1、第二章 光纤与光缆,2.1 光纤简介2.2 导光原理2.3 光纤的特性 2.4 光缆2.5 新型光缆简介,2.1 光纤简介,1. 光纤结构 目前通信用的光纤是石英玻璃（SiO2）制成的横载面很小的双层同心园柱体，未经涂敷和套塑的光纤称为裸光纤，由纤芯和包层所组成。为了保护光纤表面，提高抗拉强度及实用，一般需在裸光纤表面进行涂敷构成光纤。光纤结构如图2-1所示。 其中，纤芯是光纤中传递光信号的通道，制作材料一般是石英玻璃（还掺杂有极少量的掺杂剂），其径长约512m（单模光纤）或50150m（多模光纤），另外也有使用塑料制作纤芯的光纤，其径长约1000m（价格比石英纤芯的光纤便宜），纤芯的折射率表
2、示为n1；包层是纤芯外围的部分，是在石英中掺入一定量的掺杂剂制成的，其折射率表示为n2（n2n1）,由于n2n1，所以光在纤芯与包层界面上产生全反射，使光能够在纤芯中进行传播；涂敷层是为了保护光纤不受水汽侵蚀和机械擦伤，同时又增加光纤的机械强度与可弯曲性，延长光纤的使用寿命，而涂敷在裸光纤表面的一层薄薄的物质，其材料一般为硅酮树脂或聚氨基甲酸乙脂。涂敷后的光纤其外径约1.5mm。,下一页,返回,返回,图2-1 光纤基本结构,图2-1 光纤基本结构,2.1 光纤简介,2.光纤分类 （1）按材料划分 按光纤制作材料的不同，光纤可分为：以二氧化硅为主要成份的石英光纤；以多种组份玻璃组成的玻璃光纤；在
3、某种细管内充以一种传光的液体材料组成的液芯光纤；以塑料为材料的塑料光纤；以石英为纤芯和包层，外涂炭素材料的高强度光纤等。 （2）按折射率分布划分 按光纤横截面上折射率分布划分，则光纤可被划分为阶跃型光纤、渐变型光纤等，如图2-2所示，图中d为纤芯直径。,上一页,下一页,返回,2.1 光纤简介,从图2-2可以发现，阶跃型的折射率分布，就是在纤芯或包层区域内，其折射率是均匀分布，其值分别为n1和n2,且n1n2，而在纤芯与包层的分界面处，折射率是阶跃变化的；渐变型的折射率分布，就是在光纤轴心处的折射率最大（达到n1）,而沿截面径向，折射率逐渐变小，至纤芯与包层的分界面，折射率降为n2,包层区域内，
4、折射率为n2,且均匀分布。 相对折射率差。设为相对折射率差，则见公式2-1： 光在阶跃型光纤和渐变型光纤中传播的轨迹如图2-3(a)所示,如图2-3(b)所示。,上一页,下一页,返回,返回,(a) 阶跃型光纤,(b) 渐变型光纤,图2-2 典型光纤折射率分布,图2-2 典型光纤折射率分布,返回,=,相对折射率差。设为相对折射率差，则：,公式2-1,2.1 光纤简介,返回,（a）阶跃型,图2-3 光纤中的光传播,图2-3 光纤中的光传播,返回,（b）渐变型,图2-3 光纤中的光传播,图2-3 光纤中的光传播,2.1 光纤简介,（3）按传输波长划分 按传输波长划分，则光纤可分为短波长光纤和长波长光
5、纤。短波长光纤的波长为0.85m（0.8m0.9m），长波长光纤的波长为1.3m1.6m，主要有1.31m和1.55m两种。 长波长光纤具有衰耗低、带宽大等优点，适用于远距离、大容量的光纤通信。 （4）按套塑结构分类 按套塑结构划分，光纤可分为紧套光纤和松套光纤。 紧套光纤是指在二次、三次涂敷层与包层、纤芯紧密结合的光纤，如图2-4所示；松套光纤是指经过预涂敷后的光纤松散地放置在塑料套管内，不再进行二次涂敷，因为其制作工艺简单、光纤衰减温度特性与机械特性良好，所以受到越来越多的重视，如图2-5所示。,上一页,下一页,返回,返回,图2-4 紧套光纤,图2-4 紧套光纤,返回,图2-5 松套光纤,
6、图2-5 松套光纤,2.1 光纤简介,（5）按传输模的数量划分 按传输模的数量划分，光纤可划分为多模光纤和单模光纤。 当光在光纤中传播时，如果光纤纤芯的几何尺寸（芯径d1）远大于光波波长时，光在光纤中会以几十种乃至几百种传播模式进行传播，如图2-6所示,这些不同的光束称为模式，此时光纤被称为多模光纤。 单模光纤是指：当光纤的几何尺寸（芯径d1）较小，与光波长在同一数量级，如芯径d1 在4m10m范围，此时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，如图2-7所示。 要做到单模传输，光纤的纤芯几何尺寸，需要满足公式2-2的要求.,上一页,下一页,返回,返回
7、,图2-6 多模传播,图2-6 多模传播,返回,图2-7 单模传播,图2-7 单模传播,返回,要做到单模传输，光纤的纤芯几何尺寸，需要满足公式2-2的要求:,公式2-2,2.1 光纤简介,返回,上一页,下一页,【例2-1:】对于NA=0.12的光纤，要在 时，实现单模传输，则光纤纤芯直径为=8.4m单模光纤避免了模式色散，适用于远距离的光纤通信，但其纤芯要求很纤细，因此对制作工艺提出了苛刻的要求。 单模光纤和多模光纤的比较见表2-1所示。,2.1 光纤简介,返回,表2-1 光纤单模光纤和多模光纤的比较,表2-1 光纤单模光纤和多模光纤的比较,2.1 光纤简介,3.光纤制造过程简介 光纤是用高纯
8、度的玻璃材料制成的。下面简单介绍一下石英光纤的制作工艺。 (1) 光纤制造过程 制作光纤预制棒。制作光纤的第一步就是利用熔融的、透明状态的二氧化硅（SiO2，石英玻璃），熔制出一条玻璃棒光纤预制棒。石英玻璃的折射率为1.458,则熔制纤芯和包层时，为了满足n1n2的条件，在制备纤芯时，需要均匀地掺入极少量的，能提高石英折射率的材料，使其折射率为n1,在制备包层时，则相反。 拉丝 将光纤预制棒放入高温拉丝炉中，加温，使其软化，然后以相似比例的尺寸，拉制成又长又细的玻璃丝。最后得到的玻璃丝就是光纤。,上一页,下一页,返回,2.1 光纤简介,(2)制造方法 制备光纤预制棒的方法很多，主要有管内化学汽
9、相沉积法、管外化学汽相沉积法、轴向汽相沉积法、微波腔体的等离子体法、多元素组分玻璃法等。下面简要介绍管内化学汽相沉积法。该方法是制作高质量石英光纤中比较稳定可靠的方法，称为MCVD 法。 MCVD 法是在石英反应管（也称衬底管、外包皮管）内沉积内包皮层和芯层的玻璃，整个系统是处于封闭的超提纯状态下，所以用这种方法制得的预制棒可以生产出高质量的单模和多模光纤。MCVD 法制备光纤预制棒的示意图如图2-8所示。,上一页,返回,返回,图2-8 MCVD法,图2-8 MCVD法,2.2 导光原理,1. 光传输理论 （1）波动理论与光射线理论光具有波粒二象性，既可以被看作是光波，又可以被作是由光子组成的
10、粒子流，所以有两种分析光纤传输特性的理论，即波动理论和光射线理论。对于多模光纤，波动理论的求解十分繁琐，而且由于传输模数量很大，讨论个别模的意义不大。用光射线理论进行分析却简洁、方便，而且多模光纤的纤芯直径较大，使用光射线理论的分析结果，与波动理论的结果十分接近。因此分析多模光纤的导光原理大多采用光射线理论。对于单模光纤，因为其芯径很小，所以不适合使用光射线理论进行分析，而使用波动理论进行分析更准确。,下一页,返回,2.2 导光原理,（2）光频率和介质对光传输的影响 光是一种电磁波。电磁波波谱如图2-9所示，其中光波范围包括红外线、可见光、紫外线，其波长范围为：300m6103m，可见光由红、
11、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七种颜色的连续光波组成，其中红光的波长最长，紫光的波长最短。光的频率是由光源决定的，如频率为231THz的光，在真空中传播的波长为1.3m、速度为c= ，而在光纤中传播时，其频率不变，但速度和波长会改变，分别约为 、1m,可见光的速度和波长受传输介质和频率的影响。,上一页,下一页,返回,返回,图2-9 电磁波波谱,图2-9 电磁波波谱,返回,上一页,下一页,2.2 导光原理,1）斯涅耳定律的应用 光在真空中的传播速度定义为c，光在介质中的传播速度定义为v,则折射率(2-3) 水的折射率为1.333,空气的折射率为1.000,在近红外区，石英玻璃的折射率是1.520。 光在
12、真空中、介质中的波长分别为 和 ，则有（2-4）,2. 反射与折射,(2-5),(2-6),2.2 导光原理,按照光射线理论，当一条光线照射到两种介质的分界面时，入射光线分成两束，即反射光线与折射光线，如图2-10所示 由斯涅耳定律，反射角与入射角相等，见公式2-7 很显然，入射光被分为两条光线，即入射光与折射光，且n2与n1的关系直接影响入射角1与折射角2的关系。这种影响达到一定程度的时候，折射角2将等于或大于90，光线的传播出现全反射的现象。,上一页,下一页,返回,返回,图2-10 光的反射与折射,图2-10 光的反射与折射,返回,2.2 导光原理,由斯涅耳定律，反射角与入射角相等，均为,
13、，且,（2-7）,返回,上一页,下一页,2.2 导光原理,（2）全反射 由式（2-7），有,（2-8）,全反射的条件是（2-9）,这个现象就是光的全反射，如图2-11所示:,返回,图2-11 全反射,图2-11 全反射,2.2 导光原理,3. 光在阶跃型光纤中的传播 对于阶跃型光纤，由于纤芯及包层的折射率有n1n2的关系，因此完全可以满足全反射的要求，只要入射角。在阶跃型光纤内，其光线的传播轨迹将是“之”字形的，如图2-3(a)所示，为进行定量研究，重绘该图，如图2-12所示。 数值孔径NA的定义：数值孔径NA是多模光纤的一个重要特性参数，它表征多模光纤集光能力大小及与光源耦合难易的程度，同时
14、对连接损耗、微弯损耗、衰减温度特性和传输带宽等都有影响。数值孔径用来表示光纤捕捉光射线的能力，该参数表明，进入光纤的光线的入射角（临界角）决定了光纤收集光线的能力，即能够实现全反射，使光线以可以允许的衰耗在光纤中传播。,上一页,下一页,返回,返回,图2-12 阶跃型光纤中的传播,图2-12 阶跃型光纤中的传播,返回,上一页,下一页,阶跃型光纤中的传播,数值孔径NA推导如下： 应用斯涅耳定律，不难得到（2-10） 因为空气的折射率为 ，所以（2-11）,为了满足全反射，应用式（2-9），有,(2-12),利用式（2-1），可得（2-13）,2.2 导光原理,4. 光在渐变型光纤中的传播 对于渐变
15、型光纤，使用光射线理论进行定量分析是不合适的，而使用波动理论，利用麦克斯韦方程求解，显得复杂、艰涩，因此这里只给出相应的定性分析。 由图2-2(b)可知，在光纤轴心处，折射率最大，沿截面径向向外，折射率依次变小。可以设想光纤是由许许多多的同心层构成的，其折射率n11、n12、n13依次减小（如图2-13所示）。这样光在每个相邻层的分界面处，均会产生折射现象，其折射角也会大于入射角（因为n11n12n13.），其结果是光线在不断的折射过程中，在纤芯与包层的分界面，产生全反射，全反射光沿该分界面传播，而反射光则向轴心方向逐层折射，不断重复以上过程，就会得到光在渐变型光纤中的传播轨迹，如图2-14所
16、示。,上一页,返回,返回,图2-13 渐变型光纤中光的传播,图2-13 渐变型光纤中光的传播,返回,图2-14 渐变型光纤光传播轨迹,图2-14 渐变型光纤光传播轨迹,2.3 光纤的特性,光纤的特性较多，有传输特性（包括损耗特性、色散特性等）、光学特性（包括折射率分布、截止波长等）、机械特性（包括抗拉强度、断裂分析等）、温度特性、几何特性（包括芯径、外径、偏心度等）。其中，光纤的传输特性和光学特性对光纤通信系统的工作波长、传输速率、传输容量、传输距离和信息质量等都有着至关重要的影响。这里结合工程实际，重点介绍几个主要特性。 1. 光纤的损耗特性 光波在光纤中传输过程中，随着传输距离的增加，其强
17、度（或光功率）逐渐下降，这就是光纤损耗（如图2-15所示），可见光纤对光波的传输有衰减作用。光纤损耗直接关系到光纤通信系统中继距离的长短，是光纤最重要的传输特性之一，因此备受重视。目前，1.31m光纤的损耗值在05dB/km以下，而1.55m光纤的损耗为0.2dB/km以下，基本接近了光纤损耗的理论极限。,下一页,返回,返回,图2-15 光纤损耗,图2-15 光纤损耗,2.3 光纤的特性,引起光纤损耗的原因很多，如光纤结构的不完善、工艺及材料的不尽合理等等。 (1) 光纤损耗类型 光纤的 损耗类型，有光纤本征损耗、光纤附加损耗。 产生本征损耗的主要原因是散射和吸收。散射是光纤在生产过程中经过高
18、温软化后，冷却固化时由于热扰动引起的材料密度不均匀而产生的瑞利散射；吸收是光纤材料中的杂质粒子因其固有频率而对某些波长的光产生强烈的吸收。 吸收损耗。 散射损耗。 附加损耗。从图2-16中，可以更形象地分析吸收损耗和散射损耗对光纤传输的影响。损耗对石英光纤的影响，见图2-17。,上一页,下一页,返回,返回,图2-16 吸收损耗和散射损耗的影响,图2-16 吸收损耗和散射损耗的影响,返回,图2-17 损耗对石英光纤的影响,图2-17 损耗对石英光纤的影响,返回,上一页,下一页,2.3 光纤的特性,【例2-2】若某光纤的损耗系数为 3dB/km,则 输入与输出光功率之比为即光功率在传输1km后，几
19、乎损耗了一半,（3）损耗系数的测量方法简介 常用的光纤衰减测量方法有：截断法、后向散射法和插入损耗法。 截断法。 后向散射法。 插入损耗法。,2.3 光纤的特性,2. 光纤的色散特性 由于光纤中所传信号的具有不同的频率成分或不同的模式成分，在传输过程中，因群速度不同互相散开，引起脉冲展宽的物理现象称为色散。 光纤色散分为模式色散、材料色散、波导色散。模式色散是由于信号不是单一模式所引起的，而材料色散和波导色散是由于信号不是单一频率所引起的。 （1）色散类型 模式色散。 模式色散是因为在光纤中，存在多种不同的传播模式，而不同的传播模式，具有不同的传播速度和相位，则不同模式的光线到达接收端的时间不
20、同，其叠加的结果产生了光脉冲的展宽现象，图2-18为其示意图。,上一页,下一页,返回,返回,图2-18 阶跃型光纤模式色散,图2-18 阶跃型光纤模式色散,返回,上一页,下一页,2.3 光纤的特性,设 表示脉冲展宽，则对于阶跃型光纤，其模式色散引起的脉冲展宽为（2-15）对于渐变型光纤，其模式色散引起的脉冲展宽为(2-16)式中 是光纤的相对折射率差，n1是光纤轴心处的折射率，c是真空中光速。,返回,上一页,下一页,阶跃型光纤模式色散,【例2-3】若某阶跃型光纤的n1=1.5, ，则脉冲展宽【例2-4】若某渐变型光纤的n1=1.5, ，则脉冲展宽,从上面的例子可以发现，阶跃型光纤的模式色散要比
21、渐变型光纤的模式色散严重。,返回,上一页,下一页,2.3 光纤的特性, 材料色散。材料色散是用来制造光纤的材料（如二氧化硅）的一种特性，表现为折射率随传输的光波长不同而不同。折射率不同，传输速度，从而导致脉冲展宽，其示意图如图2-19所示。,材料色散造成的脉冲展宽 ，可以表示为,式（2-17）中， 为光源的谱线宽度 、L为光纤长度、为材料的色散系数（s/kmnm） 对于石英材料的光纤，在 处，其色散系数为85ps/kmnm； 处，色散系数为0.15 ps/kmnm。,(2-17),返回,图2-19 材料色散造成的脉冲展宽,图2-19 材料色散造成的脉冲展宽,2.3 光纤的特性, 波导色散 波导
22、色散是光纤波导结构引起的色散，即光纤中某一种导波模式在不同的频率下，相位常数不同，群速度不同而引起的色散，用表示。 波导色散是光纤波导结构参数的函数，如图2-20所示。从图中可看出，在一定的波长范围内，波导色散与材料色散相反，它表现为负值，其幅度由纤芯半径、相对折射率差及剖面形状决定。通常通过采用复杂的折射率分布形状和改变剖面结构参数的方法获得适量的负波导色散来抵消石英玻璃的正色散，这种理论成为研制色散位移光纤、非零色散位移光纤的理论基础。,上一页,下一页,返回,返回,图2-20 波导色散与波长的关系,图2-20 波导色散与波长的关系,返回,上一页,下一页,2.3 光纤的特性,（2）带宽系数
23、光纤的色散对其带宽有明显的影响。这种影响使用带宽系数Bc来衡量，即单位长度的光纤，当信号输出功率降低到其最大值的一半时，光功率信号调制频率的宽度。,在多模光纤中，材料色散和波导色散的影响比模式色散的要小很多，因此对于多模光纤只考虑模式色散，其带宽系数Bc,（MHzkm）,（3）色散系数 色散系数D()定义为：单位长度、单位波长间隔内的平均群时延，即（2-20） 式中，为波长，()为单位长度的群时延。,返回,上一页,下一页,2.3 光纤的特性,（4）色散系数的测试方法简介 色散系数的测试方法主要群时延相移法和脉冲时延法等。 群时延相移法。在利用群时延相移法测量色散系数时，可选择两个不同 波长(1
24、、2)的调制光信号， 经传输后测出相移 和 ，其相对相位差 为,（2-21）,则相对群时延为,(2-22),所以在1处,光纤的色散系数D()为,(2-23),式中，,为光纤长度，,2.3 光纤的特性, 脉冲时延法。脉冲时延法是单模光纤色散测量的替代测量法。使不同波长的窄光脉冲分别通过已知长度的受试光纤时，测量不同波长下产生的相对群时延，再由群时延差计算出被测光纤的色散系数。 3. 模场直径 （1） 模场与模场直径 模场是光纤中基模的电场在空间的强度分布。在单模光纤中，只有基模传输，然而这种传输并不完全集中在纤芯中，而有相当部分的能量在包层中传输，所以不用纤芯的几何尺寸作为单模光纤的特性参数，而
25、是用模场直径作为描述单模光纤中光能集中程度的度量。 对于模场直径，可以理解为单模光纤的接收端面上基模光斑的直径，实际上基模光斑没有明显的边界，它的特征表现是纤芯区域光强最强，而沿截面径向呈逐渐减弱的形式。,上一页,下一页,返回,返回,上一页,下一页,2.3 光纤的特性,单模光纤的模场直径 可近似表示为（2-24） 式中 为光波波长（m）、 为最大数值孔径,【例2-5】某单模光纤纤芯折射率为1.45,相对折射率差为0.0036,当工作波长为1.31m时，则其模场直径 为,2.3 光纤的特性,4. 截止波长 截止波长是单模光纤特有的重要参数，它表示使光纤实现单模传输的最小工作波长，用表示。 使用截
26、止波长可以用来判断光纤是否是单模光纤，即比较其工作波长和截止波长的大小，当时，该光纤只能传输基模，是单模光纤；当时，光纤不仅能够传输基模，还能传输其他高阶模式，这就不是单模光纤。可见，截止波长是保证单模光纤实现基模传输的必要条件。,上一页,下一页,返回,2.3 光纤的特性,5. 温度特性 光纤的温度特性是指由于光纤制作材料的不同，在高、低温情况下，对附加损耗的影响。光纤在制作的时候，光纤拉丝后，涂敷了一次涂敷层，其材料有硅酮树脂、丙烯酸环氧树脂等，成缆前，还要进行二次涂敷（紧套塑），多使用尼龙、聚丙烯等材料。涂敷材料的线膨胀系数约为10-310-4/，而纤芯材料（石英玻璃）的线膨胀系数约为10
27、-7/,很显然线膨胀系数差别很大。当温度发生变化时，尤其是低温情况下，塑料收缩严重，产生的纵向压缩，引起弯曲和微弯损耗（附加损耗）；高温时，塑料产生的拉应力，又会引起应力损耗，只是比较小。实验表明，在-60低温状态下，包层的折射率与纤芯基本相同，使光纤失去了导光作用。 低温情况下，光纤附加损耗比较明显；高温情况下，附加损耗不明显，如图2-21所示。,上一页,返回,返回,图2-21 温度对光纤损耗的影响,图2-21 温度对光纤损耗的影响,2.4 光缆,经过一次涂敷或二次涂敷（套塑）以后的光纤，虽然具有一定抗拉强度，但还是经不起工程应用中的弯折、扭曲、和侧压力的作用。为此欲使光纤达到工程应用的要求
28、，必须通过绞合、套塑、金属恺装等措施，把若干根光纤组合在一起，这就构成了光缆。光缆能够承受实用条件下的抗拉、抗冲击、抗弯、抗扭曲等机械性能，能够保证光纤原有的传输特性，并且使光纤在各种环境条件下可靠工作 1. 光缆的结构 光缆的典型结构一般可分为缆芯、护层和加强芯三大部分。 （1）缆芯 缆芯由光纤的芯数决定，可分为单芯型和多芯型两种。 （2）护层 护层可分为内护层和外护层 . （3）加强芯 加强芯主要承受敷设安装时所加的外力，用来保护光纤。,下一页,返回,2.4 光缆,2. 光缆分类 光缆的分类方法很多，下面作简要介绍。 （1）按传输性能、距离和用途划分 （2）按光纤的种类划分 （3）按光纤套
29、塑方法划分 （4）按缆芯结构划分 （5）按光纤芯数划分 （6）按加强件配置方法划分 （7）按线路敷设方式划分 （8）按使用环境与场合划分 （9）按护层材料性质划分 （10）按网络层次划分 （11）按传输导体、介质状况划分,上一页,下一页,返回,2.4 光缆,3. 典型光缆介绍 （1）层绞式光缆 层绞式光缆属于室外光缆，其结构如图2-22（a)所示,如图2-22（b)所示。它是由多根二次被覆光纤松套管或部分填充绳绕中心金属加强件绞合成的缆芯、缆芯外先纵包复合铝带并挤上聚乙烯内护套、再纵包阻水带和双面覆膜皱纹钢（铝）带加上一层聚乙烯外护层三的部分构成。 层绞式光缆的特点：可容纳较多数量的光纤；光纤
30、余长比较容易控制；光缆的机械和环境性能好；可用于直埋、管道敷设，也可用于架空敷设。 层绞式光缆的不足之处是光缆结构较复杂、生产工艺较繁琐、材料消耗多等。,上一页,下一页,返回,返回,图2-22 层绞式光缆,(a) 6芯紧套层绞式光缆,图2-22 层绞式光缆,返回,图2-22 层绞式光缆,(b) 12芯松套层绞式直埋防蚁光缆,图2-22 层绞式光缆,2.4 光缆,（2）束管式结构光缆 把一次涂覆光纤或光纤束放入大套管中，加强芯配置在套管周围而构成，如图2-23(a)所示,如图2-23(b)所示。 束管式结构光缆的特点：由于束管式结构的光纤与加强芯分开，因而提高了网络传输的稳定可靠性；束管式结构由
31、于直接将一次光固化层光纤放置于束管中，所以光缆的光纤数量灵活；束管式结构光缆对光纤的保护效果最好；束管式结构光缆强度好、耐侧压，能防止恶劣环境和可能出现的野蛮作业的影响。,上一页,下一页,返回,返回,图2-23 束管式结构光缆,(a) 12芯,图2-23 束管式结构光缆,返回,图2-23 束管式结构光缆,(b) 648芯,图2-23 束管式结构光缆,2.4 光缆,（3）骨架式结构光缆 骨架式结构光缆是将紧套光纤或一次涂覆光纤放入加强芯周围的螺旋形塑料骨架凹槽内而构成的，如图2-24(a)所示,如图2-24(b)所示。 骨架式结构光缆的特点：骨架式结构光缆可以用一次涂层光纤直接放置于骨架槽内，省
32、去松套管二次被覆过程；骨架型式有中心增强螺旋形、正反螺旋形、分散增强基本单元型等；骨架式结构对光纤具有良好的保护性能、侧压强度好，对施工尤其是管道布放有利。 目前我国采用的骨架结构式光缆都为螺旋形结构。,上一页,下一页,返回,返回,图2-24 骨架式结构光缆,(a) 用于管道、架空,图2-24 骨架式结构光缆,返回,图2-24 骨架式结构光缆,(b) 用于直埋,图2-24 骨架式结构光缆,2.4 光缆,（4）带状结构光缆 带状结构光缆是将带状光纤单元放入大套管中，形成中心束管式结构或放入凹槽内或松套管内，形成骨架式或层绞式结构，如图2-25(a),如图2-25(b),所示。 带状结构光缆的特点
33、：可容纳大量的光纤（与束管式、层绞式等结构配合，其容纳光纤数量可达100芯以上）；带状光缆还可以以单元光纤为单位进行一次熔接，以适应大量光纤接续、安装的需要。,上一页,下一页,返回,返回,图2-25 带状结构光缆,(a) 中心束管式带状光缆,图2-25 带状结构光缆,返回,图2-25 带状结构光缆,(b) 层绞式带状光缆,图2-25 带状结构光缆,2.4 光缆,（5）单芯结构光缆 单芯结构光缆简称单芯软光缆。单芯光缆一般采用紧套光纤来制作，其外护层多采用具有阻燃性能的聚氯乙烯塑料，如图2-26所示。 目前，趋于采用松套光纤或将一次光固化涂层光纤直接置于骨架来制造光缆。 单芯结构光缆的特点：几何
34、、光学参数一致性好；使用中，主要用于局内（或站内）或用来制作仪表测试软线和特殊通信场所用特种光缆。,上一页,下一页,返回,返回,图2-26单芯结构光缆,图2-26单芯结构光缆,2.4 光缆,（6）特殊结构光缆 特殊结构光缆是指电力光缆、阻燃光缆和水底光缆等，由于其应用的特殊性，导致其结构也与其他光缆有明显不同，如图2-27所示。 特殊结构光缆的特点：水底光缆的结构和光纤（机械）性能非常高（缆芯外边均为抗张零件和钢管或铝管等耐压层）；电力电缆属于无金属光缆，其加强构件、护层均为全塑结构，适用于电站、电气化铁路及有强电磁干扰的场合，具有防强电磁干扰等特点。,上一页,下一页,返回,返回,图2-27全
35、介质自承式结构电力光缆,图2-27全介质自承式结构电力光缆,2.4 光缆,4. 光缆制造过程简介 光缆的制造过程分为以下几个步骤： （1）光纤的筛选 筛选的目的是选择出传输特性优良和张力合格的光纤。 （2）光纤的染色 染色的目的是方便对光纤的识别，有利于施工和维护时的光纤接续操作。光缆中的光纤单元、单元内的光纤、导电线组（对）及组（对）内的绝缘芯线都使用全色谱来识别，也可用领示色谱来识别。染色时可以是全染的单色，也可印成色带。 常见的是光纤色带，其排列顺序是蓝、桔、绿、棕、灰、白、红、黑、黄、紫、玫瑰、天蓝，如图2-28所示。,上一页,下一页,返回,返回,图2-28 12芯光纤带色谱标识,图2
36、-28 12芯光纤带色谱标识,2.4 光缆,（3）二次挤塑 二次挤塑的目的是为光纤制作套管（紧套管和松套管）。一般选用低膨胀系数的塑料挤塑成一定尺寸的管子，能将光纤纳入，并填入防潮、防水的凝胶。 二次挤塑的要点：要选用高弹性模量、低膨胀系数的塑料；单纤入管的，其张力和余长设计，必须得到良好控制，以保证套塑后的光纤在低温时有优良的温度特性；要填入凝胶；二次被覆挤塑后的松套的光纤，要贮存数天（不少于两天），使外套的塑料管产生一个微小的收缩，并缓慢固化定形下来。,上一页,下一页,返回,2.4 光缆,（4）光缆绞合 光缆绞合的目的是将挤塑好的光纤与加强件绞合，构成缆芯。绞合时，在绞合机上，用松套的光纤
37、管（或一次涂覆UV 丙烯酸酯和染色后的光纤）环绕着中心强度元件进行绞合。盘绞过程中，应使用拉力控制的全退扭的放线设备。 对于层绞式光缆，在绞合定型之前要使用热熔胶，将管子固定在中心加强元件上，用包扎带进行特别的固定；对于骨架式光缆，绞合时，也要包扎好，并用黑色PE 塑料套上第一层护套，以固定光纤进入V 型槽道内，防止光纤位移到骨架的脊背上，引起光纤受应力而加大附加损耗。,上一页,下一页,返回,2.4 光缆,（5）挤光缆外护套 挤光缆外护套的目的就是为光缆加上外层护套，以满足工程应用的需要。在挤外护套的过程中要加填凝胶（在加强芯和二次挤塑后的套管之间），以防水流入缆心。在挤塑中使用纵向涂塑钢带（
38、或涂塑铝带）进行压波纹搭接，金属搭接层的宽度一般为6mm。在挤塑线上，收线之前还要记“米”长的打印，连续打印记录光缆的段长。 （6）光缆测试 光缆测试是光缆生产过程中的最后一道工序，其目的是测试光缆是否符合各项设计指标，如测试损耗、是否有断纤、弯曲度如何。通过测试后，就可向用户提供成品光缆了。,上一页,下一页,返回,2.4 光缆,5. 光缆型号 （1）光缆型式代号的命名 光缆的型式代号构成如图2-29所示，依次是分类号、加强件代号、派生代号、护层代号、外护层代号。 . 分类代号说明 GH：通信用海底光缆； GJ：通信用室（局）内光缆； GR：通信用软光缆； GS：通信用设备内光缆； GT：通信
39、用特殊光缆； GY：通信用室（野）外光缆。 . 加强件代号说明 无代号：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。,上一页,下一页,返回,返回,图2-29 光缆型式代号构成,图2-29 光缆型式代号构成,2.4 光缆,. 派生代号（结构特征代号）说明 B：扁平式结构； D：光纤带状结构； G：骨架槽结构； J: 光纤紧套被覆结构； T：填充式结构； X: 缆中心管（被覆）结构； Z：自承式结构； . 护层代号说明 A：铝-聚乙烯粘结护层（A护套）； G：钢护套； L：铝护套； Q：铅护套； S：钢-铝-聚乙烯综合护套（S护套）。U：聚氨酯护层； V：
40、聚氯乙烯护层； Y：聚乙烯护层； W: 夹带平行钢丝的钢-聚乙烯粘结护套(W护套)。 . 外护层代号说明 外护层是指铠装层及其铠装外边的外护层，代号及其含义，见表2-1所示。,上一页,下一页,返回,返回,表2-1 外护层代号及其含义,表2-1 外护层代号及其含义,2.4 光缆,（2）光缆规格代号的命名 光缆的规格由光纤数和光纤类别组成，如果同一根光缆中含有两种或两种以上规格（光纤数和类别）的光纤时，中间应用“”号连接。规格代号构成形式如图2-30所示。 . 光纤数代号说明 使用数码“1”、“2”、，描述光纤数目。 . 光纤类别代号说明 D：二氧化硅系单模光纤； J：二氧化硅系多模渐变型光纤；
41、S：塑料光纤； T：二氧化硅系多模突变型光纤； X：二氧化硅纤芯塑料包层光纤； Z：二氧化硅系多模准突变型光纤。,上一页,下一页,返回,返回,图2-30 规格代号构成,图2-30 规格代号构成,2.4 光缆,. 光纤主要尺寸参数说明 光纤主要参数，是以m为单位，描述如：多模光纤的芯径、包层直径；单模光纤的模场直径及包层直径等主要参数。 . 波长、损耗、带宽说明 在该处，其代号是由a、bb及cc三组数字代号构成的，它描述了诸如带宽、损耗、波长等光纤传输特性参数。 a符号说明 1：波长在0.85m区域； 2：波长在1.31m区域； 3：波长在1.55m区域。 a符号说明 1：波长在0.85m区域；
42、 2：波长在1.31m区域； 3：波长在1.55m区域。,上一页,下一页,返回,2.4 光缆, bb符号说明 Bb符号，使用两位数字表示损耗系数。这两位数字依次为光缆中光纤损耗系数（dB/km）的个位和十位。 cc符号说明 cc符号，使用两位数字表示模式带宽。这两位数字依次为光缆中光纤模式带宽分类数值（MHzkm）的千位和百位数字。 . 适用温度说明 A：适用于40+40 B：适用于30+50 C：适用于20+60 D：适用于5+60,上一页,下一页,返回,2.4 光缆,（3）光缆附加金属导线的说明 如果光缆中附加金属导线，则在光缆型号后，以“”连接其说明符号。 金属导线的说明符号是：导线（对
43、、组）数目导线对（组）内导线个数导线的线径。如果在该说明符号后出现字母“L”，则表示导线是铝线，否则，为铜线。 综合以上介绍，光缆的型号规格的描述形式是： 光缆型式代号光缆规格代号附加金属导线说明符,上一页,下一页,返回,2.4 光缆,【例2-6】某光缆型号为GYGZL03-12T50/125（21008）C+540.9，则说明该光缆是： 有金属重型加强构件、自承式、铝护套和聚乙烯护层的通信用室外光缆，包括12根芯径/包层直径为50/125m的二氧化硅系列多模突变型光纤和5根用于远供及监测的铜线径为0.9mm的四线组，且在1.31m波长上，光纤的损耗常数不大于1.0dB/km，模式带宽不小于8
44、00MHzkm；光缆的适用温度范围为20+60。,上一页,下一页,返回,2.4 光缆,【例2-7】某种海底光缆的技术设计指标 光缆缆芯的直径为3mm（或5mm、7mm）； 第一层钢丝的根数为816； 第二层钢丝的根数为1624根； 加两层钢丝后的光缆外径为9.5mm或12mm； 加钢管后外径为10.5mm或13mm； 绝缘外护套材料使用低密度聚乙烯（或高密度聚乙烯）； 外护套直径为2122mm或25mm； 海缆在空气中的重量为820kg/km或1150kg/km； 允许压力为不小于80Mpa（约8000m水深）。 另外考虑到浅海区鱼网、抛锚、潮流的影响，在500m内的浅海区要使用金属铠装外护层
45、。,上一页,返回,2.5 新型光缆简介,1. 小而轻的光缆 在保证光缆的传输特性、机械特性、环境特性的基础上，降低光缆成本、节约施工费用是光缆制造及应用方面的目标之一，而光缆的传输特性取决于光缆中采用的光纤类型，光缆的机械特性和环境特性则取决于光缆结构、选用的材料种类及其质量、光缆制造技术水平，因此在保证光缆耐低温弯曲和机械性能稳定的前提下，设法减小松套管和中心加强件的尺寸及护套和皱纹金属覆膜带厚度，是使光缆小而轻的有效办法，目前这种光缆已经制造成功，如144芯单层护套小直径管道光缆的直径仅为13.4mm（典型商用144芯单层护套管道光缆的直径为18.8mm）。这种方法适用于全介质单层护套光缆
46、、轻型铠装光缆（单层护套、单层铠装）、铠装光缆（双层护套、单层铠装）。 目前国内光缆制造厂商纷纷在采用减小松套管尺寸的方法来减少光缆材料的用量，进而达到降低光缆成本，以此提高市场竞争力。,下一页,返回,2.5 新型光缆简介,2. 全干式松套光缆 传统光缆采用填充阻水措施，即通过填充的阻水油膏来达到防水的目的，同时起到缓解外来压力和振动阻尼的作用。尽管传统光缆具有良好的性能和可靠性，但是在光缆接续前要清除油膏和清洁光纤. 为了克服填充阻水油膏光缆的缺点，美国OFS公司开发出12216芯的中心管无填充阻水油膏的室外用全干式中心管光纤带光缆，其结构从光缆中心至光缆外护层依次是光纤带、空气、纤用高级吸
47、水膨胀阻水带（代替纤用阻水油膏）、改善了冲击性能的聚丙烯松套管、缆芯用高级吸水膨胀阻水带（代替缆用阻水油膏）、皱纹金属覆膜带铠装层、两根平行金属加强件钢丝和高密度聚乙烯外护层（HDPE）。另外，如果这种光缆被用于雷电频繁和存在干扰电流的场所时金属加强件可采用全介质的玻璃钢/环氧树脂棒。光缆外护层采用HDPE的理由为HDPE具有良好的硬度、强度和小的摩擦系数，从而满足了所有光缆安装性能要求。,上一页,下一页,返回,2.5 新型光缆简介,3. 微型吹气光缆 在光缆敷设时，为了利用城市现有的基础设施（如煤/天然气管道、下水道或新建的微型管道系统）安装敷设光缆，从而降低光缆生产成本、减少光缆路由基础设
48、施费用、控制工程成本，美国OFS开发了一种新的微型吹气安装光缆。 微型吹气安装光缆的结构为48或72芯中心管式光纤带光缆 从缆芯至外护层的具体结构依次为光纤带、纤用阻水油膏、松套管、螺旋缠绕的玻璃钢棒、螺旋缠绕的玻璃纤维增强塑料带、撕裂绳、HDPE外护层。,上一页,下一页,返回,2.5 新型光缆简介,3. 泡沫阻水光缆 爱立信网络技术公司率先开放出了泡沫阻水光缆，这种光缆采用发泡的热塑弹性体，来代替阻水油膏作为光缆的纵向阻水材料，这不仅能够有效克服填充阻水油膏或吸水膨胀阻水纱的缺点，而且能减小光缆尺寸、提高光缆施工速度。 4. 环保光缆 在现有的制造光缆的材料中，某些是对人体或环境有害的，2001年ITU-T已通过了“使电信网外部设备对环境的影响最小化”建议，以规范和控制光缆对环境的负面影响。 新型光缆正在向直径小、重量轻、全干式、布放快的方向发展。,
