光缆教学课件

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1、1 光纤和光缆光纤和光缆 2 主要内容: 光纤的结构和类型。 光纤的导光原理。 光纤的特性。 。 光纤和光缆光纤和光缆 3 1.1 1.1 光纤的结构和类型光纤的结构和类型 1.1.1 光纤的结构 1. 光纤结构 光纤由纤芯、包层和涂覆层3部分组成，如图2-1所示。 图2-1 光纤的结构 4 1.1 1.1 光纤的结构和类型光纤的结构和类型 （1）纤芯 单模光纤的纤芯为4m10m，多模光纤的纤芯为50m。 纤芯的成分是高纯度SiO2。 （2）包层 直径d2=125m 5 1.1 1.1 光纤的结构和类型光纤的结构和类型 （3）涂覆层 一次涂覆层:丙烯酸酯、有机硅或硅橡胶材料； 缓冲层:填充油膏

2、； 二次涂覆层:聚丙烯或尼龙等高聚物。 涂覆的作用是保护光纤不受水汽侵蚀和机械擦伤，同时又增加 了光纤的机械强度与可弯曲性，起着延长光纤寿命的作用。涂覆 后的光纤其外径约1.5mm。 6 1.1 1.1 光纤的结构和类型光纤的结构和类型 2光纤的折射率分布与光线的传播 图2-3 光纤的折射率分布 7 1.1 1.1 光纤的结构和类型光纤的结构和类型 图2-5 光在阶跃折射率多模光纤中的传播 图2-6 光在渐变折射率多模光纤中的传播 8 1.1.2 1.1.2 光纤的分类光纤的分类 若按传输模的数量分类可分为多模光纤和单模光纤 若按传输波长分类可分为短波长光纤和长波长光纤 若按套塑结构分类可分为

3、紧套光纤和松套光纤 9 1.1.2 1.1.2 光纤的分类光纤的分类 1按传输模数分类 传播模式概念：当光在光纤中传播时，如果光纤纤芯的几何 尺寸远大于光波波长时，光在光纤中会以几十种乃至几百种传播 模式进行传播。 图2-4 光在阶跃折射率光纤中的传播 10 1.1.2 1.1.2 光纤的分类光纤的分类 （1）多模光纤 当光纤的几何尺寸（主要是芯径d1）远大于光波波长时（约 1m），光纤传输的过程中会存在着几十种乃至几百种传输模式 ，这样的光纤称为多模光纤。 （2）单模光纤 当光纤的几何尺寸（主要是芯径d1 ）较小，与光波长在同一 数量级，如芯径d1 在4m10m范围，这时，光纤只允许一种 模

4、式（基模）在其中传播，其余的高次模全部截止，这样的光 纤称为单模光纤。 11 1.1.2 1.1.2 光纤的分类光纤的分类 图2-7 光在单模光纤中的传播轨迹 图2-6 光在渐变折射率多模光纤中的传播 12 1.1.2 1.1.2 光纤的分类光纤的分类 2按传输波长分类 光纤可分为短波长光纤和长波长光纤。 短波长光纤的波长为0.85m（0.8m0.9m） 长波长光纤的波长为1.3m1.6m，主要有1.31m和 1.55m两个窗口。 3按套塑结构分类 按套塑结构不同，光纤可分为紧套光纤和松套光纤。 13 1.1.2 1.1.2 光纤的分类光纤的分类 紧套光纤与松套光纤 紧套光纤就是在一次涂覆的光

5、纤上再紧紧地套上一层尼龙或 聚乙烯等塑料套管，光纤在套管内不能自由活动。 松套光纤，就是在光纤涂覆层外面再套上一层塑料套管，光 纤可以在套管中自由活动。 图2-8 套塑光纤结构 14 1.1.2 1.1.2 光纤的分类光纤的分类 4单模光纤的分类 （1） G.651光纤 ：多模渐变型光纤，中小容量、中短距离。 （2）G.652光纤 G.652光纤，也称标准单模光纤（SMF），是指色散零点（即色 散为零的波长）在1 310nm附近的光纤。 （3）G.653光纤 G.653光纤也称色散位移光纤（DSF），是指色散零点在1 550nm附近的光纤，它相对于G.652光纤，色散零点发生了移动，所 以叫色

6、散位移光纤。 15 1.1.2 1.1.2 光纤的分类光纤的分类 4单模光纤的分类 （4）G.654光纤 G.654光纤是截止波长移位的单模光纤。其设计重点是降低1 550nm的衰减，其零色散点仍然在1 310nm附近，因而1 550nm窗口 的色散较高。G.654光纤主要应用于海底光纤通信。 （5）G.655光纤 由于G.653光纤的色散零点在1 550nm附近，DWDM系统在零色散 波长处工作易引起四波混频效应。为了避免该效应，将色散零点的位 置从1 550nm附近移开一定波长数，使色散零点不在1 550nm附近的 DWDM工作波长范围内。这种光纤就是非零色散位移光纤（NDSF） 。 16

7、 1.2 1.2 光纤的导光原理光纤的导光原理 当一条光线照射到两种介质相接的边界时，入射光线分 成两束：反射光线和折射光线（如图2-9所示）。 图2-9 光的折射图2-10 光的反射 全反射是光信号在光纤中传播的必要条件 。 17 1.3 1.3 光纤特性光纤特性 1.3.1 光纤的几何特性 光纤的几何特性包括芯直径、包层直径、纤芯/包层同心度、 不圆度。 1芯直径 芯直径主要是对多模光纤的要求。ITU-T规定，多模光纤的芯 直径为503m。 2包层直径 包层直径指光纤的外径，ITU-T规定，多模及单模光纤的包层 直径均要求为1253m。 目前，光纤生产制造商已将光纤外径规格从125.03m

8、提高 到125.01m。 18 1.3 1.3 光纤特性光纤特性 3纤芯/包层同心度和不圆度 纤芯/包层同心度是指纤芯在光纤内所处的中心程度。 目前光纤制造商已将纤芯/包层同心度从0.8m的规格提高到 0.5m的规格。 不圆度包括芯径的不圆度和包层的不圆度。 ITU-T规定，纤芯/包层同心度误差6%（单模为1.0m）， 芯径不圆度6%，包层不圆度（包括单模）2%。 19 2.3.2 2.3.2 光纤的光学特性光纤的光学特性 光纤的光学特性有折射率分布、最大理论数值孔径、模场直径 及截至波长等。 1折射率分布 其中，n1为纤芯折射率，n2为包层折射率，a为芯半径，r为离开 纤芯中心的径向距离，为

9、相对折射率差，=(n1 n2 )/ n1 ， g折 射率分布指数。 20 2.3.2 2.3.2 光纤的光学特性光纤的光学特性 2最大理论数值孔径（NAmax） 最大理论数值孔径的定义为： 其中，n1为阶跃光纤均匀纤芯的折射率（梯度光纤为纤芯中心 的最大折射率），n2为均匀包层的折射率。 21 2.3.2 2.3.2 光纤的光学特性光纤的光学特性 3模场直径和有效面积 模场直径是指描述单模光纤中光能集中程度的参量。 模场直径越小，通过光纤横截面的能量密度就越大。当通过光纤 的能量密度过大时，会引起光纤的非线性效应，造成光纤通信系统 的光信噪比降低，影响系统性能。 模场直径（或有效面积）越大越好

10、。 。 22 2.3.2 2.3.2 光纤的光学特性光纤的光学特性 图2-13 模场直径 23 2.3.2 2.3.2 光纤的光学特性光纤的光学特性 4截止波长 理论上的截止波长是单模光纤中光信号能以单模方式传播的最 小波长。 截止波长条件可以保证在最短光缆长度上单模传输，并且可以 抑制高次模的产生或可以将产生的高次模噪声功率代价减小到完全 可以忽略的地步。 注：几何特性、光学特性影响光纤的连接质量，施工对它们不产 生变化，而传输特性则相反，它不影响施工，但施工对传输特性将 产生直接的影响。 24 2.3.3 2.3.3 光纤的传输特性光纤的传输特性 光纤的传输特性主要是指光纤的损耗特性和色散

11、特性，另有机 械特性和温度特性。 1光纤的损耗特性 光波在光纤中传输，随着传输距离的增加，而光功率强度逐渐 减弱，光纤对光波产生衰减作用，称为光纤的损耗（或衰减）。 光纤损耗的定义：A( )=10lg（P1/P2） dB P1-输入端输入光功率 P2-输出端输出光功率 假设光纤损耗在长度上是均匀的，将计算单位长度上的损耗， 称之为衰减常数： a( )= A( )/L dB/Km 25 2.3.3 2.3.3 光纤的传输特性光纤的传输特性 光纤的损耗限制了光信号的传播距离。光纤的损耗主 要取决于吸收损耗、散射损耗、弯曲损耗3种损耗。 （1）固有损耗（吸收损耗） 光纤吸收损耗是制造光纤的材料本身造

12、成的损耗，包 括紫外吸收、红外吸收和杂质吸收。 （2）外部损耗（散射损耗） 由于材料的不均匀使光信号向四面八方散射而引起的 损耗称为瑞利散射损耗。 光纤制造中，结构上的缺陷会引起与波长无关的散射损 耗。 26 2.3.3 2.3.3 光纤的传输特性光纤的传输特性 （3）应用损耗（弯曲损耗） 光纤的弯曲会引起辐射损耗。实际中，有两种情况的弯曲：一 种是曲率半径比光纤直径大得多的弯曲；一种是微弯曲。 决定光纤衰减常数的损耗主要是吸收损耗和散射损耗，弯曲损 耗对光纤衰减常数的影响不大 。 27 2.3.3 2.3.3 光纤的传输特性光纤的传输特性 （4）衰减系数 光纤的衰减系数是指光在单位长度光纤中

13、传输时的衰耗量，单 位一般用dB/km。它是描述光纤损耗的主要参数。 在单模光纤中有两个低损耗区域，分别在1 310nm和1 550nm 附近，即通常说的1 310nm窗口和1 550nm窗口；。如图2-14所示 。 28 2.3.3 2.3.3 光纤的传输特性光纤的传输特性 图2-14 光纤的特性 29 2.3.3 2.3.3 光纤的传输特性光纤的传输特性 2光纤的色散特性 光脉冲中的不同频率或模式在光纤中的群速度不同，这些频率成 分和模式到达光纤终端有先有后，使得光脉冲发生展宽，这就是光 纤的色散，色散一般用时延差来表示。 图2-15 色散引起的脉冲展宽示意图 30 2.3.3 2.3.3 光纤的传输特性光纤的传输特性 光纤的色散可分为模式色散、色度色散。 光纤宽带的色散主要受材料色散、模式色散和结构色散影响， 其中，单模光纤主要受材料色散的影响。 （1）模式色散 多模光纤中不同模式的光束有不同的群速度，在传输过程中， 不同模式的光束的时间延迟不同而产生的色散，称模式色散。 31 2.3.3 2.3.3 光纤的传输特性光纤的传输特性 （2）色度色散 材料色散 由于材料折射率随光信号频率的变化而不同，光信号不同频率成 分所对应的群速度不