通信光纤与光缆课件

第2章通信光纤与光缆2.1光纤的结构和分类2.2光纤的导光原理2.3光纤的传输特性2.4单模光纤和多模光纤2.5光缆的结构与分类2.6光缆的型号与标志 2.1光纤的结构和分类

2.1.1光纤的结构

光纤是用玻璃预制棒拉制成的玻璃丝，由纤芯和包层组成，如图2.1所示。

图2.1光纤的结构a、纤芯：直径5~75微米，折射率比包层稍高，作用传输光波。b、包层：直径100~150微米，折射率比纤芯稍低，作用是将光波封闭在纤芯中。并起到一定的机械保护作用，保护光纤不受水汽的侵蚀和机械损伤。c、光纤的主要成分：石英玻璃（SiO2）

如果在石英中掺入折射率高于石英的掺杂剂，就可以制作光纤的纤芯。同样，如果在石英中掺入折射率低于石英的掺杂剂，就可以作为包层材料。d、涂覆层：直径100~150微米，保护光纤不受水汽的侵蚀和机械损伤。图2.2光纤芯线的横断面2.1.2光纤的种类

光纤的种类很多，可以用不同的方法进行分类。

1.按照制成光纤的材料分类

按照制成光纤的材料不同来划分有:

石英光纤（使用最普遍）多组分玻璃光纤

液态光纤塑料光纤

2.按照光纤纤芯的折射率分布分类

按照光纤纤芯的折射率分布来划分有：突变型光纤、渐变型光纤、W型光纤。a、突变型光纤的纤芯折射率为n1保持不变，到包层突然变为n2。这种光纤一般纤芯直径2a=50~80μm，突变型光纤又可形象地称为“阶跃型光纤”。特点是信号畸变大。

突变型光纤光线以折线形状沿纤芯中心轴线方向传播，

b、渐变型光纤在纤芯中心折射率最大为n1

，沿径向r向外围逐渐变小，直到包层变为n2。这种光纤一般纤芯直径2a为50μm，渐变型光纤由于制造上的特点，又可称为“梯度型光纤”。

渐变型光纤光线以正弦形状沿纤芯中心轴线方向传播，特点是信号畸变小。

c、W型光纤的折射率分布如图所示，它是在纤芯与包层之间设一缓冲层，纤芯的折射率最高为n1，缓冲层的折射率最低为n3，而包层的折射率n2介于二者之间。

目前广泛使用的是突变型光纤和渐变型光纤。

图2.3光纤的折射率剖面分布

（a）突变型光纤；（b）渐变型光纤；（c）W型光纤

3.按用途分类

按照光纤用途划分：传输光纤和有源光纤。

a、有源光纤的纤芯中掺入了数百个10-6单位的稀土元素Er3++（铒）。Er3++在合适的泵浦作用下受激跃迁，使光信号获得放大。传输光纤芯层中掺有少量的Ge+4则是为了提高芯层的折射率。

4.按照光纤传输模式分类

按照光纤中传输的模式数分：单模光纤、多模光纤。

所谓模式，简单说来就是电磁场在光纤中的分布方式，模式不同，

a、单模光纤：当光纤纤芯中只有一种模式传输时，这种光纤叫做单模光纤。单模光纤的纤芯直径较小，一般在10μm以下。

b、多模光纤：当光纤纤芯中有多个模式传输时，这种光纤叫做多模光纤。多模光纤的纤芯直径较大，约为50～75μm。5.按照波长分类按照波长分类为：短波长光纤、长波长光纤和超长波长光纤。目前主要使用1.55μm的长波长光纤。

目前在通信上使用的光纤主要有：突变型多模光纤（SIF）、渐变型多模光纤（GIF）和单模光纤（SMF）三种，如图2.4所示。图2.4三种常用光纤

(a)SIF光纤；(b)GIF光纤；(c)SMF光纤(光线以直线形式传播）表2.1三种光纤的主要区别2.1.3光纤的结构参数

光纤是由纤芯和包层组成的，理想的光纤其纤芯和包层为同轴心的均匀圆柱体，其横断面如图2.5（a）所示，在这种情况下，光纤的纤芯直径（芯径）和包层直径（外径）可用其横断面圆的直径来表示。由于实际的光纤并不理想，总存在一点偏差，如纤芯与包层不同心、不是均匀的圆柱体等，因此对于实际的光纤，除芯径、外径之外，有必要再确定结构参数，如非圆率、偏心率等，这些参数对估算和评价光纤接续损耗都有着重要的作用。图2.5光纤的横断面

（a）理想光纤；（b）实际光纤(2－1)(2－2)(2－3)(2－4)显然，纤芯（或包层）非圆率的数值越小越好。(2－5)2.2.1光的反射与折射

由物理光学可知，光在均匀介质中是沿直线传播的。但是当光射到两种不同介质的交界面时，将产生反射和折射，如图2.6所示。一部分光线沿OB方向反射回介质1中，一部分光线沿OC方向折射进入介质2。反射光线和折射光线分别服从反射定律和折射定律。2.2光纤的导光原理

图2.6光的反射和折射

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i1′等于入射角i1，即（2－6）或（2－7）

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v之比，即（2－8）

由式（2－8）可知，折射率不同，光在介质中的传播速度也不同。折射率越大，光在该介质中的传播速度越小。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。3.光的全反射

当光线从光密介质射入光疏介质时，由于n1>n2，根据折射定律，折射角i2将大于入射角i1，且当入射角i1增大时，折射角i2也随之增大，如图2.7（a）所示。

当入射角继续增大至ic时，折射角i2=90°，此时折射光线不再进入介质2中，而在界面掠射，如图2.7（b）所示。

临界角：使折射角变为90°的入射角ic称为临界角。根据折射定律有（2－9）如果入射角大于临界角，光线就不会折射进入介质2，而是全部反射回介质1中，产生全反射，如图2.7（c）所示。图2.7光的全反射

综上所述，产生全反射必须满足两个条件，即：

（1）光线从光密介质射向光疏介质。

（2）入射角大于临射角。

正是光具有这种属性实现了光在光纤中德传播。下面我们看一下承载要传输信号的光是怎样在光纤中传播的。2.2.2光在光纤中的传播

1、突变型多模光纤的导光原理

图2.8光信号在突变型光纤中的传播

与内光线入射角的临界角ic相对应，光纤入射光的入射角i有一个最大值

in。in称为光纤端面入射临界角（简称入射临界角）。

光纤端面入射临界角半锥角2、半锥角：光线能满足全反射条件的圆锥角称为半锥角。

得光纤的数值孔径为：NA=n0sin

in=

sin

in=n1sin

in=n1sin(900-ic)=n1cosic=n1=n1

光纤的数值孔径NA仅决定于光纤的折射率n1和n2

，与光纤的直径无关。

光纤的数值孔径NA表示光纤接收和传输光的能力，NA(或in)越大，光纤接收光的能力越强，从光源到光纤的耦合效率越高。对于无损耗光纤，在in内的入射光都能在光纤中传输。

光纤的数值孔径NA越大，纤芯对光能量的束缚越强，光纤抗弯曲性能越好；但NA越大，经光纤传输后产生的信号畸变越大，因而限制了信息传输容量。所以要根据实际使用场合，选择适当的NA。

4、相对折射率差Δ

n1

和n2差值的大小直接影响着光纤的性能，为此引入相对折射率差这样一个物理量来表示它们相差的程度，用Δ表示，即

由于实际光纤芯层与包层的折射率相差并不大，因此有n1

≈n2

，此时

（2－11）数值孔径与相对折射率差的关系：图2.9光在渐变型光纤中的传播

光在渐变型光纤中德传播曲线为正弦函数形式，入射角越小，光线越靠近轴线。不同入射角的光线正弦变化周期相同，纤芯半径越小折射率差越大，周期越长。2.2.3光在光纤中的传播模式

1、单模光纤和多模光纤

单模光纤：由发送端射入光纤端面只能有一束光线。多模光纤：由发送端同时射入光纤端面可以有多束光线。

多模光纤中容纳模式数量用N表示，它与光纤结构参数有关。

当V

值减小时，模式数目逐渐减少，换句话即不断有模式截止。特别值得注意的是当V<2.405时，只有一个模式存在，其余模式全部截止。

HE11模式是任何光纤中都能存在、永不截止的模式，称为基模或主模。基模沿着纤芯轴线传播。除了主模外，其它的模式称为低次模或高次模。V为归一化频率，由纤芯和包层的相对折射率差、纤芯的半径以及传输光波长所决定。传输模式数目随V值的增加而增多。2、归一化频率：表征光纤中允许传播模式多少的一个参量定义：图2.14光纤传输模式示意图

光波的模式是电磁场的一种场型。场型是指电场、磁场强度的振幅在空间的稳定分布。如果纵轴方向既有电场分量EZ又有磁场分量HZ，这种电磁波称为混合模。当纵轴方向磁场分量占优势，电场分量较弱时，混合模用HEvm

表示。反之，当纵轴方向电场分量占优势，磁场分量较弱时，混合模用EHvm表示。

这里需要指出，单模光纤和多模光纤只是一个相对的概念。判断一根光纤是不是单模的，除了其本身的结构参数外，还与信号光的波长有关。例如一根芯径为9μm，n11.463，n2=1.460的光纤，运用上式在不同λ值下计算其归一化的频率。λ=1.30μm时，得出V=2.36<2.405，因而它是单模光纤；当λ=1.2μm时，算出V=2.56>2.405，同一根光纤在较短波长下工作就变成多模光纤了。仍使用上述n1、n2值可计算出光纤的数值孔径为NA=0.108，此值对应的全反射临界角已达86°，可以认为能够在单模光纤上传播的光线基本上是与光纤轴线平行的。例：已知突变型多模光纤的纤芯折射率n1=1.5，纤芯和包层的相对折射率差Δ=0.002。若光纤工作波长λ=1.30μm和λ=1.55μm，求光纤单模传输时，其最大的纤芯直径为多少？

对于给定的光纤(n1、n2和a确定)，存在一个临界波长λc，当λ<λc时，是多模传输，当λ>λc时，是单模传输，这个临界波长λc称为截止波长。截止波长截止波长计算公式

2.3光纤的传输特性

产生信号畸变的主要原因是光纤中存在色散。波导色散材料色散传输特性衰减特性色散特性固有衰减附加衰减吸收衰减散射衰减杂质吸收材料本征吸收瑞利散射结构不完全散射波导散射弯曲辐射衰减包层和套层衰减模式色散耦合衰减和接续衰减1）吸收衰减

吸收衰减是光波沿光纤传输时，光纤材料吸收传输的光能所造成的衰减。吸收衰减又分为杂质吸收和材料的本征吸收。1.固有衰减：

2.3.1光纤的衰减特性光信号沿光纤传输的过程中，光能逐步减小的现象称为光纤的传输衰减。

（2）材料的本征吸收（或称固有吸收）。假设原材料提纯达到不含任何杂质的纯洁程度，材料本身对光能也存在本征吸收。本征吸收衰减主要产生在紫外线和红外线两个波段。红外与可见光波段，纯净材料不产生吸收衰减。

2）散射衰减

光波在光纤内传输时，部分光线在光折射率变化或材料不连续点处变更了传输方向，这种现象称散射。因散射光的方向极为散乱，使部分光线不能传输到终端，从而造成了传输光波的光能损耗，

（1）瑞利散射，又称分子散射。是光纤固有的，不能清除，可看做是石英光纤基本衰减的下限。

它是由于折射率分布变化而产生的散射。光纤材料在加热熔融过程中，由于热骚动使得光纤材料密度不均匀造成了折射率分布的变化。光纤固化时，将这种变化固定下来。光信号传输时，将产生瑞利散射。瑞利散射所造成的光纤衰减常数可用下式计算：措施：因与波长λ的四次方成反比，光纤的运用波长为1.3～1.55μm。

（2）结构不完善散射。

产生原因：制造工艺不完善或环境不洁，即由结构缺陷而造成的散射。

克服措施是：选择合理工艺、净化操作环境、仔细筛选原材料等。

（3）波导散射。产生原因：因结构尺寸偏差引起的散射。克服措施：可通过改善加工工艺，严格控制光纤芯来解决。

总结

固有衰减产生原因：因结构尺寸偏差引起的散射。克服措施：可通过改善加工工艺，严格控制光纤芯来解决。

2.附加衰减——光纤在使用过程中产生的。

1）弯曲辐射衰减：因光纤弯曲造成的附加衰减

图2.10由弯曲产生辐射光线最小弯曲半径Rmin可用下式表示：（2－14）式中：a是纤芯半径（μm）；

a2是由玻璃折射率分布而给定的弯曲常数（1/mm2）。弯曲辐射衰减与光纤的弯曲半径R有关，当弯曲半径小于最小弯曲半径时，弯曲辐射衰减可能会很大；当弯曲半径大于最小弯曲半径时，弯曲辐射衰减则可以忽略不计。

2）包层和套层衰减

光在光纤中传输时，将有部分光能透入包层和套层，造成光能损耗，叫做包层和套层衰减。

不良影响：造成光能损耗；

间产生光纤串扰。

减小措施：制造光纤时，包层和套层厚度均应适当增厚。

综上所述，光纤传输衰减是各项衰减的总和。光纤制造技术越高，杂质吸收和结构不完善造成的衰减越小。光纤使用技术越高，附加衰减就越小。

3）耦合衰减和接续衰减

是光纤与光源、接收器以及光纤之间造成的。减小措施：改善耦合方法和提高改进光纤接续工艺就能减小。

3.光纤传输衰减的频率特性

光纤传输衰减随波长的变化关系称为光纤衰减的频率（或波长）特性，它是光纤传输中的主要特性之一。

图2.11光纤衰减频率特性

图2.12长波长低衰减光纤衰减特性由上看出，提高和改进光纤制作工艺、降低杂质、降低（OH）-1含量，将改变光纤衰减特性。目前，光纤衰减已经可以做到很低，并且将会进一步降低，从理论上讲它的衰减可降低至10-2～10-5dB/km。因此，大容量长距离光纤系统的采用，要求光纤带宽愈宽愈佳。2.3.2光纤的色散特性

引起传输信号的畸变的主要原因

光纤中色散的存在限制了通信容量和通信距离。色散。

b、光纤的色散

2．光纤的色散分类

色散波导色散材料色散模式色散同一种模式本身的色散，也称模内色散。

1）模式色散

模式色散是由于输入信号不是单一模式引起的。

不同模式具有不同的传播路程，当光信号沿光纤传输时，各模式不能同时到达终端，产生时延差，通常称为模式色散。图2.14光纤传输模式示意图a、时延差：（表征色散大小的物理量）

光脉冲的不同模式或不同波长成分传输同样距离所需的时间差称为时延差。用τm表示。b、脉冲展宽（表征色散大小的物理量）

突变型多模光纤最高次模与基模间产生的时延差τt

b、渐变型和突变型多模光纤时延差的大小比较

渐变型多模光纤最高次模与基模间产生的时延差τj

渐变型的模式色散比突变型多模光纤小得多。c、单模光纤因为只传输一个模式，因此模式色散为零。

在长度为L的光纤上，材料色散为τc

(2－17)式中：Δλ是光源谱线宽度；Dm是由光源谱线宽度的色散系数；l是光纤长度。

2）材料色散

材料色散是由于光纤材料本身的折射率随光波波长变化而引起的。

3）波导色散

光纤中传输的某一模式，它由一定的频带(或波长)范围的光组成，各频率的光传播系数和速度不同而引起的色散称为波导色散(τb)。与模式色散、材料色散相比，波导色散很小。（2－18）

多模光纤——模式色散单模光纤——只有材料色散和波导色散。波导色散可忽略总结：光纤的色散可以表示为：

在一定的波长范围内，波导色散与材料色散具有相反的符号。在λ=1310nm

附近,两者大小相等，正好抵消。对单模光纤来讲λ0=1310nm

为零色散波长。

3.光纤色散对光信号的影响

光纤的色散导致光信号的波形失真，表现为脉冲宽度展宽，光信号的脉冲展宽是一项重要的指标。脉冲展宽过大就会引起相邻脉冲间隙减小，相邻脉冲将会产生部分重叠而使再生中继器发生判决错误，从而使误码率增加。图2.16展宽引起的码间干扰示意图4.光纤色散表示法

可用不同方法来表示光纤的色散。常用的有最大时延差Δτ，脉冲展宽σ和光纤3dB带宽B。

最大时延差描述光纤中速度最快和最慢的光波成分的时延之差。脉冲展宽和光纤带宽描述光纤色散对传输信号的影响。将一段光纤看做一个网络，可用时域法和频域法分析其色散特性。当在时域分析时，色散影响用脉冲展宽表示；而在频域分析时，则采用传输带宽表示。 2.4单模光纤和多模光纤

多模光纤G.651光纤

单模光纤G.652光纤、G.653光纤、G.654光纤、G.655光纤和G.656光纤。

多模光纤芯径粗、数值孔径大，能从光源耦合更多的光功率，在光纤网络中广泛应用。单模光纤是在给定的工作波长上只传输单一基模的光纤，在阶跃光纤中只传输LP01模；在无界平方律折射指数光纤中，只传输LP00模。由于单模光纤只传输基模，没有模式色散，频带特别宽，因此尤其适合远距离、大容量通信。

2.4.1G.651多模光纤

a、分类

G.651多模光纤突变型，工作波长850nm渐变型，工作波长850和1300nmA2A3A4A1a芯径50.0±3μmA1b芯径62.5±3μmA1c芯径85.0±3μmA1d芯径100.0±3μmd、应用场合——光纤网络多模光纤带宽特性小和传输损耗大的特点正好适用于网络传输速率低和传输距离短的特点。c、

光纤网络的特点：

传输速率相对较低；传输距离相对较短；节点多、接头多、弯路多；连接器、耦合器用量大；规模小，单位光纤长度使用光源个数多。b、多模光纤的特点：

多模光纤比单模光纤芯径粗、数值孔径大，能从光源耦合更多的光功率。

2.4.2G.652常规单模光纤

光纤的六个使用波段。

O波段(原始波段Original)：1326～1360nm；

E波段(扩展波段Extended)：1360～1460nm；

S波段(短波段Short)：1460～1530nm；

C波段(常规波段Conventional)：1530～1560nm；

L波段(长波段Long)：1565～1625nm；

U波段(超长波段Ultralong)：1625～1675nm。b、单模光纤适用场合

单模光纤具有传输衰减低、带宽大、易升级扩容的优点。适合远距离、大容量的通信。

举例：

G.652常规单模光纤，低衰减区在1550nm，零色散区在1310nm，如果在1550nm传2.5Gb/s系统：从衰减看，可传送100km以上，从色散受限距离看，如果采用外调制技术能传送58km，实际运用传送最大距离58km，浪费了42km。c、缺陷

光纤在1550nm波长上，四波混频(FWM)非线性效应与色散有关，色散趋向于零时，有极高的四波混频(FWM)非线性效应。使G.653光纤的应用受到了限制。

不适用于波分复用表2.4零色散位移单模光纤(G.653光纤)

2.4.4G.654低衰减单模光纤

G.654光纤称为截止波长位移单模光纤，也叫1550nm低衰减单模光纤。这种光纤在1550nm波长区具有极小的衰减，仅为0.18dB/km。其零色散波长在1310nm附近，截止波长可位移较长波长，最佳工作波长范围为1500～1600nm，具有很好的抗弯曲性能。

2.4.5G.655非零色散位移光纤

G.655光纤在1550nm波长上有较小的色散，ITU－T规定1530～1565nm波长范围内，色散应在0.1～6ps/(nm·km)之间。工作波长扩展到1625nm处。

G.655非零色散位移单模光纤已大量用于高速率、大容量、长距离的密集波分复用通信系统中。2.4.6G.656三波段光纤

初期的DWDM系统通常工作在C波段，后来又利用了L波段。为进一步扩大可利用的波长范围以增加波道数，人们想到了利用S+C+L三个波段。为了减少系统的麻烦，又让光纤在这个范围内的色散的变化维持在一个较小的范围，这就引出了对另一种新型光纤的研究。2002年由日本NTT公司和CLPAJ公司提出，经过9个月的研究，提出了这种光纤的基本规范，并把这种光纤命名为G.656光纤。G.656光纤光缆特性如表2.6所示。 2.5光缆的结构与分类

光缆的基本要求如下：

（1）能对光纤提供足够的保护。保护光纤在敷设时不出现断裂，保护光纤的传输特性不因环境的变化而劣化。

（2）保留光纤比金属导线质轻、径细的优点，光缆应尽可能做到比电缆细而轻，降低通信成本。

（3）便于施工、敷设和维护。

光缆组成——缆芯和护层两个部分。

2.5.1光缆的缆芯

a、二次涂覆的两种方式：

紧套方式是在光纤周围涂覆一层软质缓冲层后，再紧套一层被覆层。

松套方式是把光纤穿在一根直径为0.7～1.2mm的塑料管子中，管内再填充半流质油膏。——目前常用方式。

松套形式又分为单芯式和多芯式两种。多芯式的直径为1～3mm，里面一般套有4芯或6芯光纤，最多套有12芯光纤，称为一个单元结构。

b、常用的光缆结构有四种形式图2.20光缆结构(a)层绞式；(b)骨架式；(c)中心束管式；(d)叠带状式2.5.2光缆的护层

光缆的护层与电缆护层相似，起保护缆芯作用，一般都是多层护套的组合体。常见护套材料有如下几种：

聚乙烯护套（PE）

聚氯乙烯护套（PVC）

铝—塑叠层粘结护套（LAP）或（PAP）

钢—塑轧纹护套（PSP）

钢丝铠装护套（WA）在护层之外还有外护层，外护层的代号及其意义如表2.7所示。表2.7外护层的代号及意义2.5.3光缆的分类

表2.9公用通信系统光缆的结构和性能概要 2.6光缆的型号与标志

2.6.1光缆型号的国标规定

国标GB7424—87规定的光缆型号编制方法为：光缆型号由光缆型式代号和规格代号两部分构成，中间用一短横线分开。

1.光缆型式代号

光缆的型号由五个部分构成，各部分意义如图2.21所示。

图2.21光缆型号代码定义

1）分类代号

GY代表通信用室（野）外光缆；GR代表通信用软光缆；GJ代表通信用室（局）内光缆；GS代表通信设备内光缆；GH代表通信用海底光缆；GT代表通信用特殊光缆。

2）加强件代号

F代表非金属加强构件；G代表金属重型加强构件；H代表非金属重型加强构件；无符号代表金属加强构件。

3）派生特征代号

B代表扁平形状；Z代表自承式结构；T代表填充式结构。

注：当光缆形式兼有不同派生特征时，其代号按字母顺序并列。

4）护套代号

Y代表聚乙烯护套；V代表聚氯乙烯护套；U代表聚氨酯护套；A代表铝－聚乙烯粘接护套；L代表铝护套；G代表钢护套；Q代表铅护套；S代表钢－铝－聚乙烯综合护套。

5）外护层代号

外护套是指铠装层及铠装层外边的外被层，外护层的代号及其意义如表2.7所示。2.光缆规格代号

光缆规格由五部分构成，均用相应代码表示。相邻各部分的代号都是数字时，用乘号把它们隔开。光缆规格五部分按图2.22所示的顺序排列。图2.22光纤规格代码构成1）光纤数目

光纤数目用光缆中同类别光纤的实际有效数目的数字表示。

2）光纤类别代号

T代表二氧化硅系多模突变型光纤；J代表二氧化硅系多模渐变型光纤；D代表二氧化硅系单模光纤；X代表二氧化硅芯塑料包层光纤；S代表塑料光纤。

3）光纤主要尺寸参数

多模光纤用芯径或包层直径的μm数表示；单模光纤用模场直径或包层直径的μm数表示。4）光纤传输特征代号

光纤传输特征代号由一个3位数abb，或一个5位数abbcc放在圆括号内表示。

a为波长的代号数，当使用波长分别为850nm区域、1300nm（1310nm）区域、1550nm区域时，a的代号数分