光纤基础知识.ppt

光光 纤纤 光通信的基本原理光通信的基本原理 光纤的基本结构光纤的基本结构 光纤的基本参数光纤的基本参数 光纤的制造方法光纤的制造方法1f10km1km100m10m1m1cm1dm105m 100km107m010Hz 100Hz1k10k100k1M10M100M1G10G1cm100m1mm10m100nm1m10nm1nm 100pm 10pm1pm10G100G1T10T100T1015T1017T1016T1019T1018T1020T1.6m1.5m1.3m1.4m1.1m1.2m1m900nm800nm700nm500nm600nm400nm红外线紫外线X射线伽玛射线光纤应用范围无线电电视卫星LWKWMWUKWdmcm高频微波低频交流电直流电微波可见光电磁波谱光通信的基本原理光通信的基本原理2信号处理发送端信号处理接收端光波导光通信的基本原理光通信的基本原理3光的反射和折射定律光的反射和折射定律 光在传输过程中，在两种不同的传输媒质的界面将产生光在传输过程中，在两种不同的传输媒质的界面将产生以下行为以下行为：一部分入射光将被反射一部分入射光将被反射 一部分入射光将进入第二种媒质，一部分入射光将进入第二种媒质，并产生折射并产生折射媒质媒质1 折射率折射率n1媒质媒质2 折射率折射率n2 入射光线反射光线12 1=2n1Sin 1=n2Sin 2媒质媒质1 折射率折射率n1媒质媒质2 折射率折射率n2 入射光线12折射光线4折射率折射率 n n光在真空中的传播速度光在真空中的传播速度/光在该媒质中的传播速度光在该媒质中的传播速度全反射：全反射：当当n1n2时，随着入射角的不断增加，在入射角达到某一值时，折射时，随着入射角的不断增加，在入射角达到某一值时，折射角达到角达到90oC，我们把此时的入射角称为临界角我们把此时的入射角称为临界角 0。当入射角大于临界角。当入射角大于临界角时，将发生全反射。时，将发生全反射。媒质媒质1媒质媒质2根据折射定律，我根据折射定律，我们可以求出临界角，们可以求出临界角，此时此时 290o。即即n1Sin 0=n2Sin90o所以所以 Sin 0=n2/n1媒质媒质折射率折射率真空真空空气空气水水多模光纤多模光纤单模光纤单模光纤玻璃玻璃钻石钻石5光通信正是利用了全反射原理，当光的注入角满足一光通信正是利用了全反射原理，当光的注入角满足一定条件时，光便能在光纤定条件时，光便能在光纤(光波导光波导)内形成全反射，从内形成全反射，从而达到长距离传输的目的。而达到长距离传输的目的。包层包层 n2纤芯纤芯 n1光纤中光纤中心轴线心轴线 090-0 包层包层 n2空气 n0 16光纤的基本结构光纤的基本结构 涂层 力学影响的防护涂层 250 m 涂层 250 m 标准单模光纤标准单模光纤标准梯度折射率分布多模光纤标准梯度折射率分布多模光纤 纤芯 (掺锗二氧化硅)8.6-9.5 m 纤芯(聚甲基丙烯酸甲酯)980 m 包层纯二氧化硅125 m 纤芯(掺锗二氧化硅)50 m/62.5 m/100 m涂层 1000 m 塑料光纤塑料光纤7涂涂 层层包包 层层纤芯纤芯光纤的结构光纤的结构光纤的结构光纤的结构8按材料分类：按材料分类：按材料分类：按材料分类：二氧化硅系光纤二氧化硅系光纤二氧化硅系光纤二氧化硅系光纤 多组份光纤多组份光纤多组份光纤多组份光纤 塑料光纤塑料光纤塑料光纤塑料光纤光纤：分类光纤：分类9 用于通信，如：光缆用于通信，如：光缆用于通信，如：光缆用于通信，如：光缆 用于传感器，如：光纤陀螺用于传感器，如：光纤陀螺用于传感器，如：光纤陀螺用于传感器，如：光纤陀螺 用于传输图像，如：内窥镜用于传输图像，如：内窥镜用于传输图像，如：内窥镜用于传输图像，如：内窥镜 其它用途，如用于传输能量其它用途，如用于传输能量其它用途，如用于传输能量其它用途，如用于传输能量按用途分类：按用途分类：按用途分类：按用途分类：光纤：分类光纤：分类10按传输模式分类：按传输模式分类：按传输模式分类：按传输模式分类：多模光纤多模光纤多模光纤多模光纤单模光纤单模光纤单模光纤单模光纤光纤：分类光纤：分类11单模光纤单模光纤单模光纤单模光纤G.652G.652光纤光纤光纤光纤G.653G.653光纤光纤光纤光纤G.654G.654光纤光纤光纤光纤G.655G.655光纤光纤光纤光纤最成熟的单模光纤，但未把最小的衰减与最最成熟的单模光纤，但未把最小的衰减与最最成熟的单模光纤，但未把最小的衰减与最最成熟的单模光纤，但未把最小的衰减与最小的色散有效的结合在一起。小的色散有效的结合在一起。小的色散有效的结合在一起。小的色散有效的结合在一起。过渡性的单模光纤，通过对光纤的截止波长过渡性的单模光纤，通过对光纤的截止波长过渡性的单模光纤，通过对光纤的截止波长过渡性的单模光纤，通过对光纤的截止波长进行位移而获得极低的衰减。进行位移而获得极低的衰减。进行位移而获得极低的衰减。进行位移而获得极低的衰减。过渡性的单模光纤，把零色散点移到了衰减过渡性的单模光纤，把零色散点移到了衰减过渡性的单模光纤，把零色散点移到了衰减过渡性的单模光纤，把零色散点移到了衰减最小的波长。最小的波长。最小的波长。最小的波长。一种新型的单模光纤，把最小的衰减与小的一种新型的单模光纤，把最小的衰减与小的一种新型的单模光纤，把最小的衰减与小的一种新型的单模光纤，把最小的衰减与小的色散结合在一起。色散结合在一起。色散结合在一起。色散结合在一起。光纤：分类光纤：分类12光纤：光纤：G.652光纤光纤ITU-T G.652ITU-T G.652光纤光纤光纤光纤短距离大容量传输系统短距离大容量传输系统短距离大容量传输系统短距离大容量传输系统A A类类类类G.652G.652光纤光纤光纤光纤B B类类类类G.652G.652光纤光纤光纤光纤C C类类类类G.652G.652光纤光纤光纤光纤普通容量传输系统普通容量传输系统普通容量传输系统普通容量传输系统高速率传输系统高速率传输系统高速率传输系统高速率传输系统(10(10GbGb/s)/s)粗波分复用传输系统粗波分复用传输系统粗波分复用传输系统粗波分复用传输系统G.652G.652光纤的特点光纤的特点光纤的特点光纤的特点最成熟的一种单模光纤最成熟的一种单模光纤最成熟的一种单模光纤最成熟的一种单模光纤最小的衰减窗口与最小最小的衰减窗口与最小最小的衰减窗口与最小最小的衰减窗口与最小色散窗口分离色散窗口分离色散窗口分离色散窗口分离13光纤：光纤：G.655光纤光纤高速率大容量传输系统高速率大容量传输系统高速率大容量传输系统高速率大容量传输系统ITU-T G.655ITU-T G.655光纤光纤光纤光纤长途陆地系统长途陆地系统长途陆地系统长途陆地系统长途海底系统长途海底系统长途海底系统长途海底系统城域网系统城域网系统城域网系统城域网系统如：如：如：如：CorningCorning的的的的LeafLeaf光纤，光纤，光纤，光纤，LucentLucent的的的的TrueWaveTrueWave RS RS光纤光纤光纤光纤如：如：如：如：CorningCorning的的的的Submarine LeafSubmarine Leaf光纤光纤光纤光纤 LucentLucent的的的的TrueWaveTrueWave XL XL光纤光纤光纤光纤如：如：如：如：CorningCorning的的的的MetroCorMetroCor光纤光纤光纤光纤G.655G.655光纤的特点光纤的特点光纤的特点光纤的特点最新的一种单模光纤；充分利用最新的一种单模光纤；充分利用最新的一种单模光纤；充分利用最新的一种单模光纤；充分利用C/LC/L波段衰减小和其为波段衰减小和其为波段衰减小和其为波段衰减小和其为EDFAEDFA工作波段的工作波段的工作波段的工作波段的特点；较小的色散有利于高速传输，特点；较小的色散有利于高速传输，特点；较小的色散有利于高速传输，特点；较小的色散有利于高速传输，同时又能有效抑制非线性效应同时又能有效抑制非线性效应同时又能有效抑制非线性效应同时又能有效抑制非线性效应14 几何尺寸参数几何尺寸参数几何尺寸参数几何尺寸参数 光学及传输特性参数光学及传输特性参数光学及传输特性参数光学及传输特性参数 机械及环境性能参数机械及环境性能参数机械及环境性能参数机械及环境性能参数光纤：参数光纤：参数15光纤的几何尺寸参数光纤的几何尺寸参数光纤的几何尺寸参数光纤的几何尺寸参数 纤芯直径纤芯直径纤芯直径纤芯直径 纤芯纤芯纤芯纤芯/包层同心度包层同心度包层同心度包层同心度 包层外径包层外径包层外径包层外径(d=d=d dx x+d dy y/2)/2)包层不圆度包层不圆度包层不圆度包层不圆度(|(|d dmaxmax-d dminmin|/d)|/d)涂层外径涂层外径涂层外径涂层外径 包层包层包层包层/涂层同心度涂层同心度涂层同心度涂层同心度 光纤翘曲度光纤翘曲度光纤翘曲度光纤翘曲度 R Rdxdy光纤：参数光纤：参数R R16光纤几何尺寸参数典型值光纤几何尺寸参数典型值光纤几何尺寸参数典型值光纤几何尺寸参数典型值 纤芯直径纤芯直径纤芯直径纤芯直径(多模光纤多模光纤多模光纤多模光纤)：纤芯直径纤芯直径纤芯直径纤芯直径(单模光纤单模光纤单模光纤单模光纤)：纤芯纤芯纤芯纤芯/包层同心度：包层同心度：包层同心度：包层同心度：包层外径：包层外径：包层外径：包层外径：包层不圆度：包层不圆度：包层不圆度：包层不圆度：涂层外径：涂层外径：涂层外径：涂层外径：包层包层包层包层/涂层同心度：涂层同心度：涂层同心度：涂层同心度：62.5/5062.5/50 mm8 81010 mm 1.01.0 mm125125 mm 2 2 mm 2%2%245245 mm 1010 mm 1515 mm光纤：参数光纤：参数 光纤翘曲度：光纤翘曲度：光纤翘曲度：光纤翘曲度：2 2mm17光纤的光学及传输特性参数光纤的光学及传输特性参数光纤的光学及传输特性参数光纤的光学及传输特性参数 衰减系数衰减系数衰减系数衰减系数 色散系数色散系数色散系数色散系数 截止波长截止波长截止波长截止波长 弯曲损耗弯曲损耗弯曲损耗弯曲损耗 偏振模色散偏振模色散偏振模色散偏振模色散光纤：参数光纤：参数 模场直径模场直径模场直径模场直径18光纤的光学及传输特性参数光纤的光学及传输特性参数光纤的光学及传输特性参数光纤的光学及传输特性参数光纤：参数光纤：参数模场直径：模场直径：高斯分布的单模光纤，高斯分布的单模光纤，高斯分布的单模光纤，高斯分布的单模光纤，模场直径是光场幅度模场直径是光场幅度模场直径是光场幅度模场直径是光场幅度分布分布分布分布1/1/e e处各点所围成处各点所围成处各点所围成处各点所围成圆的直径，也等于光圆的直径，也等于光圆的直径，也等于光圆的直径，也等于光功率分布功率分布功率分布功率分布1/1/e e2 2处各点处各点处各点处各点所围成圆的直径。所围成圆的直径。所围成圆的直径。所围成圆的直径。19衰减系数衰减系数 10log(P0/PL)/L这里；这里；这里；这里；P P0 0 输入光功率输入光功率输入光功率输入光功率 P PL L 经过经过经过经过L L长度的光纤后的输出光功率长度的光纤后的输出光功率长度的光纤后的输出光功率长度的光纤后的输出光功率 L L 传输距离传输距离传输距离传输距离P0PLL光纤的光学及传输特性参数光纤的光学及传输特性参数光纤的光学及传输特性参数光纤的光学及传输特性参数光纤：参数光纤：参数20衰减衰减(dB/km)波长波长(nm)131015500.360.20光纤的光学及传输特性参数光纤的光学及传输特性参数光纤的光学及传输特性参数光纤的光学及传输特性参数单模光纤的典型谱衰耗单模光纤的典型谱衰耗单模光纤的典型谱衰耗单模光纤的典型谱衰耗光纤：参数光纤：参数OH-吸收峰吸收峰(又称为：水峰又称为：水峰)21色散系数：色散系数：由于传输介质的折射率与光波的波长相关由于传输介质的折射率与光波的波长相关由于传输介质的折射率与光波的波长相关由于传输介质的折射率与光波的波长相关而造成不同波长的光在相同传输介质中的传播而造成不同波长的光在相同传输介质中的传播而造成不同波长的光在相同传输介质中的传播而造成不同波长的光在相同传输介质中的传播速度不同的现象。其程度用色散系数进行反映。速度不同的现象。其程度用色散系数进行反映。速度不同的现象。其程度用色散系数进行反映。速度不同的现象。其程度用色散系数进行反映。光纤的光学及传输特性参数光纤的光学及传输特性参数光纤的光学及传输特性参数光纤的光学及传输特性参数光纤：参数光纤：参数2284-401200-818001400150016001700132nm4色散色散D(ps/(nmkm)波长波长(nm)1 1非色散位移光纤非色散位移光纤2 2色散位移光纤色散位移光纤3 3色散平坦光纤色散平坦光纤4 4 非零色散位移光纤非零色散位移光纤光纤的光学及传输特性参数光纤的光学及传输特性参数光纤的光学及传输特性参数光纤的光学及传输特性参数不同单模光纤的色散曲线不同单模光纤的色散曲线不同单模光纤的色散曲线不同单模光纤的色散曲线光纤：参数光纤：参数23截止波长：截止波长：光纤作为单模光纤工作的最短波长。工作光纤作为单模光纤工作的最短波长。工作光纤作为单模光纤工作的最短波长。工作光纤作为单模光纤工作的最短波长。工作波长超过此波长时，只能传输基模，此时光纤波长超过此波长时，只能传输基模，此时光纤波长超过此波长时，只能传输基模，此时光纤波长超过此波长时，只能传输基模，此时光纤为单模光纤；工作波长低于此波长时，除基模为单模光纤；工作波长低于此波长时，除基模为单模光纤；工作波长低于此波长时，除基模为单模光纤；工作波长低于此波长时，除基模外，高次模也可传输，此时光纤为多模光纤。外，高次模也可传输，此时光纤为多模光纤。外，高次模也可传输，此时光纤为多模光纤。外，高次模也可传输，此时光纤为多模光纤。光纤的光学及传输特性参数光纤的光学及传输特性参数光纤的光学及传输特性参数光纤的光学及传输特性参数光纤：参数光纤：参数24弯曲损耗：弯曲损耗：宏观弯曲损耗宏观弯曲损耗宏观弯曲损耗宏观弯曲损耗：是指光纤在以远远大于光纤是指光纤在以远远大于光纤是指光纤在以远远大于光纤是指光纤在以远远大于光纤外径的曲率半径弯曲时，所引入的附加损耗。外径的曲率半径弯曲时，所引入的附加损耗。外径的曲率半径弯曲时，所引入的附加损耗。外径的曲率半径弯曲时，所引入的附加损耗。微观弯曲损耗微观弯曲损耗微观弯曲损耗微观弯曲损耗：是指光纤受到不均匀应力的是指光纤受到不均匀应力的是指光纤受到不均匀应力的是指光纤受到不均匀应力的作用，光纤轴产生的微小不规则弯曲所引入的附加损耗。作用，光纤轴产生的微小不规则弯曲所引入的附加损耗。作用，光纤轴产生的微小不规则弯曲所引入的附加损耗。作用，光纤轴产生的微小不规则弯曲所引入的附加损耗。光纤的光学及传输特性参数光纤的光学及传输特性参数光纤的光学及传输特性参数光纤的光学及传输特性参数光纤：参数光纤：参数25偏振模色散：偏振模色散：偏振模色散：偏振模色散：基模包含两个正交的矢量，这两个偏振矢量在传播过基模包含两个正交的矢量，这两个偏振矢量在传播过基模包含两个正交的矢量，这两个偏振矢量在传播过基模包含两个正交的矢量，这两个偏振矢量在传播过程中会产生时延，从而引入偏振模色散程中会产生时延，从而引入偏振模色散程中会产生时延，从而引入偏振模色散程中会产生时延，从而引入偏振模色散光纤的光学及传输特性参数光纤的光学及传输特性参数光纤的光学及传输特性参数光纤的光学及传输特性参数光纤：参数光纤：参数26光学及传输特性参数典型值光学及传输特性参数典型值光学及传输特性参数典型值光学及传输特性参数典型值 衰减系数：衰减系数：衰减系数：衰减系数：色散系数：色散系数：色散系数：色散系数：截止波长：截止波长：截止波长：截止波长：弯曲损耗：弯曲损耗：弯曲损耗：弯曲损耗：偏振模色散：偏振模色散：偏振模色散：偏振模色散：13101310nmnm波长处：波长处：波长处：波长处：0.360.36dB/kmdB/km1550nm1550nm波长处：波长处：波长处：波长处：0.220.22dB/kmdB/km13101310nmnm波长处：波长处：波长处：波长处：0 0psps/(nmkm)/(nmkm)1550nm1550nm波长处：波长处：波长处：波长处：1919psps/(nmkm)/(nmkm)cccc 1260nm1260nm以以以以7575mmmm为直径松绕为直径松绕为直径松绕为直径松绕100100圈圈圈圈15501550nmnm波长处附加衰减：波长处附加衰减：波长处附加衰减：波长处附加衰减：0.050.05dBdBPMDPMD 0.5ps/(km)0.5ps/(km)1/21/2光纤：参数光纤：参数 模场直径：模场直径：模场直径：模场直径：13101310nm:8-10nm:8-10 m;1550nm:9-m;1550nm:9-1111 mm27机械及环境性能参数机械及环境性能参数机械及环境性能参数机械及环境性能参数 光纤筛选应力水平光纤筛选应力水平光纤筛选应力水平光纤筛选应力水平 光纤抗张强度光纤抗张强度光纤抗张强度光纤抗张强度 光纤动态疲劳参数光纤动态疲劳参数光纤动态疲劳参数光纤动态疲劳参数 光纤静态疲劳参数光纤静态疲劳参数光纤静态疲劳参数光纤静态疲劳参数光纤：参数光纤：参数筛选应力：筛选应力：筛选应力：筛选应力：0.690.69GPaGPa持续时间：持续时间：持续时间：持续时间：1 1s s典型值：典型值：典型值：典型值：500500kpsikpsin nd d 20 20n ns s 20 2028光纤：参数光纤：参数 光纤温度衰减特性光纤温度衰减特性光纤温度衰减特性光纤温度衰减特性 光纤浸水性能光纤浸水性能光纤浸水性能光纤浸水性能 光纤老化性能光纤老化性能光纤老化性能光纤老化性能机械及环境性能参数机械及环境性能参数机械及环境性能参数机械及环境性能参数-60-60o oC C+85+85o oC C下附加衰减：下附加衰减：下附加衰减：下附加衰减：0.05 0.05dB/kmdB/km2323o oC C下，浸水下，浸水下，浸水下，浸水1414天后附加衰天后附加衰天后附加衰天后附加衰 减：减：减：减：0.050.05dB/kmdB/km 温度湿度衰减特性温度湿度衰减特性温度湿度衰减特性温度湿度衰减特性-10-10o oC C+85+85o oC C，98%RH98%RH下附下附下附下附加衰减：加衰减：加衰减：加衰减：0.05 0.05dB/kmdB/km8585o oC C下老化一个月后附加衰下老化一个月后附加衰下老化一个月后附加衰下老化一个月后附加衰 减：减：减：减：0.050.05dB/kmdB/km29光纤：制造光纤：制造制造光纤的基本化学反应式如下：制造光纤的基本化学反应式如下：制造光纤的基本化学反应式如下：制造光纤的基本化学反应式如下：SiClSiCl4 4+O+O2 2=SiO=SiO2 2+2Cl+2Cl2 2其工艺流程如下：其工艺流程如下：其工艺流程如下：其工艺流程如下：制棒制棒制棒制棒脱水脱水脱水脱水烧缩烧缩烧缩烧缩抛光抛光抛光抛光拉丝拉丝拉丝拉丝筛选、复绕筛选、复绕筛选、复绕筛选、复绕30根据预制棒生产方式的不同，光纤制造方根据预制棒生产方式的不同，光纤制造方根据预制棒生产方式的不同，光纤制造方根据预制棒生产方式的不同，光纤制造方法可分为以下四种：法可分为以下四种：法可分为以下四种：法可分为以下四种：改进的化学气相沉积法改进的化学气相沉积法改进的化学气相沉积法改进的化学气相沉积法(MCVD)(MCVD)等离子激活化学气相沉积法等离子激活化学气相沉积法等离子激活化学气相沉积法等离子激活化学气相沉积法(PCVD)(PCVD)真空泵真空泵O2SiCl4GeCl4BBr3空腔谐振器空腔谐振器排气排气喷灯喷灯管子管子O2SiCl4GeCl4光纤：制造光纤：制造31管外气相沉积法管外气相沉积法管外气相沉积法管外气相沉积法(OVD)(OVD)喷灯喷灯O2SiCl4GeCl4O2+H2多孔预制棒多孔预制棒喷灯喷灯O2SiCl4GeCl4O2+H2O2+H2多孔预制棒多孔预制棒轴向气相沉积法轴向气相沉积法(VAD)VAD)光纤：制造光纤：制造32拉丝：拉丝：拉丝：拉丝：高洁净度高洁净度高洁净度高洁净度氮气保护氮气保护氮气保护氮气保护高速涂覆高速涂覆高速涂覆高速涂覆快速冷却快速冷却快速冷却快速冷却预制棒驱动机构预制棒驱动机构石墨炉石墨炉预制棒预制棒在线测径仪在线测径仪在线测径仪在线测径仪涂覆模涂覆模涂覆模涂覆模UV固化炉固化炉UV固化炉固化炉收线盘收线盘光纤：制造光纤：制造33