光纤及光缆基础知识培训

目录•光纤•光缆•光通信史•光纤通信原理•光纤的结构光纤•光纤的分类•光纤的基本参数•光纤的制造方法•光纤的演变光通信史•广义的光通信：存在于我们的日常生活中，无处不在，无时不在。－旅游、观光－电影、电视•狭义的光通信：是指人类有意识地利用光作为传递信息的手段。－古代的烽火台－现代的交通信号灯、航海灯塔等等光通信史法国人ClaudeChappe第一个建立光电报系统。1790美国人AlexanderGrahamBell发明了光电话。1880人类发明了新的光源：激光。1958华裔科学家：高锟博士从理论上预言玻璃纤维是理想的光波导。1966康宁公司成功开发出衰减小于20dB/km的商用光纤。1970光通信史上的几个里程碑f10km1km100m10m1m1cm1dm105m100km107m010Hz100Hz1k10k100k1M10M100M1G10G1cm100m1mm10m100nm1m10nm1nm100pm10pm1pm10G100G1T10T100T1015T1017T1016T1019T1018T1020T1.6m1.5m1.3m1.4m1.1m1.2m1m900nm800nm700nm500nm600nm400nm红外线紫外线X射线伽玛射线光纤应用范围无线电电视卫星LWKWMWUKWdmcm高频微波低频交流电微波可见光光纤通信原理光纤通信原理光信号发射接收接收发射通信系统的原理框图传输线路光光光光信号处理信号处理光纤通信原理线路中继线路中继传输线路的基本组成传输介质传输介质传输介质传输介质线路中继光纤通信原理入射光线反射光线入射光线11=2传输介质：光纤光的反射和折射定律光在传输过程中，在两种不同的传输介质的界面将产生以下行为：一部分入射光将被反射一部分入射光将进入第二种介质，产生折射介质1折射率n1介质2折射率n22n1·Sin1=n2·Sin2介质1折射率n1介质2折射率n212折射光线光纤通信原理折射率n＝光在真空中的传播速度/光在该介质中的传播速度媒质真空空气水多模光纤单模光纤玻璃钻石折射率1.01.00031.331.4571.4711.5~1.92.42全反射：当n1n2时，随着入射角的不断增加，当入射角达到某一值时，折射角达到90oC，我们把此时的入射角称为临界角0。当入射角大于临界角时，将发生全反射。介质1介质2根据折射定律，我们可以求出临界角，此时2＝90o。即n1·Sin0=n2·Sin90o所以Sin0=n2/n1光纤通信原理传输介质：光纤包层n2纤芯n1包层n2光纤通信正是利用了全反射原理，当光的注入角满足一定条件时，光便能在光纤(光波导)内形成全反射，从而达到长距离传输的目的。光纤中心轴线090-0空气n01传输介质：光纤光纤通信原理包层光纤的结构纤芯涂层按材料分类：•二氧化硅系光纤•多组份光纤•塑料光纤光纤的分类•用于通信，如：光缆•用于传感器，如：光纤陀螺•用于传输图像，如：内窥镜•其它用途，如用于传输能量按用途分类：光纤的分类光纤的分类按传输模式分类：多模光纤：根据电磁波的传播理论，通过解麦克斯韦方程，可以求出光波在该类光纤中是以多种模式(振动状态)向前传播的。它包括LP01、LP11、LP02、LP12、LP21、LP22等等。单模光纤：光波在该类光纤中只以基模LP01的振动方式向前传播。aarEaarELP01LP11LP02多模光纤单模光纤按传输模式分类：光纤的分类•几何尺寸参数•光学及传输特性参数•机械特性参数光纤的基本参数•环境特性参数几何尺寸参数R光纤的基本参数•纤芯直径•纤芯/包层同心度偏差•包层外径(d={dx+dy}/2)•包层不圆度(|dmax-dmin|/d)•涂层外径•包层/涂层同心度偏差•光纤翘曲度R光纤几何尺寸参数典型值•纤芯直径(多模光纤)：•纤芯直径(单模光纤)：•纤芯/包层同心度：•包层外径：•包层不圆度：•涂层外径：•包层/涂层同心度：62.5/50m8～10m1.0m125m1m1%245m5m12m•光纤翘曲度：4m光纤的基本参数光纤的基本参数几何尺寸的精度对光纤的影响光纤的接续损耗光纤的PMD值•光纤纤芯光纤芯径8m，错位2m导致0.7db衰减•纤芯轴向夹角纤芯有1夹角，导致0.45dB接头损耗•光纤端面倾斜倾角1时，导致0.2dB接头损耗•光纤芯径不同芯径相差10%，损耗增加0.01dB光缆接续光纤对接续影响如果光纤芯径8m，错位2m导致0.7db衰减如果要求接头损耗0.1dB，纤芯错位一定要0.8m2m光纤纤芯：光纤1光纤2光缆接续纤芯有1夹角，导致0.45dB接头损耗如果要求接头损耗0.1dB，纤芯夹角应0.3纤芯轴向夹角：1光纤1光纤2光缆接续倾角1时，导致0.2dB接头损耗光纤端面倾斜：1光纤1光纤2光缆接续芯径相差10%，损耗增加0.01dB光纤芯径不同：光纤1光纤2光缆接续光学及传输特性参数•衰减系数•色散系数•截止波长•弯曲损耗•偏振模色散•模场直径光纤的基本参数光学及传输特性参数模场直径：高斯分布的单模光纤，模场直径是光场幅度分布1/e处各点所围成圆的直径，也等于光功率分布1/e2处各点所围成圆的直径。光纤的基本参数衰减系数＝10log(P0/PL)/L这里；P0输入光功率PL经过L长度的光纤后的输出光功率L传输距离P0PLL光学及传输特性参数光纤的基本参数光学及传输特性参数光纤的基本参数光纤衰减的来源：瑞利散射在红外、紫外区玻璃的固有吸收杂质(OH-离子和过渡金属离子)吸收光纤结构不完善所产生的辐射和散射光学及传输特性参数OH-吸收峰：1383nm(又称为：水峰)光纤的基本参数单模光纤的典型谱衰耗衰减(dB/km)波长(nm)131015500.360.20光纤的基本参数光纤的本征衰减由以下几项组成：•由于纤芯折射率的微小变化所产生的瑞利散射(与波长的四次方成反比)•在红外、紫外区玻璃的固有吸收•杂质(OH离子和过渡金属离子)吸收•光纤结构不完善所产生的辐射和散射光纤的附加损耗：•弯曲损耗－－宏弯损耗－－微弯损耗•氢损光纤的基本参数色散：不存在色散时：存在色散时：色散系数：色散：原义指折射率等物理常数随频率(波长)而变化的现象。光纤的“色散”则是指由于各种因素而使传输常数发生变化的现象。光学及传输特性参数光纤的基本参数模式色散材料色散波导色散光纤的基本参数光纤色散包括以下几部分：•模式色散(仅发生在多模光纤上)•材料色散(光纤材料的折射率与波长相关)•结构色散(波导结构与模群的传播速度有关)对于多模光纤，其各部分色散的大小关系如下：模式色散材料色散结构色散对于多模光纤，可以通过设计合理纤折射率分布大大减小模式色散。光学及传输特性参数光纤的基本参数模式色散：传输常数随传输模的不同而变化。模式色散只发生在多模光纤上。RnRn阶跃折射率分布的多模光纤渐变折射率分布的多模光纤光学及传输特性参数光纤的基本参数材料色散：由于材料的折射率随波长变化而导致的传输常数的变化。包层n2包层n2纤芯n1光学及传输特性参数光纤的基本参数波导色散：由于波导结构引起的传输常数的变化。121rr光学及传输特性参数光纤的基本参数模式色散材料色散波导色散84-401200-818001400150016001700132nm1非色散位移光纤2色散位移光纤3色散平坦光纤4非零色散位移光纤nm.kmps不同光纤的色散曲线光纤的基本参数4D弯曲损耗：宏弯损耗：是指光纤在以远远大于光纤外径的曲率半径弯曲时，所引入的附加损耗。微弯损耗：是指光纤受到不均匀应力的作用，光纤轴产生的微小不规则弯曲所引入的附加损耗。光纤的基本参数光学及传输特性参数偏振模色散：基模包含两个正交的矢量，这两个偏振矢量在传播过程中会产生时延差，从而引入偏振模色散光纤的基本参数光学及传输特性参数光学及传输特性参数典型值•衰减系数：•色散系数：•截止波长：•弯曲损耗：•偏振模色散：1310nm波长处：0.36dB/km1550nm波长处：0.22dB/km1310nm波长处：0ps/(nm•km)1550nm波长处：18ps/(nm•km)cc1260nm以75mm为直径松绕100圈1550nm波长处附加衰减：0.05dBPMD0.2ps/(km)1/2•模场直径：1310nm:8-10m;1550nm:9-11m光纤的基本参数机械特性参数•光纤筛选应力水平•光纤抗张强度•光纤动态疲劳参数•光纤静态疲劳参数筛选应力：0.69GPa持续时间：1s典型值：500kpsind20ns20光纤的基本参数•光纤温度衰减特性•光纤浸水性能•光纤老化性能环境性能参数-60oC~+85oC下附加衰减：0.05dB/km23oC下，浸水14天后附加衰减：0.05dB/km•温度湿度衰减特性-10oC~+85oC，98%RH下附加衰减：0.05dB/km85oC下老化一个月后附加衰减：0.05dB/km光纤的基本参数制造光纤的基本化学反应式如下：SiCl4+O2=SiO2+2Cl2GeCl4+O2=GeO2+2Cl2其工艺流程如下：制棒脱水烧缩抛光拉丝筛选、复绕光纤的制造方法根据预制棒生产方式的不同，光纤制造方法可分为以下四种：改进的化学气相沉积法(MCVD)等离子激活化学气相沉积法(PCVD)真空泵O2SiCl4GeCl4BBr3空腔谐振器排气喷灯管子O2SiCl4GeCl4光纤的制造方法管外气相沉积法(OVD)喷灯O2SiCl4GeCl4O2+H2多孔预制棒喷灯O2SiCl4GeCl4O2+H2O2+H2多孔预制棒轴向气相沉积法(VAD)光纤的制造方法拉丝：高洁净度氮气保护高速涂覆快速冷却预制棒驱动机构石墨炉预制棒在线测径仪在线测径仪涂覆模涂覆模UV固化炉UV固化炉收线盘光纤的制造方法光纤的演变多模光纤单模光纤工作波长：850nm1310nm1550nm1310&1550nm1530~1565/1625nm1260~1625nm单模光纤的演变G.652光纤G.653光纤G.654光纤G.655光纤最成熟的单模光纤，但未把最小的衰减与最小的色散有效的结合在一起。过渡性的单模光纤，通过对光纤的截止波长进行位移而获得极低的衰减。过渡性的单模光纤，把零色散点移到了衰减最小的波长。一种新型的单模光纤，把最小的衰减与小的色散结合在一起。光纤的演变ITU-TG.652光纤短距离大容量传输系统A类G.652光纤B类G.652光纤C类G.652光纤普通容量传输系统高速率传输系统(10Gb/s)粗波分复用传输系统G.652光纤的特点最成熟的一种单模光纤最小的衰减窗口与最小色散窗口分离光纤的演变高速率大容量传输系统ITU-TG.655光纤长途陆地系统长途海底系统城域网系统如：Corning的Leaf光纤，Lucent的TrueWaveRS光纤如：Corning的SubmarineLeaf光纤Lucent的TrueWaveXL光纤如：Corning的MetroCor光纤G.655光纤的特点最新的一种单模光纤；充分利用C/L波段衰减小和其为EDFA工作波段的特点；较小的色散有利于高速传输，同时又能有效抑制非线性效应光纤的演变•光缆的设计•光缆的结构•光缆的制造•光缆的分类光缆•几种常用光缆目的：为光纤提供足够的保护正确设计光缆结构，精确控制光纤余长光缆设计中应着重考虑的问题避免光纤受到应力作用消除光纤的宏弯与微弯损耗解决之道光缆的设计层绞式光缆余长由绞合节距确定中心束管式光缆余长由螺旋产生光缆的设计受张力时，套管伸长。Elongationofthetubesbytension.低温状态下套管收缩。Shrinkageofthetubesunderlowtemperature光纤/fibre理想的光纤位置。Idealfibreposition.光缆的设计受张力时，套管伸长。室温，无张力。低温状态下套管收缩。光纤光纤光纤光缆的设计按使用环境分类室外光缆•管道