2第二章光纤上课新版

1、2.1光纤结构和类型2.2光纤传输原理2.3光纤传输特性2.4光纤的制造工艺2.5光缆、第2章光纤和光缆、第2章光纤和光缆、2.1光纤结构和类型、芯：光能包层：为光的传输提供反射面和光的隔离和机械保护作用。 复盖层：保护光纤不受水蒸气侵蚀和机械伤害。 一般来说是硅橡胶材料或聚丙烯。 图2.1光纤的外形、n1n2、芯和包层的折射率分别为n1和n2，传输的必要条件为n1n2、光纤分类、1 .光纤的制造材料分类因制造材料而异，可分为石英光纤和塑料光纤。 目前，通信用光纤主要是石英类光纤，成分是高纯度石英玻璃。 2 .根据光纤的折射率分布而分类不同，光纤分为阶梯型光纤和灯型光纤。 光纤分类，3，光纤传

2、播模式分类模式：光纤可以视为感应电磁能沿光纤长度方向传播的光波导，感应电磁波称为波导模式。 多模光纤(MMF )单模光纤(SMF )。 如果多模光纤：芯远大于光波波长(约1um )，则在传输中存在多种传输模式，光纤被称为多模光纤。 4、根据工作波长不同，可以分为短波长光纤和长波长光纤。 5 .国际电信联盟电信标准化组织(ITU-t )制定了统一的光纤标准(g标准)，以根据ITU-t的推荐分类使光纤具有统一的国际标准。 根据关于ITU-T光纤的提案，将光纤分为G.651光纤(多模渐变光纤)、G.652光纤(标准单模光纤)、G.653光纤(色散移位光纤)、G.654光纤(三种基本类型的突变型多模光

3、纤(多模阶梯折射率光纤)渐变型多模光纤(多模折射率光纤)单模光纤，芯径2a=5080m，光线为折线形状，在芯中心轴线方向带宽仅为1020 MHzkm，通常用于小容量(8 Mb/s以下)的短距离(数km以内)系统。 在芯的中心折射率最大为n-1，沿着径向r向外周逐渐变小，包层变小直到成为n-2。 该光纤一般的特征是，芯直径2a为50m，光为正弦形状，沿芯中心轴线方向传播，信号失真小。 渐变多模光纤适用于带宽达12 GHzkm、中容量(34140 Mb/s )中距离(1020 km )的系统。 折射率分布与阶梯型光纤相似，芯径仅为810 m，光线以直线形状沿芯中心轴线方向传播。 因为该光纤只能传输

4、一种模式(仅传输主模式)，所以被称为单模光纤，其信号失真小。 相对于单模光纤，阶梯型光纤和灯型光纤芯径大，可以容纳数百个模式，因此被称为多模光纤。 渐变型多模光纤和单模光纤的包层外径2b都选定了125m。 特殊单模光纤最有用的几根典型的特殊单模光纤的截面结构和折射率分布如下图所示：(a )双包层(b )三角芯(c )椭圆芯，双包层光纤：色散平坦光纤(DFF )为波分复用移位色散移位光纤(DSF )超大容量长距离系统。 用于密集波分复用和孤立传输的长距离系统。 三角芯光纤：改进的色散移位光纤椭圆芯光纤3360双折射光纤或偏振保持光纤。 提高接收灵敏度，增加传输距离。 2.2光纤传输原理描述光纤传

5、输原理有两种方法： (1)几何光学辐射法(适用于多模光纤)几何光学的方法直观上容易理解，但不严格。 (2)波动理论分析法(适用于单模光纤)抽象，数学推导和运算复杂。1、均匀平面波在两理想介质界面上的反射和折射，介质n2光疏、介质n1光密、n法线方向、折射率n1n2、1、3、2 (1)反射规律(在同一介质上的偏折射)，1=3入射角等于反射角，(2)折射规律，(3)全反射，当时，仅反射光线没有折射光线、c、2.2.1几何光学方法分析光束在光纤中传播的空间分布和时间分布。芯的折射率n1=1.48、包层的折射率N2=1，46时，在什么条件下能在芯上保持光？ 例题：阶梯型多模光纤导光电路图，设芯和包层的

6、折射率分别为n1和n2，空气的折射率n0=1，芯的中心轴线和z轴一致。 从阶梯型多模光纤的导光原理可以看出，只有入射到半锥角i max的圆锥内的光束在光纤中传播。 参数：数值孔径NA表示光纤的接收和传输能力。 根据该传播条件定义入射临界角的正弦是数值孔径(Numerical Aperture，NA )。 即，光纤的数值孔径仅由NA=n0 sin (max )、NA=n0 sin (max)=、光纤的数值孔径：光纤的数值孔径NA仅由光纤的折射率n1和n2决定，与光纤的直径无关。 NA表示光纤收发光的能力。 1)NA越大，芯对光能的束缚越强，光纤的弯曲阻力性能越好。 2)NA越大，在传输光纤后产生

7、的信号失真越大，例题：光纤的芯折射率n1=1.500，包层折射率n2=1.485。 求出： (1)的相对折射率差，入射(2)数值孔径NA (3)临界角max。 解：(1)相对折射率差:0.01，(2)数值孔径NA :0.21，(3)入射临界角max，12.12o，(1)慢变型光纤的折射率分布的通式，n1和n2分别为芯中心和包层的折射率； r和a分别是径向坐标和芯半径是相对折射率差，图2.5渐变型多模光纤的光线传播原理，(1)部分数值孔径是渐变型多模光纤的折射率分布是径向坐标r的函数，芯的各点的数值孔径不同，因此和最大数值孔径NAmax，(2)定义自动聚焦效果，与入射角相应的光线，经历的程度不同

8、，但最终聚集于一点的这种现象称为自聚焦效果，渐变型多模光纤具有自聚焦效果，对应于不同的入射角波动理论分析法通过解决从麦克斯韦方程式导出的波动方程式分析电磁场的分布(传输模式)的性质，正确地得到光纤的传输特性。 根据麦克斯韦方程，光纤中可能存在的电磁波可分为横向电磁波TE、横向电磁波TM以及混合波HE和EH四种。 喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓航空航空653光纤有多种传输模式，与波长、光纤结构、芯和包层的折射率有关。 g是光纤中芯的折射率分布参数。 v是归一化频率。 传输模块(模式的数量)、多模光纤的模式特性、波动理论分析法、阶跃光纤，g=，其模式数对于灰度光纤，g=2，其模式数对于三角分

9、布，g=1，其模式数，例如例题：单模光纤的模式特性、传输模式数随着v值的增加而增加，特别值得注意的是，在V 1.27 m时有正色散，在1.27 m时有负色散。 因为波导结构参数依赖于波长，所以产生波导色散：取决于波导大小和芯部和包层的相对折射率差。 在通常的单模光纤中，波导的色散随着折射率分布、光纤的芯、光波长的减少而变大。 波导色散是负色散。 材料色散和波导色散一般被称为色散(波长色散)。芯半径越小，折射率差越大，波导色散也变为负，偏振模色散：偏振模色散是由输入光脉冲激发的两个正交偏振模间的群速度的差异引起的色散。 偏振模色散超高速，影响长距离系统，成为最后的极限！ 啊！ 多模光纤：模色散占

10、主要地位！ 啊！ 单模光纤：材料的色散和波导色散都影响总色散，色散的表示通常由延迟差(脉冲宽度)表示，延迟差是传输光脉冲的不同模式或不同波长分量传输相同距离所需要的时间。 用脉冲展宽表示，光纤色散可以写为n 模色散；m 材料的色散； w 波导色散、多模光纤的色散(了解)、长度l阶梯型多模光纤的色散、长度l阶梯型多模光纤的色散、n(0) :芯轴线的折射率、单模光纤的色散、单模光纤的波长色散在工序中称为分散系数。 即，定义为：Dm是材料色散，上式右边第二项DW是波导色散，单模光纤色散特性，总色散在=1310nm附近为零，即零色散波长0=1310 nm， G.652通常单模光纤零色散波长0=1310

11、 nm的石英光纤通常是单模光纤，国际电信联盟电信标准化机构ITU - T将其命名为G.652光纤。 此光纤是一种单模光纤，能在1.31 m和1.55 m波段两者中使用，在双窗口中使用。 其最佳工作波长在1.31m区域，G.653色散移位单模光纤通过改变光纤的结构参数、折射率分布形状，增大波导色散，将零色散波长0从1.310m移位到1.550m，在1.550m处最小衰减和零色散该光纤被称为色散位移单模光纤，ITU - T命名为G.653光纤。 G.653光纤的工作波长为1.550m，非常适用于长距离单信道光纤通信系统。 G.653光纤在1.550m波长范围的零色散中产生四波混合非线性效应，通过基

12、于G.653光纤改变光纤的结构参数、折射率分布形状的方法，该光纤在波长1.550m处的色散不是零，零色散波长不是1.55m 因此，被称为非零色散位移单模光纤，ITU - T命名为G.655光纤(最新一代光纤)。 另外，G.655光纤的性能特征是G.655光纤在1.55m处具有适当的微量色散，其值大小足以抑制密集波分复用系统的四波混合效果，小到允许信道传输速度在10 Gb/s以上。 由G.652、G.653、G.655的分散、吸收损失-sio2材料的固有吸收和杂质的吸收引起的。 散射损失-主要是由材料的微观密度不均匀引起的瑞利散射和光纤结构缺陷(气泡等)引起的散射引起的。 辐射损耗-光纤的几何形

13、状有关，2.3.2光纤的损耗是影响光纤传输特性的重要指标。 损失的存在减少了要传输的光信号的能量，并限制了信号传输的距离。 光纤问世以来，人们在降低光纤损耗方面做了很多工作，1.31m光纤损耗值在0.5dB/km以下，1.55m的损耗在0.2dB/km以下，这一级数接近光纤损耗的理论极限。 通信中的习惯用损耗系数表示损耗，c1是瑞利散射系数，c2是结构缺陷散射引起的损耗，a是杂质引起的波吸收，光纤的-曲线，通常单模光纤在1400nm附近有衰减峰值，这是光纤中水分子的吸收作用引起的，兰有850nm、1310nm、1550nm、多模阶梯型(SIF )、渐变型(GIF )光纤、单模(SMF )光纤三

14、个低损耗窗，如下图所示，(1)多模突变型(SIF )、渐变型(SIF )。(在0.81.55 m频带中，除了吸收峰值以外，光纤损失随着波长的增加而急速减少。 (3)从多模SIF、GIF光纤到SMF光纤，色散依次变小(带宽依次变大)。 正因为这些特性，才使光纤通信从SIF、GIF光纤发展为SMF光纤，从短波长(0.85 m )“窗”发展为长波长(1.31 m和1.55 m )“窗”，提高了系统技术水平。 光纤特性标准，2.4光纤制造技术，目前通信用光纤主要是以石英玻璃(SiO2)为主的石英光纤。 光纤的制造工艺：预制装配式：抽出光纤的原始棒材料，具有与光纤相似的结构和折射率分布。 预成形件的制造

15、要点： (1)如何制作光纤材料；(2)如何控制光纤芯、包层的折射率，光纤母材的制造、光纤的折射率的控制，通过掺杂来实现光纤的折射率的增加、减少：芯p等元素包复掺杂折射率稍低的f (氟)、b元素等通过载气(氧、氩)流速控制掺杂量的多少来控制折射率的变化的大小，光纤母材的制造工艺(1)、改良的化学气相生长法(MCVD )、等离子体活性PCVD MACHINE、光纤拉丝工艺、拉丝塔、光纤的包复和包复，从母材引出的光纤不能直接使用，是脆性破坏材料，没有达到实际使用强度的要求，拉伸和弯曲阻力差。 由于制造工艺不完善，光纤的强度进一步降低。 为了保护光纤表面，提高拉伸强度和弯曲强度，对光纤进行了复盖和复盖

16、处理。 国内关系情况，光纤母棒生产企业有5家：长飞、猎鹰胜光子、烽火通信、杭州富通和特恩松弛，5家生产能力2000万公里/年。 光纤拉丝生产企业有长飞、上海光纤、南京华新藤仓、深圳特发、成都中住、杭州富通、猎鹰胜光子、西古、烽火通信、大天财、特恩松弛、亨通阿尔法、中天科技、情人节光纤、富春江、上海华源、山东太平洋、海南韩国三星国内市场对光纤产品的需求： 2010年中国市场光纤需求为1449.7万公里。 如果中国市场的光纤产品的供给超过需求，市场竞争也将加剧。 外皮与拉丝技术同时进行。 下拉光纤时，光纤表面的微裂纹不与空气中的水分等反应或扩大，迅速被复以保护光纤表面。 包复材料一般为有机硅树脂和丙烯酸树脂系材料。 通常，被复层为2层以上，其中1层是折射率比石英玻璃稍大的改性有机硅树脂，用于吸收透过被复层的光。 外侧的第二层是普通的有机硅树脂，而且涂层很厚。 光纤包层和护套，2.5光缆_57348； 2.5