《光纤通信》CHP2

1、光纤通信 Fiber-Optic Communication Technology第二章 光纤与光缆主要内容n一、光纤的结构、类型一、光纤的结构、类型n二、光纤的传输特性二、光纤的传输特性n三、光纤的制造工艺三、光纤的制造工艺n四、光纤的标准四、光纤的标准n五、光缆五、光缆n六、新类型光纤六、新类型光纤一、光纤的结构、类型一、光纤的结构、类型n光导纤维（简称光纤）是工作在光波波段的一种圆柱形状的介质波导，由纤芯、包层和涂覆层构成。n为了达到全反射条件，保证光线被约束在纤芯中传播，要求纤芯的折射率大于包层的折射率。涂覆层起到保护光纤的作用，与光的传播特性无关。n我们只介绍石英光纤、塑料光纤。石英

2、光纤的纤芯和包层均为石英玻璃，只是掺杂成分和掺杂浓度略有不同。塑料光纤的纤芯和包层均为塑料材料。现在的光纤通信系统中，以石英光纤为主。n根据纤芯中折射率的分布不同，光纤可以分为阶跃光纤和梯度光纤。n阶跃光纤（Step Index，简称SI）纤芯的折射率是均匀的，为一个常数，又称均匀光纤。n梯度光纤（Graded Index，简称GI）纤芯的折射率是不均匀的，渐变的，又称非均匀光纤。光纤的结构及折射率分布 阶跃光纤阶跃光纤梯度光纤梯度光纤n阶跃光纤中光线：原理为全反射（动画）不同轨迹的光线具有不同的轴向速度，到达输出端时造成较大的时延差，即模间色散较大，脉冲展宽严重，传输带宽窄。n梯度光纤中光线

3、：（动画）如果折射率分不合适，就有可能使以不同角度入射的全部光线以同样的轴向速度在光纤中传输。同时到达光纤轴向上的某点，即所有光线都有相同的空间周期，成为自聚焦。因此，梯度光纤中的模间色散要比阶跃光纤小得多，从而具有更高的传输带宽。n按模式数量分： 单模光纤 多模光纤二、光纤的传输特性二、光纤的传输特性n从通信的角度，在研究信道问题时，人们最关注的是信道引起的信号衰减和信号畸变。信号衰减从能量的角度限制了信号的传递，而信号畸变则从信号检测精度的角度限制了信号的传递。 n影响光纤传输特性的包括衰减、色散和非线性效应光纤的损耗n是影响光纤传输特性的一个重要指标。由于损耗的存在，将会减小传输的光信号

4、的能量，使信号传输的距离受到限制。n通信中习惯上用单位dB/km来表示光纤的损耗n光纤对光信号产生衰减的原因很多，有的是光纤材料固有的，有的是使用中造成的，可以归纳为吸收衰减、散射衰减和工程应用中造成的衰减。 )/()0()(lg10kmdBPLPL材料吸收损耗材料吸收损耗 n由于光纤材料中的粒子吸收光能而造成传输光信号的降低。包括本征吸收和杂质吸收。n本征吸收：是构成光纤的基本材料SiO2对光信号的吸收。有两个吸收带，一个在紫外区，中心波长在0.16mm附近，尾部可以拖到1mm左右。另一个吸收带在红外区，其中心波长在812mm范围，尾部可以拖到光通信所用波长范围。n杂质吸收：材料中往往含有杂

5、质，杂质也会吸收光信号的能量，带来损耗。影响最严重的是过渡金属离子包括铜（Cu2+）、铁（Fe2+）、钴（Co2+）、锰（Mn2+）、镍（Ni2+）、钒（V）等和氢氧根离子（OH）。要降低材料的吸收衰减，必须对制造光纤的原材料进行严格的化学提纯，要求杂质过渡金属离子含量下降到ppm级，含氢化合物的杂质含量控制在1ppm以下。随着工艺的改进，目前，过渡金属离子的损耗已经大大降低，氢氧根离子的损耗也可以很好的控制。光纤的散射损耗光纤的散射损耗 n光在光纤内传播过程中遇到介质不均匀或不连续的情况时，会有一部分光散射到其它方向上，不能传输到终点，从而造成光能的衰减。n散射损耗包括固有的材料散射损耗、材

6、料制造缺陷散射损耗以及波导散射损耗。 n光纤在制作过程中，由于材料在加热过程中使原子受到压缩性的不均匀或起伏，造成材料密度微观的不均匀，并在冷却过程中被固定下来。这种密度不均匀的尺度比光波波长短，从而折射率不均匀将引起散射，这就是所谓的瑞利散射。这是一种固有的散射，它与波长的四次方成反比。n在纤芯中制造过程的缺陷，如杂质、气泡、不溶解离子等，也会引起散射损耗。降低这种衰减的办法是在制作光纤预制棒和拉丝时，选择合适的工艺，以避免上述现象的出现。 n实际制造的光纤并不是理想的圆柱光波导，将会引起光的散射。其中一种是几何尺寸的变化造成的散射。在拉制光纤时，由于工艺的不完善，会造成粗细不均和截面形状改

7、变等，当光波传播到这里时，会有部分光辐射出光纤，造成衰减。降低这种衰减除了要求制作预制棒时注意几何精度外，在拉丝工艺上要切实采取措施，保证光纤的尺寸均匀。光缆工程应用中造成的衰减光缆工程应用中造成的衰减 n光缆工程应用中造成的衰减主要有弯曲衰减、微弯衰减和接头衰减。如果光纤弯曲的曲率半径太小，将使全反射传播条件被打破，使光从纤芯泄漏到包层，损失掉。弯曲损耗常发生在成缆、现场敷设及光缆接头等场合。导致弯曲损耗的曲率半径一般远大于光纤的横截面尺寸。微弯衰减与弯曲衰减类似，是光纤局部弯曲造成的。微弯是一些随机的，其曲率半径可以与光纤的横截面尺寸比拟的畸变。常发生在套塑、成缆及光纤周围温度发生变化的场

8、合。通信用的长光纤实际上是由许许多多的短光纤连接而成的。在光纤的连接部分将产生光的衰减，造成衰减的原因是光纤的对接误差及局部的折射率变化。 光纤的色散n色散是指信号的不同的频率成分或模式成分具有不同的群速度而使信号产生畸变的现象。由于信号的不同成分的传输速度不同，经过一段距离的传输之后，就会导致光脉冲的展宽，前后脉冲相互重叠，引起数字信号的码间串扰。由于传输距离越长，脉冲的展宽越严重，为保证不出现码间串扰，信号传输的距离就受到了限制，同时也限制了码间间距不能过小，就限制了通信的容量。n根据色散产生的原因，色散分为模式色散、波长色散。 n由于色散是信号的不同成分传输速度不同造成的，传输相同距离就

9、有不同的时延，从而产生了时延差，时延差越大，色散越严重。因而常用时延差来表示色散程度。n在单模光纤中，没有模间色散，色散都与波长有关，也叫色度色散。通常用单位波长间隔内频谱成份通过单位长度光纤所产生的色散表示色散大小的程度，称为波长色散系数，用D表示，单位是ps/(nm.km)。 色散曲线衰减、色散对脉冲的影响示意三、光纤的制造工艺n目前通信用光纤主要是以石英玻璃目前通信用光纤主要是以石英玻璃（SiO2）为主的石英光纤。为主的石英光纤。n制造光纤流程：制造光纤流程： 制制 作作光光 纤纤预制棒预制棒拉丝拉丝涂覆涂覆套塑套塑成缆成缆光纤预制棒的制造光纤预制棒的制造 n预制棒（预制棒（prefor

10、m）: :拉制光纤的原拉制光纤的原始棒体材料始棒体材料, ,具有与光纤相似结构和具有与光纤相似结构和折射率分布。折射率分布。n预制棒制造的关键：预制棒制造的关键： （1 1）如何制作出光纤材料如何制作出光纤材料 （2 2）如何控制光纤纤芯、包层的折）如何控制光纤纤芯、包层的折射率射率制作石英光纤材料的反应n以以SiCl4、GeCl4、CF2Cl2等物质为原材料高等物质为原材料高温温( (1400-1600C) )下与下与氧气氧气反应：反应： SiCl4+O2SiO2+2Cl2 GeCl4+O2GeO2+2Cl2 2CF2Cl2+4SiCl4+2O2SiF4+2Cl2 +2CO2 光纤折射率的控

11、制n通过通过掺杂掺杂实现光纤折射率增加、减小：实现光纤折射率增加、减小： 纤芯掺杂折射率稍高的纤芯掺杂折射率稍高的Ge、P等元素等元素 包层掺杂折射率稍低的包层掺杂折射率稍低的F、B元素等元素等n通过通过载运气体（氧气、氩气）流速载运气体（氧气、氩气）流速控控制掺杂量的多少，从而控制折射率变制掺杂量的多少，从而控制折射率变化的大小化的大小SiO2折射率随掺杂浓度的变化折射率随掺杂浓度的变化光纤的组成如：如：GeO2-SiO2纤芯纤芯 SiO2包层包层P2O5-SiO2纤芯纤芯 SiO2包层包层SiO2纤芯纤芯 B2O3-SiO2包层包层GeO2-B2O3-SiO2纤芯纤芯 B2O3-SiO2包

12、层包层光纤预制棒的制造光纤预制棒的制造工艺（1）n管内化学气相沉积法管内化学气相沉积法n改进的化学气相沉积法改进的化学气相沉积法(MCVD) Modified chemical-vapor depositionn等离子体激活化学气相沉积法等离子体激活化学气相沉积法(PCVD) Plasma-activated chemical-vapor deposition光纤预制棒的制造光纤预制棒的制造工艺（2）n管外化学气相沉积法管外化学气相沉积法n气相轴向沉积法气相轴向沉积法(VAD) Vapor-axial deposition (VAD)n棒外气相沉积法棒外气相沉积法 Outside vapor-

13、phase oxidation (OVPO) Outside vapor-phase deposition (OVD) MCVD工艺流程工艺流程nMCVD法制备光纤预制棒的工艺流程示意图法制备光纤预制棒的工艺流程示意图 PCVDnPCVD是将是将MCVD法中的氢氧火焰加热改法中的氢氧火焰加热改为微波腔体加热为微波腔体加热。它的原理是把中小功它的原理是把中小功率的微波能量送入谐振腔中，使谐振腔率的微波能量送入谐振腔中，使谐振腔内石英反应管内的低压气体受激产生辉内石英反应管内的低压气体受激产生辉光放电来实现加温氧化沉积玻璃。光放电来实现加温氧化沉积玻璃。OVPO工艺流程工艺流程nOVPO法制备光纤

14、预制棒的工艺流程示意图法制备光纤预制棒的工艺流程示意图 VADnVAD法制备光纤预制棒的工艺流程示意图法制备光纤预制棒的工艺流程示意图 VAD一次沉积纤芯和包层烧结处理n烧结前后预制棒的变化烧结前后预制棒的变化PCVD MACHINEPCVD MACHINE光纤的拉制工艺拉丝塔光纤的涂覆和套塑n从预制棒拉出的光纤还不能直接使用，是脆性断裂材料，达不到实际使用的强度要求，抗拉和抗弯能力都较差。n由于制造工艺的不完善，光纤强度将进一步下降。n为保护光纤表面，提高抗拉强度和抗弯曲强度，还要对光纤进行涂覆和套塑处理。制造中造成强度下降的原因n1）预制棒在制造中可能存在杂质和气泡，会转移到光纤中。由于杂

15、质的膨胀系数与周围玻璃不同，可能导致裂纹，造成强度的下降；气泡对强度的影响将更大。 n2）拉丝过程中，拉丝炉的温度稳定性、周围环境中的粉尘及拉丝卷绕等有可能使光纤表面出现划痕、裂纹等机械损伤，影响光纤的强度。环境中的水分等有害物质将对光纤造成腐蚀，使光纤表面的裂纹扩展，降低光纤强度。涂覆和套塑流程n涂覆是与拉丝工艺同时进行的。当光纤向下拉制时，光纤表面的微裂纹尚没与空气中水分等发生反应或扩大，就迅速地进行涂覆来保护光纤的表面。n涂覆材料一般是硅酮树脂和丙烯酸脂类材料。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。外面的第二层是普通的硅酮树脂，而

16、且涂层较厚。国内相关情况n光纤预制棒生产企业有五家：长飞、法尔胜光子、烽火通信、杭州富通和特恩弛，5家企业的生产能力是2000万公里年。n光纤拉丝生产企业有19家：长飞、上海光纤、南京华新藤仓、深圳特发、成都中住、杭州富通、法尔胜光子、西古、烽火通信、天大天财、特恩弛、亨通阿尔法、中天科技、华伦光纤、富春江、上海华源、山东太平洋、海南韩国三星、海南睿丰，这19家企业的生产能力是3500万公里年。n国内市场对光纤产品的需求：2003年中国市场光纤的需求量是1449.7万公里。中国市场的光纤产品供大于求，也会使得市场的竞争激烈化。四、光纤的建议（标准）nITU-T提出的几种光纤建议（标准）nG65

17、1光纤：多模梯度光纤nG652光纤：单模光纤，标准光纤nG653光纤：色散位移单模光纤nG654光纤：截止波长位移单模光纤nG655光纤：非零色散位移单模光纤nG656光纤：?G651光纤nMultimode graded index optical fibre (MMF)n应用于中小容量、中短距离的通信系统n应用于光接入G652光纤nSingle-mode optical fibre (SMF)n常规单模光纤，标准光纤，非色散位移光纤n零色散波长为1.31mm，损耗为0.4dB/km ；在1.55mm处有最小损耗0.3dB/km ，色散为1720 ps/(nmkm)。是目前应用最广的光纤。n

18、G652A、G652B：B光纤增加了对PMD的规定nG652C、G652D：对应A、B，全波光纤，消除了1380nm附近的水吸收峰，即系统可以工作在1360 1530nm波段 损耗系数G653光纤nDispersion shifted single mode optical fibre (DSF)n在1.55mm处实现最低损耗与零色散波长一致，但由于在1.55mm处存在四波混频等非线性效应，阻碍了其应用（波分复用）。G654光纤nCut off shifted single mode optical fibren在1.55mm处具有极低损耗（大约0.18dB/km）且弯曲性能好。G655光纤n

19、Non-zero dispersion shifted single mode optical fibre (NZDSF)n在1.55mm1.65mm处色散值为0.16.0ps/（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。nG655A、G655B、G655CG656光纤nG.656: Characteristics of a fibre and cable with non-zero dispersion for wideband optical transport, 2004.4nThis fibre can be used for b

20、oth CWDM and DWDM systems throughout the wavelength region between 1460 and 1625 nm.nA single-mode optical fibre has the positive value of the chromatic dispersion coefficient that is greater than some non-zero value throughout the wavelength range of anticipated use 1460-1625 nm. This dispersion re

21、duces the growth of nonlinear effects which are particularly deleterious in dense wavelength division multiplexing systems.五、光缆n保护光纤的机械强度和传输特性，防保护光纤的机械强度和传输特性，防止施工过程和使用期间的机械损伤以止施工过程和使用期间的机械损伤以及环境老化的影响，同时使光纤易于及环境老化的影响，同时使光纤易于操作。操作。n光缆一般由缆芯、加强元件和护层三光缆一般由缆芯、加强元件和护层三部分组成。部分组成。缆芯n缆芯由光纤的芯数决定，有单芯、多缆芯由光纤的芯数

22、决定，有单芯、多芯。芯。n多芯光缆要对光纤进行着色以便于识多芯光缆要对光纤进行着色以便于识别。别。 n为防止气体和水分子浸入，为防止气体和水分子浸入， 光纤中应光纤中应具有各种防潮层并填充油膏。具有各种防潮层并填充油膏。加强元件加强元件n加强芯，主要用于承受铺设时的外力。加强芯，主要用于承受铺设时的外力。n两种结构方式：两种结构方式： 一种是放在光缆中心的中一种是放在光缆中心的中心加强方式，心加强方式， 另一种是放在护层中的外层另一种是放在护层中的外层加强方式。加强方式。 n对加强元件的要求是具有高杨氏模量、对加强元件的要求是具有高杨氏模量、 高高弹性范围、高比强度弹性范围、高比强度(强度和重

23、量之比强度和重量之比)， 低线膨胀系数、低线膨胀系数、 优良的抗腐蚀性和一定的优良的抗腐蚀性和一定的柔软性。柔软性。 一般采用钢丝、钢绞线或钢管等；一般采用钢丝、钢绞线或钢管等；强电磁干扰环境和雷区中则应使用高强度强电磁干扰环境和雷区中则应使用高强度的非金属材料玻璃丝和凯夫拉尔纤维的非金属材料玻璃丝和凯夫拉尔纤维(Kevlar)。 护层护层n光缆护层同电缆护层的情况一样，是由护光缆护层同电缆护层的情况一样，是由护套和外护层构成的多层组合体。其作用是套和外护层构成的多层组合体。其作用是进一步保护光纤，使光纤能适应在各种场进一步保护光纤，使光纤能适应在各种场地敷设，如架空、管道、直埋、室内、过地敷

24、设，如架空、管道、直埋、室内、过河、跨海等。对于采用外周加强元件的光河、跨海等。对于采用外周加强元件的光缆结构，护层还需提供足够的抗拉、抗压、缆结构，护层还需提供足够的抗拉、抗压、抗弯曲等机械特性方面的能力。抗弯曲等机械特性方面的能力。光缆的典型结构n光缆的基本结构按缆芯组件的不同一般光缆的基本结构按缆芯组件的不同一般可以分为层绞式、骨架式、束管式和带可以分为层绞式、骨架式、束管式和带状式四种，我国及欧亚各国用的较多的状式四种，我国及欧亚各国用的较多的是传统结构的层绞式和骨架式两种。是传统结构的层绞式和骨架式两种。n(1) 层绞式结构层绞式结构层绞式光缆的结构类似于层绞式光缆的结构类似于传统的

25、电缆结构方式，故又称为古典式光缆。传统的电缆结构方式，故又称为古典式光缆。n(2) 骨架式结构骨架式结构骨架式光缆中的光纤置放骨架式光缆中的光纤置放于塑料骨架的槽中，槽的横截面可以是于塑料骨架的槽中，槽的横截面可以是V形、形、U形或其他合理的形状，槽的纵向呈螺旋形形或其他合理的形状，槽的纵向呈螺旋形或正弦形，一个空槽可放置或正弦形，一个空槽可放置510根一次涂根一次涂覆光纤。覆光纤。n(3) 束管式结构束管式结构束管式结构的光缆近年束管式结构的光缆近年来得到了较快的发展。它相当于把松套管来得到了较快的发展。它相当于把松套管扩大为整个纤芯，成为一个管腔，将光纤扩大为整个纤芯，成为一个管腔，将光纤

26、集中松放在其中。集中松放在其中。n(4) 带状式结构带状式结构带状式结构的光缆首先带状式结构的光缆首先将一次涂覆的光纤放入塑料带内做成光纤将一次涂覆的光纤放入塑料带内做成光纤带，然后将几层光纤带叠放在一起构成光带，然后将几层光纤带叠放在一起构成光缆芯。缆芯。光缆的种类n光缆的种类很多，分类方法也很多，习惯光缆的种类很多，分类方法也很多，习惯的有：的有：n根据光缆的传输性能、距离和用途，可以根据光缆的传输性能、距离和用途，可以分为市话光缆、长途光缆、海底光缆和用分为市话光缆、长途光缆、海底光缆和用户光缆；户光缆；n根据光纤的种类，可以分为多模光缆、单根据光纤的种类，可以分为多模光缆、单模光缆；模

27、光缆；n根据光纤芯数的多少，可以分为单芯光缆根据光纤芯数的多少，可以分为单芯光缆和多芯光缆等等；和多芯光缆等等；n根据加强构件的配置方式，分为中心加强根据加强构件的配置方式，分为中心加强构件光缆构件光缆(如层绞式光缆、骨架式光缆等如层绞式光缆、骨架式光缆等)、分散加强构件光缆分散加强构件光缆(如束管式光缆如束管式光缆)和护层和护层加强构件光缆加强构件光缆(如带状式光缆如带状式光缆)；n根据敷设方式，分为管道光缆、直埋光缆、根据敷设方式，分为管道光缆、直埋光缆、架空光缆和水底光缆；架空光缆和水底光缆；n根据护层材料性质，分为普通光缆、阻燃根据护层材料性质，分为普通光缆、阻燃光缆和防蚁、防鼠光缆等

28、。光缆和防蚁、防鼠光缆等。光缆的型号n光缆的型式代号是由分类、加强构件、派生(形状、特性等)、护套和外护层五部分组成，n光缆分类代号及其意义光缆分类代号及其意义nGY：通信用室(野)外光缆；nGR：通信用软光缆；nGJ：通信用室(局)内光缆； nGS：通信用设备内光缆；nGH：通信用海底光缆； nGT：通信用特殊光缆；nGW：通信用无金属光缆。l加强构件的代号及意义加强构件的代号及意义l无符号：金属加强构件；lF：非金属加强构件；lG：金属重型加强构件；lH：非金属重型加强构件。n派生特征的代号及其意义派生特征的代号及其意义nB：扁平式结构；nZ：自承式结构；nT：填充式结构； nS：松套结构

29、。n注：当光缆型式兼有不同派生特征时，其代号字母顺序并列。l护套的代号及其意义护套的代号及其意义lY：聚乙烯护套；lV：聚氯乙烯护套；lU：聚氨酯护套；lA：铝、聚乙烯护套；lL：铝护套；lQ：铅护套；lG：钢护套；lS：钢、铝、聚乙烯综合护套。n外护层的代号及其意义外护层的代号及其意义n外护层是指铠装层及铠装层外面的外被层，参照国标GB2952-82的规定，采用两位数字表示。光纤的规格n光纤的规格代号是由光纤数目、光纤类光纤的规格代号是由光纤数目、光纤类别、光纤尺寸参数、传输性能和适用温别、光纤尺寸参数、传输性能和适用温度五部分组成，均用代号或数字表示。度五部分组成，均用代号或数字表示。n光纤数目光纤数目：用光缆中同类别光纤的实际有效数目的阿拉伯数字表示。n光纤类别的代号及其意义光纤类别的代号及其意义 nJ：二氧化硅系多