1、第第4章章 光纤和光缆光纤和光缆4.1 单模光纤及其应用单模光纤及其应用4.2 光纤的选择光纤的选择4.3 光纤的温度特性和机械特性光纤的温度特性和机械特性4.4 光缆的结构和种类光缆的结构和种类4.1 单模光纤及其应用单模光纤及其应用 G.651 标准多模光纤标准多模光纤 G.652 标准单模光纤标准单模光纤 G.653 色散移位光纤色散移位光纤 G.654 衰减最小光纤衰减最小光纤 G.655 非零色散光纤非零色散光纤 全波光纤全波光纤 色散补偿光纤色散补偿光纤单模光纤的种类：单模光纤的种类：G.652 标准单模光纤标准单模光纤n 标准单模光纤是指零色散波长在标准单模光纤是指零色散波长在1
2、.3 m窗口的单模光纤，国际电信联盟窗口的单模光纤，国际电信联盟(ITU-T)把这种光纤规范为把这种光纤规范为 G.652 光纤。这属于光纤。这属于第一代单模光纤。第一代单模光纤。n其特点是当工作波长在其特点是当工作波长在 1.3 m 时，光纤时，光纤色散很小，系统的传输距离只受一个因色散很小，系统的传输距离只受一个因素，即光纤衰减所限制。素，即光纤衰减所限制。nG.652 光纤在光纤在1.3 m波段的损耗较大，约为波段的损耗较大，约为 0.3 0.4dB/km；在；在1.55 m波段的损耗较小，约为波段的损耗较小，约为 0.20.25 dB/km。n色散在色散在1.3 m 波段为波段为 3.
3、5 ps/nm km，在，在1.55 m波段较大，约为波段较大，约为20ps/nm km。n这种光纤这种光纤可支持用于在可支持用于在1.55 m 波段的波段的2.5Gb/s 的的干线系统干线系统，但由于色散较大，若传输，但由于色散较大，若传输10Gb/s的的信号，传输距离超过信号，传输距离超过50km时，就要求使用价格时，就要求使用价格昂贵的色散补偿模块。昂贵的色散补偿模块。n另外，由于色散补偿模块的使用，增加了线路另外，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，不适用于损耗，缩短了中继距离，不适用于DWDM系统。系统。G.652 标准单模光纤标准单模光纤G.653 色散移位光纤
4、色散移位光纤nG.652光纤的最大缺点是低衰减和零色散不在光纤的最大缺点是低衰减和零色散不在同一工作波长上同一工作波长上，这不仅使工程应用受到一定，这不仅使工程应用受到一定的限制，而且在的限制，而且在 1.3 m的光纤放大器开发应用的光纤放大器开发应用之前，使不经过光之前，使不经过光-电转换过程的全光通信无电转换过程的全光通信无法实现。法实现。n G.653是在是在80年代中期开发成功的第二代单模年代中期开发成功的第二代单模光纤。光纤。它是一种将零色散波长从它是一种将零色散波长从1.3 m移到移到 1.55 m的色散移位光纤的色散移位光纤(DSF,Dispersion-Shifted Fibe
5、r)。ITU把这种光纤的规范为把这种光纤的规范为G.653。光纤的色散特性光纤的色散特性0.5000.3751700波长波长(nm)(nm)色散色散0102030-10-3.5ps/(nm km-90色散补偿色散补偿光纤色散光纤色散 标准光纤衰减标准光纤衰减15001600非零色散移非零色散移位光纤色散位光纤色散色散平坦光纤色散平坦光纤1300 标准光纤色散标准光纤色散0.0000.2500.1251400 衰减衰减(dB/km)(dB/km)色散移位色散移位光纤色散光纤色散 .)G.654 衰减最小光纤衰减最小光纤nITU将一种衰减最小的光纤规范为将一种衰减最小的光纤规范为G.654光纤。光
6、纤。n它是一种可应用于它是一种可应用于1.55 m 波长的纯石英芯单模光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。纤，能够满足海底光缆长距离通信的需求。n在在1.55 m波长附近衰减最小，仅为波长附近衰减最小，仅为 0.185 dB/km。n在在1.3 m波长区域色散为零，但在波长区域色散为零，但在1.55 m波长区域波长区域色散较大，约为色散较大，约为 1720 ps/(nm km)。由色散移位光纤到非零色散光纤由色散移位光纤到非零色散光纤n色散移位光纤在色散移位光纤在 1.55 m 色散为零，不利于多信色散为零，不利于多信道的道的 WDM 传输，因为当复用的信道数较多时，传
7、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信道间距较小，这时就会发生一种称为四波混频(FWM，Four Wave Mixing)的非线性光学效应，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、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。有害的频率分量，导致信道间发生串扰。n如果光纤线路的色散为零，如果光纤线路的色散为零，FWM的干扰就会十的干扰就会十分严重；如果有微量色散，分严重；如果有微量色散，FWM干扰反而还会干扰反而还会减小。针对这一现象，科学家们研制了一种新型减小。针对这一现象，科学家们研制了一种新型光纤
8、，即非零色散光纤光纤，即非零色散光纤(NZ-DSF)。G.655 非零色散光纤非零色散光纤n非零色散光纤实质上是一种改进的色散移位光非零色散光纤实质上是一种改进的色散移位光纤。纤。n其零色散波长不在其零色散波长不在1.55 m，而是在，而是在1.525 m 或或 1.585 m处。处。n在光纤制作过程中，适当控制掺杂剂的量，使在光纤制作过程中，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。，而不需要色散补偿。n消除了色散效应和四波混频
9、效应；消除了色散效应和四波混频效应；n而标准光纤和色散移位光纤都只能克服这两种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；缺陷中的一种；n非零色散光纤综合了标准光纤和色散移位光纤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，它特别适合于高可对现有系统进行升级改造，它特别适合于高密度密度WDM系统的传输，所以非零色散光纤是系统的传输，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。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非零色散光纤的特点非零色散光纤举例非零色
10、散光纤举例nAT&T研制的真波光纤研制的真波光纤(True WaveTM)n美国康宁玻璃公司开发的叶状光纤美国康宁玻璃公司开发的叶状光纤(Leaf Fiber)n阿尔卡特的特锐光纤阿尔卡特的特锐光纤(TeraLightTM)n国内长飞公司的大保实光纤等国内长飞公司的大保实光纤等全波光纤全波光纤（13601460nm波段就是波段就是E 波段波段(Extended wavelength band)，它位于它位于 O 波段和波段和 S 波段之间。波段之间。120014001600 衰减衰减波长波长0.10.20.30.51700150013000.40.6窗口窗口O全波光纤去掉了全波光纤去掉了 的水
11、峰的水峰SCLUE(dB/km)(nm)1385nmO：Original wavelength bandE：Extended wavelength bandS：short-wavelength bandC：Conventional wavelength bandL：Long-wavelength bandU：Ultralong wavelength band全波光纤全波光纤n光纤制造商在光纤制造商在1380nm 波长附近，把波长附近，把OH离子浓度降到了离子浓度降到了10-8以下，消除了（以下，消除了（13601460nm 波段的损耗峰，使该波段的损耗峰，使该波段的损耗也降低到波段的损耗也降低
12、到0.3dB/km左右，可应用于光纤通信，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。而且色散值也小，所以在相同比特率下传输的距离更长。n全波光纤，就是在光纤的整个波段，从全波光纤，就是在光纤的整个波段，从1280nm开始到开始到1675nm终止，都可以用来通信，与常规光纤相比，全终止，都可以用来通信，与常规光纤相比，全波光纤应用于波光纤应用于DWDM，可使信道数增加，可使信道数增加50%，这就为，这就为DWDM系统应用于城域网创造了条件。系统应用于城域网创造了条件。初始波段初始波段扩展波段扩展波段短波段短波段常规波段常规波段长波段长波段超长波段超长波段工作波段工
13、作波段OESCLU工作波长工作波长(nm)126013601360146014601530153015661566162516251675通信光纤的工作窗口通信光纤的工作窗口O：Original wavelength bandE：Extended wavelength bandS：short-wavelength bandC：Conventional wavelength bandL：Long-wavelength bandU：Ultralong wavelength band色散补偿光纤色散补偿光纤n色散补偿光纤色散补偿光纤(DCF,Dispersion Compensating Fiber
14、)是具有大的负色散光纤。是具有大的负色散光纤。n是针对现已敷设的是针对现已敷设的 1.3 m 标准单模光纤而设计的一标准单模光纤而设计的一种单模光纤。种单模光纤。n为了使现已敷设的为了使现已敷设的1.3 m光纤系统采用光纤系统采用WDM技术，技术，就必须将光纤的工作波长从就必须将光纤的工作波长从1.3 m改为改为 1.55 m。n标准光纤在标准光纤在1.55 m波长的色散不是零，而是正的波长的色散不是零，而是正的1720ps/(nm km),并且具有正的色散斜率，必须在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，
15、以保证整条光纤线路的总色散近似为零，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。从而实现高速率、大容量、长距离的通信。4.2 光纤的选择光纤的选择选择光纤的基本要求：选择光纤的基本要求：n从发射光源耦合进光纤的光功率最大；从发射光源耦合进光纤的光功率最大；n光信号通过光纤传输后产生的畸变最小；光信号通过光纤传输后产生的畸变最小；n光纤的传输窗口要满足系统应用的要求。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。具体的设计要根据使用条件进行折衷。一、损耗（衰减）一、损耗（衰减）n在选定的波长，衰减要足够小，以使在满在选定的波长，衰减
16、要足够小，以使在满足接收机所要求的光功率的前提下，使中足接收机所要求的光功率的前提下，使中继距离尽可能大。继距离尽可能大。n设计系统时，要考虑连接器、接头和耦合设计系统时，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。器的损耗和系统工作所需的余量。n为此，要正确选择工作波长和光纤类型为此，要正确选择工作波长和光纤类型。1.耦合损耗耦合损耗n包括光源耦合损耗和检测器耦合损耗包括光源耦合损耗和检测器耦合损耗;n纤芯尺寸和数值孔径大，可减小光源的耦合损耗；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但要增加检测器耦合损耗;n为了减小和检测器的耦合损耗，要求纤芯尺寸和为了
17、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数值孔径要足够小，以使出射光完全落在检测器上。上。n为了提高接收机响应速度，降低噪声，则要求检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。办法来减小耦合损耗。n纤芯尺寸和数值孔径大的光纤，其传输带宽小，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适合于采用发光二级管(LED)的系统。的系统。2.连接器损耗连接器损耗n包括连接器和接头的损耗。包括连接器和接头的损耗。n纤芯直径的公差、不圆度和纤芯与包
18、层同心度误纤芯直径的公差、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。差要尽可能小，以得到最小连接损耗。n提高光纤的几何精度，要增加制造成本；增大纤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。耗的不利影响，但与增大带宽相矛盾。二、色散和带宽二、色散和带宽n正确选择光纤类型和工作波长，光纤色散要足够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。小，使已调制的光信号以最小畸变通过光纤全长。n长距离高速率海缆系统要选择零色散移位到
19、长距离高速率海缆系统要选择零色散移位到1.55 m的的G.654单模光纤。单模光纤。n波分复用系统要选择色散系数很小、但不为零的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。单模光纤，以减小四波混频的影响。n用于城域网的用于城域网的DWDM系统要选择全波光纤。系统要选择全波光纤。n采用发光管采用发光管(LED)的系统的系统,要充分考虑材料色散的要充分考虑材料色散的影响等。影响等。n通常情况下，光纤的特性受温度影响不大；通常情况下，光纤的特性受温度影响不大；n在温度很低时，损耗随温度降低而增加，尤在温度很低时，损耗随温度降低而增加，尤其是在温度非常低时，损耗
20、急剧增加。在高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。寒地区工作的光缆，应注意到此特性。4.3 光纤光纤的温度特性和机械特性的温度特性和机械特性1.光纤的温度特性光纤的温度特性n构成光纤的二氧化硅构成光纤的二氧化硅(SiO2)的热膨胀系数很小，在的热膨胀系数很小，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，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，
21、将使光所以当温度变化时，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。纤产生微弯，尤其表现在低温区。n随着温度的降低，光纤的附加损耗逐渐增加，当温随着温度的降低，光纤的附加损耗逐渐增加，当温度降至度降至-55左右，附加损耗急剧增加。左右，附加损耗急剧增加。n因此，在设计光纤通信系统时，必须考虑光缆的高因此，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低温循环试验，以检验光纤的损耗是否符合指标要求。求。光纤的热胀冷缩光纤的热胀冷缩n目前构成光纤的材料是目前构成光纤的材料是SiO2，要被拉成，要被拉成125 m的细的细丝。在拉丝过程中，光纤的抗拉强度
22、约为丝。在拉丝过程中，光纤的抗拉强度约为1020kg/mm2。n如拉丝后立即在光纤表面进行涂覆，抗拉强度可达如拉丝后立即在光纤表面进行涂覆，抗拉强度可达400kg/mm2。n这里所说光纤的强度是指抗张强度，当光纤受到的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。张力超过它的承受能力时，光纤就将断裂。n对于光纤抗断强度，它和涂覆层的厚度有关，当涂对于光纤抗断强度，它和涂覆层的厚度有关，当涂覆厚度为覆厚度为510 m时，抗断强度为时，抗断强度为330kg/mm2。n只有强度符合要求的光纤才能用来成缆。只有强度符合要求的光纤才能用来成缆。2.光纤的机械特性光纤的
23、机械特性4.4 光缆的结构和种类光缆的结构和种类n由光纤的温度特性和机械特性可知光纤必须制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，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。必须经受敷设安装和长期维护运用的考验。n对光缆有如下基本要求：对光缆有如下基本要求：不能因成缆而使光纤的传输特性恶化；不能因成缆而使光纤的传输特性恶化；在成缆过程中光纤不断裂；在成缆过程中光纤不断裂；缆径细、重量轻；缆径细、重量轻；便于施工和维护便于施工和维护1.光缆结构光缆结构 光缆由缆芯、加强件和护层组成。光缆由缆芯、加强件和护层组成。（1）缆芯
24、）缆芯（被覆光纤（被覆光纤/纤芯）纤芯）n缆芯主要是被覆光纤缆芯主要是被覆光纤(芯线芯线)，它可分为单芯它可分为单芯和多芯两种。和多芯两种。n二次涂覆主要采用下列两种保护结构：二次涂覆主要采用下列两种保护结构：紧套结构紧套结构 松套结构松套结构两种保护结构两种保护结构(2)加强元件加强元件n光纤材料比较脆，容易断裂，为了使光缆便于承受光纤材料比较脆，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。多根加强元件位于中心或分散在四周。n加强元件的材料可用钢丝或非金属的纤维加强元件的材料可用钢丝或非
25、金属的纤维增强增强塑料塑料(FRP)等。等。(3)护层护层n光缆的护层光缆的护层一般由聚乙烯一般由聚乙烯(或聚氯乙烯或聚氯乙烯)和钢带或铝和钢带或铝带组成。带组成。主要是主要是对缆芯起机械保护和环境保护作用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。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。要求有良好的抗压能力和密封性能。光缆的结构图光缆的结构图护层缆芯(1)护层护层 管道光缆护层管道光缆护层 直埋光缆护层直埋光缆护层 水底水底光缆护层光缆护层管道光缆管道光缆塑料护套包带铝铂层缆芯管道光缆管道光缆塑料护套包带铝铂层缆芯直埋光
26、缆直埋光缆塑料护套皱纹钢套水底光缆水底光缆铝护套塑料护套钢丝管道光缆管道光缆塑料护套包带铝铂层缆芯直埋光缆直埋光缆塑料护套皱纹钢套(2)缆芯缆芯 层绞式缆芯层绞式缆芯 支架支架式缆芯式缆芯 叠带式缆芯叠带式缆芯 束管式缆芯束管式缆芯2.光缆的分类光缆的分类(1)按使用场合划分按使用场合划分(2)按外护层划分按外护层划分(3)按缆芯划分按缆芯划分(4)按敷设方式划分按敷设方式划分3.光缆的连接光缆的连接长途光缆长途光缆 市话中继光缆市话中继光缆 用户光缆用户光缆水底光缆水底光缆 海底光缆海底光缆配线光缆配线光缆塑料护层光缆塑料护层光缆 铝箔加铝箔加塑料护层光缆塑料护层光缆钢带铠装光缆钢带铠装光缆
27、 钢丝铠装光缆钢丝铠装光缆层绞式光缆层绞式光缆 支架支架式光缆式光缆 叠带式光缆叠带式光缆 束管式光缆束管式光缆管道式光缆管道式光缆 自承自承式光缆式光缆 直埋式光缆直埋式光缆光缆接头盒光纤接头护套加强件复习思考：复习思考：1.多模光纤有哪两种？单模光纤又有哪几种？多模光纤有哪两种？单模光纤又有哪几种？2.简述简述G.652光纤、光纤、G.653光纤、光纤、G.654光纤、光纤、G.655光纤光纤和全波光纤的特征和全波光纤的特征复习思考题复习思考题1.用光线光学方法简述多模光纤导光原理。用光线光学方法简述多模光纤导光原理。2.作为信息传输波导作为信息传输波导，实用光纤有哪两种基本类型？实用光纤
28、有哪两种基本类型？3.什么叫多模光纤？什么叫单模光纤？什么叫多模光纤？什么叫单模光纤？4.光纤传输电磁波的条件有哪光纤传输电磁波的条件有哪 2个？个？5.造成光纤传输损耗的主要因素有哪些？哪些是可以改善的？最小损耗造成光纤传输损耗的主要因素有哪些？哪些是可以改善的？最小损耗在什么波长范围内？在什么波长范围内？6.什么是光纤的色散？对通信有何影响？多模光纤的色散由什么色散决什么是光纤的色散？对通信有何影响？多模光纤的色散由什么色散决定？单模光纤色散又有什么色散决定？定？单模光纤色散又有什么色散决定？7.光纤数值孔径的定义是什么？其物理意义是什么？光纤数值孔径的定义是什么？其物理意义是什么？8.单模光纤的传输特性用哪几个参数表示？单模光纤的传输特性用哪几个参数表示？9.多模光纤有哪两种？单模光纤又有哪几种？多模光纤有哪两种？单模光纤又有哪几种？10.简述简述 G.652 光纤、光纤、G.653 光纤、光纤、G.654 光纤、光纤、G.655 光纤和全波光纤的光纤和全波光纤的特征。特征。11.简述光时域反射计的用途。简述光时域反射计的用途。
