光纤与光缆培训资料

《光纤与光缆培训资料》由会员分享，可在线阅读，更多相关《光纤与光缆培训资料（89页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、1,第二章 光纤与光缆,2,3,2.1 光纤概述 2.2 光纤传输原理 2.3 光纤的传输特性 2.4 几种常用于光纤通信系统的光纤,本章内容,4,光纤通信系统的基本要求是能将任何信息无失真地从发送端传送到用户端，这首先要求作为传输媒质的光纤应具有均匀、透明的理想传输特性，任何信号均能以相同速度无损无畸变地传输。 但实际光纤通信系统中所用的光纤都存在损耗和色散，当信号强度较高时还存在非线性。 ？在实际系统中，光信号到底如何传输？其传输特性、传输能力究竟如何？本章讨论的要点。,要点,5,光纤是光导纤维的简写，是一种利用光在玻璃或塑料制成的纤维中的全反射原理而达成的光传导工具。光导纤维由前香港中文

2、大学校长高锟发明。,微细的光纤封装在塑料护套中，使得它能够弯曲而不至于断裂。通常，光纤的一端的发射装置使用发光二极管（light emitting diode,LED）或一束激光将光脉冲传送至光纤，光纤的另一端的接收装置使用光敏元件检测脉冲。,6,通常光纤与光缆两个名词会被混淆.多数光纤在使用前必须由几层保护结构包覆,包覆后的缆线即被称为光缆.光纤外层的保护结构可防止周遭环境对光纤的伤害,如水,火,电击等.光缆分为:光纤,缓冲层及披覆.光纤和同轴电缆相似，只是没有网状屏蔽层。中心是光传播的玻璃芯。在多模光纤中，芯的直径是15m50m， 大致与人的头发的粗细相当。而单模光纤芯的直径为8m10m。

3、芯外面包围着一层折射率比芯低的玻璃封套， 以使光纤保持在芯内。再外面的是一层薄的塑料外套，用来保护封套。光纤通常被扎成束，外面有外壳保护。 纤芯通常是由石英玻璃制成的横截面积很小的双层同心圆柱体，它质地脆,易断裂,因此需要外加一保护层。,7,光纤的构造,纤芯：高纯度SiO2+掺杂剂如GeO2等，2a：950m 包层：高纯度SiO2+掺杂剂如B2O3，2b：125 m 涂覆层：环氧树脂、硅橡胶和尼龙 纤芯和包层都用石英作为基本材料，折射率差通过在纤芯和包层进行不同的掺杂来实现。 纤芯掺入Ge和P 折射率 包层掺入B 折射率,2.1 光纤概述,8,1.根据芯区折射率径向分布的不同，可分为：,不同的

4、折射率分布，传输特性完全不同,光纤的分类,9,三种主要类型光纤的比较,10,阶跃型：光纤的纤芯折射率高于包层折射率，使得输入的光能在纤芯一包层交界面上不断产生全反射而前进。这种光纤纤芯的折射率是均匀的，包层的折射率稍低一些。光纤中心芯到玻璃包层的折射率是突变的，只有一个台阶，所以称为阶跃型折射率多模光纤，简称阶跃光纤，也称突变光纤。 这种光纤的传输模式很多，各种模式的传输路径不一样，经传输后到达终点的时间也不相同，因而产生时延差，使光脉冲受到展宽。所以这种光纤的模间色散高，传输频带不宽，传输速率不能太高，用于通信不够理想，只适用于短途低速通讯，比如：工控。但单模光纤由于模间色散很小，所以单模光

5、纤都采用突变型。这是研究开发较早的一种光纤，现在已逐渐被淘汰了。,11,为了解决阶跃光纤存在的弊端，人们又研制、开发了渐变折射率多模光纤，简称渐变光纤。,12,渐变型光纤：光纤中心芯到玻璃包层的折射率是逐渐变小，可使高次模的光按正弦形式传播，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。 渐变光纤的包层折射率分布与阶跃光纤一样，为均匀的。渐变光纤的纤芯折射率中心最大，沿纤芯半径方向逐渐减小。 由于高次模和低次模的光线分别在不同的折射率层界面上按折射定律产生折射，进入低折射率层中去，因此，光的行进方向与光纤轴方向所形成的角度将逐渐变小。,13,同样的过程

6、不断发生，直至光在某一折射率层产生全反射，使光改变方向，朝中心较高的折射率层行进。这时，光的行进方向与光纤轴方向所构成的角度，在各折射率层中每折射一次，其值就增大一次，最后达到中心折射率最大的地方。 在这以后。和上述完全相同的过程不断重复进行，由此实现了光波的传输。可以看出，光在渐变光纤中会自觉地进行调整，从而最终到达目的地，这叫做自聚焦。,14,2、从材料角度分: 按照材料分，有石英系光纤、多组分玻璃光纤、塑料包层石英芯光纤、全塑料光纤和氟化物光纤等。,目前通信中普遍使用的是石英系光纤。它的特点是传输波长范围宽，数值孔径大、芯径较大，机械强度大、弯曲性能好，容易与光源的耦合。因此在工业和医学

7、领域的激光通信中得到广泛应用。,15,塑料光纤是用高度透明的聚苯乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯（有机玻璃）制成的。它的特点是制造成本低廉，接续简单，易于弯曲，施工容易。但由于损耗较大，带宽较小，这种光纤只适用于短距离低速率通信，如短距离计算机网链路、船舶内通信等。,16,光纤的工作波长有短波长0.80.9m、长波长1.31.6m、超长波长光纤2m以上。光纤损耗一般是随波长加长而减小，0.85m的损耗为2.5dB/km,1.31m的损耗为0.35dB/km，1.55m的损耗为0.20dB/km，这是光纤的最低损耗，波长1.65m以上的损耗趋向加大。由于氢氧根离子（OH）的吸收作用，0.901.30m和1

8、.341.52m范围内都有损耗高峰，这两个范围未能充分利用。80年代起，倾向于多用单模光纤，而且先用长波长1.31m。,3、按光纤的工作波长分： 短波长光纤、长波长光纤和超长波长光纤。,17,常用光纤规格 单模： 8/125m， 9/125m， 10/125m 多模： 50/125m 欧洲标准 62.5/125m 美国标准 工业，医疗和低速网络： 100/140m， 200/230m 塑料光纤： 98/1000m 用于汽车控制。,18,4、按传输模式分： 单模光纤和多模光纤。,（1）多模光纤 (Multi Mode Fiber),理论上讲，当光的传输媒体，即纤芯直径较大远大于光波波长时，光将从

9、不同的位置，以各种不同的角度进入媒体，光在光纤中会以几十种乃至几百种传播模式进行传播。每一个角度都定义了一条路径或一种模式，以这种方式传输光波的光纤称为多模光纤。,19,多模光纤：中心玻璃芯较粗(50或62.5m)，包层外直径125m，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。,20,（2）单模光纤(Single Mode Fiber),在多模光纤中，光波以有限的模式向前传播，模式的具体数目是由纤芯所用媒体的直径和光的波长决定的。

10、减少纤芯的直径可以降低光线撞击边界面的角度数目，即模式数目减少了。如果纤芯直径减少到一定程度，光纤内将只有一种模式传播的光波，这就是单模光纤（Single Mode Fiber），,21,单模光纤：中心玻璃芯很细(芯径一般为9或10m)，包层外直径125m，只能传一种模式的光。因此，其模间色散很小，适用于远程通讯，但还存在着材料色散和波导色散，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。,22,后来又发现在1.31m波长处，单模光纤的材料色散和波导色散一为正、一为负，大小也正好相等。这就是说在1.31m波长处，单模光纤的总色散为零。从光纤的损耗特性来看，1.31m处正

11、好是光纤的一个低损耗窗口。这样，1.31m波长区就成了光纤通信的一个很理想的工作窗口，也是现在实用光纤通信系统的主要工作波段。1.31m常规单模光纤的主要参数是由国际电信联盟ITUT在G652建议中确定的，因此这种光纤又称G652光纤。,23,我们知道单模光纤没有模式色散所以具有很高的带宽，那么如果让单模光纤工作在1.55m波长区，不就可以实现高带宽、低损耗传输了吗？但是实际上并不是这么简单。常规单模光纤在1.31m处的色散比在1.55m处色散小得多。这种光纤如工作在1.55m波长区，虽然损耗较低，但由于色散较大，仍会给高速光通信系统造成严重影响。因此，这种光纤仍然不是理想的传输媒介。,24,

12、为了使光纤较好地工作在1.55m处，人们设计出一种新的光纤，叫做色散位移光纤（DSF）。这种光纤可以对色散进行补偿，使光纤的零色散点从1.31m处移到1.55m附近。这种光纤又称为1.55m零色散单模光纤，代号为G653。,G653光纤是单信道、超高速传输的极好的传输媒介。现在这种光纤已用于通信干线网，特别是用于海缆通信类的超高速率、长中继距离的光纤通信系统中。,25,G653光纤虽然用于单信道、超高速传输是很理想的传输媒介，但当它用于波分复用多信道传输时，又会由于光纤的非线性效应而对传输的信号产生干扰。特别是在色散为零的波长附近，干扰尤为严重。为此，人们又研制了一种非零色散位移光纤即G655

13、光纤，将光纤的零色散点移到1.55m 工作区以外的1.60m以后或在1.53m以前，但在1.55m波长区内仍保持很低的色散。这种非零色散位移光纤不仅可用于现在的单信道、超高速传输，而且还可适应于将来用波分复用来扩容，是一种既满足当前需要，又兼顾将来发展的理想传输媒介。,26,还有一种单模光纤是色散平坦型单模光纤。这种光纤在1.31m到1.55m整个波段上的色散都很平坦，接近于零。但是这种光纤的损耗难以降低，体现不出色散降低带来的优点，所以目前尚未进入实用化阶段。,27,2.2 光纤的传输原理,光线传播理论（几何光学方法） 把光看作射线，并引用几何光学中反射与折射原理解释光在光纤中传播的物理现象

14、,28,光的反射与折射,光的全反射现象,光线传播理论,29,光在阶跃光纤中的传播轨迹,光线传播理论,单模光纤中光线传播路径,30,NA表示光纤接收和传输光的能力。 NA（或a ）越大，表示光纤接收光的能力越强，光源与光纤之间的耦合效率越高。 NA越大，纤芯对入射光能量的束缚越强，光纤抗弯曲特性越好。 NA太大时，则进入光纤中的光线越多，将会产生更大的模色散，因而限制了信息传输容量，所以必须适当选择NA。 单模光纤的NA在0.12附近，多模光纤的NA约为0.21。,数值孔径概念,数值孔径就是能够使光线在光纤中以全内反射的形式进行传播的的入射角a的正弦值。,31,光在渐变光纤中传播的定性解释,将径

15、向r方向连续变化的折射率分为不连续变化的若干层表示:,光线传播理论,32,光在渐变光纤以不同角度入射的光线族皆以正弦曲线轨迹在光纤中传播，且近似成聚焦状,理论上，光在渐变光纤的传播轨迹：,2,n,1,n,光线传播理论,33,色散 损耗 光纤非线性效应,2.3 光纤的传输特性,34,光信号经光纤传输后要产生损耗和畸变(失真)，因而输出信号和输入信号不同。对于脉冲信号，不仅幅度要减小，而且波形要展宽。产生信号畸变的主要原因是光纤中存在色散。损耗和色散是光纤最重要的传输特性。损耗限制系统的传输距离，色散则限制系统的传输带宽。本节讨论光纤的色散和损耗的机理和特性，为光纤通信系统的设计提供依据。,2.3

16、 光纤的传输特性,35,色散的基本概念 色散的种类及其产生原因,光纤的色散,36,光纤的色散是在光纤中传输的光信号，随传输距离增加，由于不同成分的光传输时延不同引起的脉冲展宽的物理效应。 光纤的色散将引起光脉冲展宽和码间串扰，最终影响通信距离和容量。 色散的大小常用时延差表示，时延差是光脉冲中不同模式或不同波长成分传输同样距离而产生的时间差。单位：ps/nm.km,色散的基本概念,37,色散类型 模式色散：不同模式对应有不同的模折射率，导致群速度不同和脉冲展宽（仅多模光纤有） 波导色散 ：传播常数随频率变化 材料色散 ：折射率随频率变化 偏振模色散PMD,波长色散,色散的种类及其产生原因,38,模式色散是由于光纤不同模式在同一波长下传播速度不同，使传播时延不同而产生的色散。 只有多模光纤才存在模式色散，它主要取决于光纤的折射率分布。,模式色散,39,波导色散DW由于光纤中某一导模在不同光波长下，相位常数（传播常数）不同，群