光纤及光缆基础知识培训.pdf

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1、光纤及光缆基础知识培训目 录光纤光缆光通信史光纤通信原理光纤的结构光纤光纤的分类光纤的基本参数光纤的制造方法光纤的演变光通信史广义的光通信：存在于我们的日常生活中，无处不在，无时不在。一旅游、观光一电影、电视狭义的光通信：是指人类有意识地利用光作为传递信息的手段。一古代的烽火台一现代的交通信号灯、航海灯塔等等光通信史法国人 C la u d e C h a p p e第一个建立光电报系统。61790美国人A le x a nd e rG r a h a mB e ll发明了光电话。1880人类发明了新的光源：激光。1958华裔科学家：高银博士从理论上预言玻璃纤维是理想的光波导。1966康宁公司

2、成功开发出衰减小于20dB/km的商用光纤。1970光通信史上的几个里程碑?f10km1km100m10mIm1cm1dm105m100km107m010Hz100HzIk10k100kIM10M100M1G10G1cm100?m1m m10?mlOOnml?mlOnmInm100pm10pm1pm10G100GIT10T100T1015T1017T1016T1019T1018T1O2OT11.6?m1.5?m1.3?m1.4?m1.l?m1.2?ml?m900nm800nm700nm500nm600nm400nm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LWKWMWUKWd mc

3、 m高频微波低频交流电直流电微波可见光光纤通信原理光纤通信原理光信号发射接 收接 收发 射通信系统的原理框图传输线路光光光光信号处理信号处理光纤通信原理线路中继线路中继传输线路的基本组成传输介质传输介质传输介质传输介质线路中继光纤通信原理入射光线反射光线入射光线?1?1=?2传输介质：光纤光的反射和折射定律光在传输过程中，在两种不同的传输介质的界面将产生以下行为：一部分入射光将被反射一部分入射光将进入第二种介质，产生折射介 质1折射率nl介 质2折射率n2?2nl Sin?l=n2 Sin?2介 质1折射率nl介 质2折射率n2?1?2折射光线光纤通信原理折射率门=光在真空中的传播速度/光在该

4、介质中的传播速度全反射：当nl&g t;n2时，随着入射角的不断增加，当入射角达到某一值时，折射角达 到9 0 oC,我们把此时的入射角称为临界角？?0 o当入射角大于临界角时，将发生全反射。介 质1介 质2根据折射定律，我们可以求出临界角，此时?2=9 0。即nl S in?0=n2 S in9 0 o所以 S in?0=n2/nl光纤通信原理传输介质：光纤?包 层n2纤 芯n l包 层n 2光纤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（光波导）内形成全反射，从而达到长距离传输的目的。光纤中心轴线?090-?0空 气n0?1传输介质：光纤光纤通信原理包 层光纤的结构

5、纤芯涂层按材料分类：二氧化硅系光纤多组份光纤塑料光纤光纤的分类用于通信，如：光缆用于传感器，如：光纤陀螺用于传输图像，如：内窥镜其它用途，如用于传输能量按用途分类：光纤的分类光纤的分类按传输模式分类：多模光纤：根据电磁波的传播理论，通过解麦克斯韦方程，可以求出光波在该类光纤中是以多种模式（振动状态）向前传播的。它包括L P 0 1、L P l k L P 0 2、L P 1 2、L P 2 1、L P 2 2 等等。单模光纤：光波在该类光纤中只以基模L P 0 1的振动方式向前传播。aarEaarEL P 0 1L P 1 1L P 0 2多模光纤单模光纤按传输模式分类:光纤的分类几何尺寸参数

6、光学及传输特性参数机械特性参数光纤的基本参数环境特性参数几何尺寸参数d xd yR光纤的基本参数纤芯直径纤芯/包层同心度偏差包层外径(d=d x+d y /2)包层不圆度(I d m a x-d m i n|/d)涂层外径包层/涂层同心度偏差光纤翘曲度R光纤几何尺寸参数典型值纤芯直径(多模光纤)：纤芯直径(单模光纤)：纤芯/包层同心度:包层外径:包层不圆度：涂层外径：包层/涂层同心度：6 2.5/50?m8-1 0?m?1.0?m1 2 5?m?l?m?1%2 4 5?m?5?m?1 2?m光纤翘曲度：?4 m光纤的基本参数光纤的基本参数几何尺寸的精度对光纤的影响光纤的接续损耗光纤的P M D

7、值光纤芯径不同光纤纤芯光 纤 芯 径8?m ,错 位2?m导 致0.7 d b衰减纤芯轴向夹角纤 芯 有1?夹角，导 致0.4 5 d B接头损耗光纤端面倾斜倾 角1?时，导 致0.2 d B接头损耗芯 径 相 差1 0%,损 耗 增 加0.0 1 d B光缆接续光纤对接续影响如果光纤芯径8?m ，错 位 2?m 导 致 0.7 db衰减纤芯错位一定要<0.8?m导 致 0.45 dB接头损耗如果要求接头损耗<0.1 dB,2?m光纤纤芯：光纤1光纤2光缆接续纤芯有1?夹角，如果要求接头损耗<0.1 dB,纤芯轴向夹角：1?光纤1光纤2光缆接续倾 角 1?时，导 致 0.2光

8、纤端面倾斜：纤芯夹角应<0.3?dB接头损耗1?光纤1光纤2光缆接续芯径相差1 0%,损耗增加0.0 1 d B光纤芯径不同：光纤1光纤2光缆接续光学及传输特性参数衰减系数色散系数截止波长弯曲损耗偏振模色散模场直径光纤的基本参数光学及传输特性参数模场直径：高斯分布的单模光纤，模场直径是光场幅度分布1/e 处各点所围成圆的直径，也等于光功率分布l/e 2 处各点所围成圆的直径。光纤的基本参数衰减系数?=1 0 1 o g(P 0/P L)/L这里；P 0 输入光功率P L 经过L 长度的光纤后的输出光功率L传输距离P OP LL光学及传输特性参数光纤的基本参数光学及传输特性参数光纤的基本参

9、数光纤衰减的来源：瑞利散射在红外、紫外区玻璃的固有吸收杂质(0 H-离子和过渡金属离子)吸收光纤结构不完善所产生的辐射和散射光学及传输特性参数0 H-吸收峰：1 3 8 3 n m(又称为：水峰)光纤的基本参数单模光纤的典型谱衰耗衰 减(d B/k m)波长(n m)1 3 1 01 5 5 00.360.20光纤的基本参数光纤的本征衰减由以下几项组成：由于纤芯折射率的微小变化所产生的瑞利散射（与波长的四次方成反比）在红外、紫外区玻璃的固有吸收杂质（0H离子和过渡金属离子）吸收光纤结构不完善所产生的辐射和散射光纤的附加损耗：弯曲损耗一一宏弯损耗一一微弯损耗氢损光纤的基本参数色散：不存在色散时：

10、存在色散时：色散系数：色散：原义指折射率等物理常数随频率（波长）而变化的现象。光纤的“色散”则是指由于各种因素而使传输常数发生变化的现象。光学及传输特性参数光纤的基本参数模式色散材料色散波导色散光纤的基本参数光纤色散包括以下几部分：模式色散（仅发生在多模光纤上）材料色散（光纤材料的折射率与波长相关）结构色散（波导结构与模群的传播速度有关）对于多模光纤，其各部分色散的大小关系如下：模式色散&g t ;&g t;材料色散&g t;结构色散对于多模光纤，可以通过设计合理纤折射率分布大大减小模式色散。光学及传输特性参数光纤的基本参数模式色散：传输常数随传输模的不同而变化。模式色散只发生在多模光纤上。R

11、nRn阶跃折射率分布的多模光纤渐变折射率分布的多模光纤光学及传输特性参数光纤的基本参数材料色散：由于材料的折射率随波长变化而导致的传输常数的变化。包 层n2包 层n2纤 芯nl光学及传输特性参数光纤的基本参数波导色散：由于波导结构引起的传输常数的变化。?1?2<?lrr光学及传输特性参数光纤的基本参数模式色散>>材料色散>波导色散84-401200-818001400150016001700132nm1 非色散位移光纤2 色散位移光纤3 色散平坦光纤4 非零色散位移光纤n m .k mPS不同光纤的色散曲线光纤的基本参数4D弯曲损耗：宏弯损耗：是指光纤在以远远大于光纤外径

12、的曲率半径弯曲时，所引入的附加损耗。微弯损耗：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。光纤的基本参数光学及传输特性参数偏振模色散：基模包含两个正交的矢量，这两个偏振矢量在传播过程中会产生时延差，从而引入偏振模色散光纤的基本参数光学及传输特性参数光学及传输特性参数典型值衰减系数：色散系数：截止波长：弯曲损耗：偏振模色散：1 3 1 0 n m 波长处：?0.3 6 d B/k m1 5 5 0 n m 波长处：？0.2 2 d B/k m1 3 1 0 n m 波长处：?B s t y l e=，c o l o r:w h i t e;b a c k g r o

13、 u n d-c o l o r:#0 0 a a 0 0(1O p s/(n m?B s t y l e c o l o r:w h i t e;b a c k g r o u n d-c o l o r:#0 0 a a 0 0 l k m)1 5 5 0 n m 波 长 处：？1 8 p s/(n m?Bs t y l e c o l o r:w h i t e;b a c k g r o u n d-c o l o r:#0 0 a a 0 0 l k m)?c c?1 2 6 0 n m以7 5 m m 为直径松绕1 0 0 圈 1 5 5 0 n m 波长处附加衰减：?0.0 5

14、d BP M D?0.2 p s/(km)l/2模场直径：1 3 1 0 n m:8-1 0?m;1 5 5 0 n m:9-1 l?m光纤的基本参数机械特性参数光纤筛选应力水平光纤抗张强度光纤动态疲劳参数光纤静态疲劳参数筛 选 应 力:0.69G Pa持续时间：I s典型值：5 0 0 kp s in d?2 0n s?2 0光纤的基本参数光纤温度衰减特性光纤浸水性能光纤老化性能环境性能参数-60 o C+85 o C下附加衰减：?0.0 5 d B/km2 3 o C下，浸 水1 4天后附加衰 减：?0.0 5 d B/km温度湿度衰减特性-1 0 o C+85 o C,98%R H 下附

15、加衰减：?0.0 5 d B/km85 0 c下老化一个月后附加衰 减：?0.0 5 d B/km光纤的基本参数制造光纤的基本化学反应式如下：S iC1 4 +0 2 =S i0 2 +2 C1 2G e C1 4 +0 2 =G e 0 2 +2 C1 2其工艺流程如下:制棒脱水烧缩抛光拉丝筛选、复绕光纤的制造方法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:改进的化学气相沉积法(MCVD)等离子激活化学气相沉积法(PCVD)真空泵0 2S iC1 4G e C1 4BBr 3空腔谐振器排气喷灯管子0 2S iC1 4G e C1 4光纤的制造方法管外气相沉积法(OVD)喷灯0 2S

16、 iC1 4G e C1 40 2+H 2多孔预制棒喷灯0 2S iC1 4G e C1 40 2+H 20 2+H 2多孔预制棒轴向气相沉积法(VA D)光纤的制造方法拉丝：高洁净度氮气保护高速涂覆快速冷却预制棒驱动机构石墨炉预制棒在线测径仪在线测径仪涂覆模涂覆模U V固化炉U V固化炉收线盘光纤的制造方法光纤的演变多模光纤单模光纤工作波长：85 0 n m1 3 1 0 n m1 5 5 0 n m1 3 1 0&a m p;1 5 5 0 n m1 5 3 0 1 5 65/1 62 5 n m1 2 60 62 5 n m单模光纤的演变G.65 2光纤G.65 3光纤G.65 4光纤G

17、.65 5光纤最成熟的单模光纤，但未把最小的衰减与最小的色散有效的结合在一起。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。过渡性的单模光纤，把零色散点移到了衰减最小的波长。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。光纤的演变I TU-T G.65 2 光纤短距离大容量传输系统A类G.65 2光纤B类G.65 2光纤C类G 65 2光纤普通容量传输系统高速率传输系统(1 0 G b/s)粗波分复用传输系统G.65 2光纤的特点最成熟的一种单模光纤最小的衰减窗口与最小色散窗口分离光纤的演变高速率大容量传输系统I T U-T G.6 55 光纤长途陆地系统长途海底系统

18、城域网系统如：C o r n i n g 的 L e a f 光纤，L u c e n t 的 T r u e Wa v e R S 光纤如：C o r n i n g 的 S u b m a r i n e L e a f 光纤L u c e n t 的 T r u e Wa v e XL 光纤如:C o r n i n g 的 M e t r o C o r 光纤G.6 55光纤的特点最新的一种单模光纤；充分利用C/L 波段衰减小和其为E D F A工作波段的特点；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光纤的演变光缆的设计光缆的结构光缆的制造光缆的分类光 缆几种常用光缆目的：

19、为光纤提供足够的保护正确设计光缆结构，精确控制光纤余长光缆设计中应着重考虑的问题避免光纤受到应力作用消除光纤的宏弯与微弯损耗解 决 之 道光缆的设计层绞式光缆余长由绞合节距确定中心束管式光缆余长由螺旋产生光缆的设计受张力时，套管伸长。E l o n g a t i o n o f t h e t u b e s b y t e n s i o n.低温状态下套管收缩。S h r i n k a g e o f t h e t u b e s u n d e r l o w t e m p e r a t u r e光纤/f i b r e理想的光纤位置。I d e a l f i b r e

20、p o s i t i o n.光缆的设计受张力时，套管伸长。室温，无张力。低温状态下套管收缩。光纤光纤光纤光缆的设计按使用环境分类室外光缆管道光缆架空光缆直埋光缆水下光缆海底光缆室内光缆数据光缆配线光缆设备光缆控制光缆应急光缆光缆的分类按网络分类长途干线网用光缆连接各大城市，长度可达数千公里光缆的分类按网络分类本地网用光缆连接大城市及其周边地区，长度可达百公里以上光缆的分类按网络分类接入网用光缆连接中心交换局与最终用户，又称为通信的最后一公里。中心交换局光缆铜缆光网络单元F T T CF T T BF T T H光缆的分类按缆芯结构分类层绞式结构中心管式结构骨架式结构光缆的分类按光纤单元分类

21、单纤光缆:采用散纤或光纤束作为基本的光纤单元可采用中心管式，层绞式或骨架式结构用于长途和本地网以及局间中继光纤带光缆：采用光纤带作为基本的光纤单元可采用中心管式，层绞式或骨架式结构用于接入网或局间中继光缆的分类光缆的分类按敷设方式分类管道式光缆架空式光缆直埋式光缆水底式光缆海底式光缆光缆的分类按特殊性分类普通要求光缆特殊要求光缆全非金属光缆阻燃光缆防白蚁光缆光缆的结构光缆的基本结构组成加强件钢丝、FRP、芳纶等等光纤单元光纤、光纤束、光纤带缆芯层绞式、中心管、骨架护套铝塑、钢塑、钢丝护套上 色在无色的一次涂覆光纤外着上一层颜色，以便于识别不同的光纤。按照国际标准，共 有 12种标准颜色，分别为

22、：兰、桔、绿、棕、灰、白、红、黑、黄、紫、粉红、青绿光缆的制造束 纤当同一套管中的光纤数目超过12根时，须采用不同颜色的纱线把一定数量不同颜色的光纤（不 超 过 12根）扎成一束，以便光纤于识别光缆的制造成 带12芯光纤带针对需要极大芯数光缆的应用，先把一定数量的光纤通过成带工序制成光纤带，再以光纤带为基本单元制成光缆，以提高光缆的封装密度。光缆的制造套塑在光纤外挤上一层套管，并使光纤松驰地置于套管中，套管内填充胶状的油膏。光缆的制造成 缆把一定数量的松套管以一定的节距绞在中心加强件上以制成层绞式光缆的缆芯光缆的制造护 套架空、管道式光缆直埋式光缆水下光缆根据运用环境的不同，分别在缆芯上加上金

23、属挡潮层或金属铠装层或非金属加强层以及内外护套光缆的制造几种常用的光缆中心加强钢丝c e n t r a l s t e e l w ir e双层松套管double layerbuffer tube填充纤膏filling compound包带wrapping tape阻水油膏flooding compound双面涂塑铝带aluminum tapePE外护套PE jacket光缆型号：GYTA 2-216使用场合：管道、架空几种常用的光缆中心加强钢丝central steel wire双层松套管double layerbuffer tube填充纤膏filling compound包带wrappi

24、ng tape阻水油膏flooding compound双面涂塑钢带corrugated steel tapePE外护套PE jacket光缆型号：GYTS 2-216使用场合：管道、架空几种常用的光缆非金属中心加强件FRP双层松套管double layerbuffer tube填充纤膏filling compound阻水油膏flooding compound芳纶纱aramid yarnP E 外护套P E j a c k e t光缆型号：G Y F T Y 2-2 1 6使用场合：强电场地区管道、架空几种常用的光缆中心加强钢丝c e n t r a l s t e e l w ir e填充纤

25、膏f il l in g c o m p o u n d包带w r a p p in g t a p e阻水油膏f l o o d in g c o m p o u n d双面涂塑铝带a l u m in u m t a p eP E 内护套in n e r P E j a c k e t轧纹钢带c o r r u g a t e d s t e e l t a p eP E 内护套in n e r P E j a c k e t铠装钢丝armoring steel wirePE外护套outer PE jacket光缆型号：GYTA5333 2-216使用场合：水下、爬坡双层松套管double

26、 layer buffer tube几种常用的光缆钢绞线stranded steel wire双层松套管double layer buffer tube填充纤膏filling compound包带wrapping tape阻水油膏flooding compound双面涂塑钢带corrugated steel tapePE外护套PE jacket吊带h a n g in g b e l t中心加强钢丝c e n t r a l s t e e l w ir e光缆型号：G Y T C 8 S 2-1 4 4使用场合：自承式架空1 2 芯（2 4 芯）光纤带光纤油膏光纤带松套管加强钢丝填充阻水油膏

27、双面涂塑轧纹钢带P E 外护套撕裂绳光缆型号：G Y D X T W 1 2-6 0 0使用场合：管道、架空几种常用的光缆双面涂塑轧纹铝带6芯光纤带光纤油膏光纤带送套管加强钢丝填充阻水油膏P E 外护套撕裂绳无纺布包带光缆型号：G Y D T A 6-2 8 8使用场合：管道、架空几种常用的光缆几种常用的光缆双面涂塑轧纹铝带1 2 芯光纤带光纤油膏光纤带松套管加强钢丝填充阻水油膏P E 外护套撕裂绳无纺布包带光缆型号：G Y D T A 1 2-4 3 2使用场合：管道、架空光通信技术的发展趋势光纤光缆中继传输交换网络针对不同运用进行优化芯数不断增加，越来越靠近用户传统的电中继向光中继转化时分

28、复用及波分复用走向商用传统的电路交换向光交换演变网络向智能全光网方向发展光缆干线光缆芯数中国电信新的一级干线芯数达9 6 芯，美国的网络运营商Ae r i e 敷设的干线光缆达43 2 芯接入网用光缆中国接入网用光缆已达43 2 芯，日本己在接入网中大量敷设多达1 0 0 0 芯的光缆光通信技术的发展趋势线路中继线 路中 继功能信号同步(R e ti m i n g)信号整形(R e sh a p i n g)信号再生(R e g e n e r a ti n g)光通信技术的发展趋势光放大器泵浦光源光放大技术(如 EDFA)光中继成为可能线路中继光通信技术的发展趋势光接收端光发射端电信号处

29、理光信号输入光信号输出传统的电中继全新的光中继光信号处 理光信号输入光信号输出光通信技术的发展趋势空分复用时分复用波分复用光通信技术的发展趋势传输时分复用+波分复用超高速率超大容量传输系统时分复用时分复用波分复用去复用去复用去复用光通信技术的发展趋势ABCD点到点系统无需交换介入多点组成的网络交换实际的网络系统呈现为复杂的网状结构光通信技术的发展趋势交换传输波分复用及时分复用的进展长 途城 域1 x 1 0Gb/s1 x 40Gb/s16 x 2.5Gb/s4 x 10Gb/s32 x 2.5Gb/s2.5Gb/s10Gb/s40Gb/s1 6 0Gb/s3 2 x 1 0Gb/s2.5Gb/

30、sO C-1 9 2S T M-6 4O C-7 6 8S T M-2 561 6 x 40Gb/s6 4 x 2.5Gb/s1 6 x 1 0Gb/s1 2 8 x 2.5Gb/s4 x 40Gb/s40 x 1 0Gb/sO C-48S T M-1 6总带宽正在研制和开发的产品已投产的产品已发布的产品光通信技术的发展趋势光信号接 收电信号电交换电信号光信号发 射传统的电交换技术全新的光交换技术光信号接 收光交换光信号发 射光通信技术的发展趋势交换电交换光交换及波长交换MEMS系统固态光交换光通信技术的发展趋势网络骨干网城域网接入网核心传送网边缘汇接网光通信技术的发展趋势网络核芯传送 网光放大技术波分复用技术光交换技术接入网已大量使用光纤，如北京、上海、广州以及经济发达地区的中等城市城域网光通信技术的发展趋势网络点对点光一电一光网络网格状智能全光网络光通信技术的发展趋势