《光纤和光缆》PPT课件.ppt

1、第二章 光纤和光缆,主要内容,光纤是传输信息的主要介质，因此研究光纤通信，首先应对光纤的结构与分类，光纤的传光原理以及光纤的有关的特性有所了解 在实际的光纤通信线路中，为了保证光纤能在各种敷设条件下和各种环境中长期使用等原因，就必须将光纤构成光缆，因此，对光缆的特性有所了解,光纤的结构,纤芯位于光纤中心，直径2a为575m, 作用是传输光波。 包层位于纤芯外层，直径2b为100150m,作用是将光波限制在纤芯中。 纤芯和包层即组成裸光纤，两者采用高纯度二氧化硅（SiO2）制成，但为了使光波在纤芯中传送，应对材料进行不同掺杂，使包层材料折射率n2比纤芯材料折射率n1小，即光纤导光的条件是n1n2

2、。 一次涂敷层是为了保护裸纤而在其表面涂上的聚氨基甲酸乙脂或硅酮树脂层，厚度一般为 30150m。 套层又称二次涂覆或被覆层，多采用聚乙烯塑料或聚丙烯塑料、尼龙等材料。经过二次涂敷的裸光纤称为光纤芯线。,一次涂覆层,纤芯 包层,套层,一次涂覆层 包层 纤芯,套层,光纤的结构示意图,光纤的分类,石英系列光纤（以SiO2为主要材料） 按光纤组成材料划分 多组分光纤（材料由多组成分组成） 液芯光纤（纤芯呈液态） 塑料光纤（以塑料为材料） 阶跃型光纤（SIF） 光纤种类 按光纤纤芯折射率分布划分 渐变型光纤（GIF） W型光纤 单模光纤（SMF） 按光纤传输模式数划分 多模光纤（MMF ）,光的反射与

3、折射示意图,光的全反射示意图, n1,n2,n2 n1,n2,阶跃光纤的导光原理示意图,阶跃型光纤折射率是沿径向呈阶跃分布，在轴向呈均匀分布， 是包层折射率， 是纤芯折射率。假设图中的阶跃型光纤为理想的圆柱体，光线若垂直于光纤端面入射，并与光纤轴线重合，或平行，这时光线将沿纤芯轴线方向向前传播。若光线以某一角度入射到光纤端面时，光线进入纤芯会发生折射。当光线到达纤芯与包层的界面上时，发生全反射或折射现象。 若要使光线在光纤中实现长距离传输，必须使光线在纤芯与包层的界面上发生全反射，即入射角大于临界角。由前面分析已知光纤的临界角为,渐变光纤的导光原理示意图,为了分析渐变型光纤中光的传播，将纤芯划

4、分成若干同轴的薄层 ，假设各层内折射率均匀分布，而每层折射率从里到外逐渐减小，即有 。 若光以一定的入射角从轴心处第一层射向与第二层的交界面时，由于是从光密介质射向光疏介质，折射接角大于入射角，光线将折射进第二层射向与第三层的交界面，并再次发生折射进入第三层，依次第推，由于光线都是从光密介质射向光疏介质，入射角将随折射次数增大。当在某一界面处（图中是在第三层和第四层的界面上），入射角大于临界角时，光线将出现全反射，方向不再朝向包层而是朝向轴心。之后光线是从光疏介质射向光密介质，入射角逐渐减小，直至穿过轴心后，光线又出现从光密介质射向光疏介质，重复上述折射过程。因此，当纤芯分层数无限多，其厚度趋

5、于零时，渐变型光纤纤芯折射率呈连续变化，光线在其中的传播轨迹不再是折线，而是一条近似于正弦型的曲线。,光纤的光学参数,相对折射率差 数值孔径 NA,相对折射率差,对于阶跃型光纤，假设是 包层折射率， 是纤芯折射率，且 ， 和 的差值大小直接影响光纤的性能。故引入相对折射率差表示其相差程度。 对于通信光纤， ，上式简化成为 对于渐变型光纤，若轴心处（r=0）的折射率为 ,则相对折射率差定义为,数值孔径 NA(教材11、16页),对于阶跃型光纤，当光线在纤芯与包层界面上发生全反射时，光波在纤芯中传播轨迹为折线，相应的端面入射角记为光纤波导的孔径角（或端面临界角）。即只有光纤端面入射角大于的光线才能

6、在光纤中传播，故光纤的受光区域是一个圆锥形区域，圆锥半锥角的最大值就等于。为表示光纤的集光能力大小，定义光纤波导孔径角的正弦值为光纤的数值孔径（NA），即：,由于 ，上式简化成为 可见，光纤的数值孔径与纤芯与包层直径无关，只与两者的相对折射率差有关。若纤芯和包层的折射率差越大，NA值就越大，即光纤的集光能力就越强。 对于阶跃型光纤，由于纤芯折射率均匀分布，纤芯端面各点的数值孔径都相同，即各点收光能力相同。对于渐变型光纤，纤芯折射率分布不均匀，光线在其端面不同点入射，光纤的收光能力不同，因此渐变型光纤数值孔径定义为：,光纤中的模式（教材11，20，23）,电磁波的传播遵从麦克斯维尔方程，而在光纤

7、中传播的电磁场，还满足光纤这一传输介质的边界条件。因此根据由光纤结构决定的光纤的边界条件，可求出光纤中可能传播的模式有横电波、横磁波和混合波。 （1）横电波 纵轴方向只有磁场分量，没有电场分量；横截面上有电场分量的电磁波。中下标m表示电场沿圆周方向的变化周数，n表示电场沿径向方向的变化周数。 （2）横磁波 纵轴方向只有电分量，没有磁场分量；横截面上有磁场分量的电磁波。中下标m表示磁场沿圆周方向的变化周数，n表示磁场沿径向方向的变化周数。 （3）混合波 或 纵轴方向既有电分量又有磁场分量，是横电波和横磁波的混合。 无论哪种模式，当m和n的组合不同，表示的模式也不同。,截止波长(教材24页）,通常

8、可用它判断是否单模传输。 其为光缆出厂参数之一,（教材24页） 模场直径,由于单模光纤的边界没有明确的边界，包层之外有相当大的光场存在，故不能象多模光纤一样用纤芯表示横截面的导光范围，只能用模场直径 表示。它表示了单模光纤的基模能量集中的程度。CCITT规定，单模光纤.31m处的模场直径应在910m,偏差不应超过10%。,ITU-T建议的光纤分类110页,G.651光纤:渐变多模光纤，工作波长为1.31m和1.55m，在1.31m处光纤有最小色散，而在1.55m处光纤有最小损耗，主要用于计算机局域网或接入网。 G.652光纤：常规单模光纤，也称为非色散位移光纤，其零色散波长为1.31m，在1.

9、55m处有最小损耗，是目前应用最广的光纤。 G.653光纤：色散位移光纤，在1.55m处实现最低损耗与零色散波长一致，但由于在1.55m处存在四波混频等非线性效应，阻碍了其应用。 G.654光纤：性能最佳单模光纤，在1.55m处具有极低损耗（大约0.18dB/km）且弯曲性能好。 G.655光纤：非零色散位移单模光纤，在1.55m1.65m处色散值为0.16.0ps/（nm.km），用以平衡四波混频等非线性效应，适用于高速（10Gb/s以上）、大容量、DWDM系统。,光缆的基本结构,光缆一般由缆芯、加强元件和护层三部分组成。 缆芯：由单根或多根光纤芯线组成，有紧套和松套两 种结构。紧套光纤有二

10、层和三层结构。 加强元件：用于增强光缆敷设时可承受的负荷。一般 是金属丝或非金属纤维。 护层：具有阻燃、防潮、耐压、耐腐蚀等特性，主要 是对已成缆的光纤芯线进行保护。根据敷设条 件可由铝带/聚乙烯综合纵包带粘界外护层（ LAP），钢带（或钢丝）铠装和聚乙烯护层等组 成。,实际使用的光缆分类,光缆种类,目前通信用光缆可分为: (1) 室(野)外光缆 (2)软光缆 (3)室(局)内光缆 (4)设备内光缆 (5)海底光缆 (6)特种光缆,光缆结构 1层绞式结构光缆 它属于中心构件配置方式，中心增强构件采用塑料被覆的多股绞合或实心钢丝和纤维增强塑料两种增强件 例：6芯紧套层绞式光缆 12芯松套+8*2

11、线对层层绞直埋光缆,2 束管式结构光缆 束管式结构的光纤与加强芯分开，提高了网络传输的稳定可靠性同时束管式结构由于直接将一次光固化涂层光纤放置于束管中，所以光缆的光纤数量灵活 例：6-48芯束管式光缆（属于分散加强构件配 置方式的束管式结构光缆）,光缆结构 3骨架式结构光缆,4 带状结构光缆 带状光缆可容纳大量的光纤，还可以单元光纤的一次连接，以适应大量光纤接续，安装的需要 例：层绞式带状光缆 5 单芯结构光缆 例：单芯软光缆,6 特殊结构光缆 （1）海底光缆 分为：浅海光缆和深海光缆 （2）无金属光缆 无金属光缆是指光缆除光纤，绝缘介质外，均是塑料结构，适用于强电场合用于架空线路较多,光缆的机械物理性能,机械性能及试验要求 光缆机械性能主要包括拉伸，冲击，弯曲，扭转，曲绕，弯折，卷绕 环境条件及试验要求 环境条件是确保光缆在正常环境和恶劣条件下达到设计能力的必要条