第二章 光纤和光缆 光纤作为光纤通信系统的物理传输媒介，有着巨大的优越性。 第二章 光纤和光缆 光纤作为光纤通信系统的物理传输媒介，有着巨大的优越性。 本章首先介绍光纤的结构与类型，然后用射线光学理论和波动光学理论重点分析光在阶跃型光纤中的传输情况，最后简要介绍光缆的构造、典型结构与光缆的型号。

与光纤有关的问题 光纤具有何种结构？ 光在光纤中如何传播？ 光纤是由何种材料制作的？ 光纤是如何制造的？ 多根光纤是如何组装成光缆？

2.1 基本光学定义和定律 2.2 光纤的结构与类型 2.3 光纤的光学特性 2.4 光纤光缆制造技术 2.5 导波原理

2.1 基本光学定义和定律 光在均匀介质中是沿直线传播的，其传播速度为： v=c/n 式中：c＝2.997×105km/s，是光在真空中的传播速度；n是介质的折射率。 常见物质的折射率： 空气 1.00027； 水 1.33； 玻璃 (SiO2) 1.47； 钻石 2.42； 硅 3.5 折射率大的媒介称为光密媒介，反之称为光疏媒介 光在不同的介质中传输速度不同

光的反射定律： 当一束光线按某一角度射向一块平面镜时，它会从镜面按另一角度反跳出去。光的这种反跳现象叫做光的反射，射向镜面的光叫入射光，从镜面反跳出去的光叫反射光 反射光线位于入射光线和法线所决定的平面内，反射光线和入射光线处于法线的两侧，且反射角等于入射角：qin = qr

光的折射定律 (Snell定律 ) 折射光线位于入射光线和法线所决定的平面内，折射光线和入射光线位于法线的两侧，且满足：n1 sin1 = n2 sin2 空气 玻璃 光从光密媒质折射到光疏媒质 折射角大于入射角

n1 sin1 = n2 sin2 法线 法线 入射光线 入射光线 折射光线 折射光线 n1< n2 n1> n2 n1

sinθo= n2 / n1 全反射现象 ：在某种条件下，光线被关在一种介质中，不射到另一种介质中的现象。 法线 1 2 n1> n2 3 θ0 4 4 n1 3 n2 2 临界角θ0：折射角为90°时的入射角 1 sinθo= n2 / n1 全反射条件： （1） n1> n2 （2）θ入 >θo

2.2 光纤的结构与类型 2.2.1 光纤的结构 光纤(Optical Fiber，OF)就是用来导光的透明介质纤维，一根实用化的光纤是由多层透明介质构成的，一般可以分为三部分：折射率较高的纤芯、折射率较低的包层和外面的涂覆层。

光纤结构示意图

纤芯：纤芯位于光纤的中心部位。 直径d1=4μm～50μm，单模光纤的纤芯为4μm～10μm，多模光纤的纤芯为50μm。 纤芯的成分是高纯度SiO2，掺有极少量的掺杂剂（如GeO2，P2O5），作用是提高纤芯对光的折射率（n1），以传输光信号。 包层：包层位于纤芯的周围。 直径d2=125μm，其成分也是含有极少量掺杂剂的高纯度SiO2。而掺杂剂（如B2O3）的作用则是适当降低包层对光的折射率（n2），使之略低于纤芯的折射率，即n1＞n2，它使得光信号封闭在纤芯中传输。

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。

2.2.2 光纤的类型 光纤的分类方法很多，既可以按照光纤截面折射率分布来分类，又可以按照光纤中传输模式数的多少、光纤使用的材料或传输的工作波长来分类。

1. 按传输模式的数量分类 按光纤中传输的模式数量，可以将光纤分为多模光纤(Multi-Mode Fiber，MMF)和单模光纤(Single Mode Fiber，SMF)。 多模光纤和单模光纤是由光纤中传输的模式数决定的，判断一根光纤是不是单模传输，除了光纤自身的结构参数外，还与光纤中传输的光波长有关。

在光纤的受光角内，以某一角度射入光纤断面，并能在光纤纤芯-包层交界面上产生全反射的传播光线，就可以称为一个光的传播模式。 高次模 基模 低次模 在光纤的受光角内，以某一角度射入光纤断面，并能在光纤纤芯-包层交界面上产生全反射的传播光线，就可以称为一个光的传播模式。

多模光纤：顾名思义，多模光纤就是允许多个模式在其中传输的光纤，或者说在多模光纤中允许存在多个分离的传导模。 优点：芯径大，容易注入光功率，可以使用LED作为光源 缺点：存在模间色散，只能用于短距离传输 模间色散：每个模式在光纤中传播速度不同，导致光脉冲在不同模式下的能量到达目的的时间不同，造成脉冲展宽

单模光纤：只能传输一种模式的光纤称为单模光纤。 优点：单模光纤只能传输基模(最低阶模)，它不存在模间时延差，因此它具有比多模光纤大得多的带宽，这对于高码速长途传输是非常重要的。 缺点：芯径小，较多模光纤而言不容易进行光耦合，需要使用半导体激光器激励。

单模光纤和多模光纤 一根光纤是不是单模传输，与 (1) 光纤自身的结构参数 和 (2) 光纤中传输的光波长有关。 当光纤的几何尺寸（主要是芯径d）远大于光波波长时（约1μm），光纤传输的过程中会存在着几十种乃至几百种传输模式，即多模传输。 当光纤的几何尺寸（主要是芯径d）较小，与光波长在同一数量级，如芯径d在4μm～10μm范围，这时，光纤只允许一种模式（基模）在其中传播，即单模传输。其余的高次模全部截止。 因此，对于给定波长，单模光纤的芯径要比多模光纤小。 例如，对于常用的通信波长 (1550 nm)，单模光纤芯径为8～12 mm，而多模光纤芯径 > 50 mm。

2. 按光纤截面上折射率分布分类 按照截面上折射率分布的不同可以将光纤分为阶跃型光纤(Step-Index Fiber，SIF)和渐变型光纤(Graded-Index Fiber，GIF)，其折射率分布如图所示。

光纤的折射率分布

阶跃型光纤是由半径为a、折射率为常数n1的纤芯和折射率为常数n2的包层组成，并且n1>n2, n1=1. 463~1 阶跃型光纤是由半径为a、折射率为常数n1的纤芯和折射率为常数n2的包层组成，并且n1>n2, n1=1.463~1.467, n2=1.45~1.46。 渐变型光纤与阶跃型光纤的区别在于其纤芯的折射率不是常数，而是随半径的增加而递减直到等于包层的折射率。

渐变型光纤的折射率变化可以用折射率沿半径的分布函数n(p)来表示。 特点：降低了模间色散（或多径色散） 沿着轴心传播的光经历的路程短但折射率高，沿纤芯外层传播的光路程长但折射率低。

3. 按ITU-T建议分类 G.652光纤(常规单模光纤) 在1310 nm工作时，理论色散值为零 在1550 nm工作时，传输损耗最低 零色散点从1310 nm移至1550 nm，同时1550 nm处 损耗最低 G.654光纤(衰减最小光纤) 纤芯纯石英制造，在1550 nm处衰减最小(仅0.185 dB/km)，用于长距离海底传输 G.655光纤(非零色散位移光纤) 引入微量色散抑制光纤非线性，适于长途传输

4. 按按套塑(二次涂覆层)分类 按套塑可以将光纤分为松套光纤和紧套光纤。 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。 套塑光纤结构

5. 按光纤的工作波长分类 按光纤的工作波长可以将光纤分为短波长光纤、长波长光纤和超长波长光纤。 短波长光纤的波长为0.85μm（0.8μm～0.9μm） 长波长光纤的波长为1.3μm～1.6μm，主要有1.31μm和1.55μm两个窗口。 现在实用的石英光纤通常有以下三种：阶跃型多模光纤、渐变型多模光纤和阶跃型单模光纤。

2.2.3 光纤中光的传播 一束光线从光纤的入射端面耦合进光纤时，光纤中光线的传播分两种情形：一种情形是光线始终在一个包含光纤中心轴线的平面内传播，并且一个传播周期与光纤轴线相交两次，这种光线称为子午射线，那个包含光纤轴线的固定平面称为子午面；另一种情形是光线在传播过程中不在一个固定的平面内，并且不与光纤的轴线相交，这种光线称为斜射线。

子午射线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所示。 光在阶跃折射率多模光纤中的传播 光在渐变折射率多模光纤中的传播

子午射线在单模光纤中的传播轨迹 子午射线的传播过程始终在一个子午面内，因此可以在二维的平面内来分析，很直观。

斜射线在光纤中的传播 斜射线的传播过程不在单一平面内，要追踪斜光线则更为困难。

2.3 光纤的光学特性 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 光纤折射率分布，可用下式表示： 其中，n1为纤芯折射率，n2为包层折射率，a为芯半径，r为离开纤芯中心的径向距离，Δ为相对折射率差，Δ=(n1 − n2 )/ n1 。 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。

2.最大入射角 根据Snell定理，子午光线产生内全反射的最小入射角满足： 空气的最小入射角满足： 折射光线 根据Snell定理，子午光线产生内全反射的最小入射角满足： 空气的最小入射角满足： 所有以小于最小入射角投射到光纤端面的光线都将进入纤芯，并在纤芯包层界面上被内全反射。

3.最大理论数值孔径（Namax）-阶跃光纤 最大理论数值孔径的定义为： 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。 D = (n2 – n1)/n1为纤芯-包层相对折射率差. 光纤的数值孔径（NA）是一个小于1的无量纲的数，其值通常在0.14到0.50之间。数值孔径对光源耦合效率、光纤损耗、弯曲的敏感性以及带宽有着密切的关系，数值孔径大有利于光耦合。但是数值孔径太大的光纤模畸变加大，使得通信带宽较窄。

光纤的数值孔径 – 梯度光纤 折射率分布 其中n1为轴心上的折射率，n2为包层折射率。 在离纤芯距离r处的数值孔径为： 其中NA(0)为轴心上的数值孔径

光纤的数值孔径 – 梯度光纤

4.模场直径和有效面积  模场直径是指描述单模光纤中光能集中程度的参量。  有效面积与模场直径的物理意义相同，通过模场直径可以利用圆面积公式计算出有效面积。 模场直径越小，通过光纤横截面的能量密度就越大。当通过光纤的能量密度过大时，会引起光纤的非线性效应，造成光纤通信系统的光信噪比降低，影响系统性能。 因此，对于传输光纤而言，模场直径（或有效面积）越大越好。

模场直径示意图

5.截止波长 理论上的截止波长是单模光纤中光信号能以单模方式传播的最小波长。 截止波长条件可以保证在最短光缆长度上单模传输，并且可以抑制高次模的产生或可以将产生的高次模噪声功率代价减小到完全可以忽略的地步。 注：几何特性、光学特性影响光纤的连接质量，施工对它们不产生变化，而传输特性则相反，它不影响施工，但施工对传输特性将产生直接的影响。

2.4 光纤光缆制造技术 2.4.1 光纤材料 选材的准则： 1. 能拉长、拉细、具有一定的柔韧性、可卷绕 2. 在特定波长损耗低 2.4.1 光纤材料 选材的准则： 1. 能拉长、拉细、具有一定的柔韧性、可卷绕 2. 在特定波长损耗低 3. 能使纤芯的折射率略高于包层，满足波导条件 按材料分类： 1. 无源玻璃纤维； 2. 有源玻璃纤维； 3. 塑料纤维

无源玻璃纤维 玻璃纤维的主材：SiO2 - 物理和化学稳定性好 - 对通信光波段的透明性好 折射率差的引入：通过在SiO2中掺入不同杂质 增加非线性效应：通过掺入硫属元素 SiO2中掺GeO2或P2O5，折射率增加 SiO2中掺氟或B2O3，折射率减小 GeO2-SiO2纤芯，SiO2包层 P2O5-SiO2纤芯，SiO2包层 SiO2纤芯，B2O3-SiO2包层 在0.2~8mm具有极低损耗 典型组合： 但是卤化物光纤制作工艺难度较大 1、GeO2-SiO2纤芯，SiO2包层 2、P2O5-SiO2纤芯，SiO2包层 3、SiO2纤芯，B2O3-SiO2包层 4、GeO2- B2O3-SiO2纤芯， B2O3-SiO2包层

卤化物玻璃纤维 有源玻璃纤维 硫属化合物玻璃纤维 红外光纤（氟化物光纤）： 低损耗范围：0.2~8m，最低损耗窗口：2.55 m， 理论最小损耗：0.01~0.001dB/km。 缺点：不成熟，性能不稳定 有源玻璃纤维 掺稀土光纤：在SiO2中掺入稀土元素实现光放大（或吸收），如：掺铒光纤（EDF）、掺钕光纤。 硫属化合物玻璃纤维 非线性光纤：用作非线性光学器件。如：As40S58Se2纤芯－As2S3包层

塑料光纤（POF） 特点： 更好的韧性、更耐用，可用于环境恶劣的场合 低成本、低续接成本 损耗比玻璃纤维高，一般用于短距离传输 参数 有机玻璃POF PMMA POF 加氟聚合物POF PFP POF 纤芯直径 0.4mm 0.125~0.3mm 包层直径 1mm 0.25~0.6mm 数值孔径 0.25 0.2 损耗 150dB/km @650nm 60~80dB/km @650~1300nm 带宽 2.5Gb/s, 100km 2.5Gb/s, 300km 特点： 更好的韧性、更耐用，可用于环境恶劣的场合 低成本、低续接成本 损耗比玻璃纤维高，一般用于短距离传输 使用范围还十分有限，主要用于接入网

2.4.2 光纤制造 两种基本方法 1. 直接熔化法： 按传统制造玻璃的工艺将处在熔融状态的石英玻璃的纯净 组分直接制造成光纤 2. 汽相氧化过程： - 高纯度金属卤化物(如SiCl4和GeCl4)与氧反应生成SiO2微粒 - (通过四种不同的方法)将微粒收集在玻璃容器的表面 - 烧结 (在尚未熔化的状态将SiO2转化成玻璃体) 制成预制棒 - 拉丝成纤

直接熔化法：双坩埚法 纤芯坯料棒 内坩埚 包层坯料棒 纤芯 玻璃 外坩埚 熔炉 拉制光纤 (到拉丝机) 包层玻 璃 直接熔化法： 可用于制造石英 光纤、卤化物光 纤和硫属光纤 具有可连续制造 的优点 但坯料棒熔化过 程中容易带来杂 质，它的最低损 耗值为5 dB/km 多组份玻璃光纤制造通常使用"双坩埚法"。讲纤芯用的玻璃料加入铂制 双坩埚的内侧坩埚中，同时将包层用的玻璃料加入此双坩埚的外侧坩埚中， 边熔炼边拉丝。要是在芯料中引入Ta+而在包层料中引入Na+，则能使光纤中 心部分的折射率高于周边部分。若想制成折射率呈平方分布的不均匀光纤， 可在拉丝过程中通过热扩散进行Ta+与Na+的离子交换，而使折射率呈徐缓的 梯度分布，并控制拉丝后的温度下降。 双坩埚法中，不需像制备石英玻璃光纤那样有一道制造光纤预制棒的预备性 工序，可以按1~3m/s的高速拉丝，一次即拉成光纤，因而产量大，成本经济， 但是光纤的损耗较大，最低值约5dB/km。

光纤拉丝机 光纤预制棒置备好之后进行光纤拉丝 d = 10~25 mm; L = 60~120 cm 精密输送机构 夹具 预制棒 拉丝炉 光纤粗细监测仪 裸光纤 涂覆机 已涂覆光纤 光纤卷绕

汽相氧化法：外部汽相氧化法 (OVPO) O2+SiCl4+GeCl4蒸汽 饵棒(中心棒) 粉层状 预制棒 喷嘴 玻璃微粒 粉层沉积 粉状预制棒 剖面 芯 包层 加热炉 1400度 玻璃预制棒 预制棒烧结 拉制光纤 加热炉 世界上第一根损耗小于20dB/km光纤是由康宁公司按照外部汽相氧化法获得 1970年 康宁 第一根损耗小于20 dB/km的光纤

汽相轴向沉积法 (VAD) 优点： 1. 预制棒不再具有空洞 2. 预制棒可以任意长 3. 沉积室和熔融室紧密 相连，可以保证制作 环境清洁 推进机 马达 输送杆 透明预制棒 容器 环状加热器 疏松的预制棒 真空泵 红外热成像仪 玻璃微粒 反应室 喷灯口 1977年 日本开发 优点： 1. 预制棒不再具有空洞 2. 预制棒可以任意长 3. 沉积室和熔融室紧密 相连，可以保证制作 环境清洁 4. 单模光纤所含的OH- 较低，因此损耗较低 在0.2~0.4 dB/km 1977年日本开发。不容易形成中心的折射率凹陷和空眼。目前仍然是日本人掌握着这个方法的核心技术。 VAD法是由日本在1977年发展的一种最早以连续工艺制造预制棒的方 法。其工作原理与OCVD法基本相同，但沉积方向由横向改为轴向。这样， 可使沉积工艺，脱水烧结工艺连续进行，理论上可制得极长的预制棒， 而且，该法制备的多模光纤不会形成中心部位折射率凹陷或空眼，因此 其光纤制品的带宽比MCVD法高一些，其单模光纤损耗目前达到0.22-0.4dB／km。 光纤的折射率分布决定于原料气体的空间径向分布，故各种工艺参数要 十分稳定，控制难度较大。此工艺开发初期由于采用火焰加水分解，容易残留有OH基，制成的光纤比起MCVD法制成的光纤有较大损耗。但经过改良， 发展了在多孔质状态下进行脱水处理的技术，已经获得比MCVD法更优良的 低损耗特性。 目前，日本仍然掌握着VAD法的最先进的核心技术，所制得的光纤预 制棒OH基含量非常低，在1385nm附近的损耗小于0.46dB／km。

改进的化学汽相沉积法 (MCVD) 化学反应: 贝尔实验室设计，用于制造低损耗梯度折射率光纤 反应物质 粉尘状生成物 排气口 金属卤化物蒸汽+氧气 粉尘状生成物 排气口 饵管 烧结后的 玻璃 粉层沉积物 来回移动的喷灯 停止供应汽相反应物后并强烈加热使之成为实心棒 H-O 化学反应: 烧结后，纤芯由汽相沉积材料构成，包层由原始的石英管构成

等离子体活性化学汽相沉积法 (PCVD) 飞利浦提出 1978年应用于量产 熔融石英管 SiCl4 + O2 + 参杂物质 反应物质 排气口 玻璃层 快速来回移动的微波谐振腔 (2.45 GHz，8米/分钟) 1000~1200度 直接玻璃沉积 不需高温烧结 反应管不易变形 沉积效率高、沉积 速度快有利于消除 包层沉积过程中的 微观不均匀 PCVD法是由菲利普研究实验室提出的，于1978年应用于批量生产。它与 MCVD法的工作原理基本相同，只是不用氢氧焰进行管外加热，而是改用微波 腔体产生的等离子体进行加热。PCVD法工艺的沉积温度低于MCVD法工艺的沉积温度，因此反应管不易变形。由于气体电离不受反应管热容量的限制，所以微波加热腔体可以沿着反应管轴向作快速来复移动，目前的移动速度在8m／min， 可以在管内沉积数千个薄包层，从而使每层的沉积厚度减小，因此使光纤折 射率分布的控制更为精确，可以获得更大的带宽。而且，PCVD法的沉积效率 高，沉积速度快，有利于消除包层沉积过程中的微观不均匀性，从而大大降 低光纤中散射造成的本征损耗，适合于制备具有复杂折射率剖面的光纤，可 以批量生产，有利于降低成本。 目前，荷兰的等离子光纤公司占据世界领先水平。 快速移动，使沉积厚度减少， 有利于控制折射率分布

几点关键 为了防止石墨在高温下氧化，充入氩气等惰性气体加以保护。 送棒机构与牵引辊的速度要一致，以保持光纤外径的均匀性。 激光测径，紫外固化 外径的波动控制在0.5微米之内。 拉丝的速度可以调整，600m/min~1000m/m 拉丝原理：保持芯/包层结构不变！ 预制棒体积： Vpreform=D2L/4, D: mm, L: mm 光纤体积： Vfiber= d2l/4, d=125 um 拉丝长度l： Vpreform = Vfiber  l = 6.4  10-5D2L (km)

2.4.3 光纤的机械和温度特性 1) 光纤的抗拉强度很高，接近金属的抗拉强度 2) 光纤的延展性(1%)比金属差(20%) 3) 当光纤内存在裂纹、气泡或杂物，在一定张力下容易断裂 4) 包层中掺入二氧化钛可以增强机械可靠性 5) 光纤遇水容易断裂且损耗增大 6) 在低温下损耗随温度降低而增加

光纤的机械特性 光纤的机械特性主要包括耐侧压力、抗拉强度、弯曲以及扭绞性能等，使用者最关心的是抗拉强度。 （1）光纤的抗拉强度 光纤的抗拉强度很大程度上反映了光纤的制造水平。 影响光纤抗拉强度的主要因素是光纤制造材料和制造工艺。 ① 预制棒的质量。 ② 拉丝炉的加温质量和环境污染。 ③ 涂覆技术对质量的影响。 ④ 机械损伤。

（2）光纤断裂分析 存在气泡、杂物的光纤，会在一定张力下断裂，如图所示。 光纤断裂和应力关系示意图

（3）光纤的寿命 光纤的寿命，习惯称使用寿命，当光纤损耗加大以致系统开通困难时，称其已达到了使用寿命。从机械性能讲，寿命指断裂寿命。 （4）光纤的机械可靠性 一般来说，二氧化硅包层光纤的机械可靠性已经得到广泛的认可。为了提高光纤的机械可靠性，在光纤的外包层中掺入二氧化钛，从而增加网络的寿命。

光纤的温度特性 光纤的温度特性，是指在高、低温条件下对光纤损耗的影响，一般是损耗增大。如图所示。 光纤低温特性曲线

2.4.4 成缆对光纤特性的影响 1. 光缆的构造 缆芯 : 在光缆的构造中，缆芯是主体，其结构是否合理，与光纤的安全运行关系很大。一般来说，缆芯结构应满足以下基本要求：光纤在缆芯内处于最佳位置和状态，保证光纤传输性能稳定，在光缆受到一定的拉力、侧压力等外力时，光纤不应承受外力影响；其次缆芯内的金属线对也应得到妥善安排，并保证其电气性能；另外缆芯截面应尽可能小，以降低成本和敷设空间。 护层: 光缆护层同电缆护层的情况一样，是由护套和外护层构成的多层组合体。其作用是进一步保护光纤，使光纤能适应在各种场地敷设，如架空、管道、直埋、室内、过河、跨海等。对于采用外周加强元件的光缆结构，护层还需提供足够的抗拉、抗压、抗弯曲等机械特性方面的能力。

2.光缆特性 抗拉力特性 光缆能承受的最大拉力取决于加强构件的材料和横截面积，一般要求大于1 km光缆的重量 (多数光缆在100～400kg范围) . 2. 抗压特性 光缆能承受的最大侧压力取决于护套的材料和结构，多数光缆能承受的最大侧压力在100～400kg/10cm。 3. 弯曲特性 弯曲特性主要取决于纤芯与包层的相对折射率差Δ以及光缆的材料和结构。 4. 温度特性 光纤成缆的最主要目的是增强机械性能、防止潮湿、保护光纤链路。

3. 成缆对光纤特性的影响 1. 改善光纤的温度特性 虚线：光纤自身的特性曲线；实线：成缆后的特性曲线 2. 增加机械强度 由于光缆结构中加入了加 强构件、护套、甚至铠装 层等，因此其断点强度远 大于光纤；不仅如此，光 缆的抗侧压、抗冲击和抗 扭曲性能都有明显增强 3. 成缆的附加损耗 不良的成缆工艺，把光纤制成光缆后，会带来附加损耗， (比如说不良应力造成微弯) 称之为成缆损耗

4. 光缆的典型结构 光缆的基本结构按缆芯组件的不同一般可以分为层绞式、骨架式、束管式和带状式四种。我国及欧亚各国用的较多的是传统结构的层绞式和骨架式两种。

层绞式 层绞式光缆的结构类似于传统的电缆结构方式，故又称为古 典式光缆。

骨架式 骨架式光缆中的光纤置放于塑料骨架的槽中，槽的横截面可 以是 V形、U 形或其他合理的形状，槽的纵向呈螺旋形或正 弦形，一个空槽可放置5~10根一次涂覆光纤。 螺旋形和正弦形的好处在于留有余量保证光缆的抗拉、弯曲和温度特性；使用阻水带代替油膏可以便于光纤的取出。与层绞式相比，重量轻、装纤密度大。

束管式 束管式结构的光缆近年来得到了较快的发展。它相当于把松 套管扩大为整个缆芯，成为一个管腔，将光纤集中松放在其 中。

带状式 带状式结构的光缆首先将一次涂覆的光纤放入塑料带内做成 光纤带，然后将几层光纤带叠放在一起构成光缆芯。

5. 光缆的种类与型号 1.光缆的种类 光缆的种类很多，其分类方法也很多，习惯的分类有： 根据光缆的传输性能、距离和用途，光缆可以分为市话光缆、长途光缆、海底光缆和用户光缆；

根据光纤的种类，光缆可以分为多模光缆、单模光缆； 根据光纤套塑的种类，光缆可以分为紧套光缆、松套光缆、束管式新型光缆和带状式多芯单元光缆； 根据光纤芯数的多少，光缆可以分为单芯光缆和多芯光缆等等；

根据加强构件的配置方式，光缆可以分为中心加强构件光缆(如层绞式光缆、骨架式光缆等)、分散加强构件光缆(如束管式光缆)和护层加强构件光缆(如带状式光缆)； 根据敷设方式，光缆可以分为管道光缆、直埋光缆、架空光缆和水底光缆； 根据护层材料性质，光缆可以分为普通光缆、阻燃光缆和防蚁、防鼠光缆等。

2. 光缆的型号 光缆的种类较多，同其他产品一样，具有具体的型式和规格。 (1) 光缆的型式代号 光缆的型式代号是由分类、加强构件、派生(形状、特性等)、护套和外护层五部分组成。

光缆的型式代号

GY：通信用室(野)外光缆； GR：通信用软光缆； GJ：通信用室(局)内光缆； GS：通信用设备内光缆； GH：通信用海底光缆； ① 光缆分类代号及其意义 GY：通信用室(野)外光缆； GR：通信用软光缆； GJ：通信用室(局)内光缆； GS：通信用设备内光缆； GH：通信用海底光缆； GT：通信用特殊光缆； GW：通信用无金属光缆。

② 加强构件的代号及其意义 无符号：金属加强构件； F：非金属加强构件； G：金属重型加强构件； H：非金属重型加强构件。

注：当光缆型式兼有不同派生特征时，其代号字母顺序并列。 ③ 派生特征的代号及其意义 B：扁平式结构； Z：自承式结构； T：填充式结构； S：松套结构。 注：当光缆型式兼有不同派生特征时，其代号字母顺序并列。

Y：聚乙烯护套； V：聚氯乙烯护套； U：聚氨酯护套； A：铝、聚乙烯护套； L：铝护套； Q：铅护套； G：钢护套； ④ 护套的代号及其意义 Y：聚乙烯护套； V：聚氯乙烯护套； U：聚氨酯护套； A：铝、聚乙烯护套； L：铝护套； Q：铅护套； G：钢护套； S：钢、铝、聚乙烯综合护套。

外护层是指铠装层及铠装层外面的外被层，参照国标GB2952-82的规定，外护层采用两位数字表示，各代号的意义如表2.4所示。 ⑤ 外护层的代号及其意义 外护层是指铠装层及铠装层外面的外被层，参照国标GB2952-82的规定，外护层采用两位数字表示，各代号的意义如表2.4所示。

2.5 导波原理

2.5.1 光的基本特性 定义：具有相同相位的点的集合称为光的等相面或者波前 性质：光的传播方向垂直于波前 平面波前 球面波前 点光源 光线 光两种典型的传播方式 （假设光在各向同性的均匀介质中传播）

平面波 作为一种电磁波，光波是一个横波，其传播方向垂直于电场(E)和磁场(H)的振动方向 (1821年，菲涅尔) 给定一个空间直角坐标系O-xyz， 假设一列平面波始终沿 z 方向传 播，那么这列波可测量的电场可 以表示为： 其中为光的角频率，k = 2p/l为 光的传播常数，它表征光向前传 播时相位变化的快慢。 电场(E)和磁场(H)相互正交 E(z, t) = eEcos(t - kz)

偏振态 根据光的电场矢量在xy平面上的运动轨迹，可以将光分为： 线偏振光 椭圆偏振光 圆偏振光

线偏振光 电场矢量在xy平面上的运动轨迹为一条直线的光称为线偏振光，它可以表示为两个相互正交的线偏振光： E(z, t) = Ex (z, t) + Ey (z, t) Ex(z, t) = exE0xcos(t - kz) Ey(z, t) = eyE0ycos(t - kz +） 这两个垂直分量之间的相位 差满足d = 2mp, 其中m = 0, ±1, ±2,… q

椭圆偏振光 椭圆偏振光 (d ≠ 2mp, m = 0, ±1, ±2,…)

圆偏振光 特别地，当两个相互正交的分量 幅度相等，且二者之间的相位差 d = ±p/2 + 2mp 时，椭圆偏振光 变成圆偏振光： 取p/2和-p/2，圆偏振光分为右旋 圆偏振光和左旋圆偏振光

光的量子特性 光的粒子性：光电效应 (1887年赫兹发现，1905年爱因斯坦成功解释) 1. 光能量的发射与吸收总是以光量子的离散形式进行的 2. 光子的能量仅与光子的频率有关 一个频率为n的光子能量为 E = hn 其中h = 6.63  10-34 J·s为普朗克常数 在光的照射下，金属是否发射电子，仅与光的频率相关，而与光的亮度和照射时间无关。不同的金属材料要求不同的光照频率。

2.5.2. 平板波导中的波动解释 实际上在受光角内，只有一些以特定离散入射角入射的光 线才能沿光纤传播。我们用下面的介质平板波导模型来模拟光 纤光轴剖面上的光线传播。 n2 光线1 d n1 光线2 q n2 假设：一个平面波的两条光线1和2，以角度 q < p/2-fc 入射到 界面上。根据平面波的性质，光线 1 和 2在传播过程中等相面 上的所有点相位必须相同。

等相面 波的相位变化包括因传播而引起的相移，也包括界面上产 生反射时所引起的相位变化。 光线1在B点反射并向上传播时的相前 光线2在D点未经反射时的相前 n2 A D q s2 C 光线向下传播时的相前 光线1 d n1 光线2 s1 q q n2 光线向上传播时的相前 B 光线1从A点到B点传播距离为s1 = d/sinq，并在上下两个反射 面发生两次相位突变d，此时它的波前所经历的相位差应等于 光线2从C传播到D点且未经反射时波前所经历的相位差加上 2kp。可以求出CD的长度为： s2 = (cos2q – sin2q)d/sinq

光传播的入射角条件 因此有： n1k(s1 - s2) + 2d = 2mp 将s1和s2的值代入上式并简化可以得到： 假如只考虑波的电场分量垂直于入射面的情况，那么因发射带 来的相移为： 代入简化式中可以得到： 只有入射角q满足该式的入射光才能在光纤中传播。

2.5.3 圆波导的模式理论 在受光角之内入射的光在光纤中激励出特定的模式。所谓 模式是指电磁场的不同分布形式，它可以分为以下几种类型： 1. 横电模 (TE)：z方向上的电场分量为0，或电场分量垂直于z 2. 横磁模 (TM)： z方向上的磁场分量为0，或磁场分量垂直于z 3. 混合模 (HE or EH)：z方向上的电场和磁场都不为0 HE (Ez > Hz) 相反 EH (Ez < Hz)

模式概述 不同入射角的光激励出不同的模式。下面为光轴剖面的几 个低阶横电模式的场分布。模式的阶数等于波导横向场量零点 的个数。同时，光的入射角越小，激发的模式阶数越低。如图 所示导波模场并不完全局限在纤芯，而是部分进入包层。它们 在纤芯区域简谐变化，在包层按指数衰减。 简谐变化 指数衰减 纤芯 n1 包层 n2

辐射模和泄漏模 平板介质波导的分析表明，只有那些具有特定入射角的光 才能激励起导波模。此外还有其他模式： 辐射模：光的入射角过大，导致光在波导表面产生折射进入包 层形成包层模。包层模会与导波模分布在包层的能量 耦合，导致导波模的功率损耗，因此需要抑制。 泄漏模：一些高阶模的能量在沿光纤传播的过程中连续辐射出 纤芯，很快衰减并消失。

归一化频率 (重要参数) 某个模式成为导波模的条件是，它的传播常数b满足下列条件：n2k < b < n1k。导波模和泄漏模的分界点(截止条件)为： b = n2k。与截止条件相对应的重要参数是归一化频率V： 它决定了光纤可以支持的模式总数。下图给出了模式归一化传播函数和V的关系。 如图所示，当V < 2.405时， 光纤只支持一个模式，即 所谓的单模光纤。让 V变 小的一个途径就是减小光 纤半径 a 的值。故单模光 纤半径比多模光纤小。 最低阶模

多模光纤的模式总数 当V比较大时，光纤可以支持多个传输模式，即多模光纤。这里用 M 表示多模光纤的模式总数，当 M 比较大的时候，M与V之间存在近似关系：

功率分布 如前所示，导波模的部分能量会进入包层： (1)当光纤的 V值接近某个模式的截止值时，这个模式将有较多的功率进入包层。在截止点上，模式功率几乎全部进入包层并辐射出去； (2)如果光纤中有大量 的模式存在，包层中 总的平均光功率所占 的比例可以近似等于： 2.405 Pclad/P

2.5.4 单模光纤 圆柱波导中的模式 结论：低阶模能量集中在波 导中心，而模式阶数越高横 截面直径越大且能量分布越 分散 单模光纤中只有最低阶模式HE11 存在，它的光纤横向光斑图类似 于左上角的截面图：

模场直径 模场直径 (MFD)：光功率为e-2E0时的光场半径宽度(E0为轴心 的光功率)，即光纤截面的光斑尺寸。 电场分布一般近似为高斯分布，可以得到模场直径为：

双折射 任何单模光纤中都存在两个相互独立且偏振面相互正交的简并模式。由于光纤结构的不完善，使得两个相互简并的模式在光纤中以不同的相速度传播，光纤对它们具有不同的有效折射率，即双折射效应： b = k0(ny - nx) 或者 Bf = ny - nx (低双折射光纤) 10-8 < Bf < 10-3 (高双折射光纤) 光纤折射率分布变化、波导非圆对称、受到非对称的横向应力造成两个简并模式传播常数不同 HE11偏振态相互正交的两个简并模

单模光纤中的特有现象：光偏振态呈周期变化 光纤拍长 两个简并模在传播时会产生相位差。当二者相位差为2p整数倍时，则它们在该点处出现“拍”，两个拍之间的间隔称为拍长：LB = 2p/b。 单模光纤中的特有现象：光偏振态呈周期变化 2p p/2 10-8 < B < 10-3 实际中，由于受到应力影响，双折射系数沿轴并非常量，因此线偏振光很快变成任意偏振光。

作业 2.8-2.11