光纖通信課件第二章

1、1 2本章內(nèi)容、重點(diǎn)和難點(diǎn)本章內(nèi)容 光纖的結(jié)構(gòu)和類型。 光纖的導(dǎo)光原理。 光纖的特性。 光纜的結(jié)構(gòu)和種類。本章重點(diǎn) 光纖的結(jié)構(gòu)和類型。 光纖的特性。 光纜的種類。本章的難點(diǎn) 光纖的導(dǎo)光原理。3學(xué)習(xí)本章目的和要求 掌握光纖的結(jié)構(gòu)和類型。 了解光纖的導(dǎo)光原理。 掌握光纖的特性。 掌握光纜的結(jié)構(gòu)和種類。4預(yù)備知識預(yù)備知識1 1、均勻平面波在兩理想介質(zhì)交界面的反射和折射、均勻平面波在兩理想介質(zhì)交界面的反射和折射介質(zhì)介質(zhì)n2光疏光疏介質(zhì)介質(zhì)n1光密光密n法線方向法線方向折射率折射率n1n21 13 32 2（1）反射定律）反射定律1 1 = = 3 3 入射角等于反射角入射角等于反射角（2）折射定律）折

2、射定律2211sinsinnn（3）全反射全反射 902當(dāng)時當(dāng)時c1如果再增大入射角，便只有反射光線，如果再增大入射角，便只有反射光線，沒有折射光線，稱為全反射現(xiàn)象。沒有折射光線，稱為全反射現(xiàn)象。52 2、dBdB與與dBmdBm的定義的定義（1 1）dBdB（分貝）（分貝）描述功率的相對值描述功率的相對值在設(shè)計(jì)和鋪設(shè)光纖線路時，為了把信號功率與某個功率絕對值在設(shè)計(jì)和鋪設(shè)光纖線路時，為了把信號功率與某個功率絕對值或某個噪聲進(jìn)行比較，定義了或某個噪聲進(jìn)行比較，定義了dB。dBPP12lg10功率功率比值10N10210.50.110-NdB10N1030-3-10-10N6（2 2）dBmdBm

3、描述功率的絕對值描述功率的絕對值光纖通信中描述功率絕對值的最常用單位是光纖通信中描述功率絕對值的最常用單位是dBm,以以1 mv為基準(zhǔn)，為基準(zhǔn)，定義為：定義為：dBmmvP1lg10功率功率(mv)10010210.50.10.01dBm201030-3-10-207 2.1.1 光纖的結(jié)構(gòu) 1. 光纖結(jié)構(gòu) 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(jié)構(gòu)8 （1）纖芯：纖芯位于光纖的中心部位。 直徑d1=4m50m，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，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（

4、n1），以傳輸光信號。 （2）包層：包層位于纖芯的周圍。 直徑d2=125m，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n1n2，它使得光信號封閉在纖芯中傳輸。9 （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

5、所說的光纖為此種光纖。10 緊套光纖與松套光纖 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。圖2-2 套塑光纖結(jié)構(gòu)11 2光纖的折射率分布與光線的傳播 圖2-3所示為兩種典型光纖的折射率分布情況。 一種稱為階躍折射率光纖；另一種稱為漸變折射率光纖，如圖2-3 （a）、（b）所示。圖2-3 光纖的折射率分布12 光在階躍折射率光纖和漸變折射率光纖的傳播軌跡分別如圖2-5和圖2-6所示。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13

6、 1.按傳輸波長分類 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。 2.按折射率分布分類可以分為：階躍型多模光纖（SIF） 漸變型多模光纖（GIF） 單模光纖（SMF）14橫截面2a2brn折射率分布纖芯包層AitAot輸入脈沖光線傳播路徑輸出脈沖橫截面折射率分布輸入脈沖光線傳播路徑輸出脈沖50 mm125mmrnAitAot橫截面折射率分布輸入脈沖光線傳播路徑輸出脈沖10 mm125mmrnAitAot153按套塑結(jié)構(gòu)分類 按套塑結(jié)構(gòu)不同，光纖可分為緊套光纖和松套光纖。 二次被覆光纖

7、(芯線)簡圖 (a) 緊套； (b) 松套； (c) 大套管； (d) 帶狀線 緊套一次被覆光纖松套大套管一次被覆光纖帶狀線(a)(b)(c)(d)16 4按傳輸模數(shù)分類 按傳輸模的數(shù)量不同，光纖分為多模光纖和單模光纖。 傳播模式概念：當(dāng)光在光纖中傳播時，如果光纖纖芯的幾何尺寸遠(yuǎn)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(jìn)行傳播。如圖2-4所示。這些不同的光束稱為模式。圖2-4 光在階躍折射率光纖中的傳播17 （1）多模光纖 當(dāng)光纖的幾何尺寸（主要是芯徑d1）遠(yuǎn)大于光波波長時（約1m），光纖傳輸?shù)倪^程中會存在著幾十種乃至幾百種傳輸模式，這樣的光纖稱為多模光纖。如圖2-5和圖2-6所

8、示。 （2）單模光纖 當(dāng)光纖的幾何尺寸（主要是芯徑d1 ）較小，與光波長在同一數(shù)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。如圖2-7所示。18圖2-7 光在單模光纖中的傳播軌跡19 5按光纖的材料分類 （1）石英玻璃光纖 二氧化硅 （2）多組分玻璃光纖 二氧化硅、氧化鈉、氧化鈣等 （3）石英芯塑料包層光纖 工作溫度范圍-50度+70度 （4）塑料光纖 20 6單模光纖的分類 ITU-T建議規(guī)范了G.652、G.653、G.654和G.655四種單模光纖。 （1）G.652光纖 G.652光纖，也稱標(biāo)準(zhǔn)單模光纖（

9、SMF），是指色散零點(diǎn)（即色散為零的波長）在1 310nm附近的光纖。 它的折射率分布如圖2-8所示。圖（a）表示的階躍折射率設(shè)計(jì)稱為匹配包層型，圖（b）表示的階躍折射率設(shè)計(jì)被稱為凹陷包層型。 （2）G.653光纖 G.653光纖也稱色散位移光纖（DSF），是指色散零點(diǎn)在1 550nm附近的光纖，它相對于G.652光纖，色散零點(diǎn)發(fā)生了移動，所以叫色散位移光纖。21圖2-8 G.652光纖的折射率22（3）G.654光纖 G.654光纖是截止波長移位的單模光纖。其設(shè)計(jì)重點(diǎn)是降低1 550nm的衰減，其零色散點(diǎn)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(yīng)用于海底

10、光纖通信。 （4）G.655光纖 由于G.653光纖的色散零點(diǎn)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(yīng)。為了避免該效應(yīng)，將色散零點(diǎn)的位置從1 550nm附近移開一定波長數(shù)，使色散零點(diǎn)不在1 550nm附近的DWDM工作波長范圍內(nèi)。這種光纖就是非零色散位移光纖（NDSF）。23 這四種單模光纖的主要性能指標(biāo)是衰減、色散、偏振模色散（ PMD）和模場直徑 。 另：G.653光纖是為了優(yōu)化1 550nm窗口的色散性能而設(shè)計(jì)的，但它也可以用于1 310nm窗口的傳輸。由于G.654光纖和G.655光纖的截止波長都大于1 310nm，所以G.654光纖和G.655光纖不能用

11、于1 310nm窗口。24 （5）G.656光纖 是一種寬帶光傳輸非零色散位移光纖 （6）大面積有效光纖 （7）色散補(bǔ)償光纖 （8）全波光纖 新型光纖： 塑料光纖（POF） 光子晶體光纖（PFC）25光子晶體的基本性質(zhì)光子晶體的基本性質(zhì)k0wwk1從1D均勻介質(zhì)開始：色散關(guān)系126光子晶體的基本性質(zhì)光子晶體的基本性質(zhì)(x) = (x+a)a121212121212w0/a加一小的周期調(diào)制加一小的周期調(diào)制2 1 + D sinax cosax x = 0band gap能級分裂了！能級分裂了！27光子晶體的基本性質(zhì)光子晶體的基本性質(zhì)光子晶體存在光子能帶結(jié)構(gòu)，即不是所有頻光子晶體存在光子能帶結(jié)構(gòu)，

12、即不是所有頻率的光都能通過光子晶體。率的光都能通過光子晶體。28光子晶體的應(yīng)用 波導(dǎo)forbidden by gap(except for finite-crystal tunneling)forbidden by Bloch(k conserved)29303132 1折射和折射率 光線在不同的介質(zhì)中以不同的速度傳播，描述介質(zhì)的這一特征的參數(shù)就是折射率，或稱折射指數(shù)。折射率可由下式確定： n = c/v 其中是光在某種介質(zhì)中的速度，是光在真空中的速度。 在折射率為n的介質(zhì)中，光傳播速度變?yōu)閏/n，光波長變?yōu)?/n（ 0表示光在真空中的波長）。表2-1中給出了一些介質(zhì)的折射率。表2-1不同介質(zhì)

13、的折射率材料空氣水玻璃石英鉆石折射率1.0031.331.521.891.432.4233 當(dāng)一條光線照射到兩種介質(zhì)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所示）。圖2-9 光的折射圖2-10 光的反射斯涅耳定律給出了定義這些光線方向的規(guī)則：1 = 3 n1sin 1 = n2sin 2 全反射是光信號在光纖中傳播的必要條件 。34 2光的偏振 光波屬于橫波，即光的電磁場振動方向與傳播方向垂直。如果光波的振動方向始終不變，只是光波的振幅隨相位改變，這樣的光稱為線偏振光，如圖2-11（c）和圖2-11（d）所示。 從普通光源發(fā)出的光不是偏振光，而是自然光，如圖2-11（a）

14、所示。 自然光在傳播的過程中，由于外界的影響在各個振動方向的光強(qiáng)不相同，某一個振動方向的光強(qiáng)比其他方向占優(yōu)勢，這種光稱為部分偏振光，如圖2-11（b）所示。35圖2-11 光的偏振363. 3. 階躍型多模光纖光射線的理論分析階躍型多模光纖光射線的理論分析( (全反射導(dǎo)光全反射導(dǎo)光) ) (1)(1)相對折射率指數(shù)差（纖芯和包層折射率分別為相對折射率指數(shù)差（纖芯和包層折射率分別為n n1 1和和n n2 2） 定義：定義：2122212nnnD2121212)(nnnnn+所以有：所以有：121/)(nnn D弱導(dǎo)波光纖中弱導(dǎo)波光纖中n n1 1和和n n2 2相差很少，則相差很少，則 n n

15、1 1+ +n n2 2 2 n2 n1 137（2 2）數(shù)值孔徑）數(shù)值孔徑 為簡便起見，以突變型多模光纖的交軸為簡便起見，以突變型多模光纖的交軸( (子午子午) )光線為例，光線為例，進(jìn)一步討論光纖的傳輸條件。設(shè)纖芯和包層折射率分別為進(jìn)一步討論光纖的傳輸條件。設(shè)纖芯和包層折射率分別為n n1 1和和n n2 2，空氣的折射率，空氣的折射率n n0 0=1=1， 纖芯中心軸線與纖芯中心軸線與z z軸一致，軸一致， 如如圖圖2.42.4。38oz圖圖 2.4 2.4 突變型多模光纖的光線傳播原理突變型多模光纖的光線傳播原理纖芯纖芯n1包層包層n233ylLx11y122ycC39定義臨界角定義臨

16、界角cc的正弦為數(shù)值孔徑的正弦為數(shù)值孔徑(Numerical Aperture, NA)(Numerical Aperture, NA)。根。根據(jù)定義和斯奈爾定律據(jù)定義和斯奈爾定律設(shè)設(shè)=0.01=0.01，n n1 1=1.5=1.5，得到，得到NA=0.21NA=0.21或或c=12.2c=12.2。 NANA表示光纖接收和傳輸光的能力。表示光纖接收和傳輸光的能力。1 1）NANA越大，纖芯對光能量的束縛越強(qiáng)，光纖抗彎曲性能越好。越大，纖芯對光能量的束縛越強(qiáng)，光纖抗彎曲性能越好。2 2）NANA越大越大 經(jīng)光纖傳輸后產(chǎn)生的信號畸變越大經(jīng)光纖傳輸后產(chǎn)生的信號畸變越大D2sin12221nnnN

17、AC40（3 3）時間延遲）時間延遲 現(xiàn)在我們來觀察光線在光纖中的傳播時間。根據(jù)圖現(xiàn)在我們來觀察光線在光纖中的傳播時間。根據(jù)圖2.42.4，入射，入射角為角為的光線在長度為的光線在長度為L(ox)L(ox)的光纖中傳輸，所經(jīng)歷的路程為的光纖中傳輸，所經(jīng)歷的路程為l(oy)l(oy)， 在在不大的條件下，其傳播時間即時間延遲為不大的條件下，其傳播時間即時間延遲為)21 (sec211111+cLncLncln 式中式中c c為真空中的光速。由式為真空中的光速。由式(2.4)(2.4)得到最大入射角得到最大入射角(=c)(=c)和最小入射角和最小入射角(=0)(=0)的光線之間時間延遲差近似為的光

18、線之間時間延遲差近似為 DDcLnNAcnLcnLc12121)(22414 4 漸變型多模光纖光射線的理論分析漸變型多模光纖光射線的理論分析( (自聚焦導(dǎo)光）自聚焦導(dǎo)光）漸變型光纖折射率分布的普遍公式為漸變型光纖折射率分布的普遍公式為 式中，式中，n n1 1和和n n2 2分別為纖芯中心和包層的折射率，分別為纖芯中心和包層的折射率，r r和和a a分別為徑分別為徑向坐標(biāo)和纖芯半徑，向坐標(biāo)和纖芯半徑，=(n=(n1 1-n-n2 2)/n)/n1 1為相對折射率差，為相對折射率差，g g為折射率分布為折射率分布指數(shù)。指數(shù)。 在在gg，(r/a)0(r/a)0的極限條件下，上式表示突變型多模光

19、的極限條件下，上式表示突變型多模光纖的折射率分布。纖的折射率分布。g=2g=2，n(r)n(r)按平方律按平方律( (拋物線拋物線) )變化變化，表示常規(guī)漸變，表示常規(guī)漸變型多模光纖折射率分布。型多模光纖折射率分布。具有這種分布的光纖，不同入射角的光線具有這種分布的光纖，不同入射角的光線會聚在中心軸線的一點(diǎn)上，因而脈沖展寬減小會聚在中心軸線的一點(diǎn)上，因而脈沖展寬減小。 )(1 )(21 1211ggarnarnDDn11-=n2 ra 0ran(r)= （2.6）42（1 1）局部數(shù)值孔徑）局部數(shù)值孔徑由于漸變型多模光纖折射率分布是徑向坐標(biāo)由于漸變型多模光纖折射率分布是徑向坐標(biāo)r r的函數(shù)，纖

20、芯各點(diǎn)數(shù)的函數(shù)，纖芯各點(diǎn)數(shù)值孔徑不同，所以要定義局部數(shù)值孔徑值孔徑不同，所以要定義局部數(shù)值孔徑NA(r)NA(r)和最大數(shù)值孔徑和最大數(shù)值孔徑NAmax NAmax 222)()(nrnrNA2221maxnnNA43（2 2）射線方程的解）射線方程的解 用幾何光學(xué)方法分析漸變型多模光纖要求解射線方程，射線用幾何光學(xué)方法分析漸變型多模光纖要求解射線方程，射線方程一般形式為：方程一般形式為：ndsdndsd)( 式中，為特定光線的位置矢量， s為從某一固定參考點(diǎn)起的光線長度。選用圓柱坐標(biāo)(r, ，z)，把漸變型多模光纖的子午面(r - z)示于圖2.5。 圖 2.5 漸變型多模光纖的光線傳播原理

21、 oidzrirmp纖芯n(r)r *zr0dr44 如式如式(2.6)(2.6)所示，一般光纖相對折射率差都很小，光線和中心所示，一般光纖相對折射率差都很小，光線和中心軸線軸線z z的夾角也很小，即的夾角也很小，即sinsin。由于折射率分布具有圓對稱。由于折射率分布具有圓對稱性和沿軸線的均勻性，性和沿軸線的均勻性，n n與與和和z z無關(guān)。在這些條件下，無關(guān)。在這些條件下， 式式(2.7)(2.7)可簡化為可簡化為drdndzrdndzdrndzd22)(4522222)(1 22ararardzrdDDD 解這個二階微分方程，解這個二階微分方程， 得到光線的軌跡為：得到光線的軌跡為：把式

22、把式(2.6)(2.6)和和g=2g=2代入式代入式(2.8)(2.8)得到：得到： r * =cos(Az) -An(0) sin(Az) cos(Az) )sin()0(1AZAnr10（2.13）46（3 3）自聚焦效應(yīng)：為觀察方便，把光線入射點(diǎn)移到中心軸線）自聚焦效應(yīng)：為觀察方便，把光線入射點(diǎn)移到中心軸線(z=0, (z=0, r ri i=0)=0)，由式，由式(2.12)(2.12)和式和式(2.13)(2.13)得到得到)sin()0(AzAnr *=0cos(Az) 由此可見，漸變型多模光纖的光線軌跡是傳輸距離由此可見，漸變型多模光纖的光線軌跡是傳輸距離z z的正弦函數(shù)，的正弦

23、函數(shù)，對于確定的光纖，對于確定的光纖，其幅度的大小取決于入射角其幅度的大小取決于入射角0 0， 其周期其周期=2/A=2a/ =2/A=2a/ ， 取決于光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)取決于光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)(a, )(a, )， 而而與入射角與入射角0 0無關(guān)無關(guān)。這說明不同入射角相應(yīng)的光線，雖然經(jīng)歷的。這說明不同入射角相應(yīng)的光線，雖然經(jīng)歷的路程不同，但是最終都會聚在路程不同，但是最終都會聚在P P點(diǎn)上，這種現(xiàn)象稱為自聚焦點(diǎn)上，這種現(xiàn)象稱為自聚焦(Self(SelfFocusing)Focusing)效應(yīng)。效應(yīng)。 D247 漸變型多模光纖具有自聚焦效應(yīng)，不僅不同入射角相應(yīng)的光漸變型多模光纖具有自聚焦效應(yīng)，不僅不

24、同入射角相應(yīng)的光線會聚在同一點(diǎn)上，而且這些光線的時間延遲也近似相等。線會聚在同一點(diǎn)上，而且這些光線的時間延遲也近似相等。這是因?yàn)檫@是因?yàn)?1)(1)光線傳播速度光線傳播速度v(r)=c/n(r)(cv(r)=c/n(r)(c為光速為光速) )，入射角大的光線經(jīng)歷的，入射角大的光線經(jīng)歷的路程較長，但大部分路程遠(yuǎn)離中心軸線，路程較長，但大部分路程遠(yuǎn)離中心軸線，n(r)n(r)較小，傳播速度較較小，傳播速度較快，補(bǔ)償了較長的路程?？?，補(bǔ)償了較長的路程。(2)(2)入射角小的光線情況正相反，其路程較短，但速度較慢。入射角小的光線情況正相反，其路程較短，但速度較慢。 所以這些光線的時間延遲近似相等。所以

25、這些光線的時間延遲近似相等。 48 5光纖中傳播的模式 所謂模式，是指能夠獨(dú)立存在的電磁場的結(jié)構(gòu)形式。 基模：LP01或者HE1149 （1 1） 單模光纖的模式特性：傳輸模式數(shù)目隨單模光纖的模式特性：傳輸模式數(shù)目隨V V值的增加而增值的增加而增多。當(dāng)多。當(dāng)V V值減小時，不斷發(fā)生模式截止，值減小時，不斷發(fā)生模式截止， 模式數(shù)目逐漸減少。模式數(shù)目逐漸減少。特別值得注意的是當(dāng)特別值得注意的是當(dāng)V2.405V2.405時，只有時，只有HEHE1111(LP(LP0101) )一個模式存在，一個模式存在，其余模式全部截止。其余模式全部截止。HEHE1111稱為基模，由兩個偏振態(tài)簡并而成。稱為基模，由

26、兩個偏振態(tài)簡并而成。 由此得到由此得到單模傳輸條件單模傳輸條件為為 V= 由式由式(2.36)可以看到，可以看到，對于給定的光纖對于給定的光纖(n1、n2和和a確定確定)，存在，存在一個臨界波長一個臨界波長c，當(dāng)，當(dāng)c時，是單模時，是單模傳輸，傳輸，這個臨界波長這個臨界波長c稱為截止波長。由此得到稱為截止波長。由此得到405. 222221nna2.405V405. 2cCV或405. 222221nnaC50若干低階模式歸一化傳輸常數(shù)隨歸一化頻率變化的曲線 01234560b1n1n2 / kHE11TE01HE31HM01HE21EH11EH12HE41EH21TM02TE02HE22V5

27、1（2 2） 多模光纖傳輸模數(shù)多模光纖傳輸模數(shù)2)2()2(2122vggnkaggM+D+對于突變型光纖，對于突變型光纖，g，M=V2/2； 對于平方律漸變型光對于平方律漸變型光纖，纖，g=2，M=V2/4。 52 （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。 有效面積與模場直徑的物理意義相同，通過模場直徑可以利用圓面積公式計(jì)算出有效面積。 模場直徑越小，通過光纖橫截面的能量密度就越大。當(dāng)通過光纖的能量密度過大時，會引起光纖的非線性效應(yīng)，造成光纖通信系統(tǒng)的光信噪比降低，影響系統(tǒng)性能。 因此，對于傳輸光纖而言，模場直徑（或有效面積）越大越好。 圖2-13所示為模場直

28、徑示意圖。53圖2-13 模場直徑11/e20w0rP54 2.3.1 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、不圓度和光纖翹曲度等。 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(chǎn)制造商已將光纖外徑規(guī)格從125.03m提高到125.01m。55 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(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0.8m的規(guī)格提高到0.5m的規(guī)格。 不圓度包括芯徑的不圓

29、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%。 4光纖翹曲度 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。56 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(jī)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(qiáng)度逐漸減弱，光纖對光波產(chǎn)生衰減作用，稱為光纖的損耗（或衰減）。 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

30、曲損耗3種損耗。 （1）吸收損耗 光纖吸收損耗是制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(zhì)吸收。57 （2）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(jié)構(gòu)上的缺陷會引起與波長無關(guān)的散射損耗。 （3）彎曲損耗 光纖的彎曲會引起輻射損耗。實(shí)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(shù)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(shù)的影響不大 。58 （4）衰減系數(shù) 光纖的衰減系數(shù)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(shù)。 在單模光纖

31、中有兩個低損耗區(qū)域，分別在1 310nm和1 550nm附近，即通常說的1 310nm窗口和1 550nm窗口；1 550nm窗口又可以分為C-band（1 525nm1 562nm）和L-band（1 565nm1 610nm）。如圖2-14所示。59圖2-14 光纖的特性60 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(dá)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，如圖2-15所示。色散一般用時延差來表示，所謂時延差，是指不同頻率的信號成分傳輸同樣的距離所需要的時間之差。圖2-15 色散引起的脈沖展寬示意圖61 光纖的色散可分為模式色散、

32、色度色散、偏振模色散。 （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(chǎn)生的色散，稱模式色散。 （2）色度色散 由于光源的不同頻率（或波長）成分具有不同的群速度，在傳輸過程中，不同頻率的光束的時間延遲不同而產(chǎn)生色散稱為色度色散。色度色散包括材料色散和波導(dǎo)色散。62 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(yīng)的群速度不同，由此引起的色散稱為材料色散。 波導(dǎo)色散 由于光纖波導(dǎo)結(jié)構(gòu)引起的色散稱為波導(dǎo)色散。其大小可以和材料色散相比擬，普通單模光纖在1.31m處這兩個值基本相互抵消。 注：模式色散主要存在于多模光纖。單

33、模光纖無模式色散，只有材料色散和波導(dǎo)色散。當(dāng)波長在1.31m附近，色散接近為零。 色散系數(shù)就是單位波長間隔內(nèi)光波長信號通過單位長度光纖所產(chǎn)生的時延差，用D表示，單位是ps/（nmkm）。63 （3）偏振模色散（PMD） 由于光信號的兩個正交偏振態(tài)在光纖中有不同的傳播速度而引起的色散稱偏振模色散。圖2-16 偏振模色散64 （4）碼間干擾（ISI） 色散將導(dǎo)致碼間干擾。由于各波長成分到達(dá)的時間先后不一致，因而使得光脈沖加長了（T+T），這叫作脈沖展寬，如圖2-17 。脈沖展寬將使前后光脈沖發(fā)生重疊，形成碼間干擾，碼間干擾將引起誤碼，因而限制了傳輸?shù)拇a速率和傳輸距離。圖2-17 碼間干擾65機(jī)械

34、3光纖的機(jī)械特性 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，使用者最關(guān)心的是抗拉強(qiáng)度。 （1）光纖的抗拉強(qiáng)度 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。 預(yù)制棒的質(zhì)量。 拉絲爐的加溫質(zhì)量和環(huán)境污染。 涂覆技術(shù)對質(zhì)量的影響。 機(jī)械損傷。 66機(jī)械 （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。圖2-18 光纖斷裂和應(yīng)力關(guān)系示意圖67機(jī)械 （3）光纖的壽命 光纖的壽命，習(xí)慣稱使用壽命，當(dāng)光纖損耗加大以致系統(tǒng)開通困難時，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。 （4）光纖的機(jī)械

35、可靠性 一般來說，二氧化硅包層光纖的機(jī)械可靠性已經(jīng)得到廣泛的認(rèn)可。為了提高光纖的機(jī)械可靠性，在光纖的外包層中摻入二氧化鈦，從而增加網(wǎng)絡(luò)的壽命。 68溫度 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 光纖低溫特性曲線69 2.4.1 光纜的結(jié)構(gòu) 1光纜的結(jié)構(gòu) 光纜由纜芯、護(hù)層和加強(qiáng)芯組成。 （1）纜芯 纜芯由光纖的芯數(shù)決定，可分為單芯型和多芯型兩種。 （2）護(hù)層 護(hù)層主要是對已成纜的光纖芯線起保護(hù)作用，避免受外界機(jī)械力和環(huán)境損壞。護(hù)層可分為內(nèi)護(hù)層（多用聚乙烯或聚氯乙烯等）和外護(hù)層（多用鋁帶和聚乙烯組成的LAP外護(hù)套加鋼絲

36、鎧裝等）。 （3）加強(qiáng)芯 加強(qiáng)芯主要承受敷設(shè)安裝時所加的外力。70 2各種典型結(jié)構(gòu)的光纜 （1）層絞式結(jié)構(gòu)光纜 把經(jīng)過套塑的光纖繞在加強(qiáng)芯周圍絞合而構(gòu)成。層絞式結(jié)構(gòu)光纜類似傳統(tǒng)的電纜結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)光纜的示意圖（截面）。71 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72 圖2-22 12芯松套層絞式直埋防蟻光纜73 圖2-23 648芯松套層絞式水底光纜74圖2-24 12芯松套+8芯2線對層絞式直埋光纜75 （2）骨架式結(jié)構(gòu)光纜 骨架式結(jié)構(gòu)光纜是把緊套光纖或一次涂覆光纖放入加強(qiáng)芯周圍

37、的螺旋形塑料骨架凹槽內(nèi)而構(gòu)成。 骨架結(jié)構(gòu)有中心增加螺旋型、正反螺旋型、分散增強(qiáng)基本單元型，圖2-25（b）為螺旋型結(jié)構(gòu)，圖2-26為基本單元結(jié)構(gòu)。目前，我國采用的骨架式結(jié)構(gòu)光纜，都是采用如圖2-25所示的結(jié)構(gòu)。圖2-27所示是采用骨架式結(jié)構(gòu)的自承式架空光纜。76圖2-25 12芯骨架式光纜77 圖2-26 70芯骨架式光纜78 圖2-27 骨架式自承式架空光纜79 （3）束管式結(jié)構(gòu)光纜 把一次涂覆光纖或光纖束放入大套管中，加強(qiáng)芯配置在套管周圍而構(gòu)成。 圖2-28所示的光纜結(jié)構(gòu)即屬護(hù)層增強(qiáng)構(gòu)件配制方式。 圖2-29、2-30所示是屬于分散加強(qiáng)構(gòu)件配置方式的束管式結(jié)構(gòu)光纜。 另圖2-34所示的淺海

38、光纜實(shí)際上就是雙層加鎧裝束管式光纜。80圖2-28 12芯束管式光纜81 圖2-29 648芯束管式光纜82 圖2-30 LEX束管式光纜83 （4）帶狀結(jié)構(gòu)光纜 把帶狀光纖單元放入大套管中，形成中心束管式結(jié)構(gòu)；也可把帶狀光纖單元放入凹槽內(nèi)或松套管內(nèi)，形成骨架式或?qū)咏g式結(jié)構(gòu)。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84 （5）單芯結(jié)構(gòu)光纜 單芯結(jié)構(gòu)光纜簡稱單芯軟光纜，如圖2-33所示。 這種結(jié)構(gòu)的光纜主要用于局內(nèi)（或站內(nèi)）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85 （6）特殊結(jié)構(gòu)光纜 特殊結(jié)構(gòu)的

39、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，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(zhì)外（包括增強(qiáng)構(gòu)件、護(hù)層）均是全塑結(jié)構(gòu)，適用于強(qiáng)電場合，如電站、電氣化鐵道及強(qiáng)電磁干擾地帶。86 圖2-34 淺海光纜87 圖2-35 深海光纜88 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按光纖套塑方法分 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。 4按光纖芯

40、數(shù)多少分 可分為單芯光纜、雙芯光纜、四芯光纜、六芯光纜、八芯光纜、十二芯光纜和二十四芯光纜等。89 5按加強(qiáng)件配置方法分 光纜可分為中心加強(qiáng)構(gòu)件光纜（如層絞式光纜、骨架式光纜等）、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（如束管鋼絲鎧裝光纜）和PE外護(hù)層加一定數(shù)量的細(xì)鋼絲的PE細(xì)鋼絲綜合外護(hù)層光纜。 6按敷設(shè)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。 7按護(hù)層材料性質(zhì)分 光纜可分為聚乙烯護(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。90 8按傳輸導(dǎo)體、介質(zhì)狀況分 光纜可分為無金屬光纜、普通光纜和綜合光纜。 9按結(jié)構(gòu)方式分 光纜可分為扁平結(jié)構(gòu)光纜、層絞式結(jié)構(gòu)光纜、骨架式結(jié)構(gòu)光纜、鎧裝結(jié)構(gòu)光纜（包括單、雙層鎧裝）和高密度用戶光纜等。 10目前通信用光纜可分為 （1）室(野)外光纜用于室外直埋、管道、槽道、隧道、架空及水下敷設(shè)的光纜。 （2）軟光纜具有優(yōu)良的曲撓性能的可移動光纜。 （3）室（局）內(nèi)光纜適用于室內(nèi)布放的光纜。 （4）設(shè)備內(nèi)光纜用于設(shè)備內(nèi)布放的光纜。 （5）海底光纜用于跨海洋敷設(shè)的光纜。 （6）特種光纜除上述幾類之外，作特殊用途的光纜。 91 光纜型號由它的型式代號和規(guī)格代號構(gòu)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