光纤光缆简介

光纤光缆知识简介谢林海TD网规网优部一、光纤知识简介二、光缆知识简介提纲一、光纤知识简介1、光纤的发展历程2、光纤的结构3、光纤的分类4、光纤的导光原理5、一些重要的概念6、光纤的特性7、光纤性能参数以及应用1854年：英国的丁达尔指出了光线能沿盛水的弯曲通道通过内全反射而传播。1966年：高昆提出了光纤通信的概念（理论）。1970年：美国康宁公司做出了多模光纤。在630nm处损耗20dB/km,损耗=10lgPo/lgPi,同时半导体激光器诞生。1972年：多模光纤损耗降到4dB1976年：为除掉OH根离子时发现两窗口1980年:在1550处制成了损耗0.2dB/km的单模光纤

1、光纤的发展历程

光纤分为纤芯和包层。纤芯主要由二氧化铬，五氧化二磷等光折射率比较高的物质，包层主要由氟、三氧化二棚等光折射率比较低的物质。2、光纤的结构（1）、纤芯

纤芯位于光纤的中心部位（直径d1约9～50微米），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)。（2）、包层

包层位于纤芯的周围（其直径d2约125微米），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。（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。涂覆层包括一次涂覆、缓冲层和二次涂覆，起保护光纤不受水汽的侵蚀和机械的擦伤，同时又增加光纤的柔韧性，起着延长光纤寿命的作用。3、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以下几种，即按光纤剖面折射率分布形状分类、按光纤的组成材料分类、按传播模式数分类、按工作波长分类和按套塑类型分类等。（1）、光纤剖面折射率分布形状分类①阶跃光纤（突变型、阶梯型）

所谓阶跃光纤是指：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。阶跃光纤是早期光纤的结构方式，后来在多模光纤中逐渐被渐变光纤所取代（因渐变光纤能大大降低多模光纤所特有的模式色散），但用它来解释光波在光纤中的传播还是比较形象的。而现在当单模光纤逐渐取代多模光纤成为当前光纤的主流产品时，阶跃光纤结构又作为单模光纤的结构形式之一。②渐变光纤（梯度折射率光纤）

所谓渐变光纤是指：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。其主要原因是为了降低多模光纤的模式色散，增加光纤的传输容量。

（2）、光纤的组成材料分类①石英玻璃光纤

用纯度特别高的石英玻璃（以SiO2为主要成分）制作的纤维状波导结构。②多组分玻璃光纤用多组分玻璃制作的光纤，除了TiO2和SiO2组分外，其还包括选自由玻璃成形剂和/或中间氧化物组成的组中的其它组分。③全塑光纤塑料光纤是用高度透明的聚苯乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯（有机玻璃）制成的。它的特点是制造成本低廉，相对来说芯径较大，与光源的耦合效率高，耦合进光纤的光功率大，使用方便。但由于损耗较大，带宽较小，这种光纤只适用于短距离低速率通信，如短距离计算机网链路、船舶内通信等。④塑料包层玻璃芯光纤（3）、按传播模式数分类①多模光纤当光纤的几何尺寸（主要是纤芯直径d1）远远大于光波波长时（约1微米），光纤中会存在着几十种乃至几百种传播模式。不同的传播模式会具有不同的传播速度与相位，因此经过长距离的传输之后会产生时延，导致光脉冲变宽。这种现象叫做光纤的模式色散（又叫模间色散）。模式色散会使多模光纤的带宽变窄，降低了其传输容量，因此多模光纤仅适用于较小容量的光纤通信。多模光纤的折射率分布大都为抛物线分布即渐变折射率分布。②单模光纤根据电磁场理论与求解麦氏方程组发现，当光纤的几何尺寸（主要是芯径）可以与光波长相比拟时，如芯径d1在5～10微米范围，光纤只允许一种模式（基模HE11）在其中传播，其余的高次模全部截止，这样的光纤叫做单模光纤。由于它只允许一种模式在其中传播，从而避免了模式色散的问题，故单模光纤具有极宽的带宽，特别适用于大容量的光纤通信。（4）、按工作波长分类①短波长光纤

光纤通信发展的初期，人们使用的光波之波长在0.6～0.9微米范围内（典型值为0.85微米），习惯上把在此波长范围内呈现低衰耗的光纤称作短波长光纤。②长波长光纤

长波长光纤是指1.0～1.7μm的光纤。长波长光纤因具有衰耗低、带宽宽等优点，特别适用于长距离、大容量的光纤通信。

③超长波长光纤超长波长光纤则是指2μm以上的光纤。（4）、按套塑类型分类①紧套光纤

所谓紧套光纤是指二次、三次涂敷层与预涂敷层及光纤的纤芯，包层等紧密地结合在一起的光纤。未经套塑的光纤，其衰耗──温度特性本是十分优良的，但经过套塑之后其温度特性下降。这是因为套塑材料的膨胀系数比石英高得多，在低温时收缩较厉害，压迫光纤发生微弯曲，增加了光纤的衰耗。②松套光纤所谓松套光纤是指，经过预涂敷后的光纤松散地放置在一塑料管之内，不再进行二次、三次涂敷。松套光纤的制造工艺简单，其衰耗──温度特性与机械性能也比紧套光纤好。4、光纤的导光原理

光是一种频率极高的电磁波，而光纤本身是一种介质波导，因此光在光纤中的传输理论是十分复杂的。要想全面地了解它，需要应用电磁场理论、波动光学理论、甚至量子场论方面的知识。为了便于理解，我们从几何光学的角度来讨论光纤的导光原理，这样会更加直观、形象、易懂。对于多模光纤而言，由于其几何尺寸远远大于光波波长，所以可把光波看作成为一条光线来处理，这正是几何光学的处理问题的基本出发点。而对于单模光纤，由于芯径尺寸小，射线光学理论就不能正确处理单模光纤的问题。因此，在光波导理论中，更普遍地采用波动光学的方法，即把光作为电磁波来处理，研究电磁波在光纤中的传输规律，得到光纤中的传播模式、场结构、传输常数及裁止条件。（1）、全反射原理

当光线在均匀介质中传播时是以直线方向进行的，但在到达两种不同介质的分界面时，会发生反射与折射现象。当光从光密介质射向光疏介质时，光线向远离法线方向偏折；当入射角增大到某一角度（临界角）时，折射角等于90°，实际上不再有折射光线；当入射角大于临界角时，入射光全部从界面反射回光密介质，这就是全反射现象。

（2）、光在阶跃光纤中的传播了解了光的全反射原理之后，不难画出光在阶跃光纤中的传播轨迹，即按“之”之形传播及沿纤芯与包层的分界面掠过。（3）、光在渐变型光纤中的传播

由于渐变光纤的折射率分布是在光纤的轴心处最大，而沿剖面径向的增加而折射率逐渐变小。这样光在每二层的分界面皆会产生折射现象。由于外层总比内层的折射率要小一些，所以每经过一个分界面，光线向轴心方向的弯曲就厉害一些，就这样一直到了纤芯与包层的分界面。而在分界面又产生全反射现象，全反射的光沿纤芯与包层的分界面向前传播，而反射光则又逐层逐层地折射回光纤纤芯。就这样完成了一个传输全过程，使光线基本上局限在纤芯内进行传播，其传播轨迹类似于由许多许多线段组成的正弦波。

（4）、光在单模光纤中的传播光在单模光纤中的传播轨迹，简单地讲是以平行于光纤轴线的形式以直线方式传播，这是因为在单模光纤中仅以一种模式（基模）进行传播，而高次模全部截止，不存在模式色散。4、一些重要的概念（1）、相对折射率指数相对折射率指数Δ可定义为：（2）、子午光线在光学纤维中，如果某光线的传播路径始终在同一平面之内，则称为子午光线。

（3）、子午面包含子午光线的平面叫做子午面。（4）、偏斜光线

光线在断面处的投影不过圆心则为斜光线。即与光轴轴线不相交。（5）、数值孔径(N.A)

当光从空气入射到光纤输入面时，只有入射方向处于某一光锥内的光线在进入光纤后才能留在纤芯内，而从光锥之外入射的光线，即使进入光纤也会从包层逸出。这个光锥半角的正弦称为光纤的数值孔径N.A。

NA越大，光纤接收光的能力越强，纤芯对能量的束缚越强，光纤抗弯曲性能越好。从公式上看，△越大，NA越大，光纤的收光效果越好。但△太大，经光纤传输后产生的信号畸变越大，会产生较为严重的模间色散，限制了信息传输容量（6）、归一化频率归一化频率,是单模光纤一个非常重要的结构参数,是为了描述光纤中传输的模式数目,一般用V表示,表达式为:V=光在真空中的传播常数*光纤纤芯中最大折射率*光纤纤芯半径*根号下2倍的光纤的相对折射率。

归一化频率越大，能够传播的模式数越多。V值较高的光纤可以支持较多的模式，称为多模光纤。当V小于某个值，除HE11模式外，所有模式被截止。只支持一个模式（基模）的光纤被称作单模光纤。（7）、单模截止条件

归一化频率V决定了光纤传输的模式数M，各模式的截止条件决定于V。基模不会截止——即使V值再小，基模也仍然存在。所以由TE01、TM01模式达到截止时的V值确定。这两个模式截止的条件是：阶跃折射率光纤的（只传输HE11模）单模条件是：V＜2.4050（8）、单模光纤的截止波长单模条件：单模光纤的截止波长表明了导波模约束在光纤中沿纵向持续传播的最大工作波长。（9）、模场直径单模光纤纤芯直径的概念没有实际意义，因为场分布不完全局限在纤芯内，模式纵向传输（沿光纤轴向）的功率流在纤芯和包层两个区域同时传输，而大部分集中在芯区，小部分在包层内传输（约20％），所以常用模场直径的概念。

（1）、光纤的损耗特性（2）、光纤的色散特性（3）、光纤的机械特性（4）、光纤的温度特性6、光纤的特性（1）、光纤的损耗特性光波在光纤中传输，随着距离的增加光功率逐渐下降，这就是光纤的传输损耗，该损耗直接关系到光纤通信系统传输距离的长短，是光纤最重要的传输特性之一。下图为石英光纤的总损耗谱，0.85μm，1.31μm和1.55μm左右是光纤通信中常用的三个低损耗窗口。①光纤的吸收损耗这是由于光纤材料和杂质对光能的吸收而引起的，它们把光能以热能的形式消耗于光纤中，是光纤损耗中重要的损耗，吸收损耗包括以下几种：

a．物质本征吸收损耗这是由于物质固有的吸收引起的损耗。它有两个频带，一个在近红外的8～12μm区域里，这个波段的本征吸收是由于振动。另一个物质固有吸收带在紫外波段，吸收很强时，它的尾巴会拖到0.7～1.1μm波段里去。

b．掺杂剂和杂质离子引起的吸收损耗光纤材料中含有跃迁金属如铁、铜、铬等，它们有各自的吸收峰和吸收带并随它们价态不同而不同。由跃迁金属离子吸收引起的光纤损耗取决于它们的浓度。另外，OH－存在也产生吸收损耗，OH－的基本吸收极峰在2.7μm附近，吸收带在0.5～1.0μm范围。对于纯石英光纤，杂质引起的损耗影响可以不考虑。

c．原子缺陷吸收损耗光纤材料由于受热或强烈的辐射，它会受激而产生原子的缺陷，造成对光的吸收，产生损耗，但一般情况下这种影响很小②光纤的散射损耗光纤内部的散射，会减小传输的功率，产生损耗。散射中最重要的是瑞利散射，它是由光纤材料内部的密度和成份变化而引起的。

光纤材料在加热过程中，由于热骚动，使原子得到的压缩性不均匀，使物质的密度不均匀，进而使折射率不均匀。这种不均匀在冷却过程中被固定下来，它的尺寸比光波波长要小。光在传输时遇到这些比光波波长小，带有随机起伏的不均匀物质时，改变了传输方向，产生散射，引起损耗。另外，光纤中含有的氧化物浓度不均匀以及掺杂不均匀也会引起散射，产生损耗。③波导散射损耗这是由于交界面随机的畸变或粗糙所产生的散射，实际上它是由表面畸变或粗糙所引起的模式转换或模式耦合。一种模式由于交界面的起伏，会产生其他传输模式和辐射模式。由于在光纤中传输的各种模式衰减不同，在长距离的模式变换过程中，衰减小的模式变成衰减大的模式，连续的变换和反变换后，虽然各模式的损失会平衡起来，但模式总体产生额外的损耗，即由于模式的转换产生了附加损耗，这种附加的损耗就是波导散射损耗。要降低这种损耗，就要提高光纤制造工艺。对于拉得好或质量高的光纤，基本上可以忽略这种损耗。④光纤弯曲产生的辐射损耗光纤是柔软的，可以弯曲，可是弯曲到一定程度后，光纤虽然可以导光，但会使光的传输途径改变。由传输模转换为辐射模，使一部分光能渗透到包层中或穿过包层成为辐射模向外泄漏损失掉，从而产生损耗。当弯曲半径大于5～10cm时，由弯曲造成的损耗可以忽略。(2）、光纤的色散特性

由于光纤中所传信号的不同频率成分，或信号能量的各种模式成分，在传输过程中，因群速度不同互相散开，引起传输信号波形失真，脉冲展宽的物理现象称为色散。光纤色散的存在使传输的信号脉冲畸变，从而限制了光纤的传输容量和传输带宽。从机理上说，光纤色散分为材料色散，波导色散和模式色散。前两种色散由于信号不是单一频率所引起，后一种色散由于信号不是单一模式所引起。①光纤的材料色散材料色散：是光纤材料的折射率随频率（波长)而变，可使信号的各频率（波长)群速度不同引起色散。②光纤的波导色散

波导色散是光纤波导结构参数的函数，如图所示。从图中可看出，在一定的波长范围内，波导色散与材料色散相反为负值，其幅度由纤芯半径a、相对折射率差△及剖面形状决定。通常通过采用复杂的折射率分布形状和改变剖面结构参数的方法获得适量的负波导色散来抵消石英玻璃的正色散，从而达到移动零色散波长的位置，即使光纤的总色散在所希望的波长上实现总零色散和负色散的目的。正是这种方法才研制出色散位移光纤、非零色散位移光纤。

③模式色散模式色散是指多模传输时同一波长分量的各种传导模式的相位常数不同，群速度不同，引起到达终端的光脉冲展宽的现象。(3）、光纤的机械特性①抗拉特性对每盘光纤都要进行检验，全长度检验,采用复绕方式,在一定的时间内进行张力筛选。

②抗弯特性

对于指定的光纤，定期（半年）检验一次，以一定的半径松绕一定的圈数，在指定工作波长下，损耗不得大于某值。对于松套光纤要求以37.5mm为半径，松绕100圈，产生的宏、微弯附加损耗不大于0.5dB。③抗侧压特性(4）、光纤的温度特性由于光纤纤芯、包层、涂覆层所用材料不同，导致其温度系数和线胀系数相差很大，当光纤处于某一温度时，其纤芯和包层之间，以及包层和涂覆层之间会产生应力导致微弯，从而使光纤的衰减突然增大。7、光纤性能参数以及应用（

1）、多模光纤的主要特性参数（2）、单模光纤的性能参数（3）、各种单模光纤的性能参数及应用（

1）、多模光纤的主要特性参数

芯/包层直径(um)工作波长带宽MHz数值孔径衰减系数(dB/km)应用场合阶跃100/1400.85>=10~0.23<=10局域网数据链路梯度50/1250.85,1.31200~15000.2~0.240.8~1.5局域网数据链路通用85/1250.85,1.31100~10000.26~0.3020局域网（

2）、单模光纤的性能参数

模场直径（9~11）±10%um

包层125±2um

芯不圆度≦6%

包层不圆度≦2%

芯/包层同心度误差1um

（

3）、各种单模光纤的性能参数及应用①非色散位移光纤（G652）不适合高速率、大容量、远距离通信。②色散位移光纤（G653）适合作长距离、大容量、高速通信，只适合单信道使用。③1550低损耗光纤（G654）适用于长距离无中继或少中继的情况。④非零色散位移光纤（G655）适用于密集波分复用，长距离大容量高速通信。⑤色散平坦光纤⑥色散补偿光纤⑦全塑料光纤应用照明、短距离通信等场合。提纲二、光缆知识简介1、光缆概述2、光缆的分类及特点3、光缆的基本结构4、光缆的设计基本原则5、光缆的特性6、选用光缆时的几个参考要点

1、光缆概述

光缆设计的任务是，为光纤提供可靠的机械保护，使之适应外部使用环境，并确保在敷设与使用过程中光缆中的光纤具有稳定可靠的传输性能。

光缆的制造技术与电缆是不一样的。光纤虽有一定的强度和抗张能力，但经不起过大的侧压力与拉伸力；光纤在短期内接触水是没有问题的，但若长期处在多水的环境下会使光纤内的氢氧根离子增多，会增大光纤的衰耗。因此制造光缆不仅要保证光纤在长期使用过程中机械物理性能，而且还要注意其防水防潮性能。2、光缆的分类及特点(1)按光纤状态分①紧套光纤在光缆中无自由活动空间②松套光纤在光缆中有自由活动空间(2)按缆芯结构分①中心束管式光缆中心有束管,光纤在束管中。②层绞式结构光纤不处于中心，而为一加强件，光纤绕在光缆中的加强芯上。③骨架式结构光纤绕在处光缆中心部位的骨架上。④带式(3)按敷设方式分①直埋式②管道式③架空式又分电力架空和自架杆。按其架空方式又有地线复合式、地线缠绕式、ADSS等类型。④水底光缆(4)按使用环境分①室内要求轻柔，轻便，细，防火②室外(5)按光缆特点以及特种使用环境分分为光电混合缆，阻燃光缆，室内布线光缆。3、光缆的基本结构4、光缆的设计基本原则

(1)光缆中必须有强度元件目的是为了抗拉、抗侧压、耐冲击、抗弯。常用的材料有钢丝，管塑钢带，铝带，管塑钢带等。(2)大部分光缆都必须进行余长设计(3)光纤尽可能位于缆的中心部位（改善抗弯特性）(4)松套管二次被覆时需要适当选择松套管内径(5)设计合理的凯装层和外护层(6)应加入光缆缓冲层(7)光缆间隙空隙间应填充阻水缆膏(8)各部分的线膨胀系数不大(9)在保证各项技术性能前提下，尽可能使光缆截面积小，光缆轻。5、光缆的特性（1）传输特性在光缆成缆时对光纤色散无影响，但由于光纤弯曲，且对光纤有侧压，考虑到光纤可能受到张力，将导致光纤损耗增加。要求成缆时增加的附加损耗值越下越好，大致范围为0.02~0.05dB/km。（2）温度特性光缆的温度特性主要是光纤的温度特性。当温度<-60度时损耗突然增大的原因是由于一次涂覆随温度