第三章 光纤和光缆 主讲：刘春侠

主要章节 3.1 光纤和光缆 3.2 光纤的导光原理 3.3 单模光纤 3.4 光纤的损耗特性 3.5 光纤的传输特性 3.1 光纤和光缆 3.2 光纤的导光原理 3.3 单模光纤 3.4 光纤的损耗特性 3.5 光纤的传输特性 现在我们就来看看光线光缆长什么样，内部结构 我们也要了解一下目前实际应用的光纤有哪几种类型？ 我们知道实际应用中是以光缆形式使用的 最后了解一下光缆的制造工艺

3.1 光纤和光缆 1. 光纤的结构 2. 光纤的分类 3. 光缆的结构 4. 四类典型结构的光缆 5. 光缆的型号

光纤的结构 一般光纤是一种高度透明的玻璃丝，由纯 石英经复杂的工艺拉制而成。 结构——多层同轴圆柱体 。 组成——纤芯、包层和涂覆层

注意：纤芯n1＞包层n2 各组成部分功能 纤芯： 包层 作用——传导光波 成份——高纯度SiO2+极少量的掺杂剂（如 P2O5 ） 直径——3μm-100μm ——单模光纤：3μm-10μm ——多模光纤：50μm左右。 包层 作用——将光波限制在纤芯中传播 成分——高纯度SiO2+极少量的掺杂剂（如B2O3） ——掺杂目的是使折射率n2略低于纤芯折射率n1。 直径——125μm-140μm 注意：纤芯n1＞包层n2 什么是单模？我们可以简单地这样理解。以后我们从射线理论角度和电磁场角度详细地讲解

涂敷层 作用——是保护光纤不受水汽侵蚀和机械擦伤， 同时增加光纤的柔韧性。 一次涂覆层——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——聚丙烯或尼龙等高聚物 —涂覆后的光纤其外径约1.5mm。 —通常所说的光纤为此种光纤。 涂 敷 层

基本概念 裸纤 ——由纤芯和包层组成的光纤，强度和柔韧性较差。 光纤芯线 ——经过涂敷后的光纤。

光纤的分类 阶跃型光纤（SIF） 按光纤截面上折射率分布分类 渐变型光纤（GIF） W型光纤 阶跃型光纤：在纤芯和包层交界处的折射率呈阶梯形 突变，纤芯的折射率n1和包层的折射率n2是均匀常数。 渐变型光纤：纤芯的折射率n1随着半径的增加而按一 定规律(如平方律、双正割曲线等) 逐渐减少，到纤芯 与包层交界处为包层折射率n2，纤芯的折射率不是均 匀常数。 我们书上没有这部分内容，请同学们做下笔记，在后面介绍光纤的导光原理时，还会涉及到。 W型光纤（双包层光纤）：在纤芯与包层之间设有一 折射率低于包层的缓冲层，使包层折射率介于纤芯 和缓冲层之间。

光纤的纤芯折射率剖面分布 2b 2b 2b 2c 2a 2a 2a n n n n1 n1 n1 n2 n2 n2 n3   n n n n1 n1 n1 n2 n2 n2 n3 0 a b r 0 a b r 0 a c b r （a）阶跃光纤 （b） 渐变光纤 （c）W型光纤 包层和纤芯的成阶梯状

——只传输一种模式，纤芯直径较细，通常在3μm-10μm 范围内。 按传输模式的数量分类 多模光纤 单模光纤 ——只传输一种模式，纤芯直径较细，通常在3μm-10μm 范围内。 ——可传输多种模式，纤芯直径较粗，典型尺寸为50μm左右。 包层直径都为125μm-140μm 通常认为一个传播方向的光线为一种模式

按光纤的工作波长分类 短波长光纤（0.8-0.9μm） 长波长光纤（1.0-1.8μm） 超长波长光纤（大于2μm） 按制造光纤所使用的材料分类 石英系列 塑料包层石英纤芯 全塑光纤 光纤通信中主要用石英光纤，以后所说的 光纤也主要是指石英光纤。

按套塑结构不同 分为紧套光纤和松套光纤。 紧套光纤——在一次涂覆的光纤上再套上一层塑料套管，光纤在套管内不能自由活动。 松套光纤——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。

光缆的基本结构及类型（P9） 光纤成缆的原因 1. 增加抗冲击、抗弯曲等性能； 2. 根据不同使用情况可以制成不同结构形式的光缆 1. 增加抗冲击、抗弯曲等性能； 2. 根据不同使用情况可以制成不同结构形式的光缆 对光缆的基本要求 1. 不能因成缆而使光纤的传输特性下降 2. 在成缆过程中光纤不能断裂 3. 缆径细、重量轻 4. 便于施工和维护

光缆的基本结构 组成：缆芯、加强元件、光缆护层 1、缆芯 ——由单根或多根芯线组成。

位置：通常处在缆芯中心，有时配置在护中。 3.光缆护层 作用：防水防潮、抗拉抗压抗弯等 材料：聚乙烯或聚氯乙烯(PE或PVC)、聚氨酯 2.加强元件 作用：用于增强光缆敷设时可承受的负荷 材料：钢丝和非金属纤维。 位置：通常处在缆芯中心，有时配置在护中。 3.光缆护层 作用：防水防潮、抗拉抗压抗弯等 材料：聚乙烯或聚氯乙烯(PE或PVC)、聚氨酯 聚酰胺。此外，还有铝钢等金属防潮 位置：由内到外可加入一层或层圆筒状护套。

4.填料 材料：防潮油胶 作用：防潮防水 位置：缆芯和护套之间。 5.铠装 材料：钢丝钢带 位置：最外一层 作用：防外力损坏。 12芯松套层绞式直埋光缆

四类典型结构的光缆 1、层绞式结构光缆 把经过套塑的光纤绕在加强芯周围绞合而构成。 12芯松套层绞式直埋光缆 6芯紧套层绞式光缆

12芯松套层绞式直埋防蚁光缆

12芯松套层绞式水底光缆

2、骨架式结构光缆 骨架式结构光缆是把紧套光纤或一次涂覆光纤 放入加强芯周围的螺旋形塑料骨架凹槽内而构成。 12芯骨架式光缆

骨架式自承式架空光缆

3、束管式结构光缆 把一次涂覆光纤或光纤束放入大套管中，加强芯 配置在套管周围而构成。 12 芯 束 管 式 光 缆

4、带状结构光缆 把带状光纤单元放入大套管中，形成中心束管式结构；也可把带状光纤单元放入凹槽内或松套管内，形成骨架式或层绞式结构。 中心束管式带状光缆 层绞式带状光缆

光缆典型结构小结 制造较容易，光纤数量较少（12芯以下） 结构简单，对光纤保护较好，耐压、抗弯性能较好，节省了松套管材料和相应工序，但也对放置光纤入槽工艺提出了更高的要求。 体积小、重量轻、制造容易、成本低，是更能发挥光纤优点的光缆结构之一。 空间利用率最高的光缆，可容纳大量光纤，每个单元的接续可一次完成。

光缆型号（补） 1、光缆型式代号 GYGZL03-12T50/125 光缆型号由它的型式代号和规格代号构成，中间用一短横 线分开。 由五个部分组成，如下图所示。 GYGZL03-12T50/125

Ⅰ：分类代号及其意义为（应用环境) 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。 Ⅱ：加强构件代号及其意义为： 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。

Ⅲ：派生特征代号及其意义为： D——光纤带状结构； G——骨架槽结构； B——扁平式结构； Z——自承式结构。 T——填充式结构。 Ⅳ： 护层代号及其意义为；（护层使用材料） Y——聚乙烯护层； V——聚氯乙烯护层； U——聚氨酯护层； A——铝-聚乙烯粘结护层； L——铝护套； G——钢护套； Q——铅护套； S——钢-铝-聚乙烯综合护套。

Ⅴ：外护层的代号及其意义为： 外护层是指铠装层及其铠装外边的外护层，外护层的代号及其意义如下。 代 号 铠装层（方式） 外护层（材料） 无 1 —— 纤维层 2 双钢带 聚氯乙烯套 3 细圆钢丝 聚乙烯套 4 粗圆钢丝 — 5 单钢带皱纹纵包

2、光缆规格 由五部分七项内容组成，如下图所示。 光缆的规格组成部分

Ⅰ： 光纤数目用1、2、……，表示光缆内光纤的实际数目。 Ⅱ： 光纤类别的代号及其意义 J——二氧化硅系多模渐变型光纤； T——二氧化硅系多模突变型光纤； Z——二氧化硅系多模准突变型光纤； D——二氧化硅系单模光纤； X——二氧化硅纤芯塑料包层光纤； S——塑料光纤。 Ⅲ： 光纤主要尺寸参数 用阿拉伯数（含小数点数）及以μm为单位表示多模光纤的芯径及包层直径，单模光纤的模场直径及包层直径。

Ⅳ：带宽、损耗、波长表示光纤传输特性的代号由a、bb及cc三组数字代号构成。 1——波长在0.85μm区域； 2——波长在1.31μm区域； 3——波长在1.55μm区域。 注意，同一光缆适用于两种及以上波长，并具有不同传输特性时，应同时列出各波长上的规格代号，并用“/”划开。 bb——表示损耗常数的代号。两位数字依次为光缆中光纤损耗常数值（dB/km）的个位和十位数字。 cc——表示模式带宽的代号。两位数字依次为光缆中光纤模式带宽分类数值（MHz·km）的千位和百位数字。单模光纤无此项。

Ⅴ：适用温度代号及其意义。 A——适用于−40℃～+40℃ B——适用于−30℃～+50℃ C——适用于−20℃～+60℃ D——适用于−5℃～+60℃ 例如 光缆是由12根芯径/包层直径为50/125μm的二氧化硅系列多模突变型光纤组成，且在1.31μm波长上，光纤的损耗常数不大于1.0dB/km，模式带宽不小于800MHz·km；光缆的适用温度范围为−20℃～+60℃。其光缆规格型号为？

光缆中还附加金属导线（对、组）编号，如下图所示。其符合有关电缆标准中导电线芯规格构成的规定。 例如，2个线径为0.5mm的铜导线单线可写成2×1×0.5；4个线径为0.9mm的铝导线四线组可写成4×4×0.9L；4个内导体直径为2.6mm，外径为9.5mm的同轴对，可写成4×2.6/9.5。

（3）光缆型号例题 设有金属重型加强构件、自承式、铝护套和聚乙烯护层的通信用室外光缆，包括12根芯径/包层直径为50/125μm的二氧化硅系列多模突变型光纤和5根用于远供及监测的铜线径为0.9mm的四线组，且在1.31μm波长上，光纤的损耗常数不大于1.0dB/km，模式带宽不小于800MHz·km；光缆的适用温度范围为−20℃～+60℃。 该光缆的型号应表示为： GYGZL03-12T50/125（21008）C+5×4×0.9。

光纤的制造 双坩埚法（直制光纤） 将熔融态的纤芯玻璃放入内层容器中，熔融态的包层玻璃放在外层容器中。两种玻璃在外容器底部混合。形成光纤结构，然后拉制成光纤。 管中棒法（直制光纤） 将玻璃纤芯棒放在玻璃包层玻璃管中。二者长度都为1m，纤芯棒的直径为几厘米，而包层管的内直径要大一点。然后加热组合体的尾端，使玻璃变软，从而能拉制出很细的光纤。

光纤的制造 间接方法 预制棒----拉丝------光纤 预制棒横截面积是光纤的许多倍。典型的长1m，直径2cm。这种尺寸的预制棒可几千米 长的光纤。 制造预制棒方法 外部沉积法 内部沉积法

光纤的制造 制造过程 材料提存、熔炼、拉丝、套塑等工艺步骤。 材料提存 原料：SiCl4、GeCl4、BCl3 液体原料中的杂质：采用反复蒸馏的办法 气体原料中的杂质：采用多级分子筛的办法 熔炼工艺 目的：合成具有一定折射率分布的预制棒。 采用技术：气相沉积工艺 拉丝工艺 目的：将预制棒拉成高质量的光纤

3.2 光纤的导光原理 分析光纤导光原理有两种基本的研究方法： 1.射线理论法（射线法，几何光学法） 当光波波长远小于光纤芯径时，光可以用一条 表示光波传播方向的几何线即光射线表示---简 单、直观。 2.波动理论法（波动光学法） 根据电磁场理论对光波导的基本问题求解---严格全面，复杂。

回顾 全反射定律 θ1 θ2 n1 n2 全反射 n1 > n2 光的全反射示意图 光的全反射条件： ≡arcsin(n2/n1) 临界角 900 全反射 入射角=反射角 θ1 θ2 光的全反射示意图 光的全反射条件： ≡arcsin(n2/n1) 光是从光密介质到光疏介质

光纤中的光射线 1、子午射线 子午面——包含光纤轴线的平面。 光线始终在一个包含光纤中心轴线的平面内传播，并且 一个周期内与光纤轴线相交两次。这种光线称作子午射线。 子午面——包含光纤轴线的平面。 子午射线图

2、斜射线 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，这种光线称作斜射线。 （相当于在一棱柱的表面传播） 斜射线图

子午光线在单模光纤中的传播 光在单模光纤中的传播轨迹是以平行于光纤轴线的形式以直线方式传播 。 光在单模光纤中的传播轨迹

阶跃型多模光纤导光原理分析 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。

阶跃型多模光纤导光原理分析 问题： 将光限制在纤芯中传输，端面入射角应满足什么条件？

阶跃型多模光纤导光原理分析 发生全发射的临界状态

阶跃型多模光纤导光原理分析 当光线以 入射到纤芯端面上时 当光线以 入射到纤芯端面上时 内光线将以小于 的入射角投射到纤芯和包层界面上。 这样的光线在包层中折射角小于90度， 该光线将射入包层，很快就会漏出光纤。

多模阶跃型光纤导光原理分析 当光线以 入射到纤芯端面上时 当光线以 入射到纤芯端面上时 内光线将以大于 的入射角投射到纤芯和包层界面上。 这样的光线在包层中折射角大于90度，该光线将在纤芯和包层界面产生多次全反射， 使光线沿光纤传输。故光纤的受光区域是一个圆锥形区域，圆锥半锥角的最大值就等于 。

阶跃型多模光纤导光原理分析 结论：若要使光线在光纤中实现长距离传输，必须 使光线在纤芯与包层的界面上发生全反射，即纤芯与包 层的分界面的入射角大于 时，才能保证光线在纤芯内 产生多次全反射，使光线沿光纤向前传输。

确定入射角最大值 ，对于芯包界面，有 求 ？

相对折射率差Δ 物理意义 ——Δ表示阶跃型光纤 和 的相差程度。 定义式 对于通信光纤， ≈ ，上式简化成为 包层折射率 纤芯折射率 弱 导   相对折射率差Δ 物理意义 ——Δ表示阶跃型光纤 和 的相差程度。 定义式 对于通信光纤， ≈ ，上式简化成为 包层折射率 纤芯折射率 弱 导 光 纤

光纤的数值孔径 数值孔径 ——数值孔径角 物理意义 ——表示光纤的集光能力。 即凡是入射到圆锥角 以内的所有光线都可以   光纤的数值孔径 数值孔径 1 2 max sin n NA D = - q max q ——数值孔径角 物理意义 ——表示光纤的集光能力。 即凡是入射到圆锥角 以内的所有光线都可以 满足全反射条件，在芯包界面发生全反射，将光 线束缚在纤芯内沿轴向传播。 max q

说明 与∆关系 ——∆↑→NA↑→光纤集光能力↑。 光纤的数值孔径的决定因素 ——仅决定于光纤的折射率，与其几何尺寸无关 原因： NA↑→△↑→模式色散↑→光纤的传输容量↓ 故CCITT建议： 越强 NA=0.18-0.23。

多模渐变型光纤的导光原理分析 提问：光线在渐变型光纤中的传播轨迹是直线、折线还是曲线？

分层法分析其传播轨迹 将纤芯划分成若干同轴的薄层 ，假设各层内折射率均匀分布，而每层折射率从里到外逐渐减小，即有 ＞ ＞ ＞ ＞…。 ＞ ＞ ＞ ＞…。 由于光线都是从光密介质射向光疏介质，入射角将随折射次数增大。 之后光线是从光疏介质射向光密介质，入射角逐渐减小，直至穿过轴心后，光线又出现从光密介质射向光疏介质，重复上述折射过程。

当纤芯分层数无限多，其厚度趋于零时，渐变型光纤纤芯折射率呈连续变化，光线在其中的传播轨迹不再是折线，而是一条近似于正弦型的曲线。 光在渐变型光纤中的传播

自聚焦性——从光纤端面上同一点发出的近轴子午光线经过适当的距离后又重新汇集到一点，也就是说，它们有相同的传输时延。 数值孔径

多模阶跃型光纤的波动光学理论

基本概念 注意：模式不等价于导模 导波：携带信息的光波在光纤的纤芯中，由纤芯和包层的界面引导前进，这种波称为导波。 模式：波动理论的概念。 波动理论——一种电磁场的分布称之为一个模式。 射线理论——一个传播方向的光线对应一种模式。 注意：模式不等价于导模 传导模：能从高光纤的一端传到另一端，在光纤中长距离传播的模式称为导模。 辐射模：从纤芯向外辐射的模式。

等相面/相位一致条件 相位一致条件 ——如果图中所示的两个波在A、B处的相位相等，则经 的整数倍。 k0n1 A’ 传播常数 A B’ B C D C’ D’ 已知：图中AB、B，A，是两个平行的波阵面/等相面。它们与射线方向垂直。 在波动光学中，光波以波阵面向前传播的，与传播方向垂直，并且波阵面上的各点相位相等。 光纤中光波相位的变化情况图

基本概念 相位突变 全反射时的反射光相对于入射光将发生相位 突变 ， 的大小与入射角、分界面两面的折 射率及电场的分布情况有关。 突变 ， 的大小与入射角、分界面两面的折 射率及电场的分布情况有关。 纤芯内传播常数k0n1 物理意义 ——光传播单位距离时其相位变化量的大小。 光传播一段距离后的相位变化量 =k0n1 * 光在传播方向上的距离

相位一致条件证明 横向 k0n1cosθ δ θ k0n1 A′ A 2a 纵向 k0n1sinθ 4ak0n1cosθ-2δ。 A′与A之间必须相差2Π的整数倍，这样迭加才会相干加强形成驻波，否则相干抵消。因此，要形成驻波，或说这个模式要在光纤中存在就必须满足： 4ak0n1cosθ-2δ=2NΠ（N=0，1，2…） 导波的特征方程

导波模式的阶数 导波的特征方程 N=0对应的模称为基模； N=1,2,…对应的模称为一阶模、二阶模、… 射角越大。

在阶跃型多模光纤中，高阶模的折射次数多于低阶模。 阶跃型光纤中的模式传播 高阶模 结论： 在阶跃型多模光纤中，高阶模的折射次数多于低阶模。 在阶跃型多模光纤中，模数越高的芯包界面的入射角越小，则在光纤中折射的次数就越多，传播的路径就越长。

在渐变型多模光纤中，高阶模远离光纤轴线传播，低阶模靠近光纤轴线传播。传播一段距离后，聚焦于一点（自聚焦特性）。 渐变型多模光纤中的模式传播 高阶模 在渐变型多模光纤中，低阶模由于靠近光纤轴线，其传播路程短，但靠近轴线处的折射率大，该处光线传播速度慢；高阶模远离轴线，它的传播路程长，但离轴线越远折射率越小，该处光线的传播速度越快，从而弥补了时延差。 结论： 在渐变型多模光纤中，高阶模远离光纤轴线传播，低阶模靠近光纤轴线传播。传播一段距离后，聚焦于一点（自聚焦特性）。

光纤导波模式的精确解（了解） 一、理论计算的三大步骤 1. 利用圆柱坐标系中的赫姆霍兹方程求出Ez、Hz i=1,2 KI为传播常数=kn1/kn2 波动理论法就是利用波动理论方程求解出电场矢量和磁场矢量，从而我们可以知道电磁场的分布情况。 光纤中的圆柱坐标 坐标系

光纤导波模式的精确解 纤芯 包层 纤芯 包层 W大于0时为衰减波 纤芯内为震荡波 W大于0时包层内为衰减波

结论：当W大于0，U大于0时包层内为衰减波时，纤芯内的震荡波才能保持充足的光功率，实现远距离传输。

光纤导波模式的精确解 归一化变量 导波的径向归一化相位常数 导波的径向归一化衰减常数 弱导波光纤 归一化频率 物理意义：U表明了在纤芯中，场沿半径方向的分布规律。 导波的径向归一化衰减常数 物理意义：W表明了在包层中，场沿半径方向的衰减规律。 解方程过程中引入了两个常数UW K0=2pi/波长0 弱导波光纤 归一化频率 V与光纤的工作波长及其结构参数有关。 物理意义——能够确定出光线传输的导波模式数。

光纤导波模式的精确解 归一化截止频率（W=0时的归一化频率） 导波截止的临界条件 导波截止 ——当光线中出现辐射模时，即认为导波截止。 导波存在的条件：

光纤导波模式的精确解 射线理论推导 导波截止临界条件

光纤导波模式的精确解 2. 由Ez、Hz及麦克斯伟方程组求出 3. 利用边界条件即E、H在芯包交界处连续的特点求出导波特征方程。 由特征方程及贝塞尔函数的性质、电磁波的特性得出J(U),一个m

一个U值对应一个模式，一个m对应一系列U。 贝塞尔函数的性质 导波截止的临界条件 电磁场的解 m为阶数，n为解的序号。 Jm（U）各个模式的归一化频率 一个U值对应一个模式，一个m对应一系列U。

光纤导波模式的精确解 四类导波模式（矢量模）： 1.TE0n模式，称为横电波 特点：纵向只有磁场，无电场。Ez=0。 2.TM0n模式，称为横磁波 特点：纵向只有电场，无磁场。 3.EHmn模式，称为混合波 特点：纵向有电场、磁场 4.HEmn模式，称为混合波 m、n称作导波模式的阶数。 方向和大小

光纤的一个重要参数-----V 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。 归一化频率 每一种模式有它自己的归一化频率V，以实际的光纤归一化频率V与各模式的归一化截止频率Vc相比来判断光纤中模式传输的数目。

光纤的归一化截止频率Vc 每一种导波模式都对应一个特定的Vc；反之，每一个特定的Vc对应一种或多种导波模式。 导波模式与归一化截止频率的对应关系。 例如：V=4时，光纤传输的导波模式为？ 基模：HE11模式 单模光纤：只含基模的光纤。 多模光纤：含有基模和其他模式的光纤。 基模在任何光纤中都存在。

导波存在 导波截止 由光纤的参数及工作波长计算出归一化频率V后，从图中就可以判断光纤中可能存在几种模式传输。

光在光纤中的模式传播