《通信光缆与电缆线路工程 工业和信息化普通高等教育“十二五”规划教材立项项目 教学课件 ppt 作者 胡庆 张德民 张颖 第2章光纤（公用）1》由会员分享，可在线阅读，更多相关《通信光缆与电缆线路工程 工业和信息化普通高等教育“十二五”规划教材立项项目 教学课件 ppt 作者 胡庆 张德民 张颖 第2章光纤（公用）1（55页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、光缆电缆工程课程内容,概述,光缆工程,光缆通信线路工程设计,光缆线路施工,光缆线路测试与维护,通信电缆,综合布线,通信电缆串音和防串音措施,通信电缆施工,通信电缆配线设计,光缆 电缆发展,光纤、光缆和光器件,通信系统、通信网 基础,第1章,第2章,第3章,第4章,第5章,电缆线路测试和维护,第6章,第7章,第8章,第9章,电缆工程,第10章,第11章,基本概念,组成和主要设备部件,工程设计,第2章光纤、光缆和光器件,本章内容提要： 光纤的结构、材料及制备方法 光纤的主要参数、特性及类型及应用 光缆的结构、材料及制备方法 光缆的主要特性 光纤光缆线路的基本光器件,第2章 光纤、光缆和光器件,2.
2、1光纤光纤？光缆？ 所谓“光纤”就是工作在光频下的一种圆柱体介质波导，它引导光能沿着轴线平行方向传输。 所谓“光缆”就是由多根光纤和加强构件以及外护层构成。,2.1光纤,2.1.1 光纤结构,2.1.2. 光纤的制造过程 1.光纤的原材料选择,目前通信用光纤主要是用高纯度的玻璃石英玻璃（SiO2）材料制成的 。 最纯的天然石英（因它清澈似水，冰莹如晶，常称之为水晶）,因其含杂质多而不能在光导纤维中使用 . 还有一个原因是光学性能各向异性 (nxnynz) 。 熔融石英又名人造石英， 是制造光导纤维的主要原料。其特点是：熔融石英是非晶态的，也就是说，它不是一个晶体。它没有“熔点”，在较高温度下变
3、得比较柔软.,（1）超纯的熔融SiO2提取 超纯的熔融石英玻璃通常利用气相沉积法取得，所用原料为SiCl4、 GeCl4 化学反应式为,熔融石英玻璃的折射率约为1.458 （2）熔融石英光纤的掺杂剂提取 改变石英光纤折射率经常使用的掺杂剂有GeO2、P2O5、Ti2O2、Al2O3和B2O3、F等,掺杂剂所用主要原料为GeCl4 、PoCl3、BCl3和SF6等。化学反应式为：,掺杂剂除对折射率、线膨胀系数及材料提纯具有影响外，对光纤的传输性能及光纤的设计制作也都会产生作用。如图2-2/3所示。,图2-2 利用掺杂变更石英玻璃的折射率,图2-3 GeO2-P2O5-Ti2O2-B2O3 SiO
4、2玻璃线膨胀系数的差别,mol %,石英光纤的主要原料为： 纤芯和包层本体材料 ：SiCL4 纤芯和包层掺杂用剂： GeO2 、 P2O5 、GeCL4 、 B2O3、 POCL3和F等 纤芯材料： SiO2或SiO2 + GeO2 包层材料： SiO2 + B2O3或SiO2 +F。,（2）光纤材料的设计,表2-1 单模光纤掺杂方案,单模光纤掺杂方案 方案1: 纤芯 SiO2/包层 SiO2+F 方案2:纤芯SiO2+GeO2 /包层SiO2、F ( P2O5） 采用方案1时，其散射损耗将是最小的。包层直径与纤芯直径的比值（2b2a）大于6。 例如G652光纤：,几种典型的光纤折射率分布图,
5、2. 光纤制备方法,光纤制备步骤?(气相技术) 材料选择预制棒制造拉丝涂覆 套塑 预制棒制造方法约 10种,2,1,3,4,一气相沉积法 1.外部化学气相沉积法(Outside Vapour Phase Deposition)，简称OVD法。 2.轴向化学气相沉积法（Vapour phase Axial Deposition），简称VAD法。 *3.改进的化学气相沉积法（Modified Chemical yapour Deposition），简称 MCVD法。 4.等离子化学气相沉积法Plasma activate Chemical Vapour Deposition)，简称PCVD法。 5
6、.等离子改进化学气相沉积法Plasmaenhanced Modified Chemical yapour Deposition，简称PMCVD法。 6.轴向和横向等离子化学气相沉积法，简称ALPD法,二非气相沉积法,1界面凝胶法，简称BSG 2熔融法，简称DM 3溶胶-凝胶法，简称SOL-GEL 4机械挤压成型法，简称MSP,一、原料制备与提纯 MCVD法是目前使用最广泛的预制棒生产工艺。,即2.1.2所示. 二、制棒的制备过程,图2-5 管内MCVD法预制棒制备,制造预制棒的次序是；首先在石英管内壁上沉积包层；其次在包层内沉积纤芯；最后则是“烧缩成预制棒” 。,14001600的高温氢氧火焰
7、加热,（a）预制棒,三、光纤的拉制工艺,（a）加热后的预制棒,四、光纤涂覆 工艺,通常涂覆都在两层以上，里面的一层用折射率比石英玻璃稍大的变性硅酮树脂，可以用来吸收透过包层的光，涂覆厚度一般为 30150m 。外面的第二层是普通的硅酮树脂，而且涂层较厚。两次涂覆后的外径约为 0.80.9mm，有利于提高光纤的低温性能和抗微弯性能。,2.2光纤的主要参数、特性及类型,光纤的结构参数主要有光纤的几何参数、折射率分布、数值孔径（NA）、模场直径、和截止波长等。 1 几何参数 几何特性有芯径、包层的尺寸和对芯包层同心度、不圆度等。 （1）纤芯直径对多模光纤而言 （2）外径多/单模光纤 （3）芯包层同心
8、度和不圆度,ITU规定：光纤同心度误差6;（包括单模）芯不圆度6,包层不圆度2,单模光纤同心度误差1m,2.2.1光纤的主要参数,2.数值孔径（NA） （最大理论数值孔径） 最大理论数值孔径的定义为： 3. 模场直径 模场直径的定义，可以根据基模LP01场E01传输函数来表示，即在基模场E01（r）传输函数与横轴径向r的关系曲线上两个1/e点之间的宽度就是模场直径。 模场直径估算：2W0=2/（n1） 单模光纤由模场直径代替 纤芯直径。 ITU-T规定模场直径为（910）1m,4. 截止波长 （模光纤的截止波长）,截止波长是单模光纤保证单模传输的条件，所以截止波长的定义是大于此波长时二阶LP1
9、1模不再传播。 1、理论截止波长ct 2、成缆光纤的截止波长cc 3、跳线光纤的截止波长c 4、有效截止波长ce 在实际中，对这四种截止波长有以下关系： ctcccce,表2-2渐变多模光纤结构参数实例,表2-3单模光纤结构参数实例,2.2.2 光纤的主要特性,221损耗 一、损耗定义 p（0）为输入光纤的光功率，即在L=0处注入的光功率；p（L）为传输距离L处的光功率； 二、损耗系数 在光纤上两个相距L的截面之间的波长上的总衰减表示：A（）（）L （dB） 三、光纤产生损耗的原因 光纤产生损耗的原因很多，其类型有吸收损耗，散射损耗和附加损耗。,表2-4 光纤的传输损耗,1.吸收损耗 本征吸收
10、: 红外吸收,紫外吸收 杂质吸收: 铁、铜等过渡金属离子和OH离子(非本征)。 ： 其中是工作波长，单位为m，当=1.55 m时ir0.02 dB/km，其影响较小。但当=1.70 m时，ir0.32 dB/km。可见红外吸收影响了工作波长向更长波长方向发展。 其中，B是掺锗的重量百分比，当=1.31 m，B=3.5%时，uv1.75102 dB/km。但当=0.60 m时，uv1.00dB/km。可见紫外吸收随减少和掺锗浓度增加而增加 .,2.线性散射,瑞利散射比光波长小得多的粒子引起的散射(本征) 米氏散射与光波同样大小的粒子引起的散射(本征) 引起光纤损耗的散射主要是瑞利散射，瑞利散射具
11、有与短波长的14成正比的性质，即：R=A4。对掺锗的光纤而言，A0.63dBm4km。对于=0.85、1.31、1.55m时,则R1 .3、0.3、0.1dBkm。 3.非线性散射 受激布里渊散射：存在于光能密度超过某一高值 (本征) 受激拉曼散射： (本征) 4.附加损耗：张力、侧压、弯曲、挤压造成的宏弯和微弯(非本征)。,3.附加损耗： 张力、侧压、弯由、挤压造成的宏弯和微弯,图2-11 光纤的宏弯损耗 （a）射线法解释；（b）波动理论解释。,在附加损耗中光纤宏弯曲损耗是最主要的。在光缆的生产、接续和施工过程中，不可避免地出现弯曲，它的损耗原理如图2-11所示。,光纤宏弯曲时会造成模式转换
12、。使传导模变成了辐射模，造成辐射损耗。,*单模光纤弯曲损耗的估算公式为,式中,R为光纤弯曲半径、 C1、C2与R无关常数。临界弯曲半径估算RC为：,图2-10 光纤损耗频谱曲线,光纤不仅因有损耗使光信号传输受到限制，同时光信号传输还受到色散（多模光纤习惯称带宽）的限制。 色散？对于数字信号的光脉冲，经光纤传输时，脉冲宽度随距离增长而展宽，严重时，前后脉冲将互相重叠，形成码间干扰，导致通信系统误码增加，从而使传输距离和传输容量受到限制，这种现象称为光纤的色散。 引起脉冲展宽（色散）的因素很多，对于多模光纤主要有：模式色散、材料色散和波导色散等，其中模式色散是主要因素。对于单模光纤由于只传输一种模
13、式，故不存在模式色散，主要受材料色散、波导色散和偏振模色散PMD的影响,2.光纤的色散特性,光纤色散主要有：模式色散、材料色散、波导色散、偏振色散等。 多模光纤：模式色散、材料色散、波导色散等。 单模光纤中只传输基模LP01，总色散由材料色散、波导色散和偏振色散组成。这三个色散都与波长有关，所以单模光纤的总色散也称为波长色散。 光纤的色散单位： ps/km 光纤的色散系数单位D（）： ps/nm.km,1、模式色散,2、材料色散,3、波导色散,4、偏振模色散（PMD）,记作LPx01和LPy01，其相位常数x，y不同，相应的群速度不同，从而引起偏振模色散，如图2-13所示,PMD对大容量数字和
14、模拟通信系统影响是严重的。若要10Gb/s以上的高速系统能正常工作，光脉冲展宽必须限制在一定范围。 例如，对于10Gb/s系统，其光脉冲宽度为100ps，当光路的光功率代价Pp =1dB时，群时延差DGDL最大容限为30ps；对于40Gb/s系统，其光脉冲宽度只有25ps，当Pp为1dB时，DGDL最大容限只能为10ps以下。 当光纤长度足够长时（Lh，典型值为2km以上 ）,（ps）,式中：L为光纤长度（km）；PMDL（或DGDL）为长度L光纤的总偏振模色散（或偏振模总群时延差）（ps)；，PMDC 为光纤的PMD系数,PMDC，其典型值在之间 如在400Gbit/s的高速系统中，传输10
15、0km后，PMDC限制在0.1ps/km以内。一般系统对PMD系数最大设计值为,5、光纤的带宽,光纤的色散和带宽描述的是光纤的同一特性。 ITU-T建议规定的光纤带宽为：,L公里的光纤带宽为：,其中，D为光纤色散系数（ps/nm.km）；为光源谱宽（nm）；B0为光纤的带宽（MHz）；常数：=0.115（多纵模激光器）,=0.306（单纵模激光器）。,在DWDM高速光纤传输系统中，着重考虑PMD对光纤距离影响情况，可由下列公式得出：,其中, PMDC为偏振模色散系数（s/km），BL为传输速率（bit/s），L为光纤中继距离（km）。 【例2-1】 设某光纤在1.31 m波长的最大色散系数D=3.5 ps/（nmkm），如用一中心波长为1.31 m的半导体激光器产生传输光，其谱线宽度为=4 nm，试求出该光传输1km长度光纤的色散。 解：由（2.14）式，容易求出其色散为： =DL=3.541=0.014 ns=14 ps,2.2.3 光纤的非线性效应,光纤的非线性（损耗特性）可分为两类： 受激散射和折射率扰动 *受激散射: 受激布里渊散射和受激拉曼散射。 *折射率扰动 自相位调制、交叉相位调制和四波混频。,2.2.4 光纤的机械和温度特性 1. 光纤强度,从理论上估算折断石英玻璃Si-O原子键所需应力约为20002500kg/mm2，因此外径为125m
