《现代光纤通信技术及应用》课件 第2章　光纤与光缆

现代光纤通信技术及应用第2章光纤与光缆目录CATALOG010203042.1光纤的结构与制备工艺2.2光纤的分类及传输原理2.3常用于光纤通信系统的几种光纤2.4光缆2.1光纤的结构与制备工艺PART012.1.1光纤的结构2.1.2光纤的制备工艺12内容2.1.1光纤的结构光纤是一种高度透明的玻璃丝，由纯石英经复杂的工艺拉制而成。光纤中心部分(芯Core)＋同心圆状包裹层(包层Clad)＋涂覆层特点：ncore>nclad

光在芯和包层之间的界面上反复进行全反射，并在光纤中传递下去。芯包层涂覆层2.1.1光纤的结构2.1.1光纤的结构类别项目单位技术规范

传

输

性

能1310nm衰减dB/km≤0.361550nm衰减dB/km≤0.22衰减不连续性dB≤0.05衰减波长特性dB/km≤0.05衰减不均匀性dB≤0.05零色散波长范围nm1300~1324零色散斜率ps/(nm2.km)≤0.0931288-1339nm色散系数ps/(nm.km)≤3.51271-1360nm色散系数ps/(nm.km)≤5.31550nm色散系数ps/(nm.km)≤18偏振模色散(PMD)ps/km≤0.3截止波长nm≤1260宏弯损耗(1550nm,1625nm)dB37.5半径松绕100圈，≤0.5光纤参数表单尺

寸

参

数1310nm模场直径μm9.2±0.5包层直径μm125±1芯/包层同心度误差μm≤0.8包层不圆度%≤2涂覆层直径(未着色)μm245±10包层/涂覆层同心度误差μm≤12机

械

性

能筛选应变%1.0抗拉强度10m长度最低强度Weibull概率水平：2.76GPa(15%)光纤动态疲劳参数nd/≥20光纤翘曲半径m≥4光纤涂层剥离力N2~8环

境

性

能温度特性(-60℃~+85℃)在1310nm和1550nm波长允许附加衰减≤0.05dB/km浸水性能(23±2℃,30天)湿热性能(85±2℃,85%以上相对湿度，30天)热老化性能85±2℃，30天2.1.1光纤的结构光纤参数表单2.1.2光纤的制备工艺制造石英光纤的工艺流程如图图制造石英光纤的工艺流程2.1.2光纤的制备工艺各种不同的结构、特性参数和折射率分布的光纤，可分别用于不同的场合。纤芯和包层都用石英作为基本材料，折射率差通过在纤芯和包层进行不同的掺杂来实现。纤芯掺入GeO2或P205

折射率包层掺入F或B203

折射率2.1.2光纤的制备工艺石英玻璃在高达10000C的温度时不易变形；石英的热膨胀系数很低，所以耐热冲击；石英玻璃具有很好的化学稳定性，并且在可见光区域和红外区域具有很高的透明度。石英玻璃的熔解温度过高是一缺点，因为材料难以制备。2.1.2光纤的制备工艺用气相沉积法制作具有所需折射率分布的预制棒（典型预制棒长1m,直径2cm）使用精密馈送机构将预制棒以合适的速度送入炉中加热成缆--光缆预制棒制作技术－改进的化学气相沉积法（MCVD）、等离子体化学气相沉积法（PCVD）、棒外气相沉积法（OVD）和轴向气相沉积法（VAD）2.1.2光纤的制备工艺制造光纤预制棒的MCVD流程示意图2.1.2光纤的制备工艺OVPO2.1.2光纤的制备工艺VAD2.1.2光纤的制备工艺MCVD2.1.2光纤的制备工艺PMCVD2.1.2光纤的制备工艺PCVD2.1.2光纤的制备工艺光纤拉丝装置示意图2.2光纤的分类及传输原理PART022.2.1光纤的分类2.2.2

光线理论和波动理论2.2.3

带宽和色散2.2.4

光纤的损耗1234内容52.2.5

光纤中的非线性效应2.2.1光纤的分类1.按光纤横截面的折射率分布可分为阶跃和渐变折射率光纤图

单模阶跃折射率光纤的折射率分布及光线传播路径2.2.1光纤的分类1.按光纤横截面的折射率分布可分为阶跃和渐变折射率光纤图

多模阶跃折射率光纤的折射率分布及光线传播路径2.2.1光纤的分类1.按光纤横截面的折射率分布可分为阶跃和渐变折射率光纤图

多模渐变折射率光纤的折射率分布及光线传播路径2.2.1光纤的分类2.按光纤中传导模式的数量可以分为单模光纤和多模光纤

单模光纤是指光纤中只有一种传导模式（基模）。纤芯直径为4～10μm，包层直径为125μm。单模光纤适合长距离、大容量传输。

多模光纤是指光纤中可以存在多个传导模式。纤芯直径为50μm，横截面的折射率分布多为渐变型，包层直径为125μm。其适合中距离、中容量传输。

单模光纤和多模光纤概念是相对的。光纤中传导模式的数量取决于光纤的工作波长、光纤横截面折射率的分布和结构参数。对于一根确定的光纤，当工作波长大于光纤的截止波长时，光纤只能传输基模，为单模光纤，否则为多模光纤。2.2.1光纤的分类3.按光纤的材料可以分为石英光纤和全塑光纤

石英光纤一般是指由掺杂石英芯和掺杂石英包层组成的光纤。这种光纤有很低的损耗和中等程度的色散。目前，通信用光纤绝大多数是石英光纤。

全塑光纤是一种通信用新型光纤，尚处于研制、试用阶段。全塑光纤具有损耗大、纤芯粗（直径100～600μm）、数值孔径（NA）大（一般为0.3～0.5，可与光斑较大的光源耦合使用）及制造成本较低等特点。目前，全塑光纤适合于短距离的应用，如室内计算机连网和船舶内的通信等。2.2.1光纤的分类4.按光纤套塑层可分为紧套光纤和松套光纤紧套光纤，即光纤被套管紧紧箍住；松套光纤，即护套为松套管，光纤可以在其中活动。2.2.2光线理论和波动理论1.光线理论光线理论又称几何光学法，即当光波波长远小于光纤的横向尺寸时，光可以用一条表示光波传播方向的几何线来表示。2.2.2光线理论和波动理论1.光线理论（反射定律）（折射定律）（c）（全反射定律）2.2.2光线理论和波动理论1.光线理论综上所述，全反射的条件是2.2.2光线理论和波动理论1）光在阶跃型光纤中传输时的特性代表光纤接收光的本领

越大越好吗？

不！点解？2.2.2光线理论和波动理论1）光在阶跃型光纤中传输时的特性（2）阶跃型光纤中的子午线及导波分析图子午线在阶跃型光纤中的传输2.2.2光线理论和波动理论1）光在阶跃型光纤中传输时的特性（2）阶跃型光纤中的子午线及导波分析2.2.2光线理论和波动理论1）光在阶跃型光纤中传输时的特性（2）阶跃型光纤中的子午线及导波分析2.2.2光线理论和波动理论1）光在阶跃型光纤中传输时的特性（3）数值孔径2.2.2光线理论和波动理论2）光在阶渐变型光纤中传输时的特性（1）相对折射率差2.2.2光线理论和波动理论2）光在阶渐变型光纤中传输时的特性（2）最佳折射率分布2.2.2光线理论和波动理论2）光在阶渐变型光纤中传输时的特性（3）数值孔径2.2.2光线理论和波动理论2.波动理论波动理论（波动光学方法）把光波当作电磁波，把光纤看作光波导，用电磁场分布的模式来解释光在光纤中的传播现象2.2.2光线理论和波动理论2.波动理论麦克斯维方程：在光纤中，则上式可以变换为矢量亥姆霍兹方程：Maxwell方程2.2.2光线理论和波动理论2.波动理论一、一般情况下的电磁场与谐波模式之间的关系？二、什么是矢量解？什么是标量解？二者的关系是什么？三、什么是TE、TM模式？什么是HE、EH模式？它们与本征值方程的关系是什么？2.2.2光线理论和波动理论2.波动理论对于正规光波导，其谐波模式正交完备，实际光场可以在其中展开：在量子力学中，P、q是算符，可以通过海森堡运动方程求解。在经典理论中其代表能量光信号的慢变包络。（多模时，模式能量分配可以通过pl、ql的耦合方程来求解）电磁场量子化矢量模和标量模（LP）传输模式矢量模式标量模式（LP）LP模式LP模式可分为两组一个实际模式可为X偏振Y偏振弱导近似为什么有LP？矢量模如何求解？一、解耦二、分离变量三、本征值方程由边界连续条件解耦解耦2.2.2光线理论和波动理论2.波动理论分离变量

=0

=1

=2

表征电磁场在圆周方向变化一周出现的极大值的对数。出现两对极大值出现一对极大值2.2.2光线理论和波动理论2.波动理论分离变量

=0

=1

=2

表征电磁场在圆周方向变化一周出现的极大值的对数。出现两对极大值出现一对极大值2.2.2光线理论和波动理论2.波动理论2.2.2光线理论和波动理论2.波动理论=0TE模：A=C=0TM模：B=D=0Ez、Hz解耦“-”对应于HE，“+”对应于EH弱导时2.2.2光线理论和波动理论2.波动理论Ez=0对应的模叫做横电模（TE模）；Hz=0对应的模叫做横磁模（TM模）；若Ez和Hz都不为零，则称为混合模。混合模依据横向场中Ez和Hz的分量哪个更强，分为HE模和EH模;光纤可以被看作是一个弱柱形波导结构,HE-EH模成对出现,且它们的传播常数基本相等，称为简并模;具有相同传播常数的简并模，可用线偏振模（LP模）表示=0截止条件=122时的值是弱导情况下的=12截止条件2时的值是弱导情况下的标量模式本征值方程LP01LP02LPm

中的m表示沿半径方向的极大值个数截止条件2.2.2光线理论和波动理论2.波动理论两类射线子午光线斜光线2.2.2光线理论和波动理论2.波动理论TE、TM模式(子午线)HE、EH模式（斜光线）：Ez大的称EH模式，Hz大的称HE模式。导波模式的传播常数满足：2.2.2光线理论和波动理论2.波动理论确定传输模式的参数。可由波动方程导出。

归一化频率V：a为纤芯半径，为光波波长，为折射率差。参量V决定了光纤中能容纳的模式数量。如果V<2.405，则它只容纳单模——单模光纤。模式:每一个传输常数对应着一种可能的光场分布--模式2.2.2光线理论和波动理论2.波动理论模折射率（有效折射率）：单模光纤的截止波长：使得V=2.405时的光波长.一个模式是由它的传播常数

唯一确定的.由可引入一个很有用的量.2.2.2光线理论和波动理论2.波动理论V与传播模式总量M的关系当V接近截止值时，这个模式有较多的能量进入包层，如果远离截止点时，V较大，则V大？2.2.2光线理论和波动理论WG是电场分布的半宽度，2WG是模场直径的全宽度。模场直径E(r)代表LP01模的场分布2.2.3带宽和色散1.

带宽2.2.3带宽和色散2.

色散

光纤色散：光纤所传输的信号是由不同频率成分和不同模式成分所携带的，不同频率成分和不同模式成分的传输速度不同所导致的信号畸变。

色散可分为模式色散、材料色散和波导色散3种2.2.4光纤的损耗2.2.5光纤中的非线性效应1.受激散射效应2.光纤折射率随光强变化光纤折射率随光强变化主要引起三种非线性效应：自相位调制（SPM）、交叉相位调制（XPM）和四波混频（FWM）2.3常用于光纤通信系统

的几种光纤PART032.3.1G.652标准单模光纤2.3.2G.653色散位移光纤2.3.7

色散补偿光纤2.3.4

G.655非零色散光纤1234内容52.3.5

G.656宽带全波光纤672.3.3G.654衰减最小光纤2.3.6G.657接入网光纤2.3.1G.652标准单模光纤 2.3.2G.653色散位移光纤 2.3.3G.654衰减最小光纤 2.3.4G.655非零色散光纤 2.3.5G.656宽带全波光纤2.3.6G.657接入网光纤。2.3.7色散补偿光纤SMF,G.652,标准单模光纤DSF,G.653,色散位移光纤NZ-DSF,G.655,非零色散位移光纤DFF,

色散平坦光纤