光纤及光缆基础知识培训

1、光通信史,光纤通信原理,光纤的结构,光 纤,光纤的分类,光纤的基本参数,光纤的制造方法,光纤的演变,光通信史,广义的光通信：存在于我们的日常生活中，无处不在，无时不在。 旅游、观光 电影、电视,狭义的光通信：是指人类有意识地利用光作为传递信息的手段。 古代的烽火台 现代的交通信号灯、航海灯塔等等,光通信史,法国人Claude Chappe 第一个建立光电报系统。,1790,美国人 Alexander Graham Bell 发明了光电话。,1880,人类发明了新的光源 ：激光。,1958,华裔科学家：高锟博士从理论上预言玻璃纤维是理想的光波导。,1966,康宁公司成功开发出衰减小于20dB/k

2、m的商用光纤。,1970,光通信史上的几个里程碑,光纤通信原理,光纤通信原理,光 信 号,发 射 接 收,接 收 发 射,通信系统的原理框图,光,光,光,光,信号处理,信号处理,光纤通信原理,线路中继,线路中继,传输线路的基本组成,传输介质,线路中继,光纤通信原理,入射光线,反射光线,入射光线,1=2,传输介质：光纤,光的反射和折射定律 光在传输过程中，在两种不同的传输介质的界面将产生以下行为： 一部分入射光将被反射 一部分入射光将进入第二种介质，产生折射,n1Sin1=n2Sin2,折射光线,光纤通信原理,折射率 n光在真空中的传播速度/光在该介质中的传播速度,全反射： 当n1n2时，随着入

3、射角的不断增加，当入射角达到某一值时，折射角达到90oC，我们把此时的入射角称为临界角0 。当入射角大于临界角时，将发生全反射。,介质1,介质2,根据折射定律，我们可以求出临界角，此时290o。即 n1Sin0=n2Sin90o 所以 Sin0=n2/n1,光纤通信原理,传输介质：光纤,光纤通信正是利用了全反射原理，当光的注入角满足一定条件时，光便能在光纤(光波导)内形成全反射，从而达到长距离传输的目的。,光纤中心轴线,0,90- 0,空气 n0 1,传输介质：光纤,光纤通信原理,包 层,光纤的结构,纤芯,涂,层,按材料分类：,二氧化硅系光纤,多组份光纤,塑料光纤,光纤的分类,用于通信，如：光

4、缆,用于传感器，如：光纤陀螺,用于传输图像，如：内窥镜,其它用途，如用于传输能量,按用途分类：,光纤的分类,光纤的分类,按传输模式分类：,多模光纤：根据电磁波的传播理论，通过解麦克斯韦方程， 可以求出光波在该类光纤中是以多种模式(振动状 态)向前传播的。它包括LP01、LP11、LP02、LP12、 LP21、LP22等等。 单模光纤：光波在该类光纤中只以基模LP01的振动方式向前 传播。,a,a,r,a,a,r,LP01,LP11,LP02,多模光纤,单模光纤,按传输模式分类：,光纤的分类,几何尺寸参数,光学及传输特性参数,机械特性参数,光纤的基本参数,环境特性参数,几何尺寸参数,dx,dy

5、,R,光纤的基本参数,纤芯直径,纤芯/包层同心度偏差,包层外径(d=dx+dy/2),包层不圆度(|dmax-dmin|/d),涂层外径,包层/涂层同心度偏差,光纤翘曲度R,光纤几何尺寸参数典型值,纤芯直径(多模光纤)：,纤芯直径(单模光纤)：,纤芯/包层同心度：,包层外径：,包层不圆度：,涂层外径：,包层/涂层同心度：,62.5/50m,810m,1.0m,125m1m,1%,245m5m,12m,光纤翘曲度：,4m,光纤的基本参数,光纤的基本参数,几何尺寸的精度对光纤的影响,光纤的接续损耗,光纤的PMD值,光纤纤芯 光纤芯径 8 m ，错位 2 m 导致 0.7 db衰减,纤芯轴向夹角 纤

6、芯有 1 夹角，导致 0.45 dB 接头损耗,光纤端面倾斜 倾角 1 时，导致 0.2 dB 接头损耗,光纤芯径不同 芯径相差 10%，损耗增加 0.01 dB,光缆接续,光纤对接续影响,如果光纤芯径 8 m ，错位 2 m 导致 0.7 db衰减 如果要求接头损耗 0.1 dB，纤芯错位一定要 0.8 m,2 m,光纤纤芯：,光纤1,光纤2,光缆接续,纤芯有 1 夹角，导致 0.45 dB 接头损耗 如果要求接头损耗 0.1 dB，纤芯夹角应 0.3 ,纤芯轴向夹角：,1 ,光纤1,光纤2,光缆接续,倾角 1 时，导致 0.2 dB 接头损耗,光纤端面倾斜：,1 ,光纤1,光纤2,光缆接续

7、,芯径相差 10%，损耗增加 0.01 dB,光纤芯径不同：,光纤1,光纤2,光缆接续,光学及传输特性参数,衰减系数,色散系数,截止波长,弯曲损耗,偏振模色散,模场直径,光纤的基本参数,光学及传输特性参数,模场直径： 高斯分布的单模光纤，模场直径是光场幅度分布1/e处各点所围成圆的直径，也等于光功率分布1/e2处各点所围成圆的直 径。,光纤的基本参数,衰减系数 10log(P0/PL)/L 这里；P0 输入光功率 PL 经过L长度的光纤后的输出光功率 L 传输距离,P0,PL,光学及传输特性参数,光纤的基本参数,光学及传输特性参数,光纤的基本参数,光纤衰减的来源：,瑞利散射,在红外、紫外区玻璃

8、的固有吸收,杂质(OH-离子和过渡金属离子)吸收,光纤结构不完善所产生的辐射和散射,光学及传输特性参数,OH-吸收峰：1383nm (又称为：水峰),光纤的基本参数,单模光纤的典型谱衰耗,1310,1550,0.36 0.20,光纤的基本参数,光纤的本征衰减由以下几项组成： 由于纤芯折射率的微小变化所产生的瑞利散射(与波长的四次方成反比) 在红外、紫外区玻璃的固有吸收 杂质(OH离子和过渡金属离子)吸收 光纤结构不完善所产生的辐射和散射 光纤的附加损耗： 弯曲损耗 宏弯损耗 微弯损耗 氢损,光纤的基本参数,色散：,不存在色散时：,存在色散时：,色散系数： 色散：原义指折射率等物理常数随频率(波

9、长)而变化的现象。光纤的“色散”则是指由于各种因素而使传输常数发生变化的现象。,光学及传输特性参数,光纤的基本参数,模式色散,材料色散,波导色散,光纤的基本参数,光纤色散包括以下几部分： 模式色散(仅发生在多模光纤上) 材料色散(光纤材料的折射率与波长相关) 结构色散(波导结构与模群的传播速度有关) 对于多模光纤，其各部分色散的大小关系如下： 模式色散材料色散结构色散 对于多模光纤，可以通过设计合理纤折射率分布大 大减小模式色散。,光学及传输特性参数,光纤的基本参数,模式色散：传输常数随传输模的不同而变化。 模式色散只发生在多模光纤上。,R,n,R,n,阶跃折射率分 布的多模光纤,渐变折射率分

10、 布的多模光纤,光学及传输特性参数,光纤的基本参数,材料色散：由于材料的折射率随波长变化而 导致的传输常数的变化。,光学及传输特性参数,光纤的基本参数,波导色散：由于波导结构引起的传输常数的 变化。,1,21,r,r,光学及传输特性参数,光纤的基本参数,模式 色散,材料 色散,波导 色散,8,4,-4,0,1200,-8,1800,1400,1500,1600,1700,1,3,2,nm,1非色散位移光纤 2色散位移光纤 3色散平坦光纤 4 非零色散位移光纤,不同光纤的色散曲线,光纤的基本参数,4,D,弯曲损耗： 宏弯损耗：是指光纤在以远远大于光纤外径的曲率半径 弯曲时，所引入的附加损耗。 微

11、弯损耗：是指光纤受到不均匀应力的作用，光纤轴产 生的微小不规则弯曲所引入的附加损耗。,光纤的基本参数,光学及传输特性参数,偏振模色散： 基模包含两个正交的矢量，这两个偏振矢量在传播过程中会产生时延差，从而引入偏振模色散,光纤的基本参数,光学及传输特性参数,光学及传输特性参数典型值,衰减系数：,色散系数：,截止波长：,弯曲损耗：,偏振模色散：,1310nm波长处：0.36dB/km 1550nm波长处：0.22dB/km,1310nm波长处： 0ps/(nmkm) 1550nm波长处：18ps/(nmkm),cc1260nm,以75mm为直径松绕100圈1550nm波长处附加衰减：0.05dB,

12、PMD0.2ps/(km)1/2,模场直径：,1310nm: 8-10m; 1550nm: 9-11m,光纤的基本参数,机械特性参数,光纤筛选应力水平,光纤抗张强度,光纤动态疲劳参数,光纤静态疲劳参数,筛选应力：0.69GPa 持续时间：1s,典型值：500kpsi,nd 20,ns 20,光纤的基本参数,光纤温度衰减特性,光纤浸水性能,光纤老化性能,环境性能参数,-60oC+85oC下附加衰减： 0.05dB/km,23oC下，浸水14天后附加衰 减：0.05dB/km,温度湿度衰减特性,-10oC+85oC，98%RH下附加衰减： 0.05dB/km,85oC下老化一个月后附加衰 减：0.

13、05dB/km,光纤的基本参数,制造光纤的基本化学反应式如下： SiCl4 + O2 = SiO2 + 2Cl2 GeCl4 + O2 = GeO2 + 2Cl2,其工艺流程如下：,制棒,脱水,烧缩,抛光,拉丝,筛选、复绕,光纤的制造方法,根据预制棒生产方式的不同，光纤制造方法可分为以下四种：,改进的化学气相沉积法(MCVD),等离子激活化学气相沉积法(PCVD),光纤的制造方法,管外气相沉积法(OVD),轴向气相沉积法(VAD),光纤的制造方法,拉丝： 高洁净度 氮气保护 高速涂覆 快速冷却,光纤的制造方法,光纤的演变,多模光纤,单模光纤,工作波长：,850nm,1310nm,1550nm,

14、1310&1550nm,15301565/1625nm,12601625nm,单模光纤的演变,G.652光纤,G.653光纤,G.654光纤,G.655光纤,最成熟的单模光纤，但未把最小的衰减与最小的色散有效的结合在一起。,过渡性的单模光纤，通过对光纤的截止波长进行位移而获得极低的衰减。,过渡性的单模光纤，把零色散点移到了衰减最小的波长。,一种新型的单模光纤，把最小的衰减与小的色散结合在一起。,光纤的演变,ITU-T G.652光纤,短距离大容量传输系统,A类G.652光纤,B类G.652光纤,C类G.652光纤,普通容量传输系统,高速率传输系统(10Gb/s),粗波分复用传输系统,G.652

15、光纤的特点,最成熟的一种单模光纤 最小的衰减窗口与最小色散窗口分离,光纤的演变,高速率大容量传输系统,ITU-T G.655光纤,长途陆地系统,长途海底系统,城域网系统,如：Corning的Leaf光纤， Lucent的TrueWave RS光纤,如：Corning的Submarine Leaf光纤 Lucent的TrueWave XL光纤,如：Corning的MetroCor光纤,G.655光纤的特点,最新的一种单模光纤；充分利用C/L波段衰减小和其为EDFA工作波段的特点；较小的色散有利于高速传输，同时又能有效抑制非线性效应,光纤的演变,光缆的设计,光缆的结构,光缆的制造,光缆的分类,光

16、缆,几种常用光缆,目的：为光纤提供足够的保护,正确设计光缆结构，精确控制光纤余长,光缆设计中应着重考虑的问题,避免光纤受到应力作用 消除光纤的宏弯与微弯损耗,解 决 之 道,光缆的设计,层绞式光缆余长 由绞合节距确定,中心束管式光缆 余长由螺旋产生,光缆的设计,受张力时，套管伸长。 Elongation of the tubes by tension.,低温状态下套管收缩。 Shrinkage of the tubes under low temperature,光纤/ fibre,理想的光纤位置。 Ideal fibre position.,光缆的设计,受张力时， 套管伸长。,室温， 无张力

17、。,低温状态下 套管收缩。,光缆的设计,按使用环境分类,室外光缆 管道光缆 架空光缆 直埋光缆 水下光缆 海底光缆,室内光缆 数据光缆 配线光缆 设备光缆 控制光缆 应急光缆,光缆的分类,按网络分类,长途干线网用光缆 连接各大城市，长度可达数千公里,光缆的分类,按网络分类,本地网用光缆 连接大城市及其周边地区，长度可达百公里以上,光缆的分类,按网络分类,接入网用光缆 连接中心交换局与最终用户，又称为通信的最后一公里。,FTTC,FTTB,FTTH,光缆的分类,按缆芯结构分类,层绞式结构,中心管式结构,骨架式结构,光缆的分类,按光纤单元分类,单纤光缆：,采用散纤或光纤束作为基本的光纤单元 可采用

18、中心管式，层绞式或骨架式结构 用于长途和本地网以及局间中继,光纤带光缆：,采用光纤带作为基本的光纤单元 可采用中心管式，层绞式或骨架式结构 用于接入网或局间中继,光缆的分类,光缆的分类,按敷设方式分类,管道式光缆,架空式光缆,直埋式光缆,水底式光缆,海底式光缆,光缆的分类,按特殊性分类,普通要求光缆,特殊要求光缆,全非金属光缆,阻燃光缆,防白蚁光缆,光缆的结构,光缆的基本结构组成,加强件,钢丝、FRP、芳纶等等,光纤单元,光纤、光纤束、光纤带,缆芯,层绞式、中心管、骨架,护套,铝塑、钢塑、钢丝护套,上 色,在无色的一次涂覆光纤外着上一层颜色，以便于识别不同的光纤。按照国际标准，共有12种标准颜

19、色，分别为： 兰、桔、绿、棕、灰、白、红、黑、黄、紫、粉红、青绿,光缆的制造,束 纤,当同一套管中的光纤数目超过12根时，须采用不同颜色的纱线把一定数量不同颜色的光纤(不超过12根)扎成一束，以便光纤于识别,光缆的制造,成 带,12芯光纤带,针对需要极大芯数光缆的应用，先把一定数量的光纤通过成带工序制成光纤带，再以光纤带为基本单元制成光缆，以提高光缆的封装密度。,光缆的制造,套 塑,在光纤外挤上一层套管，并使光纤松驰地置于套管中，套管内填充胶状的油膏。,光缆的制造,成 缆,把一定数量的松套管以一定的节距绞在中心加强件上以制成层绞式光缆的缆芯,光缆的制造,护 套,架空、管道式光缆,直埋式光缆,水

20、下光缆,根据运用环境的不同，分别在缆芯上加上金属挡潮层或金属铠装层或非金属加强层以及内外护套,光缆的制造,几种常用的光缆,中心加强钢丝 central steel wire,双层松套管 double layer buffer tube,填充纤膏 filling compound,包带 wrapping tape,阻水油膏 flooding compound,双面涂塑铝带 aluminum tape,PE外护套 PE jacket,光缆型号：GYTA 2-216 使用场合：管道、架空,几种常用的光缆,中心加强钢丝 central steel wire,双层松套管 double layer buf

21、fer tube,填充纤膏 filling compound,包带 wrapping tape,阻水油膏 flooding compound,双面涂塑钢带 corrugated steel tape,PE外护套 PE jacket,光缆型号：GYTS 2-216 使用场合：管道、架空,几种常用的光缆,非金属中心加强件 FRP,双层松套管 double layer buffer tube,填充纤膏 filling compound,阻水油膏 flooding compound,芳纶纱 aramid yarn,PE外护套 PE jacket,光缆型号：GYFTY 2-216 使用场合：强电场地区管

22、道、架空,几种常用的光缆,中心加强钢丝 central steel wire,填充纤膏 filling compound,包带 wrapping tape,阻水油膏 flooding compound,双面涂塑铝带 aluminum tape,PE内护套 inner PE jacket,轧纹钢带 corrugated steel tape,PE内护套 inner PE jacket,铠装钢丝 armoring steel wire,PE外护套 outer PE jacket,光缆型号：GYTA5333 2-216 使用场合：水下、爬坡,双层松套管 double layer buffer tub

23、e,几种常用的光缆,钢绞线 stranded steel wire,双层松套管 double layer buffer tube,填充纤膏 filling compound,包带 wrapping tape,阻水油膏 flooding compound,双面涂塑钢带 corrugated steel tape,PE外护套 PE jacket,吊带 hanging belt,中心加强钢丝 central steel wire,光缆型号：GYTC8S 2-144 使用场合：自承式架空,光缆型号：GYDXTW 12-600 使用场合：管道、架空,几种常用的光缆,双面涂塑轧纹铝带,光缆型号：GYDTA 6-288 使用场合：管道、架空,几种常用的光缆,几种常用的光缆,双面涂塑轧纹铝带,12 芯光纤带,光纤油膏,光纤带松套管,加强钢丝,填充阻水油膏,PE外护套,撕裂绳,无纺布包带,光缆型号：GYDTA 12-432 使用场合：管道、架空,光通信技术的发展趋势,光纤,光缆,中继,传输,交换,网络,针对不同运用进行优化,芯数不断增加，越来越靠近用户,传统的电中继向光中继转化,时分复用及波分复用走向商用,传统的电路交换向光交换演变,网络向智能全光网方向发展,光缆