对5G铺设场景的产品。

亨通光电 这几年在通信产业上的布局均是围绕5G开拓，有围绕5G通信的高密度、大容量光纤连接器、有源光模块产品及IDC系统集成方案；合作开发的一体化边缘数据中心项目顺利通过验收。

通鼎互联 收购UTS，主攻通信设备，而UTS拥有行业领先的4G和5G承载网设备解决方案的优势，有望助攻通鼎互联在5G大赛中取得一席之地。

中天科技 也根据5G架构延伸产品覆盖面，与中国铁塔成立联合实验室，重点在5G室分覆盖、新能源等领域展开深入合作。

在布局5G同时，光通信企业也在布局新兴业务寻找更多的发展机会。 例如：

长飞光纤 在围绕5G发展时，面向电力的光纤应用、数据中心、工业互联网等发展相关多元化业务；

亨通光电 正积极布局战略新兴业务，加快拓展海洋通信与电力市场；

通鼎互联 在做强传统光纤光缆产业的同时，新增了宽带接入、软件定义网络、网络信息安全、大数据等四大细分领域，以加速转型步伐；

中天科技 重点是光纤行业，其次是线缆行业。产业链也是非常齐全的，是南通最大的企业，年销售超过500多个亿也一直从事智能制造，这里面包含一些核心元素，比如说中天互联科技有限公司包括以下四家公司：一、建设运营工业互联网。二、中天智能装备有限公司，三、中天科技华宇智者能够科技有限公司，四、中天软件技术有限公司。具体也不详细概述。

2019光纤光缆企业大事件：

今年4月举行的2019年信息社会世界峰会（WSIS）上，中国联通携手亨通光电提交的基于量子加密干线的数据加密防泄漏防篡改网络系统 在建立使用ICT的信息和安全性类别中荣获最高奖项 ，这也是我国在2019年WSIS 18个类别中唯一获得最高奖项的项目。 据了解，该项目已拥有多项应用案例，包括京雄量子加密视频会议系统、苏州金融量子加密专线、苏州量子加密政务网等，双方计划未来将进一步扩展量子通信节点数量 ，打造京津冀及长江三角洲量子加密通信环网，并实现南北的全线贯通。

2019年6月，亨通光电正式启动发行股份及支付现金收购华为海洋51%股份事项，业内颇为震动，终于在12月13日该项目顺利通过中国证监会上市公司并购重组审核委员会审核。

华为海洋是全球第四大海底电缆工程商，主要从事全球海缆通信网络的建设。对于亨通来说，收购华为海洋，也将改变国内甚至全球海缆格局。

今年9月6日，通鼎互联宣布以现金4922万美元（约合3.29亿元人民币）收购美国纳斯达克上市公司UTS26.05%股份的交易已完成交割。今年9月6日，通鼎互联宣布以现金4922万美元（约合3.29亿元人民币）收购美国纳斯达克上市公司UTS26.05%股份的交易已完成交割。

本次交易将使得通鼎互联的通信产品解决方案更加全面。同时，未来在5G领域，UTS将有助于通鼎互联加码面向5G设备领域的产品布局，把握5G网络建设的市场机遇。另外，通过UTS的海外市场地位，通鼎互联也可以将其在国内具有竞争力的成熟通信产品线导入国际市场，提升国际市场竞争力。

2020年光纤光缆行业的产能：

2020光纤企业产能​

在5G建设高峰到来的背景下，虽行业产能继续扩张，但由于需求提升且光缆集采价格已接近供应商成本价，2020年集采价格继续下降的可能性不大。

光纤未来的可能方向：

光纤+AI​

未来，各项服务将生成海量数据，而5G需要借助光纤来传输这些数据。尽管全球各地的运营商都将有自己的部署方法，但是它们都不约而同地将光纤作为首选介质。

#光纤# #光缆#

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