光纤的特性第二周课件.ppt

第一章 续 光纤与光缆n1.光纤的结构与分类n2.光纤传光原理n3.光纤传输特性n4.光纤材料的物理化学特性n5.光纤制造技术与光缆光纤的特性第二周1.光纤的结构和分类光纤的结构和分类光纤的光纤的分层分层结构结构: 纤芯、包层、纤芯、包层、涂敷层、护套涂敷层、护套光纤的特性第二周各层的材料构成纤芯: SiO2以及少量少量GeO2、、P2O5掺杂掺杂包层：高纯度SiO2涂敷层：环氧树脂等高分子材料护套：尼龙或其他有机材料提高纤芯的提高纤芯的折射率折射率光纤的特性第二周传光基本条件：传光基本条件：n1>n2光纤的特性第二周折射率剖面折射率剖面(Refraction index profile)阶跃型阶跃型(step)渐变型渐变型(grading)n1n2abn1n2abn=n(r)光纤的特性第二周光纤折射率分布表达式光纤折射率分布表达式阶跃型阶跃型渐变型渐变型光纤的特性第二周光射线n阶跃光纤n渐变光纤n1n2n0 i  z光纤的特性第二周光纤分类n阶跃光纤与渐变光纤按照折射率剖面分n单模光纤与多模光纤按照模式分n…光纤的特性第二周 图 2.2三种基本类型的光纤(a) 突变型多模光纤； (b) 渐变型多模光纤； （c） 单模光纤 光纤的特性第二周2 光纤传光原理光纤传光原理分析光纤传输原理的常用方法：分析光纤传输原理的常用方法： （1）几何光学法几何光学法几何光学法几何光学法可可可可以以以以给给给给出出出出有有有有关关关关波波波波导导导导特特特特性性性性清清清清晰晰晰晰的的的的物物物物理理理理图图图图像像像像和和和和解解解解释释释释。

不不不不足足足足之之之之处处处处是是是是所所所所给给给给出出出出的的的的结结结结论论论论较较较较为为为为粗粗粗粗糙糙糙糙，，，，不不不不能能能能获获获获得得得得有有有有关关关关电电电电磁磁磁磁场场场场模模模模式式式式在在在在波波波波导导导导内内内内的具体场分布和传输特性等方面的完整细节的具体场分布和传输特性等方面的完整细节的具体场分布和传输特性等方面的完整细节的具体场分布和传输特性等方面的完整细节 （（2）） 麦克斯韦波动方程法麦克斯韦波动方程法麦克斯韦波动方程法麦克斯韦波动方程法针针针针对对对对具具具具体体体体的的的的波波波波导导导导结结结结构构构构，，，，结结结结合合合合电电电电磁磁磁磁场场场场的的的的边边边边界界界界条条条条件件件件求求求求解解解解MaxwellMaxwell方方方方程组，得到波导内各模式的场分布和特征方程程组，得到波导内各模式的场分布和特征方程程组，得到波导内各模式的场分布和特征方程程组，得到波导内各模式的场分布和特征方程光纤的特性第二周2.1 光纤数值孔径的概念n研究对象：阶跃型光线中的光射线（子午光线）n研究目标：数值孔径n思路：光纤中的光射线应满足全反射条件阶跃型多模光纤的中的光射线(子午光线)光纤的特性第二周2.1 光纤数值孔径的概念n已知条件已知条件： 设设纤芯纤芯纤芯纤芯和和包层包层包层包层折射率分别为折射率分别为n1和和n2，空气的折射率，空气的折射率n0=1，， 纤芯中心轴线与纤芯中心轴线与z轴一致。

第一束光线在光纤轴一致第一束光线在光纤端面以小角度端面以小角度θ从空气入射到纤芯，从空气入射到纤芯，折射角折射角折射角折射角为为θ1，折射，折射后的光线在纤芯直线传播，并在后的光线在纤芯直线传播，并在纤芯纤芯纤芯纤芯与与包层包层包层包层交界面以交界面以角度角度ψ1入射到入射到包层包层包层包层 阶跃型多模光纤的中的光射线(子午光线)光纤的特性第二周2.1 光纤数值孔径的概念阶跃型多模光纤的中的光射线(子午光线)[分析] 改变角度θ，不同θ相应的光线将在纤芯纤芯纤芯纤芯与包层包层包层包层交界面发生反射或折射根据全反射原理全反射原理， 存在一个临界角θc1)当θ<=θc时，相应的光线将在交界面发生全反射而返回纤芯， 并以折线的形状向前传播，如光线1根据斯奈尔斯奈尔(Snell)定律定律得到 n0sinθ=n1sinθ1=n1cosψ1(2)当θ>θc时，相应的光线有一部分将在交界面折射进入包层包层包层包层并逐渐消失，如光线3由此可见，只有在半锥角为由此可见，只有在半锥角为θ≤θθ≤θc的圆锥内入射的光束才能在光纤中传播的圆锥内入射的光束才能在光纤中传播 光纤的特性第二周因此，定义临界角θc的正弦为数值孔径数值孔径数值孔径数值孔径(Numerical Aperture)： NA=n0sinθc=n1cosψc ， n1sinψc =n2sin90 °n0=1，经简单计算得到【【NANA的物理意义的物理意义的物理意义的物理意义】】 NANA表表表表示示示示光光光光纤纤纤纤接接接接收收收收和和和和传传传传输输输输光光光光的的的的能能能能力力力力，，NA越越大大，，光光纤纤接接收收光光的的能能力力越越强强，，从光源到光纤的从光源到光纤的耦合效率耦合效率耦合效率耦合效率越高。

越高 对于无损耗光纤，在对于无损耗光纤，在θc内的入射光能在光纤中传输内的入射光能在光纤中传输 NA越大，纤芯对光能量的束缚越强，光纤抗弯曲性能越好越大，纤芯对光能量的束缚越强，光纤抗弯曲性能越好其中Δ为纤芯纤芯纤芯纤芯与包层包层包层包层相对折射率差相对折射率差相对折射率差相对折射率差2.1 光纤数值孔径的概念光纤的特性第二周2.2 光纤模式的理解【疑问】n是不是满足θ≤θc的光射线都可以在光纤中稳定传输？答案是答案是否定否定的能够在光纤中传导的电磁波能够在光纤中传导的电磁波模式模式不仅满足芯不仅满足芯/包界面上的包界面上的全反射全反射条件，条件，而且满足传输过程中的而且满足传输过程中的相干加强相干加强条件条件只有这一系列特定的电磁波才能在光纤中存在！只有这一系列特定的电磁波才能在光纤中存在！从电磁波动理论来看，从电磁波动理论来看，模式模式是光纤中电磁场是光纤中电磁场传播的一种传播的一种稳定稳定的分布形态的分布形态光纤的特性第二周2.2 光纤模式的理解【分析】n近似地，认为光纤中传播的光波是均匀平面电磁波均匀平面电磁波，光射线方向就是波矢量波矢量k方向n通常将光纤中所传输的波矢量k在其波导传输方向(z方向)上的分量称为光波的传播常数传播常数：β=kz=k0*n1*sinθ;其中θ为光射线方向与光纤横截面的夹角。

k0=2π/λ为真空中的波真空中的波数数n根据全内反射全内反射条件，sinθ>=n2/n1n只有传播常数满足k k0 0*n*n2 2< < β

相干加强条件，模式特征方程相干加强条件，模式特征方程光纤的特性第二周2.2 光纤模式的理解【讨论】n引入概念：阶跃光纤归一阶跃光纤归一化频率化频率n模式数量：由光纤结构、折射率分布以及光波长共同决定n模式数模式数   V2/2n什么情况下光纤中只有一种模式传输？n n阶跃型光纤阶跃型光纤阶跃型光纤阶跃型光纤单模条件：单模条件：0

光纤的特性第二周光纤的特性第二周3.2 光纤色散光纤色散色散是限制色散是限制光纤容量光纤容量和和传输距离传输距离的主要因素的主要因素n光纤色散光纤色散 构成光信号的电磁波各分量在光纤中具有不同传输速度的现象光纤的特性第二周•光纤色散光纤色散Dispersive fiber Dispersed pulse RBIN色散对光通信系统的影响信号畸变信号畸变 光脉冲形状畸变光脉冲形状畸变 引起误码引起误码光纤的特性第二周光纤色散产生的原因光纤色散产生的原因模间色散：不同模式不同传输速度材料色散：不同频率不同折射率波导色散：不同频率不同模场分布偏振模色散：不同偏振态不同传输速度长途系统使用单模光纤长途系统使用单模光纤光纤的特性第二周单模光纤色散的定义单模光纤色散的定义n单位长度光纤传输时延随波长的变化率色散调节手段：改变光纤结构，改变波导色散色散调节手段：改变光纤结构，改变波导色散光纤的特性第二周1.概念概念光脉冲能量的载体：所有模式光脉冲能量的载体：所有模式不同模式具有不同的传输速度，在光纤中沿传输方向行进不同模式具有不同的传输速度，在光纤中沿传输方向行进的过程中，各模式逐渐分离，使得光信号展宽。

的过程中，各模式逐渐分离，使得光信号展宽2.模式色散的表示模式色散的表示单位光纤长度上，模式的最大时延差单位光纤长度上，模式的最大时延差传输速度最快的模式与传输速度最慢的模式通过单位长度传输速度最快的模式与传输速度最慢的模式通过单位长度光纤所需的时间之差光纤所需的时间之差3.2.1 多模光纤中的模式色散多模光纤中的模式色散光纤的特性第二周几何光学几何光学①①②②包层n2 芯区n1① ① 传输最快的子午线传输最快的子午线②② 传输最慢的子午线传输最慢的子午线对于①，单位长度光纤传输的时延：对于② ，单位长度光纤传输的时延： 多模光纤的模式色散为：多模光纤的模式色散为：2.模式色散的模式色散的计算计算光纤的特性第二周1.概念概念不同频率的电磁波在介质中具有不同的群速度或群时延的材料属性，从而在传输过程中信号展宽2.材料色散的表示材料色散的表示用单位频率或波长间隔上的群时延差来表示3.2.2 材料色散材料色散光纤的特性第二周为什么存在材料色散为什么存在材料色散: Sellmeyer定律定律不不论论任任何何介介质质，，由由于于在在某某些些波波长长上上，，材材料料对对电电磁磁波波存存在在谐谐振振吸吸收收现现象象，，因因此此，，材材料料对对外外场场的的响响应应与与电电磁磁波波的的波波长长相相关关。

即即材材料料的的折射率应当是电磁波频率或波长的函数折射率应当是电磁波频率或波长的函数光纤的特性第二周1.概念概念由由于于波波导导效效应应的的存存在在,使使模模式式的的不不同同频频率率成成分分在在波波导导中的传输速度不同中的传输速度不同,由此引起的色散由此引起的色散2.波导色散的表示波导色散的表示用单位频率或波长间隔上的群时延差用单位频率或波长间隔上的群时延差来表示来表示3.2.3 波导色散波导色散光纤的特性第二周2001270 13101550波长 nm色散ps/nm.km波导色散材料色散G652光纤色散G653光纤色散材料色散与波导色散材料色散与波导色散光纤的特性第二周+ Disp 输入脉冲输入脉冲 输出脉冲输出脉冲0.10.20.30.40.50.6衰减衰减 (dB/km)1600170014001300120015001100波长波长(nm)EDFA频带频带 20 10 0-10-20色散色散(ps/nm.km)G.652 & G.654G.655G.653损耗与色散谱损耗与色散谱光纤的特性第二周Advance in transmission fiber : main characteristics(Data are given at 1.55µm)光纤的特性第二周 G.655光光纤纤的的零零色色散散点点都都移移到到了了1350nm以以下下，，目目前前多多数数G.655光光纤纤的的色色散散量量多多在在6～～8ps/km/nm，，色色散散斜斜率率低低于于0.07ps/km/nm²，，光纤在光纤在1550nm附近的有效面积大于附近的有效面积大于50µm²；； G.652光光纤纤在在1550nm附附近近典典型型参参数数为为色色散散量量多多在在16ps/km/nm左左右，色散斜率右，色散斜率0.058ps/km/nm²，有效面积，有效面积75µm²。

色散补偿是色散补偿是G.652光纤应用的关键光纤应用的关键无论是在无论是在G.652光纤还是在光纤还是在G.655光纤上开通光纤上开通10Gbit/s以上以上的系统都的系统都需要色散补偿，只是使用需要色散补偿，只是使用DCF的长度和补偿方式上有所不同的长度和补偿方式上有所不同 光纤的特性第二周当光场较强光场较强时，所有介质所有介质均对外场表现出一定的非线性微观微观——电子在强场作用下对简谐运动的偏离宏观宏观——介质在外场作用下的非线性极化电极化强度矢量电极化强度矢量石英光纤石英光纤极化强度真空介电常数极化率张量外电场线性响应非线性响应3.3 光纤非线性光纤非线性光纤的特性第二周石英光纤中的非线性现象石英光纤中的非线性现象光子与光子之间光子与光子之间自相位调制 SPM交叉相位调制 XPM四波混频 FWM光脉冲畸变，啁啾，串音；复用复用/解复用，波长变换！解复用，波长变换！光子与声子之间光子与声子之间声学声子——受激Brillouin散射 SBS光学声子——受激RAMAN散射 SRS信号光能量损失，串音；分布放大分布放大！光纤的特性第二周4. 光纤的物理化学特性光纤的物理化学特性1.SiO2密度：2.2g/cm32.单模光纤外径：125 microns 裸纤重量： 27g/km3.不溶于水4.受OH-影响，必须防水5.抗酸碱性能较差6.绝缘性好7.承受轴向应力能力强,承受径向作用力弱光纤的特性第二周寿命：寿命：>25年年光纤的物理化学特性光纤的物理化学特性SiO2的软化温度在1700度左右，掺杂后的软化温度降低。

石英光纤热膨胀系数：3.410-7/oC； 涂覆层：5 10-7/ oC因此，限制一定的工作温度范围因此，限制一定的工作温度范围温温度度特特性性表表光纤的特性第二周(2)光缆光缆(1)光纤制造光纤制造技术技术5.5.光纤制造技术和光缆光纤制造技术和光缆光纤的特性第二周沉积沉积拉丝拉丝原料原料预制棒预制棒光纤光纤光纤的特性第二周光纤制造的关键原料：原料：SiCl4, GeCl4, POCl3, BBr3, O2, He, ……提纯：过渡提纯：过渡金属离子，金属离子，OH-，，…...要求达到要求达到ppb量级量级原料提纯原料提纯光纤丝径控光纤丝径控制，温度控制，温度控制制拉制光纤制作中对各制作中对各种参数的精种参数的精确控制确控制预制棒制预制棒制备光纤的特性第二周光纤制造技术光纤制造技术制备光纤预制棒制备光纤预制棒 与光纤有相同物理结构和材料结构，尺寸大的实心石英棒拉丝拉丝光纤预制棒高温下，拉制成光纤原料原料：SiCl4, GeCl4, CF2Cl2, O2, Ar, H2, He, ……提纯提纯：过渡金属离子，OH-，…...预制棒制备工艺：非气相工艺非气相工艺，气相工艺气相工艺非气相工艺非气相工艺：双坩埚法，溶胶—凝胶法，管棒法，粉末机械成形法，…...光纤的特性第二周nMCVD法法: 美国美国AT&T公司公司nPCVD法法: 荷兰飞利浦公司荷兰飞利浦公司nOVD法法: 美国康宁公司美国康宁公司nVAD法法: 日本住友、古河、腾仓等公司日本住友、古河、腾仓等公司重点介绍重点介绍光纤的特性第二周气相工艺：气相工艺：MCVD，，PCVD，，OVD，，VAD，，…...MCVD:改良的化学气相沉积法------ AT&T, USA化学反应化学反应热泳现象热泳现象处于温度场中的悬浮颗粒，受力的作用而向低温区运动，附着在石英管壁上。

MCVDMCVD工艺利用氧气鼓泡携带原料瓶中挥发出的氯化物工艺利用氧气鼓泡携带原料瓶中挥发出的氯化物工艺利用氧气鼓泡携带原料瓶中挥发出的氯化物工艺利用氧气鼓泡携带原料瓶中挥发出的氯化物（（（（SiCl4 SiCl4 、、、、GeCl4 GeCl4 ）））） 蒸汽进入石英管，在高温加热（氢氧蒸汽进入石英管，在高温加热（氢氧蒸汽进入石英管，在高温加热（氢氧蒸汽进入石英管，在高温加热（氢氧焰）下氯化物和氧气反应生成高纯度氧化物焰）下氯化物和氧气反应生成高纯度氧化物焰）下氯化物和氧气反应生成高纯度氧化物焰）下氯化物和氧气反应生成高纯度氧化物SiO2SiO2或或或或GeO2GeO2光纤的特性第二周MCVD方法简图光纤的特性第二周光纤的特性第二周PCVD （（ 1976年，荷兰年，荷兰Philips ）） 使用微波在石英管内产生高温等离子代替使用微波在石英管内产生高温等离子代替MCVD法中的氢氧焰进行加热，使得原料发生反应法中的氢氧焰进行加热，使得原料发生反应光纤的特性第二周光纤的特性第二周OVD: Outside Vapor Deposition------ Corning, USARadial Flamous Hydrolization光纤的特性第二周VAD: Vapor Axial Deposition------ NTT, Japan光纤的特性第二周化学反应化学反应水解反应水解反应氧化反应氧化反应脱水反应脱水反应光纤的特性第二周沉积沉积拉丝拉丝原料原料预制棒预制棒光纤光纤光纤的特性第二周2、拉丝工艺、拉丝工艺拉丝拉丝工艺工艺流程流程拉丝拉丝控制控制系统系统收丝控收丝控制设备制设备预制棒裸光纤光纤拉丝塔结构示意图光纤拉丝塔结构示意图光纤的特性第二周光纤的特性第二周拉丝工艺简介拉丝工艺简介　　光纤拉丝工艺包括以下几个方面：光纤拉丝工艺包括以下几个方面：一．一． 拉丝拉丝　　将处理好的预制棒送入拉丝炉中，在高温下，　　将处理好的预制棒送入拉丝炉中，在高温下，将预制棒的一端熔化以形成石英玻璃丝，再以一将预制棒的一端熔化以形成石英玻璃丝，再以一定的张力及速度对其进行牵引，以保持光纤直径定的张力及速度对其进行牵引，以保持光纤直径稳定在稳定在125±１１μm范围内范围内二．二． 涂覆涂覆　　在光纤冷却后，对光纤表面涂　　在光纤冷却后，对光纤表面涂UV材料材料进行进行UV固化，以保护光纤表面精确控制外径在固化，以保护光纤表面精确控制外径在245±5μm，形成标准的商用光纤。

形成标准的商用光纤涂覆层涂覆层有机材料有机材料光纤的特性第二周拉丝长度拉丝长度l 预制棒体积 Vpreform=D2L/4, D: mm, L: mm 光纤体积 Vfiber= d2l/4, d=125 umVpreform = Vfiber  l = 6.4  10-5D2L (km)拉丝原理拉丝原理保持芯保持芯/包层结构不变！包层结构不变！光纤的特性第二周光缆光缆光纤——成缆工艺——光缆——使用技术要求技术要求保护光纤免受外力作用（切断、微弯、侧应力等）保护光纤免受外力作用（切断、微弯、侧应力等）便于施工、维护、接续便于施工、维护、接续要有一定的余长，光纤尽量靠近光缆中心要有一定的余长，光纤尽量靠近光缆中心保护材料的热膨胀系数与光纤尽量接近，避免应力和微弯保护材料的热膨胀系数与光纤尽量接近，避免应力和微弯尺寸小，重量轻尺寸小，重量轻防水，防潮，抗腐蚀，防虫叮鼠咬防水，防潮，抗腐蚀，防虫叮鼠咬光纤的特性第二周光缆结构光缆结构缆芯、加强元件、护层缆芯、加强元件、护层缆芯缆芯作用作用：妥善安置光纤的位置，使光纤在各种外力影响下仍能保持优良的传输性能套塑方法套塑方法紧套紧套：无活动空间，易受外力影响；外径小，性能稳定松套松套：外径较大，须填充油膏来提高纵向密封性；温度性能好，易于缓冲外力，是发展方向*光缆中必须有防潮层防潮层，并填充油膏！光纤的特性第二周加强元件加强元件中心加强、外层加强中心加强、外层加强要求要求高杨氏模量，高弹性范围，高比强度（强度/重量），低线膨胀系数，抗腐蚀性，柔软性材料材料钢丝，钢绞线，钢管强电磁干扰区域、雷区——高强度非金属材料，芳纶纤维光纤的特性第二周护层护层是是由护套构成的多层组合体由护套构成的多层组合体作用作用保持光缆在各种敷设条件下都能为缆芯提供足够机械强度不同敷设方式不同要求不同敷设方式不同要求管道：较强的抗拉、抗侧压、抗弯曲能力直埋：铠装抗侧压，同时考虑地面的振动与虫咬架空：环境的影响，防弹层水底：更高的抗拉、抗水压、防水能力护层结构护层结构填充层：PVC填充物，固定各单元位置内护层：缆芯外一层聚脂薄膜，扎紧缆芯，隔热，缓冲防水层：密封的铝管，防水进入，特别是水下光缆缓冲层：尼龙带轴向螺旋式绕包缆芯，保护缆芯免受径向压力铠装层：光缆外的金属护套，免受强大的侧向压力外护套：PVC，聚乙烯等挤铸在光缆外，保护光缆，光纤的特性第二周光缆分类光缆分类缆缆芯芯结结构构层绞式层绞式按一定节距进行绞合，光纤没有活动余地，经受侧向压力能力弱，通常用松套光纤骨架式骨架式优良的机械性能和抗冲击性能，微弯损耗小，工艺复杂带状带状空间利用率高，可快速接续，工艺要求高束管式束管式抗弯，抗压，纵向密封性好，工艺比较简单( 根据缆芯结构不同根据缆芯结构不同 )光纤的特性第二周四种光缆结构图四种光缆结构图层绞式骨架式带状束管式光纤的特性第二周【课堂练习】【课堂练习】n假设某假设某阶跃折射率阶跃折射率分布的光纤，其分布的光纤，其包层包层折射率折射率为为1.445,芯子直径芯子直径9um，要想使得该光纤对，要想使得该光纤对1250nm 波长刚好满足波长刚好满足单模条件单模条件，该光纤的，该光纤的数数值孔径值孔径为多少？此时的芯子折射率为多少？为多少？此时的芯子折射率为多少？化频归一率光纤的特性第二周解答：在1250nm处刚好满足单模条件，即得到数值孔径光纤的特性第二周【课堂练习】【课堂练习】n已知某长度为已知某长度为13km的单模光纤的功率传输损耗的单模光纤的功率传输损耗为为0.195dB/km，激光器耦合进入光纤输入端的，激光器耦合进入光纤输入端的功率为功率为1mW，那么用功率计在光纤输出端检测，那么用功率计在光纤输出端检测出的最大光功率是多少？出的最大光功率是多少？光纤的特性第二周解答光纤上的传输损耗：0.195X13=2.535 (dB)根据损耗的定义：得到输出功率：光纤的特性第二周谢谢！光纤的特性第二周。