大学本科课件-光纤通信原理第4章-光纤和光缆

第4章光纤和光缆§4.1单模光纤及其应用§4.2光纤的选择§4.3光纤的温度特性和机械特性§4.4光缆的结构和种类第4章光纤和光缆§4.1单模光纤及其应用1§4.1单模光纤及其应用G.651标准多模光纤G.652标准单模光纤G.653色散移位光纤G.654衰减最小光纤G.655非零色散光纤全波光纤色散补偿光纤单模光纤的种类：§4.1单模光纤及其应用G.651标准多模光纤2G.652标准单模光纤

标准单模光纤是指零色散波长在1.3m窗口的单模光纤，国际电信联盟(ITU-T)把这种光纤规范为G.652光纤。这属于第一代单模光纤。其特点是当工作波长在1.3m时，光纤色散很小，系统的传输距离只受一个因素，即光纤衰减所限制。G.652标准单模光纤标准单模光纤是指零色散波长在1.3G.652光纤在1.3m波段的损耗较大，约为0.3~0.4dB/km；在1.55m波段的损耗较小，约为0.2~0.25dB/km。色散在1.3m波段为3.5ps/nmkm，在1.55m波段较大，约为20ps/nmkm。这种光纤可支持用于在1.55m波段的2.5Gb/s的干线系统，但由于色散较大，若传输10Gb/s的信号，传输距离超过50km时，就要求使用价格昂贵的色散补偿模块。另外，由于色散补偿模块的使用，增加了线路损耗，缩短了中继距离，不适用于DWDM系统。G.652标准单模光纤G.652光纤在1.3m波段的损耗较大，约为0.3~4G.653色散移位光纤G.652光纤的最大缺点是低衰减和零色散不在同一工作波长上，这不仅使工程应用受到一定的限制，而且在1.3m的光纤放大器开发应用之前，使不经过光-电转换过程的全光通信无法实现。

G.653是在80年代中期开发成功的第二代单模光纤。它是一种将零色散波长从1.3m移到1.55m的色散移位光纤(DSF,Dispersion-ShiftedFiber)。ITU把这种光纤的规范为G.653。G.653色散移位光纤G.652光纤的最大缺点是低衰减和5光纤的色散特性0.5000.3751700波长(nm)色散0102030-10-3.5ps/(nmkm-90色散补偿光纤色散

标准光纤衰减15001600非零色散移位光纤色散色散平坦光纤1300标准光纤色散0.0000.2500.1251400衰减(dB/km)色散移位光纤色散

.)光纤的色散特性0.5000.3751700波长(nm)色散06G.654衰减最小光纤ITU将一种衰减最小的光纤规范为G.654光纤。它是一种可应用于1.55m波长的纯石英芯单模光纤，能够满足海底光缆长距离通信的需求。在1.55m波长附近衰减最小，仅为0.185dB/km。在1.3m波长区域色散为零，但在1.55m波长区域色散较大，约为17~20ps/(nmkm)。G.654衰减最小光纤ITU将一种衰减最小的光纤规范为G7由色散移位光纤到非零色散光纤色散移位光纤在1.55m色散为零，不利于多信道的WDM传输，因为当复用的信道数较多时，信道间距较小，这时就会发生一种称为四波混频(FWM，FourWaveMixing)的非线性光学效应，这种效应使两个或三个传输波长混合，产生新的、有害的频率分量，导致信道间发生串扰。如果光纤线路的色散为零，FWM的干扰就会十分严重；如果有微量色散，FWM干扰反而还会减小。针对这一现象，科学家们研制了一种新型光纤，即非零色散光纤(NZ-DSF)。由色散移位光纤到非零色散光纤色散移位光纤在1.55m8G.655非零色散光纤非零色散光纤实质上是一种改进的色散移位光纤。其零色散波长不在1.55m，而是在1.525m或1.585m处。在光纤制作过程中，适当控制掺杂剂的量，使它大到足以抑制高密度波分复用系统中的四波混频，小到足以允许单信道数据速率达到10Gb/s，而不需要色散补偿。G.655非零色散光纤非零色散光纤实质上是一种改进的色散9消除了色散效应和四波混频效应；而标准光纤和色散移位光纤都只能克服这两种缺陷中的一种；非零色散光纤综合了标准光纤和色散移位光纤最好的传输特性，既能用于新的陆上网络，又可对现有系统进行升级改造，它特别适合于高密度WDM系统的传输，所以非零色散光纤是新一代光纤通信系统的最佳传输介质。G.655非零色散光纤的特点消除了色散效应和四波混频效应；G.655非零色散光纤的特10非零色散光纤举例AT&T研制的真波光纤(TrueWaveTM)美国康宁玻璃公司开发的叶状光纤(LeafFiber)阿尔卡特的特锐光纤(TeraLightTM)国内长飞公司的大保实光纤等非零色散光纤举例AT&T研制的真波光纤(TrueWaveT11全波光纤（1360~1460nm波段就是E波段(Extendedwavelengthband)，它位于O波段和S波段之间。120014001600衰减波长0.10.20.30.51700150013000.40.6窗口O全波光纤去掉了的水峰SCLUE(dB/km)(nm)1385nmO：OriginalwavelengthbandE：ExtendedwavelengthbandS：short-wavelengthbandC：ConventionalwavelengthbandL：Long-wavelengthbandU：Ultralongwavelengthband全波光纤（1360~1460nm波段就是E波段(Exte12全波光纤光纤制造商在1380nm波长附近，把OH离子浓度降到了10-8以下，消除了（1360~1460nm波段的损耗峰，使该波段的损耗也降低到0.3dB/km左右，可应用于光纤通信，而且色散值也小，所以在相同比特率下传输的距离更长。全波光纤，就是在光纤的整个波段，从1280nm开始到1675nm终止，都可以用来通信，与常规光纤相比，全波光纤应用于DWDM，可使信道数增加50%，这就为DWDM系统应用于城域网创造了条件。全波光纤光纤制造商在1380nm波长附近，把OH离子浓度降13初始波段扩展波段短波段常规波段长波段超长波段工作波段OESCLU工作波长(nm)1260~13601360~14601460~15301530~15661566~16251625~1675通信光纤的工作窗口O：OriginalwavelengthbandE：ExtendedwavelengthbandS：short-wavelengthbandC：ConventionalwavelengthbandL：Long-wavelengthbandU：Ultralongwavelengthband初始波段扩展波段短波段常规波段长波段超长波段工作波段OESC14色散补偿光纤色散补偿光纤(DCF,DispersionCompensatingFiber)是具有大的负色散光纤。是针对现已敷设的1.3m标准单模光纤而设计的一种单模光纤。为了使现已敷设的1.3m光纤系统采用WDM技术，就必须将光纤的工作波长从1.3m改为1.55m。标准光纤在1.55m波长的色散不是零，而是正的17~20ps/(nmkm),并且具有正的色散斜率，必须在这些光纤中加接具有负色散的色散补偿光纤，进行色散补偿，以保证整条光纤线路的总色散近似为零，从而实现高速率、大容量、长距离的通信。色散补偿光纤色散补偿光纤(DCF,Dispersion15§4.2光纤的选择 选择光纤的基本要求：从发射光源耦合进光纤的光功率最大；光信号通过光纤传输后产生的畸变最小；光纤的传输窗口要满足系统应用的要求。具体的设计要根据使用条件进行折衷。§4.2光纤的选择 选择光纤的基本要求：16一、损耗（衰减）在选定的波长，衰减要足够小，以使在满足接收机所要求的光功率的前提下，使中继距离尽可能大。设计系统时，要考虑连接器、接头和耦合器的损耗和系统工作所需的余量。为此，要正确选择工作波长和光纤类型。一、损耗（衰减）在选定的波长，衰减要足够小，以使在满足接收机171.耦合损耗包括光源耦合损耗和检测器耦合损耗;纤芯尺寸和数值孔径大，可减小光源的耦合损耗；但要增加检测器耦合损耗;为了减小和检测器的耦合损耗，要求纤芯尺寸和数值孔径要足够小，以使出射光完全落在检测器上。为了提高接收机响应速度，降低噪声，则要求检测器面积小，所以不能采用增大检测器光敏面的办法来减小耦合损耗。纤芯尺寸和数值孔径大的光纤，其传输带宽小，适合于采用发光二级管(LED)的系统。1.耦合损耗包括光源耦合损耗和检测器耦合损耗;182.连接器损耗包括连接器和接头的损耗。纤芯直径的公差、不圆度和纤芯与包层同心度误差要尽可能小，以得到最小连接损耗。提高光纤的几何精度，要增加制造成本；增大纤芯尺寸和数值孔径，可以减小几何公差对连接损耗的不利影响，但与增大带宽相矛盾。2.连接器损耗包括连接器和接头的损耗。19二、色散和带宽正确选择光纤类型和工作波长，光纤色散要足够小，使已调制的光信号以最小畸变通过光纤全长。长距离高速率海缆系统要选择零色散移位到1.55m的G.654单模光纤。波分复用系统要选择色散系数很小、但不为零的G.655单模光纤，以减小四波混频的影响。用于城域网的DWDM系统要选择全波光纤。采用发光管(LED)的系统,要充分考虑材料色散的影响等。二、色散和带宽正确选择光纤类型和工作波长，光纤色散要足够小，20通常情况下，光纤的特性受温度影响不大；在温度很低时，损耗随温度降低而增加，尤其是在温度非常低时，损耗急剧增加。在高寒地区工作的光缆，应注意到此特性。§4.3光纤的温度特性和机械特性1.光纤的温度特性通常情况下，光纤的特性受温度影响不大；§4.3光纤的温度特21构成光纤的二氧化硅(SiO2)的热膨胀系数很小，在温度降低时几乎不收缩。而光纤在成缆过程中必须经涂覆和加上一些其他构件，涂覆材料及其他构件的膨胀系数较大，当温度降低时，收缩比较严重，所以当温度变化时，材料的膨胀系数不同，将使光纤产生微弯，尤其表现在低温区。随着温度的降低，光纤的附加损耗逐渐增加，当温度降至-55℃左右，附加损耗急剧增加。因此，在设计光纤通信系统时，必须考虑光缆的高低温循环试验，以检验光纤的损耗是否符合指标要求。光纤的热胀冷缩构成光纤的二氧化硅(SiO2)的热膨胀系数很小，在温度降低时22目前构成光纤的材料是SiO2，要被拉成125m的细丝。在拉丝过程中，光纤的抗拉强度约为10～20kg/mm2。如拉丝后立即在光纤表面进行涂覆，抗拉强度可达400kg/mm2。这里所说光纤的强度是指抗张强度，当光纤受到的张力超过它的承受能力时，光纤就将断裂。对于光纤抗断强度，它和涂覆层的厚度有关，当涂覆厚度为5～10m时，抗断强度为330kg/mm2。只有强度符合要求的光纤才能用来成缆。2.光纤的机械特性目前构成光纤的材料是SiO2，要被拉成125m的细丝。在拉23§4.4光缆的结构和种类由光纤的温度特性和机械特性可知光纤必须制作成光缆才能使用。光缆线路在长期使用中，必须经受敷设安装和长期维护运用的考验。对光缆有如下基本要求：①不能因成缆而使光纤的传输特性恶化；②在成缆过程中光纤不断裂；③缆径细、重量轻；④便于施工和维护§4.4光缆的结构和种类由光纤的温度特性和机械特性可知241.光缆结构

光缆由缆芯、加强件和护层组成。（1）缆芯（被覆光纤/纤芯）缆芯主要是被覆光纤(芯线)，它可分为单芯和多芯两种。二次涂覆主要采用下列两种保护结构：①紧套结构②松套结构1.光缆结构光缆由缆芯、加强件和护层组成。25两种保护结构两种保护结构26(2)加强元件光纤材料比较脆，容易断裂，为了使光缆便于承受敷设安装时所加的外力等，在光缆中需要加一根或多根加强元件位于中心或分散在四周。加强元件的材料可用钢丝或非金属的纤维——增强塑料(FRP)等。(3)护层光缆的护层一般由聚乙烯(或聚氯乙烯)和钢带或铝带组成。主要是对缆芯起机械保护和环境保护作用，避免由于外部机械力和环境影响造成对光纤的损坏。要求有良好的抗压能力和密封性能。

(2)加强元件27光缆的结构图护层缆芯(1)护层①管道光缆护层②直埋光缆护层③水底光缆护层管道光缆塑料护套包带铝铂层缆芯管道光缆塑料护套包带铝铂层缆芯直埋光缆塑料护套皱纹钢套水底光缆铝护套塑料护套钢丝管道光缆塑料护套包带铝铂层缆芯直埋光缆塑料护套皱纹钢套光缆的结构图护层缆芯(1)护层①管道光缆护层②直埋28(2)缆芯①层绞式缆芯②支架式缆芯③叠带式缆芯④束管式缆芯(2)缆芯①层绞式缆芯②支架式缆芯③叠带式缆芯④292.光缆的分类(1)按使用场合划分(2)按外护层划分(3)按缆芯划分(4)按敷设方式划分3.光缆的连接①长途光缆②市话中继光缆③用户光缆⑤水底光缆⑥海底光缆④配线光缆①塑料护层光缆②铝箔加塑料护层光缆③钢带铠装光缆④钢丝铠装光缆①层绞式光缆②支架式光缆③叠带式光缆④束管式光缆①管道式光缆②自承式光缆③直埋式光缆光缆接头盒光纤接头护套加强件2.光缆的分类(1)按使用场合划分(2)按外护层30复习思考：多模光纤有哪两种？单模光纤又有哪几种？简述G.652光纤、G.653光纤、G.654光纤、G.655光纤和全波光纤的特征复习思考：多模光纤有哪两种？单模光纤又有哪几种？31复习思考题复习思考题32第4章光纤和光缆§4.1单模光纤及其应用§4.2光纤的选择§4.3光纤的温度特性和机械特性§4.4光缆的结构和种类第4章光纤和光缆§4.1单模光纤及其应用33§4.1单模光纤及其应用G.651标准多模光纤G.652标准单模光纤G.653色散移位光纤G.654衰减最小光纤G.655非零色散光纤全波光纤色散补偿光纤单模光纤的种类：§4.1单模光纤及其应用G.651标准多模光纤34G.652标准单模光纤

标准单模光纤是指零色散波长在1.3m窗口的单模光纤，国际电信联盟(ITU-T)把这种光纤规范为G.652光纤。这属于第一代单模光纤。其特点是当工作波长在1.3m时，光纤色散很小，系统的传输距离只受一个因素，即光纤衰减所限制。G.652标准单模光纤标准单模光纤是指零色散波长在1.35G.652光纤在1.3m波段的损耗较大，约为0.3~0.4dB/km；在1.55m波段的损耗较小，约为0.2~0.25dB/km。色散在1.3m波段为3.5ps/nmkm，在1.55m波段较大，约为20ps/nmkm。这种光纤可支持用于在1.55m波段的2.5Gb/s的干线系统，但由于色散较大，若传输10Gb/s的信号，传输距离超过50km时，就要求使用价格昂贵的色散补偿模块。另外，由于色散补偿模块的使用，增加了线路损耗，缩短了中继距离，不适用于DWDM系统。G.652标准单模光纤G.652光纤在1.3m波段的损耗较大，约为0.3~36G.653色散移位光纤G.652光纤的最大缺点是低衰减和零色散不在同一工作波长上，这不仅使工程应用受到一定的限制，而且在1.3m的光纤放大器开发应用之前，使不经过光-电转换过程的全光通信无法实现。

G.653是在80年代中期开发成功的第二代单模光纤。它是一种将零色散波长从1.3m移到1.55m的色散移位光纤(DSF,Dispersion-ShiftedFiber)。ITU把这种光纤的规范为G.653。G.653色散移位光纤G.652光纤的最大缺点是低衰减和37光纤的色散特性0.5000.3751700波长(nm)色散0102030-10-3.5ps/(nmkm-90色散补偿光纤色散

标准光纤衰减15001600非零色散移位光纤色散色散平坦光纤1300标准光纤色散0.0000.2500.1251400衰减(dB/km)色散移位光纤色散

.)光纤的色散特性0.5000.3751700波长(nm)色散038G.654衰减最小光纤ITU将一种衰减最小的光纤规范为G.654光纤。它是一种可应用于1.55m波长的纯石英芯单模光纤，能够满足海底光缆长距离通信的需求。在1.55m波长附近衰减最小，仅为0.185dB/km。在1.3m波长区域色散为零，但在1.55m波长区域色散较大，约为17~20ps/(nmkm)。G.654衰减最小光纤ITU将一种衰减最小的光纤规范为G39由色散移位光纤到非零色散光纤色散移位光纤在1.55m色散为零，不利于多信道的WDM传输，因为当复用的信道数较多时，信道间距较小，这时就会发生一种称为四波混频(FWM，FourWaveMixing)的非线性光学效应，这种效应使两个或三个传输波长混合，产生新的、有害的频率分量，导致信道间发生串扰。如果光纤线路的色散为零，FWM的干扰就会十分严重；如果有微量色散，FWM干扰反而还会减小。针对这一现象，科学家们研制了一种新型光纤，即非零色散光纤(NZ-DSF)。由色散移位光纤到非零色散光纤色散移位光纤在1.55m40G.655非零色散光纤非零色散光纤实质上是一种改进的色散移位光纤。其零色散波长不在1.55m，而是在1.525m或1.585m处。在光纤制作过程中，适当控制掺杂剂的量，使它大到足以抑制高密度波分复用系统中的四波混频，小到足以允许单信道数据速率达到10Gb/s，而不需要色散补偿。G.655非零色散光纤非零色散光纤实质上是一种改进的色散41消除了色散效应和四波混频效应；而标准光纤和色散移位光纤都只能克服这两种缺陷中的一种；非零色散光纤综合了标准光纤和色散移位光纤最好的传输特性，既能用于新的陆上网络，又可对现有系统进行升级改造，它特别适合于高密度WDM系统的传输，所以非零色散光纤是新一代光纤通信系统的最佳传输介质。G.655非零色散光纤的特点消除了色散效应和四波混频效应；G.655非零色散光纤的特42非零色散光纤举例AT&T研制的真波光纤(TrueWaveTM)美国康宁玻璃公司开发的叶状光纤(LeafFiber)阿尔卡特的特锐光纤(TeraLightTM)国内长飞公司的大保实光纤等非零色散光纤举例AT&T研制的真波光纤(TrueWaveT43全波光纤（1360~1460nm波段就是E波段(Extendedwavelengthband)，它位于O波段和S波段之间。120014001600衰减波长0.10.20.30.51700150013000.40.6窗口O全波光纤去掉了的水峰SCLUE(dB/km)(nm)1385nmO：OriginalwavelengthbandE：ExtendedwavelengthbandS：short-wavelengthbandC：ConventionalwavelengthbandL：Long-wavelengthbandU：Ultralongwavelengthband全波光纤（1360~1460nm波段就是E波段(Exte44全波光纤光纤制造商在1380nm波长附近，把OH离子浓度降到了10-8以下，消除了（1360~1460nm波段的损耗峰，使该波段的损耗也降低到0.3dB/km左右，可应用于光纤通信，而且色散值也小，所以在相同比特率下传输的距离更长。全波光纤，就是在光纤的整个波段，从1280nm开始到1675nm终止，都可以用来通信，与常规光纤相比，全波光纤应用于DWDM，可使信道数增加50%，这就为DWDM系统应用于城域网创造了条件。全波光纤光纤制造商在1380nm波长附近，把OH离子浓度降45初始波段扩展波段短波段常规波段长波段超长波段工作波段OESCLU工作波长(nm)1260~13601360~14601460~15301530~15661566~16251625~1675通信光纤的工作窗口O：OriginalwavelengthbandE：ExtendedwavelengthbandS：short-wavelengthbandC：ConventionalwavelengthbandL：Long-wavelengthbandU：Ultralongwavelengthband初始波段扩展波段短波段常规波段长波段超长波段工作波段OESC46色散补偿光纤色散补偿光纤(DCF,DispersionCompensatingFiber)是具有大的负色散光纤。是针对现已敷设的1.3m标准单模光纤而设计的一种单模光纤。为了使现已敷设的1.3m光纤系统采用WDM技术，就必须将光纤的工作波长从1.3m改为1.55m。标准光纤在1.55m波长的色散不是零，而是正的17~20ps/(nmkm),并且具有正的色散斜率，必须在这些光纤中加接具有负色散的色散补偿光纤，进行色散补偿，以保证整条光纤线路的总色散近似为零，从而实现高速率、大容量、长距离的通信。色散补偿光纤色散补偿光纤(DCF,Dispersion47§4.2光纤的选择 选择光纤的基本要求：从发射光源耦合进光纤的光功率最大；光信号通过光纤传输后产生的畸变最小；光纤的传输窗口要满足系统应用的要求。具体的设计要根据使用条件进行折衷。§4.2光纤的选择 选择光纤的基本要求：48一、损耗（衰减）在选定的波长，衰减要足够小，以使在满足接收机所要求的光功率的前提下，使中继距离尽可能大。设计系统时，要考虑连接器、接头和耦合器的损耗和系统工作所需的余量。为此，要正确选择工作波长和光纤类型。一、损耗（衰减）在选定的波长，衰减要足够小，以使在满足接收机491.耦合损耗包括光源耦合损耗和检测器耦合损耗;纤芯尺寸和数值孔径大，可减小光源的耦合损耗；但要增加检测器耦合损耗;为了减小和检测器的耦合损耗，要求纤芯尺寸和数值孔径要足够小，以使出射光完全落在检测器上。为了提高接收机响应速度，降低噪声，则要求检测器面积小，所以不能采用增大检测器光敏面的办法来减小耦合损耗。纤芯尺寸和数值孔径大的光纤，其传输带宽小，适合于采用发光二级管(LED)的系统。1.耦合损耗包括光源耦合损耗和检测器耦合损耗;502.连接器损耗包括连接器和接头的损耗。纤芯直径的公差、不圆度和纤芯与包层同心度误差要尽可能小，以得到最小连接损耗。提高光纤的几何精度，要增加制造成本；增大纤芯尺寸和数值孔径，可以减小几何公差对连接损耗的不利影响，但与增大带宽相矛盾。2.连接器损耗包括连接器和接头的损耗。51二、色散和带宽正确选择光纤类型和工作波长，光纤色散要足够小，使已调制的光信号以最小畸变通过光纤全长。长距离高速率海缆系统要选择零色散移位到1.55m的G.654单模光纤。波分复用系统要选择色散系数很小、但不为零的G.655单模光纤，以减小四波混频的影响。用于城域网的DWDM系统要选择全波光纤。采用发光管(LED)的系统,要充分考虑材料色散的影响等。二、色散和带宽正确选择光纤类型和工作波长，光纤色散要足够小，52通常情况下，光纤的特性受温度影响不大；在温度很低时，损耗随温度降低而增加，尤其是在温度非常低时，损耗急剧增加。在高寒地区工作的光缆，应注意到此特性。§4.3光纤的温度特性和机械特性1.光纤的温度特性通常情况下，光纤的特性受温度影响不大；§4.3光纤的温度特53构成光纤的二氧化硅(SiO2)的热膨胀系数很小，在温度降低时几乎不收缩。而光纤在成缆过程中必须经涂覆和加上一些其他构件，涂覆材料及其他构件的膨胀系数较大，当温度降低时，收缩比较严重，所以当温度变化时，材料的膨胀系数不同，将使光纤产生微弯，尤其表现在低温区。随着温度的降低，光纤的附加损耗逐渐增加，当温度降至-55℃左右，附加损耗急剧增加。因此，在设计光纤通信系统时，必须考虑光缆的高低温循环试验，以检验光纤的损耗是否符合指标要求。光纤的热胀冷缩构成光纤的二氧化硅(SiO2)的热膨胀系数很小，在温度降低时54目前构成光纤的材料是SiO2，要被拉成125m的细丝。在拉丝过程中，光纤的抗拉强度约为10～20kg/mm2。如拉丝后立即在光纤表面进行涂覆，抗拉强度可达400kg/mm2。这里所说光纤的强度是指抗张强度，当光纤受到的张力超过它的承受能力时，光纤就将断裂。对于光纤抗断强度，它和涂覆层的厚度有关，当涂覆厚度为5～10m时，抗断强度为330kg/mm2。只有强度符合要求的光纤才能用来成缆。2.光纤的机械特性目前构