光纤通信

光纤通信光技术与光纤通信第一章概述第二章光纤与光缆第三章通信用光器件第四章光纤通信系统第五章光纤通信中的高新技术光纤通信第二章光纤与光缆§2.1光纤的构造与分类§2.2光纤传光原理§2.3光纤的特性（性能）§2.4光缆§2.5光纤特性的测量方法光纤通信§2.1光纤的构造与分类一、光纤的构造二、光纤的分类三、常用光纤四、光纤型号的命名方法五、光纤制作方法简介六、光纤的选用原则和推荐方案光纤通信一、光纤的构造1、纤芯，光信号的传输2、包层，限制光信号溢出3、一次涂敷层（预涂层），保护光纤增加韧性4、缓冲层，减少对光纤的压力5、二次涂敷层（套塑层），加强光纤的机械强度光纤通信1、纤芯：位于光纤中心部位，主要成分是高纯度的SiO2,纯度可达99.99999%，其余成份为掺入极少量掺杂剂，如P2O5和GeO2，掺杂剂的作用是提高纤芯的折射率。纤芯直径一般为2a＝3～100μm2、包层：含有少量掺杂剂的高纯度SiO2,掺杂剂有氟或硼，其作用是降低包层折射率，包层直径2b＝125～140μm3、一次涂层：厚度5～40μm，材料一般为环氧树脂或硅橡胶，可承受7kg拉力4、缓冲层：厚度100μm5、二次涂敷层：原料大都采用尼龙或聚乙烯1层＋2层＝光纤3＋4＋5层＝护层5层大约0.9mm左右光纤通信光纤通信二、光纤的分类－11、从原材料分：石英系光纤多组份玻璃光纤氟化物光纤塑料光纤液芯光纤掺杂光纤，如掺铒光纤由于石英系光纤具有传输衰减小，通信频带宽，机械强度较高等特点，在通信系统中得到广泛应用。光纤通信材料对性能的影响按原材料划分所用原材料举例可制成光纤按其它方法归类特点衰减强度可靠性价格石英光纤SiO2和掺杂剂阶跃单模(SM)阶跃多模(SI)梯度多模(GI)低高高高多成份玻璃光纤纳钙玻璃硼硅酸盐玻璃阶跃多模(SI)梯度多模(GI)较低较低存在问题较低塑包石英光纤纤芯：SiO2包层：塑料阶跃多模(SI)较低较高存在问题较低全塑光纤纤芯：聚甲基丙烯酸甲酯包层：氟代丙烯酸树酯SI高低有问题低光纤通信光纤分类－22、按照光纤横截面上折射率分布特征n(r)分：阶跃型光纤，也称突变型光纤（常用SI表示—StepIndexfibber）纤芯与包层的折射率均为一常数，其界面处呈阶跃式变化。渐变型光纤，也称梯度光纤或自聚焦光纤（常用GI表示—GradedIndexfibber）纤芯折射率连续变化，包层的折射率则为一常数。W型光纤等光纤通信ba0abba0abn(r)n(r)n1n1n2n2阶跃型光纤渐变型光纤n1r≤an1[1-2Δ(r/a)g]1/2r≤an2ar≤bn2[1-2Δ]1/2ar≤bn(r)=n(r)=Δ—相对折射率差，Δ＝（n1-n2)/n1光纤通信a双包层b三角芯c椭圆芯典型特种单模光纤光纤通信a—阶跃型光纤；b－渐变型光纤；c－单模光纤光纤通信光纤分类－33、按光纤内的导模数分多模光纤(MM—MultiModefiber)可传输多种模式，或允许多种场结构存在2a=50～75µm，2b=100-200µm（多模）单模光纤(SM—SingleModefiber)只传输一种模式2a=4~10µm，2b=125µm(单模)光纤通信光纤分类－44、按套塑的情况分松套紧套5、按工作波长分短波长光纤：0.8～0.9µm长波长光纤：1.0～1.7µm超长波长光纤：2µm短波长与长波长光纤为石英系光纤，而超长波长光纤为非石英系光纤，如重金属氧化物、硫硒碲化合物和卤化物光纤等光纤通信三、常用光纤1、阶跃多模光纤（SIF）2、梯度多模光纤（GIF）3、单模光纤（SMF）目前常用单模光纤有：G.652、G.653、G.654、G.655光纤通信按照零色散波长将单模光纤分为6种非色散位移光纤：G.652色散位移光纤：G.653截止波长位移光纤：G.654非零色散位移光纤：G.655色散平坦光纤色散补偿光纤光纤通信G.651，多模渐变型（GIF）光纤（或称梯度光纤），它在光纤通信发展的初期广泛应用于中小容量，中短距离的通信系统；G.652常规单模光纤，或称非色散位移光纤，是第一代单模光纤，其特点是在波长1310nm色散为零，系统的传输距离只受损耗的限制，但1310nm处损耗不是最小值（0.4dB/km）。光纤工作在1550nm窗口衰减小，且具有EDFA供选用，但其在1550nm窗口色散大，不利于高速系统的长距离传输。光纤通信G.653色散移位光纤，是第二代单模光纤，其特点是在波长1550nm色散为零，损耗又最小。适用于大容量长距离通信系统。但其在波分复用时会出现四波混频效应，故其被限用于单信道高速传输。G.654截止波长位移光纤，1550nm损耗最小单模光纤，其特点是在波长1310nm处色散为零，在1550nm处色散为17～20ps/(nm.km)，和常规单模光纤相同，但损耗更低，可达0.2dB/km以下。它主要是一种用于1550nm改进的常规单模光纤。目的是增加传输距离光纤通信G.655非零色散位移光纤，是一种改进的色散移位光纤，在密集波分复用（WDM）系统中，当使用波长1550nm色散为零的色散移位光纤时，由于复用信道多，信道间隔小，出现了一种称为四波混频的非线性效应。这种效应是由两个或三个波长的传输光混合而产生的有害分量，它使信道间相互干扰。如果色散为零，四波混频的干扰十分严重，如果有微量色散，四波混频反而减小。为此，科学家研究了非零色散光纤。光纤通信G.655光纤的特点是有效面积大，零色散波长不在1550nm，而在1525nm或1585nm。在1550nm有微量色散，其值大到足以抑制密集波分复用系统的四波混频效应，小到允许信道传输速率达到10Gb/s以上。它具有常规单模光纤和色散移位光纤的优点，是最新一代的单模光纤。光纤工作在1550nm窗口衰减小、色散低，大大减小四波混频效应，故其可用于远距离、波分复用、孤子传输高速系统中，实现超大容量超长距离的通信。康宁(Corning)公司开发的这种新型光纤称为长距离系统光纤(LongHaulSystemFiber)；AT&T(美国电报电话)公司开发的这种光纤称为真波光纤(TrueWaveFiber)光纤通信色散补偿光纤，其特点是在波长1550nm具有大的负色散，这种光纤是针对波长为1310nm的常规单模光纤系统升级而设计的，因为当这种系统要使用掺铒光纤放大器（EDFA）以增加传输距离时，必须把工作波长从1310nm移到1550nm，。用色散补偿光纤在波长为1550nm的负色散和常规单模光纤在1550nm的正色散相互抵消，以获得线路总色散零而损耗又最小的效果。色散平坦光纤，其特点是色散值在一定范围内为常数，光纤通信四、光纤型号的命名方法根据我国国家标准GB11819-89规定，光纤型号应包括光纤的类型代号和规格代号。1、多模光纤型号的命名方法现以通信用多模渐变型、工作波长850nm的A1-50/125(20)12008C2光纤为例，说明多模光纤型号的命名方法。光纤通信A1-50/125(20)12008C2多模渐变型芯径/包层径数值孔径0.20工作波长0.85µm环境温度带宽长度积800MHz•km衰减常数2.0dB/km1、多模光纤型号的命名方法带宽长度积：用千位和百位来表示（MHz•km）衰减常数：用个位和小数点后一位来表示光纤通信多模光纤类型：A1—通信用多模渐变型A2—阶跃型A3—大数值孔径型标称工作波长代号1—850nm；2—1310nm；3—1550nm；1/2—850/1310nm；环境温度代号C1—-40~+60ºC；C2—-30~+60ºC；C3—-20~+60ºC；C4—-5~+60ºC；光纤通信B1-9/125208C2常规单模模场直径/包层径工作波长1.31µm环境温度衰减常数0.8dB/km2、单模光纤型号的命名方法光纤通信单模光纤类型：B1—常规单模光纤，在1310nm附近有零色散波长，最佳工作波长为1310nm，其截止波长应小于1310nm；B2—在1310nm附近有零色散波长，最佳工作波长为1550nm，而1310nm≤λC1550nm；B3—零色散位移光纤，零色散波长在1550nm附近；B4—色散平坦光纤，宽波长范围低色散，以便在波长为1.3～1.55µm宽波段进行波分复用。工作波长与环境温度代号与多模光纤相同光纤通信五、光纤制造方法改进的化学汽相沉积法(MCVD)等离子体激活化学汽相沉积法(PCVD)管外化学汽相沉积法汽相轴向沉积法（VAD）管外汽相沉积法（OVPD）多种组份玻璃制造法光纤通信光纤制作简介光纤的制造工艺主要包括熔炼、拉丝和套塑三个主要过程。1、熔炼熔炼过程是把超纯的化学原料四氯化硅和氧气，经过高温化学反应合成低损耗的优质石英棒（称为光纤预制棒）。熔炼时。一般掺入少量杂质以控制折射率。如锗、磷、硼氟等。光纤通信其化学反应如下：SiCl4+O2→SiO2+2Cl2↑GeCl4+O2→GeO2+2Cl2↑其中，SiO2是石英，这就是化学合成法。原料SiCl4可以是气化的液体，它比固体容易提纯，故制作超纯石英不宜把固体天然石英提纯而宁可采用化学合成法。熔炼工艺有很多种，这里仅以改良的化学气相沉积法(MCVD)来说明熔炼过程。光纤通信合成的SiO2以粉末状沉积在石英坯管内管壁上，遇到高温即融成一层很薄的透明含锗的优质石英。火焰来回移动，管子均匀旋转，一层层的优质石英均匀地沉积在管内。H2O2火焰移动SiCl4+O2GeCl+O2排气Cl2石英坯管HO焰1400～1500℃MCVD熔炼工艺示意图旋转光纤通信当沉积的石英层有足够的厚度后，把火焰温度升高到1700～2000℃，石英管被软化，由于它的表面张力，石英管自动收缩，而将管子的中心孔填没，成为一根实心用以制作光纤的石英棒，称为预制棒。预制棒的芯子是优质石英，用以导光，外表皮是一般石英，不作导光用，仅起保护作用。2、拉丝拉丝是把较粗的石英预制棒拉成细长的光纤。拉丝装置示意图如下。光纤通信光纤坯棒测温仪炉温控制测径仪调速设备固化炉光纤涂覆器高温炉2000℃拉丝轮拉丝工艺装置示意图预制棒缓缓送入，高温下被软化，由拉丝轮拉成细丝。为保证光纤直径精度，采用激光测径仪，并按照偏差信号反馈控制炉温和拉丝温度等。为保护光纤表面不被外界污染而产生微裂纹，必须在光纤成形后马上涂覆一层保护涂料，并立即固化，最后卷绕在套筒上。光纤通信3、套塑为进一步保护光纤，提高光纤的机械强度，一般把带有涂敷层的光纤再套上一层尼龙。光纤的套塑方式有两种：松套：光纤可在尼龙管内松动，其涂敷材料一般为环氧树脂，抗水性能不很好，常填充半流质的油膏(Jelly)。紧套：其涂敷材料一般是硅橡胶，外面紧密无间隙地套上一层尼龙，光纤在尼龙管内不能松动。光纤通信紧套光纤结构简单，操作方便，而松套光纤防水性能和机械性能较好。由于石英光纤是用掺杂材料制成的，所以其物理性能比金属材料稳定得多，但光纤在套塑后，由于套塑原料的膨胀系数较石英大得多，所以在低温时塑料收缩，形成光纤的微弯曲而增加了衰减。故而适当注意套塑工艺可获得温度特性良好的光纤。光纤通信六、光纤的选用原则和推荐方案选用原则当今光纤通信中的单模光纤主要有G.653、G.654、G.655、色散补偿光纤等。每种光纤各具有自身特点和使用目的。在光纤通信工程中综合光纤特点、传输速率、使用场合、经济成本、发展趋势等因素，合理选择好光纤是一项十分重要和困难的工作。具体原则如下：光纤通信1、工作波长对光通信系统的设计存在两种情况：新建系统和系统扩容。新建系统既可选择光纤，又可选择工作波长；而对扩容系统（一般多为G.652光纤），只能选择工作波长。光纤通信G.652光纤工作在1550nm窗口衰减小，且具有EDFA供选用，但其在1550nm窗口色散大，不利于高速系统的长距离传输。G.653光纤工作在1550nm窗口色散为零，但其在波分复用时会出现四波混频效应，故其被限用于单信道高速传输。G.655光纤工作在1550nm窗口衰减小、色散低，大大减小四波混频效应，故其可用于远距离、波分复用、高速系统。光纤通信结论：新建系统在