第2章 光纤(公用)1.ppt

光缆电缆工程课程内容 概述 光缆工程 光缆通信线路工程设计 光缆线路施工 光缆线路测试与维护 通信电缆 综合布线 通信电缆串音和防串音措施 通信电缆施工 通信电缆配线设计 光缆电缆发展 光纤 光缆和光器件 通信系统 通信网基础 第1章 第2章 第3章 第4章 第5章 电缆线路测试和维护 第6章 第7章 第8章 第9章 电缆工程 第10章 第11章 基本概念 组成和主要设备部件 工程设计 第2章光纤 光缆和光器件 本章内容提要 光纤的结构 材料及制备方法光纤的主要参数 特性及类型及应用光缆的结构 材料及制备方法光缆的主要特性光纤光缆线路的基本光器件 第2章光纤 光缆和光器件 2 1光纤光纤 光缆 所谓 光纤 就是工作在光频下的一种圆柱体介质波导 它引导光能沿着轴线平行方向传输 所谓 光缆 就是由多根光纤和加强构件以及外护层构成 2 1光纤 2 1 1光纤结构 2 1 2 光纤的制造过程1 光纤的原材料选择 目前通信用光纤主要是用高纯度的玻璃 石英玻璃 SiO2 材料制成的 最纯的天然石英 因它清澈似水 冰莹如晶 常称之为水晶 因其含杂质多而不能在光导纤维中使用 还有一个原因是光学性能各向异性 nx ny nz 熔融石英又名人造石英 是制造光导纤维的主要原料 其特点是 熔融石英是非晶态的 也就是说 它不是一个晶体 它没有 熔点 在较高温度下变得比较柔软 1 超纯的熔融SiO2提取超纯的熔融石英玻璃通常利用气相沉积法取得 所用原料为SiCl4 GeCl4化学反应式为 熔融石英玻璃的折射率约为1 458 2 熔融石英光纤的掺杂剂提取改变石英光纤折射率经常使用的掺杂剂有GeO2 P2O5 Ti2O2 Al2O3和B2O3 F等 掺杂剂所用主要原料为GeCl4 PoCl3 BCl3和SF6等 化学反应式为 掺杂剂除对折射率 线膨胀系数及材料提纯具有影响外 对光纤的传输性能及光纤的设计制作也都会产生作用 如图2 2 3所示 图2 2利用掺杂变更石英玻璃的折射率 图2 3GeO2 P2O5 Ti2O2 B2O3SiO2玻璃线膨胀系数的差别 mol 石英光纤的主要原料为 纤芯和包层本体材料 SiCL4纤芯和包层掺杂用剂 GeO2 P2O5 GeCL4 B2O3 POCL3和F等纤芯材料 SiO2或SiO2 GeO2包层材料 SiO2 B2O3或SiO2 F 2 光纤材料的设计 表2 1单模光纤掺杂方案 单模光纤掺杂方案方案1 纤芯SiO2 包层SiO2 F方案2 纤芯SiO2 GeO2 包层SiO2 F P2O5 采用方案1时 其散射损耗将是最小的 包层直径与纤芯直径的比值 2b 2a 大于6 例如G652光纤 几种典型的光纤折射率分布图 2 光纤制备方法 光纤制备步骤 气相技术 材料选择 预制棒制造 拉丝 涂覆 套塑预制棒制造方法约10种 2 1 3 4 一 气相沉积法1 外部化学气相沉积法 OutsideVapourPhaseDeposition 简称OVD法 2 轴向化学气相沉积法 VapourphaseAxialDeposition 简称VAD法 3 改进的化学气相沉积法 ModifiedChemicalyapourDeposition 简称MCVD法 4 等离子化学气相沉积法PlasmaactivateChemicalVapourDeposition 简称PCVD法 5 等离子改进化学气相沉积法PlasmaenhancedModifiedChemicalyapourDeposition 简称PMCVD法 6 轴向和横向等离子化学气相沉积法 简称ALPD法 二 非气相沉积法 1 界面凝胶法 简称BSG2 熔融法 简称DM3 溶胶 凝胶法 简称SOL GEL4 机械挤压成型法 简称MSP 一 原料制备与提纯MCVD法是目前使用最广泛的预制棒生产工艺 即2 1 2所示 二 制棒的制备过程 图2 5管内MCVD法预制棒制备 制造预制棒的次序是 首先在石英管内壁上沉积包层 其次在包层内沉积纤芯 最后则是 烧缩成预制棒 1400 1600 的高温氢氧火焰加热 a 预制棒 三 光纤的拉制工艺 a 加热后的预制棒 四 光纤涂覆工艺 通常涂覆都在两层以上 里面的一层用折射率比石英玻璃稍大的变性硅酮树脂 可以用来吸收透过包层的光 涂覆厚度一般为30 150 m 外面的第二层是普通的硅酮树脂 而且涂层较厚 两次涂覆后的外径约为0 8 0 9mm 有利于提高光纤的低温性能和抗微弯性能 2 2光纤的主要参数 特性及类型 光纤的结构参数主要有光纤的几何参数 折射率分布 数值孔径 NA 模场直径 和截止波长等 1几何参数几何特性有芯径 包层的尺寸和对芯 包层同心度 不圆度等 1 纤芯直径 对多模光纤而言 2 外径 多 单模光纤 3 芯 包层同心度和不圆度 ITU规定 光纤同心度误差 6 包括单模 芯不圆度 6 包层不圆度 2 单模光纤同心度误差1 m 2 2 1光纤的主要参数 2 数值孔径 NA 最大理论数值孔径 最大理论数值孔径的定义为 3 模场直径模场直径的定义 可以根据基模LP01场E01传输函数来表示 即在基模场E01 r 传输函数与横轴径向r的关系曲线上两个1 e点之间的宽度就是模场直径 模场直径估算 2W0 2 n1 单模光纤由模场直径代替纤芯直径 ITU T规定模场直径为 9 10 1 m 4 截止波长 模光纤的截止波长 截止波长是单模光纤保证单模传输的条件 所以截止波长的定义是大于此波长时二阶LP11模不再传播 1 理论截止波长 ct2 成缆光纤的截止波长 cc3 跳线光纤的截止波长 c4 有效截止波长 ce在实际中 对这四种截止波长有以下关系 ct c cc ce 表2 2渐变多模光纤结构参数实例 表2 3单模光纤结构参数实例 2 2 2光纤的主要特性 2 2 1损耗一 损耗定义p 0 为输入光纤的光功率 即在L 0处注入的光功率 p L 为传输距离L处的光功率 二 损耗系数在光纤上两个相距L的截面之间的波长 上的总衰减表示 A L dB 三 光纤产生损耗的原因光纤产生损耗的原因很多 其类型有吸收损耗 散射损耗和附加损耗 表2 4光纤的传输损耗 1 吸收损耗本征吸收 红外吸收 紫外吸收杂质吸收 铁 铜等过渡金属离子和OH离子 非本征 其中 是工作波长 单位为 m 当 1 55 m时 ir 0 02dB km 其影响较小 但当 1 70 m时 ir 0 32dB km 可见红外吸收影响了工作波长向更长波长方向发展 其中 B是掺锗的重量百分比 当 1 31 m B 3 5 时 uv 1 75 10 2dB km 但当 0 60 m时 uv 1 00dB km 可见紫外吸收随 减少和掺锗浓度增加而增加 2 线性散射 瑞利散射比光波长小得多的粒子引起的散射 本征 米氏散射与光波同样大小的粒子引起的散射 本征 引起光纤损耗的散射主要是瑞利散射 瑞利散射具有与短波长的1 4成正比的性质 即 R A 4 对掺锗的光纤而言 A 0 63dB m4 km 对于 0 85 1 31 1 55 m时 则 R 1 3 0 3 0 1dB km 3 非线性散射受激布里渊散射 存在于光能密度超过某一高值 本征 受激拉曼散射 本征 4 附加损耗 张力 侧压 弯曲 挤压造成的宏弯和微弯 非本征 3 附加损耗 张力 侧压 弯由 挤压造成的宏弯和微弯 图2 11光纤的宏弯损耗 a 射线法解释 b 波动理论解释 在附加损耗中光纤宏弯曲损耗是最主要的 在光缆的生产 接续和施工过程中 不可避免地出现弯曲 它的损耗原理如图2 11所示 光纤宏弯曲时会造成模式转换 使传导模变成了辐射模 造成辐射损耗 单模光纤弯曲损耗的估算公式为 式中 R为光纤弯曲半径 C1 C2与R无关常数 临界弯曲半径估算RC为 图2 10光纤损耗频谱曲线 光纤不仅因有损耗使光信号传输受到限制 同时光信号传输还受到色散 多模光纤习惯称带宽 的限制 色散 对于数字信号的光脉冲 经光纤传输时 脉冲宽度随距离增长而展宽 严重时 前后脉冲将互相重叠 形成码间干扰 导致通信系统误码增加 从而使传输距离和传输容量受到限制 这种现象称为光纤的色散 引起脉冲展宽 色散 的因素很多 对于多模光纤主要有 模式色散 材料色散和波导色散等 其中模式色散是主要因素 对于单模光纤由于只传输一种模式 故不存在模式色散 主要受材料色散 波导色散和偏振模色散PMD的影响 2 光纤的色散特性 光纤色散主要有 模式色散 材料色散 波导色散 偏振色散等 多模光纤 模式色散 材料色散 波导色散等 单模光纤中只传输基模LP01 总色散由材料色散 波导色散和偏振色散组成 这三个色散都与波长有关 所以单模光纤的总色散也称为波长色散 光纤的色散单位 ps km光纤的色散系数单位D ps nm km 1 模式色散 2 材料色散 3 波导色散 4 偏振模色散 PMD 记作LPx01和LPy01 其相位常数 x y不同 相应的群速度不同 从而引起偏振模色散 如图2 13所示 PMD对大容量数字和模拟通信系统影响是严重的 若要10Gb s以上的高速系统能正常工作 光脉冲展宽必须限制在一定范围 例如 对于10Gb s系统 其光脉冲宽度为100ps 当光路的光功率代价Pp 1dB时 群时延差DGDL最大容限为30ps 对于40Gb s系统 其光脉冲宽度只有25ps 当Pp为1dB时 DGDL最大容限只能为10ps以下 当光纤长度足够长时 L h 典型值为2km以上 ps 式中 L为光纤长度 km PMDL 或DGDL 为长度L光纤的总偏振模色散 或偏振模总群时延差 ps PMDC为光纤的PMD系数 PMDC 其典型值在之间如在400Gbit s的高速系统中 传输100km后 PMDC限制在0 1ps km以内 一般系统对PMD系数最大设计值为 5 光纤的带宽 光纤的色散和带宽描述的是光纤的同一特性 ITU T建议规定的光纤带宽为 L公里的光纤带宽为 其中 D为光纤色散系数 ps nm km 为光源谱宽 nm B0为光纤的带宽 MHz 常数 0 115 多纵模激光器 0 306 单纵模激光器 在DWDM高速光纤传输系统中 着重考虑PMD对光纤距离影响情况 可由下列公式得出 其中 PMDC为偏振模色散系数 s km BL为传输速率 bit s L为光纤中继距离 km 例2 1 设某光纤在1 31 m波长的最大色散系数D 3 5ps nm km 如用一中心波长为1 31 m的半导体激光器产生传输光 其谱线宽度为 4nm 试求出该光传输1km长度光纤的色散 解 由 2 14 式 容易求出其色散为 D L 3 5 4 1 0 014ns 14ps 2 2 3光纤的非线性效应 光纤的非线性 损耗特性 可分为两类 受激散射和折射率扰动 受激散射 受激布里渊散射和受激拉曼散射 折射率扰动自相位调制 交叉相位调制和四波混频 2 2 4光纤的机械和温度特性1 光纤强度 从理论上估算折断石英玻璃Si O原子键所需应力约为2000 2500kg mm2 因此外径为125 m的光纤所能承受的抗拉力将达30kg 直接拉出的裸光纤拉力只有100g 根 实用化光纤的抗张强度要求 240g拉力 根目前商品化光纤的强度432g拉力 根国内用的光纤 一般都大于400g拉力 根国外较好的光纤在700g拉力 根以上 用于海底光缆的光纤强度还要高一些 光纤的温度特性主要由光纤材料决定 如石英玻璃的线膨胀系数为3 4 10 7 km 而塑料涂覆层 或有机树脂 为1 10 4 km 即当温度变化1 时 石英光纤和塑料涂覆层的长度变化量相差近1000倍 2 光纤的温度特性 温度特性对光缆敷设方式有哪些影响 哪些光缆故障属于与光纤的温度特性有关 2 2 5光纤类型及应用 光纤分类可依据材料 波长 传输模式 纤芯折射率