光通信技术基础-光纤光缆-的讲解课件.pptx

本章的重点：光纤具有何种结构光在光纤中如何传播光纤的常用术语 光在光纤中传输信号衰减的主要机制。dBm的计算，对通信用光纤的衰减有量级概念光纤衰减的测量方法光在光纤中传输信号，色散是如何影响传输的。光纤的非线性效应有哪些，它们对通信的影响有一个概念性的了解光纤的简单分类（单模分类）：了解652光纤的零色散点以及1550的色散值，653光纤和655光纤的色散特点和名称，以及他们的应用环境。对656和657光纤有简单的了解。光纤是由什么材料制造的,光纤是如何制造的,反射波导和透镜波导,4,折100万次也不断 欧姆龙的光波导膜,光纤具有何种结构,光纤具有何种结构,纤芯 core：通信单模纤芯810m，多模光纤的纤芯为50m，62.5um，其他特种掺杂单模约为2-12um。折射率较高，用来束缚光传播；n1=1.4631.467 包层 cladding：直径125um，折射率较低，与纤芯形成全反射条件；n2=1.451.46涂覆层coating：直径250um，涂覆层一般使用丙烯酸酯、有机硅或硅橡胶材料；保护套 jacket：强度大，能承受较大冲击，保护光纤。900um：颜色使用色谱标识2/3mm 橘色 MM 黄色 SM,光在光纤中如何传播(全内反射）,光纤的横模,常用术语：包层直径（+/-2um）、包层不圆度（2%）、纤芯/包层同心偏差（1um）、数值孔径、衰减、截止波长、模场直径(10%)、色散、PMD、承受应力、折射率分布曲线。,包层直径（+/-2um）、包层不圆度（2%）、纤芯/包层同心偏差（1um）,衰减：本征、杂质、不均匀、弯曲（30mm100圈0.5dB1550）和非线性（Raman、SBS、FWM、XPG、XGM、SPM）。,14,图 1.2 各种传输线路的损耗特性,1本征吸收损耗 这是由于石英固有的吸收引起的损耗。它有两个频带，一个在近红外的812m区域里，这个波段的本征吸收是由于振动。另一个物质固有吸收带在紫外波段，吸收很强时，它的尾巴会拖到0.71.1m波段里去。2杂质：掺杂剂和杂质离子引起的吸收损耗 光纤材料中含有跃迁金属如铁、铜、铬等，它们有各自的吸收峰和吸收带并随它们价态不同而不同。由跃迁金属离子吸收引起的光纤损耗取决于它们的浓度。另外，OH存在也产生吸收损耗，OH的基本吸收极峰在2.7m附近，吸收带在0.51.0m范围。对于纯石英光纤，杂质引起的损耗影响可以不考虑。3不均匀：光纤材料在加热过程中，由于热骚动，使原子得到的压缩性不均匀，使物质的密度不均匀，进而使折射率不均匀。这种不均匀在冷却过程中被固定下来，它的尺寸比光波波长要小。另外，光纤中含有的氧化物浓度不均匀以及掺杂不均匀也会引起散射，产生损耗。原子缺陷吸收损耗 光纤材料由于受热或强烈的辐射，它会受激而产生原子的缺陷。波导散射损耗，由于交界面随机的畸变或粗糙所产生的散射，实际上它是由表面畸变或粗糙所引起的模式转换或模式耦合。,宏弯：在光缆的生产、接续和施工过程中，不可避免地出现弯曲。光纤有一定曲率半径的弯曲时就会产生辐射损耗。当曲率半径减小时，损耗以指数形式增加。,高阶模比低阶模容易发生宏弯损耗，因此有时可用弯曲的办法滤掉高阶模,消逝场,q,q,q,q,q,q,q,c,q,R,Cladding,Core,场分布,17,受激喇曼散射stimulated Raman scattering某物质能级1与能级2之间的能量差为h v，当频率为v的单色光入射到此介质中时,如处于能级 1的介质分子吸收一个入射光子而跃迁到某个虚能级上，并从此虚能级跃迁回到能级2上,同时发射一个频率为vsv-v的散射光子,则vs线称为喇曼散射的斯托克斯线。若处于能级 2上的分子吸收一个入射光子，随后从虚能级跃迁回到能级1上,并发射一个频率为vav v的散射光子，则va线称为喇曼散射的反斯托克斯线。当入射光强较弱时,散射过程基本上是自发散射,即普通的喇曼散射。当入射光是很强的激光时，受激散射成为主导的。散射光的这种变化过程有明显的阈值。入射光强超过此阈值后,散射光的强度突然增大,并有很高的方向性、单色性和相干性。这就是受激喇曼散射。受激喇曼散射可用于物质结构的研究，同时又是产生具有新波长的激光的一种方法。,18,受激布里渊散射Brillouin scattering受激布里渊散射主要是由于入射光功率很高，由光波产生的电磁伸缩效应在物质内激起超声波，入射光受超声波散射而产生的。散射光具有发散角小、线宽窄等受激发射的特性。也可以把这种受激散射过程看作光子场与声子场之间的相干散射过程。受激布里渊散射有可能在一个信道中引起严重畸变。它会朝向源的方向上产生增益。,注入条件与稳态分布 光纤参数测试除与光纤结构有关，还受到以下因素的影响：光源的稳定性、耦合方式、测试条件、样品处理、信息检测等等1.光功率注入光纤的注入方式 a）稳态注入（限制注入）仅激励损耗较低的低阶模，注入光本身接近于光纤的稳态分布 b）满注入(全激励)激励所有的导模2.模式稳态分布 光纤中全部模功率分布是稳定的，不随距离而变，光纤输出端和输入端远场辐射角以及近场光斑尺寸均相一致，衰减符合长度相加性。,2.稳态模的实现 a)扰模器（几何扰动来实现）b）滤模器 选择性抑制某些模式，滤模器可以是绕棒式的，即把光纤用较小的张力绕在一根20mm长的棒上。或将光纤嵌入s型槽内其中充满折射率匹配液可消除包层模。c）包层模剥除器 去掉一小段涂敷层，浸入等于或稍大于包层折射率的匹配液中，使包层模被剥除。匹配液可以采用丙三醇(甘油)、四氯化碳和液态石腊等。适当的光耦合系统与扰模器，滤模器及包层剥除器一起构成“注入系统”,剪断法光纤损耗测量系统框图,衰减测量（剪断法）测量光纤的传输总损耗 衰减系数（）10lg（Pout/Pin)/L切断法 先测量出整个光纤的输出光功率P2（），保持不变，切断光纤测量2m处输出的光功率P1()测量特点：基准测试法，属于破坏性测量，测量精度高，误差可低于0.1dB,偏置电路,注入系统,探测器,光源,被测光纤,耦合接头,1,2,原理：用一根长2m的和待测光纤完全相同的短光纤与光源耦合，校准其输出功率P1作为待测光纤的注入功率Pin,特点：测量精度受到耦合接头的精度和重复性影响，但测量简便是非破坏性的,插入损耗法,探测器,光源,分光束耦合器,透镜,待测光纤,大功率窄脉冲光信号注入，然后在同一端检测沿光纤背向返回的散射光功率（主要为瑞利散射），测量散射光功率就可获得传输时光的损耗信息,背向散射法,R(z)：反射系数P(z)：光到达待测点z处的功率 s(x)：背向散射光的单位长度衰减系数 i(x)：光信号沿正向传播时单位长度损耗系数Pi：输入功率,散射光到达输入端时的输出功率为：,a段：由于耦合设备和光纤前端面引起的菲涅尔反射脉冲b段：光脉冲沿具有均匀特性的光纤段传播时的背向散射曲线c段：光纤的高损耗区，焊点等d段：光纤活动连接、裂痕（或气泡）e段：光纤终端引起的反射损耗由于Ps（L）采用了对数坐标，故其曲线的斜率就是损耗值,典型测量曲线,特点：不仅可测衰减系数，还能确定断点、接头位置，测量光纤长度缺点：1.无法控制背向散射光的模式分布 2.对光纤的非均匀性很敏感注意：测量光缆链路损耗时，需两个方向各测量至少一次求平均,分贝的计算：（1）对于振幅类物理量，如光振幅、电压、电流强度等 dB20lg（A/A0)(2)对于功率类物理量 dB10lg（P/P0)10lg（A2/A20)20lg（A/A0)dBm的计算：m=10 lg(/1mW)dBm其中：代表需要计量的绝对功率值，单位为毫瓦。dBm表示以一毫瓦为基准的功率电平的分贝值。0dBm的功率代表1mw的绝对功率。,绝对功率 dBm 绝对功率 dBm 绝对功率 dBm 1pW-90 1mW 0 1W 30 10pW-80 2mW 3 2W 33 100pW-70 4mW 6 4W 36 0.001W-60 5mW 7 5W 37 0.01W-50 8mW 9 8W 39 0.1W-40 10mW 10 10W 40 1.0W-30 20mW 13 100W 50 2W-27 40mW 16 1000W 60 4W-24 50mW 17 10kW 70 5W-23 80mW 19 100kW 80 8W-21 100mW 20 1000kW 90 10W-20 200mW 23 20W-17 400mW 26 40W-14 500mW 27 50W-13 800mW 29 80W-11 100W-10 1000W 0,插入损耗（IL）插入损耗常常简称为插损，指一个输出端口的输出功率和一个输入端口输入功率的比值，插入损耗常常包括两部分，一部分是器件非理想造成的附件损耗（通常是不期望存在的），另外一部分是器件本身特性造成的（例如分路器【splitter，也叫耦合器coupler】的分光比，例如某个端口本身应该输出20的输入光，对这个端口来说，本来就应该有80的“损耗”）。对于数个网络构成的电路，按线性量计算，总的电压放大倍数为各级放大倍数的乘积，即：2520320.0635.81001810523520倍按对数量计算，总的增益为各级增益的代数和，即：28+26+30-24+15+40+25=140 dB,线性计算：损耗=10(-aL/10);分路器插损=分光比+额外损耗95.5%*97.72%*0.5*97.72%*2%*97.72%*96.61%*97.72%*95.5%=0.8%,10*Log(1/32)=15.05dB,35,NA表示光纤接收和传输光的能力，NA(或c)越大，光纤接收光的能力越强，从光源到光纤的耦合效率越高。NA越大，纤芯对光能量的束缚越强，光纤抗弯曲性能越好;但NA越大，经光纤传输后产生的信号畸变越大。,数值孔径,数值孔径：NA，导模，最大角度（可逆性）是光纤能接收光辐射角度范围的参数，是表征光纤和光源、光检测器及其它光纤耦合时的耦合效率的重要参数，无论是阶跃光纤，还是梯度光纤，最大理论数值孔径定义都是:,远场强度有效数值孔径是通过光纤强度远场强度分布确定的，它定义为光纤远场辐射图上光强下降到最大值5处的半张角的正弦值。CCITT规定的数值孔径就是指这种有效数值孔径。,截止波长：单模（横模）可调谐光源（小于10nm），注入系统激励LP01，LP11模，12cm浸入匹配液光纤：2米，绕280mm的圈，半径不小于140mm，记录P1，然后绕60mm，记录P2，画曲线R，上移0.1dB右侧交点。光缆：22米，两端各一剥米，绕90mm和60mm的环。,截止波长与测量,则当0c时，P1(0)P2（0），R（0）0;当0 c时，出现LP11模，参考光纤的小圆圈使得LP11模功率剧烈衰减，R（0）随0的减小而剧烈增加；当0c时，待测光纤与参考光纤中均呈现稳定的双模传输，故又有R（0）0，这就形成了下图所示的曲线,模场直径,近场图像法实验装置,色散：材料色散、波导色散、模间色散和PMD,光脉冲中的不同频率或模式在光纤中的群速度不同，这些频率成分和模式到达光纤终端有先有后，使得光脉冲发生展宽，这就是光纤的色散，如图所示。色散一般用时延差来表示，所谓时延差，是指不同频率的信号成分传输同样的距离所需要的时间之差。,色散引起的脉冲展宽示意图,43,材料色散是由于材料折射率随波长的变化而不同，不同波长（频率）成分所对应的群速度不同。波导色散是由于波导结构或者说是由于波导的尺寸大小引起光的群速度随波长而变化造成的色散。模间色散是不同横模间的色散，类似于无线电的多径效应。偏振模色散（PMD）也称为极化色散。由于光信号的两个正交偏振态在光纤中有不同的传播速度而引起的色散称偏振模色散。,t1,t2,t3,t4,脉冲展宽导致接收端无法将相邻的脉冲分开，从而导致误码。因此，射散特性限制了光纤的传输容量。,色散与补偿,色散补偿光纤(DCF),正负色散率搭配使系统累积色散为零,存在的问题：(1)高损耗；(2)非线性效应强；(3)短波长过补偿、长波长欠补偿,(Ps/nm/km),折射率分布曲线,折射率分布曲线,多模,G.652,G.655,双包层,承受应力：0.69GPa，100kpsi，8.1牛顿力,56,损耗色散非线性,光纤损耗、色散和非线性对光信号传输的影响,频率,信号畸变,串扰,光纤的分类（1）工作波长：紫外光纤、可观光纤、近红外光纤、红外光纤（0.85um、1.3um、1.55um）。（2）折射率分布：阶跃型、近阶跃型、渐变型、其它（如三角型、W型、凹陷型等）。（3）传输模式：单模光纤（含偏振保持光纤、非偏振保持光纤）、多模光纤。（4）原材料：石英玻璃、多成分玻璃、塑料、复合材料（如塑料包层、液体纤芯等）、红外材料等。按被覆材料还可分为无机材料（碳等）、金属材料（铜、镍等）和塑料等。,58,传输距离,传输容量,光纤性能和品种的演进,G.651,G.652,G.653,G.655,G.656,G.654,G.657,减小模间色散,零色散位移,截止零色散位移,产生非零色散,降低色散斜率,减小弯曲半径,60,ITU-TG651光纤：G.651A1a（50/125），G.651A1b（62.5/125）G652光纤：非色散位移光纤：G652A、G652B:标准光纤。0.5-0.2ps/km1/2 G652C、G652D：低水峰（全波）光纤。0.5-0.2ps/km1/2G653光纤：色散位移光纤，零色散波长在1.55m窗口。G654光纤：截止波长位移光纤，截止波长在1500 nm的海底应用单模光纤,又称为最低衰减单 模光纤。G655光纤：非零色散位移光纤，在1550nm窗口给定波长区间内色散不为零的色散位移 单模光纤。G655A：单信道光纤(1995)。G655B（2000.10）、G655C：DWDM光纤(2003.1)。G655D/G.655E。G656光纤：色散平坦光纤，使用于DWDM 系统S+C+L波带0.1ps/km1/2，凸或者凹型色散。(2004.5)。G657光纤：抗弯曲光纤，弯曲半径510mm。657a1,657a2,657b2,657b3（2009）,63,光纤的工作带宽与衰减谱,第1窗口,第2窗口,第5窗口,第3窗口,第4窗口,64,全波光纤（Allwave）G.652C,（1）波段宽（2）改进网管（3）成本低,655：A：200GHzDWDM系统，0.5ps/km1/2，B：100GHz以下，400km10Gb/s，0.5ps/km1/2，C：C+L，100Ghz以下，0.2ps/km1/2，Lucent公司的TrueWave光纤，色散斜率0.05ps（nm2km），零色散波长小于1530 nm，色散在1540 1560nm为 0.8 ps/nm.kmD4.6 ps/nm*km。色散为正色散，SPM利于脉冲压缩，可用于孤子压缩，但同时会导致调制不稳定，不适合大功率输入。康宁公司开发的光纤为LS光纤，零色散波长为大于1567.5 nm，色散在15301560为0.1 ps/nm*km|D|3.5 ps/nm*km。色散为负色散。不利于L-band传输，不用于光孤子，但可以用652光纤色散补偿，Corning公司的LEAF（8.49.6，相当于5572um2）。,66,弯曲损耗不敏感光纤G.657,弯曲不敏感光纤（G.657光纤）用于接入网的低弯曲损耗敏感单模光纤 衰减对弯曲不敏感，目前主要应用于入户的那一段光缆G.657A与G.652光纤完全兼容高可靠性，是用于用户室内环境的理想光纤,非通讯用光纤：1，红外光纤（Infrared Optical Fiber）：氟化物光纤（Fluoride Fiber）是由氟化物玻璃作成的光纤。原料简称 ZBLAN（即氟化锌、钡、镧、铝、钠）其理论上的最低损耗，在3pm波长时可达10-2103dBkm，主要工作在2 10pm波长的光传输业务。红外光纤（Infrared Optical Fiber）主要用于光能传送。例如有：温度计量、热图像传输、激光手术刀医疗、热能加工等等，普及率尚低。2，复合光纤（Compound Fiber）在SiO2原料中，适当混合诸如氧化钠（Na2O）、氧化硼（B2O2）、氧化钾（K2O2）等氧化物的多成分玻璃作成的光纤，特点是多成分玻璃比石英的软化点低且纤芯与包层的折射率差很大，主要用在多芯光纤：（MultiCore Fiber）：传像素光纤，用于医疗、工业检测、图像传输等。3，塑包光纤：（Plastic Clad Fiber）适用于局域网（LAN）和近距离通信。纤芯粗、NA高,4，塑料光纤：原料主要是有机玻璃【聚甲基丙稀酸甲酯】（PMMA）、聚苯乙稀（PS）和聚碳酸酯（PC）等高分子聚合物。损耗受到塑料固有的CH结合结构制约，一般每km可达几十dB。连接头可一次压成，汽车等工业。介绍一下单模多模的光纤价格，说明对中问题和光源耦合问题。5，偏振保持光纤：（PMF：Polarization Maintaining fiber），固定偏振光纤、双折射光纤。另外有单偏光纤。陀螺、水听、加速度计。自然光入射保偏和单偏。6，抗恶环境光纤（Hard Condition Resistant Fiber）。抗热性塑料，如聚四氟乙稀（Teflon）等树脂。也有涂覆Ni和A1等金属的。耐热光纤（Heat Resistant Fib-er）。抗辐射光纤（Radiation Resista-nt Fiber）涂层光纤：SiC、TiC、C等无机材料，防水，（HCF：HermeticallyCoated Fiber）。海底光缆，金属涂层光纤（Metal Coated Fiber），目的在于提高抗热性和可供通电及焊接。它是抗恶环境性光纤之一，也可作为电子电路的部件用。,7,色散补偿光纤：（DCF：DisPersion Compe-nsation Fiber），0.51dB/km，8，掺稀土光纤：有源光纤(Er/Pr/Yb/Td/Si)。9，偏心光纤：（Excentric Core Fiber）10，发光光纤：（Luminescent Fiber）含有荧光物质制造的光纤。用于检测辐射线和紫外线，以及进行波长变换、温度敏感器（荧光时间）、化学敏感器，闪光光纤（Scintillation Fiber）。11，空心光纤（Hollow Fiber）：光子晶体光纤。通过调整纤芯直径、包层空气孔直径、包层空气孔之间距离方式来达到分别制造出具有无限单模、低衰减、色散、非线性效应（通过改变模场和填充物）、保偏和小弯曲损耗等性能的PCF的目的。,光纤是由什么材料制造的材料选择：气体衰减极小，但致命缺点是密度难以控制，液体折射率随温度变化明显，固体衰减大，晶体材料瑞利散射极小，但拉制和规模生产难，只有非晶体和塑料容易。Sicl4是液体，沸点为57.6，所以采用精馏和吸附等办法提纯，例如要求Fe：1.4ppb,Cu0.7ppb,氢化物0.2ppm等等,光纤的制作,制棒技术：外部化学气相沉积法（OVD）(70，corning)轴向化学气相沉积法（VAD）(日本电报电话公司,古河、住友，75年）改进的化学气相沉积法（MCVD)（AT&T、贝尔、南安普顿，74年）等离子化学气相沉积法（PCVD）（75飞利普，千层以上）,OVD：70年croning公司，其原料在氢氧焰中水解生成SiO2微粉，然后经喷灯喷出，沉积在由石英、石墨或氧化铝材料制成的“母棒”外表面，提高氧化物粉尘沉积速度（是MCVD的510倍），经约200次沉积，去掉母棒，再将中空的预制律在高温用氯气下脱水（脱水效果好，可以达到1ppb），14001600烧结成透明的实心玻璃棒，即为光纤预制棒。适合批量生产，该法要求环境清洁，无折射率凹陷，可以制得0.16dB/km（1.55m）的单模光纤。,MCVD：石英反应棒（衬底管、外包层管，1825mm），壁厚小于2mm，用纯氧或者氩气作为运载气体。车床旋转几十转/分钟，火温约为14001600度，每层厚度约810um。中间最后留有小孔，烧实（1800度左右，熔缩成预制棒）。但中间有折射率凹陷。,气相沉积工艺MCVD法,PCVD：75年，菲利普。用微波腔体产生气体电离，带电离子复合产生热量。PCVD工艺的沉积温度低于MCVD工艺的沉积温度，因此反应管不易变形；由于气体电离不受反应管热容量的限制，所以可快速往复移动，目前的移动速度在8m/min，管内沉积每层可以小于1um，折射率分布的控制更为精确，可以获得更宽的带宽。有利于消除沉积过程中的微观不均匀性，大大降低散射造成的损耗，适合制备复杂折射率剖面的光纤。,等离子化学气相沉积法,VAD：77年日本电报电话公司、古河和住友，在端部（轴向）沉积。VAD的重要特点是可连续生产，适合制造大型预制棒。其光纤制品的带宽比MCVD法高一些，其单模光纤损耗目前达到0.22-0.4dBkm。预制棒OH-含量非常低，在1385nm附近的损耗小于0.46dB/km。可拉制100km以上的光纤。,VAD,预制棒,光纤光缆,光缆的命名规则,GY F TZ A 53 36 B1.3分 加 结 护 外 光 光类 强 构 套 护 纤 纤 构 特 层 芯 类 件 性 数 型,年份,成本,管道光缆,室外光缆,接入光缆,电力光缆,水底光缆,室内光缆,直埋光缆,改善性能,降低成本,简化结构,增加品种,根据缆芯形状和纤芯数不同，光缆可以分为三种基本结构：,光缆基本结构,层绞式,中心管式,骨架式,光纤位于中心管的中心,若干根松套管绕中心加强件形成缆芯,光纤带放置在骨架槽内,容纳光纤芯数,12芯，144芯,144芯，720芯,几十上百至数千芯,GY F TZ A 53 36 B1.3室外、非金属加强芯、油膏填充+阻燃、铝带纵包+PE护套、钢带铠装+PE护套、36芯G652.C,中心管式单元,带状光纤,紧套光纤,松套光纤,层绞式单元,加强件,张力筛选合格一次着色光纤,性能检测,光纤防水油膏,光纤防水石油膏,绞合机,光缆油膏,阻水带,包扎带,填充绳,光纤防水油膏,性能检测,二次套塑,骨架式缆芯单元,上述项是焊一芯光纤步骤，重复至其它熔接完成。,广电标准的色谱排列如下：本（白）、红、黄、绿、灰、黑、蓝、橙、棕、紫、粉红、青绿，信息产业部行业标准的色谱排列如下：蓝、桔(橙）、绿、棕、灰、本（白）、红、黑、黄、紫、粉红、青绿。,作业：1，结合本章内容，出25分到35分考试题一套并给出答案。2，也可以就本章内容的某个小部分，设计一个十页左右的PPT，尽量简单形象。例如光纤的测量方法、dBm和dB的引入原因和计算、光纤的色散、光纤中信号的畸变、通信光纤的发展过程和特性等等。提交名称:学号-姓名-*.*作业在4月22日之前发到内。,