光纜教學課件

1、1 2主要內容: 光纖的結構和類型。 光纖的導光原理。 光纖的特性。3 1.1.1 光纖的結構 1. 光纖結構 光纖由纖芯、包層和涂覆層3部分組成，如圖2-1所示。圖2-1 光纖的結構4 （1）纖芯 單模光纖的纖芯為4m10m，多模光纖的纖芯為50m。 纖芯的成分是高純度SiO2。 （2）包層 直徑d2=125m 5 （3）涂覆層 一次涂覆層:丙烯酸酯、有機硅或硅橡膠材料； 緩沖層:填充油膏； 二次涂覆層:聚丙烯或尼龍等高聚物。 涂覆的作用是保護光纖不受水汽侵蝕和機械擦傷，同時又增加了光纖的機械強度與可彎曲性，起著延長光纖壽命的作用。涂覆后的光纖其外徑約1.5mm。6 2光纖的折射率分布與光線

2、的傳播 圖2-3 光纖的折射率分布7 圖2-5 光在階躍折射率多模光纖中的傳播圖2-6 光在漸變折射率多模光纖中的傳播8 若按傳輸模的數量分類可分為多模光纖多模光纖和單模光纖單模光纖 若按傳輸波長分類可分為短波長光纖短波長光纖和長波長光纖長波長光纖 若按套塑結構分類可分為緊套光纖緊套光纖和松套光纖松套光纖9 1按傳輸模數分類 傳播模式概念：當光在光纖中傳播時，如果光纖纖芯的幾何尺寸遠大于光波波長時，光在光纖中會以幾十種乃至幾百種傳播模式進行傳播。圖2-4 光在階躍折射率光纖中的傳播10 （1）多模光纖 當光纖的幾何尺寸（主要是芯徑d1）遠大于光波波長時（約1m），光纖傳輸的過程中會存在著幾十種

3、乃至幾百種傳輸模式，這樣的光纖稱為多模光纖。 （2）單模光纖 當光纖的幾何尺寸（主要是芯徑d1 ）較小，與光波長在同一數量級，如芯徑d1 在4m10m范圍，這時，光纖只允許一種模式（基模）在其中傳播，其余的高次模全部截止，這樣的光纖稱為單模光纖。11圖2-7 光在單模光纖中的傳播軌跡圖2-6 光在漸變折射率多模光纖中的傳播12 2按傳輸波長分類 光纖可分為短波長光纖和長波長光纖。 短波長光纖的波長為0.85m（0.8m0.9m） 長波長光纖的波長為1.3m1.6m，主要有1.31m和1.55m兩個窗口。 3按套塑結構分類 按套塑結構不同，光纖可分為緊套光纖和松套光纖。 13 緊套光纖與松套光纖

4、 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。圖2-8 套塑光纖結構14 4單模光纖的分類 （1） G.651光纖 ：多模漸變型光纖，中小容量、中短距離。 （2）G.652光纖 G.652光纖，也稱標準單模光纖（SMF），是指色散零點（即色散為零的波長）在1 310nm附近的光纖。 （3）G.653光纖 G.653光纖也稱色散位移光纖（DSF），是指色散零點在1 550nm附近的光纖，它相對于G.652光纖，色散零點發(fā)生了移動，所以叫色散位移光纖。15 4單模光纖的

5、分類 （4）G.654光纖 G.654光纖是截止波長移位的單模光纖。其設計重點是降低1 550nm的衰減，其零色散點仍然在1 310nm附近，因而1 550nm窗口的色散較高。G.654光纖主要應用于海底光纖通信。 （5）G.655光纖 由于G.653光纖的色散零點在1 550nm附近，DWDM系統(tǒng)在零色散波長處工作易引起四波混頻效應。為了避免該效應，將色散零點的位置從1 550nm附近移開一定波長數，使色散零點不在1 550nm附近的DWDM工作波長范圍內。這種光纖就是非零色散位移光纖（NDSF）。16 當一條光線照射到兩種介質相接的邊界時，入射光線分成兩束：反射光線和折射光線（如圖2-9所

6、示）。圖2-9 光的折射圖2-10 光的反射全反射是光信號在光纖中傳播的必要條件 。17 1.3.1 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。 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503m。 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1253m。 目前，光纖生產制造商已將光纖外徑規(guī)格從125.03m提高到125.01m。18 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0.8m的規(guī)格提高到0.5m的規(guī)格。 不圓

7、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1.0m），芯徑不圓度6%，包層不圓度（包括單模）2%。 19 光纖的光學特性有折射率分布、最大理論數值孔徑、模場直徑及截至波長等。 1折射率分布 2/112)/(21darnn 其中，n1為纖芯折射率，n2為包層折射率，a為芯半徑，r為離開纖芯中心的徑向距離，為相對折射率差，=(n1 n2 )/ n1 ， g折射率分布指數。 20 2最大理論數值孔徑（NAmax） 最大理論數值孔徑的定義為： 2/12221max)(nnNA 其中，n1為階躍光纖均勻纖芯的折射率（梯度光纖為纖芯中心的最大折射率），n2為均勻包

8、層的折射率。 21 3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。 模場直徑越小，通過光纖橫截面的能量密度就越大。當通過光纖的能量密度過大時，會引起光纖的非線性效應，造成光纖通信系統(tǒng)的光信噪比降低，影響系統(tǒng)性能。 模場直徑（或有效面積）越大越好。22圖2-13 模場直徑23 4截止波長 理論上的截止波長是單模光纖中光信號能以單模方式傳播的最小波長。 截止波長條件可以保證在最短光纜長度上單模傳輸，并且可以抑制高次模的產生或可以將產生的高次模噪聲功率代價減小到完全可以忽略的地步。 注：幾何特性、光學特性影響光纖的連接質量，施工對它們不產生變化，而傳輸特性則相反，它不影響施工，

9、但施工對傳輸特性將產生直接的影響。24 光纖的傳輸特性主要是指光纖的損耗特性和色散特性，另有機械特性和溫度特性。 1光纖的損耗特性 光波在光纖中傳輸，隨著傳輸距離的增加，而光功率強度逐漸減弱，光纖對光波產生衰減作用，稱為光纖的損耗（或衰減）。 光纖損耗的定義：A( )=10lg（P1/P2） dB P1-輸入端輸入光功率 P2-輸出端輸出光功率 假設光纖損耗在長度上是均勻的，將計算單位長度上的損耗，稱之為衰減常數： a( )= A( )/L dB/Km25 光纖的損耗限制了光信號的傳播距離。光纖的損耗主要取決于吸收損耗、散射損耗、彎曲損耗3種損耗。 （1）固有損耗（吸收損耗） 光纖吸收損耗是制

10、造光纖的材料本身造成的損耗，包括紫外吸收、紅外吸收和雜質吸收。 （2）外部損耗（散射損耗） 由于材料的不均勻使光信號向四面八方散射而引起的損耗稱為瑞利散射損耗。 光纖制造中，結構上的缺陷會引起與波長無關的散射損耗。26（3）應用損耗（彎曲損耗） 光纖的彎曲會引起輻射損耗。實際中，有兩種情況的彎曲：一種是曲率半徑比光纖直徑大得多的彎曲；一種是微彎曲。 決定光纖衰減常數的損耗主要是吸收損耗和散射損耗，彎曲損耗對光纖衰減常數的影響不大 。27 （4）衰減系數 光纖的衰減系數是指光在單位長度光纖中傳輸時的衰耗量，單位一般用dB/km。它是描述光纖損耗的主要參數。 在單模光纖中有兩個低損耗區(qū)域，分別在1

11、 310nm和1 550nm附近，即通常說的1 310nm窗口和1 550nm窗口；。如圖2-14所示。28圖2-14 光纖的特性29 2光纖的色散特性 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，色散一般用時延差來表示。圖2-15 色散引起的脈沖展寬示意圖30 光纖的色散可分為模式色散、色度色散。 光纖寬帶的色散主要受材料色散、模式色散和結構色散影響，其中，單模光纖主要受材料色散的影響。 （1）模式色散 多模光纖中不同模式的光束有不同的群速度，在傳輸過程中，不同模式的光束的時間延遲不同而產生的色散，稱模式色散。

12、31 （2）色度色散 材料色散 由于材料折射率隨光信號頻率的變化而不同，光信號不同頻率成分所對應的群速度不同，由此引起的色散稱為材料色散。 波導色散 波導色散是由于波導結構參數與波長有關而引起的，它取決于波導尺寸和纖芯與包層的相對折射率差。 32 （4）碼間干擾（ISI） 圖2-17 碼間干擾33 3光纖的機械特性 光纖的機械特性主要包括耐側壓力、抗拉強度、彎曲以及扭絞性能等，使用者最關心的是抗拉強度。 （1）光纖的抗拉強度 光纖的抗拉強度很大程度上反映了光纖的制造水平。 影響光纖抗拉強度的主要因素是光纖制造材料和制造工藝。 預制棒的質量。 拉絲爐的加溫質量和環(huán)境污染。 涂覆技術對質量的影響。

13、 機械損傷。 34 （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，如圖2-18所示。（合格產品抗張強度432g)圖2-18 光纖斷裂和應力關系示意圖35 （3）光纖的壽命 光纖的壽命，習慣稱使用壽命，當光纖損耗加大以致系統(tǒng)開通困難時，稱其已達到了使用壽命。從機械性能講，壽命指斷裂壽命。 （4）光纖的機械可靠性 一般來說，二氧化硅包層光纖的機械可靠性已經得到廣泛的認可。為了提高光纖的機械可靠性，在光纖的外包層中摻入二氧化鈦，從而增加網絡的壽命。 36 4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。如圖2-19 所示。圖2-19 光纖低溫特

14、性曲線光纖的溫度特性中低溫的閥值是-55C 3738主要內容：n常用光纜的結構n光纜的型號n常用光纜的分類n光纜的端別及纖序n光纜選型39 2.4.1 光纜的結構 1光纜的結構 光纜由纜芯、護層和加強芯組成。 （1）纜芯 纜芯由光纖的芯數決定，可分為單芯型和多芯型兩種。 （2）護層 護層主要是對已成纜的光纖芯線起保護作用，避免受外界機械力和環(huán)境損壞。護層可分為內護層（多用聚乙烯或聚氯乙烯等）和外護層（多用鋁帶和聚乙烯組成的LAP外護套加鋼絲鎧裝等）。 （3）加強芯 加強芯主要承受敷設安裝時所加的外力。40 2各種典型結構的光纜 （1）層絞式結構光纜 把經過套塑的光纖繞在加強芯周圍絞合而構成。層

15、絞式結構光纜類似傳統(tǒng)的電纜結構，故又稱之為古典光纜。 圖2-20圖2-24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構光纜的示意圖（截面）。41 圖2-21 12芯松套層絞式直埋光纜圖2-20 6芯緊套層絞式光纜42 圖2-22 12芯松套層絞式直埋防蟻光纜43 圖2-23 648芯松套層絞式水底光纜44圖2-24 12芯松套+8芯2線對層絞式直埋光纜45 （2）骨架式結構光纜 骨架式結構光纜是把緊套光纖或一次涂覆光纖放入加強芯周圍的螺旋形塑料骨架凹槽內而構成。 骨架結構有中心增加螺旋型、正反螺旋型、分散增強基本單元型，圖2-25（b）為螺旋型結構，圖2-26為基本單元結構。目前，我國

16、采用的骨架式結構光纜，都是采用如圖2-25所示的結構。圖2-27所示是采用骨架式結構的自承式架空光纜。46圖2-25 12芯骨架式光纜47 圖2-26 70芯骨架式光纜48 圖2-27 骨架式自承式架空光纜49 （3）束管式結構光纜 把一次涂覆光纖或光纖束放入大套管中，加強芯配置在套管周圍而構成。 圖2-28所示的光纜結構即屬護層增強構件配制方式。 圖2-29、2-30所示是屬于分散加強構件配置方式的束管式結構光纜。 另圖2-34所示的淺海光纜實際上就是雙層加鎧裝束管式光纜。50圖2-28 12芯束管式光纜51 圖2-29 648芯束管式光纜52 圖2-30 LEX束管式光纜53 （4）帶狀結

17、構光纜 把帶狀光纖單元放入大套管中，形成中心束管式結構；也可把帶狀光纖單元放入凹槽內或松套管內，形成骨架式或層絞式結構。如圖2-31、2-32所示。圖2-31 中心束管式帶狀光纜圖2-32 層絞式帶狀光纜54 （5）單芯結構光纜 單芯結構光纜簡稱單芯軟光纜，如圖2-33所示。 這種結構的光纜主要用于局內（或站內）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。圖2-33 單芯軟光纜55 （6）特殊結構光纜 特殊結構的光纜，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。 海底光纜 有淺海光纜和深海光纜兩種，圖2-34所示為典型的淺海光纜

18、，圖2-35所示是較為典型的深海光纜。 無金屬光纜 無金屬光纜是指光纜除光纖、絕緣介質外（包括增強構件、護層）均是全塑結構，適用于強電場合，如電站、電氣化鐵道及強電磁干擾地帶。56 圖2-34 淺海光纜57 圖2-35 深海光纜58 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 可分為緊套光纜、松套光纜、束管式光纜和帶狀多芯單元光 4按敷設方式分 光纜可分為管道光纜、直埋光纜、架空光纜和水底光纜。59 光纜型號由它的型式代號和規(guī)格代號構成，中間用一短橫線分開。 （1）光纜型式由五個部分組成，如圖2-3

19、6所示。圖2-36 光纜型式的組成部分60 圖中： ：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）內光纜； GS通信用設備內光纜； GH通信用海底光纜； GT通信用特殊光纜。 ：加強構件代號及其意義為： 無符號金屬加強構件； F非金屬加強構件； G金屬重型加強構件； H非金屬重型加強構件。61 ：派生特征代號及其意義為： D光纖帶狀結構； G骨架槽結構； B扁平式結構； Z自承式結構。 T填充式結構。 ： 護層代號及其意義為； Y聚乙烯護層； V聚氯乙烯護層； U聚氨酯護層； A鋁-聚乙烯粘結護層； L鋁護套； G鋼護套； Q鉛護套； S鋼-鋁-聚乙

20、烯綜合護套。62 ：外護層的代號及其意義為： 外護層是指鎧裝層及其鎧裝外邊的外護層，外護層的代號及其意義如表2-2所示。 表2-2外護層代號及其意義代 號鎧裝層（方式）代 號外護層（材料）0無0無11纖維層2雙鋼帶2聚氯乙烯套3細圓鋼絲3聚乙烯套4粗圓鋼絲5單鋼帶皺紋縱包63 （2）光纜規(guī)格由五部分七項內容組成，如圖2-37所示。圖2-37 光纜的規(guī)格組成部分64 圖中： ： 光纖數目用1、2、，表示光纜內光纖的實際數目。 ： 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

21、； S塑料光纖。 ： 光纖主要尺寸參數 用阿拉伯數（含小數點數）及以m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。65 ：帶寬、損耗、波長表示光纖傳輸特性的代號由a、bb及cc三組數字代號構成。 a表示使用波長的代號，其數字代號規(guī)定如下： 1波長在0.85m區(qū)域； 2波長在1.31m區(qū)域； 3波長在1.55m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表示損耗常數的代號。兩位數字依次為光纜中光纖損耗常數值（dB/km）的個位和十位數字。 cc表示模式帶寬的代號。兩位數字依次為光纜中光纖模式帶寬分類數

22、值（MHzkm）的千位和百位數字。單模光纖無此項。66 ：適用溫度代號及其意義。 A適用于40+40 B適用于30+50 C適用于20+60 D適用于5+6067 光纜中還附加金屬導線（對、組）編號，如圖2-38所示。其符合有關電纜標準中導電線芯規(guī)格構成的規(guī)定。圖2-38 光纜中附加金屬導線編號示意圖 例如，2個線徑為0.5mm的銅導線單線可寫成210.5；4個線徑為0.9mm的鋁導線四線組可寫成440.9L；4個內導體直徑為2.6mm，外徑為9.5mm的同軸對，可寫成42.6/9.5。68 （3）光纜型號例題 設有金屬重型加強構件、自承式、鋁護套和聚乙烯護層的通信用室外光纜，包括12根芯徑/

23、包層直徑為50/125m的二氧化硅系列多模突變型光纖和5根用于遠供及監(jiān)測的銅線徑為0.9mm的四線組，且在1.31m波長上，光纖的損耗常數不大于1.0dB/km，模式帶寬不小于800MHzkm；光纜的適用溫度范圍為20+60。 該光纜的型號應表示為： GYGZL03-12T50/125（21008）C+540.9。69 端別判斷方法: 1.一般識別方法是面對光纜截面，由領示光纖（或導線或填充線）以紅綠（或藍黃等）順時針為A端；逆時針為B端。 2.大多數.的光纜生產廠家在其產品的說明書中，均對光纜端別的判別及纖序的排列作了說明，工程使用中應以此為準。 3.在施工設計中有明確規(guī)定的應按設計中的規(guī)定

24、來區(qū)別端別.70 光纖纖序排列主要有下列幾種方式（以下以A端截面為例）(1)以紅綠領示電導線或填充線中間的光纖為1#纖，順時針數為2#,3#,(2)以紅、綠領示色緊套、松套（單芯）、骨架（單芯），其紅色為1#纖，綠色為2#纖、順時針數為 3#，4#(3)以紅、綠（或藍、黃）領示色松套（雙芯），紅（或藍）為1 管，綠（或黃）為6管，紅（或藍）一綠（或黃）順時針計數，纖序為管序123456管色紅(或藍)白(本色)白白白綠(或黃)纖序123456789101112纖色紅(或黑)白紅(或黑)白紅(或黑)白紅(或黑)白紅(或黑)白紅(或黑)白71 (4)以紅、綠領示單元松套（6芯），紅色為一單元（組），

25、綠色為二單元組，單元管內6芯光纖全色譜，纖序為 單元一(藍)二(黃)纖序123456789101112纖色藍橙綠棕灰白藍橙綠棕灰白72 公用通信網所用光纜的選型 公用通信用光纜光纜種類結構光纖芯數需要條件中繼光纜層絞式10低損耗、寬頻帶、長盤長骨架式100大束管式200海底光纜層絞式4-100低損耗、耐水壓、耐張力骨架式大束管式單元式用戶光纜單元式200局內光纜軟線、帶式、單元式2-20質量輕、芯線細、柔軟73 大致說來，中繼光纜芯數少，一般使用層絞式光纜；100芯以下，使用骨架式或大束管式光纜；10200芯，使用單元式光纜；超過200芯時，使用帶式光纜。在局內使用時，把光纖制成軟線，再把光纖軟線制成軟線型光纜。對于城市內或城