第三章光纤光缆.

第三章光纤光缆•3.1光学•3.2光纤光缆的结构及型号返回3.1光学•把无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线及，射线按照波长或频率的顺序排列起来，就是电磁波谱。其中，无线电的波长最长，宇宙射线的波长最短。电磁波为横波，可用于探测、定位、通信等。目前光纤通信的实用工作波长在近红外区，即0.8~1.8μm的波长区，如图3-1所示，对应的频率为167~375THz。光纤通信有850nm,1310nm和1550nm三个工作窗口。•光的传播•光通常指可见光，即电磁波;发射(可见)光的物体叫作(可见)光源，例如太阳、萤火虫和白炽灯等都称为光源。光是有能量的，光可以在化学能、电能等其他形式的能之间相互转换。下一页返回3.1光学•1.光的直线传播•光在同一种均匀物质中是沿直线传播的。日食、月食、人影、小孔成像、隧道掘进机的下作原理(激光准直)等就是光直线传播的应用。光(电磁波)在真空中的传播速度，目前公认值为c=299792458to/s(精确值)，一般情况下，光速多取c=3x108m/s。•2.光的传播规律•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3-2所示。•根据光的反射定律，反射角等于入射角。上一页下一页返回3.1光学•根据光的折射定律:•光的全反射现象，如图3-3所示。可见，入射角不断增大，折射光的能量越来越少，反射光的能量逐渐增大，最后折射光消失。•3.光的色散及散射•(1)光的色散•在物理学中，色散是指不同颜色的光经过透明介质后被分散开的现象。一束白光经三棱镜后被分为七色光带。这是因为玻璃对不同颜色(不同频率或不同波长)的光具有不同的折射率，波长越长(或频率越低)玻璃呈现的折射率越小，波长越短(或频率越高)玻璃呈现的折射率越大。换句话说，玻璃的折射率是光波频率(或波长)的函数。上一页下一页返回3.1光学•如图3-4所示，紫色光折射率大，红色光折射率小。•在光纤传播理论中，拓宽了色散这个古老名词的含义，在光纤中，信号是由很多不同模式或频率的光波携带传输的，当信号达到终端时，不同模式或不同频率的光波出现了传输时延差，从而引起信号畸变，这种现象统称为色散。对于数字信号，经光纤传播一段距离后，色散会引起光脉冲展宽，严重时，前后脉冲将互相重叠，形成码间干扰。因此，色散决定了光纤的传输带宽，限制了系统的传输速率或中继距离。色散和带宽是从不同领域来描述光纤的同一特性的。•(2)光的散射•物质中存在的不均匀杂质或微粒使进入物质的光偏离入射方向而向四面八方散开，这种现象称为光的散射。上一页下一页返回3.1光学•由于媒质中存在着其他物质的微粒，或者由于媒质本身密度的不均匀性(即密度涨落)，使通过物质的光的强度减弱，从而引起光的散射。光的散射根据光传播特性主要分为瑞利散射和分子散射两大类。•瑞利散射光强与λ的4次方成反比，当观察晴天的天空时，进入人眼的是阳光经过大气时的侧向散射光，主要包含着短波成分，所以天空呈蓝色;而落日时直视太阳所看到的是在大气层(包括微尘层)中经过较长路程的散射后的阳光，剩余的长波成分较强，所以落日呈红色。•物质中有杂质微粒(如细微的悬浮物、细微气泡等)，或存在折射率分布的不均匀性，这些细微的不均匀性区域成为散射中心，它们的散射光是非相干的，各散射光束的光强直接相加，这时即可观察到散射光。上一页下一页返回3.1光学•当微粒线度远小于光的波长时，就得到瑞利散射。此外，通常的纯净物质中各处总有密度的起伏，这也构成折射率分布的不均匀性，M·斯莫卢霍夫斯基(1908与A·爱因斯坦(1910)的研究表明，这种密度起伏是一般纯净透明物质中产生瑞利散射的原因。这种由密度起伏导致的散射也称为分子散射。•光的散射现象在各个科学技术部门中有广泛应用。通过散射光的测量可以了解到散射粒子的浓度、大小、形状及取向等，在物理、化学、气象等许多方面的研究中得到应用。上一页返回3.2光纤光缆的结构及型号•3.2.1光纤的结构与分类•1.光纤的结构•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3-5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)纤芯下一页返回3.2光纤光缆的结构及型号•纤芯位于光纤的中心部位(直径5~80μm)，其成分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(其直径约125μm)，其成分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。上一页下一页返回3.2光纤光缆的结构及型号•(3)涂覆层•光纤的最外层是由丙烯酸酯、硅橡胶和尼龙组成的涂覆层，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层和二次涂覆层。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。一般涂覆后的光纤外径约1.5cm。•纤芯的粗细、纤芯材料的折射率分布和包层材料的折射率对光纤传输特性起着决定性的作用。包层材料通常为均匀材料，其折射率为常数;如为多层包层，则各包层的折射率不同。纤芯的折射率可以是均匀的，也可以是沿纤芯半径厂而变化的。为此常用折射率沿半径的分布函数n1(r)来表示纤芯折射率的变化。上一页下一页返回3.2光纤光缆的结构及型号•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，按光纤的组成成分分类，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•1)阶跃型光纤•阶跃型光纤是指在纤芯与包层区域内，其折射率分布都是均匀的，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3-6所示。上一页下一页返回3.2光纤光缆的结构及型号•其折射率分布的表达式为:•阶跃光纤是早期光纤的结构形式，后来在多模光纤中逐渐被渐变光纤所取代(因渐变光纤能大大降低多模光纤所特有的模式色散)，但用它来解释光波在光纤中的传播还是比较形象的。而现在当单模光纤逐渐取代多模光纤成为当前光纤的主流产品时，阶跃光纤结构又成为单模光纤的结构形式之一。上一页下一页返回3.2光纤光缆的结构及型号•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n2。渐变光纤的折射率分布如图3-7所示。•其折射率分布的表达式为:上一页下一页返回3.2光纤光缆的结构及型号•至于渐变光纤的剖面折射率为何做如此分布，其主要原因是为了降低多模光纤的模式色散，增加光纤的传输容量。•(2)按传播模式分类—多模光纤与单模光纤•按传播的模式数量可分为多模光纤(Multi-ModeFiber,MMF)和单模光纤(SingleModeFiber,SMF)。•在工作波长一定的情况下，光纤中存在多个传输模式，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和非均匀两种。前者也叫阶跃型多模光纤，后者被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。上一页下一页返回3.2光纤光缆的结构及型号•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。•(3)按工作波长分类—短波长光纤与长波长光纤•1)短波长光纤•在光纤通信发展的初期，人们使用的光波的波长在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，目前已很少采用。上一页下一页返回3.2光纤光缆的结构及型号•2)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，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，并把工作在1.0~2.0μm波长范围的光纤称为长波长光纤。•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。•(4)按套塑类型分类—紧套光纤与松套光纤•1)紧套光纤上一页下一页返回3.2光纤光缆的结构及型号•紧套光纤是指二次、三次涂覆层与一次涂覆层及光纤的纤芯、包层等紧密地结合在一起的光纤。目前此类光纤居多。•未经套塑的光纤，其衰耗—温度特性本是十分优良的，但经过套塑之后其温度特性下降。这是因为套塑材料的膨胀系数比石英高得多，在低温时收缩较厉害，压迫光纤发生微弯曲，增加了光纤的衰耗。•2)松套光纤•松套光纤是指经过涂覆后的光纤松散地放置在一塑料管之内，不再进行二次、三次涂覆。松套光纤的制造工艺简单，其衰耗—温度特性与机械性能也比紧套光纤好，因此越来越受到人们的重视。上一页下一页返回3.2光纤光缆的结构及型号•3.2.2光缆•通信光缆的结构是由其传输用途、运行环境、敷设方式等诸多因素决定的。从大的方面讲，常用通信光缆分为室内光缆和室外光缆两大类。•由于光纤比较脆弱，极易受到外界的损伤，所以光纤需要进行成缆。光纤成缆具体的原因有:•①如果不成缆，过大的张力会使光纤断裂。•②与其他元件组合成光缆后，会具有良好的传输性能以及抗拉、抗冲击、抗弯曲等机械性能。•③可根据不同的使用情况，制成不同结构形式的光缆。•④可加入金属线，以传送电能。上一页下一页返回3.2光纤光缆的结构及型号•1.光缆的结构•光缆的基本结构一般由光纤、加强元件、绑带和外护层等几部分构成，如图3-8所示。另外，根据需要还有防水层、缓冲层、绝缘金属导线填充物等。•光缆的分类如表3-1所示。•室外光缆的基本结构有:层绞式、中心管式、骨架式)每种基本结构中既可放置分离光纤，亦可放置带状光纤。•(1)层绞式光缆•层绞式光缆端面如图3-9所示。上一页下一页返回3.2光纤光缆的结构及型号•层绞式光缆结构是由多根二次被覆光纤松套管(或部分填充绳)绕中心金属加强件绞合成圆形的缆芯，缆芯外先纵包复合铝带，并挤上聚乙烯内护套，再纵包阻水带和双面覆膜皱纹钢(铝)带，再加上一层聚乙烯外护层组成。•层绞式光缆的结构特点:光缆中容纳的光纤数量多;光缆中光纤余长易控制;光缆的机械、环境性能好;适宜于直埋、管道敷设，也可用于架空敷设。•(2)中心管式光缆上一页下一页返回3.2光纤光缆的结构及型号•中心管式光缆如图3-10所示，是由一根二次光纤松套管或螺旋形光纤松套管，无绞合直接放在缆的中心位置，纵包阻水带和双面涂塑钢(铝)带，两根平行加强圆磷化碳钢丝或玻璃钢圆棒位于聚乙烯护层中组成的。按松套管中放入的是分离光纤、光纤束还是光纤带，中心管式光缆分为分离光纤的中心管式光缆或光纤带中心管式光缆等。•中心管式光缆的优点:光缆结构简单、制造工艺简捷，光缆截面小、重量轻，适宜架空敷设，也可用于管道或直埋敷设。中心管式光缆的缺点:缆中光纤芯数不宜过多(如分离光纤为12芯、光纤束为36芯、光纤带为216芯)，松套管挤塑工艺中松套管冷却不够，成品光缆中松套管会出现后缩，光缆中光纤余长不易控制等。上一页下一页返回3.2光纤光缆的结构及型号•中心管式带状光缆结构为大芯数光缆提供了最经济有效的配置，以4,6,8,12光纤带为基带，可生产48~216芯各种芯数不同规格