《光纤通信技术》课件第2章

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，其形状为圆柱体，如图2.1所示。图中中心部分为纤芯，其直径为5～75μm；纤芯外面的部分为包层，包层的直径为100～150μm。纤芯和包层的主要材料都是石英玻璃，即二氧化硅（SiO2）。纤芯的作用是传输光波，包层的作用是将光波封闭在纤芯中。为了只让光波在纤芯中传输，需要使纤芯材料的折射率n1大于包层材料的折射率n2。为此，在纤芯中掺入了少量的比石英折射率稍高的材料，如二氧化锗（GeO2），五氧化二磷（P2O5）；在包层中掺入了少量的比石英折射率稍低的材料，如三氧化二硼（B2O3）、氟（F）。图2.1光纤的结构由纤芯和包层组成的光纤称为裸光纤。由于裸光纤较脆、易断，为了保护光纤表面，提高光纤的抗拉强度以及便于使用，一般需在裸光纤外面进行二次涂抹覆盖而形成光纤芯线，光纤芯线的横断面如图2.2所示。图中，包层外面很薄一层的涂覆层称为一次涂覆，其厚度一般为30～150μm，所用材料为硅树脂或聚氨基甲酸乙脂；一次涂覆的外面为套塑，套塑称为“二次涂覆”或“被覆”，套塑的材料多为聚乙烯或聚丙烯塑料、尼龙等。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、多组分玻璃光纤、液态光纤和塑料光纤。目前使用最普遍的是石英系列光纤。

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，光纤分为突变型光纤、渐变型光纤和W型光纤。

突变型光纤的纤芯折射率n1是均匀不变的，包层的折射率为n2，在纤芯和包层的界面上折射率发生突变，如图2.3（a）所示，图中，2a、2b分别为纤芯和包层的直径。突变型光纤又可形象地称为“阶跃型光纤”。

渐变型光纤的纤芯折射率在轴心处最大，而在光纤的横截面内沿半径方向折射率逐渐减小，到了纤芯和包层的截面降至包层的折射率n2，其折射率分布如图2.3（b）所示。渐变型光纤由于制造上的特点，又可称为“梯度型光纤”。

W型光纤的折射率分布如图2.3（c）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

按照光纤用途划分为传输光纤和有源光纤。有源光纤是光纤放大器和光纤激光器的激光介质，它与作为光通信的传输光纤（又称光导纤维）的主要区别是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划分，光纤分为单模光纤和多模光纤。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，其分布不同。

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。

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

按照波长分类则可分为短波长光纤、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。三种光纤的主要区别如表2.1所示。图2.4三种常用光纤

(a)SIF光纤；(b)GIF光纤；(c)SMF光纤表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）实际光纤如图2.5（b）所示，光纤的芯径一般用纤芯的最小直径dmin和最大直径dmax的平均值表示，即

平均芯径(2－1)光纤的外径是用包层的最小直径Dmin和最大直径Dmax的平均值表示的，即平均外径(2－2)由于实际光纤的纤芯与包层并不是理想的圆柱体，故将纤芯非圆率定义为纤芯的最大直径和最小直径之差与芯径的比值，即

纤芯非圆率(2－3)而包层的非圆率定义为包层的最大直径和最小直径之差与外径的比值，即包层非圆率(2－4)显然，纤芯（或包层）非圆率的数值越小越好。偏心率是表示纤芯与包层两圆心偏差大小的一个参数，其定义为纤芯的圆心和包层的圆心之间的距离x与芯径d的比值，即

偏心率(2－5) 2.2光纤的导光原理

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。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。使折射角变为90°的入射角ic称为临界面，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。2.2.2光在光纤中的传播

下面以射线光学的方法简单而直观地介绍光在光纤中的导光原理。光信号在突变型光纤中的传播如图2.8所示。突变型光纤的纤芯和包层部分的折射率都是均匀分布的。纤芯的折射率n1大于包层的折射率n2。图上画出了三条在同一子午面上的光线，从空气中在光纤轴线处以不同的入射角射向光纤的端面。三条光线在空气—纤芯分界面处发生折射，它们的入射角i0和折射角i遵守折射定律，即nosini0=n1sini图2.8光信号在突变型光纤中的传播由全反射条件n1sinic=n2

定义由于实际光纤芯层与包层的折射率相差并不大，因此（2－10）根据折射定律，便可写出（2－11）

上式中的Δ称为光纤的相对折射率差，NA称为光纤的数值孔径。数值孔径NA只与突变型光纤的纤芯的折射率以及纤芯与包层的折射率差相关，所以数值孔径本质上反映的是光纤的导光性能。图2.9光在渐变型光纤中的传播2.2.3光在光纤中的传播模式

按照光的波动理论，光波是波长介于紫外至红外区的电磁波。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。避开复杂的数学分析和波动理论的严格推导，在射线、光线知识的基础上，引入光波的传播常数和相移常数的概念，通过比较直观的叙述，导出光纤的截止频率的表示式，说明单模和多模光纤的区别。无论突变型光纤还是渐变型光纤，凡是在in圆锥角内入射的光线都满足全反射条件，不会出现折射逸出。这些反射光线还必须满足一定的相位关系才能成为光纤中的传导模式。我们把这种光线在纤芯与包层界面上来回反射的曲折传播看成沿轴线方向的向前传播和上下界面来回反射的合成。根据光波的干涉理论，光波在两个界面间来回反射时只有当它来回一个周期引入的相移为2π的整数倍时，这样的光波在两界面间才能形成稳定的场型，即成为一种模式。由发送端射入光纤端面只能有一束光线时称为单模光纤，由发送端同时射入光纤端面可以有多束光线时称为多模光纤。多模光纤包括高次模、低次模、基模。光纤中容纳模式数量用N表示，它与光纤结构参数有关。定义（2－12）为归一化频率，它是表征光纤中允许传播模式多少的一个参量。对于圆柱形光纤波导，当V<2.405时为单模光纤，当V>2.405时为多模光纤。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，n1=1.463，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。 2.3光纤的传输特性

2.3.1光纤的衰减特性

1.固有衰减

固有衰减是光纤材料本身所决定的衰减，它由吸收衰减和散射衰减两部分组成。

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。（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。紫外波段吸收是光纤材料在紫外波段电子跃迁产生的；红外波段吸收是光纤材料在红外波段材料的分子振动而产生的。近红外与可见光波段，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，称为散射衰减。石英光纤的散射主要是瑞利散射、结构不完善散射和波导散射。

（1）瑞利散射，又称分子散射。它是由于在比光波波长还要小的范围内，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（不均匀微粒的大小小于光波波长），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。瑞利散射的特点是散射光几乎是全方向的，各方向的光强度几乎相同。瑞利散射所造成的光纤衰减常数可用下式计算：(2－13)式中：k是波尔茨曼常数；T是固化温度（K）；β是材料等温压缩率；n是折射率；λ是传输光波波长；P是光弹性常数。对已制成的光纤，当传输光波长确定后，其他参数均为已知，衰减便可计算。由式（2－13）看出，瑞利散射衰减与波长λ的四次方成反比，随着波长增加，瑞利散射衰减迅速降低。对含杂质极小的光纤来说，在波长0.4～1.0μm范围内，瑞利散射影响较大，当波长超过1μm后，瑞利散射的衰减值极小。因此，人们正在发展和运用长波长（1.3～1.55μm）半导体激光器和石英单模光缆通信系统。（2）结构不完善散射。光纤在制造过程中，由于制造工艺不完善或环境不洁，致使光纤中含有气泡、杂质或是使纤芯和包层的界面粗糙而波动起伏，这种结构缺陷而造成的散射叫结构不完善散射。克服结构不完善散射的措施是，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。光纤在拉丝过程中，由于拉力不均匀等原因，造成粗细不均，结构尺寸发生偏差，截面形状沿着光纤长度发生变化，光波传输到这些地方时，会产生散射，使部分能量辐射出去，增加了光纤的传输衰减。这种结构尺寸偏差引起的散射称为波导散射。波导散射可通过改善加工工艺，严格控制光纤芯来解决。

由吸收和散射衰减分析可知，这两种衰减是材料和结构本身引起的。因此，通过提纯原材料和改善制造工艺可以减小这些衰减，但不能下降为零。这是材料固有的特性，与金属导线的固有衰减相类似。

2.附加衰减

附加衰减是光纤在使用过程中产生的。主要包括弯曲辐射衰减、包层和套层衰减、耦合衰减和接续衰减。

1）弯曲辐射衰减

前面分析的是光波在准直光纤中传播的原理。现在来讨论光纤弯曲状态下（即弯曲半径超过允许值）光线的传输情况。

弯曲的光纤仍然可以导光。光线传输到光纤的弯曲部分后，光线在界面处的入射角将发生变化，部分光线产生辐射透入包层甚至空气中，如图2.10所示，从而增加传输衰减，这种因光纤弯曲造成的附加衰减称弯曲辐射衰减。图2.10由弯曲产生辐射光线弯曲辐射衰减与光纤的弯曲半径R有关，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）。例如，当a=50μm，a2=0.5/mm2，则Rmin=8cm。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。因此分析计算光纤最小弯曲半径，这对光缆制造和施工都是极为有利的。

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。

另外需要说明的是，若光线透过包层、套层进入周围空间时，这部分光线还有可能进入邻近光纤，使光纤间产生串扰。为避免这种影响，在制造光纤时，包层和套层厚度均应适当增厚。

3）耦合衰减和接续衰减

这种衰减是光纤与光源、接收器以及光纤之间造成的，只要改善耦合方法和提高改进光纤接续工艺就能减小。

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.光纤传输衰减的频率特性

不同波长的光波，在光纤中传输时传输衰减不同。因此，上述的光纤传输衰减是指在某一波长上的衰减。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。

典型的光纤衰减频率特性如图2.11所示。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

色散是光纤的又一个重要参数。光纤的色散引起传输信号的畸变，使通信质量下降，从而限制了通信容量和通信距离。在光纤的损耗已大为降低的今天，色散对光纤通信的影响就显得更为突出。降低光纤的色散，对增加通信容量、延长通信距离、发展新型光纤通信技术都是至关重要的。

1.色散的原因

为了解光纤色散，需要知道送进光纤中的信号结构。首先，送进光纤的并不是单色光。这由两方面的原因引起：一是光源发出的光并不是单色光；二是调制信号有一定的带宽。

实际光源发出的光不是单色的（或单频的），而是在一定的波长范围内。这个范围通常是光源的线宽或谱宽。图2.13表示了光源的归一化输出功率随波长的变化。一般认为光功率降低为峰值的一半所对应的波长范围即为光源的线宽或谱宽。线宽既可用波长范围Δλ表示，也可用频率范围Δf表示。它们的关系为式中：λ、f分别是光源的中心波长和中心频率。图2.13光源的谱宽表2.2典型光源的线宽

通信中常用的光源是半导体发光二极管LED和半导体激光二极管LD，在高码速光纤通信和光纤有线电视（CATV）系统中常用DFB半导体激光器。可以看出，LD的相干性优于LED，而DFB又优于普通的LD。

在对光源进行调制时，可以认为信号是按照同样的方式对光源谱线中的每一分量进行调制的。一般调制带宽比光源窄得多，因而可以认为光源的线宽即已调信号带宽，但对高码速及线宽极窄的光源，这一概念就不准确了。送到光纤中去的就是这样一个调制了的波谱。如是单模光纤它将发出基模；如是多模光纤，则激发出大量模式。可以看出，光纤中的信号能量是由不同的频率成分和模式成分构成的，它们有不同的传播速度，从而引起比较复杂的色散现象。光的色散现象在日光通过棱镜而形成按红橙黄绿蓝靛紫顺序排列的色谱例子中看得很明显。这是由于棱镜材料对不同波长（对应于不同的颜色）的光呈现的折射指数n不同，从而使光的传播速度不同而引起的，这就是光的材料色散。光纤中的类似现象借用了“色散”这一类术语。

2.光纤的色散分类

由不同模式或不同频率（或波长）成分组成的光信号，在光纤中传输时，由于群速度不同而引起信号畸变的物理现象称为光纤的色散。

光纤的色散分为模式色散（或模间畸变）、材料色散以及波导色散。后两种色散是某一模式本身的色散，也称模内色散。

2．光纤的色散分类

由不同模式或不同频率（或波长）成分组成的光信号，在光纤中传输时，由于群速度不同而引起信号畸变的物理现象称为光纤的色散。

光纤的色散分为模式色散（或模间畸变）、材料色散以及波导色散。后两种色散是某一模式本身的色散，也称模内色散。

1）模式色散

模式色散是输入信号不是单一模式引起的。从光波在突变型光纤中的传输可知，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。突变型多模光纤的模式色散可由图2.14看出，由发送端同时射入光纤端面的各光线，高次模传输到终端路程最长，所需时间也最长；低次模次之；而基模传播的路程最短，所用时间也最短。各次模传输到终端后，最高次模与基模在同一光纤长度上产生了时间差，这种时间差也称时延差，色散的大小可用时延差表示。模式色散产生的脉冲展宽如图2.15所示。模式色散一般用τm表示，对于突变型多模光纤最高次模与基模间产生的时延差则用τt表示（2－15）图2.14光纤传输模式示意图图2.15模式色散产生的脉冲展宽对于渐变型多模光纤，最高次模（途径接触纤芯与包层界面）与基模（途径与纤轴重合）之间的时延差则用τj表示（2－16）比较式（2－15）和式（2－16）可看出，渐变型光纤的模式色散比突变型光纤小得多。单模光纤因为只传输一个模式，因此模式色散为零。

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。

光源入射到同一模式的光波也不是单一波长的波，而是由若干个波长组合的光（即光源有一定的谱线宽度）。不同的光在光纤中传输时，由于光纤折射率随波长而变化，使得光波中各波长的光在光纤中传播的速度不同，最短与最长波长因速度不同而到达终端后出现了时延差，就产生了材料色散。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。

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。

从以上分析看出，由模式色散（τm）、材料色散(τc)、波导色散(τb)引起的总色散，可用光纤传输脉冲展宽表示（2－18）多模光纤中，模式色散是主要的，而单模光纤只有材料色散和波导色散。一般情况下，单模光纤以材料色散为主，波导色散比材料色散小两个数量级。

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，它是光纤的时域特性。对于数字通信系统来讲，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，如图2.16所示。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

在光纤通信中,单模光纤和多模光纤都有各自的应用范围。多模光纤ITU－T建议为G.651光纤；单模光纤ITU－T建议为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。根据ITU－T建议，多模光纤定义为G.651光纤。多模光纤的纤芯折射率分布有两种型式，一种是突变型（也叫阶跃型），另一种是渐变型(也叫梯度型)。突变型多模光纤在纤芯与包层的界面上折射率呈阶跃型变化，纤芯的折射率为n1，包层的折射率为n2，且各自恒定不变。渐变型多模光纤的纤芯折射率n1分布则是从纤芯轴到包层交界面逐渐减小，包层的折射率n2恒定不变。突变型多模光纤有A2、A3、A4三种类型，工作波长是850nm。主要应用于短距离信息传输、楼内局部布线和光纤传感器等。渐变型多模光纤有A1a(芯径为50.0±3μm)、A1b(芯径为62.5±3μm)、A1c(芯径为85.0±3μm)和A1d(芯径为100.0±3μm)四种类型，工作波长是850nm和1300nm。A1a和A1b型主要应用于数据链路和局域网，A1c和A1b型主要应用于局域网和光纤传感。

20世纪70年代光纤进入实用化阶段是从多模光纤的局间中继应用开始的，可以说多模光纤是光纤通信的奠基者。突变型多模光纤最先投入使用，其后是渐变型多模光纤。后来虽然单模光纤新品种不断出现，光纤功能不断丰富和增强，性能价格比不断提高，但多模光纤并没有被取代，而是和其它品种同步发展。其原因是多模光纤的特性满足了网络用纤的要求。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。传输速率低和传输距离短正好可以利用多模光纤带宽特性小和传输损耗大的特点。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。目前，垂直腔面发射激光器(SEI)已商用，价格与LED接近，其圆形的光束断面和高的调制速率正好补偿了LED的缺点，使多模光纤在网络中应用更添生机。2.4.2

G.652常规单模光纤

单模光纤的使用波段可划分为六个。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。

G.652常规单模光纤又称色散未移位光纤。单模光纤具有传输衰减低、带宽大、易升级扩容的优点。所以自20世纪80年代末，不论中国电信还是中国铁通，光通信敷设的光缆大都是G.652常规单模光纤的光缆。这种光纤有两个窗口：一个是1310nm波长零色散窗口(属于O波段)，实际色散为0～3.5ps/（nm·km)；另一个是1550nm波长最低衰减窗口(属于C波段)，实际衰减值为0.19～0.25dB/km。常规单模光纤的衰减曲线如图2.17所示。图2.17常规单模光纤衰减曲线早期的G.652光纤在1383nm波长处有氢氧根吸收峰，现在已产生出没有吸收峰的光纤，叫全波光纤。低衰减波段为1310～1550nm，带宽约为200nm。

G.652常规单模光纤的色散，主要由材料色散波导色散加起来的全波色散，零色散点在1310nm波长处。1550nm波长的色散为15～20ps/（nm·km）。1310nm窗口开通PDH系统，1550nm窗口开通SDH系统。

G.652常规单模光纤的折射率剖面图如图2.18所示。芯径约为4～5μm，相对折射率差Δ≈0.3%～0.4%。图2.18常规单模光纤折射率分布早期的G.652光纤，虽然各种特性能满足标准的要求，但各种指标都要靠近标准值，余量不大，所以光纤的熔接损耗都偏大一些，一般为0.07～0.1dB。

到目前为止G.652光纤仍是现在网络上应用比较多的一种光纤。ITU－T将G.652光纤分为四类，分别是G.652A、G.652B、G.652C和G.652D光纤。G.652四类光纤的分类主要基于PMDQ的要求和在1383nm处的衰减要求。相关部门在2003年1月修改G.652光纤标准时，希望全面提高G.652光纤的特性，至少要支持10Gb／s的长途应用，对G.652B要求支持40Gb／s的长途应用，所以开始提出G.652B的PMDQ应小于 。后来基于考虑40Gb／s的应用主要从城域网开始，所以放宽到 。经过调整过的各类G.652光纤的特性为：G.652A支持10Gb／s系统传输距离可达400km、10Gb／s以太网的传输达40km、支持40Gb／s系统的距离为2km。对于G.652B型光纤，必须支持10Gb／s系统传输距离可达3000km以上，40Gb／s系统的传输距离为80km。G.652C型光纤基本属性与G.652A相同，但在1550nm的衰减系数更低，而且消除了1383nm处的水吸收峰，即系统可以工作在1360～1530nm波段。G.652D型光纤对无水吸收峰光纤的PMDQ提出更严的要求，是一种新的光纤类型，属性与G.652B光纤基本相同，而衰减系数与G.652C光纤相同，即系统可以工作在1360～1530nm波段。2.4.3

G.653零色散位移光纤（DSP）

光纤中传输受到衰减与色散影响而劣化，衰减使脉冲减弱，色散使脉冲展宽，两者都会引起误码，减少传输距离。

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，在实际运用中应取传送受限距离最小的58km作为再生段距离，这样就白白地浪费了42km。如果将零色散波长移到1550nm处，形成低衰减、零色散都在1550nm窗口，上述的问题就解决了。这种光纤在20世纪80年代已经研究出来，称为G.653零色散位移光纤。它的比特与中继段长的乘积可达10000Mb·km。因此，对超大容量超长距离的光纤通信的单波系统来说，G.653零色散位移光纤是一个理想的传输媒体。G.653光纤与G.652光纤一样，总波长色散D主要由合成材料色散Dm和波导色散Dw组成，即D=Dm+Dw

(2－19)合成材料色散是由纤芯、包层材料的折射率随波长的变化引起的，由于芯部掺杂浓度低，合成材料色散基本上与纯SiO2材料色散相似，无大变化。波导色散是由于模的传输常数随波长的变化引起的，它与波导结构密切相关，在感兴趣的波长内均为负值，其数值的大小可由芯径a、相对折射率差Δ和折射率剖面形状等决定。因此，若想将零色散波长移位到1550nm波长，只要调整a、Δ即可，其调整规律如图2.19及表2.3所示。图2.19零色散点与a、Δ的关系曲线表2.3零色散点与a、Δ的关系

用零色散位移光纤进行波分复用传输时，存在的严重问题是在1550nm波长区的零色散产生了四波混频(FWM)非线性效应。所谓四波混频是指由2个或3个不同波长的光混合后产生新波长光的现象。色散趋向于零，FWM效率极高，可以在很短的距离内迅速产生极大的FWM效应，破坏系统的正常工作。正是由于这个原因，使G.653光纤的应用受到了限制。零色散位移单模光纤的标准几何尺寸及应用场合如表2.4所示。表2.4零色散位移单模光纤(G.653光纤)

2.4.4

G.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。

获得G.654这种低衰减光纤的方法：①选用纯石英玻璃作为纤芯和掺氟的包层；②以长截止波长来减小光纤对弯曲附加损耗的敏感。因为这种光纤制造特别困难，最低衰减光纤十分昂贵，且很少使用。它们主要应用在传输距离很长、且不能插入有源器件的无中继海底光纤通信系统。1550nm低衰减单模光纤的标准几何参数及应用场合如表2.5所示。表2.5

1550nm低衰减单模光纤(G.654光纤)2.4.5

G.655非零色散位移光纤

在没有采用光纤放大器时，光纤中的光信号功率密度较小，光纤中非线效应没有显示出来。使用G.653零色散位移光纤效果很好。采用光纤放大器之后，尤其是采用WDM技术后，光纤中功率密度有很大增加，注入光纤的光功率可达+13～+20dBm。在1550nm波长上，是光纤低衰减区，大功率的信号在大长度光纤中传输相互作用，突出了光纤的非线性效应。研究证明，1550nm波长的光纤非线性效应中的四波混频（FWM）的幅度与光纤的色散幅度有关，当1550nm波长的色散幅度为零时，FWM最严重，是色散D=1时的17倍。所以，要求1550nm波长的低衰减区色散不能为零。这样，1550nm波长窗口出现一对矛盾：色散大了影响脉冲展宽，色散为零时影响非线性失真。因此，折中处理，色散不能大也不能为零。在G.653零色散位移光纤的基础上研制出G.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。第一代G.655光纤主要为C波段(1530～1565nm)通信窗口设计的，有美国Lucent公司的TrueWave光纤和Coming公司的SMF－LS光纤，它们的色散斜率较大。随着宽带光纤放大器(BOFA)的发展，WDM系统已经扩展到L波段(1565~1620nm)。第二代G.655光纤适应了上述要求，具有较低的色散斜率，较好地满足了DWDM(密集波分复用)的要求。第二代G.655光纤主要有美国Lucent公司的TrueWave－RS光纤和TrueWave－XL光纤，其色散斜率降低到0.05ps/(nm·km)以下；Coming公司的LEAF(大有效面积光纤)、Pirelli公司的FreeLight光纤，把工作波长扩展到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。G.655光纤分为三类，分别是G.655A、G.655B、G.655C光纤。这几种光纤的分类主要基于PMD的要求和色度色散特性。G.655A光纤用于支持G.691、G.692、G.693和G.959.1直用，考虑到G.692直用，取决于通路波长和特定光纤的色散特性，总输入光功率的最大值应进行限制，最小通路间隔的典型值应限制在200GHz以内。G.655B光纤用于支持G.691、G.692、G.693和G.959.1中的应用，考虑到G.692应用，取决于通路波长和特定光纤的色散特性，总输入光功率的最大值可以高于G.655A光纤，最小通路间隔的典型值应为100GHz或更小，对于PMD的要求允许STM－64系统传输距离至少达到400km。G.655C与G.655B类似，但是更严格的PMD要求允许STM－64系统的传输距离大于400km，同时也能适用于G.959.1的STM－256应用。新的G.655B光纤可以支持以10Gb／s为基础的100GHz及其以下间隔的DWDM系统在C波段和L波段的应用。新的G.655C型光纤既能满足100GHz及其以下间隔的DWDM系统在C波段和L波段的应用，又能使N×10Gb／s系统传送3000km以上，或支持N×40Gb／s系统传送80km以上。G.655光纤光缆特性如表2.6所示。表2.6

G.655、G.656光纤光缆特性2.4.6

G.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

实用光通信传输信道的绝大部分布置在野外，为避免潮气、雨水及化学侵蚀，防止鼠、鸟、虫、兽的伤害，在施工、敷设过程中能经受一定的弯曲、拉伸和扭曲应力，保护光纤的安全；为了适应飞速发展的通信需求、提供更多、更安全的光通信信道，光纤敷设前必须制成光缆。对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。

由于光缆的使用要求、敷设环境以及制作的经济考虑都存在多样性，加上ITU－T和国标上对于光缆的结构目前尚无统一标准，因此实用光缆的结构形式繁多。所有的光缆都可以分为缆芯和护层两个部分。2.5.1光缆的缆芯

从拉丝机上一次拉出了纤芯和包层，接着又进行了表面涂覆制成光纤。光纤成缆之前，要进行套塑，以提高光纤成缆时的抗张力，同时也便于成缆工艺操作。套塑习惯上又称为二次涂覆，它分为紧套和松套两种形式。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。松套光纤的抗侧应力的能力比较好。因为紧套光纤的缓冲层虽然是软的，但光纤在缓冲层中间本身并无松动余地，外部侧应力会直接传给光纤。松套光纤外部受到侧应力时，套管变形，缓冲了应力，光纤在管中可以蠕动，应力不会直接传给光纤。此外，松套光纤的长度留有余长，它的长度大于套管的长度，当温度发生变化时，如果套管收缩量比光纤大，光纤可以在管内微弯。因此，松套光纤与紧套光纤相比，由于温度变化引起的应力也小些。目前国内外大都采用松套形式。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。套管一般由尼龙、聚乙烯或聚丙烯塑料做成。光缆和电缆一样由加强构件、缆芯、填充物和外护层等共同构成。目前常用的光缆结构有四种形式，即中心束管式、层绞式、骨架式和叠带状式，如图2.20所示。加强构件的作用是增强光缆承受敷设时拉伸负荷的能力。加强构件由金属线、增强纤维塑料或者Kevlar（芳族聚酰胺纤维）构成，也可以配合使用构成。使用非金属加强构件的无金属光缆的防雷击性能优越。图2.20光缆结构(a)层绞式；(b)骨架式；(c)中心束管式；(d)叠带状式层绞式光缆的结构与电缆相似，只是中心多了一根加强芯线，因此层绞式光缆可以采用制造电缆的传统设备生产，成本较低。光纤数较少时，多选用此种结构。

骨架式光缆的光纤放于塑料骨架的槽中，槽的截面可以是V型、U型或其它合理形式。槽在纵向呈螺旋形弯曲。槽中光纤可以是一次涂覆的也可以是紧套光纤，目前的趋势是放置一次涂覆光纤。每个槽上可能置4～10芯光纤，用色谱标志，并涂有油膏。槽的数目依光纤数而定，通常为6～9槽，也有多至18槽的。放一次涂覆光纤时槽的作用类似于松套管，它对光纤提供了更好的保护，具有较好的抗侧应力，又节省了松套管材和套塑工序。但光纤入槽工艺的要求较高，需要专用设备。这是因为一次涂覆光纤稍经受力就有可能折断。大束管式（又称中心束管式）结构近年来得到较快发展。它相当于把松套管扩大为一个管腔将光纤集中松放于其中，每根光纤都有很大的活动范围。相应地加强构件由光缆中央移到缆芯的周边，同时起到抗拉和护套功能。大束管式结构的优点是光缆无论在受到拉、压、弯曲时，都能对光纤实行较好的保护；缆芯的尺寸小，重量轻；放置光纤工艺简单，因而成本低。大束管中的光纤可以松放，用色谱标志，或者数根或者数十根用不同颜色的丝带捆扎成束，每束放在同一根加强中心管中。带式结构可容纳更多光纤，是一种空间利用率最高的结构。在外径仅为12mm的护套内可容纳12层光纤带，每层又含12芯光纤，共144芯光纤。如果光纤涂覆层的特性与聚脂带粘胶面的特性得到适当平衡，则可以做到-40℃～+80℃温度范围内，光纤带对成缆和环境效应不灵敏。以上介绍的是四种缆芯基本结构。实际应用时，如果光纤总数不大，可直接用这样的缆芯再加护层构成光缆。要求光纤总数很大时，可用上述基本结构作为一个单元，多个单元再组成一个缆芯（大束管式结构除外），称为单元式光缆。根据通信的近期实际需求和远期发展规划单元式光缆应选择好光纤单元的大小和个数，当单元式光缆中光纤总数有一个变化范围时，有些光纤单元可以用填充物代替。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），其特点是重量轻，耐化学腐蚀，耐振动。

聚氯乙烯护套（PVC），其特点是可挠性好，阻燃。

铝—塑叠层粘结护套（LAP）或（PAP），由0.15～0.20mm厚铝泊双面涂覆聚乙烯模（厚0.03～0.05mm）。包带时将其纵向热熔搭接，因而具有良好的防水性，也有一定的机械强度。钢—塑轧纹护套（PSP），在0.15mm厚钢带两面涂乙烯丙烯酸共聚物（EAA），涂层厚0.06mm，轧纹后纵向粘结性搭接在一起，也有只搭接不粘的。PSP的主要优点是防潮性能良好，机械性能优越，其钢带拉力强度为33kg/mm2，韧度为T3级，轧纹后提高了光缆抗侧压能力和韧性；容易弯曲，并可防止光缆布放时出现缆心滑动；防蚀性能好，能有效防止鼠咬；防雷击能力比钢丝和纵焊钢带护层好，这是因为PSP纵向搭接，搭接处用绝缘性的EAA粘接，可以切断雷击感生电流的环路。PSP的色标为暗绿色。

钢丝铠装护套（WA），主要是增加光缆的拉伸强度，对抵抗大的牵引力非常有用。钢带铠装护套（TA），主要用于防止尖锐的挖掘工具或石头尖脚引起的破坏。所有金属铠装护套都有防止动物伤害的作用（包括PSP），为了防蚀，一般铠装护套外面还要加尼龙或聚乙烯外护层。

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

光缆充油、充气都是为了防潮、防水。充气光缆在缆芯部分设有充气导管、光缆接头盒。要设置气塞、堵气，光缆沿线还要设置气压告警线，因此在缆内还要放金属导线。充气维护很难实现且成本高，据ITU－T1998年统计资料表明：

干线中使用充气维护光缆仅占8%，目前已不使用。充油方式占64%。现在国际上开发出一种堵水光缆，利用浸水探测模块既可以堵住水，又能探知有无浸水和测定浸水位置，解决了既不充气又可克服充油光缆无法预告警的缺点。

表2.9为公用通信系统光缆的结构和性能概要。公用通信系统光缆包括长途及中继光缆、水下光缆、用户光缆、局内光缆。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