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(dǎo)纖維，是用來導(dǎo)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(guān)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.按制造材料分石英光纖、塑料光纖、多成分玻璃光纖等。2.1.3光纖的制造工藝光纖是由圓柱形預(yù)制棒拉制而成的，因而光纖的生產(chǎn)工藝包括預(yù)制棒的制造和拉絲工藝。

化學汽相沉積法（MCVD)是目前使用最廣泛的預(yù)制棒生產(chǎn)工藝。2.2光纖傳輸原理2.2.1基本光學定義和定律

光在均勻介質(zhì)中是沿直線傳播的，其傳播速度為v=c/n 式中：c＝2.997×105km/s，是光在真空中的傳播速度；n是介質(zhì)的折射率(空氣的折射率為1.00027，近似為1；玻璃的折射率為1.45左右)。

反射定律：反射光線位于入射光線和法線所決定的平面內(nèi)，反射光線和入射光線處于法線的兩側(cè)，并且反射角等于入射角，即：θ′=θ。 折射定律：折射光線位于入射光線和法線所決定的平面內(nèi)，折射光線和入射光線位于法線的兩側(cè)，且滿足：n1sinθ1=n2sinθ22.2.2光纖中光的傳播

一束光線從光纖的入射端面耦合進光纖時，光纖中光線的傳播分兩種情形：一種情形是光線始終在一個包含光纖中心軸線的平面內(nèi)傳播，并且一個傳播周期與光纖軸線相交兩次，這種光線稱為子午射線，那個包含光纖軸線的固定平面稱為子午面；另一種情形是光線在傳播過程中不在一個固定的平面內(nèi)，并且不與光纖的軸線相交，這種光線稱為斜射線。1.子午射線在階躍型光纖中的傳播階躍型光纖是由半徑為a、折射率為常數(shù)n1的纖芯和折射率為常數(shù)n2的包層組成，并且n1>n2，如圖2.6所示。圖2.6光線在階躍型光纖中的傳播2.子午射線在漸變型光纖中的傳播漸變型光纖與階躍型光纖的區(qū)別在于其纖芯的折射率不是常數(shù)，而是隨半徑的增加而遞減直到等于包層的折射率。3.斜射線在光纖中的傳播斜射線在光纖中的傳播也滿足光傳播的三大定律，只不過不能用二維的平面圖直觀的表示出來。2.2.3光纖傳輸?shù)牟▌永碚?/p>

所謂光纖傳輸?shù)牟▌永碚摼褪茄芯抗庠诠饫w中傳播時的電磁場分布情況。光與無線電波或X射線一樣都是電磁波，同樣滿足電磁波方程即麥克斯韋方程。當電磁波在沒有電流和電荷的線性均勻介質(zhì)上傳播時，麥克斯韋方程可以簡化為波動方程，用公式表述為：

電場E和磁場H都有三個分量，它們的解都具有下列形式（以Ez為例）：

其中A是場的幅度，ω是角頻率，β為傳播常數(shù)。所謂光在光纖中的傳輸模式就是波動方程的一個個穩(wěn)態(tài)解。只要求解出麥克斯韋方程的穩(wěn)態(tài)解就可以知道光在光纖中傳輸時的電磁場分布，也就得到了光線的傳輸模。光纖的主束要特性參綁數(shù)包括：癥數(shù)值孔徑才、歸一化豎頻率、截脫止波長、約模場直徑剪、色散特徐性、損耗海特性及傳真輸帶寬。2.3光纖的特迫性參數(shù)一、數(shù)解值孔徑（1）階躍拉型光纖僵的數(shù)值蓬孔徑其中Δ=(背n1-板n2)嶺/n1為纖芯與膀包層相對畢折射率差（2）漸變惰型光纖尿的數(shù)值游孔徑(本地數(shù)值三孔徑）二、歸一級化頻率歸一化頻給率又稱歸吊一化波導(dǎo)降寬度，它啦決定光纖尋中傳輸模誘式的數(shù)量臺。歸一化怎頻率定劃義為：在階躍毫型光纖險中，傳制輸模式按的數(shù)量幕為：在漸變辮型光纖計中，傳粗輸模式售的數(shù)量測為三、截蹦止波長在光纖亡中傳播湖的各個肝模式都餅有其自憐身的歸哈一化截仍止頻率Vc，當光尤纖的實抹際歸一馬化頻率舟大于某炸一模式告的截止抵頻率時熱，該模稼式可以寫在光纖墻中導(dǎo)行魂，否則于該模式劃截止。曾對應(yīng)于略截止頻五率的波艇長就叫陸做截止否波長。當光纖導(dǎo)的歸一沖化頻率消滿足時，光纖產(chǎn)中只能傳怒播一種模填式，即光鎮(zhèn)纖的單模襲傳輸。即保證光藝纖單模傳牲輸?shù)臈l件助是：或四、千模場直幟徑模場直徑碑就是單模卷光纖中基已模光斑的罪大小。一版般用下式甜估計：模場直徑咽一般越小求越好，有利于脊增加光虎纖的抗煤彎性能牧，但減系小模場粒直徑必麗然要增符加相對思折射率蓋差,從而會餐導(dǎo)致光胃纖色散滑的增加。五、光督纖的色槍散特性光纖的豪色散是懼指由于希光纖中脂傳輸?shù)牟⌒盘柺桥刹煌钩煞值募鈹y帶居的，它競們在傳去輸過程苦中速度溝不同，先從而產(chǎn)光生時間祥延遲引喪起波形撓失真的倆一種物逆理現(xiàn)象爐。光纖的色諒散通常用海時延差來監(jiān)表示，色付散越嚴重宣，時延差譽就越大。天其單位一憐般為ns/k喜m,窩ps/k膜m。光纖的色糖散一般包累括模式色散牲、材料色最散和波導(dǎo)色左散。（1）模式色罰散：指在光纖坑中由于各高模式的軸漸向速度不檢同，使得爺?shù)竭_終點脖的時間不坊同而引起隔的脈沖展息寬。階躍型光咱纖的模式點色散設(shè)光纖興長度為L，纖芯折械射率為n1，空氣中的星光速為c，則纖遇芯中的某光速為最低次寸模沿光騾纖軸線躬前進，鴿所走長飄度為L，其傳輸鬼所用的時竹間最短蔬，為最高次蘆模走的云路徑最突長，為L/s皮in，（搞為產(chǎn)劇生全反肅射的臨思界角）動其傳輸翻所用的只時間最做長，為圖2.7階躍型多勺模光纖中傭最高模和臟最低模的禽傳輸示意仍圖最高次濫模和最腦低次模迅之間的愈傳輸時嫩間差為瓦：由于所以最高次休模和最很低次模疾的單位以長度時門延差稱暢為最大時延煌差，即模式寒色散Δ為最大拴值由此可見斷，光纖的寨模式色散乞時延差與化相對折射率差成正功比，相對象折射率差旗越大時延罷差越大，討故希望相樂對折射率妙差越小越偶好。漸變型光敗纖的模式瘋色散漸變型籍光纖的播子午線欠軌跡近獅似為正變弦波，禮由于折射率初的分布咬使得寬各光線罷到達終必點的時因間幾乎禿相同，扶因此漸偉變型光看纖的模妙式色散危很小幾新乎為零愚。漸變型光做纖模式色塑散的計算沈公式為：（2）材料譽色散材料色散專是指由于具構(gòu)成光纖顛的材料的專折射率隨提傳輸光波境的頻率而擴變化，導(dǎo)噸致模內(nèi)不蓬同頻率信召號的傳輸暮速度不同潤而引起的休色散。材料色蔑散的計掀算公式緊為：（3）波導(dǎo)撓色散波導(dǎo)色散虎是由光纖罵的幾何結(jié)漠構(gòu)所引起有的色散。咱其產(chǎn)生原采因是由于挽光纖的包汗層和纖芯塘折射率相仔差很小，案光線在其惕交界面上奏產(chǎn)生全反服射時，有財可能有一房誠部分光進柴入包層中襲傳輸。在沸傳輸一定深距離后，勒這部分光誰又有可能衛(wèi)回到纖芯衛(wèi)進行傳輸除，這樣傳矛輸將導(dǎo)致范模內(nèi)各信杰號的速度柱不同，從傻而引起色勤散。一般來說加，入射光封的波長越慕長，進入笛包層的光強比戲例就越患大，波蘇導(dǎo)色散文就越大悠。波導(dǎo)色散若和材料色聚散都和入的射光的波疫長有關(guān)，輸故又統(tǒng)稱吵為波長色周散。（5）三種色捎散的比較模式色慕散>材料色饅散>波導(dǎo)色曠散對于階杯躍型光脈纖,模式色倦散占主暮要地位,其次是材料色散性和波導(dǎo)色虛散。對于漸變垃型光纖，幟模式色散阿和波導(dǎo)色靜散可以忽尖略，主要恨考慮材料上色散。對于理占想單模婆光纖，品無模式裁色散，砍只有材愧料色散馳和波導(dǎo)控色散。光纖總蔥色散等減于一般逗可用公米式計算從多模階傭躍型光纖壯到多模漸借變型光纖里到單模光登纖，色散罷依次減小闖。六、光毀纖的損猛耗特性光纖的損挨耗系數(shù)定奏義為單位降長度光纖妻光功率衰腎減的分貝斃數(shù)光纖的羨損耗大排致可分財為光纖喜本身具椒有的固有損龜耗和由使擇用條件登造成的附加損殺耗兩部分歷。固有眨損耗包陵括吸收旱損耗和披散射損璃耗；附卵加損耗將包括耦辮合損耗很、彎曲盛損耗和救接續(xù)損部耗等。1.吸收損樸耗吸收損耗他是指由于名組成光纖捏的材料及近其中的雜質(zhì)對光波甩的吸收，閥使一部分建光能轉(zhuǎn)變倡為散失的熟熱能，從充而造成光丈功率的損陵失。吸收損耗設(shè)包括本征削吸收損耗員、雜質(zhì)吸舞收損耗和搬原子缺陷穿吸收損耗栽。2.散射損耗散射損燈耗是指勉由遠小歡于波長幼的不均繳勻（如冤折射率維的不均沒勻性、謝摻雜離每子濃度價不均勻須等）引菌起光的情散射而走造成的怨損耗。散射損岡耗包括瑞利散射統(tǒng)損耗和結(jié)構(gòu)不完希善散射損鹿耗。3.附加損物耗（1）彎曲損迅耗（2）接續(xù)損以耗（3）耦合損甜耗4.實用光書纖的損檢耗光纖的粘總損耗α與波長遲的關(guān)系鄰可以用躲下式表雖示：其中：A為瑞利飛散射損證耗系數(shù)教，B為結(jié)構(gòu)醒缺陷散芝射損耗絮系數(shù)，CW(λ),IR樸(λ),U括V(λ)分別為祥雜質(zhì)吸旅收、紅于外吸收鳥和紫外障吸收產(chǎn)祥生的損穩(wěn)耗。從多?？齐A躍光獸纖到多弱模漸變要型光纖閣到單模孤光纖，符損耗依盲次減小則。七、傳細輸帶寬光纖的色散和溜帶寬描述的尾是光纖井的同一岸特性。纏其中色犬散特性惑是在時食域中的存表現(xiàn)形悲式，即師光脈沖鳥經(jīng)過光差纖傳輸識后脈沖描在時間既坐標軸慶上展寬隊了多少則；而帶沃寬特性省是在頻線域中的聾表現(xiàn)形差式，在葉頻域中病對于調(diào)徒制信號助而言，歡光纖可君以看作晉是一個下低通濾救波器，偉當調(diào)制富信號的垃高頻分叫量通過閃光纖時挑，就會璃受到嚴詳重衰減款，如圖2.8所示。圖2.8光纖的雪帶寬(f為調(diào)制信蘭號頻率)帶寬是光低纖的重要傾參數(shù)，它籌與色散有己著直接的透關(guān)系：其中：為光脈沖的3dB帶寬，Δτ單位為ns/km.通常把調(diào)肺制信號經(jīng)沸過光纖傳越播后，光京功率下降單一半(即激3dB)時的頻率尸(fc)的大小棒，定義盒為光纖去的帶寬(B)。由于它茫是光功倒率下降恒3dB對應(yīng)的巧頻率，孫故也稱久為3dB光帶寬。光纖的險總帶寬橡可由經(jīng)茅驗公式墓：給出。其中：L為光纖來長度，敏單位為km，r為帶寬距軋離指數(shù)，對增于多模光墓纖取值舒在0.5-濱0.9之間，一索般取0.7，對于單涉模光纖取1。2.4俱光舊纜2.4詳.1供光纜滅的典型蹲結(jié)構(gòu)1.光烈纜的構(gòu)造光纜的構(gòu)戶造一般分殿為纜芯和堅護層兩大狠部分。纜芯纜芯通常笛包括芯線諸和加強件坦兩部分。瓦在光纜的葡構(gòu)造中，智纜芯是主捕體，其結(jié)齡構(gòu)是否合帥理，與光定纖的安全昌運行關(guān)系射很大。一般來披說，纜延芯結(jié)構(gòu)吃應(yīng)使光紹纖在纜洞芯內(nèi)處嚇于最佳藍位置和臟狀態(tài)，臘保證光喉纖傳輸關(guān)性能穩(wěn)超定，在努光纜受拐到一定介的外力本時，光崇纖不應(yīng)柔承受外聚力影響翻；多芯壩光纜還鼠要對光碼纖進行屋著色以賤便于識楚別；為埋防止氣鑄體和水據(jù)分子浸遠入，纜鏡芯中應(yīng)途具有各遺種防潮珠層并填彈充油膏供；另外沙纜芯截碧面應(yīng)盡筋可能小決，以降悔低成本造和敷設(shè)樓空間。護層光纜護層觀同電纜護使層的情況代一樣，是過由護套和節(jié)外護層構(gòu)捧成的多層國組合體。教其作用是睡進一步保候護光纖，弱使光纖能謙適應(yīng)在各豪種場地敷怕設(shè)，如架揪空、管道辭、直埋、娛室內(nèi)、過象河、跨海廳等。對于持采用外周加強衣元件的光纜嫌結(jié)構(gòu)，粗護層還勇需提供知足夠的絹抗拉、手抗壓、曠抗彎曲慶等機械堡特性方帖面的能坡力。2.光鋤纜的典型浴結(jié)構(gòu)光纜的歸基本結(jié)象構(gòu)按纜吩芯組件具的不同四一般可輛以分為層絞式、軋骨架式、正中心束管蘆式和帶狀式四種，混如圖2插.21某所示。孤我國及蓄歐亞各層國用的桑較多的貼是傳統(tǒng)纏結(jié)構(gòu)的膀?qū)咏g式凡和骨架喬式兩種強。圖2.丑21光炎纜的典蟻型結(jié)構(gòu)啟示意圖2.4辛.2汽光纜道的種類禮與型號1.碌光纜的尸種類光纜的種踢類很多，罵其分類方嘴法也很多羨，習慣的票分類有：訴根據(jù)光遺纜的傳桿輸性能址、距離勁和用途，光纜可者以分為市競話光纜、唱長途光纜騾、海底光恨纜和用戶請光纜；根據(jù)光海纖的種曠類，光纜臨可以分蠟為多模歲光纜、雪單模光協(xié)纜；根據(jù)光纖掛套塑的種壞類，光纜可倡以分為緊貿(mào)套光纜、堤松套光纜冶；根據(jù)光遷纖芯數(shù)糟的多少，光纜藏可以分駱為單芯悼光纜和福多芯光王纜等等盡；根據(jù)加強安構(gòu)件的配稍置方式，光纜可趟以分為中獅心加強構(gòu)攻件光纜(醉如層絞式賓光纜、骨及架式光纜損等)、分胃散加強構(gòu)蔥件光纜(壟如束管式譯光纜)和罵護層加強糾構(gòu)件光纜努(如帶狀匪式光纜)盯；根據(jù)敷懶設(shè)方式，光纜覆可以分季為管道溜光纜、惹直埋光趙纜、架遼空光纜懶和水底駛光纜；努根據(jù)護豎層材料匆性質(zhì)，光纜鴨可以分社為普通聯(lián)光纜、花阻燃光蛾纜和防閑蟻、防翁鼠光纜融等。2.光張纜的型號響光纜的刑型號由光纜形呼式代號和光纖規(guī)格躍代號兩部分再組成。（1）光纜蛛的型式演代號光纜的型蠟式代號是膨由分類、炊加強構(gòu)件創(chuàng)、派生(玩形狀、特喬性等)、溫護套和外夫護層五部禽分組成，織如圖2.斬22所示砌。圖2.妨22輕光纜瘋的型式塔代號①光悄纜分類代笛號及其意儉義GY：通信用室鄉(xiāng)豐(野)外后光纜；GR：通信用桿軟光纜啄；GJ：通信用室箱(局)內(nèi)劑光纜；GS：通信用視設(shè)備內(nèi)燃光纜；殖GH：通信用海匙底光纜；股GT：通信用特蓄殊光纜；荷GW：通信用遵無金屬科光纜。②加旋強構(gòu)件的英代號及其夢意義無符號楊：金屬搜加強構(gòu)妄件；F：非金屬加裂強構(gòu)件；風G：金屬重型堵加強構(gòu)件穗；H：非金屬熄重型加騾強構(gòu)件輛。③共派生特暢征的代遇號及其壞意義B：扁平式那結(jié)構(gòu)；寄Z：自承式結(jié)腐構(gòu)；T：填充式結(jié)繁構(gòu)；S：松套結(jié)摘構(gòu)。注：當光豪纜型式兼優(yōu)有不同派概生特征時慎，其代號窄字母順序并列。④護塌套的代號休及其意義Y：聚乙烯迎護套；統(tǒng)V：聚氯乙藏烯護套疊；U：聚氨酯控護套；閘A：鋁、聚乙誘烯護套；概L：鋁護套；扒Q：鉛護套；體G：鋼護套；招S：鋼、鋁、曾聚乙烯綜前合護套。⑤外護角層的代號舒及其意義外護層是屬指鎧裝層肢及鎧裝層揭外面的外飲被層，采虹用兩位數(shù)軍字表示，動各代號的走意義如表佩2.4所醋示。(2)與光纖傳的規(guī)格訊代號光纖的規(guī)膽格代號由勿光纖數(shù)目之、光纖類脖別、光纖百主要尺寸床參數(shù)、傳且輸性能和舟適用溫度負五部分組叢成，各部坐分均用代袖號或數(shù)字亮表示。①光纖夢數(shù)目用光纜中淘同類別光奇纖的實際繪有效數(shù)目血的阿拉伯字數(shù)字表示潛。②光纖私類別的代點號J：二氧化硅珠系多模漸厚變型光纖宮；T：二氧化硅攜系多模階錄躍型光纖裕；Z：二氧化械硅系多郊模準突烏變型光址纖；D：二氧化硅煙系單模光痰纖；X：二氧化硅咐纖芯塑料河包層光纖對；S：塑料光泉纖③光纖養(yǎng)的主要尺導(dǎo)寸參數(shù)代姿號用阿拉陜伯數(shù)字睡(含小喪數(shù)點)驚以μm為單位表字示多模光腹纖的芯徑朗/包層直久徑或單模愉光纖的模拋場直徑/胡包層直徑恒。④傳輸創(chuàng)性能代號光纖的懶傳輸特立性代號挎是由使項用波長姜、損耗削系數(shù)、辮模式帶尺寬的代市號(分捧別為a、bb、cc)構(gòu)成。其中a表示使毛用波長皇的代號習，為一妨位數(shù)，尖其數(shù)字鹽代號規(guī)腰定如下弓：1：使用隸波長在0賴.85μm區(qū)域；叛2：使用壘波長在1形.31μm區(qū)域；3：使用朵波長在1蠻.55μm區(qū)域。bb表示損耗旗系數(shù)的代粘號，其數(shù)清字依次為慈光纜中光上纖損耗系污數(shù)值(dB/km)的個位唱和十分守位。cc表示模式返帶寬的代眠號，其數(shù)郊字依次是情光纜中光牌纖模式帶梳寬數(shù)值(MHz·km)的千位和呢百位數(shù)字染。單模光你纖無此項炭。注意：同一光希纜適用于燭兩種以上愚的波長，棟并具有不塑同的傳輸善特性時，導(dǎo)應(yīng)同時列組出各波長扁上的規(guī)格焰代號，并總用"/"蒙劃開。⑤適扛用溫度墊代號A：適用于唯-40姻℃~遷+4交0℃；B：適用于-酒30℃鋤~+5衣0℃；C：適用于-童20℃巨~+6奶0℃；D：適用于-蜘5℃~木+60℃?zhèn)?。光纜中底還附加喂金屬導(dǎo)棟線（對拿、組）脖編號，請其符合觀有關(guān)電番纜標準閃中導(dǎo)電絡(luò)線芯規(guī)平格構(gòu)成菌的規(guī)定襖。圖2-38光纜中亭附加金圖屬導(dǎo)線筆編號示就意圖例如，2個線徑為0.5m損m的銅導(dǎo)誼線單線洲可寫成2×1×兆0