第2章光纤和光缆-PPT精品

光纤通信1第2章光纤和光缆光纤通信2本章内容、重点和难点本章内容光纤的结构和类型。光纤的导光原理。光纤的特性。光缆的结构和种类。光缆的熔接本章重点光纤的结构和类型。光纤的特性。光缆的种类。光缆的熔接第2章光纤和光缆光纤通信3学习本章目的和要求掌握光纤的结构和类型。了解光纤的导光原理。掌握光纤的特性。掌握光缆的结构和种类。掌握光缆的熔接方法第2章光纤和光缆光纤通信42.1光纤的结构和类型2.1.1光纤的结构1.光纤结构光纤由纤芯、包层和涂覆层3部分组成，如图2-1所示。图2-1光纤的结构光纤通信52.1光纤的结构和类型（1）纤芯：纤芯位于光纤的中心部位。直径d1=4μm～50μm，单模光纤的纤芯为4μm～10μm，多模光纤的纤芯为50μm或62.5um。纤芯的成分是高纯度SiO2，掺有极少量的掺杂剂（如GeO2，P2O5），作用是提高纤芯对光的折射率(n1)（2）包层：包层位于纤芯的周围。直径d2=125μm，其成分也是含有极少量掺杂剂的高纯度SiO2。而掺杂剂（如B2O3）的作用则是适当降低包层对光的折射率（n2），使之略低于纤芯的折射率，即n1＞n2，它使得光信号封闭在纤芯中传输。光纤通信62.1光纤的结构和类型（3）涂覆层：光纤的最外层为涂覆层，包括一次涂覆层，缓冲层和二次涂覆层。一次涂覆层一般使用丙烯酸酯、有机硅或硅橡胶材料；缓冲层一般为性能良好的填充油膏；二次涂覆层一般多用聚丙烯或尼龙等高聚物。涂覆的作用是保护光纤不受水汽侵蚀和机械擦伤，同时又增加了光纤的机械强度与可弯曲性，起着延长光纤寿命的作用。涂覆后的光纤其外径约1.5mm。通常所说的光纤为此种光纤。光纤通信72.1光纤的结构和类型2．光纤的折射率分布与光线的传播图2-3所示为两种典型光纤的折射率分布情况。一种称为阶跃折射率光纤；另一种称为渐变折射率光纤，如图2-3（a）、（b）所示。图2-3光纤的折射率分布光纤通信82.1光纤的结构和类型光在阶跃折射率光纤和渐变折射率光纤的传播轨迹分别如图2-5和图2-6所示。图2-5光在阶跃折射率多模光纤中的传播图2-6光在渐变折射率多模光纤中的传播光纤通信92.1.2光纤的分类若按传输模的数量分类可分为多模光纤和单模光纤若按传输波长分类可分为短波长光纤和长波长光纤若按套塑结构分类可分为紧套光纤和松套光纤光纤通信102.1.2光纤的分类1．按传输模数分类按传输模的数量不同，光纤分为多模光纤和单模光纤。传播模式概念：当光在光纤中传播时，如果光纤纤芯的几何尺寸远大于光波波长时，光在光纤中会以几十种乃至几百种传播模式进行传播。如图2-4所示。这些不同的光束称为模式。图2-4光在阶跃折射率光纤中的传播光纤通信112.1.2光纤的分类（1）多模光纤当光纤的几何尺寸（主要是芯径d1）远大于光波波长时（约1μm），光纤传输的过程中会存在着几十种乃至几百种传输模式，这样的光纤称为多模光纤。如图2-5和图2-6所示。（2）单模光纤当光纤的几何尺寸（主要是芯径d1）较小，与光波长在同一数量级，如芯径d1在4μm～10μm范围，这时，光纤只允许一种模式（基模）在其中传播，其余的高次模全部截止，这样的光纤称为单模光纤。如图2-7所示。光纤通信122.1.2光纤的分类图2-7光在单模光纤中的传播轨迹光纤通信132.1.2光纤的分类2．按传输波长分类光纤可分为短波长光纤和长波长光纤。短波长光纤的波长为0.85μm（0.8μm～0.9μm）长波长光纤的波长为1.3μm～1.6μm，主要有1.31μm和1.55μm两个窗口。3．按套塑结构分类按套塑结构不同，光纤可分为紧套光纤和松套光纤。光纤通信142.1光纤的结构和类型紧套光纤与松套光纤紧套光纤就是在一次涂覆的光纤上再紧紧地套上一层尼龙或聚乙烯等塑料套管，光纤在套管内不能自由活动。松套光纤，就是在光纤涂覆层外面再套上一层塑料套管，光纤可以在套管中自由活动。图2-2套塑光纤结构光纤通信152.1.2光纤的分类4．单模光纤的分类ITU-T建议规范了G.652、G.653、G.654和G.655四种单模光纤。光纤通信16与单模光纤相比，多模光纤芯径大，便于接续；但由于光纤中存在多种传输模式，不同的传播模式具有不同的传输速度与相位，所以经过长距离传输后会带来严重时延，导致脉冲变宽（模式色散），模式色散会使多模光纤的带宽变窄，降低了传输容量，故目前多模光纤只适用于短距离、低速率信息传输G.651光纤衰减系数1.5dB~10dB/km光纤通信17(1)G.652光纤Ｇ.652光纤，也称为标准单模光纤（SMF），是指色散零点（即色散为零的色散波长）在1310nm附近的光纤。G.652光纤在1.31μm处衰减系数为0.35dB/km左右，在1.55μm处衰减系数为人0.20dB/km左右，但1.55μm处的色散系数大约为17-20ps/km.nm，从而限制了其在工作波长为1550nm系统中的传输速率和传输距离。PMD0.5PS/KM(1/2)400KMPMD=10PS光纤通信18G.653光纤是零色散波长由G.652光纤的1.31μm位移到1.55μm制得的光纤，故其称为色散位移光纤。(2)G.653光纤D=DM+DW零色散波长17ps/nm.km1550nm零色散波长光纤通信19G.653光纤同时实现了1.55μm窗口的低衰减系数和小色散系数。但是当其用于带有掺铒光纤放大器的波分复用系统中时，由于光纤芯中的光功率密度过大产生了非线性效应(四波混频)，限制了G.653光纤在单信道速率10Gbit/s以上波分复用或密集波分复用系统中的应用。光纤通信20(3)G.654光纤G.654光纤是截止波长移位的单模光纤。ITU-T建议规定：G.654光纤在22m长光纤上的截止波长=1530nm，在短于2m长光纤上的一次涂覆截止波长=1600nm。G.654光纤的设计重点是降低1550nm的衰减。G.654光纤主要应用于需要很长中继距离的海底光纤通信。在1550nm处，衰减系数0.15dB~0.17dB/km光纤通信21(4)G.655光纤由于G.653（色散位移光纤）的色散零点在1550nm附近，而DWDM系统在零色散波长处工作很容易引起四波混频效应，对系统性能造成严重影响。为了避免该效应，将色散零点的位置从1550nm附近移开一定距离，使色散零点不在1550nm附近的DWDM工作波长范围内。这就是G.655光纤，即非零色散位移光纤(NDSF)。1530nm波长1560nm,0.1ps/(nm.km)色散6ps/(nm.km)光纤通信22在ITU建议中，G.652光纤的截止波长应大于1260nm，G.655光纤的截止波长应大于1450nm。就是说，G.652光纤不仅可以单模工作在1310nm波长，也可以工作在1550nm波长。但G.655光纤却只能单模工作在1550nm波长。而不保证在1310nm波长能单模工作光纤通信232.1.2光纤的分类这四种单模光纤的主要性能指标是衰减、色散、偏振模色散（PMD）和模场直径。另：G.653光纤是为了优化1550nm窗口的色散性能而设计的，但它也可以用于1310nm窗口的传输。由于G.654光纤和G.655光纤的截止波长都大于1310nm，所以G.654光纤和G.655光纤不能用于1310nm窗口。光纤通信24（5）G.656光纤G.656光纤是一种宽带光传输非零色散位移光纤。G.656光纤与G.655光纤不同的是：①具有更宽的工作带宽，即G.655光纤工作带宽为1530～1625nm（C+L波段，C波段1530～1565nm和L波段1565～1625nm），而G.656光纤工作带宽则是1460～1625nm（S+C+L波段），将来还可以拓宽超过1460～1625nm。②色散斜率更小（更平坦）能够显著地降低DWDM系统的色散补偿成本。G.656光纤是色散斜率基本为零、工作波长范围覆盖S+C+L波段的宽带光传输的非零色散位移光纤。2.1光纤的结构和分类光纤通信25（6）大有效面积光纤大有效面积光纤（LEAF）是为了适应更大容量、更长距离的WDM系统的应用而出现，这种光纤的模场直径由普通光纤8.4m增加到9.6m，从而使有效面积从55m2增加到72m2以上。工作在1550nm波长，与标准的非零色散位移光纤相比，具有较大的有效面积，因而有较大的功率承受能力，可以更有效地克服非线性影响，适于WDM技术的网络。2.1光纤的结构和分类光纤通信26（7）色散补偿光纤色散补偿光纤（DCF）是具有大的负色散的光纤。它是针对现已敷设的G.652标准单模光纤而设计的一种新型单模光纤。标准光纤在1550nm波长的色散不为零，是正的17～20ps/(nm·km)，并且有正的色散斜率，所以就必须在这些光纤中加接具有负色散的色散补偿光纤，进行色散补偿，以保证光纤线路的总色散值近似为零，从而实现高速度、大容量、长距离的通信。2.1光纤的结构和分类光纤通信27（8）全波光纤ITU-T将“全波光纤”定义为G.652c类光纤，全波光纤（AWF）消除了常规光纤在1385nm附近由于OH离子造成的损耗峰，损耗从原来的2dB/km降到0.3dB/km，这使光纤的损耗在1310nm～1600nm都趋于平坦，形象地称为“全波光纤”，也被称作“低水峰光纤”。2.1光纤的结构和分类光纤通信282.2光纤的导光原理1．折射和折射率光线在不同的介质中以不同的速度传播，描述介质的这一特征的参数就是折射率，或称折射指数。折射率可由下式确定：n=c/v其中ν是光在某种介质中的速度，с是光在真空中的速度。在折射率为n的介质中，光传播速度变为c/n，光波长变为0/n（0表示光在真空中的波长）。表2-1中给出了一些介质的折射率。表2-1不同介质的折射率材料空气水玻璃石英钻石折射率1.0031.331.52～1.891.432.42光纤通信292.2光纤的导光原理当一条光线照射到两种介质相接的边界时，入射光线分成两束：反射光线和折射光线（如图2-9所示）。图2-9光的折射图2-10光的反射斯涅耳定律给出了定义这些光线方向的规则：1=3n1sin1=n2sin2全反射是光信号在光纤中传播的必要条件。光纤通信302.2光纤的导光原理2．光的偏振光波属于横波，即光的电磁场振动方向与传播方向垂直。如果光波的振动方向始终不变，只是光波的振幅随相位改变，这样的光称为线偏振光，如图2-11（c）和图2-11（d）所示。从普通光源发出的光不是偏振光，而是自然光，如图2-11（a）所示。自然光在传播的过程中，由于外界的影响在各个振动方向的光强不相同，某一个振动方向的光强比其他方向占优势，这种光称为部分偏振光，如图2-11（b）所示。光纤通信312.2光纤的导光原理图2-11光的偏振光纤通信322.2光纤的导光原理3．光的色散如图2-12所示，当日光通过棱镜或水雾时会呈现按红橙黄绿青蓝紫顺序排列的彩色光谱。这是由于棱镜材料（玻璃）或水对不同波长（对应于不同的颜色）的光呈现的折射率n不同，从而使光的传播速度不同和折射角度不同，最终使不同颜色的光在空间上散开。图2-12自然光的色散光纤通信33式中：E为电场强度矢量；D为电位移矢量；H为磁场强度矢量；B为磁感应强度矢量。且D与E，B与H有下列关系。）（）（）（）　　　（　　　　　　　　　　d44.20c44.20b44.2a44.2BDEjHHjE）（　　　　　　　　　）　　　（　　　　　　　　　　b45.2a45.2HBED光纤通信342.2光纤的导光原理阶跃型光纤中光射线种类①子午射线。通过光纤纤芯的轴线可以作很多平面，这些平面为子午面。如果光射线在光纤中传播的路径始终在一个子午面内，就称为子午射线，简称子午线。子午射线的特点是光线在一个周期内两次穿越光纤轴心，成为锯齿形波前进，子午线在光纤端面上的投影是一条过轴心的直线，如图2-10（a）所示。图2-10阶跃型光纤中的光射线