光纤光缆 讲 义 武汉大学 电子信息学院 何对燕

武汉大学 电子信息学院 一、引言 电子和光子的特点：电子具有电荷和质量，而光子却没有；电子遵循费米—狄拉克统计学规律，而光子则遵循波色—爱因斯坦统计学规律；电子仅可通过串行方式处理，而光子则可以通过并行方式处理；运动的电子产生电磁场和波，而光子却不能；电子可以承受电磁干扰，而光子却不能。电子在自由空间不能自由传输且需要导线传输，而光子却可以在波导器件和自由空间传播 00-10-10

计算机科学技术、通信技术、自动控制、电子技术等的关键基础 武汉大学 电子信息学院 一、引言 固态电子学，微电子学信息技术革命 计算机科学技术、通信技术、自动控制、电子技术等的关键基础 光电子技术的迅速发展，已渗入到信息技术领域的各个方面，如超大容量信息流传输；多媒体宽带综合服务的信息交换互连网络；高密度信息量存储；信息的超快实时处理；信息的获取读出和显示等 00-10-10

以电磁波(或电子)作为信息载体的技术已走到极限，价格昂贵的同轴电缆的传输容量为500MHz，容量有限，难以达到Tb/s级超大容量传输的需要 武汉大学 电子信息学院 二、超大容量信息传输领域的光电子技术 以电磁波(或电子)作为信息载体的技术已走到极限，价格昂贵的同轴电缆的传输容量为500MHz，容量有限，难以达到Tb/s级超大容量传输的需要 光波的本征带宽高达200THz，低损耗石英光纤在1.55um波长处的窗口带宽也可达到25THz 目前光纤通信系统单通道传输容量已达到40Gb/s 00-10-10

光源：DFB半导体激光器与量子阱EA电光调制器单片集成器件，最高调制带宽：40GHz 武汉大学 电子信息学院 二、超大容量信息传输领域的光电子技术 要达到Tb/s级超大容量传输的需要，必须应用光电子技术：高速率响应（100GHz)、窄线宽(100KHz)集成化半导体激光器,全光中继的半导体激光泵浦掺铒光纤放大器(EDFA)，波导光栅阵列波分复用与解复用器等 光源：DFB半导体激光器与量子阱EA电光调制器单片集成器件，最高调制带宽：40GHz 00-10-10

问题：存在光纤的非线性效应，如四波混频等 武汉大学 电子信息学院 二、超大容量信息传输领域的光电子技术 问题：石英光纤在波长1.55um处的色散率为2ps/nm·KM，而10Gb/s的传输码率相应的码宽为100ps，即使激光器的线宽能做到0.01nm；当传输100KM距离时的色散延迟也有2ps 问题：存在光纤的非线性效应，如四波混频等 突破50Gb/s单信道传输容量十分困难 00-10-10

光孤子技术：光纤非线性（16mW）自相位调制自洽补偿1.55um窗口波长光纤的反常色散（10ps）实现无延迟的光孤子传输 武汉大学 电子信息学院 二、超大容量信息传输领域的光电子技术 光孤子技术：光纤非线性（16mW）自相位调制自洽补偿1.55um窗口波长光纤的反常色散（10ps）实现无延迟的光孤子传输 DFB半导体激光器与量子阱EA电光调制器单片集成器件可使光孤子的传输码率达到40Gb/s 更高重复率（100GHz）的光孤子激发，必须利用锁模技术实现，量子阱半导体锁模激光器是最可实用化的一类 00-10-10

Tb/s级传输容量是信息化社会的标志，复用技术是关键，主要有时分复用（TDM）和波分复用（WDM） 武汉大学 电子信息学院 二、超大容量信息传输领域的光电子技术 Tb/s级传输容量是信息化社会的标志，复用技术是关键，主要有时分复用（TDM）和波分复用（WDM） TDM的问题：Tb/s级超大容量的传输光脉冲宽度要压窄到100fs以下 WDM技术提供了重要的扩充传输容量的途径，关键有波长稳定精确可控的光源，量子阱结构DFB或DBR长波长（1.55um）半导体激光器的集成化要求较高 00-10-10

武汉大学 电子信息学院 二、超大容量信息传输领域的光电子技术 Tb/s级超大容量传输技术：输运能力由时间和光谱的测不准原理所限定。测不准原理(Δｔ×Δν>1/2)限制了同步采用高速ＴＤＭ和高密度ＷＤＭ信号处理。Δｔ和Δｖ分别代表光通信信号的时间和光谱宽度。ＴＤＭ与ＷＤＭ组合用于相对长的脉冲,不考虑光纤类型或长度,获得的最大比特率是2.3Ｔｂ/ｓ 00-10-10

带宽极大； 直径小、重量轻； 并行光纤之间没有串扰； 不受感应的干扰； 低价传输信号的潜力； 较大的安全性； 较大的保险性； 武汉大学 电子信息学院 §.1 光纤的优点 带宽极大； 直径小、重量轻； 并行光纤之间没有串扰； 不受感应的干扰； 低价传输信号的潜力； 较大的安全性； 较大的保险性； 更长的使用寿命； 00-10-10

对温度腐蚀性液体及气体的高耐抗性； 更高的可靠性及易维护性； 无信号辐射泄露； 系统易于扩容； 使用常见的天然资源； 武汉大学 电子信息学院 §.1 光纤的优点（ 续） 对温度腐蚀性液体及气体的高耐抗性； 更高的可靠性及易维护性； 无信号辐射泄露； 系统易于扩容； 使用常见的天然资源； 00-10-10

武汉大学 电子信息学院 §.2 光纤的类型 光纤的结构 00-10-10

阶跃折射率(SI)光纤：纤芯折射率恒定,芯-包层界面的折射率有阶梯性跃变； 渐变折射率(GI)光纤：纤芯折射率连续变化； 武汉大学 电子信息学院 §.2 光纤的类型（ 续） 阶跃折射率(SI)光纤：纤芯折射率恒定,芯-包层界面的折射率有阶梯性跃变； 渐变折射率(GI)光纤：纤芯折射率连续变化； 多模(MM)光纤：多种模式传输，包层直径125μm，芯径50～100μm ； 单模(SM)光纤：一种模式传输，包层直径125μm ，芯径8μm ； 00-10-10

武汉大学 电子信息学院 §.2 光纤的类型（ 续） 00-10-10

武汉大学 电子信息学院 §.2 光纤的类型（ 续） 光纤的归一化频率(V)： 00-10-10

武汉大学 电子信息学院 §.3 光传播理论 光线理论： 00-10-10

武汉大学 电子信息学院 §.3 光传播理论（ 续） 00-10-10

NA表征光纤采集或接收光的能力，其典型值为0.1～0.2，对应的接收角为5.7º ～11.5º， 武汉大学 电子信息学院 §.3 光传播理论（ 续） 子午光线的数值孔径(NA)： NA表征光纤采集或接收光的能力，其典型值为0.1～0.2，对应的接收角为5.7º ～11.5º， 00-10-10

对称平板波导中几种低阶导模的电场分布： 武汉大学 电子信息学院 §.4 模式理论 对称平板波导中几种低阶导模的电场分布： 00-10-10

武汉大学 电子信息学院 §.4 模式理论（ 续） 用柱坐标系分析光纤中电磁波的传播： 00-10-10

武汉大学 电子信息学院 §.4 模式理论（ 续） 低阶LP模的组成： 00-10-10

武汉大学 电子信息学院 §.4 模式理论（ 续） 00-10-10

吸收损耗：传输光与光纤材料相互作用，导致光子跃迁，这些光子跃迁到其他波长或以机械振动（热）的形式释放或吸收能量，传输光会损失能量。 武汉大学 电子信息学院 §.5 光纤衰减 吸收损耗：传输光与光纤材料相互作用，导致光子跃迁，这些光子跃迁到其他波长或以机械振动（热）的形式释放或吸收能量，传输光会损失能量。 主要的吸收：过度金属杂质(Fe++，Cr++，Co++，Cu++等)引起可见光及近红外光吸收。OH根离子在1.4um，0.95um，0.725um波长处的光吸收。 00-10-10

武汉大学 电子信息学院 §.5 光纤衰减（ 续） 散射损耗： 00-10-10

武汉大学 电子信息学院 §.5 光纤衰减（ 续） 辐射损耗： 00-10-10

色散：由于传输时间的延迟导致脉冲展宽带来的信号失真，被展宽的脉冲与其他相邻脉冲发生重叠，使得信号无法分辨。(ISI) 武汉大学 电子信息学院 §.6 光纤色散 色散：由于传输时间的延迟导致脉冲展宽带来的信号失真，被展宽的脉冲与其他相邻脉冲发生重叠，使得信号无法分辨。(ISI) 色散种类：模间色散、材料色散、波导色散、偏振色散。 群时延差：不同速度的信号传过同样的距离所需的时延不同。 00-10-10

模间色散：信号中不同模式成分传输速度不同。 材料色散：光纤材料折射率是光频（波长）的函数，信号中不同频率成分传输速度不同。 武汉大学 电子信息学院 §.6 光纤色散（ 续） 模间色散：信号中不同模式成分传输速度不同。 材料色散：光纤材料折射率是光频（波长）的函数，信号中不同频率成分传输速度不同。 波导色散：模式的传播常数β是光频（波长）的函数，信号中相同模式不同传播常数β的成分传输速度不同。 00-10-10

武汉大学 电子信息学院 §.6 光纤色散（ 续） 00-10-10

武汉大学 电子信息学院 §.6 光纤色散（ 续） 00-10-10

武汉大学 电子信息学院 §.6 光纤色散（ 续） 00-10-10

武汉大学 电子信息学院 §.6 光纤色散（ 续） 00-10-10

武汉大学 电子信息学院 §.6 光纤色散（ 续） 材料色散： 00-10-10

武汉大学 电子信息学院 §.6 光纤色散（ 续） 波导色散： 00-10-10

武汉大学 电子信息学院 §.7 光纤的设计与选择 标准单模光纤(G.652)：零色散波长在1.3μm窗口的单模光纤,系统的传输距离只受光纤衰减所限制,在1.3μm波段的损耗较大，约为0.3dB/km～0.4dB/km；在1.55μm波段的损耗较小，约为0.2dB/km～0.25dB/km。色散在1.3μm波段为3.5ps/nm·km，在1.55μm波段的损耗较大，约为20ps/nm·km。这种光纤可支持用于在1.55μm波段的2.5Gb/s的干线系统，但由于在该波段的色散较大，若传输10Gb/s的信号，传输距离超过50公里时，就要求使用价格昂贵的色散补偿模块。 00-10-10

武汉大学 电子信息学院 §.7 光纤的设计与选择（ 续） 色散位移光纤(DSF G.653)： 00-10-10

武汉大学 电子信息学院 §.7 光纤的设计与选择（ 续） 00-10-10

武汉大学 电子信息学院 §.7 光纤的设计与选择（ 续） 衰减最小光纤 (G.654)：为了满足海底缆长距离通信的需求，人们开发了一种应用于1.55μm波长的纯石英芯单模光纤，它在该波长附近上的衰减最小，仅为0.185dB/km。G.654光纤在1.3μm波长区域的色散为零，但在1.55μm波长区域色散较大，约为（17～20）ps/（nm·km） 00-10-10

武汉大学 电子信息学院 §.7 光纤的设计与选择（ 续） 非零色散光纤 (G.655)：实质上是一种改进的色散位移光纤，其零色散波长不在1.55μm，而是在1.525μm或1.585μm处。非零色散光纤削减了色散效应和四波混频效应，而标准光纤和色散移位光纤都只能克服这两种缺陷中的一种，所以非零色散光纤综合了标准光纤和色散位移光纤最好的传输特性 00-10-10

武汉大学 电子信息学院 §.7 光纤的设计与选择（ 续） 色散平坦光纤(DFF 全波光纤 )： 00-10-10

武汉大学 电子信息学院 §.7 光纤的设计与选择（ 续） 00-10-10

色散补偿光纤(DCF)：光纤色散系数D为负数，纤芯搀杂比例比普通光纤高，因此光纤衰减系数增大。 武汉大学 电子信息学院 §.7 光纤的设计与选择（ 续） 色散补偿光纤(DCF)：光纤色散系数D为负数，纤芯搀杂比例比普通光纤高，因此光纤衰减系数增大。 定义FOM为光纤色散系数与衰减系数之比 00-10-10

武汉大学 电子信息学院 §.7 光纤的设计与选择（ 续） 保偏光纤：光纤偏振状态不变。 00-10-10

武汉大学 电子信息学院 §.8 光纤的制造 00-10-10

武汉大学 电子信息学院 §.8光纤的制造（ 续） 光纤预制棒： 00-10-10

武汉大学 电子信息学院 §.8光纤的制造（ 续） 改进的化学汽相沉积法（MCVD）： 00-10-10

2CF2Cl2+SiCL4+2O2 高温氧化 SiF4+2Cl2 +2CO2 武汉大学 电子信息学院 §.8光纤的制造（ 续） 包层化学方程式： SiCL4+O2 高温氧化 SiO2+2Cl2 2CF2Cl2+SiCL4+2O2 高温氧化 SiF4+2Cl2 +2CO2 芯层玻璃化学方程式（GeCl4）： GeCL4+O2 高温氧化 GeO2+2Cl2 00-10-10

武汉大学 电子信息学院 §.8光纤的制造（ 续） 00-10-10

武汉大学 电子信息学院 §.8光纤的制造（ 续） 管外汽相轴向沉积法（VAD）： 00-10-10

武汉大学 电子信息学院 §.8光纤的制造（ 续） 棒外汽相沉积法（OVPO）： 00-10-10

武汉大学 电子信息学院 §.8光纤的制造（ 续） 溶胶-凝胶法（Sol-Gel）： 00-10-10

武汉大学 电子信息学院 §.8光纤的制造（ 续） 拉丝装置： 00-10-10

武汉大学 电子信息学院 §.8光纤的制造（ 续） 双坩埚拉丝装置： 00-10-10

武汉大学 电子信息学院 §.8光纤的制造（ 续） 光纤涂覆装置： 00-10-10

武汉大学 电子信息学院 §.8光纤的制造（ 续） 光纤套塑装置： 00-10-10

武汉大学 电子信息学院 §.8光纤的制造（ 续） 00-10-10

武汉大学 电子信息学院 §.9光缆的结构 00-10-10

武汉大学 电子信息学院 §.9光缆的结构（ 续） 00-10-10

武汉大学 电子信息学院 §.9光缆的结构（ 续） 00-10-10

武汉大学 电子信息学院 §.9光缆的结构（ 续） 00-10-10

武汉大学 电子信息学院 §.9光缆的结构（ 续） 00-10-10

武汉大学 电子信息学院 §.9光缆的结构（ 续） 00-10-10

武汉大学 电子信息学院 §.9光缆的结构（ 续） 00-10-10

武汉大学 电子信息学院 §.9光缆的结构（ 续） 00-10-10

武汉大学 电子信息学院 §.9光缆的结构（ 续） 00-10-10

武汉大学 电子信息学院 §.9光缆的结构（ 续） 00-10-10

武汉大学 电子信息学院 §.9光缆的结构（ 续） 00-10-10

武汉大学 电子信息学院 §.9光缆的结构（ 续） 00-10-10

武汉大学 电子信息学院 §.9光缆的结构（ 续） 00-10-10

武汉大学 电子信息学院 §.9光缆的结构（ 续） 00-10-10

武汉大学 电子信息学院 §.9光缆的结构（ 续） 00-10-10

武汉大学 电子信息学院 §.9光缆的结构（ 续） 00-10-10

武汉大学 电子信息学院 §.9光缆的结构（ 续） 00-10-10

武汉大学 电子信息学院 §.9光缆的结构（ 续） 00-10-10

武汉大学 电子信息学院 §.9光缆的结构（ 续） 00-10-10

武汉大学 电子信息学院 §.9光缆的结构（ 续） 00-10-10

武汉大学 电子信息学院 §.9光缆的结构（ 续） 00-10-10

谢谢！