光纤和光缆.pptx

式中，0为中中中中心心心心波波波波长长长长。利用 s(调制带宽)，且光谱不受调制的影响。这相当于多纵模半导体激光器多纵模半导体激光器多纵模半导体激光器多纵模半导体激光器的情况。考虑rms 谱线宽度为的高斯型光源高斯型光源高斯型光源高斯型光源，其功率谱密度功率谱密度功率谱密度功率谱密度为(2.53)图 2.13 不同结构单模光纤的色散特性 不同结构参数的C()示于图2.13，图中曲线相应于零色散波零色散波零色散波零色散波长在长在长在长在1.31m1.31m的常规单模光纤的常规单模光纤的常规单模光纤的常规单模光纤，零色散波长移位到零色散波长移位到零色散波长移位到零色散波长移位到1.55m1.55m的色散移的色散移的色散移的色散移位光纤位光纤位光纤位光纤，和在1.31.6m1.31.6m色散变化很小的色散平坦光纤色散变化很小的色散平坦光纤色散变化很小的色散平坦光纤色散变化很小的色散平坦光纤，这些光纤的结构见图2.2(c)和图2.3(a)。把rms 脉冲宽度为1的高高高高斯斯斯斯型型型型光光光光脉脉脉脉冲冲冲冲(用功率表示)输入长度为L的单单单单模模模模光光光光纤纤纤纤，在中心波长0远离零零零零色色色色散散散散波波波波长长长长 d d，即|0-d|/2的条件下，输出光脉冲仍保持高高高高斯斯斯斯型型型型，设其rms 脉冲宽度为2，由式(2.54)、式(2.53)和式(2.48)得到 作为一级近似，|C0|L。由式(2.47)可以计算出3dB3dB光光光光带带带带宽宽宽宽，图2.14示出常规单模光纤单模光纤单模光纤单模光纤带宽和波长的关系。(2.55b)由长度为L的单模光纤色度色散产生的脉冲展宽为22=21+(C0)2+(2.55a)图 2.14 常规单模光纤带宽和波长的关系 上式右边第二项为光纤产生的脉冲展宽脉冲展宽脉冲展宽脉冲展宽。和多色光源不同，单单单单色色色色光光光光源源源源脉脉脉脉冲冲冲冲展展展展宽宽宽宽与输输输输入入入入脉脉脉脉冲冲冲冲宽宽宽宽度度度度 1 1有关。根据式(2.56a)，可以选取使输出脉冲宽度2最小的最佳输入脉冲宽度1 单单单单色色色色光光光光源源源源：设 (光光光光源源源源频频频频谱谱谱谱宽宽宽宽度度度度)s s(调调调调制制制制带带带带宽宽宽宽)且中心波长不受调制的影响。这相当于锁模激光器锁模激光器锁模激光器锁模激光器和稳定的单频激光器单频激光器单频激光器单频激光器。在长度为L的单模光纤上，输入和输出的光脉冲都是高高高高斯斯斯斯型型型型，其 rms 脉冲宽度分别为1和2，经计算得到(2.56a)(2.56b)由此得到最佳输出脉冲宽度脉冲宽度脉冲宽度脉冲宽度(2)最佳=(2.56c)中中中中等等等等谱谱谱谱宽宽宽宽：设光光光光源源源源的的的的频频频频谱谱谱谱宽宽宽宽度度度度 和和和和调调调调制制制制带带带带宽宽宽宽s s相相相相近近近近(s s)，这相当于频谱宽度较大的单单单单纵纵纵纵模模模模激激激激光光光光器器器器。在这种情况下，式中，为光源的 rmsrms频频频频谱谱谱谱宽宽宽宽度度度度(用角频率表示)。同样可以选取使2最小的最佳1。(2.57)式中，nx和ny分别为x-和y-方向的等效折射率等效折射率等效折射率等效折射率。偏振模色散本质上是模模模模式式式式色色色色散散散散，由于模式耦合是随机的，因而它是一个统计量。目前虽没有统一的技术标准，但一般要求偏偏偏偏振振振振模模模模色色色色散散散散小于0.5ps/km。由于存在偏偏偏偏振振振振模模模模色色色色散散散散，即使在色度色散C()=0的波长，带宽也不是无限大，见图2.14。偏振模色散偏振模色散偏振模色散偏振模色散：实际光纤不可避免地存在一定缺陷，如纤芯椭圆度和内部残余应力，使两个偏振模的传输常数不同，这样产生的时间延迟差称为偏振模色散或双折射色散偏振模色散或双折射色散偏振模色散或双折射色散偏振模色散或双折射色散。偏偏偏偏振振振振模模模模色色色色散散散散取决于光纤的双双双双折折折折射射射射，由=x-ynxk-nyk得到，(2.58)(2.61a)2.3.2 光纤损耗光纤损耗 损损损损耗耗耗耗的存在 光信号幅幅幅幅度度度度减小 限制系统的传传传传输输输输距距距距离离离离。在最一般的条件下，在光纤内传输的光光光光功功功功率率率率P P随距距距距离离离离z z的变化，可以用下式表示习惯上的单位用dB/km，由式(2.60)得到损耗系数损耗系数损耗系数损耗系数Po=Pi exp(-L)(2.60)设长度为L(km)的光纤，输入光光光光功功功功率率率率为为为为P Pi i，根据式(2.59)，输出光功率输出光功率输出光功率输出光功率应为 式中，是损耗系数损耗系数损耗系数损耗系数。(2.59)1.损耗的机理损耗的机理 图2.15是单单单单模模模模光光光光纤纤纤纤的损耗谱，图中示出各种机理产生的损损损损耗耗耗耗与波长与波长与波长与波长的关系，这些机理包括吸收损耗吸收损耗吸收损耗吸收损耗和散射损耗散射损耗散射损耗散射损耗两部分。吸吸吸吸收收收收损损损损耗耗耗耗 是由SiO2材料引起的固有吸收和由杂质引起的吸收产生的。散散散散 射射射射 损损损损 耗耗耗耗 主要由材料微观密度不均匀引起的 瑞瑞瑞瑞 利利利利(Rayleigh)Rayleigh)散射散射散射散射和由光纤结构缺陷结构缺陷结构缺陷结构缺陷(如气泡)引起的散射产生的。瑞瑞瑞瑞利利利利散散散散射射射射损损损损耗耗耗耗是光纤的固固固固有有有有损损损损耗耗耗耗，它决定着光纤损耗的最低理论极限。图 2.15 单模光纤损耗谱，示出各种损耗机理 2.实用光纤的损耗谱实用光纤的损耗谱 根据以上分析和经验，光光光光纤纤纤纤总总总总损损损损耗耗耗耗 与波波波波长长长长 的关系可以表示为=+B+CW()+IR()+UV()式中，A为瑞瑞瑞瑞利利利利散散散散射射射射系系系系数数数数，B为结结结结构构构构缺缺缺缺陷陷陷陷散散散散射射射射产生的损耗，CW()、IR()和UV()分别为杂杂杂杂质质质质吸吸吸吸收收收收、红红红红外外外外吸吸吸吸收收收收和紫紫紫紫外外外外吸吸吸吸收收收收产生的损耗。由图2.16看到：从多多多多模模模模突突突突变变变变型型型型(SIF)(SIF)、渐渐渐渐变变变变型型型型(GIF)(GIF)光光光光纤纤纤纤到单模单模单模单模(SMF)(SMF)光纤光纤光纤光纤，损耗依次减小损耗依次减小损耗依次减小损耗依次减小。从色散的讨论中看到：从从从从多多多多模模模模SIFSIF、GIFGIF光光光光纤纤纤纤到到到到SMFSMF光光光光纤纤纤纤，色散依次减小色散依次减小色散依次减小色散依次减小(带宽依次增大带宽依次增大带宽依次增大带宽依次增大)。单单单单模模模模石石石石英英英英光光光光纤纤纤纤的零零零零色色色色散散散散波波波波长长长长在在在在1.31 1.31 mm，还可以把零色散波长从1.31 m移到1.55m，实现带宽最大损耗最小的传输实现带宽最大损耗最小的传输实现带宽最大损耗最小的传输实现带宽最大损耗最小的传输。正因为这些特性，使光纤通信从SIF、GIF光纤发展到SMF光纤，从短短短短波波波波长长长长(0.85(0.85 m)“m)“窗窗窗窗口口口口”发发发发展展展展到到到到长长长长波波波波长长长长(1.31(1.31 mm和和和和1.55 m)“1.55 m)“窗口窗口窗口窗口”，使系统技术水平不断提高。图 2.16光纤损耗谱(a)三种实用光纤；(b)优质单模光纤 2.3.3 光纤标准和应用光纤标准和应用 G.651G.651多多多多模模模模渐渐渐渐变变变变型型型型(GIF)(GIF)光光光光纤纤纤纤 应用于中小容量、中短距离的通信系统。G.652G.652常常常常规规规规单单单单模模模模光光光光纤纤纤纤 是第一代单模光纤，其特点是在波长1.31 m色散为零，系统的传输距离只受损耗的限制。G.653G.653色色色色散散散散移移移移位位位位光光光光纤纤纤纤 是第二代单模光纤，其特点是在波长1.55 m色散为零，损耗又最小。这种光纤适用于大容量长距离通信系统。G.654 G.654 1.55 1.55 mm损损损损耗耗耗耗最最最最小小小小的的的的单单单单模模模模光光光光纤纤纤纤 其特点是在波长1.31 m色散为零，在1.55 m色散为1720 ps/(nmkm)，和常规单模光纤相同，但损耗更低，可达0.20 dB/km以下。色散补偿光纤色散补偿光纤色散补偿光纤色散补偿光纤 其特点是在波长1.55 m具有大的负色散。G.655G.655非零色散光纤非零色散光纤非零色散光纤非零色散光纤 是一种改进的色散移位光纤。表2.3 光纤特性的标准光纤结构示意图光纤结构示意图涂覆层：光纤的最外层为涂覆层，包括一次涂覆层，缓冲层和二次涂覆层。n 一次涂覆层一般使用丙烯酸酯、有机硅或硅橡胶材料；n 缓冲层一般为性能良好的填充油膏；n 二次涂覆层一般多用聚丙烯或尼龙等高聚物。涂覆的作用是保护光纤不受水汽侵蚀和机械擦伤，同时又增加了光纤的机械强度与可弯曲性，起着延长光纤寿命的作用。涂覆后的光纤其外径约1.5mm。通常所说的光纤为此种光纤。2.4 光缆光缆 2.4.1 光缆基本要求光缆基本要求 保护光纤固有机械强度的方法，通常是采用塑塑塑塑料料料料被被被被覆覆覆覆和应应应应力力力力筛选筛选筛选筛选。光纤从高温拉制出来后，要立即用软软软软塑塑塑塑料料料料进进进进行行行行一一一一次次次次被被被被覆覆覆覆和应应应应力筛选力筛选力筛选力筛选，除去断裂光纤，并对成品光纤用硬塑料进行二次被覆硬塑料进行二次被覆硬塑料进行二次被覆硬塑料进行二次被覆。二次被覆光纤有紧紧紧紧套套套套、松松松松套套套套、大大大大套套套套管管管管和带带带带状状状状线线线线光纤四种，见图2.18。应力筛选应力筛选应力筛选应力筛选条件直接影响光纤的使用寿命。设对光纤进行拉伸应力筛选时，施加的应力为p，作用时间为tp(设为1s)；长期使用时，容许施加的应力为r，作用时间为tr，断裂概率为106km一个断裂点。理论推算得到的容许作用时间(光纤使用寿命)tr 和应力比r/p的关系示于图2.17。图 2.17 光纤使用寿命和应力比的关系 图 2.18二次被覆光纤(芯线)简图(a)紧套；(b)松套；(c)大套管；(d)带状线 2.4.2 光缆结构和类型光缆结构和类型 光缆一般由缆缆缆缆芯芯芯芯和护护护护套套套套两部分组成，有时在护套外面加有铠装。1.缆芯缆芯缆芯缆芯 缆芯通常包括被覆光纤被覆光纤被覆光纤被覆光纤(或称芯线)和加强件加强件加强件加强件两部分。被覆光纤被覆光纤被覆光纤被覆光纤是光缆的核心，决定着光缆的传输特性。加加加加强强强强件件件件起着承受光缆拉力的作用，通常处在缆芯中心，有时配置在护套中。光缆的结构护套起着对缆芯的机械保护和环境保护的作用。要求其具有良好的抗侧压力性能及密封防潮和耐腐蚀的功能。光缆的种类：1、按结构分：层绞式、骨架式、束管式、带状式2、按应用形式分：管道光缆、架空光缆、海底光缆、直埋光缆光缆的特性：损耗特性、色散特性、机械特性、环境特性光缆的种类图 2.20光缆类型的典型实例(a)6芯紧套层绞式光缆(架空、管道)；(b)12芯松套层绞式光缆(直埋防蚁)；(c)12芯骨架式光缆(直埋)；(d)648芯束管式光缆(直埋)；(e)108芯带状光缆；(f)LXE束管式光缆(架空、管道、直埋)；(g)浅海光缆；(h)架空地线复合光缆(OPGW)层绞式层绞式光缆的结构类似于传统的电缆结构方式，故又称为古典式光缆。骨架式骨架式光缆中的光纤置放于塑料骨架的槽中，槽的横截面可以是 V形、U 形或其他合理的形状，槽的纵向呈螺旋形或正弦形，一个空槽可放置510根一次涂覆光纤。束管式束管式结构的光缆近年来得到了较快的发展。它相当于把松套管扩大为整个缆芯，成为一个管腔，将光纤集中松放在其中。带状式带状式结构的光缆首先将一次涂覆的光纤放入塑料带内做成光纤带，然后将几层光纤带叠放在一起构成光缆芯。光缆光缆 的基本型式的基本型式层绞式层绞式层绞式层绞式 把松套光纤绕在中心加强件周围绞合而构成。骨架式骨架式骨架式骨架式 把紧套光纤或一次被覆光纤放入中心加强件周围的螺旋形塑料骨架凹槽内而构成。中中中中心心心心束束束束管管管管式式式式 把一次被覆光纤或光纤束放入大套管中，加强件配置在套管周围而构成。带带带带状状状状式式式式 把带状光纤单元放入大套管内，形成中心束管式结构，也可以把带状光纤单元放入骨架凹槽内或松套管内，形成骨架式或层绞式结构。2.护套护套 护护护护套套套套起着对缆芯的机械保护和环境保护作用，要求具有良好的抗侧压力性能及密封防潮和耐腐蚀的能力。护套通常由聚乙烯或聚氯乙烯(PE或PVC)和铝带或钢带构成。根据使用条件根据使用条件光缆光缆光缆光缆可以分为：可以分为：室内光缆、架空光缆、埋地光缆和管道光缆室内光缆、架空光缆、埋地光缆和管道光缆室内光缆、架空光缆、埋地光缆和管道光缆室内光缆、架空光缆、埋地光缆和管道光缆等。特种光缆常见的有：电力网使用的架架架架空空空空地地地地线线线线复复复复合合合合光光光光缆缆缆缆(OPGW)，跨越海洋的海海海海底底底底光光光光缆缆缆缆，易燃易爆环境使用的阻阻阻阻燃燃燃燃光光光光缆缆缆缆以及各种不同条件下使用的军用光缆军用光缆军用光缆军用光缆等。2.5 光纤特性测量方法光纤特性测量方法 光纤的特性参数很多，基本上可分为几几几几何何何何特特特特性性性性、光光光光学学学学特特特特性性性性和传输特性传输特性传输特性传输特性三类。几何特性几何特性几何特性几何特性包括纤芯与包层的直径、偏心度和不圆度；光光光光学学学学特特特特性性性性主要有折射率分布、数值孔径、模场直径和截止波长；传输特性传输特性传输特性传输特性主要有损耗、带宽和色散。光纤的特性参数很多，但在其中我们着重考虑的是它的几何特性、光学特性和传输特性三类。我们关注我们关注的重点？的重点？光纤损耗测量光纤带宽测量光纤色散测量光纤截止波长测量 用特定波长的光通过光纤，然后测出输出端相对于输入端的光功率或幅度、相位等物理量的变化，再经过相应的数据处理而实现。测量系统一般包括：发射光源、注入装置和接收与数据处理部分。各部分要求稳定、可靠，并有足够的精确度。测量的详细技术规范由国际标准（ITU-T）或国标确定。测量的共同特点损耗测量前面介绍光纤的损耗特性的时，我们引入了一个重要的参数(l)，它表示在波长l处的衰减系数。=10/L*lg(Pi/Po)(dB/Km)在使用的时候，要特别注意两点：1、假设光纤沿轴向是均匀的，即与轴向位置无关。2、对多模光纤必须达到平衡模分布。只有这样，测得的衰减系数才能进行线性相加。ITU-T G.650和ITU-T G.651都规定截断法为基准测量方法，插入法和背向散射法（OTDR法）为替代测量方法。损耗测量：截断法 截断法是一种直接利用衰减系数定义的测试方法。在不改变注入电流的条件下，分别测出光纤的输出功率P2和剪断后约2米长度短纤的输出功率P1，按照定义算出(l)。该方法测试精度高。根据需要可以在一个波长或多个波长上进行，或在一个波长范围内测出衰减谱。测试装置见如所示下所示。损耗测量：截断法BIAS光源注入系统滤模器Cladding stripperCladding stripper检测器Amp.电平测量待测光纤损耗测量：截断法 测试系统主要包括光源、光注入系统、光检测器及信号处理部分等单元。光源选择取决于测量类型、或是激光器、发光二极管，或是卤素灯。在测量过程中，光源的位置、强度和波长应保持稳定。光检测器要能收集所有的辐射光，频响应与光源的谱特性匹配，灵敏度应线性。损耗测量：截断法衰减谱测试系统的光源要有足够宽的波长范围，如卤素灯。为了保证高精度的测量，要求：1、测试系统高度稳定；2、有合适的注入条件；3、有高质量的光纤端面。损耗测量：截断法 注入条件：对多模光纤衰减的测量，这点尤为重要。多模光纤中可以激励成百上千个模，由于耦合条件不同，个模携带的初始能量不同。在传播中，由于模变换、模耦合和模衰减，各模携带的能量的比例不断变化，只有经过很长的传输距离后，各模传输能量的比例才能固定下来，即达到平衡模分布或稳态模分布。随着光纤轴向的均匀性的差异和光纤所处的状态的不同，达到平衡模分布的长度也不同，一般从几百米到几千米不等。损耗测量：截断法 为了满足测试的需要，必须加速平衡模建立的过程，即要人为的控制注入条件，使2米长光纤输出的场分布接近于平衡模分布。注入技术采取的措施包括1、扰模器（scrambler）2、滤模器（mode filter）和3、包层模剥除器（cladding stripper）等。光源123 一般的注入条件损耗测量：截断法1、扰模器：用来促使各模式间的能量转换，形成与光源特性无关的模分布。常用的有机械柱状扰模器件和SGS（阶跃-梯度-阶跃）光纤型扰模器。2、滤模器：用来选择或消除某些模式的器件，保证达到接近平衡模分布。3、包层模剥除器：促使包层模转化为辐射模，以便消除光纤中的包层模。损耗测量：截断法单模光纤由于仅仅传输基模。不存在稳态模分布的问题，所以不需要扰模器。但是注入条件要足以激励起基模，所以单模光纤要使用到滤模器，滤除接近传输条件的高次模。单模光纤的衰减系数很小，所以对测试系统稳定性的要求比多模光纤要求高。损耗测量：背向散射法 背向散射法是通过光纤中后向散射的光信号来提取光纤衰减及其他信息，如光纤的连续性、物理缺陷、接头损耗和光纤长度。设在光纤正向传输的光功率为P，经过L1和L2两点（L1P2），从这两点返回输入端。光检测器的后向散射光功率分别为Pd(L1)和Pd(L1)，经分析推导，正反向平均损耗系数为：=10/（L2-L1）*lg(Pd(L1)/Pd(L2)(dB/Km)后向散射法不仅可以测量损耗系数，还可以利用光在光纤中传输的时间来确定光纤的长度L。显然，L=c*t/(2*n1)其中c为光速，n1为光纤的纤芯折射率，t为光脉冲发出到返回的时间。注意分析后向散射功率曲线的几个部分，分别反应注意分析后向散射功率曲线的几个部分，分别反应不同位置的情况（输入、输出端面等）不同位置的情况（输入、输出端面等）光时域反射仪（OTDR）损耗测量：背向散射法光纤的带宽特性是系统设计的重要依据，是衡量光纤质量的一个重要的参数，光纤带宽特性的测量有时域法和频域法两种。时域法（脉冲法）：测量光纤的光脉冲的响应频域法（扫频法）：测量光纤的频率响应带宽测量带宽测量：扫频法 用扫频仪输出的正弦信号对光源进行直接强度调制，经光纤传输后的已调光信号由光电检测器变为电信号，由选频表测出电信号的大小。扫频仪从低频到高频改变振荡频率，在接收端就可以获得不同的输出信号，经数据处理后就可以得到光纤的频率特性。带宽测量：扫频法驱动器光探测器光衰减器激励器光源扫频仪选频表数据处理X-Y记录仪待测光纤带宽测量：扫频法测量步骤分两步：1、测出被测长光纤的输出特性；2、测光纤的输入特性除去光纤损耗外，随着调制频率的提高，光纤输出信号降低，长光纤与短光纤相比幅度下降6dB所对应的频率就是被测光纤的6dB电带宽。色散测量 单模光纤的色散是由于不同波长的光波通过同一光纤时所需要的时间不同而产生的。因为光源总存在一定的频谱宽度，所以这种已调制光波通过单模光纤传输时，其光纤色散使脉冲展宽，从而限制着传输信号的最高码速，或限制信号传输的距离。显然，光源的谱线越宽，这种影响就越大。为了表示单模光纤的这种特性，引入了总色散系统参数，它表示了单位长度光纤、单位光源频谱宽度时的脉冲展宽。色散测量光纤的色散系数可表示为：C(l)=/(L)=/(2 fo L)其中为相位移 为角频率，为波长差，产生的时延差为，=/相移法色散测量：相移法光源（可变）相位分析仪 光检测器正弦波振荡器foAB待测光纤l1l212 截止波长测量截止波长测量截止波长测量截止波长测量 根据式(2.37)和式(2.36)，截止波长 对常规单单单单模模模模光光光光纤纤纤纤，通过对折射率分布的测量，确定纤芯半径a，纤纤纤纤芯芯芯芯和包包包包层层层层的折射率n1和n2，由式(2.66)就可以计算出理论截止波长截止波长截止波长截止波长cc。实际截止波长截止波长截止波长截止波长的测量有：在弯曲状态下，测量损耗波长函数的传输功率法；改变波长，观察LP01模和LP11模产生的两个脉冲变为一个脉冲的时时时时延法延法延法延法；改变波长，观察近场图由环形变为高斯形的近近近近场场场场法法法法以及传输功率法传输功率法传输功率法传输功率法是测量单模光纤截止波长单模光纤截止波长单模光纤截止波长单模光纤截止波长的基准方法。(2.66)截止波长测量 光纤中传导模的多少与光纤的归一化频率有关，为保证单模传输就得减小归一化频率，当其减小到一定的时候，LP11模刚好截止，光纤中只传输一个模式，这时候的归一化频率为LP11模的归一化截止频率，所对应的波长为LP11的截止波长，只有当工作波长大于截止波长才能保证单模传输。传导功率法（基准法）截止波长测量：传导功率法LP11模在接近截止波长时，其传输功率对光纤弯曲十分灵敏，而基模LP01模在接近LP11模的截止波长时，其传输功率对光纤弯曲不十分灵敏。利用这个特点，测量在弯曲状态下的传输光功率随波长的变化，就可以确定截止波长。