光纖通信第章2

2.1光纖的結(jié)構(gòu)與類型2.2光纖傳輸原理2.3光纖的特性參數(shù)2.4光纜

第二章光纖和光纜2.1光纖的結(jié)構(gòu)與類型2.1.1光纖的結(jié)構(gòu)

光纖(OpticalFiber)，即光導纖維，是用來導光的透明介質(zhì)纖維。一根實用化的光纖一般可以分為三部分：折射率較高的纖芯、折射率較低的包層和外面的涂覆層，如圖2.1所示。圖2.1光纖結(jié)構(gòu)示意圖2.1.2光纖的類型

光纖的分類方法很多，既可以按照光纖截面折射率分布來分類，又可以按照光纖中傳輸模式數(shù)的多少、光纖使用的材料或傳輸?shù)墓ぷ鞑ㄩL來分類。1.按光纖截面上折射率分布分類按照截面上折射率分布的不同可以將光纖分為階躍型光纖(Step-IndexFiber，SIF)和漸變型光纖(Graded-IndexFiber，GIF)，其折射率分布如圖2.2所示。2.按傳輸模式的數(shù)量分類按光纖中傳輸?shù)哪Ｊ綌?shù)量，可以將光纖分為多模光纖(Multi-ModeFiber，MMF)和單模光纖(SingleModeFiber，SMF)。圖2.2光纖的折射率分布圖2.3

光在階躍折射率多模光纖中的傳播圖2.4光在漸變折射率多模光纖中的傳播在一定的工作波上，當有多個模式在光纖中傳輸時，則這種光纖稱為多模光纖。單模光纖是只能傳輸一種模式的光纖，單模光纖只能傳輸基模(最低階模)，不存在模間時延差，具有比多模光纖大得多的帶寬，這對于高碼速傳輸是非常重要的。幾種典型的特種單模光纖如圖2.5所示

圖2.5典型特種單模光纖

(a)雙包層；(b)三角芯；(c)橢圓芯

3.按光纖的工作波長分類 按光纖的工作波長可以將光纖分為短波長光纖(850nm)、長波長光纖(1310nm)和超長波長光纖(1550nm)。4.按ITU-T建議分類按照ITU-T關于光纖類型的建議，可以將光纖分為G.651光纖(漸變型多模光纖)、G.652光纖(常規(guī)單模光纖)、G.653光纖(色散位移光纖)、G.654光纖(截止波長光纖)和G.655(非零色散位移光纖)光纖。5.按制造造材料料分石英光光纖、、塑料料光纖纖、多成成分玻玻璃光光纖等等。2.1.3光纖的的制造造工藝藝光纖是是由圓圓柱形形預制制棒拉拉制而而成的的，因因而光光纖的的生產(chǎn)產(chǎn)工藝藝包括括預制棒棒的制制造和拉絲工工藝。化學汽汽相沉沉積法法（MCVD)是目前前使用用最廣廣泛的的預制制棒生生產(chǎn)工工藝。2.2光光纖纖傳輸輸原理理2.2.1基基本本光學學定義義和定定律光在均均勻介介質(zhì)中中是沿沿直線線傳播播的，，其傳傳播速速度為為v=c/n式中：：c＝2.997×105km/s，是光在在真空空中的的傳播播速度度；n是介質(zhì)質(zhì)的折折射率率(空空氣的的折射射率為為1.00027，近似似為1；玻璃璃的折折射率率為1.45左右)。反射定定律：：反射射光線線位于于入射射光線線和法法線所所決定定的平平面內(nèi)內(nèi)，反反射光光線和和入射射光線線處于于法線線的兩兩側(cè)，，并且且反射射角等等于入入射角角，即即：θ′=θ。折射定定律：：折折射光光線位位于入入射光光線和和法線線所決決定的的平面面內(nèi)，，折射射光線線和入入射光光線位位于法法線的的兩側(cè)側(cè)，且且滿足足：n1sinθ1=n2sinθ22.2.2光光纖纖中光光的傳傳播一束光光線從從光纖纖的入入射端端面耦耦合進進光纖纖時，，光纖纖中光光線的的傳播播分兩種情形：：一種種情形形是光光線始始終在在一個個包含含光纖纖中心心軸線線的平平面內(nèi)內(nèi)傳播播，并并且一一個傳傳播周周期與與光纖纖軸線線相交交兩次次，這這種光光線稱稱為子午射射線，那個個包含含光纖纖軸線線的固固定平平面稱稱為子子午面面；另另一種種情形形是光光線在在傳播播過程程中不不在一一個固固定的的平面面內(nèi)，，并且且不與與光纖纖的軸軸線相相交，，這種種光線線稱為為斜射線線。1.子子午午射線線在階階躍型型光纖纖中的的傳播播階躍型型光纖纖是由由半徑徑為a、折射率率為常常數(shù)n1的纖芯芯和折折射率率為常常數(shù)n2的包層層組成成，并并且n1>n2，如圖2.6所示示。圖2.6光光線線在階階躍型型光纖纖中的的傳播播2.子子午午射線線在漸漸變型型光纖纖中的的傳播播漸變型型光纖纖與階階躍型型光纖纖的區(qū)區(qū)別在在于其其纖芯芯的折折射率率不是是常數(shù)數(shù)，而而是隨隨半徑徑的增增加而而遞減減直到到等于于包層層的折折射率率。3.斜斜射射線在在光纖纖中的的傳播播斜射線線在光光纖中中的傳傳播也也滿足足光傳傳播的的三大大定律律，只只不過過不能能用二二維的的平面面圖直直觀的的表示示出來來。2.2.3光纖傳傳輸?shù)牡牟▌觿永碚撜撍^光光纖傳傳輸?shù)牡牟▌觿永碚撜摼褪鞘茄芯烤抗庠谠诠饫w纖中傳傳播時時的電電磁場場分布布情況況。光與無無線電電波或或X射線一一樣都都是電電磁波波，同同樣滿滿足電電磁波波方程程即麥麥克斯斯韋方方程。。當電電磁波波在沒沒有電電流和和電荷荷的線線性均均勻介介質(zhì)上上傳播播時，，麥克克斯韋韋方程程可以以簡化化為波波動方方程，，用公公式表表述為為：電場E和磁場場H都有三三個分分量，，它們們的解解都具有下下列形形式（（以Ez為例））：其中A是場的的幅度度，ω是角頻頻率，，β為傳播播常數(shù)數(shù)。所謂光光在光光纖中中的傳傳輸模模式就就是波波動方方程的的一個個個穩(wěn)穩(wěn)態(tài)解解。只只要求求解出出麥克克斯韋韋方程程的穩(wěn)穩(wěn)態(tài)解解就可可以知知道光光在光光纖中中傳輸輸時的的電磁磁場分分布，，也就就得到到了光光線的的傳輸輸模。。光纖的的主要要特性性參數(shù)數(shù)包括括：數(shù)數(shù)值孔孔徑、、歸一一化頻頻率、、截止止波長長、模模場直直徑、、色散散特性性、損損耗特特性及及傳輸輸帶寬寬。2.3光纖的的特性性參數(shù)數(shù)一、數(shù)數(shù)值值孔徑徑（1）階躍躍型光光纖的的數(shù)值值孔徑徑其中Δ=(n1-n2)/n1為纖芯芯與包包層相相對折折射率率差（2）漸變變型光光纖的的數(shù)值值孔徑徑(本地數(shù)數(shù)值孔孔徑））二、歸歸一化化頻率率歸一化頻率率又稱歸一一化波導寬寬度，它決決定光纖中中傳輸模式式的數(shù)量。。歸一化頻率率定義為：：在階躍型光光纖中，傳傳輸模式的的數(shù)量為：：在漸變型光光纖中，傳傳輸模式的的數(shù)量為三、截止波波長在光纖中傳傳播的各個個模式都有有其自身的的歸一化截截止頻率Vc，當光纖的的實際歸一一化頻率大大于某一模模式的截止止頻率時，，該模式可可以在光纖纖中導行，，否則該模模式截止。。對應于截截止頻率的的波長就叫叫做截止波波長。當光纖的歸歸一化頻率率滿足時，光纖中中只能傳播播一種模式式，即光纖纖的單模傳傳輸。即保證光纖纖單模傳輸輸?shù)臈l件是是：或四、模場場直徑模場直徑就就是單模光光纖中基模模光斑的大大小。一般般用下式估估計：模場直徑一一般越小越越好，有利于增加加光纖的抗抗彎性能，，但減小模模場直徑必必然要增加加相對折射射率差,從而會導致致光纖色散散的增加。五、光纖的的色散特性性光纖的色散散是指由于于光纖中傳傳輸?shù)男盘柼柺怯刹煌煞值墓夤鈹y帶的，，它們在傳傳輸過程中中速度不同同，從而產(chǎn)產(chǎn)生時間延延遲引起波波形失真的的一種物理理現(xiàn)象。光纖的色散散通常用時時延差來表表示，色散散越嚴重，，時延差就就越大。其其單位一般般為ns/km,ps/km。光纖的色散散一般包括括模式色散、、材料色散散和波導色散。（1）模式色散散：指在光纖中中由于各模模式的軸向向速度不同同，使得到到達終點的的時間不同同而引起的的脈沖展寬寬。階躍型光纖纖的模式色色散設光纖長度度為L，纖芯折射射率為n1，空氣中的光光速為c，則纖芯中中的光速為為最低次模沿沿光纖軸線線前進，所所走長度為為L，其傳輸所所用的時間間最短，，為最高次模走走的路徑最最長，為L/sin，（為為產(chǎn)生全反反射的臨界界角）其傳傳輸所用的的時間最長長，為圖2.7階躍型多模模光纖中最最高模和最最低模的傳傳輸示意圖圖最高次模和和最低次模模之間的傳傳輸時間差差為：由于所以最高次模和和最低次模模的單位長長度時延差差稱為最大時延差差，即模式色色散Δ為最大值由此可見，，光纖的模模式色散時時延差與相相對折射率差成正比比，相對折折射率差越越大時延差差越大，故故希望相對對折射率差差越小越好好。漸變型光纖纖的模式色色散漸變型光纖纖的子午線線軌跡近似似為正弦波波，由于折射率的分分布使得得各光線到到達終點的的時間幾乎乎相同，因因此漸變型型光纖的模模式色散很很小幾乎為為零。漸變型光纖纖模式色散散的計算公公式為：（2）材料色散散材料色散是是指由于構(gòu)構(gòu)成光纖的的材料的折折射率隨傳傳輸光波的的頻率而變變化，導致致模內(nèi)不同同頻率信號號的傳輸速速度不同而而引起的色色散。材料色散的的計算公式式為：（3）波導色散散波導色散是是由光纖的的幾何結(jié)構(gòu)構(gòu)所引起的的色散。其其產(chǎn)生原因因是由于光光纖的包層層和纖芯折折射率相差差很小，光光線在其交交界面上產(chǎn)產(chǎn)生全反射射時，有可可能有一部部分光進入入包層中傳傳輸。在傳傳輸一定距距離后，這這部分光又又有可能回回到纖芯進進行傳輸，，這樣傳輸輸將導致模模內(nèi)各信號號的速度不不同，從而而引起色散散。一般來說，，入射光的的波長越長長，進入包包層的光強比例就就越大，波波導色散就就越大。波導色散和和材料色散散都和入射射光的波長長有關，故故又統(tǒng)稱為為波長色散。（5）三種色散散的比較模式色散>材料色散>波導色散對于階躍型型光纖,模式色散占占主要地位位,其次是材料色散和和波導色散散。對于漸變型型光纖，模模式色散和和波導色散散可以忽略略，主要考考慮材料色色散。對于理想單單模光纖，，無模式色色散，只有有材料色散散和波導色色散。光纖總色散散等于一般般可用公式式計算從多模階躍躍型光纖到到多模漸變變型光纖到到單模光纖纖，色散依依次減小。。六、光纖的的損耗特性性光纖的損耗耗系數(shù)定義義為單位長長度光纖光光功率衰減減的分貝數(shù)數(shù)光纖的損耗耗大致可分分為光纖本本身具有的的固有損耗和由使用條條件造成的的附加損耗兩部分。固固有損耗包包括吸收損損耗和散射射損耗；附附加損耗包包括耦合損損耗、彎曲曲損耗和接接續(xù)損耗等等。1.吸收損耗吸收損耗是是指由于組組成光纖的的材料及其其中的雜質(zhì)對光波的的吸收，使使一部分光光能轉(zhuǎn)變?yōu)闉樯⑹У臒釤崮?，從而而造成光功功率的損失失。吸收損耗包包括本征吸吸收損耗、、雜質(zhì)吸收收損耗和原原子缺陷吸吸收損耗。。2.散射損耗散射損耗是是指由遠小小于波長的的不均勻（（如折射率率的不均勻勻性、摻雜雜離子濃度度不均勻等等）引起光光的散射而而造成的損損耗。散射損耗包包括瑞利散射損損耗和結(jié)構(gòu)不完善善散射損耗耗。3.附加損耗（1）彎曲損耗耗（2）接續(xù)損耗耗（3）耦合損耗耗4.實用光纖的的損耗光纖的總損損耗α與波長的關關系可以用用下式表示示：其中：A為瑞利散射射損耗系數(shù)數(shù)，B為結(jié)構(gòu)缺陷陷散射損耗耗系數(shù)，CW(λ),IR(λ),UV(λ)分別為雜質(zhì)質(zhì)吸收、紅紅外吸收和和紫外吸收收產(chǎn)生的損損耗。從多模階躍躍光纖到多多模漸變型型光纖到單單模光纖，，損耗依次次減小。七、傳輸帶帶寬光纖的色散和帶寬寬描述的是光光纖的同一一特性。其其中色散特特性是在時時域中的表表現(xiàn)形式，，即光脈沖沖經(jīng)過光纖纖傳輸后脈脈沖在時間間坐標軸上上展寬了多多少；而帶帶寬特性是是在頻域中中的表現(xiàn)形形式，在頻頻域中對于于調(diào)制信號號而言，光光纖可以看看作是一個個低通濾波波器，當調(diào)調(diào)制信號的的高頻分量量通過光纖纖時，就會會受到嚴重重衰減，如如圖2.8所示。圖2.8光纖的帶寬寬(f為調(diào)制信號號頻率)帶寬是光纖纖的重要參參數(shù)，它與與色散有著著直接的關關系：其中：為光脈沖的3dB帶寬，Δτ單位為ns/km.通常把調(diào)制制信號經(jīng)過過光纖傳播播后，光功功率下降一一半(即3dB)時的頻率(fc)的大小，定定義為光纖纖的帶寬(B)。由于它是光光功率下降降3dB對應的頻率率，故也稱稱為3dB光帶寬。光纖的總帶帶寬可由經(jīng)經(jīng)驗公式：：給出。其中：L為光纖長度度，單位為為km，r為帶寬距離離指數(shù)，對于于多模光纖取取值在0.5-0.9之間，一般般取0.7，對于單模模光纖取1。2.4光光纜纜2.4.1光纜纜的典型結(jié)結(jié)構(gòu)1.光纜纜的構(gòu)造光纜的構(gòu)造造一般分為為纜芯和護護層兩大部部分。纜芯纜芯通常包包括芯線和和加強件兩兩部分。在在光纜的構(gòu)構(gòu)造中，纜纜芯是主體體，其結(jié)構(gòu)構(gòu)是否合理理，與光纖纖的安全運運行關系很很大。一般來說，，纜芯結(jié)構(gòu)構(gòu)應使光纖纖在纜芯內(nèi)內(nèi)處于最佳佳位置和狀狀態(tài)，保證證光纖傳輸輸性能穩(wěn)定定，在光纜纜受到一定定的外力時時，光纖不不應承受外外力影響；；多芯光纜纜還要對光光纖進行著著色以便于于識別；為為防止氣體體和水分子子浸入，纜纜芯中應具具有各種防防潮層并填填充油膏；；另外纜芯芯截面應盡盡可能小，，以降低成成本和敷設設空間。護層光纜護層同同電纜護層層的情況一一樣，是由由護套和外外護層構(gòu)成成的多層組組合體。其其作用是進進一步保護護光纖，使使光纖能適適應在各種種場地敷設設，如架空空、管道、、直埋、室室內(nèi)、過河河、跨海等等。對于采采用外周加強元元件的光纜結(jié)構(gòu)構(gòu)，護層還還需提供足足夠的抗拉拉、抗壓、、抗彎曲等等機械特性性方面的能能力。2.光纜纜的典型結(jié)結(jié)構(gòu)光纜的基本本結(jié)構(gòu)按纜纜芯組件的的不同一般般可以分為為層絞式、骨骨架式、中中心束管式式和帶狀式四種，如圖圖2.21所示。我我國及歐亞亞各國用的的較多的是是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)構(gòu)的層絞式式和骨架式式兩種。圖2.21光纜的典典型結(jié)構(gòu)示示意圖2.4.2光纜纜的種類與與型號1.光纜纜的種類光纜的種類類很多，其其分類方法法也很多，，習慣的分分類有：根據(jù)光纜的的傳輸性能能、距離和和用途，光纜可以以分為市話話光纜、長長途光纜、、海底光纜纜和用戶光光纜；根據(jù)光纖的的種類，光纜可以以分為多模模光纜、單單模光纜；；根據(jù)光纖套套塑的種類類，光纜可以以分為緊套套光纜、松松套光纜；；根據(jù)光纖芯芯數(shù)的多少少，光纜可以以分為單芯芯光纜和多多芯光纜等等等；根據(jù)據(jù)加加強強構(gòu)構(gòu)件件的的配配置置方方式式，光光纜纜可可以以分分為為中中心心加加強強構(gòu)構(gòu)件件光光纜纜(如如層層絞絞式式光光纜纜、、骨骨架架式式光光纜纜等等)、、分分散散加加強強構(gòu)構(gòu)件件光光纜纜(如如束束管管式式光光纜纜)和和護護層層加加強強構(gòu)構(gòu)件件光光纜纜(如如帶帶狀狀式式光光纜纜)；；根據(jù)據(jù)敷敷設設方方式式，光光纜纜可可以以分分為為管管道道光光纜纜、、直直埋埋光光纜纜、、架架空空光光纜纜和和水水底底光光纜纜；；根據(jù)據(jù)護護層層材材料料性性質(zhì)質(zhì)，光光纜纜可可以以分分為為普普通通光光纜纜、、阻阻燃燃光光纜纜和和防防蟻蟻、、防防鼠鼠光光纜纜等等。。2.光光纜纜的的型型號號光纜纜的的型型號號由由光纜纜形形式式代代號號和光纖纖規(guī)規(guī)格格代代號號兩部部分分組組成成。。（1）光光纜纜的的型型式式代代號號光纜纜的的型型式式代代號號是是由由分分類類、、加加強強構(gòu)構(gòu)件件、、派派生生(形形狀狀、、特特性性等等)、、護護套套和和外外護護層層五五部部分分組組成成，，如如圖圖2.22所所示示。。圖2.22光光纜纜的的型型式式代代號號①光光纜纜分分類類代代號號及及其其意意義義GY：：通信信用用室室(野野)外外光光纜纜；；GR：：通信信用用軟軟光光纜纜；；GJ：通信信用用室室(局局)內(nèi)內(nèi)光光纜纜；；GS：通信信用用設設備備內(nèi)內(nèi)光光纜纜；；GH：通信信用用海海底底光光纜纜；；GT：通信信用用特特殊殊光光纜纜；；GW：通信信用用無無金金屬屬光光纜纜。。②加加強強構(gòu)構(gòu)件件的的代代號號及及其其意意義義無符符號號：：金金屬屬加加強強構(gòu)構(gòu)件件；；F：非金金屬屬加加強強構(gòu)構(gòu)件件；；G：金屬屬重重型型加加強強構(gòu)構(gòu)件件；；H：非金金屬屬重重型型加加強強構(gòu)構(gòu)件件。。③派派生生特特征征的的代代號號及及其其意意義義B：扁平平式式結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)；；Z：自承承式式結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)；；T：填充充式式結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)；；S：松套套結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)。。注：：當當光光纜纜型型式式兼兼有有不不同同派派生生特特征征時時，，其其代代號號字字母母順順序序并列列。④護護套套的的代代號號及及其其意意義義Y：聚乙烯護套；；V：聚氯乙烯護套套；U：聚氨酯護套；；A：鋁、聚乙烯護護套；L：鋁護套；Q：鉛護套；G：鋼護套；S：鋼、鋁、聚乙乙烯綜合護套套。⑤外護層的的代號及其意意義外護層是指鎧鎧裝層及鎧裝裝層外面的外外被層，采用用兩位數(shù)字表表示，各代號號的意義如表表2.4所示示。(2)光纖纖的規(guī)格代號號光纖的規(guī)格代代號由光纖數(shù)數(shù)目、光纖類類別、光纖主主要尺寸參數(shù)數(shù)、傳輸性能能和適用溫度度五部分組成成，各部分均均用代號或數(shù)數(shù)字表示。①光纖數(shù)目目用光纜中同類類別光纖的實實際有效數(shù)目目的阿拉伯數(shù)數(shù)字表示。②光纖類別別的代號J：二氧化硅系多多模漸變型光光纖；T：二氧化硅系多多模階躍型光光纖；Z：二氧化硅系多多模準突變型型光纖；D：二氧化硅系單單模光纖；X：二氧化硅纖芯芯塑料包層光光纖；S：塑料光纖③光纖的主主要尺寸參數(shù)數(shù)代號用阿拉伯數(shù)字字(含小數(shù)點點)以μm為單位表示多多模光纖的芯芯徑/包層直直徑或單模光光纖的模場直直徑/包層直直徑。④傳輸性能能代號光纖的傳輸特特性代號是由由使用波長、、損耗系數(shù)、、模式帶寬的的代號(分別別為a、bb、cc)構(gòu)成。其中a表示使用波長長的代號，為為一位數(shù)，其其數(shù)字代號規(guī)規(guī)定如下：1：使用波長長在0.85μm區(qū)域；2：使用波長長在1.31μm區(qū)域；3：使用波長長在1.55μm區(qū)域。bb表示損耗系數(shù)數(shù)的代號，其其數(shù)字依次為為光纜中光纖纖損耗系數(shù)值值(dB/km)的個位和十分分位。cc表示模式帶寬寬的代號，其