光纖光纜簡介

光纖光纜知識簡介謝林海TD網(wǎng)規(guī)網(wǎng)優(yōu)部一、光纖知識簡介二、光纜知識簡介提綱一、光纖知識簡介1、光纖的發(fā)展歷程2、光纖的結(jié)構(gòu)3、光纖的分類4、光纖的導(dǎo)光原理5、一些重要的概念6、光纖的特性7、光纖性能參數(shù)以及應(yīng)用1854年：英國的丁達爾指出了光線能沿盛水的彎曲通道通過內(nèi)全反射而傳播。1966年：高昆提出了光纖通信的概念（理論）。1970年：美國康寧公司做出了多模光纖。在630nm處損耗20dB/km,損耗=10lgPo/lgPi,同時半導(dǎo)體激光器誕生。1972年：多模光纖損耗降到4dB1976年：為除掉OH根離子時發(fā)現(xiàn)兩窗口1980年:在1550處制成了損耗0.2dB/km的單模光纖

1、光纖的發(fā)展歷程

光纖分為纖芯和包層。纖芯主要由二氧化鉻，五氧化二磷等光折射率比較高的物質(zhì)，包層主要由氟、三氧化二棚等光折射率比較低的物質(zhì)。2、光纖的結(jié)構(gòu)（1）、纖芯

纖芯位于光纖的中心部位（直徑d1約9～50微米），其成份是高純度的二氧化硅，此外還摻有極少量的摻雜劑如二氧化鍺，五氧化二磷等，摻有少量摻雜劑的目的是適當(dāng)提高纖芯的光折射率(n1)。（2）、包層

包層位于纖芯的周圍（其直徑d2約125微米），其成份也是含有極少量摻雜劑的高純度二氧化硅。而摻雜劑（如三氧化二硼）的作用則是適當(dāng)降低包層的光折射率(n2)，使之略低于纖芯的折射率。（3）、涂敷層

光纖的最外層是由丙烯酸酯、硅橡膠和尼龍組成的涂敷層，其作用是增加光纖的機械強度與可彎曲性。涂覆層包括一次涂覆、緩沖層和二次涂覆，起保護光纖不受水汽的侵蝕和機械的擦傷，同時又增加光纖的柔韌性，起著延長光纖壽命的作用。3、光纖的分類

目前光纖的種類繁多，但就其分類方法而言大致有以下幾種，即按光纖剖面折射率分布形狀分類、按光纖的組成材料分類、按傳播模式數(shù)分類、按工作波長分類和按套塑類型分類等。（1）、光纖剖面折射率分布形狀分類①階躍光纖（突變型、階梯型）

所謂階躍光纖是指：在纖芯與包層區(qū)域內(nèi)，其折射率分布分別是均勻的，其值分別為n1與n2，但在纖芯與包層的分界處，其折射率的變化是階躍的。階躍光纖是早期光纖的結(jié)構(gòu)方式，后來在多模光纖中逐漸被漸變光纖所取代（因漸變光纖能大大降低多模光纖所特有的模式色散），但用它來解釋光波在光纖中的傳播還是比較形象的。而現(xiàn)在當(dāng)單模光纖逐漸取代多模光纖成為當(dāng)前光纖的主流產(chǎn)品時，階躍光纖結(jié)構(gòu)又作為單模光纖的結(jié)構(gòu)形式之一。②漸變光纖（梯度折射率光纖）

所謂漸變光纖是指：光纖軸心處的折射率最大（n1），而沿剖面徑向的增加而逐漸變小，其變化規(guī)律一般符合拋物線規(guī)律，到了纖芯與包層的分界處，正好降到與包層區(qū)域的折射率n2相等的數(shù)值；在包層區(qū)域中其折射率的分布是均勻的即為n2。其主要原因是為了降低多模光纖的模式色散，增加光纖的傳輸容量。

（2）、光纖的組成材料分類①石英玻璃光纖

用純度特別高的石英玻璃（以SiO2為主要成分）制作的纖維狀波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。②多組分玻璃光纖用多組分玻璃制作的光纖，除了TiO2和SiO2組分外，其還包括選自由玻璃成形劑和/或中間氧化物組成的組中的其它組分。③全塑光纖塑料光纖是用高度透明的聚苯乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯（有機玻璃）制成的。它的特點是制造成本低廉，相對來說芯徑較大，與光源的耦合效率高，耦合進光纖的光功率大，使用方便。但由于損耗較大，帶寬較小，這種光纖只適用于短距離低速率通信，如短距離計算機網(wǎng)鏈路、船舶內(nèi)通信等。④塑料包層玻璃芯光纖（3）、按傳播模式數(shù)分類①多模光纖當(dāng)光纖的幾何尺寸（主要是纖芯直徑d1）遠遠大于光波波長時（約1微米），光纖中會存在著幾十種乃至幾百種傳播模式。不同的傳播模式會具有不同的傳播速度與相位，因此經(jīng)過長距離的傳輸之后會產(chǎn)生時延，導(dǎo)致光脈沖變寬。這種現(xiàn)象叫做光纖的模式色散（又叫模間色散）。模式色散會使多模光纖的帶寬變窄，降低了其傳輸容量，因此多模光纖僅適用于較小容量的光纖通信。多模光纖的折射率分布大都為拋物線分布即漸變折射率分布。②單模光纖根據(jù)電磁場理論與求解麥?zhǔn)戏匠探M發(fā)現(xiàn)，當(dāng)光纖的幾何尺寸（主要是芯徑）可以與光波長相比擬時，如芯徑d1在5～10微米范圍，光纖只允許一種模式（基模HE11）在其中傳播，其余的高次模全部截止，這樣的光纖叫做單模光纖。由于它只允許一種模式在其中傳播，從而避免了模式色散的問題，故單模光纖具有極寬的帶寬，特別適用于大容量的光纖通信。（4）、按工作波長分類①短波長光纖

光纖通信發(fā)展的初期，人們使用的光波之波長在0.6～0.9微米范圍內(nèi)（典型值為0.85微米），習(xí)慣上把在此波長范圍內(nèi)呈現(xiàn)低衰耗的光纖稱作短波長光纖。②長波長光纖

長波長光纖是指1.0～1.7μm的光纖。長波長光纖因具有衰耗低、帶寬寬等優(yōu)點，特別適用于長距離、大容量的光纖通信。

③超長波長光纖超長波長光纖則是指2μm以上的光纖。（4）、按套塑類型分類①緊套光纖

所謂緊套光纖是指二次、三次涂敷層與預(yù)涂敷層及光纖的纖芯，包層等緊密地結(jié)合在一起的光纖。未經(jīng)套塑的光纖，其衰耗──溫度特性本是十分優(yōu)良的，但經(jīng)過套塑之后其溫度特性下降。這是因為套塑材料的膨脹系數(shù)比石英高得多，在低溫時收縮較厲害，壓迫光纖發(fā)生微彎曲，增加了光纖的衰耗。②松套光纖所謂松套光纖是指，經(jīng)過預(yù)涂敷后的光纖松散地放置在一塑料管之內(nèi)，不再進行二次、三次涂敷。松套光纖的制造工藝簡單，其衰耗──溫度特性與機械性能也比緊套光纖好。4、光纖的導(dǎo)光原理

光是一種頻率極高的電磁波，而光纖本身是一種介質(zhì)波導(dǎo)，因此光在光纖中的傳輸理論是十分復(fù)雜的。要想全面地了解它，需要應(yīng)用電磁場理論、波動光學(xué)理論、甚至量子場論方面的知識。為了便于理解，我們從幾何光學(xué)的角度來討論光纖的導(dǎo)光原理，這樣會更加直觀、形象、易懂。對于多模光纖而言，由于其幾何尺寸遠遠大于光波波長，所以可把光波看作成為一條光線來處理，這正是幾何光學(xué)的處理問題的基本出發(fā)點。而對于單模光纖，由于芯徑尺寸小，射線光學(xué)理論就不能正確處理單模光纖的問題。因此，在光波導(dǎo)理論中，更普遍地采用波動光學(xué)的方法，即把光作為電磁波來處理，研究電磁波在光纖中的傳輸規(guī)律，得到光纖中的傳播模式、場結(jié)構(gòu)、傳輸常數(shù)及裁止條件。（1）、全反射原理

當(dāng)光線在均勻介質(zhì)中傳播時是以直線方向進行的，但在到達兩種不同介質(zhì)的分界面時，會發(fā)生反射與折射現(xiàn)象。當(dāng)光從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)時，光線向遠離法線方向偏折；當(dāng)入射角增大到某一角度（臨界角）時，折射角等于90°，實際上不再有折射光線；當(dāng)入射角大于臨界角時，入射光全部從界面反射回光密介質(zhì)，這就是全反射現(xiàn)象。

（2）、光在階躍光纖中的傳播了解了光的全反射原理之后，不難畫出光在階躍光纖中的傳播軌跡，即按“之”之形傳播及沿纖芯與包層的分界面掠過。（3）、光在漸變型光纖中的傳播

由于漸變光纖的折射率分布是在光纖的軸心處最大，而沿剖面徑向的增加而折射率逐漸變小。這樣光在每二層的分界面皆會產(chǎn)生折射現(xiàn)象。由于外層總比內(nèi)層的折射率要小一些，所以每經(jīng)過一個分界面，光線向軸心方向的彎曲就厲害一些，就這樣一直到了纖芯與包層的分界面。而在分界面又產(chǎn)生全反射現(xiàn)象，全反射的光沿纖芯與包層的分界面向前傳播，而反射光則又逐層逐層地折射回光纖纖芯。就這樣完成了一個傳輸全過程，使光線基本上局限在纖芯內(nèi)進行傳播，其傳播軌跡類似于由許多許多線段組成的正弦波。

（4）、光在單模光纖中的傳播光在單模光纖中的傳播軌跡，簡單地講是以平行于光纖軸線的形式以直線方式傳播，這是因為在單模光纖中僅以一種模式（基模）進行傳播，而高次模全部截止，不存在模式色散。4、一些重要的概念（1）、相對折射率指數(shù)相對折射率指數(shù)Δ可定義為：（2）、子午光線在光學(xué)纖維中，如果某光線的傳播路徑始終在同一平面之內(nèi)，則稱為子午光線。

（3）、子午面包含子午光線的平面叫做子午面。（4）、偏斜光線

光線在斷面處的投影不過圓心則為斜光線。即與光軸軸線不相交。（5）、數(shù)值孔徑(N.A)

當(dāng)光從空氣入射到光纖輸入面時，只有入射方向處于某一光錐內(nèi)的光線在進入光纖后才能留在纖芯內(nèi)，而從光錐之外入射的光線，即使進入光纖也會從包層逸出。這個光錐半角的正弦稱為光纖的數(shù)值孔徑N.A。

NA越大，光纖接收光的能力越強，纖芯對能量的束縛越強，光纖抗彎曲性能越好。從公式上看，△越大，NA越大，光纖的收光效果越好。但△太大，經(jīng)光纖傳輸后產(chǎn)生的信號畸變越大，會產(chǎn)生較為嚴重的模間色散，限制了信息傳輸容量（6）、歸一化頻率歸一化頻率,是單模光纖一個非常重要的結(jié)構(gòu)參數(shù),是為了描述光纖中傳輸?shù)哪Ｊ綌?shù)目,一般用V表示,表達式為:V=光在真空中的傳播常數(shù)*光纖纖芯中最大折射率*光纖纖芯半徑*根號下2倍的光纖的相對折射率。

歸一化頻率越大，能夠傳播的模式數(shù)越多。V值較高的光纖可以支持較多的模式，稱為多模光纖。當(dāng)V小于某個值，除HE11模式外，所有模式被截止。只支持一個模式（基模）的光纖被稱作單模光纖。（7）、單模截止條件

歸一化頻率V決定了光纖傳輸?shù)哪Ｊ綌?shù)M，各模式的截止條件決定于V?；２粫刂埂词筕值再小，基模也仍然存在。所以由TE01、TM01模式達到截止時的V值確定。這兩個模式截止的條件是：階躍折射率光纖的（只傳輸HE11模）單模條件是：V＜2.4050（8）、單模光纖的截止波長單模條件：單模光纖的截止波長表明了導(dǎo)波模約束在光纖中沿縱向持續(xù)傳播的最大工作波長。（9）、模場直徑單模光纖纖芯直徑的概念沒有實際意義，因為場分布不完全局限在纖芯內(nèi)，模式縱向傳輸（沿光纖軸向）的功率流在纖芯和包層兩個區(qū)域同時傳輸，而大部分集中在芯區(qū)，小部分在包層內(nèi)傳輸（約20％），所以常用模場直徑的概念。

（1）、光纖的損耗特性（2）、光纖的色散特性（3）、光纖的機械特性（4）、光纖的溫度特性6、光纖的特性（1）、光纖的損耗特性光波在光纖中傳輸，隨著距離的增加光功率逐漸下降，這就是光纖的傳輸損耗，該損耗直接關(guān)系到光纖通信系統(tǒng)傳輸距離的長短，是光纖最重要的傳輸特性之一。下圖為石英光纖的總損耗譜，0.85μm，1.31μm和1.55μm左右是光纖通信中常用的三個低損耗窗口。①光纖的吸收損耗這是由于光纖材料和雜質(zhì)對光能的吸收而引起的，它們把光能以熱能的形式消耗于光纖中，是光纖損耗中重要的損耗，吸收損耗包括以下幾種：

a．物質(zhì)本征吸收損耗這是由于物質(zhì)固有的吸收引起的損耗。它有兩個頻帶，一個在近紅外的8～12μm區(qū)域里，這個波段的本征吸收是由于振動。另一個物質(zhì)固有吸收帶在紫外波段，吸收很強時，它的尾巴會拖到0.7～1.1μm波段里去。

b．摻雜劑和雜質(zhì)離子引起的吸收損耗光纖材料中含有躍遷金屬如鐵、銅、鉻等，它們有各自的吸收峰和吸收帶并隨它們價態(tài)不同而不同。由躍遷金屬離子吸收引起的光纖損耗取決于它們的濃度。另外，OH－存在也產(chǎn)生吸收損耗，OH－的基本吸收極峰在2.7μm附近，吸收帶在0.5～1.0μm范圍。對于純石英光纖，雜質(zhì)引起的損耗影響可以不考慮。

c．原子缺陷吸收損耗光纖材料由于受熱或強烈的輻射，它會受激而產(chǎn)生原子的缺陷，造成對光的吸收，產(chǎn)生損耗，但一般情況下這種影響很?、诠饫w的散射損耗光纖內(nèi)部的散射，會減小傳輸?shù)墓β?，產(chǎn)生損耗。散射中最重要的是瑞利散射，它是由光纖材料內(nèi)部的密度和成份變化而引起的。

光纖材料在加熱過程中，由于熱騷動，使原子得到的壓縮性不均勻，使物質(zhì)的密度不均勻，進而使折射率不均勻。這種不均勻在冷卻過程中被固定下來，它的尺寸比光波波長要小。光在傳輸時遇到這些比光波波長小，帶有隨機起伏的不均勻物質(zhì)時，改變了傳輸方向，產(chǎn)生散射，引起損耗。另外，光纖中含有的氧化物濃度不均勻以及摻雜不均勻也會引起散射，產(chǎn)生損耗。③波導(dǎo)散射損耗這是由于交界面隨機的畸變或粗糙所產(chǎn)生的散射，實際上它是由表面畸變或粗糙所引起的模式轉(zhuǎn)換或模式耦合。一種模式由于交界面的起伏，會產(chǎn)生其他傳輸模式和輻射模式。由于在光纖中傳輸?shù)母鞣N模式衰減不同，在長距離的模式變換過程中，衰減小的模式變成衰減大的模式，連續(xù)的變換和反變換后，雖然各模式的損失會平衡起來，但模式總體產(chǎn)生額外的損耗，即由于模式的轉(zhuǎn)換產(chǎn)生了附加損耗，這種附加的損耗就是波導(dǎo)散射損耗。要降低這種損耗，就要提高光纖制造工藝。對于拉得好或質(zhì)量高的光纖，基本上可以忽略這種損耗。④光纖彎曲產(chǎn)生的輻射損耗光纖是柔軟的，可以彎曲，可是彎曲到一定程度后，光纖雖然可以導(dǎo)光，但會使光的傳輸途徑改變。由傳輸模轉(zhuǎn)換為輻射模，使一部分光能滲透到包層中或穿過包層成為輻射模向外泄漏損失掉，從而產(chǎn)生損耗。當(dāng)彎曲半徑大于5～10cm時，由彎曲造成的損耗可以忽略。(2）、光纖的色散特性

由于光纖中所傳信號的不同頻率成分，或信號能量的各種模式成分，在傳輸過程中，因群速度不同互相散開，引起傳輸信號波形失真，脈沖展寬的物理現(xiàn)象稱為色散。光纖色散的存在使傳輸?shù)男盘柮}沖畸變，從而限制了光纖的傳輸容量和傳輸帶寬。從機理上說，光纖色散分為材料色散，波導(dǎo)色散和模式色散。前兩種色散由于信號不是單一頻率所引起，后一種色散由于信號不是單一模式所引起。①光纖的材料色散材料色散：是光纖材料的折射率隨頻率（波長)而變，可使信號的各頻率（波長)群速度不同引起色散。②光纖的波導(dǎo)色散

波導(dǎo)色散是光纖波導(dǎo)結(jié)構(gòu)參數(shù)的函數(shù)，如圖所示。從圖中可看出，在一定的波長范圍內(nèi)，波導(dǎo)色散與材料色散相反為負值，其幅度由纖芯半徑a、相對折射率差△及剖面形狀決定。通常通過采用復(fù)雜的折射率分布形狀和改變剖面結(jié)構(gòu)參數(shù)的方法獲得適量的負波導(dǎo)色散來抵消石英玻璃的正色散，從而達到移動零色散波長的位置，即使光纖的總色散在所希望的波長上實現(xiàn)總零色散和負色散的目的。正是這種方法才研制出色散位移光纖、非零色散位移光纖。

③模式色散模式色散是指多模傳輸時同一波長分量的各種傳導(dǎo)模式的相位常數(shù)不同，群速度不同，引起到達終端的光脈沖展寬的現(xiàn)象。(3）、光纖的機械特性①抗拉特性對每盤光纖都要進行檢驗，全長度檢驗,采用復(fù)繞方式,在一定的時間內(nèi)進行張力篩選。

②抗彎特性

對于指定的光纖，定期（半年）檢驗一次，以一定的半徑松繞一定的圈數(shù)，在指定工作波長下，損耗不得大于某值。對于松套光纖要求以37.5mm為半徑，松繞100圈，產(chǎn)生的宏、微彎附加損耗不大于0.5dB。③抗側(cè)壓特性(4）、光纖的溫度特性由于光纖纖芯、包層、涂覆層所用材料不同，導(dǎo)致其溫度系數(shù)和線脹系數(shù)相差很大，當(dāng)光纖處于某一溫度時，其纖芯和包層之間，以及包層和涂覆層之間會產(chǎn)生應(yīng)力導(dǎo)致微彎，從而使光纖的衰減突然增大。7、光纖性能參數(shù)以及應(yīng)用（

1）、多模光纖的主要特性參數(shù)（2）、單模光纖的性能參數(shù)（3）、各種單模光纖的性能參數(shù)及應(yīng)用（

1）、多模光纖的主要特性參數(shù)

芯/包層直徑(um)工作波長帶寬MHz數(shù)值孔徑衰減系數(shù)(dB/km)應(yīng)用場合階躍100/1400.85>=10~0.23<=10局域網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路梯度50/1250.85,1.31200~15000.2~0.240.8~1.5局域網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路通用85/1250.85,1.31100~10000.26~0.3020局域網(wǎng)（

2）、單模光纖的性能參數(shù)

模場直徑（9~11）±10%um

包層125±2um

芯不圓度≦6%

包層不圓度≦2%

芯/包層同心度誤差1um

（

3）、各種單模光纖的性能參數(shù)及應(yīng)用①非色散位移光纖（G652）不適合高速率、大容量、遠距離通信。②色散位移光纖（G653）適合作長距離、大容量、高速通信，只適合單信道使用。③1550低損耗光纖（G654）適用于長距離無中繼或少中繼的情況。④非零色散位移光纖（G655）適用于密集波分復(fù)用，長距離大容量高速通信。⑤色散平坦光纖⑥色散補償光纖⑦全塑料光纖應(yīng)用照明、短距離通信等場合。提綱二、光纜知識簡介1、光纜概述2、光纜的分類及特點3、光纜的基本結(jié)構(gòu)4、光纜的設(shè)計基本原則5、光纜的特性6、選用光纜時的幾個參考要點

1、光纜概述

光纜設(shè)計的任務(wù)是，為光纖提供可靠的機械保護，使之適應(yīng)外部使用環(huán)境，并確保在敷設(shè)與使用過程中光纜中的光纖具有穩(wěn)定可靠的傳輸性能。

光纜的制造技術(shù)與電纜是不一樣的。光纖雖有一定的強度和抗張能力，但經(jīng)不起過大的側(cè)壓力與拉伸力；光纖在短期內(nèi)接觸水是沒有問題的，但若長期處在多水的環(huán)境下會使光纖內(nèi)的氫氧根離子增多，會增大光纖的衰耗。因此制造光纜不僅要保證光纖在長期使用過程中機械物理性能，而且還要注意其防水防潮性能。2、光纜的分類及特點(1)按光纖狀態(tài)分①緊套光纖在光纜中無自由活動空間②松套光纖在光纜中有自由活動空間(2)按纜芯結(jié)構(gòu)分①中心束管式光纜中心有束管,光纖在束管中。②層絞式結(jié)構(gòu)光纖不處于中心，而為一加強件，光纖繞在光纜中的加強芯上。③骨架式結(jié)構(gòu)光纖繞在處光纜中心部位的骨架上。④帶式(3)按敷設(shè)方式分①直埋式②管道式③架空式又分電力架空和自架桿。按其架空方式又有地線復(fù)合式、地線纏繞式、ADSS等類型。④水底光纜(4)按使用環(huán)境分①室內(nèi)要求輕柔，輕便，細，防火②室外(5)按光纜特點以及特種使用環(huán)境分分為光電混合纜，阻燃光纜，室內(nèi)布線光纜。3、光纜的基本結(jié)構(gòu)4、光纜的設(shè)計基本原則

(1)光纜中必須有強度元件目的是為了抗拉、抗側(cè)壓、耐沖擊、抗彎。常用的材料有鋼絲，管塑鋼帶，鋁帶，管塑鋼帶等。(2)大部分光纜都必須進行余長設(shè)計(3)光纖盡可能位于纜的中心部位（改善抗彎特性）(4)松套管二次被覆時需要適當(dāng)選擇松套管內(nèi)徑(5)設(shè)計合理的凱裝層和外護層(6)應(yīng)加入光纜緩沖層(7)光纜間隙空隙間應(yīng)填充阻水纜膏(8)各部分的線膨脹系數(shù)不大(9)在保證各項技術(shù)性能前提下，盡可能使光纜截面積小，光纜輕。5、光纜的特性（1）傳輸特性在光纜成纜時對光纖色散無影響，但由于光纖彎曲，且對光纖有側(cè)壓，考慮到光纖可能受到張力，將導(dǎo)致光纖損耗增加。要求成纜時增加的附加損耗值越下越好，大致范圍為0.02~0.05dB/km。（2）溫度特性光纜的溫度特性主要是光纖的溫度特性。當(dāng)溫度<-60度時損耗突然增大的原因是由于一次涂覆隨溫度