2011全国通信线路施工与运行维护专项技术培训讲义 第二部分 光纤和光缆

2020/2/121第二部分光纤和光缆㈠光纤的基本知识、传输原理、主要特性㈡光纤的结构、种类2020/2/122光波－无线电波光是人们都熟悉的一种自然物理现象，光波与通信用无线电波一样，也是一种无线电波，所不同的只是它的波长比无线电波的波长短得很多，或者说它的频率非常之高，达到1013－1014Hz。从电磁波谱图中画出了光波在电磁波谱图中的位置，而人们所能直接看到的光波，仅仅是波长从0.39μm起到0.76μm这一小段的光波，我们把它成为可见光，可见光包含七种颜色，即红、橙、黄、绿、靛、蓝、紫，这七种颜色的光波混合在一起就成为白光。比红光波长更长的光波，即波长比0.76μm更长的光波，人的眼睛也看不到的光叫红外光。比紫光波长0.39μm更短的光波，人的眼睛也看不到，叫做紫外线。人们把紫外线、红外线和可见光都归于光波的范围内。2020/2/123通信波段划分及相应传输媒介10110710210610310510410410510310610210710110810010910-1101010-2101110-3101210-4101310-5101410-61015自由空间波长（m）电力、电话无线电、电视微波红外可见光双铰线同轴电缆光纤卫星/微波AM无线电FM无线电频段划分传输介质2020/2/124光通信技术发展的初期，曾用在大气传输光通信系统上的光源,氦氖激光器的波长是0.6328μm，属于可见的红光；另一种在大气传输的二氧化碳激光器的波长是10.6μm，属于不可见的近红外光波。当今用作通信传输的介质-石英光纤的低衰减“窗口”为0.6～1.6μm的波段范围，就坐落在可见的红光波段和不可见的近红外波段上。光波和其它波长的电磁波一样，在真空中的传播速度是3.00×108m/s。光波在均匀介质中是直线传播的，在介质中的传播速度v与介质中的光折射率n成反比，即：v=c/n式中，n为介质的光折射率；c代表光速（3.00×108m/s）。以空气为介质的光折射率接近于1。因此光在空气中的传播速度接近于3.00×108m/s。但是，石英玻璃的光折射率为1.458，所以光波在石英光纤中的传播速度（应为2.00×108m/s），要比在空气中传播的慢一些。2020/2/125光波在介质中的传播由于石英光纤本身是一种玻璃介质，要研究光在光纤中的传播原理，首先应从物理概念上利用几何射线光学的概念来研究光在介质中传播的一些现象，然后在引伸到光在光纤中是怎样传播的。1、光的折射与反射光波是电磁波，所以光在空间是沿着直线传播的。但是当光遇到两种不同介质的交界面时会发生折射和反射。如图所示。2020/2/126设MM′是空气与玻璃的交界面，NN′是MM′面的法线，空气的光折射率n1＜n2（玻璃的光折射率），当入射光射到MM′面的0点时，会出现一部分光线反射回空气成为反射光，另一部分光线进入玻璃成为折射光。光的反射服从反射定律：反射光线位于入射光线和法线NN′所决定的平面内，反射光线和入射光线分居法线的两侧，反射角φ1等于入射角φ1′。光的折射服从折射定律(斯涅尔定律:荷兰数学家斯涅尔在1621年发现的这一规律)：折射光线位于入射光线和法线NN′所决定的平面内，折射光线和入射光线分居法线的两侧，反射角φ1和折射角φ2的关系为：sinφ1／sinφ2=n2／n1n1＜n2折射率n1折射率n2MM′NN′φ1φ1′φ202020/2/127由于空气的折射率近似为1，所以该公式又可写成：sinφ1／sinφ2=n2理论和实验的研究都证明：某种媒质的折射率，等于光在真空中的速度c与光在这种媒质中的速度v之比：n=c/v由于光在真空中的速度c大于光在任何媒质中的速度v，所以任何媒质的折射率都大于1。光从真空射入任何媒质时，入射角大于折射角。由于光在真空里的速度跟在空气里的速度相差很小，可以认为光从空气里进入某种媒质时的折射率就是那种媒质的折射率。根据光路的可逆性，当光线逆着原来的折射光线，以入射角r从折射率是n的媒质射入真空（或空气）的时候，折射光线就会逆着原来的入射光线，折射角等于原来的入射角i。由于r小于i，所以光从某种媒质射入真空（或空气）时，折射角大于入射角。2020/2/128光的全反射在各种不同的媒质中，光的折射率是不同的。我们把折射率小的媒质叫做光疏媒质，把折射率大的媒质叫做光密媒质。光疏媒质和光密媒质是相对的。如水晶对水来说是光密媒质，对金刚石来说是光疏媒质。当光线从光密媒质进入光疏媒质时（例如从水进入空气时），折射角大于入射角。当入射角不断增大，折射角也跟着增大。逐渐增大光的入射角，将会看到折射光线离法线越来越远，而且越来越弱；但是，反射光线则越来越强。当入射角增大到某一角度，使折射角达到90°时，折射光线就会完全消失，只剩下反射的光线。我们称这种现象，叫做全反射。阶跃型光纤的纤折射率分布是均匀的，它是靠全反射原理将光射线集中在纤芯中沿光纤长度方向传输。光射线在纤芯中的运行轨迹是一条和轴线相交的锯齿线。在自然界，全反射现象是普遍的、常见的。例如，水中或玻璃中的气泡，看起来特别的明亮，皆因由于一部分射到气泡界面上的光发生了全反射的缘故。光导纤维就是利用光的全反射来进行传输光信号的，如图所示。2020/2/129光线在阶跃光纤中的全反射图2020/2/12101870年,英国皇家学会演示了光在一束细水流中进行全内反射传输的现象。2020/2/1211光纤的基本知识光纤是光导玻璃纤维的简称，就是用来导光的透明介质纤维，它是一种新型的光波导。光纤外径一般为122--128μm，芯径一般为8--53μm。光纤的结构一根实用化的光纤是由多层透明介质构成的，一般为同心圆柱形细丝，为轴对称结构，一般可以分为三部分：折射率较高的纤芯、折射率较低的包层和外面的涂覆层，其外形如图所示。2020/2/1212光纤由纤芯和包层组成纤芯的折射率高于包层的折射率(通过对光纤掺杂杂质，光纤的折射率改变了)纤芯和包层仅在折射率等参数上不同，结构上是一个完整整体涂覆层的主要作用是为光纤提供保护无论何种光纤，其包层直径都是一致的2020/2/12139/125µm50/125µm62.5/125µm头发直径约80µm按传播模式：多模光纤和单模光纤按折射率分布：阶跃光纤和渐变光纤按工作波长：短波长光纤和长波长光纤单模：8/125μm，9/125μm，10/125μm多模：50/125μm欧洲标准，62.5/125μm美国标准几种光纤与头发丝比较示意图2020/2/1214光纤的结构一般是双层或多层的同心圆柱体，如图所示。中心部分是纤芯，纤芯以外的部分称为包层。纤芯的作用是传导光波，包层的作用是将光波封闭在光纤中传播。为了达到传波的目的，需要使光纤材料的折射率n1，大于包层材料的折射率n2。为了实现纤芯和包层的折射率差，必须使纤芯和包层材料有所不同。目前实用的光纤主要是石英。如果在石英中掺入折射率高于石英的掺杂剂，则就可作为纤芯材料。同样如果在石英中掺入折射率比石英低的掺杂剂，则就可以作为包层材料，经过这样掺杂后，上述的目的就可达到了。也就是说，光纤是由两种不同折射率的玻璃材料拉制而成的。2020/2/1215（1）纤芯位于光纤的中心部位，是光波的主要传输通道。直径d1=8μm～50μm，单模光纤的纤芯为9μm～10μm，多模光纤的纤芯为50μm。纤芯的成分是高纯度SiO2，掺有极少量的掺杂剂（如GeO2，P2O5），作用是提高纤芯对光的折射率（n1），以传输光信号。（2）包层位于纤芯的周围。直径d2=125μm，其成分也是含有极少量掺杂剂的高纯度SiO2。而掺杂剂（如B2O3）的作用则是适当降低包层对光的折射率（n2），使之略低于纤芯的折射率，即n1＞n2，它使得光信号封闭在纤芯中传输。（3）涂覆层光纤的最外层为涂覆层，包括一次涂覆层，缓冲层和二次涂覆层。一次涂覆层一般使用丙烯酸酯、有机硅或硅橡胶材料；缓冲层一般为性能良好的填充油膏；二次涂覆层一般多用聚丙烯或尼龙等高聚物。涂覆的作用是保护光纤不受水汽侵蚀和机械擦伤，同时又增加了光纤的机械强度与可弯曲性，起着延长光纤寿命的作用。涂覆后的光纤其外径约1.5mm。通常所说的光纤为此种光纤。2020/2/1216实用的光纤不是如图2-5所示的裸露的玻璃丝，而是要在它的外表附加几层塑料涂层。目前，在通信中使用较为广泛的光纤有两种：紧套光纤与松套光纤，如图。紧套光纤就是在一次涂覆的光纤上再紧紧地套上一层尼龙或聚乙烯等塑料套管，光纤在套管内不能自由活动。松套光纤，就是在光纤涂覆层外面再套上一层塑料套管，光纤可以在套管中自由活动。2020/2/1217光纤的分类光纤的分类方法很多，可以按材料性质、折射率分布、套塑方式及按照ITU-T建议分类等进行分类。下面介绍通信光纤的分类。既可以按照光纤截面折射率分布来分类，又可以按照光纤中传输模式数的多少、光纤使用的材料或传输的工作波长来分类。根据不同的分类方法和标准，同一根光纤将会有不同的名称，常用的分类方法有：（1）按光纤的制造材料分类按照光纤制造材料的不同，光纤可分为玻璃（石英）光纤和塑料光纤。玻璃光纤一般是指由掺杂石英芯和掺杂石英包层构成的光纤。这种光纤有很低的传输损耗和中等程度的传输色散。目前通信用光纤绝大多数为玻璃光纤。塑料光纤是一种通信用新型光纤，尚处于研制、试用阶段。塑料光纤具有传输损耗大、纤芯粗（直径100--600µm）、数值孔径（NA）大（一般为0.3--0.5，可与光斑较大的光源耦合使用）及制造成本低等优点。目前，塑料光纤适用于短距离使用，如计算机联网和船舶内通信等。2020/2/1218（2）按传输模数量及折射率分布分类按传输模的数量可分为多模光纤和单模光纤。按折射率分布状况分类，多模光纤可分为阶跃型（突变型）光纤和梯度型（渐变型、自聚焦型）光纤，单模光纤则分为阶跃型光纤。它们的结构及光传输情况，见图所示。2020/2/1219（3）按光纤的工作波长分类石英光纤按波长分类，可分为短波长光纤的和长波长光纤。短波长光纤的波长为0.85μm(0.8--0.9μm),波长为0.85μm的多模光纤,主要用于短距离市话中继线路或专用通信网等线路。长波长光纤的波长为1.3--1.6μm，具体波长有1.3μm和1.5μm两个窗口。第三传输窗口第二传输窗口第一传输窗口13001550850紫外吸收红外吸收瑞利散射0.22.5损耗(dB/km)波长(nm)2020/2/1220（4）按套塑结构分类石英光纤按套塑结构分类，可分为紧套光纤和松套光纤。实际上，松套光纤是指光纤，在其外边是套上一个较松的套管，光纤在中间可以松动。通常，在松套管内都应充入半流质油剂，以增强防水性能和起缓冲作用。松套管对光纤能起到抗压、抗拉的保护作用。对于尾纤则采用紧套方式。紧套光纤：光纤被套管紧紧箍住，不能在其中松动。松套光纤：光纤的护套为松套管，即光纤能在其中松动，管内空间填充油膏，以防水分渗入。2020/2/1221按照ITU—T建议分类为了使光纤具有统一的国际标准，国际电信联盟—电信小组（ITU—T）制订了统一的光纤标准（G标准）。按照ITU—T关于光纤的建议，可以将光纤分为G.651光纤（又称为渐变型多模光纤）、G.652光纤（又称为常规单模光纤或1．31μm性能最佳单模光纤）、G.653光纤（又称为色散位移光纤—DSF）、G.654光纤（又称为1550nm性能最佳单模光纤）、G.655光纤（又称为非零色散位移光纤，主要包括非零色散位移光纤NZDSF和大有效面积光纤LEAF）等。2020/2/1222渐变型多模光纤（G.651光纤MMF）渐变型多模光纤的工作波长有两种:0.85μm和1.31μm在这两种工作波长上，光纤均处于多模工作状态。塑料光纤（POF）是渐变型多模光纤的一种，在国际电工委员会(IEC)中定为A4光纤，可用于光纤到办公桌(FTTD)，采用全氟化聚合物CYTOP制造的GI光纤，其衰减可达1.5～2.5dB/100m，传输速率可达3Gbit/s，带宽大于200MHz.km，可用于短距离光通信和室内传输