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有线电视HFC网络技术（讲座）作者：丁炜 第一部分、激光在CATV中的应用激光技术是60年代初发展起来的一门新兴科学技术，它引起了现代光学应用技术的巨大变革。激光是电磁波，其传输规律满足麦克斯韦方程，在边界上发生反射、全反射和折射现象，也具有干涉的衍射效应，其和其它频率的电磁波一样，在真空中传播速度为每秒30万公里。激光在电磁波谱中的位置如下：（粗实线一段） 紫外线 1m 1550 紫 兰 绿 黄 橙 红 红外线 在上述光源中，只有激光具有高定向性，高单色性、高亮度等特点。正是由于激光的这些特点，才能作为电视信号和通信等的载体，而其它的光源则不能作为载体。在有线电视系统中，现在一般采用1.31m和1.55m波长的激光。一、激光的产生机理在讲激光产生机理之前，先讲一下受激辐射。在光辐射中存在三种辐射过程，一时处于高能态的粒子在外来光的激发下向低能态跃迁，称之为自发辐射；二是处于高能态的粒子在外来光的激发下向低能态跃迁，称之为受激辐射；三是处于低能态的粒子吸收外来光的能量向高能态跃迁称之为受激吸收。自发辐射，即使是两个同时从某一高能态向低能态跃迁的粒子，它们发出光的相位、偏振状态、发射方向也可能不同，但受激辐射就不同，当位于高能态的粒子在外来光子的激发下向低能态跃迁，发出在频率、相位、偏振状态等方面与外来光子完全相同的光。在激光器中，发生的辐射就是受激辐射，它发出的激光在频率、相位、偏振状态等方面完全一样。任何的受激发光系统，即有受激辐射，也有受激吸收，只有受激辐射占优势，才能把外来光放大而发出激光。而一般光源中都是受激吸收占优势，只有粒子的平衡态被打破，使高能态的粒子数大于低能态的粒子数（这样情况称为离子数反转），才能发出激光。产生激光的三个条件是：实现粒子数反转、满足阈值条件和谐振条件。产生光的受激发射的首要条件是粒子数反转，在半导体中就是要把价带内的电子抽运到导带。为了获得离子数反转，通常采用重掺杂的P型和N型材料构成PN结，这样，在外加电压作用下，在结区附近就出现了离子数反转在高费米能级EFC以下导带中贮存着电子，而在低费米能级EFV以上的价带中贮存着空穴。实现粒子数反转是产生激光的必要条件，但不是充分条件。要产生激光，还要有损耗极小的谐振腔，谐振腔的主要部分是两个互相平行的反射镜，激活物质所发出的受激辐射光在两个反射镜之间来回反射，不断引起新的受激辐射，使其不断被放大。只有受激辐射放大的增益大于激光器内的各种损耗，即满足一定的阈值条件P1P2exp(2G - 2A) 1（P1、P2是两个反射镜的反射率，G是激活介质的增益系数，A是介质的损耗系数，exp为常数），才能输出稳定的激光，另一方面，激光在谐振腔内来回反射，只有这些光束两两之间在输出端的相位差 =2q q=1、2、3、4。时，才能在输出端产生加强干涉，输出稳定激光。设谐振腔的长度为L，激活介质的折射率为N，则=（2/）2NL=4N(Lf/c)=2q，上式可化为f=qc/2NL该式称为谐振条件，它表明谐振腔长度L和折射率N确定以后，只有某些特定频率的光才能形成光振荡，输出稳定的激光。这说明谐振腔对输出的激光有一定的选频作用。二、激光的特点由于激光是以受激辐射的光放大为基础的发光现象，因而它同以自发辐射为基础的普通光源相比有许多鲜明的特点。1方向性好。激光具有很强的方向性，它治着一定的方向（比如光纤内）传播，而普通光源发出的光却是向四面八方均匀传播。在激光器中，由于受激原子发光的方向与外来光相同，再加上谐振腔只允许沿轴线传播的光得到放大，从而确保了激光的方向性，如果把激光器射到月球上，光斑直径不到2公里，而如把普通光源的光射到月球上（ 这根本是不可能的，这里只是假设），光束扩散直径将达到几万公里。2激光的单色性好。激光具有很窄的频谱，寻常光源除发出的可见光外，还包括紫外线、红外线，频谱相当宽，把所有的光滤波技术用于寻常光源也不能得到激光那样的纯色。3亮度高。激光器单位面积上的发光功率非常大， 这种光点所照射之处，在不到千分之一秒时间内就能产生几百万度的高温，在光纤中传播的有线电视光功率一般都在几十毫瓦以下，能量不是很强大，但一定不要直视，否则会损伤眼睛，这是在应用中要特别引起工程技术人员注意的。三、激光器。激光器是产生激光的装置，主要包括激活物质，泵浦系统和谐振腔三个部分，泵浦系统向工作物质输送能量，使其实现粒子反转，而谐振腔，则使受激辐射光不断被放大，以至输出稳定的激光。激光器应用于有线电视中，需要在各种环境条件下都能长时间连续工作，因而要求激光器应能输出较高的连续光功率，除此之外，CATV激光器还应具有以下特点：1、激光器发出的波长应该在光纤的低损耗窗口，即与1310nm、1550nm光纤相适应。2、应该有高的电光转换效率，能低功耗驱动，长寿命、高可靠。3、单色性和方向性好，以减少光纤的材料色散、提高光源与光纤的耦合效率，可宽带调制，响应速度快。4、体积小，重量轻，便于安装。在有线电视应用中，常用的激光器主要有分布反馈激光器（DFB），量子阱半导体激光器，在回传系统中上行发射也用最简单的激光二极管（LD）。1、 激光二极管（LD）。激光二极管本质上是一个半导体二极管，按照PN结材料是否相同，可以把激光二极管分为同质结、单异质结（SH）、双异质结（DH）和量子阱（QW）激光二极管。量子阱激光二极管具有阈值电流低，输出功率高的优点，是目前市场应用的主流产品。同激光器相比，激光二极管具有效率高、体积小、寿命长的优点，但其输出功率小（一般小于2mW），线性差、单色性不太好，使其在有线电视系统中的应用受到很大限制，不能传输多频道，高性能模拟信号。在双向光接收机的回传模块中，上行发射一般都采用量子阱激光二极管作为光源。2分布反馈激光器（DFB激光器）将激光二极管发光面表面刻上波纹状的衍射光栅，就构成了一个DFB激光器。同激光二极管只在两个端面形成反射，进行反馈不同，DBF激光器依靠光栅中各个波纹峰的反射进行反馈，尽管每个波纹峰处的反射很小，但由于波纹峰多，波纹周期完全相同，是反射光叠加成较大的反射，可得到较大的功率（20MW以上）输出；另外光栅还增强了谐振腔的选频作用，以保证激光器中只形成一个频率，一种模式的光振荡，做到单模输出。DFB激光器还采用了一些提高线性的措施，使其在注入电流大于阈值电流（高质量DFB激光器的阈值电流通量小于20mA）时输出功率基本与注入电流成正比。同激光二极管相比，DFB激光器具有单色性好，（谱线宽度仅为激光二极管的十分之一），温度系数小，输出功率大，线性好，便于调制，容易引起单模振荡，可以传输较宽频带的优点。从1989年美国ORTEL公司研制成大功率、高线性的DFB激光器开始，DFB激光器就在有线电视领域得到了最广泛的应用，目前市场上的光发射机在约有60%是采用DFB激光器。3多量子阱激光器（MQW激光器）MQW激光器是用超薄膜（厚度20nm形成有源层，能呈现量子效应的异质结半导体激光器，普通半导体激光器的有源层厚度为几百纳米到几千纳米。电子在有源层的运动是三维的，当有源层的厚度减小到20nm而与电子的自由程接近时，电子就不能在层厚方向做自由运动，只能在层面内作横向运动，电子能量变成一个个离散值，即呈现量子效应，有源层由多个薄层构成，由于载流子和光子被限制在薄层之内，从直观来看就是载流子和光子都很集中，因此容易发生激射。MQW激光器的优点：（1）阈值电流小，由于其结构中“阱“的作用，使电子和空穴被限制在很薄的有源区内，造成有源层内粒子数反转浓度很高，因而大大降低了阈值电流，由于阈值电流的降低，还带来了功耗低，温度特性好的优点。（2）线宽变窄。由于量子阱中带间复合的特点，造成线宽增大系数a变小，从而减小了光谱中的线宽，同双异质结激光器相比，缩小了近一倍。（3）器件的微分增益高，注入电流的微小变化能够引起光功率的较大变化。（4）调制速度高。工作频段可达30GHZ。（5）频率啁啾小，动态单纵模特性好，纵模控制能力强，以上讲述了CATV系统常用的激光器的特点，但是在光发射机中单是半导体激光器是不能正常工作的，它还必须包含有其它器件，如光电二极管，热敏电阻，半导体致冷器、光隔离器、透镜和尾纤等。这些内容将在光发射机的原理中介绍。三、激光器的性能指标为了更好的理解激光器的原理特性与应用特性，以下简单的讲述一下激光器的性能指标。1、 激光器的门限电流与功率输出。激光的输出光功率与驱动电流并不成直线比例关系。在门限电流（或称阈值电流）以下，激光器工作于自发射，输出光功率极小，在门限电流以上，激光器工作于受激发射、输出激光、功率随电流的增大而上升，基本上成直线对应关系，在实际应用中，我们要求门限电流越小越好。激光器功率特性的线性程度对模拟光纤传输系统的非线性失真指标影响很大， 这将在后面介绍。2、激光器的调制增益。激光器的调制增益是指输出光功率与输入射频驱动电流的比值，如0.42mW/mA，表示输入驱动电流1mA，输出0.42mW的光功率，调制增益一般越大越好。3、激光器的相对强度噪声RIN。激光器的相对强度噪声定义为单位频带宽度中噪声与输出光强的比值。常用dB/HZ作单位，激光器的噪声主要来源于激光器内光子涨落的量子噪声，相对强度噪声是描述激光器量子噪声特性的参数，我们希望它越小越好。4、激光器的线性范围。激光器的线性范围指激光器能线性工作的最大范围，通常它越大越好，我们可以用饱和电流(即激光器输出饱和时对应的激励电流，当激励电流超过饱和电流时，再加大激励，也不能使输出光功率增加，这是可能会造成激光器的损坏)与阈值电流之差来近似的代表其线性范围，实际上在线性范围内，激光器的输出光功率随注入电流变化的曲线，也不是绝对的直线，我们总是希望它尽量接近直线，使其非线性失真指标尽不能小，当温度升高时，阈值电流以1%2%/ C的速度增大，而饱和电流则相应降低，使激光器的线性范围减小，因此在激光器内部要加温控装置，保持其工作稳定。5、带内平坦度。普封装的激光器由于引线电感等分布参数的影响，频率响应并不理想，一般为1dB（750MHZ带宽），在CATV领域，激光器的封装形式一般为蝶形封装，这种封装引线最短。6、激光器的温度特性。激光器的特性对温度相当敏感，随着结温的升高，其输出功率将降低，当结温过高时，其输出功率将急剧减小，甚至损坏激光器，另外，随着结温的升高，其门限电流也将增大，噪声增加，波长变化。因此为了使激光器能稳定工作，必须先控制结温，以免给定偏置电流下的输出光功率随环境温度变化。在实用化的器件中，都装有用于温度控制和半导体致冷器和热敏电阻。关于激光器的温控与保护将在光发射机原理中介绍。7、激光器的谱线宽度。谱线宽度是指激光器发出的激光波长的范围，常用 来表示，激光器的谱线宽度越小，其单色性就越好，相应的输出特性也越好。8、激光器的交流等效输入阻抗。激光器的交流等效输入阻抗和输入频率有关；RF输入信号的频率带宽应小于共振频率FT，否则，输入阻抗升高，将导致调制系数的骤然上升，增加非线性失真。低于共振区的频率范围是一个平坦的曲线，这是可利用的频率范围，也就是我们平时所讲的光发的带宽。除以上参数外，描述激光器的参数还有发光效率，激光器寿命，工作稳定性等，限于篇幅，此处不多述。以上简单介绍了CATV领域激光器原理特性，讲原理是为了更好的应用，如果不懂原理则无法得心应手的应用第二部分、HFC激光的传输载体光纤的应用作者：丁炜 1970年美国康宁玻璃公司宣布制成了世界上第一根光纤，损耗系数为70dB/km，这可以说是最早的光纤，随后几年中，贝尔电话实验室和康宁公司合作迅速把光损耗系数降低到1dB/km以下。而我国最早的光纤生产于1980年，到了1986年国产单模光纤在1.31m波长的损耗系数达到0.5dB/km。自从有了光纤，人类才有了一个崭新的光通信领域。一、光纤的结构和原理。光纤（Optical fiber）是工作在光频的一种圆柱形介质波导，其材料为二氧化硅玻璃。光纤一般是由直径为几毫米至几十毫米的预制棒（俗称光棒）加热至2000C，由拉丝机拉制而成。光纤剖面的折射率分布是在预制棒中形成，因而预制棒的制作是最重要的光纤工艺。光棒的制作有多种工艺，现举一例说明，常用的制作工艺是汽相氧化法，在汽相氧化法中，高纯度金属氧化物的蒸汽和氧气发生反应，形成SiO2和其它氧化物微粒，把氧化物微粒收集在本体玻璃的表面上，然后通过烧结形成透明的玻璃棒，这就是光棒。实际上光棒通过拉丝机制成的裸玻璃光纤就包括纤芯和包层，为了保护裸玻璃光纤，使其不受光和水汽等外部物质的污染，在光纤拉成的同时，就给它涂覆上弹性涂料（一次被覆）。光纤由纤芯、包层和被覆层组成，导光的部分是处于轴线上的实心纤芯，包层的作用是提供一个圆柱形的界面，以便把光线束缚在纤芯之中，并减少由纤芯表面上介质常数不连续性所导致的散射损耗。被覆层是一种弹性耐磨的塑料材料，它增强了光纤的强度，能在机械上隔离或缓冲外力对光纤的纤响。光只所以能在光纤中传输，主要是纤芯和包层的共同作用。在纤芯和包层横截面上，折射率有两种典型分布，一种是纤芯和包层折射率沿光纤径向都是均匀分布，而在纤芯和包层的分界面上折射率成阶梯状突变，这种光纤称为阶跃折射率光纤；另一种纤芯的折射率随纤芯径向坐标增加而逐渐减小，一直渐变到等于包层折射率，这种光纤称为渐变折射率光纤。n1n2（n1 纤芯的折射率 n2 包层的折射率）是光纤引导光波在纤芯中传输的必要条件，对于阶跃折射率光纤而言，它可以使光波在纤芯和包层交界面上形成全反射，引导光波沿纤芯向前传播 ；对于渐变折射率光纤而言，它可以使光波在纤芯中产生连续折射形成穿过光纤轴线的类似于正弦波的光射线，引导光波沿纤芯向前传播。在有线电视应用中一般都是阶跃折射率光纤。 纤芯和包层都是石英材料，但掺入不同的掺杂剂，使纤芯的折射率n1大于包层的折射率n2，由光学知识大家都知道，当由光密介质n1，向光疏介质n2折射时，若入射角大于由n1、n2决定的一个角度时，光将发生全反射，这个角度通常称为临界角，只要光从直线光纤端面入射的入射角（光线与光纤轴线之间的夹角）小于光导纤维的孔径角，光进入光纤后在n2介质表面的入射角（光线与介质N2法线的夹角）就一定大于临界角，就一定发生全反射。对于实际光纤，只要其弯曲的程度小于一定的限度（例如其曲率半径大于1cm），进入光纤的光都会在光纤内来回反射，曲折向前传播，但光能量并不全部集中在纤芯内，而有一部分渗入包层，在包层内传播，描述光向包层内渗入的参数称为模场直径，光在光纤中传播时也会激发出一定的电磁波模式， 这种模式同光纤的粗细有关，芯径太细难以形成确定的传输模式，芯径太粗则使传输模式增多，使色散严重，固而光纤的纤芯不能太粗也不能太细，一般为传输波长的几倍至几十倍。按照光纤中容许传输的电磁波模式的不同，可以把光纤分为单模光纤和多模光纤。单模光纤指只能传输一种电磁波模式，多模光纤指可以传输多个电磁波模式，实际上单模光纤和多模光纤之分，也就是纤芯的直径之分。单模光纤细，多模光纤粗。在有线电视HFC网络中使用的光纤全是单模光纤，因此本文也只讲述单模光纤。单模光纤的芯径小，在制造、耦合、连接上都比较困难，而且只能用激光器作光源，但其传播特性好，带宽可达10GHZ，可以在一根光纤中传输60套PALD电视节目。按照光纤的色散特性，单模光纤又包括纤芯直径为8.5m10m的非色散位移光纤（也就是我们平时使用的普通光纤），纤芯直径为7.0m8.7m的色散位移光纤和纤芯直径为6m7m的色散平坦光纤等。关于色散位移光纤和色散平坦光纤将在后面介绍。二、光纤的传输特性。1光纤的损耗。光纤的损耗是光纤最重要的特性之一，常用dB/km作单位。理论和实验都证明光纤的损耗与它的传输波长有关，从光纤的传输损耗与波长关系的曲线可以很明显的看出，在0.85m、1.31m、1.55m处有极小值，通常把这三个波长称为光纤传输的三个窗口，在这三个波长中，0.85m波长时损耗最大，约34dB/km，1.31m的损耗次之，约0.35dB/km、1.55m附近的损耗最小，可达0.19dB/km以下。造成光纤损耗的原因有光纤材料的吸收损耗、散射损耗和辐射损耗三种。吸收损耗是与光纤材料有关的，玻璃材料中的杂质原子引起非本征吸收，玻璃材料的基本原子引起本征 吸收，另外光纤材料中原子结构的缺陷会引起光能的吸收，因比较微小一般忽略，然而如果光纤遭受强核辐射的照射，这种吸收损耗将变得很大。散射损耗一般是由于材料密度的微观变化、成分起伏以及制造光纤过程中产生的结构上的不均性或缺陷所引起的。光纤的辐射损耗的产生一般是由于光纤受到弯曲才会发生，而且种弯曲又有两种，即微小角度的弯曲（微弯）与大角度的弯曲（宏弯）。微弯是光纤轴线的曲率半径的重复性变化，它是由光纤护套二次被覆）的不均匀性或光纤成缆时产生的不均匀侧向压力引起的。宏弯是指曲率半径比光纤直径大很多的弯曲，如果说光纤的损耗是固有特性，那么宏弯产生的损耗的大小则是用户使用过程中的人为因素，鉴于弯曲会造成光纤损耗，故在应用过程中应避免光纤、光缆的过度弯曲。对于这种不同的曲率半径，光纤有不同的损耗，下表列出不同弯曲的损耗值供读者参考。 1310nm半径（mm）1015202225衰减(dB/m)130.151.810-33.2510-42.3810-51550nm半径(mm)102025303540衰减(dB/m)2.991.390.17.410-35.5710-44.210-5另外，光纤的损耗也受温度的影响，在较低的温度下，损耗会有明显的增加，例如在-25C-35C时附加温度损耗为0.03dB/km0.04dB/km，在-40C时，附加温度损耗为0.06dB/km0.08dB/km，故我国北方高寒地区在设计时应考虑温度因素。2光纤的色散。色散是光纤的一个重要特性，色散是指输入信号中包含的不同频率或不同模式的光在光纤中传播的速度不同，不同时到达输出端，从而使输出波展宽变形，形成失真的现象。在光纤有线电视系统中，色散的存在还与光源的调制特性一起产生组合二次失真（CSO）。光的色散包括模式色散、材料色散和结构色散，单模光纤的模式色散为零，只有材料色散和结构色散。对于波长越长的光，材料色散越小，结构色散越大，在1.31m附近，合成色散为零，故我们常将1.31m称为零色散波长，同1.55m相比，尽管1.31m的损耗较大，但因其在普通光纤中色散为零，失真较小，在光纤有线电视系统中得到了广泛的应用。因波长越长合成色散越大，为克服1550nm系统的固有缺点，人们经过探索，发明了色散位移光纤。为了实现在全通信波长范围段内色散为零或很小，又发明了色散平坦光纤。色散位移光纤（DSF）是将零色散点移至1550nm波长处，目前采用的方法是通过改变光纤的结构参数，加大波导色散值，从而移动零色散点，达到修正色散的目的，实现1550nm处于低损耗与零色散，为达上述目的，目前采用的主要方法是：设计新型的光纤剖面折射率分布，其结构由单包层阶跃型（DSF），单包层渐变型（DSF）、多包层型（DSF）。单包层阶跃型（DSF）的特点是小芯径、大掺杂，但带来的问题是由于大掺杂而引起的较大的瑞利散射损耗，小芯径导致接续时损耗加大。单包层渐变型（DSF）与阶跃型工作原理基本相同，其优点是模场直径大，接续损耗小，多保层型（DSF）其波导色散值有一个很大的波峰，可达到很大的负色散值，实现零色散点的位移，接续损耗也小。色散平坦光纤（DFF）指某一波长上具有零色散或低色散，使现在整个光纤通信的长波长波段（1300nm1600nm），不仅具有低损耗，而且具有低色散，最初的DFF是采用W型光纤制作的，因为这种光纤可以实现在两个不同的波长上（1305nm和1605nm）达到零色散，而且在这两个零色散点之间，色散特性平坦，数值也小；取得这样的色散特性，主要是由于W型光纤有内外两个包层，内包层要比外包层折射率要小，从而形成了一个折射率下陷的深沟，限制了色散的扩散，其缺点是弯曲损耗较大。多包层DFF。三包层和四包层光纤是在W型光纤基础上发展起来的，它的结构是在W型光纤的内包层外加入一个隆起的折射率环，色散特性和抗弯特性均优于W型光纤，这种光纤的特性与所要求的DFF已相当接近，在相当长的波长范围内，色散的斜率（即变化的程度）已接近于零，但是这种光纤的制作工艺较为复杂3光纤的截止波长。通常单模光纤工作在给定的波长范围内，导波在纤芯与包层的界面来导行，沿轴线方向传输。当波长越过一定范围，导波不能有效的封闭在纤芯中，将向包层辐射，在包层内的导波按指数迅速衰减，这时就认为出现了辐射模，导波处于截止状态，此波长称为截止波长，只有当工作波长大于截止波长，才能保证单模工作状态。以上介绍了光纤的三个最主要的特性，另外，光纤特性还有模场直径、同心圆误差等，限于篇幅有限不作一一介绍。三、光纤的寿命特性。其实作为光纤的使用用户，除了了解光纤的特性外，最重要的应该是光纤的寿命特性，以下将作介绍。（1）光纤的断裂机理。光纤断裂是由于光纤制造过程中光纤产生的微裂纹在应用力的作用下，逐渐加深，当微裂纹加深到超过临界值时，光纤断裂。光纤临界断裂强度与裂纹深度有如下关系： =0.80/ 由上式可算出：=0.001mm时，=0.45GPa，即光纤受到5.5N力时，光纤将断裂。光缆中光纤受力主要有：敷设时拉力，光缆温度变化时产生的热膨胀拉力或低温的缩力，光缆弯曲、扭转时光纤产生的弯曲扭转应力，光缆震动时光纤受到的应力。弯曲应力的计算结果如表1所示。 表1光纤弯曲半径（mm）12.48.86.13.02.0应用（GPa）0.370.530.761.62.53应变（%）0.50.71.02.03.0由表1 可见，当光纤呈小弯曲状态时，光纤可能受到很大应力，甚至导致光纤断裂，所以光缆在敷设、使用过程中应尽量避免小弯曲。另外光纤内部如有气泡杂质，当光纤处在潮气、水等环境时，二氧化硅表面会发生化学变化，为了提高光纤强度，一方面应选择质量有保证的厂家的产品，另一方面在施工过程中应严格架设（敷设）要求。（2）光纤光传输特性劣化。主要表现在光缆中光纤的衰减随时间而增加，导致线路不能正常工作。应力导致光纤产生弯曲损耗。前面已经给出1310nm波长和1550nm波长光纤衰减与光纤弯曲半径的对应值，只有弯曲半径大于40mm，弯曲损耗才可忽略不计，在施工中应特别注意。氢损。当光纤中氢分压超过一定值时，光纤传输损耗将增加。氢对光纤影响有两种形式：a、氢以分子形式扩散到光纤中，导致氢分子吸收光能振动产生附加光损耗；b、氢在一定条件下与石英光纤中的氧原子形成OH，导致1310nm产生强的吸收峰，该峰会使光纤1310nm波长损耗增加。（3）光纤原材料特性劣化 PBT降解：PBT管在不同气候条件下的寿命是不同的，寿命定义为破断伸长常数低于原有值10%，不同的温度湿度环境下断裂拉伸率并不一样，同时非抗水解的PBT材料寿命也短。护套料热、光老化。目前护套材料基本是采用聚乙烯（PE），PE在热氧条件下会产生自氧化反应，这种反应结果是分子链降解，使材料分子量变小，或使分子量大幅度上升。无论是分子量降低还是升高，都会使PE材料的物理性能及加工性能变坏。反应PE抗热氧反应能力的重要指标是氧化诱导期（OIT），对大量开裂护套的测试证明，OIT低是护套开裂的重要原因。PE的光老化是指在紫外光和氧的参与下，聚合物产生链的断裂和交联反应，导致PE物理性能劣化。纤膏和缆膏析氢，低温锥入度低，使光纤产生附加损耗。光纤油膏和缆膏一般由基础油、增稠剂、抗氧剂及其他添加剂组成，不同分子量的基础油，不同的增稠剂产氢不同。研究结果表明，光纤析氢量0.1L/g时，才能保证光缆的可靠性，否则随着时间的增长，析氢量越大，光纤损耗将增长到使线路通信质量严重下降的程度。各个光缆生产厂家为了提高光缆寿命都采取一些有力措施，但也有一些低劣的光缆流入市场。四、光纤及光缆的规格和型号。1、对单模光纤常有如下的分类：（1）B1型常规单模光纤。在1310nm附近有零色散波长，最佳工作波长为1310nm。其截止波长应短于1310nm。（2）B2型在1310nm附近有零色散波长，最佳工作波长为1550nm。（3）B3型色散位移光纤，零色散波长在1550nm附近。（4）B4型色散平坦光纤，在宽波长范围内具有低色散。在有线电视HFC网络中用得最多的就是B1型光纤，现提供B1型光纤的国家标准供读者参考。B1单模光纤GB、977188分级规定分级ABCD损耗系数不大于dB/km1310nm0.350.50.70.91550nm0.250.30.40.5总色散常数不大于PS/cnm.km12851330nm3.53.53.53.512701340nm6661550nm20202020筛选张力/N（特性时间1S）A级10N B级5N C级4N光纤损耗限定的波长范围最大损耗系数/（dB/km）光纤种类最小波长范围/nm065G62512601360G652，G6531430158004G65212701340025G652，G653，G65414801580对于光纤的命名方法，常采用下列格式：光纤类型(B1B4) -模场直径/外径- 工作波长- 衰耗常数 - 环境温度(C1C4)单模光纤适用的环境温度代号如下：C1：40 C+60 CC2：30 C+60 C C3：20 C+60 C C4：5 C+60 C2、单根的光纤，即使是涂上三层被覆后的光纤软线，其强度也是很低的，不能用于室外敷设，在HFC网中，室外架设的干线都是由若干根光纤和加强筋、护套等组成的光缆。在工程实践中，我们接触的基本上都是光缆，光纤跳线很少，为了适应工作的需要，此外重点讲述光缆，以使读者对光缆有一个较完整的认识。一根光缆中纤芯的数量根据实际的需要来决定可以有1144根不等（国外已经研制出了400芯的用户光缆），每根光纤放在不同地位置。具有不同的颜色，便于熔接时识别。实际上为了保护光纤的一次涂覆层，增加光纤的机械强度，必须进行二次被覆（套塑），只有套塑后的光纤才能用于成缆，一般在一条塑料管中最多能放置12芯光纤，并以一次涂覆层的颜色相区分。加强筋是为了加大光缆抗拉、耐冲击的能力，以承受光缆在施工和使用过程中产生的拉伸负荷，对加强筋的基本要求是：要有足够的抗拉能力；较小的线胀系数以减少温度变化对光缆传输性能的影响；具有较好的可弯曲性，便于施工和敷设。目前，常用的加强芯材料有钢丝、聚酯单位，共伦纤维棒、玻璃纤维棒等，其中钢丝应用最多，在雷击严重地区则不易选择钢丝加强芯，实际上光缆的成本中，光纤的价格浮动不大，造成光缆价格变化的主要是加强芯材料的不同等级，加强芯决定了光缆的价格，在订购光缆时，一定要睁大眼睛不能只图便宜，而忽略了加强筋的质量。光缆的护套的基本作用和电缆的相同，也是为了保护纤芯不受外界的伤害，室内光缆可以用聚氯乙烯（PVC）护套，室外光缆可用聚乙烯（PE）护套，要求阻燃时，可用阻燃聚乙烯，阻燃聚酯酸乙烯酯，阻燃聚胺脂等；在湿热地区，鼠害严重地区和海底，应采用铠装光缆。光缆的成缆方式有多种，如层绞式紧结构光缆，骨架式松结构光缆，束管式轻便光缆等，高密度的多芯光缆一般都采用层绞式多芯光缆，最多可做到144芯光纤。骨架式松结构光缆具有优良的抗拉强度，抗侧压性能和抗冲击性能，特别是光纤外于骨架槽中，受到了很好的保护，其缺点是工艺比较复杂，价格稍贵。上述两种光缆有一个共同的特点，即加强芯放置在光缆的轴芯，而光纤排列在周围，这种构造在承受横向打击的坚韧性方面尚显不足，对架空环境的应用尤其不利，实际上在HFC网络中，我们很少采用上述两种光缆，因为我们用不了那么多的芯数。束管式光缆中，光纤在束管内有较大的活动空间，改善了光纤在光缆内受压、受拉、弯曲时的受力情况；因为加强芯筋在光纤的外部，光纤抗冲击性能特别好，如果是用钢丝作加强筋一般采用2根钢丝到24根钢丝不等，故而价格有较大不同。这种光缆以其优越的性能，特别适宜于有线电视网络中的光纤传输线路。3光缆的命名。光缆的命名由七部分组成。第一部分是分类代号，例如GY表示该光缆为通信用室外光缆，GJ表示室内光缆，GH表示为海底光缆，GR表示为软光缆，GS表示为设备内光缆，GT表示为特殊光缆。第二部分是加强构件，无符号表明为金属加强构件，F表示为非金属加强构件，G表示金属重型加强构件，H表示为非金属重型加强构件。第三部分是缆芯填充特征，无符号表示非填充型，T表示填充型。第四部分是内护套类型，Y表示聚乙烯护套，A表示铝聚乙烯粘接护套，Z表示聚乙烯纵包皱纹纲带综合护套，V表示聚氯乙烯护套。第五部分是外护套，03代表聚乙烯，53代表纵包搭结皱纹钢带铠装加聚乙烯，23代表双钢带绕包铠装加聚乙烯，33代表单细圆钢铠装加聚乙烯。第六部分是光纤类型及芯数，中间的字母D表示为二氧化硅光纤，D前面的数字表示光纤芯数，D后面的数字i表示光纤性质，例如i=0表示最佳工作波长为1310nm的多模光纤，i=1表示最佳工作波长为1310nm的单模光纤，i=2表示最佳工作波长为1550nm的单模光纤。最后一部分是缆芯结构形式，G表示骨架式缆芯，S表示束管式缆芯，SG表示松套骨架式缆芯。4光缆的规格及特性。光缆的特性包括光纤芯数、外径、抗拉、抗侧压、抗弯曲性能和温度特性等，下表列出了部分厂家生产的光缆的特性，供读者参考，在订购光缆时一定要根据自己的实际情况采用合适的型号。如果分门别类详细分下来，将有上百种型号，因此光缆选型也是一项较复杂的工作，选中了光缆的型号，就需要订购光缆，在订购光缆之前，一定根据系统路由确定光缆的长度，这个长度是系统的实际开口需要长度，不是光缆的总长度。第三部分 光无源器件的原理及应用光无源器件是光纤通信设备的重要组成部分。它是一种光学元器件，其工艺原理遵守光学的基本规律及光线理论和电磁波理论、各项技术指标、多种计算公式和各种测试方法，与纤维光学、集成光学息息相关；因此它与电无源器件有本质的区别。在光纤有线电视中，其起着连接、分配、隔离、滤波等作用。实际上光无源器件有很多种，限于篇幅，此处仅讲述常用的几种光分路器、光衰减器、光隔离器、连接器、跳线、光开关。一、光纤活动连接器。光纤活动连接器是实现光纤之间活动连接的无源光器件，它还有将光纤与有源器件、光纤与其它无源器件、光纤与系统和仪表进行连接的功能。活动连接器伴随着光通信的发展而发展，现在已形成门类齐全、品种繁多的系统产品，是光纤应用领域中不可缺少的、应用最广泛的基础元件之一。尽管光纤（缆）活动连接器在结构上千差万别，品种上多种多样，但按其功能可以分成如下几部分：连接器插头、光纤跳线、转换器、变换器等。这些部件可以单独作为器件使用，也可以合在一起成为组件使用。实际上，一个活动连接器习惯上是指两个连接器插头加一个转换器。 （1） 连接器插头。使光纤在转换器或变换器中完成插拔功能的部件称为插头，连接器插头由插针体和若干外部机械结构零件组成。两个插头在插入转换器或变换器后可以实现光纤（缆）之间的对接；插头的机械结构用于对光纤进行有效的保护。插针是一个带有微孔的精密圆柱体，其主要尺寸如下： 外径2.4990.0005mm外径不圆度0.0005mm微孔直径1260.5m微孔偏心量1m微孔深度4mm 或 10mm插针外圆柱体光洁度14端面曲率半径20-60mm插针的材料有不锈钢、全陶瓷、玻璃和塑料几种。现在市场上用得最多的是陶瓷，陶瓷材料具有极好的温度稳定性，耐磨性和抗腐蚀能力，但价格也较贵。塑料插头价格便宜，但不耐用。市场上也有较多插头在采用塑料冒充陶瓷，工程人员在购买时请注意识别。插针和光纤相结合成为插针体。插针体的制作是将选配好的光纤插入微孔中，用胶固定后，再加工其端面，插头端面的曲率半径对反射损耗影响很大，通常曲率半径越小，反射损耗越大。插头按其端面的形状可分为3类：PC型、SPC型、APC型。PC型插头端面曲率半径最大，近乎平面接触，反射损耗最低；SPC型插头端面的曲率半径为20mm，反射损耗可达45dB，插入损耗可以做到小于0.2dB；反射损耗最高的是APC型，它除了采用球面接触外，还把端面加工成斜面，以使反射光反射出光纤，避免反射回光发射机。斜面的倾角越大，反射损耗越大，但插入损耗也随之增大，一般取倾角为8o9o，此时插入损耗约0.2dB，反射损耗可达60DB，在CATV系统中所有的光纤插头端面均为APC型。要想保证插针体的质量，光纤的几何尺寸必须达到下列要求：光纤外径比微孔直径小0.0005mm；光纤纤芯的不同轴度小于0.0005mm。因此，插针和光纤以及两者的选配对连接器插头的质量影响极大，也是连接器插头质量好坏的关键。不同厂家的产品工艺水平不一样，因而差别就很大，在实际应用中，本人也曾多次碰到一个插头插损1dB以上的情况，而正常值一般小于0.3dB。在工程应用中，不要小看一个小小的插头，质量低劣的插头对系统的影响是和很大的；在选购时一定要选用信誉高、知名厂家的产品。（2）跳线。将一根光纤的两头都装上插头，称为跳线。连接器插头是跳线的特殊情况，即只在光纤的一头装有插头。在工程及仪表应用中，大量使用着各种型号、规格的跳线，跳线中光纤两头的插头可以是同一型号，也可以是不同的型号。跳线可以是单芯的，也可以是多芯的。跳线的价格主要由接头的质量决定。因而价格也相差较大。在选用跳线时，本着质优价廉去选是不错，但一定不要买质次价低的产品。（3）转换器。把光纤接头连接在一起，从而使光纤接通的器件称为转换器，转换器俗称法兰盘。在CATV系统中用得最多的是FC型连接器；SC型连接器因使用方便、价格低廉，可以密集安装等优点，应用前景也不错，除此地外，ST型连接器也有一定数量的应用。aFC型连接器。 FC型连接器是一种用螺纹连接，外部元件采用金属材料制作的圆形连接器。它是我国采用的主要品种，在有线电视光网络系统中大量应用；其有较强的抗拉强度，能适应各种工程的要求。bSC型连接器。SC型连接器外壳采用工程塑料制作，采用矩形结构，便于密集安装；不用螺纹连接，可以直接插拔，操作空间小。实用于高密集安装，使用方便。cST型连接器。 ST型连接器采用带键的卡口式锁紧结构，确保连接时准确对中。这三种连接器虽然外观不一样，但核心元件套筒是一样的。套筒是一个加工精密的套管（有开口和不开口两种），两个插针在套筒中对接并保证两根光纤的对准。其原理是：以插针的外圆柱面为基准面，插针与套筒之间为紧配合；当光纤纤芯外圆柱面的同轴度、插针的外圆柱面和端面、以及套筒的内孔加工的非常精密时，两根插针在套筒中对接，就实现了两根光纤的对准。下面详细讲一下套筒。套筒有两种结构：开口套筒与不开口套筒。 a开口套筒。开口套筒在连接器中使用最普遍，其主要尺寸为 ：外径：3.20.01mm，内径2.50.02mm，内孔光洁度：14；弹性形变：小于0.0005mm，插针插入或拔出套筒的力：3.92-5.88N。开口套筒采用高弹性的材料，如磷青铜、铍青铜和氧化锆陶瓷制作，当插针插入套筒之后，套筒对插针的夹持力应保持恒定，这三种材料制作的套筒都在应用，但以铍青铜和氧化锆陶瓷居多。 b不开口套筒。不开口套筒在连接器中应用较少，在光纤与有源器件的连接中应用较多，其外型尺寸与开口套筒基本上一致。不同之处在于它的内孔直径为2.5+0.0005mm，即比插针的外径大1m；既让插针能够顺利插入，同时间隙也不能太大，保证光纤与有源器件（如激光管、探测器）连接时，重复性、互换性达到要求的指标。上述三种型号的转换器，只能对同型号的插头进行连接，对不同型号插头的连接，就需要下面三种转换器。即：FC/SC型转换器用于FC与SC型插头互连；FC/ST型转换器用于FC与ST型插头互连，SC/ST型转换器用于SC与ST型插头互连。市场上的法兰盘价格高低之间相关数倍，其实讲完这些，读者也应该明白原因在何处。（4）变换器。将某一种型号的插头变换成另一型号插头的器件叫做变换器，该器件由两部分组成，其中一半为某一型号的转换器，另一半为其它型号的插头。使用时将某一型号的插头插入同型号的转换器中，就变成其它型号的插头了。在实际工程应用中，往往会遇到这种情况，即手头上有某种型号的插头，而仪表或系统中是另一型号的转换器，彼此配不上，不能工作。如果备有这种型号的变换器，问题就迎刃而解了。对于FC、SC、ST三种连接器，要做到能完全互换，有下述6种变换器。SCFC，将SC插头变换成FC插头；STFC将ST插头变换成FC插头；FCSC将FC插头变换成SC插头；FCST将FC插头变换成ST插头，SCST将SC插头变换成ST插头；STSC将ST插头变换成SC插头。实际上光纤的活动连接除了采用上述的活动连接器外，如果是紧急抢修断光缆，而手头又没有熔接机，通常采用一种机械连接头（也称快速接线子）处理。其利用一个玻璃微细管来定位，用一套机械装置来紧固光纤，使用时先切开光纤，对端面进行清洁处理，光纤端头保留68mm，然后将光纤的两个端面在玻璃微细管的中央对准后夹紧，拧紧两端的螺帽即可实现光纤的可靠连接。这种机械连接头的长度约40mm，直径不超过5.7mm，平均插入损耗小于0.4dB，反射损耗大于50dB，抗拉强度大于1.25kg，更重要的是装配时间极短，确实是一种快速抢修必备工具。2光纤活动连接器的表征指标（1） 插入损耗。 插入损耗定义为光纤中的光信号通过活动连接器之后，其输出光功率相对输入光功率的比率的分贝比。其表达式为IL=-10loy PI/PO（dB），其中PO输入端的光功率，PI输出端的光功率。插入损耗越小越好。从理论上讲影响插入损耗的主要因素有以下几种：纤芯错位损耗、光纤倾斜损耗、光纤端面间隙损耗、光纤端面的菲涅耳反射损耗、纤芯直径不同损耗、数值孔径不同损耗。不管那种损耗都和生产工艺有关，因此生产工艺技术是关键。（2） 回波损耗。回波损耗又称反射损耗，是指在光纤连接处，后向反射光相对于输入光的比率的分贝数，其表达式为RL=-10loy Pr/PO dB，其中PO输入光功率，Pr后向反射光功率。 反射损耗愈大愈好，以减少反射光对光源和系统的影响。改进回波损耗的途径只有一个，即将插头端面加工成球面或斜球面。球面接触，使纤芯之间的间隙接近于“0”，达到“物理接触”，使端面间隙和多次反射所引起的插入损耗得以消除，从面使后向反射光大为减少。斜球面接触除了实现光纤端面的物理接触以外，还可以将微弱的后向光加以旁路，使其难以进入原来的纤芯，斜球面接触可以使回波损耗达到60dB以上，甚至达到70dB。关于插头的类型定义前面已述，此处不多讲。在CATV系统中都选用APC型端面的接头，这种接头的反射损耗完全可以达到系统要求，当然加工工艺不好的APC接头反射损耗比PC型接头的还要低也是可能的。（3） 重复性。 重复性是指对同一对插头，在同一只转换器中，多次插拔之后，其插入损耗的变化范围，单位用DB表示。插拔次数一般取5次，先求出5个数据的平均值，再计算相对于平均值的变化范围。性能稳定的连接器的重复性应小于0.1dB。重复性和使用寿命是有区别的，前者是在有限的插拔次数内，插入损耗的变化范围；后者是指在插拔一定次数后，器件就不能保证完好无损了。（4） 互换性。 互换性是指不同插头之间或者同转换器任意置换之后，其插入损耗的范围。这个指标更能说明连接器性能的一致性。质量较好的连接器，其互换性应能控制在0.15dB以内。重复性和互换性考核连接器结构设计和加工工艺的合理与否，也是表明连接器实用化的重要标志。质量好的跳线和转换器，其重复性和互换性是合格的，即使是不同厂家的产品在一起使用；质量低劣的产品即使是同一厂家的产品也很差。更不用说不同厂家产品混合使用的情况。3、活动连接器的使用活动连接器一般用于下述位置：光端机到光配接箱之间采用光纤跳线；在光配线箱内采用法兰盘将光端机来的跳线与引出光缆相连的尾纤连通；各种光测试仪一般将光跳线一端头固定在测试口上另一端与测试点连接；光端机内部采用尾纤与法兰盘相连以引出引入光信号；光发射机内部，激光器输出尾纤通过法兰盘与系统主干尾纤相连；光分路器的输入、输出尾纤与法兰盘的活动连接。二、光分路器与同轴电缆传输系统一样，光网络系统也需要将光信号进行耦合、分支、分配，这就需要光分路器来实现，光分路器是光纤链路中最重要的无源器件之一，是具有多个输入端和多个输出端的光纤汇接器件，常用MN来表示一个分路器有M个输入端和N个输出端。在光纤CATV系统中使用的光分路器一般都是12、13以及由它们组成的1N光分路器。1光分路器的分光原理光分路器按原理可以分为光纤型和平面波导型两种，光纤熔融拉锥型产品是将两根或多根光纤进行侧面熔接而成；光波导型是微光学元件型产品，采用光刻技术，在介质或半导体基板上形成光波导，实现分支分配功能。这两种型式的分光原理类似，它们通过改变光纤间的消逝场相互耦合（耦合度，耦合长度）以及改变光纤纤半径来实现不同大小分支量，反之也可以将多路光信号合为一路信号叫做合成器。熔锥型光纤耦合器因制作方法简单、价格便宜、容易与外部光纤连接成为一整体，而且可以耐孚机械振动和温度变化等优点，目前成为市场的主流制造技术。熔融拉锥法就是将两根（或两根以上）除去涂覆层的光纤以一定的方法靠扰，在高温加热下熔融，同时向两侧拉伸，最终在加热区形成双锥体形式的特殊波导结构，通过控制光纤扭转的角度和拉伸的长度，可得到不同的分光比例。最后把拉锥区用固化胶固化在石英基片上插入不锈铜管内，这就是光分路器。这种生产工艺因固化胶的热膨胀系数与石英基片、不锈钢管的不一致，在环境温度变化时热胀冷缩的程度就不一致，此种情况容易导致