第二章 光纤的基本理论

(a)突变型多模光纤；(b)渐变型多模光纤；(c)单模光纤二、ITU-T建议规范的单模光纤(主要为前四种：G.652、G.653、G.654和G.655)型号光纤特点普通单模光纤G.652可用于1310ntn,也可用于1550nm色散位移光纤DSFG.653将零色散波长移至1550nm,具有低损耗和低色散截止波长位移光纤CSFG.654降低1550nm波长的损耗，零色散波长仍为1310nm非零色散光纤NZDSFG.655在1550nm波段有微量色散，解决了G.652的色散限制以及四波混频大有效面积光纤LEAF增大光纤的有效面积，降低聘毓率密度，减小了非线性效应■使用场合•G.651:多模渐变型光纤♦中小容量、中短距离系统°0G.652：常规单模光纤♦目前世界上已敷设的光纤线路大部分采用这种光纤。•G.653:色散位移光纤♦大容量长距离通信系统(1550nm波段)。ONZDSF(G.655)、LEAF♦密集波分复用系统。

三、光纤的导光原理1.折射和折射率光线在不同的介质中以不同的速度传播，描述介质的这一特征的参数就是折射率，或称折射指数。折射率可由下式确定：n=c/v其中，是光在某种介质中的速度，c是光在真空中的速度。在折射率为n的介质中，光传播速度变为c/n,光波长变为扁/n（扁表示光在真空中的波长）。下表中给出了一些介质的折射率。材料空气水玻璃石英钻石折射率1.0031.331.52〜1.891.432.42当一条光线照射到两种介质相接的边界时，入射光线分成两束：反射光线和折射光线光的折射光的反射斯涅耳定律给出了定义这些光线方向的规则：91=93n1sin91=n2sin92全反射是光信号在光纤中传播的必要条件。光的偏振光波属于横波，即光的电磁场振动方向与传播方向垂直。如果光波的振动方向始终不变，只是光波的振幅随相位改变，这样的光称为线偏振光，如下图（c）和（d）所示。从普通光源发出的光不是偏振光，而是自然光，如下图（a）所示。自然光在传播的过程中，由于外界的影响在各个振动方向的光强不相同，某一个振动方向的光强比其他方向占优势，这种光称为部分偏振光，如下图（b）所示。（a）自然光（b）部分偏振（c）偏振（垂直）（d）（a）自然光（b）部分偏振（c）偏振（垂直）（d）偏振（水平）光的偏振如下图所示，当日光通过棱镜或水雾时会呈现按红橙黄绿青蓝紫顺序排列的彩色光谱。这是由于棱镜材料（玻璃）或水对不同波长（对应于不同的颜色）的光呈现的折射率n不同，从而使光的传播速度不同和折射角度不同，最终使不同颜色的光在空间上散开。自然光的色散四、光纤的几何特性光纤的几何特性包括芯直径、包层直径、纤芯/包层同心度、不圆度等。1.芯直径芯直径主要是对多模光纤的要求。ITU-T规定，多模光纤的芯直径为50±3pm。包层直径包层直径指光纤的外径，ITU-T规定，多模及单模光纤的包层直径均要求为125±3pm。目前，光纤生产制造商已将光纤外径规格从125.0±3pm提高到125.0±1pm。纤芯/包层同心度和不圆度纤芯/包层同心度是指纤芯在光纤内所处的中心程度。目前光纤制造商已将纤芯/包层同心度从^0.8pm的规格提高到^0.5pm的规格。不圆度包括芯径的不圆度和包层的不圆度。ITU-T规定，芯径不圆度^6%，包层不圆度（包括单模）V2%。模场直径和有效面积模场直径是指描述单模光纤中光能集中程度的参量。有效面积与模场直径的物理意义相同，通过模场直径可以利用圆面积公式计算出有效面积。模场直径越小，通过光纤横截面的能量密度就越大。当通过光纤的能量密度过大时，会引起光纤的非线性效应，造成光纤通信系统的光信噪比降低，影响系统性能。因此，对于传输光纤而言，模场直径（或有效面积）越大越好。下图为模场直径示意图。模场直径五、光纤传输特性的几个图形展示1、色散引起的脉冲展宽示意图模场直径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，如上图所示。色散一般用时延差来表示，所谓时延差，是指不同频率的信号成分传输同样的距离所需要的时间之差。2、偏振模色散（PMD）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振模色散。3、码间干扰（ISI）色散将导致码间干扰。由于各波长成分到达的时间先后不一致，因而使得光脉冲加长了（T+AT），这叫作脉冲展宽，如下图。脉冲展宽将使前后光脉冲发生重叠，形成码间干扰，码间干扰将引起误码，因而限制了传输的码速率和传输距离。4、光纤的机械特性光纤的机械特性主要包括耐侧压力、抗拉强度、弯曲以及扭绞性能等，使用者最关心的是抗拉强度。（1）光纤的抗拉强度光纤的抗拉强度很大程度上反映了光纤的制造水平。影响光纤抗拉强度的主要因素是光纤制造材料和制造工艺。①预制棒的质量。②拉丝炉的加温质量和环境污染。③涂覆技术对质量的影响。④机械损伤。（2）光纤断裂分析存在气泡、杂物的光纤，会在一定张力下断裂，如下图所示。张力裂纹深度张力光纤断裂和应力关系示意图（3）光纤的寿命光纤的寿命，习惯称使用寿命，当光纤损耗加大以致系统开通困难时，称其已达到了使用寿命。从机械性能讲，寿命指断裂寿命。（4）光纤的机械可靠性一般来说，二氧化硅包层光纤的机械可靠性已经得到广泛的认可。为了提高光纤的机械可靠性，在光纤的外包层中掺入二氧化钛，从而增加网络的寿命。5、光纤的温度特性光纤的温度特性，是指在高、低温条件下对光纤损耗的影响，一般是损耗增大，如下图所示。(Eap)就卑导巷-10-20-30-40-50-60温度(°C)光纤低温特性曲线六、各种典型结构的光缆（1）层绞式结构光缆把经过套塑的光纤绕在加强芯周围绞合而构成。层绞式结构光缆类似传统的电缆结构，故又称之为古典光缆。下图所示是目前在市话中继和长途线路上采用的几种层绞式结构光缆的示意图（截面）。填充油膏包带铝纵包PE护层紧套光纤中心增强件双芯松套光纤中心增强件包带AI-PE粘接护层皱纹钢带PE外护层填充油膏6芯紧套层绞式光缆12芯松套层绞式直埋光缆填充绳（聚乙烯）填充油膏第一单元松套管（6芯）第二单元松套管（6芯）包带皱纹钢带PE层尼龙12外护层中心增强件观料包带一铝一聚乙烯粘接护层填充油青——钢丝铠装（外层）-钢丝铠装（内层）、松套光纤金属中心加强件铝（或铅）护层麻被外层12芯松套层绞式直埋防蚁光缆6〜48芯松套层绞式水底光缆填充油膏中心增强件松食光纤绝缘桐线对（09mm）跑料包带—挡潮层（钳纵包）一PE内护层细钢丝铠装'反绕包层f-PE外护层塑料骨架铝纵包塑料骨架中心增强件——紧套光纤(a)管道、架空图1(b)直埋2芯骨架式光缆PE外护层填充油膏铝纵色包带分散式增强件塑料管架光纤加芯增强件塑料骨架填充油膏金属加强吊线塑料包带连贯(续)线铝纵包PE外护层12芯松套+8塑料骨架铝纵包塑料骨架中心增强件——紧套光纤(a)管道、架空图1(b)直埋2芯骨架式光缆PE外护层填充油膏铝纵色包带分散式增强件塑料管架光纤加芯增强件塑料骨架填充油膏金属加强吊线塑料包带连贯(续)线铝纵包PE外护层骨架式结构光缆是把紧套光纤或一次涂覆光纤放入加强芯周围的螺旋形塑料骨架凹槽内而构成。骨架结构有中心增加螺旋型、正反螺旋型、分散增强基本单元型，图1(b)为螺旋型结构，图2为基本单元结构。目前，我国采用的骨架式结构光缆，都是采用如图1所示的结构。图3所示是采用骨架式结构的自承式架空光缆。PE外护层皱纹钢带包带分散式增强件光纤纤维薄荷衬纤维线0.5细钢丝(护层增件)内外PE护层纤维薄荷衬纤维线0.5细钢丝(护层增件)内外PE护层高强度尼龙棒弹性塑料包带一次套层光纤高强度塑料光纤束管图112芯束管式光缆图270芯骨架式光缆图3骨架式自承式架空光缆束管式结构光缆把一次涂覆光纤或光纤束放入大套管中，加强芯配置在套管周围而构成。图1所示的光缆结构即属护层增强构件配制方式。图2、3所示是属于分散加强构件配置方式的束管式结构光缆。

6~48芯光纤PE外护层铝纵包钢丝(分散增强)高强度塑料光纤束管单根金属加强构件高密度PE护层开索皱纹钢护套防潮层高强度塑料束管6~48芯光纤PE外护层铝纵包钢丝(分散增强)高强度塑料光纤束管单根金属加强构件高密度PE护层开索皱纹钢护套防潮层高强度塑料束管1~18芯光纤图3LEX束管式光缆把带状光纤单元放入大套管中，形成中心束管式结构；也可把带状光纤单元放入凹槽内或松套管内，形成骨架式或层绞式结构。如下图所示。层绞式带状光缆中心束管式带状光缆单芯结构光缆层绞式带状光缆单芯结构光缆简称单芯软光缆，如下图所示。单芯软光缆这种结构的光缆主要用于局内(或站内)或用来制作仪表测试软线和特殊通信场所用特种光缆以及制作单芯软光缆的光纤。单芯软光缆特殊结构光缆特殊结构的光缆，主要有光/电力组合缆、光/架空地线组合缆和海底光缆和无金属光缆。这里只介绍后两种。①海底光缆有浅海光缆和深海光缆两种，图1所示为典型的浅海光缆，图2所示是较为典型的深海光缆。②无金属光缆无金属光缆是指光缆除光纤、绝缘介质外(包括增强构件、护层)均是全塑结构，适用于强电场合，如电站、电气化铁道及强电磁干扰地带。

内金属或高强度塑料绳光纤光纤或聚乙烯填充线聚乙烯铜管聚乙烯聚丙烯内层钢丝铠装内金属或高强度塑料绳光纤光纤或聚乙烯填充线聚乙烯铜管聚乙烯聚丙烯内层钢丝铠装外层钢税铠装深海光缆—PE外护层■一PE绝缘层一钢管——高强度钢绞线―扇形铝管——中心钢税光纤(光缆单元)浅海光缆七、光缆的种类1.按传输性能、可分为市话光缆、长途光缆、距离和用途分海底光缆和用户光缆。按光纤的种类分可分为多模光缆、单模光缆。按光纤套塑方法分束管式光缆和带状多芯单元光缆。可分为紧套光缆、松套光缆、束管式光缆和带状多芯单元光缆。按光纤芯数多少分四芯光缆、六芯光缆、八芯光缆、十二芯光缆可分为单芯光缆、双芯光缆、和二十四芯光缆等。四芯光缆、六芯光缆、八芯光缆、十二芯光缆按加强件配置方法分光缆可分为中心加强构件光缆(如层绞式光缆、骨架式光缆等)、分散加强构件光缆(如束管两侧加强光缆和扁平光缆)、护层加强构件光缆(如束管钢丝铠装光缆)和PE外护层加一定数量的细钢丝的PE细钢丝综合外护层光缆。按敷设方式分光缆可分为管道光缆、直埋光缆、架空光缆和水底光缆。按护层材料性质分光缆可分为聚乙烯护层普通光缆、聚氯乙烯护层阻燃光缆和尼龙防蚁防鼠光缆。按传输导体、介质状况分光缆可分为无金属光缆、普通光缆和综合光缆。按结构方式分光缆可分为扁平结构光缆、层绞式结构光缆、骨架式结构光缆、铠装结构光缆(包括单、双层铠装)和高密度用户光缆等。目前通信用光缆可分为室(野)外光缆——用于室外直埋、管道、槽道、隧道、架空及水下敷设的光缆。软光缆——具有优良的曲挠性能的可移动光缆。室(局)内光缆——适用于室内布放的光缆。设备内光缆——用于设备内布放的光缆。海底光缆——用于跨海洋敷设的光缆。特种光缆——除上述几类之外，作特殊用途的光缆。八、光缆型号的表示光缆型号由它的型式代号和规格代号构成，中间用一短横线分开。(1)光缆型式由五个部分组成，如下图所示。

光缆型式的组成部分图中:I:分类代号及其意义为：GY——通信用室（野）外光缆；GR—一通信用软光缆；GJ—―通信用室（局）内光缆；GS—一通信用设备内光缆；GH-——通信用海底光缆；GT—一通信用特殊光缆。II：无符加强构件代号及其意义为：号——金属加强构件；F一非金属加强构件；G—一金属重型加强构件；H—一非金属重型加强构件。III：D派生特征代号及其意义为：―光纤带状结构；G—一骨架槽结构；B——扁平式结构；Z——自承式结构。T——填充式结构。W：护层代号及其意义为；Y——聚乙烯护层；V——聚氯乙烯护层；U——聚氨酯护层；A——铝-聚乙烯粘结护层；L——铝护套；G——钢护套；Q——铅护套；S——钢-铝-聚乙烯综合护套。V：外护层的代号及其意义为：外护层是指铠装层及其铠装外边的外护层，外护层的代号及其意义如下表所小。外护层代号及其意义代号铠装层（方式）代号外护层（材料）0无0无11纤维层2双钢带2聚氯乙烯套3细圆钢丝3聚乙烯套4粗圆钢丝——5单钢带皱纹纵包——（2）光缆规格由五部分七项内容组成，如下图所示。IIImIVVabbcc适用温度模式带宽损耗（常数）使用波长光纤主要尺寸参数光纤类别光纤数（目）光缆的规格组成部分图中：I：光纤数目用1、2，表示光缆内光纤的实际数目。II：光纤类别的代号及其意义。J——二氧化硅系多模渐变型光纤；T——二氧化硅系多模突变型光纤；Z一二氧化硅系多模准突变型光纤；D——二氧化硅系单模光纤；X——二氧化硅纤芯塑料包层光纤；S——塑料光纤。III:光纤主要尺寸参数用阿拉伯数（含小数点数）及以pm为单位表示多模光纤的芯径及包层直径，单模光纤的模场直径及包层直径。W：带宽、损耗、波长表示光纤传输特性的代号由a、bb及cc三组数字代号构成。a—表示使用波长的代号，其数字代号规定如下：1——波长在0.85pm区域；2——波长在1.31pm区域；3——波长在1.55pm区域。注意，同一光缆适用于两种及以上波长，并具有不同传输特性时，应同时列出各波长上的规格代号，并用“/”划开。bb—