圓形介質(zhì)波導(dǎo)

2.1光纖的結(jié)構(gòu)與類型2.1.1光纖的結(jié)構(gòu)光纖(OpticalFiber，OF)就是用來導(dǎo)光的透明介質(zhì)纖維，一根實(shí)用化的光纖是由多層透明介質(zhì)構(gòu)成的，一般可以分為三部分：折射率較高的纖芯、折射率較低的包層和外面的涂覆層，如圖2.1所示。圖2.1光纖結(jié)構(gòu)示意圖2.1.2光纖的類型

光纖的分類方法很多，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)的多少、光纖使用的材料或傳輸?shù)墓ぷ鞑ㄩL(zhǎng)來分類。按照截面上折射率分布的不同可以將光纖分為階躍型光纖(Step-IndexFiber，SIF)漸變型光纖(Graded-IndexFiber，GIF)其折射率分布如圖2.2所示，光纖的折射率變化可以用折射率沿半徑的分布函數(shù)n(r)來表示。1.按光纖截面上折射率分布分類圖2.2光纖的折射率分布多模光纖(Multi-ModeFiber，MMF)在一定的工作波上，當(dāng)有多個(gè)模式在光纖中傳輸時(shí)，則這種光纖稱為多模光纖。單模光纖(SingleModeFiber，SMF)單模光纖是只能傳輸一種模式的光纖，單模光纖只能傳輸基模(最低階模)，不存在模間時(shí)延差，具有比多模光纖大得多的帶寬，這對(duì)于高碼速傳輸是非常重要的。2.按傳輸模式的數(shù)量分類短波長(zhǎng)光纖長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖超長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖3.按光纖的工作波長(zhǎng)分類4.按ITU-T建議分類按照ITU-T關(guān)于光纖類型的建議，可以將光纖分為G.651光纖(漸變型多模光纖)G.652光纖(常規(guī)單模光纖)G.653光纖(色散位移光纖)G.654光纖(截止波長(zhǎng)光纖)G.655光纖(非零色散位移光纖)按套塑(二次涂覆層)可以將光纖分為松套光纖緊套光纖現(xiàn)在實(shí)用的石英光纖通常有以下三種：階躍型多模光纖漸變型多模光纖階躍型單模光纖2.2光纜2.2.1光纜的典型結(jié)構(gòu)1.光纜的構(gòu)造（纜芯和護(hù)層）2.光纜的典型結(jié)構(gòu)2.2.2光纜的種類與型號(hào)1.光纜的種類2.光纜的型號(hào)(1)纜芯

在光纜的構(gòu)造中，纜芯是主體，其結(jié)構(gòu)是否合理，與光纖的安全運(yùn)行關(guān)系很大。一般來說，纜芯結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足以下基本要求：光纖在纜芯內(nèi)處于最佳位置和狀態(tài)，保證光纖傳輸性能穩(wěn)定，在光纜受到一定的拉力、側(cè)壓力等外力時(shí)，光纖不應(yīng)承受外力影響；其次纜芯內(nèi)的金屬線對(duì)也應(yīng)得到妥善安排，并保證其電氣性能；另外纜芯截面應(yīng)盡可能小，以降低成本和敷設(shè)空間。(2)護(hù)層

光纜護(hù)層同電纜護(hù)層的情況一樣，是由護(hù)套和外護(hù)層構(gòu)成的多層組合體。其作用是進(jìn)一步保護(hù)光纖，使光纖能適應(yīng)在各種場(chǎng)地敷設(shè)，如架空、管道、直埋、室內(nèi)、過河、跨海等。對(duì)于采用外周加強(qiáng)元件的光纜結(jié)構(gòu)，護(hù)層還需提供足夠的抗拉、抗壓、抗彎曲等機(jī)械特性方面的能力。

按纜芯組件的不同一般可以分為層絞式骨架式束管式帶狀式如圖2.21所示。我國(guó)及歐亞各國(guó)用的較多的是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的層絞式和骨架式兩種。

2.光纜的典型結(jié)構(gòu)圖2.21光纜的典型結(jié)構(gòu)示意圖(1)層絞式結(jié)構(gòu) 層絞式光纜的結(jié)構(gòu)類似于傳統(tǒng)的電纜結(jié)構(gòu)方式，故又稱為古典式光纜。(2)骨架式結(jié)構(gòu) 骨架式光纜中的光纖置放于塑料骨架的槽中，槽的橫截面可以是V形、U形或其他合理的形狀，槽的縱向呈螺旋形或正弦形，一個(gè)空槽可放置5~10根一次涂覆光纖。(3)束管式結(jié)構(gòu) 束管式結(jié)構(gòu)的光纜近年來得到了較快的發(fā)展。它相當(dāng)于把松套管擴(kuò)大為整個(gè)纖芯，成為一個(gè)管腔，將光纖集中松放在其中。(4)帶狀式結(jié)構(gòu) 帶狀式結(jié)構(gòu)的光纜首先將一次涂覆的光纖放入塑料帶內(nèi)做成光纖帶，然后將幾層光纖帶疊放在一起構(gòu)成光纜芯。

其分類方法很多，習(xí)慣的分類有：根據(jù)光纜的傳輸性能、距離和用途，光纜可以分為市話光纜長(zhǎng)途光纜海底光纜用戶光纜1.光纜的種類根據(jù)光纖的種類，光纜可以分為多模光纜單模光纜；根據(jù)光纖套塑的種類，光纜可以分為緊套光纜松套光纜束管式新型光纜帶狀式多芯單元光纜根據(jù)光纖芯數(shù)的多少，光纜可以分為單芯光纜多芯光纜根據(jù)加強(qiáng)構(gòu)件的配置方式，光纜可以分為中心加強(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(如束管式光纜)護(hù)層加強(qiáng)構(gòu)件光纜(如帶狀式光纜)根據(jù)敷設(shè)方式，光纜可以分為管道光纜直埋光纜架空光纜水底光纜根據(jù)護(hù)層材料性質(zhì)，光纜可以分為普通光纜阻燃光纜防蟻、防鼠光纜

光纜的種類較多，同其他產(chǎn)品一樣，具有具體的型式和規(guī)格。(1)光纜的型式代號(hào) 光纜的型式代號(hào)是由分類、加強(qiáng)構(gòu)件、派生(形狀、特性等)、護(hù)套和外護(hù)層五部分組成，如圖2.22所示。(2)光纖的規(guī)格代號(hào)

2.光纜的型號(hào)圖2.22光纜的型式代號(hào)(1)光纜的型式代號(hào)

GY：通信用室(野)外光纜；

GR：通信用軟光纜；

GJ：通信用室(局)內(nèi)光纜；

GS：通信用設(shè)備內(nèi)光纜；

GH：通信用海底光纜；

GT：通信用特殊光纜；

GW：通信用無金屬光纜。

①光纜分類代號(hào)及其意義

無符號(hào)：金屬加強(qiáng)構(gòu)件；

F：非金屬加強(qiáng)構(gòu)件；

G：金屬重型加強(qiáng)構(gòu)件；

H：非金屬重型加強(qiáng)構(gòu)件。②加強(qiáng)構(gòu)件的代號(hào)及其意義

B：扁平式結(jié)構(gòu)；

Z：自承式結(jié)構(gòu)；

T：填充式結(jié)構(gòu)；

S：松套結(jié)構(gòu)。 注：當(dāng)光纜型式兼有不同派生特征時(shí)，其代號(hào)字母順序并列。

③派生特征的代號(hào)及其意義

Y：聚乙烯護(hù)套；

V：聚氯乙烯護(hù)套；

U：聚氨酯護(hù)套；

A：鋁、聚乙烯護(hù)套；

L：鋁護(hù)套；

Q：鉛護(hù)套；

G：鋼護(hù)套；

S：鋼、鋁、聚乙烯綜合護(hù)

④護(hù)套的代號(hào)及其意義

外護(hù)層是指鎧裝層及鎧裝層外面的外被層，參照國(guó)標(biāo)GB2952-82的規(guī)定，外護(hù)層采用兩位數(shù)字表示，各代號(hào)的意義如表2.4所示

⑤外護(hù)層的代號(hào)及其意義表2.4外護(hù)層的代號(hào)及意義代號(hào)鎧裝層代號(hào)外被層0無0無1……1纖維層2雙鋼帶2聚氯乙烯套3細(xì)圓鋼絲3聚乙烯套4粗圓鋼絲5單鋼帶皺紋縱包光纖的規(guī)格代號(hào)是由光纖數(shù)目光纖類別光纖主要尺寸參數(shù)傳輸性能適用溫度五部分組成，各部分均用代號(hào)或數(shù)字表示。(2)光纖的規(guī)格代號(hào)①光纖數(shù)目

用光纜中同類別光纖的實(shí)際有效數(shù)目的阿拉伯?dāng)?shù)字表示。

J：二氧化硅系多模漸變型光纖；T：二氧化硅系多模階躍型(突變型)光纖；Z：二氧化硅系多模準(zhǔn)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；S：塑料光纖。

②光纖類別的代號(hào)及其意義用阿拉伯?dāng)?shù)字(含小數(shù)點(diǎn))以μm為單位表示多模光纖的芯徑/包層直徑或單模光纖的模場(chǎng)直徑/包層直徑。③光纖的主要尺寸參數(shù)代號(hào)及其意義④傳輸性能代號(hào)及其意義

光纖的傳輸特性代號(hào)是由使用波長(zhǎng)、損耗系數(shù)、模式帶寬的代號(hào)(分別為a、bb、cc)構(gòu)成。其中a表示使用波長(zhǎng)的代號(hào)，其數(shù)字代號(hào)規(guī)定如下：1：使用波長(zhǎng)在0.85μm區(qū)域；2：使用波長(zhǎng)在1.31μm區(qū)域；3：使用波長(zhǎng)在1.55μm區(qū)域。bb表示損耗系數(shù)的代號(hào)，其數(shù)字依次為光纜中光纖損耗系數(shù)值(dB/km)的個(gè)位和十分位。cc表示模式帶寬的代號(hào)，其數(shù)字依次是光纜中光纖模式帶寬數(shù)值(MHz·km)的千位和百位數(shù)字。單模光纖無此項(xiàng)。

注意：同一光纜適用于兩種以上的波長(zhǎng)，并具有不同的傳輸特性時(shí)，應(yīng)同時(shí)列出各波長(zhǎng)上的規(guī)格代號(hào)，并用"/"劃開。A：適用于-40℃~+40℃；B：適用于-30℃~+50℃；C：適用于-20℃~+60℃；D：適用于-5℃~+60℃。

⑤適用溫度代號(hào)及其意義2.3光纖的損耗特性2.3.1吸收損耗1.本征吸收損耗2.雜質(zhì)吸收損耗3.原子缺陷吸收損耗2.3.2散射損耗1.線性散射損耗2.非線性散射損耗2.3.3彎曲損耗2.3.4光纖損耗系數(shù)2.3.1吸收損耗

吸收損耗是由制造光纖材料本身以及其中的過渡金屬離子和氫氧根離子(OH－)等雜質(zhì)對(duì)光的吸收而產(chǎn)生的損耗，前者是由光纖材料本身的特性所決定的，稱為本征吸收損耗。

本征吸收損耗在光學(xué)波長(zhǎng)及其附近有兩種基本的吸收方式。(1)紫外吸收損耗 紫外吸收損耗是由光纖中傳輸?shù)墓庾恿鲗⒐饫w材料中的電子從低能級(jí)激發(fā)到高能級(jí)時(shí)，光子流中的能量將被電子吸收，從而引起的損耗。(2)紅外吸收損耗 紅外吸收損耗是由于光纖中傳播的光波與晶格相互作用時(shí)，一部分光波能量傳遞給晶格，使其振動(dòng)加劇，從而引起的損耗。1.本征吸收損耗

光纖中的有害雜質(zhì)主要有過渡金屬離子，如鐵、鈷、鎳、銅、錳、鉻等和OH－。2.雜質(zhì)吸收損耗

通常在光纖的制造過程中，光纖材料受到某種熱激勵(lì)或光輻射時(shí)將會(huì)發(fā)生某個(gè)共價(jià)鍵斷裂而產(chǎn)生原子缺陷，此時(shí)晶格很容易在光場(chǎng)的作用下產(chǎn)生振動(dòng)，從而吸收光能，引起損耗，其峰值吸收波長(zhǎng)約為630nm左右。3.原子缺陷吸收損耗1.線性散射損耗(1)瑞利散射(2)光纖結(jié)構(gòu)不完善引起的散射損耗(波導(dǎo)散射損耗)2.非線性散射損耗

2.3.2散射損耗1.線性散射損耗

任何光纖波導(dǎo)都不可能是完美無缺的，無論是材料、尺寸、形狀和折射率分布等等，均可能有缺陷或不均勻，這將引起光纖傳播模式散射性的損耗，由于這類損耗所引起的損耗功率與傳播模式的功率成線性關(guān)系，所以稱為線性散射損耗。

瑞利散射是一種最基本的散射過程，屬于固有散射。 對(duì)于短波長(zhǎng)光纖，損耗主要取決于瑞利散射損耗。值得強(qiáng)調(diào)的是：瑞利散射損耗也是一種本征損耗，它和本征吸收損耗一起構(gòu)成光纖損耗的理論極限值。(1)瑞利散射

在光纖制造過程中，由于工藝、技術(shù)問題以及一些隨機(jī)因素，可能造成光纖結(jié)構(gòu)上的缺陷，如光纖的纖芯和包層的界面不完整、芯徑變化、圓度不均勻、光纖中殘留氣泡和裂痕等等。(2)光纖結(jié)構(gòu)不完善引起的散射損耗(波導(dǎo)散射損耗)

光纖中存在兩種非線性散射，它們都與石英光纖的振動(dòng)激發(fā)態(tài)有關(guān)，分別為受激喇曼散射和受激布里淵散射。2.非線性散射損耗

光纖的彎曲有兩種形式：一種是曲率半徑比光纖的直徑大得多的彎曲，我們習(xí)慣稱為彎曲或宏彎；另一種是光纖軸線產(chǎn)生微米級(jí)的彎曲，這種高頻彎曲習(xí)慣稱為微彎。2.3.3彎曲損耗

在光纜的生產(chǎn)、接續(xù)和施工過程中，不可避免地出現(xiàn)彎曲。 微彎是由于光纖受到側(cè)壓力和套塑光纖遇到溫度變化時(shí)，光纖的纖芯、包層和套塑的熱膨脹系數(shù)不一致而引起的，其損耗機(jī)理和彎曲一致，也是由模式變換引起的。

2.3.4光纖損耗系數(shù)

為了衡量一根光纖損耗特性的好壞，在此引入損耗系數(shù)(或稱為衰減系數(shù))的概念，即傳輸單位長(zhǎng)度(1km)光纖所引起的光功率減小的分貝數(shù)，一般用α表示損耗系數(shù)，單位是dB/km。用數(shù)學(xué)表達(dá)式表示為：

式中：L為光纖長(zhǎng)度，以km為單位；P1和P2分別為光纖的輸入和輸出光功率，以mW或μW為單位。光纖的損耗譜2.4

成纜對(duì)光纖特性的影響2.4.1光纜特性

1.拉力特性2.壓力特性3.彎曲特性4.溫度特性2.4.2成纜對(duì)光纖特性的影響1.成纜的附加損耗2.成纜可以改善光纖的溫度特性3.機(jī)械強(qiáng)度增加2.4.1光纜特性1.拉力特性 光纜能承受的最大拉力取決于加強(qiáng)構(gòu)件的材料和橫截面積，一般要求大于1km光纜的重量，多數(shù)光纜在100～400kg范圍。2.壓力特性 光纜能承受的最大側(cè)壓力取決于護(hù)套的材料和結(jié)構(gòu)，多數(shù)光纜能承受的最大側(cè)壓力在100～400kg/10cm。3.彎曲特性 彎曲特性主要取決于纖芯與包層的相對(duì)折射率差Δ以及光纜的材料和結(jié)構(gòu)。4.溫度特性 光纖本身具有良好的溫度特性。1.成纜的附加損耗 不良的成纜工藝