1、光纤光缆制造技术与材料制造实验讲义实验一 光纤余长测试及光纤端面处理与连接训练 （2 学时）(一 ).光纤余长测试1.实验目的及意义掌握人工测试与在线测试两种测试光纤余长的方法。深入理解光纤余长的物理概念及影响余长的各种因素。2. 实验要求必做。3.实验设备光纤光缆切割工具，长度测量仪，CB100 非接触式光纤在线余长测量系统，光纤二次套塑设备机组。4.实验步骤人工测试光纤余长：（1） 取松套光纤并截取一定基准长度 LT；（2） 取切断的松套光纤，从松套管中取出一次涂覆光纤（或带纤） ；（3） 利用长度测量仪分别测一次涂覆光纤（或带纤）的实际长度 Lf 和松套管的长度 LT；（4） 光纤余长的
2、计算： T = (Lf - LT)/ LT 100%光纤余长在线测量(有条件下作)（1） 检查 CB100 测量系统的情况；（2） 将两组 CB100 测量系统放入二次套塑生产线上，一组位于挤塑机前，另一组位于主牵引轮后；（3） 启动 CB100 测量系统和光纤二次套塑生产线；（4） 调整光纤（或带纤）的行进方向，严格保证与 CB100 测量仪的轴线相垂直，对主，从两个测量单元均有同样要求；（5） 同步测量挤塑机机头前光纤（或带纤）的长度 L f 和主牵引后束管的长度 L T 并记录主，从测量单元的测量速度 Vi,Vo 与测量时间 T；（6） 对测量得到的数据进行处理，得在线测量余长=( L
3、f - LT )/LT X 100%=( 0T Vidt - 0TVodt)/ 0TVidtX100%注意：在线测量的余长值不等于真正的束管中光纤（或带纤）的余长值，也不表示光缆中光纤（或带纤）的拉伸窗口，在线余长值与人工实测值不相等。5.实验类型验证。6.需开实验组数10 组。7.消耗材料金额400 元。(二).光纤端面处理1.实验目的及意义掌握光纤端面处理的基本操作技能。2. 实验要求必做。3.实验设备光纤光缆切割工具（金钢石刀或钉书钳） ，显微镜，4.实验步骤1）取一定长度的光纤，一端去除 20-30mm 长被覆层2）用光纤光缆切割工具，距去除涂覆层端 5mm 切割一小口，3）用手迅速折
4、断裂口处的光纤，4）用显微镜观测折断光纤端面处的平坦、光滑情况。5）如不光滑平坦，则重复 1）-4）步。5.实验类型基本技能训练。6.需开设实验组数10 组7.需消耗材料金额600 元(三).光纤端头的连接1.实验目的及意义掌握两光纤端头的连接方法与技能。2. 实验要求必做。3.实验设备光纤熔接机或炳烷氧灯4.实验步骤光纤熔接机连接1) 取二根端面已处理好的光纤，将其放置在光纤熔接机相应位置上,2)启动光纤熔接机,在显示屏上观察两端头的对中情况并调整,直到对中,3).按要求操作光纤熔接机,将二根光纤端头接好为止.炳烷氧灯连接1)点燃炳烷氧灯,2) 两手各取二根端面已处理好的光纤，将其放置在炳烷
5、氧灯火焰温度最高位置3)连接 .5.实验类型基本技能训练。6.需开设实验组数10 组7.需消耗材料金额600 元实验二 光缆拉伸、压扁特性的测试（2 学时）(一).光缆拉伸特性实验1.实验目的及意义研究光缆在规定的拉伸负荷范围内光缆中光纤的衰减变化、应变及光缆应变与拉伸负荷间的函数关系。2. 实验要求必做。3实验设备 转向滑轮；卡盘；测力装置；动力装置；光缆放线盘；光学监测设备；夹头。4。实验步骤 将受试光缆段试样固定夹持在拉伸设备两端并保证光缆中的元件不产生纵向滑移； 将实验中监测用光纤与光学监测装置相连接； 以 5mm/min-10mm/min 的拉伸速度，连续增加拉伸负荷至相关标准值，并
6、最少保持一分钟； 记录拉伸负荷函数与衰减或光缆应变间关系； 将记录的数值计算绘制出拉伸负荷-衰减变化 或拉伸负荷- 光缆应变函数的关系曲线。 层绞式光缆要求在长期压力除去后光纤无明显附加衰减或光纤应变最大为 0.15%；在短期压力下光纤附加衰减小于 0.1dB,压力解除后光纤无明显残余衰减或光纤应变最大为 0.10%5.实验类型设计实验。6.需开实验组数10 组。7.消耗材料金额500 元。（二）.光缆压扁特性实验1.实验目的测定光缆抗压性能。2. 实验要求必做。3实验设备 光缆压扁实验装置4实验步骤（1） 将光缆试样置于平的钢质基板和可移动的钢质平板之间；（2） 施加压力 1000N、300
7、0N、300N、1000N 等；（3） 受力区长度 100mm,每隔 500mm 区间试验一次，三次；（4） 层绞式光缆要求在长期压力除去后光纤无明显附加衰减；在短期压力下光纤不断裂、护套应不开裂。5.实验类型设计实验。6.需开实验组数10 组。7.消耗材料金额500 元。(三).光纤极限断裂强度的测试1.实验目的及意义掌握光纤张应力及断裂强度与光纤相应应变的测试方法，了解光纤张力测试机的组成，原理和使用及测试张应力的目的。2.实验要求必做。3.实验设备光纤张力拉伸试验机4.实验步骤（1） 试样准备：1 米长的待测光纤（2） 将待测（长度一定）光纤安装在光纤张应力测试机上并用夹具固定好；（3）
8、 接通机组电源，机组应正常运转；（4） 施加一个合适的作用张力 ，并使每一段待测光纤在此张力下保持一定的时间，直到断裂为止；（5） 全部光纤测试完毕后，计算光纤在此张力 作用下，产生的应变或断裂所需的作用力值。（6） 绘制韦伯尔累积概率曲线mLLF0exp1,00lnllnlnmF-光纤小于或等于 应力作用下的断裂累积概率 ; 0-标准应力L0-标准试样长度L-试样长度m-韦伯尔累积概率曲线斜率5.实验类型设计实验。6.需开实验组数10 组。7.消耗材料金额400 元。实验三 光纤温度循环实验（8 学时）(一 ).G652D 光纤衰减特性测试1.实验目的及意义：掌握光时域反射仪测量光纤损耗的测
9、试技术，研究光纤稳态功率分布概念及其对光纤损耗的影响，研究光纤损耗与波长之间的关系和对光纤通信“窗口”的实际影响。2实验要求：必做。3实验装置：光时域反射仪（OTDR） 。4实验步骤：（1） 试样准备：一段或多段连续光纤，一段盲区光纤；（2） 将待测光纤与盲区光纤连续并与光耦合系统对准；（3） 接通电源并启动 OTDR；（4） 将光标置于试样始端反射脉冲上升边缘的一点，确定 Z0、Po；（5） 将光标置于试样曲线线性段始端，确定 Z1、 P1 ；（6） 将同一光标或另一光标置于试样末端反射脉冲上升边缘的一点，确定Z2、P 2；（7） 计算光纤段总单向后向散射衰减：=10lg（P 1-P2）/
10、（Z 2-Z1）dB/km（8） 对调光纤两端与 OTDR 的连接端，重复上述步骤，测试双向后向散射衰减。5实验类型研究性实验。6设实验组数10 组7耗材料金额400 元(二).光纤温度循环实验1.实验目的及意义研究光纤随环境温度变化对光纤衰减传输性能的影响。2实验要求：必做。3.实验装置：光纤高低温实验箱或气候室，光时域反射仪或光功率计。4实验步骤（1） 试样准备：试样长度单模光纤 2000M，多模光纤 1000M；（2） 待测光纤预处理：经滑石粉处理或不处理两种试样；（3） 将待测光纤放入高低温试验箱（或气候室）内，在规定时间内经受各种温度变化（升温曲线） ；（4） 记录不同温度下（-40
11、、25、80）的功率值，T0、T A、T B、P 0、P A、P B；（）（5） 计算光纤的平均附加损耗量：（）= A（） B（）=10/L（LgP A/ P0LgPB/ P0）=10/LLgPA/ PB5.实验类型研究实验6.需开设实验组数6 组7.需消耗材料金额400 元随堂测试题（课后作业） 随堂测试题目 (1)班级: 姓名: 学号: 1：现有一个氦氖激光二极管，其发出的光是波长在 630nm 的美丽红光，请问一个光子的能量是多大？质量是多少？若光能量为 1mw,光源每秒可发射多少个光子？2 ：如采用 InGaAsP 型半导体发光二极管作光源，其具有的能级距离是0.75eV,试问它可以发
12、出什么色彩的光？（1eV=1.602X10 -19J）3：已知一入射光的波长为 =1m，入射角 1=85，从介质 1 向介质 2中折射，两种材料的折射率分别为 n1=1.450，n 2=1.430，求当发生全反射时产生的古斯汉森位移是多少？随堂测试题目(2)班级: 姓名: 学号: 1.设光纤的折射率分布为：n()=n(0)sechAr=n(0)/cosA （A- 常数）,求梯度型多模光纤中光波传输轨迹方程的数学表达式.2光纤的典型结构是（ ）圆柱体，自内向外为（ ） 、 （ ）和（ ） 。 （ ）又分为预涂层、缓冲层和二次涂层。3.光缆主要由缆芯和（ ）两部分组成， （ ）包括被覆光纤，又称（
13、 ）和（ ）组成，而（ ）由（ ）和外护层组成。4.芯线的三种结构为（ ） 、 （ ）和（ ） 。5.缆芯的三种结构为（ ） 、 （ ）和（ ） 。6标注 6X6 芯单模光纤油膏填充层绞式、自承式、 PE 护套、金属钢带铠装、玻璃复合棒加强、室外用光缆的各部分组成的名称.随堂测试题目(3)班级: 姓名: 学号: 一.名词解释: 1.数值孔径: 2.光纤理论截止波长: 3.模场直径: 4.波长窗口: 5.光纤剖面折射率分布: 6.光纤的衰减: 7.衰减系数: 二. 现有一单模光纤通信系统，光源为 LD，发出光功率 10mW，光纤输出端光探测器要求最小光功率 10nW，若光纤通信系统工作在 131
14、0nm 波长窗口，此时光纤衰减系数是 0.3dB/Km，那么请问无需中继器时，光纤通信系统最大无中继距离长度是多少？ 随堂测试题目(4)班级: 姓名: 学号: 1.现有某一数字光纤通信系统为线性系统，其输出光信号为高斯分布函数，试推证该通信系统的光带宽和电带宽的表达式及与光脉冲宽度的关系。2.现有一 STM-4 长途光纤通信系统，使用 G.652 标准单模光纤，工作窗口选定为 1310nm 处，其它光参数如下：最劣值发送光功率 Ps -3dBm接收灵敏度 PR -28dBm1310nm 波长窗口最大色散 Dmax 710Ps/nmG652 光纤色散值 D 3.5 ps/nmkm其它连接器损耗
15、Ac 2X0.8dB光通道功率代价 Pp 0.5dB光纤平均损耗 Af 0.40dB/km光纤固定接头平均衰减 As 0.05dB/km光缆富余度 Mc 4dB比特率 B 10Gbit/s光源谱宽 12801325nm(45nm)试确定该通信系统是衰减受限系统还是色散受限系统，其最大的中继距离长度是多少？3.现有一光纤，已知其折射率分布为阶跃型，芯层折射率为 1.560，波导宽度为 50m，相对折射率差 =0.01，工作波长在 1.31m处，请问其是单模光纤还是多模光纤？若为多模光纤其最大的模数是多少？最大的数值孔径为多少？相应的孔径角是多大？若保持芯层折射率、相对折射率差和工作波长不变，波导
16、宽度为多大时其为单模光纤，对应的截止波长是多少？若保持芯层折射率和工作波长不变，使相对折射率差为 0.001 时，若要制成单模光纤，这时芯层直径应如何变化？ 随堂测试题目 ()1自由空间光波的波长是 1.31，其从高折射率的玻璃（n 1=1.480）介质中入射到低折射率的玻璃介质中（n 2=1.450）如果入射角为 85，试计算垂直场强分量的反射波的横向古斯汉森位移。若从空气中入射到玻璃中，保持入射角不变，这时产生的古斯汉森位移是多少？2.现有一光纤，要求其使用寿命在 3540 年，光纤在工作环境下所受的应力为一恒定值，为 50kg/mm2，试计算光纤的惰性强度是多少，n 值在 22间。 随堂
17、测试题目 ()1.试计算基模场直径为 8.3m的 G.655 光纤的有效面积是多少。若用此光纤 12 根扎成一光纤束，问光纤束的等效直径是多少。2.影响光纤制造质量最根本原因是光纤预制棒的制造工艺 ，为什么？.原料提纯工艺是对制造光纤预制棒所用的各种主料、辅料和保护气体进行 100%的提纯处理操作，为什么要进行提纯处理？ 随堂测试题目 ()1.影响紧套光纤质量的主要因素是什么？并说明原因。2.松套光纤二次套塑工艺中，为什么要采用梯度冷却的方法进行冷却，结合所使用的材料（PBT）进行阐述。 随堂测试题目 ()1.细述 MCVD 法制备光纤预制棒的工艺过程。2.绘制制造光纤光缆的三大工艺流程图并作
18、技术要点说明。 随堂测试题目 ()1.试说明光纤涂覆层在光纤结构中的主要作用。2.在制造松套光纤过程中,为保证松套管内的光纤具有足够的余长,冷却温度要求采用一种梯度冷却法,为什么？3.光纤拉丝时为什么需要气氛保护？ 随堂测试题目 ()1.试阐述光纤色散产生原因，并绘制单模光纤色散谱，并指出每种单模光纤的零色散波长值。2.用量子力学理论分析光纤材料色散的形成原因。思考题(部分)第一章 思考题1从复合材料增韧角度分析涂覆层的作用。2试比较三种光纤基本结构与特点。3分析三种光缆结构的优劣及其适用场合。4光纤产品型谱编制原则及相关知识讨论。阐述 20 世纪 90 年代后期发明的多种最新光纤的特点。阐述
19、光纤光缆的发展历程及其特点、主要应用领域。第二章 思考题：1.如果光源发出的光波是一种波长为 1.31m的高斯光束，其对准时的光斑尺寸是 1mm，问扩散角是多少？并计算距离分别为 10m、1Km、10Km 时的光斑尺寸是多少。2.试计算光源波长分别为 0.65、0.78、0.85、1.31、1.55 的光子能量，问那种波长具有最高的能量。3. 当一束很细的“白光”以 60的入射角从空气入射到冕牌玻璃表面，它的折射光路怎样？试计算紫光、红光的折射角（分别为 34.4、34.9 ） ，画出光路图。4.在多模石英光纤中，常用的传输自由空间波长为 0.85、1.31、的光波，试计算此种光纤中传输的相速
20、度和群速度，二者有何关系？5.当石英光纤中传输的光波入射到石英和空气界面时，发生全反射的布鲁斯特角和临界角各是多少，当入射角等于布鲁斯特角时，会发生什么现象？6.自由空间光波的波长是 1.31，其从高折射率的玻璃（n 1=1.480）介质中入射到低折射率的玻璃介质中（n 2=1.450）如果入射角为 85，试计算垂直场强分量的反射波的横向古斯汉森位移。若从空气中入射到玻璃中，保持入射角不变，这时产生的古斯汉森位移是多少。7.考虑光波在纯石英玻璃介质中传输时，若波长为 1.55，在该波长下的介质折射率为 1.445，请计算此时的相速度、群速度和群折射率是多少。8. 试推证多模阶跃型光纤中子午光线
21、和斜射光线的导光原理与导光条件。9.推证多模梯度型光纤中子午光线导光原理与导光条件。10.试推证梯度型多模光纤中光波轨迹方程的数学表达式的形式。11.单模光纤的导光原理及基本的理论依据是什么？12 讨论自聚焦光纤的工作特点与自聚焦基本原理。13.试阐述石英从晶体变为非晶态的相变过程并绘相变图。14光在非均匀介质中的传播特点是什么？第三章 思考题：1.简述光纤分类的基本原则和类型。2.阐述单模光纤的五个工作窗口及可应用的波长数间的关系。3.光纤剖面折射率的分布型式有哪些种？最常用的有哪几种？写出其数学表达函数的型式。4.简述模场的物理概念，什么是单模光纤和多模光纤，模场直径的物理含义，传导模、辐
22、射模、偏振模的含义？5.绘出基模 LP01 和二阶高次模 LP11 的电磁场场形并分析之。6.单模光纤的衰减谱和色散谱曲线有什么特点，如何改变光纤的工作窗口。7.从不同的角度，分析 POF 光纤损耗产生的原因及可行的克服方法。8.保偏光纤的保偏原理利用了光波传输中的哪个特性。9.掺铒光纤光放大原理是利用了原子能带的基本理论，试分析光受激发射的基本条件和工作原理。10.现有某种光纤，已知其折射率分布为阶跃型，芯层折射率为 1.50，波导宽度为 60m，相对折射率差等于 0.01，工作波长在 1m处，请问其是多模光纤还是单模光纤，若是多模光纤其最大的模数是多少？对应的数值孔径和孔径角各是多少？如欲
23、制成单模光纤，保持芯层折射率、相对折射率差、工作波长不变的条件下，芯层直径应如何变化？此时对应的截止波长是多少？若保持芯层折射率、工作波长不变，使相对折射率差改变为 0.001，这时的芯层直径又应如何变化？此时的模场直径是多少？对应的 G.653 光纤的有效面积约为多少？11.有一种光纤，其光纤芯层直径 8.3m、折射率为 1.458，包层直径125m、折射率为 1.452，当光源波长分别为 1.31m和 1.55m时，试计算光纤单模工作的截止波长、归一化频率、模场直径和模数。12.设计有一多模光纤，其芯层折射率为 1.468、直径 100m，包层折射率 1.447、直径 200m，光源波长为
24、 0.85m，试计算阶跃型分布多模光纤能传输的模式数量、数值孔径、最大总的接收角。13.现有一阶跃型光纤，芯层和包层的折射率分别为 1.480 和 1.460，芯层直径 50m，包层直径 125m，若使用波长为 0.85m的光波光源，试计算光波自空气入射进光纤的数值孔径、最大孔径角及总的接收角，光纤此时所能支持的模数是多少？14.典型单模光纤的芯层直径不 8.3m，折射率为 1.460，相对折射率差为 0.3%，包层直径是 125m，试计算光纤的数值孔径，最大的孔径角，光源发射波长为多大时其在单模工作。15.石英光纤的材料色散在 1.55m处由图 3-2-可知为 22 ps/nm.km，试计算
25、采用 LD 光源时，在 1.55m、光源谱线宽度为 2 nm，和光源为 LED 时，1.55m处，谱线宽度为 100 nm 时，求每公里光纤的材料色散系数。16.现有一石英光纤，芯层掺杂 13.5%的 GeO2，由图可得其色散与波长、芯层直径三者间的变化关系，当光源为 LED 时， 1.55m处，谱线宽度为 100 nm 时，试计算芯层直径分别为 8m、7m 、6m、5m 时，单位长度光纤的色度色散值，在 1.55m波长下，零色散芯层的半径是多少。17.已知如上题，但此时，光源改用 LD 型，光源谱线宽度为 2 nm，试计算 10 公里光纤通信系统的比特速率和距离的积、光带宽和电带宽各是多少。
26、18.若有一梯度型光纤，其芯层直径 50m，折射率 1.480，包层直径125m，折射率 1.460，若采用波长为 1.31m的激光器作光源，试计算系统的比特速率和距离的积是多少。19.试推证光纤的光带宽和电带宽及与脉冲展宽间的关系式。20.说明光纤衰减和色散产生的机理及对光纤通信系统的影响。21.试分析光纤强度的产生原因及影响因素，且计算 8.3m直径的单模光纤的抗拉强度是多大。22.现有一光纤，要求其使用寿命在 3540 年，光纤在工作环境下所受的应力为一恒定值，为 50kg/mm2，试计算光纤的惰性强度是多少，n 值在 22间。23.某光缆通信线路，其设计要求的安全运行时间为 30 年，
27、无中继长度2000 km，光纤强度复绕筛选施力保持时间不小于 1 秒钟，光纤复绕筛选时所产生的应变与使用期间产生的应变的比值为 3，光纤复绕筛选时每公里断裂0.02 次，此时，光纤静态疲劳参数为 20，光纤韦伯尔累积概率分布曲线的斜率为 63，试确定在要求的安全期内在 2000 km 光缆线路上可能发生的断裂次数。24.试分析光纤非线性效应产生的原因及对系统的影响。25试计算基模场直径为 8.3m的 G.655 光纤的有效面积是多少。若用此光纤 12 根扎成一光纤束，问光纤束的等效直径是多少。讨论题1.试说明国内外光纤光缆研究水平、发展动态？主要的大型生产厂有几家？都是谁？2. 光纤衰减产生的原因与消除方法，从材料角度讨论。3.讨论影响光缆寿命的主要原因与解决措施。4.如何进行光缆原料选择？各种原料的特点？5.光缆制造工艺包括哪几部分？主要的生产设备是什么？6.说明铠装工艺的形式？主要工艺参数？7.讨论分析光缆绞合工艺的主要参数？绞合形式？8.电力光缆中加强件选择哪种材料较好？为什么？9.海底光缆设计的主要内容是什么？为什么？10.结合所学数学知识讨论自聚焦光纤的工作特点与自聚焦基本原理。
