光纤通信技术与设备-

第2章光纤与光缆2.1光纤2.2光纤的特性2.3单模光纤与多模光纤2.4光缆2.1光纤

目标●了解光纤的结构与分类●掌握光纤的导光机理●掌握光纤的标准与应用●掌握光纤的损耗特性、色散特性●掌握光缆的结构与种类●掌握光缆的型号、色谱与端别光纤在光通信中，长距离传输光信号所需要的光波导是一种叫做光导纤维（简称光纤）的圆柱体介质波导。所谓“光纤”就是工作在光频下的一种介质波导，它引导光能沿着轴线平行方向传输。2.1.1光纤的结构与分类光纤（OpticalFiber，OF）就是用来导光的透明介质纤维，一根实用化的光纤是由多层透明介质构成的，一般光纤的结构如图2-1所示，可以分为三层：折射率较大的为纤芯、折射率较低的为包层和外涂覆层，纤芯和包层的结构满足导光要求，控制光波沿纤芯传播；涂覆层主要起保护作用（因不作导光用，故可染成各种颜色）。1.光纤的结构图2-1一般光纤的结构

光纤的组成部分（1）纤芯纤芯位于光纤的中心部位（直径d1约5～80μm），其成份是高纯度的二氧化硅，此外还掺有极少量的掺杂剂如二氧化锗，五氧化二磷等，掺有少量掺杂剂的目的是适当提高纤芯的光折射率（n1）。通信用的光纤，其纤芯的直径为5～10μm（单模光纤）或50～80μm（多模光纤）。（2）包层包层位于纤芯的周围（其直径d2约125μm），其成份也是含有极少量掺杂剂的高纯度二氧化硅。而掺杂剂（如三氧化二硼）的作用则是适当降低包层的光折射率（n2），使之略低于纤芯的折射率。为满足不同导光的要求，包层可做成单层，也可做成多层。（3）涂敷层光纤的最外层是由丙烯酸酯、硅橡胶和尼龙组成的涂敷层，其作用是增加光纤的机械强度与可弯曲性。涂覆层一般分为一次涂覆和二次涂覆层。二次涂覆层是在一次涂覆层的外面再涂上一层热塑材料，故又称为套塑。一般涂敷后的光纤外径约1.5cm。2.光纤的分类目前光纤的种类繁多，但就其分类方法而言大致有四种，即按光纤剖面折射率分布分类、按传播模式分类、按工作波长分类和按套塑类型分类等。此外按光纤的组成成份分类，除目前最常应用的石英光纤之外，还有含氟光纤与塑料光纤等。（1）按光纤剖面折射率分布分类──阶跃型光纤与渐变型光纤1）阶跃型光纤阶跃型光纤：是指在纤芯与包层区域内，其折射率分布分别是均匀的，其值分别为n1与n2，但在纤芯与包层的分界处，其折射率的变化是阶跃的。阶跃光纤的折射率分布如图2-2所示。2）渐变型光纤渐变型光纤：是指光纤轴心处的折射率最大（n1），而沿剖面径向的增加而逐渐变小，其变化规律一般符合抛物线规律，到了纤芯与包层的分界处，正好降到与包层区域的折射率n2相等的数值；在包层区域中其折射率的分布是均匀的，即为n2。渐变光纤的折射率分布如图2-3所示。2.光纤的分类（2）按传播模式分类──多模光纤与单模光纤在工作波长一定的情况下，光纤中存在有多个传输模式，这种光纤就称为多模光纤。多模光纤的横截面折射率分布有均匀的和非均匀两种。前者也叫阶跃型多模光纤，后者称为渐变型多模光纤。多模光纤的传输特性较差，带宽较窄，传输容量较小。在工作波长一定的情况下，光纤中只有一种传输模式的光纤，这种光纤就称为单模光纤。单模光纤只能传输基模（最低阶模），不存在模间的传输时延差，具有比多模光纤大得多的带宽，这对于高速传输是非常重要的。2.光纤的分类（3）按工作波长长分类──短短波长光纤与与长波长光纤纤短波长光纤：：在光纤通信信发展的初期期，人们使用用的光波之波波长在0.6～0.9μm范围内（典型型值为0.85μm），习惯上把把在此波长范范围内呈现低低衰耗的光纤纤称作短波长长光纤。短波波长光纤属早早期产品，目目前很少采用用。长波长光纤：：后来随着研研究工作的不不断深入，人人们发现在波波长1.31μm和1.55μm附近，石英光光纤的衰耗急急剧下降。不不仅如此，而而且在此波长长范围内石英英光纤的材料料色散也大大大减小。因此此，人们的研研究工作又迅迅速转移，并并研制出在此此波长范围衰衰耗更低，带带宽更宽的光光纤，习惯上上把工作在1.0～2.0μm波长范围的光光纤称之为长长波长光纤。。长波长光纤因因具有衰耗低低、带宽宽等等优点，特别别适用于长距距离、大容量量的光纤通信信。2.光纤的分类（4）按套塑类型型分类──紧紧套光纤与松松套光纤1）紧套光纤：：是指二次、、三次涂敷层层与予涂敷层层及光纤的纤纤芯，包层等等紧密地结合合在一起的光光纤。目前此此类光纤居多多。2）松套光纤：：是指经过予予涂敷后的光光纤松散地放放置在一塑料料管之内，不不再进行二次次、三次涂敷敷。2.1.2光光纤的导导光机理光是一种频率率极高的电磁磁波，而光纤纤本身是一种种介质波导，，因此光在光光纤中的传输输理论是十分分复杂的。要要想全面地了了解它，需要要应用电磁场场理论、波动动光学理论，，甚至量子场场论方面的知知识。为了便于理解解，我们从几几何光学的角角度来讨论光光纤的导光原原理，这样会会更加直观、、形象、易懂懂。更何况对对于多模光纤纤而言，由于于其几何尺寸寸远远大于光光波波长，所所以可把光波波看作成为一一条光线来处处理，这正是是几何光学的的处理问题的的基本出发点点。1.全反射原原理当光线在均匀匀介质中传播播时是以直线线方向进行的的，但在到达达两种不同介介质的分界面面时，会发生生反射与折射射现象。光的的反射与折射射如图2-4所示。根据光的反射射定律，反射射角等于入射射角。根据光的折射射定律：n1sinθθ1=n2sinθ2。其中，n1为纤芯的折射射率；n2为包层的折射射率。全反射现象显然，若n1＞n2，则会有θ2＞θ1。如果n1与n2的比值增大到到一定程度，，就会使折射射角θ2≥90°，此时的折射射光线不再进进入包层，而而会在纤芯与与包层的分界界面上掠过（（θ2=90°时），或者重重返回到纤芯芯中进行传播播（θ2＞90°时）。这种现现象叫做光的的全反射现象象，如图2-5所示。2.光在阶跃光纤纤中的传播（1）光纤中光射射线的传播图2-6光纤中的射线线（2）子午线在阶阶跃型光纤中中的传播图2-7光纤中的子午午线传播（3）数值孔径由于n1与n2差别较小，所所以sinφ0≈φ0，定义sinφ0为光纤的数值值孔径NA：光纤产生全反反射时光纤端端面最大入射射角的正弦值值sinφ0称为光纤的数数值孔径。一一般用NA（NumericalAperture）表示，此式式表示了光纤纤收集光的能能力。凡是入入射光线的入入射角小于圆圆锥角φ0以内的光线都都可以满足全全反射条件，，将被束缚在在纤芯中沿轴轴向传播。可可见，光纤的的数值孔径与与相对折射率率差的平方根根成正比，也也就是说光纤纤纤芯与包层层的折射率相相差越大，则则光纤的数值值孔径越大，，其集光能力力越强。3.光在渐渐变光纤中的的传播渐变型型光纤纤纤芯芯的折折射率率不是是常数数，它它随光光纤半半径的的增加加而逐逐渐减减小到到等于于包层层的折折射率率，如如图2-8所示。。2.2单单模模光纤纤与多多模光光纤2.2.1单单模模光纤纤只能传传输一一种模模式的的光纤纤称为为单模模光纤纤。单单模光光纤只只能传传输基基模（（最低低阶模模），，它不不存在在模间间时延延差，，因此此它具具有比比多模模光纤纤大得得多的的带宽宽，这这对于于高码码速传传输是是非常常重要要的。。单模模光纤纤的带带宽一一般都都在几几十GHz•km以以上。。阶跃型型单模模光纤纤的结结构如如图2-9所示。。图2-9阶跃型型单模模光纤纤的结结构表2-1B1.1类单模模光纤纤的结结构尺尺寸参参数光纤类别B1.11310模场直径/μm包层直径/μm1310nm芯同心度误差/μm包层不圆度/％涂覆层直径（未着色）/μm涂覆层直径（着色）/μm包层/涂覆层同心度误差/μm（8.6～9.5）±0.7125±1≤0.8≤2245±10250±15≤12.5表2-2B4类单模模光纤纤的结结构尺尺寸参参数光纤类别B41550nm模场直径/μm包层直径/μm1550nm芯同心度误差/μm包层不圆度/％涂覆层直径（未着色）/μm涂覆层直径（着色）/μm包层/涂覆层同心度误差/μm（8.0～11.0）±0.7125±1≤0.8≤2245±10250±15≤12.52.2.2单单模模光纤纤的标标准与与应用用单模光光纤以以其衰衰减小小、频频带宽宽、容容量大大、成成本低低和易易于扩扩容等等优点点，作作为一一种理理想的的光通通信传传输媒媒介，，在全全世界界得到到极为为广泛泛的应应用。。按照零零色散散波长长和截截止波波长位位移与与否可可将单单模光光纤分分为五五种，，国际际电信信联盟盟电信信标准准化部部门ITU-T在2000年10月对其其中四四种单单模光光纤已已给出出建议议：G.652、G.653、G.654和G.655光纤。。单模模光纤纤的分分类、、名称称，IEC和ITU-T命名对对应关关系如如图2-10所示。。图2-10各单模模光纤纤对应应关系系1.G.652───非色散散位移移单模模光纤纤（1）常规规单模模光纤纤常规单单模光光纤的的性能能特点点是：：①在1310nm波长处处的色色散为为零。。②在波波长为为1550nm附近衰衰减系系数最最小，，约为为0.22dB/km，但在在1550nm附近其其具有有最大大色散散系数数，为为17ps/（nm··km）。③这种种光纤纤工作作波长长即可可选在在1310nm波长区区域，，又可可选在在1550nm波长区区域，，它的的最佳佳工作作波长长在1310nm区域。。这种种光纤纤常称称为““常规规”或或“标标准””单模模光纤纤。常规单单模光光纤（（G.652A和G.652B）的色色散如如图2-11所示。。常规规单模模光纤纤的传传输性性能及及其应应用场场所见见表2-3。图2-11G652A/B光纤纤的色色散表2-3常规单单模光光纤的的传输输性能能及其其应用用场所所性能模场直径/μm截止波长λcc/μm零色散波长/nm工作波长/nm最大衰减系数/dB·km-1最大色散系数/ps·nm-1·km-1要求值1310nm（8.6～9.5）±0.7λcc≤127013101310或15501310nm＜0.401550nm＜0.251310nm:01550nm:17应用场合最广泛用于数据通信和模拟图像传输媒介，其缺点是工作波长为1550nm时色散系数高达17ps·nm-1·km-1阻碍了高速率、远距离通信的发展。（2）低水水峰单单模光光纤低水峰峰单模模光纤纤的优优点：：1）波段段宽。。由于于降低低了水水峰使使光纤纤可在在1280～1625nm全波段段进行行传输输，即即全部部可用用波段段比常常规单单模光光纤G.652增加约约一半半，同同时可可复用用波长长数也也大大大增多多，故故IEC又将低低水峰峰光纤纤命名名B1.3光纤，，即波波长段段扩展展的非非色散散位移移单模模光纤纤。2）色散散小。。在1280～1625nm全波长长区，，光纤纤的色色散仅仅为1550nm波长区区的一一半，，这样样就易易实现现高速速率、、远距距离传传输。。例如如，在在140nm波长附附近，，10Gbit/s速率的的信号号可以以传输输200km，而无无需色色散补补偿。。3）改进进网管管。可可以分分配不不同的的业务务给最最适合合这种种业务务的波波长传传输，，改进进网络络管理理。例例如，，在1310nm波长区区传输输模拟拟图像像业务务，在在1350～1450nm波长区区传输输高速速数据据（10Gbit/s）业务务，在在1450nm以上波波长区区传输输其它它业务务。4）系统统成本本低。。光纤纤可用用波长长区拓拓宽后后，允允许使使用波波长间间隔宽宽、波波长精精度和和稳定定度要要求低低的光光源、、合（（分））波器器和其其它元元件，，网络络中使使用有有源、、无源源器件件成本本降低低，进进而降降低了了系统统的成成本。。全波波单模模光纤纤的性性能及及应用用场合合见表表2-4。表2-4全波波单单模模光光纤纤的的性性能能及及应应用用场场合合性能模场直径/μm截止波长/nm零色散波长λo/nm工作波长/nm最大衰减系数/dB·km-1要求值1310nm9.3±0.51550nm10.5±1.0λcc≤1270λc≤1250λcj≤12501300～13221280～16251310nm:0.351385nm:0.311550nm:0.21～0.25应用场合这种光纤的优点是工作波长范围宽，即1280～1625nm，故其主要用于密集波分复用的城域网的传输系统，它可提供120个或更多的可用信道。2.G.653────色散散位位移移单单模模光光纤纤色散散位位移移单单模模光光纤纤是是通通过过改改变变光光纤纤的的结结构构参参数数、、折折射射率率分分布布形形状状，，力力求求加加大大波波导导色色散散，，从从而而将将最最小小零零色色散散点点从从1310nm位移到1550nm，实现1550nm处最低衰衰减和零零色散波波长一致致，并且且在掺铒铒光纤放放大器1530～1565nm工作波长长区域内内。色散位移移光纤的的富有生生命力的的应用场场所为单单信道数数千里的的信号传传输的海海底光纤纤通信系系统。另另外，陆陆地长途途干线通通信网也也已敷设设一定数数量的色色散位移移光纤。。色散位位移单模模光纤的的性能及及应用场场合见表表2-5。表2-5色散位移移单模光光纤的性性能及应应用场合合性能模场直径/μm截止波长/nm零色散波长/nm工作波长/nm最大衰减系数/dB·km-1色散系数/ps·nm-1·km-1要求值1310nm:8.3λcc≤1270λc≤1250λcj≤1270155015501550nm≤0.251525～1575nm:3.5应用场合这种光纤的优点是在1550nm工作波长衰减系数和色散系数均很小。它最适用于单信道几千公里海底系统和长距离陆地通信干线。3.G.654──截止波长长位移单单模光纤纤1550nm截止波长长位移单单模光纤纤是非色色散位移移光纤（（ITU-TG.654光纤），，其零色色散波长长在1310nm附近，截截止波长长移到了了较长波波长，在在1550nm波长区域域衰减极极小，最最佳工作作波长范范围为1500～1600nm。获得低衰衰减光纤纤的方法法是：①使用纯纯石英玻玻璃作为为纤芯和和掺氟的的凹陷包包层。②以长截截止波长长来减小小光纤对对弯曲附附加损耗耗的敏感感。1550nm截止波长长位移单单模光纤纤的性能能及应用用场合见见表2-6。表2-61550nm截止波长长位移单单模光纤纤的性能能及应用用场合性能模场直径/μm截止波长/nm零色散波长/nm工作波长/nm最大衰减系数/dB·km-1最大色散系数/ps·nm-1·km-1要求值1550nm:10.5λcc≤15301350＜λc＜1600131015501550nm≤0.201550nm:20应用场合这种光纤的优点是在1550nm工作波长衰减系数极小，其抗弯曲性能好。它主要用于远距离无需插入有源器件的无中继海底光纤通信系统，其缺点是制造困难，价格昂贵。4.G.655──非零色散散位移单单模光纤纤非零色散散位移单单模光纤纤是在1994年美国朗朗讯和康康宁专门门为新一一代带有有光纤放放大器的的波分复复用传输输系统设设计和制制造的新新型光纤纤（ITU-TG.655光纤）。。这种光光纤是在在色散位位移单模模光纤的的基础上上通过改改变折射射剖面结结构的方方法来使使得光纤纤在1550nm波长色散散不为零零，故其其被称为为“非零零色散位位移”单单模光纤纤。低色散斜斜率非零零色散位位移单模模光纤、、大有效效面积非非零色散散位移单单模光纤纤和色散散平坦光光纤。（1）非零色色散位移移单模光光纤三种G.655光纤的色色散斜率率的比较较如图2-13所示。图2-13三种G.655光纤的色色散斜率率的比较较（2）低色散散斜率非非零色散散位移单单模光纤纤所谓色散散斜率指指光纤的的色散随随波长而而变化的的速率，，又称高高阶色散散。在长长途WDM传输系统统中，由由于色散散的积累累，各通通路的色色散都随随传输距距离的延延长而增增大。然然而，由由于色散散斜率的的作用，，各通路路的色散散积累量量是不同同的，位位于两侧侧的边缘缘通路间间的色散散积累量量差别最最大。当当传输距距离超过过一定值值后，会会使具有有较大色色散积累累量的通通路的色色散值超超标，从从而限制制了整个个WDM系统的传传输距离离。为此此，1998年美国朗朗讯科技技公司研研发出一一种低色色散斜率率G.655光纤（真真波RS光纤）。。光纤色色散斜率率已从0.07ps/（nm2··km）降至0.05ps/（nm2··km）以下。。低色散斜斜率非零零色散位位移单模模光纤的的色散一一致性在在整个第第三和第第四波段段应用窗窗口上提提供了数数值有限限的色散散，消除除了四波波混频的的非线性性效应。。非色散位位移单模模光纤是是专门为为1310nm系统而设设计的，，可降低低损耗，，获得最最大带宽宽。当光光纤用于于高容量量放大系系统中时时，光纤纤在1550nm波长处的的高色散散（大约约为17ps/（nm·km））可能能会需要要增加色色散补偿偿或传输输设备的的成本。。与非色散散位移单单模光纤纤和其它它G.655光纤相比比，低色色散斜率率非零色色散位移移单模光光纤的色色散补偿偿成本最最低。（3）大有效效面积非非零色散散位移单单模光纤纤大有效面面积非零零色散位位移单模模光纤提提供更大大光功率率承受能能力，改改善了光光信噪比比，延长长了光放放大器距距离，增增加了密密集波分分复用信信道数等等。大有有效面积积光纤的的关键性性能优点点是降低低了各种种非线性性效应（（见图2-14）。因为为非线性性效应是是当今DWDM系统最大大的性能能约束条条件。图2-14大有效面面积光纤纤增大了了纤芯的的导光面面积表2-7非零色散散位移单单模光纤纤的性能能及应用用场合性能模场直径/μm截止波长/nm非零色散区/nm工作波长/nm衰减系数/dB·km-1非零色散区色散系数/ps·nm-1·km-1要求值1550nm：8～11±0.7λcc≤1480λc≤1470λcj≤14801530～15651530～15651550nm:0.251625nm:0.30应用场合这种光纤的优点是在1550nm处有一低的色散，保证抑制FWM等非线性效应，使得其能用在EDFA和波分复用结合的传输速率在10Gbit/s以上的WDM和DWDM的高速传输系统中。5.色散平坦坦单模光光纤色散平坦坦单模光光纤的性性能和应应用场合合见表2-8。表2-8色散平坦坦单模光光纤的性性能和应应用场合合性能模场直径/μm截止波长/nm零色散波长/nm工作波长/nm最大衰减系数/dB·km-1最大色散系数/ps·nm-1·km-1要求值1310nm:81550nm:11≤12701310和15501310～15501310nm:≤0.251550nm:≤0.301310nm:01550nm:0应用场合这种光纤的优点是在1310～1550nm工作波长范围内低色散。6.色散补偿偿单模光光纤色散补偿偿单模光光纤是一一种在1550nm波长处有有很大的的负色散散的单模模光纤，，当前实实验色散散补偿单单模光纤纤的色散散系数为为50～-548ps/（nm·km），衰减减一般为为0.5～1.0dB/km。色散补补偿单模模光纤的的性能及及应用场场合见表表2-9。表2-9色散补偿偿单模光光纤的性性能及应应用场合合性能模场直径/μm截止波长/nm零色散波长/nm工作波长/nm衰减系数/dB·km-1色散系数/ps·nm-1·km-1要求值1550nm:6≤1260＞155015501550nm:≤1.001550nm:-80～-150应用场合这种光纤的优点是在1550nm工作波长范围内有很大的负色散，其主要用作G.652光纤工作波长由1310nm扩容升级至1550nm的进行色散补偿。2.2.3多模光纤纤多模光纤纤就是允允许多个个模式在在其中传传输的光光纤，或或者说在在多模光光纤中允允许存在在多个分分离的传传导模式式。梯度型多多模光纤纤结构和和阶跃型型多模光光纤结构构如图2-15、图2-16所示。通通常，光光纤的纤纤芯用来来导光，，包层保保证光全全反射只只发生在在芯内，，涂覆层层则为保保护光纤纤不受外外界作用用和吸收收诱发微微变的剪剪切应力力。当今今常用的的AI类多模光光纤的结结构尺寸寸参数见见表2-10。图2-15梯度型多多模光纤纤结构图2-16阶跃型多多模光纤纤结构表2-10Al类多模光光纤的结结构尺寸寸参数光纤结构AlaAlbAlcAld纤芯直径/μm包层直径/μm芯/包同心度/μm芯不圆度/％包层不圆度/％包层直径（未着色）/μm包层直径（着色）/μm50±3125±2≤3≤6≤2245±10250±1562.5±3125±3≤3≤6≤2245±10250±1585±3125±3≤6≤6≤2245±10250±15100±5140±4≤6≤6≤4250±25—2.2.4多模光纤纤的标准准与应用用1.梯度型多多模光纤纤四种梯度度型多模模光纤的的传输性性能及应应用场合合见表2-11。表2-11四种梯度度型多模模光纤的的传输性性能及应应用场合合光纤类型芯/包直径/μm工作波长/μm带宽/MHz数值孔径衰减系数/dB·km-1应用场合AlaAlbAlcAld50/12562.5/12585/125100/1250.85，1.300.85，1.300.85，1.300.85，1.30200～1500300～1000100～1000100～5000.20～0.240.26～0.290.26～0.300.26～0.290.8～1.50.8～2.02.03.0～4.0数据链路、局域网数据链路、局域网局域网、传感等局域网、传感等2.阶跃型多多模光纤纤A2、A3和A4三类阶跃跃型多模模光纤的的传输性性能和应应用场合合见表2-12。表2-12三类阶跃跃型多模模光纤的的传输性性能及应应用场合合光纤类型A2aA2bA2cA3aA3bA3cA4aA4bA4c芯/包直径/μm工作波长/μm带宽/MHz数值孔径衰减系数/dB/km典型选用长度/m100/140200/240200/2800.85A2a≥10A2b=0.23～0.26

A2c≤10[U1]

2000200/300200/380200/2300.85≥50.40≤101000980/1000730/750480/5000.65≥100.50≤40dB/0.1km100应用场所短距离信息传输、楼内局部布线、传感器等2.3光纤的特特性2.3.1光纤的损损耗特性性光纤的损损耗将导导致传输输信号的的衰减，，所以把把光纤的的损耗又又称衰减减。光信信号在光光纤中传传输，随随着距离离延长光光的强度度随之减减弱，其其规律为为式中，P（0）为输入入光纤的的光功率率，即z=0处注入光光功率；；P（z）为传输输距离z处的光功功率；α（λ）为波长长λ处的光纤纤衰减系系数，当当z=L时，光纤纤衰减系系数定义义为α（λ）＝10/L[lg（P（0）/P（L）]（dB/km）。当工作作波长长为λ时，在在光纤纤上两两个相相距Lkm的总衰衰减A（λ），用用下式式表示示：A（λ）＝α（λ）×L（dB）光纤通通信可可以说说是伴伴随着着光纤纤制造造水平平的不不断提提高，，即光光纤损损耗的的不断断降低低而发发展起起来的的。光光纤损损耗是是决定定光纤纤通信信系统统中继继距离离的主主要因因素之之一。。造成成光纤纤损耗耗的原原因很很多，，主要要是吸吸收损损耗、、散射射损耗耗和附附加损损耗。。其损损耗产产生机机理也也非常常复杂杂。以以下以以石英英系光光纤为为例分分别讨讨论各各种原原因所所引起起的损损耗。。1．吸收收损耗耗吸收损损耗主主要包包括：：本征征吸收收、杂杂质吸吸收（（OH基）和和结构构缺陷陷吸收收。本本征吸吸收有有红外外和紫紫外吸吸收。。红外吸吸收是是光通通过由由SiO2构成石石英玻玻璃时时分子子共振振引起起的光光能吸吸收现现象。。例如如，Si-O的吸收收峰分分别为为9.1μm、12.5μμm、21.3μμm。如在在9.1μm的吸收收损耗耗高达达1010dB/km。紫外吸吸收是是通过过光波波照射射激励励电子子跃迁迁至高高能级级时吸吸收的的能量量。这这种吸吸收发发生在在紫外外波长长区，，故通通常为为紫外外吸收收。杂杂质吸吸收是是玻璃璃材料料中含含有铁铁、铜铜等过过渡金金属离离子和和OH-离子，，在光光波激激励下下由离离子振振动产产生的的电子子阶跃跃吸收收光能能而产产生的的损耗耗。例例如，，在1.39μμm处，OH-离子浓浓度含含量lppm时产生生的衰衰减为为60dB/km。2．散射射损耗耗散射损损耗是是以散散射的的形式式将光光能辐辐射出出光纤纤外的的损耗耗。其其原因因是由由于光光纤内内部的的密度度不均均匀引引起的的。光光纤中中产生生的散散射损损耗主主要有有瑞利利散射射、米米氏散散射、、受激激布里里渊散散射、、受激激拉曼曼散射射、附附加结结构缺缺陷和和弯曲曲散射射、泄泄露散散射。。光纤制制造时时，熔熔融态态玻璃璃分子子的热热运动动引起起其结结构内内部的的密度度和折折射率率起伏伏致使使引起起对光光的散散射。。比光光波长长小得得多的的粒子子引起起的散散射称称为瑞瑞利散散射。。与光光波同同样大大小的的粒子子引起起的散散射称称为米米氏散散射。。引起光光纤损损耗的的散射射主要要是瑞瑞利散散射，，瑞利利散射射具有有与短短波长长的1/λ4成正比比的性性质，，即aR=A/λ4。式中中，比比例系系数A与玻璃璃结构构、玻玻璃组组成有有关。。一般般，玻玻璃转转变温温度高高、组组成复复杂的的，具具有瑞瑞利散散射损损耗大大的趋趋势。。瑞利散散射受受到照照射光光强作作用。。受激激布里里渊散散射和和受激激拉曼曼散射射，则则存在在于光光能密密度超超过某某一高高值，，光与与媒介介相互互作用用产生生的。。3．附加加损耗耗光纤损损耗原原因归归纳如如图2-18所示。。图2-18光纤损损耗原原因归归纳2.3.2光纤的的色散散特性性对于数数字信信号，，经光光纤传传播一一段距距离后后，色色散会会引起起光脉脉冲展展宽，，严重重时，，前后后脉冲冲将互互相重重叠，，形成成码间间干扰扰。因因此，，色散散决定定了光光纤的的传输输带宽宽，限限制了了系统统的传传输速速率或或中继继距离离。色色散和和带宽宽是从从不同同的领领域来来描述述光纤纤的同同一特特性的的。根据据色色散散产产生生的的原原因因，，光光纤纤的的色色散散主主要要分分为为：：模模式式色色散散、、材材料料色色散散、、波波导导色色散散和和偏偏振振模模色色散散。。1．模模式式色色散散模式式色色散散一一般般存存在在于于多多模模光光纤纤中中。。因因为为，，在在多多模模光光纤纤中中同同时时存存在在多多个个模模式式，，不不同同模模式式沿沿光光纤纤轴轴向向的的群群传传播播速速度度是是不不同同的的，，它它们们到到达达终终端端时时，，必必定定会会有有先先有有后后，，出出现现时时延延差差，，形形成成模模间间色色散散，，从从而而引引起起脉脉冲冲宽宽度度展展宽宽，，模模式式色色散散的的脉脉冲冲展展宽宽如如图图2-19所示示。。图2-19模式式色色散散的的脉脉冲冲展展宽宽多模模阶阶跃跃光光纤纤的的模模式式色色散散如如图图2-20所示示。。在在多多模模阶阶跃跃光光纤纤中中，，传传输输最最快快和和最最慢慢的的两两条条光光线线分分别别是是沿沿轴轴心心传传播播的的光光线线①①和和以以临临界界角角θc入射射的的光光线线②②。。因因此此，，在在阶阶跃跃型型多多模模光光纤纤中中最最大大色色散散是是光光线线②②所所用用时时间间τmax和光光线线①①所所用用时时间间τmin到达达终终端端的的时时间间差差△τmax：△τmax=τmax－τmin。图2-20多模模阶阶跃跃光光纤纤的的模模式式色色散散2.材料料色色散散由于于光光纤纤材材料料的的折折射射率率随随光光波波长长的的变变化化而而变变化化，，使使得得光光信信号号各各频频率率的的群群速速度度不不同同，，引引起起传传输输时时延延差差的的现现象象，，就就称称为为材材料料色色散散。。这这种种色色散散取取决决于于光光纤纤材材料料折折射射率率的的波波长长特特性性和和光光源源的的线线谱谱宽宽度度。。在数数字字光光纤纤通通信信系系统统中中，，实实际际使使用用的的光光源源的的输输出出光光并并不不是是单单一一波波长长，，而而是是具具有有一一定定的的谱谱线线宽宽度度。。由于于光光纤纤材材料料的的折折射射率率是是波波长长的的函函数数，，光光在在其其中中的的传传播播速速度度V（λ）=C/n（λ）也也随随光光波波长长而而变变。。当具具有有一一定定谱谱线线宽宽度度的的光光源源所所发发出出的的光光脉脉冲冲入入射射到到单单模模光光纤纤内内传传输输时时，，不不同同波波长长的的光光脉脉冲冲将将有有不不同同的的传传播播速速度度，，在在到到达达输输出出端端时时将将产产生生时时延延差差，，从从而而使使脉脉冲冲展展宽宽。。这这就就是是材材料料色色散散的的产产生生机机理理。。3.波导导色色散散波导导色色散散是是针针对对光光纤纤中中某某个个导导模模而而言言的的，，在在不不同同的的波波长长下下，，其其相相位位常常数数β不同同，，从从而而群群速速度度不不同同，，引引起起色色散散。。波波导导色色散散还还与与光光纤纤的的结结构构参参数数、、纤纤芯芯与与包包层层的的相相对对折折射射率率差差等等多多方方面面的的原原因因有有关关，，故故也也称称为为结结构构色色散散。。不不过过波波导导色色散散很很小小，，用用色色散散系系数数Dw表示示：：（ps/(nm··km)）式中中，，△为相相对对折折射射率率差差；；n1为纤纤芯芯折折射射率率；；V为归一化频率率；b=W2/V2归一化相位常常数；W为归一化衰减减常数。同理可得，光光纤的波导色色散可用下式式计算：=Dw×△λ×L。4．偏振模色散散偏振模色散是是单模光纤特特有的一种色色散。由于单单模光纤中实实际上传输的的是两个相互互正交的偏振振模，它们的的电场各沿x、y方向偏振，分分别记作LPx01和LPy01，其相位常数数βx，βy不同，相应的的群速度不同同，从而引起起偏振模色散散：式中，△β=βx-βy；ω为光的角频率率。综上所述，在在多模光纤中中存在着模式式色散、材料料色散和波导导色散三种色色散，而且在在这三种色散散之中：模式式色散>>材料色散>波导色散。在在单模光纤中中，模式色散散为零，其色色散主要是材材料色散、波波导色散和偏偏振模色散，，而且材料色色散占主导，，波导色散较较小，偏振模模色散一般可可以忽略。因因此光纤色散散可表示为多模光纤色散散：△τ=[△τM2+△τm2+△τw2]1/2单模光纤色散散：△τ=[△τm2+△τw2+△τ02]1/2不过单模光纤纤一般只给出出色散系数D，其中包含了了材料色散和和波导色散的的共同影响。。5.光纤的带宽光纤的色散和和带宽描述的的是光纤的同同一特性。事事实上，色散散描述的是光光脉冲经过传传输后在时间间座标轴上展展宽的程度，，是光纤特性性在时域的描描述。而带宽宽是这一特性性在频域中的的描述。ITU-T建议规定光纤纤的带宽是每每公里带宽，，为L公里的光纤带带宽：2.3.3光纤的光学特特性和几何特特性1．几何特性几何特性有芯芯径、包层的的尺寸和对芯芯/包层同心度、、不圆度等。。（1）芯直径芯芯直径主要要是对多模光光纤的要求。。ITU-T规定多模光纤纤的芯直径为为（50±3）μm。（2）外径光光纤的外径是是指裸纤的直直径。无论多多模光纤、单单模光纤，ITU规定通信用光光纤的外径，，均为（125±3）μm。（3）芯/包层同心度和和不圆度同同心度是指指纤芯中心与与包层中心之之间距离除以以芯径。不圆圆度包括芯径径的不圆度和和包层的不圆圆度，可用下下式表示：NC=（Dmax—Dmin）/Dco式中，Dmax和Dmin是芯（包层））的最大和最最小直径；Dco是芯（包层））的标准直径径。2．光学特性（1）折射率分布布多模光光纤的折射分分布，决定光光纤带宽和连连接损耗。单单模光纤的折折射率分布，，决定工作波波长的选择。。光纤折射率的的通式：n（r）=n（0）[1-2Δ（r/a）g]1/2（2）最大理论数数值孔径光光纤的数值值孔径（NA）对光源耦合合效率、光纤纤损耗时微弯弯的敏感性和和带宽有着密密切的关系，，数值孔径大大，容易耦合合，微弯敏感感小，带宽较较窄。最大理论数值值孔径的定义义为：（3）模场直径模模场直径径的定义，可可以根据基模模场E01传输函数来表表示，即在基基模场E01（r）传输函数与与横轴径向r的关系曲线上上两个1/e点之间的宽度度就是模场直直径。模场直径估算算：2S0=2λ/（πn1√Δ）（4）截止波长（（单模传输条条件）截截止波长是单单模光纤保证证单模传输的的条件，所以以截止波长的的定义是大于于此波长时二二阶LP11模不再传播。。截止波长同同其它参数的的不同点，在在于它不是恒恒定，而是随随着长度不同同而改变。要要求单模光纤纤的截止波长长一定要小于于光通信系统统的工作波长长。目前光纤纤的截止波长长为1.10～1.28μm。相对折射率率差Δ及剖面形状决决定。2.3.5光纤的非线性性效应1．非线性效应应的产生当今在带有掺掺铒放大器密密集波分复用用大容量、高高速度的光纤纤通信系统中中，光纤中传传输的工作波波长多、功率率大，大的光光功率可能引引起信号与光光纤的相互作作用而产生各各种非线性效效应，如果不不予以适当抑抑制，这些非非线性效应会会严重的影响响系统的性能能和限制再生生中继距离。。线性或非线性性指的是光在在传输媒质的的性质，而非非光本身性质质。但光场的的存在使得媒媒质的性质特特性发生了变变化。当媒质质受强光场的的作用，组成成媒质的原子子或分子内的的电子发生位位移或振动，，使媒质产生生极化，极化化后的媒质内内出现偶极子子，这些偶极极子辐射出相相同频率的电电磁波叠加到到原入射场上上，成为媒质质内的总光场场。这说明媒媒质特性变化化又反过来影影响光场。光纤的非线性性可分为两类类：非线性受受激散射和折折射率扰动。。2．受激散射受激散射是指指光场把部分分能量转移给给非线性介质质。非线性受激散散射发生在当当光信号与光光纤中的声波波或系统振动动的相互作用用的调制系统统中。受激拉拉曼散射和受受激布里渊散散射就属于此此类。1）受激拉曼散散射（StimulatedRamanScattering，SRS）是介质中的的分子振动对对入射光（称称为泵浦光））的调制（相相互作用），，从而对入射射光产生散射射作用。设入入射光频率为为ωp，介质分子振振动频率为ωv，则散射光频频率为ωS=ωp-ωv和ωaS=ωp+ωv，这种现象叫叫受激拉曼散散射。2）受激布里渊渊散射（StimulatedBrillouinScattering，SBS）是一种由光光纤中的光信信号和声波（（机械振动技技术上称为声声波）之间的的相互作用所所引起的非线线性现象。3．折射率扰动动折射率扰动引引起的三种非非线性效应为为：自相位调调制、交叉相相位调制和四四波混频。1）自相位调制制（SelfPhaseModulation，SPM）是指传输过过程中光脉冲冲对自身相位位变化，导致致脉冲频谱展展宽的现象。。自相位调制制与“自聚焦焦”有密切联联系，如果十十分严重，那那么在密集波波分复用系统统中，光谱展展宽会重叠进进入邻近的信信道。2）交叉相位调调制（CrossPhaseModulation，CPM）是一个脉冲冲对其它信道道脉冲相位的的作用。当两两个或多个不不同波长的光光波在光纤的的非线性相互互作用.其产生方式与与SPM相同。CPM与SPM所不同的是SPM发生在单信道道和多信道系系统中，而CPM则仅出现在多多信道系统中中。3）四波混频（（FourWaveMixing，FWM）是指由两个个或三个波长长的光波混合合后产生的新新光波，其产产生原理如图图2-24所示。在系统统中，某一波波长的入射光光会改变光纤纤的折射率，，从而在不同同频率处发生生相位调制，，产生新的波波长。图2-24四波混频产生生原理2.3.4光纤的的机械械特性性与温温度特特性1．光纤纤强度度实用化化光纤纤的抗抗张强强度，，要求求≥240g拉力。。目前前商品品化光光纤的的强度度已达达到0.5％应变变即432g拉力，，国内内用于于工程程的光光纤，，一般般都大大于400g拉力；；国外外较好好的光光纤在在700g拉力以以上，，用于于海底底光缆缆的光光纤强强度还还要高高一些些。这这些对对光纤纤强度度的要要求，，是在在光纤纤生产产过程程中用用筛选选方法法达到到的。。2．光纤纤的温温度特特性光纤的的温度度特性性是指指在高高、低低温条条件下下对光光纤损损耗的的影响响，一一般是是损耗耗增大大。在在高低低温条条件下下光纤纤损耗耗都增增大，，这是是由于于光纤纤涂覆覆层、、套塑塑层所所用的的材料料为有有机树树脂和和塑料料比石石英的的收缩缩和膨膨胀系系数大大得多多，因因而在在低温温时光光纤受受到轴轴向压压缩力力而产产生微微弯，，在高高温时时光纤纤又受受到轴轴向伸伸长力力而产产生应应力导导致损损耗增增大。。光纤纤温特特性：：当随随着温温度的的不断断降低低，光光纤损损耗就就不断断增大大，当当降至至-55℃左右时时，损损耗急急剧增增加，，显然然这样样的系系统是是无法法正常常运行行的。。目前前光纤纤的低低温特特性已已普遍遍达到到较好好水平平，一一般在在-20℃时，损损耗增增加在在0.ldB/km以下，，优质质光纤纤在0.05dB/km以下。。2.4光缆通信光光缆的的结构构是依依据其其传输输用途途、运运行环环境、、敷设设方式式等诸诸多因因素决决定的的。从从大的的方面面讲，，常用用通信信光缆缆分为为室内内光缆缆和室室外光光缆两两大类类，这这里主主要为为大家家介绍绍室外外光缆缆。室外光缆缆的基本本结构有有如下几几种：层层绞式、、中心管管式、骨骨架式。。每种基基本结构构中既可可放置分分离光纤纤，亦可可放置带带状光纤纤。1．层绞式式光缆层绞式光光缆端面面如图2-26和图2-27所示。层层绞式光光缆结构构是由多多根二次次被覆光光纤松套套管（或或部分填填充绳））绕中心心金属加加强件绞绞合成圆圆形的缆缆芯，缆缆芯外先先纵包复复合铝带带并挤上上聚乙烯烯内护套套，再纵纵包阻水水带和双双面覆膜膜皱纹钢钢（铝））带再加加上一层层聚乙烯烯外护层层组成。。层绞式光光缆的结结构特点点是：光光缆中容容纳的光光纤数量量多，光光缆中光光纤余长长易控制制，光缆缆的机械械、环境境性能好好，它适适宜于直直埋、管管道敷设设，也可可用于架架空敷设设。图2-26层绞式光光缆端面面图2-27层绞式光光缆实物物图2．中心管管式光缆缆中心管式式光缆如如图2-28和图2-29所示，是是由一根根二次光光纤松套套管或螺螺旋形光光纤松套套管，无无绞合直直接放在在缆的中中心位置置，纵包包阻水带带和双面面涂塑钢钢（铝））带，两两根平行行加强圆圆磷化碳碳钢丝或或玻璃钢钢圆棒位位于聚乙乙烯护层层中组成成的。按松套管管中放入入的是分分离光纤纤、光纤纤束还是是光纤带带，中心心管式光光缆分为为分离光光纤的中中心管式式光缆或或光纤带带中心管管式光缆缆等。中心管式式光缆的的优点是是：光缆缆结构简简单、制制造工艺艺简捷，，光缆截截面小、、重量轻轻，很适适宜架空空敷设，，也可用用于管道道或直埋埋敷设；；中心管式式光缆的的缺点是是：缆中中光纤芯芯数不宜宜过多（（如分离离光纤为为12芯、光纤纤束为36芯、光纤纤带为216芯），松松套管挤挤塑工艺艺中松套套管冷却却不够，，成品光光缆中松松套管会会出现后后缩，光光缆中光光纤余长长不易控控制等。。图2-28中心管式式光缆端端面结构构（GYXTW53）图2-29中心管式式光缆实实物图3．骨架式式光缆骨架式光光缆在国国内仅限限于干式式光纤带带光缆，，即将光光纤带以以矩阵形形式置于于U型螺旋骨骨架槽或或SZ螺旋骨架架槽中，，阻水带带以绕包包方式缠缠绕在骨骨架上，，使骨架架与阻水水带形成成一个封封闭的腔腔体（见见图2-30和图2-31）。骨架式光光纤带光光缆的优优点是：：结构紧紧凑、缆缆径小、、纤芯密密度大（（上千芯芯至数千千芯），，接续时时无需清清除阻水水油膏、、接续效效率高。。缺点是：：制造设设备复杂杂（需要要专用的的骨架生生产线））、工艺艺环节多多、生产产技术难难度大等等。图2-30骨架式光光缆端面面结构图2-31骨架式光光缆（GYDGTS）实物图图2.4.2光缆的型型号、色色谱与端端别1.光缆型号号和应用用（1）型号的的组成1）型号组组成的内内容：型型号由型型式和规规格两大大部分组组成。2）型号组成成的格式：：光缆型号号组成的格格式如图2-32所示。图2-32型号组成的的格式图图2-33光缆型式的的构成（2）型号的组组成内容、、代号及意意义型型式由5个部分构成成，各部分分均用代号号表示，如如图2-33所示。其中中结构特征征指缆芯结结构和光缆缆派生结构构。1）分类的代代号：GY──通信用室（（野）外光光缆GM──通信用移动动式光缆GJ──通信用室（（局）内光光缆GS──通信用设备备内光缆GH──通信用海底底光缆GT──通信用特殊殊光缆2）加强件的的代号：加加强构件指指护套以内内或嵌入护护套中用于于增强光缆缆抗拉