《光纤技术_2章》ppt课件

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1、光纤拉制及成缆,2.1 光纤分类 光纤的基本构成,纤芯 单模直径 810m 多模直径50 m 包层 直径一般为125 m 涂覆层,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=810 m,外径：2b=125m,光纤的种类按传输模式数量划分：,光纤的种类按纤芯折射率分布划分：,阶跃多模光纤,渐变多模光纤,光纤的种类阶跃光纤、渐变光纤,阶跃多模光纤： 大的纤芯和数值孔径 有利于光的收集，用于图像传输和照明 渐变多模光纤：相对小的纤芯、 低的色散和衰减 单模光纤： 损耗低、频带宽、容量大，长距离通讯的主要光纤,渐变折射率多模光纤,渐变折射率分布光

2、纤的纤芯中,折射率n(r)是径向距离r的函数； g=1: 三角分布 g=2: 平方率分布 g=： 阶跃分布,三种主要类型光纤的比较,光纤的种类按材料的组成,石英光纤 多组分玻璃光纤 液芯光纤 塑料光纤 氟化物光纤 硫硒碲化合物光纤等,2.2 光纤材料 1 材料选择的主要因素,纯度高 透明度高 折射率径向分布易于精确控制 材料自身的机械强度和化学稳定性,2 光纤材料的提纯,主要原料 高纯度卤化物 其特点：沸点低、 主要杂质： 一些金属氧化物 非金属氧化物、含氧氢化物和络合物 金属杂质的吸收： 0.21.1m OH-的吸收：1.01.8 m 提纯技术： 精馏法、吸附法和精馏吸附混合法,2 光纤材料

3、的提纯,精馏吸附法 精馏：SiCl4在氢氧焰中燃烧，利用SiCl4的沸点低，将铜铁等杂质除掉 吸附：有效除去沸点与SiCl4相近的杂质和某些极性杂质，如OH- 主要是利用成份的极性不同，将杂质吸附掉,3 光纤材料的折射率的控制,掺杂 改变折射率 纤芯成份：大部分掺杂提高石英的折射率，锗为常用掺杂成份 包层：纯石英 降低折射率的材料：氟和硼等,3 光纤材料的折射率的控制,匹配包层阶跃折射率光纤 对纤芯掺杂，使折射率高于纯石英 凹陷包层阶跃折射率光纤 纤芯低掺杂，包层掺杂使其折射率小于纯石英 塑料包层阶跃折射率光纤 纯石英为纤芯，塑料为包层，主要用于多模阶跃光纤,2.3 光纤的拉制,原料制备 原料

4、提纯 制棒 拉丝 涂覆 筛选合格光纤,1 制棒,预制棒： 直径1020cm 长50100cm 包层和纤芯的折射率已经分配完成 方法分为：气相沉积法和非气相沉积法 非气相沉积法包括：多组分玻璃法、凝胶法、机械成形法,制造光纤预制棒：气相沉积法,制造光纤预制棒的MCVD流程示意图,等离子气相沉积法PCVD,与MCVD的主要区别：不是通过灯来传输热量 利用微波激活气体，使气体成为等离子体，等离子体重新结合，释放大量的热量。 无须固化 不受粉尘大小的限制 用于制造精密、复杂折射率分布的光纤,棒外气相沉积法OCVD,主要特点：原料和高纯度的氧一起送到喷灯火焰处，发生反应得到光纤的氧化物粉末,轴向气相沉积

5、法VAD,VAD主要特点：原料、掺杂剂气体送入氢氧灯、水解反应生产光纤粉末，这些粉末沉积在基底棒的下端，而不是表面。 主要用于制造长预制棒,轴向气相沉积法VAD,多组分玻璃法,机械成形光纤预制棒法,凝胶法,光纤拉制工艺,2.4 光纤成缆技术,成缆原因 1 操作容易 普通涂覆后的光纤外径250900m 2 保护光纤,2.4 光纤成缆技术,2 成缆材料 1 高分子材料， 包括：PBT、PE、PVC、黑色聚乙烯、芳纶纤维、PET、热塑性橡胶等 2 金属材料： 钢丝 主要用作加强件和铠装件 3 复合材料： 金属和塑料组成的金属复合带,PBT：机械性能优良和耐化学性能，用于松管材料 PE：抗潮性能，是室

6、外光缆的材料 PVC：阻燃性很好，柔顺性和延展性 黑色聚乙烯：耐电性好，用于强电场 芳纶纤维：杨氏模量大，抗拉伸作用好 PET：耐热、化学稳定、低温柔性和绝缘 热塑性橡胶,2.4 光纤成缆技术,3光缆结构 光缆封装的三个元素 1 松管： 用于保护光纤免受施加在光缆上的应力 管内无填充物或是填有凝胶体 2 紧包缓冲层：位于硬塑料中，位置固定，便于光纤的连接。用于室内 3 带状结构： 结构简单，接续较为容易；带来每个光纤间的损耗差异,光缆的基本结构 1 中心加强件及垫层 2 填充绳： 保障光缆的圆度 3 阻水油膏：轴向阻水作用 4金属复合带 5 内护层 6钢丝铠甲 7外护层,2.4.2 光缆类型

7、1 铺设方式分 直埋光缆，应用广泛，性能要求抗侧压、阻水、防腐蚀等 管道光缆：抗拉、阻水、防腐蚀的性能要求高 架空光缆：重量轻、余长大、温度特性好、防振、防弹等等 水底光缆：抗侧压、抗拉、寿命长、运行稳定等,2.4.2 光缆类型 2光纤状态 紧结构光缆，用于光纤跳线、紧急抢修光缆和接入网用户光缆 松结构光缆：附加损耗小、机械和温度特性好、寿命长、价格高、多用于野外 半松半紧结构光缆：,2.4.2 光缆类型 3缆芯结构 中心束管式： 层绞式： 骨架式：,2 典型光缆 1室外光缆：基本具有聚乙烯护套、防潮气、温度极限和日照 2直埋光缆 ：一般采用松套结构、层绞式缆芯、聚乙烯护套 3 通风道光缆：用

8、在特殊建筑物内的，阻止火焰扩散 4 铠装光缆：与室外光缆比较，多了层铠甲,2 典型光缆 5架空光缆： 6水底光缆 ： 7 全介质光缆：没有金属件。加强件为尼龙丝 适合强电场或雷区 8光电混合光缆： 9军用野战光缆：短距离通讯、速率和容量大等,2.4.3 光缆制造和铺设 1光缆设计原则 针对光缆需要保护的各个方面； 光缆的附加损耗、机械性能、温度性能、阻水性能等； 遵照国家和行业的有关技术要求和规范；,2.4.3 光缆制造和铺设 2光缆设计的主要内容 主要考虑保障光缆： 光缆的附加损耗、机械性能、温度性能、阻水性能等；，以及余长的设计、缆芯的选择等 附加损耗是评价光缆质量最重要的评价标准 机械性

9、能要求；主要是光纤的抗拉和抗侧压性能 抗拉性能 选择杨氏模量大的加强件提供 抗侧压性能主要由护层和铠装甲提供,2.4.3 光缆制造和铺设 3 温度性能 合理设计余长为主，适当选用组成材料； 良好的温度性能，主要是低温性能,2.4.3 光缆制造和铺设 3 阻水性能 径向和轴向阻水结构； 径向阻水功能：由阻水带、套管和铝（钢）塑复合带 轴向阻水：主要由松套管内的纤膏和松套管外填满缝隙的缆膏提供,2. 光缆制造工艺 1光缆材料的预备 2 二次被覆挤塑 3 光缆交合 4 挤光缆外护套 5成品指标测试,3. 光缆铺设方法 1水底铺设 人工抬放法、浮具布防法、拖轮快放法、抛锚慢放法 2 直接铺设 光缆置于

10、预先挖掘的光缆沟内,光纤通信系统基本结构,光发送 端机,光中继 放大,光接收 端机,电发送 端机,电接收 端机,光纤通信系统的发展,76年，美国在亚特兰大开通了世界上第一个实用化光纤通信系统。码率为45Mb/s，中继距离为10km。80年，多模光纤通信系统商用化（140Mb/s），并着手单模光纤通信系统的现场试验工作。 90年，单模光纤通信系统进入商用化阶段（565Mb/s），并着手进行零色散位移光纤和波分复用及相干通信的现场试验，而且陆续制定同步数字体系（SDH）的技术标准。 93年，SDH产品开始商用化（622Mb/s 以下）。 95年，2.5Gb/s 的SDH产品进入商用化阶段。 96年

11、，10Gb/s 的SDH产品进入商用化阶段。 97年，采用波分复用技术（WDM）的20Gb/s 和40Gb/s 的SDH产品试验取得重大突破。 此外，在光孤子通信、超长波长通信和相干光通信方面也正在取得巨大进展,光纤通信：21世纪的“信息高速公路”,以光信号作为载波，以光纤为传输媒介 光纤带宽极宽、通信容量极大 光纤重量轻、韧性好、易于铺设 光纤损耗极低, 使无中继通信距离更长 保密性好、绝缘性好 抗干扰、抗辐射、抗腐蚀 成本低、节约金属线材,信息传输速率与媒介的容量,信息传输速率 Audio: 9.6-128 kbit/s TV: 1-6 Mbit/s HDTV: 10-100 Mbit/s

12、 通信媒介传输速率： 卫星/微波： 140 Mbit/s 同轴电缆： 60 Mbit/s 光纤： 50 Tbit/s,光通信速率的不断提升,速率(Mb/s) 容纳电话(路） 2 30 8 120 34 480 155 1920 622 7680 1.25 Gb/s 154360 2.5 Gb/s 30720 10 Gb/s 122880 40 Gb/s 491520 160 Gb/s 1966080,采用波分复用技术, 可以同时传输1000个信道,可容纳电话100亿路，意味着: 全世界的人可以同时通过一根光纤打电话!,光纤传感器 光波的强度、相位、偏振特性 以及光纤散射、弯曲损耗 和其它传输特

13、性对外界物理参数的变化 已经多种实用的光纤传感器。,光纤光学信息处理、照明与显示光纤、内窥光纤、光纤面板、激光光纤、激光手术光纤、电力输送光纤即其它应用方面,光纤技术的应用领域,1.2 光纤技术基础,光纤的结构 涂覆层 195250m 包层 125 m 纤芯 单模光纤810 m 基本结构 导光的纤芯和折射率低的包层 纤芯的折射率：可以是均匀的或变化的,光纤材料 石英 通信 低纯度玻璃 导光和医用传输图像 塑料 机械性能好，导光、通信、实验、传感等等,光纤特性 损耗： 色散： 图像传输与成束光纤 传输图像，则光纤头的排列相同,光纤与通信网络,1 海底网络 1986年 连接英格兰和比利时 1988

14、 TAT-8连接欧洲和美洲 1300nm 波长 激光二极管为光源 2002年光通信市场经历低谷期 速率Tbit/s 2陆地网络 全美光纤网络 泛欧光网络 我国的八横八纵网络,卫星系统与光纤网络,1 卫星通信系统 缺陷：1 信号延迟 2 受大气的影响 光纤到户,解决作后1公里问题中心局到远程终端用户的连接 1无源网路 2高宽带、长距离 3光纤承载的业务多 4支持的协议比较灵活,1.4 光纤与传感技术,1 传感技术：获取信息的主要途径 传感器：能按一定规律将各种被检测物理量转换成便于处理的量（如电磁）的期间。,优点：1抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、本质安全 2 灵敏度高 3重量轻。体积小、可缠绕 4

15、 测量对象广泛 5对被测介质影响小。便于在线检测 6 便于复用、便于成网 7 成本低,1光纤光栅传感,1 布拉格光纤光栅：折射率变化周期小于1m的反射式短周期光栅，其反射谱线宽小、中心波长长、设计容易等优点。 2 长周期光纤光栅周期为几十m到几毫米的透射式光纤光栅，其透射谱带宽大、中心波长或幅度容易手外界环境的影响,原理：外界压力、温度、浓度等的变化引起光纤有效折射率或光栅周期等参数变化。导致光纤布拉格光栅的谐振波长的变化 传感信息可以波长编码，克服强度调制等传感器的缺点,2光纤法布里珀罗传感器,技术成熟，应用广泛,原理：光纤内制造出两个高反射面，形成微腔，相干光束沿光纤入射时，在两个端面反射

16、后原路返回产生干涉，其干涉输出信号与微腔的长度密切相干，外界参量改变微腔的长度后，干涉信号也随着发生改变。,3光纤白光干涉传感器,基于光纤干涉的测量系统：要求单模高相干激光 只能是相对测量 系统对环境要求严格,基于光纤白光干涉的测量系统：采用低相干、宽谱光源,5光纤陀螺传感技术,一种新型角速度敏感原件，易于微型化 分干涉型和谐振型两种,6其它光纤传感技术,基于光子晶体光纤传感技术，气体的测量 基于聚合物的光纤传感技术：湿度、生物、化学、气体流量等等的传感 基于光纤激光器的有源腔传感器：用于测量各种吸收,1.5 光纤技术的发展,聚合物/塑料光纤：纤芯粗、柔韧性好、连接方便、耦合效率高、价格便宜 应用：照明、传感、汽车工业、短距离通讯、工业控制等等领域,1.5 光纤技术的发展,光子晶体光纤PCF：分折射率导光型实心PCF和光子能隙导光型空心PCF 应用：在光纤通讯系统中应用在传输光纤和光纤器件 以及在传感方面的应用,1