第一讲光纤与光缆技术

1、第一讲 光纤与光缆技术南京邮电大学光电工程学院刘逢清内容1、光纤结构及导光原理（射线光学、全反射）2、多模光纤和单模光纤、渐变和阶跃光纤3、光纤的几何尺寸特性； 4、光缆的设计与结构 5、光缆的结构、种类、型号及用途 6、光纤的着色1.1 光纤结构及导光原理裸光纤：主要材料为石英玻璃，即SiO2纤芯中掺杂折射率稍高的材料，如GeO2，P2O5包层中掺杂折射率稍低的材料，如B2O3，F30150um，材料为硅树脂或聚氨基甲酸乙酯又称套塑，材料为聚乙烯、尼龙等纤芯包层125m涂覆层250m无论何种光纤，其包层直径都是一致的涂覆层的主要作用是为光纤提供保护纤芯和包层仅在折射率等参数上不同，结构上是一

2、个完整整体光纤尺寸 二 光的导光原理：射线光学理论 分析光波在光纤中传输可应用两种理论：波动理论和射线理论。波动理论分析光波在阶跃折射率光纤中传播的模式特性，分析的方法比较复杂。射线理论是一种近似的分析方法，但简单直观，对定性理解光的传播现象很有效，而且对光纤半径远大于光波长的多模光纤能提供很好的近似。 两个重要概念：光射线（简称射线） 设有一个极小的光源，它的光通过一块不透明板上的一个极小的孔，板后面的一条光的边界并不明显锐利，而有连续但又快速变化的亮和暗，这就是所谓的衍射条纹。 如果光波长极短（趋于0）而可以忽略，并使小孔小到无穷小，则通过的光就形成一条尖锐的线，这就是光射线。也可以说一条

3、很细很细的光束，它的轴线就是光射线。 两个重要概念：射线光学（即几何光学） 当光波长趋于0而可以忽略时，用射线去代表光能量传输线路的方法称为射线光学。在射线光学中，把光用几何学来考虑，所以也称为几何光学。 射线光学是忽略波长的光学，亦即射线理论是0时的波动理论。 光的反射和折射定律 从射线方程导出的射线光学最重要的理论之一 是斯涅尔（Snell）定律，它应用于恒定折射率n1和n2区域时可写成： 反射定律： 折射定律： 式中n1、n2为介质的折射率， 、 、 分别是光线的入射角、反射角和折射角。 反入折入sinsin21nn入反折光射线的反射和折射第1种媒质（n1）分界面第2种媒质（n2）n1n

4、2法线反射定律：入射角入反射角反折射定律：n1sin入n2sin折入反折入射光线折射光线反射光线光的全反射现象（光密介质光疏介质）第1种媒质（n1）分界面第2种媒质（n2）n1n2法线折射光线反射光线入射光线全反射定律：当入射角度增大到某一角度时，折射角可以获得最大值90，此时可认为无折射光存在，所有的入射光都被反射，称为全反射现象，满足全反射现象的最小角度称为全反射的临界角C。C光纤的传光原理 利用上述的射线分析方法，可以直观地对光纤的传光原理进行解释。阶跃折射率光纤中的全反射传输光纤轴线方向纤芯（n1）包层（n2）n1n2思考：如果光纤发生弯曲或形变会有什么结果？此处亦有折射现象，如何由光

5、纤内部的全反射条件推导处此处的入射条件？（入射角/接收角）n0最大接收角和数值孔径 最大接收角 数值孔径为 式中，n1,n2 分别为光纤芯和包层的折射率， 为相对折射率差。2sinsinsin1122211022211nnnnnna2sin122210nnnnNAa1.2 光纤的类型多模光纤多模光纤单模光纤单模光纤塑料光纤塑料光纤新型光纤新型光纤多模光纤多模光纤1、结构、结构多模光纤结构多模光纤结构2、分类、分类（1）阶跃型多模光纤）阶跃型多模光纤（2）梯度型多模光纤）梯度型多模光纤（1）阶跃型多模光纤）阶跃型多模光纤 特点：具有大的芯径和大的数值孔径特点：具有大的芯径和大的数值孔径 性能特征

6、的变化与所选用的材料和制备方法关系极大性能特征的变化与所选用的材料和制备方法关系极大 典型结构：典型结构：（2）梯度型多模光纤）梯度型多模光纤 特点：制备选用的材料纯度较高特点：制备选用的材料纯度较高 具有较好的抗弯曲性能具有较好的抗弯曲性能 典型结构：典型结构：IEC分类分类ITUT分类分类材料材料类型类型折射率分折射率分布指数布指数g极极限值限值典型典型传输传输距离距离A1G.651玻璃芯玻璃芯/玻璃包玻璃包层层梯度折梯度折射率光射率光纤纤1g32kmA2玻璃芯玻璃芯/玻璃包玻璃包层层准阶跃准阶跃折射率折射率光纤光纤3gG.655G.653G.652塑料光纤塑料光纤（Plastic Opt

7、ical Fiber, POF） 定义定义 塑料光纤是用高折射率高分子聚合物（塑料）塑料为塑料光纤是用高折射率高分子聚合物（塑料）塑料为芯材和低折射率聚合物（塑料）为包层次材料而制成的全芯材和低折射率聚合物（塑料）为包层次材料而制成的全塑料光纤（又称聚合物光纤）。塑料光纤（又称聚合物光纤）。 1 .3 光纤的几何尺寸特性（结构参数）光纤的几何尺寸特性（结构参数） 光纤结构参数是指那些仅与光纤横截面的物理构成光纤结构参数是指那些仅与光纤横截面的物理构成相关的参数，它们与长度及传输状态无关。相关的参数，它们与长度及传输状态无关。 渐变型（渐变型（GI）多模光纤的结构参数）多模光纤的结构参数 单模光

8、纤的结构参数单模光纤的结构参数 渐变型（渐变型（GI）多模光纤的结构参数）多模光纤的结构参数 0.1、结构参数的定义、结构参数的定义(1) 纤芯直径纤芯直径 根据测试出的折射率分布根据测试出的折射率分布 n(r)，可以由（，可以由（4.1）式给出的纤芯区）式给出的纤芯区折射率分布折射率分布n3的轨迹。此轨迹包围的横截面称为纤芯区。的轨迹。此轨迹包围的横截面称为纤芯区。 由最小二乘法得出的、与由最小二乘法得出的、与n3 轨迹最佳拟合的圆的直径定义为轨迹最佳拟合的圆的直径定义为纤芯直径，其中心即为纤芯中心。纤芯直径，其中心即为纤芯中心。 (2) 包层直径包层直径 环绕纤芯的区域称为包层。在光纤的横

9、截面中，与规定环绕纤芯的区域称为包层。在光纤的横截面中，与规定参照面封闭曲线重合得最好的圆的直径称为包层直径，此参照面封闭曲线重合得最好的圆的直径称为包层直径，此圆可由最小二乘法求得，其中心即为包层表面的中心。圆可由最小二乘法求得，其中心即为包层表面的中心。3212()nnk nn（4.1）(3) 纤芯不圆度纤芯不圆度 纤芯的不圆度可以定义为：实际纤芯区的外切圆直径与纤芯纤芯的不圆度可以定义为：实际纤芯区的外切圆直径与纤芯直径之差除以纤芯直径。直径之差除以纤芯直径。(4) 包层表面不圆度包层表面不圆度 包层表面不圆度可以定义为外切圆直径与包层表面直径之差除包层表面不圆度可以定义为外切圆直径与包

10、层表面直径之差除以包层直径。以包层直径。(5) 纤芯纤芯/包层同心偏差包层同心偏差 纤芯包层同心偏差可以定义为纤芯中心与包层面中心的间纤芯包层同心偏差可以定义为纤芯中心与包层面中心的间距除以纤芯直径。距除以纤芯直径。 (6) 最大理论最大理论NA 最大理论最大理论NA值可以定义为：值可以定义为：22 1/212()NAnn 单模光纤的结构参数单模光纤的结构参数 注意：注意：模场直径和截止波长是单模光纤特有的结构参数。模场直径和截止波长是单模光纤特有的结构参数。11、模场直径的定义及测量方法、模场直径的定义及测量方法（1）模场直径定义）模场直径定义 通俗地说，模场直径就是单模光纤中光斑的大小，模

11、场就是通俗地说，模场直径就是单模光纤中光斑的大小，模场就是光纤中基模场的电场强度在空间的分布。光纤中基模场的电场强度在空间的分布。(2)、光纤芯和包层尺寸的测量、光纤芯和包层尺寸的测量 一般来说，可以用显微镜来测量光纤的尺寸。一般来说，可以用显微镜来测量光纤的尺寸。v 将摄像设备与显微镜配合使用。垂直于光纤轴线切割光纤将摄像设备与显微镜配合使用。垂直于光纤轴线切割光纤端面，并将端面磨平。端面，并将端面磨平。v 用刻蚀法处理光纤表面，以使纤芯和包层界限分明。用刻蚀法处理光纤表面，以使纤芯和包层界限分明。 实际测量时，常常用专用工具进行切割，无须对端面进实际测量时，常常用专用工具进行切割，无须对端

12、面进行再加工。行再加工。2.、截止波长 只有工作波长大于某个固定的波长时，才能保证光纤中只传输基模（LP01模或HE11模），单模光纤理论截止波长 为 （ ） 截止波长是单模光纤的基本参量，也是单模光纤最基本的参数。 c4048. 222221nnacm截止波长和工作波长的关系 判断一根光纤是不是单模传输，只要比较一下它的工作波长与截止波长c的大小就可以了。如果c ，则为单模光纤，该光纤只能传输基模；如果c2c3c4。1.4 光缆的设计与结构光缆结构图光缆结构图1.5 光缆的型号及用途举例 金属加强件、松套、层绞、油膏填充式、铝-聚乙烯粘结护套、皱纹钢带铠装、聚乙烯护层的通信用室外光缆，包含1

13、2根50/125um石英玻璃系梯度折射率多模光纤和5根用于远供电及监测的铜线径为0.9mm的四线组 光缆的型号应表示为：GYTA53 12Aa1a+540.9型式规格分类加强件、结构特征护套代号外护层代号：铠装层（5）、外护套（3）光纤规格导电芯线规格光缆选型光缆选型v光缆结构的选择光缆结构的选择1、敷设环境和条件、敷设环境和条件（室内室外、地质情况、阻水防潮、防咬坏等）2、光纤数量的考虑、光纤数量的考虑（分离、束、带）3、光缆的填充方式、光缆的填充方式（填充物的选择，如有纵向阻水需求，填充油膏）4、光纤护层的选择、光纤护层的选择（依据抗侧压、拉伸应变等要求，选择护套）5、外护层的选择、外护层

14、的选择（铠装层和外护层，架空管道钢带纵包、PE外护层、直埋PE内护层+PE护套+钢带纵包、PE外护层 和 室内光缆阻燃、聚氯乙烯外护层）管道架空光缆结构图管道架空光缆结构图GYTA GYTS 松套层绞式光缆松套层绞式光缆 主要特点主要特点优良的机械抗拉应变性能、抗侧压性能、温度特性和传输特性。优良的机械抗拉应变性能、抗侧压性能、温度特性和传输特性。光缆具有优良的阻水、防潮防腐性能：光缆具有优良的阻水、防潮防腐性能： 中心加强件采用单根高杨氏摸量的磷化钢丝，必要时在钢丝外中心加强件采用单根高杨氏摸量的磷化钢丝，必要时在钢丝外加挤加挤PE垫层。垫层。 松套管中和缆芯所有缝隙充满防潮阻水油膏和化合物，确保了松套管中和缆芯所有缝隙充满防潮阻水油膏和化合物，确保了纵向不渗水。纵向不渗水。 复合皱纹钢（铝）带纵包，并与复合皱纹钢（铝）带纵包，并与MDPE护套紧密粘结，既保证护套紧密粘结，既保证了径向防潮，又增强了光缆的机械耐侧压性能。了径向防潮，又增强了光缆的机械耐侧压性能。松套层绞式、非金属光缆松套层绞式、非金属光缆 GYFTY 8字型光缆字型光缆直埋光缆直埋光缆GYTY53 直埋光缆结构图直埋光缆结构图全介