标题：光纤光缆
光纤光缆-简介
传送光波的介质波导。光纤是由成同心圆的双层透明介质构成的一种纤维  光纤光缆。使用最广泛的介质材料是石英玻璃(SiO2)。内层介质称为纤芯，其折射率高于外层介质（称为包层）。通过在石英玻璃中掺锗、磷、氟、硼等杂质的方法调节纤芯或包层的折射率。通信用光纤的传输波长主要为0.8～1.7微米的近红外光。光纤的芯径因类型而异,通常为数微米到100微米，外径大多数约为 125微米。它的外面有塑料被覆层。光缆（图2）由单根或多根光纤组合并加以增强和保护制成。光缆可以在各种环境下使用。光缆的制造方法与电缆相似。 
光纤光缆
光纤通信是现代信息传输的重要方式之一。它具有容量大、中继距离长、保密性好、不受电磁干扰和节省铜材等优点。
发展概况
随着光纤光缆行业竞争的不断加剧，大型光纤光缆企业间并购整合与资本运作日趋频繁，国内优秀的光纤光缆生产企业愈来愈重视对行业市场的研究，特别是对企业发展环境和客户需求趋势变化的深入研究。正因为如此，一大批国内优秀的光纤光缆品牌迅速崛起，逐渐成为光纤光缆行业中的翘楚！
光纤通信的诞生与发展是电信史上的一次重要革命。人类社会的信息化建设正在加速进行，即 使是在全球经济发展不景气的情况下，通信和信息行业还十分火红。目前，光纤通信正朝高速、超高速、超大容量的光纤传输及全光网方向发展。我国在实现信息化进程中，“九五”期间中国电信 完成了“八纵八横”的光缆干线敷设。一个以光缆为主体的骨干通信网逐步形成。四通八达的高容量光缆干线已成为我国的“信息通道”。随着通信事业的不断发展，从省到市、县甚至乡镇也敷设 了光缆。“光纤到户”的日期越来越临近了。近几年来，随着技术的进步，电信体制的改革以及电 信市场的逐步全面开放，更由于IP业务的爆炸式发展所带来的带宽的巨大需求，光纤通信的发展又一次呈现出蓬勃发展的新局面。
用玻璃纤维传光已有30多年。初期的光纤应用仅限于某些光学机械和医疗设备（如灯光导引及胃镜等），传输的是可见光，衰减高达1000分贝/公里。1966年，高锟首先提出用石英基玻璃纤维进行长距离光信息传输的设想。1970年在美国用化学气相沉积法制成了高纯石英光纤,其衰减降为20分贝/公里，从而使长距离传输成为现实。其后，光纤的衰减迅速下降，到70年代后期已降至0.2分贝/公里的理论极限水平。光纤的带宽不断增加，到80年代初带宽达到数百吉赫·公里的单模光纤已可供实用。已研制成中继距离超过100公里,容量达数百兆比/秒的光纤通信系统。光纤通信设备制造已经发展成为一个新兴的工业部门。光纤中光波强度和相位随温度、电场、磁场等物理量的改变而变化的特点，已被用于高灵敏度的遥测传感器。
基本原理
光纤传输基于可用光在两种介质界面发生全反射的原理。图3为突变型光纤,n1为纤芯介质的折射率，n2为包层介质的折射率,n1大于n2，进入纤芯的光到达纤芯与包层交界面（简称芯-包界面）时的入射角大于全反射临界角θc时,就能发生全反射而无光能量透出纤芯，入射光就能在界面经无数次全反射向前传输。
光纤光缆
当光纤弯曲时，界面法线转向，入射角度小，因此一部分光线的入射角度变得小于θc而不能全反射。但原来入射角较大的那些光线仍可全反射，所以光纤弯曲时光仍能传输，但将引起能量损耗。通常，弯曲半径大于50～100毫米时,其损耗可忽略不计。微小的弯曲则将造成严重的“微弯损耗”。 
人们常用电磁波理论进一步研究光纤传输的机制，由光纤介质波导的边界条件来求解波动方程。在光纤中传播的光包含有许多模式，每一个模式代表一种电磁场分布，并与几何光学中描述的某一光线相对应。光纤中存在的传导模式取决于光纤的归一化频率ν值 
  公式
式中NA为数值孔径，它与纤芯和包层介质的折射率有关。ɑ为纤芯半径，λ为传输光的波长。光纤弯曲时，发生模式耦合，一部分能量由传导模转入辐射模，传到纤芯外损耗掉。 
性能 　光纤的主要参数有衰减、带宽等。
光纤衰减
造成光纤衰减的因素有散射损耗、吸收损耗和微弯损耗等。散射损耗主要由瑞利散射产生，它是由玻璃的不规则分子结构引起的微观折射率波动所造成的，是光纤的固有损耗，也是光纤衰减的最低限。它与λ4成反比。在波长小于0.8微米时,瑞利散射损耗迅速上升，限制了光纤的使用。光纤基质材料SiO2和掺杂氧化物分子的本征吸收损耗又使光纤的衰减，在波长大于1.7微米时，迅速增大。因此,这类光纤的使用波长就被限制在0.8～1.7微米范围内。在这一范围内，衰减主要是石英玻璃中所含的杂质Fe+ +、Cu+ + 等过渡金属离子和OH-。的吸收损耗造成的。随着纯化工艺的改进,杂质吸收损耗已被基本上消除，从而达到了瑞利散射损耗的极限。光纤的不规则微小弯曲引起模式耦合,造成微弯损耗,因此在加工和使用中应尽量避免光纤微弯。
光纤带宽
光纤传输的载波是光,虽然频带极宽,但并不能充分利用，这是由于光在光纤中传输有色散（模间色散、材料色散和波导色散）的缘故。它们在不同程度上影响光纤带宽。
模间色散是由于不同模式的光线在芯- 包界面上的全反射角不同，曲折前  光纤光缆进的路程长短不一。因而,一束光脉冲入射光纤后,它所含的各模式经一定距离传输到达终点的时间会有先后，因而引起脉冲展宽。它可使一束窄脉冲展宽达20纳秒/公里左右，光纤的相应带宽约为20兆赫·公里。
材料色散是一种模内色散。光纤所传输的光即使是激光，也包含有一定谱宽的不同波长的光分量。例如，GaAlAs半导体激光器发出的激光谱宽约为 2纳米。光在介质中的传输速度与折射率 n有关，而石英介质的折射率随波长变化，因此当一束光脉冲入射光纤后，即使是同一模式，传输群速也会因光波长不同而有差异，致使到达终点后的脉冲展宽,这就是材料色散。在1.3微米附近，折射率随波长的变化极小,因此,材料色散很小（例如3皮秒/公里·纳米）。消除模间色散可使光纤带宽大大提高。纯石英在1.27微米波长上具有零色散特性。 
波导色散也是一种模内色散，是由于模式传播常数随波长变化引起群速差异而造成的。波导色散更小。在1.3微米波长附近,材料色散显著减小，以致二者大致相同，并有可能相互抵消。 　光纤的种类 　按使用的材料分，有石英光纤、多组分玻璃光纤、塑料包层光纤和塑料光纤等几大类。其中石英光纤以高纯SiO2玻璃作光纤材料，具有衰减低、频带宽等优点，在研究及应用中占主要地位。如按纤芯折射率分类主要有突变型光纤和渐变型光纤。按传输光的模式分，有多模光纤和单模光纤。
突变型光纤
纤芯部分折射率不变,而在芯-包界面折射率突变。纤芯中光线轨迹呈锯齿形折线。这种光纤模间色散大，带宽只有几十兆赫·公里。常做成大芯径，大数值孔径（例如芯径为100微米，NA为0.30）光纤,以提高与光源的耦合效率，适用于短距离、小容量的通信系统。
渐变型光纤
纤芯折射率分布如图4。纤芯中心折射率最高，沿径向按下式渐变： 
n(r)=n1【1-2墹(r/ɑ)α】1/2　(2)
式中 α为折射率分布指数。可以把这种光纤的纤芯分割成多层突变型光纤来分析  光纤光缆其传输原理。在分析中可近似地认为各层内折射率均匀。当入射角为θ0的光线入射纤芯后，在各层界面依次折射。按折射定律，折射角θ1逐渐增大，直到大于全反射临界角θc；发生全反射后，即折向纤芯中心。然后，经各层时折射角又逐渐减小，到达中心时仍为θ0。结果光线呈正弦形轨迹。高次模即入射角较大的光线处于靠近包层的区域，这里折射率较小，光速较大，因此虽然路程较长，传输时间仍有可能与处于中心区的低次模接近或一致，即各模式的光线轨迹可聚焦于一点，使模间色散大大减小。当折射率分布接近抛物线(α=2)时，模间色散最小，带宽可达吉赫·公里的水平。 
光纤光缆
单模光纤
当光纤的归一化频率ν<2.41时,光纤中只允许单一模式（基模）传输，就成为单模光纤。根据式(2)，这种光纤芯径和数值孔径必然很小,一般芯径只有数微米，因此连接耦合难度大。由于是单模传输，消除了模间色散,在波长1.3微米附近材料色散又趋近于零，因此带宽极大（可达数百吉赫·公里）。单模光纤被视为今后大容量长途干线通信的主要传输线。
多组分玻璃光纤
组成光纤的玻璃成分以SiO2为主，约占百分之几十，此外还含有碱金  光纤光缆属、碱土金属、铅硼等的氧化物。它的特点是熔点低（1400摄氏度以下），可用传统的坩埚法拉丝，适于制做大芯径、大数值孔径光纤。这种光纤尚处于研制阶段，故应用不多。
塑料包层光纤
这是一种以高纯石英作纤芯、塑料（如有机硅）作包层的突变型多模光纤。芯径和数值孔径较大，例如芯径大于200微米，NA大于0.3。这种光纤便于连接和耦合，适于短距离小容量系统使用。
塑料光纤
光纤材料主要是特制的高透明度的有机玻璃、聚苯乙烯等塑料，可做成突变型或渐变型多模光纤，光纤衰减已从初期的500～1000分贝/公里降低到数十分贝/公里,但仍须进一步降低。它的特点是柔软、加工方便、芯径和数值孔径大。
被覆光纤
裸光纤脆而易断，这是因为玻璃光纤表面总是存在随机分布的微裂纹，在潮气、尘  光纤光缆埃和应力作用下迅速增殖而导致破坏。在光纤拉丝的同时立即涂覆一层塑料护层，制成一次被覆光纤，可保证光纤的高强度和长寿命。但为了进一步提高其耐压和抗弯折等机械性能，便于成缆和使用，往往在表面上再挤覆一层较厚的塑料层，这就是二次被覆光纤,也称被覆光纤。它的外径一般为 1毫米左右。按照光纤在二次被覆护层中的松动状态，还可分为松包光纤和紧包光纤两类。
光缆结构
按照被覆光纤在光缆中所处的状态，光缆有紧结构与松结构两类。骨架型光缆是一种  光纤光缆典型的松结构。光纤埋在骨架外周螺旋槽中，有活动余地。这种光缆隔离外力和防止微弯损耗的特性较好。图2b的绞合型光缆当使用紧包光纤时是一种典型的紧结构，被覆光纤被紧包于缆结构中，但绞合型光缆使用松包光纤时，由于光纤在二次被覆塑料管中可以活动，仍属松结构。绞合型光缆的成缆工艺较为简单，性能良好。此外，还有带状光缆、单芯光缆等结构类型。 
各种光缆中都有增强件，用以承载拉力。它由具有高弹性模量的高强度材料制成，常用的有钢丝、高强度玻璃纤维和高模量合成纤维芳纶等。增强件使光缆在使用应力下只产生极低的伸长形变（例如小于0.5%）,以保护光纤免受应力或只承受极低的应力，以防光纤断裂。 
光缆的护套结构和材料视使用环境和要求而定，与同样使用条件下的电缆基本相同。按照光缆的使用环境分，有架空光缆、直埋光缆、海底光缆、野战光缆等。
新型光纤光缆
用于长途通信的新型大容量长距离光纤光缆
主要是一些大有效面积、低色散维护的新型G.655光纤光缆，其PMD值极低，可以使现有传输系统的容量方便地升级至10～40Gbit/s，并便于在光纤光缆上采用分布式拉曼效应放大，使光信号的传输距离大大延长。
用于城域网通信的新型低水峰光纤光缆
城域网设计中须要考虑简化设备和降低成本，还须要考虑非波分复用技能（CWDM）运用的可能性。低水峰光纤光缆在1360～1460nm的延伸波段使带宽被大大扩展，使CWDM系统被极大地优化，增大了传输信道、增长了传输距离。一些城域网的设计可能不仅要求光纤光缆的水峰低，还要求光纤光缆具有负色散值，一方面可以抵消光源光器件的正色散，另一方面可以组合运用这种负色散光纤光缆与G.652光纤光缆或G.655标准光纤光缆，运用它来做色散补偿，从而防止复杂的色散补偿设计，节约成本。如果将来在城域网光纤光缆中采用拉曼放大技能，这种网络也将具有明显的优势。但是毕竟城域网的规范还不是很成熟，所以城域网光纤光缆的规格将会随着城域网模式的变化而不断变化。
用于局域网的新型多模光纤光缆
由于局域网和用户驻地网的高速发展，大量的综合布线系统也采用了多模光纤光缆来代替数字电缆，因此多模光纤光缆的市场份额会逐渐加大。之所以选用多模光纤光缆，是因为局域网传输距离较短，虽然多模光纤光缆比单模光纤光缆价格贵50%～100%，但是它所配套的光器件可选用发光二极管，价格则比激光管便宜很多，而且多模光纤光缆有较大的芯径与数值孔径，容易连接与耦合，相应的连接器、耦合器等元器件价格也低得多。ITU-T至今未接受62.5/125μm型多模光纤光缆标准，但由于局域网发展的须要，它仍然得到了广泛运用。而ITU-T推选的G.651光纤光缆，即50/125μm的标准型多模光纤光缆，其芯径较小、耦合与连接相应困难一些，虽然在部分欧洲国家和日本有一些运用，但在北美及欧洲大多数国家很少采用。针对这些疑问，目前有的公司已执行了改良，研制出新型的5O/125μm光纤光缆渐变型（G1）光纤光缆，区别于传统的50/125μm光纤光缆纤芯的梯度折射率分布，它将带宽的正态分布执行了调整，以配合850nm和1300nm两个窗口的运用，这种改良可能会为50/125pm光纤光缆在局域网运用找到新的市场。
前途未卜的空芯光纤光缆
据报道，美国一些公司及大学研究所正在开发一种新的空芯光纤光缆，即光是在光纤光缆的空气够传输。从理论上讲，这种光纤光缆没有纤芯，减小了衰耗，增长了通信距离，防止了色散导致的干扰现象，可以支持更多的波段，并且它允许较强的光功率注入，估计其通信能力可达到目前光纤光缆的100倍。欧洲和日本的一些业界人士也十分关注这一技能的发展，越来越多的研究证明空芯光纤光缆似有可能。如果真能实用，就能处理现有光纤光缆系统长距离传输的疑问，并大大降低光通信的成本。但是，这种光纤光缆运用起来还会遇到许多棘手的疑问，比如光纤光缆的稳定性、侧压性能及弯曲损耗的增大等。因此，对于这种光纤光缆的现场运用还需做进一步的探讨。
选用光纤光缆时的几个参考要点
光纤光缆的选用除了根据光缆芯数和光纤种类，还要根据光纤的使用来选择光缆的外护套，在选用时要注意以下几点：
1.户外用光缆直埋时，宜选铠装光缆，架空时，可选用两根或多根加强筋的黑色塑料外护套的光缆。
2.建筑物内用的光缆在选用时应该注意其阻燃，毒和烟的特性，一般在管道中和强制通风处，可选用阻燃和有烟的类型，暴露的环境中应选用阻燃、无烟和无毒的类型。
3楼内垂直布线时，可选用层绞是光缆；水平布线式，可选用分支光缆。
4.传输距离在2kg以内的可选用多模光缆；超过2kg可选用中继或单模光缆。
以上是单从应用方面考虑应该主义的几个问题，实施时候还需要灵活掌握，其实，布线环境复杂多样，各种问题都可能随时出现，这就需要我们在规划和施工时严格按照布线标准实施，遇到问题，灵活分析，就会圆满解决。
单模光纤，只传输主模，也就是说光线只沿光纤的内芯进行传输，由于完全避免了模式射散使得单模光纤的传输频带很宽，因而适用于大容量，长距离的光纤通讯，单模光纤使用的光波长1310nm或1550nm。
多模光纤，在一定的工作波长下，有多个模式在光纤中传输，这种光纤称之为多模光纤，由于色散或像差，因此这种光纤传输性能较差频带比较窄，传输容量比较小，距离也比较短。
光纤光缆的选择要点
1、光缆芯数的选定
在施工方便的条件下，尽量选择盘长较大的光缆。选择光缆芯数时，要把近期效益和长期规划结合起来，充分考虑扩容的可能性；根据“建设一条线服务一大片”的指导思想，充分考虑沿途各大单位的通信需要。
2、光缆结构程式的选择
长途干线光缆应采用波长1310nm窗口，并能在1550nm窗口使用的单模光纤；光纤筛选张力应不小于5N（牛顿）；采用无金属线对光缆，在雷击严重或强电影响地段可采用非金属构件加强芯光缆，光缆芯采用充油膏结构。
光缆护层结构选择的规定：架空和管道光缆（简易塑料管管道）为防潮层+PE外护层；直埋光缆为防潮层+PE内护层+钢带铠装层+PE外护层；水底光缆为防潮层+PE内护层+粗钢丝铠装层+PE外护层。
光缆的机械性能应符合表1.1所规定。光缆承受短期允许张力或侧压力，在张力或侧压力解除后光纤衰减不变化，光纤延伸率不大于0.15%；光缆在承受长期允许张力或侧压力时，光纤衰减不变化，光缆延伸率不大于0.2%，光前没有应变。
3、水底光缆的选用
通航机动船、帆船、木筏较多的主要航运河流，应采用钢丝铠装光缆；河水流速特别急、河道变化较大时，应采用双层钢丝铠装光缆；河宽（两堤或自然岸间）大于150m的平原河流，宜采用钢丝铠装光缆；有的河宽虽小于150m，但流速较大（3m/s以上）、河床土质松散、两岸易受冲刷塌方、河底坎坷不平或为石质河床、大卵石河床，应才用刚丝铠装的水底光缆；有的河宽虽不大于150m，但河床土质稳定，流速很小，河道顺直又无冲刷现象，可不采用刚丝铠装的水底光缆；山区河流，应根据河床土质、流速、流量的大小、冲刷程度以及上游水文等情况确定。备用水底光缆的设置，综合考虑的因素有：特大的河流；河床稳定性能很差的较大河流；有其他特殊要求；限于自然地形和施工条件，光缆的安全程度较差或抢修很困难。[1]
展望
由于瑞利散射损耗与λ4成反比，石英光纤在长波长（1.3～1.6微米）下具有更低  光纤光缆的衰减，因此长波长光纤将获得最广泛的使用。目前 1.3微米的长波长光纤已取代0.85微米的短波长光纤。人们正在研制1.55微米波长的传输系统。以及工作波长更长、衰减更低的新型光纤材料。单模光纤具有更高的带宽，并能适应相干传输和外差接收新技术，可大大扩展中继距离和信息容量，已成为人们研究的重点，单模光纤可在长途干线及海底光缆中大量使用。工作在一个偏振状态的偏振维持型单模光纤适用于相干传输和相位调制型光纤传感器。 　
光纤光缆(4张)