通信線路施工與運(yùn)行維護(hù)專項(xiàng)技術(shù)培訓(xùn)-第二部分-光纖和光纜

第二部分光纖和光纜

㈠光纖的基本知識、傳輸原理、主要特性㈡光纖的結(jié)構(gòu)、種類4/4/20231

光波－無線電波光是人們都熟悉的一種自然物理現(xiàn)象，光波與通信用無線電波一樣，也是一種無線電波，所不同的只是它的波長比無線電波的波長短得很多，或者說它的頻率非常之高，達(dá)到1013－1014Hz。從電磁波譜圖中畫出了光波在電磁波譜圖中的位置，而人們所能直接看到的光波，僅僅是波長從0.39μm起到0.76μm這一小段的光波，我們把它成為可見光，可見光包含七種顏色，即紅、橙、黃、綠、靛、藍(lán)、紫，這七種顏色的光波混合在一起就成為白光。比紅光波長更長的光波，即波長比0.76μm更長的光波，人的眼睛也看不到的光叫紅外光。比紫光波長0.39μm更短的光波，人的眼睛也看不到，叫做紫外線。人們把紫外線、紅外線和可見光都?xì)w于光波的范圍內(nèi)。4/4/20232通信波段劃分及相應(yīng)傳輸媒介10110710210610310510410410510310610210710110810010910-1101010-2101110-3101210-4101310-5101410-61015自由空間波長（m）電力、電話無線電、電視微波紅外可見光雙鉸線同軸電纜光纖衛(wèi)星/微波AM無線電FM無線電頻段劃分傳輸介質(zhì)4/4/20233光通信技術(shù)發(fā)展的初期，曾用在大氣傳輸光通信系統(tǒng)上的光源,氦氖激光器的波長是0.6328μm，屬于可見的紅光；另一種在大氣傳輸?shù)亩趸技す馄鞯牟ㄩL是10.6μm，屬于不可見的近紅外光波。當(dāng)今用作通信傳輸?shù)慕橘|(zhì)-石英光纖的低衰減“窗口”為0.6～1.6μm的波段范圍，就坐落在可見的紅光波段和不可見的近紅外波段上。光波和其它波長的電磁波一樣，在真空中的傳播速度是3.00×108m/s。光波在均勻介質(zhì)中是直線傳播的，在介質(zhì)中的傳播速度v與介質(zhì)中的光折射率n成反比，即：v=c/n式中，n為介質(zhì)的光折射率；c代表光速（3.00×108m/s）。以空氣為介質(zhì)的光折射率接近于1。因此光在空氣中的傳播速度接近于3.00×108m/s。但是，石英玻璃的光折射率為1.458，所以光波在石英光纖中的傳播速度（應(yīng)為2.00×108m/s），要比在空氣中傳播的慢一些。4/4/20234光波在介質(zhì)中的傳播由于石英光纖本身是一種玻璃介質(zhì)，要研究光在光纖中的傳播原理，首先應(yīng)從物理概念上利用幾何射線光學(xué)的概念來研究光在介質(zhì)中傳播的一些現(xiàn)象，然后在引伸到光在光纖中是怎樣傳播的。1、光的折射與反射光波是電磁波，所以光在空間是沿著直線傳播的。但是當(dāng)光遇到兩種不同介質(zhì)的交界面時(shí)會發(fā)生折射和反射。如圖所示。4/4/20235

設(shè)MM′是空氣與玻璃的交界面，NN′是MM′面的法線，空氣的光折射率n1＜n2（玻璃的光折射率），當(dāng)入射光射到MM′面的0點(diǎn)時(shí)，會出現(xiàn)一部分光線反射回空氣成為反射光，另一部分光線進(jìn)入玻璃成為折射光。光的反射服從反射定律：反射光線位于入射光線和法線NN′所決定的平面內(nèi)，反射光線和入射光線分居法線的兩側(cè)，反射角φ1等于入射角φ1′。

光的折射服從折射定律(斯涅爾定律:荷蘭數(shù)學(xué)家斯涅爾在1621年發(fā)現(xiàn)的這一規(guī)律)：折射光線位于入射光線和法線NN′所決定的平面內(nèi)，折射光線和入射光線分居法線的兩側(cè)，反射角φ1和折射角φ2的關(guān)系為：sinφ1／sinφ2=n2／n1n1＜n2折射率n1折射率n2MM′NN′φ1φ1′φ204/4/20236

由于空氣的折射率近似為1，所以該公式又可寫成：sinφ1／sinφ2=n2理論和實(shí)驗(yàn)的研究都證明：某種媒質(zhì)的折射率，等于光在真空中的速度c與光在這種媒質(zhì)中的速度v之比：n=c/v

由于光在真空中的速度c大于光在任何媒質(zhì)中的速度v，所以任何媒質(zhì)的折射率都大于1。光從真空射入任何媒質(zhì)時(shí)，入射角大于折射角。由于光在真空里的速度跟在空氣里的速度相差很小，可以認(rèn)為光從空氣里進(jìn)入某種媒質(zhì)時(shí)的折射率就是那種媒質(zhì)的折射率。

根據(jù)光路的可逆性，當(dāng)光線逆著原來的折射光線，以入射角r從折射率是n的媒質(zhì)射入真空（或空氣）的時(shí)候，折射光線就會逆著原來的入射光線，折射角等于原來的入射角i。由于r小于i，所以光從某種媒質(zhì)射入真空（或空氣）時(shí)，折射角大于入射角。4/4/20237光的全反射在各種不同的媒質(zhì)中，光的折射率是不同的。我們把折射率小的媒質(zhì)叫做光疏媒質(zhì)，把折射率大的媒質(zhì)叫做光密媒質(zhì)。光疏媒質(zhì)和光密媒質(zhì)是相對的。如水晶對水來說是光密媒質(zhì)，對金剛石來說是光疏媒質(zhì)。當(dāng)光線從光密媒質(zhì)進(jìn)入光疏媒質(zhì)時(shí)（例如從水進(jìn)入空氣時(shí)），折射角大于入射角。當(dāng)入射角不斷增大，折射角也跟著增大。逐漸增大光的入射角，將會看到折射光線離法線越來越遠(yuǎn)，而且越來越弱；但是，反射光線則越來越強(qiáng)。當(dāng)入射角增大到某一角度，使折射角達(dá)到90°時(shí)，折射光線就會完全消失，只剩下反射的光線。我們稱這種現(xiàn)象，叫做全反射。階躍型光纖的纖折射率分布是均勻的，它是靠全反射原理將光射線集中在纖芯中沿光纖長度方向傳輸。光射線在纖芯中的運(yùn)行軌跡是一條和軸線相交的鋸齒線。在自然界，全反射現(xiàn)象是普遍的、常見的。例如，水中或玻璃中的氣泡，看起來特別的明亮，皆因由于一部分射到氣泡界面上的光發(fā)生了全反射的緣故。光導(dǎo)纖維就是利用光的全反射來進(jìn)行傳輸光信號的，如圖所示。4/4/20238光線在階躍光纖中的全反射圖4/4/202391870年,英國皇家學(xué)會演示了光在一束細(xì)水流中進(jìn)行全內(nèi)反射傳輸?shù)默F(xiàn)象。4/4/202310光纖的基本知識光纖是光導(dǎo)玻璃纖維的簡稱，就是用來導(dǎo)光的透明介質(zhì)纖維，它是一種新型的光波導(dǎo)。光纖外徑一般為122--128μm，芯徑一般為8--53μm。光纖的結(jié)構(gòu)

一根實(shí)用化的光纖是由多層透明介質(zhì)構(gòu)成的，一般為同心圓柱形細(xì)絲，為軸對稱結(jié)構(gòu)，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，其外形如圖所示。4/4/202311

光纖由纖芯和包層組成

纖芯的折射率高于包層的折射率(通過對光纖摻雜雜質(zhì)，光纖的折射率改變了)纖芯和包層僅在折射率等參數(shù)上不同，結(jié)構(gòu)上是一個(gè)完整整體涂覆層的主要作用是為光纖提供保護(hù)無論何種光纖，其包層直徑都是一致的4/4/2023129/125μm50/125μm62.5/125μm頭發(fā)直徑約80μm按傳播模式：多模光纖和單模光纖按折射率分布：階躍光纖和漸變光纖按工作波長：短波長光纖和長波長光纖單模：8/125μm，9/125μm，10/125μm多模：50/125μm歐洲標(biāo)準(zhǔn)，62.5/125μm美國標(biāo)準(zhǔn)幾種光纖與頭發(fā)絲比較示意圖4/4/202313

光纖的結(jié)構(gòu)一般是雙層或多層的同心圓柱體，如圖所示。中心部分是纖芯，纖芯以外的部分稱為包層。纖芯的作用是傳導(dǎo)光波，包層的作用是將光波封閉在光纖中傳播。為了達(dá)到傳波的目的，需要使光纖材料的折射率n1，大于包層材料的折射率n2。為了實(shí)現(xiàn)纖芯和包層的折射率差，必須使纖芯和包層材料有所不同。目前實(shí)用的光纖主要是石英。如果在石英中摻入折射率高于石英的摻雜劑，則就可作為纖芯材料。同樣如果在石英中摻入折射率比石英低的摻雜劑，則就可以作為包層材料，經(jīng)過這樣摻雜后，上述的目的就可達(dá)到了。也就是說，光纖是由兩種不同折射率的玻璃材料拉制而成的。4/4/202314（1）纖芯位于光纖的中心部位，是光波的主要傳輸通道。直徑d1=8μm～50μm，單模光纖的纖芯為9μm～10μm，多模光纖的纖芯為50μm。纖芯的成分是高純度SiO2，摻有極少量的摻雜劑（如GeO2，P2O5），作用是提高纖芯對光的折射率（n1），以傳輸光信號。（2）包層位于纖芯的周圍。直徑d2=125μm，其成分也是含有極少量摻雜劑的高純度SiO2。而摻雜劑（如B2O3）的作用則是適當(dāng)降低包層對光的折射率（n2），使之略低于纖芯的折射率，即n1＞n2，它使得光信號封閉在纖芯中傳輸。（3）涂覆層光纖的最外層為涂覆層，包括一次涂覆層，緩沖層和二次涂覆層。一次涂覆層一般使用丙烯酸酯、有機(jī)硅或硅橡膠材料；緩沖層一般為性能良好的填充油膏；二次涂覆層一般多用聚丙烯或尼龍等高聚物。涂覆的作用是保護(hù)光纖不受水汽侵蝕和機(jī)械擦傷，同時(shí)又增加了光纖的機(jī)械強(qiáng)度與可彎曲性，起著延長光纖壽命的作用。涂覆后的光纖其外徑約1.5mm。通常所說的光纖為此種光纖。4/4/202315

實(shí)用的光纖不是如圖2-5所示的裸露的玻璃絲，而是要在它的外表附加幾層塑料涂層。目前，在通信中使用較為廣泛的光纖有兩種：緊套光纖與松套光纖，如圖。緊套光纖就是在一次涂覆的光纖上再緊緊地套上一層尼龍或聚乙烯等塑料套管，光纖在套管內(nèi)不能自由活動。松套光纖，就是在光纖涂覆層外面再套上一層塑料套管，光纖可以在套管中自由活動。4/4/202316光纖的分類光纖的分類方法很多，可以按材料性質(zhì)、折射率分布、套塑方式及按照ITU-T建議分類等進(jìn)行分類。下面介紹通信光纖的分類。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。根據(jù)不同的分類方法和標(biāo)準(zhǔn)，同一根光纖將會有不同的名稱，常用的分類方法有：（1）按光纖的制造材料分類按照光纖制造材料的不同，光纖可分為玻璃（石英）光纖和塑料光纖。玻璃光纖一般是指由摻雜石英芯和摻雜石英包層構(gòu)成的光纖。這種光纖有很低的傳輸損耗和中等程度的傳輸色散。目前通信用光纖絕大多數(shù)為玻璃光纖。塑料光纖是一種通信用新型光纖，尚處于研制、試用階段。塑料光纖具有傳輸損耗大、纖芯粗（直徑100--600μm）、數(shù)值孔徑（NA）大（一般為0.3--0.5，可與光斑較大的光源耦合使用）及制造成本低等優(yōu)點(diǎn)。目前，塑料光纖適用于短距離使用，如計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)和船舶內(nèi)通信等。4/4/202317（2）按傳輸模數(shù)量及折射率分布分類按傳輸模的數(shù)量可分為多模光纖和單模光纖。按折射率分布狀況分類，多模光纖可分為階躍型（突變型）光纖和梯度型（漸變型、自聚焦型）光纖，單模光纖則分為階躍型光纖。它們的結(jié)構(gòu)及光傳輸情況，見圖所示。4/4/202318（3）按光纖的工作波長分類石英光纖按波長分類，可分為短波長光纖的和長波長光纖。短波長光纖的波長為0.85μm(0.8--0.9μm),波長為0.85μm的多模光纖,主要用于短距離市話中繼線路或?qū)Ｓ猛ㄐ啪W(wǎng)等線路。長波長光纖的波長為1.3--1.6μm，具體波長有1.3μm和1.5μm兩個(gè)窗口。第三傳輸窗口第二傳輸窗口第一傳輸窗外吸收紅外吸收瑞利散射0.22.5損耗(dB/km)波長(nm)

4/4/202319（4）按套塑結(jié)構(gòu)分類石英光纖按套塑結(jié)構(gòu)分類，可分為緊套光纖和松套光纖。實(shí)際上，松套光纖是指光纖，在其外邊是套上一個(gè)較松的套管，光纖在中間可以松動。通常，在松套管內(nèi)都應(yīng)充入半流質(zhì)油劑，以增強(qiáng)防水性能和起緩沖作用。松套管對光纖能起到抗壓、抗拉的保護(hù)作用。對于尾纖則采用緊套方式。緊套光纖：光纖被套管緊緊箍住，不能在其中松動。松套光纖：光纖的護(hù)套為松套管，即光纖能在其中松動，管內(nèi)空間填充油膏，以防水分滲入。4/4/202320按照ITU—T建議分類為了使光纖具有統(tǒng)一的國際標(biāo)準(zhǔn)，國際電信聯(lián)盟—電信小組（ITU—T）制訂了統(tǒng)一的光纖標(biāo)準(zhǔn)（G標(biāo)準(zhǔn)）。按照ITU—T關(guān)于光纖的建議，可以將光纖分為G.651光纖（又稱為漸變型多模光纖）、G.652光纖（又稱為常規(guī)單模光纖或1．31μm性能最佳單模光纖）、G.653光纖（又稱為色散位移光纖—DSF）、G.654光纖（又稱為1550nm性能最佳單模光纖）、G.655光纖（又稱為非零色散位移光纖，主要包括非零色散位移光纖NZDSF和大有效面積光纖LEAF）等。4/4/202321漸變型多模光纖（G.651光纖MMF

）漸變型多模光纖的工作波長有兩種:0.85μm和1.31μm在這兩種工作波長上，光纖均處于多模工作狀態(tài)。塑料光纖（POF）是漸變型多模光纖的一種，在國際電工委員會(IEC)中定為A4光纖，可用于光纖到辦公桌(FTTD)，采用全氟化聚合物CYTOP制造的GI光纖，其衰減可達(dá)1.5～2.5dB/100m，傳輸速率可達(dá)3Gbit/s，帶寬大于200MHz.km，可用于短距離光通信和室內(nèi)傳輸線(含家庭和辦公自動化）當(dāng)中，預(yù)計(jì)在解決全光纖化通信最后“一公里”的進(jìn)程中，可能就是這類GI-POF光纖的主要用途,預(yù)計(jì)POF將是一個(gè)有增長潛力的領(lǐng)域。4/4/202322常規(guī)單模光纖（G.652光纖SMF

）常規(guī)單模光纖也稱為非色散位移光纖，于1983年開始商用。其零色散波長在1310nm處，在波長為1550nm處衰減最小，但有較大的正色散，其色散系數(shù)約為18ps/（nm.km）。工作波長既可選用1310nm，又可選用1550nm。這種光纖是使用最為廣泛的光纖，它在世界各地敷設(shè)數(shù)量已高達(dá)7000萬千米之多，我國已敷設(shè)的光纜絕大多數(shù)采用這類光纖。利用G.652光纖進(jìn)行速率為10Gbit/s以上的信號長途傳輸時(shí)，必須引入色散補(bǔ)償光纖進(jìn)行色散補(bǔ)償，并需引入更多的摻餌光纖放大器來補(bǔ)償由于引入色散補(bǔ)償光纖所產(chǎn)生的損耗。1998年美國朗訊（現(xiàn)在OFS）公司推出了G.652C/D新型單模光纖即無水峰光纖（ZWPF），采用一種新的生產(chǎn)制造技術(shù)，盡可能地消除OH離子1383nm附近處的“水吸收峰”，使光纖損耗完全由玻璃的本征損耗決定，在1280～1625nm的全部波長范圍內(nèi)都可以用于光通信，而結(jié)構(gòu)上和普通G.652單模光纖無異，是目前最先進(jìn)的城域網(wǎng)用非色散位移光纖。4/4/202323色散位移光纖（G.653光纖DSF

）G.653光纖又稱為色散位移光纖，于1985年商用。色散位移光纖通過改變光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)、折射率分布形狀，來加大波導(dǎo)色散，從而將最小零色散點(diǎn)從1310nm位移到1550nm，實(shí)現(xiàn)1550nm處最低衰減和零色散一致，并且在摻餌光纖放大器工作波長區(qū)域內(nèi)。這種光纖非常適合于長距離、單信道、高速光纖通信系統(tǒng)，如可在這種光纖上直接開通20Gbit/s系統(tǒng)，而不需要采取任何色散補(bǔ)償措施。但是，這種光纖在通道進(jìn)行波分復(fù)用信號傳輸時(shí)，在1550nm附近低色散區(qū)存在有害的四波混頻等光纖非線性效應(yīng)，阻礙光纖放大器在1550nm窗口的應(yīng)用，正是這個(gè)原因，色散位移光纖正在被非零色散位移光纖所取代。4/4/2023241550nm性能最佳單模光纖（G.654光纖NZ-DSF

）1550nm性能最佳單模光纖在1550nm波長工作窗口具有極小衰減（0.18dB/km）。與G.652光纖比較，達(dá)種光纖的優(yōu)點(diǎn)是在1550nm工作波長處衰減系數(shù)極小，其彎曲性能好。另外，該光纖的最大特點(diǎn)是工作波長為1310nm的系統(tǒng)將處于多模工作狀態(tài)。這種光纖主要應(yīng)用在傳輸距離很長，且不能插入有源器件的無中繼海底光纖通信系統(tǒng)中。這種光纖的缺點(diǎn)是制造困難，價(jià)格昂貴，主要用于長距離傳輸?shù)暮＠|。4/4/202325非零色散位移單模光纖（G.655光纖）G.655光纖常稱非零色散位移光纖，是在1994年專門為新一代光放大密集波分復(fù)用傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)和制造的新型光纖，屬于色散位移光纖，在1550nm處色散不是零值，（按IUT-T.G.655規(guī)定，在波長1530～1565nm范圍內(nèi)對應(yīng)的色散值為0.1～6.0ps/(nm.km）用以平衡四波混頻等非線性效應(yīng)。由于這種光纖利用較低的色散抑制了四波混頻等非線性效應(yīng)，使其能用于高速率（10Gbit/s以上）、大容量、密集波分復(fù)用的長距離光纖通信系統(tǒng)中。G.655類光纖可進(jìn)一步分為G.655A和G.655B兩個(gè)子類。G.655A光纖主要適用于ITU-T.G.691規(guī)定的帶光放大器的單通道SDH系統(tǒng)和通道速率為STM-64、通道間隔不小200GHz的G.692帶光放大器的波分復(fù)用傳輸系統(tǒng)。G.655B光纖主要適用于通道間隔不大于100GHz的G.692密集波分復(fù)用傳輸系統(tǒng)。G.655A光纖只能使用在C波段,G.655B光纖可以使用在C波段，也可以使用在L波段G.655A光纖和G.655B光纖的另一個(gè)主要差別是在C波段的色散值不同，G.655A光纖的色散值為0.1～6.0ps/(nm.km)，G．655B光纖的色散值為1.0～10.0ps/(nm.km)。4/4/202326G.655光纖的商用光纖有真波光纖和低色散斜率光纖。其中真波光纖的優(yōu)點(diǎn)是，消除了常規(guī)光纖在1385μm附近由于OH-根離子吸收造成的損耗峰，使光纖在1310～1600nm的損耗都趨于平坦；低色散斜率光纖的優(yōu)點(diǎn)是色散斜率小，僅為0.045ps/nm2.km，大大低于普通的色散斜率，因而可以用一個(gè)色散補(bǔ)償模塊補(bǔ)償整個(gè)頻帶內(nèi)的色散；大有效面積光纖大大增加了光纖的模場直徑,光纖有效面積從55μm2增加到72μm2，在相同的入纖光功率時(shí)，減小了光纖的非線性效應(yīng)。最新的針對G655的研究是要找到低的色散斜率和大的有效面積的光纖，滿足長途大容量的寬帶傳輸。目前的發(fā)展方向開發(fā)中等非零色散光纖，提高非零色散絕對值到6-10ps/(nm.km)，包括中等色散與低色散斜率的結(jié)合；中等色散和大有效面積的結(jié)合。具體的辦法是降低水峰，縮短截止波長，縮短零色散波長。2003年1月，ITU-T提出了G.656新型光纖的規(guī)范。4/4/202327

G655C新型非零色散單模光纖和G655A/B光纖的主要區(qū)別在于：（1）G655B和G655C在C波段的色散值范圍由G655A的0.1～6.0ps/(nm.km)上升到1.0～10.0ps/(nm.km)；（2）G655B和G655C增加了在1625nm最大衰減值的要求，最大為0.4dB/km；（3）G655C和G655A/B相比，PMD從0.5ps降低到0.2ps。4/4/202328寬帶用非零色散單模光纖（G.656光纖）2004年4月ITU-T通過了G.656光纖建議。G.656光纖的應(yīng)用范圍：在1460nm--1625nm波長范圍內(nèi)，其色散為一個(gè)大于零的數(shù)值。該色散減小了鏈路中非線性效應(yīng)，這些非線性效應(yīng)對DWDM（密集波分復(fù)用）系統(tǒng)非常有害。該光纖在比G.655光纖更寬的波長范圍內(nèi)，利用非零色散減小四波混頻（FWM）,交叉相位調(diào)制(XPM)效應(yīng)。在1460nm--1625nm波長范圍內(nèi)，該光纖可以用于CWDM（稀疏波分復(fù)用）和DWDM（密集波分復(fù)用）系統(tǒng)的傳輸。4/4/202329光纖傳輸原理光纖是怎樣把光波傳向遠(yuǎn)方的呢？為了說明這個(gè)問題，我們首先討論光波在均勻折射率纖芯中的傳播。當(dāng)光波射入光纖的纖芯時(shí)，一般都會出現(xiàn)兩種情況，一種是光線在過軸心的平面內(nèi)傳播，這種光線稱為子午光線，另一種是不交軸光線，即在光纖中傳播不通過軸心的光線。如果從光纖端面來觀察，其光線的進(jìn)行軌跡是一組構(gòu)成多邊形的折線。為了簡化分析，我們將分幾種情況討論子午光線傳播的過程。多邊形的折線4/4/202330斜射線在光纖中的傳播斜射線的傳播過程不在單一平面內(nèi)，要追蹤斜光線則更為困難。多邊形的折線(斜射線)4/4/202331階躍型光纖的纖折射率分布是均勻的，它是靠全反射原理將光射線集中在纖芯中沿光纖長度方向傳輸。光射線在纖芯中的運(yùn)行軌跡是一條和軸線相交的鋸齒線。光導(dǎo)纖維就是利用光

的全反射來進(jìn)行傳輸光信號4/4/202332

如圖所示是光纖的縱剖面圖。由圖可見，當(dāng)進(jìn)入光纖的光線射入纖芯和包層界面的入射角為θ時(shí)，則在入射點(diǎn)O的光線可能分為兩束，一束為折射光，另一束為反射光，它們應(yīng)服從光線的折射和反射定律：入射角等反射角。即∠θ=∠θ″n1sinθ=n2sinθ′折射光將在靠近纖芯－-包層界面的包層中傳播。反射光將回到纖芯中，又射向纖芯的另一邊的纖芯包層界面，然后重復(fù)O點(diǎn)的情況，使光向前傳播。因?yàn)榘鼘拥暮膿p比纖芯大，進(jìn)入包層的光將很快衰減掉。在這種情況下，光纖中傳播的光波也就會很快地衰減而不能遠(yuǎn)距離傳播。θθ″θ′On1n2n24/4/202333從式可知，因?yàn)閚1＞n2，則θ′和θ的關(guān)系是θ′＞θ，如果逐漸增大光線對纖芯—包層界面的入射角，當(dāng)θ到達(dá)某一定大小時(shí)，就會出現(xiàn)圖（a）所示的情況，折射角θ＇＝л/2，折射光線不再進(jìn)入包層，而是沿纖芯—包層界面向前傳播，我們把此種情況下的入射角稱為全反射臨界角，并用θc表示。如果繼續(xù)增大光線的入射角，就會出現(xiàn)如圖（b）所示的情況，光將全部反射回纖芯中。根據(jù)反射定律，反射回纖芯中的光線，向另一側(cè)纖芯—包層界面入射時(shí)，入射角保持不變，這種光線可以在纖芯中不斷發(fā)生反射不產(chǎn)生折射。我們把入射光全部返回到纖芯中的反射現(xiàn)象稱為“全反射”或“全內(nèi)反射”。當(dāng)折射角θ′＝л/2時(shí)，臨界角θc的正弦可以表示為：sinθc＝ｎ1/ｎ2ｎ2ｎ2ｎ2ｎ2ｎ1ｎ1θcθ′θθ″4/4/202334

由上式可見，θc的大小由光纖的包層和纖芯材料的折射率之比來決定。實(shí)際使用的光纖不可能每根光纖的纖芯和包層的折射率都保持同樣的大小，因而每根光纖發(fā)生全反射的臨界角也是不一相同的。綜上所述，為了使光能在光纖中遠(yuǎn)距離傳輸，一定要造成光在光纖中反復(fù)發(fā)生全反射的條件。實(shí)現(xiàn)全反射的條件是：⑴.光纖纖芯的折射率ｎ1一定要大于光纖包層的折射率ｎ2。⑵.進(jìn)入光纖的光線向纖芯—包層界面入射時(shí)，入射角應(yīng)大于臨界角θc。4/4/202335光纖的主要特性通信用光纖的特性很多，其主要特性簡單概括有：傳輸特性、光學(xué)特性、機(jī)械特性、溫度特性、幾何特性。這里從工程角度簡單介紹一些必須了解的主要特性。光纖的傳輸特性光纖的傳輸特性與中繼距離和通信容量有關(guān)，主要包括光纖的衰減特性、多模光纖的帶寬和單模光纖的色散特性等。

光信號經(jīng)過一定距離的光纖傳輸后要產(chǎn)生衰減和畸變:☆幅度減小;☆波形展寬;產(chǎn)生信號衰減和畸變的主要原因是光纖中存在損耗和色散,限制了系統(tǒng)的傳輸距離和傳輸容量.4/4/202336光纖的衰減特性光信號在光纖內(nèi)傳播，隨著距離的增大，能量會越來越弱，其中一部分能量在光纖內(nèi)部被吸收，一部分可能突破光纖纖芯的束縛，輻射到了光纖外部，這叫做光纖的傳輸損耗（或傳輸衰減）。z=0z=L衰減4/4/202337損耗系數(shù)是光纖的一個(gè)很重要的傳輸參量，是光纖傳輸系統(tǒng)中限制光信號中繼傳輸距離的重要因素之一。光纖損耗的大小與波長有密切的關(guān)系。損耗與波長的關(guān)系曲線叫做光纖的損耗譜（或衰減譜），在譜線上損耗值比較高的地方，叫做光纖的吸收峰，較低的損耗所對應(yīng)的波長，叫做光纖的工作波長（或工作窗口）。石英光纖的衰減譜如圖所示，根據(jù)衰減譜圖可知，光纖通信上常用的工作窗口主要有三個(gè)波長，即：λ1=0.850μm（850nm）、λ2=1.310μm（1310nm），λ3=1.550μm（1550nm）。光纖損耗特性產(chǎn)生的原因有很多，主要有吸收損耗、散射損耗和輻射損耗。其中吸收損耗與光纖本身的材料組分有關(guān)，散射與光纖的結(jié)構(gòu)缺陷，非線形效應(yīng)等有關(guān)；吸收損耗和散射損耗都屬于光纖的本征損耗。輻射損耗則與光纖的幾何形狀波動有關(guān)系。4/4/202338光纖衰減譜圖4/4/202339

光纖的衰減系數(shù)是指光在單位長度光纖中傳輸時(shí)的衰耗量，單位一般用dB/km。衰減系數(shù)是光纖最重要的特性參數(shù)之一，因此在很大程度上它決定了光纖通信的傳輸距離。在單模光纖中有兩個(gè)低損耗區(qū)域，分別在1310nm和1550nm附近，也就是我們通常說的1310nm窗口和1550nm窗口，1550nm窗口又可以分為C-band（1525nm～1562nm）和L-band（1565nm～1610nm）。4/4/202340吸收衰減散射衰減輻射損耗---光纖彎曲衰減和接頭衰減材料固有吸收雜質(zhì)吸收瑞利散射光纖結(jié)構(gòu)不完善散射紫外吸收紅外吸收氫氧根吸收過渡金屬離子吸收光纖衰減衰減的來源4/4/202341下面就介紹以下產(chǎn)生各種損耗的原因。

吸收損耗光纖的吸收損耗主要由紫外吸收、紅外吸收和雜質(zhì)吸收等構(gòu)成。由于這些損耗都是由光纖材料本身的特征引起的，故稱為光纖的本征損耗。另外本征損耗還包括瑞利散射損耗等因素①紫外吸收損耗對于石英系光纖，當(dāng)波長處于紫外區(qū)域時(shí)，石英材料對光能量產(chǎn)生強(qiáng)烈的吸收，一直將吸收峰拖到0.8μm～1.6μm的通信波段內(nèi)。在組成光纖的原子中，一部分處于低能級的電子會吸收光能量而躍遷到高能級狀態(tài)，從而造成了信號能量的損失。②紅外吸收損耗在紅外波段內(nèi)，石英材料的Si-O鍵因?yàn)檎駝佣漳芰?，造成光纖的分子鍵震動損耗。這種損耗值在9μm附近，變非常大，達(dá)到10dB/km，構(gòu)成了光纖通信波長的上限。紅外吸收峰也拖到了通信波段內(nèi)，不過比紫外吸收損耗的影響要小，可以忽略不計(jì)。4/4/202342

③雜質(zhì)吸收損耗是由光纖材料的不純造成的。主要有OH-離子吸收損耗，金屬離子吸收損耗等。在石英材料系的光纖中，O-H鍵的基本諧振波長為2.73μm，與Si-O鍵的諧振波長互相影響，形成了一系列的吸收峰，其中影響比較大的波長主要有1.39μm、1.24μm和0.95μm等。正是這些吸收峰之間的低損耗區(qū)域形成了光纖通信的三個(gè)低損耗窗口。金屬離子吸收損耗是由于某些金屬離子的電子結(jié)構(gòu)而產(chǎn)生邊帶吸收峰。隨著光纖制造工藝的改進(jìn)，這些金屬離子的含量已經(jīng)降到其吸收損耗可以忽略不計(jì)的水平(見圖)。4/4/202343吸收衰耗

純凈玻璃=SiO2

不純玻璃

不完整的分子結(jié)構(gòu),摻雜有雜質(zhì),有氫氧根、重金屬結(jié)合等.SiSiOSiSiOOOHSiSiOOOSiSiOSiCuOO4/4/202344光纖的散射損耗

波導(dǎo)散射損耗是由于光纖的不圓度過大造成的，若光纖制成后沿軸線方向結(jié)構(gòu)不均勻，就會產(chǎn)生波導(dǎo)散射損耗。目前這項(xiàng)損耗已經(jīng)降低到可以忽略的程度。

瑞利散射損耗任何材料的內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)都不可能是完全均勻的。由于光纖材料的內(nèi)部組成不均勻，產(chǎn)生了瑞利散射，造成了光能量的損耗，它屬于光纖的本征損耗。在光纖的制造過程中，光纖材料在加熱時(shí)，材料的分子結(jié)構(gòu)受到熱騷動，致使材料的密度出現(xiàn)起伏，進(jìn)而造成了折射率不均勻。光在不均勻的媒質(zhì)中傳播時(shí)，將由于上述因素產(chǎn)生散射。如果材料結(jié)構(gòu)的不均勻級別達(dá)到了分子級別的大小，這種由于媒質(zhì)材料不均勻而產(chǎn)生的散射就稱為瑞利散射。瑞利散射損耗與光波長的四次方成反比，瑞利散射對短波長比較敏感，隨著波長的變短，散射系數(shù)將很快增大。研究表明在1.3μm附近，這項(xiàng)損耗可達(dá)0.3dB/km,構(gòu)成了光纖通信系統(tǒng)工作時(shí)，光纖本征損耗中最重要的損耗之一。4/4/202345瑞利散射衰耗4/4/202346光纖的輻射損耗光纖在使用過程中，不可避免的會產(chǎn)生彎曲，若彎曲部分的曲率半徑小到一定程度時(shí)，就會產(chǎn)生輻射損耗。原因是，當(dāng)光線進(jìn)入到彎曲部分時(shí)，原來的入射光線在彎曲部位入射角增大，可能會破壞光纖的纖芯與包層界面處的全反射條件，造成傳輸光線的折射或者泄露，形成損耗。這里光纖的彎曲主要有兩種情況，一種是光纖的彎曲半徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出光纖的直徑，可以叫做宏彎；另一種情況是光纖在制作成光纜的過程中或者在使用的過程中，沿軸向產(chǎn)生的微觀彎曲，可以叫做微彎。定量的分析宏彎或者微彎產(chǎn)生的損耗是十分困難的，一般可以認(rèn)為光纖彎曲的時(shí)候，曲率半徑R越小，損耗越大。4/4/202347光纖的輻射損耗4/4/202348光纖衰耗a)吸收點(diǎn)b)散射點(diǎn)c)微彎點(diǎn)(外部微彎)d)微彎點(diǎn)(內(nèi)部微彎)a)b)d)c)4/4/202349光纖的色散（帶寬）

色散是光纖的一個(gè)重要的傳輸特性，指的是光信號沿著光纖傳輸過程中，由于不同成分光的時(shí)間延遲不同而產(chǎn)生的一種物理效應(yīng)。由于光源發(fā)出的光不是單色光，不同波長光脈沖在光纖中具有不同的傳播速度，因此，色散反應(yīng)了光脈沖沿光纖傳播時(shí)的展寬。光纖的色散現(xiàn)象對光纖通信極為不利。光纖數(shù)字通信傳輸?shù)氖且幌盗忻}沖碼，光纖在傳輸中的脈沖展寬，(如圖所示)，導(dǎo)致了脈沖與脈沖相重疊現(xiàn)象，即產(chǎn)生了碼間干擾，從而形成傳輸碼的失誤造成差錯(cuò)。為避免誤碼出現(xiàn)，就要拉長脈沖間距，導(dǎo)致傳輸速率降低，從而減少了通信容量。另一方面，光纖脈沖的展寬程度隨著傳輸距離的增長而越來越嚴(yán)重。因此，為了避免誤碼，光纖的傳輸碼速要降低，距離也要縮短。4/4/202350光纖的色散z=0z=L色散光纖中的脈沖展寬

4/4/202351材料色散

含有不同波長的光脈沖通過光纖傳輸時(shí)，不同波長的電磁波會導(dǎo)致玻璃折射率不相同，傳輸速度不同就會引起脈沖展寬，導(dǎo)致色散。光纖中的脈沖展寬

4/4/202352光纖的色散可分為：模式色散又稱模間色散光纖的模式色散只存在于多模光纖中。每一種模式到達(dá)光纖終端的時(shí)間先后不同，造成了脈沖的展寬，從而出現(xiàn)色散現(xiàn)象。材料色散含有不同波長的光脈沖通過光纖傳輸時(shí)，不同波長的電磁波會導(dǎo)致玻璃折射率不相同，傳輸速度不同就會引起脈沖展寬，導(dǎo)致色散。波導(dǎo)色散又稱結(jié)構(gòu)色散它是由光纖的幾何結(jié)構(gòu)決定的色散，其中光纖的橫截面積尺寸起主要作用。光在光纖中通過芯與包層界面時(shí)，受全反射作用，被限制在纖芯中傳播。但是，如果橫向尺寸沿光纖軸發(fā)生波動，除導(dǎo)致模式間的模式變換外，還有可能引起一少部分高頻率的光線進(jìn)入包層，在包層中傳輸，而包層的折射率低、傳播速度大，這就會引起光脈沖展寬，從而導(dǎo)致色散。4/4/202353偏振模色散（PMD）單模光纖只能傳輸一種基模光?；?shí)際上是由兩個(gè)偏振方向相互正交的模場HE11x和HE11y所組成。若單模光纖存在著不圓度、微彎力、應(yīng)力等，HE11x和HE11y存在相位差，則合成光場是一個(gè)方向和瞬時(shí)幅度隨時(shí)間變化的非線性偏振，就會產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象，即x和y方向的折射率不同。因傳播速度不等，模場的偏振方向?qū)⒀毓饫w的傳播方向隨機(jī)變化，從而會在光纖的輸出端產(chǎn)生偏振色散。PCVD工藝生產(chǎn)出的單模光纖具有極低的偏振模色散（PMD）?？梢哉f色散是脈沖展寬在時(shí)域的反映，帶寬是模擬信號傳輸在頻域上的反映。我們常用一個(gè)稱為色散系數(shù)D來描述光纖的色散指標(biāo)。它是這樣定義的：1nm波長范圍（指光源的譜寬小于1nm）的光通過1KM光纖所出現(xiàn)的時(shí)延差異，單位為ps/nm.km,，D越小，則光纖帶寬越大，單模關(guān)纖帶寬與色散系數(shù)D的關(guān)系為：Bf="132.5/(D.L)GHZ。式中L為光纖長度（KM）。例如，1.30um波長的光源，其譜寬小于1nm，其D值是小于3.5ps/nm.km。則1KM單模光纖的頻寬為Bf>37.86GHZ,10KM單模光纖的頻帶則為3.78GHZ，可見在光纖網(wǎng)絡(luò)中，傳輸?shù)木嚯x越長，色散就越嚴(yán)重。4/4/202354偏振模散t進(jìn)進(jìn)tt出sft出（a）s---慢偏振；f----快偏振（b）圖偏振模散(a)X、Ｙ偏振；(b)入射光脈沖經(jīng)過雙折射晶體Y偏振X偏振理想光纖實(shí)際光纖快軸慢軸PMD=時(shí)間延遲4/4/202355光學(xué)特性

光纖的光學(xué)特性是決定光纖傳輸性能的一個(gè)重要因素，主要包括折射率分布、最大理論數(shù)值孔徑、模場直徑及截止波長等。ba0abba0abn(r)n(r)n1n1n2n2階躍型光纖漸變型光纖4/4/2023562b2b2b2c2a2a2a

nnnn1n1n1

n2n2n2

n3

0abr0abr0acbr

（a）階躍光纖（b）漸變光纖（c）W型光纖

1.折射率分布多模光纖的折射分布，決定光纖帶寬和連接損耗。單模光纖的折射率分布，決定工作波長的選擇。4/4/2023572.最大理論數(shù)值孔徑光纖的數(shù)值孔徑（NA）對光源耦合效率、光纖損耗對微彎的敏感性和帶寬有著密切的關(guān)系，數(shù)值孔徑大，容易耦合，微彎敏感小，帶寬較窄。理論數(shù)值孔徑物理意義——表示光纖的集光能力。即凡是入射到圓錐角以內(nèi)的所有光線都可以滿足全反射條件，在芯包界面發(fā)生全反射，將光線束縛在纖芯內(nèi)沿軸向傳播。4/4/2023583.模場直徑模場直徑的定義，可以根據(jù)功率傳輸函數(shù)來表示，即在功率傳輸函數(shù)與橫向徑位的關(guān)系曲線上兩個(gè)1/e點(diǎn)之間的寬度就是模場直徑。多模光纖強(qiáng)調(diào)纖芯的直徑標(biāo)準(zhǔn)和一致性，而單模光纖卻不規(guī)定纖芯直徑，而由模場直徑代替纖芯直徑。其理由是，因在不同折射率分布情況下芯徑相同的光其模場分布是不相同的，光纖傳輸性能取決于模場分布。

4/4/202359因此，模場直徑是光纖的一個(gè)非常重要的參數(shù)，對施工來說，其一致性對連接損耗影響較大，模場直徑失配，偏差大時(shí)不僅增大連接損耗，而且由于失配在OTDR上反映出兩個(gè)方向的測值偏差大，造成連接損耗監(jiān)測工作的困難。ITU規(guī)定模場直徑為（9--10）±1μm。4.截止波長截止波長指的是，單模光纖通常存在某一波長，當(dāng)所傳輸?shù)墓獠ㄩL超過該波長時(shí)，光纖就只能傳播一種模式（基模）的光，而在該波長之下，光纖可傳播多種模式（包括高階模）的光。因此，截止波長是單模光纖保證單模傳輸?shù)臈l件，所以截止波長的定義是大于此波長時(shí)二階LP模（LP模的名稱來自英文LinearlyPolarizedMode，即線性偏振模）不再傳播。截止波長同其它參數(shù)的不同點(diǎn)是不恒定，而是隨長度不同而改變。要求單模光纖的截止波長一定要小于光通信系統(tǒng)的工作波長。4/4/202360截止波長為單模光纖所特有的結(jié)構(gòu)參數(shù)，它給出了保證單模光纖傳輸?shù)墓獠ㄩL范圍。所謂截止波長，是指高階模（Linearlypolarized（LP）mode線偏振模，下標(biāo)11為波形編號，表示沿半圓周數(shù)得的光斑個(gè)數(shù)為1和沿半徑數(shù)得的光斑個(gè)數(shù)也為1。）的截止波長。單模光纖傳輸系統(tǒng)工作波長必須大于截止波長的，否則，光纖將工作在雙模區(qū)，產(chǎn)生模式噪音和模式色散，從而導(dǎo)致傳輸性能惡化和帶寬下降。工作波長不宜偏離截止波長太遠(yuǎn)，以免有更多的光功率分布雜包層中，影響傳輸性能。截止波長對于光纖制造廠商、光纜用戶設(shè)計(jì)以及使用光纖的傳輸系統(tǒng)均有很大意義。由于實(shí)際的截止波長與光纖長度和所處狀態(tài)有關(guān)，1997頒布的ITU--G652文件從三個(gè)方面提出另外單模光纖的截止波長的定義：①理論截止波長：

式中，Vc為歸一化截止頻率，理想階躍光纖（即當(dāng)時(shí)），平方律光纖（即當(dāng)時(shí)）=3.518；n1為纖芯折射率；a為纖芯半徑；△為相對折射率差。4/4/202361理論截止波長是光纖的固有參數(shù)，與光纖長度和光信號狀態(tài)無關(guān)，是理想平直的一次涂覆后的光纖的截止波長。也可以認(rèn)為是光纖長度為0時(shí)候的截止波長，此截止波長沒有實(shí)際意義。②成纜光纖截止波長，通?？捎靡韵鹿絹砉浪悖撼衫|光纖的截止頻率反映了在典型敷設(shè)條件下光纜中光纖的截止波長，原ITU-T規(guī)定22m的光纜在進(jìn)行相應(yīng)彎曲后。測得的模的截止波長。顯然，這樣可使單模光纖工作在（歸一化頻率）小于的區(qū)域使的更多的光功率集中在纖芯內(nèi)，光場的約束性更佳，從而改善單模光纖的抗微彎性能，使得1550nm波長的微彎損耗減少。4/4/202362③跳線光纖的截止波長。一根兩端都帶有光纖活動連接器插頭的單芯或多芯光纜成為跳線。一般的跳線長度有2m、5m、10m、20m之分，其截止波長應(yīng)超過2m。對于跳線光纖截止波長的測量，ITU-T規(guī)定其基準(zhǔn)法為傳輸功率法，根據(jù)光纖中傳輸光功率隨波長變化的關(guān)系來確定截止波長；替代法為模場替代法，利用模場直徑法隨模場變化的曲線來確定截止波長。④有效截止波長。是指經(jīng)過一個(gè)制造長度或一個(gè)中繼段的光纖成纜后，模的截止波長。在實(shí)際中。對這4種截止波長有以下關(guān)系：⑸在討論光纖的傳輸頻帶時(shí)，首先要理解傳播模的含義時(shí)非常重要的。所謂模，實(shí)質(zhì)上是電子場的場形，它是電磁場在波導(dǎo)內(nèi)反射干涉的結(jié)果。在討論光纖的數(shù)值孔徑時(shí)，我們從幾何光學(xué)的觀點(diǎn)分析了光在光纖中的不同傳播情況。關(guān)于光纖模式的概念，也能從幾何光學(xué)的觀點(diǎn)比較直觀的得到有關(guān)的基本概念。4/4/202363簡單的說，在光纖的數(shù)值孔徑角內(nèi)，以某一角度射入光纖端面，并能在光纖的纖芯——包層界面上形成全內(nèi)反射的傳播光線，就可稱為一個(gè)光的傳輸模式。當(dāng)光纖的芯徑較大時(shí)，則在光纖的數(shù)值孔徑角內(nèi)，可允許光波以多個(gè)特定的角度射入光纖端面，并在光纖中傳播，此時(shí)，我們稱光纖中有多個(gè)模式。我們把這種能傳輸多個(gè)模式的光纖稱為多模光纖；當(dāng)光纖的芯徑很小時(shí)，光纖只允許與光纖軸一致的光線通過，即只允許一個(gè)基模，我們稱這種只允許傳輸一個(gè)基模的光纖為單模光纖。如下圖高次?；５痛文Ｐ景鼘铀?，以不同入射角射入在光纖端面上的光線，在光纖中形成不同的傳播模式。從光纖理論的分析，我們可以得到以下幾個(gè)有關(guān)的結(jié)論：高階模在階躍型多模光纖中，高階模的折射次數(shù)多于低階模。4/4/2023641.并不是任何形式的光波都能在光纖中傳輸?shù)模糠N光纖都只允許某些特定形式的光波通過，而其他形式的光波在光纖中無法存在。每一種允許在光纖中傳輸特定形式的光波稱為光纖的一個(gè)模式。2.在同一光纖中傳輸?shù)牟煌Ｊ降墓猓鋫鞑シ较颉鬏斔俣群蛡鬏斖緩讲煌?，受到光纖的衰減也不同。觀察與光纖垂直的橫截面就會看到不同模式的光波在橫截面上的場強(qiáng)分布圖形也不同，有的是一個(gè)亮斑，有的分裂為幾瓣。3.進(jìn)入光纖的光，在光纖的纖芯——包層界面上入射角大于臨界角時(shí)，在交界面內(nèi)發(fā)生全反射，而入射角小于臨界角的光就有一部分進(jìn)入包層被很快衰減掉。前者的傳輸損耗小，能遠(yuǎn)距離傳輸，稱為傳導(dǎo)模。4.能滿足全反射條件的光線也只有某些以特定的角度射入光纖端面的部分才能在光纖中傳輸，因此，不同模式的光的傳輸方向不是連續(xù)改變的。當(dāng)通過同樣一段光纖時(shí)，以不同角度在光纖中傳輸?shù)墓馑叩穆窂揭膊煌毓饫w軸前進(jìn)的光走的途徑最短，而與軸線交角大的光所走途徑長。4/4/202365機(jī)械特性光纖的機(jī)械特性是非常重要的。由于石英光纖機(jī)械性能比金屬導(dǎo)線差。因此，從光纖開發(fā)到大量應(yīng)用，人們花費(fèi)了大量精力、物力、進(jìn)行攻關(guān)。目前，光纖的研究、制造以及成纜、施工等部門，都在進(jìn)一步研究如何提高光纖的擴(kuò)張強(qiáng)度和使用壽命。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。1.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，具體如下：（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。4/4/2023662.光纖斷裂分析存在氣泡、雜物的光纖，會在一定張力下斷裂，如圖所示。但多數(shù)是由于光纖表面有一定的損傷程度，當(dāng)光纖受到一定的張力時(shí)，應(yīng)力首先集中于有微裂紋的地方（最薄弱點(diǎn)），如果超過該部位容許應(yīng)力時(shí)，則立即斷裂。光纖的斷裂強(qiáng)度與光纖裂紋的深度有關(guān)。如果光纖受到固定的拉伸張力，則應(yīng)力更集中于裂紋最深處，并使裂紋擴(kuò)大，直至斷裂。

光纖斷裂和應(yīng)力關(guān)系示意圖

4/4/202367光纖的壽命

光纖的壽命，我們習(xí)慣稱使用壽命，當(dāng)光纖損耗增大到以致系統(tǒng)開通困難時(shí)，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。光纖、光纜制造以及工程建設(shè)中，一般是按20年的使用壽命設(shè)計(jì)的，但光纖壽命因受使用環(huán)境（如溫度、潮氣以及靜態(tài)、動態(tài)疲勞）的影響，而不完全一致。據(jù)目前人們推測，用20年設(shè)計(jì)壽命的光纖，實(shí)際可能使用30年到40年。由于光纖的脆性，使表面不同程度存在微裂紋，這些裂紋便決定了光纖奉命。當(dāng)長期應(yīng)力作用于裂紋處，使傷痕達(dá)到斷裂應(yīng)力時(shí)，光纖即斷裂，因此光纖的斷裂壽命由達(dá)到斷裂時(shí)的時(shí)間確定。了解光纖的機(jī)械特性，對施工來說十分重要。一方面施工中應(yīng)注意張力。避免造成光纖斷裂。另一方面光纜安裝應(yīng)注意光纖接頭盒中光纖余長處理和光纜余留處的彎曲半徑及可能產(chǎn)生光纖殘余應(yīng)力的各種狀態(tài)。同時(shí)應(yīng)注意安裝環(huán)境，高、低溫影響和水、潮氣浸入，以減少光纖斷裂因素，使之延長使用壽命。4/4/202368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。低溫條件下光纖損耗增大，這是由于光纖涂覆層、套塑層同石英的膨脹系數(shù)不同，因而在低溫下光纖受到軸向壓縮力而產(chǎn)生微彎，導(dǎo)致?lián)p耗增大。右圖是光纖低溫特性曲線，當(dāng)隨著溫度的不斷降低，光纖損耗就不斷增大，當(dāng)降至-55℃左右時(shí)，損耗急劇增加，顯然這樣的系統(tǒng)是無法正常運(yùn)行的。目前光纖的低溫特性已普遍達(dá)到較好水平，一般在-20℃時(shí)，損耗增加在0.1dB/km以下，優(yōu)質(zhì)光纖在0.05dB/km以下。4/4/202369

光纖的低溫性能十分重要，對于架空光纜及北方地區(qū)線路，如低溫特性不良，將會嚴(yán)重影響通信質(zhì)量。施工中如遇到幾種溫度指標(biāo)的光纜，應(yīng)根據(jù)敷設(shè)方式、使用地段進(jìn)行配盤。光纜施工的接續(xù)，一般應(yīng)在不低于-5℃條件下進(jìn)行。若必須在低溫條件下進(jìn)行接續(xù)，應(yīng)在工程車或帳篷內(nèi)操作，并采用必要的取暖措施。4/4/202370幾何特性

光纖的幾何特性與施工工作緊密的聯(lián)系，為了使光纜線路實(shí)現(xiàn)光纖的低損耗連接，制造商對光纖的幾何特性進(jìn)行了嚴(yán)格的控制和篩選。光通信剛發(fā)展的頭幾年，施工部門在施工時(shí)須對光纖進(jìn)行配纖即將幾何參數(shù)偏差較小的光纖相接。

對于多模光纖，熔接時(shí)是靠光纖（裸纖）的外徑對準(zhǔn)來實(shí)現(xiàn)連接。因此，不僅對芯、包層的尺寸而且對芯/包層同心度，不圓度等提出了嚴(yán)格的要求。對于單模光纖，熔接時(shí)是靠纖芯對準(zhǔn)來實(shí)現(xiàn)連接的，它同樣對幾何特性要求很嚴(yán)。

光纖的幾何特性包括芯直徑、包層直徑、纖芯/包層同心度、不圓度和光纖翹曲度等。

纖芯直徑主要是對多模光纖的要求。階躍型光纖，纖芯、包層界限分明；但梯度型光纖，從包層折射率轉(zhuǎn)變到纖芯的最大折射率逐漸發(fā)生的，芯與包層的邊界不明顯，這給測量帶來困難。為了有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，ITU規(guī)定了具體的定義，即當(dāng)纖芯折射率與外邊均勻包層的折射率之差達(dá)到后者的一定比例的區(qū)域叫做纖芯。并規(guī)定多模光纖的芯直徑為50±3μm。4/4/202371

光纖的外徑是指裸纖的直徑。無論多模光纖、單模光纖，外徑必須保證合格的尺寸才能保證連接質(zhì)量。ITU規(guī)定通信光纖的外徑，多模、單模光纖均要求為125±3μm。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。

纖芯/包層同心度和不圓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，纖芯/包層同心度誤差≤6%（單模為＜1.0μm），芯徑不圓度≤6%，包層不圓度（包括單模）＜2%。

光纖翹曲度指在特定長度光纖上測量到的彎曲度，可用曲率半徑來表示彎曲度。翹曲度（即曲率半徑）數(shù)值越大，意味著光纖越直。(注：纖芯/包層同心度對接續(xù)損耗的影響最大，其次是翹曲度)4/4/202372非線性效應(yīng)和偏振模色散

常規(guī)光纖系統(tǒng)中，光功率不大，光纖呈現(xiàn)線性傳輸特性。而超高速系統(tǒng)廣泛采用的光放大器提高了入纖光功率，使光纖中的非線性效應(yīng)顯著起來。在這些高速率密集波分復(fù)用（DWDM）系統(tǒng)中，系統(tǒng)性能的主要限制因素是非線性效應(yīng)和偏振模色散（PMD）。1.光纖的非線性效應(yīng)

線性或非線性指的是光在其中傳輸?shù)慕橘|(zhì)的性質(zhì)，而非光本身的性質(zhì)。在強(qiáng)電場的作用下，任何介質(zhì)都呈現(xiàn)非線性，光纖也不例外。當(dāng)傳輸介質(zhì)受到光場的作用時(shí)，組成介質(zhì)的原子或分子內(nèi)的電子相對于原子核發(fā)生微小的位移或振功，使介質(zhì)產(chǎn)生極化，也就是說，光場的存在尤其是強(qiáng)光場的作用使得介質(zhì)的特性發(fā)生了變化。在光纖通信系統(tǒng)中，高輸出功率的激光器和超低損耗單模光纖的使用，使得光纖的非線性效應(yīng)愈來愈顯著。這是因?yàn)閱文９饫w中的光場主要束于很細(xì)的纖芯內(nèi)，場強(qiáng)非常高，低損耗又使得高場強(qiáng)可以維持很長距離的緣故。4/4/202373

光纖中的非線性效應(yīng)，一方面可以引起傳輸信號的附加損耗，信道之間的串話，信號頻率的移動等，這是其不利的一面；另一方面又可以利用其開發(fā)新型器件，如激光器、放大器、調(diào)制器等。新興的光孤子通信方式就是利用光纖的非線性效應(yīng)來克服色散的影響，使通信速率極大地提高，傳輸距離極大地延長。2.主要的非線性效應(yīng)光纖中典型的非線性效應(yīng)有自相位調(diào)制效應(yīng)（SPM)和交叉相位調(diào)制效應(yīng)（XPM）、受激拉曼散射（SRS）、受激布里淵散射（SBS）和四波混頻（FWM）等。4/4/202374偏振模色散產(chǎn)生的原因在單模光纖傳輸系統(tǒng)中，光波的基模含有兩個(gè)相互垂直的偏振態(tài)。理想光纖的幾何尺寸是均勻的，且沒有應(yīng)力，因而光波在這兩個(gè)相互垂直的偏振態(tài)以完全相同的速度傳播，在光纖的另一端沒有任何延遲。然而，在實(shí)際的光纖中，兩個(gè)相互垂直的偏振模以不同的速度傳播，因而到達(dá)光纖另一端的時(shí)間也不同。這兩個(gè)相互垂直的偏振模在單位長度中的時(shí)間差，即是偏振模色散（PMD）,其單位為。偏振模色散對系統(tǒng)性能的影響是：引起脈沖展寬，增加了碼間干擾，從而限制了傳輸速率。偏振模色散不是一種穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象，隨周圍溫度和壓力條件而變化。引起偏振模色散的因素可以是內(nèi)在的，如在制造過程所產(chǎn)生的纖芯或包層的不對稱性和玻璃表面的應(yīng)力；也可以是外在的，如外部應(yīng)力、彎曲和扭曲等因素。這此因素和距離結(jié)合在一起引起雙折射和模藕合，從而產(chǎn)生偏振模色散。雙折射是指玻璃的折射率是沿軸向變化的。由于兩個(gè)偏振模的傳播速度不同，因而引起接收信號的延遲。模耦合是指在兩個(gè)偏振模之間的能量傳遞而引起的脈沖擴(kuò)展和延遲。4/4/202375

偏振模色散的影響當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸速率較低和距離相對較短時(shí)，偏振模色散對單模光纖系統(tǒng)的影響微不足道。隨著對帶寬需求的增長，特別是在10Gbit/s及更高速率的系統(tǒng)中，偏振模色散開始成為限制系統(tǒng)性能的因素，因?yàn)樗鼤疬^大的脈沖展寬或造成過低的信噪比。例如，對10Gbit/s信號，信號周期為100ps，允許光纜偏振模色散的平均值為10ps。ITU-T所建議的0.5,對一般10Gb/s信號的傳輸距離不會有明顯的影響。但過去已敷設(shè)的光纜，這一指標(biāo)可能高達(dá)1.64，此時(shí)傳輸距離僅為37km，使10Gbit/s信號的長距離傳輸成問題，有的甚至開通2.5Gb/s系統(tǒng)都困難。由此推知，高于10Gbit/s（如40Gb/s）速率時(shí)，偏振模色散的影響將成為至關(guān)重要的考慮因素，需要慎重對待。4/4/202376光纜的結(jié)構(gòu)

光纜是以一根光纖、多根光纖束或光纖帶加上外護(hù)套制成符合光學(xué)、機(jī)械和環(huán)境特性指標(biāo)要求的纜結(jié)構(gòu)實(shí)體。光纜的結(jié)構(gòu)直接影響系統(tǒng)的傳輸質(zhì)量，而且與施工也有較大的關(guān)系。施工人員在敷設(shè)光纜前，必須了解光纜的結(jié)構(gòu)和性能。不同結(jié)構(gòu)和性能的光纜；工程施工應(yīng)按所選用光纜的結(jié)構(gòu)、性能，采取正確的操作方法，完成傳輸線路的建設(shè)，并確保光纜的正常使用壽命。光纜設(shè)計(jì)的原則光纖在通信領(lǐng)域內(nèi)的廣泛應(yīng)用，要求設(shè)計(jì)制造各種各樣結(jié)構(gòu)的光纜。設(shè)計(jì)光纜，必須規(guī)定光纜的結(jié)構(gòu)尺寸和所用材料。設(shè)計(jì)光纜的一般原則如下：（1）光纖的余長：根據(jù)每管光纖芯數(shù)和余長要求，設(shè)計(jì)松套管尺寸。當(dāng)松套管是用來制作中心束管式光纜時(shí)，松套管中光纖余長應(yīng)在0.25%左右；當(dāng)松套管是用來制作層絞式光纜時(shí)，松套管中光纖余長應(yīng)在0.02%左右。4/4/202377（2）機(jī)械強(qiáng)度：根據(jù)對光纜機(jī)械強(qiáng)度要求，合理選擇光纜中的加強(qiáng)構(gòu)件、直徑以及護(hù)層結(jié)構(gòu)、鎧裝結(jié)構(gòu)等。光纜的抗拉強(qiáng)度主要靠加強(qiáng)構(gòu)件提供；光纜抗側(cè)壓力主要靠護(hù)層或鎧裝層提供。光纜防水防潮，主要靠鋁—塑粘結(jié)護(hù)套或鋼—塑粘結(jié)護(hù)套，以及纜中的阻水油膏和阻水材料提供。（3）使用場合：根據(jù)光纜的使用場合，使用不同結(jié)構(gòu)的光纜，滿足使用場合的要求。（4）阻水：要注意選用阻水油膏，特別是松套光纖用阻水油膏的溫度特性要好，不能有淅油等。（5）光纜結(jié)構(gòu)：合理的光纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，應(yīng)使松套管盡量靠近光纜中起支承作用的部件。同時(shí)，合理的光纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，應(yīng)對光纖起到最佳的機(jī)械保護(hù)。在光纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，在保證光纜所要求的特性下，應(yīng)盡量使光纜橫截面積小，單位長度重量輕，發(fā)揮光纜本身所應(yīng)具有的優(yōu)點(diǎn)。4/4/202378

光纜結(jié)構(gòu)中所用材料及其性能

光纜主要是由光導(dǎo)纖維、高分子材料套塑保護(hù)套管、金屬－塑料復(fù)合帶和加強(qiáng)件構(gòu)成；光纜是一定數(shù)量的光纖按照一定方式組成纜心，外包有護(hù)套，有的還包覆外護(hù)層，用以實(shí)現(xiàn)光信號傳輸?shù)囊环N通道。即:由光纖(光傳輸載體)經(jīng)過一定的工藝而形成的線纜.光纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)是根據(jù)系統(tǒng)通信容量、使用環(huán)境條件、敷設(shè)方式、制造工藝等，通過合理選用各種材料來賦予光纖抵抗外界機(jī)械作用力、溫度變化、水作用等保護(hù)。下一頁圖所示的是所用材料種類最多的GYTY53＋333層絞式鋼帶縱包雙層鋼絲鎧裝光纜的橫斷面。由圖可知，層絞式鋼帶縱包雙層鋼絲鎧裝光纜是由光纖、高分子材料、皺紋鋼塑復(fù)合帶、雙層鋼絲鎧裝層和金屬加強(qiáng)件等共同構(gòu)成的。通常，除了光纖外，構(gòu)成光纜的材料可分為三大類：（1）高分子材料：松套管材料、聚乙烯護(hù)套料、無鹵阻燃護(hù)套料、聚乙烯絕緣料、阻水油膏、阻水帶、聚酯帶。（2）金屬－塑料復(fù)合帶：鋼塑復(fù)合帶、鋁塑復(fù)合帶。（3）中心加強(qiáng)件：磷化鋼絲、不銹鋼絲、玻璃鋼圓棒等。4/4/202379GYTY53＋333層絞式鋼帶縱包雙層鋼絲鎧裝光纜橫斷面圖4/4/202380

在光纖傳輸、機(jī)械特性優(yōu)異，光纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，成纜工藝完善的前提下，光纜的機(jī)械、溫度、阻水等特性主要取決于所選用的各種材料的性能及其匹配的好壞。只有保證了所使用的各種材料的性能和各類材料的綜合性能，光纜的機(jī)械、溫度、阻水、壽命等實(shí)用性能才能得到根本保障。4/4/202381光纜結(jié)構(gòu)光纜的基本結(jié)構(gòu)一般由纜芯、加強(qiáng)構(gòu)件、填充物和護(hù)層等幾部分構(gòu)成，除了這些基本結(jié)構(gòu)之外，根據(jù)實(shí)際需要，還要有防水層、緩沖層、絕緣金屬導(dǎo)線等構(gòu)件。（1）纜芯：為了進(jìn)一步保護(hù)光纖，增加光纖的強(qiáng)度，一般將帶有涂覆層的光纖再套上一層塑料層，通常稱為套塑，套塑后的光纖稱為光纖芯線。將套塑后且滿足機(jī)械強(qiáng)度要求的單根或者多根光纖芯線以不同的形式組合起來，就組成了纜芯。多芯光纜一般由緊結(jié)構(gòu)或者松結(jié)構(gòu)為單位組成單元式結(jié)構(gòu)，或者在松結(jié)構(gòu)的套管中放入多芯光纖組成的。緊結(jié)構(gòu)光纜的主要形式是絞合型光纜，將光纖以一定的節(jié)距絞合成光纜，并被包圍在塑料之中，以中心的強(qiáng)度元件來承受張力。松結(jié)構(gòu)光纜中光纖具有較大的活動空間。光纜纜芯的基本結(jié)構(gòu)（基本纜芯組件）大體上有層絞式、骨架式和束管式等三種。4/4/202382（2）加強(qiáng)構(gòu)件：加強(qiáng)構(gòu)件的作用是增加光纜的抗拉強(qiáng)度，提高光纜的機(jī)械性能。光纜中的加強(qiáng)構(gòu)件一般應(yīng)該具有以下條件：①高楊式模量；（注：楊氏模量是描述材料抵抗形變能力的物理量，該值越大，材料越不容易變形）。②加強(qiáng)構(gòu)件的屈服應(yīng)力大于光纜的給定應(yīng)力；③單位長度的重量較?。虎芸箯澢阅芤?，一般光纜的加強(qiáng)構(gòu)件采用鍍鋅鋼絲、鋼絲繩、不銹鋼絲或者高強(qiáng)度塑料加強(qiáng)構(gòu)件等。加強(qiáng)構(gòu)件一般位于光纜的中心，也有位于護(hù)層的，稱為護(hù)層加強(qiáng)構(gòu)件。表面經(jīng)常要包有一層塑料，保證加強(qiáng)構(gòu)件與光纖接觸的表面光滑并具有一定的彈性。（3）護(hù)層結(jié)構(gòu)：護(hù)層的主要作用是保護(hù)纜芯，提高機(jī)械性能和防護(hù)性能。不同的護(hù)層結(jié)構(gòu)適合不同的敷設(shè)條件。光纜的護(hù)層分為外護(hù)層和護(hù)套兩部分。護(hù)套用來防止鋼帶、加強(qiáng)構(gòu)件等金屬構(gòu)件損傷光纖，外護(hù)層進(jìn)一步增強(qiáng)光纜的保護(hù)作用。（4）填充結(jié)構(gòu)：填充結(jié)構(gòu)用來提高光纜的防潮性能，在光纜纜間空隙中注入填充物，以防止水汽進(jìn)入光纜。4/4/202383光纜的結(jié)構(gòu)

下邊介紹國內(nèi)幾種型號的光纜結(jié)構(gòu)情況，了解不同光纜的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。1允許拉力（N）短期1500長期6002允許側(cè)壓力（N/10cm）短期1000長期8003敷設(shè)方式架空、管道、直埋光纜外徑10.2mm光纜重量120kg/kmPE護(hù)套PSP帶鋼絲加強(qiáng)件阻水層松套管光纖用填充物UV光纖中心管式光纜4/4/20238485層絞式光纜UV光纖光纖油膏松套管扎紗及填充物復(fù)合鋼帶纜芯填充物PE外護(hù)套中心加強(qiáng)件光纜型號：GYTA、GYTS適用范圍：架空，管道機(jī)械抗拉強(qiáng)度短期拉伸力(N):1500長期拉伸力(N):600特性抗壓強(qiáng)度短期側(cè)壓力(N/100mm):1000長期側(cè)壓力(N/100mm):800光纜外徑:約11～12mm光纜重量:約150～180kg/km4/4/20238586層絞式直埋光纜UV光纖光纖油膏松套管扎紗及填充物鋼帶鎧裝層纜芯填充物PE內(nèi)護(hù)套中心加強(qiáng)件PE外護(hù)套阻水層光纜型號：GYTY53

適用范圍：直埋機(jī)械抗拉強(qiáng)度短期拉伸力(N):3000長期拉伸力(N):1000特性抗壓強(qiáng)度短期側(cè)壓力(N/100mm):3000長期側(cè)壓力(N/100mm):1000光纜外徑:約14.2(16.4)mm光纜重量:約200(270)kg/km4/4/202386光纜外形及截面圖4/4/202387光纜的分類光纜的種類較多，其分類的方法就更多。它的很多分類，不如電纜分類那樣單純、明確。下面介紹一些我們習(xí)慣的分類。1.根據(jù)傳輸性能、距離和作用，光纜可分為市話光纜、長途光纜、海底光纜和用戶光纜。2.按光纖的種類可分為多模光纜、單模光纜；按為纖套塑可分為緊套光纜、松套光纜、束管式光纜和帶狀多芯單元光纜。3.按光纖芯數(shù)的多少可分為單芯光纜、雙芯光纜、四芯光纜、六芯光纜、八芯光纜、十二芯光纜、二十四芯光纜等。4.按加強(qiáng)構(gòu)件配置方法可分為中心加強(qiáng)構(gòu)件光纜（如層絞光纜、骨架光纜等），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（如束管鋼絲輕鎧光纜和PE護(hù)外層加一定數(shù)量的細(xì)鋼絲即PE細(xì)鋼絲綜合護(hù)層光纜）。5.按敷設(shè)方式可分為管道光纜、直埋光纜、架空光纜和水底光纜。4/4/2023886.按護(hù)層材料性質(zhì)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。7.按傳輸導(dǎo)體、介質(zhì)狀況可分為無金屬光纜、普通光纜（包括有銅導(dǎo)線作遠(yuǎn)供或聯(lián)