第1部分第2章光纤光缆.docx

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第1部分第2章光纤光缆

第二章光纤、光缆

本章主要介绍光纤及其主要特性、光纤通信基本原理、光纤通信优越性、光缆的类型、结构、种类和规格、物理性能等知识。

第一节光纤

一、光纤的结构

通信用的光纤是指由透明通光性良好的材料做成的纤芯和在它周围采用比纤芯的折射率稍低的材料做成的包层所被覆，并将射入纤芯的光信号，经包层界面的全反射，使光信号保持在纤芯中传播的媒体，达到传输通信信号的目的。

光纤的基本结构如图2-1-1所示。

光纤结构的关键就是保证纤芯的折射率n1比包层的折射率n2稍大。

通信用光纤的外径一般均为125μm,但纤芯直径多模光纤的为50μm左右，单模光纤的为10μm左右。

图2-1-1裸光纤的结构图

只有纤芯和包层的光纤，就是光纤接续时剥除涂敷层后的裸纤。

它的强度较差，尤其是柔软性差，为达到实际使用的要求，在光纤制造过程中，在裸纤从高温炉拉出后2秒种内立即进行涂覆，经过涂覆后的光纤才能用来制造光缆，满足通信传输的要求。

通常所说的光纤就是指的这种涂覆光纤。

如图2-1-2所示为使用最广泛的两种光纤的结构。

图a为紧套光纤，如常见的尾纤，图b为松套光纤，经过着色处理过的光缆中的光纤芯线。

图2-1-2套塑光纤的结构

二、光纤的种类

光纤的分类方法很多，主要是从工作波长、折射率分布、传输模式、材料性质和套塑方法等归纳的，现将各种常用的分类方法，举例如下。

1、工作波长：

紫外光纤、可观光纤、近红外光纤、红外光纤（波段为0.85μm、1.3μm、1.55μm、1.625μm）。

通信常用的为红外光纤，具体分类和使用见表2-1-1

表2-1-1

分类

短波长光纤

长波长光纤

波段（μm）

0.8--0.9

1.3

1.5

1.6

使用范围

短距离,单信道

单信道,较长距离.PDH

SDH，长距离,WDM

DWDM

典型光纤

G651

G652B

G655B

G655CG656

2、折射率分布：

阶跃（SI）型、渐变（梯度）（GI）型、其它（如三角型、W型、凹陷型等）。

其中单模光纤为阶跃型光纤。

主要结构及传输情况图2-1-3；

图2-1-3三种基本类型的光纤

（a）阶跃型多模光纤（SIF）（b）渐变型多模光纤（GIF）（c）单模光纤（SMF）

3、按传输模式分类：

单模光纤、多模光纤。

4、按套塑结构分类：

紧套光纤如图2-1-2（a）和松套光纤如图2-1-2（b）所示（其外边需套上一个较松的套管,使之可以在中间松动）。

在施工中，这两种光纤的接续和安装工艺不同。

5、按原材料分类：

石英玻璃、多成分玻璃、塑料、复合材料（如塑料包层、液体纤芯等）、红外材料等。

6、按制造方法分类：

预制棒有汽相轴向沉积法（VAD）、化学汽相沉积法（CVD）等。

三、光纤的结构参数

1．几何参数包括：

纤芯直径：

纤芯直径是指在光纤的横截面上能够确定纤芯中心的圆的直径。

包层直径：

包层直径是指在光纤的横截面上能够确定包层中心的圆的直径（常指光纤外径）。

不圆度：

纤芯或包层的不圆度是指断面最大直径与最小直径的差与标称直径的比值。

它的不良将对偏振模色散有较大影响。

同心度：

所谓纤芯/包层同心度，是指纤芯在光纤芯内所处的中心程度。

对于单模光纤，纤芯/包层同心度误差是纤芯中心与包层中心之间的距离。

不良的纤芯/包层同心度，在各类接续设备与连接器内部会引起接续困难和定位不良。

2．光学参数主要有：

数值孔径：

表征光纤接收光的能力大小；光纤的数值孔径（N.A）对光源耦合效率、光纤损耗、弯曲的敏感性以及带宽有着密切的关系，数值孔径大，容易耦合，微弯敏感小，带宽较窄。

模场直径：

单模光纤中传输的基模场强在光纤横截面内分布的范围；对于传输光纤而言，模场直径（或有效面积MFD）越大越好。

截止波长：

保证单模光纤中光信号单模传输的最小工作波长（λc）。

四、带状光纤简介

由于近年来光缆网络的迅速发展，特别是光纤接入网的迅速推广，大芯数光缆被更多的采用，对于大芯数光缆建设，采用带状光纤可以极大的提高施工速度。

带状光纤通常由4、6、8、12、24芯涂覆光纤，采取UV固化粘结材料粘结成带状，通过粘结材料把带状光纤组合成阵列排列（如图2-1-4）。

接续时一般可以同时一次性完成一个带状光纤的接续。

a典型的边缘粘结型光纤带横截面b典型的整体包覆型光纤带横截面

图2-1-4带状光纤截面图

带状光纤的主要性能指标如下

1、几何特性：

图2-5几何参数示意

表2-2最大几何参数通信行业标准

光纤数n

宽度W（μm）

厚度t（μm）

相邻光纤水平间距d（μm）

两侧光纤水平间距b（μm）

平整度P（μm）

700

1220

1770

2300

2850

3400

400

280

835

1385

1920

2450

2980

2、标识

表2-312芯带光纤全色谱标识规则

序号

色谱

蓝

桔

绿

棕

灰

白

红

黑

黄

紫

粉红

天蓝

3、可分离性：

光纤带结构应允许光纤能从带中分离出来,分成若干根光纤的子单元或单根的光纤,并且满足如下要求:

（1）．不使用特殊工具或器械就能完成分离。

撕开时所需的力应不超过4.4N；

（2）．光纤分离过程不应对光纤的光学及机械性能造成永久性的损害；

（3）．对光纤着色层无损害，在任意一段2.5cm长度的光纤上应留有足够的色标，以便带中光纤能够相互区别。

4、带状光纤的接续

带状光纤的护层剥离工具为电加热剥除器，使用不同芯数匹配夹具的专用带状熔接机，热熔加强保护管也是特制的。

第二节光纤的主要特性

一、传输特性：

1．损耗

光纤的损耗又称衰减。

很大程度上决定光纤通信的中继距离。

损耗用损耗常数来a（λ）来表达，表示单位长度的某一波长光功率信号的衰减值，它的表达式为：

10lgpi/po

a（λ）=（db/km）

上公式中：

Pi为输入端输入光功率，Po为输出端输出光功率，L为传输长度。

光纤产生损耗的原因很多，其类型主要有固有损耗、外部损耗和应用损耗等。

（见表2-2-1）

表2-2-1

损耗种类

产生原因

固有损耗

吸收损耗：

由SiO2材料引起的固有吸收和由杂质引起的吸收产生的。

散射损耗：

主要由材料微观密度不均匀引起的瑞利散射和由光纤结构缺陷（如气泡）引起的散射产生的。

外部损耗

光纤、光缆制造工艺导致微弯辐射损耗。

应用损耗

施工安装和使用运行中产生，如：

张力、弯曲、挤压、潮气等造成的。

随着光纤制造技术的提高，损耗已达到或接近理论值，如单模光纤，在1.3μm波长上的损耗达到0.30db/km,在1.55μm波长上的损耗达到0.18—0.19db/km。

并且通过在制造工艺上进一步采取措施，降低OH—基含量，将改善光纤的波长特性,特别是在1380NM附近的能量吸收特性，有利于多信道复用技术的进一步发展。

如图2-2-1所示为（a）三种实用光纤和（b）优质单模光纤的损耗特性谱线。

图2.-1-1光纤损耗谱

2．色散

光纤不仅受损耗的限制，同时光信号的传输还受到色散的制约，即光脉冲沿光纤传输，脉冲宽度将随着距离的增长而展宽，使得传输距离和传输速率受到限制。

（1）色度色散：

光纤的色度色散可以分为三部分即模式色散、材料色散与波导色散。

模式色散因为光在多模光纤中传输时会存在着许多种传播模式，而每种传播模式具有不同的传播速度与相位，因此虽然在输入端同时输入光脉冲信号，但到达到接收端的时间却不同，于是产生了脉冲展宽现象。

它是影响多模光纤带宽的主要因素。

材料色散是随纤芯内的掺杂浓度不同而变化的，与波长有着十分密切的关系。

波导色散即结构色散，是由于光纤的几何结构、纤芯尺寸、几何图形、相对折射率差等方面的原因引起的。

色散

单模、多模光纤受色散的影响如表2-2-2

表2-2-2

色散

光纤

模式色散

材料色散

结构色散

（波导色散）

多模

主要影响

可以忽略

单模

不存在

主要影响

随波长增大

但色散并非是影响通信的完全不利因素，在高速大容量通信系统中，保持一定的色散是消除非线性效应（四波混频等）的需要条件。

图2-7是单模光纤传输特性的分析图，包含了几种标准的光纤色散特性斜率.

图2-2-2

其中G.652光纤，也称标准单模光纤（SMF），是指色散零点（即色散为零的波长）在1310nm附近的光纤，目前G652光纤已开发使用到G.652C和G.652D，即无水峰、全波段光纤。

G.653光纤也称色散位移光纤（DSF），是指色散零点在1550nm附近的光纤，它相对于G.652光纤，色散零点发生了移动，所以叫色散位移光纤。

G.655光纤，由于G.653光纤的色散零点在1550nm附近，DWDM系统在零色散波长处工作易引起四波混频效应。

为了避免该效应，将色散零点的位置从1550nm附近移开一定波长数，使色散零点不在1550nm附近的DWDM工作波长范围内。

这种光纤就是非零色散位移光纤（NDSF）。

目前此类光纤已发展至G.655B和G.655C光纤，与G.655A型相比增大了C波段的色散值范围，增加了在1625nm最大值衰减值的要求，PMD值降低，更适合DWDM系统。

近来，随着需求的发展，已开发出了G.656光纤即新型非零色散单模光纤，和G655C型光纤的主要区别在于：

（1）G.656光纤的最小零色散波长和最大零色散波长（工作波长）之间的范围扩大

（2）最小色散系数及最大色散系数都可能比G655大，有利于抑制DWDM中的各种非线性效应；（3）色散值要求在使用波段内为正值；（4）色散斜率要比G.655低；（5）在标准中提出了色散系数纵向均匀性的要求。

对高速、大容量系统的开发使用进一步给予了保障。

几种光纤的典型传输特性和应用范围比较见下表2-2-3

表2-2-3标准光纤对比

光纤种类

传输特性

典型应用范围

备注

水峰衰减

色散

PMD（PS/√KM）

G652

未消除

无位移

≦0.5

SDH单波道、C波段2.5GDWDM系统

10GB/S以上的长途传输，须引入色散补偿，并产生较大插入损耗。

未消除

无位移

≦0.2

SDH单波道、C波段2.5GDWDM系统长距离

消除

无位移

≦0.5

波段扩展到E、S，城域网高速、大容量系统

消除

无位移

≦0.2

波段扩展到E、S，长距高速、大容量系统

G655

未消除

C波段0．1-6．0

≦0.5

C波段STM-64信道间隔200GHZ

N×10GB/S系统时

工作波长窄，色散斜率较大

未消除

C波段

0．1-6．0

≦0.5

C+L波段STM-64通道间隔100GHZ，10GB/S传输400KM

消除

C波段

1．0-10

≦0.2

全波段，10GB/S传输超过400KM

G656

消除

L波段

2-14

≦0.2

通道间隔100GHz、传输速率40Gbit/s、传输距离400km的DWDM或者CWDM

更低的色散斜率，显著降低DWDM系统色散补偿成本

（2）偏振模色散：

随着光纤通信系统传输速率的高速化、大容量化，光纤通信系统对光纤的传输性能提出了更高的要求，对低速系统而言可以忽略不计的光纤性能缺陷，在高速系统中成为限制系统容量升级和传输距离的主要因素，如光纤的偏振模色散（PMD）。

在单模光纤传输中，光波的基模含有两个相互垂直的偏振模。

理想光纤的几何尺寸是均匀对称而且没有应力，因而光波的两个偏振模以完全相同的速度传播，在光纤的另一端没有任何延迟。

实际光纤总会存在纤芯不圆、内部残余应力等不对称因素，还有诸如随机应力、弯曲、扭绞、振动等外界因素，导致光纤中存在着随机双折射。

由于存在双折射，两个正交偏振模的传播速度不等，经过一段光纤所需的时间就不一样，造成了两个偏振模的群时延差，即PMD。

通常用PMD系数来表示光纤的PMD特性，对短距离光纤或保偏光纤，两个偏振模呈弱耦合状态，PMD时延与光纤长度成正比，PMD系数的单位是ps/km。

对线路较长的光纤，两个偏振模呈强耦合状态，PMD时延与光纤长度的平方根呈正比，PMD系数的单位是ps/√km。

偏振模色散本质上是模式色散，由于模式耦合是随机的，因而它是一个统计量。

目前虽没有统一的技术标准，但一般高速长距离要求偏振模色散在0.2ps/√km左右。

二、机械特性

光纤的机械特性直接关系着它的抗张强度和使用寿命。

光纤的抗张强度，很大程度上反映了光纤的制造水平。

国内用于工程的光纤一般都应大于400G拉力。

光纤强度要经过制造过程筛选实现优选劣汰。

1、影响光纤强度的主要因素：

（1）预制棒的质量，主要是杂质或气泡的影响，尤其是气泡。

（2）.拉丝塔炉的加温质量和环境污染。

稳定均匀加温、环境清洁是关键。

（3）.涂覆技术的影响。

从拉丝塔炉制成的裸光纤，一般要在1-2秒内进行涂覆处理，受固化炉的温度、均匀性影响。

（4）.机械损伤。

拉丝复绕、套塑工艺过程造成的机械损伤，造成机械性能下降。

实验研究发现，环境湿度也会影响光纤的强度，例如在环境湿度60%以下湿度越小，强度会增加。

2、光纤断裂分析

存在气泡、杂质和表面有一定损伤的光纤，受到一定张力，在薄弱点就会首先因超过容许应力，将立即断裂。

3、光纤的寿命

光纤的使用寿命，包括损耗的自然加大，从机械特性角度讲，还有断裂寿命，另外使用环境（如湿度、潮气以及静态、动态疲劳）等，都会影响使用寿命。

而光纤表面存在的微裂纹，决定了光纤寿命。

长期的应力如果作用于裂纹处，到一定程度光纤即断裂。

这一时间就是断裂寿命。

了解光纤的机械特性，就要求施工过程中应注意以下几点：

（1）.注意张力限制；

（2）.接续时应注意余长处理和光缆的弯曲半径，减少残余应力；

（3）.注意安装环境，减免高、低温影响和水、潮气的侵入。

三．温度特性

光纤的温度特性是指在高、低温条件下对光纤损耗的影响，一般是损耗增大。

在低温条件下光纤损耗增大，这是由于光纤涂覆层、套速层和石英的膨胀系数不同，因而在低温下受到轴向压缩力而产生微弯，导致损耗增大。

光纤的低温性能十分重要。

对于架空光缆及北方地区的线路，如低温性能不良，将会严重影响通信质量。

在工程设计时，要选用指标条件好的光纤。

光缆施工的接续，一般不应在低于-5˚条件下进行。

若必须在低温条件下进行接续，应在工程车或帐篷内操作，采取必要的取暖措施。

第三节光纤传输的基本原理

光纤的传光原理，可以用几何光学的反射、折射特性来分析。

如图2-3-1所示，当光源发出的光，以一定的发射角进入光纤（阶跃型）端面时，只有当在纤芯和包层界面形成的光线入射角大于临界角θc时，光线就不会透射过界面进入包层，而全部反射入纤芯，这称为光的全反射。

图2-3-1

而根据折射定律

可知θc=arcsinn2/n1，即当折射角为90°时的入

射角。

由此也可以得出全反射所满足的条件是：

内层折射率n1必须大于外层折射率n2；

光线向包层界面的入射角应大于临界角。

还可以得出，光纤对能够出现全反射的外部光射线的接收能力是由光纤的数值孔径（NA）来决定的，这个值只和两种材料的折射率差Δ有关系。

第四节光缆的的种类与结构

光缆是多根光纤或光纤束制成的符合光学、机械和环境特性的结构。

光缆的结构直接影响通信系统的传输质量。

不同结构和性能的光缆在工程施工、维护中的操作方式也不相同，因此必须了解光缆的结构、性能，才能确保光缆的正常使用寿命。

一、光缆的种类

光缆的种类很多，其分类的方法就更多，下面介绍一些常用的分类方法。

1、按传输性能、距离和用途分类

可分为市话光缆、长途光缆、海底光缆和用户光缆。

2．按光纤的种类分类

可分为多模光缆、单模光缆。

3．按光纤套塑方法分类

可分为紧套光缆、松套光缆、束管式光缆和带状多芯单元光缆。

4．按光纤芯数多少分类

可分为单芯光缆、双芯光缆、四芯光缆、六芯光缆、八芯光缆、十二芯光缆和二十四芯光缆等。

5．按加强件配置方法分类

光缆可分为中心加强构件光缆（如层绞式光缆、骨架式光缆等）、分散加强构件光缆（如束管两侧加强光缆和扁平光缆）、护层加强构件光缆（如束管钢丝铠装光缆）和PE外护层加一定数量的细钢丝的PE细钢丝综合外护层光缆。

6．按敷设方式分类

光缆可分为管道光缆、直埋光缆、架空光缆和水底光缆。

7．按护层材料性质分类

光缆可分为聚乙烯护层普通光缆、聚氯乙烯护层阻燃光缆和尼龙防蚁防鼠光缆。

8．按传输导体、介质状况分类

光缆可分为无金属光缆、普通光缆和综合光缆。

9．按结构方式分类

光缆可分为扁平结构光缆、层绞式结构光缆、骨架式结构光缆、铠装结构光缆（包括单、双层铠装）和高密度用户光缆等。

10．目前通信用光缆可分为

（1）室（野）外光缆——用于室外直埋、管道、槽道、隧道、架空及水下敷设的光缆。

（2）软光缆——具有优良的曲挠性能的可移动光缆。

（3）室（局）内光缆——适用于室内布放的光缆。

（4）设备内光缆——用于设备内布放的光缆。

（5）海底光缆——用于跨海洋敷设的光缆。

（6）特种光缆——除上述几类之外，作特殊用途的光缆。

二、光缆的型号

光缆型号由它的型式代号和规格代号构成，中间用一短横线分开。

1、光缆型式由五个部分组成，如图2-4-1所示。

图2-4-1

图中：

Ⅰ：

分类代号及其意义为：

GY——通信用室（野）外光缆；GR——通信用软光缆；

GJ——通信用室（局）内光缆；GS——通信用设备内光缆；

GH——通信用海底光缆；GT——通信用特殊光缆。

Ⅱ：

加强构件代号及其意义为：

无符号——金属加强构件；F——非金属加强构件；

G——金属重型加强构件；H——非金属重型加强构件

Ⅲ：

派生特征代号及其意义为：

D——光纤带状结构；G——骨架槽结构；

B——扁平式结构；Z——自承式结构。

T——填充式结构。

Ⅳ：

护层代号及其意义为；

Y——聚乙烯护层；V——聚氯乙烯护层；

U——聚氨酯护层；A——铝-聚乙烯粘结护层；

L——铝护套；G——钢护套；

Q——铅护套；S——钢-铝-聚乙烯综合护套

Ⅴ：

外护层的代号及其意义为：

外护层是指铠装层及其铠装外边的外护层，外护层的代号及其意义如表2-4-1所示。

表2-4-1外护层代号及其意义

代号

2、光缆规格由五部分七项内容组成，如图2-4-2所示。

光缆的机械物理性能

图2-9光缆的规格组成部分

图2-4-2

图中：

Ⅰ：

光纤数目用1、2、……，表示光缆内光纤的实际数目。

Ⅱ：

光纤类别的代号及其意义。

J——二氧化硅系多模渐变型光纤；

T——二氧化硅系多模突变型光纤；

Z——二氧化硅系多模准突变型光纤；

D——二氧化硅系单模光纤；

X——二氧化硅纤芯塑料包层光纤；

S——塑料光纤。

Ⅲ：

光纤主要尺寸参数

用阿拉伯数（含小数点数）及以μm为单位表示多模光纤的芯径及包层直径，单模光纤的模场直径及包层直径。

Ⅳ：

带宽、损耗、波长表示光纤传输特性的代号由a、bb及cc三组数字代号构成。

a——表示使用波长的代号，其数字代号规定如下：

1——波长在0.85μm区域；2——波长在1.31μm区域；

3——波长在1.55μm区域。

注意，同一光缆适用于两种及以上波长，并具有不同传输特性时，应同时列出各波长上的规格代号，并用“/”划开。

bb——表示损耗常数的代号。

两位数字依次为光缆中光纤损耗常数值（dB/km）的个位和十位数字。

cc——表示模式带宽的代号。

两位数字依次为光缆中光纤模式带宽分类数值（MHz·km）的千位和百位数字。

单模光纤无此项

Ⅴ：

适用温度代号及其意义。

A——适用于−40℃～+40℃

B——适用于−30℃～+50℃

C——适用于−20℃～+60℃

D——适用于−5℃～+60℃

光缆中还附加金属导线（对、组）编号，如图2-4-3所示。

其符合有关电缆标准中导电线芯规格构成的规定。

图2-4-3光缆中附加金属导线编号示意图

例如，2个线径为0.5mm的铜导线单线可写成2×1×0.5；；4个线径为0.9mm的铝导线四线组可写成4×4×0.9L；4个内导体直径为2.6mm，外径为9.5mm的同轴对，可写成4×2.6/9.5。

3、光缆型号例题

设有金属重型加强构件、自承式、铝护套和聚乙烯护层的通信用室外光缆，包括12根芯径/包层直径为50/125μm的二氧化硅系列多模突变型光纤和5根用于远供及监测的铜线径为0.9mm的四线组，且在1.31μm波长上，光纤的损耗常数不大于1.0dB/km，模式带宽不小于800MHz·km；光缆的适用温度范围为−20℃～+60℃。

该光缆的型号应表示为：

GYGZL03-12T50/125（21008）C+5×4×0.9。

三、几种典型的光缆结构

1、层绞式结构光缆

把经过松套塑的光纤绕在加强芯周围绞合而构成。

层绞式结构光缆类似传统的电缆结构，故又称之为古典光缆。

特点是缆芯制造设备简单，工艺成熟，抗拉强度好，温度特性改善。

图2-4-4～图2-4-7所示是目前在市话中继和长途线路上采用的几种层绞式结构光缆的示意图（截面）。

图2-4-46芯紧套层绞式光缆图2-4-512芯松套层绞式直埋光缆

图2-4-612芯松套层绞式直埋防蚁光缆图2-4-76～48芯松套层绞式水底光缆

2、骨架式结构光缆

骨架式结构光缆是把紧套光纤或一次涂覆光纤放入加强芯周围的螺旋形塑料骨架凹槽内而构成。

这种结构抗侧压性能好，有利于对光纤的保护。

骨架结构有中心增加螺旋型、正反螺旋型、分散增强基本单元型，图2-4-8（b）为螺旋型结构，图2-4-9为基本单元结构。

目前，我国采用的骨架式结构光缆，都是采用如图2-4-8（b）所示的结构。

图2-4-10所示是采用骨架式结构的自承式架空光缆。

图2-4-812芯骨架式光缆

图2-4-970芯骨架式光缆图2-4-10骨架式自承式架空光缆

3、束管式结构光缆

把一次涂覆光纤或光纤束放入大套管中，加强芯配置在套管周围而构成。

这种结构重量较轻。

图2-4-11所示的光缆结构即属护层增强构件配制方式。

图2-4-12、2-4-13所示是属于分散加强构件配置方式的束管式结构光缆。

另图2-4-17所示的浅海光缆实际上就是双层加铠装束管式光缆。

图2-4-1112芯束管式光缆图2-4-126～48芯束管式光缆

图2-4-13LEX束管式光缆

4、带状结构光缆

把带状光纤单元放入大套管中，形成中心束管式结构；也可把带状光纤单元放入凹槽内或松套管内，形成骨架式或层绞式结构。

有利于高密度接入网光缆的使用。

如图2-4-14、2-4-15所示。

图2-4-14

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