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光纤和光缆基础知识 湖北凯乐新材料科技股份有限公司 二OO二年六月 光纤和光缆基础知识 一、光纤 1. 光纤结构 光纤(Optical Fiber)是由中心的纤芯和外围的包层同轴组成的圆柱形细丝。纤芯的折射率比包层稍高，损耗比包层更低，光能量主要在纤芯内传输。包层为光的传输提供反射面和光隔离，并起一定的机械保护作用。图1示出光纤的外形。设纤芯和包层的折射率分别为n1和n2，光能量在光纤中传输的必要条件是n1＞n2。纤芯和包层的相对折射率差△=( n1-n2)/n1的典型值，一般单模光纤为0.3％～0.6％，多模光纤为1％～2％。△越大，把光能量束缚在纤芯的能力越强，但信息传输容量却越小。 图1 光纤的外形 光纤类型 光纤种类很多，这里只讨论作为信息传输波导用的由高纯度石英(SiO2)制成的光纤。实用光纤主要有三种基本类型，图2示出其横截面的结构和折射率分布，光线在纤芯传播的路径，以及由于色散引起的输出脉冲相对输入脉冲的畸变。这些光纤的主要特征如下。 突变型多模光纤 (Step-Index Fiber, SIF) 如图2(a)，纤芯折射率为n1保持不变，到包层突然变为n2。这种光纤一般纤芯直径2a=50～80μm，光线以折线形状沿纤芯中心轴线方向传播，特点是信号畸变大。 渐变型多模光纤 (Graded-Index Fiber, GIF) 如图2(b)，在纤芯中心折射率最大为n1，沿径向r向外围逐渐变小，直到包层变为n2。这种光纤一般纤芯直径2a为50μm，光线以正弦形状沿纤芯中心轴线方向传播，特点是信号畸变小。 单模光纤 (Single-Mode Fiber, SMF) 如图2(c) 折射率分布和突变型光纤相似，纤芯直径只有8～10μm，光线以直线形状沿纤芯中心轴线方向传播。因为这种光纤只能传输一个模式（两个偏振态简并），所以称为单模光纤，其信号畸变很小。 图2 三种基本类型的光纤 突变型多模光纤； (b)渐变型多模光纤； (c)单模光纤 相对于单模光纤而言，突变型光纤和渐变型光纤的纤芯直径都很大，可以容纳数百个模式，所以称为多模光纤。渐变型多模光纤和单模光纤，包层外径2b都选用125μm。实际上，根据应用的需要，可以设计折射率介于SIF和GIF之间的各种准渐变型光纤。为调整工作波长或改善色散特性，可以在图2(c)常规单模光纤的基础上，设计许多结构复杂的特种单模光纤。最有用的若干典型特种单模光纤的横截面结构和折射率分布示于图3，这些光纤的特征如下。 双包层光纤 如图3(a)所示，折射率分布像W形，又称为W型光纤。这种光纤有两个包层，内包层外直径2a′与纤芯直径2a的比值a′/a≤2。适当选取纤芯、外包层和内包层的折射率n1、n2和n3，调整a值，可以得到在1.3～1.6μm之间色散变化很小的色散平坦光纤(Dispersion-Flattened Fiber，DFF)，或把零色散波长移到1.55μm的色散移位光纤(Dispersion-Shifted Fiber，DSF)。 三角芯光纤 如图3(b)所示，纤芯折射率分布呈三角形，这是一种改进的色散移位光纤。这种光纤在1.55μm有微量色散，有效面积较大，适合于密集波分复用和孤子传输的长距离系统使用，康宁公司称它为长距离系统光纤，这是一种非零色散光纤。 椭圆芯光纤 如图3(c)所示，纤芯折射率分布呈椭圆形。这种光纤具有双折射特性，即两个正交偏振模的传输常数不同。强双折射特性能使传输光保持其偏振状态，因而又称为双折射光纤或偏振保持光纤。 图3 典型特种单模光纤 (a)双包层； (b)三角芯； (c)椭圆形 以上各种特征不同的光纤，其用途也不同。突变型多模光纤信号畸变大，相应的带宽只有10～20MHz·km，只能用于小容量(8Mb/s以下)短距离（几km以内）系统。渐变型多模光纤的带宽可达1～2GHz·km，适用于中等容量(34～140Mb/s)中等距离(10～20km)系统。大容量(565Mb/s～2.5Gb/s)长距离(30km以上)系统要用单模光纤。 特种单模光纤大幅度提高光纤通信系统的水平。1.55μm色散移位光纤实现了10Gb/s容量的100km的超大容量超长距离系统。色散平坦光纤适用于波分复用系统，这种系统可以把传输容量提高几倍到几十倍。三角芯光纤有效面积较大，有利于提高输入光纤的光功率，增加传输距离。外差接收方式的相干光系统要用偏振保持光纤，这种系统最大优点是提高接收灵敏度，增加传输距离。 3. 光纤种类和应用 光纤种类 (1) 多模光纤 ① 结构 两种多模光纤结构，如图4和图5所示。通常，光纤的纤芯用来导光，包层保证光全反射只发生在芯内，涂覆层则为保护光纤不受外界作用和