3.2　光纖和光纜

3.2.1　光纖通信基本概念

光纖通信是以光為載波，以光纖為傳輸介質的通信方式。任何通信系統追求的最終技術目標都是要可靠地實現最大可能的信息傳輸容量和傳輸距離。通信系統的傳輸容量取決于對載波調制的頻帶寬度，載波頻率越高，頻帶寬度越寬。光纖通信的載波是光波。

雖然光波和電波都是電磁波，但是頻率差別很大。目前，光纖通信用的近紅外光波長范圍為0.8～1.8μm，頻率約300 THz。光纖通信用的頻帶寬度約為200THz，在常用的1.31μm和1.55μm兩個波長窗口頻帶寬度也在20THz以上。由于光源和光纖特性的限制，目前，光強度調制的帶寬一般只有20GHz，因此還有3個數量級以上的帶寬潛力可以挖掘。

光纖是由絕緣的石英（SiO₂）材料制成的，通過提高材料純度和改進制造工藝，可以在寬波長范圍內獲得很小的損耗。

在光纖通信系統中，作為載波的光波頻率比電波頻率高得多，而作為傳輸介質的光纖又比同軸電纜或波導管的損耗低得多，因此相對于電纜通信或微波通信，光纖通信具有許多獨特的優點。

①容許頻帶很寬，傳輸容量很大　目前，單波長光纖通信系統的傳輸速率一般為2.5Gbit/s和10Gbit/s。采用外調制技術，傳輸速率可以達到40Gbit/s。波分復用和光時分復用更是極大地增加了傳輸容量。DWDM最高水平為132個信道，傳輸容量為20Gbit/s×132=2640Gbit/s。

②損耗小，中繼距離長　石英光纖在1.31μm和1.55μm波長，傳輸損耗分別為0.50dB/km和0.20dB/km，甚至更低，因此中繼距離長。目前，采用外調制技術，波長為1.55μm的色散移位單模光纖通信系統，若其傳輸速率為2.5 Gbit/s，則中繼距離可達150km；若其傳輸速率為10Gbit/s，則中繼距離可達100km。

傳輸容量大、傳輸誤碼率低、中繼距離長的優點，使光纖通信系統不僅適合于長途干線網，而且適合于接入網的使用，這也是降低每公里話路系統造價的主要原因。

③重量輕、體積小　光纖重量很輕，直徑很小。即使做成光纜，在芯數相同的條件下，其重量還是比電纜輕得多，體積也小得多。

④抗電磁干擾性能好　光纖由電絕緣的石英材料制成，光纖通信線路不受各種電磁場的干擾和閃電雷擊的損壞。無金屬光纜非常適合于存在強電磁場干擾的高壓電力線周圍和油田、煤礦等易燃易爆環境中使用。光纖（復合）架空地線（OPGW）是光纖與電力輸送系統的地線組合而成的通信光纜，已在電力系統的通信中發揮重要作用。

⑤泄漏小，保密性能好　在光纖中傳輸的光泄漏非常微弱，即使在彎曲地段也無法竊聽。沒有專用的特殊工具，光纖不能分接，因此信息在光纖中傳輸非常安全。

⑥節約金屬材料，有利于資源合理使用　制造同軸電纜和波導管的銅、鋁、鉛等為金屬材料；而制造光纖的石英（SiO₂）在地球上基本上是取之不盡的材料。

總之，光纖通信不僅在技術上具有很大的優越性，而且在經濟上具有巨大的競爭能力，因此其在信息社會中將發揮越來越重要的作用。

3.2.2　光纖和光纜的結構與分類

（1）光纖的結構

光纖是光纖通信系統中的傳輸介質，是光纖通信系統中最重要的組成部分。如圖3-2所示，光纖通常是由纖芯、包層和涂覆組成的一根玻璃纖維，是一多層介質結構的對稱圓柱體。纖芯的折射率比包層的折射率略高，以保證光能量主要集中在纖芯內傳播；包層外面還要涂一層涂料，以保護光纖不受外來的損害，同時增加光纖的機械強度。經過涂覆的光纖雖已具有一定的拉伸強度，但還是不能滿足在各種敷設條件下和各種環境中的使用，因而必須把光纖與其他元件組合起來構成光纜，以使其具有優良的傳輸性能以及抗拉、抗沖擊、抗彎、抗扭等機械性能，從而滿足實際使用要求。

只包含一根光纖的光纜稱為單芯光纜。除此之外還有包含多根光纖的光纜，光纖數量多的可達3000根以上，稱為多芯光纜。多芯光纜中一般有加強芯，用于提高其強度，多芯光纜基本結構如圖3-3所示。

光纖的結構一般用它的折射率分布函數來表征，而在光纖的橫截面上，它的折射率通常都是對稱分布的，只和徑向坐標有關，因而通常用n（r）來表示折射率分布函數，這種分布函數也被稱為光纖的折射率剖面，光纖的特性在很大程度上是由折射率分布來決定的。普通光纖的折射率分布一般有兩種類型：一種是光纖材料的折射率為均勻階躍的，稱為階躍型，如圖3-4（a）所示，其中n₁為纖芯的折射率，n₂為包層的折射率；另一種是纖芯材料的折射率沿光纖徑向遞減，稱為梯度型，如圖3-4（b）所示。其中n（0）=n₁（0），為纖芯軸心處的折射率，n₂為包層的折射率。其他幾種常見光纖的折射率分布為環型、W型等，如圖3-4（c）和（d）所示。突變型多模光纖（Step-IndexFiber，SIF）如圖3-4（a）所示，纖芯折射率為n₁保持不變，到包層突然變為n₂。這種光纖一般纖芯直徑2a=50～80μm，光線以折線形狀沿纖芯中心軸線方向傳播，特點是信號畸變大。

（2）光纜結構和類型

光纜一般由纜芯和護套兩部分組成，有時在護套外面加有鎧裝。纜芯按結構不同分為中心束管式光纜、層絞式光纜和骨架式光纜；按敷設條件不同分為架空光纜、管道光纜、直埋光纜和水底光纜；按光纜中光纖的松緊狀態不同分為緊結構光纜、松結構光纜和半松半緊結構光纜；按使用環境與纜中材料不同可分為金屬加強構件光纜、非金屬加強構件光纜、阻燃光纜、防蟻光纜、電力光纜。

①纜芯　纜芯通常包括被覆光纖（或稱芯線）和加強件兩部分。被覆光纖是光纜的核心，決定著光纜的傳輸特性。

光纜類型多種多樣，圖3-5給出若干典型實例。根據纜芯結構的特點，光纜可分為四種基本類型。

a.層絞式。把松套光纖繞在中心加強件周圍絞合而構成。這種結構的纜芯制造設備簡單，工藝相當成熟，得到廣泛應用。采用松套光纖的纜芯可以增強抗拉強度，改善溫度特性。b.骨架式。把緊套光纖或一次被覆光纖放入中心加強件周圍的螺旋形塑料骨架凹槽內而構成。這種結構的纜芯抗側壓力性能好，有利于對光纖的保護。c.中心束管式。把一次被覆光纖或光纖束放入大套管中，加強件配置在套管周圍而構成。這種結構的加強件同時起著護套的部分作用，有利于減輕光纜的重量。d.帶狀式。把帶狀光纖單元放入大套管內，形成中心束管式結構，也可以把帶狀光纖單元放入骨架凹槽內或松套管內，形成骨架式或層絞式結構。帶狀式纜芯有利于制造容納幾百根光纖的高密度光纜，這種光纜已廣泛應用于接入網。

②護套　護套起著對纜芯的機械保護和環境保護作用，要求具有良好的抗側壓力性能及密封防潮和耐腐蝕的能力。護套通常由聚乙烯或聚氯乙烯（PE或PVC）和鋁帶或鋼帶構成。不同使用環境和敷設方式對護套的材料和結構有不同的要求。

根據使用條件，光纜又可以分為許多類型。一般光纜有室內光纜、架空光纜、埋地光纜和管道光纜等。

③光纖連接器　其作用是使兩根光纖的纖芯對準，保證90％以上的光能夠通過，光纖連接器內部結構如圖3-6所示。光纖活動連接器是實現光纖之間活動連接的光無源器件，它還具有將光纖與其他無源器件、光纖與系統和儀表進行活動連接的功能。

光纖連接器功能為光纖與器件、設備之間、設備和儀表之間或線路與測試儀表之間實現高質量活動連接可重復插拔。對光連接器的要求：低插損，小于0.3dB；高回損，大于50dB；重復性、互換性好：小于0.1dB；插拔壽命長：大于1000次；價格低。

光纖連接器常用結構有多種。套管結構：套管結構的連接器由插針和套筒組成。雙錐結構：雙錐結構連接器是利用錐面定位。V形槽結構：V形槽結構的光纖連接器是將兩個插針放入V形槽基座中，再用蓋板將插針壓緊，利用對準原理使纖芯對準，見圖3-7（a）。球面定芯結構：球面定心結構由兩部分組成，一部分是裝有精密鋼球的基座，另一部分是裝有圓錐面（相當于車燈的反光鏡）的插針。透鏡耦合結構：透鏡耦合又稱遠場耦合，它分為球透鏡耦合和自聚焦透鏡耦合兩種，見圖3-7（b）、（c）。圖3-8給出了不同結構的光連接器。

光纖連接器性能指標：a.光學性能，主要是插入損耗和回波損耗；b.插入損耗，即連接損耗，因連接器的導入而引起的鏈路有效光功率的損耗，不大于0.5dB；c.回波損耗，連接器對鏈路光功率反射的抑制能力，其典型值應不少于25dB；d.互換性和重復性，指對同一類型光纖能任意組合使用，并可多次重復使用，由此而導入的附加損耗一般小于0.2dB；e.抗拉強度，不低于90N；f.工作溫度，在-40～70℃的溫度下能正常使用；g.插拔次數，能插拔1000次以上。

（3）光纖的分類

光纖的種類很多，而且千變萬化，可以采用不同的方法進行分類，目前常用的分類方法如下：①按纖芯的折射率可分為階躍型光纖、梯度型光纖、環型光纖、Ω型光纖、W型光纖和凹陷包層等，不同的折射率分布可滿足不同的光傳輸需要。②按構成光纖的材料可分為硅酸鹽光纖（包括高純石英光纖和多組分玻璃光纖等）、塑料光纖和液芯光纖等。硅酸鹽光纖損耗很低，可用于長距離傳輸；塑料光纖的價格非常便宜。③按傳導模式可分為單模光纖和多模光纖。單模光纖的纖芯直徑僅幾微米，光波在光纖中只能以一種模式傳導，其信號畸變很小，可傳輸大容量信息。多模光纖的纖芯直徑較大，光波在光纖中能以多種模式傳導，具有信號強的優點。④按用途可分為通信光纖和非通信光纖。非通信光纖也稱特殊光纖，有雙折射光纖、涂層光纖、激光光纖和紅外光纖等。

實用光纖主要有三種基本類型，圖3-9示出其橫截面的結構和折射率分布、光線在纖芯傳播的路徑以及由于色散引起的輸出脈沖相對于輸入脈沖的畸變，這些光纖的主要特征如下。

突變型多模光纖（Step-Index Fiber，SIF），如圖3-9（a）所示，纖芯折射率為n₁保持不變，到包層突然變為n₂。這種光纖一般纖芯直徑2a=50～80μm，光線以折線形狀沿纖芯中心軸線方向傳播，其特點是信號畸變大。

漸變型多模光纖（Graded-Index Fiber，GIF），如圖3-9（b）所示，在纖芯中心折射率最大為n₁，沿徑向r向外圍逐漸變小，直到包層變為n₂。這種光纖一般纖芯直徑2a為50μm，光線以正弦形狀沿纖芯中心軸線方向傳播，其特點是信號畸變小。

單模光纖（Single-Mode Fiber，SMF），如圖3-9（c）所示，折射率分布和突變型光纖相似，纖芯直徑只有8～10μm，光線以直線形狀沿纖芯中心軸線方向傳播。因為這種光纖只能傳輸一個模式，所以稱為單模光纖。

那么怎樣理解光纖模式的概念呢？光也是電磁波，電磁波是由交變的電場和磁場組成且滿足一定的數學關系。光在光纖中的傳播就是電場和磁場相互交替地變換傳播，電場和磁場不同的分布形式（滿足特定的方程）就構成不同的模式。所謂單模光纖，就是指只傳輸HE11一種矢量模式。多模光纖則指能同時傳輸多種模式（例如HE11、TM01、TE01、HE12等矢量模式）的光纖。

漸變型多模光纖和單模光纖，包層外徑2b都選用125μm。實際上，根據應用的需要，可以設計折射率介于SIF和GIF之間的各種準漸變型光纖。為調整工作波長或改善色散特性，可以在圖3-9（c）常規單模光纖的基礎上，設計許多結構復雜的特種單模光纖。

各種光纖，其用途也不同。突變型多模光纖信號畸變大，相應的帶寬只有10～20 MHz·km，用于小容量、短距離系統。漸變型多模光纖的帶寬可達1～2GHz·km，適用于中等容量、中等距離系統。大容量（565Mbit/s～2.5Gbit/s）長距離（30km以上）系統要用單模光纖。色散平坦光纖適用于波分復用系統，這種系統可以把傳輸容量提高幾倍到幾十倍。外差接收方式的相干光系統要用偏振保持光纖，這種系統的最大優點是提高接收靈敏度，增加傳輸距離。

（4）光纖連接器實例

光纖連接器實例FC型光纖連接器是Ferrule Connector的縮寫，表明其外部加強方式是采用金屬套，緊固方式為螺紋連接緊固。最早，FC類型的連接器，采用的陶瓷插針的對接端面是平面接觸方式（FC）。此類連接器結構簡單，操作方便，制作容易，但光纖端面對微塵較為敏感，且容易產生菲涅爾反射，提高回波損耗性能較為困難。后來，對該類型連接器做了改進，采用對接端面呈球面的插針（PC），而外部結構沒有改變，使得插入損耗和回波損耗性能有了較大幅度的提高。圖3-10展示了四種類型的連接器。

SC型光纖連接器外殼呈矩形，所采用的插針與耦合套筒的結構尺寸與FC型完全相同，其中插針的端面多采用PC型或APC型研磨方式；緊固方式是采用插拔銷閂式，不須旋轉。此類連接器價格低廉，插拔操作方便，介入損耗波動小，抗壓強度較高，安裝密度高。

ST型光纖連接器外殼呈圓形，如圖3-11所示，所采用的插針與耦合套筒的結構尺寸與FC型完全相同，其中插針的端面多采用PC型或APC型研磨方式；緊固方式為螺紋連接緊固。此類連接器適用于各種光纖網絡，操作簡便，且具有良好的互換性。

MT-RJ帶有與RJ-45型LAN電連接器相同的閂鎖機構，通過安裝于小型套管兩側的導向銷對準光纖，為便于與光信號收發機相連，連接器端面光纖為雙芯（間隔0.75mm）排列設計，是主要用于數據傳輸的高密度光連接器，如圖3-12所示。

LC型光纖連接器是著名的Bell研究所研究開發出來的，采用操作方便的模塊化插孔（RJ）閂鎖機理制成（圖3-13）。該連接器所采用的插針和套筒的尺寸是普通SC、FC等所用尺寸的一半，為1.25m，提高了光配線架中光纖連接器的密度。

目前，在單模SFF方面，LC類型的連接器實際已經占據主導地位，在多模方面的應用也增長迅速。

MU（Miniature Unit Coupling）光纖連接器是以SC型連接器為基礎研發的世界上最小的單芯光纖連接器（圖3-14）。MU連接器系列包括用于光纜連接的插座型光連接器（MU-A系列）、具有自保持機構的底板連接器（MU-B系列）以及用于連接LD/PD模塊與插頭的簡化插座（MU-SR系列）等。該連接器采用1.25mm直徑的套管和自保持機構，其優勢在于能實現高密度安裝。

3.2.3　光纖傳輸特性

光信號經光纖傳輸后要產生損耗和畸變（失真），因而輸出信號和輸入信號不同。對于脈沖信號，不僅幅度要減小，而且波形要展寬。產生信號畸變的主要原因是光纖中存在色散。損耗和色散是光纖最重要的傳輸特性。損耗限制系統的傳輸距離，色散則限制系統的傳輸容量。本節討論光纖的色散和損耗的機理和特性，為光纖通信系統的設計提供依據。

（1）光纖的色散

光纖的色散是指當光纖傳輸脈沖信號時，脈沖信號被展寬的現象。這種現象在數字通信中危害較大，一旦光脈沖頻率很高（即提高通信容量）時，就有可能使得到達接收端的前后兩個脈沖無法分辨開，使通信難以進行，如圖3-15所示。要維持正常的通信，只有降低脈沖頻率，這就意味著光纖的傳輸頻帶變窄。因此，光纖的色散或者說脈沖的展寬是光纖通信的第二個重要問題。

光纖的色散主要分為材料色散、波導色散和模間色散。

①材料色散　光在光纖中的傳播速度為v=c/n₁（λ），式中n₁（λ）為光纖芯的折射率，它是光波波長的函數，即同一材料對不同波長的折射率是不一樣的。因此，當含有不同波長的光脈沖（非單色光）通過光纖傳輸時，其傳輸的速度就不一樣，引起脈沖展寬而出現色散。

圖3-16表示硅酸鹽玻璃的材料色散所引起的脈沖展寬，其光源的相對譜線寬度Δλ/λ=0.04。由圖3-16可以看出，材料色散程度隨波長而變化，波長越短，由材料色散引起的脈沖展寬越嚴重。值得注意的是，在1.3μm附近，有一個零色散點，光纖的摻雜元素不同，零色散點的波長稍微有所不同。在零色散點附近，光纖的帶寬變得相當寬，光脈沖在傳輸過程中引起的展寬變得可以忽略。這正是人們對1.3μm附近波長光通信系統特別感興趣的重要原因之一。

②波導色散　所謂波導色散，是由于波導結構，或者說是由于波導的尺寸大小所引起的色散。波導色散的大小與光纖的纖芯直徑、纖芯與包層之間的相對折射率差、歸一化頻率ν等因素有關。波導色散不同于材料色散和模間色散，即使光纖是由無材料色散的玻璃制作（材料色散不存在），而我們又只考慮光纖中傳輸的一個模（無模間色散），不同波長的光在光纖中傳播仍然會引起色散，造成脈沖展寬。

③模間色散　模間色散在多模光纖中表現最為突出，是限制光纖傳輸帶寬的主要因素。在多模光纖中，即使同一波長的光，由于不同的模有不同的群速度，它們在光纖中傳播時的渡越時間也就不一樣。同一波長的輸入光脈沖，不同的模將先后到達輸出端，在輸出端便形成了一個展寬了的脈沖波形，其脈沖展寬量為最快的模與最慢的模之間的渡越時間差。很明顯，只有多模光纖才存在模間色散，單模光纖因只能傳輸一個模式，就無模間色散可言。這是人們對單模光纖感興趣的原因之一。

可以利用幾何光學來比較直觀地說明模間色散問題。例如在階躍光纖中，沿光纖軸芯傳播的模式（基模）的傳播途徑最短：而其他入射角越大的光線，到達終端所經過反射的次數越多，所走的路徑越長，因而所需時間也越長。在臨界角上傳輸的光路最長。于是，本來同時進入光纖端面的一束光波，由于光波中各光線的入射角不同，到達終端就出現先、后時間差，造成光信號中各模式光波在時間上的延遲。光纖越長，則延遲越長。

總之，光纖的色散由上述三種色散之和決定。在多模光纖中，主要是模間色散和材料色散，對折射率分布適當設計可大大減小多模光纖中的模間色散影響。在單模光纖中，主要是材料色散和波導色散。在某一波長附近，模間色散和材料色散的極性不同，可互相抵消，因而可選擇該波長光波作為光通信的載波。

（2）光纖的損耗

光纖的損耗是光纖最重要的傳輸特性之—。光纖的損耗越小，光在其中傳播所受到的衰減就越小，光信號所能傳輸的距離就越長，在光通信系統中的中繼間隔就越大。光纖的損耗通常用每千米的分貝數來表示，記為dB/km。

如圖3-17所示光纖的損耗，使得光信號的幅度變小了。如果我們用P_A表示A點的光功率，P_B表示B點的光功率，L表示A、B兩點之間光纖的長度，則該光纖的損耗將由下式來計算：

　　 （3-1） 　　

式中，α_P為每公里的光纖衰減系數。

光纖的損耗和波長有關。對于不同的波長，光纖有不同的損耗值，也就是說，光纖的損耗是波長λ的函數。光纖的損耗隨波長變化的曲線稱為光纖的損耗曲線，也稱光纖的損耗譜。圖3-18是一條有代表性的光纖的損耗譜曲線。

光纖損耗的來源大致可分為吸收損耗和散射損耗兩大類。

①吸收損耗　產生吸收損耗的原因來自以下三個方面。

a.光纖材料的本征吸收。這是物質的固有的吸收，不是由雜質或者缺陷所引起的。光纖的基礎材料是石英玻璃（SiO₂），它的Si—O鍵在波長8～12μm的紅外區域里有振動吸收現象，從而造成損耗。但是這段區域的振動波長遠離目前光纖通信的工作波長范圍，所以Si—O鍵紅外吸收損耗，對光纖通信的影響并不顯著。盡管它的吸收損耗光譜底邊已延伸至λ>1.2μm處，但是其損耗值已遠低于0.1dB/km，如圖3-18所示。

在組成光纖材料的原子系統中，一些處于低能級狀態的電子，會吸收電磁能量而躍遷到高能級狀態。在這個過程中要造成損耗.電子轉移造成的吸收損耗，其中心波長在紫外區的0.16μm處，吸收很強時，它的尾巴會拖到0.7～1.1μm波段。因此，短波長的光纖通信，紫外吸收造成的損耗會產生一定的影響。在λ>0.6μm時，紫外吸收損耗在1dB/km左右，如圖3-18所示。

b.雜質吸收。玻璃中的金屬離子被認為是雜質吸收的主要來源。躍遷金屬如鐵、銅、錳等，它們在可見光和近紅外區的電子躍遷，就造成了在這一區域對光的吸收。它們有各自的吸收峰值和吸收帶，且隨它們的價狀態不同而不同，就是相同的離子在不同的玻璃里所引起的作用也可能不同。在制作光纖時，要特別注意這些雜質的提煉。

c.原子缺陷吸收。由于加熱過程或者強烈的輻射，玻璃材料會受激而出現原子的缺陷，從而產生損耗。目前已選取受這種激勵影響很小的石英玻璃作光纖材料，因此，由于原子缺陷吸收造成損耗的影響已經不大。

②散射損耗　光纖的散射損耗主要包括三個方面。

a.物質的本征散射。玻璃在加熱過程中，由于熱騷動使原子的壓縮性不均勻而產生起伏，這使得物質的密度不均勻，進而使折射率不均勻。這種不均勻性或者起伏在冷卻過程中被固定。這種折射率的不均勻度與波長比是小尺寸的，它引起的散射在光學上稱為瑞利散射，它與光波波長的四次方成反比。因此，如圖3-18所示，這種散射損耗隨著波長加長而很快減小。

b.非線性效應散射。物質在強大的電場作用下呈現非線性，即出現新的頻率或輸入的頻率發生改變，也誘發出物質對入射波的散射。非線性效應散射損耗主要由受激的喇曼散射和布里淵散射引起，由于這部分散射損耗只有在強入射光功率激勵下才表現出來，所以在光纖通信使用的弱入射光功率的情況下，其影響極微。

c.波導效應散射。波導效應散射損耗是由于波導結構不規則而引起的輻射損耗。在制作光纖時，在芯與包層界面處的不規則，成纜時造成許多微彎都會引起損耗。在使用光纖時，如果光纖軸心彎曲到一定程度，光將向四周輻射，從而引起損耗，因此，光纖雖有彎曲性，但不要隨便造成不必要的彎曲。

3.2.4　光纖的數值孔徑NA

光纖的數值孔徑NA是光纖的重要參數之一，反映了光纖收集光的能力。從幾何光學的觀點來看，入射到光纖端面上的光線并不都能進入光纖內部進行傳播，只有當入射角度小于某一個角θ_m時，光線才能在光纖內部傳播，如圖3-19所示。θ_m角的正弦值就定義為光纖的數值孔徑NA：

NA=sinθ_m　　（3-2）

下面以階躍型光纖為例對光纖的數值孔徑加以說明。在圖3-20中，βm為纖芯與包層之間的反射臨界角，因而

　　 （3-3） 　　

而光是由折射率為n₀的空氣中入射的，根據折射定律可得

　　 （3-4） 　　

令n₀=1，則

　　 （3-5） 　　

將式（3-3）代入可得

　　 （3-6） 　　

式中，Δ為光纖的相對折射率差。

由式（3-6）可知，數值孔徑NA僅由光纖的折射率決定，而與光纖的幾何尺寸無關。這樣，在制作光纖時可將其NA做得很大，而截面積卻做得很小，使光纖變得柔軟且可彎曲，使其在許多領域發揮了無比的優越性。

對于上述直徑不變的光纖，其兩端具有相同的光收集特性，也就是說光纖兩端的NA相等。如果希望改變光纖的NA，可以利用光錐。光錐是有一定錐度的光纖，也稱錐形光纖，如圖3-21所示。光錐遵從下面極其重要的規律：

d₁sinθ₁=d₂sinθ₂　?。?-7）

式中，d₁、d₂、θ₁、θ₂分別為光錐兩端的直徑和入射或出射角。

在圖3-21中，β1和β2是在光錐側面光線的入射角。因反射表面是光錐的側面，它并不和光錐的軸線平行，所以β2>β1。這表明當光線從光纖直徑小的一端射入時，隨著光纖直徑越來越大，光線與光錐軸線間的夾角越來越小，光線變得越來越準直。反之，當光線從光錐直徑大的一端射入時，隨著光錐直徑越來越小，光線的準直情況變得越來越差，光線與光錐軸線間的夾角將越來越大，甚至有可能發展到在光錐側面的某一點入射角小于臨界角，此時光線會從光錐的側面穿出去。因此，雖然看起來光線似乎進入了光錐，但實際上在不一定能夠傳輸到另一端。由此可見，光錐在直徑小的端面有較好的光收集特性，即小直徑端面的數值孔徑較大。因而在實際應用中應當用光錐直徑小的一端對著光源，光錐直徑大的一端去對著光纖，以提高光源和光纖之間的耦合效率。

3.2.5　光纖中的模

光波是一種電磁波，光波在光纖中的傳播，實際上就是電磁場在光纖中的傳播。光纖中的模，指的就是電磁場在光纖中傳播的模式。

光纖中的模，粗略地可分為兩大類：一類叫傳導模；另一類叫輻射模。傳導模在光纖芯內傳播，它從發射端傳播到接收端，光纖通信的信息就靠這類模來傳遞。而輻射模則在傳播途中會從光纖的包層輻射到光纖以外的區域，造成輻射損耗，引起多芯光纖之間的串音，一般情況下它不可能從發射端傳輸到接收端。我們所說的光纖中的模，指的就是傳導模。

電磁場的傳播遵從麥克斯韋方程，而在光纖中傳播的電磁場，還必須滿足光纖這樣一種傳播介質的邊界條件。光波在芯包界面上來回地反射，當來回一次的相位變化為360°的整數倍時，就會在光纖中形成駐波。只有駐波才能在光纖中穩定存在，這就反映出光波在光纖中的傳播模式是不連續的，離散的。理論分析進一步表明，光纖中能夠存在的模式數N是有限的，其計算公式為

　　 （3-8） 　　

式中，g為折射率分布因子，對于階躍型光纖，g→∞，故所傳導的模數為

N_階躍=ν²/2　　（3-9）

對于拋物型光纖，g=2，故所傳導的模數為

N_拋物=ν²/4　?。?-10）

由此可以看出，階躍型光纖的傳導模數是梯度型光纖（一般為拋物型光纖）的傳導模數的兩倍。

那么，傳導模數對光纖通信有什么影響呢？傳導模的數目越大，模間色散越大，相應地能傳輸的信息容量就越小。而信息容量大正是光纖通信的重要優點之一。要想增大信息容量，就必須要減小傳導模數。

在式（3-8）中，ν被定義為

　　 （3-11） 　　

還可表示為

　　 （3-12） 　　

ν=k₀d（NA）　?。?-13）

式中，ν為一個無量綱量。它一方面與波導寬度d成正比，被稱為歸一化波導寬度；另一方面又與k₀=2π/λ=ω/c（c為光速）成正比，因而又稱為歸一化頻率。這里的ν是光纖的一個重要參數，它將決定光纖中究竟能維持多少傳導模。

可以看到，參數ν越小，光纖中能傳輸的模式就越少。也就是說，對于同樣波導寬度的光纖，其相對折射率Δ越小，光纖中能傳輸的模式就越少；或者說，要限制光纖中傳輸的模式數目，而同時為了方便光纖的制造和連接，又要加大光纖的波導寬度，則可通過減小纖芯與包層的折射率差來實現。參數ν的取值分段對應不同的傳導模式。對于階躍型光纖，0<ν<2.405時，只能傳輸基模，這樣的光纖就是單模光纖；ν>2.405時，才能傳輸多種模式，這樣的光纖就被稱為多模光纖。

3.2.6　光纖標準和應用

制訂光纖標準的國際組織主要有ITU-T和IEC（國際電工委員會）。應用情況一般為：G.651多模漸變型（GIF）光纖，這種光纖在光纖通信發展初期廣泛應用于中小容量、中短距離的通信系統。G.652常規單模光纖，是第一代單模光纖，其特點是在波長1.31μm色散為零，系統的傳輸距離只受損耗的限制。目前世界上已敷設的光纖線路90％采用這種光纖。G.653色散移位光纖，是第二代單模光纖，其特點是在波長1.55μm色散為零，損耗又最小。這種光纖適用于大容量長距離通信系統。G.654為1.55μm損耗最小的單模光纖，其特點是在波長1.31μm色散為零，在1.55μm色散為17～20ps/（nm·km），和常規單模光纖相同，但損耗更低，可達0.20dB/km以下。這種光纖實際上是一種用于1.55μm改進的常規單模光纖，目的是增加傳輸距離。此外還有色散補償光纖，其特點是在波長1.55μm具有大的負色散。這種光纖是針對波長1.31μm常規單模光纖通信系統的升級而設計的，因為當這種系統要使摻鉺光纖放大器（EDFA）以增加傳輸距離時，必須把工作波長從1.31μm移到1.55μm。用色散補償光纖在波長1.55μm的負色散和常規單模光纖在1.55μm的正色散相互抵消，以獲得線路總色散為零損耗又最小的效果。G.655為非零色散光纖，是一種改進的色散移位光纖。具有常規單模光纖和色散移位光纖的優點，是最新一代的單模光纖。這種光纖在密集波分復用和孤子傳輸系統中使用，實現了超大容量、超長距離的通信。表3-1給出了常用光纖命名與標準對照。

（1）光纜特性

光纜的傳輸特性取決于被覆光纖。對光纜機械特性和環境特性的要求由使用條件確定。光纜生產出來后，對這些特性的主要項目如拉力、壓力、扭轉、彎曲、沖擊、振動和溫度等，要根據國家標準的規定做例行試驗。成品光纜一般要求給出上述特性。

（2）電力系統應用

電力特種光纜是適應電力系統特殊的應用而發展起來的一種架空光纜體系，它將光纜技術和輸電線技術相結合，架設在10～500kV不同電壓等級的電力桿塔上和輸電線路上，具有高可靠、長壽命等突出優點，在我國電力通信領域普遍使用。就目前來看，電力特種光纜主要包括全介質自承式光纜ADSS、架空地線復合光纜OPGW、纏繞式光纜GWWOP、捆綁式光纜AD-LASH、相線復合光纜OPPC，但主要使用的是ADSS、OPGW。在電力線路上架設OPGW、ADSS、GWWOP等電力特種光纜以建立光纖通信網絡。

①ADSS光纜　目前世界上ADSS光纜的結構主要有4種類型，如圖3-22所示。A型：層絞式ADSS光纜；B型：增強型ADSS光纜；C型：中心束管式ADSS光纜；D型：帶狀式ADSS光纜。其中A型與B型在電力系統中應用較廣泛。

其主要特點是：采用了具有高彈性模量的高強度芳綸紗作為抗張元件。芳綸紗彈性模量高、重量輕、具有負膨脹系數、有防彈能力。同時光纜幾何尺寸小，纜重僅為普通光纜的1/3，可直接架掛在電力桿塔的適當位置上，對桿塔增加的額外負荷很小；外護套經過中性離子化浸漬處理，使光纜具有極強的抗電腐蝕能力；光纜采用無金屬材料，絕緣性能好，能避免雷擊，電力線出故障時，不會影響光纜的正常運行；利用現有電力桿塔，可以不停電施工，與電力線同桿架設，可降低工程造價；運行溫度范圍寬，一般為-40～+70℃；使用跨距范圍為50～1200m。

②OPGW光纜的結構和特點　OPGW光纜是將光纖媒體復合在輸電線路的架空地線里，地線和通信功能合二為一。OPGW光纜主要是由鋁包鋼線或鋁合金線組成的外部絞線包裹著光纖纜、中心加強件等組成的，如圖3-23所示。

OPGW按光纖與其外層束管的“緊密”程度分為“松套”和“緊套”兩種類型，大多數廠家都采用松套結構。OPGW主要特點是：a.OPGW既可避雷，又可用于通信，不需要另外加掛光纜；b.光纜位于OPGW中，外層有鋁包鋼線或鋁合金線包裹，光纜受到保護，可靠性較高；c.OPGW是隨著電力線架設的，因而節省了施工費；d.OPGW是架設在輸電線路鐵塔上的，這種鐵塔比起郵電部門的通信電桿可靠、安全，且不易被盜竊。

目前電力系統主要使用如圖3-23所示幾種結構的OPGW光纜。

③纏繞式光纜GWWOP　GWWOP光纜是將無金屬的介質光纜纏繞在已運行的輸電線路地線上。它是由松套緩沖管與小強度件或填充件絞繞在一起以形成圓形光纖單元，光纖單元是用交聯聚乙烯護套加以保護。這個護套提供了機械和環境保護，并且抗電弧和雷擊。其主要特點是：a.抗干擾能力強、耐高溫、抗老化，且不易被盜竊；b.由于GWWOP光纜重量很輕，而且是使用專用的機械纏繞在輸電線路地線上，所以，在光纜架設時不需對原桿塔進行復核與改動即可施工；c.光纜可在任何自承塔上熔接。GWWOP光纜的缺點是易受外界損壞。

④全介質捆綁光纜AD-LASH　AD-LASH光纜是將非金屬光纜采用捆綁式架設方法，通過捆綁機用捆綁帶把光纜與架空地線或相線捆綁在一起。AD-LASH光纜的特點是：a.光纜直徑小、重量輕，將它捆綁在送電線路上，基本不會產生垂直的重力荷載，不會對原有桿塔造成明顯的影響。b.光纜的全介質設計減輕了光纜的重量。避免了送電線路短路或者雷擊影響。c.可以在地線或者相線上簡單快捷地安裝。AD-LASH光纜的設計使得其外護套具有耐高溫及防電腐蝕等特點，因此，AD-LASH光纜不但可以在地線上安裝，也可以在35kV及以下的相線上安裝。d.光纜由黏性捆綁帶固定，不會在地線或者相線上移動。光纜的捆綁帶表面有黏性物質，它可以使光纜、捆綁帶及送電線路牢固地粘連在一起，光纜不能左右移動，不會對光纜的外護套造成摩擦損傷。e.光纜安裝完成后，由捆綁帶承受重量，光纜不會受永久性張力，不會由于張力而產生應力衰減。f.光纜與地線或相線被平行地捆綁在一起，不會有環形狀態產生。其缺點是易受外界損壞，且高壓送電線路檔距較大，桿塔較高，捆綁機施工比較困難。

⑤光纜應用中出現的問題和主要解決措施　隨著電力通信網建設的加快，運行中ADSS和OPGW暴露出來許多問題，主要集中在ADSS外護套電腐蝕和OPGW雷擊問題。針對ADSS外護套電腐蝕問題，國內有關單位已開始了大量研究工作，主要集中在電應力作用下ADSS損傷機理的研究、耐電痕護套材料的開發、抗電應力損傷的措施以及電腐蝕的測試方法等方面，并取得了大量的研究成果。在確保ADSS光纜質量的前提下，規范工程設計、施工和運行條件，ADSS的電腐蝕是可以控制的。

ADSS應用中的問題主要有：a.ADSS掛點的選擇失誤。b.“干帶電弧”是造成ADSS表面產生電腐蝕的最主要原因。電弧產生的高熱，使外護套表面的溫度升高，產生樹枝化的電痕，直至燒穿光纜的外護套，露出芳綸紗，最后造成斷纜事故發生；c。ADSS光纜鋁絲端部電暈放電引起的劣化，造成ADSS出現電腐蝕。解決ADSS腐蝕的主要措施有：ADSS外護套采用抗電應力損傷的新技術和新材料；采取措施降低ADSS光纜表面電場強度和電位差；減少放電電壓的數值和均衡塔端的感應場強，如懸掛ADSS光纜的金具采用預絞絲結構并相應地安裝均壓環或防暈圈；在靠近桿塔的ADSS表面沿光纜方向安裝半導體棒；優化ADSS的懸掛點等。而針對OPGW遭雷擊問題，已采取了提高OPGW本身耐雷水平，在工程設計中提高OPGW防護水平等措施。

（3）光纜的型號

光纜的型式代號是由分類、加強構件、派生（形狀、特性等）、護套和外護層五部分組成，如圖3-24所示。

光纜的分類代號及意義：GY——通信用室（野）外光纜；GR——通信用軟光纜；GJ——通信用室（局）內光纜；GS——通信用設備內光纜；GH——通信用海底光纜；GT——通信用特殊光纜；GW——通信用無金屬光纜。加強構件的代號及意義：無符號——金屬加強構件；F——非金屬加強構件；G——金屬重型加強構件；H——非金屬重型加強構件。派生特征的代號及其意義：B——扁平式結構；Z——自承式結構；T——填充式結構；S——松套結構。注意：當光纜類型兼有不同派生特征時，其代號字母順序并列。

護套的代號及其意義：Y——聚乙烯護套；V——聚氯乙烯護套；U——聚氨酯護套；A——鋁、聚乙烯護套；L——鋁護套；Q——鉛護套；G——鋼護套；S——鋼、鋁、聚乙烯綜合護套。

外護層的代號及其意義：外護層是指鎧裝層及鎧裝層外面的外被層，參照國標GB/T 2952—2008的規定，外護層采用兩位數字表示，外護層的代號及意義見表3-2。

光纖的規格代號：光纖的規格代號由光纖數目、光纖類別、光纖主要尺寸參數、傳輸性能和適用溫度五部分組成，各部分均用代號或數字表示。光纖數目用光纜中同類別光纖的實際有效數目的阿拉伯數字表示。

光纖類別的代號及其意義：J——二氧化硅系多模漸變型光纖；T——二氧化硅系多模階躍型（突變型）光纖；Z——二氧化硅系多模準突變型光纖；D——二氧化硅系單模光纖；X——二氧化硅纖芯塑料包層光纖；S——塑料光纖。

光纖的主要尺寸參數代號及其意義：用阿拉伯數字（含小數點）以μm為單位表示多模光纖的芯徑/包層直徑或單模光纖的模場直徑/包層直徑。

傳輸性能代號及其意義：光纖的傳輸特性代號是由使用波長、損耗系數、模式帶寬的代號（分別為a、bb、cc）構成。a表示使用波長的代號，其數字代號規定為：使用波長在0.85μm區域；使用波長在1.31μm區域；使用波長在1.55μm區域。bb表示損耗系數的代號，其數字依次為光纜中光纖損耗系數值（dB/km）的個位和十分位。cc表示模式帶寬的代號，其數字依次是光纜中光纖模式帶寬數值（MHz·km）的千位和百位數字。單模光纖無此項。同一光纜適用于兩種以上的波長，并具有不同的傳輸特性時，應同時列出各波長上的規格代號，并用“/”劃開。

適用溫度代號及其意義：A——適用于-40～+40℃；B——適用于-30～+50℃；C——適用于-20～+60℃；D——適用于-5～+60℃。