第2章光纤光缆

色散平坦光纤和色散补偿光纤
色散平坦光纤
在1310~1550nm内都为低色散 可用中心波长更长的LD 和LED进行高速传输 结构复杂、制造难度大、衰减大
色散补偿光纤
在1550nm处有很大的负色散（50~-548 ps/nm.km ）衰减 在0.5~1.0 dB/ km 在1310nm系统升级到1550nm系统时，接入一段负色散光 纤，抵消已产生的正色散，满足高速率、大容量、远距 离的传输。
图2.3 中心管式光缆结构
（3）骨架式光缆
骨架式光缆在国内仅限于干式光纤带 光缆，即将光纤带以矩阵形式置于U型螺 旋骨架槽或SZ螺旋骨架槽中，阻水带以绕 包方式缠绕在骨架上，使骨架与阻水带形 成一个封闭的腔体（如图2.4所示）。
图2.4 骨架式光缆结构
12芯骨架式光缆
2．室内光缆
室内光缆可分为三种类型：
光纤
光在阶跃折射率光纤和渐变折射率光纤的传播轨迹分别如图2-5和图
2-6所示。
图2-5 光在阶跃折射率多模光纤中的传播
图2-6 光在渐变折射率多模光纤中的传播
光纤
单模光纤的分类 ITU-T 建 议 规 范 了 G.651 、 G.652 、 G.653 、 G.654和G.655四种单模光纤。
非色散位移光纤： G.652
1．光纤的损耗特性 光波在光纤中传输，随着传输距离的增加，而 光功率强度逐渐减弱，光纤对光波产生衰减作用， 称为光纤的损耗（或衰减）。 光纤的损耗限制了光信号的传播距离。光纤的 损耗主要取决于吸收损耗、散射损耗、弯曲损耗 3种损耗。
（1）吸收损耗 光纤吸收损耗是制造光纤的材料本身造成 的损耗，包括紫外吸收、红外吸收和杂质吸 收。 （2）散射损耗 由于材料的不均匀使光信号向四面八方散 射而引起的损耗称为瑞利散射损耗。 光纤制造中，结构上的缺陷会引起与波长 无关的散射损耗。
图2.1 层绞式钢分为
三大类。（1）高分子材料：松套管材料、
聚乙烯护套料、无卤阻燃护套料、聚乙烯
绝缘料、阻水油膏、阻水带、聚酯带。（2）
金属－塑料复合带：钢塑复合带、铝塑复
合带。（3）中心加强件：磷化钢丝、不锈
钢丝、玻璃钢圆棒等。
2.1.3 常用光缆的结构
光纤
3．纤芯/包层同心度和不圆度 纤芯/包层同心度是指纤芯在光纤内所处的中心程度。 目前光纤制造商已将纤芯/包层同心度从≤0.8μm的规格提高到 ≤0.5μm的规格。 不圆度包括芯径的不圆度和包层的不圆度。 ITU-T规定，纤芯/包层同心度误差≤6%（单模为＜1.0μm）， 芯径不圆度≤6%，包层不圆度（包括单模）＜2%。 4．光纤翘曲度 光纤翘曲度指在特定长度光纤上测量到的弯曲度，可用曲率 半径来表示弯曲度。翘曲度（即曲率半径）数值越大，意味着 光纤越直。
光纤
其中，n1为阶跃光纤均匀纤芯的折射率 （梯度光纤为纤芯中心的最大折射率）， n2为均匀包层的折射率。
光纤的数值孔径（NA）对光源耦合效率、
光纤损耗、弯曲的敏感性以及带宽有着
密切的关系，数值孔径大，容易耦合，
微弯敏感小，带宽较窄。
光纤
光纤的传输特性主要是指光纤的损耗特性和色散
特性，另有机械特性和温度特性。
光纤
（3）偏振模色散（PMD） 由于光信号的两个正交偏振态在光纤中 有不同的传播速度而引起的色散称偏振模 色散。
光纤
偏振模色散（PMD）：沿X轴和沿Y轴的偏振模， 到达的时间差。 PMD产生原因：内因是纤芯的椭圆度和残余内 应力，改变了光纤折射率分布，引起偏振模的 传输速度不同，造成脉冲展宽。外因是成缆和 敷设时的外应力和光缆连接等。 PMD的单位是ps（微微秒），光纤的PMD系数 1/2 表示单位为ps/(km) 1993年，AT&T公司将单模光纤的PMD最大值 定为0.5ps/(km)1/2
光纤
光纤的特性
光纤
2．光纤的色散特性 光脉冲中的不同频率或模式在光纤中的 群速度不同，这些频率成分和模式到达光 纤终端有先有后，使得光脉冲发生展宽， 这就是光纤的色散，如图所示。色散一般 用时延差来表示，所谓时延差，是指不同 频率的信号成分传输同样的距离所需要的 时间之差。
光纤
色散引起的脉冲展宽示意图
光纤
紧套光纤与松套光纤 紧套光纤就是在一次涂覆的光纤上再紧紧地 套上一层尼龙或聚乙烯等塑料套管，光纤在套管 内不能自由活动。 松套光纤，就是在光纤涂覆层外面再套上一 层塑料套管，光纤可以在套管中自由活动。
光纤
光纤的折射率分布与光线的传播 图2-3所示为两种典型光纤的折射率分布情况。 一种称为阶跃折射率光纤；另一种称为渐变折射 率光纤，如图（a）、（b）所示。
光纤
光纤的几何特性 光纤的几何特性包括芯直径、包层直径、纤芯/包层 同心度、不圆度和光纤翘曲度等。 1．芯直径 芯直径主要是对多模光纤的要求。ITU-T规定，多 模光纤的芯直径为50±3μm。 2．包层直径 包层直径指光纤的外径，ITU-T规定，多模及单模 光纤的包层直径均要求为125±3μm。 目前，光纤生产制造商已将光纤外径规格从 125.0±3μm提高到125.0±1μm。
专门为新一代放大的密集波分复用传输设计和制 造的新型光纤 在EDFA波长带1530-1565nm范围内，有最小和 最大色散 最小色散抑制FWM非线性，最大色散足以保证 2.5G的信号传输1000km或10G的信号传输300km 无需色散补偿 应用场合：新建的高速率、大容量密集波分复用 的陆地和海底长距离光纤通信系统
截止波长位移光纤：G.654
也称1550nm 最低衰减光纤（≤0.18 dB/ km） 实现方法：用纯石英玻璃纤芯，掺氟的凹 陷包层；以长截止波长来减少光纤弯曲附 加损耗的敏感 优点：衰减小、抗弯曲性能好 缺点：制造困难、价格昂贵 应用场合：远距离无需插入有源器件的无 中继海底光缆系统
非零色散位移光纤：G.655
2.2 光缆的种类、结构、型号及端别
2.1.1 常用光缆的分类
1．按缆芯结构分
光缆可分为层绞式光缆、中心管式光 缆和骨架式光缆。
2．按线路敷设方式分
光缆可分为架空光缆、管道管缆、直 埋光缆、隧道光缆和水底光缆。
3．按缆中光纤状态分
光缆可分为松套光纤光缆、半松半紧
光纤光缆和紧套光纤光缆。
4．按使用环境与场合分
光纤
（3）涂覆层：光纤的最外层为涂覆层，包括一 次涂覆层，缓冲层和二次涂覆层。 一次涂覆层一般使用丙烯酸酯、有机硅或硅橡 胶材料； 缓冲层一般为性能良好的填充油膏； 二次涂覆层一般多用聚丙烯或尼龙等高聚物。 涂覆的作用是保护光纤不受水汽侵蚀和机械 擦伤，同时又增加了光纤的机械强度与可弯曲性， 起着延长光纤寿命的作用。涂覆后的光纤其外径 约1.5mm。通常所说的光纤为此种光纤。
光纤
光纤
（3）弯曲损耗 光纤的弯曲会引起辐射损耗。实际 中，有两种情况的弯曲：一种是曲率 半径比光纤直径大得多的弯曲；一种 是微弯曲。 决定光纤衰减常数的损耗主要是吸 收损耗和散射损耗，弯曲损耗对光纤 衰减常数的影响不大 。
光纤
（4）衰减系数 光纤的衰减系数是指光在单位长度光纤 中传输时的衰耗量，单位一般用dB/km。它 是描述光纤损耗的主要参数。 在单模光纤中有两个低损耗区域，分别在1 310nm和1 550nm附近，即通常说的1 310nm 窗口和1 550nm窗口；1 550nm窗口又可以分 为 C-band（1 525nm～1 562nm）和 L-band （1 565nm～1 610nm）。如图所示。
（1）多用途室内光缆
多用途室内光缆的结构设计是按照各 种室内所用场所的需要而定的。
（2）分支光缆
光纤
① 材料色散 由于材料折射率随光信号频率的变化而不同， 光信号不同频率成分所对应的群速度不同，由此 引起的色散称为材料色散。 ② 波导色散 由于光纤波导结构引起的色散称为波导色散。 其大小可以和材料色散相比拟，普通单模光纤在 1.31μm处这两个值基本相互抵消。
光纤
色散系数就是单位波长间隔内光波长 信号通过单位长度光纤所产生的时延 差，用D表示，单位是ps/（nm· km）。
根据使用环境与场合光缆主要分为室 外光缆、室内光缆及特种光缆三大类。
5．按网络层次分
光缆可分为长途光缆、市内光缆、接
入网光缆 。
2.1.2 光缆结构中所用材料及其性能
光缆是由光纤、高分子材料、金属－ 塑料复合带及金属加强件等共同构成的光 信息传输介质。
图2.1所示的是所用材料种类最多的 GYTY53＋333层绞式钢带纵包双层钢丝铠 装光缆的横截面图。
光纤
光纤的主要特性（机械特性和温度特性）
光纤强度：要求≥240g拉力。国内一般≥400g拉力， 国外较好的为700g拉力。 影响光纤强度的因素：1、预制棒质量。2、拉丝炉 的加温质量和环境污染。3、涂覆技术。4、机械损 伤。 光纤的寿命：设计寿命为20年，实际为30~40年。 （同施工技术和环境有关） 温 度 特 性 ： 一 般 在 -20℃ ， 損 耗 增 加 在 0.05~0.1dB/km。 当温度降到-55 ℃时，损坏急剧增加。光纤衰减性 能恶化。
光纤
光纤的光学特性有折射率分布、最大理论 数值孔径、模场直径及截至波长等。 1．折射率分布
多模光纤的折射率分布，决定光纤带宽和 连接损耗，单模光纤的折射率分布，决定 工作波长的选择。
光纤
2．最大理论数值孔径 （NAmax） 最大理论数值孔径 的定义为：
2 NAmax (n1
2 1/ 2 n2 )
1．室外光缆 （1）层绞式光缆
层绞式光缆结构如图2.2所示，是由多 根二次被覆光纤松套管（或部分填充绳） 绕中心金属加强件绞合成圆整的缆芯。
图2.2 层绞式光缆结构
（2）中心管式光缆
如图2.3所示，中心管式光缆是由一根 二次光纤松套管或螺旋形光纤松套管，无 绞合直接放在缆的中心位置，纵包阻水带 和双面涂塑钢（铝）带，两根平行加强圆 磷化碳钢丝或玻璃钢圆棒位于聚乙烯护层 中组成的。