第2章-光纤和光缆4课件.ppt

1、 条件直接影响光纤的使用寿命。设对光纤进行拉伸应力筛选时，施加的应力为p，作用时间为tp(设为1s)；长期使用时，容许施加的应力为r，作用时间为tr，断裂概率为106km一个断裂点。理论推算得到的容许作用时间(光纤使用寿命)tr 和应力比r/p的关系示于图2.17。紧套一次被覆光纤松套大套管一次被覆光纤带状线(a)(b)(c)(d)图 2.18二次被覆光纤(芯线)简图(a)紧套；(b)松套；(c)大套管；(d)带状线 1010210410610810100.20.40.60.81.020年1年1日1小 时1分20年应 力 比r/p使 用 寿 命 tr/sn20n13图 2.17 光纤使用寿命和

2、应力比的关系返回主目录 2.4.2 光缆结构和类型光缆结构和类型 光缆一般由和两部分组成，有时在护套外面加有铠装。1.缆芯通常包括(或称芯线)和两部分。是光缆的核心，决定着光缆的传输特性。起着承受光缆拉力的作用，通常处在缆芯中心，有时配置在护套中。填充油膏紧套光纤中心加强件包带铝纵包PE护层(a)填充绳(聚乙烯)第一单元松套管(6芯)第二单元松套管(6芯)包带皱纹钢带PE层尼龙12外护层中心加强件填充油膏(b)PE外护层皱纹钢带塑料骨架中心加强件紧套光纤(c)PE外护层铝纵包钢丝(分散加强)高强度塑料光纤束管648 芯光纤(d)外护层金属加强件塑料绕包带带状光纤单元带状线(e)单根金属加强件高

3、密度PE护层开索邹纹钢护套防潮层高强度塑料束管448 芯光纤(f)内金属或高强度塑料线光纤光纤或聚乙烯填充线聚乙烯铜管聚乙烯聚丙烯内层钢丝铠装外层钢丝铠装(g)隔热衬材光纤高强度塑料线铝管铝扇形体铝包钢线(h)光纤塑料图 2.20光缆类型的典型实例(a)6芯紧套层绞式光缆(架空、管道)；(b)12芯松套层绞式光缆(直埋防蚁)；(c)12芯骨架式光缆(直埋)；(d)648芯束管式光缆(直埋)；(e)108芯带状光缆；(f)LXE束管式光缆(架空、管道、直埋)；(g)浅海光缆；(h)架 空 地 线 复 合 光 缆(OPGW)光缆光缆 的基本型式的基本型式 把松套光纤绕在中心加强件周围绞合而构成。把

4、紧套光纤或一次被覆光纤放入中心加强件周围的螺旋形塑料骨架凹槽内而构成。把一次被覆光纤或光纤束放入大套管中，加强件配置在套管周围而构成。把带状光纤单元放入大套管内，形成中心束管式结构，也可以把带状光纤单元放入骨架凹槽内或松套管内，形成骨架式或层绞式结构。2.护套护套 起着对缆芯的机械保护和环境保护作用，要求具有良好的抗侧压力性能及密封防潮和耐腐蚀的能力。护套通常由聚乙烯或聚氯乙烯(PE或PVC)和铝带或钢带构成。根据使用条件根据使用条件可以分为：可以分为：等。特种光缆常见的有：电力网使用的(OPGW)，跨越海洋的，易燃易爆环境使用的以及各种不同条件下使用的等。返回主目录 2.4.3 光缆特性光缆

5、特性返回主目录2.5 光纤特性测量方法 光纤的特性参数很多，基本上可分为、和三类。包括纤芯与包层的直径、偏心度和不圆度；主要有折射率分布、数值孔径、模场直径和截止波长；主要有损耗、带宽和色散。本节主要介绍光纤损耗、带宽（色散）和截止波长的测量原理和测量方法。这些特性参数测量的共同特点是：用特定波长的光通过光纤，然后测出输出端相对于输入端的光功率或幅度、相位等物理量的变化，在经过相应的数据处理而实现。测量系统一般包括发射光源、注入装置和接收与数据处理设备。测量仪器要求稳定、可靠，并有足够的精确度。返回主目录 2.5.1 损耗测量损耗测量 光纤损耗测量有两种基本方法：一种是测量通过光纤的传输光功率

6、，称；另一种是测量光纤的后向散射光功率，称。1.剪断法 测量的理论依据：（2.3.2 光纤损耗）)/(lg100kmdBPPLi(2.61a)式中，L为被测光纤长度(km)，P1、P2分别为输入光功率和输出光功率(mW或W)。由此可见，只要测量长度为L2的长光纤输出光功率P2，保持注入条件不变，在注入装置附近剪断光纤，保留长度为L1(一般为23m)的短光纤，测量其输出光功率P1(即)/(lg1021kmdBPPL(2.62a)长度为L2-L1这段光纤的输入光功率),根据(2.62a)可以计算出 。测量中存在问题：由于高阶模式的损耗比低阶模式更大，在光纤中传输的(对数)光功率 与光纤长度L的关系

7、不是线性关系。测得的 值不能唯一代表光纤的本征特征，(如图2.21)。解决：由图知，只有在的注入条件下，和L才是线性关系。即只有PlgPlg光纤长度L光功率PlgP1P2L1L2满注入欠注入稳态模式分布图2.21 光功率和光纤长度的关系在稳态模式分布的条件下，才能得到唯一代表光纤本征特征的 值。稳态模式分布：注入光束数值孔径 和被测光纤数值孔径 相匹配。在满注入 或欠注入 的条件下，被测短光纤的长度要等于或大于光纤耦合长度()，才能获得稳态分布。获得稳态模式分布的三种方法：第一，建 的光学系统；第二，建立稳态fNAbNAfbNANA fbNANA cLL 1fbNANA 模式模拟器，一般包括扰

8、模器和包层模消除器；第三，用一根性能和被测光纤相同或相似的辅助光纤，代替光纤耦合长度的作用(应用方便)。测量系统：图2.22 优缺点：仪器简单，测量结果准确。被定为基准法。但具有破坏性，不宜多次使用。实际可采用插入法。偏置电路被测光纤光检测器放大器图2.22 剪断法光纤损耗测量系统框图注入装置光源电平测量P1P2 插入法：是在注入装置的输出和光检测器的输入之间直接连接，测出光功率P1，然后在两者之间插入被测光纤，再测出光功率P2，据此计算 值。这种方法可以根据工作环境，灵活应用，但应对连接损耗作合理的修正。2.后向散射法 定义：瑞利散射光功率与传输光功率比例。利用与传输光反方向的瑞利散射光功率

9、来确定光纤损耗系统的大小。理论依据：设在光纤中正向传输光功率为P，经过L1和L2点()时分别为P1和P2，从这两点返回输入端()。光检测器的后向散射光功率分别为 和 经分析推导得到，正向和反向平均损耗系数为)(1LPd)(2LPd21LL 0L)/()()(lg)(2102112kmdBLPLPLLdd(2.62b)式中，分母中因子2是光经过正向和反向两次传输产生的结果。优点：不仅可以测量损耗系数，还可利用光在光纤中传输的时间来确定光纤的长度L。c为光速，t为光脉冲发出到返回的时间，n1为光纤的纤芯折射率。12 nctL(2.63)测量框图：图2.23 应用：用后向散射法的原理设计的测量仪器称

10、为光时域反射仪(OTDR)。这种仪器采用单端输入和输出，不破坏光纤，使用方便。且使用此仪器不仅可以测量光纤损耗系数和光纤长度，还可以测量连接器和接头的损耗，观察光纤沿线的均匀性和确定故障点的位置。是光纤通信系统工程现场测量不可缺少的工具。光学系统被测光纤信号处理光检测器放大器图2.23 后向散射法光纤损耗测量系统框图耦合器件光源光学系统光学系统示波器数据处理系统dB长度(a)(b)(c)(d)(e)PAPB图2.24 后向散射功率曲线的示例返回主目录 2.5.2 光纤带宽测量有和两种基本方法。是测量通过光纤的光脉冲产生的脉冲展宽，又称；是测量通过光纤的频率响应，又称。两种方法是等效的。具体介绍

11、扫频法。通常用于多模光纤的测量。设在测试系统中，接入一段短光纤时，测出的频率响应为 ，接入被测光纤时，测出的频率响应为 ，则光纤频率响应 和3dB光带宽 应满足下式：)(1fH)(2fH)(fHdBf321)()()(123fHfHfHdB3)(lg)(lg10)64.2()(lg10)(123fHfHfHfTdB写成对数形式：0频率/MHz电平显示/dB6dBf6)(fH)(2fH)(1fH图2.25 光纤频率响应和6dB的电带宽注：经光检测器后,光功率按比例转换成电流(或电压),因此3dB光带宽相应于6dB电带宽。图2.26示出扫描法光纤带宽测量系统的框图。扫描仪输出各种频率的正弦信号，对

12、光源进行直接光强调制，输出光经光纤传输和光检测后，由选频表直接获得频率响应。光源应采用线性良好、功率和频率稳定的激光器，其调制频率上限应大于带宽。光检测器应采用高速光电二极管，其频率响应要与光源调制频率相适应。频谱分析仪应具有良好的幅度频率特性。扫频器注入系统被测光纤选频表数据处理光检测器光源同步图2.26 扫频法光纤带宽测量系统框图X-Y记录仪驱动器返回主目录2.5.3 光纤色散测量有、和等。相移法是测量单模光纤色散的基准方法。用角频率为的正弦信号调制的光波，经长度为L的单模光纤传输后，其时间延迟 取决于光波长。不同时间延迟产生不同的相位 。用波长为1和 2的受调制光波，分别通过被测光纤，由

13、 产生的时间延迟差为 ，相位移为 。根据式(2.52),长度为L的光纤总色散为12LC)()65.2()(LLC用 代入上式，得到光纤色散系数 /图2.27示出相移法光纤色散测量系统的框图。用高稳定度振荡器产生的正弦信号调制光源，输出光经光纤传输和光检测器放大后，由相位计测出相位。可变波长的光源可以由发光二极管(LED)和波长选择器组成，也可以由不同中心波长的激光器(LD)组成。为避免测量误差，一般要测量一组 值，再计算出 。ii)(C振荡器波长选择器被测光纤相位计计算机光检测器光源滤波器图2.27 相移法光纤色散测量系统框图返回主目录 2.5.4 根据式(2.37)和式(2.36)，截止波长

14、405.222221nnac(2.66)对常规，通过对折射率分布的测量，确定纤芯半径a，和的折射率n1和n2，由式(2.66)就可以计算出理论。实际的测量有：在弯曲状态下，测量损耗波长函数的；改变波长，观察LP01模和LP11模产生的两个脉冲变为一个脉冲的；改变波长，观察近场图由环形变为高斯形的。是测量的基准方法。PL11模在接近截止波长时，其传输功率对光纤弯曲十分灵敏，而基模LP01模在接近PL11模的截止波长时，其传输功率对光纤弯曲不十分灵敏。利用这个特点，测量在弯曲状态下的传输功率随波长的变化，就可以确定截止波长。例如，用2m长的被测光纤，接入测量系统的注入装置和光检测器之间，把被测光纤

15、弯成 280的圆圈，测量输出光功率 ；保持注入条件不变，把被测光纤弯曲成 60的)(1P圆圈，这时消除了次低阶模 ，只有基模 存在，测量输出光功率 。由此得到弯曲状态下损耗波长函数 11LP)(2P01LP)()(lg10)(21PPR)(R)(Rc 图2.28示出 曲线，0.1dB平行线与 的交点，确定为截止波长 。一般实测截止波长稍小于理论截止波长。图2.28 弯曲损耗波长函数00.1dBR/)(c)(R单色仪卤灯注入系统28060被测光纤计算机绘图仪锁相放大器参考信号波长控制斩光器图2.29 传输功率法截止波长测量系统框图 图2.29示出传输功率法截止波长测量系统的框图，这个系统和损耗谱测量系统完全相同。由卤灯输出的稳定白光，经斩光器变为矩形光脉冲，单色仪选择的波长一般可以在0.61.8 范围变化，经光检测器后进行放大和数据处理。m