6章光纖光纜(編輯修改稿)
2025-08-31 08:32 本頁(yè)面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 一般的漸變光纖（ W型光纖除外） 都有 n（ r） n2。 ? 對(duì)于漸變光纖，可以假設(shè)纖芯由許多同軸的均勻?qū)訕?gòu)成，它們從里至外每一層的折射率越來(lái)越小 ? 設(shè)中心層的折射率為 n1，有 ? n1=n1＇ n2＇ n3＇ n4＇ n5＇ …… n2 ? 即光纖的折射率從中心起沿徑向逐漸變小 ,直到纖芯與包層的界面 ,折射率與包層相同。 ? 此時(shí)，從中心射向包層的光線都屬于從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)的情況。雖然每一均勻?qū)觾?nèi)的光線都是直線，但各層光線會(huì)不斷偏離法線，即光線方向從中心沿徑向逐漸改變，入射角越來(lái)越大，彎折越來(lái)越強(qiáng)烈。假設(shè)在折射率為 n5＇的那一層，光線的入射角已經(jīng)完全滿足全反射條件，那么光線的方向就不再朝向包層，而是朝向軸心了，這時(shí)的光線入射變成了從光疏介質(zhì)射向光密介質(zhì)的情況，入射角越來(lái)越小，各層光線會(huì)不斷偏向法線。 光纖的幾何特性 光纖的幾何特性包括芯直徑、包層直徑、纖芯 /包層同心度、不圓度和光纖翹曲度等。 1．芯直徑 芯直徑主要是對(duì)多模光纖的要求。 ITUT規(guī)定，多模光纖的芯直徑為 50177。 3μm。 2．包層直徑 包層直徑指光纖的外徑， ITUT規(guī)定，多模及單模光纖的包層直徑均要求為 125177。 3μm。 目前，光纖生產(chǎn)制造商已將光纖外徑規(guī)格從 177。 3μm提高到 177。 1μm。 3．纖芯 /包層同心度和不圓度 ? 纖芯 /包層同心度是指纖芯在光纖內(nèi)所處的中心程度。 目前光纖制造商已將纖芯 /包層同心度從 ≤高到 ≤。 ? 不圓度包括芯徑的不圓度和包層的不圓度。 ITUT規(guī)定，纖芯 /包層同心度誤差 ≤6%（單模為＜），芯徑不圓度 ≤6%，包層不圓度（包括單模）＜ 2%。 4．光纖翹曲度 光纖翹曲度指在特定長(zhǎng)度光纖上測(cè)量到的彎曲度，可用曲率半徑來(lái)表示彎曲度。翹曲度（即曲率半徑）數(shù)值越大，意味著光纖越直。 注：纖芯 /包層同心度對(duì)接續(xù)損耗的影響最大，其次是翹曲度。 光纖的光學(xué)特性 光纖的光學(xué)特性有折射率分布、最大理論數(shù)值孔徑、模場(chǎng)直徑及截至波長(zhǎng)等。 1．折射率分布 光纖折射率分布，可用下式表示： ? ? 2/112 )/(21 darnn ??? 其中， n1為纖芯折射率， n2為包層折射率， a為芯半徑， r為離開(kāi)纖芯中心的徑向距離， Δ為相對(duì)折射率差， Δ=(n1 ? n2 )/ n1 。 多模光纖的折射率分布，決定光纖帶寬和連接損耗，單模光纖的折射率分布，決定工作波長(zhǎng)的選擇。 光纖的光學(xué)特性 2．最大理論數(shù)值孔徑（ NAmax） 最大理論數(shù)值孔徑的定義為： 2/12221m a x )( nnNA ?? 其中， n1為階躍光纖均勻纖芯的折射率（梯度光纖為纖芯中心的最大折射率）， n2為均勻包層的折射率。 光纖的數(shù)值孔徑（ NA）對(duì)光源耦合效率、光纖損耗、彎曲的敏感性以及帶寬有著密切的關(guān)系，數(shù)值孔徑大，容易耦合，微彎敏感小，帶寬較窄。 光纖的光學(xué)特性 3．模場(chǎng)直徑和有效面積 ? 模場(chǎng)直徑是指描述單模光纖中光能集中程度的參量。 ? 有效面積與模場(chǎng)直徑的物理意義相同，通過(guò)模場(chǎng)直徑可以利用圓面積公式計(jì)算出有效面積。 模場(chǎng)直徑越小，通過(guò)光纖橫截面的能量密度就越大。當(dāng)通過(guò)光纖的能量密度過(guò)大時(shí)，會(huì)引起光纖的非線性效應(yīng)，造成光纖通信系統(tǒng)的光信噪比降低，影響系統(tǒng)性能。 因此，對(duì)于傳輸光纖而言，模場(chǎng)直徑（或有效面積）越大越好。 圖 213所示為模場(chǎng)直徑示意圖。 光纖的光學(xué)特性 圖 213 模場(chǎng)直徑 光纖的光學(xué)特性 4．截止波長(zhǎng) 理論上的截止波長(zhǎng)是單模光纖中光信號(hào)能以單模方式傳播的最小波長(zhǎng)。 截止波長(zhǎng)條件可以保證在最短光纜長(zhǎng)度上單模傳輸，并且可以抑制高次模的產(chǎn)生或可以將產(chǎn)生的高次模噪聲功率代價(jià)減小到完全可以忽略的地步。 注：幾何特性、光學(xué)特性影響光纖的連接質(zhì)量，施工對(duì)它們不產(chǎn)生變化，而傳輸特性則相反，它不影響施工，但施工對(duì)傳輸特性將產(chǎn)生直接的影響。 光纖的傳輸特性 光纖的傳輸特性主要是指光纖的損耗特性和色散特性，另有機(jī)械特性和溫度特性。 1．光纖的損耗特性 光波在光纖中傳輸，隨著傳輸距離的增加，而光功率強(qiáng)度逐漸減弱，光纖對(duì)光波產(chǎn)生衰減作用，稱(chēng)為光纖的損耗（或衰減）。 光纖的損耗限制了光信號(hào)的傳播距離。光纖的損耗主要取決于吸收損耗、散射損耗、彎曲損耗 3種損耗。 （ 1）吸收損耗 光纖吸收損耗是制造光纖的材料本身造成的損耗，包括紫外吸收、紅外吸收和雜質(zhì)吸收。 光纖的傳輸特性 （ 2）散射損耗 由于材料的不均勻使光信號(hào)向四面八方散射而引起的損耗稱(chēng)為瑞利散射損耗。 光纖制造中，結(jié)構(gòu)上的缺陷會(huì)引起與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)的散射損耗。 （ 3）彎曲損耗 光纖的彎曲會(huì)引起輻射損耗。實(shí)際中，有兩種情況的彎曲：一種是曲率半徑比光纖直徑大得多的彎曲；一種是微彎曲。 決定光纖衰減常數(shù)的損耗主要是吸收損耗和散射損耗，彎曲損耗對(duì)光纖衰減常數(shù)的影響不大 。 光纖的傳輸特性 （ 4）衰減系數(shù) 光纖的衰減系數(shù)是指光在單位長(zhǎng)度光纖中傳輸時(shí)的衰耗量，單位一般用 dB/km。它是描述光纖損耗的主要參數(shù)。 在單模光纖中有兩個(gè)低損耗區(qū)域，分別在 1 310nm和 1 550nm附近，即通常說(shuō)的 1 310nm窗口和 1 550nm窗口； 1 550nm窗口又可以分為 Cband（ 1 525nm～ 1 562nm）和 Lband（ 1 565nm～ 1 610nm）。如圖 214所示。 光纖的傳輸特性 圖 214 光纖的特性 光纖的傳輸特性 2．光纖的色散特性 光脈沖中的不同頻率或模式在光纖中的群速度不同，這些頻率成分和模式到達(dá)光纖終端有先有后，使得光脈沖發(fā)生展寬，這就是光纖的色散，如圖 215所示。色散一般用時(shí)延差來(lái)表示，所謂時(shí)延差，是指不同頻率的信號(hào)成分傳輸同樣的距離所需要的時(shí)間之差。 圖 215 色散引起的脈沖展寬示意圖 光纖的傳輸特性 光纖的色散可分為模式色散、色度色散、偏振模色散。 （ 1）模式色散 多模光纖中不同模式的光束有不同的群速度，在傳輸過(guò)程中，不同模式的光束的時(shí)間延遲不同而產(chǎn)生的色散，稱(chēng)模式色散。 （ 2）色度色散 由于光源的不同頻率（或波長(zhǎng)）成分具有不同的群速度，在傳輸過(guò)程中，不同頻率的光束的時(shí)間延遲不同而產(chǎn)生色散稱(chēng)為色度色散。色度色散包括材料色散和波導(dǎo)色散。 光纖的傳輸特性 ① 材料色散 由于材料折射率隨光信號(hào)頻率的變化而不同，光信號(hào)不同頻率成分所對(duì)應(yīng)的群速度不同，由此引起的色散稱(chēng)為材料色散。 ② 波導(dǎo)色散 由于光纖波導(dǎo)結(jié)構(gòu)引起的色散稱(chēng)為波導(dǎo)色散。其大小可以和材料色散相比擬，普通
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