圆形介质波导.pptx

2.1 光纤的结构与类型q2.1.1 光纤的结构n光纤(Optical Fiber，OF)就是用来导光的透明介质纤维，一根实用化的光纤是由多层透明介质构成的，一般可以分为三部分：折射率较高的纤芯、折射率较低的包层和外面的涂覆层，如图2.1所示。图图2.1 光纤结构示意图光纤结构示意图q2.1.2 光纤的类型n光纤的分类方法很多，既可以按照光纤截面折射率分布来分类，又可以按照光纤中传输模式数的多少、光纤使用的材料或传输的工作波长来分类。n按照截面上折射率分布的不同可以将光纤分为q阶跃型光纤(Step-Index Fiber，SIF)q渐 变 型 光 纤(Graded-Index Fiber，GIF)n其折射率分布如图2.2所示，光纤的折射率变化可以用折射率沿半径的分布函数n(r)来表示。1.按光纤截面上折射率分布分类图图2.2 光纤的折射率分布光纤的折射率分布q多模光纤(Multi-Mode Fiber，MMF)n在一定的工作波上，当有多个模式在光纤中传输时，则这种光纤称为多模光纤。q单模光纤(Single Mode Fiber，SMF)n单模光纤是只能传输一种模式的光纤，单模光纤只能传输基模(最低阶模)，不存在模间时延差，具有比多模光纤大得多的带宽，这对于高码速传输是非常重要的。2.按传输模式的数量分类q短波长光纤q长波长光纤q超长波长光纤3.按光纤的工作波长分类4.按ITU-T建议分类n按照ITU-T关于光纤类型的建议，可以将光纤分为qG.651光纤(渐变型多模光纤)qG.652光纤(常规单模光纤)qG.653光纤(色散位移光纤)qG.654光纤(截止波长光纤)qG.655光纤(非零色散位移光纤)n按套塑(二次涂覆层)可以将光纤分为q松套光纤q紧套光纤n现在实用的石英光纤通常有以下三种：q阶跃型多模光纤q渐变型多模光纤q阶跃型单模光纤2.2 光 缆n2.2.1 光缆的典型结构q1.光缆的构造（缆芯和护层）q2.光缆的典型结构n2.2.2 光缆的种类与型号q1.光缆的种类q2.光缆的型号q(1)缆芯n在光缆的构造中，缆芯是主体，其结构是否合理，与光纤的安全运行关系很大。一般来说，缆芯结构应满足以下基本要求：光纤在缆芯内处于最佳位置和状态，保证光纤传输性能稳定，在光缆受到一定的拉力、侧压力等外力时，光纤不应承受外力影响；其次缆芯内的金属线对也应得到妥善安排，并保证其电气性能；另外缆芯截面应尽可能小，以降低成本和敷设空间。q(2)护层n光缆护层同电缆护层的情况一样，是由护套和外护层构成的多层组合体。其作用是进一步保护光纤，使光纤能适应在各种场地敷设，如架空、管道、直埋、室内、过河、跨海等。对于采用外周加强元件的光缆结构，护层还需提供足够的抗拉、抗压、抗弯曲等机械特性方面的能力。n按缆芯组件的不同一般可以分为q层绞式q骨架式q束管式q带状式n如图2.21所示。我国及欧亚各国用的较多的是传统结构的层绞式和骨架式两种。2.光缆的典型结构图图2.21光缆的典型结构示意图光缆的典型结构示意图q(1)层绞式结构n层绞式光缆的结构类似于传统的电缆结构方式，故又称为古典式光缆。q(2)骨架式结构n骨架式光缆中的光纤置放于塑料骨架的槽中，槽的横截面可以是V形、U形或其他合理的形状，槽的纵向呈螺旋形或正弦形，一个空槽可放置510根一次涂覆光纤。q(3)束管式结构n束管式结构的光缆近年来得到了较快的发展。它相当于把松套管扩大为整个纤芯，成为一个管腔，将光纤集中松放在其中。q(4)带状式结构n带状式结构的光缆首先将一次涂覆的光纤放入塑料带内做成光纤带，然后将几层光纤带叠放在一起构成光缆芯。其分类方法很多，习惯的分类有：n根据光缆的传输性能、距离和用途，光缆可以分为q市话光缆q长途光缆q海底光缆q用户光缆1.光缆的种类n根据光纤的种类，光缆可以分为q多模光缆q单模光缆；n根据光纤套塑的种类，光缆可以分为q紧套光缆q松套光缆q束管式新型光缆q带状式多芯单元光缆n根据光纤芯数的多少，光缆可以分为q单芯光缆q多芯光缆n根据加强构件的配置方式，光缆可以分为q中心加强构件光缆(如层绞式光缆、骨架式光缆等)q分散加强构件光缆(如束管式光缆)q护层加强构件光缆(如带状式光缆)n根据敷设方式，光缆可以分为q管道光缆q直埋光缆q架空光缆q水底光缆n根据护层材料性质，光缆可以分为q普通光缆q阻燃光缆q防蚁、防鼠光缆光缆的种类较多，同其他产品一样，具有具体的型式和规格。q(1)光缆的型式代号n光缆的型式代号是由分类、加强构件、派生(形状、特性等)、护套和外护层五部分组成，如图2.22所示。q(2)光纤的规格代号2.光缆的型号图图2.22 光缆的型式代号光缆的型式代号(1)光缆的型式代号nGY：通信用室(野)外光缆；nGR：通信用软光缆；nGJ：通信用室(局)内光缆；nGS：通信用设备内光缆；nGH：通信用海底光缆；nGT：通信用特殊光缆；nGW：通信用无金属光缆。光缆分类代号及其意义n无符号：金属加强构件；nF：非金属加强构件；nG：金属重型加强构件；nH：非金属重型加强构件。加强构件的代号及其意义nB：扁平式结构；nZ：自承式结构；nT：填充式结构；nS：松套结构。n注：当光缆型式兼有不同派生特征时，其代号字母顺序并列。派生特征的代号及其意义nY：聚乙烯护套；nV：聚氯乙烯护套；nU：聚氨酯护套；nA：铝、聚乙烯护套；nL：铝护套；nQ：铅护套；nG：钢护套；nS：钢、铝、聚乙烯综合护 护套的代号及其意义n外护层是指铠装层及铠装层外面的外被层，参照国标GB2952-82的规定，外护层采用两位数字表示，各代号的意义如表2.4所示 外护层的代号及其意义表2.4外护层的代号及意义代号 铠装层代号 外被层0无 0无 11纤维层2双钢带 2聚氯乙烯套 3细圆钢丝 3聚乙烯套 4粗圆钢丝5单钢带皱纹纵包 光纤的规格代号是由q光纤数目q光纤类别q光纤主要尺寸参数q传输性能q适用温度五部分组成，各部分均用代号或数字表示。(2)光纤的规格代号 光纤数目n用光缆中同类别光纤的实际有效数目的阿拉伯数字表示。nJ：二氧化硅系多模渐变型光纤；nT：二氧化硅系多模阶跃型(突变型)光纤；nZ：二氧化硅系多模准突变型光纤；nD：二氧化硅系单模光纤；nX：二氧化硅纤芯塑料包层光纤；nS：塑料光纤。光纤类别的代号及其意义n用阿拉伯数字(含小数点)以m为单位表示多模光纤的芯径/包层直径或单模光纤的模场直径/包层直径。光纤的主要尺寸参数代号及其意义 传输性能代号及其意义光纤的传输特性代号是由使用波长、损耗系数、模式带宽的代号(分别为a、bb、cc)构成。n其中a表示使用波长的代号，其数字代号规定如下：q1：使用波长在0.85m区域；q2：使用波长在1.31m区域；q3：使用波长在1.55m区域。qbb表示损耗系数的代号，其数字依次为光缆中光纤损耗系数值(dB/km)的个位和十分位。qcc表示模式带宽的代号，其数字依次是光缆中光纤模式带宽数值(MHzkm)的千位和百位数字。单模光纤无此项。n注意：同一光缆适用于两种以上的波长，并具有不同的传输特性时，应同时列出各波长上的规格代号，并用/划开。nA：适用于-40 +40；nB：适用于-30 +50；nC：适用于-20 +60；nD：适用于-5+60。适用温度代号及其意义2.3 光纤的损耗特性n2.3.1 吸收损耗q1.本征吸收损耗q2.杂质吸收损耗q3.原子缺陷吸收损耗n2.3.2 散射损耗q1.线性散射损耗q2.非线性散射损耗n2.3.3 弯曲损耗n2.3.4 光纤损耗系数2.3.1 吸收损耗n吸收损耗是由制造光纤材料本身以及其中的过渡金属离子和氢氧根离子(OH)等杂质对光的吸收而产生的损耗，前者是由光纤材料本身的特性所决定的，称为本征吸收损耗。本征吸收损耗在光学波长及其附近有两种基本的吸收方式。q(1)紫外吸收损耗n紫外吸收损耗是由光纤中传输的光子流将光纤材料中的电子从低能级激发到高能级时，光子流中的能量将被电子吸收，从而引起的损耗。q(2)红外吸收损耗n红外吸收损耗是由于光纤中传播的光波与晶格相互作用时，一部分光波能量传递给晶格，使其振动加剧，从而引起的损耗。1.本征吸收损耗n光纤中的有害杂质主要有过渡金属离子，如铁、钴、镍、铜、锰、铬等和OH。2.杂质吸收损耗n通常在光纤的制造过程中，光纤材料受到某种热激励或光辐射时将会发生某个共价键断裂而产生原子缺陷，此时晶格很容易在光场的作用下产生振动，从而吸收光能，引起损耗，其峰值吸收波长约为630nm左右。3.原子缺陷吸收损耗n1.线性散射损耗q(1)瑞利散射q(2)光纤结构不完善引起的散射损耗(波导散射损耗)n2.非线性散射损耗2.3.2 散射损耗1.线性散射损耗n任何光纤波导都不可能是完美无缺的，无论是材料、尺寸、形状和折射率分布等等，均可能有缺陷或不均匀，这将引起光纤传播模式散射性的损耗，由于这类损耗所引起的损耗功率与传播模式的功率成线性关系，所以称为线性散射损耗。n瑞利散射是一种最基本的散射过程，属于固有散射。n对于短波长光纤，损耗主要取决于瑞利散射损耗。值得强调的是：瑞利散射损耗也是一种本征损耗，它和本征吸收损耗一起构成光纤损耗的理论极限值。(1)瑞利散射n在光纤制造过程中，由于工艺、技术问题以及一些随机因素，可能造成光纤结构上的缺陷，如光纤的纤芯和包层的界面不完整、芯径变化、圆度不均匀、光纤中残留气泡和裂痕等等。(2)光纤结构不完善引起的散射损耗(波导散射损耗)n光纤中存在两种非线性散射，它们都与石英光纤的振动激发态有关，分别为受激喇曼散射和受激布里渊散射。2.非线性散射损耗n光纤的弯曲有两种形式：一种是曲率半径比光纤的直径大得多的弯曲，我们习惯称为弯曲或宏弯；另一种是光纤轴线产生微米级的弯曲，这种高频弯曲习惯称为微弯。2.3.3 弯曲损耗n 在光缆的生产、接续和施工过程中，不可避免地出现弯曲。n微弯是由于光纤受到侧压力和套塑光纤遇到温度变化时，光纤的纤芯、包层和套塑的热膨胀系数不一致而引起的，其损耗机理和弯曲一致，也是由模式变换引起的。2.3.4 光纤损耗系数n为了衡量一根光纤损耗特性的好坏，在此引入损耗系数(或称为衰减系数)的概念，即传输单位长度(1km)光纤所引起的光功率减小的分贝数，一般用表示损耗系数，单位是dB/km。用数学表达式表示为：n式中：L为光纤长度，以km为单位；P1和P2分别为光纤的输入和输出光功率，以mW或W为单位。光纤的损耗谱2.4 成缆对光纤特性的影响n2.4.1 光缆特性q1.拉力特性q2.压力特性q3.弯曲特性q4.温度特性n2.4.2 成缆对光纤特性的影响q1.成缆的附加损耗q2.成缆可以改善光纤的温度特性q3.机械强度增加2.4.1 光缆特性q1.拉力特性n光缆能承受的最大拉力取决于加强构件的材料和横截面积，一般要求大于1km光缆的重量，多数光缆在100400kg范围。q2.压力特性n光缆能承受的最大侧压力取决于护套的材料和结构，多数光缆能承受的最大侧压力在100400kg/10cm。q3.弯曲特性n弯曲特性主要取决于纤芯与包层的相对折射率差以及光缆的材料和结构。q4.温度特性n光纤本身具有良好的温度特性。q1.成缆的附加损耗n不良的成缆工艺，把光纤制成光缆后，会带来附加损耗，称之为成缆损耗。q2.成缆可以改善光纤的温度特性n套塑光纤或带有表面涂层的光纤，它的损耗随温度变化如图3.14中虚线所示。2.4.2 成缆对光纤特性的影响图3.14 光纤和光缆的温度特征n把光纤制成光缆，温度特性会得到相当大的改善，如图3.14中的实线所示。q3.机械强度增加n这一点是很显然的。一般光纤的断点强度约为15kg，而由于光缆结构中加入了加强构件、护套、甚至铠装层等，因此其断点强度远大于上述值；不仅如此，光缆的抗侧压、抗冲击和抗扭曲性能都有明显增强。