1、 第2章光纤与光缆010203042.1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PART 012.1.1光纤的结构2.1.2光纤的制备工艺内容2.1.1光纤的结构n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。n光纤中心部分(芯Core)同心圆状包裹层(包层Clad)涂覆层n特点：ncorenclad 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。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/km0.361550nm衰减dB/km0.22衰减不
2、连续性dB0.05衰减波长特性dB/km0.05衰减不均匀性dB0.05零色散波长范围nm13001324零色散斜率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/km0.3截止波长nm1260宏弯损耗(1550nm,1625nm)dB37.5半径松绕100圈，0.5光纤参数表单光纤参数表单尺寸参数1310nm模场直径m9.20.5包层直径m1251芯/包层同心度误差m0.8包层不圆度%2涂覆层直径(未着色)m24510包层/涂覆
3、层同心度误差m12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m4光纤涂层剥离力N28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(232,30天)湿热性能(852,85%以上相对湿度，30天)热老化性能852，30天2.1.1光纤的结构光纤参数表单光纤参数表单2.1.2光纤的制备工艺制造石英光纤的工艺流程如图图图制造石英光纤的工艺流程制造石英光纤的工艺流程2.1.2光纤的制备工艺n各种不同的结构、特性参数和折射率分布的光纤，各种不同的结构、特性
4、参数和折射率分布的光纤，可分别用于不同的场合。可分别用于不同的场合。n纤芯和包层都用石英作为基本材料，折射率差通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。过在纤芯和包层进行不同的掺杂来实现。n纤芯掺入纤芯掺入GeOGeO2 2或或P P2 20 05 5 折射率折射率 n包层掺入包层掺入F F或或B B2 20 03 3 折射率折射率 2.1.2光纤的制备工艺石英玻璃在高达石英玻璃在高达100010000 0C C的温度时不易变形；石英的热膨胀的温度时不易变形；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系数很低，所以耐热冲击；石英玻璃具有
5、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。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n用气相沉积法制作具有所需折射率分布的预制棒（典型用气相沉积法制作具有所需折射率分布的预制棒（典型预制棒长预制棒长1m,1m,直径直径2cm2cm）n使用精密馈送机构将预制棒以合适的速度送入炉中加热使用精密馈送机构将预制棒以合适的速度送入炉中加热n成缆成缆-光缆光缆n预制棒制作技术预制棒制作技术 改进的化学气相沉积法（改进的化学气相沉积法（MCVDMCVD）、等离
6、子体化学气）、等离子体化学气相沉积法（相沉积法（PCVDPCVD）、棒外气相沉积法（）、棒外气相沉积法（OVDOVD）和轴向气）和轴向气相沉积法（相沉积法（VADVAD）2.1.2光纤的制备工艺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2.2 光纤的分类及传输原理PART 022.2.1 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光纤的损耗内容2.2.5光纤中的非线性效应2.2.1 光纤的分类图图单模阶跃折射率光纤的折射率分布及
7、光线传播路径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 光纤的分类图图多模阶跃折射率光纤的折射率分布及光线传播路径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 光纤的分类图图多模渐变折射率光纤的折射率分布及光线传播路径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 单模光纤是指光纤中只有一种传导模式（基模）。纤芯直径为410m，包层直径为125m。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50m，横截面的折射率分布多为渐变型，包层直径为125m。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
8、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 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100600m）、数值孔径（NA）大（一般为0.30.5，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 光纤的分类紧
9、套光纤，即光纤被套管紧紧箍住紧套光纤，即光纤被套管紧紧箍住；松套光纤松套光纤，即护套为松套管，光纤可以在其中活动。，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 光线光线理论又称几何光学法，即当光波波长理论又称几何光学法，即当光波波长远小远小于光纤的横向尺寸时，光可以用一条表示光波传播方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。向的几何线来表示。2.2.2光线理论和波动理论111122sinsinnn（反射定律）（反射定律）（折射定律）（折射定律）（c）1C2sinnn（全反全反射射定律）定律）2.2.2光线理论和波动理论综上所述，全反射的条件是综上所
10、述，全反射的条件是C12190nn 2.2.2光线理论和波动理论越大越好吗？不！点解？点解？2.2.2光线理论和波动理论（2 2）阶跃型光纤中的子午线及导波）阶跃型光纤中的子午线及导波分析分析图子午线在阶跃型光纤中的传输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2i11arcsinnn（2 2）阶跃型光纤中的子午线及导波）阶跃型光纤中的子午线及导波分析分析2.2.2光线理论和波动理论（2 2）阶跃型光纤中的子午线及导波）阶跃型光纤中的子午线及导波分析分析2.2.2光线理论和波动理论（3 3）数值孔径数值孔径2.2.2光线理论和波动理论（1 1）相对折射率差）相对折射率差2.2.2
11、光线理论和波动理论（2 2）最佳）最佳折射率分布折射率分布2.2.2光线理论和波动理论（3 3）数值孔径）数值孔径222NA()()()2rn rnn r2.2.2光线理论和波动理论波动理论波动理论 （波动光学方法）（波动光学方法）把光波当作把光波当作电磁波电磁波，把光纤看作光波导，用电磁场分布的，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n麦克斯维方程：n在光纤中 ，则上式可以变换为矢量亥姆霍兹方程：E00BtHDtDB 220222021t1EEEHHHt Maxwell方程方程002.2.2光线理论和波动理论一
12、、一般情况下的电磁场与谐波模式之间的关系？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？二、什么是矢量解？什么是标量解？二者的关系是什么？三、什么是三、什么是TETE、TMTM模式？什么是模式？什么是HEHE、EHEH模式？模式？它们与本征值方程的关系是什么？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对于正规光波导，其谐波模式正交完备，实际光场可以对于正规光波导，其谐波模式正交完备，实际光场可以在其中展开：在其中展开：1(,)()()1(,)()()llllllE r tp t ErH r tq t Hr 在量子力学中，P、q是算
13、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，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模式能量分配可以通过pl、ql的耦合方程来求解）的耦合方程来求解）电磁场量子化电磁场量子化矢量模和标量模（LP）(,)jzEex y eHhtztzeeehhhtrtreeehhhtxytxyeeehhh传输模式传输模式矢量模式矢量模式标量模式（标量模式（LP）LP模式模式0,yzxyzeehhh,0,xzxyzeehhh1212xzyzeeeeeabhhhLPLP模式可分为两组模式可分为两组一个实际模式可为一个实际模式可为X偏振偏振Y偏振偏振
14、弱导近似弱导近似为什么有为什么有LP？()yzxzxzyztztzrzrzrzrzrzrzeehhLPeehheeeeTErhhhhheeeeeTMhhhheeeHE EHhhh 矢量模、矢量模如何求解矢量模如何求解？,rzrzeeehhh()()()zjtzzeAF r Feh一、解耦一、解耦二、分离变量二、分离变量三、本征值方程三、本征值方程由边界连续条件由边界连续条件解耦解耦解耦解耦2.2.2光线理论和波动理论分离变量分离变量222()d Fd()jFe()1F()cosF()cos2F=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。表征电磁场在圆周方向变化一周出现的极大值
15、的对数。出现两对极大值出现两对极大值出现一对极大值出现一对极大值2.2.2光线理论和波动理论分离变量分离变量222()d Fd()jFe()1F()cosF()cos2F=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。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两对极大值出现一对极大值出现一对极大值2.2.2光线理论和波动理论222222221100122002;kk n kk n jtzjz22222101AJurukk neee2jtzjz22222202CKwrkk neeew2 jtzjzjtzjzB JurD Kw rheehee2.2.2光线理论
16、和波动理论0012000000()()00()()00000()()00()()JuaKw aAjjJuaKw aCuwBJuaKw aDjjJuaKw auw 000FK2210200kkFK=0TE模：模：A=C=0TM模：模：B=D=0E Ez z、H Hz z解耦解耦222122211kauwk FKFK0时22222222222111111(1)(1)44()()22/nnnnuwuwn n nFKKK“-”对应于对应于HE，“+”对应于对应于EH2211()1uwn FK弱导时弱导时2.2.2光线理论和波动理论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
17、）；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22112111000000()()0()()()()0()()mmJuaKk Juak Kw auJuaw auJuaw Kw aaTTwEw KM=00()0Jua截止条件截止条件01010202030304042.405,5.5208.65411.792TETMTETMTETMTETM、，、=12111()0,mmJ uaHEEH、2112
18、2()0,1()(),1mmJ uaEHnuaJuaJ ua HEn1112132122233.8327.01610.1735.1368.41711.620EHEHEHEHEHEH，311112132122303.8327.0162.4055.20.832HEHEHEHEEHEH，2 2时的值是弱导情况下的时的值是弱导情况下的=12111()0,mmJu aH EE H、21122()0,1()(),1mmJu aE Hnu aJu aJu aH En截止条件截止条件1 11 21 32 12 22 33.8 3 27.0 1 61 0.1 7 35.1 3 68.4 1 71 1.6 2 0
19、E HE HE HE HE HE H，3 11 11 21 32 12 2303.8 3 27.0 1 62.4 0 55.2 0.8 3 2H EH EH EH EEH EH，2 2时的值是弱导情况下的时的值是弱导情况下的标量模式标量模式12120202200111nnnnyyzyyyxyyzehjxehxyehexejeey 0,yzxyzeehhh222 22022()()1()0yyiyd e rde rk ne rdrrdrr,0,xzxyzeehhh12120202200111nnnnxxzxxxyxxzehjyehxyeheyejeex 22222022()()1()0 xxix
20、d e rde rk ne rdrrdrr111()(),1()()1jjjjTETMuJuawKwajEHJuaKwaHE、2211()1uwn FK11()()0,()()JuaKwaEHuJ uawK wa2211()()0,()()uJuawKwaHEJuaKwa本征值方程本征值方程LP01 LP02LPLP m m 中的中的m m表示沿半径方向的极大值个数表示沿半径方向的极大值个数截止条件010203111213212223003.8327.01612.4055.5208.65723.8327.01610.173LPLPLPLPLPLPLPLPLP01,0,10,2,1,1,mmmm
21、mmmmmL PH ET EL PT MH EE HL PH E2.2.2光线理论和波动理论两类射线两类射线子午光线子午光线斜光线斜光线2.2.2光线理论和波动理论nTE、TM模式模式(子午线子午线)nHE、EH模式（模式（斜光线斜光线）：）：Ez大的称大的称EH模式，模式，Hz大的称大的称HE模式。模式。n导波模式的传播常数满足：导波模式的传播常数满足：21n kn k2.2.2光线理论和波动理论na为纤芯半径，为光波波长，为折射率差。n参量V决定了光纤中能容纳的模式数量。如果V2.405，则它只容纳单模单模光纤。2212012 2aVnnk an2.2.2光线理论和波动理论0kn2.2.2
22、光线理论和波动理论V与传播模式总量M的关系221/222121 222aVMnn43c la dPPM当当V V接近接近截止值时，这个模式有较多的能量进入包层，截止值时，这个模式有较多的能量进入包层，如果如果远离远离截止点时，截止点时，V V较大，则较大，则V V大？大？2.2.2光线理论和波动理论WG是电场分布的半宽度，是电场分布的半宽度，2 WG是模场直径的全宽度。是模场直径的全宽度。1/2320202()22()Gr Er drWrEr dr模场直径模场直径E(r)代表代表LP01模的场分布模的场分布2.2.3带宽和色散1.带宽2.2.3带宽和色散2.色散 光纤色散光纤色散：光纤：光纤所
23、传输的信号是由不同频率成分和不同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度不同所导致的信号畸变。不同所导致的信号畸变。色散色散可分为模式色散、材料色散和波导色散可分为模式色散、材料色散和波导色散3 3种种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202nnn E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PART 032.3.1 G.652标准单模光
24、纤2.3.2 G.653色散位移光纤2.3.7 色散补偿光纤2.3.4G.655非零色散光纤内容2.3.5G.656宽带全波光纤2.3.3 G.654衰减最小光纤2.3.6 G.657接入网光纤2.3.1 G.652标准单模光纤2.3.2 G.653色散位移光纤2.3.3 G.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2.3.6 G.657接入网光纤。2.3.7 色散补偿光纤 2.4光缆PART 042.4.1光缆的结构2.4.2光缆的分类2.4.3光缆型号和命名内容2.4.1光缆的结构（1）缆芯：由单根或多根光纤芯线组成，有紧套和松套两种结构。紧套光纤
25、有二层和三层结构。（2）加强元件：用于增大光缆敷设时可承受的负荷。一般是金属丝或非金属纤维。（3）护层：具有阻燃、防潮、耐压、耐腐蚀等特性，主要是对已成缆的光纤芯线进行保护。2.4.1光缆的结构2.4.2光缆的分类（1）按所使用的光纤分类：单模光缆、多模光缆（阶跃型、渐变型）。（2）按缆芯结构划分：层绞式、骨架式、大束管式、带式、单元式。（3）按外护套结构分类：无铠装、钢带铠装、钢丝铠装。（4）按光缆中有无金属分类：有金属光缆、无金属光缆。（5）按维护方式分类：充油光缆、充气光缆。（6）按敷设方式分类：直埋光缆、管道光缆、架空光缆、水底光缆。（7）按适用范围分类：中继光缆、海底光缆、用户光缆、局内光缆、长途光缆。2.4.3光缆型号和命名光缆型号命名方式光缆型号命名方式(YDT9082000)光缆型号命名由两大部分组成：光缆型号命名由两大部分组成：光缆形式代号和光纤规格代号，如图所示。光缆形式代号和光纤规格代号，如图所示。谢谢聆听！
