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第二章 光纤和光缆第2章 光纤和光缆 图表图2.1.1 实用光纤的结构、折射率分布和在纤芯内的传输路径图2.1.2 渐变型（GI）多模光纤减小模间色散的原理图2.1.3 光纤预制棒制造和拉丝装置示意图（a） 不同入射角的光线 （b） 的光线图2.2.1 光纤传输条件图2.2.2 光线以法线和斜射入射时在纤芯内以不同的路经传输（数字表示光线反射的次数）(a) （HE11）电力线和磁力线在光纤波导中的分布（b） 与光纤轴垂直的横截面的电场分布（c） 与光纤轴垂直的横截面的强度分布图2.2.3 阶跃光纤各模的电场分布图2.2.4 几种LP模的归一化传输常数与归一化频率V的关系，随着V的增加，光纤传输的模式也增加图2.2.5 归一化模场半径w/a与V参数的关系图2.2.6 LP01模（HE11模）和LP11的归一化光功率分布图2.3.1 单模光纤衰减谱图2.3.2 典型光纤衰减谱图2.3.5 模式色散在多模光纤中，不同模式的光信号在光纤中传输的群速度不同，引起到达光纤末端的时间延迟不同，经光电探测后各模式混合使输出光生电流脉冲相对于输入脉冲展宽Dt 图2.3.6 色散引起单模光纤输出脉冲展宽Dt图2.3.7 典型单模光纤的色散系数图2.3.8 标准光纤、色散移位光纤、非零色散移位光纤、色散平坦光纤和色散补偿光纤的色散特性图中用灰色线也画出标准单模光纤的衰减曲线图2.3.9 几种单模光纤的结构和折射率分布图2.3.10 色散平坦光纤的色散系数和折射率分布 图2.3.11 偏振模色散假如纤芯折射率沿两个正交的方向（对应电场振荡方向，即偏振方向）具有不同的值，导致和以不同的群速度在纤芯内传输，在输出端产生不同的时间延迟，使输出光脉冲展宽 图2.3.12 纤芯材料为的单模光纤在不同芯径时的材料色散和波导色散系数是波长均方根宽度，是色散引起的输出电脉冲展宽图2.3.13 数字光纤系统和光纤色散使输出脉冲展宽是均方根展宽，是均方根色散图2.3.14 高斯输出光脉冲和允许两个连续输出光脉冲互相搭接的程度图2.3.15 传输模拟信号的光纤线路及光纤的传输特性 图2.3.15 四波混频产生了新的频率分量图2.3.16 在光纤近端四波混频影响最大，在远端由于衰减和传输延迟的不同影响减小 表2.4.1 通信光纤的工作窗口初始波段扩展波段短波段常规波段长波段超长波段工作波段OESCLU工作波长/nm1 2601 3601 3601 4601 4601 5301 5301 5661 5661 6251 6251 675图2.4.1 光纤的损耗谱和工作窗口表2.4.2 标准光纤、色散移位光纤、非零色散移位光纤和色散补偿光纤的比较标准光纤（G.652）色散移位光纤（DSF）（G.653）非零色散移位光纤（NZ-DSF）（G.655）色散补偿光纤零色散波长1.3mm附近1.55 mm附近在1.525 mm或1.585 mm附近在1.7 mm以上1.55 mm色散值D色散值较大（1720） ps/（nmkm）色散值很小3.5 ps/（nmkm）色散值小（23） ps/（nmkm）负色散值大-（70200） ps/（nmkm）色散斜率S0.09 ps/（nm2km）0.075 ps/（nm2km）0.1 ps/（nm2km）-0.15 ps/（nm2km）模场直径（mm）91078.38.40.65衰减衰减大0.35 dB/km衰减较大0.215 dB/km（敷设后）衰减中等0.21 dB/km衰减大0.30.5 dB/km表2.4.3 色散补偿光纤在1550 nm波长的主要参数类型%损耗dB/km有效芯径面积mm2色散ps/（kmnm）色散斜率ps/（km2nm）品质指数Mps/（nmdB）（为真波光纤设计）（为低斜率NZ-DSF设计）A1.60.3019-87-0.712901.610-47.410-5B2.20.5015-145-1.342901.310-46.410-5图2.4.2 DCF模块的色散和损耗特性表2.5.1 成缆G.651多模光纤典型特性折射率分布纤芯直径/mm包层直径/mm纤芯不圆度包层不圆度同心度误差数值孔径衰减/dB/km色度色散/ps/（nmkm）850 nm1 300 nm850 nm1 300 nmGI506%1252.4%6%2%6%0.180.24（0.02）460.811206带宽距离=（20100） MHzkm表2.5.2 成缆单模光纤典型特性项 目G. 652G. 653G. 654G. 655全波光纤特 征常规单模光纤色散移位光纤1.55mm衰减最小非零色散移位光纤无水峰光纤纤芯材料和包层材料玻璃玻璃玻璃玻璃玻璃模场直径案/mm包层直径/mm模场不圆度包层不圆度模场同心误差（910）10 %1252.4 %2 %1 mm（78.3）10 %（1550nm）1252.4 %2 %1 mm10.510 %1252.4 %2 %1 mm9.3 mm0.5 mm （1310 nm）10.5 mm1.0 mm （1550nm）125 mm1.0 mm1.0 %截止波长（nm）光纤lc光缆lcc1100128012701350160015301260 nm衰减（dB/km）1 310 nm 1 550 nm1.0（0.30.4）*0.5（0.200.25）*18非线性折射率时效（全部原因）0.01 dB/km偏振模色散 PMD被复层结构双层：高/低模量250 mm 表2.6.3 SL2000 海底光缆的特性特性深水（DW）特殊应用（SPA）轻线铠装（LWA）单铠装（SA）双铠装（DA）外直径（mm）21.031.738.042.251.0最大张力强度（kN）107107181223434无余长张力强度（kN）8182147187325光缆模量22.419.87.58.38.4最大工作深度（m）6 0004 5001 5001 300400表2.6.4 传输光纤类型选择传输光纤类型成缆损耗（dB/km） mm色散（ps/nmkm）纤芯SiO2纤芯GeO2 -SiO2色散移位0.1800.1990.2102018-0.75 3表2.6.5 各种无中继光缆的主要参数型号SL-100-LWSL-100-SPASL-100-SA外直径（mm）在空气中重量（kN/km）在海水中重量（kN/km）比重最大断裂强度（kN）流体常数（度.节）11.43.622.583.52514314.64.73.02.78514122.613.29.73.7919054 表2.6.6 无中继光缆的应用和特点类型应用特点深水（LW）良好的流沙海底，深度达4 000米芯缆，轻保护，成本最低特殊应用（SPA）有岩石的海底，有鱼类啃咬的危险，水深3 000米芯缆加金属带和第二层聚乙烯外套，增加磨损保护，增加成本（a）光功率和光纤长度的关系（b）剪断法测量光纤的损耗系数系统配置图图2.7.1 剪断法测量光纤损耗系数（a） 测试系统构成（b）后向散射功率曲线（OTDR屏幕显示）图2.7.2 后向散射法（OTDR）测量光纤损耗系数图2.7.3 时域法测量光纤带宽图2.7.4 相移法测量光纤色散系统框图复习思考题1. 用光线光学方法简述多模光纤导光原理。2. 作为信息传输波导，实用光纤有哪两种基本类型？3. 什么叫多模光纤？什么叫单模光纤？4. 光纤传输电磁波的条件有哪2个？5. 造成光纤传输损耗的主要因素有哪些？哪些是可以改善的？最小损耗在什么波长范围内？6. 什么是光纤的色散？对通信有何影响？多模光纤的色散由什么色散决定？单模光纤色散又有什么色散决定？7. 光纤数值孔径的定义是什么？其物理意义是什么？8. 单模光纤的传输特性用哪几个参数表示？9. 多模光纤有哪两种？单模光纤又有哪几种？10. 简述G.652光纤、G.653光纤、G.654光纤、G.655光纤和全波光纤的特征。11. 用后向散射法测量光纤损耗的根据是什么？12. 从物理概念来看，色散、脉冲展宽和光纤带宽三者之间的关系是什么？11 简述光时域反射计的用12 G.652光纤在1.3mm的损耗是多少？习 题2.1 使用LED光源，工作在 0.82 mm波长，光纤色散系数，谱宽， 光纤长10 km，脉冲展宽是多少？假如，脉冲展宽又是多少？2.2 在习题2.1中，改用LD，此时，和时，脉冲展宽分别又是多少？2.3 光纤芯径50 mm， ， ， 计算光纤内产生的模式数量是多少。2.4 光纤， ，只支持波长的光波， 光纤的最大芯径是多少？2.5 光纤， ， 芯径是50 mm，请问以临界角沿光纤轴线传输的光线每米反射了多少次？2.6 证明，是光纤的临界角。2.7 光纤芯径折射率， 包层， 芯径是100 mm，请问弯曲半径多少时沿光纤轴线传输的光线将以临界角穿透包皮不再在光纤内传输。2.8 SI光纤芯径折射率， 包层， ，芯径是50 mm，请问多少模式可以在光纤内传输？假如，又有多少模式？2.9 在以上，SI光纤是单模光纤，芯径， 包层， 请计算芯径是多少？假如、和，请问多少模式可以在光纤内传输？2.10 多模光纤芯径100 mm，在，折射率， 包层。（a） 计算光纤V参数，估计允许传输的模式数量；（b） 计算单模工作的波长；（c） 计算数值孔径；（d） 计算最大可接收角；（e） 计算模式