光纖通信技術與設備第一頁，共八十二頁，2022年，8月28日2.1光纖

目標●了解光纖的結構與分類●掌握光纖的導光機理●掌握光纖的標準與應用●掌握光纖的損耗特性、色散特性●掌握光纜的結構與種類●掌握光纜的型號、色譜與端別第二頁，共八十二頁，2022年，8月28日光纖在光通信中，長距離傳輸光信號所需要的光波導是一種叫做光導纖維（簡稱光纖）的圓柱體介質波導。所謂“光纖”就是工作在光頻下的一種介質波導，它引導光能沿著軸線平行方向傳輸。第三頁，共八十二頁，2022年，8月28日2.1.1光纖的結構與分類光纖（OpticalFiber，OF）就是用來導光的透明介質纖維，一根實用化的光纖是由多層透明介質構成的，一般光纖的結構如圖2-1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，纖芯和包層的結構滿足導光要求，控制光波沿纖芯傳播；涂覆層主要起保護作用（因不作導光用，故可染成各種顏色）。1.光纖的結構第四頁，共八十二頁，2022年，8月28日圖2-1一般光纖的結構

第五頁，共八十二頁，2022年，8月28日光纖的組成部分（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械強度與可彎曲性。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1.5cm。第六頁，共八十二頁，2022年，8月28日2.光纖的分類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第七頁，共八十二頁，2022年，8月28日1）階躍型光纖階躍型光纖：是指在纖芯與包層區域內，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2-2所示。第八頁，共八十二頁，2022年，8月28日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，其變化規律一般符合拋物線規律，到了纖芯與包層的分界處，正好降到與包層區域的折射率n2相等的數值；在包層區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2-3所示。第九頁，共八十二頁，2022年，8月28日2.光纖的分類（2）按傳播模式分類──多模光纖與單模光纖在工作波長一定的情況下，光纖中存在有多個傳輸模式，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延差，具有比多模光纖大得多的帶寬，這對于高速傳輸是非常重要的。第十頁，共八十二頁，2022年，8月28日2.光纖的分類（3）按工作波長分類──短波長光纖與長波長光纖短波長光纖：在光纖通信發展的初期，人們使用的光波之波長在0.6～0.9μm范圍內（典型值為0.85μm），習慣上把在此波長范圍內呈現低衰耗的光纖稱作短波長光纖。短波長光纖屬早期產品，目前很少采用。長波長光纖：后來隨著研究工作的不斷深入，人們發現在波長1.31μm和1.55μm附近，石英光纖的衰耗急劇下降。不僅如此，而且在此波長范圍內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移，并研制出在此波長范圍衰耗更低，帶寬更寬的光纖，習慣上把工作在1.0～2.0μm波長范圍的光纖稱之為長波長光纖。長波長光纖因具有衰耗低、帶寬寬等優點，特別適用于長距離、大容量的光纖通信。第十一頁，共八十二頁，2022年，8月28日2.光纖的分類（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，包層等緊密地結合在一起的光纖。目前此類光纖居多。2）松套光纖：是指經過予涂敷后的光纖松散地放置在一塑料管之內，不再進行二次、三次涂敷。第十二頁，共八十二頁，2022年，8月28日2.1.2光纖的導光機理光是一種頻率極高的電磁波，而光纖本身是一種介質波導，因此光在光纖中的傳輸理論是十分復雜的。要想全面地了解它，需要應用電磁場理論、波動光學理論，甚至量子場論方面的知識。為了便于理解，我們從幾何光學的角度來討論光纖的導光原理，這樣會更加直觀、形象、易懂。更何況對于多模光纖而言，由于其幾何尺寸遠遠大于光波波長，所以可把光波看作成為一條光線來處理，這正是幾何光學的處理問題的基本出發點。第十三頁，共八十二頁，2022年，8月28日1.全反射原理當光線在均勻介質中傳播時是以直線方向進行的，但在到達兩種不同介質的分界面時，會發生反射與折射現象。光的反射與折射如圖2-4所示。根據光的反射定律，反射角等于入射角。根據光的折射定律：n1sinθ1=n2sinθ2。其中，n1為纖芯的折射率；n2為包層的折射率。第十四頁，共八十二頁，2022年，8月28日全反射現象顯然，若n1＞n2，則會有θ2＞θ1。如果n1與n2的比值增大到一定程度，就會使折射角θ2≥90°，此時的折射光線不再進入包層，而會在纖芯與包層的分界面上掠過（θ2=90°時），或者重返回到纖芯中進行傳播（θ2＞90°時）。這種現象叫做光的全反射現象，如圖2-5所示。第十五頁，共八十二頁，2022年，8月28日2.光在階躍光纖中的傳播

（1）光纖中光射線的傳播圖2-6光纖中的射線第十六頁，共八十二頁，2022年，8月28日（2）子午線在階躍型光纖中的傳播

圖2-7光纖中的子午線傳播

第十七頁，共八十二頁，2022年，8月28日（3）數值孔徑

由于n1與n2差別較小，所以sinφ0≈φ0，定義sinφ0為光纖的數值孔徑NA：光纖產生全反射時光纖端面最大入射角的正弦值sinφ0稱為光纖的數值孔徑。一般用NA（NumericalAperture）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。可見，光纖的數值孔徑與相對折射率差的平方根成正比，也就是說光纖纖芯與包層的折射率相差越大，則光纖的數值孔徑越大，其集光能力越強。第十八頁，共八十二頁，2022年，8月28日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，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2-8所示。

第十九頁，共八十二頁，2022年，8月28日2.2單模光纖與多模光纖2.2.1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），它不存在模間時延差，因此它具有比多模光纖大得多的帶寬，這對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構如圖2-9所示。圖2-9階躍型單模光纖的結構第二十頁，共八十二頁，2022年，8月28日表2-1B1.1類單模光纖的結構尺寸參數光纖類別B1.11310模場直徑/μm包層直徑/μm1310nm芯同心度誤差/μm包層不圓度/％涂覆層直徑（未著色）/μm涂覆層直徑（著色）/μm包層/涂覆層同心度誤差/μm（8.6～9.5）±0.7125±1≤0.8≤2245±10250±15≤12.5第二十一頁，共八十二頁，2022年，8月28日表2-2B4類單模光纖的結構尺寸參數

光纖類別B41550nm模場直徑/μm包層直徑/μm1550nm芯同心度誤差/μm包層不圓度/％涂覆層直徑（未著色）/μm涂覆層直徑（著色）/μm包層/涂覆層同心度誤差/μm（8.0～11.0）±0.7125±1≤0.8≤2245±10250±15≤12.5第二十二頁，共八十二頁，2022年，8月28日2.2.2單模光纖的標準與應用單模光纖以其衰減小、頻帶寬、容量大、成本低和易于擴容等優點，作為一種理想的光通信傳輸媒介，在全世界得到極為廣泛的應用。按照零色散波長和截止波長位移與否可將單模光纖分為五種，國際電信聯盟電信標準化部門ITU-T在2000年10月對其中四種單模光纖已給出建議：G.652、G.653、G.654和G.655光纖。單模光纖的分類、名稱，IEC和ITU-T命名對應關系如圖2-10所示。第二十三頁，共八十二頁，2022年，8月28日圖2-10各單模光纖對應關系第二十四頁，共八十二頁，2022年，8月28日1.G.652──非色散位移單模光纖（1）常規單模光纖常規單模光纖的性能特點是：①在1310nm波長處的色散為零。②在波長為1550nm附近衰減系數最小，約為0.22dB/km，但在1550nm附近其具有最大色散系數，為17ps/（nm·km）。③這種光纖工作波長即可選在1310nm波長區域，又可選在1550nm波長區域，它的最佳工作波長在1310nm區域。這種光纖常稱為“常規”或“標準”單模光纖。常規單模光纖（G.652A和G.652B）的色散如圖2-11所示。常規單模光纖的傳輸性能及其應用場所見表2-3。

第二十五頁，共八十二頁，2022年，8月28日圖2-11G652A/B光纖的色散第二十六頁，共八十二頁，2022年，8月28日表2-3常規單模光纖的傳輸性能及其應用場所性能模場直徑/μm截止波長λcc/μm零色散波長/nm工作波長/nm最大衰減系數/dB·km-1最大色散系數/ps·nm-1·km-1要求值1310nm（8.6～9.5）±0.7λcc≤127013101310或15501310nm＜0.401550nm＜0.251310nm:01550nm:17應用場合最廣泛用于數據通信和模擬圖像傳輸媒介，其缺點是工作波長為1550nm時色散系數高達17ps·nm-1·km-1阻礙了高速率、遠距離通信的發展。第二十七頁，共八十二頁，2022年，8月28日（2）低水峰單模光纖低水峰單模光纖的優點：1）波段寬。由于降低了水峰使光纖可在1280～1625nm全波段進行傳輸，即全部可用波段比常規單模光纖G.652增加約一半，同時可復用波長數也大大增多，故IEC又將低水峰光纖命名B1.3光纖，即波長段擴展的非色散位移單模光纖。2）色散小。在1280～1625nm全波長區，光纖的色散僅為1550nm波長區的一半，這樣就易實現高速率、遠距離傳輸。例如，在140nm波長附近，10Gbit/s速率的信號可以傳輸200km，而無需色散補償。3）改進網管。可以分配不同的業務給最適合這種業務的波長傳輸，改進網絡管理。例如，在1310nm波長區傳輸模擬圖像業務，在1350～1450nm波長區傳輸高速數據（10Gbit/s）業務，在1450nm以上波長區傳輸其它業務。4）系統成本低。光纖可用波長區拓寬后，允許使用波長間隔寬、波長精度和穩定度要求低的光源、合（分）波器和其它元件，網絡中使用有源、無源器件成本降低，進而降低了系統的成本。全波單模光纖的性能及應用場合見表2-4。第二十八頁，共八十二頁，2022年，8月28日表2-4全波單模光纖的性能及應用場合性能模場直徑/μm截止波長/nm零色散波長λo/nm工作波長/nm最大衰減系數/dB·km-1要求值1310nm9.3±0.51550nm10.5±1.0λcc≤1270λc≤1250λcj≤12501300～13221280～16251310nm:0.351385nm:0.311550nm:0.21～0.25應用場合這種光纖的優點是工作波長范圍寬，即1280～1625nm，故其主要用于密集波分復用的城域網的傳輸系統，它可提供120個或更多的可用信道。第二十九頁，共八十二頁，2022年，8月28日2.G.653──色散位移單模光纖色散位移單模光纖是通過改變光纖的結構參數、折射率分布形狀，力求加大波導色散，從而將最小零色散點從1310nm位移到1550nm，實現1550nm處最低衰減和零色散波長一致，并且在摻鉺光纖放大器1530～1565nm工作波長區域內。色散位移光纖的富有生命力的應用場所為單信道數千里的信號傳輸的海底光纖通信系統。另外，陸地長途干線通信網也已敷設一定數量的色散位移光纖。色散位移單模光纖的性能及應用場合見表2-5。第三十頁，共八十二頁，2022年，8月28日表2-5色散位移單模光纖的性能及應用場合性能模場直徑/μm截止波長/nm零色散波長/nm工作波長/nm最大衰減系數/dB·km-1色散系數/ps·nm-1·km-1要求值1310nm:8.3λcc≤1270λc≤1250λcj≤1270155015501550nm≤0.251525～1575nm:3.5應用場合這種光纖的優點是在1550nm工作波長衰減系數和色散系數均很小。它最適用于單信道幾千公里海底系統和長距離陸地通信干線。第三十一頁，共八十二頁，2022年，8月28日3.G.654──截止波長位移單模光纖1550nm截止波長位移單模光纖是非色散位移光纖（ITU-TG.654光纖），其零色散波長在1310nm附近，截止波長移到了較長波長，在1550nm波長區域衰減極小，最佳工作波長范圍為1500～1600nm。獲得低衰減光纖的方法是：①使用純石英玻璃作為纖芯和摻氟的凹陷包層。②以長截止波長來減小光纖對彎曲附加損耗的敏感。1550nm截止波長位移單模光纖的性能及應用場合見表2-6。第三十二頁，共八十二頁，2022年，8月28日表2-61550nm截止波長位移單模光纖的性能及應用場合性能模場直徑/μm截止波長/nm零色散波長/nm工作波長/nm最大衰減系數/dB·km-1最大色散系數/ps·nm-1·km-1要求值1550nm:10.5λcc≤15301350＜λc＜1600131015501550nm≤0.201550nm:20應用場合這種光纖的優點是在1550nm工作波長衰減系數極小，其抗彎曲性能好。它主要用于遠距離無需插入有源器件的無中繼海底光纖通信系統，其缺點是制造困難，價格昂貴。第三十三頁，共八十二頁，2022年，8月28日4.G.655──非零色散位移單模光纖

非零色散位移單模光纖是在1994年美國朗訊和康寧專門為新一代帶有光纖放大器的波分復用傳輸系統設計和制造的新型光纖（ITU-TG.655光纖）。這種光纖是在色散位移單模光纖的基礎上通過改變折射剖面結構的方法來使得光纖在1550nm波長色散不為零，故其被稱為“非零色散位移”單模光纖。低色散斜率非零色散位移單模光纖、大有效面積非零色散位移單模光纖和色散平坦光纖。第三十四頁，共八十二頁，2022年，8月28日（1）非零色散位移單模光纖三種G.655光纖的色散斜率的比較如圖2-13所示。圖2-13三種G.655光纖的色散斜率的比較

第三十五頁，共八十二頁，2022年，8月28日（2）低色散斜率非零色散位移單模光纖所謂色散斜率指光纖的色散隨波長而變化的速率，又稱高階色散。在長途WDM傳輸系統中，由于色散的積累，各通路的色散都隨傳輸距離的延長而增大。然而，由于色散斜率的作用，各通路的色散積累量是不同的，位于兩側的邊緣通路間的色散積累量差別最大。當傳輸距離超過一定值后，會使具有較大色散積累量的通路的色散值超標，從而限制了整個WDM系統的傳輸距離。為此，1998年美國朗訊科技公司研發出一種低色散斜率G.655光纖（真波RS光纖）。光纖色散斜率已從0.07ps/（nm2·km）降至0.05ps/（nm2·km）以下。低色散斜率非零色散位移單模光纖的色散一致性在整個第三和第四波段應用窗口上提供了數值有限的色散，消除了四波混頻的非線性效應。非色散位移單模光纖是專門為1310nm系統而設計的，可降低損耗，獲得最大帶寬。當光纖用于高容量放大系統中時，光纖在1550nm波長處的高色散（大約為17ps/（nm·km））可能會需要增加色散補償或傳輸設備的成本。與非色散位移單模光纖和其它G.655光纖相比，低色散斜率非零色散位移單模光纖的色散補償成本最低。第三十六頁，共八十二頁，2022年，8月28日（3）大有效面積非零色散位移單模光纖大有效面積非零色散位移單模光纖提供更大光功率承受能力，改善了光信噪比，延長了光放大器距離，增加了密集波分復用信道數等。大有效面積光纖的關鍵性能優點是降低了各種非線性效應（見圖2-14）。因為非線性效應是當今DWDM系統最大的性能約束條件。圖2-14大有效面積光纖增大了纖芯的導光面積第三十七頁，共八十二頁，2022年，8月28日表2-7非零色散位移單模光纖的性能及應用場合性能模場直徑/μm截止波長/nm非零色散區/nm工作波長/nm衰減系數/dB·km-1非零色散區色散系數/ps·nm-1·km-1要求值1550nm：8～11±0.7λcc≤1480λc≤1470λcj≤14801530～15651530～15651550nm:0.251625nm:0.30應用場合這種光纖的優點是在1550nm處有一低的色散，保證抑制FWM等非線性效應，使得其能用在EDFA和波分復用結合的傳輸速率在10Gbit/s以上的WDM和DWDM的高速傳輸系統中。第三十八頁，共八十二頁，2022年，8月28日5.色散平坦單模光纖

色散平坦單模光纖的性能和應用場合見表2-8。表2-8色散平坦單模光纖的性能和應用場合

性能模場直徑/μm截止波長/nm零色散波長/nm工作波長/nm最大衰減系數/dB·km-1最大色散系數/ps·nm-1·km-1要求值1310nm:81550nm:11≤12701310和15501310～15501310nm:≤0.251550nm:≤0.301310nm:01550nm:0應用場合這種光纖的優點是在1310～1550nm工作波長范圍內低色散。第三十九頁，共八十二頁，2022年，8月28日6.色散補償單模光纖

色散補償單模光纖是一種在1550nm波長處有很大的負色散的單模光纖，當前實驗色散補償單模光纖的色散系數為50～-548ps/（nm·km），衰減一般為0.5～1.0dB/km。色散補償單模光纖的性能及應用場合見表2-9。表2-9色散補償單模光纖的性能及應用場合

性能模場直徑/μm截止波長/nm零色散波長/nm工作波長/nm衰減系數/dB·km-1色散系數/ps·nm-1·km-1要求值1550nm:6≤1260＞155015501550nm:≤1.001550nm:-80～-150應用場合這種光纖的優點是在1550nm工作波長范圍內有很大的負色散，其主要用作G.652光纖工作波長由1310nm擴容升級至1550nm的進行色散補償。第四十頁，共八十二頁，2022年，8月28日2.2.3多模光纖

多模光纖就是允許多個模式在其中傳輸的光纖，或者說在多模光纖中允許存在多個分離的傳導模式。梯度型多模光纖結構和階躍型多模光纖結構如圖2-15、圖2-16所示。通常，光纖的纖芯用來導光，包層保證光全反射只發生在芯內，涂覆層則為保護光纖不受外界作用和吸收誘發微變的剪切應力。當今常用的AI類多模光纖的結構尺寸參數見表2-10。第四十一頁，共八十二頁，2022年，8月28日圖2-15梯度型多模光纖結構圖2-16階躍型多模光纖結構第四十二頁，共八十二頁，2022年，8月28日表2-10Al類多模光纖的結構尺寸參數光纖結構AlaAlbAlcAld纖芯直徑/μm包層直徑/μm芯/包同心度/μm芯不圓度/％包層不圓度/％包層直徑（未著色）/μm包層直徑（著色）/μm50±3125±2≤3≤6≤2245±10250±1562.5±3125±3≤3≤6≤2245±10250±1585±3125±3≤6≤6≤2245±10250±15100±5140±4≤6≤6≤4250±25—第四十三頁，共八十二頁，2022年，8月28日2.2.4多模光纖的標準與應用

1.梯度型多模光纖四種梯度型多模光纖的傳輸性能及應用場合見表2-11。表2-11四種梯度型多模光纖的傳輸性能及應用場合光纖類型芯/包直徑/μm工作波長/μm帶寬/MHz數值孔徑衰減系數/dB·km-1應用場合AlaAlbAlcAld50/12562.5/12585/125100/1250.85，1.300.85，1.300.85，1.300.85，1.30200～1500300～1000100～1000100～5000.20～0.240.26～0.290.26～0.300.26～0.290.8～1.50.8～2.02.03.0～4.0數據鏈路、局域網數據鏈路、局域網局域網、傳感等局域網、傳感等第四十四頁，共八十二頁，2022年，8月28日2.階躍型多模光纖

A2、A3和A4三類階躍型多模光纖的傳輸性能和應用場合見表2-12。表2-12三類階躍型多模光纖的傳輸性能及應用場合光纖類型A2aA2bA2cA3aA3bA3cA4aA4bA4c芯/包直徑/μm工作波長/μm帶寬/MHz數值孔徑衰減系數/dB/km典型選用長度/m100/140200/240200/2800.85A2a≥10A2b=0.23～0.26

A2c≤10[U1]

2000200/300200/380200/2300.85≥50.40≤101000980/1000730/750480/5000.65≥100.50≤40dB/0.1km100應用場所短距離信息傳輸、樓內局部布線、傳感器等第四十五頁，共八十二頁，2022年，8月28日2.3光纖的特性

2.3.1光纖的損耗特性光纖的損耗將導致傳輸信號的衰減，所以把光纖的損耗又稱衰減。光信號在光纖中傳輸，隨著距離延長光的強度隨之減弱，其規律為式中，P（0）為輸入光纖的光功率，即z=0處注入光功率；P（z）為傳輸距離z處的光功率；α（λ）為波長λ處的光纖衰減系數，當z=L時，光纖衰減系數定義為α（λ）＝10/L[lg（P（0）/P（L）]（dB/km）。當工作波長為λ時，在光纖上兩個相距Lkm的總衰減A（λ），用下式表示：A（λ）＝α（λ）×L（dB）光纖通信可以說是伴隨著光纖制造水平的不斷提高，即光纖損耗的不斷降低而發展起來的。光纖損耗是決定光纖通信系統中繼距離的主要因素之一。造成光纖損耗的原因很多，主要是吸收損耗、散射損耗和附加損耗。其損耗產生機理也非常復雜。以下以石英系光纖為例分別討論各種原因所引起的損耗。

第四十六頁，共八十二頁，2022年，8月28日1．吸收損耗吸收損耗主要包括：本征吸收、雜質吸收（OH基）和結構缺陷吸收。本征吸收有紅外和紫外吸收。紅外吸收是光通過由SiO2構成石英玻璃時分子共振引起的光能吸收現象。例如，Si-O的吸收峰分別為9.1μm、12.5μm、21.3μm。如在9.1μm的吸收損耗高達1010dB/km。紫外吸收是通過光波照射激勵電子躍遷至高能級時吸收的能量。這種吸收發生在紫外波長區，故通常為紫外吸收。雜質吸收是玻璃材料中含有鐵、銅等過渡金屬離子和OH-離子，在光波激勵下由離子振動產生的電子階躍吸收光能而產生的損耗。例如，在1.39μm處，OH-離子濃度含量lppm時產生的衰減為60dB/km。第四十七頁，共八十二頁，2022年，8月28日2．散射損耗散射損耗是以散射的形式將光能輻射出光纖外的損耗。其原因是由于光纖內部的密度不均勻引起的。光纖中產生的散射損耗主要有瑞利散射、米氏散射、受激布里淵散射、受激拉曼散射、附加結構缺陷和彎曲散射、泄露散射。光纖制造時，熔融態玻璃分子的熱運動引起其結構內部的密度和折射率起伏致使引起對光的散射。比光波長小得多的粒子引起的散射稱為瑞利散射。與光波同樣大小的粒子引起的散射稱為米氏散射。引起光纖損耗的散射主要是瑞利散射，瑞利散射具有與短波長的1/λ4成正比的性質，即aR=A/λ4。式中，比例系數A與玻璃結構、玻璃組成有關。一般，玻璃轉變溫度高、組成復雜的，具有瑞利散射損耗大的趨勢。瑞利散射受到照射光強作用。受激布里淵散射和受激拉曼散射，則存在于光能密度超過某一高值，光與媒介相互作用產生的。第四十八頁，共八十二頁，2022年，8月28日3．附加損耗

光纖損耗原因歸納如圖2-18所示。圖2-18光纖損耗原因歸納第四十九頁，共八十二頁，2022年，8月28日2.3.2光纖的色散特性

對于數字信號，經光纖傳播一段距離后，色散會引起光脈沖展寬，嚴重時，前后脈沖將互相重疊，形成碼間干擾。因此，色散決定了光纖的傳輸帶寬，限制了系統的傳輸速率或中繼距離。色散和帶寬是從不同的領域來描述光纖的同一特性的。根據色散產生的原因，光纖的色散主要分為：模式色散、材料色散、波導色散和偏振模色散。第五十頁，共八十二頁，2022年，8月28日1．模式色散

模式色散一般存在于多模光纖中。因為，在多模光纖中同時存在多個模式，不同模式沿光纖軸向的群傳播速度是不同的，它們到達終端時，必定會有先有后，出現時延差，形成模間色散，從而引起脈沖寬度展寬，模式色散的脈沖展寬如圖2-19所示。圖2-19模式色散的脈沖展寬第五十一頁，共八十二頁，2022年，8月28日多模階躍光纖的模式色散如圖2-20所示。在多模階躍光纖中，傳輸最快和最慢的兩條光線分別是沿軸心傳播的光線①和以臨界角θc入射的光線②。因此，在階躍型多模光纖中最大色散是光線②所用時間τmax和光線①所用時間τmin到達終端的時間差△τmax：△τmax=τmax－τmin。圖2-20多模階躍光纖的模式色散第五十二頁，共八十二頁，2022年，8月28日2.材料色散

由于光纖材料的折射率隨光波長的變化而變化，使得光信號各頻率的群速度不同，引起傳輸時延差的現象，就稱為材料色散。這種色散取決于光纖材料折射率的波長特性和光源的線譜寬度。在數字光纖通信系統中，實際使用的光源的輸出光并不是單一波長，而是具有一定的譜線寬度。由于光纖材料的折射率是波長的函數，光在其中的傳播速度V（λ）=C/n（λ）也隨光波長而變。當具有一定譜線寬度的光源所發出的光脈沖入射到單模光纖內傳輸時，不同波長的光脈沖將有不同的傳播速度，在到達輸出端時將產生時延差，從而使脈沖展寬。這就是材料色散的產生機理。第五十三頁，共八十二頁，2022年，8月28日3.波導色散

波導色散是針對光纖中某個導模而言的，在不同的波長下，其相位常數β不同，從而群速度不同，引起色散。波導色散還與光纖的結構參數、纖芯與包層的相對折射率差等多方面的原因有關，故也稱為結構色散。不過波導色散很小，用色散系數Dw表示：（ps/(nm·km)）式中，△為相對折射率差；n1為纖芯折射率；V為歸一化頻率；b=W2/V2歸一化相位常數；W為歸一化衰減常數。同理可得，光纖的波導色散可用下式計算：

=Dw×△λ×L。第五十四頁，共八十二頁，2022年，8月28日4．偏振模色散

偏振模色散是單模光纖特有的一種色散。由于單模光纖中實際上傳輸的是兩個相互正交的偏振模，它們的電場各沿x、y方向偏振，分別記作LPx01和LPy01，其相位常數βx，βy不同，相應的群速度不同，從而引起偏振模色散：式中，△β=βx-βy；ω為光的角頻率。綜上所述，在多模光纖中存在著模式色散、材料色散和波導色散三種色散，而且在這三種色散之中：模式色散>>材料色散>波導色散。在單模光纖中，模式色散為零，其色散主要是材料色散、波導色散和偏振模色散，而且材料色散占主導，波導色散較小，偏振模色散一般可以忽略。因此光纖色散可表示為多模光纖色散：△τ=[△τM2+△τm2+△τw2]1/2單模光纖色散：△τ=[△τm2+△τw2+△τ02]1/2不過單模光纖一般只給出色散系數D，其中包含了材料色散和波導色散的共同影響。第五十五頁，共八十二頁，2022年，8月28日5.光纖的帶寬

光纖的色散和帶寬描述的是光纖的同一特性。事實上，色散描述的是光脈沖經過傳輸后在時間座標軸上展寬的程度，是光纖特性在時域的描述。而帶寬是這一特性在頻域中的描述。ITU-T建議規定光纖的帶寬是每公里帶寬，為

L公里的光纖帶寬：第五十六頁，共八十二頁，2022年，8月28日2.3.3光纖的光學特性和幾何特性

1．幾何特性

幾何特性有芯徑、包層的尺寸和對芯/包層同心度、不圓度等。（1）芯直徑芯直徑主要是對多模光纖的要求。ITU-T規定多模光纖的芯直徑為（50±3）μm。（2）外徑光纖的外徑是指裸纖的直徑。無論多模光纖、單模光纖，ITU規定通信用光纖的外徑，均為（125±3）μm。（3）芯/包層同心度和不圓度同心度是指纖芯中心與包層中心之間距離除以芯徑。不圓度包括芯徑的不圓度和包層的不圓度，可用下式表示：NC=（Dmax—Dmin）/Dco式中，Dmax和Dmin是芯（包層）的最大和最小直徑；Dco是芯（包層）的標準直徑。第五十七頁，共八十二頁，2022年，8月28日2．光學特性

（1）折射率分布多模光纖的折射分布，決定光纖帶寬和連接損耗。單模光纖的折射率分布，決定工作波長的選擇。光纖折射率的通式：n（r）=n（0）[1-2Δ（r/a）g]1/2（2）最大理論數值孔徑光纖的數值孔徑（NA）對光源耦合效率、光纖損耗時微彎的敏感性和帶寬有著密切的關系，數值孔徑大，容易耦合，微彎敏感小，帶寬較窄。最大理論數值孔徑的定義為：第五十八頁，共八十二頁，2022年，8月28日（3）模場直徑模場直徑的定義，可以根據基模場E01傳輸函數來表示，即在基模場E01（r）傳輸函數與橫軸徑向r的關系曲線上兩個1/e點之間的寬度就是模場直徑。模場直徑估算：2S0=2λ/（πn1√Δ）（4）截止波長（單模傳輸條件）截止波長是單模光纖保證單模傳輸的條件，所以截止波長的定義是大于此波長時二階LP11模不再傳播。截止波長同其它參數的不同點，在于它不是恒定，而是隨著長度不同而改變。要求單模光纖的截止波長一定要小于光通信系統的工作波長。目前光纖的截止波長為1.10～1.28μm。相對折射率差Δ及剖面形狀決定。第五十九頁，共八十二頁，2022年，8月28日2.3.5光纖的非線性效應1．非線性效應的產生

當今在帶有摻鉺放大器密集波分復用大容量、高速度的光纖通信系統中，光纖中傳輸的工作波長多、功率大，大的光功率可能引起信號與光纖的相互作用而產生各種非線性效應，如果不予以適當抑制，這些非線性效應會嚴重的影響系統的性能和限制再生中繼距離。線性或非線性指的是光在傳輸媒質的性質，而非光本身性質。但光場的存在使得媒質的性質特性發生了變化。當媒質受強光場的作用，組成媒質的原子或分子內的電子發生位移或振動，使媒質產生極化，極化后的媒質內出現偶極子，這些偶極子輻射出相同頻率的電磁波疊加到原入射場上，成為媒質內的總光場。這說明媒質特性變化又反過來影響光場。光纖的非線性可分為兩類：非線性受激散射和折射率擾動。第六十頁，共八十二頁，2022年，8月28日2．受激散射

受激散射是指光場把部分能量轉移給非線性介質。非線性受激散射發生在當光信號與光纖中的聲波或系統振動的相互作用的調制系統中。受激拉曼散射和受激布里淵散射就屬于此類。1）受激拉曼散射（StimulatedRamanScattering，SRS）是介質中的分子振動對入射光（稱為泵浦光）的調制（相互作用），從而對入射光產生散射作用。設入射光頻率為ωp，介質分子振動頻率為ωv，則散射光頻率為ωS=ωp-ωv和ωaS=ωp+ωv，這種現象叫受激拉曼散射。2）受激布里淵散射（StimulatedBrillouinScattering，SBS）是一種由光纖中的光信號和聲波（機械振動技術上稱為聲波）之間的相互作用所引起的非線性現象。第六十一頁，共八十二頁，2022年，8月28日3．折射率擾動

折射率擾動引起的三種非線性效應為：自相位調制、交叉相位調制和四波混頻。1）自相位調制（SelfPhaseModulation，SPM）是指傳輸過程中光脈沖對自身相位變化，導致脈沖頻譜展寬的現象。自相位調制與“自聚焦”有密切聯系，如果十分嚴重，那么在密集波分復用系統中，光譜展寬會重疊進入鄰近的信道。2）交叉相位調制（CrossPhaseModulation，CPM）是一個脈沖對其它信道脈沖相位的作用。當兩個或多個不同波長的光波在光纖的非線性相互作用.其產生方式與SPM相同。CPM與SPM所不同的是SPM發生在單信道和多信道系統中，而CPM則僅出現在多信道系統中。3）四波混頻（FourWaveMixing，FWM）是指由兩個或三個波長的光波混合后產生的新光波，其產生原理如圖2-24所示。在系統中，某一波長的入射光會改變光纖的折射率，從而在不同頻率處發生相位調制，產生新的波長。第六十二頁，共八十二頁，2022年，8月28日圖2-24四波混頻產生原理第六十三頁，共八十二頁，2022年，8月28日2.3.4光纖的機械特性與溫度特性

1．光纖強度實用化光纖的抗張強度，要求≥240g拉力。目前商品化光纖的強度已達到0.5％應變即432g拉力，國內用于工程的光纖，一般都大于400g拉力；國外較好的光纖在700g拉力以上，用于海底光纜的光纖強度還要高一些。這些對光纖強度的要求，是在光纖生產過程中用篩選方法達到的。2．光纖的溫度特性光纖的溫度特性是指在高、低溫條件下對光纖損耗的影響，一般是損耗增大。在高低溫條件下光纖損耗都增大，這是由于光纖涂覆層、套塑層所用的材料為有機樹脂和塑料比石英的收縮和膨脹系數大得多，因而在低溫時光纖受到軸向壓縮力而產生微彎，在高溫時光纖又受到軸向伸長力而產生應力導致損耗增大。光纖溫特性：當隨著溫度的不斷降低，光纖損耗就不斷增大，當降至-55℃左右時，損耗急劇增加，顯然這樣的系統是無法正常運行的。目前光纖的低溫特性已普遍達到較好水平，一般在-20℃時，損耗增加在0.ldB/km以下，優質光纖在0.05dB/km以下。第六十四頁，共八十二頁，2022年，8月28日2.4光纜

通信光纜的結構是依據其傳輸用途、運行環境、敷設方式等諸多因素決定的。從大的方面講，常用通信光纜分為室內光纜和室外光纜兩大類，這里主要為大家介紹室外光纜。室外光纜的基本結構有如下幾種：層絞式、中心管式、骨架式。每種基本結構中既可放置分離光纖，亦可放置帶狀光纖。第六十五頁，共八十二頁，2022年，8月28日1．層絞式光纜

層絞式光纜端面如圖2-26和圖2-27所示。層絞式光纜結構是由多根二次被覆光纖松套管（或部分填充繩）繞中心金屬加強件絞合成圓形的纜芯，纜芯外先縱包復合鋁帶并擠上聚乙烯內護套，再縱包阻水帶和雙面覆膜皺紋鋼（鋁）帶再加上一層聚乙烯外護層組成。層絞式光纜的結構特點是：光纜中容納的光纖數量多，光纜中光纖余長易控制，光纜的機械、環境性能好，它適宜于直埋、管道敷設，也可用于架空敷設。第六十六頁，共八十二頁，2022年，8月28日圖2-26層絞式光纜端面第六十七頁，共八十二頁，2022年，8月28日圖2-27層絞式光纜實物圖第六十八頁，共八十二頁，2022年，8月28日2．中心管式光纜中心管式光纜如圖2-28和圖2-29所示，是由一根二次光纖松套管或螺旋形光纖松套管，無絞合直接放在纜的中心位置，縱包阻水帶和雙面涂塑鋼（鋁）帶，兩根平行加強圓磷化碳鋼絲或玻璃鋼圓棒位于聚乙烯護層中組成的。按松套管中放入的是分離光纖、光纖束還是光纖帶，中心管式光纜分為分離光纖的中心管式光纜或光纖帶中心管式光纜等。中心管式光纜的優點是：光纜結構簡單、制造工藝簡捷，光纜截面小、重量輕，很適宜架空敷設，也可用于管道或直埋敷設；中心管式光纜的缺點是：纜中光纖芯數不宜過多（如分離光纖為12芯、光纖束為36芯、光纖帶為216芯），松套管擠塑工藝中松套管冷卻不夠，成品光纜中松套管會出現后縮，光纜中光纖余長不易控制等。第六十九頁，共八十二頁，2022年，8月28日圖2-28中心管式光纜端面結構（GYXTW53）圖2-29中心管式光纜實物圖第七十頁，共八十二頁，2022年，8月28日3．骨架式光纜

骨架式光纜在國內僅限于干式光纖帶光纜，即將光纖帶以矩陣形式置于U型螺旋骨架槽或SZ螺旋骨架槽中，阻水帶以繞包方式纏繞在骨架上，使骨架與阻水帶形成一個封閉的腔體（見圖2-30和圖2-31）。骨架式光纖帶光纜的優點是：結構緊湊、纜徑小、纖芯密度大（上千芯至數千芯），接續時無需清除阻水油膏、接續效率高。缺點是：制造設備復雜（需要專用的骨架生產線）、工藝環節多、生產技術難度大等。第七十一頁，共八十二頁，2022年，8月28日圖2-30骨架式光纜端面結構圖2-31骨架式光纜（GYDGTS）實物圖第七十二頁，共八十二頁，2022年，8月28日2.4.2光纜的型號、色譜與端別

1.光纜型號和應用

（1）型號的組成1）型號組成的內容：型號由型式和規格兩大部分組成。2）型號組成的格式：光纜型號組成的格式如圖2-32所示。圖2-3