1、2.1 光纖構(gòu)造和類型光纖構(gòu)造和類型 2.1.1 光纖構(gòu)造光纖構(gòu)造 2.1.2 光纖類型光纖類型2.2 光纖傳輸原理光纖傳輸原理 2.2.1 幾何光學(xué)方法幾何光學(xué)方法 2.2.2 光纖傳輸?shù)膭?dòng)搖光纖傳輸?shù)膭?dòng)搖實(shí)際實(shí)際2.3 光纖傳輸特性光纖傳輸特性 2.3.1 光纖色散光纖色散 2.3.2 光纖損耗光纖損耗 2.3.3 光纖規(guī)范和運(yùn)用光纖規(guī)范和運(yùn)用2.4 光纜光纜 2.4.1 光纜根本要求光纜根本要求 2.4.2 光纜構(gòu)造和類型光纜構(gòu)造和類型 2.4.3 光纜特性光纜特性第第 2 章章 光纖和光纜光纖和光纜前往主目錄2.1 光纖構(gòu)造和類型光纖構(gòu)造和類型 2.1.1 光纖構(gòu)造光纖構(gòu)造 光纖光纖O

2、ptical Fiber是由中心的纖是由中心的纖芯和外圍的包層同軸組成的圓柱形細(xì)絲。芯和外圍的包層同軸組成的圓柱形細(xì)絲。 纖芯的折射率比包層稍高，損耗比纖芯的折射率比包層稍高，損耗比包層更低，光能量主要在纖芯內(nèi)傳輸。包層更低，光能量主要在纖芯內(nèi)傳輸。使大部分的光被束縛在纖芯中傳輸，使大部分的光被束縛在纖芯中傳輸， 實(shí)實(shí)現(xiàn)光信號的長間隔傳輸。現(xiàn)光信號的長間隔傳輸。 包層為光的傳輸提供反射面和光隔包層為光的傳輸提供反射面和光隔離，并起一定的機(jī)械維護(hù)作用。離，并起一定的機(jī)械維護(hù)作用。 設(shè)纖芯和包層的折射率分別為設(shè)纖芯和包層的折射率分別為n1和和n2，光能量在光纖中傳輸?shù)谋匾獥l件是，光能量在光纖中傳輸

3、的必要條件是n1n2。圖圖2.1 光纖的外形光纖的外形包層n2纖芯n1 2.1.2 光纖類型光纖類型 光纖種類很多，這里只討論作為信息傳輸波導(dǎo)用的由高純光纖種類很多，這里只討論作為信息傳輸波導(dǎo)用的由高純度石英度石英SiO2制成的光纖。制成的光纖。適用光纖主要有三種根本類型，適用光纖主要有三種根本類型， 突變型多模光纖突變型多模光纖Step-Index Fiber, SIF 漸變型多模光纖漸變型多模光纖Graded-Index Fiber, GIF 單模光纖單模光纖Single-Mode Fiber, SMF 相對于單模光纖而言，突變型光纖和漸變型光纖的纖芯相對于單模光纖而言，突變型光纖和漸變型

4、光纖的纖芯直徑都很大，可以包容數(shù)百個(gè)方式，所以稱為多模光纖直徑都很大，可以包容數(shù)百個(gè)方式，所以稱為多模光纖 圖圖 2.2三種根本類型的光纖三種根本類型的光纖(a) 突變型多模光纖；突變型多模光纖； (b) 漸變型多模光纖；漸變型多模光纖； c 單模單模光纖光纖 橫截面2a2brn折射率分布纖芯包層AitAot(a)輸入脈沖光線傳播路徑輸出脈沖50 m125mrnAitAot(b) 10 m125mrnAitAot(c)主要用途：主要用途： 突變型多模光纖只能用于小容量短間隔系統(tǒng)。突變型多模光纖只能用于小容量短間隔系統(tǒng)。 漸變型多模光纖適用于中等容量中等間隔系統(tǒng)。漸變型多模光纖適用于中等容量中等

5、間隔系統(tǒng)。 單模光纖用在大容量長間隔的系統(tǒng)。單模光纖用在大容量長間隔的系統(tǒng)。 特種單模光纖大幅度提高光纖通訊系統(tǒng)的程度特種單模光纖大幅度提高光纖通訊系統(tǒng)的程度 1.55m色散移位光纖實(shí)現(xiàn)了色散移位光纖實(shí)現(xiàn)了10 Gb/s容量的容量的100 km的超大容量超長間隔系統(tǒng)。的超大容量超長間隔系統(tǒng)。 色散平坦光纖適用于波分復(fù)用系統(tǒng)，這種系統(tǒng)可色散平坦光纖適用于波分復(fù)用系統(tǒng)，這種系統(tǒng)可以把傳輸容量提高幾倍到幾十倍。以把傳輸容量提高幾倍到幾十倍。 三角芯光纖有效面積較大，有利于提高輸入光纖三角芯光纖有效面積較大，有利于提高輸入光纖的光功率，添加傳輸間隔。的光功率，添加傳輸間隔。 偏振堅(jiān)持光纖用在外差接納方

6、式的相關(guān)光系統(tǒng)，偏振堅(jiān)持光纖用在外差接納方式的相關(guān)光系統(tǒng)， 這種系統(tǒng)最大優(yōu)點(diǎn)是提高接納靈敏度，添加傳輸間隔。這種系統(tǒng)最大優(yōu)點(diǎn)是提高接納靈敏度，添加傳輸間隔。 2.2 光纖傳輸原理光纖傳輸原理分析光纖傳輸原理的常用方法：分析光纖傳輸原理的常用方法： 幾何光學(xué)法幾何光學(xué)法 麥克斯韋動(dòng)搖方程法麥克斯韋動(dòng)搖方程法 2.2.1 幾何光學(xué)方法 幾何光學(xué)法分析問題的兩個(gè)出發(fā)點(diǎn) 數(shù)值孔徑 時(shí)間延遲 經(jīng)過分析光束在光纖中傳播的空間分布和時(shí)間分布 幾何光學(xué)法分析問題的兩個(gè)角度 突變型多模光纖 漸變型多模光纖 圖 2.4 突變型多模光纖的光線傳播原理1. 突變型多模光纖突變型多模光纖 數(shù)值孔徑數(shù)值孔徑 為簡便起見，

7、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，進(jìn)光線為例，進(jìn)一步討論光纖的傳輸條件。一步討論光纖的傳輸條件。 設(shè)纖芯和包層折射率分別為設(shè)纖芯和包層折射率分別為n1和和n2，空氣的折射率，空氣的折射率n0=1， 纖芯中心軸線與纖芯中心軸線與z軸一致，軸一致， 如圖如圖2.4。 光線在光纖端面以小角度光線在光纖端面以小角度從空氣入射到纖芯從空氣入射到纖芯(n0n2)。 根據(jù)這個(gè)傳播條件，定義臨界角c的正弦為數(shù)值孔徑(Numerical Aperture, NA)。根據(jù)定義和斯奈爾定律 NA=n0sinc=n1cosc ， n1sinc =n2sin90 (2.2)n

8、0=1，由式2.2經(jīng)簡單計(jì)算得到 式中=(n1-n2)/n1為纖芯與包層相對折射率差。 NA表示光纖接納和傳輸光的才干，NA(或c)越大，光纖接納光的才干越強(qiáng)，從光源到光纖的耦合效率越高。 對于無損耗光纖，在c內(nèi)的入射光都能在光纖中傳輸。 NA越大， 纖芯對光能量的束縛越強(qiáng)，光纖抗彎曲性能越好; 但NA越大，經(jīng)光纖傳輸后產(chǎn)生的信號畸變越大，因此限制了信息傳輸容量。 所以要根據(jù)實(shí)踐運(yùn)用場所，選擇適當(dāng)?shù)腘A。 212221nnnNA(2.3)時(shí)間延遲 根據(jù)圖2.4，入射角為的光線在長度為L(ox)的光纖中傳輸，所閱歷的路程為l(oy)， 在不大的條件下，其傳播時(shí)間即時(shí)間延遲為 式中c為真空中的光速

9、。由式(2.4)得到最大入射角(=c)和最小入射角(=0)的光線之間時(shí)間延遲差近似為 )21 (sec211111cLnclncln(2.4)cLnNAcnLcnLc12121)(22(2.5) 這種時(shí)間延遲差在時(shí)域產(chǎn)生脈沖展寬，或稱為信號畸變。 由此可見，突變型多模光纖的信號畸變是由于不同入射角的光線經(jīng)光纖傳輸后，其時(shí)間延遲不同而產(chǎn)生的。 圖 2.5 漸變型多模光纖的光線傳播原理 oidzrirmp纖芯n(r)r*zr0dr2. 漸變型多模光纖漸變型多模光纖 由此可見，漸變型多模光纖的光線軌跡是傳輸間隔z的正弦函數(shù)，對于確定的光纖，其幅度的大小取決于入射角0， 其周期=2/A=2a/ ， 取

10、決于光纖的構(gòu)造參數(shù)(a, )， 而與入射角0無關(guān)。 2 自聚焦效應(yīng) 為察看方便，把光線入射點(diǎn)移到中心軸線(z=0, ri=0)，由式(2.12)和式(2.13)得到)sin()0(0AzAnr(2.14a) *=0cos(Az) (2.14b) 這闡明不同入射角相應(yīng)的光線， 雖然閱歷的路程不同，但是最終都會聚在P點(diǎn)上，見圖2.5和圖2.2(b)， 這種景象稱為自聚焦(Self-Focusing)效應(yīng)。 4. 單模光纖的方式特性 單模條件和截止波長 單模傳輸條件為 V=2.405 或c= c405. 2V 由式(2.36)可以看到，對于給定的光纖(n1、n2和a確定)，存在一個(gè)臨界波長c，當(dāng)c時(shí)

11、，是單模傳輸，這個(gè)臨界波長c稱為截止波長。由此得到405. 222221nnaV(2.36)2.3 光纖傳輸特性光纖傳輸特性 產(chǎn)生信號畸變的主要緣由是光纖中存在色散，產(chǎn)生信號畸變的主要緣由是光纖中存在色散，損耗和色散是光纖最重要的傳輸特性：損耗和色散是光纖最重要的傳輸特性： 損耗限制系統(tǒng)的傳輸間隔損耗限制系統(tǒng)的傳輸間隔 色散那么限制系統(tǒng)的傳輸容量色散那么限制系統(tǒng)的傳輸容量 2.3.1 光纖色散光纖色散 1. 色散、色散、 帶寬和脈沖展寬帶寬和脈沖展寬 色散色散(Dispersion)是在光纖中傳輸?shù)墓庑盘枺捎诓皇窃诠饫w中傳輸?shù)墓庑盘枺捎诓煌煞值墓獾臅r(shí)間延遲不同而產(chǎn)生的一種物理效應(yīng)。同成分

12、的光的時(shí)間延遲不同而產(chǎn)生的一種物理效應(yīng)。 色散的種類：色散的種類： 方式色散：由于不同方式的時(shí)間延遲不同而產(chǎn)生的方式色散：由于不同方式的時(shí)間延遲不同而產(chǎn)生的 資料色散：由于光纖的折射率隨波長而變化，不同資料色散：由于光纖的折射率隨波長而變化，不同成分的光時(shí)延不同而產(chǎn)生的成分的光時(shí)延不同而產(chǎn)生的 波導(dǎo)色散：由于波導(dǎo)構(gòu)造參數(shù)與波長有關(guān)二產(chǎn)生的波導(dǎo)色散：由于波導(dǎo)構(gòu)造參數(shù)與波長有關(guān)二產(chǎn)生的)/(lg100kmdBPPLi(2.61a) 2.3.2 光纖損耗 損耗的存在 光信號幅度減小 限制系統(tǒng)的傳輸間隔 。 在最普通的條件下，在光纖內(nèi)傳輸?shù)墓夤β蔖隨間隔z的變化，可以用下式表示習(xí)慣上的單位用dB/km

13、， 由式(2.60)得到損耗系數(shù)Po=Pi exp(-L) (2.60) 設(shè)長度為L(km)的光纖，輸入光功率為Pi，根據(jù)式(2.59)，輸出光功率應(yīng)為 式中，是損耗系數(shù)。PdzdP(2.59) 1. 損耗的機(jī)理 圖2.15是單模光纖的損耗譜，圖中示出各種機(jī)理產(chǎn)生的損耗與波長的關(guān)系，這些機(jī)理包括吸收損耗和散射損耗兩部分。 吸收損耗 是由SiO2資料引起的固有吸收和由雜質(zhì)引起的吸收產(chǎn)生的。 散射損耗 主要由資料微觀密度不均勻引起的瑞利(Rayleigh )散射和由光纖構(gòu)造缺陷(如氣泡)引起的散射產(chǎn)生的。 瑞利散射損耗是光纖的固有損耗，它決議著光纖損耗的最低實(shí)際極限。 圖 2.15 單模光纖損耗譜

14、， 示出各種損耗機(jī)理 0.010.050.10.51510501000.81.01.21.41.6實(shí) 驗(yàn)波 導(dǎo) 缺 陷紫 外 吸 收瑞 利 散 射紅 外吸 收波 長 / m損 耗 / (dBkm 1)2.3.3 光纖規(guī)范和運(yùn)用光纖規(guī)范和運(yùn)用 G.651多模漸變型多模漸變型(GIF)光纖光纖 運(yùn)用于中小容量、中短間隔運(yùn)用于中小容量、中短間隔的通訊系統(tǒng)。的通訊系統(tǒng)。 G.652常規(guī)單模光纖常規(guī)單模光纖 是第一代單模光纖，其特點(diǎn)是在波是第一代單模光纖，其特點(diǎn)是在波長長1.31 m色散為零，系統(tǒng)的傳輸間隔只受損耗的限制。色散為零，系統(tǒng)的傳輸間隔只受損耗的限制。 G.653色散移位光纖色散移位光纖 是第

15、二代單模光纖，其特點(diǎn)是在波是第二代單模光纖，其特點(diǎn)是在波長長1.55 m色散為零，損耗又最小。這種光纖適用于大容量長色散為零，損耗又最小。這種光纖適用于大容量長間隔通訊系統(tǒng)。間隔通訊系統(tǒng)。 G.654 1.55 m損耗最小的單模光纖損耗最小的單模光纖 其特點(diǎn)是在波長其特點(diǎn)是在波長1.31 m色散為零，在色散為零，在1.55 m色散為色散為1720 ps/(nmkm)，和常，和常規(guī)單模光纖一樣，但損耗更低，可達(dá)規(guī)單模光纖一樣，但損耗更低，可達(dá)0.20 dB/km以下。以下。 色散補(bǔ)償光纖色散補(bǔ)償光纖 其特點(diǎn)是在波長其特點(diǎn)是在波長1.55 m具有大的負(fù)色散。具有大的負(fù)色散。 G.655非零色散光纖

16、非零色散光纖 是一種改良的色散移位光纖。是一種改良的色散移位光纖。2.4 光纜光纜 在實(shí)踐工程運(yùn)用中，需求把假設(shè)干根光纖絞合成纜，在外面再加上維護(hù)套，以防止外界各種機(jī)械壓力和施工過程中能夠發(fā)生的損傷。光纜的構(gòu)造取決于用途可根據(jù)不同需求進(jìn)展設(shè)計(jì)。有些在光纖外加一層塑料外套，有些是運(yùn)用鋼質(zhì)加強(qiáng)心之類的加強(qiáng)資料以保證光纜具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度。 2.4.2 光纜構(gòu)造和類型 光纜普通由纜芯和護(hù)套兩部分組成，有時(shí)在護(hù)套外面加有鎧裝。 1. 纜芯 纜芯通常包括被覆光纖(或稱芯線)和加強(qiáng)件兩部分。 被覆光纖是光纜的中心，決議著光纜的傳輸特性。 加強(qiáng)件起著接受光纜拉力的作用，通常處在纜芯中心，有時(shí)配置在護(hù)套中。

17、圖 2.20光纜類型的典型實(shí)例 (a) 6芯緊套層絞式光纜(架空、管道)；(b) 12芯松套層絞式光纜(直埋防蟻)；(c) 12芯骨架式光纜(直埋)；(d) 648芯束管式光纜(直埋)；(e) 108芯帶狀光纜；(f) LXE束管式光纜(架空、管道、直埋)；(g) 淺海光纜；(h) 架空地線復(fù)合光纜(OPGW)填充油膏緊套光纖中心加強(qiáng)件包帶鋁縱包PE護(hù)層(a)填充繩(聚乙烯)第一單元松套管( 6芯)第二單元松套管( 6芯)包帶皺紋鋼帶PE層尼龍 12外護(hù)層中心加強(qiáng)件填充油膏(b)PE外 護(hù)層皺紋鋼帶塑料骨架中心加強(qiáng)件緊套光纖(c)PE外護(hù)層鋁縱包鋼絲(分散加強(qiáng))高強(qiáng)度塑料光纖束管6 48 芯光纖(d)外護(hù)層金屬加強(qiáng)件塑料繞包帶帶狀光纖單元帶狀線(e)單根金屬加強(qiáng)件高密度 PE護(hù)層開索鄒紋鋼護(hù)套防潮層高強(qiáng)度塑料束管4 48 芯光纖(f)內(nèi)金屬或高強(qiáng)度塑料線光纖光纖或聚乙烯填充線聚乙烯銅管聚乙烯聚丙烯內(nèi)層鋼絲鎧裝外層鋼絲鎧裝(g)隔熱襯材光纖高強(qiáng)度塑料線鋁管鋁扇形體鋁包鋼線(h)光纖塑料光纜光纜 的根本型式的根本型式層絞式層絞式 把松套光纖繞在中心加強(qiáng)件周圍絞合而構(gòu)成。把松套光纖繞在中心加強(qiáng)件周圍絞合而構(gòu)成。 骨架式骨架式 把緊套光纖或一次被覆光纖放入中心加強(qiáng)件