第一讲光纤与光缆技术

第一讲光纤与光缆技术南京邮电大学光电工程学院刘逢清内容1、光纤结构及导光原理（射线光学、全反射）2、多模光纤和单模光纤、渐变和阶跃光纤3、光纤的几何尺寸特性；4、光缆的设计与结构5、光缆的结构、种类、型号及用途6、光纤的着色1.1光纤结构及导光原理裸光纤：主要材料为石英玻璃，即SiO2纤芯中掺杂折射率稍高的材料，如GeO2，P2O5包层中掺杂折射率稍低的材料，如B2O3，F30~150um，材料为硅树脂或聚氨基甲酸乙酯又称套塑，材料为聚乙烯、尼龙等无论何种光纤，其包层直径都是一致的涂覆层的主要作用是为光纤提供保护纤芯和包层仅在折射率等参数上不同，结构上是一个完整整体光纤尺寸

二光的导光原理：射线光学理论分析光波在光纤中传输可应用两种理论：波动理论和射线理论。波动理论分析光波在阶跃折射率光纤中传播的模式特性，分析的方法比较复杂。射线理论是一种近似的分析方法，但简单直观，对定性理解光的传播现象很有效，而且对光纤半径远大于光波长的多模光纤能提供很好的近似。两个重要概念：光射线（简称射线）设有一个极小的光源，它的光通过一块不透明板上的一个极小的孔，板后面的一条光的边界并不明显锐利，而有连续但又快速变化的亮和暗，这就是所谓的衍射条纹。如果光波长极短（趋于0）而可以忽略，并使小孔小到无穷小，则通过的光就形成一条尖锐的线，这就是光射线。也可以说一条很细很细的光束，它的轴线就是光射线。两个重要概念：射线光学（即几何光学）当光波长趋于0而可以忽略时，用射线去代表光能量传输线路的方法称为射线光学。在射线光学中，把光用几何学来考虑，所以也称为几何光学。射线光学是忽略波长的光学，亦即射线理论是λ→0时的波动理论。光的反射和折射定律从射线方程导出的射线光学最重要的理论之一是斯涅尔（Snell）定律，它应用于恒定折射率n1和n2区域时可写成：反射定律：折射定律：式中n1、n2为介质的折射率，、、分别是光线的入射角、反射角和折射角。光射线的反射和折射第1种媒质（n1）分界面第2种媒质（n2）n1＜n2法线反射定律：入射角Φ入＝反射角Φ反折射定律：n1·sinΦ入＝n2·sinΦ折Φ入Φ反Φ折入射光线折射光线反射光线光的全反射现象（光密介质－光疏介质）第1种媒质（n1）分界面第2种媒质（n2）n1＞n2法线折射光线反射光线入射光线全反射定律：当入射角度增大到某一角度时，折射角可以获得最大值90°，此时可认为无折射光存在，所有的入射光都被反射，称为全反射现象，满足全反射现象的最小角度称为全反射的临界角φC。ΦC光纤的传光原理利用上述的射线分析方法，可以直观地对光纤的传光原理进行解释。阶跃折射率光纤中的全反射传输光纤轴线方向纤芯（n1）包层（n2）n1＞n2思考：如果光纤发生弯曲或形变会有什么结果？此处亦有折射现象，如何由光纤内部的全反射条件推导处此处的入射条件？（入射角/接收角）n0θθ’ψ最大接收角和数值孔径最大接收角数值孔径为式中，n1,n2分别为光纤芯和包层的折射率，Δ为相对折射率差。1.2光纤的类型多模光纤单模光纤塑料光纤新型光纤多模光纤1、结构多模光纤结构2、分类（1）阶跃型多模光纤（2）梯度型多模光纤（1）阶跃型多模光纤特点：具有大的芯径和大的数值孔径性能特征的变化与所选用的材料和制备方法关系极大典型结构：（2）梯度型多模光纤特点：制备选用的材料纯度较高具有较好的抗弯曲性能典型结构：IEC分类ITU－T分类材料类型折射率分布指数g极限值典型传输距离A1G.651玻璃芯/玻璃包层梯度折射率光纤1≤g<32kmA2玻璃芯/玻璃包层准阶跃折射率光纤3≤g<∞2kmA3玻璃芯/塑料包层阶跃折射率光纤10≤g≤∞1kmA4塑料芯/塑料包层阶跃折射率光纤10≤g≤∞20m多模光纤种类单模光纤1、结构

单模光纤结构阶跃型单模光纤的典型结构IEC分类ITU－T分类光纤名称商用年代B1.1G.652非色散位移光纤1983年商用B1.2G.654截止波长位移光纤1990年商用B1.3G.652CG.652D

波长段扩展的非色散位移光纤1998年商用B2G.653色散位移光纤1985年商用B3色散平坦光纤1991年商用B4G.655非零色散位移光纤1993年商用B5G.656宽带传输非零色散位移光纤2002年商用色散补偿光纤1994年商用2、分类（1）非色散位移光纤（B1.1G.652）

（2）截止波长位移光纤（B1.2 G.654）（3）色散位移光纤（B2G.653）（4）非零色散位移光纤（B4G.655）（5）宽带传输非零色散位移光纤（G.656光纤）2004年7月，ITU－T颁布了宽带光传输用的非零色散位移单模光纤光缆的建议。该建议将宽带光传输用的非零色散位移单模光纤规定为G.656光纤。G.656光纤的特点是，它可以在S+C+L三个波段，即1460～1625nm（S波段：1460～1530nm，C波段：1530～1565nm，L波段：1565～1625nm）范围工作。适用于1460～1625nm的长途干线远距离DWDM的传输。

（6）色散补偿光纤

光纤的选用原则选用原则

对光纤的选择必须依据实际需求，综合考虑光纤的传输性能(如：衰减、色散、偏振模色散、非线性效应）系统单信道速率传输距离是否采用WDM技术以及是采用DWDM还是CWDM等技术因素兼顾良好的性能价格比

为此，我们提出以下几条光纤选用原则，供参考。1、工作波长

光纤通信系统的设计存在两种情况：新建系统：既可选择光纤，又可选择工作波长；系统扩容（一般多为G.652）：只能选择工作波长；

2、衰减和非线性衰减是限制系统中继距离的主要因素。采用光纤放大器后会产生一系列问题：工作波长内增益不平坦波分复用的每个信道增益不同，特别当光纤中注入功率高时会出现非线性效应：SRS、SBS、XPM、SPM、FWM。

在对采用波分复用和光纤放大器的高速系统较优先选用G.655光纤和G.652光纤。3、色散

对高速系统色散是限制系统中继距离的主要因素。为尽量减小色散，在选用光纤工作波长时，尽量选零色散波长。G.652光纤应选1310nm，但其衰减系数略大；想利用1550nm低衰减和小色散，可选G.653;利用DWDM时，选择G.655光纤选择合适的光源器件，也可减小色散。4、经济当今各种单模光纤商品价格高低的顺序如下：DCF>G.655>G.653>G.652塑料光纤（PlasticOpticalFiber,POF）定义

塑料光纤是用高折射率高分子聚合物（塑料）塑料为芯材和低折射率聚合物（塑料）为包层次材料而制成的全塑料光纤（又称聚合物光纤）。

1.3光纤的几何尺寸特性（结构参数）光纤结构参数是指那些仅与光纤横截面的物理构成相关的参数，它们与长度及传输状态无关。

渐变型（GI）多模光纤的结构参数单模光纤的结构参数渐变型（GI）多模光纤的结构参数

0.1、结构参数的定义(1)纤芯直径

根据测试出的折射率分布n(r)，可以由（4.1）式给出的纤芯区折射率分布n3的轨迹。此轨迹包围的横截面称为纤芯区。

由最小二乘法得出的、与n3轨迹最佳拟合的圆的直径定义为纤芯直径，其中心即为纤芯中心。

(2)包层直径

环绕纤芯的区域称为包层。在光纤的横截面中，与规定参照面封闭曲线重合得最好的圆的直径称为包层直径，此圆可由最小二乘法求得，其中心即为包层表面的中心。（4.1）(3)纤芯不圆度

纤芯的不圆度可以定义为：实际纤芯区的外切圆直径与纤芯直径之差除以纤芯直径。(4)包层表面不圆度包层表面不圆度可以定义为外切圆直径与包层表面直径之差除以包层直径。(5)纤芯/包层同心偏差纤芯／包层同心偏差可以定义为纤芯中心与包层面中心的间距除以纤芯直径。

(6)最大理论NA

最大理论NA值可以定义为：单模光纤的结构参数

注意：模场直径和截止波长是单模光纤特有的结构参数。11、模场直径的定义及测量方法（1）模场直径定义通俗地说，模场直径就是单模光纤中光斑的大小，模场就是光纤中基模场的电场强度在空间的分布。(2)、光纤芯和包层尺寸的测量一般来说，可以用显微镜来测量光纤的尺寸。将摄像设备与显微镜配合使用。垂直于光纤轴线切割光纤端面，并将端面磨平。用刻蚀法处理光纤表面，以使纤芯和包层界限分明。实际测量时，常常用专用工具进行切割，无须对端面进行再加工。

2.、截止波长只有工作波长大于某个固定的波长时，才能保证光纤中只传输基模（LP01模或HE11模），单模光纤理论截止波长为

（）截止波长是单模光纤的基本参量，也是单模光纤最基本的参数。截止波长和工作波长的关系判断一根光纤是不是单模传输，只要比较一下它的工作波长λ与截止波长λc的大小就可以了。如果λ>λc，则为单模光纤，该光纤只能传输基模；如果λ<λc，就不是单模光纤，光纤中除了基模外，还能传输其它高阶模。目前工程上有四种截止波长：（1）理论截止波长λc1；（2）2米长光纤截止波长λc2；（3）光缆制造长度的截止波长λc3；（4）一个中继段的截止波长λc4。一般是λc1>λc2>λc3>λc4。1.4光缆的设计与结构光缆结构图1.5光缆的型号及用途举例金属加强件、松套、层绞、油膏填充式、铝-聚乙烯粘结护套、皱纹钢带铠装、聚乙烯护层的通信用室外光缆，包含12根50/125um石英玻璃系梯度折射率多模光纤和5根用于远供电及监测的铜线径为0.9mm的四线组光缆的型号应表示为：GYTA5312Aa1a+5×4×0.9型式规格分类加强件、结构特征护套代号外护层代号：铠装层（5）、外护套（3）光纤规格导电芯线规格光缆选型光缆结构的选择1、敷设环境和条件（室内室外、地质情况、阻水防潮、防咬坏等）2、光纤数量的考虑（分离、束、带）3、光缆的填充方式（填充物的选择，如有纵向阻水需求，填充油膏）4、光纤护层的选择（依据抗侧压、拉伸应变等要求，选择护套）5、外护层的选择（铠装层和外护层，架空管道[钢带纵包、PE外护层]、直埋[PE内护层+PE护套+钢带纵包、PE外护层]和室内光缆[阻燃、聚氯乙烯外护层]）管道架空光缆结构图GYTAGYTS松套层绞式光缆

主要特点优良的机械抗拉应变性能、抗侧压性能、温度特性和传输特性。光缆具有优良的阻水、防潮防腐性能：中心加强件采用单根高杨氏摸量的磷化钢丝，必要时在钢丝外加挤PE垫层。松套管中和缆芯所有缝隙充满防潮阻水油膏和化合物，确保了纵向不渗水。复合皱