第二章 光纤和光缆

光纤 (optical fiber) ：光导纤维的简称，是一种圆柱介质光波导，它能够约束并引导光波在其内部或表面附近沿其轴线方向向前传播。

2.1 光纤的结构和类型

1. 光纤的结构

(n1 )

(n2 )

纤芯 : 是由高透明的材料制成 ,是光波的传播媒体。

包层：是折射率稍低于芯的介质材料。

和纤芯一起构成光波导。（ n1 > n2 ）

保护纤壁不受损坏。 涂敷层：一般由高损耗的柔软材料 ( 如塑料 ) 制成。

增强机械性能，保护光纤的作用。阻止纤芯光功率串入邻近光纤线路，抑制串扰。

纤芯主要采用高纯度的 SiO2 二氧化硅，并掺有少量的掺杂剂，提高纤芯的光折射率 n1 ；包层也是高纯度的二氧化硅，也掺杂一些掺杂剂，主要是降低包层的光折射率 n2 ；涂层采用丙烯酸酯、硅橡胶、尼龙，增加机械强度和可弯曲性。光缆是多根光纤放在放在一个松套管内，内冲石油膏和钢丝形成的。海底光缆内还有电源线，主要为中继站的放大器等提供电源。

光纤横截面上的折射率分布 阶跃型光纤（ Step-Index Fiber ）

光纤纤芯的折射率 n1 和包层的折射率 n2 都为一常数，且 n1>n2 ，在纤芯和包层的交界面处折射率呈阶梯型变化，这种光纤称为阶跃型光纤。带宽较窄，适用于小容量短距离通信。

渐变型光纤（ Graded-Index Fiber ）

光纤纤芯折射率 n1 随着半径的增加而按一定规律减小，到纤芯与包层交界处为包层的折射率 n2 ，即纤芯中折射率的变化呈近似抛物线型。这种光纤称为渐变型光纤。 频带较宽，适用于中容量，中距离通信使用。

2.2 光纤的导光原理光是一种频率很高的电磁波，而光纤本身是一种介质波导。

我们从几何光学的角度来简单讨论光纤的导光原理。

全反射原理光线在均匀介质中是以直线传播的，但在两种不同介质的分界面会产生反射和折射现象，如图所示：

全反射原理光线在均匀介质中是以直线传播的，但在两种不同介质的分界面会产生反射和折射现象，如图所示：

包层纤芯

折射光

反射光入射光

光的反射与折射

n2

n1

1 2

3

全反射原理当 n2/n1 的比值增大到一定程度，则会使折射角≥ 90 度，此时的折射光线不再进入包层，而会在纤芯与包层的分界面上掠过，或者重返回到纤芯中进行传播，这种现象叫做光的全反射现象。

全反射现象

光的全反射现象

n2

n1

折射光

1

3

入射光

不难理解，当光在光纤中发生全反射现象时，由于光线基本上全部在纤芯区进行传播，没有光跑到包层中去，所以可以大大降低光纤的衰耗。

光在光纤中的传播光在光纤中以“ Z”形轨迹传播及沿纤芯与包层的分界面掠过

n2n1

渐变光纤的导光机理

光在纤芯中的不断折射原理

入射角较大的光（高次模）处于靠近包层的区域，虽然路程较长，但这里折射率 n 较低，光速较大。

入射角较小的光线（低次模或基模）靠近光轴，路程较短，但这里折射率 n 较大，光速较小。。

光纤的传输模式

光线以某一角度射入光纤端面、并能在光纤经纤芯—包层界面上形成全反射的传播光线就可称为一个光的传输模式（mode ）。

沿光纤轴传播的叫作基模，相继还有一次模、二次模等 。

当光纤的芯直径较大时，可允许光波以多个特定的角度射入光纤端面，并在光纤中传播。就称这种光纤为多模光纤。

当光纤芯直径很小时，光纤只允许与光纤轴方向一致的光线通过，即只允许通过一个基模。就称这种光纤为单模光纤。

光实质是电磁波，所以光场的“模式”实质上是电磁场的一种分布形式。模式不同，其电磁场的分布不同。

光纤的工作波长（工作窗口）光线路信号在光纤上传送的波长： 850nm、 1310nm、 1550nm。

850nm窗口只用于多模传输 1310nm和 1550nm窗口 用于单模

传输。

光纤的分类（按照传输模式数量） 多模光纤：MM（Multi-mode fiber ）

允许光波以多个特定的角度射入光纤端面，并在光纤中传播，称光纤中有多个传输模式。这种能传输多个模式（基模、高次模、低次模）的光纤称为多模光纤。芯径大，其纤芯直径／包层直径约为： 50～ 75μm／ 125～ 200μm ，易对接。带宽较窄，传输容量较小，传输的距离较近（几公里 ）。 适用于低速度、短距离的光纤通信。

单模光纤： SM（ Singel Mode ） 当光纤的芯径很小时，光纤只允许与光

纤轴一致的光线通过，即只允许通过一个基模，这种只允许传输一个模式（基模）的光纤为单模光纤。

纤芯直径很小，约为 4～ 10μm，包层直径为 125μm。连接时较困难。

传输频带宽，传输容量大。单模光纤的带宽一般都在几十 GHz以上，比渐变型多模光纤的带宽高 1～ 2个数量级。

适用于大容量、长距离的光纤通信。

光纤的传输特性 限制光纤通信发展的两个重要因素： 光信号经光纤传输后要产生减小和失真，因而

与输入信号不同，主要原因是光纤中存在损耗（ Loss）和色散（ Dispersion ） 。

光纤的损耗 光波在光纤中传输，随着传输距离的增减而

光功率逐渐下降的现象，称为光纤的传输损耗。 缩短了通信距离。从某种程度上讲，光纤

的损耗不可能降为 0 。

光纤的色散 光纤中的不同频率成分或不同的模式，在光

纤中传输时，由于速度不同而使得传播时间不同，因此造成光信号中的不同频率成分或不同模式到达光纤终端有先有后，从而产生波形畸变的一种现象。 减少了通信容量

光纤中的色散 的分类模式色散、材料色散、波导色散

送进光纤的光具有两方面的特征： 一 . 是光源发出的并不是单色光； 光源发出的光有一定的波长范围，称光源的线宽

或谱宽。 二 . 是已调光脉冲信号有一定的带宽。 可以认为已调信号的带宽近似等于光源的谱宽。可见，光纤中的传输的光脉冲信号是由不同的

频率成分构成的。

结论：脉冲展宽会致使前后脉冲相互重叠，引起数字信号的码间串扰。显然色散现象大大地限制了单位时间内传输的脉冲数，即限制了传输脉冲的速度或信息容量。

光通道参数：衰减、色散光信号在光纤中传输的距离要受到色散和衰减的双重影响。

衰减使在光纤中传输的光信号随着传输距离的增加而功率下降。1310nm窗口每公里衰减： 0.4dB/km1550nm窗口每公里衰减： 0.25dB/km

色散会使在光纤中传输的数字脉冲展宽，引起码间干扰，降低信号质量。

单模光纤的类型 G.652 光纤：在 1310nm波长窗口色散性能最佳，是目前应用最广泛的光纤。

在 1310nm处，色散小，衰耗大；在 1550nm处，色散大，衰耗小；

G.653光纤：在 1550nm波长，衰耗和色散皆为最小值，可实现大容量长距离传输。因出现四波混频效应 (FWM),限制了它在WDM（波分复用）方面的应用。

G.654光纤： 1550nm损耗最小光纤，主要用于长再生中继距离的海底光缆。

G.655光纤：克服了 G.652 光纤在 1550nm处色散受限和 G.653光纤在 1550nm处出现四波混频效应的缺陷，适用于WDM系统。

2.2 光缆

1．光缆的基本结构

在实际通信线路中，将光纤制成不同结构形式的光缆，使其具备一定的机械强度和防护能力，可以承受敷设时施加的张力等，并能在各种使用环境下保证传输性能的稳定、可靠。

缆芯 : 由单根或多根光纤组成，其好坏和多少决定了光缆传输光信号的质量和容量。 加强元件 : 材料可为钢丝或非金属的纤维、增强塑料等。 护层 : 可分为内护层和外护层。

2．光缆的种类 层绞式光缆

（ａ）层绞式

将若干根光纤芯线以强度元件为中心排列成一层 ,隔适当距离进行一次绞合的结构。

层绞式光缆

骨架式光缆

带状式光缆

2.4.2 光缆的种类

2.4.3 光缆的规格和型号