第2章光纖和光纜-3

1、上式右邊第一項(xiàng)為)/)(1273(1023. 1)(102kmnmpsM 式中，的單位為nm。 當(dāng)=1273nm時，M2()=0。式(2.52)第二項(xiàng)為，其中=(n3-n2)/(n1-n3)，是的結(jié)構(gòu)參數(shù)，當(dāng)=0時，相應(yīng)于常規(guī)。含V項(xiàng)的近似經(jīng)驗(yàn)公式為222)834. 2(549. 0085. 0)VdVbvdV（經(jīng)簡化，得到單位長度的為)1 ()()()(2212dVbvdVcnMddC(2.52)2222)(dndcM其值由實(shí)驗(yàn)確定。的近似經(jīng)驗(yàn)公式為圖 2.13 不同結(jié)構(gòu)單模光纖的色散特性1.11.21.31.41.51.61.7-20-1001020 / m / (ps(nmkm)-1)

2、不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的C()示于圖2.13，圖中曲線相應(yīng)于，和在，這些光纖的結(jié)構(gòu)見圖2.2(c)和圖2.3(a)。 式中，0為。利用 s (調(diào)制帶寬) ，且光譜不受調(diào)制的影響。 這相當(dāng)于的情況。 考慮rms 譜線寬度為的，其為 )(21exp)(20p(2.53) 把rms 脈沖寬度為1的(用功率表示)輸入長度為L的，在中心波長0遠(yuǎn)離，即|0-d|/2的條件下，輸出光脈沖仍保持，設(shè)其rms 脈沖寬度為2，由式(2.54)、式(2.53) 和式(2.48)得到 作為一級近似，|C0|L。由式(2.47)可以計(jì)算出，圖2.14示出常規(guī)帶寬和波長的關(guān)系。 2122002)()(2LCLC(2.55b)由長度

3、為L的單模光纖色度色散產(chǎn)生的脈沖展寬為2)(2120LC22=21+(C0)2+ (2.55a)圖 2.14 常規(guī)單模光纖帶寬和波長的關(guān)系 / (GHzkm)1101001000100001.11.21.31.41.51.62nm5nm10nm / m 上式右邊第二項(xiàng)為光纖產(chǎn)生的。 和多色光源不同， 與有關(guān)。根據(jù)式(2.56a)， 可以選取使輸出脈沖寬度2最小的最佳輸入脈沖寬度1 ：設(shè) 且中心波長不受調(diào)制的影響。 這相當(dāng)于和穩(wěn)定的。 在長度為L的單模光纖上，輸入和輸出的光脈沖都是，其 rms 脈沖寬度分別為1和2，經(jīng)計(jì)算得到21202122)4(0cLC(2.56a)21021)4( )(0L

4、Cc最佳(2.56b)由此得到最佳輸出(2)最佳= 最佳)(21(2.56c) ：設(shè)，這相當(dāng)于頻譜寬度較大的。 在這種情況下， 式中，為光源的 (用角頻率表示)。同樣可以選取使2最小的最佳1。 )41)4221212002122（cLC(2.57)式中，nx和ny分別為x-和y-方向的。 偏振模色散本質(zhì)上是，由于模式耦合是隨機(jī)的， 因而它是一個統(tǒng)計(jì)量。 目前雖沒有統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，但一般要求小于0.5ps/km。 由于存在，即使在色度色散C()=0的波長，帶寬也不是無限大，見圖2.14。 ：實(shí)際光纖不可避免地存在一定缺陷，如纖芯橢圓度和內(nèi)部殘余應(yīng)力，使兩個偏振模的傳輸常數(shù)不同，這樣產(chǎn)生的時間延遲

5、差稱為。 取決于光纖的，由=x-ynxk-nyk得到，)(11yxnncdkdc(2.58)/(lg100kmdBPPLi(2.61a) 2.3.2 光纖損耗光纖損耗 的存在 光信號減小 限制系統(tǒng)的 。 在最一般的條件下，在光纖內(nèi)傳輸?shù)碾S的變化，可以用下式表示習(xí)慣上的單位用dB/km， 由式(2.60)得到Po=Pi exp(-L) (2.60) 設(shè)長度為L(km)的光纖，輸入，根據(jù)式(2.59)，應(yīng)為 式中，是。PdzdP(2.59) 1. 損耗的機(jī)理損耗的機(jī)理 圖2.15是的損耗譜，圖中示出各種機(jī)理產(chǎn)生的的關(guān)系，這些機(jī)理包括和兩部分。 是由SiO2材料引起的固有吸收和由雜質(zhì)引起的吸收產(chǎn)生的

6、。 主要由材料微觀密度不均勻引起的和由光纖(如氣泡)引起的散射產(chǎn)生的。 是光纖的，它決定著光纖損耗的最低理論極限。 圖 2.15 單模光纖損耗譜， 示出各種損耗機(jī)理 0.010.050.10.51510501000.81.01.21.41.6實(shí) 驗(yàn)波 導(dǎo) 缺 陷紫 外 吸 收瑞 利 散 射紅 外吸 收波 長 / m損 耗 / (dBkm 1)2. 實(shí)用光纖的損耗譜實(shí)用光纖的損耗譜 根據(jù)以上分析和經(jīng)驗(yàn)， 與的關(guān)系可以表示為= +B+CW()+IR()+UV() 4A式中，A為， B為產(chǎn)生的損耗，CW()、 IR()和UV()分別為、和產(chǎn)生的損耗。 由圖2.16看到：從、到，。 從色散的討論中看到

7、：。 的，還可以把零色散波長從1.31 m移到1.55m，。 正因?yàn)檫@些特性， 使光纖通信從SIF、GIF光纖發(fā)展到SMF光纖，從使系統(tǒng)技術(shù)水平不斷提高。 圖 2.16光纖損耗譜(a) 三種實(shí)用光纖； (b) 優(yōu)質(zhì)單模光纖 波 長 / m損耗 /( dBkm 1)0.802468100.61.01.21.4 1.6800損耗 / (dBkm 1)波 長 / nm0.0SIFGIFSMF0.51.02.02.53.03.54.01.51000120014001600ab cdeabcde85013001310138015501.810.350.340.400.19nmdB / km(a)(b)1

8、.82.3.3 光纖標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用光纖標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用 應(yīng)用于中小容量、中短距離的通信系統(tǒng)。 是第一代單模光纖，其特點(diǎn)是在波長1.31 m色散為零，系統(tǒng)的傳輸距離只受損耗的限制。 是第二代單模光纖，其特點(diǎn)是在波長1.55 m色散為零，損耗又最小。這種光纖適用于大容量長距離通信系統(tǒng)。 其特點(diǎn)是在波長1.31 m色散為零，在1.55 m色散為1720 ps/(nmkm)，和常規(guī)單模光纖相同，但損耗更低，可達(dá)0.20 dB/km以下。 其特點(diǎn)是在波長1.55 m具有大的負(fù)色散。 是一種改進(jìn)的色散移位光纖。表2.3 光纖特性的標(biāo)準(zhǔn)2.4 光纜光纜 2.4.1 光纜基本要求光纜基本要求 保護(hù)光纖固有機(jī)械強(qiáng)度的方法

9、，通常是采用和。 光纖從高溫拉制出來后，要立即用和，除去斷裂光纖，并對成品光纖用。 二次被覆光纖有、和光纖四種，見圖2.18。 條件直接影響光纖的使用壽命。 設(shè)對光纖進(jìn)行拉伸應(yīng)力篩選時，施加的應(yīng)力為p，作用時間為tp(設(shè)為1s)； 長期使用時，容許施加的應(yīng)力為r，作用時間為tr，斷裂概率為106km一個斷裂點(diǎn)。理論推算得到的容許作用時間(光纖使用壽命)tr 和應(yīng)力比r/p的關(guān)系示于圖2.17。 圖 2.17 光纖使用壽命和應(yīng)力比的關(guān)系1010210410610810100.20.40.60.81.020年1年1日1小 時1分20年應(yīng) 力 比r /p使 用 壽 命 tr / sn20n13 圖

10、2.18二次被覆光纖(芯線)簡圖 (a) 緊套； (b) 松套； (c) 大套管； (d) 帶狀線 緊套一次被覆光纖松套大套管一次被覆光纖帶狀線(a)(b)(c)(d) 2.4.2 光纜結(jié)構(gòu)和類型光纜結(jié)構(gòu)和類型 光纜一般由和兩部分組成，有時在護(hù)套外面加有鎧裝。 1. 纜芯通常包括(或稱芯線)和兩部分。 是光纜的核心，決定著光纜的傳輸特性。 起著承受光纜拉力的作用，通常處在纜芯中心，有時配置在護(hù)套中。 圖 2.20光纜類型的典型實(shí)例 (a) 6芯緊套層絞式光纜(架空、管道)；(b) 12芯松套層絞式光纜(直埋防蟻)；(c) 12芯骨架式光纜(直埋)；(d) 648芯束管式光纜(直埋)；(e) 1

11、08芯帶狀光纜；(f) LXE束管式光纜(架空、管道、直埋)；(g) 淺海光纜；(h) 架空地線復(fù)合光纜(OPGW)填充油膏緊套光纖中心加強(qiáng)件包帶鋁縱包PE護(hù)層(a)填充繩(聚乙烯)第一單元松套管( 6芯)第二單元松套管( 6芯)包帶皺紋鋼帶PE層尼龍 12外護(hù)層中心加強(qiáng)件填充油膏(b)PE外 護(hù)層皺紋鋼帶塑料骨架中心加強(qiáng)件緊套光纖(c)PE外護(hù)層鋁縱包鋼絲(分散加強(qiáng))高強(qiáng)度塑料光纖束管6 48 芯光纖(d)外護(hù)層金屬加強(qiáng)件塑料繞包帶帶狀光纖單元帶狀線(e)單根金屬加強(qiáng)件高密度 PE護(hù)層開索鄒紋鋼護(hù)套防潮層高強(qiáng)度塑料束管4 48 芯光纖(f)內(nèi)金屬或高強(qiáng)度塑料線光纖光纖或聚乙烯填充線聚乙烯銅管

12、聚乙烯聚丙烯內(nèi)層鋼絲鎧裝外層鋼絲鎧裝(g)隔熱襯材光纖高強(qiáng)度塑料線鋁管鋁扇形體鋁包鋼線(h)光纖塑料光纜光纜 的基本型式的基本型式 把松套光纖繞在中心加強(qiáng)件周圍絞合而構(gòu)成。 把緊套光纖或一次被覆光纖放入中心加強(qiáng)件周圍的螺旋形塑料骨架凹槽內(nèi)而構(gòu)成。 把一次被覆光纖或光纖束放入大套管中， 加強(qiáng)件配置在套管周圍而構(gòu)成。 把帶狀光纖單元放入大套管內(nèi)， 形成中心束管式結(jié)構(gòu)，也可以把帶狀光纖單元放入骨架凹槽內(nèi)或松套管內(nèi)， 形成骨架式或?qū)咏g式結(jié)構(gòu)。 2. 護(hù)套護(hù)套 起著對纜芯的機(jī)械保護(hù)和環(huán)境保護(hù)作用，要求具有良好的抗側(cè)壓力性能及密封防潮和耐腐蝕的能力。 護(hù)套通常由聚乙烯或聚氯乙烯(PE或PVC)和鋁帶或鋼帶

13、構(gòu)成。 根據(jù)使用條件根據(jù)使用條件可以分為：可以分為： 等。 特種光纜常見的有：電力網(wǎng)使用的(OPGW)， 跨越海洋的，易燃易爆環(huán)境使用的以及各種不同條件下使用的等。 2.4.3 光纜特性光纜特性2.5 光纖特性測量方法光纖特性測量方法 光纖的特性參數(shù)很多，基本上可分為、和三類。 包括纖芯與包層的直徑、偏心度和不圓度； 主要有折射率分布、數(shù)值孔徑、模場直徑和截止波長； 主要有損耗、帶寬和色散。 光纖損耗測量有兩種基本方法：一種是測量通過光纖的傳輸光功率，稱；另一種是測量光纖的后向散射光功率，稱。 光纖帶寬測量有和兩種基本方法。 是測量通過光纖的光脈沖產(chǎn)生的脈沖展寬，又稱； 是測量通過光纖的頻率響應(yīng)，又稱。