光纖和光纜介紹

1、光纖和光纜介紹第1頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)52分，星期一光纖具有何種結(jié)構(gòu)？光在光纖中如何傳播？光纖是由何種材料制作的？光纖是如何制造的？多根光纖是如何組裝成光纜？與光纖有關(guān)的問(wèn)題第2頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)52分，星期一2.1 基本光學(xué)定義和定律2.2 光纖的結(jié)構(gòu)與類型2.3 光纖的光學(xué)特性2.4 光纖光纜制造技術(shù)2.5 導(dǎo)波原理第3頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)52分，星期一2.1 基本光學(xué)定義和定律光在均勻介質(zhì)中是沿直線傳播的，其傳播速度為： v=c/n 式中：c2.997105km/s，是光在真空中的傳播速度；n是介質(zhì)的折射率。 常見(jiàn)

2、物質(zhì)的折射率：空氣 1.00027； 水 1.33；玻璃 (SiO2) 1.47；鉆石 2.42；硅 3.5折射率大的媒介稱為光密媒介，反之稱為光疏媒介光在不同的介質(zhì)中傳輸速度不同第4頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)52分，星期一 光的反射定律：當(dāng)一束光線按某一角度射向一塊平面鏡時(shí)，它會(huì)從鏡面按另一角度反跳出去。光的這種反跳現(xiàn)象叫做光的反射，射向鏡面的光叫入射光，從鏡面反跳出去的光叫反射光反射光線位于入射光線和法線所決定的平面內(nèi)，反射光線和入射光線處于法線的兩側(cè)，且反射角等于入射角：qin = qr第5頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)52分，星期一折射光線位于入射光線和

3、法線所決定的平面內(nèi)，折射光線和入射光線位于法線的兩側(cè)，且滿足：n1 sin1 = n2 sin2光的折射定律 (Snell定律 )空氣玻璃光從光密媒質(zhì)折射到光疏媒質(zhì)折射角大于入射角第6頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)52分，星期一n1 sin1 = n2 sin212入射光線折射光線法線n1n2n1 n2第7頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)52分，星期一全反射現(xiàn)象 ：在某種條件下，光線被關(guān)在一種介質(zhì)中，不射到另一種介質(zhì)中的現(xiàn)象。0法線n1n2n1 n212341342臨界角0：折射角為90時(shí)的入射角sino= n2 / n1全反射條件： （1） n1 n2 （2）入 o

4、第8頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)52分，星期一2.2 光纖的結(jié)構(gòu)與類型2.2.1 光纖的結(jié)構(gòu) 光纖(Optical Fiber，OF)就是用來(lái)導(dǎo)光的透明介質(zhì)纖維，一根實(shí)用化的光纖是由多層透明介質(zhì)構(gòu)成的，一般可以分為三部分：折射率較高的纖芯、折射率較低的包層和外面的涂覆層。第9頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)52分，星期一光纖結(jié)構(gòu)示意圖第10頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)52分，星期一纖芯：纖芯位于光纖的中心部位。 直徑d1=4m50m，單模光纖的纖芯為4m10m，多模光纖的纖芯為50m。 纖芯的成分是高純度SiO2，摻有極少量的摻雜劑（如GeO2，P2

5、O5），作用是提高纖芯對(duì)光的折射率（n1），以傳輸光信號(hào)。 包層：包層位于纖芯的周圍。 直徑d2=125m，其成分也是含有極少量摻雜劑的高純度SiO2。而摻雜劑（如B2O3）的作用則是適當(dāng)降低包層對(duì)光的折射率（n2），使之略低于纖芯的折射率，即n1n2，它使得光信號(hào)封閉在纖芯中傳輸。第11頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)52分，星期一涂覆層：光纖的最外層為涂覆層，包括一次涂覆層，緩沖層和二次涂覆層。 一次涂覆層一般使用丙烯酸酯、有機(jī)硅或硅橡膠材料； 緩沖層一般為性能良好的填充油膏； 二次涂覆層一般多用聚丙烯或尼龍等高聚物。 涂覆的作用是保護(hù)光纖不受水汽侵蝕和機(jī)械擦傷，同時(shí)又增加了光

6、纖的機(jī)械強(qiáng)度與可彎曲性，起著延長(zhǎng)光纖壽命的作用。涂覆后的光纖其外徑約1.5mm。通常所說(shuō)的光纖為此種光纖。第12頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)52分，星期一2.2.2 光纖的類型 光纖的分類方法很多，既可以按照光纖截面折射率分布來(lái)分類，又可以按照光纖中傳輸模式數(shù)的多少、光纖使用的材料或傳輸?shù)墓ぷ鞑ㄩL(zhǎng)來(lái)分類。第13頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)52分，星期一1. 按傳輸模式的數(shù)量分類 按光纖中傳輸?shù)哪Ｊ綌?shù)量，可以將光纖分為多模光纖(Multi-Mode Fiber，MMF)和單模光纖(Single Mode Fiber，SMF)。 多模光纖和單模光纖是由光纖中傳輸?shù)哪?/p>

7、式數(shù)決定的，判斷一根光纖是不是單模傳輸，除了光纖自身的結(jié)構(gòu)參數(shù)外，還與光纖中傳輸?shù)墓獠ㄩL(zhǎng)有關(guān)。 第14頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)52分，星期一高次模基模低次模 在光纖的受光角內(nèi)，以某一角度射入光纖斷面，并能在光纖纖芯-包層交界面上產(chǎn)生全反射的傳播光線，就可以稱為一個(gè)光的傳播模式。第15頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)52分，星期一多模光纖：顧名思義，多模光纖就是允許多個(gè)模式在其中傳輸?shù)墓饫w，或者說(shuō)在多模光纖中允許存在多個(gè)分離的傳導(dǎo)模。優(yōu)點(diǎn)：芯徑大，容易注入光功率，可以使用LED作為光源缺點(diǎn)：存在模間色散，只能用于短距離傳輸模間色散：每個(gè)模式在光纖中傳播速度不同，導(dǎo)

8、致光脈沖在不同模式下的能量到達(dá)目的的時(shí)間不同，造成脈沖展寬第16頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)52分，星期一單模光纖：只能傳輸一種模式的光纖稱為單模光纖。優(yōu)點(diǎn)：?jiǎn)文９饫w只能傳輸基模(最低階模)，它不存在模間時(shí)延差，因此它具有比多模光纖大得多的帶寬，這對(duì)于高碼速長(zhǎng)途傳輸是非常重要的。缺點(diǎn)：芯徑小，較多模光纖而言不容易進(jìn)行光耦合，需要使用半導(dǎo)體激光器激勵(lì)。 第17頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)52分，星期一單模光纖和多模光纖一根光纖是不是單模傳輸，與 (1) 光纖自身的結(jié)構(gòu)參數(shù)和 (2) 光纖中傳輸?shù)墓獠ㄩL(zhǎng)有關(guān)。當(dāng)光纖的幾何尺寸（主要是芯徑d）遠(yuǎn)大于光波波長(zhǎng)時(shí)（約1m）

9、，光纖傳輸?shù)倪^(guò)程中會(huì)存在著幾十種乃至幾百種傳輸模式，即多模傳輸。當(dāng)光纖的幾何尺寸（主要是芯徑d）較小，與光波長(zhǎng)在同一數(shù)量級(jí)，如芯徑d在4m10m范圍，這時(shí)，光纖只允許一種模式（基模）在其中傳播，即單模傳輸。其余的高次模全部截止。因此，對(duì)于給定波長(zhǎng)，單模光纖的芯徑要比多模光纖小。例如，對(duì)于常用的通信波長(zhǎng) (1550 nm)，單模光纖芯徑為812 mm，而多模光纖芯徑 50 mm。第18頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)52分，星期一2. 按光纖截面上折射率分布分類按照截面上折射率分布的不同可以將光纖分為階躍型光纖(Step-Index Fiber，SIF)和漸變型光纖(Graded-I

10、ndex Fiber，GIF)，其折射率分布如圖所示。第19頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)52分，星期一光纖的折射率分布第20頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)52分，星期一 階躍型光纖是由半徑為a、折射率為常數(shù)n1的纖芯和折射率為常數(shù)n2的包層組成，并且n1n2, n1=1.4631.467, n2=1.451.46。 漸變型光纖與階躍型光纖的區(qū)別在于其纖芯的折射率不是常數(shù)，而是隨半徑的增加而遞減直到等于包層的折射率。第21頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)52分，星期一漸變型光纖的折射率變化可以用折射率沿半徑的分布函數(shù)n(p)來(lái)表示。特點(diǎn)：降低了模間色散（

11、或多徑色散）沿著軸心傳播的光經(jīng)歷的路程短但折射率高，沿纖芯外層傳播的光路程長(zhǎng)但折射率低。第22頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)52分，星期一3. 按ITU-T建議分類G.652光纖(常規(guī)單模光纖) 在1310 nm工作時(shí)，理論色散值為零 在1550 nm工作時(shí)，傳輸損耗最低G.653光纖(色散位移光纖) 零色散點(diǎn)從1310 nm移至1550 nm，同時(shí)1550 nm處 損耗最低G.654光纖(衰減最小光纖) 纖芯純石英制造，在1550 nm處衰減最小(僅0.185 dB/km)，用于長(zhǎng)距離海底傳輸G.655光纖(非零色散位移光纖) 引入微量色散抑制光纖非線性，適于長(zhǎng)途傳輸?shù)?3頁(yè)，

12、共95頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)52分，星期一 按套塑可以將光纖分為松套光纖和緊套光纖。 緊套光纖就是在一次涂覆的光纖上再緊緊地套上一層尼龍或聚乙烯等塑料套管，光纖在套管內(nèi)不能自由活動(dòng)。 松套光纖，就是在光纖涂覆層外面再套上一層塑料套管，光纖可以在套管中自由活動(dòng)。套塑光纖結(jié)構(gòu)4. 按按套塑(二次涂覆層)分類第24頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)52分，星期一5. 按光纖的工作波長(zhǎng)分類 按光纖的工作波長(zhǎng)可以將光纖分為短波長(zhǎng)光纖、長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖和超長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖。 短波長(zhǎng)光纖的波長(zhǎng)為0.85m（0.8m0.9m） 長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖的波長(zhǎng)為1.3m1.6m，主要有1.31m和1.55m兩個(gè)窗口

13、。 現(xiàn)在實(shí)用的石英光纖通常有以下三種：階躍型多模光纖、漸變型多模光纖和階躍型單模光纖。第25頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)52分，星期一2.2.3 光纖中光的傳播 一束光線從光纖的入射端面耦合進(jìn)光纖時(shí)，光纖中光線的傳播分兩種情形：一種情形是光線始終在一個(gè)包含光纖中心軸線的平面內(nèi)傳播，并且一個(gè)傳播周期與光纖軸線相交兩次，這種光線稱為子午射線，那個(gè)包含光纖軸線的固定平面稱為子午面；另一種情形是光線在傳播過(guò)程中不在一個(gè)固定的平面內(nèi)，并且不與光纖的軸線相交，這種光線稱為斜射線。第26頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)52分，星期一子午射線在階躍折射率光纖和漸變折射率光纖的傳播軌

14、跡分別如圖所示。光在階躍折射率多模光纖中的傳播光在漸變折射率多模光纖中的傳播第27頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)52分，星期一子午射線在單模光纖中的傳播軌跡子午射線的傳播過(guò)程始終在一個(gè)子午面內(nèi)，因此可以在二維的平面內(nèi)來(lái)分析，很直觀。第28頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)52分，星期一斜射線在光纖中的傳播斜射線的傳播過(guò)程不在單一平面內(nèi)，要追蹤斜光線則更為困難。第29頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)52分，星期一2.3 光纖的光學(xué)特性 光纖的光學(xué)特性有折射率分布、最大理論數(shù)值孔徑、模場(chǎng)直徑及截至波長(zhǎng)等。第30頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)52分，

15、星期一 光纖折射率分布，可用下式表示： 其中，n1為纖芯折射率，n2為包層折射率，a為芯半徑，r為離開(kāi)纖芯中心的徑向距離，為相對(duì)折射率差，=(n1 n2 )/ n1 。 多模光纖的折射率分布，決定光纖帶寬和連接損耗，單模光纖的折射率分布，決定工作波長(zhǎng)的選擇。1.折射率分布第31頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)52分，星期一2.最大入射角折射光線n根據(jù)Snell定理，子午光線產(chǎn)生內(nèi)全反射的最小入射角滿足：空氣的最小入射角滿足：所有以小于最小入射角投射到光纖端面的光線都將進(jìn)入纖芯，并在纖芯包層界面上被內(nèi)全反射。第32頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)52分，星期一 最大理論數(shù)

16、值孔徑的定義為： 其中，n1為階躍光纖均勻纖芯的折射率（梯度光纖為纖芯中心的最大折射率），n2為均勻包層的折射率。 D = (n2 n1)/n1為纖芯-包層相對(duì)折射率差. 光纖的數(shù)值孔徑（NA）是一個(gè)小于1的無(wú)量綱的數(shù)，其值通常在0.14到0.50之間。數(shù)值孔徑對(duì)光源耦合效率、光纖損耗、彎曲的敏感性以及帶寬有著密切的關(guān)系，數(shù)值孔徑大有利于光耦合。但是數(shù)值孔徑太大的光纖模畸變加大，使得通信帶寬較窄。3.最大理論數(shù)值孔徑（Namax）-階躍光纖第33頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)52分，星期一光纖的數(shù)值孔徑 梯度光纖折射率分布其中n1為軸心上的折射率，n2為包層折射率。在離纖芯距離r

17、處的數(shù)值孔徑為：其中NA(0)為軸心上的數(shù)值孔徑第34頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)52分，星期一光纖的數(shù)值孔徑 梯度光纖第35頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)52分，星期一 模場(chǎng)直徑是指描述單模光纖中光能集中程度的參量。 有效面積與模場(chǎng)直徑的物理意義相同，通過(guò)模場(chǎng)直徑可以利用圓面積公式計(jì)算出有效面積。 模場(chǎng)直徑越小，通過(guò)光纖橫截面的能量密度就越大。當(dāng)通過(guò)光纖的能量密度過(guò)大時(shí)，會(huì)引起光纖的非線性效應(yīng)，造成光纖通信系統(tǒng)的光信噪比降低，影響系統(tǒng)性能。 因此，對(duì)于傳輸光纖而言，模場(chǎng)直徑（或有效面積）越大越好。 4.模場(chǎng)直徑和有效面積第36頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日

18、，17點(diǎn)52分，星期一模場(chǎng)直徑示意圖第37頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)52分，星期一 理論上的截止波長(zhǎng)是單模光纖中光信號(hào)能以單模方式傳播的最小波長(zhǎng)。 截止波長(zhǎng)條件可以保證在最短光纜長(zhǎng)度上單模傳輸，并且可以抑制高次模的產(chǎn)生或可以將產(chǎn)生的高次模噪聲功率代價(jià)減小到完全可以忽略的地步。 注：幾何特性、光學(xué)特性影響光纖的連接質(zhì)量，施工對(duì)它們不產(chǎn)生變化，而傳輸特性則相反，它不影響施工，但施工對(duì)傳輸特性將產(chǎn)生直接的影響。5.截止波長(zhǎng)第38頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)52分，星期一2.4 光纖光纜制造技術(shù)選材的準(zhǔn)則：1. 能拉長(zhǎng)、拉細(xì)、具有一定的柔韌性、可卷繞2. 在特定波長(zhǎng)損

19、耗低3. 能使纖芯的折射率略高于包層，滿足波導(dǎo)條件按材料分類：1. 無(wú)源玻璃纖維；2. 有源玻璃纖維；3. 塑料纖維2.4.1 光纖材料第39頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)52分，星期一無(wú)源玻璃纖維玻璃纖維的主材：SiO2 - 物理和化學(xué)穩(wěn)定性好- 對(duì)通信光波段的透明性好折射率差的引入：通過(guò)在SiO2中摻入不同雜質(zhì)增加非線性效應(yīng)：通過(guò)摻入硫?qū)僭谿eO2-SiO2纖芯，SiO2包層P2O5-SiO2纖芯，SiO2包層SiO2纖芯，B2O3-SiO2包層在0.28mm具有極低損耗SiO2中摻GeO2或P2O5，折射率增加SiO2中摻氟或B2O3，折射率減小典型組合：1、GeO2-S

20、iO2纖芯，SiO2包層2、P2O5-SiO2纖芯，SiO2包層3、SiO2纖芯，B2O3-SiO2包層4、GeO2- B2O3-SiO2纖芯， B2O3-SiO2包層第40頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)52分，星期一鹵化物玻璃纖維紅外光纖（氟化物光纖）：低損耗范圍：0.28m，最低損耗窗口：2.55 m，理論最小損耗：0.010.001dB/km。缺點(diǎn)：不成熟，性能不穩(wěn)定有源玻璃纖維摻稀土光纖：在SiO2中摻入稀土元素實(shí)現(xiàn)光放大（或吸收），如：摻鉺光纖（EDF）、摻釹光纖。硫?qū)倩衔锊ＡЮw維非線性光纖：用作非線性光學(xué)器件。如：As40S58Se2纖芯As2S3包層第41頁(yè)，共9

21、5頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)52分，星期一塑料光纖（POF）參數(shù)有機(jī)玻璃POFPMMA POF加氟聚合物POFPFP POF纖芯直徑0.4mm0.1250.3mm包層直徑1mm0.250.6mm數(shù)值孔徑0.250.2損耗150dB/km 650nm6080dB/km 6501300nm帶寬2.5Gb/s, 100km2.5Gb/s, 300km特點(diǎn)：更好的韌性、更耐用，可用于環(huán)境惡劣的場(chǎng)合低成本、低續(xù)接成本損耗比玻璃纖維高，一般用于短距離傳輸使用范圍還十分有限，主要用于接入網(wǎng)第42頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)52分，星期一2.4.2 光纖制造兩種基本方法1. 直接熔化法

22、： 按傳統(tǒng)制造玻璃的工藝將處在熔融狀態(tài)的石英玻璃的純凈 組分直接制造成光纖2. 汽相氧化過(guò)程： - 高純度金屬鹵化物(如SiCl4和GeCl4)與氧反應(yīng)生成SiO2微粒 - (通過(guò)四種不同的方法)將微粒收集在玻璃容器的表面 - 燒結(jié) (在尚未熔化的狀態(tài)將SiO2轉(zhuǎn)化成玻璃體) 制成預(yù)制棒 - 拉絲成纖第43頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)52分，星期一直接熔化法：雙坩堝法纖芯坯料棒 內(nèi)坩堝包層坯料棒纖芯玻璃外坩堝熔爐 拉制光纖 (到拉絲機(jī))包層玻璃直接熔化法：可用于制造石英光纖、鹵化物光纖和硫?qū)俟饫w具有可連續(xù)制造的優(yōu)點(diǎn)但坯料棒熔化過(guò)程中容易帶來(lái)雜質(zhì)，它的最低損耗值為5 dB/km第

23、44頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)52分，星期一光纖預(yù)制棒置備好之后進(jìn)行光纖拉絲光纖拉絲機(jī)d = 1025 mm; L = 60120 cm精密輸送機(jī)構(gòu)夾具預(yù)制棒拉絲爐光纖粗細(xì)監(jiān)測(cè)儀裸光纖涂覆機(jī) 已涂覆光纖光纖卷繞第45頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)52分，星期一汽相氧化法：外部汽相氧化法 (OVPO)O2+SiCl4+GeCl4蒸汽餌棒(中心棒)粉層狀預(yù)制棒噴嘴玻璃微粒粉層沉積粉狀預(yù)制棒剖面芯包層粉狀預(yù)制棒加熱爐 1400度玻璃預(yù)制棒預(yù)制棒燒結(jié)拉制光纖加熱爐玻璃預(yù)制棒1970年 康寧 第一根損耗小于20 dB/km的光纖第46頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，

24、17點(diǎn)52分，星期一汽相軸向沉積法 (VAD)推進(jìn)機(jī) 馬達(dá)馬達(dá)輸送桿透明預(yù)制棒容器環(huán)狀加熱器疏松的預(yù)制棒真空泵紅外熱成像儀玻璃微粒反應(yīng)室 噴燈口優(yōu)點(diǎn)：1. 預(yù)制棒不再具有空洞2. 預(yù)制棒可以任意長(zhǎng)3. 沉積室和熔融室緊密 相連，可以保證制作 環(huán)境清潔4. 單模光纖所含的OH- 較低，因此損耗較低 在0.20.4 dB/km1977年日本開(kāi)發(fā)第47頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)52分，星期一改進(jìn)的化學(xué)汽相沉積法 (MCVD)反應(yīng)物質(zhì)金屬鹵化物蒸汽+氧氣粉塵狀生成物排氣口餌管 燒結(jié)后的玻璃粉層沉積物來(lái)回移動(dòng)的噴燈貝爾實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)，用于制造低損耗梯度折射率光纖燒結(jié)后，纖芯由汽相沉積材料構(gòu)

25、成，包層由原始的石英管構(gòu)成H-O化學(xué)反應(yīng):第48頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)52分，星期一等離子體活性化學(xué)汽相沉積法 (PCVD)熔融石英管SiCl4 + O2 + 參雜物質(zhì)反應(yīng)物質(zhì)排氣口等離子體玻璃層快速來(lái)回移動(dòng)的微波諧振腔 (2.45 GHz，8米/分鐘)10001200度飛利浦提出1978年應(yīng)用于量產(chǎn)直接玻璃沉積不需高溫?zé)Y(jié)反應(yīng)管不易變形快速移動(dòng)，使沉積厚度減少，有利于控制折射率分布沉積效率高、沉積速度快有利于消除包層沉積過(guò)程中的微觀不均勻第49頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)52分，星期一幾點(diǎn)關(guān)鍵為了防止石墨在高溫下氧化，充入氬氣等惰性氣體加以保護(hù)。送棒機(jī)構(gòu)

26、與牽引輥的速度要一致，以保持光纖外徑的均勻性。激光測(cè)徑，紫外固化外徑的波動(dòng)控制在0.5微米之內(nèi)。拉絲的速度可以調(diào)整，600m/min1000m/m預(yù)制棒體積： Vpreform=D2L/4, D: mm, L: mm光纖體積： Vfiber= d2l/4, d=125 um拉絲長(zhǎng)度l： Vpreform = Vfiber l = 6.4 10-5D2L (km)拉絲原理：保持芯/包層結(jié)構(gòu)不變！第50頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)52分，星期一2.4.3 光纖的機(jī)械和溫度特性1) 光纖的抗拉強(qiáng)度很高，接近金屬的抗拉強(qiáng)度2) 光纖的延展性(1%)比金屬差(20%)3) 當(dāng)光纖內(nèi)存在裂

27、紋、氣泡或雜物，在一定張力下容易斷裂4) 包層中摻入二氧化鈦可以增強(qiáng)機(jī)械可靠性5) 光纖遇水容易斷裂且損耗增大6) 在低溫下?lián)p耗隨溫度降低而增加第51頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)52分，星期一 光纖的機(jī)械特性主要包括耐側(cè)壓力、抗拉強(qiáng)度、彎曲以及扭絞性能等，使用者最關(guān)心的是抗拉強(qiáng)度。 （1）光纖的抗拉強(qiáng)度 光纖的抗拉強(qiáng)度很大程度上反映了光纖的制造水平。 影響光纖抗拉強(qiáng)度的主要因素是光纖制造材料和制造工藝。 預(yù)制棒的質(zhì)量。 拉絲爐的加溫質(zhì)量和環(huán)境污染。 涂覆技術(shù)對(duì)質(zhì)量的影響。 機(jī)械損傷。 光纖的機(jī)械特性第52頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)52分，星期一 （2）光纖斷裂

28、分析 存在氣泡、雜物的光纖，會(huì)在一定張力下斷裂，如圖所示。光纖斷裂和應(yīng)力關(guān)系示意圖第53頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)52分，星期一 （3）光纖的壽命 光纖的壽命，習(xí)慣稱使用壽命，當(dāng)光纖損耗加大以致系統(tǒng)開(kāi)通困難時(shí)，稱其已達(dá)到了使用壽命。從機(jī)械性能講，壽命指斷裂壽命。 （4）光纖的機(jī)械可靠性 一般來(lái)說(shuō)，二氧化硅包層光纖的機(jī)械可靠性已經(jīng)得到廣泛的認(rèn)可。為了提高光纖的機(jī)械可靠性，在光纖的外包層中摻入二氧化鈦，從而增加網(wǎng)絡(luò)的壽命。 第54頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)52分，星期一 光纖的溫度特性，是指在高、低溫條件下對(duì)光纖損耗的影響，一般是損耗增大。如圖所示。光纖低溫特性

29、曲線光纖的溫度特性第55頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)52分，星期一2.4.4 成纜對(duì)光纖特性的影響1. 光纜的構(gòu)造 纜芯 : 在光纜的構(gòu)造中，纜芯是主體，其結(jié)構(gòu)是否合理，與光纖的安全運(yùn)行關(guān)系很大。一般來(lái)說(shuō)，纜芯結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足以下基本要求：光纖在纜芯內(nèi)處于最佳位置和狀態(tài)，保證光纖傳輸性能穩(wěn)定，在光纜受到一定的拉力、側(cè)壓力等外力時(shí)，光纖不應(yīng)承受外力影響；其次纜芯內(nèi)的金屬線對(duì)也應(yīng)得到妥善安排，并保證其電氣性能；另外纜芯截面應(yīng)盡可能小，以降低成本和敷設(shè)空間。 護(hù)層: 光纜護(hù)層同電纜護(hù)層的情況一樣，是由護(hù)套和外護(hù)層構(gòu)成的多層組合體。其作用是進(jìn)一步保護(hù)光纖，使光纖能適應(yīng)在各種場(chǎng)地敷設(shè)，如架空、

30、管道、直埋、室內(nèi)、過(guò)河、跨海等。對(duì)于采用外周加強(qiáng)元件的光纜結(jié)構(gòu)，護(hù)層還需提供足夠的抗拉、抗壓、抗彎曲等機(jī)械特性方面的能力。第56頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)52分，星期一2.光纜特性抗拉力特性 光纜能承受的最大拉力取決于加強(qiáng)構(gòu)件的材料和橫截面積，一般要求大于1 km光纜的重量 (多數(shù)光纜在100400kg范圍) . 2. 抗壓特性 光纜能承受的最大側(cè)壓力取決于護(hù)套的材料和結(jié)構(gòu)，多數(shù)光纜能承受的最大側(cè)壓力在100400kg/10cm。 3. 彎曲特性 彎曲特性主要取決于纖芯與包層的相對(duì)折射率差以及光纜的材料和結(jié)構(gòu)。4. 溫度特性第57頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)5

31、2分，星期一3. 成纜對(duì)光纖特性的影響1. 改善光纖的溫度特性 虛線：光纖自身的特性曲線；實(shí)線：成纜后的特性曲線2. 增加機(jī)械強(qiáng)度 由于光纜結(jié)構(gòu)中加入了加 強(qiáng)構(gòu)件、護(hù)套、甚至鎧裝 層等，因此其斷點(diǎn)強(qiáng)度遠(yuǎn) 大于光纖；不僅如此，光 纜的抗側(cè)壓、抗沖擊和抗 扭曲性能都有明顯增強(qiáng)3. 成纜的附加損耗 不良的成纜工藝，把光纖制成光纜后，會(huì)帶來(lái)附加損耗， (比如說(shuō)不良應(yīng)力造成微彎) 稱之為成纜損耗第58頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)52分，星期一4. 光纜的典型結(jié)構(gòu)光纜的基本結(jié)構(gòu)按纜芯組件的不同一般可以分為層絞式、骨架式、束管式和帶狀式四種。我國(guó)及歐亞各國(guó)用的較多的是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的層絞式和骨架式

32、兩種。第59頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)52分，星期一層絞式層絞式光纜的結(jié)構(gòu)類似于傳統(tǒng)的電纜結(jié)構(gòu)方式，故又稱為古典式光纜。第60頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)52分，星期一骨架式骨架式光纜中的光纖置放于塑料骨架的槽中，槽的橫截面可以是 V形、U 形或其他合理的形狀，槽的縱向呈螺旋形或正弦形，一個(gè)空槽可放置510根一次涂覆光纖。第61頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)52分，星期一束管式束管式結(jié)構(gòu)的光纜近年來(lái)得到了較快的發(fā)展。它相當(dāng)于把松套管擴(kuò)大為整個(gè)纜芯，成為一個(gè)管腔，將光纖集中松放在其中。第62頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)52分，星期一

33、帶狀式帶狀式結(jié)構(gòu)的光纜首先將一次涂覆的光纖放入塑料帶內(nèi)做成光纖帶，然后將幾層光纖帶疊放在一起構(gòu)成光纜芯。第63頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)52分，星期一5. 光纜的種類與型號(hào)1.光纜的種類 光纜的種類很多，其分類方法也很多，習(xí)慣的分類有： 根據(jù)光纜的傳輸性能、距離和用途，光纜可以分為市話光纜、長(zhǎng)途光纜、海底光纜和用戶光纜；第64頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)52分，星期一根據(jù)光纖的種類，光纜可以分為多模光纜、單模光纜；根據(jù)光纖套塑的種類，光纜可以分為緊套光纜、松套光纜、束管式新型光纜和帶狀式多芯單元光纜；根據(jù)光纖芯數(shù)的多少，光纜可以分為單芯光纜和多芯光纜等等；第6

34、5頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)52分，星期一根據(jù)加強(qiáng)構(gòu)件的配置方式，光纜可以分為中心加強(qiáng)構(gòu)件光纜(如層絞式光纜、骨架式光纜等)、分散加強(qiáng)構(gòu)件光纜(如束管式光纜)和護(hù)層加強(qiáng)構(gòu)件光纜(如帶狀式光纜)；根據(jù)敷設(shè)方式，光纜可以分為管道光纜、直埋光纜、架空光纜和水底光纜；根據(jù)護(hù)層材料性質(zhì)，光纜可以分為普通光纜、阻燃光纜和防蟻、防鼠光纜等。第66頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)52分，星期一2. 光纜的型號(hào) 光纜的種類較多，同其他產(chǎn)品一樣，具有具體的型式和規(guī)格。(1) 光纜的型式代號(hào) 光纜的型式代號(hào)是由分類、加強(qiáng)構(gòu)件、派生(形狀、特性等)、護(hù)套和外護(hù)層五部分組成。第67頁(yè)，共9

35、5頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)52分，星期一光纜的型式代號(hào)第68頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)52分，星期一 光纜分類代號(hào)及其意義GY：通信用室(野)外光纜；GR：通信用軟光纜；GJ：通信用室(局)內(nèi)光纜；GS：通信用設(shè)備內(nèi)光纜；GH：通信用海底光纜；GT：通信用特殊光纜；GW：通信用無(wú)金屬光纜。第69頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)52分，星期一 加強(qiáng)構(gòu)件的代號(hào)及其意義無(wú)符號(hào)：金屬加強(qiáng)構(gòu)件；F：非金屬加強(qiáng)構(gòu)件；G：金屬重型加強(qiáng)構(gòu)件；H：非金屬重型加強(qiáng)構(gòu)件。第70頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)52分，星期一 派生特征的代號(hào)及其意義B：扁平式結(jié)構(gòu)；Z

36、：自承式結(jié)構(gòu)；T：填充式結(jié)構(gòu)；S：松套結(jié)構(gòu)。注：當(dāng)光纜型式兼有不同派生特征時(shí)，其代號(hào)字母順序并列。第71頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)52分，星期一 護(hù)套的代號(hào)及其意義Y：聚乙烯護(hù)套；V：聚氯乙烯護(hù)套；U：聚氨酯護(hù)套；A：鋁、聚乙烯護(hù)套；L：鋁護(hù)套；Q：鉛護(hù)套；G：鋼護(hù)套；S：鋼、鋁、聚乙烯綜合護(hù)套。第72頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)52分，星期一 外護(hù)層的代號(hào)及其意義外護(hù)層是指鎧裝層及鎧裝層外面的外被層，參照國(guó)標(biāo)GB2952-82的規(guī)定，外護(hù)層采用兩位數(shù)字表示，各代號(hào)的意義如表2.4所示。第73頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)52分，星期一2.5 導(dǎo)

37、波原理第74頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)52分，星期一2.5.1 光的基本特性定義：具有相同相位的點(diǎn)的集合稱為光的等相面或者波前性質(zhì)：光的傳播方向垂直于波前點(diǎn)光源球面波前平面波前光線（假設(shè)光在各向同性的均勻介質(zhì)中傳播）光兩種典型的傳播方式第75頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)52分，星期一電場(chǎng)(E)和磁場(chǎng)(H)相互正交平面波作為一種電磁波，光波是一個(gè)橫波，其傳播方向垂直于電場(chǎng)(E)和磁場(chǎng)(H)的振動(dòng)方向 (1821年，菲涅爾)給定一個(gè)空間直角坐標(biāo)系O-xyz，假設(shè)一列平面波始終沿 z 方向傳播，那么這列波可測(cè)量的電場(chǎng)可以表示為：其中為光的角頻率，k = 2p/l為光

38、的傳播常數(shù)，它表征光向前傳播時(shí)相位變化的快慢。E(z, t) = eEcos(t - kz)第76頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)52分，星期一偏振態(tài)根據(jù)光的電場(chǎng)矢量在xy平面上的運(yùn)動(dòng)軌跡，可以將光分為： 線偏振光 橢圓偏振光 圓偏振光第77頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)52分，星期一電場(chǎng)矢量在xy平面上的運(yùn)動(dòng)軌跡為一條直線的光稱為線偏振光，它可以表示為兩個(gè)相互正交的線偏振光：E(z, t) = Ex (z, t) + Ey (z, t) Ex(z, t) = exE0 xcos(t - kz)Ey(z, t) = eyE0ycos(t - kz +）這兩個(gè)垂直分量之

39、間的相位差滿足d = 2mp, 其中m = 0, 1, 2,線偏振光q第78頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)52分，星期一橢圓偏振光 (d 2mp, m = 0, 1, 2,)橢圓偏振光第79頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)52分，星期一圓偏振光特別地，當(dāng)兩個(gè)相互正交的分量幅度相等，且二者之間的相位差 d = p/2 + 2mp 時(shí)，橢圓偏振光變成圓偏振光：迎著光傳播的方向觀察，根據(jù) d取p/2和-p/2，圓偏振光分為右旋圓偏振光和左旋圓偏振光第80頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)52分，星期一光的粒子性：光電效應(yīng) (1887年赫茲發(fā)現(xiàn)，1905年愛(ài)因斯坦成

40、功解釋)1. 光能量的發(fā)射與吸收總是以光量子的離散形式進(jìn)行的2. 光子的能量?jī)H與光子的頻率有關(guān)一個(gè)頻率為n的光子能量為E = hn 其中h = 6.63 10-34 Js為普朗克常數(shù)光的量子特性在光的照射下，金屬是否發(fā)射電子，僅與光的頻率相關(guān)，而與光的亮度和照射時(shí)間無(wú)關(guān)。不同的金屬材料要求不同的光照頻率。第81頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)52分，星期一2.5.2. 平板波導(dǎo)中的波動(dòng)解釋dn1n2n2光線1光線2q假設(shè)：一個(gè)平面波的兩條光線1和2，以角度 q Hz) 相反 EH (Ez Hz)第85頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)52分，星期一模式概述 不同入射角的光激勵(lì)出不同的模式。下面為光軸剖面的幾個(gè)低階橫電模式的場(chǎng)分布。模式的階數(shù)等于波導(dǎo)橫向場(chǎng)量零點(diǎn)的個(gè)數(shù)。同時(shí)，光的入射角越小，激發(fā)的模式階數(shù)越低。如圖所示導(dǎo)波模場(chǎng)并不完全局限在纖芯，而是部分進(jìn)入包層。它們?cè)诶w芯區(qū)域簡(jiǎn)諧變化，在包層按指數(shù)衰減。簡(jiǎn)諧變化指數(shù)衰減指數(shù)衰減纖芯 n1包層 n2包層 n2第86頁(yè)，共95頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)52分，星期一輻射模和泄漏模 平