【冶金精品文档】光纤和光缆

2019/8/17Chapter2光纤和光缆1第二章光纤和光缆2019/8/17Chapter2光纤和光缆22.1PhysicsofLight:ABriefOverview2.2OpticalFibers--Basics2.3OpticalFibers—ADeeperLook2.4SingleModeFibers—Basics2.5SingleModeFibers—ADeeperLook2.6Fabrication,Cabling,andInstallation2.7FiberCableConnectorizationandTesting学习内容2019/8/17Chapter2光纤和光缆32.1PhysicsofLight:ABriefOverview2019/8/17Chapter2光纤和光缆4TheNatureofLightWeallknowalotaboutlight.(Really??)ThebasisofourmostimportantsensoryfunctionLightisdescribedinoneofthreeways!!RaysElectromagneticWavePhotons2019/8/17Chapter2光纤和光缆51、当一束光线按照一定的角度射向一块平面镜时，它就会从镜面“反弹”出去，这种“反弹”现象就叫做光的反射，这种反射叫做菲涅尔反射。预备知识光的反射服从反射定理：θin=θr，即反射角等于入射角2、当光以一定的角度从某种介质进入另一种介质时，它的传播方向也会改变，在两种介质的分界面上并不沿直线传播，而是发生了偏折，光的这种偏折现象叫做折射。2019/8/17Chapter2光纤和光缆6预备知识光的折射服从折射定律：n1sinθin=n2sinθz。即光线从折射率为n1的介质以入射角θin射到两个介质的分界面，并以θz进入折射率为n2的介质中时满足上述关系。3、光在介质中的速度由这种介质的折射率决定。不同的介质有不同的折射率，光在折射率小的介质中跑的快，在折射率大的介质中跑得慢。4、全反射定理：光从光密媒质（n1）进入光疏媒质（n2），当入射角增大到一定的角度时，折射光就会全部消失。即θin=arcsin（n2/n1）。其中θc＝arcsin（n2/n1），称为临界角，即在第二种介质的折射角为90度时的入射角。（totalinternalreflection）2019/8/17Chapter2光纤和光缆7要产生全反射，必须有两个条件：第一，光必须从折射率大的介质射入折射率小的介质；其次，入射角必须大于临界角。二者缺一不可。光从折射率低的介质向折射率高的介质入射时，是绝对不会产生全反射的。5、光也是电磁波，是一种波长更短的电磁波。预备知识2019/8/17Chapter2光纤和光缆8ElectromagneticSpectrumFrequencyWavelength1Mm1km1m1mm1pm1nm1kHz1MHz1GHz1THz1ZHz1YHzc=f•l•nc:Speedoflight(2.9979m/µs)f:Frequencyl:Wavelengthn:Refractiveindex(vacuum:1.0000;standardair:1.0003;silicafiber:1.44to1.48)预备知识2019/8/17Chapter2光纤和光缆91000pm(picometer)=1nm(nanometer)1000m=1mm(millimeter)1000nm(nanometer)=1m(micrometer)1000mm=1m(meter)(~40inches）预备知识6、常用的单位2019/8/17Chapter2光纤和光缆107、TheLogarithmicScale0dBm=1mW3dBm=2mW5dBm=3mW10dBm=10mW20dBm=100mW-3dBm=0.5mW-10dBm=100W-30dBm=1W-60dBm=1nWdBm=10•log10(P/1mW)预备知识2019/8/17Chapter2光纤和光缆118、Coherence（相干）CoherentlightPhotonshavefixedphaserelationship(laserlight)IncoherentlightPhotonswithrandomphase(sun,lightbulb)Coherencelength(CL)Averagedistanceoverwhichphotonslosetheirphaserelationship1/e1CL预备知识2019/8/17Chapter2光纤和光缆122.1光纤结构和类型2019/8/17Chapter2光纤和光缆13初识光纤光纤为什么会像金属导线那样能够传输信号呢？在这里首先我们要清楚光纤到底是什么东西。光纤为光导纤维的简称，由直径大约为0.1mm的细玻璃丝构成。它透明、纤细，虽比头发丝还细，却具有把光封闭在其中并沿轴向进行传播的导波结构，它由折射较高的纤芯和折射率较低的包层组成。通常为了保护光纤，包层外还往往覆盖一层塑料加以保护,其中纤芯的芯径一般为50或62.5μm，包层直径一般为125μm。光纤通信就是因为光纤的这种神奇结构而发展起来的以光波为载频，光导纤维为传输介质的一种通信方式。2019/8/17Chapter2光纤和光缆14光纤的结构RefractiveIndex(n)Diameter(r)CladdingPrimarycoating(e.g.,softplastic)Core1.4801.460140m100m2019/8/17Chapter2光纤和光缆15光纤的结构层光波导是绝缘结构，这个结构沿传播方向是理想均匀的。所以它们的横向特性就决定了它的光学性质。在具有旋转对称的光纤中，一个参数就足以描述结构的折射率剖面。n(r)=n1[1-2Δ(r/a)g]1/2(0=r=a)n(r)=n2(ar)其中Δ为相对折射率差，a为纤芯半径，g为折射率分布指数，通过变化g可以获得各种折射率分布的光纤。2019/8/17Chapter2光纤和光缆16现在所说的通信光纤，是由纤芯和包层两部分组成的，如前图所示。纤芯区域完成光信号的传输；包层则是将光封闭在纤芯内，并保护纤芯，增加光纤的机械强度。两区域中掺杂情况不同，因而折射率也不同。纤芯的折射率一般是1.463～1.467（根据光纤的种类而异），包层的折射率是1.45～1.46左右。也就是说，纤芯的折射率比包层的折射率稍微大一些。这就满足了全反射的一个条件。当纤芯内的光线入射到纤芯与包层的交界面时，只要其入射角大于临界角，就会在纤芯内发生全反射，光就会全部由交界面偏向中心。当碰到对面交界面时，又全反射回来，如下图所示：光纤中的光就是这样在芯包交界面上，不断地来回全反射，传向远方，而不会漏射到包层中去。2019/8/17Chapter2光纤和光缆172019/8/17Chapter2光纤和光缆18当光纤弯曲时，光线是否还能沿光纤传播呢？因为任何通信线路都不可能完全笔直。回答是肯定的。当光纤拐弯时，如上图（b）所示，只要弯曲不十分厉害，光也不会折射到包层中去，仍然会全反射回来，只是来回反射的次数增多了。弯曲给光纤带来的光能损耗是很小的，例如把1km光纤绕在直径约10cm的圆筒上，所增加的光能损耗只有万分之几，可以忽略不计。2019/8/17Chapter2光纤和光缆19光纤的分类：材料按照制造光纤所用的材料分，有石英系光纤、多组分玻璃光纤、塑料包层石英芯光纤、全塑料光纤和氟化物光纤等。塑料光纤是用高度透明的聚苯乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯（有机玻璃）制成的。它的特点是制造成本低廉，相对来说芯径较大，与光源的耦合效率高，耦合进光纤的光功率大，使用方便。但由于损耗较大，带宽较小，这种光纤只适用于短距离低速率通信，如短距离计算机网链路、船舶内通信等。目前通信中普遍使用的是石英系光纤。2019/8/17Chapter2光纤和光缆20光纤的分类：传输模式按光在光纤中的传输模式可分为：单模光纤和多模光纤。多模光纤的纤芯直径为50~62.5μm，包层外直径125μm，单模光纤的纤芯直径为8.3μm，包层外直径125μm。光纤的工作波长有短波长0.85μm、长波长1.31μm和1.55μm。光纤损耗一般是随波长加长而减小，0.85μm的损耗为2.5dB/km,1.31μm的损耗为0.35dB/km，1.55μm的损耗为0.20dB/km，这是光纤的最低损耗，波长1.65μm以上的损耗趋向加大。由于OHˉ的吸收作用，0.90~1.30μm和1.34~1.52μm范围内都有损耗高峰，这两个范围未能充分利用。80年代起，倾向于多用单模光纤，而且先用长波长1.31μm。2019/8/17Chapter2光纤和光缆21多模光纤多模光纤(MultiModeFiber)：中心玻璃芯较粗(50或62.5μm)，可传多种模式的光。但其模间色散较大，这就限制了传输数字信号的频率，而且随距离的增加会更加严重。多模光纤传输的距离就比较近，一般只有几公里。2019/8/17Chapter2光纤和光缆22单模光纤单模光纤(SingleModeFiber)：中心玻璃芯很细(芯径一般为9或10μm)，只能传一种模式的光。由于存在着材料色散和波导色散，这样单模光纤对光源的谱宽和稳定性有较高的要求，即谱宽要窄，稳定性要好。后来又发现在1.31μm波长处，单模光纤的材料色散和波导色散一为正、一为负，大小也正好相等。这就是说在1.31μm波长处，单模光纤的总色散为零。从光纤的损耗特性来看，1.31μm处正好是光纤的一个低损耗窗口。这样，1.31μm波长区就成了光纤通信的一个很理想的工作窗口，也是现在实用光纤通信系统的主要工作波段。1.31μm常规单模光纤的主要参数是由国际电信联盟ITU－T在G652建议中确定的，因此这种光纤又称G652光纤。2019/8/17Chapter2光纤和光缆23光纤的分类：传输窗口按最佳传输频率窗口分：常规型单模光纤和色散位移型单模光纤。常规型：光纤生产长家将光纤传输频率最佳化在单一波长的光上，如1300μm。色散位移型：光纤生产厂家将光纤传输频率最佳化在两个波长的光上，如：1300μm和1550μm。我们知道单模光纤没有模式色散所以具有很高的带宽，那么如果让单模光纤工作在1.55μm波长区，不就可以实现高带宽、低损耗传输了吗？但是实际上并不是这么简单。常规单模光纤在1.31μm处的色散比在1.55μm处色散小得多。这种光纤如工作在1.55μm波长区，虽然损耗较低，但由于色散较大，仍会给高速光通信系统造成严重影响。因此，这种光纤仍然不是理想的传输媒介。2019/8/17Chapter2光纤和光缆24光纤的分类：传输窗口为了使光纤较好地工作在1.55μm处，人们设计出一种新的光纤，叫做色散位移光纤（DSF）。这种光纤可以对色散进行补偿，使光纤的零色散点从1.31μm处移到1.55μm附近。这种光纤又称为1.55μm零色散单模光纤，代号为G653。G653光纤是单信道、超高速传输的极好的传输媒介。现在这种光纤已用于通信干线网，特别是用于海缆通信类的超高速率、长中继距离的光纤通信系统中。色散位移光纤虽然用于单信道、超高速传输是很理想的传输媒介，但当它用于波分复用多信道传输时，又会由于光纤的非线性效应而对传输的信号产生干扰。特别是在色散为零的波长附近，干扰尤为严重。2019/8/17Chapter2光纤和光缆25光纤的分类：传输窗口为此，人们又研制了一种非零色散位移光纤即G655光纤，将光纤的零色散点移到1.55μm工作区以外的1.60μm以后或在1.53μm以前，但在1.55μm波长区内仍保持很低的色散。这种非零色散位移光纤不仅可用于现在的单信道、超高速传输，而且还可适应于将来用波分复用来扩容，是一种既满足当前需要，又兼顾将来发展的理想传输媒介。还有一种单模光纤是色散平坦型单模光纤。这种光纤在1