光纤和光缆基础知识湖北凯乐新材料科技股份有限公司二OO二年六月光纤和光缆基础知识一、光纤1. 光纤结构光纤(Optical Fiber)是由中心的纤芯和外围的包层同轴组成的圆柱形细丝纤 芯的折射率比包层稍高，损耗比包层更低，光能量主要在纤芯内传输包层为光的传 输提供反射面和光隔离，并起一定的机械保护作用图1示出光纤的外形设纤芯和 包层的折射率分别为n和n，光能量在光纤中传输的必要条件是n>n纤芯和包层1 2 1 2的相对折射率差△=( n1-n2)/n1的典型值，一般单模光纤为0.3%〜0.6%，多模光纤 为1%〜2%△越大，，把光能量束缚在纤芯的能力越强，但信息传输容量却越小图1光纤的外形2. 光纤类型光纤种类很多，这里只讨论作为信息传输波导用的由高纯度石英(SiO2)制成的光 纤实用光纤主要有三种基本类型，图2示出其横截面的结构和折射率分布，光线在 纤芯传播的路径，以及由于色散引起的输出脉冲相对输入脉冲的畸变这些光纤的主 要特征如下突变型多模光纤(Step-Index Fiber, SIF)如图2(a)，纤芯折射率为七保持 不变，到包层突然变为气这种光纤一般纤芯直径2a=50〜80^ m，光线以折线形状沿 纤芯中心轴线方向传播，，特点是信号畸变大。
渐变型多模光纤(Graded-Index Fiber, GIF)如图2(b)，在纤芯中心折射率最 大为％，沿径向r向外围逐渐变小，直到包层变为气这种光纤一般纤芯直径2a为 50p m，，光线以正弦形状沿纤芯中心轴线方向传播，特点是信号畸变小单模光纤(Single-Mode Fiber, SMF)如图2(c)折射率分布和突变型光纤相似， 纤芯直径只有8〜10^ m，光线以直线形状沿纤芯中心轴线方向传播因为这种光纤只 能传输一个模式(两个偏振态简并)，所以称为单模光纤，其信号畸变很小撞禳而 抚射.率骨布 株入豚神 光幻传拓Bt驻 输斯脉冲图2三种基本类型的光纤(a)突变型多模光纤；(b)渐变型多模光纤；(c)单模光纤相对于单模光纤而言，突变型光纤和渐变型光纤的纤芯直径都很大，可以容纳数 百个模式，所以称为多模光纤渐变型多模光纤和单模光纤，包层外径2b都选用125 M m实际上，根据应用的需要，可以设计折射率介于SIF和GIF之间的各种准渐变 型光纤为调整工作波长或改善色散特性，可以在图2(c)常规单模光纤的基础上，设 计许多结构复杂的特种单模光纤最有用的若干典型特种单模光纤的横截面结构和折 射率分布示于图3,这些光纤的特征如下。
双包层光纤 如图3(a)所示，折射率分布像W形，又称为W型光纤这种光纤有 两个包层，内包层外直径2a,与纤芯直径2a的比值a，/a^2o适当选取纤芯、外包 层和内包层的折射率n「n2和气，调整a值，可以得到在1.3〜1.6m m之间色散变化 很小的色散平坦光纤(Dispersion-Flattened Fiber，DFF)，或把零色散波长移到1.55 M m 的色散移位光纤(Dispersion-Shifted Fiber， DSF)三角芯光纤 如图3(b)所示，纤芯折射率分布呈三角形，这是一种改进的色散移 位光纤这种光纤在1.55m m有微量色散，有效面积较大，适合于密集波分复用和孤 子传输的长距离系统使用，康宁公司称它为长距离系统光纤，这是一种非零色散光纤椭圆芯光纤 如图3(c)所示，纤芯折射率分布呈椭圆形这种光纤具有双折射特 性，即两个正交偏振模的传输常数不同强双折射特性能使传输光保持其偏振状态， 因而又称为双折射光纤或偏振保持光纤图3典型特种单模光纤（a）双包层；（b）三角芯；（c）椭圆形以上各种特征不同的光纤，其用途也不同突变型多模光纤信号畸变大，相应的 带宽只有10〜20MHz - km,只能用于小容量（8Mb/s以下）短距离（几km以内）系统。
渐变型多模光纤的带宽可达1〜2GHz・km,适用于中等容量（34〜140Mb/s）中等距离 （10〜20km）系统大容量（565Mb/s〜2.5Gb/s）长距离（30km以上）系统要用单模光纤特种单模光纤大幅度提高光纤通信系统的水平1.55 m m色散移位光纤实现了 10Gb/s容量的100km的超大容量超长距离系统色散平坦光纤适用于波分复用系统， 这种系统可以把传输容量提高几倍到几十倍三角芯光纤有效面积较大，有利于提高 输入光纤的光功率，增加传输距离外差接收方式的相干光系统要用偏振保持光纤， 这种系统最大优点是提高接收灵敏度，增加传输距离3. 光纤种类和应用1）光纤种类（1） 多模光纤①结构两种多模光纤结构，如图4和图5所示通常，光纤的纤芯用来导光，包层保证 光全反射只发生在芯内，涂覆层则为保护光纤不受外界作用和吸收诱发微变的剪切应 力表1列出了当今常用的AI类多模光纤的结构尺寸参数图4梯度型多模光纤结构图5阶跃型多模光纤结构表1 Al类多模光纤的结构尺寸参数光纤结构AlaAlbAlcAld纤芯直径 (M m)50±362.5±385±3100±5包层直径 (M m)125±2125±3125±3140±4芯/包同心度 (M m)^3^3^6^6芯不圆度 (%)^6^6^6^6包层不圆度 (%)^2^2^2^4包层直径(未着色)(M m)245 ±10245 ±10245 ±10250±25包层直径(着色)(M m)250±15250±15250±15—②种类A.梯度型多模光纤梯度型多模光纤包括Ala、Alb、Alc和Ald类型。
它们可用多组分玻璃或掺杂石 英玻璃制得为降低光纤衰减，梯度型多模光纤的制备选用的材料纯度比大多数阶跃 型多模光纤材料纯度高得多正是由于折射率呈梯度分布和更低的衰减，所以梯度型 多模光纤的性能比阶跃型多模光纤性能要好得多一般在直径(包括缓冲护套)相同 的情况下，梯度型多模光纤的芯径大大小于阶跃型多模光纤，这就赋予梯度型多模光 纤更好的抗弯曲性能四种梯度型多模光纤的传输性能及应用场合，如表2所列表2四种梯度型多模光纤的传输性能及应用场合光纤类型芯/包直径(M m)工作波长(M m)带宽(MHz)Ala50/1250.85,1.30200〜1500Alb62.5/1250.85,1.30300〜1000Alc85/1250.85,1.30100〜1000Ald100/1250.85,1.30100 〜500数值孔径衰减系数 (dB/km)应用场合0.20 〜0.240.8 〜1.5数据链路、局域网0.26 〜0.290.8 〜2.0数据链路、局域网0.26 〜0.302.0局域网、传感等0.26 〜0.293.0 〜4.0局域网、传感等B.阶跃型多模光纤阶跃型多模光纤A2、A3和A4三类九个品种。
它们可选用多组分玻璃或掺杂玻璃 或塑料作为芯、包层来制成光纤由于这些多模光纤具有大的纤芯和大的数值孔径， 所以它们可更为有效地与非相十光源，例如发光二极管(LED)耦合链路接续可通过 价格低廉的注塑型连接器，从而降低整个网络建设费用因此，阶跃型多模光纤，特 别是A4类塑料光纤将在短距离通信中扮演着重要的角色A2、A3和A4三类阶跃型多 模光纤的传输性能和应用场合，如表3所列表3三类九种阶跃型多模光纤的传输性能及应用场合光纤类型A2a A2b A2cA3a A3b A3cA4a A4b A4c芯/包直径⑴m)100/140200/300980/1000200/240200/380730/750200/280200/230480/500工作波长⑴m)0.850.850.65带宽(MHz)N10N5N10数值孔径0.23 〜0.260.400.50衰减系数(dB/km)^10^10^40dB/0.1km典型选用长度(m)20001000100应用场所短距离信息传输、楼内局部布线、传感器等(2)单模光纤①结构单模光纤的结构，如图6所示单模光纤具有小的芯径，以确保其传输单模，但 是其包层直径要比芯径大十多倍，以避免光损耗。
单模光纤结构的各部分作用与多模 光纤类似，与多模光纤所不同的是用与波长有关的模场直径w来表示芯直径表4 和表5分别列出了当今光纤通信工程中广泛使用的B1.1和B4两类单模光纤的尺寸参 数图6 阶跃型单模光纤结构表4 B1.1类单模光纤的结构尺寸参数光纤类别B1.11310模场直径(p m)(8.6〜9.5) ±0.7包层直径(p m)125±11310nm芯同心度误差(p m)5 8包层不圆度(%)^2涂覆层直径(未着色)(p m)245 ±10涂覆层直径(着色)(p m)250±15包层/涂覆层同心度误差(p m)^12.5表5 B4类单模光纤的结构尺寸参数光纤类别B41550nm模场直径(p m)(8.0〜11.0) ±0.7包层直径(p m)125±11550nm芯同心度误差(p m)5 8包层不圆度(%)^2涂覆层直径(未着色)(p m)245 ±10涂覆层直径(着色)(p m)250±15包层/涂覆层同心度误差(p m)^12.5②分类单模光纤以其衰减小、频带宽、容量大、成本低和易于扩容等优点，作为一种理 想的光通信传输媒介，在全世界得到极为广泛的应用目前，随着信息社会的到来， 人们研究出了光纤放大器、时分复用、波分复用和频分复用技术，从而使单模光纤的 传输距离、通信容量和传输速率进一步提高。
值得指出的是，光纤放大器延伸了传输距离，复用技术在带来的高速率、大容量 信号传输的同时，使色散、非线性效应对系统的传输质量的影响增大因此，人们专 门研究开发了几种光纤：色散位移光纤、非零色散位移光纤、色散平坦光纤和色散补 偿光纤，它们在解决色散和非线性效应问题上各有独道之处按照零色散波长和截止波长位移与否可将单模光纤分为5种，国际电信联盟电信 标准化部门ITU-T在2000年10月对其中4种单模光纤已给出最新建议:G.652、G.653、 G.654和G.655光纤单模光纤的分类、名称、IEC和ITU-T命名对应关系如下：名称ITU-TIEC非色散位移单模光纤G.652：A、B、CB1.1 和 B1.3单模光纤—- 色散位移单模光纤G.653B2截止波长位移单模光纤G.654B1.2非零色散位移单模光纤G.655：A、BB4L色散补偿单模光纤A.非色散位移单模光纤2000年10月国际电信联盟第15专家组会议通过了非色散位移单模光纤(ITU-T G.652)最新标准文本、即按G.652光纤的衰减、色散、偏振模色散、工作波长范围及 其在不同的传输速率的SDH系统的应用情况，将G.652光纤进一步细分为G.652A、 G.652B和G.652C。
究其实质而言，G.652光纤可分为两种，即常规单模光纤(G.652A 和G.652B)和低水峰单模光纤(G。