光技术与光纤通信

1. 光技术与光纤通信 • 第一章 概述 • 第二章  光纤与光缆 • 第三章 通信用光器件 • 第四章 光纤通信系统 • 第五章 光纤通信中的高新技术

2. 第二章 光纤与光缆 §2.1 光纤的构造与分类 §2.2 光纤传光原理 §2.3 光纤的特性（性能） §2.4 光缆 §2.5 光纤特性的测量方法

3. §2.1 光纤的构造与分类 • 一、光纤的构造 • 二、光纤的分类 • 三、常用光纤 • 四、光纤型号的命名方法 • 五、光纤制作方法简介 • 六、光纤的选用原则和推荐方案

4. 一、光纤的构造 1、纤芯，光信号的传输 2、包层，限制光信号溢出 3、一次涂敷层（预涂层）， 保护光纤增加韧性 4、缓冲层，减少对光纤的压 力 5、二次涂敷层（套塑层）， 加强光纤的机械强度

5. 1、纤芯：位于光纤中心部位，主要成分是高纯度的SiO2,纯度可达99.99999%，其余成份为掺入极少量掺杂剂，如P2O5和GeO2，掺杂剂的作用是提高纤芯的折射率。纤芯直径一般为2a＝3～100μm1、纤芯：位于光纤中心部位，主要成分是高纯度的SiO2,纯度可达99.99999%，其余成份为掺入极少量掺杂剂，如P2O5和GeO2，掺杂剂的作用是提高纤芯的折射率。纤芯直径一般为2a＝3～100μm • 2、包层：含有少量掺杂剂的高纯度SiO2,掺杂剂有氟或硼，其作用是降低包层折射率，包层直径2b＝125～140μm • 3、一次涂层：厚度5～40μm，材料一般为环氧树脂或硅橡胶，可承受7kg拉力 • 4、缓冲层：厚度100μm • 5、二次涂敷层：原料大都采用尼龙或聚乙烯 1层＋2层＝光纤 3＋4＋5层＝护层 5层大约0.9mm左右

7. 二、光纤的分类－1 • 1、从原材料分： • 石英系光纤 • 多组份玻璃光纤 • 氟化物光纤 • 塑料光纤 • 液芯光纤 • 掺杂光纤，如掺铒光纤 由于石英系光纤具有传输衰减小，通信频带宽，机械强度较高等特点，在通信系统中得到广泛应用。

8. 材料对性能的影响

9. 光纤分类－2 • 2、按照光纤横截面上折射率分布特征n(r) 分： • 阶跃型光纤，也称突变型光纤（常用SI表示—Step Index fibber） 纤芯与包层的折射率均为一常数，其界面处呈阶跃式变化。 • 渐变型光纤，也称梯度光纤或自聚焦光纤（常用GI表示—Graded Index fibber ）纤芯折射率连续变化，包层的折射率则为一常数。 • W型光纤 等

10. b a 0 a b b a 0 a b n(r) n(r) n1 n1 阶跃型光纤 渐变型光纤 n2 n2 n1 r≤ a n1 [ 1 - 2Δ ( r/a )g ]1/2 r ≤ a n2 a < r ≤ b n2 [ 1 - 2Δ ]1/2 a < r ≤ b n ( r ) = n ( r ) = Δ—相对折射率差， Δ ＝（ n1 - n2 ) / n1

11. a 双包层 b 三角芯 c 椭圆芯 典型特种单模光纤

12. a—阶跃型光纤；b－渐变型光纤；c－单模光纤

13. 光纤分类－3 • 3、按光纤内的导模数分 • 多模光纤(MM—Multi Mode fiber) 可传输多种模式，或允许多种场结构存在 2a=50～75µm ，2b=100-200 µm （多模） • 单模光纤(SM—Single Mode fiber) 只传输一种模式 2a=4~10 µm ，2b=125 µm (单模)

14. 光纤分类－4 • 4、按套塑的情况分 • 松套 • 紧套 • 5、按工作波长分 • 短波长光纤：0.8～0.9µm • 长波长光纤： 1.0～1.7µm • 超长波长光纤： > 2µm 短波长与长波长光纤为石英系光纤，而超长波长光纤为非石英系光纤，如重金属氧化物、硫硒碲化合物和卤化物光纤等

15. 三、常用光纤 • 1、阶跃多模光纤（SIF） • 2、梯度多模光纤（GIF） • 3、单模光纤（SMF） 目前常用单模光纤有：G.652 、G.653、 G.654、 G.655

16. 按照零色散波长将单模光纤分为6种 • 非色散位移光纤：G.652 • 色散位移光纤：G.653 • 截止波长位移光纤： G.654 • 非零色散位移光纤：G.655 • 色散平坦光纤 • 色散补偿光纤

17. G.651，多模渐变型（GIF）光纤（或称梯度光纤），它在光纤通信发展的初期广泛应用于中小容量，中短距离的通信系统；G.651，多模渐变型（GIF）光纤（或称梯度光纤），它在光纤通信发展的初期广泛应用于中小容量，中短距离的通信系统； • G.652 常规单模光纤，或称非色散位移光纤，是第一代单模光纤，其特点是在波长1310nm色散为零，系统的传输距离只受损耗的限制，但1310nm处损耗不是最小值（0.4dB/km）。光纤工作在1550nm窗口衰减小，且具有EDFA供选用，但其在1550nm窗口色散大，不利于高速系统的长距离传输。

18. G.653色散移位光纤，是第二代单模光纤，其特点是在波长1550nm色散为零，损耗又最小。适用于大容量长距离通信系统。但其在波分复用时会出现四波混频效应，故其被限用于单信道高速传输。G.653色散移位光纤，是第二代单模光纤，其特点是在波长1550nm色散为零，损耗又最小。适用于大容量长距离通信系统。但其在波分复用时会出现四波混频效应，故其被限用于单信道高速传输。 • G.654 截止波长位移光纤，1550nm损耗最小单模光纤，其特点是在波长1310nm处色散为零，在1550nm处色散为17～20ps/(nm.km)，和常规单模光纤相同，但损耗更低，可达0.2dB/km以下。它主要是一种用于1550nm改进的常规单模光纤。目的是增加传输距离

19. G.655 非零色散位移光纤，是一种改进的色散移位光纤，在密集波分复用（WDM）系统中，当使用波长1550nm色散为零的色散移位光纤时，由于复用信道多，信道间隔小，出现了一种称为四波混频的非线性效应。这种效应是由两个或三个波长的传输光混合而产生的有害分量，它使信道间相互干扰。 • 如果色散为零，四波混频的干扰十分严重，如果有微量色散，四波混频反而减小。为此，科学家研究了非零色散光纤。

20. G.655光纤的特点是有效面积大，零色散波长不在1550nm，而在1525nm或1585nm。在1550nm有微量色散，其值大到足以抑制密集波分复用系统的四波混频效应，小到允许信道传输速率达到10Gb/s以上。它具有常规单模光纤和色散移位光纤的优点，是最新一代的单模光纤。光纤工作在1550nm窗口衰减小、色散低，大大减小四波混频效应，故其可用于远距离、波分复用、孤子传输高速系统中，实现超大容量超长距离的通信。G.655光纤的特点是有效面积大，零色散波长不在1550nm，而在1525nm或1585nm。在1550nm有微量色散，其值大到足以抑制密集波分复用系统的四波混频效应，小到允许信道传输速率达到10Gb/s以上。它具有常规单模光纤和色散移位光纤的优点，是最新一代的单模光纤。光纤工作在1550nm窗口衰减小、色散低，大大减小四波混频效应，故其可用于远距离、波分复用、孤子传输高速系统中，实现超大容量超长距离的通信。 • 康宁(Corning)公司开发的这种新型光纤称为长距离系统光纤(Long Haul System Fiber)；AT&T(美国电报电话)公司开发的这种光纤称为真波光纤(True Wave Fiber)

21. 色散补偿光纤，其特点是在波长1550nm具有大的负色散，这种光纤是针对波长为1310nm的常规单模光纤系统升级而设计的，因为当这种系统要使用掺铒光纤放大器（EDFA）以增加传输距离时，必须把工作波长从1310nm移到1550nm，。用色散补偿光纤在波长为1550nm的负色散和常规单模光纤在1550nm的正色散相互抵消，以获得线路总色散零而损耗又最小的效果。色散补偿光纤，其特点是在波长1550nm具有大的负色散，这种光纤是针对波长为1310nm的常规单模光纤系统升级而设计的，因为当这种系统要使用掺铒光纤放大器（EDFA）以增加传输距离时，必须把工作波长从1310nm移到1550nm，。用色散补偿光纤在波长为1550nm的负色散和常规单模光纤在1550nm的正色散相互抵消，以获得线路总色散零而损耗又最小的效果。 • 色散平坦光纤，其特点是色散值在一定范围内为常数，

22. 四、光纤型号的命名方法 • 根据我国国家标准GB11819-89规定，光纤型号应包括光纤的类型代号和规格代号。 • 1、多模光纤型号的命名方法 现以通信用多模渐变型、工作波长850nm的A1-50/125(20)12008C2光纤为例，说明多模光纤型号的命名方法。

23. A1 - 50/125 (20) 1 20 08 C2 多模渐变型 环境温度 芯径/包层径 带宽长度积800MHz•km 数值孔径0.20 衰减常数2.0dB/km 工作波长0.85µm 1、多模光纤型号的命名方法 带宽长度积：用千位和百位来表示（MHz•km） 衰减常数：用个位和小数点后一位来表示

24. 多模光纤类型： • A1—通信用多模渐变型 • A2—阶跃型 • A3—大数值孔径型 • 标称工作波长代号 1—850nm ； 2—1310nm ； 3—1550nm ； 1/2—850/1310nm ； • 环境温度代号 C1— -40~+60 ºC ； C2— -30~+60 ºC ； C3— -20~+60 ºC ； C4— -5~+60 ºC ；

25. B1 - 9/125 2 08 C2 环境温度 常规单模 模场直径/包层径 衰减常数0.8dB/km 工作波长1.31µm 2、单模光纤型号的命名方法

26. 单模光纤类型： • B1—常规单模光纤，在1310nm附近有零色散波长，最佳工作波长为1310nm，其截止波长应小于1310nm； • B2—在1310nm附近有零色散波长，最佳工作波长为1550nm，而 1310 nm ≤ λC < 1550nm； • B3—零色散位移光纤，零色散波长在1550nm附近； • B4—色散平坦光纤，宽波长范围低色散，以便在波长为1.3～1.55µm宽波段进行波分复用。 • 工作波长与环境温度代号与多模光纤相同

27. 五、光纤制造方法 • 改进的化学汽相沉积法(MCVD) • 等离子体激活化学汽相沉积法(PCVD) • 管外化学汽相沉积法 汽相轴向沉积法（VAD） 管外汽相沉积法（OVPD） • 多种组份玻璃制造法

28. 光纤制作简介 • 光纤的制造工艺主要包括熔炼、拉丝和套塑三个主要过程。 • 1、熔炼 熔炼过程是把超纯的化学原料四氯化硅和氧气，经过高温化学反应合成低损耗的优质石英棒（称为光纤预制棒）。熔炼时。一般掺入少量杂质以控制折射率。如锗、磷、硼氟等。

29. 其化学反应如下： SiCl4 + O2 → SiO2 + 2Cl2 ↑ GeCl4 + O2 → GeO2 + 2Cl2 ↑ 其中，SiO2是石英，这就是化学合成法。 原料SiCl4可以是气化的液体，它比固体容易提纯，故制作超纯石英不宜把固体天然石英提纯而宁可采用化学合成法。 熔炼工艺有很多种，这里仅以改良的化学气相沉积法(MCVD)来说明熔炼过程。

30. 石英坯管 旋转 排气 Cl2 SiCl4 + O2 GeCl + O2 HO焰 1400～1500℃ H2 O2 火焰移动 MCVD熔炼工艺示意图 合成的SiO2以粉末状沉积在石英坯管内管壁上，遇到高温即融成一层很薄的透明含锗的优质石英。火焰来回移动，管子均匀旋转，一层层的优质石英均匀地沉积在管内。

31. 当沉积的石英层有足够的厚度后，把火焰温度升高到1700～2000 ℃，石英管被软化，由于它的表面张力，石英管自动收缩，而将管子的中心孔填没，成为一根实心用以制作光纤的石英棒，称为预制棒。预制棒的芯子是优质石英，用以导光，外表皮是一般石英，不作导光用，仅起保护作用。 • 2、拉丝 拉丝是把较粗的石英预制棒拉成细长的光纤。拉丝装置示意图如下。

32. 光纤坯棒 高温炉 测温仪 2000 ℃ 炉温控制 测径仪 光纤涂覆器 调速设备 固化炉 拉丝轮 拉丝工艺装置示意图 预制棒缓缓送入，高温下被软化，由拉丝轮拉成细丝。为保证光纤直径精度，采用激光测径仪，并按照偏差信号反馈控制炉温和拉丝温度等。 为保护光纤表面不被外界污染而产生微裂纹，必须在光纤成形后马上涂覆一层保护涂料，并立即固化，最后卷绕在套筒上。

33. 3、套塑 • 为进一步保护光纤，提高光纤的机械强度，一般把带有涂敷层的光纤再套上一层尼龙。 • 光纤的套塑方式有两种： • 松套：光纤可在尼龙管内松动，其涂敷材料一般为环氧树脂，抗水性能不很好，常填充半流质的油膏(Jelly)。 • 紧套：其涂敷材料一般是硅橡胶，外面紧密无间隙地套上一层尼龙，光纤在尼龙管内不能松动。

34. 紧套光纤结构简单，操作方便，而松套光纤防水性能和机械性能较好。紧套光纤结构简单，操作方便，而松套光纤防水性能和机械性能较好。 • 由于石英光纤是用掺杂材料制成的，所以其物理性能比金属材料稳定得多，但光纤在套塑后，由于套塑原料的膨胀系数较石英大得多，所以在低温时塑料收缩，形成光纤的微弯曲而增加了衰减。故而适当注意套塑工艺可获得温度特性良好的光纤。

35. 六、光纤的选用原则和推荐方案 • 选用原则 当今光纤通信中的单模光纤主要有G.653、G.654、G.655、色散补偿光纤等。每种光纤各具有自身特点和使用目的。在光纤通信工程中综合光纤特点、传输速率、使用场合、经济成本、发展趋势等因素，合理选择好光纤是一项十分重要和困难的工作。具体原则如下：

36. 1、工作波长 对光通信系统的设计存在两种情况：新建系统和系统扩容。 新建系统既可选择光纤，又可选择工作波长；而对扩容系统（一般多为G.652光纤），只能选择工作波长。

37. G.652光纤工作在1550nm窗口衰减小，且具有EDFA供选用，但其在1550nm窗口色散大，不利于高速系统的长距离传输。G.652光纤工作在1550nm窗口衰减小，且具有EDFA供选用，但其在1550nm窗口色散大，不利于高速系统的长距离传输。 • G.653光纤工作在1550nm窗口色散为零，但其在波分复用时会出现四波混频效应，故其被限用于单信道高速传输。 • G.655光纤工作在1550nm窗口衰减小、色散低，大大减小四波混频效应，故其可用于远距离、波分复用、高速系统。

38. 结论： • 新建系统在传输速率和价格允许的条件下，应优选G.655光纤。 G.653光纤在1550nm窗口色散为零，但其在波分复用时会出现四波混频效应，故其被限用于单信道系统。 • 扩容系统将原系统的G.652光纤的工作波长选择到1550nm，可用色散补偿光纤等补偿方式来解决色散问题。一旦半导体光放大器或掺镨光纤放大器成熟普遍使用时，工作波长可选择在1310nm。

39. 2、衰减和非线性 • 衰减是限制系统中继距离的主要因素，特别是高速系统，为此，人们成功地开发出EDFA，对系统直接进行光放大。 • 但采用光纤放大器后会产生一系列问题：工作波长内增益不平坦、波分复用的每个信道增益不同，特别是当光纤中注入的光功率高达几十毫瓦到几百毫瓦会出现非线性效应，对系统产生影响。 • 因此，在对采用波分复用和光纤放大器的高速系统，较优先选用G.655和G.652光纤。

40. 3、色散 • ·对高速系统色散是限制系统中继距离的主要因素之一。G.652光纤在1550nm窗口由于色散影响，基本无法传输速率在40Gb/s以上的高速系统。 • 为减小色散对系统的影响，在选用光纤工作波长时，应尽量选在零色散波长。 例如：G.652光纤应选在1310nm，但其衰减系数略大，要想利用1550nm低损耗和小色散，则可选用G.653光纤，当利用密集波分复用时，可选用G.655光纤

41. 4、经济 • 各种光纤的价格与其结构复杂与否、制造难易程度等因素关系密切。当今各种单模光纤商品价格高低的顺序如下所示： DCF > G.655 > G.653 > G.652

42. 推荐方案：陆地干线光网的光纤优选方案

43. §2.2 光纤的传光原理 分析光纤的传输原理有两种方法： • 几何光学法：将光看成一条条的几何射线来分析，也称射线理论 应用条件：光波的波长远小于光纤的几何尺寸，只适用于多模光纤 • 波动光学法：光波按电磁场理论，用麦克斯韦方程组求解，也称模式理论。 它既可用于多模光纤，也可用于单模光纤

44. 本节主要内容 • 一、几何光学法——射线理论 • 基础知识 • 阶跃光纤中的光线轨迹和数值孔径 • 渐变光纤中的光线轨迹和数值孔径 • 光线模式的分立性 • 二、光纤传输的波动理论 • 模式的概念与线偏振模 • 归一化频率 • 模截止频率与导模的传输条件 • 单模传输的条件 • 单模光纤

45. 基础知识 • 1、光谱、光速和媒质的折射率 • 光在真空中的速度C=2.9979×108 m/s， 空气中为 C0=2.997×108 m/s， 在其它媒质中的速度 ν = c / n • n 为折射率, 如n水=1.33, n玻璃=1.5 n 大为光密媒质， n 小为光疏媒质，且 n 还与光的波长有关，或者说，不同波长的光在同一媒质中传输速度有差异。如玻璃对红光（波长较大）的折射率比对紫光（波长较小）的折射率小。

46. θr θi n1 n2 θt 2、光的反射、折射和全反射 光波属于电磁波范畴，在均匀介质中传播时，其轨迹是一条直线，可称为光射线。当光射线射到两介质（媒质）交界面时，将发生反射和折射。 设入射角为θi ，反射角为θr ，折射角为θt 则 θi ＝ θr （反射定理） n1Sin θi = n2Sin θt（折射定理，即斯涅尔Snell 定理）

47. 当光从光密媒质向光疏媒质入射， 则θt >θi • 当光从光疏媒质向光密媒质入射， 则θt < θi

48. 反射系数R(即反射光功率与入射光功率之必)与入射角θi有关， θi在0～30°入射角范围内时，则 折射到第二种介质中的光功率部分为，T=1-R 例：一束自然光自空气垂直射向玻璃，若n波=1.5，入射功率为P0，试计算进入玻璃的功率。 解：R=[(1.5-1)/(1.5+1)]2=0.04 则 T=1-R=0.96，故进入玻璃内的功率为0.96P0 .

49. 全反射的形成 • 当光线由光密媒质（如n1）射向光疏媒质（如n2）时，由于n1>n2，则此时介质Ⅱ中折射线将离开法线而折射， θr >θt 。 • 当入射角增加到某一值时，可使得折射角θt = 90o,这时折射线将沿界面传输，此时的入射角称为临界角，用θc表示。 • 根据折射定理 n1Sin θi = n2Sin θt 当θi > θc时，折射角θt必大于90o，光射线不再进入介质Ⅱ，而由界面全部反射回介质Ⅰ，这种现象称为全反射。此时反向系数的模值等于1。

50. GH相移 • 全反射并不是从入射处发生的，而是好像透入到第二媒质中一定深度，与其表层结构互相作用，才使得入射光改变方向，发生全反射。此现象称为古斯—汉欣相移（G—H相移）。