浙江传媒学院光纤上课新版市公开课一等奖省赛课获奖课件

2.1光纤结构和类型2.2光纤传输原理2.3光纤传输特征2.4

光纤制造工艺2.5

光缆第2章光纤和光缆返回主目录浙江传媒学院光纤上课新版第1页第2章光纤和光缆2.1光纤结构和类型纤芯：光能量传输通道。包层：为光传输提供反射面和光隔离以及机械保护作用。涂覆层：保护光纤不受水汽侵蚀和机械擦伤。普通为硅橡胶材料或聚丙乙烯。浙江传媒学院光纤上课新版第2页图2.1光纤外型n1>n2设纤芯和包层折射率分别为n1和n2，传输必要条件是n1>n2浙江传媒学院光纤上课新版第3页光纤分类1．按光纤制造材料不一样分类依据制造材料不一样，可分为石英光纤和塑料光纤。当前通信用光纤主要是石英系光纤，成份是高纯度石英玻璃。2、按光纤折射率分布不一样分类依据折射率分布不一样，光纤可分为阶跃型光纤和渐变型光纤。浙江传媒学院光纤上课新版第4页浙江传媒学院光纤上课新版第5页光纤分类3、按光纤传输模式分类模式：光纤能够看成是导引电磁能量沿光纤长度方向传输光波导，被导电磁波称为导波模式。多模光纤(MMF)单模光纤(SMF)。多模光纤:当纤芯远大于光波波长（约1um）时，传输会存在多个传输模式，光纤称为多模光纤。4、按工作波长分类依据工作波长不一样，可分为短波长光纤和长波长光纤。5．按照ITU-T提议分类为了使光纤含有统一国际标准，国际电信联盟——电信标准化机构(ITU-T)制订了统一光纤标准(G标准)。按照ITU-T关于光纤提议，能够将光纤分为G.651光纤(多模渐变型光纤)、G.652光纤(标准单模光纤)、G.653光纤(色散位移光纤)、G.654光纤(衰减最小光纤)、G.655光纤(非零色散光纤)等。浙江传媒学院光纤上课新版第6页三种基本类型突变型多模光纤（多模阶跃折射率光纤）

渐变型多模光纤（多模渐变射率光纤）

单模光纤纤芯直径2a=50~80μm，光线以折线形状沿纤芯中心轴线方向传输，特点是信号畸变大。带宽只有10~20MHz·km，普通用于小容量（8Mb/s以下）短距离（几km以内）系统。

浙江传媒学院光纤上课新版第7页在纤芯中心折射率最大为n1

，沿径向r向外围逐步变小，直到包层变为n2。这种光纤普通纤芯直径2a为50μm，光线以正弦形状沿纤芯中心轴线方向传输，特点是信号畸变小。渐变型多模光纤带宽可达1~2GHz·km，适合用于中等容量（34~140Mb/s）中等距离（10~20km）系统。

浙江传媒学院光纤上课新版第8页折射率分布和阶跃型光纤相同，纤芯直径只有8~10μm，光线以直线形状沿纤芯中心轴线方向传输。因为这种光纤只能传输一个模式（只传输主模），所以称为单模光纤，其信号畸变很小。

浙江传媒学院光纤上课新版第9页相对于单模光纤而言，阶跃型光纤和渐变型光纤纤芯直径都很大，能够容纳数百个模式，所以称为多模光纤。

渐变型多模光纤和单模光纤，包层外径2b都选取125μm。

浙江传媒学院光纤上课新版第10页特种单模光纤

最有用若干经典特种单模光纤横截面结构和折射率分布下列图所表示：

(a)双包层；(b)三角芯；(c)椭圆芯浙江传媒学院光纤上课新版第11页

双包层光纤:

色散平坦光纤（DFF）适合用于波分复用系统，这种系统能够把传输容量提升几倍到几十倍。

色散移位光纤（DSF）超大容量超长距离系统。使用于密集波分复用和孤子传输长距离系统。

三角芯光纤:改进色散移位光纤

椭圆芯光纤:

双折射光纤或偏振保持光纤。提升接收灵敏度，增加传输距离。浙江传媒学院光纤上课新版第12页企业名称1998年1999年1998年－中国光纤生产企业生产概况（单位为万公里）武汉长飞90180200410制棒能力于底到达千万公里，是国内仅有这一家能够生产G.655光纤厂家，含有大规模生产多模和单模光纤能力。上海朗讯120170200240进口预制棒生产单模光纤华新藤仓104580120进口预制棒生产单模光纤特发信息6253540进口预制棒生产单模光纤富通昭和0155080进口预制棒生产单模光纤成都中住

4103070进口预制棒生产单模光纤南京特恩驰53020进口预制棒生产单模光纤西古3435少许制棒生产单模光纤其它2020--累计2334536031005自行研制预制棒拉丝能力约为46%浙江传媒学院光纤上课新版第13页2.2光纤传输原理描述光纤传输原理有两种方法：（1）几何光学射线法（适合用于多模光纤）几何光学方法比较直观，轻易了解，但不十分严格。（2）波动理论分析法（适合用于单模光纤）比较抽象，数学推导和演算复杂。浙江传媒学院光纤上课新版第14页1、均匀平面波在两理想介质交界面反射和折射介质n2光疏介质n1光密n法线方向折射率n1>n2θ1θ3θ2（1）反射定律（在同一介质偏折射）θ1=θ3入射角等于反射角（2）折射定律（3）全反射当时只有反射光线，没有折射光线，称为全反射现象。θc2.2.1几何光学方法

分析光束在光纤中传输空间分布和时间分布。浙江传媒学院光纤上课新版第15页假如纤芯折射率n1=1.48，包层折射率n2=1,46，在什么条件下光能够保持在纤芯中？例题：浙江传媒学院光纤上课新版第16页阶跃型多模光纤导光原理图设纤芯和包层折射率分别为n1和n2，空气折射率n0=1，纤芯中心轴线与z轴一致。阶跃型多模光纤导光原理浙江传媒学院光纤上课新版第17页由此可见，只有在半锥角为θi≤θmax圆锥内入射光束才能在光纤中传输。浙江传媒学院光纤上课新版第18页参数：数值孔径NA来表示光纤接收和传输能力。依据这个传输条件，定义入射临界角正弦为数值孔径(NumericalAperture,NA)。即光纤数值孔径为：

NA=n0

sin(θmax)浙江传媒学院光纤上课新版第19页浙江传媒学院光纤上课新版第20页NA=n0sin

(θmax)=

得光纤数值孔径为：

光纤数值孔径NA仅决定于光纤折射率n1和n2，与光纤直径无关。

NA表示光纤接收和传输光能力。1）NA越大，纤芯对光能量束缚越强，光纤抗弯曲性能越好。2）NA越大经光纤传输后产生信号畸变越大浙江传媒学院光纤上课新版第21页例题：设光纤纤芯折射率n1=1.500，包层折射率n2=1.485。求:（1）相对折射率差Δ；（2）数值孔径NA；（3）入射临界角θmax。浙江传媒学院光纤上课新版第22页解：（1）相对折射率差Δ：0.01（2）数值孔径NA：0.21（3）入射临界角θmax12.12o浙江传媒学院光纤上课新版第23页（1）渐变型光纤折射率分布普遍公式n1

和n2分别为纤芯中心和包层折射率；r

和a

分别为径向坐标和纤芯半径；Δ

为相对折射率差；图2.5渐变型多模光纤光线传输原理浙江传媒学院光纤上课新版第24页（1）局部数值孔径因为渐变型多模光纤折射率分布是径向坐标r函数，纤芯各点数值孔径不一样，所以要定义局部数值孔径NA(r)和最大数值孔径NAmax

浙江传媒学院光纤上课新版第25页（2）自聚焦效应不一样入射角对应光线，即使经历旅程不一样，不过最终都会聚在一点上，这种现象称为自聚焦效应渐变型多模光纤含有自聚焦效应，不但不一样入射角对应光线会聚在同一点上，而且这些光线时间延迟也近似相等。

浙江传媒学院光纤上课新版第26页波动理论分析法经过求解由麦克斯韦方程组导出波动方程分析电磁场分布(传输模式)性质，准确地取得光纤传输特征。

依据麦克斯韦方程组，光纤中可能存在电磁波可分为有横电波TE、横磁波TM及混合波HE和EH等四种。

浙江传媒学院光纤上课新版第27页

一、模式概念所谓光纤模式，就是满足边界条件电磁场波动方程解，电磁场稳态分布。光纤中有多个传输模式，它与波长，光纤结构，纤芯和包层折射率相关。g为光纤中纤芯折射率分布参数。V为归一化频率。传输模数（模数量）多模光纤模式特征波动理论分析法浙江传媒学院光纤上课新版第28页对于阶跃光纤，g＝∞，其模式数目为对于渐变光纤,g＝２，其模式数目为对于三角分布,g＝１，其模式数目为浙江传媒学院光纤上课新版第29页例：假如纤芯直径数值孔径NA=0.275,工作波长计算渐变折射率模式数量。例题：浙江传媒学院光纤上课新版第30页浙江传媒学院光纤上课新版第31页单模光纤模式特征传输模式数目随V值增加而增多尤其值得注意是当V<2.405时，只有HE11一个模式存在，其余模式全部截止。

HE11称为基模或主模。浙江传媒学院光纤上课新版第32页由此得到单模传输条件为

V-光纤归一化频率;

n1-纤芯折射率;Δ-相对折射率差；λ-传输光波长。截止波长计算公式

浙江传媒学院光纤上课新版第33页已知某阶跃型光纤参数Δ=0.003，n1=1.46，光波长λ=1.31µm，求单模传输时光纤应含有纤芯半径。浙江传媒学院光纤上课新版第34页

2.3光纤传输特征损耗和色散是光纤最主要传输特征。产生信号畸变主要原因是光纤中存在色散。光波在光纤中传输，伴随距离增加光功率逐步下降，这就是光纤传输损耗。。浙江传媒学院光纤上课新版第35页色散(Dispersion)是在光纤中传输光信号，因为不一样成份光时间延迟（传输速度）不一样而产生一个物理效应。光纤中光信号色散造成脉冲展宽，致使前后脉冲重合，引发信号码间串扰。输入光脉冲输出光脉冲光纤2.3.1光纤色散浙江传媒学院光纤上课新版第36页2.3.1.1色散类型模式色散： 多模光纤中每种模式群速度不一样，产生时延差。材料色散: 光纤材料折射率随光波长不一样而改变，各种波长光传输速度不一样，引发时延差。对于普通单模光纤，材料色散在波长

λ=1.27

μm左右时为零，

λ>1.27

μm时有正色散，

λ<1.27

μm时有负色散。浙江传媒学院光纤上课新版第37页浙江传媒学院光纤上课新版第38页波导色散:是因为波导结构参数与波长相关而产生，它取决于波导尺寸和纤芯与包层相对折射率差。对于普通单模光纤，波导色散随折射率分布、光纤纤芯、光波长减小而变大。波导色散为负色散。材料色散和波导色散通称为色度色散（波长色散）。浙江传媒学院光纤上课新版第39页纤芯半径越小，折射率差越大，波导色散也越负浙江传媒学院光纤上课新版第40页偏振模色散:

偏振模色散是输入光脉冲激励两个正交偏振模式之间群速度不一样而引发色散。

偏振模色散仅在超高速,超长距离系统产生影响,将成为最终极限.

!!多模光纤:模式色散占主要地位. !!单模光纤:材料色散和波导色散共同影响总色散.浙江传媒学院光纤上课新版第41页色散表示色散大小惯用时延差(脉冲展宽)来表示，而时延差是光脉冲不一样模式或不一样波长成份传输一样距离所需时间。用脉冲展宽表示时，光纤色散能够写成Δτn——模式色散；Δτm——材料色散；

Δτw——波导色散浙江传媒学院光纤上课新版第42页多模光纤色散（了解）长度为L

阶跃型多模光纤色散为长度为L渐变型多模光纤色散为n(0)：纤芯轴线折射率浙江传媒学院光纤上课新版第43页单模光纤色散

单模光纤波长色散用D(λ)

表示，即单位波长间隔（1nm）两个频率成份在光纤中传输1km时所产生群时延差。在工程中将称为色散系数。即定义为：Dm为材料色散;上式右边第二项

DW为波导色散浙江传媒学院光纤上课新版第44页单模光纤色散特征总色散在λ=1310nm附近为零，即零色散波长λ0=1310nm浙江传媒学院光纤上课新版第45页

G.652常规单模光纤

零色散波长λ0=1310nm石英光纤是一个常规单模光纤，国际电信联盟电信标准化机构ITU–T将其命名为G.652光纤。这种光纤既可用于1.31μm波长区，也可用于1.55μm波长区，是一个可供双窗口应用单模光纤。

它最正确工作波长在1.31μm区域浙江传媒学院光纤上课新版第46页G.653色散位移单模光纤

经过改变光纤结构参数、折射率分布形状，力争加大波导色散，从而将零色散波长λ0从1.310μm

位移到1.550μm，实现1.550μm处最低衰减和零色散波长一致。这种光纤称为色散位移单模光纤,ITU–T将其命名为G.653光纤。G.653光纤工作波长在1.550μm区域，它非常适合于长距离单信道光纤通信系统。浙江传媒学院光纤上课新版第47页G.653光纤在1.550μm波长区零色散产生了四波混频非线性效应G.653光纤基础上经过过改变光纤结构参数、折射率分布形状方法，使得这种光纤在1.550μm波优点色散不为零，零色散波长不在1.55μm，而在1.525μm或1.585μm。故其被称为非零色散位移单模光纤，ITU–T将其命名为G.655光纤（最新一代光纤）。

浙江传媒学院光纤上课新版第48页G.655光纤性能特点是：G.655光纤在1.55μm有适中微量色散，其值大到足以抑制密集波分复用系统四波混频效应，小到允许信道传输速率到达10Gb/s以上。浙江传媒学院光纤上课新版第49页G.652、G.653、

G.655

色散浙江传媒学院光纤上课新版第50页吸收损耗-----是由SiO2材料引发固有吸收和由杂质引发吸收产生。散射损耗-----主要由材料微观密度不均匀引发瑞利(Rayleigh)散射和由光纤结构缺点(如气泡)引发散射产生。辐射损耗-----光纤几何形状相关2.3.2光纤损耗是影响光纤传输特征一个主要指标。因为损耗存在，将会减小传输光信号能量，使信号传输距离受到限制。浙江传媒学院光纤上课新版第51页自光纤问世以来，人们在降低光纤损耗方面做了大量工作，1.31μm光纤损耗值在0.5dB/km以下，而1.55μm损耗为0.2dB/km以下，这个数量级靠近了光纤损耗理论极限。

通信中习惯用损耗系数表示损耗c1为瑞利散射系数，c2为结构缺点散射产生损耗，A为杂质引发波吸收浙江传媒学院光纤上课新版第52页光纤α----λ曲线常规单模光纤在1400nm附近有一个衰减峰值，这是光纤中水分子吸收作用造成，朗讯1998年进行了超高纯度提纯，大大提升带宽。有三个低损耗窗口，分别为850nm，1310nm，1550nm浙江传媒学院光纤上课新版第53页多模阶跃型(SIF)、渐变型(GIF)光纤、单模(SMF)光纤由下列图看到：（1）从多模突变型(SIF)、渐变型(GIF)光纤到单模(SMF)光纤，损耗依次减小。（2）在0.8~1.55μm波段内，除吸收峰外，光纤损耗随波长增加而快速减小。（3）从多模SIF、GIF光纤到SMF光纤，色散依次减小(带宽依次增大)。正因为这些特征，使光纤通信从SIF、GIF光纤发展到SMF光纤，从短波长(0.85μm)“窗口”发展到长波长(1.31μm和1.55μm)“窗口”，使系统技术水平不停提升。浙江传媒学院光纤上课新版第54页光纤特征标准浙江传媒学院光纤上课新版第55页浙江传媒学院光纤上课新版第56页2.4光纤制造工艺当前通信用光纤主要是以石英玻璃（SiO2）为主石英光纤。制造光纤流程：

制作光纤预制棒拉丝涂覆套塑成缆浙江传媒学院光纤上课新版第57页预制棒（preform）:拉制光纤原始棒体材料,含有与光纤相同结构和折射率分布。预制棒制造关键：（1）怎样制作出光纤材料（2）怎样控制光纤纤芯、包层折射率光纤预制棒制造

浙江传媒学院光纤上课新版第58页光纤折射率控制经过掺杂实现光纤折射率增加、减小：纤芯掺杂折射率稍高Ge(铬)、P等元素包层掺杂折射率稍低F（氟）、B元素等经过载运气体（氧气、氩气）流速控制掺杂量多少，从而控制折射率改变大小光纤预制棒制造工艺（1）改进化学气相沉积法(MCVD)等离子体激活化学气相沉积法(PCVD)浙江传媒学院光纤上课新版第59页PCVDMACHINE浙江传媒学院光纤上课新版第60页光纤拉制工艺浙江传媒学院光纤上课新版第61页拉丝塔浙江传媒学院光纤上课新版第62页光纤涂覆和套塑从预制棒拉出光纤还不能直接使用，是脆性断裂材料，达不到实际使用强度要求，抗拉和抗弯能力都较差。因为制造工艺不完善，光纤强度将深入下降。为保护光纤表面，提升抗拉强度和抗弯曲强度，还要对光纤进行涂覆和套塑处理。浙江传媒学院光纤上课新版第63页国内相关情况光纤预制棒生产企业有五家：长飞、法尔胜光子、烽火通信、杭州富通和特恩弛，5家企业生产能力是万公里／年。光纤拉丝生产企业有19家：长飞、上海光纤、南京华新藤仓、深圳特发、成都中住、杭州富通、法尔胜光子、西古、烽火通信、天大天财、特恩弛、亨通阿尔法、中天科技、华伦光纤、富春江、上海华源、山东太平洋、海南韩国三星、海南睿丰，这19家企业生产能力是3500万公里／年。国内市场对光纤产品需求：中国市场光纤需求量是1449.7万公里。中国市场光纤产品供大于求，也会使得市场竞争激烈化。浙江传媒学院光纤上课新版第64页涂覆是与拉丝工艺同时进行。当光纤向下拉制时，光纤表面微裂纹尚没与空气中水分等发生反应或扩大，就快速地进行涂覆来保护光纤表面。涂覆材料普通是硅酮树脂和丙烯酸脂类材料。通常涂覆都在两层以上，里面一层用折射率比石英玻璃稍大变性硅酮树脂，能够用来吸收透过包层光。外面第二层是普通硅酮树脂，而且涂层较厚。光纤涂覆和套塑浙江传媒学院光纤上课新版第65页2.5光缆2.5.1光纤成缆之后要求光缆：1.抗拉力特征光缆能承受最大拉力取决于加强构件材料和横截面积，普通要求大于1km光缆重量(100~400kg)2.抗压特征光缆能承受最大侧压力取决于护套材料和结构，多数在100~400kg/10cm3.改进温度特征、隔离潮气4.要求光缆材料不轻易析氢浙江传媒学院光纤上课新版第66页

2.5.2光缆结构和类型光缆普通由缆芯、加强元件和护层三部分组成。1.缆芯缆芯由光纤芯数决定，有单芯、多芯。多芯光缆要对光纤进行着色方便于识别。2.护套护套起着对缆芯机械保护和环境保护作用，要求含有良好抗侧压力性能及密封防潮和耐腐蚀能力。3.加强件

两种结构方式：一个是放在光缆中心中心加强方式，另一个是放在护层中外层加强方式。通惯用杨氏模量大钢丝或非金属材料比如芳纶纤维(Kevlar)做成。

浙江传媒学院光纤上课新版第67页光缆类型各种多样，依据缆芯结构特点，光缆可分为四种基本形式。（1）层绞式光缆结构类似于传统电缆结构方式，故又称为古典式光缆。浙江传媒学院光纤上课新版第68页光纤置放于塑料骨架槽中，槽横截面能够是V形、U形或其它形状，槽纵向呈螺旋形或正弦形，一个空槽可放置5~10根一次涂覆光纤。骨架：聚乙烯材料，抗侧压性能好（2）骨架式我国及欧亚各国用较多是传统结构层绞式和骨架式浙江传媒学院光纤上课新版第69页（3）中心束管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组成。这种结构加强件同时起着护套部分作用，有利于减轻光缆重量。浙江传媒学院光纤上课新版第70页（4）带状式把带状光纤单元放入大套管内，形成中心束管式结构，也能够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。带状式缆芯有利于制造容纳几百根光纤高密度光缆，这种光缆已广泛应用于接入网。浙江传媒学院光纤上课新版第71页2.5.3光缆种类光缆种类很多，分类方法也很多，习惯有：依据光缆传输性能、距离和用途，能够分为市话光缆、长途光缆、海底光缆和用户光缆；依据光纤种类，能够分为多模光缆、单模光缆；依据光纤芯数多少，能够分为单芯光缆和多芯光缆等等；依据加强构件配置方式，分为中心加强构件光缆(如层绞式光缆、骨架式光缆等)、分散加强构件光缆(如束管式光缆)和护层加强构件光缆(如带状式光缆)；依据敷设方式，分为管道光缆、直埋光缆、架空光缆和水底光缆；依据护层材料性质，分为普通光缆、阻燃光缆和防蚁、防鼠光缆等。浙江传媒学院光纤上课新版第72页2.5.4光缆型号光纤规格代号是由光纤数目、光纤类别、光纤主要尺寸参数、传输性能（使用波长、损耗系数、模式带宽）及适用温度五个部分组成，各部分均用代号或数字表示。浙江传媒学院光纤上课新版第73页光缆分类代号及其意义GY：通信用室(野)外光缆；GR：通信用软光缆；GJ：通信用室(局)内光缆；GS：通信用设备内光缆；GH：通信用海底光缆；GT：通信用特殊光缆；GW：通信用无金属光缆。加强构件代号及意义无符号：金属加强构件；F：非金属加强构件；G：金属重型加强构件；H：非金属重型加强构件。浙江传媒学院光纤上课新版第74页派生特征代号及其意义B：扁平式结构；Z：自承式结构；T：填充式结构；S：松套结构。注：当光缆型式兼有不一样派生特征时，其代号字母次序并列。护套代号及其意义Y：聚乙烯护套；V：聚氯乙烯护套；U：聚氨酯护套；A：铝、聚乙烯护套；L：铝护套；Q：铅护套；G：钢护套；S：钢、铝、聚乙烯综合护套。浙江传媒学院光纤上课新版第75页外护层代号及其意义外护层是指铠装层及铠装层外面外被层，参考国家标准GB2952-82要求，