1、第二章 光纤和光缆,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。,2.1光纤的结构和类型,1.光纤的结构,纤芯:是由高透明的材料制成,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
2、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n1n2，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
3、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,纤芯,折射光,反射光,入射光,光的反射与折射,n2,n1,1,2,3,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
4、进行传播，这种现象叫做光的全反射现象。,全反射现象,光的全反射现象,n2,n1,折射光,1,3,入射光,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
5、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
6、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：5075m125200m，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410m，包层直径为125m。连接时较困难。 传
7、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12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
8、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
9、随着传输距离的增加而功率下降。1310nm窗口每公里衰减：0.4dB/km1550nm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.
10、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,1光缆的基本结构,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。,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,（）层绞式,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。,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,
