第2章 光纖(公用)1

1、光纜電纜工程光纜電纜工程課程內(nèi)容課程內(nèi)容概述概述光纜工程光纜工程光光纜纜通通信信線線路路工工程程設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)光纜線路施工光纜線路測(cè)試與維護(hù)通信電纜 綜合布線綜合布線通信電纜串音和防串音措施 通信電纜施工通信電纜配線設(shè)計(jì)光纜電纜發(fā)展光纖、光纜和光器件 通信系統(tǒng)、通信網(wǎng)基礎(chǔ)第1章第2章第3章第4章第5章電電纜纜線線路路測(cè)測(cè)試試和和維維護(hù)護(hù)第6章第7章第8章第9章電纜工程電纜工程第10章第11章基本概念組成和主要設(shè)備部件 工程設(shè)計(jì) 第第2章光纖、光纜和光器件章光纖、光纜和光器件 本章內(nèi)容提要本章內(nèi)容提要：n光纖的結(jié)構(gòu)、材料及制備方法光纖的結(jié)構(gòu)、材料及制備方法 n光纖的主要參數(shù)光纖的主要參數(shù)、特性及類型及

2、應(yīng)用特性及類型及應(yīng)用 n光纜的結(jié)構(gòu)、材料及制備方法光纜的結(jié)構(gòu)、材料及制備方法 n光纜的主要特性光纜的主要特性 n光纖光纜線路的基本光器件光纖光纜線路的基本光器件第第2章章 光纖、光纜和光器件光纖、光纜和光器件 2.1光纖光纖？光纜？光纖光纖？光纜？ 所謂“光纖光纖”就是工作在光頻下的一種圓柱體介質(zhì)波導(dǎo)，它引導(dǎo)光能沿著軸線平行方向傳輸。 所謂“光纜光纜”就是由多根光纖和加強(qiáng)構(gòu)件以及外護(hù)層構(gòu)成。 2.12.1光纖光纖2.1.1 光纖結(jié)構(gòu)光纖結(jié)構(gòu) 2.1.2. 光纖的制造過程光纖的制造過程1. 1.光纖的原材料選擇光纖的原材料選擇n目前通信用光纖主要是用高純度的玻璃石英玻璃（SiO2）材料制成的 。

3、n最純的天然石英（因它清澈似水，冰瑩如晶，常稱之為水晶）,因其含雜質(zhì)多而不能在光導(dǎo)纖維中使用 . 還有一個(gè)原因是光學(xué)性能各向異性 (nxnynz) 。n熔融石英又名人造石英， 是制造光導(dǎo)纖維的主要原料。其特點(diǎn)是：熔融石英是非晶態(tài)的，也就是說，它不是一個(gè)晶體。它沒有沒有“熔點(diǎn)熔點(diǎn)”，在較高溫度下變得比較柔軟. （1 1）超純的熔融）超純的熔融SiO2提取提取 超純的熔融石英玻璃通常利用氣相沉積法取得，所用原料為SiCl4、 GeCl4 化學(xué)反應(yīng)式為 2217002420ClGeOOGeClC 221700242ClSiOOSiClC熔融石英玻璃的折射率約為熔融石英玻璃的折射率約為1.458 1.

4、458 （2 2）熔融石英光纖的摻雜劑提?。┤廴谑⒐饫w的摻雜劑提取改變石英光纖折射率經(jīng)常使用的摻雜劑有GeO2、P2O5、Ti2O2、Al2O3和B2O3、F等 221700242ClGeOOGeClC 25217002362ClOPOPoClC 232170023634ClOBOBClC摻雜劑所用主要原料為GeCl4 、PoCl3、BCl3和SF6等?；瘜W(xué)反應(yīng)式為： 摻雜劑除對(duì)折射率、線膨脹系數(shù)及材料提純具有影響外，對(duì)光纖的傳輸性能及光纖的設(shè)計(jì)制作也都會(huì)產(chǎn)生作用。如圖2-2/3所示。 圖2-2 利用摻雜變更石英玻璃的折射率 圖2-3 GeO2-P2O5-Ti2O2-B2O3 SiO2玻璃線

5、膨脹系數(shù)的差別 mol %石英光纖的主要原料為：纖芯和包層本體材料 ：SiCL4纖芯和包層摻雜用劑： GeO2 、 P2O5 、GeCL4 、 B2O3、 POCL3和F等纖芯材料： SiO2或SiO2 + GeO2包層材料： SiO2 + B2O3或SiO2 +F。（2 2）光纖材料的設(shè)計(jì)）光纖材料的設(shè)計(jì) 方案1方案2方案3纖芯包層SiO2SiO2-FSiO2-GeO2SiO2-（F）（P2O5）SiO2-GeO2-FSiO2- F（P2O5）表2-1 單模光纖摻雜方案 單模光纖摻雜方案 方案1: 纖芯 SiO2/包層 SiO2+F方案2:纖芯SiO2+GeO2 /包層SiO2、F ( P2

6、O5）采用方案1時(shí)，其散射損耗將是最小的。包層直徑與纖芯直徑的比值（2b2a）大于6。例如G652光纖：幾種典型的光纖折射率分布圖2. 2. 光纖制備方法光纖制備方法n 光纖制備步驟?(氣相技術(shù))n材料選擇預(yù)制棒制造拉絲涂覆 套塑 n 預(yù)制棒制造方法約制造方法約 10種種 2134一氣相沉積法一氣相沉積法1.外部化學(xué)氣相沉積法(Outside Vapour Phase Deposition)，簡(jiǎn)稱OVD法。2.軸向化學(xué)氣相沉積法（Vapour phase Axial Deposition），簡(jiǎn)稱VAD法。*3.改進(jìn)的化學(xué)氣相沉積法（Modified Chemical yapour Deposi

7、tion），簡(jiǎn)稱 MCVD法。4.等離子化學(xué)氣相沉積法Plasma activate Chemical Vapour Deposition)，簡(jiǎn)稱PCVD法。5.等離子改進(jìn)化學(xué)氣相沉積法Plasmaenhanced Modified Chemical yapour Deposition，簡(jiǎn)稱PMCVD法。6.軸向和橫向等離子化學(xué)氣相沉積法，簡(jiǎn)稱ALPD法二非氣相沉積法二非氣相沉積法1界面凝膠法，簡(jiǎn)稱BSG2熔融法，簡(jiǎn)稱DM3溶膠-凝膠法，簡(jiǎn)稱SOL-GEL4機(jī)械擠壓成型法，簡(jiǎn)稱MSP一、原料制備與提純一、原料制備與提純 MCVD法是目前使用最廣泛的預(yù)制棒生產(chǎn)工藝法是目前使用最廣泛的預(yù)制棒生產(chǎn)工

8、藝。即2.1.2所示.二、制棒的制備過程二、制棒的制備過程 圖2-5 管內(nèi)MCVD法預(yù)制棒制備制造預(yù)制棒的次序是；首先在石英管內(nèi)壁上沉積包層；其次在包層內(nèi)沉積纖芯；最后則是“燒縮成預(yù)制棒” 。 14001600的高溫氫氧火焰加熱 （a）預(yù)制棒 三、光纖的拉制工藝三、光纖的拉制工藝 （a）加熱后的預(yù)制棒 四、光纖涂覆四、光纖涂覆工藝工藝通常涂覆都在兩層以上，里面的一層用折射率比石英玻璃稍大的變性硅酮樹脂，可以用來吸收透過包層的光，涂覆厚度一般為 30150m 。外面的第二層是普通的硅酮樹脂，而且涂層較厚。兩次涂覆后的外徑約為 0.80.9mm，有利于提高光纖的低溫性能和抗微彎性能。2.22.2光

9、纖的主要參數(shù)、特性及類型光纖的主要參數(shù)、特性及類型 光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)主要有光纖的幾何參數(shù)、折射率分布、數(shù)值孔徑（NA）、模場(chǎng)直徑、和截止波長(zhǎng)等。 1 1 幾何參數(shù)幾何參數(shù) n幾何特性有芯徑、包層的尺寸和對(duì)芯包層同心度、不圓度等。（1）纖芯直徑纖芯直徑對(duì)多模光纖而言 （2）外徑外徑多/單模光纖（3）芯包層同心度和不圓度芯包層同心度和不圓度 nITU規(guī)定：光纖同心度誤差6;（包括單模）芯不圓度6,包層不圓度cccce 221anVcctnmctcc1908 . 0表2-2漸變多模光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)實(shí)例 表2-3單模光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)實(shí)例 2.2.2 光纖的主要特性光纖的主要特性 22 21損耗損耗 一、損耗定義

10、一、損耗定義 p（0）為輸入光纖的光功率，即在L=0處注入的光功率；p（L）為傳輸距離L處的光功率； 二、損耗系數(shù)二、損耗系數(shù) 在光纖上兩個(gè)相距在光纖上兩個(gè)相距L的截面之間的波長(zhǎng)的截面之間的波長(zhǎng)上的總衰減表示：上的總衰減表示：A（）（）L （dB） 三、光纖產(chǎn)生損耗的原因三、光纖產(chǎn)生損耗的原因光纖產(chǎn)生損耗的原因很多，其類型有吸收損耗，散射損耗和附加損耗。10)(10)0()(LpLp)/( )()0(lg10)(kmdBLppL表2-4 光纖的傳輸損耗 1.吸收損耗本征吸收: 紅外吸收,紫外吸收雜質(zhì)吸收: 鐵、銅等過渡金屬離子和OH離子(非本征)。： 其中是工作波長(zhǎng)，單位為m，當(dāng)=1.55 m

11、時(shí)ir0.02 dB/km，其影響較小。但當(dāng)=1.70 m時(shí)，ir0.32 dB/km?？梢娂t外吸收影響了工作波長(zhǎng)向更長(zhǎng)波長(zhǎng)方向發(fā)展。 其中，B是摻鍺的重量百分比，當(dāng)=1.31 m，B=3.5%時(shí)，uv1.75102 dB/km。但當(dāng)=0.60 m時(shí)，uv1.00dB/km。可見紫外吸收隨減少和摻鍺濃度增加而增加 . 2.線性散射n 瑞利散射瑞利散射比光波長(zhǎng)小得多小得多的粒子引起的散射(本征)n 米氏散射米氏散射與光波同樣大小同樣大小的粒子引起的散射(本征)n引起光纖損耗的散射主要是瑞利散射，瑞利散射具有與短波長(zhǎng)的14成正比的性質(zhì)，即：R=A4。對(duì)摻鍺的光纖而言，A0.63dBm4km。對(duì)于=

12、0.85、1.31、1.55m時(shí),則R1 .3、0.3、0.1dBkm。 n3.非線性散射n 受激布里淵散射：受激布里淵散射：存在于光能密度超過某一高值 (本征)n 受激拉曼散射：受激拉曼散射： (本征)n4.附加損耗：張力、側(cè)壓、彎曲、擠壓造成的宏彎和微彎(非本征)。3.附加損耗：張力、側(cè)壓、彎由、擠壓造成的宏彎和微彎圖2-11 光纖的宏彎損耗（a）射線法解釋；（b）波動(dòng)理論解釋。在附加損耗中光纖宏彎曲損耗是最主要的。在光纜的生產(chǎn)、接續(xù)和施工過程中，不可避免地出現(xiàn)彎曲，它的損耗原理如圖2-11所示。 光纖宏彎曲時(shí)會(huì)造成模式轉(zhuǎn)換。使傳導(dǎo)模變成了輻射模，造成輻射損耗。 *單模光纖彎曲損耗的估算公

13、式為式中,R為光纖彎曲半徑、 C1、C2與R無關(guān)常數(shù)。臨界彎曲半徑估算RC為：2/3222131)(43nnnRc)dB/km(e21TRCC圖2-10 光纖損耗頻譜曲線n光纖不僅因有損耗使光信號(hào)傳輸受到限制，同時(shí)光信號(hào)傳輸還受到色散（多模光纖習(xí)慣稱帶寬）的限制。n色散？色散？對(duì)于數(shù)字信號(hào)的光脈沖，經(jīng)光纖傳輸時(shí)，對(duì)于數(shù)字信號(hào)的光脈沖，經(jīng)光纖傳輸時(shí)，脈沖寬度隨距離增長(zhǎng)而展寬脈沖寬度隨距離增長(zhǎng)而展寬，嚴(yán)重時(shí)，前后脈沖將互相重疊，形成碼間干擾，導(dǎo)致通信系統(tǒng)誤碼增加，從而使傳輸距離和傳輸容量受到限制，這種現(xiàn)象稱為光纖的色散。n 引起脈沖展寬（色散）的因素很多，對(duì)于多模光纖主要有：模式色散、材料色散和波

14、導(dǎo)色散等，其中模式色散是主要因素。對(duì)于單模光纖由于只傳輸一種模式，故不存在模式色散，主要受材料色散、波導(dǎo)色散和偏振模色散PMD的影響 2.光纖的色散特性光纖的色散特性 光纖色散主要有光纖色散主要有：模式色散、材料色散、波導(dǎo)色散、偏振色散等。 多模光纖：模式色散、材料色散、波導(dǎo)色散等。 單模光纖中只傳輸基模LP01，總色散由材料色散、波導(dǎo)色散和偏振色散組成。這三個(gè)色散都與波長(zhǎng)有關(guān)，所以單模光纖的總色散也稱為波長(zhǎng)色散。 光纖的色散單位： ps/km 光纖的色散系數(shù)單位D（）： ps/nm.km1 1、模式色散、模式色散2 2、材料色散、材料色散 3 3、波導(dǎo)色散、波導(dǎo)色散 4、偏振模色散（、偏振模

15、色散（PMD）n記作LPx01和LPy01，其相位常數(shù)x，y不同，相應(yīng)的群速度不同，從而引起偏振模色散，如圖2-13所示PMD對(duì)大容量數(shù)字和模擬通信系統(tǒng)影響是嚴(yán)重的。若要10Gb/s以上的高速系統(tǒng)能正常工作，光脈沖展寬必須限制在一定范圍。例如，對(duì)于10Gb/s系統(tǒng)，其光脈沖寬度為100ps，當(dāng)光路的光功率代價(jià)Pp =1dB時(shí)，群時(shí)延差DGDL最大容限為30ps；對(duì)于40Gb/s系統(tǒng)，其光脈沖寬度只有25ps，當(dāng)Pp為1dB時(shí)，DGDL最大容限只能為10ps以下。當(dāng)光纖長(zhǎng)度足夠長(zhǎng)時(shí)（Lh，典型值為2km以上 ）LLCPMDDGDPMDL（ps） 式中：L為光纖長(zhǎng)度（km）；PMDL（或DGDL）

16、為長(zhǎng)度L光纖的總偏振模色散（或偏振?？?cè)簳r(shí)延差）（ps)；，PMDC 為光纖的PMD系數(shù) /pskmnPMDC，其典型值在之間n如在400Gbit/s的高速系統(tǒng)中，傳輸100km后，PMDC限制在0.1ps/km以內(nèi)。一般系統(tǒng)對(duì)PMD系數(shù)最大設(shè)計(jì)值為 0.11/pskm0.5/pskm5 5、光纖的帶寬、光纖的帶寬 n光纖的色散和帶寬描述的是光纖的同一特性。nITU-T建議規(guī)定的光纖帶寬為：11060D1DLDLL6010L公里的光纖帶寬為：其中，D為光纖色散系數(shù)（ps/nm.km）；為光源譜寬（nm）；B0為光纖的帶寬（MHz）；常數(shù)：=0.115（多縱模激光器）,=0.306（單縱模激光器

17、）。 n 在DWDM高速光纖傳輸系統(tǒng)中，著重考慮PMD對(duì)光纖距離影響情況，可由下列公式得出： 2110CLLPMDB110LCBPMDL其中, PMDC為偏振模色散系數(shù)（s/km），BL為傳輸速率（bit/s），L為光纖中繼距纖中繼距離（km）?！纠?-1】 設(shè)某光纖在1.31 m波長(zhǎng)的最大色散系數(shù)D=3.5 ps/（nmkm），如用一中心波長(zhǎng)為1.31 m的半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生傳輸光，其譜線寬度為=4 nm，試求出該光傳輸1km長(zhǎng)度光纖的色散。解：由（2.14）式，容易求出其色散為：=DL=3.541=0.014 ns=14 ps2.2.3 光纖的非線性效應(yīng) 光纖的非線性（損耗特性）可分為兩類：

18、 受激散射和折射率擾動(dòng)*受激散射:受激布里淵散射和受激拉曼散射。*折射率擾動(dòng)自相位調(diào)制、交叉相位調(diào)制和四波混頻。 2.2.4 光纖的機(jī)械光纖的機(jī)械和溫度特性和溫度特性 1. 光纖強(qiáng)度光纖強(qiáng)度n從理論上估算折斷石英玻璃Si-O原子鍵所需應(yīng)力約為20002500kg/mm2，因此外徑為125m的光纖所能承受的抗拉力將達(dá)30kg .n直接拉出的裸光纖拉力只有100g/根?n實(shí)用化光纖的抗張強(qiáng)度要求240g拉力/根n目前商品化光纖的強(qiáng)度 432g拉力/根n國內(nèi)用的光纖，一般都大于400g拉力/根n國外較好的光纖在700g拉力/根以上，用于海底光纜的光纖強(qiáng)度還要高一些。n光纖的溫度特性主要由光纖材料決定，如石英玻璃的線膨脹系數(shù)為3.410-7（km），而塑料涂覆層（或有機(jī)樹脂）為110-4 （km），即當(dāng)溫度變化1時(shí)，石英光纖和塑料涂覆層的長(zhǎng)度變化量相差近1000倍 2. 光纖的溫度特性光纖的溫度特性 n 溫度特性對(duì)光纜敷設(shè)方式有哪些影響?哪些光纜故障屬于與光纖的溫度特性有關(guān)?2.2.5 2.2.5 光纖類型及應(yīng)用光纖類型及應(yīng)用 n光纖分類可依據(jù)材料、波長(zhǎng)、傳輸模式、纖芯折射率分布、制造方法的不同，將其分為多種，可歸納為如圖2-17所示。 單模光纖的種類單模光纖的種類 1.非色散位移單模光纖（G.652光纖性能及應(yīng)