第二章 光纖的基本理論(附件)

一、三種基本類型光纖的折射率分布突變型多模光纖；(b)漸變型多模光纖；（c）單模光纖二、ITU-T建議規(guī)范的單模光纖（主要為前四種：G.652、G.653、G.654和G.655）三、光纖的導(dǎo)光原理1．折射和折射率光線在不同的介質(zhì)中以不同的速度傳播，描述介質(zhì)的這一特征的參數(shù)就是折射率，或稱折射指數(shù)。折射率可由下式確定：n=c/v其中ν是光在某種介質(zhì)中的速度，с是光在真空中的速度。在折射率為n的介質(zhì)中，光傳播速度變?yōu)閏/n，光波長變?yōu)閘0/n（l0表示光在真空中的波長）。下表中給出了一些介質(zhì)的折射率。材料空氣水玻璃石英鉆石折射率1.0031.331.52～1.891.432.42當(dāng)一條光線照射到兩種介質(zhì)相接的邊界時，入射光線分成兩束：反射光線和折射光線光的折射光的反射斯涅耳定律給出了定義這些光線方向的規(guī)則：q1=q3n1sinq1=n2sinq2全反射是光信號在光纖中傳播的必要條件。2．光的偏振光波屬于橫波，即光的電磁場振動方向與傳播方向垂直。如果光波的振動方向始終不變，只是光波的振幅隨相位改變，這樣的光稱為線偏振光，如下圖（c）和（d）所示。從普通光源發(fā)出的光不是偏振光，而是自然光，如下圖（a）所示。自然光在傳播的過程中，由于外界的影響在各個振動方向的光強(qiáng)不相同，某一個振動方向的光強(qiáng)比其他方向占優(yōu)勢，這種光稱為部分偏振光，如下圖（b）所示。光的偏振3．光的色散如下圖所示，當(dāng)日光通過棱鏡或水霧時會呈現(xiàn)按紅橙黃綠青藍(lán)紫順序排列的彩色光譜。這是由于棱鏡材料（玻璃）或水對不同波長（對應(yīng)于不同的顏色）的光呈現(xiàn)的折射率n不同，從而使光的傳播速度不同和折射角度不同，最終使不同顏色的光在空間上散開。自然光的色散四、光纖的幾何特性光纖的幾何特性包括芯直徑、包層直徑、纖芯/包層同心度、不圓度等。1．芯直徑芯直徑主要是對多模光纖的要求。ITU-T規(guī)定，多模光纖的芯直徑為50±3μm。2．包層直徑包層直徑指光纖的外徑，ITU-T規(guī)定，多模及單模光纖的包層直徑均要求為125±3μm。目前，光纖生產(chǎn)制造商已將光纖外徑規(guī)格從125.0±3μm提高到125.0±1μm。3．纖芯/包層同心度和不圓度纖芯/包層同心度是指纖芯在光纖內(nèi)所處的中心程度。目前光纖制造商已將纖芯/包層同心度從≤0.8μm的規(guī)格提高到≤0.5μm的規(guī)格。不圓度包括芯徑的不圓度和包層的不圓度。ITU-T規(guī)定，芯徑不圓度≤6%，包層不圓度（包括單模）＜2%。4.模場直徑和有效面積模場直徑是指描述單模光纖中光能集中程度的參量。有效面積與模場直徑的物理意義相同，通過模場直徑可以利用圓面積公式計算出有效面積。模場直徑越小，通過光纖橫截面的能量密度就越大。當(dāng)通過光纖的能量密度過大時，會引起光纖的非線性效應(yīng)，造成光纖通信系統(tǒng)的光信噪比降低，影響系統(tǒng)性能。因此，對于傳輸光纖而言，模場直徑（或有效面積）越大越好。下圖為模場直徑示意圖。模場直徑五、光纖傳輸特性的幾個圖形展示1、色散引起的脈沖展寬示意圖光脈沖中的不同頻率或模式在光纖中的群速度不同，這些頻率成分和模式到達(dá)光纖終端有先有后，使得光脈沖發(fā)生展寬，這就是光纖的色散，如上圖所示。色散一般用時延差來表示，所謂時延差，是指不同頻率的信號成分傳輸同樣的距離所需要的時間之差。2、偏振模色散（PMD）由于光信號的兩個正交偏振態(tài)在光纖中有不同的傳播速度而引起的色散稱偏振模色散。3、碼間干擾（ISI）色散將導(dǎo)致碼間干擾。由于各波長成分到達(dá)的時間先后不一致，因而使得光脈沖加長了（T+ΔT），這叫作脈沖展寬，如下圖。脈沖展寬將使前后光脈沖發(fā)生重疊，形成碼間干擾，碼間干擾將引起誤碼，因而限制了傳輸?shù)拇a速率和傳輸距離。4、光纖的機(jī)械特性光纖的機(jī)械特性主要包括耐側(cè)壓力、抗拉強(qiáng)度、彎曲以及扭絞性能等，使用者最關(guān)心的是抗拉強(qiáng)度。（1）光纖的抗拉強(qiáng)度光纖的抗拉強(qiáng)度很大程度上反映了光纖的制造水平。影響光纖抗拉強(qiáng)度的主要因素是光纖制造材料和制造工藝。①預(yù)制棒的質(zhì)量。②拉絲爐的加溫質(zhì)量和環(huán)境污染。③涂覆技術(shù)對質(zhì)量的影響。④機(jī)械損傷。（2）光纖斷裂分析存在氣泡、雜物的光纖，會在一定張力下斷裂，如下圖所示。光纖斷裂和應(yīng)力關(guān)系示意圖（3）光纖的壽命光纖的壽命，習(xí)慣稱使用壽命，當(dāng)光纖損耗加大以致系統(tǒng)開通困難時，稱其已達(dá)到了使用壽命。從機(jī)械性能講，壽命指斷裂壽命。（4）光纖的機(jī)械可靠性一般來說，二氧化硅包層光纖的機(jī)械可靠性已經(jīng)得到廣泛的認(rèn)可。為了提高光纖的機(jī)械可靠性，在光纖的外包層中摻入二氧化鈦，從而增加網(wǎng)絡(luò)的壽命。5、光纖的溫度特性光纖的溫度特性，是指在高、低溫條件下對光纖損耗的影響，一般是損耗增大，如下圖所示。光纖低溫特性曲線六、各種典型結(jié)構(gòu)的光纜（1）層絞式結(jié)構(gòu)光纜把經(jīng)過套塑的光纖繞在加強(qiáng)芯周圍絞合而構(gòu)成。層絞式結(jié)構(gòu)光纜類似傳統(tǒng)的電纜結(jié)構(gòu)，故又稱之為古典光纜。下圖所示是目前在市話中繼和長途線路上采用的幾種層絞式結(jié)構(gòu)光纜的示意圖（截面）。6芯緊套層絞式光纜12芯松套層絞式直埋光纜12芯松套層絞式直埋防蟻光纜6～48芯松套層絞式水底光纜12芯松套+8芯×2線對層絞式直埋光纜（2）骨架式結(jié)構(gòu)光纜骨架式結(jié)構(gòu)光纜是把緊套光纖或一次涂覆光纖放入加強(qiáng)芯周圍的螺旋形塑料骨架凹槽內(nèi)而構(gòu)成。骨架結(jié)構(gòu)有中心增加螺旋型、正反螺旋型、分散增強(qiáng)基本單元型，圖1（b）為螺旋型結(jié)構(gòu)，圖2為基本單元結(jié)構(gòu)。目前，我國采用的骨架式結(jié)構(gòu)光纜，都是采用如圖1所示的結(jié)構(gòu)。圖3所示是采用骨架式結(jié)構(gòu)的自承式架空光纜。圖12芯骨架式光纜圖270芯骨架式光纜圖3骨架式自承式架空光纜（3）束管式結(jié)構(gòu)光纜把一次涂覆光纖或光纖束放入大套管中，加強(qiáng)芯配置在套管周圍而構(gòu)成。圖1所示的光纜結(jié)構(gòu)即屬護(hù)層增強(qiáng)構(gòu)件配制方式。圖2、3所示是屬于分散加強(qiáng)構(gòu)件配置方式的束管式結(jié)構(gòu)光纜。圖112芯束管式光纜圖26～48芯束管式光纜圖3LEX束管式光纜（4）帶狀結(jié)構(gòu)光纜把帶狀光纖單元放入大套管中，形成中心束管式結(jié)構(gòu)；也可把帶狀光纖單元放入凹槽內(nèi)或松套管內(nèi)，形成骨架式或?qū)咏g式結(jié)構(gòu)。如下圖所示。中心束管式帶狀光纜層絞式帶狀光纜（5）單芯結(jié)構(gòu)光纜單芯結(jié)構(gòu)光纜簡稱單芯軟光纜，如下圖所示。這種結(jié)構(gòu)的光纜主要用于局內(nèi)（或站內(nèi)）或用來制作儀表測試軟線和特殊通信場所用特種光纜以及制作單芯軟光纜的光纖。單芯軟光纜（6）特殊結(jié)構(gòu)光纜特殊結(jié)構(gòu)的光纜，主要有光/電力組合纜、光/架空地線組合纜和海底光纜和無金屬光纜。這里只介紹后兩種。①海底光纜有淺海光纜和深海光纜兩種，圖1所示為典型的淺海光纜，圖2所示是較為典型的深海光纜。②無金屬光纜無金屬光纜是指光纜除光纖、絕緣介質(zhì)外（包括增強(qiáng)構(gòu)件、護(hù)層）均是全塑結(jié)構(gòu)，適用于強(qiáng)電場合，如電站、電氣化鐵道及強(qiáng)電磁干擾地帶。淺海光纜深海光纜七、光纜的種類1．按傳輸性能、距離和用途分可分為市話光纜、長途光纜、海底光纜和用戶光纜。2．按光纖的種類分可分為多模光纜、單模光纜。3．按光纖套塑方法分可分為緊套光纜、松套光纜、束管式光纜和帶狀多芯單元光纜。4．按光纖芯數(shù)多少分可分為單芯光纜、雙芯光纜、四芯光纜、六芯光纜、八芯光纜、十二芯光纜和二十四芯光纜等。5．按加強(qiáng)件配置方法分光纜可分為中心加強(qiáng)構(gòu)件光纜（如層絞式光纜、骨架式光纜等）、分散加強(qiáng)構(gòu)件光纜（如束管兩側(cè)加強(qiáng)光纜和扁平光纜）、護(hù)層加強(qiáng)構(gòu)件光纜（如束管鋼絲鎧裝光纜）和PE外護(hù)層加一定數(shù)量的細(xì)鋼絲的PE細(xì)鋼絲綜合外護(hù)層光纜。6．按敷設(shè)方式分光纜可分為管道光纜、直埋光纜、架空光纜和水底光纜。7．按護(hù)層材料性質(zhì)分光纜可分為聚乙烯護(hù)層普通光纜、聚氯乙烯護(hù)層阻燃光纜和尼龍防蟻防鼠光纜。8．按傳輸導(dǎo)體、介質(zhì)狀況分光纜可分為無金屬光纜、普通光纜和綜合光纜。9．按結(jié)構(gòu)方式分光纜可分為扁平結(jié)構(gòu)光纜、層絞式結(jié)構(gòu)光纜、骨架式結(jié)構(gòu)光纜、鎧裝結(jié)構(gòu)光纜（包括單、雙層鎧裝）和高密度用戶光纜等。10．目前通信用光纜可分為（1）室(野)外光纜——用于室外直埋、管道、槽道、隧道、架空及水下敷設(shè)的光纜。（2）軟光纜——具有優(yōu)良的曲撓性能的可移動光纜。（3）室（局）內(nèi)光纜——適用于室內(nèi)布放的光纜。（4）設(shè)備內(nèi)光纜——用于設(shè)備內(nèi)布放的光纜。（5）海底光纜——用于跨海洋敷設(shè)的光纜。（6）特種光纜——除上述幾類之外，作特殊用途的光纜。八、光纜型號的表示光纜型號由它的型式代號和規(guī)格代號構(gòu)成，中間用一短橫線分開。光纜型式由五個部分組成，如下圖所示。光纜型式的組成部分圖中：Ⅰ：分類代號及其意義為：GY——通信用室（野）外光纜；GR——通信用軟光纜；GJ——通信用室（局）內(nèi)光纜；GS——通信用設(shè)備內(nèi)光纜；GH——通信用海底光纜；GT——通信用特殊光纜。Ⅱ：加強(qiáng)構(gòu)件代號及其意義為：無符號——金屬加強(qiáng)構(gòu)件；F——非金屬加強(qiáng)構(gòu)件；G——金屬重型加強(qiáng)構(gòu)件；H——非金屬重型加強(qiáng)構(gòu)件。Ⅲ：派生特征代號及其意義為：D——光纖帶狀結(jié)構(gòu)；G——骨架槽結(jié)構(gòu)；B——扁平式結(jié)構(gòu)；Z——自承式結(jié)構(gòu)。T——填充式結(jié)構(gòu)。Ⅳ：護(hù)層代號及其意義為；Y——聚乙烯護(hù)層；V——聚氯乙烯護(hù)層；U——聚氨酯護(hù)層；A——鋁-聚乙烯粘結(jié)護(hù)層；L——鋁護(hù)套； G——鋼護(hù)套；Q——鉛護(hù)套； S——鋼-鋁-聚乙烯綜合護(hù)套。Ⅴ：外護(hù)層的代號及其意義為：外護(hù)層是指鎧裝層及其鎧裝外邊的外護(hù)層，外護(hù)層的代號及其意義如下表所示。外護(hù)層代號及其意義代號鎧裝層（方式）代號外護(hù)層（材料）0無0無1——1纖維層2雙鋼帶2聚氯乙烯套3細(xì)圓鋼絲3聚乙烯套4粗圓鋼絲——5單鋼帶皺紋縱包——（2）光纜規(guī)格由五部分七項內(nèi)容組成，如下圖所示。光纜的規(guī)格組成部分圖中：Ⅰ：光纖數(shù)目用1、2、……，表示光纜內(nèi)光纖的實際數(shù)目。Ⅱ：光纖類別的代號及其意義。J——二氧化硅系多模漸變型光纖； T——二氧化硅系多模突變型光纖；Z——二氧化硅系多模準(zhǔn)突變型光纖； D——二氧化硅系單模光纖；X——二氧化硅纖芯塑料包層光纖； S——塑料光纖。Ⅲ：光纖主要尺寸參數(shù)用阿拉伯?dāng)?shù)（含小數(shù)點數(shù)）及以μm為單位表示多模光纖的芯徑及包層直徑，單模光纖的模場直徑及包層直徑。Ⅳ：帶寬、損耗、波長表示光纖傳輸特性的代號由a、bb及cc三組數(shù)字代號構(gòu)成。a——表示使用波長的代號，其數(shù)字代號規(guī)定如下：1——波長在0.85μm區(qū)域；2——波長在1.31μm區(qū)域；3——波長在1.55μm區(qū)域。注意，同一光纜適用于兩種及以上波長，并具有不同傳輸特性時，應(yīng)同時列出各波長上的規(guī)格代號，并用“/”劃開。bb——表示損耗常數(shù)的代號。兩位數(shù)字依次為光纜中光纖損耗常數(shù)值（dB/km）的個位和十位數(shù)字。cc——表示模式帶寬的代號。兩位數(shù)字依次為光纜中光纖模式帶寬分類數(shù)值（MHz·km）的千位和百位數(shù)字。單模光纖無此項。Ⅴ：適用溫度代號及其意義。A——適用于?40℃～+B——適用于?30℃～+C——適用于?20℃～+60D——適用于?5℃～+光纜中還附加金屬導(dǎo)線（對、組）編號，如下圖所示。其符合有關(guān)電纜標(biāo)準(zhǔn)中導(dǎo)電線芯規(guī)格構(gòu)成的規(guī)定。光纜中附加金屬導(dǎo)線編號示意圖例如，2個線徑為0.5mm的銅導(dǎo)線單線可寫成2×1×0.5；；4個線徑為0.9mm的鋁導(dǎo)線