光技术与光纤通信经典教材.ppt

光技术与光纤通信 第二章光纤与光缆 光纤通信 光技术与光纤通信 第一章概述第二章光纤与光缆第三章通信用光器件第四章光纤通信系统第五章光纤通信中的高新技术 第二章光纤与光缆 2 1光纤的构造与分类 2 2光纤传光原理 2 3光纤的特性 性能 2 4光缆 2 5光纤特性的测量方法 2 1光纤的构造与分类 一 光纤的构造二 光纤的分类三 常用光纤四 光纤型号的命名方法五 光纤制作方法简介六 光纤的选用原则和推荐方案 一 光纤的构造 1 纤芯 光信号的传输2 包层 限制光信号溢出3 一次涂敷层 预涂层 保护光纤增加韧性4 缓冲层 减少对光纤的压力5 二次涂敷层 套塑层 加强光纤的机械强度 1 纤芯 位于光纤中心部位 主要成分是高纯度的SiO2 纯度可达99 99999 其余成份为掺入极少量掺杂剂 如P2O5和GeO2 掺杂剂的作用是提高纤芯的折射率 纤芯直径一般为2a 3 100 m2 包层 含有少量掺杂剂的高纯度SiO2 掺杂剂有氟或硼 其作用是降低包层折射率 包层直径2b 125 140 m3 一次涂层 厚度5 40 m 材料一般为环氧树脂或硅橡胶 可承受7kg拉力4 缓冲层 厚度100 m5 二次涂敷层 原料大都采用尼龙或聚乙烯 1层 2层 光纤3 4 5层 护层5层大约0 9mm左右 二 光纤的分类 1 1 从原材料分 石英系光纤多组份玻璃光纤氟化物光纤塑料光纤液芯光纤掺杂光纤 如掺铒光纤由于石英系光纤具有传输衰减小 通信频带宽 机械强度较高等特点 在通信系统中得到广泛应用 材料对性能的影响 光纤分类 2 2 按照光纤横截面上折射率分布特征n r 分 阶跃型光纤 也称突变型光纤 常用SI表示 StepIndexfibber 纤芯与包层的折射率均为一常数 其界面处呈阶跃式变化 渐变型光纤 也称梯度光纤或自聚焦光纤 常用GI表示 GradedIndexfibber 纤芯折射率连续变化 包层的折射率则为一常数 W型光纤等 相对折射率差 n1 n2 n1 a 阶跃型光纤 b 渐变型光纤 c 单模光纤 光纤分类 3 3 按光纤内的导模数分多模光纤 MM MultiModefiber 可传输多种模式 或允许多种场结构存在2a 50 75 m 2b 100 200 m 多模 单模光纤 SM SingleModefiber 只传输一种模式2a 4 10 m 2b 125 m 单模 光纤分类 4 4 按套塑的情况分松套紧套5 按工作波长分短波长光纤 0 8 0 9 m长波长光纤 1 0 1 7 m超长波长光纤 2 m短波长与长波长光纤为石英系光纤 而超长波长光纤为非石英系光纤 如重金属氧化物 硫硒碲化合物和卤化物光纤等 三 常用光纤 1 阶跃多模光纤 SIF 2 梯度多模光纤 GIF 3 单模光纤 SMF 目前常用单模光纤有 G 652 G 653 G 654 G 655 按照零色散波长将单模光纤分为6种 非色散位移光纤 G 652色散位移光纤 G 653截止波长位移光纤 G 654非零色散位移光纤 G 655色散平坦光纤色散补偿光纤 G 651 多模渐变型 GIF 光纤 或称梯度光纤 它在光纤通信发展的初期广泛应用于中小容量 中短距离的通信系统 G 652常规单模光纤 或称非色散位移光纤 是第一代单模光纤 其特点是在波长1310nm色散为零 系统的传输距离只受损耗的限制 但1310nm处损耗不是最小值 0 4dB km 光纤工作在1550nm窗口衰减小 且具有EDFA供选用 但其在1550nm窗口色散大 不利于高速系统的长距离传输 G 653色散移位光纤 是第二代单模光纤 其特点是在波长1550nm色散为零 损耗又最小 适用于大容量长距离通信系统 但其在波分复用时会出现四波混频效应 故其被限用于单信道高速传输 G 654截止波长位移光纤 1550nm损耗最小单模光纤 其特点是在波长1310nm处色散为零 在1550nm处色散为17 20ps nm km 和常规单模光纤相同 但损耗更低 可达0 2dB km以下 它主要是一种用于1550nm改进的常规单模光纤 目的是增加传输距离 G 655非零色散位移光纤 是一种改进的色散移位光纤 在密集波分复用 WDM 系统中 当使用波长1550nm色散为零的色散移位光纤时 由于复用信道多 信道间隔小 出现了一种称为四波混频的非线性效应 这种效应是由两个或三个波长的传输光混合而产生的有害分量 它使信道间相互干扰 如果色散为零 四波混频的干扰十分严重 如果有微量色散 四波混频反而减小 为此 科学家研究了非零色散光纤 G 655光纤的特点是有效面积大 零色散波长不在1550nm 而在1525nm或1585nm 在1550nm有微量色散 其值大到足以抑制密集波分复用系统的四波混频效应 小到允许信道传输速率达到10Gb s以上 它具有常规单模光纤和色散移位光纤的优点 是最新一代的单模光纤 光纤工作在1550nm窗口衰减小 色散低 大大减小四波混频效应 故其可用于远距离 波分复用 孤子传输高速系统中 实现超大容量超长距离的通信 康宁 Corning 公司开发的这种新型光纤称为长距离系统光纤 LongHaulSystemFiber AT T 美国电报电话 公司开发的这种光纤称为真波光纤 TrueWaveFiber 色散补偿光纤 其特点是在波长1550nm具有大的负色散 这种光纤是针对波长为1310nm的常规单模光纤系统升级而设计的 因为当这种系统要使用掺铒光纤放大器 EDFA 以增加传输距离时 必须把工作波长从1310nm移到1550nm 用色散补偿光纤在波长为1550nm的负色散和常规单模光纤在1550nm的正色散相互抵消 以获得线路总色散零而损耗又最小的效果 色散平坦光纤 其特点是色散值在一定范围内为常数 四 光纤型号的命名方法 根据我国国家标准GB11819 89规定 光纤型号应包括光纤的类型代号和规格代号 1 多模光纤型号的命名方法现以通信用多模渐变型 工作波长850nm的A1 50 125 20 12008C2光纤为例 说明多模光纤型号的命名方法 1 多模光纤型号的命名方法 带宽长度积 用千位和百位来表示 MHz km 衰减常数 用个位和小数点后一位来表示 多模光纤类型 A1 通信用多模渐变型A2 阶跃型A3 大数值孔径型标称工作波长代号1 850nm 2 1310nm 3 1550nm 1 2 850 1310nm 环境温度代号C1 40 60 C C2 30 60 C C3 20 60 C C4 5 60 C 2 单模光纤型号的命名方法 单模光纤类型 B1 常规单模光纤 在1310nm附近有零色散波长 最佳工作波长为1310nm 其截止波长应小于1310nm B2 在1310nm附近有零色散波长 最佳工作波长为1550nm 而1310nm C 1550nm B3 零色散位移光纤 零色散波长在1550nm附近 B4 色散平坦光纤 宽波长范围低色散 以便在波长为1 3 1 55 m宽波段进行波分复用 工作波长与环境温度代号与多模光纤相同 五 光纤制造方法 改进的化学汽相沉积法 MCVD 等离子体激活化学汽相沉积法 PCVD 管外化学汽相沉积法汽相轴向沉积法 VAD 管外汽相沉积法 OVPD 多种组份玻璃制造法 光纤制作简介 光纤的制造工艺主要包括熔炼 拉丝和套塑三个主要过程 1 熔炼熔炼过程是把超纯的化学原料四氯化硅和氧气 经过高温化学反应合成低损耗的优质石英棒 称为光纤预制棒 熔炼时 一般掺入少量杂质以控制折射率 如锗 磷 硼氟等 其化学反应如下 SiCl4 O2 SiO2 2Cl2 GeCl4 O2 GeO2 2Cl2 其中 SiO2是石英 这就是化学合成法 原料SiCl4可以是气化的液体 它比固体容易提纯 故制作超纯石英不宜把固体天然石英提纯而宁可采用化学合成法 熔炼工艺有很多种 这里仅以改良的化学气相沉积法 MCVD 来说明熔炼过程 合成的SiO2以粉末状沉积在石英坯管内管壁上 遇到高温即融成一层很薄的透明含锗的优质石英 火焰来回移动 管子均匀旋转 一层层的优质石英均匀地沉积在管内 当沉积的石英层有足够的厚度后 把火焰温度升高到1700 2000 石英管被软化 由于它的表面张力 石英管自动收缩 而将管子的中心孔填没 成为一根实心用以制作光纤的石英棒 称为预制棒 预制棒的芯子是优质石英 用以导光 外表皮是一般石英 不作导光用 仅起保护作用 2 拉丝拉丝是把较粗的石英预制棒拉成细长的光纤 拉丝装置示意图如下 预制棒缓缓送入 高温下被软化 由拉丝轮拉成细丝 为保证光纤直径精度 采用激光测径仪 并按照偏差信号反馈控制炉温和拉丝温度等 为保护光纤表面不被外界污染而产生微裂纹 必须在光纤成形后马上涂覆一层保护涂料 并立即固化 最后卷绕在套筒上 3 套塑 为进一步保护光纤 提高光纤的机械强度 一般把带有涂敷层的光纤再套上一层尼龙 光纤的套塑方式有两种 松套 光纤可在尼龙管内松动 其涂敷材料一般为环氧树脂 抗水性能不很好 常填充半流质的油膏 Jelly 紧套 其涂敷材料一般是硅橡胶 外面紧密无间隙地套上一层尼龙 光纤在尼龙管内不能松动 紧套光纤结构简单 操作方便 而松套光纤防水性能和机械性能较好 由于石英光纤是用掺杂材料制成的 所以其物理性能比金属材料稳定得多 但光纤在套塑后 由于套塑原料的膨胀系数较石英大得多 所以在低温时塑料收缩 形成光纤的微弯曲而增加了衰减 故而适当注意套塑工艺可获得温度特性良好的光纤 六 光纤的选用原则和推荐方案 选用原则当今光纤通信中的单模光纤主要有G 653 G 654 G 655 色散补偿光纤等 每种光纤各具有自身特点和使用目的 在光纤通信工程中综合光纤特点 传输速率 使用场合 经济成本 发展趋势等因素 合理选择好光纤是一项十分重要和困难的工作 具体原则如下 1 工作波长对光通信系统的设计存在两种情况 新建系统和系统扩容 新建系统既可选择光纤 又可选择工作波长 而对扩容系统 一般多为G 652光纤 只能选择工作波长 G 652光纤工作在1550nm窗口衰减小 且具有EDFA供选用 但其在1550nm窗口色散大 不利于高速系统的长距离传输 G 653光纤工作在1550nm窗口色散为零 但其在波分复用时会出现四波混频效应 故其被限用于单信道高速传输 G 655光纤工作在1550nm窗口衰减小 色散低 大大减小四波混频效应 故其可用于远距离 波分复用 高速系统 结论 新建系统在传输速率和价格允许的条件下 应优选G 655光纤 G 653光纤在1550nm窗口色散为零 但其在波分复用时会出现四波混频效应 故其被限用于单信道系统 扩容系统将原系统的G 652光纤的工作波长选择到1550nm 可用色散补偿光纤等补偿方式来解决色散问题 一旦半导体光放大器或掺镨光纤放大器成熟普遍使用时 工作波长可选择在1310nm 2 衰减和非线性 衰减是限制系统中继距离的主要因素 特别是高速系统 为此 人们成功地开发出EDFA 对系统直接进行光放大 但采用光纤放大器后会产生一系列问题 工作波长内增益不平坦 波分复用的每个信道增益不同 特别是当光纤中注入的光功率高达几十毫瓦到几百毫瓦会出现非线性效应 对系统产生影响 因此 在对采用波分复用和光纤放大器的高速系统 较优先选用G 655和G 652光纤 3 色散 对高速系统色散是限制系统中继距离的主要因素之一 G 652光纤在1550nm窗口由于色散影响 基本无法传输速率在40Gb s以上的高速系统 为减小色散对系统的影响 在选用光纤工作波长时 应尽量选在零色散波长 例如 G 652光纤应选在1310nm 但其衰减系数略大 要想利用1550nm低损耗和小色散 则可选用G 653光纤 当利用密集波分复用时 可选用G 655光纤 4 经济 各种光纤的价格与其结构复杂与否 制造难易程度等因素关系密切 当今各种单模光纤商品价格高低的顺序如下所示 DCF G 655 G 653 G 652 推荐方案 陆地干线光网的光纤优选方案 2 2光纤的传光原理 分析光纤的传输原理有两种方法 几何光学法 将光看成一条条的几何射线来分析 也称射线理论应用条件 光波的波长远小于光纤的几何尺寸 只适用于多模光纤波动光学法 光波按电磁场理论 用麦克斯韦方程组求解 也称模式理论 它既可用于多模光纤 也可用于单模光纤 本节主要内容 一 几何光学法 射线理论基础知识阶跃光纤中的光线轨迹和数值孔径渐变光纤中的光线轨迹和数值孔径光线模式的分立性二 光纤传输的波动理论模式的概念与线偏振模归一化频率模截止频率与导模的传输条件单模传输的条件单模光纤 基础知识 1 光谱 光速和媒质的折射率光在真空中的速度C 2 9979 108m s 空气中为C0 2 997 108m s 在其它媒质中的速度 c nn为折射率 如n水 1 33 n玻璃 1 5n大为光密媒质 n小为光疏媒质 且n还与光的波长有关 或者说 不同波长的光在同一媒质中传输速度有差异 如玻璃对红光 波长较大 的折射率比对紫光 波长较小 的折射率小 2 光的反射 折射和全反射 光波属于电磁波范畴 在均匀介质中传播时 其轨迹是一条直线 可称为光射线 当光射线射到两介质 媒质 交界面时 将发生反射和折射 设入射角为 i 反射角为 r 折射角为 t则 i r 反射定理 n1Sin i n2Sin t 折射定理 即斯涅尔Snell定理 当光从光密媒质向光疏媒质入射 则 t i当光从光疏媒质向光密媒质入射 则 t i 反射系数R 即反射光功率与入射光功率之必 与入射角 i有关 i在0 30 入射角范围内时 则 折射到第二种介质中的光功率部分为 T 1 R例 一束自然光自空气垂直射向玻璃 若n波 1 5 入射功率为P0 试计算进入玻璃的功率 解 R 1 5 1 1 5 1 2 0 04则T 1 R 0 96 故进入玻璃内的功率为0 96P0 全反射的形成 当光线由光密媒质 如n1 射向光疏媒质 如n2 时 由于n1 n2 则此时介质 中折射线将离开法线而折射 r t 当入射角增加到某一值时 可使得折射角 t 90o 这时折射线将沿界面传输 此时的入射角称为临界角 用 c表示 根据折射定理n1Sin i n2Sin t当 i c时 折射角 t必大于90o 光射线不再进入介质 而由界面全部反射回介质 这种现象称为全反射 此时反向系数的模值等于1 全反射并不是从入射处发生的 而是好像透入到第二媒质中一定深度 与其表层结构互相作用 才使得入射光改变方向 发生全反射 此现象称为古斯 汉欣相移 G H相移 1 阶跃光纤中的光线轨迹和数值孔径 1 光线轨迹 光线1以 角入射 折射角为 1 若在包层 纤芯边界满足 90o 1 c 全反射临界角 则光线1以之字形折线在纤芯中传播 直至能量损失殆尽或从光纤中另一端射出 始终被束缚在芯区中的光线被称为 传导模 或简称 导模 光线根据斯奈尔 Snell 定律 有n0Sin n1Sin 1 n1Cos 1 光线2以 c角入射 折射线在包 芯边界恰好满足全反射 折射角为90o 相应光线将以为 c入射到交界面 并沿交界面向前传播 光线3的初始入射角较大 致使到达芯 包层界面时不满足该处全反射条件 此光线折射进入包层 这种光线的能量经过不长光纤的传输 约几百米 便损失掉了 这种光线被称为 包层模 或 辐射模 光线 它对光纤通信无效 2 数值孔径 由上述三种光线轨迹可知 只有在半锥角为 c的圆锥内的入射的光束才能在光纤中传播 根据这个传播条件 定义临界角 c的正弦为数值孔径 NumericalAperture NA 根据定义和斯奈尔定律NA n0Sin c n1Cos c n1Sin c n2Sin90o解之有 式中 n1 n2 n1 相对折射率差如 0 01 n1 1 5 则NA 0 21或 12 2o 数值孔径NA是光纤接受和传输光的能力 它取决于折射率nNA 或 c越大 光纤接收光的能力越强 从光源到光纤的耦合效率越高 对于无损耗光纤 在 c内的入射光都能在光纤中传输 NA越大 纤芯对光能量的束缚越强 光纤抗弯曲性能越好 但NA越大 经光纤传输后产生的信号崎变越大 色散带宽变差 限制了信息传输容量 ITU T CCITU 规定 NA 0 15 0 24 0 002我国规定 NA 0 2 0 02 3 子午光线 斜光线和螺旋光线 子午光线 光线始终在经过轴线的某个平面内 该面为子午面 若入射光线原来就在子午面内 则射入光纤后仍为子午光线 斜光线 光纤入射方向与子午面有一夹角 则射入光纤后 将形成一条条空间折线 此折线在圆周方向的投影是一段段搭接在纤芯边界圆上的等长弦 一般它们不一定形成正多变形 而绕轴足够多圈后 不同方位的弦互相交叠 将充满以纤芯边界为外圆的环行区 环的内圆半径等于等长弦的弦心距 实际上 光纤中的斜光线是以此环形为底面的圆形管壁中曲折前进的 螺旋光线 当内圆柱面半径加大 最后与纤芯边界重合 此时的光线轨迹相当于沿着芯包边界的圆柱面螺旋前进 因而被称为螺旋光线 光纤端面上接受斜光线入射角的最大角 s与NA有 Sin s Cos NA 相邻两段等长弦的夹角之半由此可以看出 在满足芯 包边界全反射的条件下 对斜光线的端面入射角度比对子午光线有所放松 那些在 放松 角度范围内入射的斜光线 有时被称为 隧道模 光线 它们虽然能在芯区正常传输 但因不易定量分析 常被暂时忽略 只在其影响正确测量时 才设法避免或修正 2 梯度光纤中的光线轨迹和局部数值孔径 其光线轨迹可用射线方程来描述深入分析表明 抛物光纤中的光纤轨迹近似正弦线 自聚焦效应 渐变多模光纤具有自聚焦效应 不仅不同入射角相应当光线会聚焦在同一点上 而且这些光线的时间延迟也近似相等 这是因为光线传播速度v r c n r 入射角大的光线经历代路程较长 但大部分路程远离中心轴线 n r 较小 传播速度较快 补偿了较长的路程 入射角小的光线情况正相反 其路程较短 但速度较慢 所以这些光线的时间延迟相等 二 光纤传输的波动理论 电磁波在光纤中传播的基本方程直角坐标系下的麦克斯韦方程组柱坐标系下的波动方程阶跃光纤中的光场阶跃光纤的本征值方程与模式单模光纤 a 贝塞尔函数b 修正的贝塞尔函数 a 贝塞尔函数 b 修正的贝塞尔函数 零阶和一阶贝塞尔函数的根值表 光纤传输的波动理论的主要概念和结论 模式的概念与线偏振模归一化频率模截止频率与导模的传输条件单模传输的条件单模光纤 1 模式的概念与线偏振模 波动方程的一个 特解 表示电磁场的一种稳定存在形式 用电力线或磁力线将此形式描绘出来便是一种特定图案 这种电磁场分布的特定图案或称 场型 被称为 模式 在均匀介质传播的光波可以认为是平面波 其电场和磁场的方向与光的传播方向垂直 而且是正交的两个分量 即横电磁波 TEM 当光在由几种媒介组成的非均匀介质中传播时 据传播方向有无电磁场分量可分为 横电磁波 TEM 传播方向上无电场和磁场分量横电波 TE 传播方向上无电场 有磁场分量横磁波 TM 传播方向上有电场 无磁场分量混合波 EH HE 传播方向上既有电场也有磁场分量在这些电磁波中 有一部分的场型和传播速度是相同的 通常 我们把这些场型分布相同的模式称为简并模计算表明 能在光纤中存在的导模有TEon TMon HEmn EHmn四种 m表示在圆周方向上有m对最大 n表示在半径方向上有n个最大 下面是几个低阶模的场分布 几个低次模的场型 实线为电力线 虚线为磁力线 g 2 a HE11模的场结构 b HE11模的简化图 a TE01模的场结构 b TE01模的简化图 几个低次模的场型 实线为电力线 虚线为磁力线 g 2 a TM01模的场结构 b TM01模的简化图 几个低次模的场型 实线为电力线 虚线为磁力线 g 2 线偏振模 LP DoGloge提出把这些简并模集中在一起 称为线偏振模 用LP表示 这就是说 不管TE TM HE EH的区别 只考虑它们的相位常数 把相位常数相等的模式都给予一个相同的称呼 即LPmn模 LinearlyPolarizedmode m n表示不同LP模的特征m 沿圆周方向光场强度出现零点 或极点 的对数n 沿径向出现的零点个数 低次LP模与TE TM HE EH模的对应关系 下图表示了几种LP模的电场分布与x方向的场强分布 LP01 HE11 LP11 HE21 LP21 EH11 LP21 HE31 LP11 TM01 LP11 TE01 2 归一化频率V和导模数计算 在分析光纤中光的传播模式时 要经常用到一个主要参数教材上给出了其定义为 归一化频率不仅包含了光纤的主要参数a n 而且还考虑了所传输光的波长所以 它是一种具体光纤中光的具体传输状态度综合反映 由于V具有频率的量纲 故称之为归一化频率归一化传播常数b为 导模数计算公式 一般 导模数M为 g 折射率分布指数V 归一化频率当g 时 为阶跃光纤 导模数M V2 2 当g 2时 为抛物光纤 导模数M V2 4 当g 1时 为三角光纤 导模数M V2 6 3 模截止频率与导模的传输条件 光纤中可能存在各种模 若考虑它们能否稳定存在 先要确定某个模式能否存在的 门限 参数 这个参数的量纲和V相同 用Vcmn表示 代表mn序号的某模式 如LPmn 的截止频率 当客观条件小于此值时 这种模式便不存在 称截止 实际上是这种场型的电磁波不能在芯区形成驻波振荡 而向包层辐射出去了 各种模式截止的门限值与光纤的折射率有关 而与a n0 等具体参数没有直接关系 几种低阶模式的截止频率值 理论计算对于阶跃光纤得出的部分模式的模截止频率如下表 关于其它折射率分布形式的光纤 各模式Vc值可用下列公式进行估算 g 折射率分布指数如g 2 梯度光纤 Vcg 1 47Vc 导行条件 V Vc V大于某一模式的归一化频率Vc 则该模式便在光纤中导行 截止条件 V Vc V小于某一模式的归一化频率Vc 则该模式不在光纤中导行 临界条件 V Vc LPmn模截止值和远离截止值 低阶 v 0和v 1 模式和相应的V值范围 4 单模传输的条件 在各模式的截止频率中 LP01模的Vc 0 最低 称该模为 基模 或 最低次模 LP11模的Vc 2 405 为第二低的截止频率 称该模为 次低阶模 或 二阶模 其它Vc更高 称高阶模 若在光纤中选取合适的a n0 可使V 2 405 从而抑制LP11模及所有高阶模的传输 由于Vc01 0 即基模永不截止 所以 单模传输的条件为 V Vc11 2 405 一般 对阶跃型光纤 g Vc 2 405 对抛物型光纤 g 2 Vc 3 533 对三角型光纤 g 1 Vc 4 739 例 若想在目前的多模光纤中实现单模传输 应选用怎样的光波长 也就是说 如果有波长为14 m或更长的实用光源 且光纤在此波长下损耗低 则目前通用的多模光纤就可以作为单模光纤使用 5 单模光纤的模场直径 MFD 由于多模光纤传输的光能并不是完全集中于纤芯之中 而是有相当部分在包层中传输 所以很难用纤芯的几何参数进行描述 为了便于研究 在单模光纤中引入了模场直径这一参数来表征导光区域的大小 它是取代光纤芯径的参数 模场直径 MFD 定义 定义 若单模光纤中的光强呈高斯分布 则将光波场强幅度下降到1 e时的各点所连成的圆周直径定义为MFD 常用2 0表示 若光强不呈高斯分布 则按下式定义 式中F2 q 为主模的远场强度分布 q Sin 为远场角 为波长 具体应用可参看ITU T的相关建议 远场 距离光纤端面20mm以上的区域 ITU T规定 在1 31 m波段上 模场直径的标称值应当在9 10 m范围内 容差为 1 m 模场直径表征着光场在纤芯的分布情况 并且与纤芯半径和归一化频率V值有关 见右图 模场半径与纤芯半径的关系为 见后图 当两根光纤连接时 由模场直径计算接续附加损耗公式为 1 当两纤芯轴对得很准 但两光纤模场直径分别为 1和 2 则 2 当两根光纤模场直径相当 但两纤芯未对准 有横向偏移d 则 双折射和偏振保持光纤 偏振是单模光纤所特有且很重要的问题 多模光纤传输几百甚至上千个模式 各模的偏振尽管沿途变化和旋转 但除了在终端可能产生模式噪声外 对其他性能没有影响 故不必专门考虑偏振问题 但对单模光纤 偏振却极为重要 这不仅因为当单模光纤的模内色散为零时 偏振色散将成为色散的极限 而且还因为偏振对相干光通信的实现 对集成光路和单模传感器的制作等都有重要影响和应用 1 偏振现象 光纤的双折射特性 前面讨论都假设了光纤具有完美的圆形横截面和理想的圆对称折射率分布 而且沿光纤轴向不发生变化 因此HE11 LP01 模的x 偏振模HEx11 Ey 0 和y 偏振模HEy11 Ex 0 具有相同的传输常数 x y 两个偏振模完全简并 但实际光纤难以避免的形状不完善或应力不均匀 必定造成折射率分布各向异性 使两个偏振模具有不同的传输常数 x y 形成相位差 简并被破坏 这种现象称为单模光纤中的双折射现象 2 单模光纤中双折射的种类 极化 随着时间的变化 电场或磁场的空间方位如何变化 一般把电场的空间方位作为波的极化方向 在研究光波传输时 常用偏振来表示 光矢量的空间方位称为光的偏振 一般分为三种类型的偏振光 线偏振光 光矢量的端点描绘出的图形是一条直线 圆偏振光 如果电场的水平分量与垂直分量振幅相等 相位相差 2 则光矢量的大小不变 而方向绕传输方向旋转 矢量端点的轨迹是一个圆 椭圆偏振光 如果电场强度的两个分量 空间方位互相垂直 振幅和相位都不等时 随着时间t的变化合成矢量的轨迹是一个椭圆 对应以上三种偏振光 单模光纤中的双折射也有三种 线双折射 线偏振光在两个正交的方向上 如果有不同的折射率 因而有不同的相位常数的双折射 圆双折射 在传输媒质中 当左旋偏振波与右旋偏振波有不同的折射率时 从而使其有不同的相位常数椭圆双折射 当线双折射与圆双折射同时存在时 3 单模光纤偏振态的几个物理量 3 拍长 在纵向均匀的单模光纤中 当两个正交偏振模的相位差达到2 时 光在光纤中所传输的距离L就称为一个拍长Lb 1 模式双折射或偏振双折射 我们把两个偏振模传输常数的差 x y 定义为双折射 通常用归一化双折射B来表示 其中 光在自由空间中的波长 nx ny 两正交偏振模HE11x HE11y的有效折射率 2 归一化双折射B 各种由内应力产生线双折射的结构 4 稳定偏振态的途径和方法存在双折射 要产生偏振色散 因而限制系统的传输容量 许多单模光纤传输系统都要求尽可能减小或消除双折射 一般单模光纤B值虽然不大 但是通过光纤制造技术来消除它却十分困难 方法 合理的解决方法是通过光纤设计 人为引入强双折射 把B值增加到足以使偏振态保持不变 或只保存一个偏振模式 实现单模单偏振传输 强双折射光纤和单模单偏振光纤为偏振保持光纤 获得偏振保持光纤的方法很多 例如引入形状各向异性的椭圆芯光纤 制作低双折射率的光纤 制作高双折射率的光纤 制作单偏振光纤 波片法 保持或恢复光纤输入 输出端偏振方向一致 2 3光纤的特性 性能 光学性能 几何尺寸 NA LAN 2 0 剖面折射率分布传输性能损耗 衰减 色散串扰机械性能稳定性能 传输性能 一 损耗 衰减 性能光纤是一种传输媒质 光波在其中传播单位距离就有相当一部份能量被吸收或散射 传播波的振幅衰减主要是由于过渡金属离子和以氢氧根形式出现的水吸收引起的 光纤衰减以衰减系数 来衡量 它是度量光能在光纤中传输损失的参数 光在光纤中传播时 平均光功率沿光纤长度按照指数规律减少 即P L P 0 e L 10 P 0 L 0处注入光纤的光功率P L 传输到轴向距离L处的光功率 定义 单位长度光纤引起的光功率衰减 当长度为L时 Pin 输入光纤的光功率 Pout 输出光纤的光功率 L 被测光纤的长度 光通信工程中 长度为Li 衰减系数为 i的N段光纤相连接 则全长L为 s 平均每连接点的损耗 y 连接点数 的大小 不仅标志着光纤制作技术的水平 而且也决定了光纤通信中的距离的长短 光纤损耗产生的原因和分类 单模光纤损耗谱 示出各种损耗机理 光纤损耗的谱特性及工作窗口 三种实用光纤损耗谱 优质单模光纤损耗谱 减少光纤损耗的途径 提高光纤材料的化学纯度 减少杂质吸收损耗 改进与提高光纤的制作工艺 减少材料中OH 根离子的吸收损耗和波导效应的散射损耗 弯曲损耗 光纤弯曲时 原先按全内反射规律沿光纤前进的光线 由于入射角不再小于临界角 部分光线将按照折射定律进入包层 不再返回 或导模的部分能量转化为辐射能而被消耗掉 致使到达光纤终端的能量受到削弱 通常称之为弯曲损耗 二 光纤的色散特性 色散 Dispersion 指在光纤中传输的光信号由于不同成份的光的时间延迟不同而产生的一种物理效应 色散一般包括模式色散 材料色散 和波导色散 这在通信中将产生码间干扰 导致通信容量 通信速率 传输距离的降低 色散参数D的单位ps nm km 代表两个波长间隔为1nm的光波传输1km距离后到达时间的延迟 色散对光纤系统的影响 在时域和频域的表示方法不同 如果信号是模拟调制的 色散限制带宽 Bandwidth 如果信号是数字脉冲 色散产生脉冲展宽 Pulsebroadening 所以 色散通常用3dB光带宽f3dB或脉冲展宽 表示 用脉冲展宽表示时 光纤色散可写成 n2 m2 w2 n m w分别为模式色散 材料色散 波导色散所引起的脉冲展宽的均方根值 色散 带宽和脉冲展宽 一般 频率响应 H f 随频率的增加而下降 在表明输入信号的高频成份被光纤衰减了 起到了低通滤波器的作用 将归一化频率响应下降一半或减小3dB的频率定义为光纤3dB光带宽f3dB H f3dB H 0 1 2当系统光源的频谱宽度比信号的频谱宽度大得多 光纤可近似为线性系统 此时 输出光脉冲一般为高斯波形 设P0 t h t exp t2 2 2 式中 为均方根 rms 脉冲展宽 进行傅立叶变换 带入定义有 用高斯脉冲半极大全宽 FWHM 脉冲宽度 和 是信号通过光纤产生的脉冲展宽 单位为ns 设频率为 的一光谱分量经过长为L的单模光纤时 其时延为T L vg e 2 718281828 1 e1 2 0 606530659 1 e 0 367879441 色散产生的原因及分类 1 模式色散 由传输模式引起的色散 只存在于多模光纤中 每一种传输模式到达光纤终端的时间先后不同 造成脉冲展宽 从而出现色散现象 对阶跃多模光纤 以不同的入射角 i进入光纤的光线 虽然在入射端同时入射 并以相同的速度传播 但到达光纤输出端的时间却不相同 出现了时间上的分散 导致脉冲展宽严重 即发生了多径色散 路径最短的光线 即 i 0o的光线 正好等于光纤长度L 路径最长的为L Sin c 由于纤芯中光速为v c n1 则这两条光线到达输出端的时差 为 为使这种展宽不产生码间干扰 T应小于信息传输容量决定的比特间隔 即 T TB 而TB 1 B 则应有B T 1 则光纤信息传输的容量为 例如 无包层的特殊光纤 n1 1 5 n2 1 0 空气 0 33 很大 则BL 0 4 Mb s km 减小 值 BL可以提高很多 一般 0 001 当 0 002BL 100 Mb s km 它能以10Mb s的速率将数据传送10km 适用于局域网 对渐变光纤 其最大路径时差 即模间色散 T L将随g而变 对n1 1 5 0 01的渐变光纤 最小色散发生在g 2 1 处 它与 的关系为 T L n1 2 8c利用准则B T 1 比特率 距离的极限为 BL 8c n1 2 Mb s km它能使100Mb s的数据传输100km 其BL积达约10 Gb s km 比阶跃光纤提高了3个数量级 三种不同光源的均方根脉冲展宽与折射率分布指数的关系 色散产生的原因及分类 2 材料色散 由光纤材料引起的色散光在光纤中传播速度v c n1 n1 是光波波长的函数 即同一材料对不同波长的折射率不一样 当含有不同波长的光脉冲 非单色光 通过光纤传输时 其传输速度不一致 这时 光脉冲被展宽出现色散 色散产生的原因及分类 3 波导色散 又称结构色散 是由光纤的几何结构决定的色散 光纤的横截面尺寸起主要作用 当波导结构不完整 除产生模交换外 还可能引起部分光纤进入包层 而这些光线的传播速度大于纤芯中的光脉冲传播速度 这样光脉冲被展宽 色散除与上述三种有关外 还与光源的频谱宽度有关 不同结构单模光纤的色散特性 常规单模光纤带宽和波长的关系 各种光纤的ITU T建议 G 651 多模渐变型光纤G 652 常规单模光纤G 653 色散移位光纤G 654 1 55损耗最小的单模光纤G 655 非零色散光纤 改进的色散移位光纤色散补偿光纤色散平坦光纤ITU T 国际电信联盟 电信标准化机构 CCITT 国际电报电话咨询委员会和IEC 国际电工委员会 光纤特性标准 括号里的数字是已经达到的水平 三 传输特性 串扰 1 定义2 产生串扰的机理3 计算办法4 防护措施 1 定义如果存在两根平行放置的 结构相同的光纤 在其中传输的导模也完全相同 则沿光纤 1 传输的光波 由于某种原因进入光纤 2 并对沿光纤 2 传输的信号造成干扰的现象 称为光纤间出现了串扰 2 产生相互串扰的机理定向耦合效应由散射现象造成的串扰3 计算近端串音衰减A0 Pw10s Pw20c远端串音衰减Al Pw10s Pw2lc 4 防护措施选择工作波长时 尽可能远离截至波长 让光波尽可能被束缚在纤芯之中 加大包层厚度 减小进入相邻光纤的光波的强度 在包层外覆一层吸收光能能力较强的护套 改进光纤的制造工艺 使诸如包层纤芯的界面粗糙 纤芯中含有杂质等造成结构不均匀的因素得到消除 四 机械性能 1 光纤的强度光纤作为传输线使用 不但在绞合成光缆 敷设过程 维护阶段要承受张力 有时还承受扭力 在拉丝过程中还承受拉力 因此需要考虑其机械强度 传输材料的物理性质 无裂痕硅玻璃断裂应力 光纤表面有裂痕时 t 3 8 10 3 0 L1 2 t 有裂痕时理论断裂强度 0 无裂痕时理论断裂强度L 裂痕深度当L 1 m 0 t 100 即强度将降低微理论值的百分之一 机械性能 1 2 光纤断裂的机理由前表知 硅玻璃的拉伸强度是铁的4倍 与铜 铝相比 差不多高出一个数量级 但当光纤表面出现裂痕时 由于张应力集中于裂痕末梢 当应变能量的摄取率大于表面能的增长率时 裂痕就会扩展 若超过允许值 光纤就会立即断裂 机械性能 2 3 光纤表面产生裂痕的原因 光纤预制棒的质量不佳 从预制棒拉制光纤时 吸附了灰尘 水分子以及其它杂质 在不洁净的车间里快速拉丝时 受到 粒子 的摩擦 拉丝时与收线盘或其它物体碰撞 机械性能 3 4 处理办法 采取多种措施 使预制棒和光纤在 超净 的环境中进行 对预制棒表面进行处理 并在拉丝前从严筛选 在拉丝过程中对裸光纤加添一涂覆层 既使光纤不直接和其它物体接触 又可改善其机械强度 断裂强度可提高10倍左右 约6 7kg 而一般工程中所产生的张力约1kg 成缆前对所有光纤从严筛选 常见的方法有 张力放线法 双绞盘法 弯曲应变法 目的是剔除不合格的光纤 确保成缆后的质量 使用气密涂层光纤 五 稳定性能 1 疲劳疲劳 玻璃所受的力低于临界应力 但因裂痕缓慢扩大而导致断裂的现象施加给玻璃的力是恒定的 静态疲劳施加的应力随时间而递增 动态疲劳产生原因 光纤在机械力 温度或放射性辐射的作用下 机械性能会发生变化采用措施 通过筛选测试剔除不合格产品 稳定性能 1 2 H2影响缘起 1982年 英国和日本在日常测试中相继发现 1980年敷设的光缆 在1 0 1 6 m波长范围内 损耗值增加了10 这是一种用GeO2和P2O2掺杂 外覆硅铜和尼龙的光纤针对这一发现 电缆工程师们对此光纤作了高温和浸水试验 把光纤加热到200 1小时后发现 在1 2 1 6 m范围内 损耗值增大 在1 39 m处有一吸收峰 在室温下 把光纤浸在水中 数月后发现 1 39 m处有一吸收峰 但在1 24 m处又出现一个衰减值更大的新的吸收峰 稳定性能 2 把水注入光缆 再通电 几天后 在1 24 m处发现一个新的吸收峰 原因是水被电解产生了氢和氧 而1 24 m正好是Si OH产生吸收峰的位置结论 之所以出现衰减增大 是因为出现了H2机理 H2一旦进入光纤 几十小时便会扩散到纤芯 H与SiO2的原子作用 造成了吸收峰目前倾向性作法 在裸光纤外表面加覆气密涂层 稳定性能 3 3 H2O的影响水对光纤的危害 玻璃表面易吸附水气 从而会因Si O键的破坏而使裂痕扩展 纯水对玻璃有浸蚀作用 如果玻璃纤维含有减离子 则将因玻璃的被溶蚀而龟裂 在遇有外力时导致断裂 吸附在玻璃表面上的OH 与玻璃中的碱离子产生反应的结果 使SiO2的分子健断裂措施 成缆时设法采取防水措施 稳定性能 4 4 辐射的承受问题光纤承受大剂量的 射线的辐射后 会因造成玻璃的结构缺陷而导致传输衰减加大 但恢复较快在原子设施中使用时 应采用SiO2纤芯 F SiO2包层的光纤5 耐热性SiO2在1000 高温下也不会软化 且可长期连续使用 但光纤外面的塑料涂层不能承受如此高的温度 因此 使用温度的上限一般规定为100 150 裸光纤外面涂覆以氟塑硅树脂 聚酰亚胺和铝之后 最高温度分别提高到 200 300 和600 前二者已实用 由于铝的热膨胀系数远高于玻璃 所以在温度稍低时会因微弯曲而实光纤的传输衰减上升 2 4光缆 光缆的结构 缆芯 加强件 外护层光缆分类光缆型号的命名光缆制造简介特种光缆光缆的测试 一 光缆结构 光缆中要有加强件 抗张元件 加强件有三种置放方式中心式 置于缆芯正中心分布式 分散地置于缆芯内铠装式 置于缆皮内光缆中有防潮措施防潮方法有 气体充填 固体充填 石油膏充填光缆中有防止因温度变化而引起光缆传光特性变化的措施 光纤使用寿命和应力比的关系 二 光缆分类 1 1 按用途分GY 野外 室外 光缆GJ 局内 室内 光缆GR 软光缆GS 设备内光缆GH 海底光缆GT 特殊光缆 光缆分类 2 2 按外护套特征分PE护套光缆 简易型聚乙烯护套LAP护套光缆 铝 聚乙烯粘接护套钢带铠装光缆钢丝铠装光缆 光缆分类 3 3 按缆芯特征分层绞式束管式叠带式骨架式 光缆分类 4 4 按敷设方式分管道式直埋式架空水底光缆局内光缆 不同敷设条件的光缆机械特性 光缆分类 5 5 按结构设计原则分 紧结构光缆松结构光缆6 按缆芯芯数分单芯多芯 2 4 6 8 12 二次被覆光纤 芯线 简图 a 紧套 b 松套 c 大套管 d 带状线 松套管光纤的无应力窗口 12芯松套层绞式光缆 直埋防蚁 12芯骨架式光缆 直埋 6 48芯束管式光缆 直埋 108芯带状光缆 LXE束管式光缆 架空 管道 直埋 浅海光缆 架空地线复合光缆 OPGW 三 光缆型号的命名 1987年3月批准 87年11月实施的标准 GB7424 87光缆型号由光缆型式的代号和光缆规格代号构成 中间用一短横线分开型式部分由五个部分组成 各部分代号表示如下 1 分类代号GY 野外 室外 光缆GJ 局内 室内 光缆GR 软光缆GD 综合光缆GS 设备内光缆GH 海底光缆GT 特殊光缆GW 无金属光缆2 加强件代号无符号 金属加强件F 非金属加强件G 金属重型加强件H 非金属重型加强件 3 派生的代号B 扁平式Z 自承式T 填充式兼有不同派生时 应都写上 但按字母顺序排列4 护套代号Y 聚乙烯护套 PE V 聚氯乙稀护套U 聚氨酯护套A 铝 聚乙烯粘接护套 LAP L 铝护套G 钢护套Q 铅护套S 钢 铝 聚乙烯综合护套 外护套代号0 裸外护层1 一级防腐2 二级防腐2 钢带铠装3 单层细钢丝铠装4 双层细钢丝铠装5 单层粗钢丝铠装6 双层粗钢丝铠装一般 外护套也采用两位数字01 纤维层02 聚氯乙烯03 聚乙烯如 33 单层细钢丝铠装聚乙烯外护套63 双层粗钢丝铠装聚乙烯外护套 光纤规格 由五大部分组成 均用代号表示 相邻各部分代号都是数字时 用乘号把它们隔开 纤数 用光缆中同一类别的实际数字表示 类别J SiO2系列GI光纤T SiO2系列SI光纤Z SiO2系列多模准突变型光纤D SiO2系列SM光纤X SiO2芯 塑料包层光纤S 全塑光纤 主要尺寸多模光纤用数字表示纤芯 包层直径 单模光纤表示模场直径 包层直径 传输特性由a bb cc共三组数字组成 数字外用圆括号同其它代号分开a 工作波长 1 0 85 m2 1 31 m3 1 55 mbb 代表 用两位数字顺序表示 的个位及十位 cc 代表B L 表示时用两位数字顺序表示B L MHz km 的千位和百位值 对双窗口光纤 应同时列出各个波长时的 及B L值 两串数字间用 隔开 适用温度用英文字母表示A 适用温度范围为 40 40 B 适用温度范围为 30 50 C 适用温度范围为 20 60 D 适用温度范围为 5 60 下面根据原邮电部颁布的通信行业标准 光缆型号命名方法 编号 YD T908 1977 列出一些典型光缆名称和型号 一些典型光缆名称和型号 1 一些典型光缆名称和型号 2 一些典型光缆名称和型号 3 一些典型光缆名称和型号 4 一些典型光缆名称和型号 5 四 光缆制造简介 生产过程 生产预制棒 拉丝 套塑 成缆 加外护套 含充填石油膏和加尺寸码带 装铠主要环节进料 设备 制作 和验收 销售 特种光缆 将特殊用途或特种结构的光缆称为特种光缆 水底光缆 光 电混和缆 无卤阻燃光缆 非金属光缆 全介质自承式光缆 缠绕式光缆 复合地线光缆等 水底光缆 由于敷设时短期拉力大 需要将光缆进行钢丝铠装 以提供足够的抗拉强度 水底光缆的抗拉 抗恻压力机械特性和密封性能是光缆设计要考虑的主要问题 水底光缆的密封有加金属管作密封层的 一般要求的水底光缆 最普遍的方法是在缆芯中填充阻水油膏 在缆芯外加金属护套密封 光电混合缆 指将电话用铜线对或铜馈电线放入光缆缆芯中 做成光 电混合缆 除中心管式外 可将这种光 电混合缆 做成层绞式和骨架式 多用在既需要进行光信号传输 又要进行电信号监控的部门 如铁路沿线使用的光 电混合缆 无卤阻燃光缆 一般说 室内用的光缆和地铁用的光缆等都应该是阻燃的 阻燃层主要是加在光缆外护层 阻燃分为有卤阻燃和无卤阻燃常用的PVC 聚氯乙稀 属有卤阻燃料 阻燃聚烯烃属无卤阻燃料 其中有的阻燃剂为无金属水合物 如氢氧化铝 在高温火焰作用下 氢氧化铝气化放出水 水吸收热量 稀释氧气 从而达到阻燃目的 4 非金属光缆 指整根均无金属部件非金属中心加强构件光缆不一定是非金属光缆 因为中心加强构件可以是非金属 而护套或外护层可以含有金属 有些多雷电地区就要求用这种中心加强件是非金属 而护套或外护层含有金属的光缆 一般非金属光缆是将层绞式光缆或骨架式光缆的中心加强构件选用非金属的玻璃纤维增强塑料 FRP 棒 护套或护层不用金属 因为玻璃钢的抗拉强度不大 所以这种非金属光缆一般要有钢丝 绳 吊挂 使用在避免强电感应当场所 如高压输电的调度室到高压输电线路铁塔 非金属光缆 1 1 全介质自承式光缆当不用钢丝 绳 吊挂 而是自承式悬挂于铁塔之上时 非金属光缆只靠中心的加强构件玻璃纤维增强塑料 FRP 棒作抗拉构件是不够的 必须在其缆芯周围包一定数量的芳纶纤维 kevlar 这种光缆专为自承式悬挂在高压输电线路铁塔上而设计的 称为全介