【正文】 書名：光纖通信技術(shù)與設(shè)備 ISBN： 9787111314004 作者：段智文 出版社：機(jī)械工業(yè)出版社 本書配有電子課件 第 2章 光纖與光纜 光纖 光纖的特性 單模光纖與多模光纖 光纜 光纖通信技術(shù)與設(shè)備 教育部高等職業(yè)教育示范專業(yè)規(guī)劃教材 光纖 目標(biāo) ●了解光纖的結(jié)構(gòu)與分類 ●掌握光纖的導(dǎo)光機(jī)理 ●掌握光纖的標(biāo)準(zhǔn)與應(yīng)用 ●掌握光纖的損耗特性、色散特性 ●掌握光纜的結(jié)構(gòu)與種類 ●掌握光纜的型號(hào)、色譜與端別 光纖通信技術(shù)與設(shè)備 教育部高等職業(yè)教育示范專業(yè)規(guī)劃教材 光纖 在光通信中 ， 長(zhǎng)距離傳輸光信號(hào)所需要的光波導(dǎo)是一種叫做光導(dǎo)纖維 （ 簡(jiǎn)稱光纖 ）的圓柱體介質(zhì)波導(dǎo) 。 所謂 “ 光纖 ” 就是工作在光頻下的一種介質(zhì)波導(dǎo) ， 它引導(dǎo)光能沿著軸線平行方向傳輸 。 光纖通信技術(shù)與設(shè)備 教育部高等職業(yè)教育示范專業(yè)規(guī)劃教材 光纖的結(jié)構(gòu)與分類 光纖 （ Optical Fiber， OF） 就是用來(lái)導(dǎo)光的透明介質(zhì)纖維 ， 一根實(shí)用化的光纖是由多層透明介質(zhì)構(gòu)成的 ， 一般光纖的結(jié)構(gòu)如圖 21所示 ， 可以分為三層：折射率較大的為纖芯 、 折射率較低的為包層和外涂覆層 ， 纖芯和包層的結(jié)構(gòu)滿足導(dǎo)光要求 ，控制光波沿纖芯傳播；涂覆層主要起保護(hù)作用（ 因不作導(dǎo)光用 ， 故可染成各種顏色 ） 。 光纖通信技術(shù)與設(shè)備 教育部高等職業(yè)教育示范專業(yè)規(guī)劃教材 圖 21 一般光纖的結(jié)構(gòu) 光纖通信技術(shù)與設(shè)備 教育部高等職業(yè)教育示范專業(yè)規(guī)劃教材 光纖的組成部分 （ 1）纖芯 纖芯位于光纖的中心部位（直徑 d1約 5～ 80μm），其成份是高純度的二氧化硅，此外還摻有極少量的摻雜劑如二氧化鍺，五氧化二磷等，摻有少量摻雜劑的目的是適當(dāng)提高纖芯的光折射率（ n1）。通信用的光纖，其纖芯的直徑為 5～ 10μm（單模光纖）或 50～ 80μm（多模光纖）。 （ 2）包層 包層位于纖芯的周圍（其直徑 d2約 125μm），其成份也是含有極少量摻雜劑的高純度二氧化硅。而摻雜劑（如三氧化二硼）的作用則是適當(dāng)降低包層的光折射率（ n2），使之略低于纖芯的折射率。為滿足不同導(dǎo)光的要求，包層可做成單層，也可做成多層。 （ 3）涂敷層 光纖的最外層是由丙烯酸酯、硅橡膠和尼龍組成的涂敷層，其作用是增加光纖的機(jī)械強(qiáng)度與可彎曲性。涂覆層一般分為一次涂覆和二次涂覆層。二次涂覆層是在一次涂覆層的外面再涂上一層熱塑材料，故又稱為套塑。一般涂敷后的光纖外徑約 。 光纖通信技術(shù)與設(shè)備 教育部高等職業(yè)教育示范專業(yè)規(guī)劃教材 目前光纖的種類繁多 ， 但就其分類方法而言大致有四種 ， 即按光纖剖面折射率分布分類 、 按傳播模式分類 、 按工作波長(zhǎng)分類和按套塑類型分類等 。 此外按光纖的組成成份分類 ， 除目前最常應(yīng)用的石英光纖之外 ， 還有含氟光纖與塑料光纖等 。 （ 1） 按光纖剖面折射率分布分類 ──階躍型光纖與漸變型光纖 光纖通信技術(shù)與設(shè)備 教育部高等職業(yè)教育示范專業(yè)規(guī)劃教材 1）階躍型光纖 階躍型光纖：是指在纖芯與包層區(qū)域內(nèi) ， 其折射率分布分別是均勻的 ， 其值分別為 n1與 n2， 但在纖芯與包層的分界處 ， 其折射率的變化是階躍的 。 階躍光纖的折射率分布如圖 22所示 。 光纖通信技術(shù)與設(shè)備 教育部高等職業(yè)教育示范專業(yè)規(guī)劃教材 2）漸變型光纖 漸變型光纖：是指光纖軸心處的折射率最大 （ n1） ， 而沿剖面徑向的增加而逐漸變小 ， 其變化規(guī)律一般符合拋物線規(guī)律 ， 到了纖芯與包層的分界處 ， 正好降到與包層區(qū)域的折射率 n2相等的數(shù)值；在包層區(qū)域中其折射率的分布是均勻的 ， 即為 n2。 漸變光纖的折射率分布如圖 23所示 。 光纖通信技術(shù)與設(shè)備 教育部高等職業(yè)教育示范專業(yè)規(guī)劃教材 （ 2） 按傳播模式分類 ──多模光纖與單模光纖 在工作波長(zhǎng)一定的情況下 ， 光纖中存在有多個(gè)傳輸模式 ，這種光纖就稱為多模光纖 。 多模光纖的橫截面折射率分布有均勻的和非均勻兩種 。 前者也叫階躍型多模光纖 ， 后者稱為漸變型多模光纖 。 多模光纖的傳輸特性較差 ， 帶寬較窄 ， 傳輸容量較小 。 在工作波長(zhǎng)一定的情況下 ， 光纖中只有一種傳輸模式的光纖 ， 這種光纖就稱為單模光纖 。 單模光纖只能傳輸基模（ 最低階模 ） ， 不存在模間的傳輸時(shí)延差 ， 具有比多模光纖大得多的帶寬 ， 這對(duì)于高速傳輸是非常重要的 。 光纖通信技術(shù)與設(shè)備 教育部高等職業(yè)教育示范專業(yè)規(guī)劃教材 （ 3） 按工作波長(zhǎng)分類 ──短波長(zhǎng)光纖與長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖 短波長(zhǎng)光纖：在光纖通信發(fā)展的初期 ， 人們使用的光波之波長(zhǎng)在 ～ （ 典型值為 ） ， 習(xí)慣上把在此波長(zhǎng)范圍內(nèi)呈現(xiàn)低衰耗的光纖稱作短波長(zhǎng)光纖 。 短波長(zhǎng)光纖屬早期產(chǎn)品 ， 目前很少采用 。 長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖：后來(lái)隨著研究工作的不斷深入 ， 人們發(fā)現(xiàn)在波長(zhǎng) ， 石英光纖的衰耗急劇下降 。 不僅如此 ， 而且在此波長(zhǎng)范圍內(nèi)石英光纖的材料色散也大大減小 。 因此 ， 人們的研究工作又迅速轉(zhuǎn)移 ， 并研制出在此波長(zhǎng)范圍衰耗更低 ， 帶寬更寬的光纖 ， 習(xí)慣上把工作在～ 。 長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖因具有衰耗低 、 帶寬寬等優(yōu)點(diǎn) ， 特別適用于長(zhǎng)距離 、 大容量的光纖通信 。 光纖通信技術(shù)與設(shè)備 教育部高等職業(yè)教育示范專業(yè)規(guī)劃教材 （ 4） 按套塑類型分類 ──緊套光纖與松套光纖 1） 緊套光纖：是指二次 、 三次涂敷層與予涂敷層及光纖的纖芯 ， 包層等緊密地結(jié)合在一起的光纖 。目前此類光纖居多 。 2） 松套光纖：是指經(jīng)過(guò)予涂敷后的光纖松散地放置在一塑料管之內(nèi) ， 不再進(jìn)行二次 、 三次涂敷 。 光纖通信技術(shù)與設(shè)備 教育部高等職業(yè)教育示范專業(yè)規(guī)劃教材 光纖的導(dǎo)光機(jī)理 光是一種頻率極高的電磁波 ， 而光纖本身是一種介質(zhì)波導(dǎo) ， 因此光在光纖中的傳輸理論是十分復(fù)雜的 。 要想全面地了解它 ， 需要應(yīng)用電磁場(chǎng)理論 、波動(dòng)光學(xué)理論 ， 甚至量子場(chǎng)論方面的知識(shí) 。 為了便于理解 ， 我們從幾何光學(xué)的角度來(lái)討論光纖的導(dǎo)光原理 ， 這樣會(huì)更加直觀 、 形象 、 易懂 。更何況對(duì)于多模光纖而言 ， 由于其幾何尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于光波波長(zhǎng) ， 所以可把光波看作成為一條光線來(lái)處理 ， 這正是幾何光學(xué)的處理問(wèn)題的基本出發(fā)點(diǎn) 。 光纖通信技術(shù)與設(shè)備 教育部高等職業(yè)教育示范專業(yè)規(guī)劃教材 當(dāng)光線在均勻介質(zhì)中傳播時(shí)是以直線方向進(jìn)行的 ， 但在到達(dá)兩種不同介質(zhì)的分界面時(shí) ， 會(huì)發(fā)生反射與折射現(xiàn)象 。 光的反射與折射如圖 24所示 。 根據(jù)光的反射定律 ， 反射角等于入射角 。 根據(jù)光的折射定律： n1sinθ1=n2sinθ2。 其中 ， n1為纖芯的折射率； n2為包層的折射率 。 光纖通信技術(shù)與設(shè)備 教育部高等職業(yè)教育示范專業(yè)規(guī)劃教材 全反射 現(xiàn)象 顯然，若 n1＞ n2，則會(huì)有 θ2＞ θ1。如果 n1與 n2的比值增大到一定程度，就會(huì)使折射角 θ2≥90176。 ，此時(shí)的折射光線不再進(jìn)入包層，而會(huì)在纖芯與包層的分界面上掠過(guò)（ θ2=90176。 時(shí)），或者重返回到纖芯中進(jìn)行傳播（ θ2＞90176。 時(shí)）。這種現(xiàn)象叫做光的全反射現(xiàn)象，如圖 25所示。 光纖通信技術(shù)與設(shè)備 教育部高等職業(yè)教育示范專業(yè)規(guī)劃教材 （ 1）光纖中光射線的傳播 圖 26 光纖中的射線 光纖通信技術(shù)與設(shè)備 教育部高等職業(yè)教育示范專業(yè)規(guī)劃教材 （ 2）子午線在階躍型光纖中的傳播 圖 27 光纖中的子午線傳播 光纖通信技術(shù)與設(shè)備 教育部高等職業(yè)教育示范專業(yè)規(guī)劃教材 （ 3）數(shù)值孔徑 由于 n1與 n2差別較小，所以 sinφ0≈φ0，定義 sinφ0為光纖的數(shù)值孔徑 NA： 光纖產(chǎn)生全反射時(shí)光纖端面最大入射角的正弦值 sinφ0稱為光纖的數(shù)值孔徑。一般用 NA（ Numerical Aperture）表示，此式表示了光纖收集光的能力。凡是入射光線的入射角小于圓錐角 φ0以內(nèi)的光線都可以滿足全反射條件，將被束縛在纖芯中沿軸向傳播?？梢?jiàn)，光纖的數(shù)值孔徑與相對(duì)折射率差的平方根成正比，也就是說(shuō)光纖纖芯與包層的折射率相差越大，則光纖的數(shù)值孔徑越大，其集光能力越強(qiáng)。 222110 2s i n nnnNA ????? ?光纖通信技術(shù)與設(shè)備 教育部高等職業(yè)教育示范專業(yè)規(guī)劃教材 3. 光在漸變光纖中的傳播 漸變型光纖纖芯的折射率不是常數(shù) ， 它隨光纖半徑的增加而逐漸減小到等于包層的折射率 ， 如圖28所示 。 光纖通信技術(shù)與設(shè)備 教育部高等職業(yè)教育示范專業(yè)規(guī)劃教材 單模光纖與多模光纖 單模光纖 只能傳輸一種模式的光纖稱為單模光纖。單模光纖只能傳輸基模（最低階模），它不存在模間時(shí)延差，因此它具有比多模光纖大得多的帶寬，這對(duì)于高碼速傳輸是非常重要的。單模光纖的帶寬一般都在幾十GHz?km以上。 階躍型單模光纖的結(jié)構(gòu)如圖 29所示。 圖 29 階躍型單模光纖的結(jié)構(gòu) 光纖通信技術(shù)與設(shè)備 教育部高等職業(yè)教育示范專業(yè)規(guī)劃教材 表 21 光 纖 類 別 1310模場(chǎng)直徑 /μ m 包層直徑 /μ m 1310nm芯同心度誤差 /μ m 包層不圓度 /％ 涂覆層直徑（未著色） /μ m 涂覆層直徑（著色） /μ m 包層 /涂覆層同心度誤差 /μ m （ ～ ） 177。 125177。 1 ≤ ≤2 245177。 10 250177。 15 ≤ 光纖通信技術(shù)與設(shè)備 教育部高等職業(yè)教育示范專業(yè)規(guī)劃教材 表 22 B4類單模光纖的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù) 光 纖 類 別 B4 1550nm模場(chǎng)直徑 /μ m 包層直徑 /μ m 1550nm芯同心度誤差 /μ m 包層不圓度 /％ 涂覆層直徑（未著色） /μ m 涂覆層直徑（著色）