第二章 光纤与光缆 返回 2.1 光纤的结构和分类 光纤的种类 2.4 光纤的性质及特种光纤 2.2 光纤的损耗与色散

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1 第二章 光纤与光缆 返回 2.1 光纤的结构和分类 2.1.2 光纤的种类 2.4 光纤的性质及特种光纤 2.2 光纤的损耗与色散
第二章 光纤与光缆 2.1 光纤的结构和分类 光纤的种类 2.2 光纤的损耗与色散 2.2.1 光纤的损耗特性 光纤的色散特性 2.3 光纤的选择及制造 光纤的选择及制造 2.3.2光纤的制造 2.3.3 命名方法 2.4 光纤的性质及特种光纤 2.4.1 机械特性及温度特性 2.4.2 特种光纤 2.5 光纤的性质及种类 结构 种类 2.5.3特种光缆 2.6光缆的选择及制造 返回

2 2.1 光纤的结构和分类 光纤的结构 光纤有不同的机构形式。目前，通信用的光纤绝大多数是用石英材料做成的横截面很小的双层同心玻璃体，外层玻璃的折射率比内层稍低。折射率高的中心部分叫做纤芯，其折射率为 ，直径为2a；折射率低的外围部分称为包层，其折射率为 ，直径为2b。它的基本结构形式如图2-1所示 2b 2a 包层n2 纤芯n1 图2-1 光纤的基本结构

3 光纤的种类 虽然光纤的基本结构形式如图2-1 所示，但是按照折射率分布、传输模式多少、材料成分等的不同，光纤可分为很多种类，下面将有代表性的几种，简单介绍一下 2b 2a a b r n(r) n1 n2 1. 按照折射率分布来分 一般可以分为阶跃型光纤和渐变型光纤两种 （1）阶跃型光纤 如果纤芯折射率（指数）沿半径方向保持一定，包层折射率沿半径方向也保持一定，而且纤芯和包层折射率在边界处呈阶梯型变化的光纤，称为阶跃型光纤，又可称为均匀光纤。它的结构如图2-2（a）所示。 （a）均匀光纤的折射率剖面分布 图2-2 光纤的折射率剖面分布

4 光纤的种类 （2）渐变型光纤 如果纤芯折射率沿着半径加大而逐渐减小，而包层折射率是均匀的，这种光纤称为渐变型光纤，又称为非均匀光纤。它的结构入图2-2（b）所示。 n(r) n1 n2 b r （b）非均匀光纤的折射率剖面分布 图2-2 光纤的折射率剖面分布

5 2.1.2 光纤的种类 （a）单模光纤 图2-3 光纤中的光线轨迹 2. 按照传输模式的多少来分
光纤的种类 （a）单模光纤 图2-3 光纤中的光线轨迹 2. 按照传输模式的多少来分 所谓模式，实际上上电磁场的一种场型结构分布形式。模式不同，其场型结构不同。根据光纤中传输模式的数量，可分为单模光纤和多模光纤。 （1）单模光纤 光纤中只传输单一模式时，叫做单模光纤。单模光纤的纤芯直径较小，约为4 ~10 mm，通常，纤芯中折射率的分布认为是均匀分布的。由于单模光纤只传输基模，从而完全避免了模式色散，使传输带宽大大加宽。因此，它适用于大容量、长距离的光纤通信。单模光纤中的射线轨迹如图2-3（a）所示

6 2.1.2 光纤的种类 （b）多模均匀光纤 （c）多模非光纤 （2）多模光纤
光纤的种类 （b）多模均匀光纤 （c）多模非光纤 （2）多模光纤 在一定的工作波长下，可以传输多模光纤的介质波导，称为多模光纤。其纤芯可以采用阶跃折射率分布，也可以采用渐变折射率分布，它们的光波传输轨迹如图2-3（b），（c）所示。多模光纤的纤芯直径约为50 mm，由于模色散的存在使多模光纤的带宽变窄，但其制造、耦合、连接都比单模光纤容易。

7 2.1.2 光纤的种类 3. 按光纤的材料来分 （1）石英系光纤
光纤的种类 3. 按光纤的材料来分 （1）石英系光纤 这种光纤的纤芯和包层是由SiO2掺有适当的杂质制成。这种光纤的损耗低，强度和可靠性较高，目前应用做广泛。 （2）石英芯、塑料包层光纤 这种光纤的芯子是用石英制成，包层采用硅树脂。 （3）多成分玻璃纤维 一般用钠玻璃掺有适当杂质制成。 （4）塑料光纤 这种光纤的芯子和包层都由塑料制成。 目前，在光纤通信中主要使用石英系光纤。因此，对于石英系的阶跃型光纤和渐变型光纤分两节来介绍，并采用射线法和波动理论法，主要分析它们的导波模式及特性。

8 2.2 光纤的损耗与色散 2.2.1 光纤的损耗特性 光纤的传输损耗是光纤通信系统中一个非常重要的问题，低损耗是实现远距离光纤通信的前提。
2.2 光纤的损耗与色散 2.2.1 光纤的损耗特性 光纤的传输损耗是光纤通信系统中一个非常重要的问题，低损耗是实现远距离光纤通信的前提。 形成光纤损耗的原因很复杂，归结起来主要包括两大类：吸收损耗和散射损耗 1.吸收损耗 吸收作用是光波通过光纤材料时，有一部分光能变成热能，从而造成光功率的损失。 造成吸收损耗的原因很多，但都与光纤材料有关，下面主要介绍本征吸收和杂质吸收。

9 2.2 光纤的损耗与色散 （1）本征吸收 但此吸收带的尾部可拖到1mm，将影响到0.7~1 mm的波段范围，并随着波长的增加按指数规律下降，对于掺锗的单模光纤来说，紫外吸收带的影响小于1 dB/km。 它是光纤基本材料（例如：纯SiO2）固有的吸收，并不是有杂质或缺陷所引起的。因此，本征吸收基本上确定了任何特定材料的吸收的下限。 吸收损耗的大小与波长有关，对于SiO2石英系光纤，本征吸收有两个吸收带，一个是紫外吸收带；一个是红外吸收带。 红外区的波长范围是0.76~300 mm，对于纯SiO2的吸收峰值在9.1 mm，12 .5 mm和21 mm，吸收带的尾部可展伸1.5~1.7mm，已影响到目前使用的石英系光纤工作波长的上限，这也是波段扩展困难的原因之一。 紫外区的波长范围是：6×10-3~0.39μm，它吸收的峰值在0.16附近，是在现用的光通信频段之外，

10 2.2 光纤的损耗与色散 （2）杂质吸收 它是由光纤材料的不纯净而造成的附加的吸收损耗。影响最严重的是：过渡金属离子吸收和水的氢氧根离子吸收
2.2 光纤的损耗与色散 （2）杂质吸收 它是由光纤材料的不纯净而造成的附加的吸收损耗。影响最严重的是：过渡金属离子吸收和水的氢氧根离子吸收 ① 过渡金属离子主要包括铁、铬、钴和铜等，它们在光纤工作波段都有自己的吸收峰，其含量越多，损耗越严重。为了降低损耗，需要严格控制这些离子的含量 表2-1 光纤中过渡金属离子含量的限制（峰值损耗为1 dB/km 离子名称 吸收峰波长（ mm） 离子浓度的限度（ppb） Cu + +（铜） 0.8 0.450 Fe + +（铁） 1.1 0.40 Ni + +（镍） 0.650 0.20 V + + +（钒） 0.175 0.90 Cr + + +（铬） 0.675 Mn + + +（锰） 0.500

11 2.2 光纤的损耗与色散 ② 氢氧根离子吸收 熔融的石英玻璃中含水时，由水分子中的氢氧根离子（ ）振动而造成的吸收。 的吸收峰值在2.7mm附近，振动损耗的二次谐波在0.9 mm，三次谐波在0.72 mm，在这些吸收峰之间存在着几个低衰减区。 2 4 6 8 10 12 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 损耗 （dB/km） 用VAD（汽相轴向沉积）法制作的光纤，当OH- 含量小于0.8 ppb时，光纤的损耗曲线示于图2-16，从图中可以看出，在1.3 ~1.6 mm范围内，损耗非常小。 图2-4用VAD法制的光纤衰减－波长曲线

12 2.2 光纤的损耗与色散 2.散射损耗 由于光纤的材料、形状、折射指数分布等的缺陷或不均匀，使光纤中传导的光散射而产生的损耗称为散射损耗。
2.2 光纤的损耗与色散 2.散射损耗 由于光纤的材料、形状、折射指数分布等的缺陷或不均匀，使光纤中传导的光散射而产生的损耗称为散射损耗。 散射损耗包括线性散射损耗和非线形散射损耗。所谓线性和非线性主要是指散射损耗所引起的损耗功率与传播模式的功率是否成线性关系。 线性损耗主要包括：瑞利散射和材料不均匀引起的散射; 非线性散射主要包括：受激喇曼散射和受激布理渊散射等 在这里，只介绍两种线性损耗。

13 2.2 光纤的损耗与色散 （1）瑞利散射损耗 这也是光纤的本征散射损耗。这种散射是由于光纤材料的折射率随机性变化而引起的。材料的折射率变化是由于密度不均匀或者内部应力不均匀而产生散射。当折射率变化很小时，引起的瑞利散射是光纤散射损耗的最低限度，这种瑞利散射是固有的，不能消除。 瑞利散射损耗与1/4成正比，它随波长的增加而急剧减小，如图2-5中的散射损耗曲线所示，所以在长波长工作时，瑞利散射会大大减小。 图2-5 瑞利散射损耗与波长的关系

14 2.2 光纤的损耗与色散 （2）材料不均匀所引起的散射损耗
2.2 光纤的损耗与色散 （2）材料不均匀所引起的散射损耗 结构的不均匀性以及在制作光纤的过程中产生的缺陷也可能使光纤产生色散。这些缺陷可能是光纤中的气泡，未发生反应的原材料及纤芯和包层交界处粗糙等。这种散射也会引起损耗。 它与瑞利散射不同，主要是通过改进制作工艺予以减小。 上面介绍了两种主要损耗，即吸损耗和散射损耗。除此之外，引起光纤损耗的还有：光纤弯曲产生的损耗以及纤芯和包层中的损耗等等。综合考虑，发现有许多材料，如：纯硅石等在1.3 mm附近损耗最小，材料色散也接近零；还发现在1.55 mm左右，损耗可降到0.2 dB/km；如果合理设计光纤，还可以使色散在1.55 mm处达到最小。这对长距离、大容量通信提供了比较好的条件。

15 光纤的色散特性 上面介绍了光纤的损耗特性，光纤通信的另一个重要特性。光纤的色散会使输入脉冲在传输过程中展宽，产生码间干扰，增加误码率，这样就限制了通信容量。因此制造优质的、色散小的光纤，对增加通信系统容量和加大传输距离是非常重要的 1.光纤色散的概念 信号在光纤中是由不同的频率成分和不同模式成分携带的，这些不同的频率成分和模式成分有不同的传播速度，从而引起色散。也可以从波形在时间上展宽的角度去理解，即光脉冲在通过光纤传播期间，其波形在时间上发生了展宽，这种现象就称为色散。 光纤色散包括材料色散、波导色散和模式色散。前两种色散是由于信号不是单一频率而引起的，后一种色散是由于信号不是单一模式所引起的。

16 2.2.2 光纤的色散特性 2.用时延差表示色散的程度 因此 下面分两步来讨论如何用时延差来表示色散的大小 又由于 （1）什么是时延
光纤的色散特性 2.用时延差表示色散的程度 因此 ＝ 下面分两步来讨论如何用时延差来表示色散的大小 又由于 （1）什么是时延 设有一个单一的载频 ，携带一个调制信号，当光波频率很高，相对调制带宽很窄时，它在传输过程中的速度可用速群 表示，则它传输每一单位长度使，所需要的时间 就称作每单位长度的时延，即 所以单位长度的时延 ＝ 由于速群 q＝

17 光纤的色散特性 （2）什么是时延差 = 不同速度的信号，传输同样的距离，需要不同的时间，即各信号的时延不同，这种时延上的差别，成为时延差，用 表示。 将 代入，得 时延差了有不同的频率成分引起，也可由不同的模式成分引起。下面介绍由不同频率成分引起的时延差。 如将 的关系代入上式， 则可得出 由于光源不是单色光，有一定的带宽，设其带宽为 ，则单位带宽上引起的时延差为 ，因此带宽上引起的时延差应为 （2-1）

18 2.2.2 光纤的色散特性 从式中可以看出，信号的时延差与信号源的相对宽带 成正比，光源的相对带宽越窄，信号的时延差就越小，则引起的色散就小
光纤的色散特性 从式中可以看出，信号的时延差与信号源的相对宽带 成正比，光源的相对带宽越窄，信号的时延差就越小，则引起的色散就小 因此，可得出结论：时延并不代表色散的大小，色散的程度是用时延差表示，时延差越大，色散就越严重。时延差的单位ps/(km·nm)。

19 光纤的色散特性 3.光纤中的色散 各种色散在不同情况下，有不同的重要性。对于单模光纤来说，主要是材料色散和波导色散；而对于多模光纤来说，模式色散占主要地位。 材料色散、波导色散核模式色散，在光纤重往往交织在一起，很难截然分开。为了强每一种色散的概念讨论清楚，把光纤分成三种情况：即材料为无穷大、单模光纤和多模光纤，分别讨论各种色散特征。 （1）无界材料中的色散 在无穷大的材料中，不存在模式的问题，只有材料色散。 材料色散是由于材料本身的折射率随频率变化而变化，使得信号各频率成分的群速不同引起的色散

20 光纤的色散特性 下面首先求出在这种情况下，时延差的表示式，进而讨论材料色散特征。在推导无界材料中的色散的表达式时，要根据 的一般关系式，由于在此式中有 一项，故需要找出无界情况下的表示式 在无界材料中，平面波的相位常数为 则 N 称为材料的群指数，它表征材料的特征。 将此式代入式（2-1），得出 （2-2） 从式（2-2）可以看出：时延差和 成正比，即 越小，则材料色散就越小

21 光纤的色散特性 如果令 为色散系数，图2-6给出了色散系数与波长之间的关系曲线。对于用SiO2材料制造的光纤，在波长为1.3 mm附近时的色散系数为零。从而时延差为零，这时没有时延展宽，这个波长叫做材料的零色散波长。 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.16 300 400 500 600 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 SSk1 kg SiO2 λ(μm) 色散系数 f(THz) 图2-6 材料的色散特性

22 2.2.2 光纤的色散特性 （2）单模光纤的色散 由于单模光纤中只有基模传输，因此，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 （2）单模光纤的色散 由于单模光纤中只有基模传输，因此，不存在模式色散，只有材料色散和波导色散。 所谓波导色散，是对于光纤某一个模式而言，在不同的频率下，相位常数β不同，使得群速不同而引起的色散。可以看出，材料色散核波导色散都是由于光波的相位常数β随频率变化而引起的色散，因此，这两种色散都属于频率色散。 下面仅针对纤芯折射率分布是均匀的阶跃型单模光纤中时延差的表示式，从中分析单模光纤的色散特性。 分析思路:首先求出模式的相位常数β的解析式,再求出单模光纤中时延差的表示式,从中分析单模光纤的色散特性

23 光纤的色散特性 ① 求出相位常数β的解析式 从前面分析中得知，阶跃光纤纤芯的折射指数为n1，纤芯的半径为n2，波导的诡异化相位常数为a,导波的归一化相位常数为 波导的归一化衰减常数为 得出光纤的归一化频率为 则 整理后可得出 运用关系式 并代入上式，得

24 2.2.2 光纤的色散特性 则 此式用二项式订立展开，并只取前两项，得出近似式为 对于弱导波光纤，折射指数差可用近似式代替
光纤的色散特性 则 此式用二项式订立展开，并只取前两项，得出近似式为 对于弱导波光纤，折射指数差可用近似式代替 将它代入上式，得出相位常数β的解析式

25 光纤的色散特性 ②单模光纤中的时延差 要推导单模光纤中时延差的表示式，同样是根据式（2-77）， 因此，也需要找出单模光纤中 的表示式。 先计算β对k0的一阶导数： (2-3) 式（2-3）中等号右边的第一项纤芯中的材料群指数，即 式（2-3）中的第二项为 其中 ，为包层中的材料群指数

26 2.2.2 光纤的色散特性 式（2-3）中的第三项为 其中 上式中运用了 的关系，将它代入第三项中，得 将以上三项式代入式（2-3），得出
光纤的色散特性 式（2-3）中的第三项为 其中 上式中运用了 的关系，将它代入第三项中，得 将以上三项式代入式（2-3），得出 （2-4）

27 光纤的色散特性 再计算β对k0的二阶导数 （2-5）

28 2.2.2 光纤的色散特性 将式（2-5）代入式（2-1）中，得出 （2-6） 式（2-6）即为单模光纤时延差的表示式
光纤的色散特性 将式（2-5）代入式（2-1）中，得出 （2-6） 式（2-6）即为单模光纤时延差的表示式 此式和式（2-2）不同，式（2-2）是无界材料中色散的表示式，而式（2-6）是单模光纤（在有界的情况下）色散的表示式，由于在这两种情况下的相位常数β不同，因此同样运用时延差的一般表示式（2-1）时，两者的 亦不同

29 图2-7 SiO2单模光纤材料色散和波长色散与光波长的关系曲线
光纤的色散特性 ③单模光纤时延差表示式的物理意义 式（2-6）中包含两项，第一项和式（2-2）相同，说明第一项代表材料色散；第二项代表波导色散，它与Δ、 α 、β有关，表明了波导的作用。 图2-7给出了SiO2单模光纤材料色散核波导色散于光波长的关系曲线。从图中可以看出， 图2-7 SiO2单模光纤材料色散和波长色散与光波长的关系曲线 波长在1.3mm附近时，材料色散为零，这是波导色散为主要色散；而当波长为1.4～1.5mm时，材料色散和波导色散相互抵消，总色散为零。从前面分析中也得知，在此波长段内，光纤损耗也最小。因此，目前人们研制的零色散频移光纤，即是使工作波长为1.55mm的单模光纤，可以获得最低损耗和最小色散 。

30 光纤的色散特性 （3）多模光纤的色散 当光纤的归一化频率V > 以后，单模传输条件破坏，将有多个导波模式传输，V值越大，模式越多，这样，出了材料色散和波导色散以外，还有模式色散。在多模光纤中，一般模式色散占主要地位。 所谓模式色散，是指光纤不同模式在同一频率下的相位常数不同，因此群速不同而引起的色散。它是光纤中传输的最高模式与最低模式之间的时延差来表示的。 对于多模光纤来说，纤芯中折射率分布不同时，其色散特性不同。下面分两种情况来讨论，即纤芯折射率呈均匀变化和成渐变型变化的情况

31 光纤的色散特性 2b L 2a n1 n2 θ1 ①多模阶跃型光纤的色散 图2-8画出了两条不同的子午线，它代表不同模式的传输路径，由于各射线的 不同，其轴向的传输速度也不同，因此，引起模式色散。 图2-8多模阶跃型光纤模式色散 光射线形形成波导的条件是：90o> θ 1> θ c ，当θ 1 = 90o时，射线与光纤轴线平行，此时轴向速度最快，在长度为L的光纤上传输时所用的时间 最短，为

32 2.2.2 光纤的色散特性 当θ 1= θ c时，射线倾斜得最陡，此时轴向速度最慢，在长度为L的光纤上传输时，所用的时间最长，为
光纤的色散特性 当θ 1= θ c时，射线倾斜得最陡，此时轴向速度最慢，在长度为L的光纤上传输时，所用的时间最长，为 这两条射线的最大时延差为 (2-7) 从式中看出，多模阶跃型光纤的色散和折射指数差Δ有关，而弱导波光纤 , Δ很小，因此，使用弱导波光纤可以减小模式色散。

33 2.2.2 光纤的色散特性 ②多模渐变型光纤的色散 对于纤芯折射指数呈渐变型的多模光纤，当折射指数分布不同时，其色散特性不同。
光纤的色散特性 ②多模渐变型光纤的色散 对于纤芯折射指数呈渐变型的多模光纤，当折射指数分布不同时，其色散特性不同。 下面分几步进行分析。首先求出群时延，找出最大时延差；然后分析渐变指数不同的光纤的色散特性，这样即可求出最佳折射指数分布 a.模式群的群时延 当用p表示模式群编号时，可得出模式群的时延表示式为 (2-8) 根据渐变型光纤折射指数的一般表示式，通过较为复杂的近似分析（推导从略）可得出第p个模式群的相位常数 的表示式为

34 2.2.2 光纤的色散特性 （2-9） 式中，p ——某一个模式群； pmax——模式群的最大值
光纤的色散特性 （2-9） 式中，p ——某一个模式群； pmax——模式群的最大值 将式（2-9）用二项式展开，并只求取前三项，得 将此三项分别对求k0导，并再代入式（2-8）中，得 式中第一项与模式群p无关，因此它不代表模式色散；第二、三项中都包含模式群的编号p，说明不同的模式群将有不同时延，从而引起模式色散。

35 2.2.2 光纤的色散特性 式中ε只与光纤的材料及工作频率有关，是个很小的已知量，可忽略。则群时延（为某一个模式群的时延）的表示可写为
光纤的色散特性 式中ε只与光纤的材料及工作频率有关，是个很小的已知量，可忽略。则群时延（为某一个模式群的时延）的表示可写为 （2-10）

36 光纤的色散特性 b.模式群的最大相对时延差 所谓相对时延差是指，各模式群相对于p=0的模式群的时延差。而模式群的最大相对时延差，是指最大模式群 与p＝0的模式群之间的时延差，用 表示。 （2-11） 式中， ——当p＝0的模式群的时延； ——当p=pmax的模式群的时延 由式（2-10）可得出 将此关系式代入式（2-11），则得出 （2-12）

37 2.2.2 光纤的色散特性 c.多模式渐变型光纤的最佳折射指数分布
光纤的色散特性 c.多模式渐变型光纤的最佳折射指数分布 从式 （2-12）中可以看出，模式群的最大相对时延差与渐变指数α有关，当α＝2时，　　　与　　成正比，而当 时，均和 成正比。由前面分析得知，相对者折射指数差是个很小的数值，一般为1%左右。因此，可得出结论： 的平方律型折射指数分布光纤的模式色散最小，其折射率分别为多模渐变型光纤的最佳折射指数分布形式。 如果多模渐变型光纤与多模阶跃型光纤相比较，从时延差公式中可看出，在相同条件下，渐变型光纤的色散小。

38 2.3 光纤的选择及制造 光纤的选择及制造 对光纤的基本要求是，使从发射端光源耦合的光功率和达到接受端检测器的光功率最佳，通过光纤信号产生的畸变最小。具体的设计要根据使用条件进行折衷 （1）衰减 在选定的波长，衰减要足够小，以买组接受端所要求的光功率，要考虑连接器、接头和耦合器的损耗和系统工作所需要的余量。为此，要正确选择工作波长和光纤类型。 （2）耦合损耗 它包括光源耦合损耗和检测器耦合损耗。纤芯尺寸和数值孔径大，可减小光源的耦合损耗，适合于采用发光管（LED）的系统。丹药增加检测器耦合损耗，并和增大光纤带宽相矛盾。纤芯尺寸和数值孔径邀足够小，使出射光完全落在检测器上，以减小耦合损耗。为了提高接收机响应速度，降低噪声，则要求检测器面积小。

39 （3）连接损耗 2.3.1 光纤的选择及制造 它包括连接器和接头的损耗。纤芯直径的公差、不圆度结合纤芯与包层同心度误差要尽可能减小，以得到最小连接损耗。提高光纤的几何精度，要增加制造成本，增大纤芯尺寸和数值孔径可以减小几何公差对连接损耗的不利影响，但于增大带宽相矛盾。 (4)色散和带宽 为使调制信号以最小畸变通过光纤全长，光纤色散要足够小。为减小光纤色散，要严格控制折射率分布指数(g)和零色散波长。对具体系统要正确选择光纤类型（SI,GI,SM）和工作波长，例如长距离高速率系统要选择零色散位移到1.55mm的单模光纤。波分复用系统要选择色散平坦单模光纤和非零色散光纤。采用发光管（LED）的系统，要考虑材料色散的影响。

40 有两种用于全玻璃光波导制造的基本方法,分别是汽相氧化过程和直接熔化法
有两种用于全玻璃光波导制造的基本方法,分别是汽相氧化过程和直接熔化法.直接熔化法按传统的玻璃制造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.汽相氧化过程是将高纯度的金属卤化物(例如SiCl4和GeCl4)与氧反应生成白色的SiO2微粒,这些微粒可以采用四种不同方法中的任意一种收集在一个玻璃容器的表面,并经烧结(通过加热,但尚未达到熔化,将SiO2微粒转化为均匀的玻璃体)制成洁净的玻璃棒或玻璃管. 2.3.2光纤的制造 ① 改进化学汽相沉积法 改进的化学汽相沉积法(MCVD)如图2.9所示,它最先由贝尔实验室设计,现在已被全球广泛用于制造低损耗梯度型折射率（GI）光纤.在制造过程中,玻璃蒸汽形成微粒,从金属卤化物及氧气的连续反应中飘出,并移向SiO2的管子的内部.

41 随着SiO2的沉积，它们则由沿反应管来回移动的氢氧喷灯烧结成一层纯净的玻璃膜层。当在管子的内壁形成所需的玻璃沉积层后，停止供应汽相反应物并强烈加热使之成为实心棒。将此实心棒拉丝而制成光纤，它的纤芯由气相沉积材料构成、包层由原始石英管材料构成 2.3.2光纤的制造 图2.9 MCVD法示意图

42 2.3.2光纤的制造 ②外部汽相氧化法棒外汽相沉积法
这种方法如图2.10所示。首先，从喷嘴出来的SiO2烟尘在一根旋转的石墨或陶瓷轴上形成一层沉积层，玻璃烟尘在这根作为基础的棒上一层又一层沉积，于是一根疏松的玻璃预制棒就这样做成了。在沉积过程中，适当控制金属卤化物蒸气流的组份，即可形成纤芯和包层所需要的尺寸和组分的预制棒。阶跃或梯度折射率预制棒均可依照此制作 在沉积过程完成以后，抽走中心的轴，然后在干燥的大气中、在高温（大约1400oC）环境下将其玻璃化，制成洁净的玻璃预制棒。将这种结晶的预制棒置于拉丝机中即可拉制成光纤，如图2.10所示。这种管状预制棒的中心空洞在拉丝过程中消失

43 2.3.2光纤的制造 图2.10 光纤拉丝机示意图

44 2.3.2光纤的制造 图2.11 采用OVPO方法制作预制棒的基本步骤为：（a）中心轴在喷嘴下方匀速旋转并来回平移，以便在中心轴外形成玻璃烟尘微粒的均匀沉积（b）预制棒折射率刨面可以是阶跃型的，也可以是梯度型的（c）沉积过程完成以后，将粉尘状的预制棒烧结成结晶玻璃预制棒（d）由预制棒拉制光纤

45 2.3.2光纤的制造 ③ 轴象气相沉积法（VAD）. 如图2.12所示。VAD方法所采用的SiO2微粒形成过程与OVPO方法完全一样，当玻璃微粒从喷灯口出来以后，即沉积在一根石英玻璃棒的端面上，这根石英玻璃棒同时也作为输送杆使用。在输送杆向上移动的过程中，一根疏松的预制棒即沿轴向生成 图2.12 VAD(汽相轴向沉积）方法的设备图

46 2.3.2光纤的制造 疏松棒在向上移动的同时也匀速旋转，以保证沉积成的预试棒具有轴向对称性。疏松预试棒在向上移动过程中，通过一个如图2.12所示由石墨加热环构成的加热熔融区后即成为固体透明的预制棒。最后形成的预制棒在另一个加热炉经加热后拉制成光纤，拉制过程如图2.27所示 图2.12 VAD(汽相轴向沉积）方法的设备图

47 2.3.2光纤的制造 ⑤ 等离子体活性化学汽相沉积法（PCVD）
如图2.13所示PVCD法与MCVD法非常相似，PCVD法也在石英管内进行沉积。但是，该方法采用低压工作的非等温微波等离子体进行加热。为了减小生成的玻璃膜的机械应力，石英管的 温度保持在1000－1200oC范围内，一个工作频率为2.45GHz的移动微波谐振腔在管内产生等离子体来激起化学反应。这个过程将一层纯净玻璃直接沉积在管壁上，而不会有剩余粉尘物。于是，也就不需要进行烧结处理。等得到所需厚度的玻璃以后，也像MCVD中那样将管子制成实心预制棒 图2.13 PCVD法示意图

48 图2.14 利用双坩埚法从熔融玻璃拉制光纤的示意图
⑥ 双坩埚法 2.3.2光纤的制造 在这种方法中，首先通过熔化含有合适玻璃成分的纯净粉末，分别制成纤心材料玻璃棒和包层材料玻璃棒。然后将这些玻璃棒作为两个同轴坩埚的坯材，其过程如图2.14所示。内坩埚用来熔化纤芯玻璃，外坩埚用来熔化包层玻璃。经过一个连续的生产过程，光纤则通过从这两个同轴坩埚底部的小孔输出的熔融态玻璃拉丝而成 图2.14 利用双坩埚法从熔融玻璃拉制光纤的示意图

49 2.3.3 命名方法 光纤的型号是由一条短横线隔开的两组代号组成。下面，说明光缆型号的两组代号的规定。
首先，如果将每一个代号的位置用一个小方格来代替（如图2-15所示），则光缆的型号可一般化写为： 横线左侧5各小方格为光缆型号的代号；横线右侧5个小方格式光纤的代号。下面逐格加以说明。 图2-15 光缆型号标志 I II III IV V 1 2 3 5 4 a bb cc 分类 加强构件 派生 （形状、特性等） 护层 外护层 允许适用温度 模式带宽 衰减常数 使用波长 光纤主要尺寸参数 光纤类别 光纤数

50 2.3.3 命名方法 1.横线左侧各小格的含义 格I：表示光缆分类的代号，在这一格的位置上由两个英文字母构成，它们的含义分别为：
GY----通信用室外光缆 GR----通信用软光缆 GJ----通信用室（局）内光缆 GS----通信通设备内光缆 GH----通信用海底光缆 GT----通信用特殊光缆 图2-15 光缆型号标志 I II III IV V 1 2 3 5 4 a bb cc 分类 加强构件 派生 （形状、特性等） 护层 外护层 允许适用温度 模式带宽 衰减常数 使用波长 光纤主要尺寸参数 光纤类别 光纤数

51 2.3.3 命名方法 格II：表示光缆分类的代号，在这一格的位置上由两个英文字母构成，它们的含义分别为：
无符号----金属加强构件 F----非金属加强构件 C----金属重型加强构件 H----非金属重型加强构件 图2-15 光缆型号标志 I II III IV V 1 2 3 5 4 a bb cc 分类 加强构件 派生 （形状、特性等） 护层 外护层 允许适用温度 模式带宽 衰减常数 使用波长 光纤主要尺寸参数 光纤类别 光纤数

52 2.3.3 命名方法 格III.表示派生（形状、特性）的代号，在一位置上，由一个英文字母构成，它们的含义分别为：
B----扁平形状 E----自成式构件 T----填充式构件 图2-15 光缆型号标志 I II III IV V 1 2 3 5 4 a bb cc 分类 加强构件 派生 （形状、特性等） 护层 外护层 允许适用温度 模式带宽 衰减常数 使用波长 光纤主要尺寸参数 光纤类别 光纤数

53 2.3.3 命名方法 格IV：表示护套的代号，在这一位置上，由一个英文字母构成，它们的含义分别是：
Y----聚乙烯护套 V----聚氯乙稀护套 U----聚氨酯护套 A----聚氯乙稀粘结护套 L----铝护套 G----钢护套 Q----铅护套 S----钢-铝-聚乙烯综合护套 图2-15 光缆型号标志 I II III IV V 1 2 3 5 4 a bb cc 分类 加强构件 派生 （形状、特性等） 护层 外护层 允许适用温度 模式带宽 衰减常数 使用波长 光纤主要尺寸参数 光纤类别 光纤数

54 2.3.3 命名方法 格V：便是外护套代号，由两位数字构成。其第一位数字表示铠装层材料；第二位数字表示外护层材料，它们的含义如表2-2所示
第一位数字标记 铠装层材料 第二位数字标记 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 粗园钢丝 表2-2 外护套代号

55 2.3.3 命名方法 2.横线右侧各小格的含义 图2-15 光缆型号标志 如前所述，横线右侧五个格式说明光缆中光纤的代号。
格1：表示这种光缆中，同类型光缆的根数，它用阿拉伯数字表示。 格2：表示光纤类别的代号，在这一格的位置上，由一个英文字母构成，它们的含义分别为： J----二氧化硅系多模渐变型光纤 T----二氧化硅系多模阶跃型光纤 Z----二氧化硅系多模准阶跃型光纤 D----二氧化硅系多单模光纤 X----塑料光纤 图2-15 光缆型号标志 I II III IV V 1 2 3 5 4 a bb cc 分类 加强构件 派生 （形状、特性等） 护层 外护层 允许适用温度 模式带宽 衰减常数 使用波长 光纤主要尺寸参数 光纤类别 光纤数

56 2.3.3 命名方法 格3：表示光缆中光纤主要尺寸德参数。用阿拉伯数字，以mm为单位表示。 多模光纤：纤芯/包层直径，例如50/125；
单模光纤：模场直径/包层直径。 图2-15 光缆型号标志 I II III IV V 1 2 3 5 4 a bb cc 分类 加强构件 派生 （形状、特性等） 护层 外护层 允许适用温度 模式带宽 衰减常数 使用波长 光纤主要尺寸参数 光纤类别 光纤数

57 2.3.3 命名方法 格4：表示这种光缆中光纤传输特性的代号。这一大格中分三小格，用a,bb,cc分别描述光纤的使用波长、衰减系数和模式带宽。下面分别具体说明： a----使用波长的代号，用一位阿拉伯数字表示，它们的含义分别为： 1----使用波长在0.85mm区域； 2----使用波长在1.31mm区域； 3----使用波长在1.55mm区域； bb——光纤衰减系数的代号，用两位阿拉伯数字表示。其数字依次为光缆中光纤衰减常数的个位值及十分位值（第一位小数）。例如＝4（dB/km），则在bb这个位置上用40来表示。如＝0.2（dB/km），则在bb这个位置上用02表示。 cc——光纤模式带宽B· L(带宽距离积)的代号，用阿拉伯数字表示。其数字一次表示B· L（MHz·km）的千位值和百位值。例如B·L＝400（MHz·km），由于千位是零，百位是4 ，cc这个位置上应标为04。 说明：如果这条光纤有来年改革的损耗窗口，则应同时列出每个窗口波长的及B·L值，并用斜短线“/”分开。

58 2.3.3 命名方法 格5：表示这种光缆中光纤允许使用的温度，用代号来表示。在这一格的位置上由一个英文字母来构成，它们的含义分别为：
A----适用温度范围为-40; B----适用温度范围为-30～+50; C----适用温度范围为-20～+60; D----适用温度范围为-5～+60. 例如：某种光缆阿型号为GYTS33-12D10/125(205)C，则表示的含义为： 通信野外光缆、金属加强构件、填充式结构、钢-铝-聚乙烯综合护套、细圆钢丝、铠装、聚乙烯外护套。其中光缆规格12芯、二氧化硅系道没光纤，模场直径为10mm，包层直径为125mm，工作波长为1.31mm，光纤衰减常数不大于0.5dB/km，（由于是单模光纤，故无模式带宽cc这部分内容），光缆适用温度为-20～+60。

59 2.4 光纤的性质及特种光纤 2.4.1 机械特性及温度特性 1.光纤的温度特性
光纤的损耗可用光纤的衰减系数来描述，而光纤的衰减系数与光纤通信系统的工作环境有直接关系，也就是它受温度的影响而增加，尤其表现在低温区域。使光纤衰减系数增加的主要原因，是光纤的微弯损耗和弯曲损耗。 光纤因温度变化产生微弯损耗是由于热胀冷缩所造成。由物理学知道，构成光纤的二氧化硅（SiO2）的热膨胀系数很小，在温度降低时几乎不收缩。而光纤在成缆过程中必须经过涂覆和加上一些其他构件，涂覆材料及其他构件的膨胀系数较大，当温度降低时，收缩比较严重，所以当温度变化时，材料的膨胀系数不同，将使光纤产生微弯，尤其表现在低温区。

60 光纤的附加损耗与温度之间的变化曲线，如图2-16所示。从图中看出，随着温度的降低，光纤的附加损耗逐渐增加，当温度降至-55左右，附加损耗急剧增加。
2.4.1 光纤的性质及特种光纤 因此，在设计光纤通信系统时，必须考虑光缆的高、低循环时延，以检验光纤的损耗是否符合指标要求。 图2-16 光纤附加损耗与温度之间的变化曲线 2.光纤的机械特性 为了保证光纤在实际应用时不锻炼，而且在各种环境下使用时，具有长期的可靠性，就要求光纤必须具有一定的机械强度

61 2.4.1 光纤的性质及特种光纤 众所周知，目前构成光纤的材料是SiO2，要被拉城125 mm的细丝，在拉丝过程中，光纤的抗拉强度约为10～20kg/mm2，如拉丝后立即在光纤表面进行涂覆，抗拉强度可达400kg/mm2。我们要讨论的机械特性主要是指光纤的强度和寿命。 这里所说的光纤的强度是指抗张强度。当光纤受到的张力超过它的承受能力时，光纤就将断裂。 对于光纤抗断强度，它和涂覆层的厚度有关，当涂覆厚度为5～10mm时，抗断强度为330kg/mm2，涂覆厚度为100mm时，则可达到530kg/mm2。 造成光纤断裂的原因，是由于光纤在生产过程中预制棒本身的表面有缺陷，在受到张力时，由于应力集中在伤痕处，当张力超过一定范围时，就会造成光纤的断裂。 为了保证光纤能具有20年以上的使用寿命，光纤应进行强度筛选试验，只适于强度符合要求的光纤才能用来成缆。

62 2.4.1 光纤的性质及特种光纤 国外通常对光纤强度的要求如表2-3所示。 光纤容许应变包括： （1）成缆时光纤的应变；
（2）敷设光缆时，由于某些因素的影响而使光纤发生的应变； （3）工作环境温度的变化而引起光纤的应变。 国外资料认为，当光纤的拉伸应变为0.5% 时，其寿命可达20～40年 用途 拉伸应变（%） 张力(g) 陆地防潮光缆 0.5 430 水深在1500m以内光缆 > 1 860 水深在1500m以上光缆 > 2.2 1.9×103 表2-3 国外通常对光纤强度的要求

63 2.4.2 特种光纤 1. 色散位移单模光纤 前面在介绍光纤的传输特性时曾提到，常规的石英单模光纤在1.55 mm时损耗最小，在1.31 mm时，色散系数趋于零，称为单模光纤材料的零色散波长。为了获得最小损耗和最小色散，必须要研制一种光纤。色散位移光纤（DSF）就是将零色散点移到1.55 mm处的光纤。对于单模光纤， 图2-17 色散位移光纤的色散 只存在材料色散核波导色散，在1.55 mm处，如果能够使单模光纤的材料色散核波导色散互相补偿，即可使在这个波长上单模光纤的总色散为零。 目前采用的主要方法是通过改变光纤的结构参数，加大波导色散值，实现1.55 mm处的低损耗与零色散，如图2-17所示。

64 2.4.2 特种光纤 在光纤通信系统中，为了实现大容量、超长距离的传输，线路中选用色散位移光纤和光放大器，使这一问题得以解决。
在研制过程中发现，色散位移光纤在1.55 μm单一波长处，进行长距离传输具有很大的优越性，但是当在一根光纤上同时传输多波长光信号并采用光放大器时，DSF就会在零色散波长区出现严重的非线性效应，这样就限制了波分复用技术的应用。为了解决这一问题，引出了另一种新型的光纤，即非零色散光纤（NZDF）。

65 2.4.2 特种光纤 2. 非零色散光纤 所谓非零色散光纤是指光纤的工作点不是运用在1.55 mm的零色散点，而是移到1.54～1.565 mm范围内，在此区域内的色散值较小，约为1.0～4.0ps/(km·nm)。虽然色散系数不为零，但和一般单模光纤相比，在此范围内色散和损耗都比较小，而且可采用波分复用技术，通过光纤放大器（EDFA）实现大容量超长距离的传输。 在色散位移光纤线路中采用光纤放大器时，会使得光纤中的光功率密度加大，引起非线性效应，尤其是以上情况应用到波分复用系统中时，会使得多个光波之间产生能量交换，引起信道之间的干扰，对系统的传输质量影响很大。为了提高多波长波分复用（WDM）系统的传输质量，就考虑将零色散点移动到一个低色散区，以保证WDM系统的应用。

66 2.4.2 特种光纤 3. 色散平坦光纤 上面介绍的光纤是在某一个波长上具有零色散或低色散，为了挖掘光纤的潜力，充分利用光纤的有效带宽，最好能在整个光纤通信的长波长波段（1.3～1.6mm）都能够保持低损耗和低色散，为之研制了一种新型光纤——色散平坦光纤（DFF）。 为了在一个比较宽的波段内得到平坦的低色散特性，采用的方法是利用光纤的不同折射率分布来实现。 图2-18 单模光纤的折射率分布形式

67 2.4.2 特种光纤 图2-19色散平坦光纤的色散 新型的单模光纤剖面折射率分布如图2-26所示，这些结构的共同特点是包层的层数多。如果利用W型折射率分布制作DFF光纤，则可以在1.305mm和1.620mm两个不同波长上达到零色散，而且在这两个零色散点之间，可保持色散值比较小的色散平坦特性，如图2-27所示。

68 2.4.2 特种光纤 4. 色散补偿光纤 色散补偿又称为光均衡，它主要是利用一段光纤来消除光纤中由于色散的存在，而使得光脉冲信号发生展宽和畸变。能够起到这种均衡作用的光纤称为色散补偿光纤（DCF）。 如：常规单模光纤的色散在1.55 mm波长区为正色散值，那么DCF光纤应具有负的色散系数，就能使光脉冲信号在此工作窗口波形不产生畸变。 利用DCF光纤的这一特性，可以比较好的达到高速率、长距离传输的目的。 以上简单介绍的几种新型的特殊光纤的研究工作目前已引起世界上一些通信公司的关注，如美国AT&T利用非零色散光纤已经开通了2.5Gbit/ ×8的波分复用系统，在80km长的中继段上采用了10个光纤放大器。

69 2.5 光纤的性质及种类 结构 根据不同用途和不同地使用环境，光缆的种类很多，但不论光缆的具体结构如何，都是由缆芯、加强元件和外护层组成 1.缆芯 缆芯由光纤芯组成，它分为单芯和多芯两种。单芯型是由单根经二次涂覆处理后的光纤组成；多芯型是由多根经二次涂覆处理后的光纤组成，它又分为带状结构和单位式结构。如表2-4所示。

70 结构 表2-4缆芯结构

71 结构 （1）紧套结构 如图2-20（a）所示，在光纤与套管之间有一个缓冲层，其目的是减小外力对光纤的作用。缓冲层一般采用硅树脂，二次涂覆用尼龙12。这种光纤的优点是：结构简单，使用方便。 （2）松套结构 如图2-20（b）所示，将一次涂覆地光纤放在一个管子总，观众填充油膏，行程松套结构。这种光纤的优点是：机械性能好、放水性能好、便于成揽。 0.125 0.4 0.9 光纤 一次涂覆 缓冲层 二次涂覆 一次涂覆 光纤 油膏 松套管 图2-20光纤结构示意图 （b）松套光纤结构 （a）紧套光纤结构

72 结构 2.加强元件 由于光纤材料比较脆弱，容易断裂，为了使光缆便于敷设安装时所外加的外力等，因此在光缆中要加一根或多根加强元件位于中心或分散在四周。 加强元件的材料可用钢丝或非金属的纤维――增强塑料（FRP）等。 3.护层 光缆的护层主要是对已经成缆的光纤芯线起保护作用，避免由于外部机械力和环境影响造成对光纤的损坏。因此要求护层具有耐压力、防潮、湿度特性好、重量轻、耐化学侵蚀、阻燃等特点。 光缆的护层可分为内护层和外护层。那护层一般用聚乙烯和聚氯乙稀等；外护层可根据敷设条件而定，可采用由铝带和聚乙烯组成的LAP外护套加钢丝铠装等。

73 2.5.2 种类 在公用通信网中用的光缆结构，如表2-5所示。 种类 结构 光纤芯线数 必要条件 长途光缆 层绞式 单位式 骨架式
种类 种类 结构 光纤芯线数 必要条件 长途光缆 层绞式 单位式 骨架式 < 10 10～200 低损耗、宽频带和可用单盘盘长的光缆来敷设； 骨架式有利于防护侧压力 海底光缆 4～100 低损耗、耐水压、耐张力 用户光缆 带状式 < 200 > 200 高密度、多芯和低、中损耗 局内光缆 软线式 2～20 重量轻、线径细、可挠性好 表2-5 光缆结构

74 2.5.2 种类 2.单位式光缆 下面仅介绍有代表性的几种光强结构形式。
种类 它将几根至十几根光纤新鲜集合成一个单位，再由数个单位以强度元件为中心绞合成缆，如图2-21（b）所示。 这样光缆的芯线数一般适用于几十芯。 1.层绞式光缆 它是将若干根光纤芯线以强度元件为中心绞合在一起的一种结构，如图2-21（a）所示。这样光缆的制造方法和电缆较相似，所示可采用电缆的承揽设备，因此成本较低。 光纤芯线数一般不超过10根 图2-21 光缆的基本结构

75 4.带状式光缆 3.骨架式光缆 种类 这种结构是将单根火多根光纤放入骨架的螺旋槽内，骨架的中心事强度元件，骨架的沟槽可以使V型、U型和凹型，如图2-21（c）所示。 由于光纤在骨架沟槽内具有较大空间，因此当光纤受到张力时，可在槽内作一定的位移，减少了光纤芯线的应力应变和微变。这种光缆具有耐侧压、抗弯曲、抗拉的特点。 它是将4～12根光纤芯线排列成行，构成带状光纤单元，再将这些带状单元按一定方式排列成缆，如图2-21（d）所示。 这种光缆的结构紧凑，采用此种结构可作成上千芯的高密度用户光缆。 图2-21 光缆的基本结构

76 2.5.3特种光缆 1.中继系统光缆 对以光放大器为基础的长距离系统海底光缆的基本要求是：光纤要满足大容量传输线路的独特性能，光缆要经得起海洋严酷环境的考验。根据AT&T海底光缆标准设计的SL2000光缆符合这些要求，并以成功地应用于第一代和第二代海底光缆通信系统。 （1）光纤 对SL2000光缆包含的光纤四个参数：色度色散、偏振模色散、非线性效应和衰减进行优化。在串接上百个掺铒（Er）光纤放大器延伸数千公里的线路中，对零色散波长（ZDW）进行精确安排，使带宽的增益峰处在1至2nm的窄波段内。试验表明，虽然在系统沿线保持这种零色散，但是信号展宽还是很大。这是由于信号光功率超过一定限度而产生的光纤非线性效应的结果。为了减小非线性畸变，要周期性插入一段具有复色散的成缆色散补偿光纤，进行周期性均衡。

77 2.5.3特种光缆 理想圆对称光纤可以在给定的距离内 以相同的传输时间传播两个正交HE11模。但是世纪光纤的纤芯稍有椭圆度和残留各项异性应力。这种缺陷破坏了正交模的简并，产生双折射，使两个正交偏振模的延迟不同，这种效应称为偏振模色散（PMD）。PMD的存在，严重损害系统的性能。损害的程度取决于比特率、系统长度、光纤传输线路的PMD特性及其他缺陷，如光纤非线性效应的互相作用。然而，实际光纤传输系统存在传播模之间的分布耦合，引起模式之间的能量交换。这种耦合的产生有内部和外部的原因：内部原因如光纤制造是尺寸不规则；外部原因如光缆在缆盘上或辐射时受力的作用。由于模耦合的随机性，在光纤输出端的偏振态是不稳定的，所以PMD是个统计量。对很短的光纤，即长度小于耦合长度，PMD与光纤长度成正比；对足够长的光纤，典型值为2公里以上，PMD与长度平方根成正比。所以，模耦合对色散是有利的。

78 以SiO2为基础的光纤介质的折射率通常用相应与纤芯和包层的简单数值来表示。这种表示方法对于近似描述传输距离不太长，信号光功率较小的系统的传播特性是合适的。但以光放大器为基础的系统，传输距离达几千公里，这种简单的折射率表示方法就不够了。长距离系统光纤的折射率受到传输信号的光功率大小的影响。虽然非线性效应产生的折射率变化很小，但是由于在长距离光纤线路中的积累，会使系统的性能变坏，因为光谱和信号脉冲形状改变了。 色散移位光纤的衰减略高于普通光纤，因为纤芯掺入的GeO2浓度较高，使瑞利散射损耗增大。在拉丝而未连接的状态，平均衰减典型值为0.2dB/km，成缆、连接和安装后，大约为0.205dB/km。 2.5.3特种光缆 为了得到优良的性能，光纤设计和制造的每个步骤必须非常精细。SL2000 光纤的模场直径设计得比其他色散移位光纤稍大一些，但仍然满足对弯曲不太敏感的要求。这样设计使纤芯“有效面积”增大，减小了光功率密度，使非线性效应达到最小。

79 用于长距离海底光缆的色散移位光纤的典型特性综合于表2.6
光纤制造时，从石英管、预制件到拉丝都非常严格，以保证优良的同心度和椭圆度。成缆时，每组光纤的ZDW、PMD和衰减要进行精细的监测、选择和平衡，以达到色散和衰减波动最小的要求。 光纤类型 色散移位 海底环境光缆损耗 0.21dB/km 模场直径 8.4mm 平均零色散波长 1561nm 有效面积 > 50mm2 静态疲劳因子n > 18 非线性折射率 2.6×10-16cm2/ w 时效（全部原因） <0.01dB/km 偏振模色散PMD 被复层结构 双层：高、低模量250mm < 0.1 筛选张力强度 200kpsi(～2.0%) 表 2.6成缆光纤典型特性

80 （2）光缆 2.5.3特种光缆 光缆设计要求使光纤与电导体和海洋环境隔离，以保护缆芯免受侵害。光缆的设计与制造应在最低成本的条件下，可靠地保持光纤的特性。光缆的保护水平取决于海上的深度，大陆架暗礁比海底平地更加严酷。要根据海洋环境的实际状况，设计不同类型的光缆，以适应不同环境的使用。AT&T海底光缆包括四个主要部分：单元光纤结构(UFC)、组合电导体、聚乙烯绝缘导和铠装保护。典型铠装材料是钢带和钢丝，得到不同类型的光缆的方法是改变铠装的材料和厚度，或用多层铠装。AT&T常用海底光缆的特性列于表2.7。 特性 深水(DW) 特殊应用(SPA) 轻线铠装(LWA) 单铠装(SA) 双铠装(DA) 外直径(nm) 21.0 31.7 38.0 42.2 51.0 最大张力强度(KN) 107 181 223 434 无余力张力强度(KN) 81 82 147 187 325 光缆模量(KN/nm2) 22.4 19.8 7.5 8.3 8.4 最大工作深度(m) 6,000 4,500 1,500 1,300 400 表 2.7 SL2000海底光缆的特性

81 2.5.3特种光缆 深水(DW)海缆 这是AT&T基本的海底光缆，由单元光纤结构、组合电导体和聚乙烯绝缘层组成，适合于深海应用。
特殊应用（SPA）海缆 这种结构包含DW光缆，用纵向金属隔离层保护，并覆盖高密度聚乙烯保护层。这种光缆适用于有鱼类啃咬合存在以外磨损的区域，以及计划的光缆连接处。 轻线铠装（LWA）海缆 这种结构包含DW光缆，单层中等强度钢丝铠装保护。适用于埋入海洋。 单铠装（SA）海缆 这种结构和LWA光缆相似，用单层钢丝铠装，强度较大，适用于非埋设应用。 双铠装（DA）海缆 在DW光缆上施加两层钢铠装保护，适用于靠近海岸的区域，这种地方受到损坏的危险最大。

82 2.5.3特种光缆 2.无中继系统光缆 （1）光纤 无中继系统海底光缆一般可以选择三种类型的传输光纤：纤芯为SiO2，GeO2～SiO2和色散移位光纤，这些光纤的特性见表2.8。在远离岸边的海底光缆中接入一段（20m～50m）掺铒（Er）光纤构成远距离泵浦系统可以延长中继距离。虽然掺铒光纤的传输特性和传输光纤不同，确但是与传输光纤同样可靠，也可以成缆 传输光纤类型 成缆损耗（dB/km） 1.55 mm色散（ps/ nm·km） 纤芯 SiO2 纤芯GeO2～SiO2 色散移位 <0.180 <0.199 <0.210 20 18 -0.75 表2.8 传输光纤类型选择

83 （2）光缆 2.5.3特种光缆 AT&T的海底光缆系统公司SSI(Submarine System,Inc.)开发了各种海洋环境使用的无中继光缆系列。这种光缆和中继光缆的结构相似，只是直径约为中继光缆直径的60％，这样设计可降低浅水应用的光缆成本。SSI无中继光缆的组成如图2.22，包括：单元光纤结构－包含的光纤可达24对；加强件－提供抗张强度，防止操作时拉伸；铜导管－故障定位时作为电导体；绝缘套－防止海水渗透；铠装保护－由金属带与聚乙烯和铠装钢丝组成 图2.22 无中继光缆的组成

84 各种类型无中继海底光缆的结构和主要参数见表2.9和图2.23
图号 型号 (a) SL-100-LW (b) SL-100-SPA (c) SL-100-SA 外直径(nm) 在空气中重量(kN/km) 在海水中重量(kN/km) 比重 最大断裂强度(kN) 流体常数(度、节) 11.4 3.62 2.58 3.52 51 43 14.6 4.7 3.0 2.78 41 22.6 13.2 9.7 3.79 190 54 表2.9 各种无中继光缆的主要参数 图2.23 各种无中继海缆的结构

85 芯缆加金属带和第二层聚乙烯外套，增加磨损保护，增加成本
各种类型无中继海底光缆的应用和特点见表2.10 类型 应用 特点 深水(LW) 良好的流沙海底，深度达 4，000米 芯缆，轻保护，成本最低 特殊应用(SPA) 有些岩石的海底，有鱼类啃咬得危险，水深3，000米 芯缆加金属带和第二层聚乙烯外套，增加磨损保护，增加成本 表2.10 无中继光缆的应用和特点

86 2.6光缆的选择及制造 为使光纤在运输、安装与敷设中不受损坏，必须成缆。光缆的设计取决于应用场合。总的要求是保证光纤在使用寿命期内能正常完成信息传输任务，为此需要采取各种保护措施，还应具有适当的强度和韧性。 光缆的种类很多，按应用场合分为室内光缆和室外光缆；按承揽结构方式不同可分为层绞式、骨架式、束管式、和带状式光缆；按敷设方式不同可分为架空、直埋、管道和水下光缆；按有无金属加强芯和护层不同可分为金属光缆和无金属光缆等

87 2.6光缆的选择及制造 下面仅以成缆方式不同，介绍几种典型的光缆结构特点
（1）层绞式光缆。其结构和成缆方法类似电缆，但中心多了一根加强芯，以便提高抗拉强度，其典型结构如图2.24（a）所示。它在一根松套管内放置多根光纤，多根松套管围绕加强芯绞合成一体，加上聚乙烯护层成为缆芯，松套管内充稀油膏，松套管材料为尼龙、聚丙烯或其他聚合物材料。层绞光缆光纤密度较高，典型的可达144根，价格便宜，是目前主流光缆结构 （a）典型层绞式光缆结构 图2.24光缆的典型结构

88 2.6光缆的选择及制造 （2）骨架式光缆。其典型结构如图2.24（b）所示，它由在多股钢丝绳外挤压开槽硬塑料而成，中心钢丝绳用于提高抗拉伸和低温收缩能力，各个槽中放置多根（可达10根）未套塑的裸纤或已套塑的裸纤，铜线用于公务联络。这类光缆抗侧压能力强，但制造工艺复杂 （b）典型骨架式光缆结构 图2.24光缆的典型结构

89 2.6光缆的选择及制造 （3）带状光缆。其典型结构如图2.24（c）所示，是一种高密度光缆结构。其基本结构是光纤带，实际是夹在两条聚酯带内的一排光纤，每根光纤带内可以放置4～16根光纤，多根光纤带叠合起来形成一矩形带状块再放入缆芯管内，如图2.24（d）所示。缆芯典型配置为12×12芯。目前所用的光纤带的基本结构有两种，一种为薄型带，一种为密封式带，前者用于少芯数（如4根），后者用于多芯数，价格低、性能好。 （c）带状光缆剖面结构 图2.24 光缆的典型结构 （d）典型带状光缆结构

90 2.6光缆的选择及制造 （4）束管式光缆。其典型结构如图2.24（e）所示，其缆芯的基本结构是一根根光纤束，每根光纤束有两条螺旋缠绕的扎纱，将2～12根光纤松散的捆扎在一起，最大束数为8，光纤数最多为96芯。光纤束置于一个HDPE（高密度聚乙烯）内护套内，内护套外有皱纹钢带铠装层，该层外面有一套开索和挤塑HDPE外护套，使钢带 （e）束管式光缆结构 图2.24 光缆的典型结构 和外护套紧密的粘结在一起。在外护套内有两根平行于缆芯的轴对称的加强芯紧靠铠装层外侧，加强芯旁也有开索，以便剥离外护套，这种结构光纤位于缆芯，受压小、性能好且寿命长。

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