光纖光纜知識簡介謝林海TD網規網優部一、光纖知識簡介二、光纜知識簡介提綱一、光纖知識簡介1、光纖的發展歷程2、光纖的結構3、光纖的分類4、光纖的導光原理5、一些重要的概念6、光纖的特性7、光纖性能參數以及應用1854年：英國的丁達爾指出了光線能沿盛水的彎曲通道通過內全反射而傳播。1966年：高昆提出了光纖通信的概念（理論）。1970年：美國康寧公司做出了多模光纖。在630nm處損耗20dB/km,損耗=10lgPo/lgPi,同時半導體激光器誕生。1972年：多模光纖損耗降到4dB1976年：為除掉OH根離子時發現兩窗口1980年:在1550處制成了損耗0.2dB/km的單模光纖

1、光纖的發展歷程

光纖分為纖芯和包層。纖芯主要由二氧化鉻，五氧化二磷等光折射率比較高的物質，包層主要由氟、三氧化二棚等光折射率比較低的物質。2、光纖的結構（1）、纖芯

纖芯位于光纖的中心部位（直徑d1約9～50微米），其成份是高純度的二氧化硅，此外還摻有極少量的摻雜劑如二氧化鍺，五氧化二磷等，摻有少量摻雜劑的目的是適當提高纖芯的光折射率(n1)。（2）、包層

包層位于纖芯的周圍（其直徑d2約125微米），其成份也是含有極少量摻雜劑的高純度二氧化硅。而摻雜劑（如三氧化二硼）的作用則是適當降低包層的光折射率(n2)，使之略低于纖芯的折射率。（3）、涂敷層

光纖的最外層是由丙烯酸酯、硅橡膠和尼龍組成的涂敷層，其作用是增加光纖的機械強度與可彎曲性。涂覆層包括一次涂覆、緩沖層和二次涂覆，起保護光纖不受水汽的侵蝕和機械的擦傷，同時又增加光纖的柔韌性，起著延長光纖壽命的作用。3、光纖的分類

目前光纖的種類繁多，但就其分類方法而言大致有以下幾種，即按光纖剖面折射率分布形狀分類、按光纖的組成材料分類、按傳播模式數分類、按工作波長分類和按套塑類型分類等。（1）、光纖剖面折射率分布形狀分類①階躍光纖（突變型、階梯型）

所謂階躍光纖是指：在纖芯與包層區域內，其折射率分布分別是均勻的，其值分別為n1與n2，但在纖芯與包層的分界處，其折射率的變化是階躍的。階躍光纖是早期光纖的結構方式，后來在多模光纖中逐漸被漸變光纖所取代（因漸變光纖能大大降低多模光纖所特有的模式色散），但用它來解釋光波在光纖中的傳播還是比較形象的。而現在當單模光纖逐漸取代多模光纖成為當前光纖的主流產品時，階躍光纖結構又作為單模光纖的結構形式之一。②漸變光纖（梯度折射率光纖）

所謂漸變光纖是指：光纖軸心處的折射率最大（n1），而沿剖面徑向的增加而逐漸變小，其變化規律一般符合拋物線規律，到了纖芯與包層的分界處，正好降到與包層區域的折射率n2相等的數值；在包層區域中其折射率的分布是均勻的即為n2。其主要原因是為了降低多模光纖的模式色散，增加光纖的傳輸容量。

（2）、光纖的組成材料分類①石英玻璃光纖

用純度特別高的石英玻璃（以SiO2為主要成分）制作的纖維狀波導結構。②多組分玻璃光纖用多組分玻璃制作的光纖，除了TiO2和SiO2組分外，其還包括選自由玻璃成形劑和/或中間氧化物組成的組中的其它組分。③全塑光纖塑料光纖是用高度透明的聚苯乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯（有機玻璃）制成的。它的特點是制造成本低廉，相對來說芯徑較大，與光源的耦合效率高，耦合進光纖的光功率大，使用方便。但由于損耗較大，帶寬較小，這種光纖只適用于短距離低速率通信，如短距離計算機網鏈路、船舶內通信等。④塑料包層玻璃芯光纖（3）、按傳播模式數分類①多模光纖當光纖的幾何尺寸（主要是纖芯直徑d1）遠遠大于光波波長時（約1微米），光纖中會存在著幾十種乃至幾百種傳播模式。不同的傳播模式會具有不同的傳播速度與相位，因此經過長距離的傳輸之后會產生時延，導致光脈沖變寬。這種現象叫做光纖的模式色散（又叫模間色散）。模式色散會使多模光纖的帶寬變窄，降低了其傳輸容量，因此多模光纖僅適用于較小容量的光纖通信。多模光纖的折射率分布大都為拋物線分布即漸變折射率分布。②單模光纖根據電磁場理論與求解麥氏方程組發現，當光纖的幾何尺寸（主要是芯徑）可以與光波長相比擬時，如芯徑d1在5～10微米范圍，光纖只允許一種模式（基模HE11）在其中傳播，其余的高次模全部截止，這樣的光纖叫做單模光纖。由于它只允許一種模式在其中傳播，從而避免了模式色散的問題，故單模光纖具有極寬的帶寬，特別適用于大容量的光纖通信。（4）、按工作波長分類①短波長光纖

光纖通信發展的初期，人們使用的光波之波長在0.6～0.9微米范圍內（典型值為0.85微米），習慣上把在此波長范圍內呈現低衰耗的光纖稱作短波長光纖。②長波長光纖

長波長光纖是指1.0～1.7μm的光纖。長波長光纖因具有衰耗低、帶寬寬等優點，特別適用于長距離、大容量的光纖通信。

③超長波長光纖超長波長光纖則是指2μm以上的光纖。（4）、按套塑類型分類①緊套光纖

所謂緊套光纖是指二次、三次涂敷層與預涂敷層及光纖的纖芯，包層等緊密地結合在一起的光纖。未經套塑的光纖，其衰耗──溫度特性本是十分優良的，但經過套塑之后其溫度特性下降。這是因為套塑材料的膨脹系數比石英高得多，在低溫時收縮較厲害，壓迫光纖發生微彎曲，增加了光纖的衰耗。②松套光纖所謂松套光纖是指，經過預涂敷后的光纖松散地放置在一塑料管之內，不再進行二次、三次涂敷。松套光纖的制造工藝簡單，其衰耗──溫度特性與機械性能也比緊套光纖好。4、光纖的導光原理

光是一種頻率極高的電磁波，而光纖本身是一種介質波導，因此光在光纖中的傳輸理論是十分復雜的。要想全面地了解它，需要應用電磁場理論、波動光學理論、甚至量子場論方面的知識。為了便于理解，我們從幾何光學的角度來討論光纖的導光原理，這樣會更加直觀、形象、易懂。對于多模光纖而言，由于其幾何尺寸遠遠大于光波波長，所以可把光波看作成為一條光線來處理，這正是幾何光學的處理問題的基本出發點。而對于單模光纖，由于芯徑尺寸小，射線光學理論就不能正確處理單模光纖的問題。因此，在光波導理論中，更普遍地采用波動光學的方法，即把光作為電磁波來處理，研究電磁波在光纖中的傳輸規律，得到光纖中的傳播模式、場結構、傳輸常數及裁止條件。（1）、全反射原理

當光線在均勻介質中傳播時是以直線方向進行的，但在到達兩種不同介質的分界面時，會發生反射與折射現象。當光從光密介質射向光疏介質時，光線向遠離法線方向偏折；當入射角增大到某一角度（臨界角）時，折射角等于90°，實際上不再有折射光線；當入射角大于臨界角時，入射光全部從界面反射回光密介質，這就是全反射現象。

（2）、光在階躍光纖中的傳播了解了光的全反射原理之后，不難畫出光在階躍光纖中的傳播軌跡，即按“之”之形傳播及沿纖芯與包層的分界面掠過。（3）、光在漸變型光纖中的傳播

由于漸變光纖的折射率分布是在光纖的軸心處最大，而沿剖面徑向的增加而折射率逐漸變小。這樣光在每二層的分界面皆會產生折射現象。由于外層總比內層的折射率要小一些，所以每經過一個分界面，光線向軸心方向的彎曲就厲害一些，就這樣一直到了纖芯與包層的分界面。而在分界面又產生全反射現象，全反射的光沿纖芯與包層的分界面向前傳播，而反射光則又逐層逐層地折射回光纖纖芯。就這樣完成了一個傳輸全過程，使光線基本上局限在纖芯內進行傳播，其傳播軌跡類似于由許多許多線段組成的正弦波。

（4）、光在單模光纖中的傳播光在單模光纖中的傳播軌跡，簡單地講是以平行于光纖軸線的形式以直線方式傳播，這是因為在單模光纖中僅以一種模式（基模）進行傳播，而高次模全部截止，不存在模式色散。4、一些重要的概念（1）、相對折射率指數相對折射率指數Δ可定義為：（2）、子午光線在光學纖維中，如果某光線的傳播路徑始終在同一平面之內，則稱為子午光線。

（3）、子午面包含子午光線的平面叫做子午面。（4）、偏斜光線

光線在斷面處的投影不過圓心則為斜光線。即與光軸軸線不相交。（5）、數值孔徑(N.A)

當光從空氣入射到光纖輸入面時，只有入射方向處于某一光錐內的光線在進入光纖后才能留在纖芯內，而從光錐之外入射的光線，即使進入光纖也會從包層逸出。這個光錐半角的正弦稱為光纖的數值孔徑N.A。

NA越大，光纖接收光的能力越強，纖芯對能量的束縛越強，光纖抗彎曲性能越好。從公式上看，△越大，NA越大，光纖的收光效果越好。但△太大，經光纖傳輸后產生的信號畸變越大，會產生較為嚴重的模間色散，限制了信息傳輸容量（6）、歸一化頻率歸一化頻率,是單模光纖一個非常重要的結構參數,是為了描述光纖中傳輸的模式數目,一般用V表示,表達式為:V=光在真空中的傳播常數*光纖纖芯中最大折射率*光纖纖芯半徑*根號下2倍的光纖的相對折射率。

歸一化頻率越大，能夠傳播的模式數越多。V值較高的光纖可以支持較多的模式，稱為多模光纖。當V小于某個值，除HE11模式外，所有模式被截止。只支持一個模式（基模）的光纖被稱作單模光纖。（7）、單模截止條件

歸一化頻率V決定了光纖傳輸的模式數M，各模式的截止條件決定于V。基模不會截止——即使V值再小，基模也仍然存在。所以由TE01、TM01模式達到截止時的V值確定。這兩個模式截止的條件是：階躍折射率光纖的（只傳輸HE11模）單模條件是：V＜2.4050（8）、單模光纖的截止波長單模條件：單模光纖的截止波長表明了導波模約束在光纖中沿縱向持續傳播的最大工作波長。（9）、模場直徑單模光纖纖芯直徑的概念沒有實際意義，因為場分布不完全局限在纖芯內，模式縱向傳輸（沿光纖軸向）的功率流在纖芯和包層兩個區域同時傳輸，而大部分集中在芯區，小部分在包層內傳輸（約20％），所以常用模場直徑的概念。

（1）、光纖的損耗特性（2）、光纖的色散特性（3）、光纖的機械特性（4）、光纖的溫度特性6、光纖的特性（1）、光纖的損耗特性光波在光纖中傳輸，隨著距離的增加光功率逐漸下降，這就是光纖的傳輸損耗，該損耗直接關系到光纖通信系統傳輸距離的長短，是光纖最重要的傳輸特性之一。下圖為石英光纖的總損耗譜，0.85μm，1.31μm和1.55μm左右是光纖通信中常用的三個低損耗窗口。①光纖的吸收損耗這是由于光纖材料和雜質對光能的吸收而引起的，它們把光能以熱能的形式消耗于光纖中，是光纖損耗中重要的損耗，吸收損耗包括以下幾種：

a．物質本征吸收損耗這是由于物質固有的吸收引起的損耗。它有兩個頻帶，一個在近紅外的8～12μm區域里，這個波段的本征吸收是由于振動。另一個物質固有吸收帶在紫外波段，吸收很強時，它的尾巴會拖到0.7～1.1μm波段里去。

b．摻雜劑和雜質離子引起的吸收損耗光纖材料中含有躍遷金屬如鐵、銅、鉻等，它們有各自的吸收峰和吸收帶并隨它們價態不同而不同。由躍遷金屬離子吸收引起的光纖損耗取決于它們的濃度。另外，OH－存在也產生吸收損耗，OH－的基本吸收極峰在2.7μm附近，吸收帶在0.5～1.0μm范圍。對于純石英光纖，雜質引起的損耗影響可以不考慮。

c．原子缺陷吸收損耗光纖材料由于受熱或強烈的輻射，它會受激而產生原子的缺陷，造成對光的吸收，產生損耗，但一般情況下這種影響很小②光纖的散射損耗光纖內部的散射，會減小傳輸的功率，產生損耗。散射中最重要的是瑞利散射，它是由光纖材料內部的密度和成份變化而引起的。

光纖材料在加熱過程中，由于熱騷動，使原子得到的壓縮性不均勻，使物質的密度不均勻，進而使折射率不均勻。這種不均勻在冷卻過程中被固定下來，它的尺寸比光波波長要小。光在傳輸時遇到這些比光波波長小，帶有隨機起伏的不均勻物質時，改變了傳輸方向，產生散射，引起損耗。另外，光纖中含有的氧化物濃度不均勻以及摻雜不均勻也會引起散射，產生損耗。③波導散射損耗這是由于交界面隨機的畸變或粗糙所產生的散射，實際上它是由表面畸變或粗糙所引起的模式轉換或模式耦合。一種模式由于交界面的起伏，會產生其他傳輸模式和輻射模式。由于在光纖中傳輸的各種模式衰減不同，在長距離的模式變換過程中，衰減小的模式變成衰減大的模式，連續的變換和反變換后，雖然各模式的損失會平衡起來，但模式總體產生額外的損耗，即由于模式的轉換產生了附加損耗，這種附加的損耗就是波導散射損耗。要降低這種損耗，就要提高光纖制造工藝。對于拉得好或質量高的光纖，基本上可以忽略這種損耗。④光纖彎曲產生的輻射損耗光纖是柔軟的，可以彎曲，可是彎曲到一定程度后，光纖雖然可以導光，但會使光的傳輸途徑改變。由傳輸模轉換為輻射模，使一部分光能滲透到包層中或穿過包層成為輻射模向外泄漏損失掉，從而產生損耗。當彎曲半徑大于5～10cm時，由彎曲造成的損耗可以忽略。(2）、光纖的色散特性

由于光纖中所傳信號的不同頻率成分，或信號能量的各種模式成分，在傳輸過程中，因群速度不同互相散開，引起傳輸信號波形失真，脈沖展寬的物理現象稱為色散。光纖色散的存在使傳輸的信號脈沖畸變，從而限制了光纖的傳輸容量和傳輸帶寬。從機理上說，光纖色散分為材料色散，波導色散和模式色散。前兩種色散由于信號不是單一頻率所引起，后一種色散由于信號不是單一模式所引起。①光纖的材料色散材料色散：是光纖材料的折射率隨頻率（波長)而變，可使信號的各頻率（波長)群速度不同引起色散。②光纖的波導色散

波導色散是光纖波導結構參數的函數，如圖所示。從圖中可看出，在一定的波長范圍內，波導色散與材料色散相反為負值，其幅度由纖芯半徑a、相對折射率差△及剖面形狀決定。通常通過采用復雜的折射率分布形狀和改變剖面結構參數的方法獲得適量的負波導色散來抵消石英玻璃的正色散，從而達到移動零色散波長的位置，即使光纖的總色散在所希望的波長上實現總零色散和負色散的目的。正是這種方法才研制出色散位移光纖、非零色散位移光纖。

③模式色散模式色散是指多模傳輸時同一波長分量的各種傳導模式的相位常數不同，群速度不同，引起到達終端的光脈沖展寬的現象。(3）、光纖的機械特性①抗拉特性對每盤光纖都要進行檢驗，全長度檢驗,采用復繞方式,在一定的時間內進行張力篩選。

②抗彎特性

對于指定的光纖，定期（半年）檢驗一次，以一定的半徑松繞一定的圈數，在指定工作波長下，損耗不得大于某值。對于松套光纖要求以37.5mm為半徑，松繞100圈，產生的宏、微彎附加損耗不大于0.5dB。③抗側壓特性(4）、光纖的溫度特性由于光纖纖芯、包層、涂覆層所用材料不同，導致其溫度系數和線脹系數相差很大，當光纖處于某一溫度時，其纖芯和包層之間，以及包層和涂覆層之間會產生應力導致微彎，從而使光纖的衰減突然增大。7、光纖性能參數以及應用（

1）、多模光纖的主要特性參數（2）、單模光纖的性能參數（3）、各種單模光纖的性能參數及應用（

1）、多模光纖的主要特性參數

芯/包層直徑(um)工作波長帶寬MHz數值孔徑衰減系數(dB/km)應用場合階躍100/1400.85>=10~0.23<=10局域網數據鏈路梯度50/1250.85,1.31200~15000.2~0.240.8~1.5局域網數據鏈路通用85/1250.85,1.31100~10000.26~0.3020局域網（

2）、單模光纖的性能參數

模場直徑（9~11）±10%um

包層125±2um

芯不圓度≦6%

包層不圓度≦2%

芯/包層同心度誤差1um

（

3）、各種單模光纖的性能參數及應用①非色散位移光纖（G652）不適合高速率、大容量、遠距離通信。②色散位移光纖（G653）適合作長距離、大容量、高速通信，只適合單信道使用。③1550低損耗光纖（G654）適用于長距離無中繼或少中繼的情況。④非零色散位移光纖（G655）適用于密集波分復用，長距離大容量高速通信。⑤色散平坦光纖⑥色散補償光纖⑦全塑料光纖應用照明、短距離通信等場合。提綱二、光纜知識簡介1、光纜概述2、光纜的分類及特點3、光纜的基本結構4、光纜的設計基本原則5、光纜的特性6、選用光纜時的幾個參考要點

1、光纜概述

光纜設計的任務是，為光纖提供可靠的機械保護，使之適應外部使用環境，并確保在敷設與使用過程中光纜中的光纖具有穩定可靠的傳輸性能。

光纜的制造技術與電纜是不一樣的。光纖雖有一定的強度和抗張能力，但經不起過大的側壓力與拉伸力；光纖在短期內接觸水是沒有問題的，但若長期處在多水的環境下會使光纖內的氫氧根離子增多，會增大光纖的衰耗。因此制造光纜不僅要保證光纖在長期使用過程中機械物理性能，而且還要注意其防水防潮性能。2、光纜的分類及特點(1)按光纖狀態分①緊套光纖在光纜中無自由活動空間②松套光纖在光纜中有自由活動空間(2)按纜芯結構分①中心束管式光纜中心有束管,光纖在束管中。②層絞式結構光纖不處于中心，而為一加強件，光纖繞在光纜中的加強芯上。③骨架式結構光纖繞在處光纜中心部位的骨架上。④帶式(3)按敷設方式分①直埋式②管道式③架空式又分電力架空和自架桿。按其架空方式又有地線復合式、地線纏繞式、ADSS等類型。④水底光纜(4)按使用環境分①室內要求輕柔，輕便，細，防火②室外(5)按光纜特點以及特種使用環境分分為光電混合纜，阻燃光纜，室內布線光纜。3、光纜的基本結構4、光纜的設計基本原則

(1)光纜中必須有強度元件目的是為了抗拉、抗側壓、耐沖擊、抗彎。常用的材料有鋼絲，管塑鋼帶，鋁帶，管塑鋼帶等。(2)大部分光纜都必須進行余長設計(3)光纖盡可能位于纜的中心部位（改善抗彎特性）(4)松套管二次被覆時需要適當選擇松套管內徑(5)設計合理的凱裝層和外護層(6)應加入光纜緩沖層(7)光纜間隙空隙間應填充阻水纜膏(8)各部分的線膨脹系數不大(9)在保證各項技術性能前提下，盡可能使光纜截面積小，光纜輕。5、光纜的特性（1）傳輸特性在光纜成纜時對光纖色散無影響，但由于光纖彎曲，且對光纖有側壓，考慮到光纖可能受到張力，將導致光纖損耗增加。要求成纜時增加的附加損耗值越下越好，大致范圍為0.02~0.05dB/km。（2）溫度特性光纜的溫度特性主要是光纖的溫度特性。當溫度<-60度時損耗突然增大的原因是由于一次涂覆隨溫度