第一講光纖與光纜技術(shù)

第一講光纖與光纜技術(shù)南京郵電大學(xué)光電工程學(xué)院劉逢清內(nèi)容1、光纖結(jié)構(gòu)及導(dǎo)光原理（射線光學(xué)、全反射）2、多模光纖和單模光纖、漸變和階躍光纖3、光纖的幾何尺寸特性；4、光纜的設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)5、光纜的結(jié)構(gòu)、種類、型號及用途6、光纖的著色1.1光纖結(jié)構(gòu)及導(dǎo)光原理裸光纖：主要材料為石英玻璃，即SiO2纖芯中摻雜折射率稍高的材料，如GeO2，P2O5包層中摻雜折射率稍低的材料，如B2O3，F(xiàn)30~150um，材料為硅樹脂或聚氨基甲酸乙酯又稱套塑，材料為聚乙烯、尼龍等無論何種光纖，其包層直徑都是一致的涂覆層的主要作用是為光纖提供保護(hù)纖芯和包層僅在折射率等參數(shù)上不同，結(jié)構(gòu)上是一個完整整體光纖尺寸

二光的導(dǎo)光原理：射線光學(xué)理論分析光波在光纖中傳輸可應(yīng)用兩種理論：波動理論和射線理論。波動理論分析光波在階躍折射率光纖中傳播的模式特性，分析的方法比較復(fù)雜。射線理論是一種近似的分析方法，但簡單直觀，對定性理解光的傳播現(xiàn)象很有效，而且對光纖半徑遠(yuǎn)大于光波長的多模光纖能提供很好的近似。兩個重要概念：光射線（簡稱射線）設(shè)有一個極小的光源，它的光通過一塊不透明板上的一個極小的孔，板后面的一條光的邊界并不明顯銳利，而有連續(xù)但又快速變化的亮和暗，這就是所謂的衍射條紋。如果光波長極短（趨于0）而可以忽略，并使小孔小到無窮小，則通過的光就形成一條尖銳的線，這就是光射線。也可以說一條很細(xì)很細(xì)的光束，它的軸線就是光射線。兩個重要概念：射線光學(xué)（即幾何光學(xué)）當(dāng)光波長趨于0而可以忽略時，用射線去代表光能量傳輸線路的方法稱為射線光學(xué)。在射線光學(xué)中，把光用幾何學(xué)來考慮，所以也稱為幾何光學(xué)。射線光學(xué)是忽略波長的光學(xué)，亦即射線理論是λ→0時的波動理論。光的反射和折射定律從射線方程導(dǎo)出的射線光學(xué)最重要的理論之一是斯涅爾（Snell）定律，它應(yīng)用于恒定折射率n1和n2區(qū)域時可寫成：反射定律：折射定律：式中n1、n2為介質(zhì)的折射率，、、分別是光線的入射角、反射角和折射角。光射線的反射和折射第1種媒質(zhì)（n1）分界面第2種媒質(zhì)（n2）n1＜n2法線反射定律：入射角Φ入＝反射角Φ反折射定律：n1·sinΦ入＝n2·sinΦ折Φ入Φ反Φ折入射光線折射光線反射光線光的全反射現(xiàn)象（光密介質(zhì)－光疏介質(zhì)）第1種媒質(zhì)（n1）分界面第2種媒質(zhì)（n2）n1＞n2法線折射光線反射光線入射光線全反射定律：當(dāng)入射角度增大到某一角度時，折射角可以獲得最大值90°，此時可認(rèn)為無折射光存在，所有的入射光都被反射，稱為全反射現(xiàn)象，滿足全反射現(xiàn)象的最小角度稱為全反射的臨界角φC。ΦC光纖的傳光原理利用上述的射線分析方法，可以直觀地對光纖的傳光原理進(jìn)行解釋。階躍折射率光纖中的全反射傳輸光纖軸線方向纖芯（n1）包層（n2）n1＞n2思考：如果光纖發(fā)生彎曲或形變會有什么結(jié)果？此處亦有折射現(xiàn)象，如何由光纖內(nèi)部的全反射條件推導(dǎo)處此處的入射條件？（入射角/接收角）n0θθ’ψ最大接收角和數(shù)值孔徑最大接收角數(shù)值孔徑為式中，n1,n2分別為光纖芯和包層的折射率，Δ為相對折射率差。1.2光纖的類型多模光纖單模光纖塑料光纖新型光纖多模光纖1、結(jié)構(gòu)多模光纖結(jié)構(gòu)2、分類（1）階躍型多模光纖（2）梯度型多模光纖（1）階躍型多模光纖特點(diǎn)：具有大的芯徑和大的數(shù)值孔徑性能特征的變化與所選用的材料和制備方法關(guān)系極大典型結(jié)構(gòu)：（2）梯度型多模光纖特點(diǎn)：制備選用的材料純度較高具有較好的抗彎曲性能典型結(jié)構(gòu)：IEC分類ITU－T分類材料類型折射率分布指數(shù)g極限值典型傳輸距離A1G.651玻璃芯/玻璃包層梯度折射率光纖1≤g<32kmA2玻璃芯/玻璃包層準(zhǔn)階躍折射率光纖3≤g<∞2kmA3玻璃芯/塑料包層階躍折射率光纖10≤g≤∞1kmA4塑料芯/塑料包層階躍折射率光纖10≤g≤∞20m多模光纖種類單模光纖1、結(jié)構(gòu)

單模光纖結(jié)構(gòu)階躍型單模光纖的典型結(jié)構(gòu)IEC分類ITU－T分類光纖名稱商用年代B1.1G.652非色散位移光纖1983年商用B1.2G.654截止波長位移光纖1990年商用B1.3G.652CG.652D

波長段擴(kuò)展的非色散位移光纖1998年商用B2G.653色散位移光纖1985年商用B3色散平坦光纖1991年商用B4G.655非零色散位移光纖1993年商用B5G.656寬帶傳輸非零色散位移光纖2002年商用色散補(bǔ)償光纖1994年商用2、分類（1）非色散位移光纖（B1.1G.652）

（2）截止波長位移光纖（B1.2 G.654）（3）色散位移光纖（B2G.653）（4）非零色散位移光纖（B4G.655）（5）寬帶傳輸非零色散位移光纖（G.656光纖）2004年7月，ITU－T頒布了寬帶光傳輸用的非零色散位移單模光纖光纜的建議。該建議將寬帶光傳輸用的非零色散位移單模光纖規(guī)定為G.656光纖。G.656光纖的特點(diǎn)是，它可以在S+C+L三個波段，即1460～1625nm（S波段：1460～1530nm，C波段：1530～1565nm，L波段：1565～1625nm）范圍工作。適用于1460～1625nm的長途干線遠(yuǎn)距離DWDM的傳輸。

（6）色散補(bǔ)償光纖

光纖的選用原則選用原則

對光纖的選擇必須依據(jù)實(shí)際需求，綜合考慮光纖的傳輸性能(如：衰減、色散、偏振模色散、非線性效應(yīng)）系統(tǒng)單信道速率傳輸距離是否采用WDM技術(shù)以及是采用DWDM還是CWDM等技術(shù)因素兼顧良好的性能價格比

為此，我們提出以下幾條光纖選用原則，供參考。1、工作波長

光纖通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)存在兩種情況：新建系統(tǒng)：既可選擇光纖，又可選擇工作波長；系統(tǒng)擴(kuò)容（一般多為G.652）：只能選擇工作波長；

2、衰減和非線性衰減是限制系統(tǒng)中繼距離的主要因素。采用光纖放大器后會產(chǎn)生一系列問題：工作波長內(nèi)增益不平坦波分復(fù)用的每個信道增益不同，特別當(dāng)光纖中注入功率高時會出現(xiàn)非線性效應(yīng)：SRS、SBS、XPM、SPM、FWM。

在對采用波分復(fù)用和光纖放大器的高速系統(tǒng)較優(yōu)先選用G.655光纖和G.652光纖。3、色散

對高速系統(tǒng)色散是限制系統(tǒng)中繼距離的主要因素。為盡量減小色散，在選用光纖工作波長時，盡量選零色散波長。G.652光纖應(yīng)選1310nm，但其衰減系數(shù)略大；想利用1550nm低衰減和小色散，可選G.653;利用DWDM時，選擇G.655光纖選擇合適的光源器件，也可減小色散。4、經(jīng)濟(jì)當(dāng)今各種單模光纖商品價格高低的順序如下：DCF>G.655>G.653>G.652塑料光纖（PlasticOpticalFiber,POF）定義

塑料光纖是用高折射率高分子聚合物（塑料）塑料為芯材和低折射率聚合物（塑料）為包層次材料而制成的全塑料光纖（又稱聚合物光纖）。

1.3光纖的幾何尺寸特性（結(jié)構(gòu)參數(shù)）光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)是指那些僅與光纖橫截面的物理構(gòu)成相關(guān)的參數(shù)，它們與長度及傳輸狀態(tài)無關(guān)。

漸變型（GI）多模光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)單模光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)漸變型（GI）多模光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)

0.1、結(jié)構(gòu)參數(shù)的定義(1)纖芯直徑

根據(jù)測試出的折射率分布n(r)，可以由（4.1）式給出的纖芯區(qū)折射率分布n3的軌跡。此軌跡包圍的橫截面稱為纖芯區(qū)。

由最小二乘法得出的、與n3軌跡最佳擬合的圓的直徑定義為纖芯直徑，其中心即為纖芯中心。

(2)包層直徑

環(huán)繞纖芯的區(qū)域稱為包層。在光纖的橫截面中，與規(guī)定參照面封閉曲線重合得最好的圓的直徑稱為包層直徑，此圓可由最小二乘法求得，其中心即為包層表面的中心。（4.1）(3)纖芯不圓度

纖芯的不圓度可以定義為：實(shí)際纖芯區(qū)的外切圓直徑與纖芯直徑之差除以纖芯直徑。(4)包層表面不圓度包層表面不圓度可以定義為外切圓直徑與包層表面直徑之差除以包層直徑。(5)纖芯/包層同心偏差纖芯／包層同心偏差可以定義為纖芯中心與包層面中心的間距除以纖芯直徑。

(6)最大理論NA

最大理論NA值可以定義為：單模光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)

注意：模場直徑和截止波長是單模光纖特有的結(jié)構(gòu)參數(shù)。11、模場直徑的定義及測量方法（1）模場直徑定義通俗地說，模場直徑就是單模光纖中光斑的大小，模場就是光纖中基模場的電場強(qiáng)度在空間的分布。(2)、光纖芯和包層尺寸的測量一般來說，可以用顯微鏡來測量光纖的尺寸。將攝像設(shè)備與顯微鏡配合使用。垂直于光纖軸線切割光纖端面，并將端面磨平。用刻蝕法處理光纖表面，以使纖芯和包層界限分明。實(shí)際測量時，常常用專用工具進(jìn)行切割，無須對端面進(jìn)行再加工。

2.、截止波長只有工作波長大于某個固定的波長時，才能保證光纖中只傳輸基模（LP01?；騂E11模），單模光纖理論截止波長為

（）截止波長是單模光纖的基本參量，也是單模光纖最基本的參數(shù)。截止波長和工作波長的關(guān)系判斷一根光纖是不是單模傳輸，只要比較一下它的工作波長λ與截止波長λc的大小就可以了。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：（1）理論截止波長λc1；（2）2米長光纖截止波長λc2；（3）光纜制造長度的截止波長λc3；（4）一個中繼段的截止波長λc4。一般是λc1>λc2>λc3>λc4。1.4光纜的設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)光纜結(jié)構(gòu)圖1.5光纜的型號及用途舉例金屬加強(qiáng)件、松套、層絞、油膏填充式、鋁-聚乙烯粘結(jié)護(hù)套、皺紋鋼帶鎧裝、聚乙烯護(hù)層的通信用室外光纜，包含12根50/125um石英玻璃系梯度折射率多模光纖和5根用于遠(yuǎn)供電及監(jiān)測的銅線徑為0.9mm的四線組光纜的型號應(yīng)表示為：GYTA5312Aa1a+5×4×0.9型式規(guī)格分類加強(qiáng)件、結(jié)構(gòu)特征護(hù)套代號外護(hù)層代號：鎧裝層（5）、外護(hù)套（3）光纖規(guī)格導(dǎo)電芯線規(guī)格光纜選型光纜結(jié)構(gòu)的選擇1、敷設(shè)環(huán)境和條件（室內(nèi)室外、地質(zhì)情況、阻水防潮、防咬壞等）2、光纖數(shù)量的考慮（分離、束、帶）3、光纜的填充方式（填充物的選擇，如有縱向阻水需求，填充油膏）4、光纖護(hù)層的選擇（依據(jù)抗側(cè)壓、拉伸應(yīng)變等要求，選擇護(hù)套）5、外護(hù)層的選擇（鎧裝層和外護(hù)層，架空管道[鋼帶縱包、PE外護(hù)層]、直埋[PE內(nèi)護(hù)層+PE護(hù)套+鋼帶縱包、PE外護(hù)層]和室內(nèi)光纜[阻燃、聚氯乙烯外護(hù)層]）管道架空光纜結(jié)構(gòu)圖GYTAGYTS松套層絞式光纜

主要特點(diǎn)優(yōu)良的機(jī)械抗拉應(yīng)變性能、抗側(cè)壓性能、溫度特性和傳輸特性。光纜具有優(yōu)良的阻水、防潮防腐性能：中心加強(qiáng)件采用單根高楊氏摸量的磷化鋼絲，必要時在鋼絲外加擠PE墊層。松套管中和纜芯所有縫隙充滿防潮阻水油膏和化合物，確保了縱向不滲水。復(fù)合皺