《光纤通信技术》第二章 光纤和光缆

1、光 纤 通 信 技 术第1 章 绪 论第2 章 光纤光缆第3 章 光源与光发射系统 第4 章 光探测器与光接收系统第5章 光无源器件第6章 光通信中的光放大器 第7章 光纤通信系统与网络 目 录第2章 光纤和光缆 2022/8/27光纤的结构和类型光纤的导光原理光纤的特性光缆的结构、种类、型号及端别本章内容2.1 光纤的结构和类型2022/8/27 2.1.1 光纤的结构 1. 光纤结构 光纤的全称是光导纤维(Optical Fiber)，是一种传输光能量的介质结构，所传光的波长在可见光和红外光区域。其基本结构如图2-1所示，由纤芯、包层和涂覆层3部分组成。 光能够被束缚在光纤芯中传输的必要条

2、件是纤芯的折射率（至少在截面的某些区域）大于包层的折射率。2.1 光纤的结构和类型2022/8/27 图2-1 光纤的结构2.1 光纤的结构和类型2022/8/27 （1）纤芯 单模光纤的纤芯为4m10m，多模光纤的纤芯为50m。 纤芯的成分是高纯度SiO2，掺杂GeO2，P2O5。 （2）包层 直径d2=125m 其成分也是含有极少量掺杂剂的高纯度SiO2，掺杂B2O3。2.1 光纤的结构和类型2022/8/27 （3）涂覆层 一次涂覆层:丙烯酸酯、有机硅或硅橡胶材料； 缓冲层:填充油膏； 二次涂覆层: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

3、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。2.1 光纤的结构和类型2022/8/27 2光纤的折射率分布与光线的传播 纤芯内，折射率分布可以是均匀的或是渐变的，也可能是更复杂的分布。 图2-2 光纤的折射率分布 2.1 光纤的结构和类型2022/8/27 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2022/8/27光纤的分类方法很多，既可以按照光纤中传输模式数的多少来分类，又可以按照传输的工作波长来分类。 按传输模的数量：多模光纤和单模光纤 按传输波长：短波长光纤和长波长光纤 按套塑结构：紧套光纤和松套光

4、纤2.1.2 光纤的分类2022/8/27 1按传输模数分类 在光纤的受光角内，以某一角度射入光纤断面，并能在光纤纤芯-包层交界面上产生全反射的传播光线，就可以称为一个光的传播模式。 按光纤中传输的模式数量，可以将光纤分为多模光纤(Multi-Mode Fiber，MMF)和单模光纤(Single Mode Fiber，SMF)。图2-5 光的传播模式高次模基模低次模2.1.2 光纤的分类2022/8/27 （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1m），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。优点：芯径大，容易注入光功率，可以

5、使用LED作为光源。 缺点：存在模间色散，只能用于短距离传输。 图2-6 光在渐变折射率多模光纤中的传播2.1.2 光纤的分类2022/8/27（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4m10m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。 优点：单模光纤只能传输基模(最低阶模)，它不存在模间时延差，因此它具有比多模光纤大得多的带宽，这对于高码速长途传输是非常重要的。 缺点：芯径小，较多模光纤而言不容易进行光耦合，需要使用半导体激光器激励。2.1.2 光纤的分类2022/8/27图2-7 光

6、在单模光纤中的传播轨迹2.1.2 光纤的分类2022/8/27 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0.85m（0.8m0.9m） 长波长光纤的波长为1.3m1.6m，主要有1.31m和1.55m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。 2.1.2 光纤的分类2022/8/27 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2-8 套塑光纤结构2.1.2 光纤的分类2022/8/27 4单模光纤

7、的分类 （1） G.651光纤 多模渐变型光纤，中小容量、中短距离。 （2）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1310nm附近的光纤。 （3）G.653光纤 G.653光纤也称色散位移光纤（DSF），是指色散零点在1550nm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。2.1.2 光纤的分类2022/8/27 （4）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1550nm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

8、光纤通信。 （5）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）。2.2 光纤的导光原理2022/8/27 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2-9 光的折射图2-10 光的反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

9、 。2.3 光纤特性2022/8/27光纤的几何特性光纤的光学特性光纤的传输特性2.3.1 光纤的几何特性2022/8/27 光纤的几何特性包括芯直径、包层直径、纤芯/包层同心度、不圆度和光纤翘曲度等。 2.3.1 光纤的几何特性2022/8/27 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503m。 2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1253m。 目前，光纤生产制造商已将光纤外径规格从125.03m提高到125.01m。2.3 光纤的几何特性2022/8/27 3纤芯/包层同心度和不圆度 纤芯/包层同心度是指纤芯

10、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0.8m的规格提高到0.5m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，纤芯/包层同心度误差6%（单模为1.0m），芯径不圆度6%，包层不圆度（包括单模）2%。 2.3 光纤的几何特性2022/8/274光纤翘曲度 光纤翘曲度指在特定长度光纤上测量到的弯曲度，可用曲率半径来表示弯曲度。翘曲度（即曲率半径）数值越大，意味着光纤越直。 注：纤芯/包层同心度对接续损耗的影响最大，其次是翘曲度。2.3.2 光纤的光学特性2022/8/27 光纤的光学特性有折射率分布、最大理论数值孔径、模场直径及截至波长等。 2.3.2

11、 光纤的光学特性2022/8/271折射率分布 其中，n1为纤芯折射率，n2为包层折射率，a为芯半径，r为离开纤芯中心的径向距离，为相对折射率差，=(n1 n2 )/ n1 ， g折射率分布指数。 多模光纤的折射率分布，决定光纤带宽和连接损耗，单模光纤的折射率分布，决定工作波长的选择。 2.3.2 光纤的光学特性2022/8/27 2最大理论数值孔径（NAmax） 最大理论数值孔径的定义为： 其中，n1为阶跃光纤均匀纤芯的折射率（梯度光纤为纤芯中心的最大折射率），n2为均匀包层的折射率。 光纤的数值孔径（NA）是一个小于1的无量纲的数，其值通常在0.14到0.50之间。数值孔径对光源耦合效率、

12、光纤损耗、弯曲的敏感性以及带宽有着密切的关系，数值孔径大有利于光耦合。但是数值孔径太大的光纤模畸变加大，使得通信带宽较窄。2.3.2 光纤的光学特性2022/8/27 3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。 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。 模场直径（或有效面积）越大越好。2.3.2 光纤的光学特性2022/8/27图2-11 模场直径2.3.2 光纤的光学特性2022/8/27 4截止波长 理论上的截止波长是单模光纤中光信号能以单模方式传播的最小波长。

13、 截止波长条件可以保证在最短光缆长度上单模传输，并且可以抑制高次模的产生或可以将产生的高次模噪声功率代价减小到完全可以忽略的地步。 注：几何特性、光学特性影响光纤的连接质量，施工对它们不产生变化，而传输特性则相反，它不影响施工，但施工对传输特性将产生直接的影响。2.3.3 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。2022/8/272.3.3 光纤的传输特性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）。 光纤损耗的定义：A( )=10lg（P1/P2） dB P1-输入

14、端输入光功率 P2-输出端输出光功率 假设光纤损耗在长度上是均匀的，将计算单位长度上的损耗，称之为衰减常数： a( )= A( )/L dB/Km通信与信息工程学院2022/8/272.3.3 光纤的传输特性 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）固有损耗（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）外部损耗（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。2022/8/272.3.3 光纤的传

15、输特性2022/8/27（3）应用损耗（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 。2.3.3 光纤的传输特性2022/8/27 （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 525nm1 562nm

16、）和L-band（1 565nm1 610nm）。如图2-12所示。2.3.3 光纤的传输特性2022/8/27图2-12 光纤的特性2.3.3 光纤的传输特性2022/8/27 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，色散一般用时延差来表示。图2-13 色散引起的脉冲展宽示意图2.3.3 光纤的传输特性2022/8/27 光纤的色散可分为模式色散、色度色散、偏振模色散。 光纤宽带的色散主要受材料色散、模式色散和结构色散影响，其中，单模光纤主要受材料色散的影响。 （1）模式色散 多模光纤中不同

17、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。 2.3.3 光纤的传输特性2022/8/27 （2）色度色散 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。 波导色散 波导色散是由于波导结构参数与波长有关而引起的，它取决于波导尺寸和纤芯与包层的相对折射率差。 2.3.3 光纤的传输特性2022/8/27 （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2-14 偏振模色散2.3.3 光纤的传输特性2022/8/27 （4

18、）码间干扰（ISI） 图2-15 码间干扰2.3.3 光纤的传输特性2022/8/27 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。 预制棒的质量。 拉丝炉的加温质量和环境污染。 涂覆技术对质量的影响。 机械损伤。 2.3.3 光纤的传输特性2022/8/27 （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2-16所示。（合格产品抗张强度432g)图2-16 光纤断裂和应力关系示意图2.3.

19、3 光纤的传输特性2022/8/27 （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。 2.3.3 光纤的传输特性2022/8/27 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2-17 所示。图2-17 光纤低温特性曲线光纤的温度特性中低温的阀值是-55C 2.4 光缆的结构、种类、型号及端别2022/8

20、/272022/8/27常用光缆的结构光缆的型号常用光缆的分类光缆的端别及纤序光缆选型2.4 光缆的结构、种类、型号及端别2022/8/27 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 缆芯由光纤的芯数决定，可分为单芯型和多芯型两种。 （2）护层 护层主要是对已成缆的光纤芯线起保护作用，避免受外界机械力和环境损坏。护层可分为内护层（多用聚乙烯或聚氯乙烯等）和外护层（多用铝带和聚乙烯组成的LAP外护套加钢丝铠装等）。 （3）加强芯 加强芯主要承受敷设安装时所加的外力。2.4.1 光缆的结构2022/8/27 2各种典型结构的光缆（1）层绞式结构光缆（2）骨架

21、式结构光缆（3）束管式结构光缆（4）带状结构光缆（5）单芯结构光缆（6）特殊结构光缆2.4.1 光缆的结构2022/8/27（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2-18图2-22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）。2.4.1 光缆的结构2022/8/27 图2-19 12芯松套层绞式直埋光缆图2-18 6芯紧套层绞式光缆2.4.1 光缆的结构2022/8/27 图2-20 12芯松套层绞式直埋防蚁光缆2.4.1 光缆的结构2022/8/27 图2-21 648芯松套层绞式

22、水底光缆2.4.1 光缆的结构2022/8/27图2-22 12芯松套+8芯2线对层绞式直埋光缆2.4.1 光缆的结构2022/8/27 （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2-23（b）为螺旋型结构，图2-24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2-23所示的结构。图2-25所示是采用骨架式结构的自承式架空光缆。2.4.1 光缆的结构2022/8/27图2-23 12芯骨架式光缆2.4.1 光缆的结构2022/8/27 图2-24 70芯

23、骨架式光缆2.4.1 光缆的结构2022/8/27 图2-25 骨架式自承式架空光缆2.4.1 光缆的结构2022/8/27 （3）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2-26所示的光缆结构即属护层增强构件配制方式。 图2-27、2-28所示是属于分散加强构件配置方式的束管式结构光缆。 另图2-32所示的浅海光缆实际上就是双层加铠装束管式光缆。2.4.1 光缆的结构2022/8/27图2-26 12芯束管式光缆2.4.1 光缆的结构2.4 .1 光缆的结构2022/8/27 图2-27 648芯束管式光缆2.4.1 光缆的结构2022/8/27

24、图2-28 LEX束管式光缆2.4.1 光缆的结构2022/8/27 （4）带状结构光缆 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。如图2-29、2-30所示。图2-29 中心束管式带状光缆图2-30 层绞式带状光缆2.4.1 光缆的结构2022/8/27 （5）单芯结构光缆 单芯结构光缆简称单芯软光缆，如图2-31所示。 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。图2-31 单芯软光缆2.4.1 光缆的结构2022/8/27 （6）特殊结构光缆 特殊结构的光

25、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。 海底光缆 有浅海光缆和深海光缆两种，图2-32所示为典型的浅海光缆，图2-33所示是较为典型的深海光缆。 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。2.4.1 光缆的结构2022/8/27 图2-32 浅海光缆2.4.1 光缆的结构2022/8/27 图2-33 深海光缆2.4.2 光缆的种类2022/8/27 1按传输性能、距离和用途分 可分为市话光缆、长途光缆、海底光缆和用户光缆。 2按光纤的种类分 可分为多模

26、光缆、单模光缆。 3按光纤套塑方法 可分为紧套光缆、松套光缆、束管式光缆和带状多芯单元光 4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。2.4.3 光缆的型号2022/8/27 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，如图2-34所示。图2-34 光缆型式的组成部分2.4.3 光缆的型号2022/8/27 图中： ：分类代号及其意义为： GY通信用室（野）外光缆； GR通信用软光缆； GJ通信用室（局）内光缆； GS通信用设备内光缆； GH通信用海底光缆； GT通信用特殊光缆。 ：加强构件代号及其意义为： 无符号金属加强构件

27、； F非金属加强构件； G金属重型加强构件； H非金属重型加强构件。2.4.3 光缆的型号2022/8/27 ：派生特征代号及其意义为： D光纤带状结构； G骨架槽结构； B扁平式结构； Z自承式结构。 T填充式结构。 ： 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。2.4.3 光缆的型号2022/8/27 ：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表2-2所示。 表2-2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

28、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2.4.3 光缆的型号2022/8/27 （2）光缆规格由五部分七项内容组成，如图2-35所示。图2-35 光缆的规格组成部分2.4.3 光缆的型号2022/8/27 图中： ： 光纤数目用1、2、，表示光缆内光纤的实际数目。 ： 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。 ： 光纤主要尺寸参数 用阿拉伯数（含小数点数）及以m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

29、径及包层直径。2.4.3 光缆的型号2022/8/27 ：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0.85m区域； 2波长在1.31m区域； 3波长在1.55m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表示损耗常数的代号。两位数字依次为光缆中光纤损耗常数值（dB/km）的个位和十位数字。 cc表示模式带宽的代号。两位数字依次为光缆中光纤模式带宽分类数值（MHzkm）的千位和百位数字。单模光纤无此项。2.4.3 光缆的型号2022/8/

30、27 ：适用温度代号及其意义。 A适用于40+40 B适用于30+50 C适用于20+60 D适用于5+602.4.3 光缆的型号2022/8/27 光缆中还附加金属导线（对、组）编号，如图2-36所示。其符合有关电缆标准中导电线芯规格构成的规定。图2-36 光缆中附加金属导线编号示意图 例如，2个线径为0.5mm的铜导线单线可写成210.5；4个线径为0.9mm的铝导线四线组可写成440.9L；4个内导体直径为2.6mm，外径为9.5mm的同轴对，可写成42.6/9.5。2.4.3 光缆的型号2022/8/27 （3）光缆型号例题 设有金属重型加强构件、自承式、铝护套和聚乙烯护层的通信用室外

31、光缆，包括12根芯径/包层直径为50/125m的二氧化硅系列多模突变型光纤和5根用于远供及监测的铜线径为0.9mm的四线组，且在1.31m波长上，光纤的损耗常数不大于1.0dB/km，模式带宽不小于800MHzkm；光缆的适用温度范围为20+60。 该光缆的型号应表示为： GYGZL03-12T50/125（21008）C+540.9。2.4.4光缆的端别及纤序2022/8/27 端别判断方法: 1.一般识别方法是面对光缆截面，由领示光纤（或导线或填充线）以红绿（或蓝黄等）顺时针为A端；逆时针为B端。 2.大多数.的光缆生产厂家在其产品的说明书中，均对光缆端别的判别及纤序的排列作了说明，工程使用中应以此为准。 3.在施工设计中有明确规定的应按设计中的规定来区别端别.2.4.4光缆的端别及纤序 管序123456管色红(或蓝)白(本色)白白白绿(或黄)纤序12