通信与广电精讲讲义之光电缆特点及应用

1L411080 光（电）缆特点及应用

共三个考点：  
掌握单模和多模光纤的特点和应用
熟光缆的分类、特点
熟悉通信电缆的分类、特点

1L411081 掌握单模和多模光纤的特点和应用 ( P14：光传输媒质；P58)
一、光纤结构和类型
二、光纤通信的工作窗口
三、光纤分类
四、多模光纤
五、单模光纤

一、光纤结构和类型
（一）光纤的结构
光纤是光导纤维的简称，是一种新的光波导，是光通信系统最普遍和最重要的传输媒质。
它由单根玻璃纤芯、紧靠纤芯的包层、一次涂覆层以及套塑保护层组成。（光纤呈圆柱形，由纤芯、包层和涂覆层三部分组成。）
纤芯和包层由两种光学性能不同的介质构成，内部的介质对光的折射率比环绕它的介质的折射率高。
包在外围的覆盖层就像不透明的物质一样，防止了光线在穿插过程中从表面逸出。

1. 纤芯
位置: 位于光纤的中心部位， 
直径：在4~50μm，单模光纤的纤芯直径为4~10μm ,多模光纤的纤芯直径为50μm。纤芯的成分：含有极少量掺杂剂的高纯度二氧化硅（如二氧化锗，五氧化二磷）作用是适当提高纤芯对光的折射率，用于传输光信号。
2. 包层
位置: 位于纤芯的周围
直径：125μm
成分：是含有极少量掺杂剂的高纯度二氧化硅。
掺杂剂（如三氧化二硼）的作用：适当降低包层对光的折射率，使之略低于纤芯的折射率，即纤芯的折射率大于包层的折射率（这是光纤结构的关键），它使得光信号封闭在纤芯中传输。
3. 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：一般使用丙烯酸醋、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。
涂覆层的作用：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。涂覆后的光纤外径约2. 5 mm 。
（二）光纤的折射率分布
光纤的折射率分布有两种典型的情况：阶跃折射率光纤，渐变折射率光纤。
它们的共同特点：纤芯的折射率大于包层的折射率，这也是光信号在光纤中传输的必要条件。
（三）光在光纤中的传播
对于阶跃折射率光纤，由于纤芯和包层的折射率分布有明显的分界，光波在纤芯和包层界面的交界面形成全反射，并且形成锯齿形传输途径，引导光纤芯向前传播。
对于渐变折射率光纤，由于在其界面上折射率是连续变化的，轴中心的折射率最大，沿纤芯半径方向折射率按抛物线规律减小，在纤芯边缘的折射率最小，因此光波在纤芯中产生连续折射，形成穿过光纤轴线的类似于正弦波的光折射线，引导光波沿纤芯向前传播。
(四) 光纤最重要的两个传输特性   （P14）
损耗和色散是光纤最重要的两个传输特性，它们直接影响光传输的性能。
(l)光纤传输损耗：损耗是影响系统传输距离的重要因素之一，光纤自身的损耗主要有吸收损耗和散射损耗。
吸收损耗是因为光波在传输中有部分光能转化为热能；
散射损耗是因为材料的折射率不均匀或有缺陷、光纤表面畸变或粗糙造成的。
当然，在光纤通信系统中还存在非光纤自身原因的一些损耗，包括连接损耗、弯曲损耗和微弯损耗等。这些损耗的大小将直接影响光纤传输距离的长短和中继距离的选择。
(2)光纤传输色散：色散是光脉冲信号在光纤中传输，到达输出端时发生的时间上的展宽。
产生的原因是光脉冲信号的不同频率成分、不同模式，在传输时因速度不同，到达终点所用的时间不同而引起的波形畸变。
色散结果：这种畸变使得通信质量下降，从而限制了通信容量和传输距离。

二、光纤通信的工作窗口
光纤损耗系数随着波长而变化，为获得低损耗特性，光纤通信选用波长范围在800 ~1800nm，并称850nm(800~900nm）为短波长波段；1300~1600nm为长波长波段，主要有1310nm和1550nm两个窗口。实用的低损耗波长是：第一代系统，波长850nm，最低损耗2. 5dB/km，分贝（dB）采用石英多模光纤；第二代系统，波长1310nm，最低损耗0. 27dB/km,采用石英单模最低色散光纤；第三代系统，波长1550nm，最低损耗0.16dB/km，采用石英单模最低损耗与适应色散光纤。上述三个波长称为三个工作窗口。

三、光纤分类
四、多模光纤
当光纤的几何尺寸远大于光波波长时（约lμm)，光纤传输的过程中会存在一着几十种乃至上百种传输模式，这样的光纤称为多模光纤。 

  
由于不同的传播模式具有不同的传播速度与相位，因此，经过长距离传输会产生模式色散（经过长距离传输后，会产生时延差，导致光脉冲变宽）。模式色散会使多模光纤的带宽边窄，降低传输容量，因此，多模光纤只适用于低速率、短距离的光纤通信，目前数据通信局域网大量采用多模光纤。
五、单模光纤
当光纤的几何尺寸较小，与光波长在同一数量级，如芯径在4~10μm范围，光纤只允许一种模式（基模）在其中传播，其余的高次模全部截止，这样的光纤称为单模光纤。单模光纤避免了模式色散，适用于大容量长距离传输。 

（一）单模光纤分类：
按电信标准化部门（ITU-T）建议分类可分为G.652, G.653, G.654, G.655四种单模光纤；按IEC标准分类可分为Bl.1、B1.2、Bl.3、B2、B4；按我国标准（GB/T）分类可分为Bl.l、B1.2、B1.3、B2、B4。我国标准对光纤类别型号的命名等采用了IEC规定，所以二者是一样的。
（二）几种单模光纤的特点和应用
l.  G. 652标准单模光纤特点及应用
①零色散波长在1310nm附近。既可以使用在1310nm波长区域，也可以使用在1550nm波长区域。最佳工作波长在1310nm区域。
②当工作波长在1.3μm时，光纤色散很小，系统的传输距离只受光纤衰减所限制。
③光纤在1.3μm波段的损耗较大；在1.55μm波段的损耗较小。
④光纤截止波长：λ从<1250nm。
⑤模场直径：1310nm处的模场直径是8.6~9.5μm士0.7。在1550nm处没有具体规定，但一般不大于10. 3μm。
⑥衰减：衰减系数最大值在1310nm窗口，A级为0.36dB/krn, B级为0. 40dB/km,C级为0.50dB/km。
⑦色散：零色散波长范围是1300~1324nm。
⑧偏振模色散（PMD）系数最大值：0. 3ps/km。

2. G. 653色散位移光纤特点及应用
色散位移光纤在1.55μm色散为零，不利于多信道的WDM传输，用的信道数较多时，信道间距较小，这时就会发生四波混频（FWM）导致信道间发生串扰。如果光纤线路的色散为零，FWM（四波混频）的干扰就会十分严重；如有微量色散，FWN干扰反而还会减少。
①光纤截止波长：λc<1250nm.
②模场直径：1550nm处的模场直径是7. 8~ 8.5μm士0. 8 .
③衰减：衰减系数最大值在1310nm窗口，A级为0.40dB/km,B级为0.45dB/km,C级为0. 55dB/km
④偏振模色散（PMD）系数最大值：0. 3 ps/km .
此种光纤除了在日本等国家干线网上有应用外，在我国干线网上几乎没有应用
3.  G.654截止波长位移光纤特点及应用
也叫衰减最小光纤（在1550nm处）。
①零色散波长在1310nm附近，截止波长位移到较长的波长，所以该光纤也被称为截止波长位移单模光纤。
②工作波长为1.55μm，在该波长附近上的衰减最小。
③零色散点在1300nm附近，但在1550nm窗口色散较大，约为17~20ps/ (nm• km) 
④光纤截止波长：1350nm<λc<1600nm.
⑤模场直径：1550nm处的模场直径是9.5~10.5μm士0. 7 .。
⑥衰减：衰减系数最大值在1550 nm窗口，A级为0.19dB/km, B级为0. 22dB/km。
⑦色散：1550nm色散系数最大值20ps/nm•km; 1550nm零色散斜率最大值为0.07ps/（nm2•km)。
⑧偏振模色散（PMD）系数最大值：0. 3ps/km。
该种光纤主要应用于长距离数字传输系统。如海底缆。
4.  G.655非零色散位移光纤特点及应用
①非零色散光纤实质上是一种改进的色散位移光纤，其零色散波长不在1. 55μm，而是在1. 525μm或1. 585μm处。
②在使用波长区域内具有非零的小色散值，削减了色散效应和四波混频效应。
③最佳使用波长范围在1530~1565nm区域，也可以一支持更高波长，直至16 (××不大于25)。
④光纤截止波长
⑤模场直径
⑥衰减
⑦C波段色散
⑧L波段色散
⑨偏振模色散（PMD）系数最大值
G. 655非零色散光纤适用于通信网和其他通信设备。既能用于新的陆上网络，又可对现有系统进行升级改造，它特别适用于DWDM系统的传输。