第2章光纖(公用)1

光纜電纜工程課程內(nèi)容概述光纜工程光纜通信線路工程設(shè)計(jì)光纜線路施工光纜線路測試與維護(hù)通信電纜

綜合布線通信電纜串音和防串音措施通信電纜施工通信電纜配線設(shè)計(jì)光纜電纜發(fā)展光纖、光纜和光器件通信系統(tǒng)、通信網(wǎng)基礎(chǔ)第1章第2章第3章第4章第5章電纜線路測試和維護(hù)第6章第7章第8章第9章電纜工程第10章第11章基本概念組成和主要設(shè)備部件

工程設(shè)計(jì)

第2章光纖、光纜和光器件

本章內(nèi)容提要：光纖的結(jié)構(gòu)、材料及制備方法

光纖的主要參數(shù)、特性及類型及應(yīng)用

光纜的結(jié)構(gòu)、材料及制備方法

光纜的主要特性

光纖光纜線路的基本光器件第2章光纖、光纜和光器件

§2.1光纖光纖？光纜？所謂“光纖”就是工作在光頻下的一種圓柱體介質(zhì)波導(dǎo)，它引導(dǎo)光能沿著軸線平行方向傳輸。所謂“光纜”就是由多根光纖和加強(qiáng)構(gòu)件以及外護(hù)層構(gòu)成。

§2.1光纖2.1.1光纖結(jié)構(gòu)

2.1.2.光纖的制造過程

1.光纖的原材料選擇目前通信用光纖主要是用高純度的玻璃[石英玻璃（SiO2）]材料制成的

。最純的天然石英（因它清澈似水，冰瑩如晶，常稱之為水晶）,因其含雜質(zhì)多而不能在光導(dǎo)纖維中使用.還有一個(gè)原因是光學(xué)性能各向異性(nx≠ny≠nz)。熔融石英又名人造石英，是制造光導(dǎo)纖維的主要原料。其特點(diǎn)是：熔融石英是非晶態(tài)的，也就是說，它不是一個(gè)晶體。它沒有“熔點(diǎn)”，在較高溫度下變得比較柔軟.

（1）超純的熔融SiO2提取

超純的熔融石英玻璃通常利用氣相沉積法取得，所用原料為SiCl4、GeCl4化學(xué)反應(yīng)式為

熔融石英玻璃的折射率約為1.458（2）熔融石英光纖的摻雜劑提取改變石英光纖折射率經(jīng)常使用的摻雜劑有GeO2、P2O5、Ti2O2、Al2O3和B2O3、F等

摻雜劑所用主要原料為GeCl4

、PoCl3、BCl3和SF6等?；瘜W(xué)反應(yīng)式為：

摻雜劑除對折射率、線膨脹系數(shù)及材料提純具有影響外，對光纖的傳輸性能及光纖的設(shè)計(jì)制作也都會產(chǎn)生作用。如圖2-2/3所示。

圖2-2利用摻雜變更石英玻璃的折射率

圖2-3GeO2-P2O5-Ti2O2-B2O3SiO2玻璃線膨脹系數(shù)的差別

mol%石英光纖的主要原料為：纖芯和包層本體材料：SiCL4纖芯和包層摻雜用劑：GeO2、P2O5、GeCL4

、B2O3、

POCL3和F等纖芯材料：SiO2或SiO2+GeO2包層材料：SiO2+B2O3或SiO2+F。（2）光纖材料的設(shè)計(jì)

方案1方案2方案3纖芯包層SiO2SiO2-FSiO2-GeO2SiO2-（F）（P2O5）SiO2-GeO2-FSiO2-F（P2O5）表2-1單模光纖摻雜方案

單模光纖摻雜方案

方案1:纖芯SiO2/包層SiO2+F方案2:纖芯SiO2+GeO2/包層SiO2、F(P2O5）采用方案1時(shí)，其散射損耗將是最小的。包層直徑與纖芯直徑的比值（2b／2a）大于6。例如G652光纖：幾種典型的光纖折射率分布圖2.光纖制備方法光纖制備步驟?(氣相技術(shù))材料選擇——預(yù)制棒制造——拉絲—涂覆——套塑

預(yù)制棒制造方法約10種2134一．氣相沉積法1.外部化學(xué)氣相沉積法(OutsideVapourPhaseDeposition)，簡稱OVD法。2.軸向化學(xué)氣相沉積法（VapourphaseAxialDeposition），簡稱VAD法。*3.改進(jìn)的化學(xué)氣相沉積法（ModifiedChemicalyapourDeposition），簡稱MCVD法。4.等離子化學(xué)氣相沉積法PlasmaactivateChemicalVapourDeposition)，簡稱PCVD法。5.等離子改進(jìn)化學(xué)氣相沉積法PlasmaenhancedModifiedChemicalyapourDeposition，簡稱PMCVD法。6.軸向和橫向等離子化學(xué)氣相沉積法，簡稱ALPD法二．非氣相沉積法1．界面凝膠法，簡稱BSG2．熔融法，簡稱DM3．溶膠-凝膠法，簡稱SOL-GEL4．機(jī)械擠壓成型法，簡稱MSP一、原料制備與提純

MCVD法是目前使用最廣泛的預(yù)制棒生產(chǎn)工藝。即2.1.2所示.二、制棒的制備過程

圖2-5管內(nèi)MCVD法預(yù)制棒制備制造預(yù)制棒的次序是；首先在石英管內(nèi)壁上沉積包層；其次在包層內(nèi)沉積纖芯；最后則是“燒縮成預(yù)制棒”

。

1400～1600℃的高溫氫氧火焰加熱

（a）預(yù)制棒

三、光纖的拉制工藝

（a）加熱后的預(yù)制棒

四、光纖涂覆

工藝通常涂覆都在兩層以上，里面的一層用折射率比石英玻璃稍大的變性硅酮樹脂，可以用來吸收透過包層的光，涂覆厚度一般為30～150μm。外面的第二層是普通的硅酮樹脂，而且涂層較厚。兩次涂覆后的外徑約為0.8～0.9mm，有利于提高光纖的低溫性能和抗微彎性能。§2.2光纖的主要參數(shù)、特性及類型

光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)主要有光纖的幾何參數(shù)、折射率分布、數(shù)值孔徑（NA）、模場直徑、和截止波長等。

1幾何參數(shù)

幾何特性有芯徑、包層的尺寸和對芯／包層同心度、不圓度等。（1）纖芯直徑——對多模光纖而言

（2）外徑——多/單模光纖（3）芯／包層同心度和不圓度

ITU規(guī)定：光纖同心度誤差＜6％;（包括單模）芯不圓度＜6％,包層不圓度<2％,單模光纖同心度誤差1μm2.2.1光纖的主要參數(shù)

2.數(shù)值孔徑（NA）（最大理論數(shù)值孔徑）最大理論數(shù)值孔徑的定義為：

3.模場直徑

模場直徑的定義，可以根據(jù)基模LP01場E01傳輸函數(shù)來表示，即在基模場E01（r）傳輸函數(shù)與橫軸徑向r的關(guān)系曲線上兩個(gè)1/e點(diǎn)之間的寬度就是模場直徑。模場直徑估算：2W0=2λ/（πn1√Δ）單模光纖由模場直徑代替纖芯直徑。ITU-T規(guī)定模場直徑為（9～10）±1μm

4.截止波長

（模光纖的截止波長）截止波長是單模光纖保證單模傳輸?shù)臈l件，所以截止波長的定義是大于此波長時(shí)二階LP11模不再傳播。1、理論截止波長λct2、成纜光纖的截止波長λcc3、跳線光纖的截止波長λc4、有效截止波長λce在實(shí)際中，對這四種截止波長有以下關(guān)系：λct>λc>λcc>λce表2-2漸變多模光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)實(shí)例

表2-3單模光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)實(shí)例

2.2.2光纖的主要特性2．2．1損耗

一、損耗定義

p（0）為輸入光纖的光功率，即在L=0處注入的光功率；p（L）為傳輸距離L處的光功率；

二、損耗系數(shù)

在光纖上兩個(gè)相距L的截面之間的波長λ上的總衰減表示：：A（λ）＝α（λ）×L（dB）

三、光纖產(chǎn)生損耗的原因光纖產(chǎn)生損耗的原因很多，其類型有吸收損耗，散射損耗和附加損耗。表2-4光纖的傳輸損耗

1.吸收損耗本征吸收:紅外吸收,紫外吸收雜質(zhì)吸收:鐵、銅等過渡金屬離子和OH離子(非本征)。：其中是工作波長，單位為m，當(dāng)=1.55m時(shí)ir0.02dB/km，其影響較小。但當(dāng)=1.70m時(shí)，ir0.32dB/km。可見紅外吸收影響了工作波長向更長波長方向發(fā)展。其中，B是摻鍺的重量百分比，當(dāng)=1.31m，B=3.5%時(shí)，uv1.75×102dB/km。但當(dāng)=0.60m時(shí)，uv1.00dB/km。可見紫外吸收隨減少和摻鍺濃度增加而增加.

2.線性散射

瑞利散射比光波長小得多的粒子引起的散射(本征)

米氏散射與光波同樣大小的粒子引起的散射(本征)引起光纖損耗的散射主要是瑞利散射，瑞利散射具有與短波長的1／λ4成正比的性質(zhì)，即：αR=A／λ4。對摻鍺的光纖而言，A≈0.63dBμm4／km。對于λ=0.85、1.31、1.55μm時(shí),則αR≈1.3、0.3、0.1dB／km。3.非線性散射

受激布里淵散射：存在于光能密度超過某一高值(本征)

受激拉曼散射：(本征)4.附加損耗：張力、側(cè)壓、彎曲、擠壓造成的宏彎和微彎(非本征)。3.附加損耗：

張力、側(cè)壓、彎由、擠壓造成的宏彎和微彎圖2-11光纖的宏彎損耗（a）射線法解釋；（b）波動理論解釋。在附加損耗中光纖宏彎曲損耗是最主要的。在光纜的生產(chǎn)、接續(xù)和施工過程中，不可避免地出現(xiàn)彎曲，它的損耗原理如圖2-11所示。

光纖宏彎曲時(shí)會造成模式轉(zhuǎn)換。使傳導(dǎo)模變成了輻射模，造成輻射損耗。

*單模光纖彎曲損耗的估算公式為式中,R為光纖彎曲半徑、C1、C2與R無關(guān)常數(shù)。臨界彎曲半徑估算RC為：圖2-10光纖損耗頻譜曲線光纖不僅因有損耗使光信號傳輸受到限制，同時(shí)光信號傳輸還受到色散（多模光纖習(xí)慣稱帶寬）的限制。色散？對于數(shù)字信號的光脈沖，經(jīng)光纖傳輸時(shí)，脈沖寬度隨距離增長而展寬，嚴(yán)重時(shí)，前后脈沖將互相重疊，形成碼間干擾，導(dǎo)致通信系統(tǒng)誤碼增加，從而使傳輸距離和傳輸容量受到限制，這種現(xiàn)象稱為光纖的色散。引起脈沖展寬（色散）的因素很多，對于多模光纖主要有：模式色散、材料色散和波導(dǎo)色散等，其中模式色散是主要因素。對于單模光纖由于只傳輸一種模式，故不存在模式色散，主要受材料色散、波導(dǎo)色散和偏振模色散PMD的影響2.光纖的色散特性

光纖色散主要有：模式色散、材料色散、波導(dǎo)色散、偏振色散等。多模光纖：模式色散、材料色散、波導(dǎo)色散等。單模光纖中只傳輸基模LP01，總色散由材料色散、波導(dǎo)色散和偏振色散組成。這三個(gè)色散都與波長有關(guān)，所以單模光纖的總色散也稱為波長色散。光纖的色散單位：ps/km光纖的色散系數(shù)單位D（λ）：

ps/nm.km1、模式色散2、材料色散

3、波導(dǎo)色散

4、偏振模色散（PMD）記作LPx01和LPy01，其相位常數(shù)βx，βy不同，相應(yīng)的群速度不同，從而引起偏振模色散，如圖2-13所示PMD對大容量數(shù)字和模擬通信系統(tǒng)影響是嚴(yán)重的。若要10Gb/s以上的高速系統(tǒng)能正常工作，光脈沖展寬必須限制在一定范圍。例如，對于10Gb/s系統(tǒng)，其光脈沖寬度為100ps，當(dāng)光路的光功率代價(jià)Pp=1dB時(shí)，群時(shí)延差DGDL最大容限為30ps；對于40Gb/s系統(tǒng)，其光脈沖寬度只有25ps，當(dāng)Pp為1dB時(shí)，DGDL最大容限只能為10ps以下。當(dāng)光纖長度足夠長時(shí)（L>>h，典型值為2km以上）（ps）式中：L為光纖長度（km）；PMDL（或DGDL）為長度L光纖的總偏振模色散（或偏振?？?cè)簳r(shí)延差）（ps)；，PMDC為光纖的PMD系數(shù)PMDC，其典型值在之間如在400Gbit/s的高速系統(tǒng)中，傳輸100km后，PMDC限制在0.1ps/√km以內(nèi)。一般系統(tǒng)對PMD系數(shù)最大設(shè)計(jì)值為5、光纖的帶寬

光纖的色散和帶寬描述的是光纖的同一特性。ITU-T建議規(guī)定的光纖帶寬為：L公里的光纖帶寬為：其中，D為光纖色散系數(shù)（ps/nm.km）；△λ為光源譜寬（nm）；B0為光纖的帶寬（MHz）；常數(shù)：ε=0.115（多縱模激光器）,ε=0.306（單縱模激光器）。

在DWDM高速光纖傳輸系統(tǒng)中，著重考慮PMD對光纖距離影響情況，可由下列公式得出：其中,PMDC為偏振模色散系數(shù)（s/√km），BL為傳輸速率（bit/s），L為光纖中繼距離（km）?！纠?-1】設(shè)某光纖在1.31m波長的最大色散系數(shù)D=3.5ps/（nm·km），如用一中心波長為1.31m的半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生傳輸光，其譜線寬度為=4nm，試求出該光傳輸1km長度光纖的色散г。解：由（2.14）式，容易求出其色散為：=D××L=3.5×4×1=0.014ns=14ps2.2.3光纖的非線性效應(yīng)

光纖的非線性（損耗特性）可分為兩類：

受激散射和折射率擾動*受激散射:受激布里淵散射和受激拉曼散射。*折射率擾動自相位調(diào)制、交叉相位調(diào)制和四波混頻。

2.2.4光纖的機(jī)械和溫度特性

1.

光纖強(qiáng)度從理論上估算折斷石英玻璃Si-O原子鍵所需應(yīng)力約為20002500kg/mm2，因此外徑為125μm的光纖所能承受的抗拉力將達(dá)30kg.直接拉出的裸光纖拉力只有100g/根?實(shí)用化光纖的抗張強(qiáng)度要求≥240g拉力/根目前商品化光纖的強(qiáng)度432g拉力/根國內(nèi)用的光纖，一般都大于400g拉力/根國外較好的光纖在700g拉力/根以上，用于海底光纜的光纖強(qiáng)度還要高一些。光纖的溫度特性主要由光纖材料決定，如石英玻璃的線膨脹系數(shù)為3.4×10-7（km／℃），而塑料涂覆層（或有機(jī)樹脂）為1×10-4（km／℃），即當(dāng)溫度變化1℃時(shí)，石英光纖和塑料涂覆層的長度變化量相差近1000倍2.光纖的溫度特性

溫度特性對光纜敷設(shè)方式有哪些影響?哪些光纜故障屬于與光纖的溫度特性有關(guān)?2.2.5光纖類型及應(yīng)用

光纖分類可依據(jù)材料、波長、傳輸模式、纖芯折射率分布、制造方法的不同，將其分為多種，可歸納為如圖2-17所示。

單模光纖的種類

1.非色散位移單模光纖

（G.652光纖性能及應(yīng)用）

G.652光纖色散2.色散位移單模光纖

（G.653光