光纤通信技术与设备-2

第2章光纤与光缆2.1光纤2.2光纤的特性2.3单模光纤与多模光纤2.4光缆光纤通信技术与设备教育部高等职业教育示范专业规划教材2.1光纤目标●了解光纤的结构与分类●掌握光纤的导光机理●掌握光纤的标准与应用●掌握光纤的损耗特性、色散特性●掌握光缆的结构与种类●掌握光缆的型号、色谱与端别光纤通信技术与设备教育部高等职业教育示范专业规划教材光纤在光通信中，长距离传输光信号所需要的光波导是一种叫做光导纤维（简称光纤）的圆柱体介质波导。所谓“光纤”就是工作在光频下的一种介质波导，它引导光能沿着轴线平行方向传输。光纤通信技术与设备教育部高等职业教育示范专业规划教材2.1.1光纤的结构与分类光纤（OpticalFiber，OF）就是用来导光的透明介质纤维，一根实用化的光纤是由多层透明介质构成的，一般光纤的结构如图2-1所示，可以分为三层：折射率较大的为纤芯、折射率较低的为包层和外涂覆层，纤芯和包层的结构满足导光要求，控制光波沿纤芯传播；涂覆层主要起保护作用（因不作导光用，故可染成各种颜色）。1.光纤的结构光纤通信技术与设备教育部高等职业教育示范专业规划教材图2-1一般光纤的结构光纤通信技术与设备教育部高等职业教育示范专业规划教材光纤的组成部分（1）纤芯纤芯位于光纤的中心部位（直径d1约5～80μm），其成份是高纯度的二氧化硅，此外还掺有极少量的掺杂剂如二氧化锗，五氧化二磷等，掺有少量掺杂剂的目的是适当提高纤芯的光折射率（n1）。通信用的光纤，其纤芯的直径为5～10μm（单模光纤）或50～80μm（多模光纤）。（2）包层包层位于纤芯的周围（其直径d2约125μm），其成份也是含有极少量掺杂剂的高纯度二氧化硅。而掺杂剂（如三氧化二硼）的作用则是适当降低包层的光折射率（n2），使之略低于纤芯的折射率。为满足不同导光的要求，包层可做成单层，也可做成多层。（3）涂敷层光纤的最外层是由丙烯酸酯、硅橡胶和尼龙组成的涂敷层，其作用是增加光纤的机械强度与可弯曲性。涂覆层一般分为一次涂覆和二次涂覆层。二次涂覆层是在一次涂覆层的外面再涂上一层热塑材料，故又称为套塑。一般涂敷后的光纤外径约1.5cm。光纤通信技术与设备教育部高等职业教育示范专业规划教材2.光纤的分类目前光纤的种类繁多，但就其分类方法而言大致有四种，即按光纤剖面折射率分布分类、按传播模式分类、按工作波长分类和按套塑类型分类等。此外按光纤的组成成份分类，除目前最常应用的石英光纤之外，还有含氟光纤与塑料光纤等。（1）按光纤剖面折射率分布分类──阶跃型光纤与渐变型光纤光纤通信技术与设备教育部高等职业教育示范专业规划教材1）阶跃型光纤阶跃型光纤：是指在纤芯与包层区域内，其折射率分布分别是均匀的，其值分别为n1与n2，但在纤芯与包层的分界处，其折射率的变化是阶跃的。阶跃光纤的折射率分布如图2-2所示。光纤通信技术与设备教育部高等职业教育示范专业规划教材2）渐变型光纤渐变型光纤：是指光纤轴心处的折射率最大（n1），而沿剖面径向的增加而逐渐变小，其变化规律一般符合抛物线规律，到了纤芯与包层的分界处，正好降到与包层区域的折射率n2相等的数值；在包层区域中其折射率的分布是均匀的，即为n2。渐变光纤的折射率分布如图2-3所示。光纤通信技术与设备教育部高等职业教育示范专业规划教材2.光纤的分类（2）按传播模式分类──多模光纤与单模光纤在工作波长一定的情况下，光纤中存在有多个传输模式，这种光纤就称为多模光纤。多模光纤的横截面折射率分布有均匀的和非均匀两种。前者也叫阶跃型多模光纤，后者称为渐变型多模光纤。多模光纤的传输特性较差，带宽较窄，传输容量较小。在工作波长一定的情况下，光纤中只有一种传输模式的光纤，这种光纤就称为单模光纤。单模光纤只能传输基模（最低阶模），不存在模间的传输时延差，具有比多模光纤大得多的带宽，这对于高速传输是非常重要的。光纤通信技术与设备教育部高等职业教育示范专业规划教材2.光纤的分类（3）按工作波长分类──短波长光纤与长波长光纤短波长光纤：在光纤通信发展的初期，人们使用的光波之波长在0.6～0.9μm范围内（典型值为0.85μm），习惯上把在此波长范围内呈现低衰耗的光纤称作短波长光纤。短波长光纤属早期产品，目前很少采用。长波长光纤：后来随着研究工作的不断深入，人们发现在波长1.31μm和1.55μm附近，石英光纤的衰耗急剧下降。不仅如此，而且在此波长范围内石英光纤的材料色散也大大减小。因此，人们的研究工作又迅速转移，并研制出在此波长范围衰耗更低，带宽更宽的光纤，习惯上把工作在1.0～2.0μm波长范围的光纤称之为长波长光纤。长波长光纤因具有衰耗低、带宽宽等优点，特别适用于长距离、大容量的光纤通信。光纤通信技术与设备教育部高等职业教育示范专业规划教材2.光纤的分类（4）按套塑类型分类──紧套光纤与松套光纤1）紧套光纤：是指二次、三次涂敷层与予涂敷层及光纤的纤芯，包层等紧密地结合在一起的光纤。目前此类光纤居多。2）松套光纤：是指经过予涂敷后的光纤松散地放置在一塑料管之内，不再进行二次、三次涂敷。光纤通信技术与设备教育部高等职业教育示范专业规划教材2.1.2光纤的导光机理光是一种频率极高的电磁波，而光纤本身是一种介质波导，因此光在光纤中的传输理论是十分复杂的。要想全面地了解它，需要应用电磁场理论、波动光学理论，甚至量子场论方面的知识。为了便于理解，我们从几何光学的角度来讨论光纤的导光原理，这样会更加直观、形象、易懂。更何况对于多模光纤而言，由于其几何尺寸远远大于光波波长，所以可把光波看作成为一条光线来处理，这正是几何光学的处理问题的基本出发点。光纤通信技术与设备教育部高等职业教育示范专业规划教材1.全反射原理当光线在均匀介质中传播时是以直线方向进行的，但在到达两种不同介质的分界面时，会发生反射与折射现象。光的反射与折射如图2-4所示。根据光的反射定律，反射角等于入射角。根据光的折射定律：n1sinθ1=n2sinθ2。其中，n1为纤芯的折射率；n2为包层的折射率。光纤通信技术与设备教育部高等职业教育示范专业规划教材全反射现象显然，若n1＞n2，则会有θ2＞θ1。如果n1与n2的比值增大到一定程度，就会使折射角θ2≥90°，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（θ2=90°时），或者重返回到纤芯中进行传播（θ2＞90°时）。这种现象叫做光的全反射现象，如图2-5所示。光纤通信技术与设备教育部高等职业教育示范专业规划教材2.光在阶跃光纤中的传播（1）光纤中光射线的传播图2-6光纤中的射线光纤通信技术与设备教育部高等职业教育示范专业规划教材（2）子午线在阶跃型光纤中的传播图2-7光纤中的子午线传播光纤通信技术与设备教育部高等职业教育示范专业规划教材（3）数值孔径由于n1与n2差别较小，所以sinφ0≈φ0，定义sinφ0为光纤的数值孔径NA：光纤产生全反射时光纤端面最大入射角的正弦值sinφ0称为光纤的数值孔径。一般用NA（NumericalAperture）表示，此式表示了光纤收集光的能力。凡是入射光线的入射角小于圆锥角φ0以内的光线都可以满足全反射条件，将被束缚在纤芯中沿轴向传播。可见，光纤的数值孔径与相对折射率差的平方根成正比，也就是说光纤纤芯与包层的折射率相差越大，则光纤的数值孔径越大，其集光能力越强。2221102sinnnnNA光纤通信技术与设备教育部高等职业教育示范专业规划教材3.光在渐变光纤中的传播渐变型光纤纤芯的折射率不是常数，它随光纤半径的增加而逐渐减小到等于包层的折射率，如图2-8所示。光纤通信技术与设备教育部高等职业教育示范专业规划教材2.2单模光纤与多模光纤2.2.1单模光纤只能传输一种模式的光纤称为单模光纤。单模光纤只能传输基模（最低阶模），它不存在模间时延差，因此它具有比多模光纤大得多的带宽，这对于高码速传输是非常重要的。单模光纤的带宽一般都在几十GHz•km以上。阶跃型单模光纤的结构如图2-9所示。图2-9阶跃型单模光纤的结构光纤通信技术与设备教育部高等职业教育示范专业规划教材表2-1B1.1类单模光纤的结构尺寸参数光纤类别B1.11310模场直径/μm包层直径/μm1310nm芯同心度误差/μm包层不圆度/％涂覆层直径（未着色）/μm涂覆层直径（着色）/μm包层/涂覆层同心度误差/μm（8.6～9.5）±0.7125±1≤0.8≤2245±10250±15≤12.5光纤通信技术与设备教育部高等职业教育示范专业规划教材表2-2B4类单模光纤的结构尺寸参数光纤类别B41550nm模场直径/μm包层直径/μm1550nm芯同心度误差/μm包层不圆度/％涂覆层直径（未着色）/μm涂覆层直径（着色）/μm包层/涂覆层同心度误差/μm（8.0～11.0）±0.7125±1≤0.8≤2245±10250±15≤12.5光纤通信技术与设备教育部高等职业教育示范专业规划教材2.2.2单模光纤的标准与应用单模光纤以其衰减小、频带宽、容量大、成本低和易于扩容等优点，作为一种理想的光通信传输媒介，在全世界得到极为广泛的应用。按照零色散波长和截止波长位移与否可将单模光纤分为五种，国际电信联盟电信标准化部门ITU-T在2000年10月对其中四种单模光纤已给出建议：G.652、G.653、G.654和G.655光纤。单模光纤的分类、名称，IEC和ITU-T命名对应关系如图2-10所示。光纤通信技术与设备教育部高等职业教育示范专业规划教材图2-10各单模光纤对应关系光纤通信技术与设备教育部高等职业教育示范专业规划教材1.G.652──非色散位移单模光纤（1）常规单模光纤常规单模光纤的性能特点是：①在1310nm波长处的色散为零。②在波长为1550nm附近衰减系数最小，约为0.22dB/km，但在1550nm附近其具有最大色散系数，为17ps/（nm·km）。③这种光纤工作波长即可选在1310nm波长区域，又可选在1550nm波长区域，它的最佳工作波长在1310nm区域。这种光纤常称为“常规”或“标准”单模光纤。常规单模光纤（G.652A和G.652B）的色散如图2-11所示。常规单模光纤的传输性能及其应用场所见表2-3。光纤通信技术与设备教育部高等职业教育示范专业规划教材图2-11G652A/B光纤的色散光纤通信技术与设备教育部高等职业教育示范专业规划教材表2-3常规单模光纤的传输性能及其应用场所性能模场直径/μm截止波长λcc/μm零色散波长/nm工作波长/nm最大衰减系数/dB·km-1最大色散系数/ps·nm-1·km-1要求值1310nm（8.6～9.5）±0.7λcc≤127013101310或15501310nm＜0.401550nm＜0.251310nm:01550nm:17应用场合最广泛用于数据通信和模拟图像传输媒介，其缺点是工作波长为1550nm时色散系数高达17ps·nm-1·km-1阻碍了高速率、远距离通信的发展。光纤通信技术与设备教育部高等职业教育示范专业规划教材（2）低水峰单模光纤低水峰单模光纤的优点：1）波段宽。由于降低了水峰使光纤可在1280～1625nm全波段进行传输，即全部可用波段比常规单模光纤G.652增加约一半，同时可复用波长数也大大增多，故IEC又将低水峰光纤命名B1.3光纤，即波长段扩展的非色散位移单模光纤。2）色散小。在1280～1625nm全波长区，光纤的色散仅为1550nm波长区的一半，这样就易实现高速率、远距离传输。例如，在140nm波长附近，10Gbit/s速率的信号可以传输200km，而无需色散补偿。3）改进网管。可以分配不同的业务给最适合这种业务的波长传输，改进网络管理。例如，在1310nm波长区传输模拟图像业务，在1350～1450nm波长区传输高速数据（10Gbit/s）业务，在1450nm以上波长区传输其它业务。4）系统成本低。光纤可用波长区拓宽后，允许使用波长间隔宽、波长精度和稳定度要求低的光源、合（分）波器和其它元件，网络中使用有源、无源器件成本降低，进而降低了系统的成本。全波单模光纤的性