光纖和光纜1課件

第二章光纖和光纜主要內(nèi)容

光纖是傳輸信息的主要介質(zhì)，因此研究光纖通信，首先應(yīng)對(duì)光纖的結(jié)構(gòu)與分類，光纖的傳光原理以及光纖的有關(guān)的特性有所了解．

在實(shí)際的光纖通信線路中，為了保證光纖能在各種敷設(shè)條件下和各種環(huán)境中長(zhǎng)期使用等原因，就必須將光纖構(gòu)成光纜，因此，對(duì)光纜的特性有所了解．光纖的結(jié)構(gòu)纖芯位于光纖中心，直徑2a為5～75μm,作用是傳輸光波。包層位于纖芯外層，直徑2b為100～150μm,作用是將光波限制在纖芯中。纖芯和包層即組成裸光纖，兩者采用高純度二氧化硅（SiO2）制成，但為了使光波在纖芯中傳送，應(yīng)對(duì)材料進(jìn)行不同摻雜，使包層材料折射率n2比纖芯材料折射率n1小，即光纖導(dǎo)光的條件是n1＞n2。一次涂敷層是為了保護(hù)裸纖而在其表面涂上的聚氨基甲酸乙脂或硅酮樹脂層，厚度一般為30～150μm。套層又稱二次涂覆或被覆層，多采用聚乙烯塑料或聚丙烯塑料、尼龍等材料。經(jīng)過二次涂敷的裸光纖稱為光纖芯線。

光纖的分類石英系列光纖（以SiO2為主要材料）按光纖組成材料劃分多組分光纖（材料由多組成分組成）液芯光纖（纖芯呈液態(tài)）塑料光纖（以塑料為材料）

階躍型光纖（SIF）光纖種類按光纖纖芯折射率分布劃分漸變型光纖（GIF）W型光纖單模光纖（SMF）按光纖傳輸模式數(shù)劃分

多模光纖（MMF）光的反射與折射示意圖光的全反射示意圖階躍型光纖折射率是沿徑向呈階躍分布，在軸向呈均勻分布，是包層折射率，是纖芯折射率。假設(shè)圖中的階躍型光纖為理想的圓柱體，光線若垂直于光纖端面入射，并與光纖軸線重合，或平行，這時(shí)光線將沿纖芯軸線方向向前傳播。若光線以某一角度入射到光纖端面時(shí)，光線進(jìn)入纖芯會(huì)發(fā)生折射。當(dāng)光線到達(dá)纖芯與包層的界面上時(shí)，發(fā)生全反射或折射現(xiàn)象。若要使光線在光纖中實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離傳輸，必須使光線在纖芯與包層的界面上發(fā)生全反射，即入射角大于臨界角。由前面分析已知光纖的臨界角為

漸變光纖的導(dǎo)光原理示意圖

為了分析漸變型光纖中光的傳播，將纖芯劃分成若干同軸的薄層，假設(shè)各層內(nèi)折射率均勻分布，而每層折射率從里到外逐漸減小，即有＞＞＞＞…。若光以一定的入射角從軸心處第一層射向與第二層的交界面時(shí)，由于是從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)，折射接角大于入射角，光線將折射進(jìn)第二層射向與第三層的交界面，并再次發(fā)生折射進(jìn)入第三層，依次第推，由于光線都是從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)，入射角將隨折射次數(shù)增大。當(dāng)在某一界面處（圖中是在第三層和第四層的界面上），入射角大于臨界角時(shí)，光線將出現(xiàn)全反射，方向不再朝向包層而是朝向軸心。之后光線是從光疏介質(zhì)射向光密介質(zhì)，入射角逐漸減小，直至穿過軸心后，光線又出現(xiàn)從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)，重復(fù)上述折射過程。因此，當(dāng)纖芯分層數(shù)無限多，其厚度趨于零時(shí)，漸變型光纖纖芯折射率呈連續(xù)變化，光線在其中的傳播軌跡不再是折線，而是一條近似于正弦型的曲線。

相對(duì)折射率差Δ對(duì)于階躍型光纖，假設(shè)是包層折射率，是纖芯折射率，且＞，和的差值大小直接影響光纖的性能。故引入相對(duì)折射率差Δ表示其相差程度。

對(duì)于通信光纖，≈，上式簡(jiǎn)化成為

對(duì)于漸變型光纖，若軸心處（r=0）的折射率為,則相對(duì)折射率差定義為

數(shù)值孔徑NA(教材11、16頁(yè))對(duì)于階躍型光纖，當(dāng)光線在纖芯與包層界面上發(fā)生全反射時(shí)，光波在纖芯中傳播軌跡為折線，相應(yīng)的端面入射角記為光纖波導(dǎo)的孔徑角（或端面臨界角）。即只有光纖端面入射角大于的光線才能在光纖中傳播，故光纖的受光區(qū)域是一個(gè)圓錐形區(qū)域，圓錐半錐角的最大值就等于。為表示光纖的集光能力大小，定義光纖波導(dǎo)孔徑角的正弦值為光纖的數(shù)值孔徑（NA），即：由于，上式簡(jiǎn)化成為可見，光纖的數(shù)值孔徑與纖芯與包層直徑無關(guān)，只與兩者的相對(duì)折射率差有關(guān)。若纖芯和包層的折射率差越大，NA值就越大，即光纖的集光能力就越強(qiáng)。對(duì)于階躍型光纖，由于纖芯折射率均勻分布，纖芯端面各點(diǎn)的數(shù)值孔徑都相同，即各點(diǎn)收光能力相同。對(duì)于漸變型光纖，纖芯折射率分布不均勻，光線在其端面不同點(diǎn)入射，光纖的收光能力不同，因此漸變型光纖數(shù)值孔徑定義為：截止波長(zhǎng)(教材24頁(yè)）通常可用它判斷是否單模傳輸。其為光纜出廠參數(shù)之一（教材24頁(yè)）模場(chǎng)直徑

由于單模光纖的邊界沒有明確的邊界，包層之外有相當(dāng)大的光場(chǎng)存在，故不能象多模光纖一樣用纖芯表示橫截面的導(dǎo)光范圍，只能用模場(chǎng)直徑表示。它表示了單模光纖的基模能量集中的程度。CCITT規(guī)定，單模光纖.31μm處的模場(chǎng)直徑應(yīng)在9～10μm,偏差不應(yīng)超過±10%。ITU-T建議的光纖分類

110頁(yè)G.651光纖:漸變多模光纖，工作波長(zhǎng)為1.31μm和1.55μm，在1.31μm處光纖有最小色散，而在1.55μm處光纖有最小損耗，主要用于計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)或接入網(wǎng)。G.652光纖：常規(guī)單模光纖，也稱為非色散位移光纖，其零色散波長(zhǎng)為1.31μm，在1.55μm處有最小損耗，是目前應(yīng)用最廣的光纖。G.653光纖：色散位移光纖，在1.55μm處實(shí)現(xiàn)最低損耗與零色散波長(zhǎng)一致，但由于在1.55μm處存在四波混頻等非線性效應(yīng)，阻礙了其應(yīng)用。G.654光纖：性能最佳單模光纖，在1.55μm處具有極低損耗（大約0.18dB/km）且彎曲性能好。。G.655光纖：非零色散位移單模光纖，在1.55μm～1.65μm處色散值為0.1～6.0ps/（nm.km），用以平衡四波混頻等非線性效應(yīng)，適用于高速（10Gb/s以上）、大容量、DWDM系統(tǒng)。

實(shí)際使用的光纜分類

分類方法

光纜種類按所使用的光線分類單模光纜、多模光纜、（階躍型、漸變型）按纜芯結(jié)構(gòu)劃分層絞式、骨架式、大束管式、帶式、單元式按外護(hù)套結(jié)構(gòu)分類無鎧裝、鋼帶鎧裝、鋼絲鎧裝按光纜中有無金屬分類有金屬光纜、無金屬光纜按維護(hù)方式分類充油光纜、充氣光纜按敷設(shè)方式分類直埋光纜、管道光纜、架空光纜、水底光纜按適用范圍分類中繼光纜、海底光纜、用戶光纜、局內(nèi)光纜、長(zhǎng)途光纜光纜種類目前通信用光纜可分為:(1)室(野)外光纜(2)軟光纜(3)室(局)內(nèi)光纜(4)設(shè)備內(nèi)光纜(5)海底光纜(6)特種光纜

光纜結(jié)構(gòu)

1．層絞式結(jié)構(gòu)光纜

它屬于中心構(gòu)件配置方式，中心增強(qiáng)構(gòu)件采用塑料被覆的多股絞合或?qū)嵭匿摻z和纖維增強(qiáng)塑料兩種增強(qiáng)件．

例：6芯緊套層絞式光纜

12芯松套+8*2線對(duì)層層絞直埋光纜

光纜結(jié)構(gòu)

3．骨架式結(jié)構(gòu)光纜

4．帶狀結(jié)構(gòu)光纜

帶狀光纜可容納大量的光纖，還可以單元光纖的一次連接，以適應(yīng)大量光纖接續(xù)，安裝的需要．例：層絞式帶狀光纜

5．單芯結(jié)構(gòu)光纜

例：?jiǎn)涡拒浌饫|

光纜端別與纖序的識(shí)別