基本光纤光缆知识

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1、第3章光纤通信系统中 光信号的传输特性,光的基本知识P23,n1,n2,n1nclad 光在芯和包层之间的界面上反复进行全反射，并在光纤中传递下去。,光纤的结构,纤芯 core：折射率较高，用来传送光； 包层 coating：折射率较低，与纤芯一起形成全反射条件； 保护套 jacket：强度大，能承受较大冲击，保护光纤。 3mm光缆 橘色 MM黄色 SM,光纤光缆图片,光纤的结构抛面图,SMF:2a=4-10m,2b=125 理论分析中，可以认为包层是无限大的 MMF:(阶跃多模光纤) 2a=50m,2b=125,阶跃光纤和渐变光纤 Step-Index Fiber & Graded-Inde

2、x Fiber,3.光纤制作 reading:P15-P19,根据芯区折射率径向分布的不同，可分为：,不同的折射率分布，传输特性完全不同,光纤中光波的传输原理-全反射,n2,n1,n2,空气,A,B,MAX,当n1n21 c时 发生全反射 c：临界角,只要满足全内反射条件连续改变入射角的任何光射线都能在光纤纤芯内传输,光纤的类型P34,光纤的性质,光纤的损耗 损耗特性与光的工作波长有关,在三个工作窗口有相对小的损耗: 第一窗口光工作波长0.85m,损耗稍大 第二窗口光工作波长1.31m,损耗中等 第三窗口光工作波长1.55m,损耗最小光纤的色散由于光纤所传输信号中不同模式或不同频率成分因传输速

3、度的不同而引起传输信号发生畸变的一种物理现象,光纤中的成缆 干线缆(架空光缆,直埋光缆,海底光缆,复合光缆)96芯以下 局内光缆 芯数少，比干线缆柔软 用户缆 根据需要几百芯或几千芯,纤芯为带状光纤,-数值孔径(NA)P41,相对折射率差,n0、n1、n2-分别是空气、纤芯、包层折射率，c-芯包界面全反射临界角,1. 阶跃光纤,代表光纤接收光的本领,（示意图，比例不符）, 大 ?,以不同入射角进入光纤的光线将经历不同的途径，虽然在输入端同时入射并以相同的速度传播，但到达光纤输出端的时间却不同，出现了时间上的分散，导致脉冲严重展宽。,模间色散,所有大于临界角C的光线都被限制在纤芯内。,1. 阶跃

4、光纤,core,cladding,1. 阶跃光纤,经历最短和最长路径的两束光线间的时差P43(3-21):,-传输容量限制:,B-信号比特率,1. 阶跃光纤,-传输容量限制:,对于无包层的特殊光纤，n1=1.5，n2=1.0(空气)，=0.33很大，BL0.4(Mb/s).km 减小值，BL能提高很多。一般0.01。 当=0.002时，BL100(Mb/s).km，10Mb/s的速率传输10km，适用于一些局域网。,2. 渐变光纤P46,渐变光纤的芯区折射率不是一个常数，从芯区中心的最大值逐渐降低到包层的最小值。光线以正弦振荡形式向前传播。 入射角大的光线路径长，由于折射率的变化，光速在沿路径

5、变化，虽然沿光纤轴线传输路径最短，但轴线上折射率最大，光传播最慢。通过合理设计折射率分布，使光线同时到达输出端，降低模间色散。,2. 渐变光纤,优化设计的渐变光纤，其BL积达约10(Gb/s).km，比阶跃光纤提高了3个数量级。 第一代光波系统就是使用的渐变光纤。 单模光纤能进一步提高BL积，需要采用电磁导波和模式理论来讨论。,确定传输模式的参数。可由波动方程导出。,归一化频率V：P45,a为纤芯半径，为光波波长，为折射率差。 参量V决定了光纤中能容纳的模式数量。如果V2.405，则它只容纳单模单模光纤。,模折射率（有效折射率）：,单模光纤的截止波长：使得V=2.405时的光波长.,模式,一个

6、模式是由它的传播常数唯一确定的.由可引入一个很有用的量.,按照光纤传输模式的多少分： P34单模光纤多模光纤按照光纤截面折射率分布分：P34阶跃型光纤P34梯度型光纤(多模光纤) P34双包层（W型）三角分布-色散位移光纤(DSF G.653),非零色散位移光纤(NZ-DSF G.655)P55,3.1.2 光纤的分类(1),光纤的种类,光纤的芯径、折射率差（）、所使用波长可传播的模的数量不同 多模光纤 2a=50 m 单模光纤 2a=410 m,外径：2b=125m,ITU-T标准光纤 G.652：普通单模光纤(SMF),产品：康宁，长飞 G.653：色散位移光纤(DSF) G.655：非零

7、色散位移光纤(NZ-DSF),产品：康宁LEAF；长飞：大保实 G.651：普通多模光纤(MMF),产品：长飞,3.1.2 光纤的分类(2),单模光纤种类,G.652光纤 即常规单模光纤，在1310nm波长工作时，理论色散值为零；在1550nm波长工作时，传输损耗最低，但色散系数较大。单通路速率达到STM-64时，需要采取色散调节手段。 G.653光纤 在1550nm波长工作时性能最佳，又称为色散移位光纤。零色散点从1310nm移至1550nm波长区。 G.654光纤 截止波长移位的单模光纤，它的设计重点是降低1550nm波长处的衷减。主要应用于需要很长再生段距离的海底光纤通信。 G.655光

8、纤 又称之为非零色散移位单模光纤，零色散点移至1570nm或15101520nm附近，使1550nm处具有一定的色散值。色散受限距离达数百公里。可以有效的减少波分复用系统的四波混频的影响。,G.651：普通多模光纤,(1)结构有两种多模光纤的结构，如图所示，目前常用的多模光纤采用纤芯折射率梯度型分布的结构。光纤的纤芯用来导光，包层用来保证光全反射只发生在纤芯内，涂覆层用于保护光纤不受外界作用和吸收诱发微变的剪切应力。表35列出了根据IEC 60793-2102002光纤第二部分：产品规范，Al类多模光纤的规范规定常用的梯度折射率分布的Al类多模光纤的结构尺寸参数。,G.651：普通多模光纤,(

9、1)结构有两种多模光纤的结构，如图所示，目前常用的多模光纤采用纤芯折射率梯度型分布的结构。光纤的纤芯用来导光，包层用来保证光全反射只发生在纤芯内，涂覆层用于保护光纤不受外界作用和吸收诱发微变的剪切应力。表35列出了根据IEC 60793-2102002光纤第二部分：产品规范，Al类多模光纤的规范规定常用的梯度折射率分布的Al类多模光纤的结构尺寸参数。,(2)种类 根据IEC 607932102002光纤一第二部分：产品规范，Al类多模光纤的规范，梯度型多模光纤包括Ala、Alb和Aid 3个子类，它们可用多组分玻璃或掺杂石英玻璃制得。为降低光纤衰减，梯度型多模光纤的制备选用的材料纯度比大多数阶

10、跃型多模光纤的材料纯度高得多；梯度型多模光纤的模式色散比阶跃型多模光的模式色散小得多；梯度型多模光纤的传输带宽比阶跃型多模光纤的传输带宽要宽。因此，日前常用的多模光纤为Ala、Alb和Ald3个子类，这3个子类光纤的传输性能和应用场合见表3-6，Ala、Alb梯型折射率多模光纤常用带宽指标和可能应用的领域详见表37。,G.651：普通多模光纤,光纤的发展结合光网罗发展,60年代，光纤损耗超过1000dB/km 1970年出现突破，光纤损耗降低到约20dB/km (1m附近波长区) 1979年，光纤损耗又降到0.2dB/km (在1.55 m处)低损耗光纤的问世导致了光波技术领域的革命，开创了光

11、纤通信的时代。,3.1.2 光纤的分类(3),按材料分类：P36 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。,塑料光纤,聚合物(塑料)光纤(POF)：用于用户接入。 尽管塑料光纤与玻璃光纤相比有更大的信号衰减，但 韧性好，更为耐用 直径大1020倍，连接时允许一定的差错，而不致牺牲耦合效率 廉价的塑料注入成形技术，可用于制造光连接器、光分路器和收发设备。,塑料光纤的优势,塑料光纤质轻、柔软，更耐破坏（振动和弯

12、曲）。塑料光纤有着优异的拉伸强度、耐用性和占用空间小的特点。这些优点使得塑料光纤在汽车中成功应用尤为重要。一个典型的豪华车内部至少由几公里的铜线和铜缆，重量和成本大为增加。飞机、火车和其他所有交通工具莫不如此。由于塑料光纤的大直径和数值孔径，光传导能力大。塑料光纤的切割、布线、粘结、抛光和其他加工容易。另外，塑料光纤的连接对端面藏留的灰尘和碎屑不敏感。塑料光纤不产生辐射，完全不受电磁干扰和无线电频率干扰以及噪音的影响。这一点对视频和音频的分流尤为重要，很显然这些干扰和噪音影响图像和服务的品质。塑料光纤可以和铜缆在同一管道里或同一线束并排铺放。塑料光纤不产生噪音，不会对目前的管网产生负面影响。P

13、OF系统的成本低。用于家庭消费电子、家庭联网和汽车包括音响、DVD、VCR等的每个连接的成本低于20美金。所以这些器件都可以在一般商店里买到。通过塑料光纤进行数据传输没有可能被窃听，这样塑料光纤在一些安全程度要求高的场合，就非常适用。虽然石英光纤广泛用于远距离干线通信和光纤到户，但塑料光纤被称之为“平民化”光纤，理由是塑料光纤、相关的连接器件和安装的总成本比较低。在光纤到户、光纤到桌面整体方案中，塑料光纤是石英光纤的补充，可共同构筑一个全光网络。,塑料光纤图片,塑料光纤图片,3.1.2 光纤的分类(4),特种光纤: 保偏光纤（PMF） 色散补偿光纤（DCF） 掺铒光纤（EDF）等,特种光纤-保

14、偏光纤P36 polarization maintaining optical fiber,保偏光纤：保偏光纤传输线偏振光，广泛用于航天、航空、航海、工业制造技术及通信等国民经济的各个领域。在以光学相干检测为基础的干涉型光纤传感器中，使用保偏光纤能够保证线偏振方向不变，提高相干信躁比，以实现对物理量的高精度测量。保偏光纤作为一种特种光纤，主要应用于光纤陀螺，光纤水听器等传感器和DWDM、EDFA等光纤通纤系统。由于光纤陀螺及光纤水听器等可用于军用惯导和声呐，属于高新科技产品，而保偏光纤又是其核心部件，因而保偏光纤一直被西方发达国家列入对我禁运的清单。 保偏光纤在拉制过程中，由于光纤内部产生的结

15、构缺陷会造成保偏性能的下降，即当线偏振光沿光纤的一个特征轴传输时，部分光信号会耦合进入另一个与之垂直的特征轴，最终造成出射偏振光信号偏振消光比的下降. 这种缺陷就是影响光纤内的双折射效应. 保偏光纤中，双折射效应越强，波长越短，保持传输光偏振态越好。 普通光纤就算制造得再对称，在实际应用中也会受到机械应力变得不对称，产生双折射现象，因此光的偏振态在普通光纤中传输的时候就会毫无规律地变化。主要的影响因素有波长、弯曲度、温度等。 保偏光纤可以解决偏振态变化的问题，但它并不能消除光纤中的双折射现象，反而是在通过光纤几何尺寸上的设计，产生更强烈地双折射效应，来消除应力对入射光偏振态的影响。 所以保偏光纤一般是应用在对偏振态比较敏感的应用中，如干涉仪，或是激光器。我常接触到的保偏光纤是用在光源与外调制器之间的连接中。,