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1、光纤和光缆,一、光纤的结构,光纤是光导纤维的简称，目前通信用光纤是用石英玻璃（SiO2）制成的横截面很小的双层同心圆柱体。它由纤芯和包层组成，折射率高的中心部分叫纤芯，折射率低的外围部分称为包层。 纤芯材料的折射率极高，外包层折射率较低，只要光的入射角足够小，光信号就能沿着芯层，并且在芯层与包层之间产生全反射，使光信号约束在光纤芯部传输而不泄漏 由于石英玻璃质地脆、易断折，为保护光纤表面，提高抗拉强度及便于实用，须在裸光纤外面进行二次涂覆而构成光纤芯线。光纤芯线是由纤芯、包层、涂覆层及套塑组成，包层的外面涂覆一层很薄的涂覆层，涂覆材料使用硅酮树脂或聚氨基甲酸乙脂，外面套塑即二次涂覆，一般使用尼
2、龙、聚乙烯、聚丙烯等塑料。,二、光纤的种类,光纤可以根据构成光纤的材料成分、光纤的制造方法、光纤的传输总模数、光纤的横截面上的折射率分布和工作波长进行分类。 1按照折射率分布不同，通常采用的是阶跃型光纤和渐变型光纤。阶跃型光纤在纤芯和包层的交界面处折射率呈阶梯状变化，也称为突变型光纤。渐变型光纤是纤芯折射率随半径的增加按一定规律减小，到纤芯与包层交界处为包层的折射率，即纤芯中折射率的变化近似抛物线型。由于石英玻璃质地脆、易断折，为保护光纤表面，提高抗拉强度及便于实用，须在裸光纤外面进行二次涂覆而构成光纤芯线。光纤芯线是由纤芯、包层、涂覆层及套塑组成，包层的外面涂覆一层很薄的涂覆层，涂覆材料使用
3、硅酮树脂或聚氨基甲酸乙脂，外面套塑即二次涂覆，一般使用尼龙、聚乙烯、聚丙烯等塑料。,光纤的种类,2按照传输的总模数区分，可分为单模光纤和多模光纤。单模光纤的纤芯直径很小，约410um，只传输主模，从而完全避免了模式色散，使得光纤传输频带宽，传输容量很大，适用于大容量、长距离的光纤通信。多模光纤是在一定的工作波长下，可以由多个模式在光纤中传播，其剖面折射率的分布，有均匀的和非均匀的，分别称为多模阶跃型光纤和多模渐变型光纤。多模阶跃型光纤的纤芯直径为5075um，其传输性能较差，带宽窄，传输容量小。多模渐变型光纤直径也为5075um，频带较宽，容量较大。所以多模光纤一般指的是多模渐变型光纤。,a多
4、模阶跃型 b多模渐变型 c单模光纤,三光纤的损耗特性和色散特性,损耗特性和色散特性是光纤的两个主要特征。 随着光在光纤中传输距离的增加，光功率不断下降，造成光的损耗，限制了光的无中继传输距离，光纤有三个低损耗窗口：0.85um、1.31um、1.55um。 形成光纤损耗的原因很多，有光纤本身的损耗，也有光纤于光源的耦合损耗及光纤之间的连接损耗，一般包括两类：吸收损耗和散射损耗。,光纤的损耗特性,吸收损耗是光波通过光纤材料时，有一部分光能转化为热能，造成光功率的损失，与光纤材料有关，主要有本征吸收和杂质吸收。本征吸收是光纤基础材料的固有吸收，与波长有关，对于石英系光纤，本征吸收有红外吸收带和紫外
5、吸收带两个吸收带。杂质吸收是由光纤材料不纯造成的附加吸收损耗。影响最严重的是：金属过渡离子和水的氢氧根离子吸收电磁能造成的损耗。 散射损耗是由于光纤材料、形状、折射率分布的缺陷或不均匀，使光纤中传导的光发生散射，产生的损耗称为散射损耗，瑞利散射和结构缺陷散射对光纤通信的影响较大。瑞利散射属于光纤的本征散射损耗，是由于光纤材料的折射率随机性变化引起的，材料的折射率变化是由于密度不均匀或内部张力不均匀而产生的，瑞利散射损耗与光波长的四次方成反比，随波长的增加急剧减少，在短波长0.85um处，对损耗的影响最大。结构缺陷损耗是在光纤制造过程中由于结构缺陷，光波传输时产生的损耗，它与光波长无关。,光纤的
6、损耗特性,在0.8-0.9um波段内，损耗约为0.2db/KM，在1.31um损耗为0.5 db/KM，在1.51um处，损耗约为0.2 db/KM，接近SiO2光纤的理论极限值。,光纤的色散特性,光纤的另一个重要特征是其色散特性，由于光纤中光信号的不同频率成分或不同模式，传输时，由于速度不同使传播时间不同，造成光信号中不同频率成分或不同模式到达光纤终端有先有后，产生波形畸变。色散的存在，使得输入脉冲在传输过程中展宽，产生码间干扰，增加误码率，限制了通信容量和距离。 光纤的色散包括模式色散、材料色散、波导色散，单模光纤中只有基模传输，不存在模式色散，只有材料色散和波导色散。,光纤的色散特性,光
7、纤的另一个重要特征是其色散特性，由于光纤中光信号的不同频率成分或不同模式，传输时，由于速度不同使传播时间不同，造成光信号中不同频率成分或不同模式到达光纤终端有先有后，产生波形畸变。色散的存在，使得输入脉冲在传输过程中展宽，产生码间干扰，增加误码率，限制了通信容量和距离。 光纤的色散包括模式色散、材料色散、波导色散，单模光纤中只有基模传输，不存在模式色散，只有材料色散和波导色散。,光纤的色散特性,局域网之所以选用多模光纤，是因为局域网传输距离较短，虽然多模光纤比单模光纤价格贵，但是它所配套的光器件可选用发光二极管，价格则比激光管便宜很多，而且多模光纤有较大的芯径与数值孔径，容易连接与耦合，相应的
8、连接器、耦合器等元器件价格也低得多。 在实际通信线路中，将光纤制成不同结构形式的光缆，使其具有一定的机械强度，以承受敷设时所施加的张力，并能在各种环境中使用，保证传输性能的稳定可靠。,四光纤的温度特性,光纤的温度特性和机械特性是两个物理性能参数，保障光缆的可靠性和使用寿命。光纤受热胀冷缩影响，会产生微弯损耗。尽管构成光纤的SiO2膨胀系数极小，但在光纤缆成缆过程中，经过涂覆和加上一些其他构件，涂覆材料和构件膨胀系数较大，在温度降低时，收缩比较严重，将使光纤产生微弯，尤其是在低温区，使光纤的附加损耗增加。试验表明，在-55，附加损耗急剧增加。,光纤的机械特性,为保证光纤在实际应用中不断裂，可以在
9、各种环境下使用，具有长期的可靠性，要求光纤必须具有一定的机械强度。 光纤的强度指抗张强度，如果光纤受到的张力超过其承受能力，光纤将断裂。其抗断强度与涂覆层厚度有关，涂覆层厚度为5-10um时，抗断强度为330kg/mm2，涂覆层厚度为100um时，抗断强度为530kg/mm2。 光纤容许应变应包括：光纤成缆时的应变；敷设光缆时一些因素的影响使光纤发生的应变；工作环境温度变化引起的应变。 当光纤的拉伸应变为0.5%时，寿命应可达20-40年。,五光缆的结构和种类,光缆由缆芯、护套、和加强元件组成。缆芯由光纤芯线组成，分为单芯和多芯两种。光纤要经过一次涂覆和二次涂覆，成为缆芯。二次涂覆时，在光纤和
10、套管之间有缓冲层，以减少外部张力对光纤的作用。强度元件放置在光缆中心或四周，使光缆便于承受敷设安装时所受的外力，护套层是对已成缆的光纤芯线起保护作用，避免受外部机械力和环境损伤。,层绞式光缆,层绞式光缆 将已着色光纤与油膏同时加入到高模量塑料制成的松套管中，光纤在套管内可以移动。不同的松套管沿中心加强芯绞合制成缆芯。缆芯外加防护材料制成松套层绞式光缆。,层绞式光缆,中心束管式光缆 将光纤套入由高模量的塑料做成的螺旋空间松套管中，套管内填充防水化合物，套管外施加一层阻水材料和铠装材料，两侧放置两根平行钢丝并挤制聚乙烯护套成缆。,层绞式光缆和中心式光缆比较,在芯数上，层绞式光缆优于中心束管式光缆。
11、层绞式光缆能做到几十芯，甚至几百芯，而中心束管式最多仅能做到几十芯，做不了大芯数。通常推荐在芯数超过24芯时采用层绞式光缆。 在工艺成熟性上，层绞式光缆优于中心束管式光缆，绝大部分厂家选用层绞式工艺。 在应用范围上，层绞式光缆优于中心束管式光缆，几乎80%的场合都使用层绞式光缆。,骨架式光缆,骨架式光缆 将单根或多根光纤放入骨架的旋转槽内，骨架中心是强度元件，骨架沟槽可以是V型、U型或凹槽，这种光缆具有抗弯曲、耐侧压、抗拉的特点。,带状式光缆,带状式光缆 将4-12根光纤芯线排列成行，构成带状光纤单元，再由多个带状单元按照一定方式排列，这种光缆结构紧凑，可做成上千芯用户光缆。,六、电力特种光缆
12、,1、光纤复合地线OPGW(Optical Ground Wire) OPGW又称地线复合光缆、光纤架空地线等，是在电力传输线路的地线中含有供通信用的光纤单元。它具有两种功能：一是作为输电线路的防雷线，对输电导线抗雷闪放电提供屏蔽保护；二是通过复合在地线中的光纤来传输信息 。 OPGW是架空地线和光缆的复合体，但并不是它们之间的简单相加。 OPGW光缆主要在500KV 、220KV 、110KV电压等级线路上使用，受线路停电、安全等因素影响，多在新建线路上应用。,OPGW光缆特点,OPGW的适用特点是： (1)高压超过110kv的线路，档距较大(一般都在250M以上)； (2)易于维护，对于线
13、路跨越问题易解决，其机械特性可满足线路大跨越；(3)OPGW外层为金属铠装，对高压电蚀及降解无影响； (4)OPGW在施工时必须停电，停电损失较大，所以在新建110kv以上高压线路中应该使用OPGW； (5)OPGW的性能指标中，短路电流越大，越需要用良导体做铠装，则相应降低了抗拉强度，而在抗拉强度一定的情况下，要提高短路电流容量，只有增大金属截面积，从而导致缆径和缆重增加，这样就对线路杆塔强度提出了安全问题。,ADSS光缆,2、全介质自承光缆ADSS(All Dielectric Self Supporting) ADSS光缆在220KV 、110KV 、35KV电压等级输电线路上广泛使用，
14、特别是在已建线路上使用较多。它能满足电力输电线跨度大、垂度大的要求。标准的 ADSS设计可达144芯。 ADSS光缆主要由缆芯、加强芳纶纱(或其它合适的材料)和外护套组成。各种各样的ADSS光缆结构可归纳为最主要的 中心管型和层绞型 2种 。下图为层绞式,ADSS光缆特点,ADSS特点是： (1)ADSS内光纤张力理论值为零； (2)ADSS光缆为全绝缘结构，安装及线路维护时可带电作业，这样可大大减少停电损失； (3)ADSS的伸缩率在温差很大的范围内可保持不变，而且其在极限温度下，具有稳定的光学特性； (4)耐电蚀ADSS光缆可减少高压感应电场对光缆的电腐蚀； (5)ADSS光缆直径小、质量
15、轻，可以减少冰和风对光缆的影响，其对杆塔强度的影响也很小； (6)ADSS采用了新型材料及光滑外形设计，使其具有优越的空气动力特性。,其它特种光缆,此外还有OPPC(光纤复合相线)、MASS (金属自承光缆)、ADL(相/地捆绑光缆)和GWWOP(相/地线缠绕光缆)等几种。 目前，在我国应用较多的电力特种光缆主要有 ADSS和 OPGW。,七、G652和G655光缆,在光纤行业内，非色散位移单模光纤通常被称为G652单模光纤。根据2003年国际电信联盟电信标准化部门（ITU-T）建议的单模光纤标准，G652单模光纤有652A，G652B，G652C，G652D等型号。它同时具有1550nm和1
16、310nm两个窗口。零色散点位于1310nm窗口附近，而最小衰减位于1550nm窗口。其特点在设计和制造时的波长在1310nm附近时的色散为零，1550nm波长时损耗最小，但色散最大。G652单模光纤在上述两个窗口的损耗典型值为：1310nm窗口的衰减在0.30.4dB/km，色散系数在03.5ps/nm.km.1550nm窗口的衰减在0.190.25dB/km，色散系数在1518ps/nm.km.。 主要用途：G652单模光纤是当今世界上用量最大的光纤，约占光纤用量的70。它具有内部损耗低、带宽大、易于升级扩容和成本低的优点。G652单模光纤能广泛应用于高速率、长距离传输，如长途通信、干线、有线电视和环路馈线等网络。 非零色散位移光纤即G655光纤，将光纤的零色散点移到1.55m 工作区以外的1.60m以后或在1.53m以前，但在1.55m波长区内仍保持很低的色散。这种非零色散位移光纤不仅可用于现在的单信道、超高速传输，而且还可适应于将来用波分复用来扩容，是一种既满足当前需要，又兼顾将来发展的理想传输媒介。,
