光通信基本教程

1、光通信基本教程光纖和光纜2022年1月概述所謂光通信就是利用光波載送信息的通信。在載波技術(shù)方面，電磁波的通信已廣泛應(yīng)用于廣播、電視等領(lǐng)域，本世紀(jì)末，隨著數(shù)字技術(shù)的進(jìn)步，出現(xiàn)了移動通信等數(shù)字無線電波技術(shù)。在另一方面，光波作為一種波長很短的無線電波，同樣也得到技術(shù)突破，目前已成為新一代的有線通信載波。光通信技術(shù)的進(jìn)步，推動了整個信息產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展。l 光纖發(fā)展概況1960年，梅曼（T.H.Maiman）發(fā)明了紅寶石激光器，產(chǎn)生了單色相干光，實現(xiàn)了高速的光調(diào)制。美國林肯實驗室首先研制出利用氦氖激光器通過大氣傳輸彩色電視，利用大氣傳輸光信號具有以下的缺點：氣候嚴(yán)重影響通信，如霧天；大氣的密度不均勻，傳

2、輸不穩(wěn)定；傳輸設(shè)備之間要求沒有阻隔利用大氣傳輸光波的思想實際上是電磁波傳輸?shù)募夹g(shù)，光波實質(zhì)上是頻率極高的電磁波（3×1014Hz），其通信的容量比一般的電磁波大萬倍以上，如果光通信能夠?qū)崿F(xiàn)，它將具有劃時代的意義。早期，為了避免大氣對光傳輸?shù)母蓴_，研制了透鏡光波導(dǎo)的技術(shù)，利用管子進(jìn)行光傳輸，在一定距離上設(shè)置聚焦透鏡，匯聚散射光和誘導(dǎo)光轉(zhuǎn)折，但振動和溫度又嚴(yán)重影響了光傳輸。這種思想，被后來采用直至成功研制成光導(dǎo)纖維。1966年，英籍華人高錕（C.K.Kao）和Hockham實驗證明利用玻璃可以制作光導(dǎo)纖維（Optic Fiber）。但當(dāng)時的玻璃衰減達(dá)1000dB/km，無法用于傳輸，后經(jīng)

3、過美國貝爾實驗室主席Ian Ross、英國電信研究所（BTRL，BPO）和美國康寧玻璃公司（CORNING）的Maurer等合作，于1970年首先研制成功衰減為20 dB/km的光纖，取得重大突破。之后，各發(fā)達(dá)國家紛紛開展光纖通信研究，出現(xiàn)了多組成份玻璃光纖、塑料光纖、液芯光纖等，其中利用介質(zhì)全反射原理導(dǎo)光的石英光纖被廣泛采用。石英光纖衰減小，性能高，強(qiáng)度大，見圖1-1。N2N1N1N2圖1-1 光纖導(dǎo)光原理要實現(xiàn)長距離的光纖通信，必須減少光纖的衰減。高錕指出降低玻璃內(nèi)過度金屬雜質(zhì)離子是降低光纖衰減的主要因素，1974年，光纖衰減降低到2 dB/km。1976年通過研究發(fā)現(xiàn)降低玻璃內(nèi)的OH離子

4、含量就出現(xiàn)地衰減的長波長雙窗口：1.3m和 1.55m。在1980年，1.55m波長光纖衰減達(dá)到0.2 dB/km，接近理論值。80年代中，又發(fā)現(xiàn)水分和潮氣長期接觸光纖會擴(kuò)散到石英光纖內(nèi)，從而使光纖衰減增大且強(qiáng)度降低。于是采用注入油膏于光纖套管中隔絕水氣，制成品質(zhì)完善的光纜用于工程。要實現(xiàn)大容量的通信，要求光纖有很寬的帶寬。單模（SM：Single Mode）光纖的帶寬最寬，是理想的傳輸介質(zhì)。但是單模光纖纖芯很細(xì)，70年代工藝無法做到，因此，多模（MM：Multi Mode）光纖較早應(yīng)用，光在多模光纖里各模式間存在光程差，造成輸出的光信號帶寬不寬。1976年日本研制成漸變型（又稱自聚焦型，SE

5、LFCO）光纖，光纖的帶寬達(dá)到KHz/km數(shù)量級。80年代，單模光纖研制成功，帶寬增大到10 KHz/km，這一成就使大容量光通信成為可能，80年代中，零色散波長為1.55m的光纖研制成功，光纖通信實現(xiàn)長距離超大容量傳輸。70年代，光纖的低衰減窗口在近紅外區(qū)0.85m的短光波，光源采用GaAlAs（鎵鋁砷）注入式半導(dǎo)體激光器（LD：Laser Diode），但是壽命很短。直到研制成功可連續(xù)運行的GaAlAs雙異質(zhì)結(jié)注入式激光器（Hayashi等），同時也發(fā)展了GaAlAs發(fā)光二極管（LED：Burrus），LED壽命長，價格低，但譜線寬，速率低，功率笑，屬于非相干光源。80年代，研究出了InG

6、aAsP（銦鎵砷磷）長波長激光器和LED，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用。光檢測器是光接收的主要器件，用于將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枴Ｖ饕杏糜诙滩ㄩL的Si-PIN管和Si-APD雪崩光電二極管以及適用于長波長的InGaAs/InP的PIN管和APD管，還有Ge-APD管。由于工程上的需要，各式各樣的光無源器件和光儀表也相應(yīng)出現(xiàn)。如：光活動連接器，光衰減器、光纖熔接機(jī)和光時域反射測試儀等。l 光纖通信1976年，美國首先在亞特蘭大建成距離為10公里，碼率為44Mbit/s的光纖通信系統(tǒng)，80年代，許多國家都建成商用的通信系統(tǒng)。在此中，發(fā)現(xiàn)利用激光器和多模光纖，當(dāng)光纖機(jī)械振動則接收的光信號隨機(jī)起伏，出現(xiàn)所謂“模式噪聲”

7、，因此，用單模光纖的傳輸介質(zhì)和激光器光源成為光纖通信的基本方式，80年代中，還發(fā)現(xiàn)FP型激光器不能維持單譜線相干性，使輸出信號中帶有“模分配噪聲”，從而使光纖的容量和傳輸距離受到限制，之后研究出動態(tài)單縱模激光器解決了此問題，如：分布反饋（DFB）激光器和更優(yōu)良的量子阱激光器。這些技術(shù)的解決，使超過100km已上無中繼，容量到達(dá)Gbit/s的光通信成為現(xiàn)實。目前，全世界廣泛應(yīng)用光纖通信網(wǎng)絡(luò)，光纖用量超過2000萬km，建成了橫跨太平洋、大西洋的海底光纜線路，見圖1-2，國際上565Mbit/s高速光纖通信系統(tǒng)（可傳送7680路雙向電話）已廣泛使用，2.4Gbit/s超高速系統(tǒng)也付諸商用。70年代

8、初，我國已開始光纖技術(shù)的研究。70年代末，制造出衰減為4dB/km，1.3m波長的光纖，并能制造0.85m的LED和LD以及Si-APD雪崩光電二極管，實驗系統(tǒng)碼率為8Mbit/s。80年代初，開始研制長波長多模光纖、長波長激光器和PIN-FET光電檢測組件。82年在武漢建立了13多公里的短波長、長波長實用市內(nèi)線路，碼率為8Mbit/s和34 Mbit/s。80年代末，研制出單模光纖和140Mbit/s系統(tǒng)，88年在武漢建立了單模架空線路，距離為35公里。1991年在合肥和蕪湖間建成單模直埋線路，全長150km，從水下跨越長江?，F(xiàn)在，國內(nèi)已廣泛使用光纖通信，至今已敷設(shè)近60000km光纜。如北

9、京-武漢-廣州，北京-沈陽-哈爾濱國家干線光纜等，如圖1-3所示。我國幅員廣闊，光纖通信在不同的地理、氣候環(huán)境中使用，在北方要求耐-40低溫，在南方的架空光纜要抗臺風(fēng)與雷擊，在西北沙漠地帶，直埋光纜要防風(fēng)沙的襲擊，在華東經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，如在上海等建成了565Mbit/s的高速系統(tǒng)，在華中地區(qū)如武漢，則建成了跨長江的水下線路。我國現(xiàn)已有了一定規(guī)模的光纖通信產(chǎn)業(yè)，能生產(chǎn)光纖、光纜、光電器件、光端機(jī)和光儀表，國產(chǎn)光纖衰減能達(dá)到0.38 dB/km（1.3m），其產(chǎn)量包括合資生產(chǎn)年約100000km，如侯馬光纜廠，武漢長飛，成都西門子等。我國能生產(chǎn)少數(shù)國家才能生產(chǎn)的長波長激光器、PIN-FET和nGaA

10、s/InP-PAD組件，壽命可達(dá)200000小時，滿足商用要求。國產(chǎn)光端機(jī)的傳輸碼率達(dá)到140Mbit/s、565Mbit/s（PDH系統(tǒng)），90年代隨著SDH技術(shù)的發(fā)展，又相繼推出了155Mbit/s、622Mbit/s甚至2.4Gbit/s的超高速系統(tǒng)，如“巨大中華”（巨龍、大唐、中興和華為）等民族企業(yè)，其生產(chǎn)的光端機(jī)廣泛應(yīng)用于國家一級干線、二級干線（省級）、本地網(wǎng)和市話網(wǎng)。隨著接入網(wǎng)絡(luò)（AN）技術(shù)的成熟，我國光纖通信技術(shù)將會更快速地發(fā)展。l 未來光纖接入網(wǎng)絡(luò)FTTBFTTAFTTH模塊局中心局長途光纜線路移動通信基站接入網(wǎng)光纜電纜圖1-4 未來光纖接入網(wǎng)絡(luò)到90年代，通信技術(shù)高速發(fā)展，移

11、動通信，衛(wèi)星傳輸和光纖通信，將通信演變?yōu)楦咚佟⒋笕萘?、?shù)字化和綜合的多媒體業(yè)務(wù)。在ITU-T的推動下，光纖通信的各種標(biāo)準(zhǔn)紛紛制定，如PDH、SDH、DWDM、AN和B-ISDN等。因此，美國首先提出建立國家信息高速公路的構(gòu)想：國家信息基礎(chǔ)建設(shè)（NII），之后各國紛紛制定計劃，并推出全球的信息技術(shù)建設(shè)計劃（GII）。70年代，光纖網(wǎng)絡(luò)主要用于市內(nèi)等大容量業(yè)務(wù)區(qū)，80年代向市外長途干線發(fā)展，到90年代逐步向用戶方向延伸，即所謂光纖道路邊（FTTC）、光纖到大樓（FTTB）直到光纖到家庭（FTTH）。目前也有采用電纜到家庭（如：CABLE MODEM和ADSL技術(shù)）的經(jīng)濟(jì)方式，但也可實現(xiàn)光纖到公寓（

12、FTTA），見圖1-4。FTTA、B、C構(gòu)成未來的光纖接入網(wǎng)絡(luò)，用戶可以采用BRI（2B+D）的ISDN設(shè)備實現(xiàn)電話、傳真、數(shù)據(jù)和計算機(jī)等通信，利用PRI（30B+D）的B-ISDN設(shè)備則可以完成除Hi-Fi和TV外的所有業(yè)務(wù)包含在內(nèi)，預(yù)計到2020年，交換中心局到遠(yuǎn)端模塊帶寬達(dá)到2.4Gbit/s，遠(yuǎn)端模塊帶寬到用戶間帶寬達(dá)到622Mbit/s后，電視信號由MPEG-1的34Mbit/s壓縮到20 Mbit/s（MPEG-2），聲音由64Kbit/s壓縮到16 Kbit/s，這樣，通信、計算機(jī)、廣播電視和其它光通信將構(gòu)成統(tǒng)一的4C網(wǎng)絡(luò)（Communication，Computer，Consu

13、mer & Component）。光纖通信原理光纖通信系統(tǒng)如圖2-1所示，電端機(jī)（交換機(jī)）將來自信號源的信號進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換、多路復(fù)用等處理（1.44Mbit/s或2Mbit/s，34Mbit/S和140Mbit/s等）送給發(fā)光端機(jī)，變成光信號，并按SDH的格式輸入光纖，收光端機(jī)通過光檢測器還原成電信號，放大、整形、恢復(fù)后輸入到電端機(jī)（交換機(jī)或遠(yuǎn)端模塊），完成通信。光端機(jī)間的傳輸距離在長波長達(dá)到100公里，超過距離則用中繼器將光纖衰減和畸變后的弱光信號再生成，繼續(xù)向前傳輸。將來，摻餌光發(fā)大器可實現(xiàn)全光中繼。光纖通信可采用模擬和數(shù)字調(diào)制，由于激光器的線性不夠理想，不能像電氣中載波模擬調(diào)制和

14、多路復(fù)用，只能用于模擬電視信號的多路復(fù)用，如光付載波調(diào)制技術(shù)。未來，包括電視在內(nèi)的光纖通信將都是數(shù)字式的。在光端機(jī)中，對電信號有兩種光調(diào)制方法：其一是在光源如激光器上調(diào)制，產(chǎn)生隨電信號變化的光信號，此為直接調(diào)制。其二為外調(diào)制，利用電光晶體調(diào)制器在光源外部調(diào)制，調(diào)制速率高。所有的調(diào)制速率可達(dá)1020Gbit/s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于光纖的傳輸帶寬（20000Gbit/s）。要充分發(fā)揮光纖的超大容量的通信傳輸能力，必須采用光頻復(fù)用的光纖通信系統(tǒng)，光頻復(fù)用（FDM）又稱光波復(fù)用（WDM），就是在光纖中同時采用許多不同波長的光進(jìn)行傳輸，光頻復(fù)用技術(shù)可在光纖中開發(fā)出100200個光頻道，每個頻道可容納1020 Gb

15、it/s的信息容量，目前以朗訊（LUCENT）為首的通信企業(yè)已成功開發(fā)了WDM產(chǎn)品，預(yù)計下一個世紀(jì)，隨著通信需求的越來越大，WDM通信技術(shù)將會廣泛應(yīng)用。l 光波光波與通信用的無線電磁波一樣，也是一種電波，光波的波長很短，或者說頻率很高，達(dá)到10131014Hz，一般無線電磁波可用作廣播電臺、電視、移動通信的信號傳輸，光波也可以，而且是大容量、高速度、數(shù)字化和綜合業(yè)務(wù)的通信傳輸，所不同的是：一般無線電波通過空氣傳輸，而通信用光波是通過光纖（Optic Fiber）來實現(xiàn)的。是一種有線傳輸。如圖2-2所示光波在電磁波譜中的位置，可見光的波長在0.39m到0.76m，包括紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫，

16、混合而成白光。紅光的波長長。射線X射線紫外線可見光紅外線電磁波可見光紫外線近紅外中紅外遠(yuǎn)紅外0.006m300m0.39m0.76m15m25m紅0.76m橙黃綠蘭紫靛0.63m0.60m0.57m0.50m0.45m0.43m0.39m圖2-2 光波波譜比紅光波長更長的光，即波長大于0.76m，是不可見的紅外光，在0.76m15m的光波稱為近紅外波，在15m25m稱為中紅外波，在25m300m稱為遠(yuǎn)紅外波。比紫光波長更短的波為不可見的紫外光，紫外光的范圍0.39m0.006m，紫外光、可見光和紅外光統(tǒng)稱光波。利用大氣傳送的光源如氦氖激光器波長為0.6328m，是可見的紅外光；另一種CO2激光

17、器波長為10.6m，為不可見近紅外光。當(dāng)今通信用傳輸介質(zhì)石英光纖的低衰減“窗口”為0.6m1.6m的波段范圍，是屬于可見紅外光與不可見近紅外光波段上。1、光波速度光波與電磁波在真空中的傳輸速度為c=3×105km/s。光在均勻介質(zhì)中直線傳播，速度與介質(zhì)的折射率成反比，即：式中，n為介質(zhì)光折射率，c為真空中的光速。以真空的光折射率為1，其它介質(zhì)的折射率大于1，因此傳輸速度比真空中小。其中空氣的折射率近視為1，而石英光纖的折射率為1.458，則光波速度為v=2×105km/s。光波的波長（）、頻率（f）和速度之間的關(guān)系為：或j1j1Oj2n2(玻璃)n1(空氣)MMNN入射光反

18、射光折射光圖2-3 光的反射和折射2、光波的折射與反射光在同一均勻介質(zhì)中是直線傳播的，但在兩種不同的介質(zhì)的交界處會發(fā)生反射和折射現(xiàn)象，如圖2-3所示。設(shè)MM為空氣與玻璃的界面，NN為界面的法線，空氣折射率n1玻璃折射率n2。當(dāng)入射光到MM與NN的交接處O點時，發(fā)生一部分光反射回空氣，另一部分光折射到玻璃中。反射定律：j1=j1；折射定律：假設(shè)光在空氣和玻璃中的速度分別為v1和v2，則根據(jù)波動理論可知： 因此，可推導(dǎo)出：由此，對折射率較小的物質(zhì)稱為光疏介質(zhì)，反之為光密介質(zhì)。2、光波的全反射j0j0Oj2=90°n2(玻璃)n1(空氣)MMNN入射光反射光折射光圖2-4 光的全反射光從折

19、射率大的介質(zhì)到折射率小的介質(zhì)時，根據(jù)折射理論，折射角大于入射角，并隨入射角增大而增大，當(dāng)入射角增大到臨界角j0時，折射角j2=90°，如圖2-4，這時光以j1角全反射回去，從能量角度看，折射光能量越來越小，反射光能量逐漸增大，直到折射光消失。這種情況下：即：3、光在階躍型光纖中的傳播如圖2-5，纖芯的折射率n1包層的折射率n2，其折射率分布的數(shù)學(xué)式如下：光線以光纖的軸心線平行射入，則直線向前傳播。若光線以光纖端面入射角進(jìn)入光纖，則在包層產(chǎn)生包層界面入射角j。因為n1n2，包層界面入射角的臨界角jM，與臨界端面入射角a的關(guān)系為：當(dāng)a時，則jjM（如圖中光線），光線有一部分射到包層；當(dāng)a

20、時，則jjM（如圖中光線），光現(xiàn)在纖芯和包層的界面不斷全反射，在允許的彎曲程度內(nèi)，只要光纖是圓柱體，光就能在光纖中轉(zhuǎn)彎，產(chǎn)生億萬次以上的全反射（與光纖的長度、直徑有關(guān)）。光纖端面的數(shù)值孔徑：光纖端面的臨界角a稱為光纖的孔徑角。可知2a大小為光纖可接收光的角度范圍，實際上為圓錐角，因此，a越大，可接收的光越多，光纖與光源的耦合越方便。設(shè)jM為光纖芯與包層的臨界角，則有：設(shè)光由折射率為 n0的空氣射入的，令n0=1，則有：由上式得：用n0=1和臨界角公式代入得：由于n1和n2相差很小，所以n1+n22 n1+，并定義= 為相對折射率差，則有：其中，N.A(Numerical Aperture)為數(shù)

21、值孔徑，當(dāng)越大，孔徑角也越大。但實際上大的數(shù)值孔徑會在傳輸中激起高次模式，使傳輸帶寬變窄，一般多模光纖=1%，jM=0.14 rad8°,當(dāng)n11.5時，則N.A=0.21。2、光在聚焦型光纖中的傳播聚焦型光纖又稱折射率分布漸變型光纖，光纖折射率分布如圖2-6所示，數(shù)學(xué)表示如下：上式中當(dāng)a=2時：聚焦型光纖的折射率，從軸心沿半徑方向以平方律拋物線形狀連續(xù)下降，軸心線上最大，邊緣最小，因此光傳播時，速度不一樣，軸心線上最慢，如上圖，平行入射的光，一般形成近似于正弦曲線的傳播途徑，其中1、2、3等點為自聚焦點，各平行光線同時到達(dá)。這意味著光纖具有很寬的傳輸帶寬，可以傳送圖像，此外，聚焦型

22、光纖沒有全反射損耗。自聚焦型光纖的折射率實現(xiàn)平方律拋物線分布很難，如圖2-7所示，一般采用梯度型分布曲線，稱梯度型光纖，利用這種技術(shù)可制造多模梯度型光纖，其數(shù)值孔徑如下：其中：n（0）為纖芯中心折射率，n（a）為芯層邊緣的折射率l 光纖種類光纖由折射率較高的纖芯（core）和折射率較低的包層（cladding）組成，在包層外面加上塑料護(hù)套，如圖2-8所示。光纖按材料分為：1、石英光纖：石英玻璃（SiO2）；2、多種組份玻璃光纖；3、液芯光纖：細(xì)管內(nèi)采用傳光液體；4、塑料光纖：塑料為材料的傳光傳圖像光纖；5、高強(qiáng)度光纖：以石英為纖芯和包層，外涂炭素材料。按折射率分布分：1、 突變型光纖；2、 漸

23、變型光纖；3、 W型光纖等。按光纖內(nèi)部能傳輸?shù)碾姶艌龅目偰?shù)（可激勵的總模數(shù)）分：1、 單模光纖；2、 多模光纖。按工作波長分：1、 1m以下的短波長光纖（0.85m）；2、 1m以上的長波長光纖（第一長波長：1.30m，第二長波長1.55m和第三長波長1.62m）。當(dāng)今用于通信的光纖，一般為石英光纖，外徑為125m，傳輸帶寬極寬，通信容量巨大。材料純度達(dá)到99.999999%，折射率分布十分精確，這樣光纖的傳輸帶寬才能達(dá)到10KHz/km100KHz/km以上，以實現(xiàn)大容量通信。一般以康寧光纖的標(biāo)準(zhǔn)：1、 0.85m光纖傳輸率耗：0.5dB/km；2、 1.30m光纖傳輸率耗：0.38dB/

24、km；3、 1.31m光纖傳輸率耗：0.35dB/km；4、 1.55m光纖傳輸率耗：0.25dB/km；5、 1.625m光纖傳輸率耗：0.25dB/km。l 光纖衰減光纖傳輸中會產(chǎn)生衰減（率耗或損耗），公式如下：其中P出P入為輸入和輸出端的光功率。光纖的衰減來源主要分為：1、 材料吸收衰減吸收衰減是光纖材料中的某些粒子吸收光能而產(chǎn)生振動，并以熱的形式而散失掉。原因是材料中存在不需要的雜質(zhì)離子，特別是過渡金屬離子通（Cu2+）、鐵（Fe2+）、鉻（Cr3+）、鈷（Co2+）、錳（Mn2+）、鎳（Ni2+）、釩（V）等和氫氧根負(fù)離子（OH-，又稱氫基）。其中，金屬離子的吸收波峰（吸收帶）在0.

25、5m1.1m處，氫氧根負(fù)離子的基波吸收波峰在2.73m，二次諧波吸收波峰在1.38m處，三次諧波吸收波峰在0.95m。材料吸收的衰減要最低，必須對原材料嚴(yán)格化學(xué)提純，金屬離子含量降到ppb級，氫氧化合物的雜質(zhì)含量在1ppm以下。材料的本征吸收是固有的，紫外吸收的波長在0.39m以下，紅外吸收的波長范圍在1.8m以上。2、 光纖的散射衰減散射就是在光纖中傳輸遇到不均勻或不連續(xù)的情況時，會有一部分光散射到各個方向上去，不能到傳輸終點，從而造成散射衰減。 材料散射制造中造成的缺陷如，氣泡雜志、不溶解粒子及折晶等，引起材料散射。其次，材料密度的不均勻造成折射率不均勻，引起瑞利散射，瑞利散射與波長有關(guān)，

26、與光波的長的4次方（4）成反比，波長越長，散射衰減越小，因此，長波長（1.1m1.65m）的衰減小于短波長（0.6m0.9m）的衰減。降低材料散射衰減的辦法是在熔煉光纖預(yù)制棒和拉絲時，要選擇合適的工藝，清潔的環(huán)境。 光纖波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的不完善引起的散射光波導(dǎo)散射：光纖粗細(xì)不均勻，截面形狀改變，導(dǎo)致光傳輸時一部分能量輻射出去。要求拉絲工藝保證質(zhì)量，借助熱狀態(tài)下的玻璃表面張力，控制光纖截面的均勻。包層與纖芯間的界面凹凸不平滑引起的衰減光遇到不平滑的包層界面，一部分光透過包層出去，引起光的衰減，還引起模式變換?？傊?，光纖衰減除了材料吸收和材料散射外，其它由工藝技術(shù)造成，衰減很大時（10dB/km），屬于材

27、料吸收為主，而通信中的衰減主要來自波導(dǎo)散射和材料散射。如圖2-9所示，光衰減與波長有關(guān)，從曲線可知，石英光纖由三個衰減區(qū)（又稱作低率耗“窗口”），第一衰減區(qū)為0.6m0.9m，為短波長低率耗區(qū)。第二和第三衰減區(qū)分別為1.0m1.35m和1.45m1.8m，為長波長低衰耗區(qū)。3、 光纖彎曲衰減、微彎衰減和接頭衰減彎曲衰減：光纖可彎曲，如果曲率半徑過小，光就會從包層泄漏，因此在光纖制成纜、現(xiàn)場鋪設(shè)（管道轉(zhuǎn)彎）、光纜接頭盒等場合可能出現(xiàn)彎曲衰減，描述為：其中，R為彎曲半徑，A、B與光纖參數(shù)（纖芯半徑a，光纖外徑2b，相對折射率差）有關(guān)的待定常數(shù)。微彎衰減微彎是隨機(jī)的，其曲率半徑與光纖橫截面尺寸相比擬

28、的畸變。常發(fā)生在套塑、成藍(lán)、周圍溫度變化。微彎衰減是光纖隨機(jī)畸變的高次模與輻射模之間的耦合模所引起的光功率損耗。大小表示為：其中：N是隨機(jī)微彎的個數(shù)；h是微彎凸起的高度；表示統(tǒng)計平均符號；E是涂層料的楊氏模量；Ef是光纖的楊氏模量；a為纖芯半徑；b為光纖外半徑；微光纖的相對折射率差。接頭衰減光通信中兩個中繼站之間的長光纖，是由許許多多的短光纖連接起來的（一般每2km一段），采用熔接（0.05dB）或冷接(0.1dB)的技術(shù)，因此存在接頭損耗，一般的熔接要求兩根光纖的軸心偏移不超過10%。l 光纖的涂覆與套塑 光纖的一次涂覆通用光纖的外徑按ITU-T的規(guī)定為125m，其中單模光纖纖芯在8m 25

29、m，多模光纖纖芯在15m 50m。玻璃是脆性斷裂材料，在空氣中裸露會發(fā)生腐蝕，只要用100克左右的拉力就可以導(dǎo)致光纖斷裂。為保護(hù)光纖的表面，提高抗拉強(qiáng)度和抗彎曲度，需要給光纖涂覆硅酮樹脂或聚氨甲酸乙脂。通常采用兩次涂覆，第一層用變性硅酮樹脂，可吸收包層透過的光；第二層采用普通的硅酮樹脂，涂層較厚有利于提高低溫和抗微彎性能。緊套光纖：如跳線（jumper）和尾纖（pigtail），低溫性能好，兩次涂覆后光纖的外徑為900m。松套光纖：裸纖（bare fiber），涂料采用多種顏色的丙烯酸脂類材料，涂層為125m。 光纖的二次涂覆（被覆、套塑）為了便于操作和提高光纖成纜時的抗張力，在一次涂覆的基礎(chǔ)

30、上再套上尼龍、聚乙烯或聚酯等塑料。以保護(hù)光纖的一次涂覆，提高機(jī)械強(qiáng)度。松套在一次涂覆層的外面，再包上塑料套管，套管中注入防水油膏，塑料套管的膨脹系數(shù)比石英光纖大三個數(shù)量級，光纖的纖心到套管中心距離大于0.3mm，使光纖在套管收縮依舊可在管內(nèi)滑動。緊套在一次涂覆層外再緊緊套上尼龍或聚乙烯等塑料，光纖不能自由活動。如圖2-10。近幾年，已開發(fā)出高彈性模量，低線脹系數(shù)的液晶聚酯套塑材料，是海底光纜高強(qiáng)度光纖和高寒地區(qū)光纜光纖的優(yōu)秀套材料。光纖的連接光通信系統(tǒng)的構(gòu)成，除了光源和光檢測器件外，還有一些不用電源的光通路元器件無源光器件。在安裝任何光纖通信系統(tǒng)時，必須考慮以低損耗的方式把光纖連接起來，要求盡

31、量減少在連接的地方出現(xiàn)的光的反射。光纖的連接有永久性和活動性兩種，永久性連接的稱固定街頭，使用熔接（熱接）或冷接（接續(xù)子）；活動接頭為或接頭（機(jī)械接頭），用砝瑯盤、FC/PC、SC等活動連接器。光纖作為光波導(dǎo)遇到不連續(xù)點就產(chǎn)生損耗或反射，無論是固定接頭或活動街頭，都是特定的不連續(xù)點。對于固定接頭，光波將產(chǎn)生較大的瑞利散射，對于活動接頭，則是更大的菲涅爾反射。l 光纖的連接原理兩條光纖的幾何位置、光纖的端面情況和光纖本身特性參數(shù)的不匹配，都會產(chǎn)生連續(xù)損耗。如圖3-1所示，當(dāng)兩條光纖軸線平行，軸線橫向或側(cè)向偏移d；當(dāng)兩條光纖軸線平行，軸線縱向偏移s；當(dāng)兩條光纖軸線成角度，產(chǎn)生角度偏移時，產(chǎn)生連接損

32、耗，其中橫向偏移損耗最大最常見。設(shè)在橫向偏移d，纖芯a之內(nèi)的光功率分布完全均勻，端面上的數(shù)值孔徑為常數(shù)，則發(fā)射光纖耦合到接收光纖的光功率與兩個纖芯的公共面積成正比，可證明：對于階躍光纖，其耦合效率等于公共面積與兩根光纖的各自面積比：縱向偏移引起的損耗，發(fā)射光纖的光只有部分進(jìn)入接收光纖，數(shù)值孔徑角c越大，距離s越大，則耦合損耗也越大。同樣偏移角越大，則耦合損耗也越大。圖3-2為幾何偏移引入的損耗與偏移量大小的關(guān)系，其中橫向偏移的損耗最大。因此，對于活動連接器，為了避免端面的摩擦而人為引入0.025mm0.1mm的間距，如果光纖的纖芯為50m的多模光纖，則插入損耗為0.8dB；如果為單模光纖，插入

33、損耗一般在0.5dB。單模光纖在傳導(dǎo)模場近似于高斯分布的條件下，其連接損耗為：式中：a為光纖間的軸偏移量；w為光纖模場半徑。如模場半徑w=4.9m，如果軸偏移量a=1m，則損耗為L=0.18 dB。除了幾何偏移外，在制造中因為兩根光纖幾何特性和波導(dǎo)特性的差異，也產(chǎn)生耦合損耗。包括：光纖的芯徑、纖芯的橢圓度、數(shù)值孔徑、剖面折射率分布以及纖芯與包層的同心度等。連接兩根光纖之前，必須準(zhǔn)備光纖的端面，保證平滑與軸線垂直，防止連接點的偏轉(zhuǎn)與散射。一般的方法有研磨、拋光與切割。研磨和拋光可得到較好的端面，但不用于現(xiàn)場，切割需要在光纖劃一道刻痕，利用表面產(chǎn)生應(yīng)力集中而折斷，應(yīng)力控制不好，將產(chǎn)生裂紋分叉。總之

34、，光纖的連接可分為：l 光纖的永久連接 光纖的熔接技術(shù)70年代初，已使用鎳鉻絲通電作為熱源，對光纖進(jìn)行熔接；中期開始采用電弧放電法，用微機(jī)機(jī)構(gòu)和顯微鏡來控制光纖對正。80年代采用“預(yù)加熱熔接法”，通過電弧對光纖端面進(jìn)行預(yù)熱整形，然后再放電。這就是光纖熔接機(jī)的基本原理。目前最好的熔接機(jī)對單模光纖的平均損耗到達(dá)0.03dB。熔接的過程包括端面的準(zhǔn)備、纖芯的對正、熔接和接頭增強(qiáng)等。端面準(zhǔn)備：使用切割刀，如simens的A8切割刀，谷河的1-2-3切割刀。纖芯對正：PAS技術(shù)通過CCD攝像和計算機(jī)處理，在X、Y、Z軸3個方向進(jìn)行最佳對正，如simens的L-PAS和LID系統(tǒng)，通過自身發(fā)射激光并檢測最

35、大的光功率來調(diào)整對正。熔接：讓兩根光纖保持幾微米的間隙進(jìn)行預(yù)熔。最后通過高溫電弧使光纖熔接在一起，simens的LID系統(tǒng)通過發(fā)射激光可以調(diào)節(jié)放電時間，達(dá)到最佳熔接效果。之后，用大約4牛頓的力進(jìn)行拉力測試。目前的熔接機(jī)對正和熔接、拉力測試可全自動進(jìn)行。接頭增強(qiáng)：用熱縮管對熔接點進(jìn)行保護(hù)和增強(qiáng)。膠接法原理與熔接雷同。 固定連接器技術(shù)圖3-3為常用固定連接器外形。A為依靠毛細(xì)管定位的連接器，如3M的接續(xù)子，simence的camsplice；B、C、D為V型槽連接，V型槽角度一般為60度左右，如3M的接續(xù)子，simence的camsplice。固定連接器的損耗一般在1 dB左右。l 光纖的活動連接

36、光纖的活動連接器可重復(fù)拆裝，形似電纜連接器，但加工精度高，主要是保證插入損耗小，重復(fù)性好。光纖活動連接器廣泛應(yīng)用于傳輸線路，光配線架和光測試儀表中。光纖活動連接器種類按結(jié)構(gòu)調(diào)心型和非調(diào)心型；按連接方式分對接耦合式和透鏡耦合式；按光纖相互接觸關(guān)系分平面接觸式和球面接觸式等。使用最多的是非調(diào)心型對接耦合式如平面對接式（FC），直接接觸式（PC），矩形（SC）活動連接器。還有APC、ST等。 FC型光纖活動連接器如圖3-4，F(xiàn)C連接器由插針體a、插針體b與套筒等組成。插針體a裝發(fā)射光纖，插針體b裝接收光纖，將a、b同時插入套筒，再將螺旋擰緊，實現(xiàn)光纖的對接耦合。FC由于平面接觸產(chǎn)生空隙，使光在石英玻

37、璃和空氣間產(chǎn)生菲涅爾反射。 PC型光纖活動連接器對于FC的問題，PC將插針套筒端面磨成凸球面，使光纖能夠直接接觸，PC型連接器插入損耗小，反射損耗大（發(fā)射光少），性能定。PC的球面曲率直徑為20mm，與模場直徑為9m左右的單模光纖相配。FC與PC基本上一樣，習(xí)慣上稱FC/PC，插針套筒核對中套筒采用不銹鋼或陶瓷。不銹鋼加工困難，陶瓷材料一般為氧化鋯和氧化鋁兩種，氧化鋁硬于氧化高，可用氧化鋁作為插針套筒，用氧化鋯作為對正套筒，但陶瓷易碎。 SC型光纖活動連接器在計算機(jī)的FDDI光纖網(wǎng)絡(luò)中，一般使用SC活動連接器，F(xiàn)C/PC通過旋轉(zhuǎn)耦合，而SC屬于插拔式，易于高密度安裝。SC插針套筒為氧化鋯整體型

38、。 3M的VF-45光纖活動連接器在最近，3M公司同樣推出了用于光纖網(wǎng)絡(luò)的VF-45連接器，大小如雙絞線的RJ-45，也是插撥式，比SC成本低。光纜光纖雖然具有一定的抗拉強(qiáng)度，但是經(jīng)不起實用場合的彎曲、扭曲和側(cè)壓力的作用。因此，必須象通信用的銅纜一樣，借用傳統(tǒng)的矯合、套塑、金屬帶鎧裝等成纜工藝，并在纜芯中放置強(qiáng)度元件材料，制成不同環(huán)境下使用的多品種光纜，使之能適應(yīng)工程要求的敷設(shè)條件，承受實用條件下的抗拉、抗沖擊、抗彎、抗扭曲等機(jī)械性能，以保證光纖原有的好的傳輸性能不變。光纜性能的好壞在很大程度上決定于光纖性能的好壞，因此，首先光纖必須符合ITU-T規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)要求。光纖在成纜絞合、鎧裝、敷設(shè)

39、安裝和氣候環(huán)境溫度變化的情況下會引起衰耗的增加，例如光纖套塑材料（聚乙烯、尼龍、聚丙烯等）的膨脹系數(shù)比石英玻璃光纖大3個數(shù)量級，因此在低溫收縮時會使光纖的微彎增大，為了避免上述有害的現(xiàn)象，在生產(chǎn)中采用緊套光纖、松套光纖結(jié)構(gòu)。同時光纖必須能夠承受足夠的拉力，純凈光纖本身的拉力極大，達(dá)到2000kg/mm2，但是由于雜質(zhì)、旗袍、微粒等原因，拉絲的平均強(qiáng)度只有10-30 kg/mm2，換算成125mm的標(biāo)準(zhǔn)通信光纖的斷裂強(qiáng)度為4.89kg。但目前國內(nèi)外廠家的光纖平均抗拉強(qiáng)度在600-800g左右。l 光纜的種類和結(jié)構(gòu)根據(jù)我國光纜生產(chǎn)的實際情況和各地區(qū)使用條件的不同，光纜品種可按照下表分類，使用溫度范

40、圍可分為所示四級。北方地區(qū)多用A、B兩種，南方地區(qū)多用C、D兩種。 層絞式光纜層絞式光纜一般由松套光纖以制電纜的方式構(gòu)成的光纜（古典市），這種結(jié)構(gòu)在全世界應(yīng)用廣泛，是早期光通信常用的光纜。這種光纜一般為6-12芯光纖，按管道、加恐和直埋的敷設(shè)要求其保護(hù)層稍有不同，一般來說，在市話網(wǎng)絡(luò)中采用管道，在長途線路上采用直埋，在鄉(xiāng)村等采用架空。如圖3-5所示6芯松套層絞式光纜，中間為實心鋼絲和纖維增強(qiáng)塑料（FRP，無金屬光纜），松套光纖扭絞在中心增強(qiáng)件周圍，用包帶固定，外面增加皺紋鋼（凱裝甲），外護(hù)套采用PVC或AL-PE粘接護(hù)層。光纖在塑料套管中有一定的余長，使光纜在被拉伸時有活動的余地，因此，光纜長度不等于光纖的長度，一般采用光纜系數(shù)來描述兩者的比例。 骨架式光纜骨架式光纜使光纖放在獨立的塑料套管或骨架槽內(nèi)，骨架材料用低密度聚乙烯，加強(qiáng)芯采用多古稀鋼絲或增強(qiáng)型塑料，如圖3-6所是骨架式光纜，就是由4基本骨架構(gòu)成。 束管式光纜對光纖的保護(hù)來說，束管式結(jié)構(gòu)光纜最合理，如圖美國朗訊（LUCENT）的LXE光纜，利用放置在護(hù)層中的兩根單股鋼絲作為兩根加強(qiáng)芯，光纜強(qiáng)度好，尤其耐側(cè)壓，在束管中光纖的數(shù)量靈活，如LXE光纜外徑為11.0mm（52kg/km）的光纖容量為4-48芯，外徑為13.3mm（57kg/km）的光纖容量