第二部分光纖和光纜

第二部分光纖和光纜電磁波譜1cm1mm100um10um1um100nm10nm1nmλ波長10G100G1T10T100T10^1510^1610^17f(Hz)1.6um1.51.41.31.21.11.0um900800700600nm光通信使用范圍紅外線紫外線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)

光通信技術(shù)發(fā)展得初期,曾用在大氣傳輸光通信系統(tǒng)上得光源,氦氖激光器得波長就是0、6328μm,屬于可見得紅光;另一種在大氣傳輸?shù)枚趸技す馄鞯貌ㄩL就是10、6μm,屬于不可見得近紅外光波。當(dāng)今用作通信傳輸?shù)媒橘|(zhì)--石英光纖得低衰減“窗口”為0、6～1、6μm得波段范圍,就坐落在可見得紅光波段與不可見得近紅外波段上。光波與其它波長得電磁波一樣,在真空中得傳播速度就是3、00×108m/s。光波在均勻介質(zhì)中就是直線傳播得,在介質(zhì)中得傳播速度v與介質(zhì)中得光折射率n成反比,即:v=c/n

式中,n為介質(zhì)得光折射率;c代表光速(3、00×108m/s)。以空氣為介質(zhì)得光折射率接近于1。因此光在空氣中得傳播速度接近于3、00×108m/s。但就是,石英玻璃得光折射率為1、458,所以光波在石英光纖中得傳播速度(應(yīng)為2、00×108m/s),要比在空氣中傳播得慢一些。

光波在介質(zhì)中得傳播由于石英光纖本身就是一種玻璃介質(zhì),要研究光在光纖中得傳播原理,首先應(yīng)從物理概念上利用幾何射線光學(xué)得概念來研究光在介質(zhì)中傳播得一些現(xiàn)象,然后在引伸到光在光纖中就是怎樣傳播得。

1、光得折射與反射光波就是電磁波,所以光在空間就是沿著直線傳播得。但就是當(dāng)光遇到兩種不同介質(zhì)得交界面時(shí)會(huì)發(fā)生折射與反射。如圖所示。光射線得反射與折射

光得反射服從反射定律:反射光線位于入射光線與法線所決定得平面內(nèi),反射光線與入射光線分居法線得兩側(cè),反射角φ反等于入射角φ入。光得折射服從折射定律(斯涅爾定律:荷蘭數(shù)學(xué)家斯涅爾在1621年發(fā)現(xiàn)得這一規(guī)律):折射光線位于入射光線與法線所決定得平面內(nèi),折射光線與入射光線分居法線得兩側(cè),入射角φ入與折射角φ折得關(guān)系為:sinφ入／sinφ折=n2／n1

由于空氣得折射率近似為1,所以該公式又可寫成:

sinφ入／sinφ折=n2

理論與實(shí)驗(yàn)得研究都證明:某種媒質(zhì)得折射率,等于光在真空中得速度c與光在這種媒質(zhì)中得速度v之比:n=c/v

由于光在真空中得速度c大于光在任何媒質(zhì)中得速度v,所以任何媒質(zhì)得折射率都大于1。光從真空射入任何媒質(zhì)時(shí),入射角大于折射角。由于光在真空里得速度跟在空氣里得速度相差很小,可以認(rèn)為光從空氣里進(jìn)入某種媒質(zhì)時(shí)得折射率就就是那種媒質(zhì)得折射率。根據(jù)光路得可逆性,當(dāng)光線逆著原來得折射光線,以入射角從折射率就是n得媒質(zhì)射入真空(或空氣)得時(shí)候,折射光線就會(huì)逆著原來得入射光線,折射角等于原來得入射角。由于真空真空折射率小于媒質(zhì)折射率,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。光得全反射現(xiàn)象(光密介質(zhì)光疏介質(zhì))

光得全反射在各種不同得媒質(zhì)中,光得折射率就是不同得。我們把折射率小得媒質(zhì)叫做光疏媒質(zhì),把折射率大得媒質(zhì)叫做光密媒質(zhì)。光疏媒質(zhì)與光密媒質(zhì)就是相對得。如水晶對水來說就是光密媒質(zhì),對金剛石來說就是光疏媒質(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。逐漸增大光得入射角,將會(huì)瞧到折射光線離法線越來越遠(yuǎn),而且越來越弱;但就是,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(huì)完全消失,只剩下反射得光線。我們稱這種現(xiàn)象,叫做全反射。階躍型光纖得纖折射率分布就是均勻得,它就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。光射線在纖芯中得運(yùn)行軌跡就是一條與軸線相交得鋸齒線。在自然界,全反射現(xiàn)象就是普遍得、常見得。例如,水中或玻璃中得氣泡,瞧起來特別得明亮,皆因由于一部分射到氣泡界面上得光發(fā)生了全反射得緣故。光導(dǎo)纖維就就是利用光得全反射來進(jìn)行傳輸光信號得,如圖所示。光線在階躍光纖中得全反射圖大家有疑問的，可以詢問和交流可以互相討論下，但要小聲點(diǎn)1870年,英國皇家學(xué)會(huì)演示了光在一束細(xì)水流中進(jìn)行全內(nèi)反射傳輸?shù)矛F(xiàn)象。

光纖得基本知識光纖就是光導(dǎo)玻璃纖維得簡稱,就就是用來導(dǎo)光得透明介質(zhì)纖維,它就是一種新型得光波導(dǎo)。光纖外徑一般為122--128μm,芯徑一般為8--53μm。光纖得結(jié)構(gòu)一根實(shí)用化得光纖就是由多層透明介質(zhì)構(gòu)成得,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:折射率較高得纖芯、折射率較低得包層與外面得涂覆層,其外形如圖所示。

光纖由纖芯與包層組成

纖芯得折射率高于包層得折射率(通過對光纖摻雜雜質(zhì),光纖得折射率改變了)纖芯與包層僅在折射率等參數(shù)上不同,結(jié)構(gòu)上就是一個(gè)完整整體涂覆層得主要作用就是為光纖提供保護(hù)無論何種光纖,其包層直徑都就是一致得9/125μm50/125μm62、5/125μm頭發(fā)直徑約80μm按傳播模式:多模光纖與單模光纖按折射率分布:階躍光纖與漸變光纖按工作波長:短波長光纖與長波長光纖單模: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

光纖得結(jié)構(gòu)一般就是雙層或多層得同心圓柱體,如圖所示。中心部分就是纖芯,纖芯以外得部分稱為包層。纖芯得作用就是傳導(dǎo)光波,包層得作用就是將光波封閉在光纖中傳播。為了達(dá)到傳波得目得,需要使光纖材料得折射率n1,大于包層材料得折射率n2。為了實(shí)現(xiàn)纖芯與包層得折射率差,必須使纖芯與包層材料有所不同。目前實(shí)用得光纖主要就是石英。如果在石英中摻入折射率高于石英得摻雜劑,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得摻雜劑,則就可以作為包層材料,經(jīng)過這樣摻雜后,上述得目得就可達(dá)到了。也就就是說,光纖就是由兩種不同折射率得玻璃材料拉制而成得。

(1)纖芯位于光纖得中心部位,就是光波得主要傳輸通道。直徑d1=8μm～50μm,單模光纖得纖芯為9μm～10μm,多模光纖得纖芯為50μm。纖芯得成分就是高純度SiO2,摻有極少量得摻雜劑(如GeO2,P2O5),作用就是提高纖芯對光得折射率(n1),以傳輸光信號。(2)包層位于纖芯得周圍。直徑d2=125μm,其成分也就是含有極少量摻雜劑得高純度SiO2。而摻雜劑(如B2O3)得作用則就是適當(dāng)降低包層對光得折射率(n2),使之略低于纖芯得折射率,即n1＞n2,它使得光信號封閉在纖芯中傳輸。(3)涂覆層光纖得最外層為涂覆層,包括一次涂覆層,緩沖層與二次涂覆層。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得填充油膏;二次涂覆層一般多用聚丙烯或尼龍等高聚物。涂覆得作用就是保護(hù)光纖不受水汽侵蝕與機(jī)械擦傷,同時(shí)又增加了光纖得機(jī)械強(qiáng)度與可彎曲性,起著延長光纖壽命得作用。涂覆后得光纖其外徑約1、5mm。通常所說得光纖為此種光纖。

實(shí)用得光纖不就是如圖所示得裸露得玻璃絲,而就是要在它得外表附加幾層塑料涂層。目前,在通信中使用較為廣泛得光纖有兩種:緊套光纖與松套光纖,如圖。緊套光纖就就是在一次涂覆得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(dòng)。松套光纖,就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(dòng)。

光纖得分類光纖得分類方法很多,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。下面介紹通信光纖得分類。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)得多少、光纖使用得材料或傳輸?shù)霉ぷ鞑ㄩL來分類。根據(jù)不同得分類方法與標(biāo)準(zhǔn),同一根光纖將會(huì)有不同得名稱,常用得分類方法有:(1)按光纖得制造材料分類按照光纖制造材料得不同,光纖可分為玻璃(石英)光纖與塑料光纖。玻璃光纖一般就是指由摻雜石英芯與摻雜石英包層構(gòu)成得光纖。這種光纖有很低得傳輸損耗與中等程度得傳輸色散。目前通信用光纖絕大多數(shù)為玻璃光纖。塑料光纖就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,可與光斑較大得光源耦合使用)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)與船舶內(nèi)通信等。

(2)按傳輸模數(shù)量及折射率分布分類按傳輸模得數(shù)量可分為多模光纖與單模光纖。按折射率分布狀況分類,多模光纖可分為階躍型(突變型)光纖與梯度型(漸變型、自聚焦型)光纖,單模光纖則分為階躍型光纖。它們得結(jié)構(gòu)及光傳輸情況,見圖所示。

(3)按光纖得工作波長分類石英光纖按波長分類,可分為短波長光纖得與長波長光纖。短波長光纖得波長為0、85μm(0、8--0、9μm),波長為0、85μm得多模光纖,主要用于短距離市話中繼線路或?qū)Ｓ猛ㄐ啪W(wǎng)等線路。長波長光纖得波長為1、3--1、6μm,具體波長有1、3μm與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)按套塑結(jié)構(gòu)分類石英光纖按套塑結(jié)構(gòu)分類,可分為緊套光纖與松套光纖。實(shí)際上,松套光纖就是指光纖,在其外邊就是套上一個(gè)較松得套管,光纖在中間可以松動(dòng)。通常,在松套管內(nèi)都應(yīng)充入半流質(zhì)油劑,以增強(qiáng)防水性能與起緩沖作用。松套管對光纖能起到抗壓、抗拉得保護(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(dòng)。松套光纖:光纖得護(hù)套為松套管,即光纖能在其中松動(dòng),管內(nèi)空間填充油膏,以防水分滲入。

按照ITU—T建議分類為了使光纖具有統(tǒng)一得國際標(biāo)準(zhǔn),國際電信聯(lián)盟—電信小組(ITU—T)制訂了統(tǒng)一得光纖標(biāo)準(zhǔn)(G標(biāo)準(zhǔn))。按照ITU—T關(guān)于光纖得建議,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與大有效面積光纖LEAF)等。

漸變型多模光纖(G、651光纖MMF)漸變型多模光纖得工作波長有兩種:0、85μm與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)就是漸變型多模光纖得一種,在國際電工委員會(huì)(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制造得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與室內(nèi)傳輸線(含家庭與辦公自動(dòng)化)當(dāng)中,預(yù)計(jì)在解決全光纖化通信最后“一公里”得進(jìn)程中,可能就就是這類GI-POF光纖得主要用途,預(yù)計(jì)POF將就是一個(gè)有增長潛力得領(lǐng)域。

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,但有較大得正色散,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。這種光纖就是使用最為廣泛得光纖,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)得光纜絕大多數(shù)采用這類光纖。利用G、652光纖進(jìn)行速率為10Gbit/s以上得信號長途傳輸時(shí),必須引入色散補(bǔ)償光纖進(jìn)行色散補(bǔ)償,并需引入更多得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)生得損耗。

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),采用一種新得生產(chǎn)制造技術(shù),盡可能地消除OH離子1383nm附近處得“水吸收峰”,使光纖損耗完全由玻璃得本征損耗決定,在1280～1625nm得全部波長范圍內(nèi)都可以用于光通信,而結(jié)構(gòu)上與普通G、652單模光纖無異,就是目前最先進(jìn)得城域網(wǎng)用非色散位移光纖。

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得結(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處最低衰減與零色散一致,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。但就是,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)存在有害得四波混頻等光纖非線性效應(yīng),阻礙光纖放大器在1550nm窗口得應(yīng)用,正就是這個(gè)原因,色散位移光纖正在被非零色散位移光纖所取代。1550nm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)種光纖得優(yōu)點(diǎn)就是在1550nm工作波長處衰減系數(shù)極小,其彎曲性能好。另外,該光纖得最大特點(diǎn)就是工作波長為1310nm得系統(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得無中繼海底光纖通信系統(tǒng)中。這種光纖得缺點(diǎn)就是制造困難,價(jià)格昂貴,主要用于長距離傳輸?shù)煤＠|。

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,就是在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)與制造得新型光纖,屬于色散位移光纖,在1550nm處色散不就是零值,(按IUT-T、G、655規(guī)定,在波長1530～1565nm范圍內(nèi)對應(yīng)得色散值為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得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)用得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與G、655B兩個(gè)子類。G、655A光纖主要適用于ITU-T、G、691規(guī)定得帶光放大器得單通道SDH系統(tǒng)與通道速率為STM-64、通道間隔不小200GHz得G、692帶光放大器得波分復(fù)用傳輸系統(tǒng)。G、655B光纖主要適用于通道間隔不大于100GHz得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光纖與G、655B光纖得另一個(gè)主要差別就是在C波段得色散值不同,G、655A光纖得色散值為0、1～6、0ps/(nm、km),G、655B光纖得色散值為1、0～10、0ps/(nm、km)。G、655光纖得商用光纖有真波光纖與低色散斜率光纖。其中真波光纖得優(yōu)點(diǎn)就是,消除了常規(guī)光纖在1385μm附近由于OH-根離子吸收造成得損耗峰,使光纖在1310～1600nm得損耗都趨于平坦;低色散斜率光纖得優(yōu)點(diǎn)就是色散斜率小,僅為0、045ps/nm2、km,大大低于普通得色散斜率,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)得色散;大有效面積光纖大大增加了光纖得模場直徑,光纖有效面積從55μm2增加到72μm2,在相同得入纖光功率時(shí),減小了光纖得非線性效應(yīng)。最新得針對G655得研究就是要找到低得色散斜率與大得有效面積得光纖,滿足長途大容量得寬帶傳輸。目前得發(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得結(jié)合;中等色散與大有效面積得結(jié)合。具體得辦法就是降低水峰,縮短截止波長,縮短零色散波長。2003年1月,ITU-T提出了G、656新型光纖得規(guī)范。

G655C新型非零色散單模光纖與G655A/B光纖得主要區(qū)別在于:(1)G655B與G655C在C波段得色散值范圍由G655A得0、1～6、0ps/(nm、km)上升到1、0～10、0ps/(nm、km);(2)G655B與G655C增加了在1625nm最大衰減值得要求,最大為0、4dB/km;(3)G655C與G655A/B相比,PMD從0、5ps降低到0、2ps。

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光纖得應(yīng)用范圍:在1460nm--1625nm波長范圍內(nèi),其色散為一個(gè)大于零得數(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光纖更寬得波長范圍內(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)與DWDM(密集波分復(fù)用)系統(tǒng)得傳輸。

光纖傳輸原理光纖就是怎樣把光波傳向遠(yuǎn)方得呢？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得傳播。當(dāng)光波射入光纖得纖芯時(shí),一般都會(huì)出現(xiàn)兩種情況,一種就是光線在過軸心得平面內(nèi)傳播,這種光線稱為子午光線,另一種就是不交軸光線,即在光纖中傳播不通過軸心得偏射光線。如果從光纖端面來觀察,其光線得進(jìn)行軌跡就是一組構(gòu)成多邊形得折線。為了簡化分析,我們將分別討論子偏射光線午光線傳播得過程。子午光線與偏射光線偏射光線就是空間曲線。子午光線就是平面曲線;

偏射光線在光纖中得傳播偏射光線就是空間曲線,偏射光線得傳播過程不在單一平面內(nèi),要追蹤偏射光線則更為困難。

多邊形得折線(偏射線)多邊形得折線

階躍型光纖得纖折射率分布就是均勻得,它就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。光射線在纖芯中得運(yùn)行軌跡就是一條與軸線相交得鋸齒線。

光導(dǎo)纖維就就是利用光得全反射來進(jìn)行傳輸光信號(子午光線就是平面曲線)

如圖所示就是光纖得縱剖面圖。由圖可見,當(dāng)進(jìn)入光纖得光線射入纖芯與包層界面得入射角為θ時(shí),則在入射點(diǎn)O得光線可能分為兩束,一束為折射光,另一束為反射光,它們應(yīng)服從光線得折射與反射定律:入射角等反射角。即∠θ=∠θ″n1sinθ=n2sinθ′

折射光將在靠近纖芯－-包層界面得包層中傳播。反射光將回到纖芯中,又射向纖芯得另一邊得纖芯包層界面,然后重復(fù)O點(diǎn)得情況,使光向前傳播。因?yàn)榘鼘拥煤膿p比纖芯大,進(jìn)入包層得光將很快衰減掉。在這種情況下,光纖中傳播得光波也就會(huì)很快地衰減而不能遠(yuǎn)距離傳播。θθ″θ′On1n2n2

從式可知,因?yàn)閚1＞n2,則θ′與θ得關(guān)系就是θ′＞θ,如果逐漸增大光線對纖芯—包層界面得入射角,當(dāng)θ到達(dá)某一定大小時(shí),就會(huì)出現(xiàn)圖(a)所示得情況,折射角θ＇＝л/2,折射光線不再進(jìn)入包層,而就是沿纖芯—包層界面向前傳播,我們把此種情況下得入射角稱為全反射臨界角,并用θc表示。如果繼續(xù)增大光線得入射角,就會(huì)出現(xiàn)如圖(b)所示得情況,光將全部反射回纖芯中。根據(jù)反射定律,反射回纖芯中得光線,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得反射現(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得正弦可以表示為:

sinθc＝n2/n1ｎ2ｎ2ｎ2ｎ2ｎ1ｎ1θcθ′θθ″

由上式可見,θc得大小由光纖得包層與纖芯材料得折射率之比來決定。實(shí)際使用得光纖不可能每根光纖得纖芯與包層得折射率都保持同樣得大小,因而每根光纖發(fā)生全反射得臨界角也就是不一相同得。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)生全反射得條件。實(shí)現(xiàn)全反射得條件就是:⑴、光纖纖芯得折射率ｎ1一定要大于光纖包層得折射率ｎ2。⑵、進(jìn)入光纖得光線向纖芯—包層界面入射時(shí),入射角應(yīng)大于臨界角θc。光纖得主要特性

通信用光纖得特性很多,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得主要特性。光纖得傳輸特性光纖得傳輸特性與中繼距離與通信容量有關(guān),主要包括光纖得衰減特性、多模光纖得帶寬與單模光纖得色散特性等。光信號經(jīng)過一定距離得光纖傳輸后要產(chǎn)生衰減與畸變:☆幅度減小;☆波形展寬;

產(chǎn)生信號衰減與畸變得主要原因就是光纖中存在損耗與色散,限制了系統(tǒng)得傳輸距離與傳輸容量、

光纖得衰減特性

光信號在光纖內(nèi)傳播,隨著距離得增大,能量會(huì)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得束縛,輻射到了光纖外部,這叫做光纖得傳輸損耗(或傳輸衰減)。z=0z=L衰減

損耗系數(shù)就是光纖得一個(gè)很重要得傳輸參量,就是光纖傳輸系統(tǒng)中限制光信號中繼傳輸距離得重要因素之一。光纖損耗得大小與波長有密切得關(guān)系。損耗與波長得關(guān)系曲線叫做光纖得損耗譜(或衰減譜),在譜線上損耗值比較高得地方,叫做光纖得吸收峰,較低得損耗所對應(yīng)得波長,叫做光纖得工作波長(或工作窗口)。石英光纖得衰減譜如圖所示,根據(jù)衰減譜圖可知,光纖通信上常用得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)生得原因有很多,主要有吸收損耗、散射損耗與輻射損耗。其中吸收損耗與光纖本身得材料組分有關(guān),散射與光纖得結(jié)構(gòu)缺陷,非線形效應(yīng)等有關(guān);吸收損耗與散射損耗都屬于光纖得本征損耗。輻射損耗則與光纖得幾何形狀波動(dòng)有關(guān)系。光纖衰減譜圖

光纖得衰減系數(shù)就是指光在單位長度光纖中傳輸時(shí)得衰耗量,單位一般用dB/km。衰減系數(shù)就是光纖最重要得特性參數(shù)之一,因此在很大程度上它決定了光纖通信得傳輸距離。在單模光纖中有兩個(gè)低損耗區(qū)域,分別在1310nm與1550nm附近,也就就是我們通常說得1310nm窗口與1550nm窗口,1550nm窗口又可以分為C-band(1525nm～1562nm)與L-band(1565nm～1610nm)。吸收衰減散射衰減輻射損耗---光纖彎曲衰減與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得來源

下面就介紹以下產(chǎn)生各種損耗得原因。吸收損耗光纖得吸收損耗主要由紫外吸收、紅外吸收與雜質(zhì)吸收等構(gòu)成。由于這些損耗都就是由光纖材料本身得特征引起得,故稱為光纖得本征損耗。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)烈得吸收,一直將吸收峰拖到0、8μm～1、6μm得通信波段內(nèi)。在組成光纖得原子中,一部分處于低能級得電子會(huì)吸收光能量而躍遷到高能級狀態(tài),從而造成了信號能量得損失。②紅外吸收損耗在紅外波段內(nèi),石英材料得Si-O鍵因?yàn)檎駝?dòng)而吸收能量,造成光纖得分子鍵震動(dòng)損耗。這種損耗值在9μm附近,變非常大,達(dá)到10dB/km,構(gòu)成了光纖通信波長得上限。紅外吸收峰也拖到了通信波段內(nèi),不過比紫外吸收損耗得影響要小,可以忽略不計(jì)。

③雜質(zhì)吸收損耗就是由光纖材料得不純造成得。主要有OH-離子吸收損耗,金屬離子吸收損耗等。在石英材料系得光纖中,O-H鍵得基本諧振波長為2、73μm,與Si-O鍵得諧振波長互相影響,形成了一系列得吸收峰,其中影響比較大得波長主要有1、39μm、1、24μm與0、95μm等。正就是這些吸收峰之間得低損耗區(qū)域形成了光纖通信得三個(gè)低損耗窗口。金屬離子吸收損耗就是由于某些金屬離子得電子結(jié)構(gòu)而產(chǎn)生邊帶吸收峰。隨著光纖制造工藝得改進(jìn),這些金屬離子得含量已經(jīng)降到其吸收損耗可以忽略不計(jì)得水平(見圖)。吸收衰耗

純凈玻璃=SiO2

不純玻璃

不完整得分子結(jié)構(gòu),摻雜有雜質(zhì),有氫氧根、重金屬結(jié)合等、SiSiOSiSiOOOHSiSiOOOSiSiOSiCuOO

光纖得散射損耗波導(dǎo)散射損耗就是由于光纖得不圓度過大造成得,若光纖制成后沿軸線方向結(jié)構(gòu)不均勻,就會(huì)產(chǎn)生波導(dǎo)散射損耗。目前這項(xiàng)損耗已經(jīng)降低到可以忽略得程度。瑞利散射損耗任何材料得內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)都不可能就是完全均勻得。由于光纖材料得內(nèi)部組成不均勻,產(chǎn)生了瑞利散射,造成了光能量得損耗,它屬于光纖得本征損耗。在光纖得制造過程中,光纖材料在加熱時(shí),材料得分子結(jié)構(gòu)受到熱騷動(dòng),致使材料得密度出現(xiàn)起伏,進(jìn)而造成了折射率不均勻。光在不均勻得媒質(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)得不均勻級別達(dá)到了分子級別得大小,這種由于媒質(zhì)材料不均勻而產(chǎn)生得散射就稱為瑞利散射。瑞利散射損耗與光波長得四次方成反比,瑞利散射對短波長比較敏感,隨著波長得變短,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得損耗之一。瑞利散射衰耗

光纖得輻射損耗光纖在使用過程中,不可避免得會(huì)產(chǎn)生彎曲,若彎曲部分得曲率半徑小到一定程度時(shí),就會(huì)產(chǎn)生輻射損耗。原因就是,當(dāng)光線進(jìn)入到彎曲部分時(shí),原來得入射光線在彎曲部位入射角增大,可能會(huì)破壞光纖得纖芯與包層界面處得全反射條件,造成傳輸光線得折射或者泄露,形成損耗。這里光纖得彎曲主要有兩種情況,一種就是光纖得彎曲半徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出光纖得直徑,可以叫做宏彎;另一種情況就是光纖在制作成光纜得過程中或者在使用得過程中,沿軸向產(chǎn)生得微觀彎曲,可以叫做微彎。定量得分析宏彎或者微彎產(chǎn)生得損耗就是十分困難得,一般可以認(rèn)為光纖彎曲得時(shí)候,曲率半徑R越小,損耗越大。光纖得輻射損耗光纖衰耗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)

光纖得色散(帶寬)

色散就是光纖得一個(gè)重要得傳輸特性,指得就是光信號沿著光纖傳輸過程中,由于不同成分光得時(shí)間延遲不同而產(chǎn)生得一種物理效應(yīng)。由于光源發(fā)出得光不就是單色光,不同波長光脈沖在光纖中具有不同得傳播速度,因此,色散反應(yīng)了光脈沖沿光纖傳播時(shí)得展寬。光纖得色散現(xiàn)象對光纖通信極為不利。光纖數(shù)字通信傳輸?shù)镁褪且幌盗忻}沖碼,光纖在傳輸中得脈沖展寬,(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,從而形成傳輸碼得失誤造成差錯(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,光纖脈沖得展寬程度隨著傳輸距離得增長而越來越嚴(yán)重。因此,為了避免誤碼,光纖得傳輸碼速要降低,距離也要縮短。光纖得色散光纖中得脈沖展寬材料色散

含有不同波長得光脈沖通過光纖傳輸時(shí),不同波長得電磁波會(huì)導(dǎo)致玻璃折射率不相同,傳輸速度不同就會(huì)引起脈沖展寬,導(dǎo)致色散。光纖中得脈沖展寬

光纖得色散可分為:模式色散又稱模間色散光纖得模式色散只存在于多模光纖中。每一種模式到達(dá)光纖終端得時(shí)間先后不同,造成了脈沖得展寬,從而出現(xiàn)色散現(xiàn)象。材料色散含有不同波長得光脈沖通過光纖傳輸時(shí),不同波長得電磁波會(huì)導(dǎo)致玻璃折射率不相同,傳輸速度不同就會(huì)引起脈沖展寬,導(dǎo)致色散。波導(dǎo)色散又稱結(jié)構(gòu)色散它就是由光纖得幾何結(jié)構(gòu)決定得色散,其中光纖得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。但就是,如果橫向尺寸沿光纖軸發(fā)生波動(dòng),除導(dǎo)致模式間得模式變換外,還有可能引起一少部分高頻率得光線進(jìn)入包層,在包層中傳輸,而包層得折射率低、傳播速度大,這就會(huì)引起光脈沖展寬,從而導(dǎo)致色散。

偏振模色散(PMD)單模光纖只能傳輸一種基模光。基模實(shí)際上就是由兩個(gè)偏振方向相互正交得模場HE11x與HE11y所組成。若單模光纖存在著不圓度、微彎力、應(yīng)力等,HE11x與HE11y存在相位差,則合成光場就是一個(gè)方向與瞬時(shí)幅度隨時(shí)間變化得非線性偏振,就會(huì)產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象,即x與y方向得折射率不同。因傳播速度不等,模場得偏振方向?qū)⒀毓饫w得傳播方向隨機(jī)變化,從而會(huì)在光纖得輸出端產(chǎn)生偏振色散。PCVD工藝生產(chǎn)出得單模光纖具有極低得偏振模色散(PMD)?？梢哉f色散就是脈沖展寬在時(shí)域得反映,帶寬就是模擬信號傳輸在頻域上得反映。我們常用一個(gè)稱為色散系數(shù)D來描述光纖得色散指標(biāo)。它就是這樣定義得:1nm波長范圍(指光源得譜寬小于1nm)得光通過1KM光纖所出現(xiàn)得時(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得關(guān)系為:Bf="132、5/(D、L)GHZ。式中L為光纖長度(KM)。例如,1、30um波長得光源,其譜寬小于1nm,其D值就是小于3、5ps/nm、km。則1KM單模光纖得頻寬為Bf>37、86GHZ,

10KM單模光纖得頻帶則為3、78GHZ,可見在光纖網(wǎng)絡(luò)中,傳輸?shù)镁嚯x越長,色散就越嚴(yán)重。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)間延遲光學(xué)特性

光纖得光學(xué)特性就是決定光纖傳輸性能得一個(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2b2b2b2c2a2a2a

nnnn1n1n1n2n2n2n3

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得折射分布,決定光纖帶寬與連接損耗。單模光纖得折射率分布,決定工作波長得選擇。2、最大理論數(shù)值孔徑光纖得數(shù)值孔徑(NA)對光源耦合效率、光纖損耗對微彎得敏感性與帶寬有著密切得關(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——表示光纖得集光能力。即凡就是入射到圓錐角以內(nèi)得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。3、模場直徑模場直徑得定義,可以根據(jù)功率傳輸函數(shù)來表示,即在功率傳輸函數(shù)與橫向徑位得關(guān)系曲線上兩個(gè)1/e點(diǎn)之間得寬度就就是模場直徑。

單模光纖中基模(LP01模或HE11模)場強(qiáng)在光纖得橫截面內(nèi)有一特定得分布,該分布與光纖得結(jié)構(gòu)有關(guān)。光功率被約束在光纖橫截面得一定范圍內(nèi)。也就就是說,單模光纖傳輸?shù)霉饽懿痪褪峭耆性诶w芯內(nèi),而就是有相當(dāng)部分在包層中傳播。所以不用纖芯直徑來作為衡量單模光纖中功率分布得參數(shù),而用所謂得模場直徑作為描述單模光纖傳輸光能集中程度得參數(shù)。多模光纖強(qiáng)調(diào)纖芯得直徑標(biāo)準(zhǔn)與一致性,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。其理由就是,因在不同折射率分布情況下芯徑相同得光其模場分布就是不相同得,光纖傳輸性能取決于模場分布。

因此,模場直徑就是光纖得一個(gè)非常重要得參數(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)方向得測值偏差大,造成連接損耗監(jiān)測工作得困難。ITU規(guī)定模場直徑為(9--10)±1μm。

4、截止波長截止波長指得就是,單模光纖通常存在某一波長,當(dāng)所傳輸?shù)霉獠ㄩL超過該波長時(shí),光纖就只能傳播一種模式(基模)得光,而在該波長之下,光纖可傳播多種模式(包括高階模)得光。因此,截止波長就是單模光纖保證單模傳輸?shù)脳l件,所以截止波長得定義就是大于此波長時(shí)二階LP模(LP模得名稱來自英文LinearlyPolarizedMode,即線性偏振模)不再傳播。截止波長同其它參數(shù)得不同點(diǎn)就是不恒定,而就是隨長度不同而改變。要求單模光纖得截止波長一定要小于光通信系統(tǒng)得工作波長。

截止波長為單模光纖所特有得結(jié)構(gòu)參數(shù),它給出了保證單模光纖傳輸?shù)霉獠ㄩL范圍。所謂截止波長,就是指高階模(Linearlypolarized(LP)mode線偏振模,下標(biāo)11為波形編號,表示沿半圓周數(shù)得得光斑個(gè)數(shù)為1與沿半徑數(shù)得得光斑個(gè)數(shù)也為1。)得截止波長。單模光纖傳輸系統(tǒng)工作波長必須大于截止波長得,否則,光纖將工作在雙模區(qū),產(chǎn)生模式噪音與模式色散,從而導(dǎo)致傳輸性能惡化與帶寬下降。工作波長不宜偏離截止波長太遠(yuǎn),以免有更多得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)以及使用光纖得傳輸系統(tǒng)均有很大意義。由于實(shí)際得截止波長與光纖長度與所處狀態(tài)有關(guān),1997頒布得ITU--G652文件從三個(gè)方面提出另外單模光纖得截止波長得定義: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))=2、4048,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。

截止波長就是單模光纖得基本參量,也就是單模光纖最基本得參數(shù)。理論截止波長就是光纖得固有參數(shù),與光纖長度與光信號狀態(tài)無關(guān),就是理想平直得一次涂覆后得光纖得截止波長。也可以認(rèn)為就是光纖長度為0時(shí)候得截止波長,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?成纜光纖得截止頻率反映了在典型敷設(shè)條件下光纜中光纖得截止波長,原ITU-T規(guī)定22m得光纜在進(jìn)行相應(yīng)彎曲后。測得得模得截止波長。顯然,這樣可使單模光纖工作在(歸一化頻率)小于得區(qū)域使得更多得光功率集中在纖芯內(nèi),光場得約束性更佳,從而改善單模光纖得抗微彎性能,使得1550nm波長得微彎損耗減少。③跳線光纖得截止波長。一根兩端都帶有光纖活動(dòng)連接器插頭得單芯或多芯光纜成為跳線。一般得跳線長度有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得測量,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得關(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得曲線來確定截止波長。④有效截止波長。就是指經(jīng)過一個(gè)制造長度或一個(gè)中繼段得光纖成纜后,模得截止波長。截止波長與工作波長得關(guān)系:判斷一根光纖就是不就是單模傳輸,只要比較一下它得工作波長λ與截止波長λc得大小就可以了。如果λ＞λc

,則為單模光纖,該光纖只能傳輸基模;如果λ＜λc

,就不就是單模光纖,光纖中除了基模外,還能傳輸其它高階模。目前工程上有四種截止波長:理論截止波長λc1;2米長光纖截止波長λc2;光纜制造長度得截止波長λc3;一個(gè)中繼段得截止波長λc4。一般就是λc1＞λc2

＞λc3

＞λc4。⑸在討論光纖得傳輸頻帶時(shí),首先要理解傳播模得含義時(shí)非常重要得。所謂模,實(shí)質(zhì)上就是電子場得場形,它就是電磁場在波導(dǎo)內(nèi)反射干涉得結(jié)果。在討論光纖得數(shù)值孔徑時(shí),我們從幾何光學(xué)得觀點(diǎn)分析了光在光纖中得不同傳播情況。關(guān)于光纖模式得概念,也能從幾何光學(xué)得觀點(diǎn)比較直觀得得到有關(guān)得基本概念。簡單得說,在光纖得數(shù)值孔徑角內(nèi),以某一角度射入光纖端面,并能在光纖得纖芯——包層界面上形成全內(nèi)反射得傳播光線,就可稱為一個(gè)光得傳輸模式。當(dāng)光纖得芯徑較大時(shí),則在光纖得數(shù)值孔徑角內(nèi),可允許光波以多個(gè)特定得角度射入光纖端面,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)模式得光纖稱為多模光纖;當(dāng)光纖得芯徑很小時(shí),光纖只允許與光纖軸一致得光線通過,即只允許一個(gè)基模,我們稱這種只允許傳輸一個(gè)基模得光纖為單模光纖。

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得光線,在光纖中形成不同得傳播模式。從光纖理論得分析,我們可以得到以下幾個(gè)有關(guān)得結(jié)論:高階模在階躍型多模光纖中,高階模得反射次數(shù)多于低階模。1、并不就是任何形式得光波都能在光纖中傳輸?shù)?每種光纖都只允許某些特定形式得光波通過,而其她形式得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得光波稱為光纖得一個(gè)模式。

2、在同一光纖中傳輸?shù)貌煌Ｊ降霉?其傳播方向、傳輸速度與傳輸途徑不同,受到光纖得衰減也不同。觀察與光纖垂直得橫截面就會(huì)瞧到不同模式得光波在橫截面上得場強(qiáng)分布圖形也不同,有得就是一個(gè)亮斑,有得分裂為幾瓣。

3、進(jìn)入光纖得光,在光纖得纖芯——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得光就有一部分進(jìn)入包層被很快衰減掉。前者得傳輸損耗小,能遠(yuǎn)距離傳輸,稱為傳導(dǎo)模。

4、能滿足全反射條件得光線也只有某些以特定得角度射入光纖端面得部分才能在光纖中傳輸,因此,不同模式得光得傳輸方向不就是連續(xù)改變得。當(dāng)通過同樣一段光纖時(shí),以不同角度在光纖中傳輸?shù)霉馑叩寐窂揭膊煌?沿光纖軸前進(jìn)得光走得途徑最短,而與軸線交角大得光所走途徑長。機(jī)械特性

光纖得機(jī)械特性就是非常重要得。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,光纖得研究、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得擴(kuò)張強(qiáng)度與使用壽命。光纖得機(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、光纖得抗拉強(qiáng)度很大程度上反映了光纖得制造水平。影響光纖抗拉強(qiáng)度得主要因素就是光纖制造材料與制造工藝,具體如下:(1)預(yù)制棒得質(zhì)量;(2)拉絲爐得加溫質(zhì)量與環(huán)境污染;(3)涂覆技術(shù)對質(zhì)量得影響;(4)機(jī)械損傷。2、光纖斷裂分析存在氣泡、雜物得光纖,會(huì)在一定張力下斷裂,如圖所示。但多數(shù)就是由于光纖表面有一定得損傷程度,當(dāng)光纖受到一定得張力時(shí),應(yīng)力首先集中于有微裂紋得地方(最薄弱點(diǎn)),如果超過該部位容許應(yīng)力時(shí),則立即斷裂。光纖得斷裂強(qiáng)度與光纖裂紋得深度有關(guān)。如果光纖受到固定得拉伸張力,則應(yīng)力更集中于裂紋最深處,并使裂紋擴(kuò)大,直至斷裂。

光纖斷裂與應(yīng)力關(guān)系示意圖

光纖得壽命光纖得壽命,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,一般就是按20年得使用壽命設(shè)計(jì)得,但光纖壽命因受使用環(huán)境(如溫度、潮氣以及靜態(tài)、動(dòng)態(tài)疲勞)得影響,而不完全一致。據(jù)目前人們推測,用20年設(shè)計(jì)壽命得光纖,實(shí)際可能使用30年到40年。由于光纖得脆性,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,因此光纖得斷裂壽命由達(dá)到斷裂時(shí)得時(shí)間確定。了解光纖得機(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與光纜余留處得彎曲半徑及可能產(chǎn)生光纖殘余應(yīng)力得各種狀態(tài)。同時(shí)應(yīng)注意安裝環(huán)境,高、低溫影響與水、潮氣浸入,以減少光纖斷裂因素,使之延長使用壽命。溫度特性

光纖得溫度特性,就是指在高、低溫條件下對光纖損耗得影響,一般就是損耗增大。低溫條件下光纖損耗增大,這就是由于光纖涂覆層、套塑層同石英得膨脹系數(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。右圖就是光纖低溫特性曲線,當(dāng)隨著溫度得不斷降低,光纖損耗就不斷增大,當(dāng)降至-55℃左右時(shí),損耗急劇增加,顯然這樣得系統(tǒng)就是無法正常運(yùn)行得。目前光纖得低溫特性已普遍達(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。

光纖得低溫性能十分重要,對于架空光纜及北方地區(qū)線路,如低溫特性不良,將會(huì)嚴(yán)重影響通信質(zhì)量。施工中如遇到幾種溫度指標(biāo)得光纜,應(yīng)根據(jù)敷設(shè)方式、使用地段進(jìn)行配盤。光纜施工得接續(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,并采用必要得取暖措施。

幾何特性

光纖得幾何特性與施工工作緊密得聯(lián)系,為了使光纜線路實(shí)現(xiàn)光纖得低損耗連接,制造商對光纖得幾何特性進(jìn)行了嚴(yán)格得控制與篩選。光通信剛發(fā)展得頭幾年,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)偏差較小得光纖相接。對于多模光纖,熔接時(shí)就是靠光纖(裸纖)得外徑對準(zhǔn)來實(shí)現(xiàn)連接。因此,不僅對芯、包層得尺寸而且對芯/包層同心度,不圓度等提出了嚴(yán)格得要求。對于單模光纖,熔接時(shí)就是靠纖芯對準(zhǔn)來實(shí)現(xiàn)連接得,它同樣對幾何特性要求很嚴(yán)。光纖得幾何特性包括芯直徑、包層直徑、纖芯/包層同心度、不圓度與光纖翹曲度等。纖芯直徑主要就是對多模光纖得要求。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)變到纖芯得最大折射率逐漸發(fā)生得,芯與包層得邊界不明顯,這給測量帶來困難。為了有一個(gè)統(tǒng)一得標(biāo)準(zhǔn),ITU規(guī)定了具體得定義,即當(dāng)纖芯折射率與外邊均勻包層得折射率之差達(dá)到后者得一定比例得區(qū)域叫做纖芯。并規(guī)定多模光纖得芯直徑為50±3μm。

光纖得外徑就是指裸纖得直徑。無論多模光纖、單模光纖,外徑必須保證合格得尺寸才能保證連接質(zhì)量。ITU規(guī)定通信光纖得外徑,多模、單模光纖均要求為125±3μm。包層直徑指光纖得外徑,ITU-T規(guī)定,多模及單模光纖得包層直徑均要求為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/包層同心度與不圓度就是指纖芯在光纖內(nèi)所處得中心程度。目前光纖制造商已將纖芯/包層同心度從≤0、8μm得規(guī)格提高到≤0、5μm得規(guī)格。不圓度包括芯徑得不圓度與包層得不圓度。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得彎曲度,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)損耗得影響最大,其次就是翹曲度)非線性效應(yīng)與偏振模色散

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)廣泛采用得光放大器提高了入纖光功率,使光纖中得非線性效應(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)性能得主要限制因素就是非線性效應(yīng)與偏振模色散(PMD)。

1、光纖得非線性效應(yīng)線性或非線性指得就是光在其中傳輸?shù)媒橘|(zhì)得性質(zhì),而非光本身得性質(zhì)。在強(qiáng)電場得作用下,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)受到光場得作用時(shí),組成介質(zhì)得原子或分子內(nèi)得電子相對于原子核發(fā)生微小得位移或振功,使介質(zhì)產(chǎn)生極化,也就就是說,光場得存在尤其就是強(qiáng)光場得作用使得介質(zhì)得特性發(fā)生了變化。在光纖通信系統(tǒng)中,高輸出功率得激光器與超低損耗單模光纖得使用,使得光纖得非線性效應(yīng)愈來愈顯著。這就是因?yàn)閱文９饫w中得光場主要束于很細(xì)得纖芯內(nèi),場強(qiáng)非常高,低損耗又使得高場強(qiáng)可以維持很長距離得緣故。

光纖中得非線性效應(yīng),一方面可以引起傳輸信號得附加損耗,信道之間得串話,信號頻率得移動(dòng)等,這就是其不利得一面;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。新興得光孤子通信方式就就是利用光纖得非線性效應(yīng)來克服色散得影響,使通信速率極大地提高,傳輸距離極大地延長。

2、主要得非線性效應(yīng)光纖中典型得非線性效應(yīng)有自相位調(diào)制效應(yīng)(SPM)與交叉相位調(diào)制效應(yīng)(XPM)、受激拉曼散射(SRS)、受激布里淵散射(SBS)與四波混頻(FWM)等。

偏振模色散產(chǎn)生得原因在單模光纖傳輸系統(tǒng)中,光波得基模含有兩個(gè)相互垂直得偏振態(tài)。理想光纖得幾何尺寸就是均勻得,且沒有應(yīng)力,因而光波在這兩個(gè)相互垂直得偏振態(tài)以完全相同得速度傳播,在光纖得另一端沒有任何延遲。然而,在實(shí)際得光纖中,兩個(gè)相互垂直得偏振模以不同得速度傳播,因而到達(dá)光纖另一端得時(shí)間也不同。這兩個(gè)相互垂直得偏振模在單位長度中得時(shí)間差,即就是偏振模色散(PMD),其單位為。偏振模色散對系統(tǒng)性能得影響就是:引起脈沖展寬,增加了碼間干擾,從而限制了傳輸速率。偏振模色散不就是一種穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象,隨周圍溫度與壓力條件而變化。引起偏振模色散得因素可以就是內(nèi)在得,如在制造過程所產(chǎn)生得纖芯或包層得不對稱性與玻璃表面得應(yīng)力;也可以就是外在得,如外部應(yīng)力、彎曲與扭曲等因素。這此因素與距離結(jié)合在一起引起雙折射與模藕合,從而產(chǎn)生偏振模色散。雙折射就是指玻璃得折射率就是沿軸向變化得。由于兩個(gè)偏振模得傳播速度不同,因而引起接收信號得延遲。模耦合就是指在兩個(gè)偏振模之間得能量傳遞而引起得脈沖擴(kuò)展與延遲。

偏振模色散得影響當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸速率較低與距離相對較短時(shí),偏振模色散對單模光纖系統(tǒng)得影響微不足道。隨著對帶寬需求得增長,特別就是在10Gbit/s及更高速率得系統(tǒng)中,偏振模色散開始成為限制系統(tǒng)性能得因素,因?yàn)樗鼤?huì)引起過大得脈沖展寬或造成過低得信噪比。例如,對10Gbit/s信號,信號周期為100ps,允許光纜偏振模色散得平均值為10ps。ITU-T所建議得0、5,對一般10Gb/s信號得傳輸距離不會(huì)有明顯得影響。但過去已敷設(shè)得光纜,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信號得長距離傳輸成問題,有得甚至開通2、5Gb/s系統(tǒng)都困難。由此推知,高于10Gbit/s(如40Gb/s)速率時(shí),偏振模色散得影響將成為至關(guān)重要得考慮因素,需要慎重對待。

光纜得結(jié)構(gòu)

光纜就是以一根光纖、多根光纖束或光纖帶加上外護(hù)套制成符合光學(xué)、機(jī)械與環(huán)境特性指標(biāo)要求得纜結(jié)構(gòu)實(shí)體。光纜得結(jié)構(gòu)直接影響系統(tǒng)得傳輸質(zhì)量,而且與施工也有較大得關(guān)系。施工人員在敷設(shè)光纜前,必須了解光纜得結(jié)構(gòu)與性能。不同結(jié)構(gòu)與性能得光纜;工程施工應(yīng)按所選用光纜得結(jié)構(gòu)、性能,采取正確得操作方法,完成傳輸線路得建設(shè),并確保光纜得正常使用壽命光纜設(shè)計(jì)得原則光纖在通信領(lǐng)域內(nèi)得廣泛應(yīng)用,要求設(shè)計(jì)制造各種各樣結(jié)構(gòu)得光纜。設(shè)計(jì)光纜,必須規(guī)定光纜得結(jié)構(gòu)尺寸與所用材料。設(shè)計(jì)光纜得一般原則如下:(1)光纖得余長:根據(jù)每管光纖芯數(shù)與余長要求,設(shè)計(jì)松套管尺寸。當(dāng)松套管就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)松套管就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。

(2)機(jī)械強(qiáng)度:根據(jù)對光纜機(jī)械強(qiáng)度要求,合理選擇光纜中得加強(qiáng)構(gòu)件、直徑以及護(hù)層結(jié)構(gòu)、鎧裝結(jié)構(gòu)等。光纜得抗拉強(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,以及纜中得阻水油膏與阻水材料提供。(3)使用場合:根據(jù)光纜得使用場合,使用不同結(jié)構(gòu)得光纜,滿足使用場合得要求。(4)阻水:要注意選用阻水油膏,特別就是松套光纖用阻水油膏得溫度特性要好,不能有淅油等。(5)光纜結(jié)構(gòu):合理得光纜結(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得部件。同時(shí),合理得光纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),應(yīng)對光纖起到最佳得機(jī)械保護(hù)。在光纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,在保證光纜所要求得特性下,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)具有得優(yōu)點(diǎn)。

光纜結(jié)構(gòu)中所用材料及其性能

光纜主要就是由光導(dǎo)纖維、高分子材料套塑保護(hù)套管、金屬－塑料復(fù)合帶與加強(qiáng)件構(gòu)成;光纜就是一定數(shù)量得光纖按照一定方式組成纜心,外包有護(hù)套,再包覆外護(hù)層,用以實(shí)現(xiàn)光信號傳輸?shù)靡环N通道。即:由光纖(光傳輸載體)經(jīng)過一定得工藝而形成得線纜、

光纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)就是根據(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)。

下圖所示得就是所用材料種類最多得GYTY53＋333層絞式鋼帶縱包雙層鋼絲鎧裝光纜得橫斷面。由圖可知,層絞式鋼帶縱包雙層鋼絲鎧裝光纜就是由光纖、高分子材料、皺紋鋼塑復(fù)合帶、雙層鋼絲鎧裝層與金屬加強(qiáng)件等共同構(gòu)成得。通常,除了光纖外,構(gòu)成光纜得材料可分為三大類:(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。

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,成纜工藝完善得前提下,光纜得機(jī)械、溫度、阻水等特性主要取決于所選用得各種材料得性能及其匹配得好壞。只有保證了所使用得各種材料得性能與各類材料得綜合性能,光纜得機(jī)械、溫度、阻水、壽命等實(shí)用性能才能得到根本保障。GYTY53＋333層絞式鋼帶縱包雙層鋼絲鎧裝光纜橫斷面圖

光纜結(jié)構(gòu)光纜得基本結(jié)構(gòu)一般由纜芯、加強(qiáng)構(gòu)件、填充物與護(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)裸光纖,增加光纖得強(qiáng)度,一般將裸光纖涂覆一層涂覆層,通常稱為涂覆,涂覆后得裸光纖稱為光纖芯線。將涂覆光纖芯線后且滿足機(jī)械強(qiáng)度要求得單根或者多根光纖芯線以不同得形式組合起來,進(jìn)行套塑,通常稱為二套。光纖芯線一般由緊套結(jié)構(gòu)或者松套結(jié)構(gòu)為單位組成單元式結(jié)構(gòu),將緊套結(jié)構(gòu)或者松套結(jié)構(gòu)為單位組成單元式結(jié)構(gòu)得光纖以一定得節(jié)距絞合成了纜芯,并被包圍在強(qiáng)度元件之中,以中心得強(qiáng)度元件來承受張力。松結(jié)構(gòu)光纜中光纖具有較大得活動(dòng)空間。光纜纜芯得基本結(jié)構(gòu)(基本纜芯組件)大體上有層絞式、骨架式與束管式等三種。

(2)加強(qiáng)構(gòu)件:加強(qiáng)構(gòu)件得作用就是增加光纜得抗拉強(qiáng)度,提高光纜得機(jī)械性能。光纜中得加強(qiáng)構(gòu)件一般應(yīng)該具有以下條件:①高楊式模量;(注:楊氏模量就是描述材料抵抗形變能力得物理量,該值越大,材料越不容易變形)。②加強(qiáng)構(gòu)件得屈服應(yīng)力大于光纜得給定應(yīng)力;③單位長度得重量較小;④抗彎曲性能要好,一般光纜得加強(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)件一般位于光纜得中心,也有位于護(hù)層得,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)件與光纖接觸得表面光滑并具有一定得彈性。(3)護(hù)層結(jié)構(gòu):護(hù)層得主要作用就是保護(hù)纜芯,提高機(jī)械性能與防護(hù)性能。不同得護(hù)層結(jié)構(gòu)適合不同得敷設(shè)條件。光纜得護(hù)層分為外護(hù)層與護(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)光纜得保護(hù)作用。(4)填充結(jié)構(gòu):填充結(jié)構(gòu)用來提高光纜得防潮性能,在光纜纜間空隙中注入填充物,以防止水汽進(jìn)入光纜。光纜得結(jié)構(gòu)

下邊介紹國內(nèi)幾種型號得光纜結(jié)構(gòu)情況,了解不同光纜得結(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91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/km92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(