第2章光纤和光缆3培训讲学

《第2章光纤和光缆3培训讲学》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第2章光纤和光缆3培训讲学（57页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、上式右边第一项为材料色散,式中，的单位为nm。 当=1273nm时，M2()=0。式(2.52)第二项为波导色散，其中=(n3-n2)/(n1-n3)，是W型单模光纤的结构参数，当=0时，相应于常规单模光纤。含V项的近似经验公式为,经简化，得到单位长度的单模光纤色散系数为,(2.52),其值由实验确定。SiO2材料M2()的近似经验公式为,式中，0为中心波长。利用 0，可以把时间延迟()展开为泰勒级数 ()=0+(-0)C0+(-0)2C0/2 (2.54) 式中，0=(0)，C0=C(0)，C0= 。 ,光源的影响 存在色散C()0的条件下，光源对光纤脉冲展宽的影响可以分为三种情况。 多色光

2、源：设 (光源频谱宽度) s (调制带宽) ，且光谱不受调制的影响。 这相当于多纵模半导体激光器的情况。 考虑rms 谱线宽度为的高斯型光源，其功率谱密度为,(2.53),图 2.13 不同结构单模光纤的色散特性,不同结构参数的C()示于图2.13，图中曲线相应于零色散波长在1.31m的常规单模光纤，零色散波长移位到1.55m的色散移位光纤，和在1.31.6m色散变化很小的色散平坦光纤，这些光纤的结构见图2.2(c)和图2.3(a)。 ,图 2.14 常规单模光纤带宽和波长的关系,上式右边第二项为光纤产生的脉冲展宽。 和多色光源不同， 单色光源脉冲展宽与输入脉冲宽度1有关。根据式(2.56a)

3、， 可以选取使输出脉冲宽度2最小的最佳输入脉冲宽度1,单色光源：设 (光源频谱宽度) s (调制带宽) 且中心波长不受调制的影响。 这相当于锁模激光器和稳定的单频激光器。 在长度为L的单模光纤上，输入和输出的光脉冲都是高斯型，其 rms 脉冲宽度分别为1和2，经计算得到,(2.56a),(2.56b),中等谱宽：设光源的频谱宽度和调制带宽s相近(s)，这相当于频谱宽度较大的单纵模激光器。 在这种情况下，,式中，为光源的 rms频谱宽度(用角频率表示)。同样可以选取使2最小的最佳1。,(2.57),式中，nx和ny分别为x-和y-方向的等效折射率。 偏振模色散本质上是模式色散，由于模式耦合是随机

4、的， 因而它是一个统计量。 目前虽没有统一的技术标准，但一般要求偏振模色散小于0.5ps/km。 由于存在偏振模色散，即使在色度色散C()=0的波长，带宽也不是无限大，见图2.14。 ,偏振模色散：实际光纤不可避免地存在一定缺陷，如纤芯椭圆度和内部残余应力，使两个偏振模的传输常数不同，这样产生的时间延迟差称为偏振模色散或双折射色散。 ,偏振模色散取决于光纤的双折射，由=x-ynxk-nyk得到，,(2.58),(2.61a),习惯上的单位用dB/km， 由式(2.60)得到损耗系数,Po=Pi exp(-L) (2.60),设长度为L(km)的光纤，输入光功率为Pi，根据式(2.59)，输出光

5、功率应为,式中，是损耗系数。,(2.59),1. 损耗的机理 图2.15是单模光纤的损耗谱，图中示出各种机理产生的损耗与波长的关系，这些机理包括吸收损耗和散射损耗两部分。 吸收损耗 是由SiO2材料引起的固有吸收和由杂质引起的吸收产生的。 散射损耗 主要由材料微观密度不均匀引起的瑞利(Rayleigh )散射和由光纤结构缺陷(如气泡)引起的散射产生的。 瑞利散射损耗是光纤的固有损耗，它决定着光纤损耗的最低理论极限。,图 2.15 单模光纤损耗谱， 示出各种损耗机理,2. 实用光纤的损耗谱 根据以上分析和经验， 光纤总损耗与波长的关系可以表示为,= +B+CW()+IR()+UV(),式中，A为

6、瑞利散射系数， B为结构缺陷散射产生的损耗，CW()、 IR()和UV()分别为杂质吸收、红外吸收和紫外吸收产生的损耗。 ,由图2.16看到：从多模突变型(SIF)、渐变型(GIF)光纤到单模(SMF)光纤，损耗依次减小。 从色散的讨论中看到：从多模SIF、 GIF光纤到SMF光纤，色散依次减小(带宽依次增大)。 单模石英光纤的零色散波长在1.31 m，还可以把零色散波长从1.31 m移到1.55m，实现带宽最大损耗最小的传输。 正因为这些特性， 使光纤通信从SIF、GIF光纤发展到SMF光纤，从短波长(0.85 m)“窗口”发展到长波长(1.31 m和1.55 m)“窗口”，使系统技术水平不

7、断提高。 ,图 2.16光纤损耗谱 (a) 三种实用光纤； (b) 优质单模光纤,2.3.3 光纤标准和应用 G.651多模渐变型(GIF)光纤 应用于中小容量、中短距离的通信系统。 G.652常规单模光纤 是第一代单模光纤，其特点是在波长1.31 m色散为零，系统的传输距离只受损耗的限制。 G.653色散移位光纤 是第二代单模光纤，其特点是在波长1.55 m色散为零，损耗又最小。这种光纤适用于大容量长距离通信系统。 G.654 1.55 m损耗最小的单模光纤 其特点是在波长1.31 m色散为零，在1.55 m色散为1720 ps/(nmkm)，和常规单模光纤相同，但损耗更低，可达0.20 d

8、B/km以下。 色散补偿光纤 其特点是在波长1.55 m具有大的负色散。 G.655非零色散光纤 是一种改进的色散移位光纤。,表2.3 光纤特性的标准,光纤结构示意图,涂覆层：光纤的最外层为涂覆层，包括一次涂覆层，缓冲层和二次涂覆层。 一次涂覆层一般使用丙烯酸酯、有机硅或硅橡胶材料； 缓冲层一般为性能良好的填充油膏； 二次涂覆层一般多用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。通常所说的光纤为此种光纤。,2.4 光缆,2.4.1 光缆基本要求 保护光纤固有机械强度的方法，通常

9、是采用塑料被覆和应力筛选。 光纤从高温拉制出来后，要立即用软塑料进行一次被覆和应力筛选，除去断裂光纤，并对成品光纤用硬塑料进行二次被覆。 二次被覆光纤有紧套、松套、大套管和带状线光纤四种，见图2.18。 应力筛选条件直接影响光纤的使用寿命。 设对光纤进行拉伸应力筛选时，施加的应力为p，作用时间为tp(设为1s)； 长期使用时，容许施加的应力为r，作用时间为tr，断裂概率为106km一个断裂点。理论推算得到的容许作用时间(光纤使用寿命)tr 和应力比r/p的关系示于图2.17。,图 2.17 光纤使用寿命和应力比的关系,图 2.18二次被覆光纤(芯线)简图 (a) 紧套； (b) 松套； (c)

10、 大套管； (d) 带状线,2.4.2 光缆结构和类型 光缆一般由缆芯和护套两部分组成，有时在护套外面加有铠装。 1. 缆芯 缆芯通常包括被覆光纤(或称芯线)和加强件两部分。 被覆光纤是光缆的核心，决定着光缆的传输特性。 加强件起着承受光缆拉力的作用，通常处在缆芯中心，有时配置在护套中。 ,光缆的结构,护套起着对缆芯的机械保护和环境保护的作用。要求其具有良好的抗侧压力性能及密封防潮和耐腐蚀的功能。,光缆的种类： 1、按结构分：层绞式、骨架式、束管式、带状式 2、按应用形式分：管道光缆、架空光缆、海底光缆、直埋光缆 光缆的特性：损耗特性、色散特性、机械特性、环境特性,光缆的种类,图 2.20光缆

11、类型的典型实例 (a) 6芯紧套层绞式光缆(架空、管道)； (b) 12芯松套层绞式光缆(直埋防蚁)； (c) 12芯骨架式光缆(直埋)； (d) 648芯束管式光缆(直埋)； (e) 108芯带状光缆；(f) LXE束管式光缆(架空、管道、直埋)； (g) 浅海光缆； (h) 架空地线复合光缆(OPGW),层绞式,层绞式光缆的结构类似于传统的电缆结构方式，故又称为古 典式光缆。,骨架式,骨架式光缆中的光纤置放于塑料骨架的槽中，槽的横截面可 以是 V形、U 形或其他合理的形状，槽的纵向呈螺旋形或正 弦形，一个空槽可放置510根一次涂覆光纤。,束管式,束管式结构的光缆近年来得到了较快的发展。它相

12、当于把松 套管扩大为整个缆芯，成为一个管腔，将光纤集中松放在其 中。,带状式,带状式结构的光缆首先将一次涂覆的光纤放入塑料带内做成 光纤带，然后将几层光纤带叠放在一起构成光缆芯。,光缆 的基本型式 层绞式 把松套光纤绕在中心加强件周围绞合而构成。 骨架式 把紧套光纤或一次被覆光纤放入中心加强件周围的螺旋形塑料骨架凹槽内而构成。 中心束管式 把一次被覆光纤或光纤束放入大套管中， 加强件配置在套管周围而构成。 带状式 把带状光纤单元放入大套管内， 形成中心束管式结构，也可以把带状光纤单元放入骨架凹槽内或松套管内， 形成骨架式或层绞式结构。,2. 护套 护套起着对缆芯的机械保护和环境保护作用，要求具

13、有良好的抗侧压力性能及密封防潮和耐腐蚀的能力。 护套通常由聚乙烯或聚氯乙烯(PE或PVC)和铝带或钢带构成。 根据使用条件光缆可以分为： 室内光缆、架空光缆、埋地光缆和管道光缆等。 特种光缆常见的有：电力网使用的架空地线复合光缆(OPGW)， 跨越海洋的海底光缆，易燃易爆环境使用的阻燃光缆以及各种不同条件下使用的军用光缆等。,2.5 光纤特性测量方法, 光纤的特性参数很多，基本上可分为几何特性、光学特性和传输特性三类。 几何特性包括纤芯与包层的直径、偏心度和不圆度； 光学特性主要有折射率分布、数值孔径、模场直径和截止波长； 传输特性主要有损耗、带宽和色散。,光纤的特性参数很多，但在其中我们着重

14、考虑的是它的几何特性、光学特性和传输特性三类。,我们关注的重点？,光纤损耗测量 光纤带宽测量 光纤色散测量 光纤截止波长测量,用特定波长的光通过光纤，然后测出输出端相对于输入端的光功率或幅度、相位等物理量的变化，再经过相应的数据处理而实现。 测量系统一般包括：发射光源、注入装置和接收与数据处理部分。 各部分要求稳定、可靠，并有足够的精确度。测量的详细技术规范由国际标准（ITU-T）或国标确定。,测量的共同特点,损耗测量,前面介绍光纤的损耗特性的时，我们引入了一个重要的参数(l)，它表示在波长l处的衰减系数。 = 10/L * lg (Pi/Po) (dB/Km) 在使用的时候，要特别注意两点：

15、 1、假设光纤沿轴向是均匀的，即与轴向位置无关。 2、对多模光纤必须达到平衡模分布。 只有这样，测得的衰减系数才能进行线性相加。 ITU-T G.650和ITU-T G.651都规定截断法为基准测量方法，插入法和背向散射法（OTDR法）为替代测量方法。,损耗测量：截断法,截断法是一种直接利用衰减系数定义的测试方法。在不改变注入电流的条件下，分别测出光纤的输出功率P2和剪断后约2米长度短纤的输出功率P1，按照定义算出(l) 。该方法测试精度高。根据需要可以在一个波长或多个波长上进行，或在一个波长范围内测出衰减谱。 测试装置见如所示下所示。,损耗测量：截断法,BIAS,光源,注入系统,滤模器,Cl

16、adding stripper,Cladding stripper,检测器,Amp.,电平测量,待测光纤,损耗测量：截断法,测试系统主要包括光源、光注入系统、光检测器及信号处理部分等单元。 光源选择取决于测量类型、或是激光器、发光二极管，或是卤素灯。在测量过程中，光源的位置、强度和波长应保持稳定。 光检测器要能收集所有的辐射光，频响应与光源的谱特性匹配，灵敏度应线性。,损耗测量：截断法,衰减谱测试系统的光源要有足够宽的波长范围，如卤素灯。 为了保证高精度的测量，要求： 1、测试系统高度稳定； 2、有合适的注入条件； 3、有高质量的光纤端面。,损耗测量：截断法,注入条件：对多模光纤衰减的测量，这点尤为重要。多模光纤中可以激励成百上千个模，由于耦合条件不同，个模携带的初始能量不同。 在传播中，由于模变换、模耦合和模衰减，各模携带的能量的比