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报告人 李红飞 通信光纤知识简介 让每一个人都能实现光通信的梦想 1 光纤通信概述 2 光纤概述 3 石英光纤性质及生产工艺 通信光纤知识简介 1 光纤通信概述 2 光纤概述 3 石英光纤性质及生产工艺 通信光纤知识简介 光纤通信光波沿着光导纤维传输就是光纤通信 即光通信是以光纤为传输媒质 以光信号为信息载体的通信方式 光波具有极高的频率 大约3亿兆赫兹 即很高的带宽可以容纳巨大的通信信息 光纤通信概述 光纤通信特点 优点 信号损耗小 中继距离长 光纤为绝缘体不受电磁干扰 玻璃光纤不产生电磁场 保密性高 重量轻 易于施工和运输 缺点 光纤制造工艺复杂 生产成本较高 光纤连接复杂 配套光器件价格较高 光纤通信概述 1 光纤通信概述 2 光纤概述 3 石英光纤性质及生产工艺 通信光纤知识简介 光纤概述 什么是光纤 opticalfiber 光纤是光导纤维的简写 是一种利用光在玻璃或塑料制成的纤维中的全反射原理而达成的光传导工具 一般由纤芯和包层组成 高锟首先提出光纤可以用于通讯传输的设想 高锟因此获得2009年诺贝尔物理学奖 按材料分类 石英光纤 塑料光纤 综合光纤 1966年 英籍华裔学者高锟博士发表了十分著名的文章 用于光频的光纤表面波导 从理论上分析和证明了用光纤作为传输媒质实现光通信的可能性 并设计了通信用光纤的结构 更重要的是他科学地预言了制造通信用的超低损耗光纤的可能性 这篇文章被誉为光纤通信的里程碑 高锟博士被誉为 世界光纤之父 1970年 美国康宁公司根据高锟文章的设想 研制出了当时世界上第一根超低损耗的光纤 原来的光纤只能用于医学和工业 且损耗非常大大约是1000dB Km 虽然这根光纤只有几米长 损耗约为20dB km 而且几小时后就损坏了 但它证明了用当时的科学技术和工艺方法制造通信用超低损耗光纤是完全可能的 光纤概述 损耗 石英光纤的发展可以从光纤损耗来看 1970年20dB km 1972年是4dB km 1974年是1 1dB km 1976年是0 5dB km 1979年是0 2dB km 1990年是0 14dB km 光纤概述 1 光纤通信概述 2 光纤概述 3 石英光纤性质及生产工艺 通信光纤知识简介 石英光纤性质及生产工艺 石英光纤 4 分类 3 参数 2 传光原理 1 结构 纤芯包层涂覆层紧包 单芯 多芯 单模 多模 阶跃 渐变 W型 G 652 G 657 衰减色散数值孔径单模传输条件 全反射阶跃型渐变型 1 光纤结构 石英光纤性质及生产工艺 石英光纤性质及生产工艺 1 光纤的几何尺寸 芯径单模光纤 10um 多模光纤 50um 62 5um 包层直径普通光纤 125um 涂覆层直径外层 250um 光波在均匀介质中传输时 其轨迹是一条直线 当光线射到两种介质交界面时 将发生反射和折射 当光从光密物质入射进光疏物质时 折射角大于入射角 随着入射角的增大 折射角也增大 当入射角大到一定程度时 折射角等于90度 折射光正好和两种介质的交界面重合 这时的入射角叫做临界角 当入射角大于临界角时 折射光消失 只有反射光 叫做全反射 即导光原理 入射 反射n1 折射 光的反射和折射 临界角 n2 2 传光原理 全反射 石英光纤性质及生产工艺 石英光纤性质及生产工艺 阶跃型光纤传光原理 阶跃型光纤传光特点是 光纤在光纤中以直线形式传输 石英光纤性质及生产工艺 渐变型光纤传光原理 阶跃型光纤 光纤纤芯折射率不再是均匀分布 而是由轴心向包层方向逐渐变小 从宏观上看光线传播不再是直线而是弧线 且共同传输的不同模式的光会周期性的相交于一点 这种渐变式的光纤减少了模式之间的模间色散 目前大多数多模光纤多为渐变型多模光纤 石英光纤性质及生产工艺 3 光纤参数 光纤损耗 光纤的一个重要参量是光信号在光纤内传输时功率的损耗 光纤的损耗与波长有关 影响光纤损耗的因素包括 本征 弯曲 挤压 杂质 不均匀和对接等 本征 光纤固有的材料吸收和瑞利散射 不均匀 光纤在制作过程中折射率分布不均匀导致损耗增加 光纤存在三个最低损耗窗口 850nm 1310nm 1550nm 石英光纤性质及生产工艺 水峰与OH 浓度有关 石英光纤性质及生产工艺 光纤色散 Dispersion 光纤另一个重要参数 光脉冲沿着光纤行进一段距离后造成的频宽变粗 它是限制传输速率的主要因素 它直接影响了光脉冲在光纤中传输时形状的变化 损耗和色散共同决定了光纤通信波长的选择 模间色散 只发生在多模光纤 因为不同模式的光沿着不同的路径传输 材料色散 不同波长的光行进速度不同 波导色散 发生原因是光能量在纤芯及包层中传输时 会以稍有不同的速度行进 在单模光纤中 通过改变光纤内部结构来改变光纤的色散非常重要 石英光纤性质及生产工艺 色散引起脉冲展宽的示意图 色散导致脉冲叠加 信号之间发生相互影响 数值孔径 NA NA是表示光纤特性的重要参数 入射到光纤端面的光并不能全部被光纤所传输 只是在某个角度范围内的入射光才可以 这个角度就称为光纤的数值孔径 光纤的数值孔径大些对于光纤的对接是有利的 不同厂家生产的光纤的数值孔径不同 纤芯和包层的相对折射率差越大 NA的值就越大 即光纤的集光能力就越强 石英光纤性质及生产工艺 单模传输条件 单模光纤是在给定的波长上 只传输单一模式的光纤 1 归一化频率 V 是表征光纤中所能传播的模式数目多少的一个特征参数 其中 a 光纤纤芯的半径 光纤的工作波长 k0 真空中的波数由公式可知 单模光纤单模传输条件取决于工作波长 光纤芯径和光纤的折射率 通过计算 当0 V 2 405时 光纤中除基模传输外 其余模式均截止 实现单模传输 石英光纤性质及生产工艺 石英光纤性质及生产工艺 因此 单模光纤和多模光纤的区别就在于 纤芯直径的不同 单模光纤纤芯直径 10 m 而对于典型的多模光纤来说纤芯直径大约为50 m 62 5 m 2 截止波长 当V取2 405时 叫归一化截止频率 此时所对应的波长叫做截止波长 截止波长是单模光纤所特有的参数 它给出了保证单模传输的波长范围 是单模光纤的本征参数 也是单模光纤最基本的参数 通过计算可得单模光纤的截止波长大约在1100nm左右 要实现单模传输 光的波长要大于截止波长 所以光纤的3个工作窗口中850nm这个波长不能用于单模传输 石英光纤性质及生产工艺 4 光纤分类 石英光纤性质及生产工艺 G 651光纤 渐变多模光纤 工作波长为1 31 m和1 55 m 在1 31 m处光纤有最小色散 而在1 55 m处光纤有最小损耗 主要用于计算机局域网或接入网 G 652光纤 常规单模光纤 也称为非色散位移光纤 其零色散波长为1 31 m 在1 55 m处有最小损耗 是目前应用最广的光纤 G 653光纤 色散位移光纤 在1 55 m处实现最低损耗与零色散波长一致 但由于在1 55 m处存在四波混频等非线性效应 阻碍了其应用 G 654光纤 性能最佳单模光纤 在1 55 m处具有极低损耗 大约0 18dB km 且弯曲性能好 G 655光纤 非零色散位移单模光纤 在1 55 m 1 65 m处色散值为0 1 6 0ps nm km 用以平衡四波混频等非线性效应 适用于高速 10Gb s以上 大容量 DWDM系统 石英光纤性质及生产工艺 光纤制造工艺 光纤制造基本过程 32 石英光纤性质及生产工艺 预制棒介绍 预制棒尺寸 直径 80mm 120mm 长度 1