第一講光纖與光纜技術(shù)

1、第一講 光纖與光纜技術(shù)南京郵電大學(xué)光電工程學(xué)院劉逢清內(nèi)容1、光纖結(jié)構(gòu)及導(dǎo)光原理（射線光學(xué)、全反射）2、多模光纖和單模光纖、漸變和階躍光纖3、光纖的幾何尺寸特性； 4、光纜的設(shè)計與結(jié)構(gòu) 5、光纜的結(jié)構(gòu)、種類、型號及用途 6、光纖的著色1.1 光纖結(jié)構(gòu)及導(dǎo)光原理裸光纖：主要材料為石英玻璃，即SiO2纖芯中摻雜折射率稍高的材料，如GeO2，P2O5包層中摻雜折射率稍低的材料，如B2O3，F(xiàn)30150um，材料為硅樹脂或聚氨基甲酸乙酯又稱套塑，材料為聚乙烯、尼龍等纖芯包層125m涂覆層250m無論何種光纖，其包層直徑都是一致的涂覆層的主要作用是為光纖提供保護纖芯和包層僅在折射率等參數(shù)上不同，結(jié)構(gòu)上是一

2、個完整整體光纖尺寸 二 光的導(dǎo)光原理：射線光學(xué)理論 分析光波在光纖中傳輸可應(yīng)用兩種理論：波動理論和射線理論。波動理論分析光波在階躍折射率光纖中傳播的模式特性，分析的方法比較復(fù)雜。射線理論是一種近似的分析方法，但簡單直觀，對定性理解光的傳播現(xiàn)象很有效，而且對光纖半徑遠大于光波長的多模光纖能提供很好的近似。 兩個重要概念：光射線（簡稱射線） 設(shè)有一個極小的光源，它的光通過一塊不透明板上的一個極小的孔，板后面的一條光的邊界并不明顯銳利，而有連續(xù)但又快速變化的亮和暗，這就是所謂的衍射條紋。 如果光波長極短（趨于0）而可以忽略，并使小孔小到無窮小，則通過的光就形成一條尖銳的線，這就是光射線。也可以說一條

3、很細很細的光束，它的軸線就是光射線。 兩個重要概念：射線光學(xué)（即幾何光學(xué)） 當光波長趨于0而可以忽略時，用射線去代表光能量傳輸線路的方法稱為射線光學(xué)。在射線光學(xué)中，把光用幾何學(xué)來考慮，所以也稱為幾何光學(xué)。 射線光學(xué)是忽略波長的光學(xué)，亦即射線理論是0時的波動理論。 光的反射和折射定律 從射線方程導(dǎo)出的射線光學(xué)最重要的理論之一 是斯涅爾（Snell）定律，它應(yīng)用于恒定折射率n1和n2區(qū)域時可寫成： 反射定律： 折射定律： 式中n1、n2為介質(zhì)的折射率， 、 、 分別是光線的入射角、反射角和折射角。 反入折入sinsin21nn入反折光射線的反射和折射第1種媒質(zhì)（n1）分界面第2種媒質(zhì)（n2）n1n

4、2法線反射定律：入射角入反射角反折射定律：n1sin入n2sin折入反折入射光線折射光線反射光線光的全反射現(xiàn)象（光密介質(zhì)光疏介質(zhì)）第1種媒質(zhì)（n1）分界面第2種媒質(zhì)（n2）n1n2法線折射光線反射光線入射光線全反射定律：當入射角度增大到某一角度時，折射角可以獲得最大值90，此時可認為無折射光存在，所有的入射光都被反射，稱為全反射現(xiàn)象，滿足全反射現(xiàn)象的最小角度稱為全反射的臨界角C。C光纖的傳光原理 利用上述的射線分析方法，可以直觀地對光纖的傳光原理進行解釋。階躍折射率光纖中的全反射傳輸光纖軸線方向纖芯（n1）包層（n2）n1n2思考：如果光纖發(fā)生彎曲或形變會有什么結(jié)果？此處亦有折射現(xiàn)象，如何由光

5、纖內(nèi)部的全反射條件推導(dǎo)處此處的入射條件？（入射角/接收角）n0最大接收角和數(shù)值孔徑 最大接收角 數(shù)值孔徑為 式中，n1,n2 分別為光纖芯和包層的折射率， 為相對折射率差。2sinsinsin1122211022211nnnnnna2sin122210nnnnNAa1.2 光纖的類型多模光纖多模光纖單模光纖單模光纖塑料光纖塑料光纖新型光纖新型光纖多模光纖多模光纖1、結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)多模光纖結(jié)構(gòu)多模光纖結(jié)構(gòu)2、分類、分類（1）階躍型多模光纖）階躍型多模光纖（2）梯度型多模光纖）梯度型多模光纖（1）階躍型多模光纖）階躍型多模光纖 特點：具有大的芯徑和大的數(shù)值孔徑特點：具有大的芯徑和大的數(shù)值孔徑 性能特征

6、的變化與所選用的材料和制備方法關(guān)系極大性能特征的變化與所選用的材料和制備方法關(guān)系極大 典型結(jié)構(gòu)：典型結(jié)構(gòu)：（2）梯度型多模光纖）梯度型多模光纖 特點：制備選用的材料純度較高特點：制備選用的材料純度較高 具有較好的抗彎曲性能具有較好的抗彎曲性能 典型結(jié)構(gòu)：典型結(jié)構(gòu)：IEC分類分類ITUT分類分類材料材料類型類型折射率分折射率分布指數(shù)布指數(shù)g極極限值限值典型典型傳輸傳輸距離距離A1G.651玻璃芯玻璃芯/玻璃包玻璃包層層梯度折梯度折射率光射率光纖纖1g32kmA2玻璃芯玻璃芯/玻璃包玻璃包層層準階躍準階躍折射率折射率光纖光纖3gG.655G.653G.652塑料光纖塑料光纖（Plastic Opt

7、ical Fiber, POF） 定義定義 塑料光纖是用高折射率高分子聚合物（塑料）塑料為塑料光纖是用高折射率高分子聚合物（塑料）塑料為芯材和低折射率聚合物（塑料）為包層次材料而制成的全芯材和低折射率聚合物（塑料）為包層次材料而制成的全塑料光纖（又稱聚合物光纖）。塑料光纖（又稱聚合物光纖）。 1 .3 光纖的幾何尺寸特性（結(jié)構(gòu)參數(shù)）光纖的幾何尺寸特性（結(jié)構(gòu)參數(shù)） 光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)是指那些僅與光纖橫截面的物理構(gòu)成光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)是指那些僅與光纖橫截面的物理構(gòu)成相關(guān)的參數(shù)，它們與長度及傳輸狀態(tài)無關(guān)。相關(guān)的參數(shù)，它們與長度及傳輸狀態(tài)無關(guān)。 漸變型（漸變型（GI）多模光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)）多模光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù) 單模光

8、纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)單模光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù) 漸變型（漸變型（GI）多模光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)）多模光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù) 0.1、結(jié)構(gòu)參數(shù)的定義、結(jié)構(gòu)參數(shù)的定義(1) 纖芯直徑纖芯直徑 根據(jù)測試出的折射率分布根據(jù)測試出的折射率分布 n(r)，可以由（，可以由（4.1）式給出的纖芯區(qū)）式給出的纖芯區(qū)折射率分布折射率分布n3的軌跡。此軌跡包圍的橫截面稱為纖芯區(qū)。的軌跡。此軌跡包圍的橫截面稱為纖芯區(qū)。 由最小二乘法得出的、與由最小二乘法得出的、與n3 軌跡最佳擬合的圓的直徑定義為軌跡最佳擬合的圓的直徑定義為纖芯直徑，其中心即為纖芯中心。纖芯直徑，其中心即為纖芯中心。 (2) 包層直徑包層直徑 環(huán)繞纖芯的區(qū)域稱為包層。在光纖的橫

9、截面中，與規(guī)定環(huán)繞纖芯的區(qū)域稱為包層。在光纖的橫截面中，與規(guī)定參照面封閉曲線重合得最好的圓的直徑稱為包層直徑，此參照面封閉曲線重合得最好的圓的直徑稱為包層直徑，此圓可由最小二乘法求得，其中心即為包層表面的中心。圓可由最小二乘法求得，其中心即為包層表面的中心。3212()nnk nn（4.1）(3) 纖芯不圓度纖芯不圓度 纖芯的不圓度可以定義為：實際纖芯區(qū)的外切圓直徑與纖芯纖芯的不圓度可以定義為：實際纖芯區(qū)的外切圓直徑與纖芯直徑之差除以纖芯直徑。直徑之差除以纖芯直徑。(4) 包層表面不圓度包層表面不圓度 包層表面不圓度可以定義為外切圓直徑與包層表面直徑之差除包層表面不圓度可以定義為外切圓直徑與包

10、層表面直徑之差除以包層直徑。以包層直徑。(5) 纖芯纖芯/包層同心偏差包層同心偏差 纖芯包層同心偏差可以定義為纖芯中心與包層面中心的間纖芯包層同心偏差可以定義為纖芯中心與包層面中心的間距除以纖芯直徑。距除以纖芯直徑。 (6) 最大理論最大理論NA 最大理論最大理論NA值可以定義為：值可以定義為：22 1/212()NAnn 單模光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)單模光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù) 注意：注意：模場直徑和截止波長是單模光纖特有的結(jié)構(gòu)參數(shù)。模場直徑和截止波長是單模光纖特有的結(jié)構(gòu)參數(shù)。11、模場直徑的定義及測量方法、模場直徑的定義及測量方法（1）模場直徑定義）模場直徑定義 通俗地說，模場直徑就是單模光纖中光斑的大小，模

11、場就是通俗地說，模場直徑就是單模光纖中光斑的大小，模場就是光纖中基模場的電場強度在空間的分布。光纖中基模場的電場強度在空間的分布。(2)、光纖芯和包層尺寸的測量、光纖芯和包層尺寸的測量 一般來說，可以用顯微鏡來測量光纖的尺寸。一般來說，可以用顯微鏡來測量光纖的尺寸。v 將攝像設(shè)備與顯微鏡配合使用。垂直于光纖軸線切割光纖將攝像設(shè)備與顯微鏡配合使用。垂直于光纖軸線切割光纖端面，并將端面磨平。端面，并將端面磨平。v 用刻蝕法處理光纖表面，以使纖芯和包層界限分明。用刻蝕法處理光纖表面，以使纖芯和包層界限分明。 實際測量時，常常用專用工具進行切割，無須對端面進實際測量時，常常用專用工具進行切割，無須對端

12、面進行再加工。行再加工。2.、截止波長 只有工作波長大于某個固定的波長時，才能保證光纖中只傳輸基模（LP01?；騂E11模），單模光纖理論截止波長 為 （ ） 截止波長是單模光纖的基本參量，也是單模光纖最基本的參數(shù)。 c4048. 222221nnacm截止波長和工作波長的關(guān)系 判斷一根光纖是不是單模傳輸，只要比較一下它的工作波長與截止波長c的大小就可以了。如果c ，則為單模光纖，該光纖只能傳輸基模；如果c2c3c4。1.4 光纜的設(shè)計與結(jié)構(gòu)光纜結(jié)構(gòu)圖光纜結(jié)構(gòu)圖1.5 光纜的型號及用途舉例 金屬加強件、松套、層絞、油膏填充式、鋁-聚乙烯粘結(jié)護套、皺紋鋼帶鎧裝、聚乙烯護層的通信用室外光纜，包含1

13、2根50/125um石英玻璃系梯度折射率多模光纖和5根用于遠供電及監(jiān)測的銅線徑為0.9mm的四線組 光纜的型號應(yīng)表示為：GYTA53 12Aa1a+540.9型式規(guī)格分類加強件、結(jié)構(gòu)特征護套代號外護層代號：鎧裝層（5）、外護套（3）光纖規(guī)格導(dǎo)電芯線規(guī)格光纜選型光纜選型v光纜結(jié)構(gòu)的選擇光纜結(jié)構(gòu)的選擇1、敷設(shè)環(huán)境和條件、敷設(shè)環(huán)境和條件（室內(nèi)室外、地質(zhì)情況、阻水防潮、防咬壞等）2、光纖數(shù)量的考慮、光纖數(shù)量的考慮（分離、束、帶）3、光纜的填充方式、光纜的填充方式（填充物的選擇，如有縱向阻水需求，填充油膏）4、光纖護層的選擇、光纖護層的選擇（依據(jù)抗側(cè)壓、拉伸應(yīng)變等要求，選擇護套）5、外護層的選擇、外護層

14、的選擇（鎧裝層和外護層，架空管道鋼帶縱包、PE外護層、直埋PE內(nèi)護層+PE護套+鋼帶縱包、PE外護層 和 室內(nèi)光纜阻燃、聚氯乙烯外護層）管道架空光纜結(jié)構(gòu)圖管道架空光纜結(jié)構(gòu)圖GYTA GYTS 松套層絞式光纜松套層絞式光纜 主要特點主要特點優(yōu)良的機械抗拉應(yīng)變性能、抗側(cè)壓性能、溫度特性和傳輸特性。優(yōu)良的機械抗拉應(yīng)變性能、抗側(cè)壓性能、溫度特性和傳輸特性。光纜具有優(yōu)良的阻水、防潮防腐性能：光纜具有優(yōu)良的阻水、防潮防腐性能： 中心加強件采用單根高楊氏摸量的磷化鋼絲，必要時在鋼絲外中心加強件采用單根高楊氏摸量的磷化鋼絲，必要時在鋼絲外加擠加擠PE墊層。墊層。 松套管中和纜芯所有縫隙充滿防潮阻水油膏和化合物，確保了松套管中和纜芯所有縫隙充滿防潮阻水油膏和化合物，確保了縱向不滲水?？v向不滲水。 復(fù)合皺紋鋼（鋁）帶縱包，并與復(fù)合皺紋鋼（鋁）帶縱包，并與MDPE護套緊密粘結(jié)，既保證護套緊密粘結(jié)，既保證了徑向防潮，又增強了光纜的機械耐側(cè)壓性能。了徑向防潮，又增強了光纜的機械耐側(cè)壓性能。松套層絞式、非金屬光纜松套層絞式、非金屬光纜 GYFTY 8字型光纜字型光纜直埋光纜直埋光纜GYTY53 直埋光纜結(jié)構(gòu)圖直埋光纜結(jié)構(gòu)圖全介