第二章光纤与光缆

第二章光纤与光缆

主要内容 • 一、光纤的基本知识 • 二、光纤的结构与分类 • 三、光纤的导光原理 • 四、光纤的传输特性 • 五、光缆的结构与制造

2.1 光纤的结构和类型 2.1.1 光纤的结构 1. 光纤结构光纤由纤芯、包层和涂覆层3部分组成，如图2-1所示。图2-1 光纤的结构

（1）纤芯：纤芯位于光纤的中心部位。 直径d1=4μm～50μm，单模光纤的纤芯为4μm～10μm，多模光纤的纤芯为50μm。纤芯的成分是高纯度SiO2，掺有极少量的掺杂剂（如GeO2，P2O5），作用是提高纤芯对光的折射率（n1），以传输光信号。（2）包层：包层位于纤芯的周围。直径d2=125μm，其成分也是含有极少量掺杂剂的高纯度SiO2。而掺杂剂（如B2O3）的作用则是适当降低包层对光的折射率（n2），使之略低于纤芯的折射率，即n1＞n2，它使得光信号封闭在纤芯中传输。

（3）涂覆层：光纤的最外层为涂覆层，包括一次涂覆层，缓冲层和二次涂覆层。（3）涂覆层：光纤的最外层为涂覆层，包括一次涂覆层，缓冲层和二次涂覆层。一次涂覆层一般使用丙烯酸酯、有机硅或硅橡胶材料；缓冲层一般为性能良好的填充油膏；二次涂覆层一般多用聚丙烯或尼龙等高聚物。涂覆的作用是保护光纤不受水汽侵蚀和机械擦伤，同时又增加了光纤的机械强度与可弯曲性，起着延长光纤寿命的作用。涂覆后的光纤其外径约1.5mm。通常所说的光纤为此种光纤。

纤芯包层涂敷层 • 纤芯：折射率较高，用来传送光； • 包层：折射率较低，与纤芯一起形成全反射； • 涂敷层：强度大，能承受较大冲击，保护光纤。

2．光纤的折射率分布与光线的传播 图2-2所示为两种典型光纤的折射率分布情况。一种称为阶跃折射率光纤；另一种称为渐变折射率光纤，如图2-2（a）、（b）所示。图2-2 光纤的折射率分布

光在阶跃折射率光纤和渐变折射率光纤的传播轨迹分别如图2-3和图2-4所示。光在阶跃折射率光纤和渐变折射率光纤的传播轨迹分别如图2-3和图2-4所示。图2-3光在阶跃折射率多模光纤中的传播图2-4 光在渐变折射率多模光纤中的传播

2.1.2 光纤的分类 若按传输模的数量分类可分为多模光纤和单模光纤若按传输波长分类可分为短波长光纤和长波长光纤若按套塑结构分类可分为紧套光纤和松套光纤

1．按传输模数分类 按传输模的数量不同，光纤分为多模光纤和单模光纤。传播模式概念：当光在光纤中传播时，如果光纤纤芯的几何尺寸远大于光波波长时，光在光纤中会以几十种乃至几百种传播模式进行传播。如图2-5所示。这些不同的光束称为模式。图2-5 光在阶跃折射率光纤中的传播

（1）多模光纤 当光纤的几何尺寸（主要是芯径d1）远大于光波波长时（约1μm），光纤传输的过程中会存在着几十种乃至几百种传输模式，这样的光纤称为多模光纤。（2）单模光纤当光纤的几何尺寸（主要是芯径d1）较小，与光波长在同一数量级，如芯径d1在4μm～10μm范围，这时，光纤只允许一种模式（基模）在其中传播，其余的高次模全部截止，这样的光纤称为单模光纤。如图2-6所示。

图2-6 光在单模光纤中的传播轨迹

2．按传输波长分类 光纤可分为短波长光纤和长波长光纤。短波长光纤的波长为0.85μm（0.8μm～0.9μm）长波长光纤的波长为1.3μm～1.6μm，主要有1.31μm和1.55μm两个窗口。 3．按套塑结构分类按套塑结构不同，光纤可分为紧套光纤和松套光纤。

紧套光纤与松套光纤 紧套光纤就是在一次涂覆的光纤上再紧紧地套上一层尼龙或聚乙烯等塑料套管，光纤在套管内不能自由活动。松套光纤，就是在光纤涂覆层外面再套上一层塑料套管，光纤可以在套管中自由活动。图2-7 套塑光纤结构

4．单模光纤的分类 ITU-T建议规范了G.652、G.653、G.654和G.655四种单模光纤。（1）G.652光纤 G.652光纤，也称标准单模光纤（SMF），是指色散零点（即色散为零的波长）在1 310nm附近的光纤。它的折射率分布如图2-8所示。图（a）表示的阶跃折射率设计称为匹配包层型，图（b）表示的阶跃折射率设计被称为凹陷包层型。（2）G.653光纤 G.653光纤也称色散位移光纤（DSF），是指色散零点在1 550nm附近的光纤，它相对于G.652光纤，色散零点发生了移动，所以叫色散位移光纤。

图2-8 G.652光纤的折射率

4．单模光纤的分类 （3）G.654光纤 G.654光纤是截止波长移位的单模光纤。其设计重点是降低1 550nm的衰减，其零色散点仍然在1 310nm附近，因而1 550nm窗口的色散较高。G.654光纤主要应用于海底光纤通信。（4）G.655光纤由于G.653光纤的色散零点在1 550nm附近，DWDM系统在零色散波长处工作易引起四波混频效应。为了避免该效应，将色散零点的位置从1 550nm附近移开一定波长数，使色散零点不在1 550nm附近的DWDM工作波长范围内。这种光纤就是非零色散位移光纤（NDSF）。

这四种单模光纤的主要性能指标是衰减、色散、偏振模色散（ PMD）和模场直径。另：G.653光纤是为了优化1 550nm窗口的色散性能而设计的，但它也可以用于1 310nm窗口的传输。由于G.654光纤和G.655光纤的截止波长都大于1 310nm，所以G.654光纤和G.655光纤不能用于1 310nm窗口。

2.2 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ν是光在某种介质中的速度，с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0/n（ 0表示光在真空中的波长）。表2-1中给出了一些介质的折射率。表2-1 不同介质的折射率

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（如图2-9所示）。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（如图2-9所示）。图2-10 光的反射图2-9 光的折射斯涅耳定律给出了定义这些光线方向的规则：1 = 3 n1sin 1 = n2sin 2 全反射是光信号在光纤中传播的必要条件。

2．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，如图2-11（c）和图2-11（d）所示。从普通光源发出的光不是偏振光，而是自然光，如图2-11（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，如图2-11（b）所示。

图2-11光的偏振

3．光的色散 如图2-12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。图2-12自然光的色散

2.3 光纤的传输特性 光纤的传输特性主要是指光纤的损耗特性和色散特性，另有机械特性和温度特性。 1．光纤的损耗特性光波在光纤中传输，随着传输距离的增加，而光功率强度逐渐减弱，光纤对光波产生衰减作用，称为光纤的损耗（或衰减）。光纤的损耗限制了光信号的传播距离。光纤的损耗主要取决于吸收损耗、散射损耗、弯曲损耗3种损耗。（1）吸收损耗光纤吸收损耗是制造光纤的材料本身造成的损耗，包括紫外吸收、红外吸收和杂质吸收。

（2）散射损耗 由于材料的不均匀使光信号向四面八方散射而引起的损耗称为瑞利散射损耗。光纤制造中，结构上的缺陷会引起与波长无关的散射损耗。（3）弯曲损耗光纤的弯曲会引起辐射损耗。实际中，有两种情况的弯曲：一种是曲率半径比光纤直径大得多的弯曲；一种是微弯曲。决定光纤衰减常数的损耗主要是吸收损耗和散射损耗，弯曲损耗对光纤衰减常数的影响不大。

（4）衰减系数 光纤的衰减系数是指光在单位长度光纤中传输时的衰耗量，单位一般用dB/km。它是描述光纤损耗的主要参数。在单模光纤中有两个低损耗区域，分别在1 310nm和1 550nm附近，即通常说的1 310nm窗口和1 550nm窗口；1 550nm窗口又可以分为C-band（1 525nm～1 562nm）和L-band（1 565nm～1 610nm）。如图2-13所示。

图2-13光纤的特性

由石英光纤的损耗谱曲线自然地显示光纤通信系统的三个低损耗窗口：由石英光纤的损耗谱曲线自然地显示光纤通信系统的三个低损耗窗口： • ① 第一低损耗窗口短波长0.85μm附近； • ② 第二低损耗窗口长波长1.31μm附近； • ③ 第三低损耗窗口长波长1.55μm附近； • 实验上曲线的损耗值为：对于单模光纤，在0.85μm时约为2.5dB/km；在1.31μm时约为0.4dB/km；在1.55μm时仅为0.2dB/km，已接近理论值(理论极限为0.15dB/km)。

2．光纤的色散特性 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，如图2-14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。图2-14 色散引起的脉冲展宽示意图

光纤色散是光纤通信的另一个重要特性，光纤的色散会使输入脉冲在传输过程中展宽，产生码间干扰，增加误码率，这样就限制了通信容量。因此制造优质的、色散小的光纤，对增加通信系统容量和加大传输距离是非常重要的。光纤色散是光纤通信的另一个重要特性，光纤的色散会使输入脉冲在传输过程中展宽，产生码间干扰，增加误码率，这样就限制了通信容量。因此制造优质的、色散小的光纤，对增加通信系统容量和加大传输距离是非常重要的。 • 引起光纤色散的原因很多，由于信号不是单一频率而引起的色散有材料色散和波导色散，由于信号不是单一模式所引起的色散称为模式色散。

光纤的色散可分为模式色散、色度色散、偏振模色散。光纤的色散可分为模式色散、色度色散、偏振模色散。（1）模式色散多模光纤中不同模式的光束有不同的群速度，在传输过程中，不同模式的光束的时间延迟不同而产生的色散，称模式色散。（2）色度色散由于光源的不同频率（或波长）成分具有不同的群速度，在传输过程中，不同频率的光束的时间延迟不同而产生色散称为色度色散。色度色散包括材料色散和波导色散。

① 材料色散 由于材料折射率随光信号频率的变化而不同，光信号不同频率成分所对应的群速度不同，由此引起的色散称为材料色散。 ② 波导色散由于光纤波导结构引起的色散称为波导色散。其大小可以和材料色散相比拟，普通单模光纤在1.31μm处这两个值基本相互抵消。注：模式色散主要存在于多模光纤。单模光纤无模式色散，只有材料色散和波导色散。当波长在1.31μm附近，色散接近为零。色散系数就是单位波长间隔内光波长信号通过单位长度光纤所产生的时延差，用D表示，单位是ps/（nm·km）。

（3）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。图2-15 偏振模色散

（4）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+ΔT），这叫作脉冲展宽，如图2-17 。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。图2-16 码间干扰

3．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，如图2-18所示。图2-17 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。

4．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。如图2-19 所示。图2-18 光纤低温特性曲线

2.4 光缆的结构和种类 2.4.1 光缆的结构 1．光缆的结构光缆由缆芯、护层和加强芯组成。

(1) 缆芯 • 在光缆的构造中，缆芯是主体，其结构是否合理，与光纤的安全运行关系很大。一般来说，缆芯结构应满足以下基本要求：光纤在缆芯内处于最佳位置和状态，保证光纤传输性能稳定，在光缆受到一定的拉力、侧压力等外力时，光纤不应承受外力影响；其次缆芯内的金属线对也应得到妥善安排，并保证其电气性能；另外缆芯截面应尽可能小，以降低成本和敷设空间。

(2) 护层 • 光缆护层同电缆护层的情况一样，是由护套和外护层构成的多层组合体。其作用是进一步保护光纤，使光纤能适应在各种场地敷设，如架空、管道、直埋、室内、过河、跨海等。对于采用外周加强元件的光缆结构，护层还需提供足够的抗拉、抗压、抗弯曲等机械特性方面的能力。 • （3）加强芯 • 加强芯主要承受敷设安装时所加的外力。

2．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。图2-20～图2-24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）。

图2-19 6芯紧套层绞式光缆 图2-20 12芯松套层绞式直埋光缆

图2-21 12芯松套层绞式直埋防蚁光缆

图2-22 6～48芯松套层绞式水底光缆

图2-23 12芯松套+8芯×2线对层绞式直埋光缆

（2）骨架式结构光缆 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2-24（b）为螺旋型结构，图2-25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2-24所示的结构。图2-26所示是采用骨架式结构的自承式架空光缆。

图2-24 12芯骨架式光缆

图2-25 70芯骨架式光缆

第二章 光纤与光缆