光纤光缆 讲 义 武汉大学 电子信息学院 何对燕.

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1 光纤光缆 讲 义 武汉大学 电子信息学院 何对燕

2 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

3 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

4 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

5 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

6 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

7 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

8 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

9 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

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；

11 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；

12 武汉大学 电子信息学院 §.2 光纤的类型 光纤的结构

13 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 ；

14 武汉大学 电子信息学院 §.2 光纤的类型（ 续）

15 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)：

16 武汉大学 电子信息学院 §.3 光传播理论 光线理论：

17 武汉大学 电子信息学院 §.3 光传播理论（ 续）

18 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，

19 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：

20 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：

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

22 武汉大学 电子信息学院 §.4 模式理论（ 续）

23 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。

24 武汉大学 电子信息学院 §.5 光纤衰减（ 续） 散射损耗：

25 武汉大学 电子信息学院 §.5 光纤衰减（ 续） 辐射损耗：

26 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。

27 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。

28 武汉大学 电子信息学院 §.6 光纤色散（ 续）

29 武汉大学 电子信息学院 §.6 光纤色散（ 续）

30 武汉大学 电子信息学院 §.6 光纤色散（ 续）

31 武汉大学 电子信息学院 §.6 光纤色散（ 续）

32 武汉大学 电子信息学院 §.6 光纤色散（ 续） 材料色散：

33 武汉大学 电子信息学院 §.6 光纤色散（ 续） 波导色散：

34 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。

35 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)：

36 武汉大学 电子信息学院 §.7 光纤的设计与选择（ 续）

37 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）

38 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

39 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 )：

40 武汉大学 电子信息学院 §.7 光纤的设计与选择（ 续）

41 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

42 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。

43 武汉大学 电子信息学院 §.8 光纤的制造

44 武汉大学 电子信息学院 §.8光纤的制造（ 续） 光纤预制棒：

45 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）：

46 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

47 武汉大学 电子信息学院 §.8光纤的制造（ 续）

48 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）：

49 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）：

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

51 武汉大学 电子信息学院 §.8光纤的制造（ 续） 拉丝装置：

52 武汉大学 电子信息学院 §.8光纤的制造（ 续） 双坩埚拉丝装置：

53 武汉大学 电子信息学院 §.8光纤的制造（ 续） 光纤涂覆装置：

54 武汉大学 电子信息学院 §.8光纤的制造（ 续） 光纤套塑装置：

55 武汉大学 电子信息学院 §.8光纤的制造（ 续）

56 武汉大学 电子信息学院 §.9光缆的结构

57 武汉大学 电子信息学院 §.9光缆的结构（ 续）

58 武汉大学 电子信息学院 §.9光缆的结构（ 续）

59 武汉大学 电子信息学院 §.9光缆的结构（ 续）

60 武汉大学 电子信息学院 §.9光缆的结构（ 续）

61 武汉大学 电子信息学院 §.9光缆的结构（ 续）

62 武汉大学 电子信息学院 §.9光缆的结构（ 续）

63 武汉大学 电子信息学院 §.9光缆的结构（ 续）

64 武汉大学 电子信息学院 §.9光缆的结构（ 续）

65 武汉大学 电子信息学院 §.9光缆的结构（ 续）

66 武汉大学 电子信息学院 §.9光缆的结构（ 续）

67 武汉大学 电子信息学院 §.9光缆的结构（ 续）

68 武汉大学 电子信息学院 §.9光缆的结构（ 续）

69 武汉大学 电子信息学院 §.9光缆的结构（ 续）

70 武汉大学 电子信息学院 §.9光缆的结构（ 续）

71 武汉大学 电子信息学院 §.9光缆的结构（ 续）

72 武汉大学 电子信息学院 §.9光缆的结构（ 续）

73 武汉大学 电子信息学院 §.9光缆的结构（ 续）

74 武汉大学 电子信息学院 §.9光缆的结构（ 续）

75 武汉大学 电子信息学院 §.9光缆的结构（ 续）

76 武汉大学 电子信息学院 §.9光缆的结构（ 续）

77 谢谢！