光技术与光纤通信经典教材

光纤 通信
旋转
石英坯管 排气
SiCl4 + O2 GeCl + O2
HO焰 1400～1500℃ H2 O2 火焰移动
Cl2
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。
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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＝ 3～100μm 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
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光纤坯棒 高 温 炉 2000 ℃ 测径仪 光纤涂覆器 调速设备 测温仪 炉温控制
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。
固 化 炉
拉丝轮
拉丝工艺装置示意图
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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。
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
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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
环境 温度
多模渐 变型
芯径/包层径
数值孔径0.20 工作波长0.85µ m
带宽长度积 800MHz•km 衰减常数 2.0dB/km
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
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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
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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。
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第一章 第二章 第三章 第四章 第五章
光技术与光纤通信 概述 光纤与光缆 通信用光器件 光纤通信系统 光纤通信中的高新技术
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第二章
光纤与光缆
§2.1 §2.2 §2.3 §2.4 §2.5
光纤的构造与分类 光纤传光原理 光纤的特性（性能） 光缆 光纤特性的测量方法
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§2.1 光纤的构造与分类
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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)
光纤 通信 n(r)
b a n(r)
b a
0 n1
n2 a b
0 n1
a n2 b
阶跃型光纤
n(r)=
渐变型光纤
n1 r≤ a
n2 a < r ≤ b
n(r)=
n1 [ 1 - 2Δ ( r/a ) g ]1/2 r ≤ a
n2 [ 1 - 2Δ ]1/2 a<r≤b
Δ—相对折射率差， Δ ＝（ n1 - n2 ) / n1
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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。
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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
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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。
光纤 通信 按原材料 所用原材料举 可制成光纤按其 划分 例 它方法归类 石英光纤 SiO2和掺杂剂 阶跃单模(SM) 阶跃多模(SI) 梯度多模(GI) 阶跃多模(SI) 多成份玻 纳钙玻璃 璃光纤 硼硅酸盐玻璃 梯度多模(GI)
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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：0.8～0.9µ m 长波长光纤： 1.0～1.7µ m 超长波长光纤： > 2µ m 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
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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
材料对性能的影响
特点 衰 强 可靠 价 减 度 性 格 低 高 高 高
较 较 存在 较 低 低 问题 低
塑包石英 纤芯： SiO2 光纤 包层：塑料
阶跃多模(SI)
较 较 存在 较 低 高 问题 低
高 低 有问 低 题
全塑光纤 纤芯：聚甲基丙烯酸甲酯 SI 包层：氟代丙烯酸树酯
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光纤分类－2
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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。
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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。
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
1—850nm ； 2—1310nm ；
3—1550nm ； 1/2—850/1310nm ；
环境温度代号
C1— -40~+60 º C ； C2— -30~+60 º C； C3— -20~+60 º C ； C4— -5~+60 º C；
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2、单模光纤型号的命名方法
B1 - 9/125
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a 双包层
b 三角芯
c 椭圆芯
典型特种单模光纤
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a—阶跃型光纤；b－渐变型光纤；c－单模光纤
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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=50～75µ m ，2b=100-200 µ m （多模） 单模光纤(SM—Single Mode fiber) 只传输一种模式 2a=4~10 µ m ，2b=125 µ m (单模)
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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
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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。
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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。
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1、多模光纤型号的命名方法 A1 - 50/125 (20) 1 20 08 C2
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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。
常规 单模 模场直径/包层径 工作波长1.31µ m
2
08 C2
环境 温度
衰减常数 0.8dB/km
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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1.3～1.55µ m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
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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，