光缆通信工程

1. 光缆通信工程 培训资料 主讲：

2. 目 录 • 光 纤 概 述 • 光 纤 和 光 缆 • 光缆线路的施工 • 光 缆 的 测 试 • 光缆线路线路维护和管理

3. 光纤概述 1.1 光纤通信发展概况 光纤通信：以光波为载波，以光导纤维（简称光纤）为传输介质的一种通信方式。 光纤通信是由光通信逐步发展演变而来。 1.1.1 光通信发展史 烽火台火光—光电话—半导体激光器—玻璃制光导纤维—石英光纤

4. 光纤概述 1.1.2 光纤发展的阶段 ① 第一代光纤通信系统 波长:0.85μm短波长(多模光纤) 传输速率:50-100Mb/s 光纤损耗:2.5-3dB/km 中继距离：10km ② 第二代光纤通信系统 波长：1.31μm（长波长多模或单模光纤） 传输速率:140Mb/s 光纤损耗:0.55-1dB/km 中继距离：20-50km

5. 光纤概述 1.1.2 光纤发展的阶段 ③第三代光纤通信系统 波长：1.31μm（长波长单模光纤） 传输速率：PDH的各次群 光纤损耗:0.3-0.5dB/km 中继距离：50-100km ④第四代光纤通信系统 传输速率：可达2.5Gb/s 中继距离：80-120km ⑤第五代光纤通信系统 DWDM技术

6. 1.2 光在电磁波中的位置 光波与无线电波相似，也是一种电磁波，只是它的频率比无线电波的频率高得多。 光纤通信所用光波的波长范围：0.8-1.8μm 短波长：0.8-0.9μm 长波长：1.0-1.8μm 超长波长：≥2.0 光纤通信采用的三个通信窗口 短波长：0.85μm 长波长：1.31μm和1.55μm 波长、频率和光速之间的关系式： 光在真空中的传播速度约为

7. 1.3 光纤通信系统的基本组成 1.3.1 光纤通信系统的基本组成 ① 光发射机 光发射机，即发端光端机，主要作用是将来自于电端机的电信号转变为光信号，并将光信号送入到光纤中传输。 ② 光纤光缆 光纤是光纤通信的传输介质，主要作用是将光信号由发端传送到收端。

8. ③ 光接收机 光接收机，即收端光端机，其主要作用是将光纤传送过来的光信号转变为电信号，然后经进一步的处理在送到接收端的电端机去。 ④光中继器 光信号在光纤中传输一定距离后，由于受到光纤损耗和色散的影响，光信号的能量会衰减，波形也会产生失真，从而导致通信质量恶化。为此，在光信号传输一定距离后就要设置光中继器，其作用是对衰减了的光信号进行放大，恢复失真了的波形。

9. 1.3.2 光纤通信系统的分类 ① 按传输信号分类 数字光纤通信系统 模拟光纤通信系统 ② 按传输波长分类 短波长光纤通信系统 长波长光纤通信系统 ③ 按光纤传输模式数量分类 多模光纤通信系统 单模光纤通信系统

10. 1.4 光纤通信的特点 1.4.1 光纤通信的优点 ① 传输频带宽，通信容量大 ② 中继距离长 ③ 抗电磁干扰 ④ 保密性能好，无串话 ⑤ 原材料资源丰富，节省有色金属 ⑥ 体积小，重量轻，便于敷设和运输 1.4.2 光纤通信的缺点 ①抗拉强度低 ②光纤连接空难 ③光纤怕水 下表列出了光缆和其他几种传输介质特性的比较。

12. 1.5 光纤通信的发展趋势 ① 向超高速系统发展 ② 向超大容量WDM系统演进 ③ 向全光网络方向发展 ④ 想光孤子通信方向发展 ⑤ 向用户网的光纤化发展

13. 目 录 • 光 纤 概 述 • 光 纤 和 光 缆 • 光缆线路的施工 • 光 缆 的 测 试 • 光缆线路线路维护和管理

14. 2.1光纤的结构和分类 2.1.1光纤的结构 光纤结构示意图

15. 2.1.1光纤的结构 纤芯直径的直径 单模光纤：8-10μm 多模光纤：50μm 包层直径： 125μm

16. 2.1.2光纤的分类 （1）按光纤折射率分布来分 ① 阶跃型光纤 如果纤芯折射率是均匀不变的常数n1，包层折射率也是 均匀不变的常数n2，且在纤芯和包层的界面折射率发生突变， 即由n1突变为n2，则这种光纤成为阶跃型光纤。 ② 渐变型光纤 如果纤芯折射率不是常数，而是随着半径的加大而逐渐 减小，到了纤芯和包层界面降至包层的折射率n2，则这种光纤 成为渐变型光纤。

17. 2.1.2光纤的分类 （2）按光纤中传输模式数量来分 ① 多模光纤 多模光纤就是可以传输多个模式的光纤。多模光纤的折 射率分布可采用阶跃型和渐变型，前者称为阶跃型多模光纤， 后者称为渐变型多模光纤。 ② 单模光纤 单模光纤就是只能传输一种模式的光纤。单模光纤只能 传输基模，不存在模式色散，具有比多模光纤大得多的带宽， 故单模光纤使用大容量、长距离传输。

18. 2.1.2光纤的分类 （3）按光纤的工作波长来分 ① 短波长光纤 短波长光纤的工作波长在0.8μm-0.9μm范围内，具体工作 窗口0.85μm，主要用于短距离、小容量的光纤通信系统中。 ② 长波长光纤 长波长光纤的工作波长在1.1-1.8μm范围内，有1.31和1.55 Μm两个工作窗口，主要用于长距离、大容量的光通信系统中。

19. 2.1.2光纤的分类 （4）按制造光纤的材料来分 ① 石英光纤 ② 全塑光纤 （5）按ITU-T建议来分 为了使光纤具有统一的国际标准，ITU-T制定了统一的 光纤标准。 ① G.652光纤(常规单模光纤) ② G.653光纤(色散位移单模光纤) ③ G.654光纤(1.55μm性能最佳单模光纤) ④ G.655光纤(非零色散位移单模光纤)

20. 2.1.3光纤的几何参数 为了实现光纤的低损耗连接,光纤制造商对光纤的几何参 数进行了严格的控制和筛选。按照ITU-T的建议，对光纤的 几何参数，即纤芯直径、包层直径、纤芯不圆度、包层不圆 度、纤芯和包层的同心度等提出了严格的要求。 （1）纤芯直径 纤芯直径，主要是对多模光纤的要求。ITU-T建议的多模 光纤直径有（50.0±3）μm（欧洲标准）、（62.5±3） μm （美国标准）等几种。

21. 2.1.3光纤的几何参数 （2）包层直径 包层直径又称光纤的外径，是指裸光纤的直径。无论多模光 纤还是单模光纤，ITU-T规定通信用光纤的外径均为（125±3） Μm。 （3）纤芯/包层不圆度 不圆度包括纤芯的不圆度和包层的不圆度，用下式表示： 式中， 和 分别是纤芯（或包层）的最大和最小直径；D是 纤芯（或包层）的标准直径。 光纤的不圆度将影响连接时的对准效果，增大接头损耗。因此，ITU-T规定：纤芯不圆度＜6%，包层不圆度＜2%。

22. （4）同心度 同心度是指纤芯中心和包层中心之间的距离χ与芯径D之比，即 ITU-T规定，光纤同心度误差＜6%。

23. 2.2光纤的导光原理 2.2.1光的反射和折射

24. （1）反射定律和折射定律 反射定律是指反射光线位于入射光线和法线所决定的平面内,反射光线和入射光线分居法线两侧,反射角等于入射角,即 θ1= θ2 折射定律是指折射光线和入射光线分居法线两侧,不论入射角怎样改变,入射角的正弦值和折射角的正弦值之比等于介质2的折射率n2与介质1的n1之比,即 n1sin θ1=n2sin θ2

25. （2）光密介质和光疏介质 介质的折射率表示介质的传光能力,某一介质的折射率n 等于光在真空中的传播速度c与在该介质中的传播速度之比v 之比,即 相对来说,传光速度大(折射率小)的介质称为光疏介质,传光速度小(折射率大)的介质称为光密介质.

26. （3）光的全反射 产生全反射必须满足两个条件： ①光线从光密介质射向光疏介质。 ② 入射角大于临界角。

27. 2.2.2光在光纤中的射线传播 光纤的传输特性在很大程度上取决于它的折射率分布，光纤的折射率分布有很多类型，但主要的是阶跃型和渐变型。 （1）光在阶跃型光纤中的传播 在阶跃型光纤中，纤芯的折射率为常数n1，包层的折射率为常数n2，并且n1＞ n2。 设光纤周围为空气，其折射率为n0，当光线以入射角φ0射到光纤端面时，将有一部分光线射入纤芯。由于阶跃型光纤的纤芯折射率为常数，故前心中的光线将沿直线传播，当纤芯中的光线以入射角 φ1 射至芯-包界面时，也将产生反射和折射，具体其传播可分为三种情况。 ①临界状态时的光线的传播 由于n1＞ n2，所以纤芯和包层界面存在一产生全反射的临界角φc。在临界状态时，即φ1= φc，芯-包界面的折射光线不再进入包层，而是在纤芯和包层的界面掠射。

28. ②部分光进入包层的传播 当入射角φ1＜ φc时，此时芯-包界面既有一部分光线反射回纤芯，又有一部分光折射进包层。由于包层中的折射光线损耗大，每折射一次能量就损耗一些，因此这条光线经几次反射和折射后，很快就损耗掉了，而不能在纤芯中传输。 ③全反射的传播 当φ1＞ φc时，光线将在芯-包界面产生全反射，即光线全部反射回纤芯，而反射回纤芯中的光线又以同样的入射角射到纤芯与包层的另一界面再次产生全反射，如此不断反复，光线就从一端传输到另一端。 根据上面的分析，要使光线在纤芯中传播，必须使其在芯-包界面产生全反射。

29. 由光纤的端面的折射定律可知，光纤端面的入射角φ0减小，芯-包界面的入射角θ1就增大，反之亦然。若设φc是与临界角θc相对应的光纤端面的入射角，称之为受光角或孔径角，则当φ0 ＜φc时，有θ1＞ φc。 上述分析表明，当光线以入射角φ0射至光纤端面时，如果φ0 ＞ φc，则θ1 ＜ φc，那么光线不能在芯-包界面产生全反射，此时将有部分光纤折射进入包层不再成为有用的传播，成为辐射模。只有当φ0 ＜φc时，才能使θ1＞ φc，即才能使纤芯中的光线在芯-包界面不断产生全反射而封闭在纤芯中传播，成为传导模。这种菜纤芯中产生全反射并穿过轴心的光射线称为子午射线。 对于阶跃型光纤，其导光原理可以概括为： ① 纤芯的折射率n1必须大于包层的折射率n2，即首先要满足光波导田间n1＞ n2； ② 在光纤的芯-包界面上满足全反射条件，即入射角必须

30. 大于临界角（θ1 ＞ θ2）； ③ 为保证能在芯-包界面上发生全反射，光线在光纤端面上的入射角必须小于孔径角，即φ0＜ φc （2）光在渐变型光纤中的传播 对于渐变型光纤的导光原理，可以按照阶跃型光纤的分析思路做近视处理。 2.2.3光纤的光学参数 光纤不仅具有芯径、外径、同心度等几何参数，还有“相对折射率差”、“数值孔径”等光学参数。 ① 相对折射率差 ② 数值孔径

31. 2.2.4 光纤中的模式传输 （1）光纤中的模式 ① 横电波 ② 横磁波 ③ 混合波 （2）光纤的归一化频率 为了表征光纤中所能传播模式数目的多少，引入光纤的一 个特征参数，即光纤的归一化频率，其表示式为： 式中：a- 光纤的纤芯半径 λ- 光波的工作波长 n1、n2- 纤芯、包层的折射率 △- 光纤的相对折射差

32. 由于V值是一个无量纲参数，又与光波的频率成正比，因此被称为光纤的归一化频率。V值的大小不仅可以判断一根光纤师傅是单模传输，而且也决定多模光纤中传输导模的数目。 （3）多模光纤和单模光纤 按照光纤中传输模式数量的多少，光纤可以分为多模光纤和单模光纤。 ①多模光纤 多模光纤就是允许多个模式在其中传输的光纤。多模传输时光纤的归一化频率V＞2.045，且随着V值的增加，光纤中传输的模式数也越多。 当前通信用多模光纤的芯径和外径一般为50μm和125μm，最大相对折射率差△约为1%。

33. 多模光纤由于存在模式色散，其带宽较窄，通信容量也较小，但多模光纤的芯径打，对光纤连接插头和连接器的要求都不高，使用起来比单模光纤方便，因此广泛用于低码速、短距离的光通信系统中。 ② 单模光纤 在给定的工作波长上，只能传输一种模式的光纤称为单模光纤。单模光纤只能传输基模（HE11)模，它不存在模式色散，因此具有比多模光纤大得多的带宽，有利于高码速、长距离的传输。 单模光纤的传输条件是： 0＜V ＜2.045 此时，光纤中除基模（HE11模）以外，其余模式均截止，即可实现单模传输。单模传输时，由于V ＜2.045，因此，要求光纤的纤芯半径α很小，但α太小，在制作、耦合、连接上都会造成困难。如果采取小的△，就可容许较大的α，这也是为什么通信用光纤制成弱导光纤的原因之一。

34. （4）单模光纤的特性参数 ① 截止波长 截止波长是单模光纤所特有的一个参数，通常可用它来判断光纤是否处于单模的工作方式。如前所述，单模传输时光纤的归一化频率应满足： 由上式可求得V=2.045的对应的波长，称为截止波长，用 表示。 只有当工作波长大于截止波长，即λ≥ λc时，才能保 证单模工作

35. ② 模场直径 模场直径也是单模光纤所特有的一个参数。从理论上讲，单模光纤中只有一种模式（基模）传输，但单模光纤中的基模场并没有完全集中在纤芯中，有相当部分的能量存在于包层中。所以不能像多模光纤那样用纤芯直径表示截面上的传光范围，只能用模场直径来表示。模场直径是衡量单模光纤横截面上基模场分布的一个物理量。 模场直d是单模光纤产品出厂时必须给出的参数之一。ITU-T规定，在1.31μm波长上，模场直径的标称值应当在9-10μm范围内，容差为±1μm。

36. 2.3光纤的损耗和色散特性 损耗和色散是光纤的两个主要传输特性，他们分别决定光纤通信系统的传输距离和通信容量。 2.3.1 光纤损耗的概念 光波在光纤中传输时，随着传输的增加光功率逐渐减小的现象称为光纤的损耗。光纤的损耗用α表示 （dB/km)

37. 式中：Pi、P0-光纤的输入、输出功率； L-光纤的长度； α-每千米光纤的损耗值，单位为dB/km。 光纤的损耗关系到光纤通信系统传输距离的长短，光纤的损耗与波长的关系曲线即损耗波谱曲线，关系到工作波长的选择。 2.3.1.1 产生光纤损耗的原因 （1）吸收损耗 ① 本征吸收 ② 杂质吸收 （2）散射损耗 ① 瑞利散射损耗 ② 波导散射损耗 ③ 非线性散射损耗

38. （3）弯曲和微弯曲损耗 ① 弯曲损耗 弯曲半径越大，弯曲损耗越小，一般认为，当弯曲半径 大于10cm时，弯曲损耗可以忽略不计。 ② 微弯曲损耗 微弯曲是由于光纤成缆时产生的不均匀侧压力引起的。 微弯曲使得纤芯和包层的界面出现局部凸凹，从而引起模边 换而产生损耗。

39. 2.3.2.光纤的色散 当信号在光纤中传输时，随着传输距离的增加，由于光 信号的各频率（或波长）成分或各模式成分的传播速度不同， 从而引起光信号的畸变和展宽，这种现象称为光纤的色散。

40. 2.3.2.1色散的分类 （1）模式色散 在多模光纤中，由于各个模式在同一波长下的传播速度不同而引起的时延差称为模式色散。 只有多模光纤才存在模式色散。在单模光纤中由于只有一种模式传输，没有模式色散，所以单模光纤的色散比多模光纤小得多，即其通信容量比多模光纤大的多，这也是单模光纤获得广泛应用的原因之一。 ① 阶跃型光纤的模式色散 ② 渐变型光纤的模式色散

41. （2）材料色散 光纤材料的折射率随光波波长的变化而变化，使光信号中不同波长成分的传播速度不同，从而引起脉冲展宽的现象，称为材料色散。 在光线通信系统中，由于实际光源发出的光波并不是单一波长，而是具有一定的谱线宽度。光在其中的传播速冻也是随波长的变化而变化的。当具有一定谱线宽度的光源发出的光波在光纤中传输时，不同波长的光波将有不同的传播速度，在到达输出端时将产生时延差，从而使脉冲展宽，引起材料色散。 （3）波导色散 从理论上讲，光纤中的光波只在纤芯中传输，但由于光纤的几何结构、形状等方面的不完善，使得光波的一部分在纤芯中传输，而另一部分在包层中传输，由于纤芯和包层的折射率不同，而造成脉冲展宽的现象，称为波导色散

42. 2.3.2.2单模光纤的色散 对于单模光纤，不存在模式色散，只有材料色散和波导 色散，典型的单模光纤与波长的关系曲线如图所示。 从图中可以看出，在1.27 μm附近，材料色散为零，而在1.31 μm附近，材料色散与波导色散相抵消，单模光纤的总色散为零。

43. 通常把零色散在1.31 μm附近的光纤称为常规单模光纤，即G.652光纤。 从光纤的损耗特性的分析可知，在λ=1.55 μm处单模光纤的损耗最低，但色散值很大，约为18ps/km·nm，如果改变光纤的结构使零色散波长由1.31 μm移至1.55 μm，则在1.55 μm处可获得最小损耗和零色散。把零色散在1.55 μm附近的单模光纤称为色散位移单模光纤，即G.653光纤，这种光纤在1.55 μm处具有的良好的特性使之称为单波长、大容量、超长距传输的最佳选择。 然而随着WDM的发展EDFA的应用，发现色散位移单模光纤有一致的弱点，即工作区内的零色散点将使光纤出现非线性，尤其是四波混频，严重的影响波分复用的性能。为了解决G.653光纤中严重的四波混频效应，对G.653光纤的零色散点进行了移动，如果在1.55 μm附近光纤有较小的色散值，如在1.53-1.56 μm范围内，色散为1-4ps/km.nm，这样就能有效遏制非线性效应。于是又设计出一种在1.55 μm附近有较小色散值的光纤，这种光纤称为非零色散位移光纤，即G.655光纤，G.655光纤适用于大容量的密集波分复用系统。

44. 2.5光缆的结构和分类 2.5.1光缆的结构 光缆是以一根或多根光纤或光纤束制成符合化学、机械 和环境特性的结构。不论何种结构形式的光缆，基本上都是 由缆芯、加强元件和护层三部分组成。 （1）缆芯 缆芯结构应满足一下基本要求： ① 使光纤在缆内处于最佳位置和状态，保证光纤传输性能 稳定。在光缆受到一定打拉、侧压等外力时，光纤不应承受 外力影响。 ② 缆芯中的加强元件应能经受允许拉力。 ③ 缆芯截面应尽可能小，以降低成本 缆芯内有光纤、套管或骨架和加强元件，在缆芯内还需 填充油膏，具有可靠的防潮性能，防止潮气在缆芯中扩散。

45. （2）护层 光缆的护层只要是对已成缆的光纤芯起保护作用，避免 受外界机械力和环境损坏，使光纤能适应于各种敷设场合， 因此要求护层具有耐压力、防潮、温度特性好、重量轻、耐 化学浸蚀和阻燃等特点。 光缆的护层可分为内护层和外护层。内护层一般采用聚 乙烯或聚氯乙烯等，外护层可根据敷设条件而定，采用铝带 和聚乙烯组成的LAP外护套加钢丝铠装等。 （3）加强元件 加强元件主要是承受敷设安装时所加的外力。光缆加强 元件的配置方式一般分为“中心加强元件”方式和“外周加强元 件”方式。一般层绞式和骨架式光缆的加强元件均处于缆芯中 央，属于“中心加强元件”（加强芯）；中心管式光缆的加强 元件从缆芯移到护层，属于“外周加强元件”。加强元件一般

46. 有金属钢线和非金属玻璃纤维增强塑料（FRP)。使用非金属加强元件的非金属光缆能有效地反之雷击。有金属钢线和非金属玻璃纤维增强塑料（FRP)。使用非金属加强元件的非金属光缆能有效地反之雷击。 2.5.2 典型结构的光缆 常用的光缆结构有层绞式、骨架式、中心束管式和带状四种。 （1）层绞式光缆

47. 层绞式光缆是经过套塑的光纤在加强芯周围绞合而成的一种结构。 层绞式结构光缆，收容光纤数有限，多数为6-12芯，也有24芯的。随着光纤数的增多，出现单元式绞合：一个松套管就是一个单元，其内可有多根光纤。生产时先绞合成单元，再挤制松套管，然后再绞合成缆。 （2）骨架式光缆

48. 骨架式光缆是将紧套光纤或一次涂覆光纤放入螺旋形塑料骨架凹槽内而构成，骨架的中心是加强元件。在骨架式光缆的一个凹槽内，可放置一根或几根涂覆光纤，也可放置光纤带，从而构成大容量的光缆。骨架式光缆对光纤保护较好，耐压、抗弯性能较好，但制造工艺复杂。骨架式光缆是将紧套光纤或一次涂覆光纤放入螺旋形塑料骨架凹槽内而构成，骨架的中心是加强元件。在骨架式光缆的一个凹槽内，可放置一根或几根涂覆光纤，也可放置光纤带，从而构成大容量的光缆。骨架式光缆对光纤保护较好，耐压、抗弯性能较好，但制造工艺复杂。 （3）中心束管式光缆 中心束管式光缆是将树根一次涂覆光纤或光纤束放入一个大塑料套管中，加强元件配置在塑料套管周围而构成

49. （4）带状式光缆 带状式光缆结构是将多根一次涂覆光纤排列成行制成带状光纤单元，然后再把带状光纤单元放入在塑料套管中，形成中心束管式结构；也可以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。带状结构光缆的优点是可容纳大量的光纤（一般在100芯以上），满足作为用户光缆的需要；同时每个带状光缆单元的接续可以一次完成，以适应大量光纤接续、安装的需要。

50. 2.5.3 光缆的种类 （1）按传输性能、距离和用途分类 市话光缆、长途光缆、海底光缆和用户光缆。 （2）按光纤的种类分类 多模光缆、单模光缆。 （3）按使用环境和场合分类 室外光缆、室内光缆和特种光缆。 （4）按光纤芯数多少分类 单芯光缆和多芯光缆。 （5）按缆芯结构分类 层绞式光缆、骨架式光缆、中心束管式光缆和带状式光缆。 （6）按敷设方式分类 管道光缆、直埋光缆、架空光缆、水底光缆。