1、光导纤维传输原理及特性 421. 1.4 4 .1 .4 .1 .4 光纤的色散特性光纤的色散特性1.4.1.4.1 1.4.1.4.1 色散的物理意义色散的物理意义 根据物理光学中根据物理光学中“色散色散”的定义，色散是指复色光分解的定义，色散是指复色光分解成单色光而形成光谱的现象。成单色光而形成光谱的现象。 31. 1.4 4 .1 .4 .1 .4 光纤的色散特性光纤的色散特性1.4.1.4.1 1.4.1.4.1 色散的物理意义色散的物理意义 光纤色散的概念是指光纤中携带信号能量的各种模式成光纤色散的概念是指光纤中携带信号能量的各种模式成分，或信号自身的不同频率成分，因群速度不同，在传
2、输过分，或信号自身的不同频率成分，因群速度不同，在传输过程中相互散开，从而引起信号失真的一种物理现象。程中相互散开，从而引起信号失真的一种物理现象。或从能或从能量的观点简单描述为：光纤色散主要是指集中的光能量经光量的观点简单描述为：光纤色散主要是指集中的光能量经光纤传输后在光纤输出端发生能量分散，导致传输信号畸变的纤传输后在光纤输出端发生能量分散，导致传输信号畸变的现象，单位为现象，单位为ps/nmps/nm。 4 光脉冲中的不同频率或模式在光纤中的群速度不同，这些频率成分和模式到达光纤终端有先有后，使得光脉冲发生展宽，这就是光纤的色散，如图所示。色散引起的脉冲展宽示意图5t1t2t3t4 脉
3、冲展宽导致接收端无法将相邻的脉冲分开，从而导致误码。因此，射散特性限制了光纤的传输容量。6 单模光纤单模光纤中存在着材料色散、波导色散、和偏振模色中存在着材料色散、波导色散、和偏振模色散。散。 多模光纤多模光纤除具有单模光纤中存在的各种色散外，还存在除具有单模光纤中存在的各种色散外，还存在一种模式色散。一种模式色散。 模式色散材料色散波导色散偏振模色散模式色散材料色散波导色散偏振模色散7色散描述方式色散描述方式群时延差（群时延差（） 群时延差是指光波脉冲经光纤传输后，由于不同群速度群时延差是指光波脉冲经光纤传输后，由于不同群速度的作用结果，使各种模式的光波抵达终端的时间不同，那么的作用结果，使
4、各种模式的光波抵达终端的时间不同，那么最先抵达光纤终点的传输模式所需的时延时间最先抵达光纤终点的传输模式所需的时延时间1 1与最后抵达与最后抵达光纤终点的传输模式所需的时延时间光纤终点的传输模式所需的时延时间2 2之间的时延时间差之间的时延时间差就定义为光纤的群时延差，单位：就定义为光纤的群时延差，单位：psps。或定义为光波经。或定义为光波经1km1km长的光纤传输后光波脉冲宽度展宽了多少长的光纤传输后光波脉冲宽度展宽了多少PSPS（1PS=101PS=10-12-12S S）。单位：）。单位：ps/kmps/km。 群时延差越大，光纤色散就越严重，因此，常用群时延群时延差越大，光纤色散就越
5、严重，因此，常用群时延差表示色散程度。差表示色散程度。8色散描述方式色散描述方式色散系数色散系数D()D() 色散系数是表征单位长度光纤通信容量的一个物理量。色散系数是表征单位长度光纤通信容量的一个物理量。其定义为：各频率成分或不同模式的光信号以不同的群速度其定义为：各频率成分或不同模式的光信号以不同的群速度经单位长度光纤传输后，在单位波长间隔内所产生的色散或经单位长度光纤传输后，在单位波长间隔内所产生的色散或产生的平均群时延差的多少。单位：产生的平均群时延差的多少。单位：ps/nmkmps/nmkm。 DD代表两个波长间隔为代表两个波长间隔为1nm1nm的光波传输的光波传输1km1km距离后
6、的时延距离后的时延脉冲展宽：脉冲展宽：以波长单位表达以波长单位表达的光信号谱宽的光信号谱宽9色散描述方式色散描述方式带宽（带宽（B B）光纤的带宽光纤的带宽(f(f为调制信号频率为调制信号频率) )10 通常把调制信号经过光纤传播后，光功率下降一半(即3dB)时的频率(fc)的大小，定义为光纤的带宽(B)。由于它是光功率下降3dB对应的频率，故也称为3dB光带宽。可用下式表示。11式中：BM是由模式色散引起的模式畸变带宽；Bc是由材料色散和波导色散引起的波长色散带宽。12波长色散带宽定义为：式中：是光源的谱线宽度，单位是nm；L是光纤的长度，单位是km；D()是材料色散和波导色散的色散系数(即
7、波长色散系数)，单位是ps/(nmkm)，其中材料色散占主导地位。131. 1.4 4 .1 .4 .1 .4 光纤的色散特性光纤的色散特性1.4.1.4.2 1.4.1.4.2 模式色散模式色散 多模光纤多模光纤中不同模式的光束有不同的群速度，在传输过中不同模式的光束有不同的群速度，在传输过程中，不同模式的光束的时间延迟不同而产生的色散，称模程中，不同模式的光束的时间延迟不同而产生的色散，称模式色散。式色散。 所谓模式色散，用光的射线理论来说，就是由于轨迹不所谓模式色散，用光的射线理论来说，就是由于轨迹不同的各光线沿轴向的平均速度不同所造成的时延差。阶跃折同的各光线沿轴向的平均速度不同所造成
8、的时延差。阶跃折射率光纤中最快和最慢的传播光线可以用轴上光线和最大子射率光纤中最快和最慢的传播光线可以用轴上光线和最大子午光线（在纤芯和包层界面上以全反射角入射）来代表。在午光线（在纤芯和包层界面上以全反射角入射）来代表。在折射率一定的纤芯中，这两种光纤以等速度传播，所以延迟折射率一定的纤芯中，这两种光纤以等速度传播，所以延迟差直接与其各自在光纤内的路径长度相关。差直接与其各自在光纤内的路径长度相关。 14轴向光线通过长度为L的光纤用时最短，为：最大子午光线用时最长，为：15最大子午光线与轴光线间的延时差为：16 实际多模光纤的输入脉冲为单位脉冲，这种由色散机制引起的脉冲展宽用其均方根值表示：
9、多模阶跃折射率光纤：多模渐变折射率光纤：171. 1.4 4 .1 .4 .1 .4 光纤的色散特性光纤的色散特性1.4.1.4.2 1.4.1.4.2 材料色散材料色散 材料色散材料色散D Dm m，纤芯材料的折射率随波长变化导致了这种，纤芯材料的折射率随波长变化导致了这种色散，这样即使不同波长的光经历过完全相同的路径，也会色散，这样即使不同波长的光经历过完全相同的路径，也会发生脉冲展宽。发生脉冲展宽。 材料色散系数：材料色散系数： 18n n正常色散区正常色散区: :长波长光传播块，长波长光传播块，短波长光传播慢短波长光传播慢! !（负色散值负色散值）n n反常色散区反常色散区: :短波长
10、光传播块，短波长光传播块，长波长光传播慢长波长光传播慢! !（正色散值正色散值）正正常常色色散散区区反反常常色色散散区区191. 1.4 4 .1 .4 .1 .4 光纤的色散特性光纤的色散特性1.4.1.4.3 1.4.1.4.3 波导色散波导色散 波导色散波导色散D Dw w，由于单模光纤中只有约，由于单模光纤中只有约8080的光功率在纤的光功率在纤芯中传播，芯中传播，2020在包层中传播的光功率其速率要更大一些，在包层中传播的光功率其速率要更大一些，这样就出现了色散。波导色散的大小取决于光纤的设计，因这样就出现了色散。波导色散的大小取决于光纤的设计，因为模式传播常数为模式传播常数是是a/
11、a/的函数。的函数。 波导色散系数：波导色散系数： 20单模光纤的色散零色散零色散波长波长17ps/nm.k17ps/nm.km1550nmm1550nmD=DD=DMM+D+DWW211. 1.4 4 .1 .4 .1 .4 光纤的色散特性光纤的色散特性1.4.1.4.4 1.4.1.4.4 偏振模色散偏振模色散 偏振模色散（偏振模色散（PMDPMD）也称为极化色散。由于光信号的两）也称为极化色散。由于光信号的两个正交偏振态在光纤中有不同的传播速度而引起的色散称偏个正交偏振态在光纤中有不同的传播速度而引起的色散称偏振模色散。振模色散。 22本征光纤双折射随机的偏振模耦合 偏振模色散产生的原因
12、+ + 外界的挤压外界的挤压 光纤的弯曲、扭转光纤的弯曲、扭转 外界环境温度的变化等外界环境温度的变化等231. 1.4 4 .1 .4 .1 .4 光纤的色散特性光纤的色散特性1.4.1.4.5 1.4.1.4.5 光纤的总色散光纤的总色散 M M模式色散，模式色散，m m材料色散，材料色散，W W波导色散、波导色散、 p p偏振模偏振模色散色散 。 单模光纤一般只给出色散系数单模光纤一般只给出色散系数D D，其中包含了材料色散，其中包含了材料色散和波导色散的共同影响。和波导色散的共同影响。24三种光纤的总色散:1300nm最优化光纤色散平坦光纤色散位移光纤25NZ-DSFNZ-DSFDFF
13、DFFDSFDSF26降低衰减和色散的研究历程（同时也是光纤的一种分类方法） 制订光纤标准的国际组织主要有ITU - T(国际电信联盟 电信标准化机构) 。 1、 G.651多模渐变型(GIF)光纤，这种光纤具有较大的芯径和数值孔径，以利于更有效的与光源耦合，在光纤通信发展初期广泛应用于中小容量、中短距离的通信系统。 2、 G.652常规单模光纤，是第一代单模光纤，其特点是在波长1.31m色散为零，但是在1.55m处衰减最小（约0.22DB/km，但色散系数高达18ps/nm.km），可在这两个波长工作。目前世界上已敷设的光纤线路90%采用这种光纤。 27 这种光纤的缺点是，在零色散波长1.3
14、1m损耗(0.4 dB/km)不是最小值。在1.31m光纤放大器投入使用之前，要实现长距离通信系统，只能采用电/光和光/电的中继方式。 3、G.653色散移位光纤，是第二代单模光纤，其特点是在波长1.55 m色散为零，损耗又最小。这种光纤适用于大容量长距离通信系统，特别是20世纪80年代末期1.55m分布反馈激光器(DFB - LD)研制成功，90年代初期1.55 m掺铒光纤放大器(EDFA)投入应用，突破通信距离受损耗的限制，进一步提高了大容量长距离通信系统的水平。 28G.653G.653色散位移光纤色散位移光纤EDFAEDFA频带频带0.10.20.30.40.50.6衰减衰减 (dB/
15、km)(dB/km)1600170014001300120015001100波长波长(nm)(nm) 20 10 0-10-20色散色散(ps/nm.km)(ps/nm.km)G.65317ps/nm.kmG.652294、G.654在1.55m损耗最小的单模光纤，其特点是在波长1.31m色散为零，在1.55m色散为1720ps/(nmkm)，和常规单模光纤相同，但损耗更低，可达0.15dB/km以下。 这种光纤实际上是一种用于1.55m改进的常规单模光纤，目的是增加传输距离。 此外还有色散补偿光纤，其特点是在波长1.55m具有大的负色散。 这种光纤是针对波长1.31m常规单模光纤通信系统的升
16、级而设计的，因为当这种系统要使掺铒光纤放大器(EDFA)以增加传输距离时，必须把工作波长从1.31m移到1.55m。用色散补偿光纤在波长1.55m的负色散和常规单模光纤在1.55m的正色散相互抵消，以获得线路总色散为零损耗又最小的效果。 305、G.655非零色散光纤，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1.55 m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的频率分量，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。为消
17、除这种效应，科学家开始研究了非零色散光纤。这种光纤的特点是有效面积较大，零色散波长不在1.55 m，而在1.525m或1.585m。 在1.55m 有适中的微量色散，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10 Gb/s以上。非零色散光纤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。这种光纤在密集波分复用和孤子传输系统中使用，实现了超大容量超长距离的通信。31G.655G.655非零色散位移光纤非零色散位移光纤17ps/nm.kmEDFAEDFA频带频带0.10.20.30.40.50.6衰减衰减 (dB/km)(dB/km)16001700140
18、01300120015001100波长波长(nm)(nm) 20 10 0-10-20色散色散(ps/nm.km)(ps/nm.km)G.653G.652G.655G.655326、G.656 色散平坦光纤20-10-20-30101.11.21.31.41.51.61.7030l ( m m)普通光纤l1总色散l2色散平坦光纤在较大的范围内保持相近的色散值，适用于波分复用系统普通商用光纤色散平坦光纤33国际电信联盟（ITU T）关于光纤的分类参考资料：胡先志，光纤与光缆技术，电子工业出版社。P12634光纤色散的测量方法（1) 1) 相移法（基准试验方法）相移法（基准试验方法） 相移法是测量
19、光纤色散的基准试验方法。相移法的测量原理是通过测量不同波长的光纤的光信号,通过光纤后产生相移量,计算得出不同波长间的相对群时延再根据时延(i)得到最佳拟合时延曲线()，通过数学运算进一步得到光纤色散特性曲线D()。35光纤色散的测量方法（2 2）干涉法（第一替代试验方法）干涉法（第一替代试验方法） 干涉法是单模光纤色散测量的第一替代试验方干涉法是单模光纤色散测量的第一替代试验方法。干涉法的特点是仅用一根几米长的短光纤就可法。干涉法的特点是仅用一根几米长的短光纤就可以测量出光纤的色散。干涉法还可给出光纤色散纵以测量出光纤的色散。干涉法还可给出光纤色散纵向均匀性。而且它还可检测出整体或局部的因素，
20、向均匀性。而且它还可检测出整体或局部的因素，例如：温度变化、微弯损耗等对色散的影响。干涉例如：温度变化、微弯损耗等对色散的影响。干涉法测量原理是按照干涉法测量原理，即用法测量原理是按照干涉法测量原理，即用Mach-Mach-ZehnderZehnder干涉法测量被测光纤试样和参考通道之间与干涉法测量被测光纤试样和参考通道之间与波长有关的时延。波长有关的时延。36光纤色散的测量方法（3）脉冲时延法（替代试验方法） 脉冲时延法是单模光纤色散测量的第二替代试验法。这种试验方法的测量原理是，使不同波长的窄光脉冲分别通过已知长度的受试光纤时，测量不同波长下产生的相对群时延，再由群时延差计算出被测光纤的色
21、散系数。群时延的测量采用时域法，即通过探测、记录、处理不同波长下脉冲的时延。371. 1.4 4 .2 .2 光纤的物理特性光纤的物理特性1.4.2.1 1.4.2.1 断裂机理断裂机理1.4.2.2 1.4.2.2 光纤筛选光纤筛选1.4.2.3 1.4.2.3 抗拉强度抗拉强度1.4.2.4 1.4.2.4 疲劳参数疲劳参数1.4.2.5 1.4.2.5 涂覆层可剥性涂覆层可剥性1.4.2.6 1.4.2.6 光纤翘曲光纤翘曲1.4.2.7 1.4.2.7 其它物理特性其它物理特性381.4.2.1 1.4.2.1 断裂机理断裂机理（1 1）裂纹）裂纹 借助脆性材料断裂理论可以提示光纤表面
22、微裂纹是如何借助脆性材料断裂理论可以提示光纤表面微裂纹是如何导致光纤断裂的原因。根据格利菲斯（导致光纤断裂的原因。根据格利菲斯（GriffithGriffith）的脆性材）的脆性材料断裂理论，假定光纤表面的微裂纹的裂口形状为料断裂理论，假定光纤表面的微裂纹的裂口形状为U U字形。字形。外界作用压力将集中在外界作用压力将集中在U U字形裂口的顶端，其上的应力可用字形裂口的顶端，其上的应力可用弹性理论计算出来。弹性理论计算出来。391.4.2.1 1.4.2.1 断裂机理断裂机理（1 1）裂纹）裂纹 如图所示的一个如图所示的一个U U字形裂纹，且所加应力垂直于裂纹。字形裂纹，且所加应力垂直于裂纹。
23、如外加应力为如外加应力为S S，裂纹尖端有应力，裂纹尖端有应力可用下式计算：可用下式计算：401.4.2.1 1.4.2.1 断裂机理断裂机理（1 1）裂纹）裂纹 如图所示的一个如图所示的一个U U字形裂纹，且所加应力垂直于裂纹。字形裂纹，且所加应力垂直于裂纹。如外加应力为如外加应力为S S，裂纹尖端有应力，裂纹尖端有应力,可用下式计算：可用下式计算：式中：式中：L L为裂纹长度，为裂纹长度，为裂纹宽度的一半。如果裂纹尖端为裂纹宽度的一半。如果裂纹尖端的曲率半径的曲率半径p=/Lp=/L，并假设，并假设LL，则，则为：为：411.4.2.1 1.4.2.1 断裂机理断裂机理（1 1）裂纹）裂纹
24、 断裂应力断裂应力与裂纹长度平方根成正比。又由与裂纹长度平方根成正比。又由GriffithGriffith断断裂理论中应力一倍移关系得知断裂应力裂理论中应力一倍移关系得知断裂应力与裂纹长度与裂纹长度L L的关的关系为：系为： 式中：式中：E E是杨氏模量，是杨氏模量，r r为表面能。用裂纹尖端的应力场表示为表面能。用裂纹尖端的应力场表示应力强度因子应力强度因子K K则有：则有： 带入上式带入上式 有：有：421.4.2.1 1.4.2.1 断裂机理断裂机理（2 2）裂纹生长）裂纹生长 假设石英玻璃光纤长度方向分布着非常小的物理缺陷或假设石英玻璃光纤长度方向分布着非常小的物理缺陷或微裂纹。这样光
25、纤的临界断裂的发生常常是因为受到潮湿、微裂纹。这样光纤的临界断裂的发生常常是因为受到潮湿、尘埃、化学物质作用使表面强度变弱，石英玻璃光纤的包层尘埃、化学物质作用使表面强度变弱，石英玻璃光纤的包层玻璃周围涂覆着聚合物涂覆层或密封膜（例如，非晶态碳膜玻璃周围涂覆着聚合物涂覆层或密封膜（例如，非晶态碳膜和施加金属涂覆层）旨在减小这些削弱光纤强度的作用。在和施加金属涂覆层）旨在减小这些削弱光纤强度的作用。在理想惰性环境条件下（低温、湿度为零、高真空），任何裂理想惰性环境条件下（低温、湿度为零、高真空），任何裂纹都不会生长。仅当外界施加的应力增加到纹都不会生长。仅当外界施加的应力增加到K KICIC时，
26、断裂才会时，断裂才会发生。对非惰性环境下的光纤（如高温、潮湿、环境中有水发生。对非惰性环境下的光纤（如高温、潮湿、环境中有水分或化学物质），任何施加应力都会使裂纹生长。由于二氧分或化学物质），任何施加应力都会使裂纹生长。由于二氧化硅键发生水解，故它被称作为应力腐蚀。化硅键发生水解，故它被称作为应力腐蚀。 431.4.2.1 1.4.2.1 断裂机理断裂机理（2 2）裂纹生长）裂纹生长 在非惰性环境下，假定裂纹生长速率在非惰性环境下，假定裂纹生长速率V V与应力强度因子与应力强度因子有关的经验公式如下：有关的经验公式如下：瞬间断裂的临界裂纹生长速率瞬间断裂的临界裂纹生长速率VcVc则为则为：式中
27、：式中：A A为与临界裂纹生长速率所处的环境有关的材料尺寸参为与临界裂纹生长速率所处的环境有关的材料尺寸参数。例如，数。例如，VcVc随水分增加而增大。无量纲指数随水分增加而增大。无量纲指数n n为裂纹应力腐为裂纹应力腐蚀敏感性参数简称蚀敏感性参数简称n n值。值。A A和和n n都与实际环境有关。都与实际环境有关。441.4.2.1 1.4.2.1 断裂机理断裂机理（3 3）疲劳断裂）疲劳断裂 在一定条件下，光纤表面微裂纹生长扩大至光纤断裂的在一定条件下，光纤表面微裂纹生长扩大至光纤断裂的过程称为光纤的疲劳。应力腐蚀（敏感性）参数过程称为光纤的疲劳。应力腐蚀（敏感性）参数n n是一个与是一个
28、与施加应力使裂纹生长有关的无量纲的经验参数，其大小取决施加应力使裂纹生长有关的无量纲的经验参数，其大小取决于环境温度、湿度和其他环境条件。通常，人们按施加的应于环境温度、湿度和其他环境条件。通常，人们按施加的应力方式不同，将疲劳分为静态疲劳和动态疲劳。力方式不同，将疲劳分为静态疲劳和动态疲劳。451.4.2.1 1.4.2.1 断裂机理断裂机理（3 3）疲劳断裂）疲劳断裂 静态疲劳静态疲劳 静态疲劳即施加一个恒定的应力，测量其断裂时间。试静态疲劳即施加一个恒定的应力，测量其断裂时间。试验时，光纤在一个恒定外加应力验时，光纤在一个恒定外加应力的作用下，观察最弱的裂的作用下，观察最弱的裂纹断裂所需
29、的时间纹断裂所需的时间t tf f()()。断裂时间可由下式表示：。断裂时间可由下式表示： 利用断裂时间与施加应力的关系简单求出利用断裂时间与施加应力的关系简单求出n ns s，n ns s称为静称为静态疲劳指数。态疲劳指数。A A1 1为一常数。为一常数。461.4.2.1 1.4.2.1 断裂机理断裂机理（3 3）疲劳断裂）疲劳断裂 动态疲劳动态疲劳 动态疲劳即施加一个具有恒定速率的应力，测量加载和动态疲劳即施加一个具有恒定速率的应力，测量加载和断裂时间。在恒定外加应力速率断裂时间。在恒定外加应力速率a a下，观察断裂时间下，观察断裂时间t tfdfd和和断裂应力断裂应力f f，三者之间满
30、足的关系为：，三者之间满足的关系为：同时还有：同时还有： 该式可求出该式可求出n nd d，n nd d称称为动态疲劳指数。为动态疲劳指数。A A2 2为一常数。为一常数。471.4.2.1 1.4.2.1 断裂机理断裂机理（4 4）使用寿命）使用寿命 当光纤处在真空环境中，由于没有水分存在，所以不会当光纤处在真空环境中，由于没有水分存在，所以不会发生应力侵蚀，其疲劳参数发生应力侵蚀，其疲劳参数n n（如（如ndnd和和nsns）为最大值，光纤）为最大值，光纤也具有最高的强度，这时的强度就是光纤的惰性强度也具有最高的强度，这时的强度就是光纤的惰性强度S Si i。 当光纤在使用环境中具有使用寿
31、命当光纤在使用环境中具有使用寿命tsts与它所承受的应力与它所承受的应力和光纤的惰性强度和光纤的惰性强度SiSi之间有如下关系：之间有如下关系： 上式中上式中B B为常数，所以当承受到的应力为常数，所以当承受到的应力恒定时，光纤恒定时，光纤的使用寿命的使用寿命tsts只与光纤的疲劳参数只与光纤的疲劳参数n n值有关。值有关。n n值愈大，光纤值愈大，光纤的使用寿命的使用寿命tsts也就愈长。也就愈长。481.4.2.2 1.4.2.2 光纤筛选光纤筛选测量原理测量原理 为了保证一个最低的光纤强度，筛选试验是最好的方为了保证一个最低的光纤强度，筛选试验是最好的方法。筛选试验的目的就是将整个光纤制
32、造长度上的强度低于法。筛选试验的目的就是将整个光纤制造长度上的强度低于或等于筛选应力的点去除，保证幸存光纤的机械可靠性。或等于筛选应力的点去除，保证幸存光纤的机械可靠性。ITU-TG.650ITU-TG.650规定的筛选试验的基准试验方法为纵向张力法。规定的筛选试验的基准试验方法为纵向张力法。 纵向张力试验法纵向张力试验法测量原理是一种施加张力荷载至拉丝涂测量原理是一种施加张力荷载至拉丝涂覆后的整根连续长度光纤上。被测的初始光纤会断成几段短覆后的整根连续长度光纤上。被测的初始光纤会断成几段短光纤，可以认为每段短光纤已通过筛选试验。光纤，可以认为每段短光纤已通过筛选试验。491.4.2.2 1.
33、4.2.2 光纤筛选光纤筛选测量原理测量原理 试验结果既可用应力试验结果既可用应力表示，也可用应变表示，也可用应变表示，它们表示，它们的关系如下：的关系如下： 式中：式中：E E为零应力下的杨氏模量，为零应力下的杨氏模量，c c是一个非线性参数，是一个非线性参数，其值由试验确定（典型值为其值由试验确定（典型值为3 36 6）。由施加张力）。由施加张力T T计算得到计算得到的光纤张力的光纤张力为：为： 式中：式中：22为玻璃光纤的直径（为玻璃光纤的直径（125m125m），），F F是涂覆层承是涂覆层承受的张力份额。受的张力份额。501.4.2.2 1.4.2.2 光纤筛选光纤筛选测量原理测量原
34、理 F F的大小由下式给出：的大小由下式给出： 式中：式中：nn涂覆层层数；涂覆层层数； EjEj第第j j个涂覆层的模量；个涂覆层的模量； AjAj第第j j个涂覆层的标称横截面积；个涂覆层的标称横截面积； EgEg玻璃光纤的弹性模量。玻璃光纤的弹性模量。511.4.2.2 1.4.2.2 光纤筛选光纤筛选 制动轮筛选试验机的结构组成示意图 试验装置制动轮筛选试验机521.4.2.2 1.4.2.2 光纤筛选光纤筛选 制动轮筛选试验机的结构组成示意图 试验装置固定重量筛选试验机531.4.2.3 1.4.2.3 抗拉强度抗拉强度 筛选试验只是保证了光纤的最低强度，在一根实际的石筛选试验只是保
35、证了光纤的最低强度，在一根实际的石英玻璃光纤表面，存在着许多微裂纹，简单地对光纤施加张英玻璃光纤表面，存在着许多微裂纹，简单地对光纤施加张力，那么沿着光纤长度方向和在光纤的横截面积中均匀地存力，那么沿着光纤长度方向和在光纤的横截面积中均匀地存在着应力。我们也可以用光纤断裂累积概率的威泊尔分布来在着应力。我们也可以用光纤断裂累积概率的威泊尔分布来表征光纤的强度。表征光纤的强度。 光纤抗拉强度的试验装置为一台合适的拉力机。对光纤光纤抗拉强度的试验装置为一台合适的拉力机。对光纤试样作拉力试验。将光纤试样拉断，记下断裂的应力值，最试样作拉力试验。将光纤试样拉断，记下断裂的应力值，最后根据记录统计光纤在
36、不同拉力强度下断裂累计概率分布，后根据记录统计光纤在不同拉力强度下断裂累计概率分布，作出威泊尔分布曲线，并用其来判断光纤抗拉强度和使用寿作出威泊尔分布曲线，并用其来判断光纤抗拉强度和使用寿命。命。541.4.2.4 1.4.2.4 疲劳参数疲劳参数 在一定条件下，光纤表面微裂纹生长扩大至光纤断裂的在一定条件下，光纤表面微裂纹生长扩大至光纤断裂的过程称为光纤的疲劳。通常，人们按施加的应力方式不同，过程称为光纤的疲劳。通常，人们按施加的应力方式不同，将疲劳分为静态疲劳和动态疲劳。静态疲劳即施加一个恒定将疲劳分为静态疲劳和动态疲劳。静态疲劳即施加一个恒定的应力，测量其断裂时间。动态疲劳即施加一个具有
37、恒定速的应力，测量其断裂时间。动态疲劳即施加一个具有恒定速率的应力，测量加载和断裂时间。率的应力，测量加载和断裂时间。 ITU-T G.650ITU-T G.650推荐的疲劳参数的试验方法有：推荐的疲劳参数的试验方法有：动态疲劳动态疲劳的轴向张力法的轴向张力法、动态疲劳的两点弯曲法、动态疲劳的两点弯曲法、静态疲劳的轴向张静态疲劳的轴向张力法力法、静态疲劳的两点弯曲法和静态疲劳的均匀弯曲法。、静态疲劳的两点弯曲法和静态疲劳的均匀弯曲法。551.4.2.5 1.4.2.5 涂覆层可剥性涂覆层可剥性 光纤的可剥性的测量原理是利用立式拉力机提供受试光光纤的可剥性的测量原理是利用立式拉力机提供受试光纤和
38、剥离工具之间的相对运动来定量确定沿光纤纵向机械剥纤和剥离工具之间的相对运动来定量确定沿光纤纵向机械剥去保护涂覆层所需的力。去保护涂覆层所需的力。 可剥性试验主要用于检验具有预涂覆层的光纤或具有其可剥性试验主要用于检验具有预涂覆层的光纤或具有其他被覆层光纤的涂覆层或被覆层剥离的难易程度。他被覆层光纤的涂覆层或被覆层剥离的难易程度。561.4.2.5 1.4.2.5 涂覆层可剥性涂覆层可剥性 光纤涂覆层剥离试验装置，如图所示。试验装置主要有光纤涂覆层剥离试验装置，如图所示。试验装置主要有：拉伸装置、力值传感器、转换放大器和剥离工具等。：拉伸装置、力值传感器、转换放大器和剥离工具等。571.4.2.
39、5 1.4.2.5 涂覆层可剥性涂覆层可剥性 试验光纤的一端应紧固在试验夹具上，使其在加载时不试验光纤的一端应紧固在试验夹具上，使其在加载时不打滑（例如光纤在直径为打滑（例如光纤在直径为80mm80mm的轮子上绕三圈）。光纤的另的轮子上绕三圈）。光纤的另一端穿过剥离工具，并插入到光纤导向孔中。距光纤端头规一端穿过剥离工具，并插入到光纤导向孔中。距光纤端头规定的距离处切开涂覆层。启动拉伸机，在光纤和剥离工具之定的距离处切开涂覆层。启动拉伸机，在光纤和剥离工具之间提供一个恒定的相对运动，从光纤上剥去涂覆层。观察、间提供一个恒定的相对运动，从光纤上剥去涂覆层。观察、测量记录剥去玻璃光纤涂覆层所需的力
40、，要去除试验期间光测量记录剥去玻璃光纤涂覆层所需的力，要去除试验期间光纤断裂情况下的数据。当涂覆层完全从光纤上剥去时，试验纤断裂情况下的数据。当涂覆层完全从光纤上剥去时，试验完成。完成。GB/T GB/T 9771.19771.1.5-2000.5-2000规定单模光纤涂覆层所需的剥规定单模光纤涂覆层所需的剥离力峰值宜在离力峰值宜在1.31.38.9N8.9N范围内。范围内。581.4.2.6 1.4.2.6 光纤翘曲光纤翘曲 光纤的翘曲是剥除预涂覆层后的石英玻璃裸光纤自然弯光纤的翘曲是剥除预涂覆层后的石英玻璃裸光纤自然弯曲的曲率半径，以曲的曲率半径，以R R米表示。光纤的翘曲特性是由于光纤制
41、米表示。光纤的翘曲特性是由于光纤制造过程中的高速拉制和骤然冷却过程致使光纤中产生内应力造过程中的高速拉制和骤然冷却过程致使光纤中产生内应力，即淬火造成的裸光纤固有的一种弯曲特性。在光纤带光缆，即淬火造成的裸光纤固有的一种弯曲特性。在光纤带光缆中光纤翘曲度是一个主要的技术性能指标，究其原因是光纤中光纤翘曲度是一个主要的技术性能指标，究其原因是光纤翘曲度优劣直接决定着光纤的熔融接损耗。翘曲度优劣直接决定着光纤的熔融接损耗。59光纤翘曲的圆形模型光纤翘曲的圆形模型 光纤翘曲度的测量方法有：侧视显微技术和激光束散射法。光纤翘曲度R越大，伸出长度x越小，等效轴线型倾斜角越小，连接损耗也越小，当前有关光纤
42、标准是翘曲度应大于4m，这对确保很小的光纤连接损耗起到十分大的作用。601.4.2.7 1.4.2.7 其它物理特性其它物理特性 玻璃光导纤维的其它物理性能还包括：硬度、耐热性、玻璃光导纤维的其它物理性能还包括：硬度、耐热性、热膨胀系数、封装性能、耐电压性和真空气密性等，这些性热膨胀系数、封装性能、耐电压性和真空气密性等，这些性能主要是用于传光束的纤维板和传象管所要考虑的。能主要是用于传光束的纤维板和传象管所要考虑的。611.4.3 1.4.3 光纤的化学特性光纤的化学特性1.4.3.1 1.4.3.1 温度循环温度循环1.4.3.2 1.4.3.2 温度时延漂移温度时延漂移1.4.3.3 1
43、.4.3.3 浸水浸水1.4.3.4 1.4.3.4 干热（高温）干热（高温）1.4.3.5 1.4.3.5 湿热（稳态）湿热（稳态）1.4.3.6 1.4.3.6 其它化学特性其它化学特性621.4.3.1 1.4.3.1 温度循环温度循环 光纤温度循环试验的测量原理是通过模拟光纤在储存、光纤温度循环试验的测量原理是通过模拟光纤在储存、运输和使用期间可能经受的最坏温度变化来确定光纤对温度运输和使用期间可能经受的最坏温度变化来确定光纤对温度变化的衰减稳定性，即光纤的衰减温度特性。变化的衰减稳定性，即光纤的衰减温度特性。 光纤的温度衰减特性试验是将受试的整筒光纤放在气候光纤的温度衰减特性试验是将
44、受试的整筒光纤放在气候室内，在温度循环试验规定的温度范围内进行温度循环试验室内，在温度循环试验规定的温度范围内进行温度循环试验，以确定温度变化时，光纤的附加损耗量。，以确定温度变化时，光纤的附加损耗量。 温度循环试验结束后，可按公式计算出光纤的平均附加温度循环试验结束后，可按公式计算出光纤的平均附加损耗。损耗。631.4.3.1 1.4.3.1 温度循环温度循环预处理条件温度测试条件标称值2h,23,50RH最低温度TA-60或-40最高温度TB+85或+70在每个温度下最小的持续时间t12h最大的温度速率斜坡速率1/min需要完成的循环次数循环次数2641.4.3.2 1.4.3.2 温度时
45、延漂移温度时延漂移 当今光纤光缆被广泛使用在不同的敷设方式和环境中，当今光纤光缆被广泛使用在不同的敷设方式和环境中，敷设方式有架空、管道、直埋、缆沟和水下等，使用环境温敷设方式有架空、管道、直埋、缆沟和水下等，使用环境温度为度为-50-50+60+60，因此要求光纤的性能要有高度的稳定性。，因此要求光纤的性能要有高度的稳定性。长期以来，人们始终关心的光纤温度特性包括温度特性和时长期以来，人们始终关心的光纤温度特性包括温度特性和时延温度特性。光纤时延温度的变化是一种慢变化，称为温度延温度特性。光纤时延温度的变化是一种慢变化，称为温度漂移。我们定义单位长度单位温度间隔时延变化量为光纤温漂移。我们定
46、义单位长度单位温度间隔时延变化量为光纤温度时延漂移常数。度时延漂移常数。651.4.3.3 1.4.3.3 浸水浸水 光纤浸水试验的测量原理是通过将光纤浸入蒸馏水或去光纤浸水试验的测量原理是通过将光纤浸入蒸馏水或去矿物或离子水中来模拟光纤在实际使用、储存和运输中可能矿物或离子水中来模拟光纤在实际使用、储存和运输中可能遇到浸水环境条件来确定光纤的耐浸水适用性。遇到浸水环境条件来确定光纤的耐浸水适用性。 我们可以借助插入损耗法和后向散射法来测量经规定的我们可以借助插入损耗法和后向散射法来测量经规定的浸水时间后浸泡的光纤试样的衰减变化。光纤试样被放入充浸水时间后浸泡的光纤试样的衰减变化。光纤试样被放
47、入充满水的水箱中，水温为满水的水箱中，水温为235235。光纤试样在水箱中放置。光纤试样在水箱中放置3030天。接着，可以用插入法和后向散射法，在规定波长下，测天。接着，可以用插入法和后向散射法，在规定波长下，测量浸水前、浸水中和浸水后的光纤试样的衰减变化。量浸水前、浸水中和浸水后的光纤试样的衰减变化。661.4.3.4 1.4.3.4 干热（高温）干热（高温） 光纤高温试验的测量原理是通过模拟光纤在实际使用、光纤高温试验的测量原理是通过模拟光纤在实际使用、储存和运输中所经受的高温环境条件作用下，测量光纤衰减储存和运输中所经受的高温环境条件作用下，测量光纤衰减变化来确定光纤的适用性。这个试验目
48、的是在给定的时间范变化来确定光纤的适用性。这个试验目的是在给定的时间范围内观察高温对光纤的作用。围内观察高温对光纤的作用。 光纤高温试验的试验条件：温度为光纤高温试验的试验条件：温度为+85+85，持续试验时，持续试验时间为间为3030天。尽管高温试验不控制湿度，但是试验开始时天。尽管高温试验不控制湿度，但是试验开始时3535下相对湿度不低于下相对湿度不低于5050，衰减测量是在规定的波长下，用插，衰减测量是在规定的波长下，用插入法或后向散射法来测量试验前、试验中（一旦试样稳定在入法或后向散射法来测量试验前、试验中（一旦试样稳定在规定的温度）和试验后被测光纤的衰减变化。规定的温度）和试验后被测
49、光纤的衰减变化。671.4.3.5 1.4.3.5 湿热（稳态）湿热（稳态） 光纤高温高湿试验原理是通过模拟光纤在实际使用、储光纤高温高湿试验原理是通过模拟光纤在实际使用、储存和运输中可能经受到的高温高潮湿环境条件来确定适用存和运输中可能经受到的高温高潮湿环境条件来确定适用性。性。高温高湿试验是通过观察规定时间范围内恒温下高潮湿对光高温高湿试验是通过观察规定时间范围内恒温下高潮湿对光纤的作用，从而达到评价光纤的实用性能的目的。纤的作用，从而达到评价光纤的实用性能的目的。 光纤的高温、高湿试验的试验装置主要由气候室、增湿光纤的高温、高湿试验的试验装置主要由气候室、增湿器和衰减测量装置组成。高温高
50、湿试验的试验条件为：温度器和衰减测量装置组成。高温高湿试验的试验条件为：温度为为+85+85，相对湿度为，相对湿度为+85+85，持续试验时间为，持续试验时间为3030天。天。681.4.3.6 1.4.3.6 其它化学特性其它化学特性核辐照：核辐照：为确保敷入有背景辐射和有害核辐射环境中的光纤为确保敷入有背景辐射和有害核辐射环境中的光纤能够安全可靠地工作，有必要研究测量暴露在能够安全可靠地工作，有必要研究测量暴露在辐射环境中辐射环境中的成缆或未成缆单模光纤或多模光纤中产生的辐照感应衰减的成缆或未成缆单模光纤或多模光纤中产生的辐照感应衰减的增加。这主要是由于光纤玻璃缺陷部位俘获了辐射分解的的增
个人主页
