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光纤通信基础知识 2 1 我国光通信现状我国光通信现状 2 1 1 我国光通信发展历程 2 1 21 2 研发与应用的现状研发与应用的现状 4 2 2 光纤基础知识光纤基础知识 7 2 1 光纤的结构光纤的结构 7 2 2 光纤的分类光纤的分类 7 2 3 光在光纤中传输光在光纤中传输 8 2 4 光纤的传输性质光纤的传输性质 12 2 5 光纤标准种类光纤标准种类 16 3 3 光缆的基本知识光缆的基本知识 17 3 1 光缆的结构光缆的结构 18 3 2 光缆的种类光缆的种类 18 3 3 光缆的命名规则 23 3 4 外界环境对光缆的影响 25 3 5 光缆的特性参数 29 3 6 光缆的安装与维护 40 4 4 光通信系统的构成光通信系统的构成 48 光纤通信基础知识 1 我国光通信现状 光纤通信因其特有的一系列优点 是目前乃至今后相当的时间内最重要的传输手段 虽然目前移动通信 甚至卫星移动通信的热浪再现高潮 在北美 信息量的 80 以上是通 过光纤网来传输的 中国通信网的传输光纤化比例已高达 82 光纤通信技术的应用基本 达到国际同类水平 自主开发的光纤通信产品也比较接近国际同类产品水平 1 1 我国光通信发展历程 我国的光通信起步于 70 年代 其主要的发展历程参见表 0 表 0 年代光纤光器件通信系统 1977 年第一根阶跃型光纤问世 波长 850nm 长度 17m 衰减系数 300dB km Si APD 硅雪崩二极管 1978 年阶跃光纤衰减系数达到 5dB km 850nm 梯度型短波长多模光纤 3 5dB km 850nm 即 G 651 光纤 GaAs LD 砷化镓激光器 1979 年梯度型多模长波长光纤 1dB km 建成 5 7km 8Mb s 光 通信系统试验段 1980 年1300nm 窗口衰减降至 0 48dB km 1550nm 窗口衰减达到 0 29dB km 研制出短波长用的激光器 GaAlAs LD 1981 年研制出长波长用的 InGaAsP LD 和 PIN 探测 器 多模光纤活动连接器进入 实用 研制出 34Mb s 光传输 设备 1982 年研制成功长波长用的激光 器组件和探测器组件 PIN FET 研制出光合波分波器 光 耦合器 光衰减器 滤光 器等无源器件 研制出 140Mb s 光传 输设备 1984 年武汉 天津 34Mb s 市 话中继光传输系统工程 建成 多模 1985 年研制出 1300nm 单模光纤 衰减达 0 40dB km 1986 年研制出动态单纵模激光器 1988 年武汉至荆州 沙市 245km 34Mb s 架空多 模光缆通信系统工程通 过邮电部鉴定验收 扬州 高邮 4Mb s 单模光缆通信系统工程 通过邮电部鉴定验收 1989 年合肥 芜湖 140Mb s 单模光传输系统工程通 过国家鉴定验收 1990 年研制出 G 652 标准单模光 纤 最小衰减达 0 35dB km 到 1992 年降 至 0 26dB km 成功地研制出 1550nm 分 布反馈激光器 DFB LD 1991 年研制出 G 653 色散位移光 纤 最小衰减达 0 22dB km 研制出 565Mb s 光传 输设备 1992 年研制出掺铒光纤 EDF研制出可调谐 DFB LD 和 泵浦源 LD FC PC 陶瓷单模光纤活动 连接器通过邮电部鉴定 1993 年掺铒光纤放大器的研究上取得突破性进展 小信号增益 达 25dB 上海至无锡 65Mb s 单 模光传输系统工程通过 邮电部鉴定验收该 工程的建成 在国内外 产生了重大影响 对此 后 巴统 的解散起到一 定的 催化 作用 1995 年研制出 STM 1 STM 4 SDH 设备 1996 年研制出 STM 16 SDH 设备 1997 年研制出 G 655 非零色散位 移光纤 研制出应变多量子阱 DFB 激光器 STM 1 STM 4 收 发模块和 STM 16 接收 模块 武汉 咸宁 622Mb s SDH 双自愈环互连系 统工程通过建设部门初 验 1998 年海口至三亚 5Gb s 光 传输系统工程通过邮电 部鉴定验收 该工程全长 322km 仅在万宁设一个中继站 海口至万宁的中继距离 为 172km 仅在发送 机中使用一个 EDFA 就实现了这一超长中继 1999 年研制出 OADM OXC 样机 研制出 STM 64 SDH 设备 8 2 5Gb s DWDM 系 统通过国家验收 IP over SDH 的建议被 ITU T 确认 中国光通信技术的发展经历使民族光通信事业掌握了光纤 器件 系统等各方面的关 键技术 走进了国际光通信的先进行列 特别是在主要技术上 都有自己的特色和创新 如 1B1H 的光线路码型 自己特色的网络管理系统 能构成自愈环的 PDH 设备 自行设 计的全套 SDH 专用芯片 在线升级的 SDH 设备 通过 LAPS 实现的 IP over SDH 等 形 成了自己的知识产权 为进一步发展打下了良好的基础 1 21 2 研发与应用的现状研发与应用的现状 1 2 1 光纤方面 我国已基本掌握了常规单模和多模光纤的生产技术 包括色散位移单模光纤 G 653 光纤 非零色散位移单模光纤 G 655 光纤 大有效面积非零色散位移单模光纤 色散 补偿光纤 DCF 掺铒光纤 保偏光纤 数据光纤等 并能达到生产水平 对通信用塑料 光纤的制造和特性也进行了深入的研究 其中以大保实光纤为代表的大有效面积非零色散 位移单模光纤已在工程中应用 其主要特性如表 1 所示 1 2 2 光缆方面 国内有 200 多家光缆厂 每年所用光纤的数量超过 400 万 km 可以生产光缆的种类 包括层绞式 中心管式 骨架式 无金属型 ADSS 和 OPGW 光纤带光缆 带状光缆的 芯数为 288 芯 最高可达 960 芯 虽然光纤光缆的研制仅短短的 20 多年 其应用却已相当普遍 迄今 已敷设光缆长 度超过 100 万 km 包括世界屋脊西藏 在实际网络中 无论是核心网还是接入网 目前 主要应用的还是 G 652 光纤 在核心网中新建线路已开始采用 G 655 光纤 在接入网中已 开始应用光纤带光缆 1 2 3 器件方面 目前国内自行开发的光通信设备中 已采用了最先进的光器件和光电器件 光电器件 的研制在高速激光器 增益开关半导体激光器 量子阱双稳态激光器 掺铒光纤激光器 主动锁模光纤环形孤子激光器 被动锁模光纤环形激光器 光纤光栅激光器 光收发模块 半导体光放大器 SOA 掺铒光纤放大器 EDFA 增益平坦 EDFA 高增益低噪声 EDFA 掺铒光纤均衡放大器 DFB LD 与 EA 型外调制器的集成器件 应用于接入网的单 纤收发集成器件等方面都有显著进展 特别是国产的 EDFA 和光收发模块已在国内普遍推 广应用 典型的 DWDM 用掺铒光纤放大器的特性参数如表 2 所示 常规的光连接器 光隔离器 光准直器 光衰减器 固定衰减器和可变衰减器 滤 光器和光耦合器等已在批量生产 除满足国内市场需求外 已经出口到欧洲 进入国际市 场 光纤光栅的制作 以及利用光纤光栅做成各种光器件是目前的热点之一 我国已研制 了光纤光栅波分复用器 光纤光栅分插复用器 光纤光栅色散补偿器等 此外 在平面光 波导器件的研制上也有新的突破 如聚合物薄膜光波导 极化聚合物光波导 硅基光波导 器件 集成光波导器件等 目前在研制的还有双芯 SC 光纤活动连接器 光纤带光连接器 光环形器 高速光开关 混合集成光开关等 1 2 4 光传输设备及系统 STM 1 STM 4 STM 16 的 TM REG ADM 等已经大批量生产 除投入国内市场 外 也进入了国际市场 STM 64 已研制成功 进行了 478 8km 的传输实验 DWDM 的 研制进展很快 除了 4 2 5Gb s 8 2 5Gb s 16 2 5Gb s 系统的产品已投放市场 32 2 5Gb s 系统正准备建立试验工程 8 10Gb s 系统完成了传输实验 目前正在进行 16 10Gb s 系统的研制 此外 许多院 所 校还开展了光时分复用 OTDM 方面的研究 4 2 5Gb s 的 OTDM 已初见成效 4 10Gb s 或 8 10Gb s 的研究也拉开了帷幕 对光 纤 CDMA 光 ATM 交换系统 光孤子传输等的研究也有很大进展 DWDM 的终端设备外 信息产业部武汉邮电科学研究院已研制出可以上下 4 个波道的光分插复用器 OADM 除了向高速大容量系统发展之外 在光接入网的研究方面也投入了很大力量 目前的 研究目标是在尽量使光纤接近用户 综合业务接入 宽带接入 降低成本等方面 例如带 V5 接口的无源光网络 PON 带 V5 接口的 IDLC 电信业务与广播电视的综合接入 宽 带全业务接入网及降低光接入网的成本等是最主要的课题 用于接入网的 SDH 设备 如 紧凑型 STM 1 单板 STM 1 设备已大量投放市场 PON IDLC 等已有产品提供 目前 正在开发综合宽带光接入系统如 ATM PON 等 为进一步实现 FTTH 打下基础 我国的核心网光传输已主要采用 2 5Gb s 以上的 SDH 系统 部分干线采用 8 2 5Gb s DWDM 系统 为进一步满足未来发展的需要 近两年我国将在长达 3 万 km 的 18 条光缆 干线上主要采用 8 2 5Gb s 以上的波分复用技术进行扩容改造 许多省内干线正在建设 8 2 5Gb s 或 16 2 5Gb s DWDM 系统 省际干线正在进行 4 10Gb s DWDM 引进设备 的试验 引进的 32 10Gb s 系统也将开始试验 国产的 8 2 5Gb s 系统已应用于干线工程 如武汉邮电科学研究院的济南 青岛 8 2 5Gb s DWDM 工程已于 1999 年 5 月 7 日通过终验 五所的广州 汕头 8 2 5Gb s 也 于 2000 年初通过终验 目前已建的 DWDM 系统基本上都是点到点的系统 还没有形成环 路 部分考虑了 SDH 层面上的保护 正在建设的 DWDM 系统已在采用 OADM 环网的方 案 接入网中已较大量采用了光纤接入的方式 包括采用有源光接入 DLC 如以 PDH 或 SDH 为传输平台 和无源光网络 PON 的光纤接入方式 以实现 FTTC FTTB 为最 终实现 FTTH 打下基础 有的城市已用光纤带光缆敷设了 100 多个光纤环 为全市的光纤 接入化迈出了重要的一步 在广电部门 光纤 CATV 的应用已十分广泛 并主要采用 HFC Cable Modem 技术实现广播电视与话音 数据的综合接入 2 光纤基础知识 2 1 光纤的结构光纤的结构 n r 0 n2 n1 N r 纤芯 包层 涂层 阶跃型光纤结构及折射率分布示意图 n r 0 n2 n1 N r 纤芯 包层 涂层 梯度型光纤结构及折射率分布示意图 2 2 光纤的分类光纤的分类 按照材料划分 1 石英系列光纤 光纤的包层和纤芯使用高纯度的二氧化硅 掺有适量的杂质制成 目前广泛采用的产品 2 多组份玻璃纤维 钠玻璃掺杂杂质制成 损耗低 可靠性有待提高 3 塑料包层光纤 纤芯为石英材料 包层为硅树脂 4 全塑光纤 纤芯包层均为塑料 价格低 可靠性有待提高 塑料光纤是用高度透明的聚苯乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯 有机玻璃 制成的 它的 特点是制造成本低廉 相对来说芯径较大 与光源的耦合效率高 耦合进光纤的光 功率大 使用方便 但由于损耗较大 带宽较小 这种光纤只适用于短距离低速率 通信 如短距离计算机网链路 船舶内通信等 目前通信中普遍使用的是石英系光 纤 r 0 n2 n1 N r 纤芯 包层 涂层 单模光纤结构及折射率分布示意图 图 1 光纤结构 按照截面上的折射率结构划分 1 阶跃型光纤 纤芯中折射率是均匀的 2 梯度型光纤 纤芯的折射率是变化的 按照传输模式划分 1 单模光纤 Single Mode Fiber 一般情况下是阶跃型光纤 中心玻璃芯很细 芯径一 般为 9 10 m 外包层为 125 m 只传输基模的介质波导 2 多模光纤 Multi Mode Fiber 在一定波长下 可以传输多种模式介质波导 可以是 阶跃型 可以是渐变型 多模光纤的中心玻璃芯较粗 50 或 62 5 m 包层外直径 125 m 可传多种模式的光 2 3 光在光纤中传输光在光纤中传输 光纤为什么会像金属导线那样能够传输信号呢 在这里首先我们要清楚光纤到底是什 么东西 光纤为光导纤维的简称 由直径大约为 0 1mm 的细玻璃丝构成 它透明 纤细 虽比头发丝还细 却具有把光封闭在其中并沿轴向进行传播的导波结构 它由折射较高的 纤芯和折射率较低的包层组成 通常为了保护光纤 包层外还往往覆盖一层塑料加以保护 光纤通信就是因为光纤的这种神奇结构而发展起来的以光波为载频 光导纤维为传输介质 的一种通信方式 2 3 1 光的全反射 图 2 光的全反射 光从水中斜射入空气中时 部分在界面上反射回水中 部分进入空气 折射光线偏离法 线 折射角大于入射角 增大入射角 折射角也随之增大 当入射角增大到一定值 C 时 折 射角达到 900 折射光线沿着水面传播 继续增大入射角 空气中的折射光线消失了 光全 部反射回水中 这种现象称为光的全反射 反射回水中的光线同样遵循光的反射定律 显然 当光从水或玻璃之类介质中斜射入空气中时 才会发生全反射现象光从水或玻璃之类介质中斜射入空气中时 才会发生全反射现象 全反射现象在生活中经常可以遇到 露珠格外明亮耀眼就是光在水珠内发生全反射的 缘故 美丽的钻石光彩夺目也是全反射的结果 全反射现象在技术中应用广泛 如图 3 所示 全反射棱镜的横截面是等腰直角三角形 当光射入棱镜 后 就在直角面或斜面上发生全反射 使光的传播方向改变 900或 1800 在潜望镜和双筒望远镜中 常用全反射棱镜来改变光的前进方向 图 3 全反射应用实例 2 3 2 光在光纤中的传输 1 多模阶跃型折射率光纤中的光传输 图 4 多模阶跃型折射率光纤中的光传输 图 5 三种光纤主要类型光纤的传输示意图 在多模阶跃型光纤中传输的原理可以借助射线光学理论进行解释 光在光纤芯中按照 直线传播 当遇到纤芯和包层的界面上发生反射 由于包层的折射率 n2小于纤芯的折射率 n1 顾存在一个临界角 c 当光线在界面上的入射角 大于 c时 将产生全反射现象 当入射角 小于 c时 入射光将有一部分反射 而另一部分通过界面进入包层中 经过 多次的反射后 光的能量很快衰减 因此在光纤中只有满足全反射条件时 光才能向前传 播 临界角 c的大小由光纤的包层与纤芯的折射率来共同决定 即 c arcsin n2 n1 1 从空气中入射到光纤里 使之发生全反射条件的最大角度 同样由光纤的包层与纤芯的折 射率来共同决定 即 sin max n1sin 90 c 2 n12 n22 1 2 实际上 光在光纤的全反射远不是射线光学描述的那样简单 上述原理只是便于理解而已 实际的情况需要电磁场的理论来说明 因它已超过本讲义的范围 有兴趣的同学可以参照 有关的参考书 窄脉冲 展宽了的脉冲 光纤 图 6 脉冲变宽示意图 在阶跃光纤中传输的光 由于入射角的不同导致传输路径是不同的 从而不同路径的 携带信息的光到达终点的时间是不同的 会造成对信号的延迟 如果了光纤的始端输入信 号是一个较窄的脉冲 经过数公里传输后到达光纤终端探测到的脉冲是一个宽度展宽的脉 冲 见图 6 实际的效果是会导致通信容量的降低 从射线光学的观点可以分析出多模阶跃光纤中子午光线的最大时延差 子午光线是处 在子午面 包含光纤轴线的平面 内 经过光纤轴线在周围边界进行全反射的光线 如图 4 所示 假设光纤的长度为 L 则平行光纤轴线的入射光传输的路径是最短的 为 L 即与 光纤的长度相等 以临界角入射到纤芯和包层界面上的光线传输的距离最长 为 L sin c 可以得出最大的时延差 3 n1 n2 n1 4 d Ln1 c 5 d sin c c n1 L L c n1 单位长度光纤的最大群时延差 d为 d n1 c 7 其中 相对折射率差 c 光速 n1纤芯折射率 L 光纤长度 群时延差限制了阶跃折射率光纤的传输带宽 因而传输的带宽一般小于 200MHz km 2 多模渐变型折射率光纤中的光传输 子午线传输 渐变型 梯度型 光纤的折射率在纤芯中连续变化的 也就是说 适当地选择折射率 的分布形式可以使不同入射角的光线在光纤中传输时间 光程 大致相等 即可大大缩小 群时延差 从而提高传输的容量 渐变型的光纤脉冲展宽可以减小到阶跃型光纤的 1 左 右 群时延差最小的渐变折射率的分布形式是抛物线分布 折射率分布公式表达形式为 n0 1 r a 2 ra 从射线方程可导出靠近光纤轴线的光子午线传输轨迹 r r0cos 2 1 2 z a r0 a 2 1 2sin 2 1 2 z a 9 可以看出的 从光纤端面上平行入射的光线或光纤端面上同一点发出的近轴子午线经过一 段距离传输后 又重新汇聚到一点上 也就是说他们有相同的传输时延 有自聚焦性质 见图 7 偏射线 除了子午线外多模光纤中还有偏射线 是不与光纤轴线相交空间射线 如果从光纤截 面上看去 偏射线的投影是在两个焦散面之间震荡的轨迹 见图 8 图 7 抛物线尽轴轨迹 a 阶跃型光纤中的偏射线 b 渐变型光纤中的偏射线 图 8 多模光纤中的偏射线 阶跃型光纤外焦散面是纤芯与包层的界面 内焦散面与入射角有关 渐变型光纤外焦散面不一定与纤芯包层的界面重合 某个角度入射后使得内外焦散面 重合 则形成螺旋线传输 螺旋线不能产生子聚焦现象 因此渐变型光纤仍然存在群时延 差 2 4 光纤的传输性质光纤的传输性质 衰减和色散是光纤的两个重要的传输特性 2 4 1 光纤的损耗 光纤损耗决定着传输系统的传输距离 光纤损耗大则传输的距离短 反之传输距离 远 单位是 dB km 光纤的损耗反映在 1 纤芯和包层物质的吸收损耗 包括本征吸收和杂质吸收 2 纤芯和包层的散射损耗 包括瑞利散射损耗以及光纤在强光场作用下诱发的受 激拉曼散射和布里渊散射 3 光纤表面的随机畸变或粗糙所造成的波到散射损耗 4 光纤弯曲所产生的损耗 5 外套损耗 上述的损耗分为两个层面 即 固有损耗机理 这些机理限制了光纤的所能达到的 最小损耗 如本征吸收 瑞里散射损耗等 非固有损耗机理 可以通过改进工艺 提高材料纯度降低损耗 如杂质的吸收 波导的散射等 2 4 1 1 光纤材料的固有损耗光纤材料的固有损耗 1 红外吸收 8 12 m 紫外吸收 0 7 1 1 m 紫外吸收对通信有影响 2 瑞里散射吸收 光纤制作过程中材料密度不均匀造成的 瑞里散射损耗的比例因子是工作波 长的 4 次方分之一 因此长波长时损耗的影响较小 实验结果表明瑞里散射 的极限值在波长为 0 63 m 1 0 m 1 3 m 处的损耗分别是 4 8dB km 0 8d B km 0 3dB km 2 4 1 2 光纤材料的非固有损耗光纤材料的非固有损耗 1 重要的原因之一是杂质吸收 光纤中的金属离子 氢氧根离子都有自己的吸 收峰和吸收波段 从而增加损耗 尤其是氢氧根的振动吸收是造成 0 95 m 1 24 m 1 39 m 处的损耗峰的主要原因 只有使氢氧根离子 在光纤中的含量低于 1 10 9时 其引起的损耗可以忽略掉 2 光纤宏观上引起得不均匀性会引起的损耗波导散射损耗 输入光很强时造成 的非线性 诱发出的受激拉曼散射 受激布里渊散射也会增加损耗 通过工 艺的控制和入射功率的控制可以在大大减少这种因素引起的损耗 3 光纤的弯曲损耗 这种损耗是外界因素造成的损耗 也是我们在光通信系统维护时特别要注意 的问题 这种损耗的机理可以用图 9 所示的现象解释 当光纤弯曲时 如图 b 所示 弯曲造成入射角小于全反射临界角 则有一部分光进入到包层 中 从而弯曲给光纤带来光能的损耗 但是如果在一定的允许的弯曲半径内 只要满足全反射条件 弯曲引起的损耗可以忽略不计 例如把 1km 光纤绕在 直径约 10cm 的圆筒上 所增加的光能损耗只有万分之几 弯曲的损耗还产生于光纤成缆的过程中 如果控制的不好 会产生很大的附 加损耗 随着工艺水平的提高 生产过程中的弯曲损耗已经可以得到了较好 的控制 施工中的附加损耗只要按照施工规范进行操作安装 完全可以做到 忽略不计 2 4 1 3 光纤的谱损耗光纤的谱损耗 在光纤传输损耗指标中 光纤在一定波长范围内呈现的连续的单位长度的损耗曲线 叫做谱损耗或损耗谱 见图 10 常规的三个通信窗口分别是 0 85 m 1 31 m 1 55 m 常用的光纤的工作波长有短波长 0 85 m 长波长 1 31 m 和 1 55 m 光纤损耗一 般是随波长加长而减小 一般来说 0 85 m 的损耗为 2 5dB km 1 31 m 的损耗为 0 35dB km 1 55 m 的损耗为 0 20dB km 随着技术的波分复用技术的发展 谱损耗曲线上的名称有了新的叫法 O 波段 1 29 1 31 1 33 1 35 m E 波段 1 38 1 40 1 42 1 44 m S 波段 1 47 1 52 m C 波段 1 525 1 56 m 图 9 光纤的弯曲损耗 L 波段 1 565 1 625 m 目前的 S L C 波段间的间隔 20nm 今后会达到 0 8nm 典型的光纤的谱损耗见图 11 图 11 单模光纤的谱损耗 2 4 1 4 无水峰光纤 朗讯公司 发明的全波光纤 AllwaveFiber 消除了常规光纤在 1385nm 附近由于氢氧根离子 造成的损耗峰 损耗从原来的 2dB km 降到 0 3dB km 这使光纤的损耗在 1310 1600nm 都趋 于平坦 其主要方法是改进光纤的制造工艺 基本消除了光纤制造过程中引入的水份 全波光纤使 光纤可利用的波长增加 100nm 左右 相当于 125 个波长通道 100GHz 通道间隔 全波光纤的 损耗特性是很诱人的 可以传送数以百计的波长通道 当可用波长范围大大扩展后 容许使用 波长精度和稳定度要求较低的光源 合波器 分波器和其他元件 使元器件特别是无源器件的 成本大幅度下降 降低了整个系统的成本 2 4 2 光纤的色散 光纤色散是光脉冲在光纤中经过一定距离传输后出现的脉冲展宽现象 从射线光学上 理解色散就是群时延差 色散的单位是 ps nm km 色散主要分为模式色散 材料色散 波导色散 或分为模间色散 模式色散 模内色散 材料色散 波导色散 多模梯度型光纤最大群时延时最小的群时延差 min Ln0 2 8 c 10 其中 相对折射率差 c 光速 n0纤芯折射率 L 光纤长度 从上式可见在分布比较理想的条件下梯度光纤的群时延比阶跃型光纤的群时延小 8 倍 但是控制起来非常严格 模式色散引起的群时延仍然存在 波导色散 材料色散表现为某一个模式对不同的波长时延有所不同 在测量上很难分 开 因此统称为模内色散 波导色散与光纤的结构 光源的谱纤宽度有关 多模光纤的模间色散较大 这就限制了传输数字信号的频率 而且随距离的增加会更 加严重 例如 600MB km 的光纤在 2km 时则只有 300MB 的带宽了 因此 多模光纤传 输的距离就比较近 一般只有几公里 单模光纤的模间色散很小 因而适用于远程通信 但还存在着材料色散和波导色散 这样单模光纤对光源的谱宽和稳定性有较高的要求 即谱宽越窄 稳定性越好 在 1 31 m 波长处 单模光纤的材料色散和波导色散一为正 一为负 大小也正好相 等 这就是说在 1 31 m 波长处 单模光纤的总色散为零 从光纤的损耗特性来看 1 31 m 处正好是光纤的一个低损耗窗口 这样 1 31 m 波长区就成了光纤通信的一个 很理想的工作窗口 也是现在实用光纤通信系统的主要工作波段 1 31 m 常规单模光纤 的主要参数是由国际电信联盟 ITU T 在 G652 建议中确定的 因此这种光纤又称 G652 光纤 2 4 3 单模光纤 光纤通信已经从短波长多模光纤转到长波长单模光纤 由于单模的色散小更适合高速 率长距离的传输 对于陆地或海洋光通信系统具有重要的经济意义 由于单模光纤对各种 外界的微扰及其敏感 除了通信应用外还在传感技术上有突出的表现 例如对磁场 转动 振动 加速度 温度等参量的敏感度很高 目前成型的高灵敏度的光纤传感器有场强计 光纤陀螺 声纳仪 流量计 温度计等 利用光纤的非线性还可以制作成光纤放大器件以 及其他测量器件 2 4 3 1 单模光纤的传输条件 单模光纤的传输条件是归一化频率 V 小于 2 40483 如式 12 所示 V 2 a n0 2 1 2 2 40483 12 由上式可见 工作波长 纤芯半径 a 相对折射率差 共同决定单模的传输条件 在制作光纤过程中 a 和 为已知条件 因此工作波长的选择决定着单模传输的条件 2 4 3 2 单模光纤的截止波长 截止波长指的是 单模光纤通常存在某一波长 当所传输的光波长超过该波长时 光纤 只能传播一种模式 基模 的光 而在该波长之下 光纤可传播多种模式 包含高阶模 的光 2 4 3 3 模场直径 反映光在单模光纤中分布的情况的参数 通常是 9 10 m 10 2 4 3 4 单模光纤的结构 图 12 单模光纤结构 2 5 光纤标准种类光纤标准种类 目前光纤的工艺水平日益完善 国际电信联盟 ITU T 依据不同的用途规定了一系列的 建议规范 现汇总如下 2 5 1 G 652 单模光纤 单模光纤在 波段 1530 1565nm 和 波段 1565 1625nm 的色散较大 一般为 17 22ps nm km 系统速率达到 2 5Gb s 以上时 需要进行色散补偿 在 10Gb s 时系 统色散补偿成本较大 它是目前传输网中敷设最为普遍的一种光纤 2 5 2 G653 色散位移光纤 G 653 色散位移光纤在 波段和 波段的色散一般为 3 5ps nm km 在 1550nm 是零色散 系统速率可达到 20Gb s 和 40Gb s 是单波长超长距离传输的最佳光纤 但是 由于其零色散的特性 在采用 DWDM 扩容时 会出现非线性效应 导致信号串扰 产生 四波混频 FWM 因此不适合采用DWDM 2 5 3 G 655 非零色散位移光纤 G 655 非零色散位移光纤在 波段的色散为 ps nm km 在 波段的色散一般为 ps nm km 色散较小 避开了零色散区 既抑制了四波混频 FWM 可采用 DWDM 扩容 也可以开通高速系统 Lucent 公司和康宁公司的 G 655 光纤 分别叫做真波光纤和 SMF LSTM 光纤 真波光纤 的零色散点在 1530n 以下短波长区 在 1549nm 1561nm 的色散系数为 2 0 3 0 ps nm km SMF LSTM 光纤的零色散点在长波长区 1570nm 附近 系统工作在色散负区 在 1545nm 的色散值为 1 5 ps nm km 新型的 G 655 光纤可以使有效面积扩大到一般光纤 的 1 5 2 倍 大有效面积可以降低功率密度 减少光纤的非线性效应 国际上陆续又开发出 了一系列新型通信单模光纤 如大有效面积非零色散位移单模光纤包括康宁的 LEAF 和朗讯的 TruewaveXL 低色散斜率光纤 TurewaveRS 斜率降低的大有效面积非零色散位移单模光纤 色散平坦型非零色散位移单模光纤 以及斜率补偿单模光纤等 康宁和郎讯还分别推出了 LEAF 和 RS Truewave 光纤 它们都是第二代的非零色散位移 光纤 LEAF 光纤将光纤的有效面积 Aeff从常规的 50 增加到 72 增加了 32 有效 面积代表在光纤中用于传输的光功率的平均面积 因而大大地提高光纤中非线性效应的阈值 从而使系统具有更大的功率传输能力 它可以承载更大功率的光信号 这意味着可以实现更多 的波长通道数目 更低的误码率 更长的放大间距和更少的放大器 所有这一切都意味着拥有 更大的容量和更低的成本 RS Truewave 光纤的最大优点是色散斜率小 仅为 0 045ps nm km 小的色散斜率和色 散系数意味着大的波长通道数目 高的单通道码率 同时它还可以容忍更高的非线性效应 这 也意味着更大的容量和更低的成本 2 5 4 无水峰光纤色散 朗讯公司 发明的全波光纤 AllwaveFiber 消除了常规光纤在 1385nm 附近由于氢氧根离子 造成的损耗峰 损耗从原来的 2dB km 降到 0 3dB km 这使光纤的损耗在 1310 1600nm 都趋 于平坦 其主要方法是改进光纤的制造工艺 基本消除了光纤制造过程中引入的水份 全波光纤使 光纤可利用的波长增加 100nm 左右 相当于 125 个波长通道 100GHz 通道间隔 全波光纤的 损耗特性是很诱人的 但它在色散和非线性方面没有突出表现 它适于那些不需要光纤放大器 的短距离城域网 可以传送数以百计的波长通道 当可用波长范围大大扩展后 容许使用波长 精度和稳定度要求较低的光源 合波器 分波器和其他元件 使元器件特别是无源器件的成本 大幅度下降 降低了整个系统的成本 康宁公司的 MetroCorTM 光纤 消除了 1380nm 的水峰 其零色散波长在 1640nm 波长附 近 也对色散特性负色散做了优化 使得其特别适宜于低成本的城域 WDM 系统 ps nm km 1300 nm 1550 nm 光 纤 色 散 波长 0 20 20 图 13 几种典型的单模光纤色散曲线 3 光缆的基本知识 光纤的材料是 SiO2 是很脆弱的材质 真正用到通信系统中需要进行成缆铠装 光缆 不仅保护了光纤成为通信介质 而且便于运输 施工 安装 抵御外界环境对光纤的侵袭 3 1 光缆的结构光缆的结构 目前光缆的种类有很多 常见结构的横断面有以下几种 a 束管式光缆 b 层绞式光缆 c 带状光缆 d 无金属光缆 图 13 光缆的基本结构 光缆的基本材料包括 1 加强件 光缆的脊梁骨 承担着轴向的机械强度 分为中心加强件 铠装加强 件 在机械强度要求较高时两种加强件方式军需要 甚至挤包铜管 钢管 铝 管等 加强件的形状有圆钢丝 梯形钢丝 多股绞合钢丝等 2 PBT 松套管 也叫二次被覆 直接保护光纤 与外界的隔离 增加光缆的加 工强度 3 防水油膏 保护光纤 保护涂敷 第一道隔绝潮气防线 横向纵向阻水 4 钢塑复合带或铝塑复合带 横向隔绝潮气 增强横向机械强度 与外护套密贴 第二道隔绝潮气的防线 5 聚乙烯护套 保护钢带隔绝潮气 电气绝缘 使光缆成为稳定的整体等作用 3 2 光缆的种类光缆的种类 光缆种类按结构划分 有层绞式 中心束管式 骨架式 带状式 自承式 按照敷设方式划分 管道式 架空式 直埋式 水下式 含海底光缆 缠绕式 金属加强构件 光纤带 填充油膏 松套管 阻水油膏 阻水包带 钢塑复合带 聚乙烯护套 加强件 光纤带 填充油膏 松套管 阻水油膏 阻水包带 钢塑复合带 聚乙烯护套 图 14 海底光缆 按照用途划分 室内光缆 含光跳线 室外光缆 单模光缆 多模光缆 非金属全塑 光缆 ADSS OPGW 应急光缆等 a OPGW 缆 b 室内光缆 c 自承式光缆 图 15 其它几种光缆举例 随着通信产业的飞速发展 特别是近些年来互联网及接入网的突飞猛进 对光纤通信 的要求越来越高 通信带宽不断上升 应用范围不断扩大 虽然 EDFA 掺铒光纤放大器 和 DWDM 密集波分复用 的出现 为增加带宽和信道数量创造了一定的机会 但在许多方 面仍有不足 尚需传输介质 光缆的配合 全球光缆需求量近几年每年约有 20 增加 由于光缆用途十分广泛 故不同的使用场合对光缆性能及特别提出不同的要求 因此适应 各种需求的新型光纤光缆不断涌现 从而带动了光纤光缆的发展 另一方面 新工艺 新 材料 新技术的不断开发 又为创造新型光缆提供了坚实的基础 3 2 1 新型光缆结构新型光缆结构 1 高纤密度光缆 高纤密度光缆是随着宽带宽应用和光纤到户的需求而发展的 它敷设在长途通信 大 城市环网和馈送回路的初始分支中 1991 年日本的 NTT 公司在 FTTH 网中采用了一条 4000 芯的光缆 直到 1995 年之后 美国市场才出现第一批高纤密度光缆 目前大量生产的高纤 密度光缆为 800 1000 光纤数 根 美国西康公司撰文指出中心管 层绞和骨架三类结构光 缆可分成十一种 其中 中心管式和松管层式结构是非金属缆 骨架结构是非铠装缆 中 心加强件为绞合钢丝绳 中心管和层绞结构的额定张力为 2700N 和 4000N 骨架结构的 额定张力范围是 4000 8000N 研究和比较了这十一种光缆的基本特征 如缆的尺寸 缆 重及刚性等 和性能 如环境 机械及施工性能 得出如下结论 中心管和层绞式光缆 光纤带阵列成方形时可获得最大密度 骨架式光缆可通过采用增加光纤带芯数来提高密度 例如 SC20 和 SC32 骨架式光缆分别采用的是 8 芯带和 16 芯带 它们的密度分别为 1 61 光纤数 mm 2 次方 和 2 1 光纤数 mm 2 次方 后者是前者的 1 3 倍 对于芯数在 2000 芯以下的光缆 缆重与芯数成正比 而 2000 芯以上的光缆的缆重却因结 构而异 干式缆比一般填充式缆轻 光缆的柔软性在这三者中以骨架式光缆为最优 这是 因为光缆的刚性元件高度集中在缆中心 而中心管式光缆柔软性最差 因其加强件移到缆 的边缘处 光缆的环境性能和机械过侧压 冲击 扭转和低温弯曲等试验表明 骨架式光缆有最好的 机械性能 其原因在于缆芯结构具有较强的侧压承受能力 光缆的施工性能是管道孔径对 光缆长度和弯曲半径的要求 在该性能上中心管式和层绞式光缆优于骨架式光缆 高装填 密度的中心管式光缆可达 1296 芯 它可敷设在直径 31 7mm 的管孔中 这一点在美国市 场非常重要 因为美国的管孔直径通常是 31 7mm 这也可能是中心管式光缆走红美国市 场的原因之一 综上所述 就芯数而言 中心管式 864 1296 芯光缆 双层骨架式 2000 3200 芯且外层为 SZ 绞的光缆有着最好的前景 SZ 层绞式光缆以 864 芯以下为好 它有着较好接入性能 干式缆和高装填密度的中心管式光缆有着明显的优势 它是光缆未来的发展方向 2 ADSS 光缆 ADSS 光缆虽然在国内外广泛应用 但是对其应用特性 特别是高电场下的表现尚了 解不多 超大芯数带状 ADSS 光缆通常 ADSS 光缆都在 60 芯以下 最近 FITEL Lucent 公司研制了一种新型光缆 芯数高达 432 芯 每管含 6 条 12 芯光纤带 6 根松套管绕中 心加强件作 SZ 绞合 节距最大为 1 5m 该结构采用 SZ 绞合 利于从光缆中间的分叉接 入 缆芯为干式并少量使用粘滞的阻水化合物 紧密的缆芯结构能提高光缆中各部分之间 的耦合能力 防止相对移动 内外护层之间的转矩处均衡地分散着高强度的芳纶纱绳 外 层护套为中密度聚乙烯或抗高电压侵蚀的材料构成 这种双层护套能提高抗侧压性能 对 这种新型光缆按相应的标准或标准草案进行了常规质量鉴定试验 增强张力试验和户外架 空试验 a 常规质量鉴定试验机械试验 按 GR 20 Issue 1 包括高低温弯曲 冲击 侧压 加载弯曲 扭转 弯曲性能的试验 环境试验 按 GR 20 Issue 1 包括温度循 环 光缆时效 低温 阻水试验 b 增强张力试验 按 TR NWT 001121 Issue 1 反复加载 8 次 每次最大张力达 到光缆的最大额定负载 共 1h 它相当于最坏的敷设情况 结果表明 光缆的 最大应变为 0 15 光纤最大应变为 0 18 在最大张力时光纤最大衰耗增加 为 0 02dB km c 户外架空试验这类可靠性试验对 ADSS 缆至关重要 国内基本不做这样的试验 这很可能留下隐患 d 急速振动试验 按 IEEE P1222 草案 其目的是确定光缆在正弦波振动状态下 的性能 特别是在 ADSS 缆的基本频率下的振动性能 此时振动波长为单跨距的 两倍 由跨距 缆长 缆重及张力可算出基本频率 这里振动波频度 f 2 9Hz 峰 峰值为 20 3cm 共 20h 大约振动 21 万次 光缆所受张力为最大敷设张 力的 50 试验中和试验后光纤最大衰减变化可忽略 0 01dB 在 1550nm 时 端头夹持处也无问题 风激振动试验 按 IEEE P1222 草案 f 33 9Hz 它等效于风速 16 1km h 振幅为 12 5mm 缆所加张力为最大敷设张 力 共做 38 天 1 1 亿次 试验中和检验后光纤衰减增加可忽略 0 01dB 在 1550nm 时 且无物理损伤 e 高温下的端头张力试验 其目的是考查在极端条件下 ADSS 缆的固定端头性能 试验是模拟太阳光照射 在光缆的一个固定端头进行 将带固定头的光缆穿过一 个特制的开洞封闭盒 固定端头和光缆护套上装有温度传感器 盒内有加热电灯 和风扇 光缆处在最大敷设张力下 60 24h 试验中和试验后 光纤最大减 变化 0 01dB 且光缆固定端不打滑 极端张力试验 在最大额定光缆负载的 1 5 倍张力下 8h 试验中和试验后光纤最大衰 减 0 02dB 可见 ADSS 带状光缆检测中 除了进行与架空光缆 电力电缆相似的试验外 还增加了一些特殊的试验 高温下的张力试验和极端张力下的试验 长跨距 高电压下使用的 ADSS 光缆 古河 巴西 公司开发了一种跨度达 1137m 的 ADSS 光缆 且已使用了一年 应用 的线路电压为 230kV 在 ADSS 光缆上的电压为 28kV 该种缆采用干松管层绞缆芯 填 充水胀材料 此材料不易发生水解 以保证光纤使用寿命 干式缆芯可降低缆重和减小尺 寸 其有内护层 以保护缆芯 并给芳纶加强件一个牢固的支撑基础 芳纶加强件绕在内 护层外 其外层为抗电蚀的材料 考虑到高温高湿下光纤松套管的水解问题 选择了抗水 解松套管材料 此种设计使得在光缆最大伸长时光纤不发生应变 其关键在于光缆的尺寸 和质量要尽可能的小 这种 ADSS 光缆的检测项目 除上节介绍的试验外 还增加了灰尘和雾以及在电场和 应力的合并作用下护套的电蚀试验 中国电力研究院有文章指出 在额定 500kV 的高压电 力线下 也有希望采用 ADSS 光缆 且新的双回路 500kV 电力线容易找到低感应电压位 置 而中国 17000km 500kV 的线路中许多都是单回路 因此不易找到低于 20kV 的感应 电压区 需要研究并采用降低地漏电流的控制器才有可能应用 ADSS 光缆 韩国三星公司 提出了无电压限制的 ADSS 应用 得出解决无电压限制的 ADSS 应用问题的办法是计算出 适当的架设张力和架设位置 3 办公楼用新结构光缆 藤仓公司开发了一种用于办公楼的新结构光缆 其优点是结构成本低 便于分支和做 接头 单元光缆的结构与武汉邮电科学研究院早年的专利产品 中心束管式光缆非常相近 中心管中有两个四芯光纤带 管内为干式结构 中心管外为两根细钢丝的无卤阻燃护套 整个单元外径为 5 2mm 16 单元光缆结构中分内外两层绞合 中心加强件直径为 3 2mm 由 7 根 0 8mm 钢丝绳外加垫层组成 周围绞合五个单元 外层再绞合 11 个单元 内外绞合后都有固定用的绕包带 10 单元光缆的中心加强件 1 6mm 含 7 根 0 6mm 钢 丝 单层绞合 10 个单元 外面以 1 1mm 0 32mm 内含钢丝的带子绕包固定 这种缆的 特点是 a 易于分支 便于使用各种类型连接器 安装连接省时 可降低大楼内的安装成本 b 传输性能和机械性能等于或优于一般室内骨架式光缆 c 阻燃性满足 IEC 322 2 要求 d 分立的光纤单元可作为室内布线 其性能满足相应使用条件要求 4 易弯曲光缆 阿尔卡特公司先后推出两种更为简单易施工的楼内用光缆 其结构非常简单 无中心 缓冲管 仅有一个护套层 的中心管式光缆 内孔径 2 0mm 外径 5 5mm 内孔中有 48 芯光纤和填充物 护套层内有两根 0 9mm 的 FRP 加强件 该缆由于缆径小 质量轻 可利用吹入施工法进行敷设 可利用现有管孔 使电信经营者大大降低市区的安装成本 近期推出的 144 芯半紧套缓冲管光缆 外径为 13mm 它同样具有易弯曲光缆的敷设优点 其中 12 芯缓冲管尺寸 1 4mm 仅为一般缓冲管的 50 壁厚 0 2mm 内充油膏 半紧套管的材料比较柔软 具有低断裂伸长性 半紧套管的可挠性好 可用手指剥离 由 于半紧套管对垂直压力敏感 缆芯不用捆扎 而是用一层护套包起来 缆芯较松 可采用 SZ 绞或螺旋绞合 节距较长 干式 采用水胀材料填充 两侧护套内用玻璃纤维增强塑料 棒作为加强件 也可用金属作为加强件 在缆芯外围可增加芳纶纱 以增加光缆强度 对 于小芯数的这种光缆 直径可降到 2mm 阿尔卡特公司还开发出一种技术 能在光缆外标 识 SZ 绞合的反转点 以便进行光缆分接时准确地切口 5 双层骨架式光缆 古河公司开发了一种高纤密度可中间分接的骨架式光缆 其内层为单向螺旋槽骨架 槽内为四芯光纤带共 100 芯 外层为 SZ 螺旋槽骨架 槽内为 2 芯光纤带共 128 芯 内层 用于干线 外层用于分配网 内层纤密度比外层高 80 此光缆肯有良好的传输特性和机 械特性 但此缆工艺繁琐 成本较高 可供长途和分配网共用 6 多层挤出非金属多护层光缆 Nextrom 公司开发出一种新颖的挤塑机 可以挤出多层结构 各层可用不同材料以满 足不同需要 每层相当于普通的单独挤塑 锥形挤塑机的主要部件是一个带螺线通道的旋 转锥形螺杆 转子 两个隔离锥体 定子 和一个简单的模口 每个可生产两层 更多 层可通过增加转子和定子的组合来达到 各层厚度可分别控制 使热塑材料达到最佳工艺 状态 有效的熔融 短滞留时间和对熔体的低剪切力 此设备非常适宜于制造接入网中 应用的非金属光缆及 OPGW 光缆的缆芯 7 海底光缆 由于近几年国际互联网飞速发展 海底光缆应用量锐增 各大光缆厂家都生产了不少 海底光缆 但光缆结构并无多大创新 只是在光纤芯数和光缆长度上有明显的增加 接头 技术及配件更适合新的光缆要求 接续时间快 这些均满足了大容量和新型光纤的要求 3 3 光缆的命名规则 3 3 1 型号的组成内容 代号及意义型号的组成内容 代号及意义 分型号和规格两大部分组成 型号组成的格式 如下图所示 1 光缆型号组成的格式 光缆型号组成的格式 型号格式如下图由 5 个部分构成 外护套 护套 结构特征 加强构件 分类 分类的代号分类的代号 GY 通信用室 野 外光缆 加强构件的代号加强构件的代号 加强构件指护套以内或嵌入护套中用于增强光缆抗拉力的构件 无符号 金属加强构件 F 非金属加强构件 缆芯和光缆的派生结构特征的代号缆芯和光缆的派生结构特征的代号 光缆结构特征应表示缆芯的主要类型和光缆的派生结构 当光缆型式有几个结构特征 需要注明时 可用组合代号表示 其组合代号按下例相应的各代号自上而下的顺序排 列 D 光纤带状结构 无符号 光纤松套被覆结构 J 光纤紧套被覆结构 无符号 层绞结构 X 缆中心管 被覆 结构 T 油膏填充式结构 无符号 干式阻