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光纤通信技术100问
北京邮电学院出版社
1、为什么现代通信中的传输手段大量使用光缆而不使用金属电缆？
2、光缆是否可以完全代替金属电缆？
3、光的本质是什么？
4、光具有什么性质？
5、什么是介质的折射率？
6、什么是光的全反射现象？
7、光在光纤中是怎样传播的？
8、激光器发出的激光与白炽灯光有什么不同？
9、为什么在光通信中使用激光？
10、什么是光纤的传输模？
11、为什么渐变折射率（GI型）多模光纤的折射率分布是抛物线形？
12、为什么单模（SM型）光纤的芯径细？
13、什么是光纤的截止波长？
14、为什么光纤像发丝那样细？
15、光纤的芯径和包层外径是怎样确定的？
16、光纤具有哪些参数？
17、怎样定义光纤的带宽？
18、什么是色散？
19、芯径和模场直径有什么不同？
20、什么是单模光纤的零色散波长？
21、色散位移型光纤是怎样改变零色散波长的？
22、什么是菲涅尔反射？
23、产生光损耗的原因有哪能？
24、瑞利散射是怎样产生的？
25、吸收损耗是怎样产生的？
26、光纤传输距离加长时线路光损耗将怎样变化？
27、光纤传输距离加长时线路基带频率特性将怎样变化？
28、光纤通信中光波长工作窗口（波长带）是怎样确定的？
29、光纤损耗可降低到什么程度？
30、产生模式变换的原因是什么？
31、为什么光的相干性越好越容易产生噪声？
32、改变相对折射率差光纤性质将如何变化？
33、怎样使光纤纤芯和包层的折射率发生变化？
34、光纤的寿命由什么决定？
35、光纤怕水吗？
36、为什么用玻璃制造的光纤一成心线就难以折断？
37、光缆结构设计的要点是什么？
38、光纤心线的结构是怎样的？
39、裸光纤、光纤素线、光纤心线有什么不同？
40、多芯光缆的光纤心线结构是怎样考虑的？
41、光缆的基本结构及其考虑是怎样的？
42、目前使用的光缆结构有哪几种，各有什么特点？
43、为什么光缆中要放置抗张力构件？
44、怎样区别GI型光缆和SM型光缆？
45、光纤光缆的型号是怎样编制的？
46、怎样进行光信号放大？
47、如何确定光传输的最大中继距离？
48、为何要预留光纤传输系统的线路维护余量和设备余量？
49、怎样将光缆在局内成端？
50、为什么光缆通信线路要防雷？
51、难燃光缆适用于什么场合？
52、敷设光缆的人孔大小有限制吗？
53、为什么光缆线路能够超长敷设？
54、为什么要计算敷设张力？
55、怎样计算敷设张力？
56、光缆上能否使用电缆扣？
57、怎样确定光缆的允许曲率半径？
58、如何保证标准光缆接头盒既能防水又密封不漏气？
59、光纤心线接续有哪些方法？
60、为什么光纤接续难度大？
61、如何确定光纤心线的接头余长？
62、光纤心线允许的曲率半径是怎样规定的？
63、光纤心线对照是怎样进行的？
64、光纤的熔接原理是什么？
65、为何光纤熔接接续时不会把纤芯和包层熔融混合在一起？
66、熔接接续时允许几次放电？
67、为什么光纤熔接接续必须在眼睛监视下进行？
68、怎样进行带状多芯光纤心线的接续？
69、产生接续损耗的主要因素是什么？
70、为何心线接续处需要加固，加固的方法有哪些？
71、何谓全自动熔接机？
72、光纤活动连接器有哪能种类？
73、为什么光纤连接器的端面需要研磨？
74、为什么光纤连接器需要使用匹配剂？
75、怎样固定垂直布放的光缆？
76、怎样敷设室外光缆？
77、室内光纤配线有哪能方法？
78、为什么减小探测光脉冲宽度会提高分辨率而使远距离测量却变得困难？
79、为什么光时域反射计中采用最小二乘法求取接头损耗？
80、什么是光时域反射计中的平均化处理功能？
81、光时域反射计的测量原理是怎样的？
82、为什么用光时域反射计测量接续点处的波形台阶有时向上？
83、为什么用光时域反射计精确测定接头损耗时需要从两个方向测量然后取其平均值？
84、光时域反射计是怎样应用五点法测定接头损耗的？
85、光时域反射计所显示的距离是否包含了光缆的扭弯率？
86、是否可使用光时域反射计进行全区间线路损耗测量？
87、光线路损耗测量中怎样考虑光功率计的电平修正值？
88、导通试验中夹住了工作光纤将产生什么影响？
89、光纤测量中应该注意什么？
90、光纤损耗、光纤基带特性与数字传输的质量有什么关系？
91、怎样进行光缆外护套的修补？
92、怎样用简单易行的方法连接带有弯曲变形的光纤心线？
93、为什么需要防止对光缆的电磁感应？
94、敷设在桥梁上的光缆会发生怎样的移动？
95、怎样进行光缆线路的应急修复？
96、怎样进行光缆故障位置的准确探测？
97、光纤性能劣化将产生什么影响？
98、防止光缆蠕动的方法和电缆的有什么不同？
99、什么是设备维护的界线标准、维护标准和设备目标值？
措施？
100、为什么触及布放在标准光缆接头盒内的光纤心线会发生瞬断故障和应采取的
光纤通信技术100问
1、为什么现代通信中的传输手段大量使用光缆而不使用金属电缆
答：
光纤光缆与金属电缆相比具有如下优点：
1.损耗低例如。
如若使光线穿过数厘米的窗玻璃，就将损耗掉一半的能量；如若使光线通过诸如天体望远镜之类的光学透镜，则穿过数米后，其能量减少一半；然而，当光波在光纤中传输时，假设光波长为1.55am,那么经传输15km以后，输入的光能量才减少一半。
可见光纤的损耗是很低的。
2.频带宽金属电缆中，除了有直流电阻损耗外，还有称之为趋肤效应的高频损耗，以及介质的漏电导引起的介质损耗，致使金属缆工作频带不能很宽。
以同轴电缆为例，当传输的信号频率在10MHz左右时，每传输1km，大约就要损失信号功率的一半（能量减半）。
可见，金属电缆的频率特性较差，频带较窄。
对于光纤来说，光纤的带宽与光纤的折射率分布、纤芯直径大小和光纤材料的不同种类而有较大的差异。
例如，石英系单模光纤（SM型光纤），其带宽可达数十GHz-km以上，可见频带是非常宽的。
3.线径细光纤只有发丝那样的粗细，即便光纤成缆以后光缆也可以做得很细。
无论在任何使用场合，与金属电缆相比光缆的占空可以得到
大幅的改善。
4.重量轻
光纤的主要材料为石英玻璃，其比重只为铜的1/4，成缆之后也
很轻，便于敷设施工。
此外，由于光纤损耗低，频带宽，故使用光缆传输可以减少中继器的数量，甚至可以完全不经过中继器即可将大量信息长距离地传输到对方，从而可使传输成本显著降低。
随着ISDN业务的逐渐普及，今后图像、高速传真、高速数据等这些高速、宽带传输业务的需求势必不断增加，光纤正是可以满足这些要求的最为有效的传输手段。
另外，因为光缆比较细，重量比较轻，所以在光缆的运输和敷设等作业中，工作效率和经济效益均较高。
同时，由于容易实现长距离敷设，故链路中的每段光缆都比较长，从而减少了接续点的个数，进一步提高了系统的可靠性。
由上可见，光缆必将代替以往使用的金属电缆，并且目前就已广泛地应用于各种传输线路中。
2、光缆是否可以完全代替金属电缆
答：
传输线路大体上可分成：
连接市内电话局之间，或市内电话局与长途局之间的市内局间中继线路、市外长途通信线路，以及连接电话局和用户间的用户线路。
其中，中继线路、长途线路是局间接续，它使用一条高速、大容量的传输线路，可以承载许多业务，有很高的经济效益。
特别是对于连接大城市之间的长途干线，其应用性就更强。
因此，早期的光纤通信就是在局间中继线路和长途线路方面积极引入了光纤传输方式。
可以预测这种倾向今后一定更加突出，以至不久的将来，中继线路、长途线路将全部被光缆所代替。
在用户线系统方面，目前就大多数用户来说，只需要一条电话线，而对于大的工厂、公司、银行等单位来说，除了需要提供容量较大的电话线路以外还要求传输高速、宽带的通信业务，例如高速数据和活动图像等业务，因此，对于目前的用户系统，光纤光缆的使用仅限于在大的工厂、机关单位、公司、银行等内部以及它们与电话局间的连接。
但是，今后随ISDN业务的发展，光纤光缆正积极地向用户系统更广泛的方面扩展，必将进入家庭用户之中。
可以预测，用户线路也将会逐步被光纤光缆所代替。
3、光的本质是什么答：
如果问光是什么？
那么从物理学角度来说，光是一种电磁波。
在电视、广播和无线通信中所使用的电波，以及用于X光摄影中的X射线，用于放射线治疗的Y射线，这些也都是一种电磁波。
因此，可以说光就是这些电磁波的同类。
电磁波谱中的各种频率（或波长）的波，如图1.3-1所示，，其中光波波长范围是从数纳米（1nm=10-9m）到数百微米（1um=10-6m）。
通常所说的电波是指远比光波波长长的电磁波，而X射线和丫射线是指比光波波长更短的电磁波。
在光谱范围内，如按波长进一步分类，可得到如图1.3-2所示的各种波长的光。
但各类光谱之间没有明确的界线，作用于人眼并
可以引起视觉的光，其波长是从380〜400nm附近到760〜800nm附
近之间，这区域的光通常称之为可见光。
波长不同意味着颜色的不
同，可见光中波长长的光呈红色，波长短的光呈蓝色（参照图1.3-3）
频率
（Hz）
波长
名称
102-
KHz
106-
104
104—
长波
—1kn
中波
106
MHz
102-
短波
超短波
8—
10
GHz
1—
1m
微波
“10—
10
-2—
10
1cm
毫米波
12—1
10
1mm
14
10
-4—
10
红外线
"16
10
10-6_
1um
可见光
"18
10
10-8一
*
〜紫外线
1nm
"20
10
-10
101A
-X射线
"22
10
"-12
10_
■f■
J*
y射线
24
10
-14
10—
图1.3-1电磁波的种类和名称
波长（nm）
图1.3-3可见光的波长和颜色
4、光具有什么性质
答：
光有如下三大性质：
1、直线传播性
在同一种介质中，光总是沿着直线前进。
2、反射性
在不同介质的交界面上，一部分入射光要产生反射。
3、折射性
在不同介质的交界面上，没有产生反射的入射光继续前进而产生折射，行进方向发生了改变。
日常生活中的影子以及人们不能直接看见障碍物后的物体等现象都可说明光的直线传播性。
自然界中湖水倒映对岸景色的现象就是反射的一个例子。
光的反射遵循反射定律。
由反射定律可知，入射光线和反射光线在同一平面内并位于反射界面法线的两侧，光线的入射角ei和反射角er
相等。
作为光的折射现象的一个例子，譬如把筷子放入注满水的玻璃杯中，看上去筷子似乎被折弯了一样。
在折射现象中，光线的入射角ei和反射角er的关系遵循斯涅尔定律。
如图1.4-1所示，光线从折射率为ni的介质以ei入射角射到介质交界面，并以折射角et进入折射率为n2的介质之中，则有ei、et、n「n2如下关系式
sinein2
sinetni
这就是斯涅尔（Snell）定律。
由上式可知，光线如从折射率小的介质向折射率大的介质入射时，折射光线将远离两介质的交界面。
相反，光线从折射率大的介质向折射率小的介质入射时，折射光线将靠近两介质的交界面。
光既然是一种电磁波，因此，光同样也具有波所特有的干涉特性。
当振幅相同，频率也相同的两个波相遇时，干涉波的强度是各波强度的叠加。
如果这两个波的相位相同（峰、峰，谷、谷一致）如图1.4-2（a）所示，则强度加强，如果这两个波的相位相反（峰、谷一致），如图142（b）所示，则相互抵消为0。
与此相同，光波也
（b）
图1.4-2波的干涉
5、什么是介质的折射率
答：
根据光的折射性质可知，当光在空气和水，空气和玻璃等不同物质中传播时，在其交界面上，光将发生折射而改变行进方向。
那么方向改变多少，有多大的折射比例，这要根据形成交界面的介质组合的不同而不同。
如果介质确定了，则折射比例也就决定了，表示这个折射比例的尺度称为折射率。
通常是以光线从空气入射某
种介质时的折射比例来定义该介质的折射率。
折射现象是因光在不同介质中的传播速度不同而产生的。
在空气中，光的速度约为3X108m/s，而在介质中光传播速度降低。
例如在水中，光速大约是空气中光速的3/4,在玻璃中大约是2/3,在宝石中大约是2/5。
因此，介质的折射率n表示光在空气中（严格说应在真空中）的传播速度与光在某一介质中的传播速度之比，即
n=空气中的光速/某一介质中的光速
为什么在对光具有不同传播速度的两介质交界面上，光线会产生
折射呢？
这里举一个例子形象地加以说明。
我们开车的时候，如果一个轮子掉到水沟时，经验告诉我们这时要打方向盘。
这是因为由于水的阻力掉到水沟里的车轮速度降低的缘故。
由此类推，如图1.5,当车斜着掉到水沟里时，车自然会向右侧转，这是很容易想象的，可以认为光所产生的折射现象和上述道理是一样的。
水坑t
I汽——
6、什么是光的全反射现象
答：
如图1.6所示，当光从折射率高的介质向折射率低的介质行进时，折射光的前进方向将向靠近界面侧偏转。
因此，若增大入射角ei，使入射角增大到某一值时，折射光将与界面相平行，此时的入射角称之为临界角。
当入射角大于临界角时，折射光消失，入射光在界面处全部被反射，这种现象叫作全反射。
关于光的全反射，是光从高折射率介质向低折射率介质入射时
才能发生的一种现象，光从折射率低的介质向折射率高的介质入射
答：
光纤的结构如图1.7所示，为介质圆柱体，由纤芯和包层两部分组成。
纤芯区域完成光信号的传输；包层是为了将光圭寸闭在纤芯内并保护纤芯，增加光纤的机械强度。
目前，通信光纤的纤芯与包层主体材料都是石英，但两区域中掺杂情况不同，因此折射率也不同。
纤芯的折射率一般是1.463〜1.467（根据光纤的种类而异），包层的折射率是从1.45〜1.46左右。
也就是说纤芯的折射率比包层的折射率稍微大一些。
所以当纤芯内的光线入射到包层界面就会在纤芯内发生全反射，没有光漏射到包层中，光将在纤芯内不断传播下去。
图1.7光纤的结构
8、激光器发出的激光与白炽灯光有什么不同
答：
光是电磁波，所以我们在这里仍然从波的角度来讨论这一问题。
白炽灯等光源发出的光和太阳光都包含有各种各样的波长，如果逐一观察其波束，可知它们是不连续的，所以各个波束的相位不一致，光的强度也并不强。
而激光器发出的激光是单一波长的光，波束是连续性的，各个波束的相位是相同的（峰和峰，谷和谷是一致的），并能发出光强很强的光。
由于激光波长的单一性和波束的连续性，所以激光具有很高的时间相干性。
又由于激光的各个波束相位一致，因此激光同时又具有很高的空间相干性。
这里所谓的相干性，也可以说是可干涉性，它是作为衡量波的干涉程度强弱的尺度而使用的。
就是说，激光在时域内和空间域中都有很好的干涉特性。
但实际光纤通信系统中使用的半导体激光器，它所发出的光并
不完全是单一频率的光，总具有一定的波长范围，而且每一个波束也并不总是连续的，相位也未必完全一致。
可是与自然界的其它光相比较，所发出的激光是极好的相干光。
图1.9光的相干性
9、为什么在光通信中使用激光？
答：
激光的发光波长近于单一，也就是说是时间相干性很高的光。
另一方面，光纤中光的损耗与光纤中所传输光波的工作波长有关。
因此，在光纤通信中可以选择与光纤损耗小的工作波长范围相适应的激光光源。
另外，光波长不同，石英玻璃的折射率也不相同，所以光在石
英玻璃纤维中传输时，光波传输速度也因光波长的不同而异。
因此，
对于一个包含有各种光波长的光肪冲来说，在光纤中传输时，由于传输速度的不同，光脉冲必将产生时间展宽，这样在一定时间内就不能传输更多的光脉冲。
由此，高速率（或宽频带）信息的长距离传输就受到限制。
以此观点出发，具有时间相干性很高的激光更适合于大容量、长距离的光纤通信。
另外，由于激光的空间相干性好，可以用透镜将光聚焦成一点，这样可以使激光耦合到芯径极细的光纤里实现良好的耦合。
再则，激光光束相位相同，具有很强的光强，可以增加无中继传输距离。
由上可见，时间、空间相干性都高的激光自然是十分适合于光纤通信的。
10、什么是光纤的传输模
答：
光是电磁波，从波的角度考虑时，对于光纤纤芯内传输的光可以用细水路中行进的水波来类比（见图1.11-1）,纤芯为细水路，包层为细水路的壁，箭头代表波的行进方向。
根据图1.11-1，流经这条细水路中的水波状态可以用图1.11-2
所示的模式化图形来表示。
在光纤纤芯内，存在着许多不同方向传输的光射线。
但是，这里我们暂且只考虑类似水路中的（a）和（b）
两束波，它们是以相同的角度朝包层壁行进，（也可以把（b）方向行
进的波认为是（a）方向行进波的反射波）。
当朝（b）方向行进的波行进到包层壁时，在包层壁上将产生反射，形成反射波为（b'）。
很明
显（a）和（b'）就成为以相同方向行进的波。
图1.11-2光纤内光波的传输模式图
（2）
让我们考虑一下这两束波产生的干涉情况，如若这两束波的相位一致，则这两个波将相互加强，就可以一直传播下去；如若这两束波的相位不一致，贝陀们将彼此削弱直至最后消失。
波的相位是否能一致，这是由波束入射至包层壁的角度决定的，只有以某些特定角度入射于包层壁的波才能相互得到加强，继续传播至远方。
也就是说，当光线入射至包层壁时，只有光线与包层壁的角度为某些特定值的光波才不会被削弱而形成传输波组，将此称为传输模。
依据光线与包层壁间的夹角由小至大，分别称为0次模，1次模，2
次模，”。
光纤纤芯内光的全反射击现象和前述情况一样。
但是，在光纤中模式的数量受临界角的余有（参看图1.17-1,临界角余角为eQ
限制。
也就是说，传输模的模次越高，入射角余角越大，直至入射角余角达到临界角余角为止。
当光线的入射角余角大于临界角余角时，即使满足相位一致的条件，波与波间应该相互加强，但这时发生的不是全内反射而是部分反射，总有一部分光能量泄漏到包层之
中形成辐射模，光能量很快消失不可能传播很远。
A
A'峰谷峰谷峰谷
图1.11-30次模的模式图
我们再稍详细地看一下传输模式，图1.11-3表示的是0次模
的情况。
如果我们在细水路的A-A断面处切开，然后观察波的横向状态，就会发现，对于0次模来说恰好在壁和壁之间形成一个凸形。
依此类推，可以想象出2次模、3次模、，，的情况。
以上说明，对于传输模，沿光波导方向传播的同时，在波导的
横截面形成驻波状态。
11、为什么渐变折射率（GI型）多模光纤的折射率分布是抛物线形
答：
光在纤芯和包层的界面上边产生全反射边向前行进，如图
1.12-1所示，我们把纤芯内的折射率和包层内的折射率都是均匀的而边界处是阶跃变化的多模光纤称为阶跃折射率多模光纤，即
SI（StepIndex）型多模光纤。
如前所述，在SI型光纤中只有那些在纤芯内以某些特定角度入射击并不断反复产生全内反射的光，沿光
纤轴向传播形成传输模。
o次模
涂覆
■1次模
2次模
如图1.12-1所示，这里假设有0次、1次、2次共3个传输模式可以传播。
我们观察每个模式在射出光纤端面之前的路径就可以发现，0次模具有最短的路径。
模次越高，从入射端到出射端的传输路径就越长。
当把光脉冲耦合到光纤中，光脉冲能量将分配在每个传输模中进行传输。
这样不同传输模式到达光纤输出端的时间各不相同，即存在着时延差。
因此，经过一段光纤传输后的输出光脉冲与输入的光脉冲相比较，时间上脉冲发生展宽。
这种现象使高速率、宽频带的信息传送受到限制。
这是因为速度很高的相邻光脉冲间将发生重叠，导致不能进行脉冲的准确判别。
为了解决上述问题，开发使用了渐变折射率多模光纤，即GI（GradedIndex）型多模光纤。
如图1.12-2所示，对于GI型光纤，包层区域内的折射率分布为均匀的，纤芯区域的中心处折射率为最大，沿纤芯半径方向折射率逐渐减小。
为简单起见，图1.12-2表示了假设只有两个传输模传输的情况。
由图可见，由于高次模和低次模的光线分别在不同的折射率层界面上按斯涅尔定律产生折射进入到低折射率层中去。
因此，光的行进方向与光纤轴方向所形成的角度将逐渐变小。
同样的过程不断进行，直至光在某一折射击率层将产生全反射击，使光改变方向朝中心较高折射率层行进。
这时，光的行进方向与光纤轴方向所构成的角度，在各折射率层中每折射一次其值逐渐变大，最后到达中心折射率最大的位置。
在这以后，和上述完全相同的现象不断重复进行，由此实现了光波的传输。
如果我们再分析一下各模式的传输路径，就不难看出，0次模的路径
是在折射率高的中心区域附近传输的。
传输模次越高，其传输路径就越靠近低折射率区域传输。
这样将产生怎样的结果呢？
我们知道
光的传输速度是依据介质折射率不同而改变的，这可用下式表示：
图1.12-2GI型光纤中的光波
n:
介质的折射率v:
介质中的光速度
由此可知，在折射率越大的介质中光的传输速度越低。
经以上的分析我们会发现阶段，低次模的光虽然传输路径比较短，但路径处于折射率高的纤芯中心区域，所以需要花费比较多的传输时间；与此不同，高次模的光虽然传输路径长，但路径经过的区域大部分都是折射率低的纤芯周边附近，沿这一路径传输的速
度比较快。
这样，上述两个模式的光在光纤轴向上的传输速度接近
若取得理想的折射率分布，使各个传输模到达光纤出射端的时间接近相同，表明光纤对脉冲展宽的影响较小，这就是渐变折射率分布（GI型）光纤之优越所在。
实际上对于GI型光纤的最佳折射
率分布，要通过非常复杂的计算才能求得，但工程上通常按下面的公式表示GI型光纤纤芯内折射率的分布：
n（r）=niJ1-2A（r/a）211/2当0△=（ni）2-（n2）2/2ni2—n〔-n2/ni
其中，△:
相对折射率差
r:
纤芯任意点到中心的距离
a:
纤芯半径
ni:
纤芯中心部折射率值
n2:
包层的折射率
由上得出的纤芯横截面上的折射率分布曲线为一条抛物线，如图
1.12-3所示。
包层■纤芯-包层
图1.12-3GI型光纤的折射率分布
12、为什么单模（SM型）光纤的芯径细
答：
如图1.13所示，假设多模光纤中只传输0次模和1次模（假定2次模以上的光，由于其入射角余角大于临界角余角而泄漏到包层中）。
现以细水路进行模拟，将细水路在A-A'处切断，从横向观察
其断面的情况。
0次模如图1.13（a）所示，在两端上下壁处波的幅度总是0。
在中心处，伴随波的行
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