光纤通信基础知识

HessenwasrevisedinJanuary2021光纤通信基础知识光纤通信基础光纤通信是以光波为信号载体，以光导玻璃纤维为传输媒质的一种通信方式，在现代通信网中起着举足轻重的作用。光纤与以往的铜导线相比，具有损耗低、频带宽、无电磁感应等传输特点，因此，人们希望将光纤作为灵活性强且经济的优质传输介质，广泛地应用于数字传输方式和图像通信方式中。这两种通信方式在今后电话业务的发展中是不可缺少的。光纤和以往的铜导线相比有本质的区别，因此，在传输理论、制造技术、连接方法、测试方法等方面，基本上都不能采用铜质电缆的理论和方法。光纤通信具有一系列优异的特性，因此，光纤通信技术在80年代初投入商用以来发展速度之快，应用面之广是通信史上罕见的。可以说这种新兴技术，是世界新技术革命的重要标志，又是未来信息社会中各种信息网的主要传输工具。现代通信网络通信系统的基本组成通信的基本形式是在信源与信宿之间建立一个传输(转移)信息的通道(信道)，实现信息的传输。通信系统可以概括为一个统一的模型，如图1-1所示。这一模型包括有：信源、变换器、信道、噪声源、反变换器和信宿6个部分。模型中各部分的功能如下：(1)信源：是指发出信息的信息源，或者说是信息的发出者。(2)变换器：变换器的功能是把信源发出的信息变换成适合在信道上传输的信号。(3)信道：信道是信号传输媒介的总称。(4)反变换器：反变换器是变换器的逆变换。(5)信宿：是指信息传送的终点，也就是信息接收者。(6)噪声源：噪声源并不是一个人为实现的实体，但在实际通信系统中又是客观存在的。以上所述的通信系统只能实现两个用户间的单向通信，要实现双向通信还需要另外一个通信系统完成相反方向的信息传递工作。而要实现多个用户间的通信，则需要将多个通信系统有机地组成一个整体，使它们能协同工作，即形成通信网。图1-1通信系统基本构成模型通信系统的一般结构实际通信系统的一般结构如图1-2。图中的话机、移动台等是用户终端设备。它的作用是将话音信号转换成电信号，或者进行反变换。交换设备的作用除了实现局内用户间的信号交换，还能同其它局的用户实现连接或转接。多路复用设备的作用是实现多路信号的汇接(复用)，可采用频分、时分、码分多址形式的复用，用以提高信道的传输容量。传输终端设备(如地球站、微波设备、终端增音设备等)的主要作用是将待传输的信号转换成适合信道传输的信号，或进行反变换等。电缆、光缆、微波、卫星是不同形式的传输媒质或信号载体。当通信系统采用电缆作传输媒质时，此时传输终端设备为电缆传输终端设备，相应的通信系统为电缆通信系统。若采用光缆作传输媒质时，此时的传输终端设备就为光端机，相应的通信系统就称为光纤通信系统，或称为光缆传输系统。若采用微波作载体，用微波中继站作信号转接，此时传输终端设备就是微波端站，相应的通信系统就称为微波通信系统。若仍采用微波作载体，用卫星作中继站，此时传输终端设备是卫星地面站(地球站)，相应的通信系统就称为卫星通信系统。图1-2实际通信系统的一般结构由此可见，无论是电缆通信系统、光纤(缆)通信系统，还是微波通信系统、卫星通信系统，它们的基本结构形式都很类似。不同通信系统之间的差异仅在于电信号载体、传输媒质和传输终端设备不同。通信网的构成和分类通信网是由一定数量的节点(Node)和连接节点的传输链路(Link)组成，以实现两个或多个规定点之间信息传输的通信体系。1.通信网的构成一个完整的通信网包括硬件和软件。通信网的硬件通常是由用户终端设备、传输系统、交换系统三大部分组成。如图1-3所示。为了使全网协调合理地工作，还要有各种规定，如信令 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等，这些均属于软件。图1-3通信网构成示意图2.通信网的分类按电信业务的种类分为：电话网、数据通信网、图像通信网、有线电视网等。按服务区域范围分为：本地电信网、长途电信网、移动通信网、国际电信网等。按传输媒介种类分为：架空明线网、电缆通信网、光缆通信网、卫星通信网、用户光纤网、等。按交换方式分为：电路交换网、分组交换网等。按结构形式分为：网状网、星形网、环形网、栅格网、总线网等。按信息信号形式分为：模拟通信网、数字通信网、数字/模拟混合网等。按信息传递方式分为：同步转移模式(STM)的综合业务数字网(ISDN)和异步转移模式(ATM)的宽带综合业务数字网(B-ISDN)等。通信网的基本拓扑结构通信网的基本拓扑结构，有的称物理结构，基本可分为三类：星形、总线形和环形。如图1-4所示。1.星型网其形状似星因此而得名，也可以看作是中心向四周辐射，又称辐射形。中心局(站)到四周各局(站)都有直达路由，电路利用率高，但周围各局(站)之间没有直达路，必须经过中心站转接，若中心站故障，有可能引起整个网通信中断。同时业务量大时，无法迅速疏导。2.总线形网各局(站)都挂在中心局发出的总线上，这种结构的网便于管理适于广播式的分配业务，中心局之外的各站间通信比较困难。3.环形网中心局与各站串成环形，这种网的传输线路最短，生存能力强，但在各局业务量大时，需要的线路传输带宽(或传输速率)比星形网高得多。总线形和环形网在计算机通信中应用较多，在这种网中一般传输速率较高。它要求各节点和总线终端节点有较强的信息识别和处理能力。除了图1－4的基本拓扑结构外，还有链形拓扑和栅格拓扑等，如图1－5所示。在不同的应用条件下将选择合适的拓扑结构，并在上述拓扑结构的基础上组合、演变成新的拓扑结构。图1-4通信网的基本拓扑结构图1-5通信网的其它拓扑结构现代通信网的构成及发展传统通信系统由传输、交换、终端三大部分组成。其中传输与交换部分组成通信网络，传输部分为网络的链路(ｌｉｎｋ)，交换部分为网络的节点(ｎｏｄｅ)。随着通信技术的发展与用户需求日益多样化，现代通信网正处在变革与发展之中，网络类型及所提供的业务种类不断增加和更新，形成了复杂的通信网络体系。为了更清晰地描述现代通信网络结构，在此引入了网络分层的概念，现代通信网可以分为3层。第一层：通信基础网第二层：业务网第三层：应用层为了支持各层网络的有效运行和管理，还需要有支撑网(信令网、同步网、电信管理网)的介入，这些支撑网可以为通信网的某一层或多层服务。1.通信基础网又可称为传送网。为简化描述，我们可将通信基础网简单看成是一个以光纤、微波接力，卫星传输为主的传输网络。在这个传输网络的基础上，根据业务节点设备类型的不同，可以构建成不同类型的业务网。通信基础网的带宽正在不断拓宽，将逐步成为未来信息高速公路的传输平台。对通信基础网的描述同样引入了网络分层概念，通信基础网也可以分为3层：第一层：传输媒介：目前主要有电缆、微波、通信卫星、光纤等。第二层：传输系统：包括传输设备和传输复用设备。携带信息的基带信号一般不能直接加到传输媒介上进行传输，需要有传输设备将它们转换为适合在传输媒介上进行传输的信号。第三层：传送网节点设备：网络节点设备主要为配线架和数字交叉连接设备(ＤＸＣ)，其主要任务是实现基础网传输电路的电路调度、故障切换和分离业务。２.业务网是向用户提供诸如电话、数据、图像等各种电信业务的网络。业务网包括电话网、数据网、智能网、移动通信网等。３.支撑网是使业务网正常运转，增强网络功能，提高全网服务质量，以满足用户需求的网络。在各个支撑网中传送相应的控制、检测信号。支撑网包括信令网、同步网和电信管理网现代通信网的未来发展趋势可概括为“六化”，即通信技术数字化、通信业务综合化、网络互通融合化、通信网络宽带化、网络管理智能化和通信服务个人化。现代通信传输技术信息需要在一定的物理媒质中传播，我们将这种物理媒质称为传输媒质。传输媒质是传递信号的通道，提供两地之间的传输通路。传输从大的分类上来区分有两种，一种是电磁信号在自由空间中传输，这种传输方式叫做无线传输；另一种是电磁信号在某种传输线上传输，这种传输方式叫做有线传输。常用的传输媒质目前主要有：1.微波微波通信技术问世已半个多世纪，它是在微波频段通过地面视距进行信息传播的一种无线通信手段。最初的微波通信系统都是模拟制式的，它与当时的同轴电缆载波传输系统同为通信网长途传输干线的重要传输手段，例如我国城市间的电视节目传输主要依靠的就是微波传输。微波通信的频率范围为300MHz～1000GHz。微波按直线传播，若要进行远程通信，则需要在高山、铁塔或高层建筑物顶上安装微波转发设备进行中继通信。微波中继通信是一种重要的传输手段，它具有通信频带宽、抗干扰性强、通信灵活性较大、设备体积小、经济可靠等优点。其传输距离可达几千公里主要用于长途通信、移动通信系统基站(BS)与移动交换中心(MSC)之间的信号传输及特殊地形的传播。2.卫星卫星通信是在微波中继通信的基础上发展起来的。它是利用人造地球卫星作为中继站来转发无线电波，从而实现两个或多个地面站之间的通信。卫星通信具有传输距离远、覆盖面积大、通信容量大、用途广、通信质量好、抗破坏能力强等优点。一颗通信卫星总通信容量可实现上万路双向电话和十几路彩色电视的传输。高轨道通信卫星是运行在赤道上空约36000km的同步卫星。位于印度洋、大西洋、太平洋上空的三颗同步卫星，基本可覆盖全球。低轨道通信卫星是运行在500～1500km上空的非同步卫星，一般采用多颗小型卫星组成一个星型网。若能做到在世界上任何地方的上空都能看到其中一颗卫星，则通过星际通信可覆盖全球。低轨道通信卫星主要用于移动通信和全球定位系统。3.电缆通信电缆主要包括双绞线电缆(对称电缆)同轴电缆等。对绞电缆(TwistedPairCable)是传统的话音通信媒质，使用最为广泛，是当前电信接入网的主体。在全球范围内，对绞电缆接入比例高达94%，其通信业务正在向非话音业务方向发展。利用高速Modem上网，其速率可达56kb/s，利用一线通ISDN方式上网，速率进一步上升到128kb/s，而利用更新的ADSL方式，其下行速率为—8Mb/s，作为新一代家庭网络应用方式，利用电话双绞线的HomePAN速率也可达1—10Mb/s。因此，目前利用对绞电缆已形成了种类繁杂的各种宽带接入新方式，并且日趋普遍。公共电话网(PSTN)中实现话音通信的主要传输媒质就是通信电缆，电话通信线路广泛采用的是全塑通信电缆。4.光纤光纤是光导纤维的简称。光纤通信是以激光为载波，以光纤为传输媒质的一种通信方式。光波的波长为微米级，紫外线、可见光、红外线属于光波范围。目前光纤通信使用的波长多为近红外区内，即波长为850nm、1310nm和1550nm的三个传输窗口。光纤具有传输容量大、传输损耗低、抗电磁干扰能力强、易于敷设和资源丰富等众多优点，可广泛用于越洋通信、长途干线通信、市话通信和计算机网络等许多需要传输的场合。光纤通信的特点光纤通信与电通信方式的主要差异有两点：一是用光波作为载波传输信号，即传输的是光信号；二是用光导纤维构成的光缆作为传输线路，即以光纤作为媒质传输手段。因此，在光纤通信中起主导作用的是产生光波的激光器和传输光波的光导纤维。半导体激光器的发光面积很小，它输出稳定而且方向性极好的激光，激光可以运载巨大的信息量。光纤是一种介质光波导，具有把光封闭在其中并沿轴向进行传播的导波结构。它是由直径大约只有0.1mm的细玻璃丝构成。光纤通信之所以能够飞速发展和受到人们的极大重视，这是因为和其它通信手段相比，具有无以伦比的优越性而决定的。传输频带宽、通信容量大理论讲，载波频率越高通信容量越大，因目前使用的光波频率比微波频率高103~104倍，所以通信容量约可增加103~104倍。一根仅有头发丝粗细的光纤可以同时传输1000亿个话路。虽然目前远远未达到如此高的传输容量，但用一根光纤同时传输24万个话路的试验已经取得成功，它比传统的明线、同轴电缆、微波等要高出几十乃至上千倍以上。传输损耗低目前实用的光纤均为sio2(石英)系光纤，要减小光纤损耗，主要是靠提高玻璃纤维的纯度来达到，由于目前制成的sio2玻璃介质的纯净度极高，所以光纤的损耗极低。在光波长λ=μm附近，衰减有最低点，可低至km，已接近理论极限值。不受电磁干扰光纤由电绝缘的石英材料制成，绝缘性能好，不受各种电磁场的干扰和闪电雷击的损坏。无金属光缆非常适合于存在强电磁场干扰的高压电力线路周围和油田、煤矿等易燃易爆环境中使用。因此，光纤通信不受电磁的干扰，这是电通信所不能比拟的。中继距离长由于光纤具有极低的衰耗系数(目前商用化石英光纤已达km以下)，这是传统的电缆(1.5km)微波(50km)等根本无法与之相比拟的。因此光纤通信特别适用于长途一、二级干线通信，在不久的将来实现全球无中继的光纤通信也是完全可能的。线径细、重量轻由于光纤的直径很小，只有0.1mm左右，因此制成光缆后，直径要比电缆细，如8芯光缆的横截面直径约10mm，而标准同轴电缆为47mm。这样在长途干线或市内干线上，空间利用率高，节约了地下管道的建设投资；而且重量也轻，便于制造多芯光缆。资源丰富光纤的材料主要是石英(二氧化硅)，在地球上是取之不尽用之不竭的，并且很少的原材料就可拉制出很长的光纤。例如，40克高纯度的石英玻璃，可拉制1km的光纤。挠性好光纤经过表面涂敷后，弯曲直径为3mm不会折断。因此，用光纤制成的光缆与铜线制成的电缆有同样好的挠性。不怕潮湿，耐高压，抗腐蚀光纤是玻璃制成的，不怕潮湿，不会锈蚀，石英玻璃的熔点在2000℃以上，而一般明火的温度在1000℃左右。因此，光纤耐高温，光纤的化学稳定性好，抗腐蚀能力强，可以在具有有害气体环境下工作。安全保密在传输过程中，光波在光纤中传输是不会跑出光纤之外的，即使在转弯处，弯曲半径很小时，漏出的光波也十分微弱。如果在光纤的表面涂上一层消光剂，光纤中的光就完全不能跑出光纤。这样，用什么方法也无法在光纤外面窃听光纤中传输的信息了。此外，由于光纤中的光不会跑出来，在电通信中常见的串音现象就不存在了。同时，它也不会干扰其它通信设备或测试设备。当然，在光纤通信中，同样也存在着很多不足。光纤性质脆，需要适当地涂敷加以保护。此外，为了保证能承受一定的敷设张力，在光纤结构上也需要多加考虑。切断和连接光纤时，需要高精度的切断接续技术，这在电缆连接时是没有的。分路耦合不方便。光纤不能输送中继器所需要的电能。弯曲半径不宜太小。光纤通信尽管存在上述问题，但是随着技术的不断发展都是可以克服的，不影响光纤的广泛应用。光纤的基本知识光纤是光导玻璃纤维的简称，就是用来导光的透明介质纤维，它是一种新型的光波导。光纤外径一般为125~140μm，芯径一般为3~100μm。光纤的结构一根实用化的光纤是由多层透明介质构成的，一般为同心圆柱形细丝，为轴对称结构，一般可以分为三部分：折射率较高的纤芯、折射率较低的包层和外面的涂覆层，其外形如图1-6所示，其结构如图1-7所示。图1-6光纤外形示意图图1-7光纤的结构示意图光纤的结构一般是双层或多层的同心圆柱体，如图1-7所示。中心部分是纤芯，纤芯以外的部分称为包层。纤芯的作用是传导光波，包层的作用是将光波封闭在光纤中传播。为了达到传波的目的，需要使光纤材料的折射率n1，大于包层材料的折射率n2。为了实现纤芯和包层的折射率差，必须使纤芯和包层材料有所不同。目前实用的光纤主要是石英。如果在石英中掺入折射率高于石英的掺杂剂，则就可作为纤芯材料。同样如果在石英中掺入折射率比石英低的掺杂剂，则就可以作为包层材料，经过这样掺杂后，上述的目的就可达到了。也就是说，光纤是由两种不同折射率的玻璃材料拉制而成的。(1)纤芯位于光纤的中心部位，是光波的主要传输通道。直径d1=4μm～50μm，单模光纤的纤芯为4μm～10μm，多模光纤的纤芯为50μm。纤芯的成分是高纯度SiO2，掺有极少量的掺杂剂(如GeO2，P2O5)，作用是提高纤芯对光的折射率(n1)，以传输光信号。(2)包层位于纤芯的周围。直径d2=125μm，其成分也是含有极少量掺杂剂的高纯度SiO2。而掺杂剂(如B2O3)的作用则是适当降低包层对光的折射率(n2)，使之略低于纤芯的折射率，即n1＞n2，它使得光信号封闭在纤芯中传输。(3)涂覆层光纤的最外层为涂覆层，包括一次涂覆层，缓冲层和二次涂覆层。一次涂覆层一般使用丙烯酸酯、有机硅或硅橡胶材料；缓冲层一般为性能良好的填充油膏；二次涂覆层一般多用聚丙烯或尼龙等高聚物。涂覆的作用是保护光纤不受水汽侵蚀和机械擦伤，同时又增加了光纤的机械强度与可弯曲性，起着延长光纤寿命的作用。涂覆后的光纤其外径约1.5mm。通常所说的光纤为此种光纤。实用的光纤不是如图1-8a所示的裸露的玻璃丝，而是要在它的外表附加几层塑料涂层。目前，在通信中使用较为广泛的光纤有两种：紧套光纤与松套光纤，如图1-8b。紧套光纤就是在一次涂覆的光纤上再紧紧地套上一层尼龙或聚乙烯等塑料套管，光纤在套管内不能自由活动。松套光纤，就是在光纤涂覆层外面再套上一层塑料套管，光纤可以在套管中自由活动。图1-8套塑光纤结构光纤的分类光纤的分类方法很多，可以按材料性质、折射率分布、套塑方式及按照ITU-T建议分类等进行分类。下面介绍通信光纤的分类。既可以按照光纤截面折射率分布来分类，又可以按照光纤中传输模式数的多少、光纤使用的材料或传输的工作波长来分类。根据不同的分类方法和标准，同一根光纤将会有不同的名称。常用的分类方法有：(1)按光纤的制造材料分类按照光纤制造材料的不同，光纤可分为玻璃(石英)光纤和塑料光纤。玻璃光纤一般是指由掺杂石英芯和掺杂石英包层构成的光纤。这种光纤有很低的传输损耗和中等程度的传输色散。目前通信用光纤绝大多数为玻璃光纤。塑料光纤是一种通信用新型光纤，尚处于研制、试用阶段。塑料光纤具有传输损耗大、纤芯粗(直径100~600μm)数值孔径(NA)大(一般为~，可与光斑较大的光源耦合使用)及制造成本低等优点。目前，塑料光纤适用于短距离使用，如计算机联网和船舶内通信等。(2)按传输模数量及折射率分布分类按传输模的数量可分为多模光纤和单模光纤。按折射率分布状况分类，多模光纤可分为阶跃型(突变型)光纤和梯度型(渐变型、自聚焦型)光纤，单模光纤则分为阶跃型光纤。它们的结构及光传输情况。这三类光纤芯径、折射率差系数、带宽、连接难易的比较，见表1-1。表1-1光纤类型芯径(μm)折射率差系数(%)损耗带宽(MHz·km)连接难易多模阶跃型50~3视波长10~50容易(1μm精度)梯度型50~视波长几百至数GMHz·km容易(1μm精度)单模阶跃型9~10~视波长10较难μm精度)图1-9三类光纤的结构及光传输情况(3)按光纤的工作波长分类石英光纤按波长分类，可分为短波长光纤的和长波长光纤。短波长光纤的波长为μm~μm),波长为μm的多模光纤,主要用于短距离市话中继线路或专用通信网等线路。长波长光纤的波长为~μm，具体波长有μm和μm两个窗口。(4)按套塑结构分类如图1-8(a)(b)所示的紧套光纤和松套光纤。实际上，松套光纤是指图1-8(b)所示的光纤，其外边是套上一个较松的套管，光纤在中间可以松动。通常，在松套管内都应充入半流质油剂，以增强防水性能和起缓冲作用。松套管对光纤能起到抗压、抗拉的保护作用。对于尾纤则采用紧套方式。(5)按照ITU—T建议分类为了使光纤具有统一的国际标准，国际电信联盟—电信小组(ITU—T)制订了统一的光纤标准(G标准)。按照ITU—T关于光纤的建议，可以将光纤分为光纤(又称为渐变型多模光纤)光纤(又称为常规单模光纤或1．31μm性能最佳单模光纤)光纤(又称为色散位移光纤—DSF)光纤(又称为1550nm性能最佳单模光纤)光纤(又称为非零色散位移光纤，主要包括非零色散位移光纤NZDSF和大有效面积光纤LEAF)等。渐变型多模光纤(G．651光纤)渐变型多模光纤的工作波长有两种:μm和μm在这两种工作波长上，光纤均处于多模工作状态。这种光纤在μm处具有最小的色散值，而在μm处具有最小的衰减系数。塑料光纤(POF)是渐变型多模光纤的一种，在国际电工委员会(IEC)中定为A4光纤，可用于光纤到办公桌(FTTD)，采用全氟化聚合物CYTOP制造的GI光纤，其衰减可达～dB/100m，传输速率可达3Gbit/s，带宽大于200，可用于短距离光通信和室内传输线(含家庭和办公自动化)当中，预计在解决全光纤化通信最后“一公里”的进程中，可能就是这类GI-POF光纤的主要用途,预计POF将是一个有增长潜力的领域。常规单模光纤光纤)常规单模光纤也称为非色散位移光纤，于1983年开始商用。其零色散波长在1310nm处，在波长为1550nm处衰减最小，但有较大的正色散，其色散系数约为18ps/。工作波长既可选用1310nm，又可选用1550nm。这种光纤是使用最为广泛的光纤，它在世界各地敷设数量已高达7000万千米之多，我国已敷设的光缆绝大多数采用这类光纤。利用光纤进行速率为10Gbit/s以上的信号长途传输时，必须引入色散补偿光纤进行色散补偿，并需引入更多的掺饵光纤放大器来补偿由于引入色散补偿光纤所产生的损耗。1998年美国朗讯(现在OFS)公司推出了G.652C/D新型单模光纤即无水峰光纤(ZWPF)，采用一种新的生产制造技术，尽可能地消除OH离子1383nm附近处的“水吸收峰”，使光纤损耗完全由玻璃的本征损耗决定，在1280～1625nm的全部波长范围内都可以用于光通信，而结构上和普通单模光纤无异，是目前最先进的城域网用非色散位移光纤。色散位移光纤光纤)光纤又称为色散位移光纤，于1985年商用。色散位移光纤通过改变光纤的结构参数、折射率分布形状，来加大波导色散，从而将最小零色散点从1310nm位移到1550nm，实现1550nm处最低衰减和零色散一致，并且在掺饵光纤放大器工作波长区域内。这种光纤非常适合于长距离、单信道、高速光纤通信系统，如可在这种光纤上直接开通20Gbit/s系统，而不需要采取任何色散补偿措施。但是，这种光纤在通道进行波分复用信号传输时，在1550nm附近低色散区存在有害的四波混频等光纤非线性效应，阻碍光纤放大器在1550nm窗口的应用，正是这个原因，色散位移光纤正在被非零色散位移光纤所取代。1550nm性能最佳单模光纤光纤)1550nm性能最佳单模光纤在1550nm波长工作窗口具有极小衰减dB/km)。与光纤比较，达种光纤的优点是在1550nm工作波长处衰减系数极小，其弯曲性能好。另外，该光纤的最大特点是工作波长为1310nm的系统将处于多模工作状态。这种光纤主要应用在传输距离很长，且不能插入有源器件的无中继海底光纤通信系统中。这种光纤的缺点是制造困难，价格昂贵，主要用于长距离传输的海缆。非零色散位移单模光纤光纤)光纤常称非零色散位移光纤，是在1994年专门为新一代光放大密集波分复用传输系统 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 和制造的新型光纤，属于色散位移光纤，在1550nm处色散不是零值，(按规定，在波长1530～1565nm范围内对应的色散值为～用以平衡四波混频等非线性效应。由于这种光纤利用较低的色散抑制了四波混频等非线性效应，使其能用于高速率(10Gbit/s以上)大容量、密集波分复用的长距离光纤通信系统中。类光纤可进一步分为G.655A和两个子类。G.655A光纤主要适用于规定的带光放大器的单通道SDH系统和通道速率为STM-64.通道间隔不小200GHz的带光放大器的波分复用传输系统。光纤主要适用于通道间隔不大于100GHz的密集波分复用传输系统。G.655A光纤只能使用在C波段,光纤可以使用在C波段，也可以使用在L波段G.655A光纤和光纤的另一个主要差别是在C波段的色散值不同，G.655A光纤的色散值为～ps/，G．655B光纤的色散值为～ps/。光纤的商用光纤有真波光纤和低色散斜率光纤。其中真波光纤的优点是，消除了常规光纤在1385μm附近由于OH根离子吸收造成的损耗峰，使光纤在1310～1600nm的损耗都趋于平坦；低色散斜率光纤的优点是色散斜率小，仅为ps/，大大低于普通的色散斜率，因而可以用一个色散补偿模块补偿整个频带内的色散；大有效面积光纤大大增加了光纤的模场直径,光纤有效面积从55μm2增加到72μm2，在相同的入纤光功率时，减小了光纤的非线性效应。最新的针对G655的研究是要找到低的色散斜率和大的有效面积的光纤，满足长途大容量的宽带传输。目前的发展方向开发中等非零色散光纤，提高非零色散绝对值到6-10ps/，包括中等色散与低色散斜率的结合；中等色散和大有效面积的结合。具体的办法是降低水峰，缩短截止波长，缩短零色散波长。2003年1月，ITU-T提出了新型光纤的规范。G655C新型非零色散单模光纤和G655A/B光纤的主要区别在于：(1)G655B和G655C在C波段的色散值范围由G655A的～ps/上升到～ps/；(2)G655B和G655C增加了在1625nm最大衰减值的要求，最大为km；(3)G655C和G655A/B相比，PMD从降低到ps。宽带用非零色散单模光纤光纤)2004年4月ITU-T通过了光纤建议。光纤的应用范围：在1460nm~1625nm波长范围内，其色散为一个大于零的数值。该色散减小了链路中非线性效应，这些非线性效应对DWDM(密集波分复用)系统非常有害。该光纤在比光纤更宽的波长范围内，利用非零色散减小四波混频(FWM),交叉相位调制(XPM)效应。在1460nm~1625nm波长范围内，该光纤可以用于CWDM(稀疏波分复用)和DWDM(密集波分复用)系统的传输。　第四节光缆的结构光缆，是以一根或多根光纤或光纤束制成符合光学、机械和环境特性的结构。光缆的结构直接影响系统的传输质量，而且与施工也有较大的关系。施工人员在敷设光缆前，必须了解光缆的结构和性能。 工程施工 建筑工程施工承包1园林工程施工准备消防工程安全技术交底水电安装文明施工建筑工程施工成本控制 应按所选用光缆的结构、性能，采取正确的操作方法，完成传输线路的建设，并确保光缆的正常使用寿命。光缆设计的原则光纤在通信领域内的广泛应用，要求设计制造各种各样结构的光缆。设计光缆，必须规定光缆的结构尺寸和所用材料。设计光缆的一般原则如下：(1)光纤的余长：根据每管光纤芯数和余长要求，设计松套管尺寸。当松套管是用来制作中心束管式光缆时，松套管中光纤余长应在%左右；当松套管是用来制作层绞式光缆时，松套管中光纤余长应在%左右。(2)机械强度：根据对光缆机械强度要求，合理选择光缆中的加强构件、直径以及护层结构、铠装结构等。光缆的抗拉强度主要靠加强构件提供；光缆抗侧压力主要靠护层或铠装层提供。光缆防水防潮，主要靠铝—塑粘结护套或钢—塑粘结护套，以及缆中的阻水油膏和阻水材料提供。(3)使用场合：根据光缆的使用场合，使用不同结构的光缆，满足使用场合的要求。(4)阻水：要注意选用阻水油膏，特别是松套光纤用阻水油膏的温度特性要好，不能有淅油等。(5)光缆结构：合理的光缆结构设计，应使松套管尽量靠近光缆中起支承作用的部件。同时，合理的光缆结构设计，应对光纤起到最佳的机械保护。在光缆结构设计中，在保证光缆所要求的特性下，应尽量使光缆横截面积小，单位长度重量轻，发挥光缆本身所应具有的优点。光缆结构中所用材料及其性能光缆是由光纤、高分子材料、金属－塑料复合带及金属加强件等共同构成的光信息传输介质。光缆结构设计要点是根据系统通信容量、使用环境条件、敷设方式、制造工艺等，通过合理选用各种材料来赋予光纤抵抗外界机械作用力、温度变化、水作用等保护。图1-10层绞式钢带纵包双层钢丝铠装光缆结构图图1-10所示的是所用材料种类最多的GYTY53＋333层绞式钢带纵包双层钢丝铠装光缆的横。由图可知，层绞式钢带纵包双层钢丝铠装光缆是由光纤、高分子材料、皱纹钢塑复合带、双层钢丝铠装层和金属加强件等共同构成的。通常，除了光纤外，构成光缆的材料可分为三大类：(1)高分子材料：松套管材料、聚乙烯护套料、无卤阻燃护套料、聚乙烯绝缘料、阻水油膏、阻水带、聚酯带。(2)金属－塑料复合带：钢塑复合带、铝塑复合带。(3)中心加强件：磷化钢丝、不锈钢丝、玻璃钢圆棒等。众所周知，在光纤传输机械特性优异，光缆结构设计合理，成缆工艺完善的前提下，光缆的机械、温度、阻水等特性主要取决于所选用的各种材料的性能及其匹配的好坏。只有保证了所使用的各种材料的性能和各类材料的综合性能，光缆的机械、温度、阻水、寿命等实用性能才能得到根本保障。光缆结构光缆的基本结构一般由缆芯、加强构件、填充物和护层等几部分构成，除了这些基本结构之外，根据实际需要，还要有防水层、缓冲层、绝缘金属导线等构件。(1)缆芯：为了进一步保护光纤，增加光纤的强度，一般将带有涂覆层的光纤再套上一层塑料层，通常称为套塑，套塑后的光纤称为光纤芯线。将套塑后且满足机械强度要求的单根或者多根光纤芯线以不同的形式组合起来，就组成了缆芯。多芯光缆一般由紧结构或者松结构为单位组成单元式结构，或者在松结构的套管中放入多芯光纤组成的。紧结构光缆的主要形式是绞合型光缆，将光纤以一定的节距绞合成光缆，并被包围在塑料之中，以中心的强度元件来承受张力。松结构光缆中光纤具有较大的活动空间。光缆缆芯的基本结构(基本缆芯组件)大体上有层绞式、骨架式、束管式和带状式等四种。(2)加强构件：加强构件的作用是增加光缆的抗拉强度，提高光缆的机械性能。光缆中的加强构件一般应该具有以下条件：①高杨式模量；(注：杨氏模量是描述材料抵抗形变能力的物理量，该值越大，材料越不容易变形)。②加强构件的屈服应力大于光缆的给定应力；③单位长度的重量较小；④抗弯曲性能要好。一般光缆的加强构件采用镀锌钢丝、钢丝绳、不锈钢丝或者高强度塑料加强构件等。加强构件一般位于光缆的中心，也有位于护层的，称为护层加强构件。表面经常要包有一层塑料，保证加强构件与光纤接触的表面光滑并具有一定的弹性。(3)护层结构：护层的主要作用是保护缆芯，提高机械性能和防护性能。不同的护层结构适合不同的敷设条件。光缆的护层分为外护层和护套两部分。护套用来防止钢带、加强构件等金属构件损伤光纤；外护层进一步增强光缆的保护作用。(4)填充结构：填充结构用来提高光缆的防潮性能，在光缆缆间空隙中注入填充物，以防止水汽进入光缆。下边介绍国内外各种典型结构的光缆情况，了解不同光缆的结构特点和施工要点。1.层绞式光缆类似传统的电缆结构方式，故又称之为古典光缆，就是把经过套塑的光纤绕在加强芯周围绞合而构成，中央部位是加强构件，外部是光缆外护套，松套结构的光纤围绕在加强芯周围。它属于中心构件配置方式。中心增强构件采用塑料被覆的多股绞合或实心钢丝和纤维增强塑料两种增强件(习惯称加强芯)。纤维增强塑料(如芳纶)，其强度能满足光缆要求，这种增强件用于无金属光缆。根据管道、架空或直埋等不同敷设要求，层绞式光缆还可以用PVC或AL—粘接护层作外护层，埋式光缆还增加皱纹钢带或钢丝铠装层。层绞结构的优点是可以很好的保护光纤，在施工敷设的过程中引起的损耗较小。但由于结构限制，只适合制作芯数比较小的光缆，从几芯到几十芯。目前在市话中继和长途线路上采用的几种层绞式结构光缆的示意图。紧套层绞式结构光缆：收容光纤数有限，多数为6~12芯，也有24芯。紧套层绞结构应注意的问题是侧压力，在成缆中可用减少外力和使用软的缓冲涂层来降低微弯损耗。一般采用不同模量的多层塑料材料，即内层较软，外层较硬的材料保护光纤。施工中在牵引时应考虑其侧压力的影响。图1-116芯紧套层绞式光缆图图1-12芯松套层绞式直埋防蚁光缆图1-13芯松套层绞式直埋光缆图1-14芯松套层绞式水底光缆图1-15芯松套+8芯×2线对层绞式直埋光缆松套层绞式结构光缆：因为光纤采用松套管作为第二次保护，侧压性能的一定提高。松套管的直径一般为~2.0mm，壁厚为~0.55mm。由于松套质量对成缆和施工接续都有一定影响，因此在检查光缆质量时，应注意到这一点。从这几种结构可以看出，对于架空、管道、直埋等不同敷设条件的光缆，在结构上主要区别是在护层的材料、方式以及中心加强件的截面积。一般为：架空光缆、管道光缆护层为AL—PE粘接护层，中心加强构件按200kg张力设计。埋式光缆护层应有PE内护层或AL—PE粘接内护层(后者更好)皱纹钢带或钢丝铠装层、PE外护层；中心加强构件按400kg设计。对于用于白蚁地区的埋式(防鼠害)光缆，只是将埋式普通光缆的外护层外边，再增加一层尼龙12外护层。2.骨架式结构光缆目前，骨架式结构光缆较受用户及厂商的欢迎，其原因是它具有下列特点：⑴骨架结构对光纤有良好的保护性能、侧压强度好，对施工尤其是管道布放有利。图1-16芯骨架式光缆图1-17骨架式自承式架空光缆⑵它可以用一次涂层光纤直接放置于骨架槽内，省去松套管二次被覆过程。但实际工程表明，如用松套管有利于光缆连接。⑶可用n根光纤基本骨架组成不同光纤数量和性能的光缆。如图1-16每个光纤槽内放1～4根一次涂层光固化光纤，则可满足12～48芯光缆的要求。(4)不需要特殊设备，原有电缆制造设备进行适当改进就能满足要求。骨架式光缆，关键在具有光纤槽的塑料骨架。材料一般是低密度聚乙烯，加强芯由多股细钢丝或增强型塑料。骨架式有中心增强螺旋型、分散增强基本单元型，目前，我国采用的骨架式结构式光缆，都是如图示的方式。图1-17是采用骨架结构的自承式架空光缆。光缆制造中，骨架的光纤槽几何形状确定后，通过调节合适的节距，使光纤余长适应光纤应力和热膨胀性能的需要，这是非常重要的技术，它将影响到光缆的机械的和温度性能，同时对施工及施工后光纤残余应力的产生有一定的影响。3.束管式结构光缆从对光纤的保护来说，束管式结构光缆最合理。图是属于分散加强构件配置方式的束管式结构光缆。由于束管式结构光纤与加强芯分开，因而提高了网络传输的稳定可靠性。同时束管式结构，由于直接将一次光固化涂层光纤放置于束管中，所以光缆的光纤数量灵活。图1-186～48芯束管式光缆　　　　　图1-19中心束管式带状光缆图图1-20层绞式带状光缆4.带状结构光缆带状结构光缆的优点，是可容纳大量的光纤，图1-19示的带状结构光缆，其光纤数量在100芯以上。作为用户光缆可满足实际需要。同时带状光缆还可以单元光纤的一次连接，以适应大量光纤接续、安装的需要。随着光通信的发展，光纤用户网线路将大量使用这种结构的光缆。5.单芯结构光缆单芯结构光缆简称单芯软光缆，如图1-21所示。是光缆传输系统中不可缺少的单芯软光缆，它必须采取紧套光纤来制作。其外护层多数采用具有阻燃性能的聚氯乙烯塑料。这种结构的光缆主要用于局、站光缆内各光纤通过与软光缆间连接引至光纤分配架及设备机盘。另外，用来制作仪表测试软线和特殊通信场所使用的特种光缆以及制作单芯软光缆和光纤，其几何、光学参数要求一致性好，以减少连接损耗。图1-21单芯结构光缆6.特殊结构光缆除上述各种不同结构的通信光缆外，还有一些特殊结构的光缆，主要有光/电力组合缆、光/架空地线组合缆和深海用光缆及无金属光缆。(1)海底光缆用于海底敷设用的通信光缆，其结构和光纤(机械)性能都要求很高。(2)无金属光缆无金属光缆是指光缆除光纤、绝缘介质外，其它包括增强构件、护层均是全塑结构，适用于强电场合，如电站、电气化铁道及强电磁干扰地带。它具有抗电磁干扰的特点。缆内用油膏填充来提高防水性能。无金属光缆多用于架空线路。(3)架空复合地线光缆(OPGW)架空复合地线光缆(OPGW----OpticalFiberCompositeOverheadGroundWire)兼具地线和光缆的双重功能，这种地线光缆结构简单可靠，可以与现有地线相匹配，并且安装在铁塔上不会增加负荷，可以保持铁塔现有挡距，非常适合应用在输电线路上。80年代初，OPGW以其高可靠性、优越的机械、电气性能及良好的经济性和实用性在全球得到广泛的运用。目前，国际上已公认这种通信方式是电力系统较有发展前途的通信手段之一。光纤复合架空地线开辟了电力系统应用光纤通信技术的新领域。图1-22架空复合地线光缆第五节光缆的种类光缆的分类光缆的种类较多，其分类的方法就更多。它的很多分类，不如电缆分类那样单纯、明确。下面介绍一些我们习惯的分类。1.根据传输性能、距离和作用，光缆可分为市话光缆、长途光缆、海底光缆和用户光缆。2.按光纤的种类可分为多模光缆、单模光缆；按为纤套塑可分为紧套光缆、松套光缆、束管式光缆和带状多芯单元光缆。3.按光纤芯数的多少可分为单芯光缆、双芯光缆、四芯光缆、六芯光缆、八芯光缆、十二芯光缆、二十四芯光缆等。4.按加强构件配置方法可分为中心加强构件光缆(如层绞光缆、骨架光缆等)，分散加强构件光缆(如束管两侧加强光缆和扁平光缆)护层加强构件光缆(如束管钢丝轻铠光缆和PE护外层加一定数量的细钢丝即PE细钢丝综合护层光缆)。5.按敷设方式可分为管道光缆、直埋光缆、架空光缆和水底光缆。6.按护层材料性质可分为聚乙烯护层普通光缆、聚氯乙烯护层阻燃光缆和尼龙防蚁防鼠光缆。7.按传输导体、介质状况可分为无金属光缆、普通光缆(包括有铜导线作远供或联络用的金属加强构件、金属护层光缆)和综合光缆(指用于长距离通信的光缆和用于区间通信的对称四芯组综合光缆，它主要用于铁路专用网通信线路)。8.按结构方式可分为扁平结构光缆、层绞式结构光缆、骨架结构光缆、铠装结构光缆(包括单、双层铠装)和高密度用户光缆等。9.目前通信用光缆可分为：⑴室(野)外光缆——用于室外直埋、管道、槽道、隧道、架空及水下敷设的光缆。⑵软光缆——具有优良的曲挠性能的可移动光缆。⑶室(局)内光缆——适用于室内布放的光缆。⑷设备内光缆——用于设备内布放的光缆。⑸海底光缆——用于跨海洋敷设的光缆。⑹特种光缆——除上述几类之外，作特殊用途的光缆。光缆的型号光缆的种类较多，同其它产品一样，有具体的型式和规格。根据《YD/T908-2000光缆型号命名方法》的规定，目前光缆型号由它的型式代号和光纤的规格两部分构成，中间用一短线分开。ⅠⅡⅢⅣⅤ外护层护层等派生（形状、特性等）加强构件分类光缆型式由五个部分组成，如下图所示。图中：Ⅰ分类代号及其意义为：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GS——通信用设备内光缆GH——通信用海底光缆GT——通信用特殊光缆Ⅱ加强构件的代号及其意义为：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Ⅲ派生特征的代号及其意义为：B——扁平式结构C——自承式结构D——光纤带结构G——骨架槽结构J——光纤紧套被覆结构S——松套结构T——填充式结构X——中心束管结构Z——阻燃Ⅳ护层的代号及其意义为：Y——聚乙烯护层V——聚氯乙烯护层U——聚氨酯护层A——铝—聚乙烯粘结护层L——铝护套G——钢护套Q——铅护套S——钢—聚乙烯综合护套Ⅴ外护层的代号及其意义为：外护层是指铠装层及其铠装外边的外被层。外护层的代号及其意义如表1-2所示。表1-2外护层的代号及其意义代号铠装层(方式)代号外被层(材料)0无0无1——1纤维层2双钢带2聚氯乙烯套3细圆钢丝3聚乙烯套4粗圆钢丝————5单钢带皱纹纵包————2.光纤的规格光纤的规格由光纤数和光纤类别构成。如果同一根光缆含有两种或以上的规格，中间应该”-“连接。①光纤数目代号光纤的数目用光缆中同类别光纤的实际有效数目来表示。②光纤类别代号依据IEC60793-2(2001)〈光纤第二部分：产品规范〉等标准，用大写字母A代表多模光纤，如表1-3所示。大写字母B代表单模光纤，如表2-4所示。接着以数字和小写字母表示不同种类和类别的光纤。表1-3多模光纤分类代号特性纤芯直径(微米)包层直径(微米)材料A1a渐变折射率50125二氧化硅A1b渐变折射率125二氧化硅A1c渐变折射率85125二氧化硅A1d渐变折射率100140二氧化硅A2a突变折射率100140二氧化硅表1-4单模光纤分类代号名称材料非色散位移型二氧化硅截止波长位移型二氧化硅B2色散位移型二氧化硅B4非零色散位移型二氧化硅2.光缆型号示例例1光缆型号为GYTA53—12A1其含义为：松套层绞结构、金属加强件、铝－聚乙烯粘结护层、单钢带皱纹纵包式铠装、聚乙烯外护套，通信用室外光缆，内装12芯二氧化硅系多模渐变型光纤。例2光缆型号为GYDXS—216B1其含义为：金属加强件、带状光纤、中心束管式结构、钢—聚乙烯粘结护层，通信用室外光缆，内装216根二氧化硅系单模光纤。光缆端别与纤序的识别光缆中光纤单元、单元内光纤，采用全色谱或领示色谱来识别光缆的端别与光纤序号。对于工程测量和接续工作，必须首先注意光缆的端别和了解光纤纤序的排列。由于各个国家的产品的色谱排列和标志色不完全一致，所以在施工中主要按照厂家的规定识别光缆的端别和纤序，如果厂家没有规定则按照以下要求进行识别。一般识别方法是，面对光缆截面，由领示光纤(或导电线或填充线)，以红一绿(或蓝—黄等)顺时针为A端；逆时针为B端。光纤纤序列排列主要有下列几种方式(以下以A端截面为例)：1.以红一绿领示电导线或填充线中间的光纤为1号纤，顺时针数为2号……2.以红一绿领示色紧套、松套(单芯)骨架(单芯)，其红色为1号纤，绿色为2号纤，顺时针数的3号、4号……3.以红一绿(或蓝、黄)领示色松套(双芯)，红(或蓝)为1管，绿(或黄)2管，红(或蓝)一绿顺时针计数。4.以蓝、黄领示单元松套(6芯)，蓝色为一单元(组)，黄色2单元(组)，单元管内6芯光纤折全色谱纤序为：蓝、黄、绿、棕、灰、白。如按上述方式不能区分端别,则按光缆外护套上标明光缆长度的数码来区分,如规定小数字端为A端,大数字端为B端。在施工设计中有明确规定的应按设计中的规定来区别光缆端别。在确定了光缆的端别后,就可以确定光纤的纤序了。一般来说,按照端别和光纤涂覆层的颜色可以将光纤的纤芯顺序区分清楚。