第 2 章 光纖和光纜-3

1、上式右邊第一項為)/)(1273(1023. 1)(102kmnmpsM 式中，的單位為nm。 當=1273nm時，M2()=0。式(2.52)第二項為，其中=(n3-n2)/(n1-n3)，是的結(jié)構(gòu)參數(shù)，當=0時，相應于常規(guī)。含V項的近似經(jīng)驗公式為222)834. 2(549. 0085. 0)VdVbvdV（經(jīng)簡化，得到單位長度的為)1 ()()()(2212dVbvdVcnMddC(2.52)2222)(dndcM其值由實驗確定。的近似經(jīng)驗公式為圖 2.13 不同結(jié)構(gòu)單模光纖的色散特性1.11.21.31.41.51.61.7-20-1001020 / m / (ps(nmkm)-1)

2、不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的C()示于圖2.13，圖中曲線相應于，和在，這些光纖的結(jié)構(gòu)見圖2.2(c)和圖2.3(a)。 式中，0為。利用 s (調(diào)制帶寬) ，且光譜不受調(diào)制的影響。 這相當于的情況。 考慮rms 譜線寬度為的，其為 )(21exp)(20p(2.53) 把rms 脈沖寬度為1的(用功率表示)輸入長度為L的，在中心波長0遠離，即|0-d|/2的條件下，輸出光脈沖仍保持，設其rms 脈沖寬度為2，由式(2.54)、式(2.53) 和式(2.48)得到 作為一級近似，|C0|L。由式(2.47)可以計算出，圖2.14示出常規(guī)帶寬和波長的關(guān)系。 2122002)()(2LCLC(2.55b)由長度

3、為L的單模光纖色度色散產(chǎn)生的脈沖展寬為2)(2120LC22=21+(C0)2+ (2.55a)圖 2.14 常規(guī)單模光纖帶寬和波長的關(guān)系 / (GHzkm)1101001000100001.11.21.31.41.51.62nm5nm10nm / m 上式右邊第二項為光纖產(chǎn)生的。 和多色光源不同， 與有關(guān)。根據(jù)式(2.56a)， 可以選取使輸出脈沖寬度2最小的最佳輸入脈沖寬度1 ：設 且中心波長不受調(diào)制的影響。 這相當于和穩(wěn)定的。 在長度為L的單模光纖上，輸入和輸出的光脈沖都是，其 rms 脈沖寬度分別為1和2，經(jīng)計算得到21202122)4(0cLC(2.56a)21021)4( )(0L

4、Cc最佳(2.56b)由此得到最佳輸出(2)最佳= 最佳)(21(2.56c) ：設，這相當于頻譜寬度較大的。 在這種情況下， 式中，為光源的 (用角頻率表示)。同樣可以選取使2最小的最佳1。 )41)4221212002122（cLC(2.57)式中，nx和ny分別為x-和y-方向的。 偏振模色散本質(zhì)上是，由于模式耦合是隨機的， 因而它是一個統(tǒng)計量。 目前雖沒有統(tǒng)一的技術(shù)標準，但一般要求小于0.5ps/km。 由于存在，即使在色度色散C()=0的波長，帶寬也不是無限大，見圖2.14。 ：實際光纖不可避免地存在一定缺陷，如纖芯橢圓度和內(nèi)部殘余應力，使兩個偏振模的傳輸常數(shù)不同，這樣產(chǎn)生的時間延遲

5、差稱為。 取決于光纖的，由=x-ynxk-nyk得到，)(11yxnncdkdc(2.58)/(lg100kmdBPPLi(2.61a) 2.3.2 光纖損耗光纖損耗 的存在 光信號減小 限制系統(tǒng)的 。 在最一般的條件下，在光纖內(nèi)傳輸?shù)碾S的變化，可以用下式表示習慣上的單位用dB/km， 由式(2.60)得到Po=Pi exp(-L) (2.60) 設長度為L(km)的光纖，輸入，根據(jù)式(2.59)，應為 式中，是。PdzdP(2.59) 1. 損耗的機理損耗的機理 圖2.15是的損耗譜，圖中示出各種機理產(chǎn)生的的關(guān)系，這些機理包括和兩部分。 是由SiO2材料引起的固有吸收和由雜質(zhì)引起的吸收產(chǎn)生的

6、。 主要由材料微觀密度不均勻引起的和由光纖(如氣泡)引起的散射產(chǎn)生的。 是光纖的，它決定著光纖損耗的最低理論極限。 圖 2.15 單模光纖損耗譜， 示出各種損耗機理 0.010.050.10.51510501000.81.01.21.41.6實 驗波 導 缺 陷紫 外 吸 收瑞 利 散 射紅 外吸 收波 長 / m損 耗 / (dBkm 1)2. 實用光纖的損耗譜實用光纖的損耗譜 根據(jù)以上分析和經(jīng)驗， 與的關(guān)系可以表示為= +B+CW()+IR()+UV() 4A式中，A為， B為產(chǎn)生的損耗，CW()、 IR()和UV()分別為、和產(chǎn)生的損耗。 由圖2.16看到：從、到，。 從色散的討論中看到

7、：。 的，還可以把零色散波長從1.31 m移到1.55m，。 正因為這些特性， 使光纖通信從SIF、GIF光纖發(fā)展到SMF光纖，從使系統(tǒng)技術(shù)水平不斷提高。 圖 2.16光纖損耗譜(a) 三種實用光纖； (b) 優(yōu)質(zhì)單模光纖 波 長 / m損耗 /( dBkm 1)0.802468100.61.01.21.4 1.6800損耗 / (dBkm 1)波 長 / nm0.0SIFGIFSMF0.51.02.02.53.03.54.01.51000120014001600ab cdeabcde85013001310138015501.810.350.340.400.19nmdB / km(a)(b)1

8、.82.3.3 光纖標準和應用光纖標準和應用 應用于中小容量、中短距離的通信系統(tǒng)。 是第一代單模光纖，其特點是在波長1.31 m色散為零，系統(tǒng)的傳輸距離只受損耗的限制。 是第二代單模光纖，其特點是在波長1.55 m色散為零，損耗又最小。這種光纖適用于大容量長距離通信系統(tǒng)。 其特點是在波長1.31 m色散為零，在1.55 m色散為1720 ps/(nmkm)，和常規(guī)單模光纖相同，但損耗更低，可達0.20 dB/km以下。 其特點是在波長1.55 m具有大的負色散。 是一種改進的色散移位光纖。表2.3 光纖特性的標準2.4 光纜光纜 2.4.1 光纜基本要求光纜基本要求 保護光纖固有機械強度的方法

9、，通常是采用和。 光纖從高溫拉制出來后，要立即用和，除去斷裂光纖，并對成品光纖用。 二次被覆光纖有、和光纖四種，見圖2.18。 條件直接影響光纖的使用壽命。 設對光纖進行拉伸應力篩選時，施加的應力為p，作用時間為tp(設為1s)； 長期使用時，容許施加的應力為r，作用時間為tr，斷裂概率為106km一個斷裂點。理論推算得到的容許作用時間(光纖使用壽命)tr 和應力比r/p的關(guān)系示于圖2.17。 圖 2.17 光纖使用壽命和應力比的關(guān)系1010210410610810100.20.40.60.81.020年1年1日1小 時1分20年應 力 比r /p使 用 壽 命 tr / sn20n13 圖

10、2.18二次被覆光纖(芯線)簡圖 (a) 緊套； (b) 松套； (c) 大套管； (d) 帶狀線 緊套一次被覆光纖松套大套管一次被覆光纖帶狀線(a)(b)(c)(d) 2.4.2 光纜結(jié)構(gòu)和類型光纜結(jié)構(gòu)和類型 光纜一般由和兩部分組成，有時在護套外面加有鎧裝。 1. 纜芯通常包括(或稱芯線)和兩部分。 是光纜的核心，決定著光纜的傳輸特性。 起著承受光纜拉力的作用，通常處在纜芯中心，有時配置在護套中。 圖 2.20光纜類型的典型實例 (a) 6芯緊套層絞式光纜(架空、管道)；(b) 12芯松套層絞式光纜(直埋防蟻)；(c) 12芯骨架式光纜(直埋)；(d) 648芯束管式光纜(直埋)；(e) 1

11、08芯帶狀光纜；(f) LXE束管式光纜(架空、管道、直埋)；(g) 淺海光纜；(h) 架空地線復合光纜(OPGW)填充油膏緊套光纖中心加強件包帶鋁縱包PE護層(a)填充繩(聚乙烯)第一單元松套管( 6芯)第二單元松套管( 6芯)包帶皺紋鋼帶PE層尼龍 12外護層中心加強件填充油膏(b)PE外 護層皺紋鋼帶塑料骨架中心加強件緊套光纖(c)PE外護層鋁縱包鋼絲(分散加強)高強度塑料光纖束管6 48 芯光纖(d)外護層金屬加強件塑料繞包帶帶狀光纖單元帶狀線(e)單根金屬加強件高密度 PE護層開索鄒紋鋼護套防潮層高強度塑料束管4 48 芯光纖(f)內(nèi)金屬或高強度塑料線光纖光纖或聚乙烯填充線聚乙烯銅管

12、聚乙烯聚丙烯內(nèi)層鋼絲鎧裝外層鋼絲鎧裝(g)隔熱襯材光纖高強度塑料線鋁管鋁扇形體鋁包鋼線(h)光纖塑料光纜光纜 的基本型式的基本型式 把松套光纖繞在中心加強件周圍絞合而構(gòu)成。 把緊套光纖或一次被覆光纖放入中心加強件周圍的螺旋形塑料骨架凹槽內(nèi)而構(gòu)成。 把一次被覆光纖或光纖束放入大套管中， 加強件配置在套管周圍而構(gòu)成。 把帶狀光纖單元放入大套管內(nèi)， 形成中心束管式結(jié)構(gòu)，也可以把帶狀光纖單元放入骨架凹槽內(nèi)或松套管內(nèi)， 形成骨架式或?qū)咏g式結(jié)構(gòu)。 2. 護套護套 起著對纜芯的機械保護和環(huán)境保護作用，要求具有良好的抗側(cè)壓力性能及密封防潮和耐腐蝕的能力。 護套通常由聚乙烯或聚氯乙烯(PE或PVC)和鋁帶或鋼帶

13、構(gòu)成。 根據(jù)使用條件根據(jù)使用條件可以分為：可以分為： 等。 特種光纜常見的有：電力網(wǎng)使用的(OPGW)， 跨越海洋的，易燃易爆環(huán)境使用的以及各種不同條件下使用的等。 2.4.3 光纜特性光纜特性2.5 光纖特性測量方法光纖特性測量方法 光纖的特性參數(shù)很多，基本上可分為、和三類。 包括纖芯與包層的直徑、偏心度和不圓度； 主要有折射率分布、數(shù)值孔徑、模場直徑和截止波長； 主要有損耗、帶寬和色散。 光纖損耗測量有兩種基本方法：一種是測量通過光纖的傳輸光功率，稱；另一種是測量光纖的后向散射光功率，稱。 光纖帶寬測量有和兩種基本方法。 是測量通過光纖的光脈沖產(chǎn)生的脈沖展寬，又稱； 是測量通過光纖的頻率響應，又稱。