Transcript 第二章 光纤和光缆

第二章
光纤和光缆
2.1光纤的结构和类型
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。
1.光纤的结构
纤芯:是由高透明的材料制成,
(n2 )
(n1 )
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 n2
纤芯 n1
3
入射光
1
2
光的反射与折射
折射光
反射光

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
3
n2
n1
1
入射光
光的全反射现象
折射光
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
n2
n1

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/km
1550nm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
 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。
1．光缆的基本结构
 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
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。

（ａ）层绞式

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