2.1 光纤与光缆基础知识

光纤（Optic Fiber）是由纯石英（玻璃）以特别的工艺拉丝成比头发还细，中间有介质的玻璃管。玻璃管质地脆，易断裂，因此需要外加保护层。而光缆（Optical Fiber Cable）正是由光纤、保护套管等构成，外层的保护结构可以防止周遭环境对光纤的伤害。所以说光缆包含光纤，光纤是光缆的一个组成部分。

2.1.1 光纤的结构与分类

1.光纤的结构

光纤是由两种不同折射率的玻璃材料拉制而成的，基本结构包括以下几个部分—折射率（n1）较高的纤芯部分、折射率（n2）较低的包层部分以及表面涂覆层，如图2-1所示。注意纤芯和包层仅在折射率等参数上不同，结构上是一个完整整体。同时为保护光纤，在涂覆层外有二次涂覆层（又称塑料套管）。

其中纤芯的作用是传输光信号；包层的作用是使光信号封闭在纤芯中传输。为了实现光信号的传输，要求纤芯的折射率比包层的折射率稍大。通信用的光纤的标称外径为125μm，多模光纤纤芯的标称直径为50μm，单模光纤纤芯的标称模场直径为4～10μm。

2.光纤的分类

光纤按照材料、折射率、传输模式、二次涂覆层结构等，被划分成多种类型。

（1）按光纤的材料分类

石英光纤，一般是指由掺杂石英芯和掺杂石英包层组成的光纤。这种光纤具有很低的损耗和中等程度的色散。目前通信网络中所使用的光纤大多数是石英光纤。

塑料光纤，是一种通信用新型光纤。全塑光纤具有损耗大、纤芯大（直径100～600μm）、数值孔径（NA）大（一般为0.3～0.5，可与光斑较大的光源配合使用）及制造成本较低等特点。全塑光纤适用于较短距离的通信应用，如室内计算机联网和船舶内的通信使用等。

（2）按光纤剖面折射率分布分类

阶跃型光纤，指纤芯和包层的折射率是均匀的，呈阶跃形状。如图2-2（a）和图2-2（b）所示。由于这种光纤的脉冲发生展宽，目前，多模光纤已经不再使用这种折射率分布形式。但由于单模光纤中只有一种传输模式，不存在这种由于入射角度不同而带来的脉冲展宽，因此仍然使用这种折射率分布形式。

渐变型光纤，纤芯的折射率分布如图2-2（c）所示，由于渐变型光纤具有类似透镜的“自聚集”作用，对光脉冲的展宽比阶跃型光纤小得多，因此光信号传输距离较长。目前使用的多模光纤均采用此类折射率分布形式。

（3）按传输模式分类

多模光纤是指在一定的工作波长上，有多个模式同时在光纤中传输。按多模光纤截面折射率的分布可分为阶跃型多模光纤和渐变型多模光纤。

单模光纤是指只能传输一种模式的光纤。单模光纤只能传输基模（最低阶模），不存在模间时延差，其带宽一般比渐变型多模光纤高一两个数量级，这对于高码速传输是非常重要的。因此，单模光纤广泛应用于大容量、长距离的通信。

（4）按二次涂覆层结构分类

如图2-3所示，紧套结构光纤，指光纤的二次涂敷（塑料套管）与一次涂敷是紧密接触的，光纤在套管中不能松动。松套结构光纤，指光纤的二次涂敷与一次涂敷是留有空间的（一般用充油膏），光纤在套管中可以松动。

3.光纤的型号

（1）光纤类型

①目前常见的ITU-T规定的光纤代号有：G.651光纤（多模光纤）、G.652光纤（常规单模光纤）、G.653 光纤（色散位移光纤）、G.654 光纤（低损耗光纤）、G.655光纤（非零色散位移光纤）。

②依据我国国家标准，光纤类别的代号应符合如下规定：光纤类别应采用光纤产品的分类代号表示，即用大写A表示多模光纤，大写B表示单模光纤，再以数字和小写字母表示不同种类光纤，如表2-1、表2-2所示。

（2）常用光纤介绍

下面介绍下最常用的G.652光纤（非色散位移光纤）和G.657光纤。

①G.652光纤。

G.652光纤是通信网中应用最广泛的一种单模光纤。G.652A光纤，支持10Gbit/s系统传输距离超过400km，支持40Gbit/s系统传输距离达2km；G.652B光纤，支持10Gbit/s系统传输距离达3000km以上，支持40Gbit/s系统传输距离达80km以上；G.652C光纤，基本属性与G.652A相同，但在1550nm波段处衰减系数更低，且消除了1380nm波段附近的水吸收峰，即系统可以工作在1360～1530nm波段；G.652D光纤，属性与G.652B基本相同，衰减系数与G.652C相同，即系统可以工作在1360～1530nm波段。

②G.657光纤。

G.657光纤（接入网用抗弯损失单模光纤）被优选应用于FTTH室内光缆。G.657A光纤是“弯曲提高”光纤，最小弯曲半径10mm，已在国内的FTTH工程中得到比较好的推广应用。G.657B光纤是“弯曲冗余”光纤，最小弯曲半径可降低到7.5mm，G.657B的技术要求和制造工艺要求更高，也已开始得到应用。

符合G.657标准的光纤可以用与敷设铜缆类似的方式在室内进行安装，降低了对施工人员的技术要求，同时有助于提高光纤的抗老化性能。

4.光缆的分类

光缆就是由若干光纤纤芯组成的缆线，光缆主要包括缆芯、护层及加强元件两部分。

缆芯是光缆的主体，结构是否合理对光纤安全运行关系很大，一般应满足：裸纤在缆内应处于最佳位置、状态，保证光纤传输性能稳定，有良好机械保护，不应承受外力影响；缆中的金属线对（如果有）应妥善安排，并保证电气性能；缆芯中的加强元件应能承受允许的拉力；缆芯截面应尽可能小，以降低成本。

护层是由护套和护层构成的多层组合体，护层的作用是进一步保护光纤，使光纤能适应各种敷设使用场合，如架空、直埋、管道、河流、室内等。目前光缆护层常用材料有聚乙烯（PE）、铝箔聚乙烯粘接护层（PAP）、双面涂塑皱纹钢带（PSP）等。架空、管道光缆常使用PAP护层，直埋光缆常使用PSP护层。加强元件的设置是为了增强光纤的拉伸、压缩、侧压等承受能力，目前国内多采用层绞式和骨架式两种。

（1）光缆类别

光缆按照网络层次、缆芯结构、辐射方式、使用环境等维度可以划分为不同种类，如表2-3进行了汇总说明。

（2）常用光缆分类

按缆芯结构的特点不同，光缆可分为中心管式光缆、层绞式光缆和骨架式光缆。

①中心管式光缆是将光纤/光纤束/光纤带无绞合直接放到光缆中心位置制成光缆。

②层绞式光缆是将几根至几十根或更多根光纤或光纤带子单元围绕中心加强件，螺旋绞合（S绞或SZ绞）成一层或几层的光缆。

③骨架式光缆是将光纤或光纤带经螺旋绞合置于塑料骨架槽中构成的光缆。

按照敷设方式，光缆可划分为架空光缆、管道光缆、直埋光缆、隧道光缆和水底光缆，如图2-4所示。

①架空光缆是指光缆线路经过地形陡峭、跨越江河等特殊地形条件和城市市区无法直埋及赔偿昂贵的地段时，借助吊挂钢索或自身具有的抗拉元件悬挂在已有的电线杆、塔上的光缆。

②管道光缆是指在城市光缆环路，人口稠密场所和横穿马路时，穿入用作保护的聚乙烯管内的光缆。

③直埋光缆是指光缆线路经过田野、戈壁时，直接埋入规定深度和宽度的缆沟的光缆。

④隧道光缆是指经过公路、铁路等交通隧道的光缆。

⑤水底光缆是指穿越江河湖海水底的光缆。

按使用环境与场合主要划分为室外光缆和室内光缆两大类，由于室外环境（气候、温度、破坏）较为复杂，故两类光缆在结构、材料、性能等方面有很大差异。

室外光缆由于使用条件恶劣，光缆必须具有足够的机械强度、防渗水能力和良好的温度特性，其结构复杂。而室内光缆则主要考虑结构紧凑，轻便柔软以及具有阻燃性能。

按网络层次主要划分为长途光缆（长途端局之间的线路包括省际一级干线、省内二级干线）、市内光缆（长途端局与市话局以及市话局之间的中继线路）和接入网光缆（市话端局到用户之间的线路）。

根据不同环境与应用要求还研制出了多种特殊用途光缆，包括电力光缆、阻燃光缆、防蚁光缆以及各类轻便型光缆等，如表2-4所示。

（3）光缆型号的编制方法

光缆型号由光缆型式的代号和规格的代号构成，用一短横划分开。例如GYTA23-20D，其中GY为通信室外用光缆；T为填充式；A为铝-聚乙烯粘接护层；23为钢带铠装聚乙烯套；20D为20芯，光缆型式的代号通常包括5个部分，如图2-5所示。

①分类代号：GY，通信用室（野）外光缆；GR，通信用软光缆；GJ，通信用室（局）内光缆。

②加强构件代号：无符号，金属加强构件；F，非金属加强构件；G，金属重型加强构件；H，非金属重型加强构件。

③派生特征代号：B，扁平形状；Z，自承式结构；T，填充式结构。

④护套代号：Y，聚乙烯护套；V，聚氯脂护套；U，聚氨脂护套；A，铝-聚乙烯粘接护套；L，铝护套；G，钢护套；Q，铅护套。

⑤外护层的代号：02，聚氯乙烯套；03，聚乙烯套；20，裸钢带铠装；22，钢带铠装聚氯乙烯套；23，钢带铠装聚乙烯套。

（4）光缆端别的识别

与电缆一样，光缆也分A端与B端，光缆一般按端别次序敷设，因此应掌握光缆端别的识别方法。各厂家生产的光缆中，光纤的线序与组序采用全色谱来识别，也可以采用领示色谱来识别，具体色谱排列及加标志颜色的部位，一般由生产厂家在有关光缆产品说明中规定。用于识别的色标，可以是全染色的，也可以是印成色带、色环的单色或复色标。用于识别的色标应鲜明，在安装或运行中遇到高低温度时不褪色，不迁色到相邻的其他元件上。

光缆A端、B端的区分方式如图2-6所示，面对光缆界面，由领示光纤（或导电线或填充线）以红头绿尾（或蓝头黄尾）的顺序，顺时针为A端，逆时针为B端。

松套管序的排列方式如图2-7所示。参考红、绿领示电导线或填充绳，红色为1#管，顺时针排列数为2#、3#……红、绿两管可以只作标识或填充绳，不参与编号；如果红、绿管内有光纤，则参与编号。

2.1.2 光纤传输特性

光信号在光纤中经过一定距离的传输后要产生衰减和畸变，因而输出信号和输入信号不同，不仅幅度要减小，而且波形要展宽。产生信号衰减和畸变的主要原因是光在光纤中传输时存在损耗和色散等性能劣化。损耗和色散是光纤最主要的传输指标，限制了系统的传输距离和传输容量。以下简要介绍光纤损耗和色散的机理和特性。

1.光纤损耗

光纤的损耗将导致传输信号的衰减。在光纤通信系统中，当入纤的光功率和接收灵敏度给定时，光纤的损耗将是限制无中继传输距离的重要因素。

当工作波长为λ时，L公里长光纤的衰减A（λ），以及光纤每公里衰减α （λ）用下式表示：

式中：Pi、Po分别为光纤的输入、输出的光功率，单位W。L为光纤长度，单位km。α （λ）称为损耗系数（衰减系数），单位dB/km。

造成光纤中能量损失的原因是吸收损耗、散射损耗和辐射损耗：其中吸收损耗与光纤材料有关，散射损耗与光纤材料及光纤中的结构缺陷有关，辐射损耗则是由光纤几何形状的微观和宏观扰动引起的。

（1）吸收损耗

本征吸收是由材料中的固有吸收引起的。材料中存在着紫外光区域光谱的吸收和红外光区域光谱的吸收，吸收损耗与光波长有关，紫外吸收带是由于原子跃迁引起的，红外吸收带是由分子振动引起的。

SiO2的光纤材料中含有一定的掺杂剂（如锗Ge，硼B，磷P等）和跃迁金属杂质（如铁Fe，铜Cu，铬Cr等）。这些成分的存在把紫外吸收尾部转移到更长的波长上去。所含的杂质离子，在相应的波长段内被强烈的吸收。杂质含量越多，损耗越严重。除了跃迁金属杂质吸收外，氢氧根离子（OH-）的存在也产生了大的吸收损耗。

（2）散射损耗

散射损耗是由于材料不均匀，使光散射而引起的损耗。其中瑞利散射损耗是由于光纤内部的密度不均匀引起的，损耗的大小与1/λ4成正比。波导散射损耗是光纤在制造过程中发生的某些缺陷所导致的。

（3）辐射损耗

光纤受到某种外力作用时，会产生一定曲率半径的弯曲。弯曲后的光纤可以传光，但会使光的传播途径改变。一些传输模变为辐射模，引起能量的泄漏，这种由能量泄漏导致的损耗称为辐射损耗。图2-8所示为显微镜下光缆弯曲引起的光损耗。

2.光纤色散

光纤的色散是由于所传输光信号的不同频率成分和不同模式成分的群速不同，而引起信号畸变的一种物理现象。色散将传输脉冲展宽，产生码间干扰，增加误码率。传输距离越长，脉冲展宽越严重，所以色散限制了光纤的通信容量，也限制了无中继传输距离。光纤中的色散可分为材料色散、模式间色散、波导色散和偏振模色散等。

（1）材料色散

由于材料本身折射率随频率而变，于是信号各频率的群速度不同，引起色散。

（2）模式间色散

在多模传输下，光纤中各模式在同一光源频率下传输系数不同，因而群速度不同而引起色散。

（3）波导色散

对于光纤中某一模式本身，在不同频率下，传输系数不同，群速不同，引起色散。

（4）偏振模色散

输入光脉冲激励的两个正交的偏振模式之间的群速度不同而引起的色散。

材料色散和波导色散是发生在同一模式内，所以称为模内色散；而模式间色散和偏振模色散，可称为模间色散。

对于多模传输，模间色散占主导，材料色散相对较小，波导色散一般可以忽略。

对于单模传输，材料色散占主导，波导色散较小。由于光源不是单色的，总有一定的谱宽，这就增加了材料色散和波导色散的严重性。

3.常用光纤的传输特性

ITU-T规定的单模光纤包括：G.652（常规单模光纤/标准单模光纤）、G.653（色散位移光纤）、G.654（低损耗光纤）、G.655（非零色散位移光纤）、G.6 56（色散平坦光纤）和DCF（色散补偿光纤）。

（1）G.652光纤的性能指标与要求

G.652 光纤又称为常规单模光纤或标准单模光纤，被广泛应用于数据通信和图像传输。如表2-5所示，G.652光纤在1310nm窗口处零色散，在1550nm窗口处有较大的色散，达+18ps/（nm·km）。

（2）G.653光纤的性能指标与要求

G.653光纤又称为色散位移光纤，将在1310nm附近的零色散点，移至1550nm波长处，使其在1550nm波长处的衰减系数和色散系数均很小，如表2-6所示。主要用于单信道长距离海底或陆地通信干线，其缺点是不适合波分复用系统。

（3）G.654光纤的性能指标与要求

G.654光纤又称为1550nm损耗最小光纤，它在1550nm处衰减系数为0.2dB/km，光纤的弯曲性能好，如表2-7所示。主要用于无需插入有源器件的长距离无再生海底光缆系统。其缺点是制造困难，价格贵。

（4）G.655光纤的性能指标与要求

G.655光纤称为非零色散位移光纤，在1550nm波长处有较低的色散（但不是最小），如表2-8所示，能有效抑制“四波混频”等非线性现象。适用于速率高于10Gbit/s的使用光纤放大器的波分复用系统。

（5）G.656光纤的性能指标与要求

为充分开发和利用光纤的有效带宽，需要光纤在整个光纤通信的波长段（1310～1550nm）能有一个较低的色散，如表2-9所示，G.656色散平坦光纤就是能在1310～1550nm波长范围内呈现低色散［≤1ps/（nm·km）］的一种光纤。

（6）DCF（色散补偿光纤）性能指标与要求

DCF是一种具有很大负色散系数的光纤，如表2-10所示，用来补偿常规光纤工作于1310nm或1550nm处所产生的较大的正色散。

4.常用光纤连接器

光纤活动连接器的品种、型号很多。据不完全统计，国际上常用的有30多种。其中最具代表性的有：FC、ST、SC、D4、双锥、F-SMA、MT-RJ连接器等，如图2-9 所示。这些连接器都是不同国家、不同公司研制的产品，在一定的时期内，还会在一些国家和地区使用。随着光纤通信的进一步发展，必然还会产生新的光纤连接器。

在日常维护中最常用的是FC系列的连接器，它是干线系统中采用的主要型号。SC型连接器是光纤局域网、CATV和用户网的主要型号。此外，ST型连接器也有一定数量的应用。

使用光纤连接器时应注意以下事项。

①光纤连接器插针针体要保持清洁，不使用时一定要戴好护帽。

②光纤连接器的纤缆部分禁止直角和锐角弯折，严禁受重物挤压，纤体有折痕、压痕、破损的连接器不能使用，纤体的盘绕半径要大于30 mm。

③一端已与光设备连接的光纤连接器端面不要用眼直视，否则会对视力造成伤害。

④在光纤连接时一定要注意光纤连接头的匹配。

⑤光纤连接器在与法兰盘对接时，定位销一定要对准法兰盘凹槽。