第三章光纖光纜

第三章光纖光纜3.1光學(xué)3.2光纖光纜的結(jié)構(gòu)及型號返回3.1光學(xué)把無線電波、紅外線、可見光、紫外線、X射線及，射線按照波長或頻率的順序排列起來，就是電磁波譜。其中，無線電的波長最長，宇宙射線的波長最短。電磁波為橫波，可用于探測、定位、通信等。目前光纖通信的實用工作波長在近紅外區(qū)，即0.8~1.8μm的波長區(qū)，如圖3-1所示，對應(yīng)的頻率為167~375THz。光纖通信有850nm,1310nm和1550nm三個工作窗口。光的傳播光通常指可見光，即電磁波;發(fā)射(可見)光的物體叫作(可見)光源，例如太陽、螢火蟲和白熾燈等都稱為光源。光是有能量的，光可以在化學(xué)能、電能等其他形式的能之間相互轉(zhuǎn)換。下一頁返回3.1光學(xué)

1.光的直線傳播光在同一種均勻物質(zhì)中是沿直線傳播的。日食、月食、人影、小孔成像、隧道掘進機的下作原理(激光準(zhǔn)直)等就是光直線傳播的應(yīng)用。光(電磁波)在真空中的傳播速度，目前公認(rèn)值為c=299792458to/s(精確值)，一般情況下，光速多取c=3x108m/s。

2.光的傳播規(guī)律光線在均勻介質(zhì)中傳播時是以直線方向進行的，但在到達(dá)兩種不同介質(zhì)的分界面時，會發(fā)生反射與折射現(xiàn)象。光的反射與折射如圖3-2所示。根據(jù)光的反射定律，反射角等于入射角。上一頁下一頁返回3.1光學(xué)根據(jù)光的折射定律:光的全反射現(xiàn)象，如圖3-3所示?？梢?，入射角不斷增大，折射光的能量越來越少，反射光的能量逐漸增大，最后折射光消失。

3.光的色散及散射

(1)光的色散在物理學(xué)中，色散是指不同顏色的光經(jīng)過透明介質(zhì)后被分散開的現(xiàn)象。一束白光經(jīng)三棱鏡后被分為七色光帶。這是因為玻璃對不同顏色(不同頻率或不同波長)的光具有不同的折射率，波長越長(或頻率越低)玻璃呈現(xiàn)的折射率越小，波長越短(或頻率越高)玻璃呈現(xiàn)的折射率越大。換句話說，玻璃的折射率是光波頻率(或波長)的函數(shù)。上一頁下一頁返回3.1光學(xué)如圖3-4所示，紫色光折射率大，紅色光折射率小。在光纖傳播理論中，拓寬了色散這個古老名詞的含義，在光纖中，信號是由很多不同模式或頻率的光波攜帶傳輸?shù)模?dāng)信號達(dá)到終端時，不同模式或不同頻率的光波出現(xiàn)了傳輸時延差，從而引起信號畸變，這種現(xiàn)象統(tǒng)稱為色散。對于數(shù)字信號，經(jīng)光纖傳播一段距離后，色散會引起光脈沖展寬，嚴(yán)重時，前后脈沖將互相重疊，形成碼間干擾。因此，色散決定了光纖的傳輸帶寬，限制了系統(tǒng)的傳輸速率或中繼距離。色散和帶寬是從不同領(lǐng)域來描述光纖的同一特性的。

(2)光的散射物質(zhì)中存在的不均勻雜質(zhì)或微粒使進入物質(zhì)的光偏離入射方向而向四面八方散開，這種現(xiàn)象稱為光的散射。上一頁下一頁返回3.1光學(xué)由于媒質(zhì)中存在著其他物質(zhì)的微粒，或者由于媒質(zhì)本身密度的不均勻性(即密度漲落)，使通過物質(zhì)的光的強度減弱，從而引起光的散射。光的散射根據(jù)光傳播特性主要分為瑞利散射和分子散射兩大類。瑞利散射光強與λ的4次方成反比，當(dāng)觀察晴天的天空時，進入人眼的是陽光經(jīng)過大氣時的側(cè)向散射光，主要包含著短波成分，所以天空呈藍(lán)色;而落日時直視太陽所看到的是在大氣層(包括微塵層)中經(jīng)過較長路程的散射后的陽光，剩余的長波成分較強，所以落日呈紅色。物質(zhì)中有雜質(zhì)微粒(如細(xì)微的懸浮物、細(xì)微氣泡等)，或存在折射率分布的不均勻性，這些細(xì)微的不均勻性區(qū)域成為散射中心，它們的散射光是非相干的，各散射光束的光強直接相加，這時即可觀察到散射光。上一頁下一頁返回3.1光學(xué)當(dāng)微粒線度遠(yuǎn)小于光的波長時，就得到瑞利散射。此外，通常的純凈物質(zhì)中各處總有密度的起伏，這也構(gòu)成折射率分布的不均勻性，M·斯莫盧霍夫斯基(1908與A·愛因斯坦(1910)的研究表明，這種密度起伏是一般純凈透明物質(zhì)中產(chǎn)生瑞利散射的原因。這種由密度起伏導(dǎo)致的散射也稱為分子散射。光的散射現(xiàn)象在各個科學(xué)技術(shù)部門中有廣泛應(yīng)用。通過散射光的測量可以了解到散射粒子的濃度、大小、形狀及取向等，在物理、化學(xué)、氣象等許多方面的研究中得到應(yīng)用。上一頁返回3.2光纖光纜的結(jié)構(gòu)及型號3.2.1光纖的結(jié)構(gòu)與分類1.光纖的結(jié)構(gòu)光纖(OpticalFiber,OF)就是用來導(dǎo)光的透明介質(zhì)纖維。一根實用化的光纖是由多層透明介質(zhì)構(gòu)成的，一般光纖的結(jié)構(gòu)如圖3-5所示，可以分為三層:折射率較大的為纖芯，折射率較低的為包層和外涂覆層。纖芯和包層的結(jié)構(gòu)滿足導(dǎo)光要求，控制光波沿纖芯傳播;涂覆層主要起保護作用(因不作導(dǎo)光用，故可染成各種顏色)。

(1)纖芯下一頁返回3.2光纖光纜的結(jié)構(gòu)及型號纖芯位于光纖的中心部位(直徑5~80μm)，其成分是高純度的二氧化硅，此外還摻有極少量的摻雜劑，如二氧化鍺、五氧化二磷等，摻有少量摻雜劑的目的是適當(dāng)提高纖芯的光折射率(n1)。通信用的光纖，其纖芯的直徑為5~10μm(單模光纖)或50~80μm(多模光纖)。(2)包層包層位于纖芯的周圍(其直徑約125μm)，其成分也是含有極少量摻雜劑的高純度二氧化硅。而摻雜劑(如三氧化二硼)的作用則是適當(dāng)降低包層的光折射率(n2)，使之略低于纖芯的折射率。為滿足不同導(dǎo)光的要求，包層可做成單層，也可做成多層。上一頁下一頁返回3.2光纖光纜的結(jié)構(gòu)及型號(3)涂覆層光纖的最外層是由丙烯酸酯、硅橡膠和尼龍組成的涂覆層，其作用是增加光纖的機械強度與可彎曲性。涂覆層一般分為一次涂覆層和二次涂覆層。二次涂覆層是在一次涂覆層的外面再涂上一層熱塑材料，故又稱為套塑。一般涂覆后的光纖外徑約1.5cm。纖芯的粗細(xì)、纖芯材料的折射率分布和包層材料的折射率對光纖傳輸特性起著決定性的作用。包層材料通常為均勻材料，其折射率為常數(shù);如為多層包層，則各包層的折射率不同。纖芯的折射率可以是均勻的，也可以是沿纖芯半徑廠而變化的。為此常用折射率沿半徑的分布函數(shù)n1(r)來表示纖芯折射率的變化。上一頁下一頁返回3.2光纖光纜的結(jié)構(gòu)及型號2.光纖的分類目前光纖的種類繁多，但就其分類方法而言大致有四種，即按光纖剖面折射率分布分類、按傳播模式分類、按工作波長分類和按套塑類型分類等。此外，按光纖的組成成分分類，除目前最常應(yīng)用的石英光纖之外，還有含氟光纖與塑料光纖等。(1)按光纖剖面折射率分布分類—階躍型光纖與漸變型光纖1)階躍型光纖階躍型光纖是指在纖芯與包層區(qū)域內(nèi)，其折射率分布都是均勻的，其值分別為n1與n2,但在纖芯與包層的分界處，其折射率的變化是階躍的。階躍光纖的折射率分布如圖3-6所示。上一頁下一頁返回3.2光纖光纜的結(jié)構(gòu)及型號其折射率分布的表達(dá)式為:階躍光纖是早期光纖的結(jié)構(gòu)形式，后來在多模光纖中逐漸被漸變光纖所取代(因漸變光纖能大大降低多模光纖所特有的模式色散)，但用它來解釋光波在光纖中的傳播還是比較形象的。而現(xiàn)在當(dāng)單模光纖逐漸取代多模光纖成為當(dāng)前光纖的主流產(chǎn)品時，階躍光纖結(jié)構(gòu)又成為單模光纖的結(jié)構(gòu)形式之一。上一頁下一頁返回3.2光纖光纜的結(jié)構(gòu)及型號

2)漸變型光纖漸變型光纖是指光纖軸心處的折射率最大(n1)，而沿剖面徑向的增加而逐漸變小，其變化規(guī)律一般符合拋物線規(guī)律，到了纖芯與包層的分界處，正好降到與包層區(qū)域的折射率n2相等的數(shù)值;在包層區(qū)域中其折射率的分布是均勻的，即n2。漸變光纖的折射率分布如圖3-7所示。其折射率分布的表達(dá)式為:上一頁下一頁返回3.2光纖光纜的結(jié)構(gòu)及型號至于漸變光纖的剖面折射率為何做如此分布，其主要原因是為了降低多模光纖的模式色散，增加光纖的傳輸容量。(2)按傳播模式分類—多模光纖與單模光纖按傳播的模式數(shù)量可分為多模光纖(Multi-ModeFiber,MMF)和單模光纖(SingleModeFiber,SMF)。在工作波長一定的情況下，光纖中存在多個傳輸模式，這種光纖就稱為多模光纖。多模光纖的橫截面折射率分布有均勻和非均勻兩種。前者也叫階躍型多模光纖，后者被稱為漸變型多模光纖。多模光纖的傳輸特性較差，帶寬較窄，傳輸容量較小。上一頁下一頁返回3.2光纖光纜的結(jié)構(gòu)及型號在工作波長一定的情況下，光纖中只有一種傳輸模式的光纖，這種光纖就稱為單模光纖。單模光纖只能傳輸基模(最低階模)，不存在模間的傳輸時延差，具有比多模光纖大得多的帶寬，這對于高速傳輸是非常重要的。

(3)按工作波長分類—短波長光纖與長波長光纖1)短波長光纖在光纖通信發(fā)展的初期，人們使用的光波的波長在0.6~0.9μm范圍內(nèi)(典型值為0.85μm)，習(xí)慣上把在此波長范圍內(nèi)呈現(xiàn)低衰耗的光纖稱作短波長光纖。短波長光纖屬早期產(chǎn)品，目前已很少采用。上一頁下一頁返回3.2光纖光纜的結(jié)構(gòu)及型號2)長波長光纖后來隨著研究工作的不斷深入，人們發(fā)現(xiàn)在波長1.31μm和1.55μm附近，石英光纖的衰耗急劇下降。不僅如此，在此波長范圍內(nèi)石英光纖的材料色散也大大減小。因此，人們的研究工作又迅速轉(zhuǎn)移，并研制出在此波長范圍衰耗更低、帶寬更寬的光纖，并把工作在1.0~2.0μm波長范圍的光纖稱為長波長光纖。長波長光纖因具有衰耗低、帶寬寬等優(yōu)點，特別適用于長距離、大容量的光纖通信。

(4)按套塑類型分類—緊套光纖與松套光纖1)緊套光纖上一頁下一頁返回3.2光纖光纜的結(jié)構(gòu)及型號緊套光纖是指二次、三次涂覆層與一次涂覆層及光纖的纖芯、包層等緊密地結(jié)合在一起的光纖。目前此類光纖居多。未經(jīng)套塑的光纖，其衰耗—溫度特性本是十分優(yōu)良的，但經(jīng)過套塑之后其溫度特性下降。這是因為套塑材料的膨脹系數(shù)比石英高得多，在低溫時收縮較厲害，壓迫光纖發(fā)生微彎曲，增加了光纖的衰耗。2)松套光纖松套光纖是指經(jīng)過涂覆后的光纖松散地放置在一塑料管之內(nèi)，不再進行二次、三次涂覆。松套光纖的制造工藝簡單，其衰耗—溫度特性與機械性能也比緊套光纖好，因此越來越受到人們的重視。上一頁下一頁返回3.2光纖光纜的結(jié)構(gòu)及型號

3.2.2光纜通信光纜的結(jié)構(gòu)是由其傳輸用途、運行環(huán)境、敷設(shè)方式等諸多因素決定的。從大的方面講，常用通信光纜分為室內(nèi)光纜和室外光纜兩大類。由于光纖比較脆弱，極易受到外界的損傷，所以光纖需要進行成纜。光纖成纜具體的原因有:①如果不成纜，過大的張力會使光纖斷裂。②與其他元件組合成光纜后，會具有良好的傳輸性能以及抗拉、抗沖擊、抗彎曲等機械性能。③可根據(jù)不同的使用情況，制成不同結(jié)構(gòu)形式的光纜。④可加入金屬線，以傳送電能。上一頁下一頁返回3.2光纖光纜的結(jié)構(gòu)及型號1.光纜的結(jié)構(gòu)光纜的基本結(jié)構(gòu)一般由光纖、加強元件、綁帶和外護層等幾部分構(gòu)成，如圖3-8所示。另外，根據(jù)需要還有防水層、緩沖層、絕緣金屬導(dǎo)線填充物等。光纜的分類如表3-1所示。室外光纜的基本結(jié)構(gòu)有:層絞式、中心管式、骨架式)每種基本結(jié)構(gòu)中既可放置分離光纖，亦可放置帶狀光纖。(1)層絞式光纜層絞式光纜端面如圖3-9所示。上一頁下一頁返回3.2光纖光纜的結(jié)構(gòu)及型號層絞式光纜結(jié)構(gòu)是由多根二次被覆光纖松套管(或部分填充繩)繞中心金屬加強件絞合成圓形的纜芯，纜芯外先縱包復(fù)合鋁帶，并擠上聚乙烯內(nèi)護套，再縱包阻水帶和雙面覆膜皺紋鋼(鋁)帶，再加上一層聚乙烯外護層組成。層絞式光纜的結(jié)構(gòu)特點:光纜中容納的光纖數(shù)量多;光纜中光纖余長易控制;光纜的機械、環(huán)境性能好;適宜于直埋、管道敷設(shè)，也可用于架空敷設(shè)。

(2)中心管式光纜上一頁下一頁返回3.2光纖光纜的結(jié)構(gòu)及型號中心管式光纜如圖3-10所示，是由一根二次光纖松套管或螺旋形光纖松套管，無絞合直接放在纜的中心位置，縱包阻水帶和雙面涂塑鋼(鋁)帶，兩根平行加強圓磷化碳鋼絲或玻璃鋼圓棒位于聚乙烯護層中組成的。按松套管中放入的是分離光纖、光纖束還是光纖帶，中心管式光纜分為分離光纖的中心管式光纜或光纖帶中心管式光纜等。中心管式光纜的優(yōu)點:光纜結(jié)構(gòu)簡單、制造工藝簡捷，光纜截面小、重量輕，適宜架空敷設(shè)，也可用于管道或直埋敷設(shè)。中心管式光纜的缺點:纜中光纖芯數(shù)不宜過多(如分離光纖為12芯、光纖束為36芯、光纖帶為216芯)，松套管擠塑工藝中松套管冷卻不夠，成品光纜中松套管會出現(xiàn)后縮，光纜中光纖余長不易控制等。上一頁下一頁返回3.2光纖光纜的結(jié)構(gòu)及型號中心管式帶狀光纜結(jié)構(gòu)為大芯數(shù)光纜提供了最經(jīng)濟有效的配置，以4,6,8,12光纖帶為基帶，可生產(chǎn)48~216芯各種芯數(shù)不同規(guī)格的帶狀光纜。光纖帶號由1~18個數(shù)字字母噴印在光纖帶上予以識別。(3)骨架式光纜目前，骨架式光纜在國內(nèi)僅限于干式光纖帶光纜，即將光纖帶以矩陣形式置于U形螺旋骨架槽或SZ螺旋骨架槽中，阻水帶以繞包方式纏繞在骨架上，使骨架與阻水帶形成一個封閉的腔體(如圖3-11所示)。當(dāng)阻水帶遇水后，吸水膨脹產(chǎn)生一種阻水凝膠屏障。阻水帶外再縱包雙面覆塑鋼帶，鋼帶外擠上聚乙烯外護層。上一頁下一頁返回3.2光纖光纜的結(jié)構(gòu)及型號骨架式光纖帶光纜的優(yōu)點:結(jié)構(gòu)緊湊、纜徑小、纖芯密度大(上千芯至數(shù)千芯)，接續(xù)時無須清除阻水油膏、接續(xù)效率高。缺點:制造設(shè)備復(fù)雜(需要專用的骨架生產(chǎn)線)、工藝環(huán)節(jié)多、生產(chǎn)技術(shù)難度大等。2.光纜型號及識別光纜型號是識別光纜規(guī)格程式和用途的代號，如圖3-12所示。

(1)光纜的型號光纜的型號由分類、加強構(gòu)件、派生、護套、外護套五個部分組成，如圖3-13所示。下面對各部分代號表示的內(nèi)容做詳細(xì)說明:1)分類代號上一頁下一頁返回3.2光纖光纜的結(jié)構(gòu)及型號2)加強構(gòu)件代號3)派生特征代號上一頁下一頁返回3.2光纖光纜的結(jié)構(gòu)及型號4)護套代號5)外護套代號上一頁下一頁返回3.2光纖光纜的結(jié)構(gòu)及型號

(2)規(guī)格光纜的規(guī)格是由光纖和導(dǎo)電芯線的有關(guān)規(guī)格組成。1)光纜規(guī)格的構(gòu)成格式(如圖3-14所示)光纖的規(guī)格與導(dǎo)電芯線的規(guī)格之間用“+”號隔開。

2)光纖規(guī)格的構(gòu)成光纖的規(guī)格由光纖數(shù)和光纖類別組成。如果同一根光纜中含有兩種或兩種以上規(guī)格(光纖數(shù)和類別)的光纖時，中間應(yīng)用“+”號連接。①光纖數(shù)的代號用光纜中同類別光纖的實際有效數(shù)目的數(shù)字表示。上一頁下一頁返回3.2光纖光纜的結(jié)構(gòu)及型號②光纖類別的代號應(yīng)采用光纖產(chǎn)品的分類代號表示，按IEC60793-2(1998)《光纖第2部分:產(chǎn)品規(guī)范》等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定用大寫A表示多模光纖，大寫B(tài)表示單模光纖，再以數(shù)字和小寫字母表示不同類型光纖。多模光纖見表3-2，單模光纖見表3-3。3)導(dǎo)電芯線的規(guī)格導(dǎo)電芯線規(guī)格的構(gòu)成應(yīng)符合有關(guān)通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中銅芯線規(guī)格構(gòu)成的規(guī)定。3.2.3光纜端別及纖序識別1.光纜中光纖色譜光纖排列以12芯為一束，每束光纖按表3-4所列顏色順序區(qū)分。上一頁下一頁返回3.2光纖光纜的結(jié)構(gòu)及型號多芯光纜把不同顏色的光纖放在同一束管中成為一組，這樣一根多芯光纜里就可能有好幾個束管。正對光纜橫截面，把紅束管看作光纜的第一束管，順時針依次為本色一、本色二、本色三··。一最后一根是綠束管。如圖3-15所示。

2.光纜的端別要正確地對光纜進行接續(xù)、測量和維護工作，必須首先掌握光纜的端別判別和纜內(nèi)光纖纖序的排列方法，因為這是提高施工效率、方便日后維護所必需的。光纜中的光纖單元、單元內(nèi)光纖，均采用全色譜或領(lǐng)示色來標(biāo)識光纜的端別與光纖序號。上一頁下一頁返回3.2光纖光纜的結(jié)構(gòu)及型號其色譜排列和所加標(biāo)志色，在各國產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中有規(guī)定，因此各個國家的產(chǎn)品不完全一致。(1)對于新光纜紅點端為A端，綠點端為B端;光纜外護套上的長度數(shù)字小的一端為A端，另外一端即為B端。(2)對于舊光纜因為是舊光纜，此時紅、綠點及長度數(shù)字均有可能看不清楚了(施工過程中摩擦掉了)，其判斷方法是:面對光纜端面，若同一層中的松套管顏色按藍(lán)、橙、綠、棕、灰、白順時針排列，則為光纜的A端，反之則為B端。上一頁下一頁返回3.2光纖光纜的結(jié)構(gòu)及型號

3.通信光纜中的纖序排定光纜中的松套管單元光纖色譜分為兩種，一種是6芯的，另一種是12芯的，前者的色譜排列順序為藍(lán)、橙、綠、棕、灰、白，后者的色譜排列順序為藍(lán)、橙、綠、棕、灰、白、紅、黑、黃、紫、粉紅、天藍(lán)。若為6芯單元松套管，則藍(lán)色松套管中的藍(lán)、橙、綠、棕、灰、自6根纖對應(yīng)1~6號纖;緊扣藍(lán)色松套管的橙色松套管中的藍(lán)、橙、綠、棕、灰、自6根纖對應(yīng)7~12號纖，……依此類推，直至排完所有松套管中的光纖為止。若為12芯單元松套管，則藍(lán)色松套管中的藍(lán)、橙、綠、棕、灰、自、紅、黑、黃、紫、粉紅、天藍(lán)12根纖對應(yīng)1~12號纖;上一頁下一頁返回3.2光纖光纜的結(jié)構(gòu)及型號緊扣藍(lán)色松套管的橙色松套管中的藍(lán)、橙、綠、棕、灰、自、紅、黑、黃、紫、粉紅、天藍(lán)12根纖對應(yīng)13~24號纖，……依此類推，直至排完所有松套管中的光纖為止。4.端別判斷和纖序排定舉例例1:圖3-16