第一章 光纤基本知识

1.1光纤的分类

根据不同的分类方法和规则，同一根光纤会有不同的名称。

1.1.1按光纤的用途

按使用用途，光纤主要分为通信光纤和非通信用光纤两大类。

例如：放入各类通信光缆内的光纤是通信光纤；放入胃镜等各类导光、传象束缆用的是非通信光纤。还有些光纤做成光器件既可用于通信，做成传感器也可以用于非通信。

1.1.2按光纤的材料

按光纤的主体材料，光纤主要可分为石英玻璃光纤、多组份玻璃系光纤和塑料光纤三大类。

大部分用于通信的光纤是由纯石英玻璃（二氧化硅）包层、掺杂石英玻璃芯层组成的光纤；胃镜等光纤主要由多组分玻璃制成；塑料制成的光纤主要用于短距离通信和装饰。

1.1.3 按光纤的折射率剖面

按光纤的折射率分布剖面结构，光纤主要分为阶跃型、渐变（聚焦）型和复杂（三角、多包层）型三大类。

1.1.4按传输的模式

按光纤内传输的模式数量，可以将光纤分为多模和单模光纤两大类。

在指定的工作波长范围，当有多个模式（光纤的运动形式）在光纤中同时传输时，这种光纤称为“多模光纤”。“单模光纤”在指定的工作波长范围内只能传输基模（最低阶模）。

1.1.5按ITU-T标准

国际电信联盟（ITU-T）为通信用光纤制定了统一的光纤标准（G标准）。按照ITU-T关于光纤的建议，将通信用光纤分为G.651、G.652、G.653、G.654、G.655和G.656等类光纤，有些类别还细分为若干子类。

1.1.6按IEC标准

国际电工委员会（IEC）也为通信用光纤制定了相应标准。按照IEC 关于光纤的建议，将通信光纤分为A1、B1、B2、B3和B4类光纤，有些类别也细分为若干子类。

1.1.7按GB/T标准

国家标准（GB/T）等采用了IEC标准。

1.2光纤结构和传光原理

1.2.1光纤结构

由内到外，光纤由纤芯、包层、一次涂覆和着色层组成，称为光纤的外结构，见图1.2.1。多模光纤同单模光纤外结构的区别只在于纤芯的尺寸。光纤的内结构则是纤芯的折射率剖面结构。

1.2.2光纤的传光原理和传输模式

（1）传光原理

图1.2.2简单描述了光纤的传光原理。

图1.2.2（a）中所示的是多模阶跃型光纤，其纤芯折射率分布是平坦的。在纤芯内传播的若干模式光线基于全反射原理，在纤芯和包层界面多次反射到达终点。由于各个模式的反射次数不同引起的“光程差”在到达终点时造成了“时延差”，使输入的光脉冲到达终点时宽度展宽即降低了带宽能力。

图1.2.2（b）中所示的是多模渐变型光纤，其纤芯折射率分布类似于拋物线，近似于透镜的自聚焦形式。在纤芯内传播的若干个模式光线以正弦形式运动，有基本一致的焦点，改变了多模阶跃光纤的时延差，即提高了带宽的能力。但多个模式同时传播引起的碰撞造成了所谓的“模间色散”，使输入的光脉冲到达终点时宽度仍有较大的展宽。

图1.2.2（c）中所示的是标准单模光纤，虽然其纤芯折射率分布仍是平坦的。但由于只有一个模式在传播，避免了多模在传播时互相耦合造成的损耗和色散，输入的光脉冲到达终点时损耗和展宽均最小。相比于多模光纤，其单位长度的传输损耗小而带宽能力大，但因纤芯尺寸小，与光源耦合和相互对接的难度增加。

（2）光纤模式

光波是电磁波，光纤中的电磁场分布遵守麦克斯韦方程。解波动方程可以得到光纤模式特性、场结构、传输常数和截止条件等。

在平面介质波导中，以光线传输的导波沿波导曲折前进，所有这些光线均通过波导的平面，并且这些波不是横电波（TE）就是模磁波（TM）。

图1.2.3（a）表示基膜（LP01模）在阶跃光纤内的电场分布，图1.2.3（b）则是垂直于光纤横截面的电场分布，图1.2.3（c）是LP01模、LP11模和LP21模垂直于光纤横截面的强度分布。

（3）光纤中模数

在阶越跃光纤中，传导模数由V参数（或归一化频率）决定，V参数与光纤的结构参数有关，由式1.2.1表达。

 （式1.2.1）

：工作波长；

：纤芯半径；

n1：纤芯折射率；

n2：包层折射率；

：纤芯和包层的相对折射率差；

：光纤的数值孔径。

当V=2.405时，只有基膜LP01通过纤芯传输，这时的光纤是单模工作，因此有了光纤的截止波长，由式2.2.2得出。

1/2

(式1.2.2)
根据式1.2.1，截止波长为1260 nm的标准单模光纤在工作波长1310nm处的V值为2.31；在工作波长为1550nm处的V值为1.96，因而波导较弱。

当V=2.405时，传导的模数增长的很快，在阶跃多模光纤中能够支持的模式数量N由式2.2.3表示。

         （式1.2.3）

图1.2.4示出了几种LP模的归一化传播常数与归一化频率的关系，随着V值的增加，光纤的传输模数也在增加。

1.3光纤的主要技术特性

从1970年到现在短短三十多年的时间，光纤通信技术取得了极其惊人的发展。用带宽极宽的光波作为传送信息的载体，光纤通信具有通信容量大、中继距离长、保密性好、适应能力强等优点。然而，就目前的光纤通信而言，其实际应用仅是其潜在能力的2%左右，尚有巨大的潜力等待人们去开发利用，光纤通信正在向更高水平、更高阶段的方向发展。为了更好的认识光纤通信技术，下面我们从光纤的几个特性来着手认识它。

光纤的特性可以分为三大类：物理特性、传输特性与环境特性。

光纤的物理特性与耦合连接损耗有密切关系。（主要包括折射率分布，几何尺寸，模场直径，截止波长，同心度等）

光纤的传输特性与中断距离和传输速率及传输容量有关。（主要包括衰减系数、衰减不连续性、色散等）

光纤的环境特性与长期作用的稳定性和工作寿命有关。（主要包括筛选强度、疲劳因子、衰减温度特性、时延温度特性等）

1.3.1衰耗系数（衰减）

衰耗系数是多模光纤和单模光纤最重要的特性参数之一，在很大程度上决定了多模和单模光纤通信的中继距离。

衰耗系数的定义为：每公里光纤对光信号功率的衰减值。其表达式为：

　　　　　 　a= 10 lg Pi/Po 单位为dB/km

　　其中：Pi 为输入光功率值（W 瓦特）

　　　Po 为输出光功率值（W 瓦特）

假如某光纤的衰耗系数为a=3dB/km，则意味着经过一公里光纤传输Pi/Po= 10 0.3= 2后，其光信号功率值减小了一半。长度为L 公里的光纤总的衰耗值为A=aL 。

对于单模光纤，按照0.18dB/km 的衰耗。对于一个光信号，若经过EDFA 放大后输出功率为+5dBm ，其接收端的接收灵敏度若为-28dBm ，则放大增益为33dB ，除以衰耗系数，除数距离为33/0.18=183公里，考虑老化等裕度，可传输120km 以上。

使光纤产生衰耗的原因很多，主要有：吸收衰耗，包括杂质吸收和本征吸收；散射衰耗，包括线性散射、非线性散射和结构不完整散射等；其它衰耗，包括微弯曲衰耗等。

其中最主要的是杂质吸收引起衰耗。在光纤材料中的杂质如氢氧根离子、过渡金属离子对光的吸收能力极强，它们是产生光信号衰减的重要因数。因此，要想获得低衰耗光纤，必须对制造光纤用的原材料二氧化硅进行十分严格的化学提纯，使其杂质的含量降到几个PPb 以下。

散射损耗通常是由于光纤材料密度的微观变化，以及所含SiO2 、GeO2 和P2O5 等成分的浓度不均匀，使得光纤中出现一些折射率分布不均匀的局部区域，从而引起光的散射，将一部分光功率散射到光纤外部引起损耗；或者在制造光纤的过程中，在纤芯和包层交界面上出现某些缺陷、残留一些气泡和气痕等。这些结构上有缺陷的几何尺寸远大于光波，引起与波长无关的散射损耗，并且将整个光纤损耗谱曲线上移，但这种散射损耗相对前一种散射损耗而言要小得多。

综合以上几个方面的损耗，单模光纤在1310nm 和1550nm 波长区的衰减常数一般分别为0.3~0.4dB/km(1310nm) 和0.17~0.25dB/km(1550nm) 。ITU-TG.652 建议规定光纤在1310nm 和1550nm 的衰减常数应分别小于0.5dB/km 和0.4dB/km 。

实际工程中，光信号的长距离传输要求信号功率足以抵消光纤的衰耗，G.652 光纤在1550nm 窗口的衰耗系数一般为0.25dB/km 左右，考虑到光接头、光纤冗余度等因素，综合的光纤衰耗系数一般小于0.275dB/km 。