3.2　光纤和光缆

3.2.1　光纤通信基本概念

光纤通信是以光为载波，以光纤为传输介质的通信方式。任何通信系统追求的最终技术目标都是要可靠地实现最大可能的信息传输容量和传输距离。通信系统的传输容量取决于对载波调制的频带宽度，载波频率越高，频带宽度越宽。光纤通信的载波是光波。

虽然光波和电波都是电磁波，但是频率差别很大。目前，光纤通信用的近红外光波长范围为0.8～1.8μm，频率约300 THz。光纤通信用的频带宽度约为200THz，在常用的1.31μm和1.55μm两个波长窗口频带宽度也在20THz以上。由于光源和光纤特性的限制，目前，光强度调制的带宽一般只有20GHz，因此还有3个数量级以上的带宽潜力可以挖掘。

光纤是由绝缘的石英（SiO₂）材料制成的，通过提高材料纯度和改进制造工艺，可以在宽波长范围内获得很小的损耗。

在光纤通信系统中，作为载波的光波频率比电波频率高得多，而作为传输介质的光纤又比同轴电缆或波导管的损耗低得多，因此相对于电缆通信或微波通信，光纤通信具有许多独特的优点。

①容许频带很宽，传输容量很大　目前，单波长光纤通信系统的传输速率一般为2.5Gbit/s和10Gbit/s。采用外调制技术，传输速率可以达到40Gbit/s。波分复用和光时分复用更是极大地增加了传输容量。DWDM最高水平为132个信道，传输容量为20Gbit/s×132=2640Gbit/s。

②损耗小，中继距离长　石英光纤在1.31μm和1.55μm波长，传输损耗分别为0.50dB/km和0.20dB/km，甚至更低，因此中继距离长。目前，采用外调制技术，波长为1.55μm的色散移位单模光纤通信系统，若其传输速率为2.5 Gbit/s，则中继距离可达150km；若其传输速率为10Gbit/s，则中继距离可达100km。

传输容量大、传输误码率低、中继距离长的优点，使光纤通信系统不仅适合于长途干线网，而且适合于接入网的使用，这也是降低每公里话路系统造价的主要原因。

③重量轻、体积小　光纤重量很轻，直径很小。即使做成光缆，在芯数相同的条件下，其重量还是比电缆轻得多，体积也小得多。

④抗电磁干扰性能好　光纤由电绝缘的石英材料制成，光纤通信线路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周围和油田、煤矿等易燃易爆环境中使用。光纤（复合）架空地线（OPGW）是光纤与电力输送系统的地线组合而成的通信光缆，已在电力系统的通信中发挥重要作用。

⑤泄漏小，保密性能好　在光纤中传输的光泄漏非常微弱，即使在弯曲地段也无法窃听。没有专用的特殊工具，光纤不能分接，因此信息在光纤中传输非常安全。

⑥节约金属材料，有利于资源合理使用　制造同轴电缆和波导管的铜、铝、铅等为金属材料；而制造光纤的石英（SiO₂）在地球上基本上是取之不尽的材料。

总之，光纤通信不仅在技术上具有很大的优越性，而且在经济上具有巨大的竞争能力，因此其在信息社会中将发挥越来越重要的作用。

3.2.2　光纤和光缆的结构与分类

（1）光纤的结构

光纤是光纤通信系统中的传输介质，是光纤通信系统中最重要的组成部分。如图3-2所示，光纤通常是由纤芯、包层和涂覆组成的一根玻璃纤维，是一多层介质结构的对称圆柱体。纤芯的折射率比包层的折射率略高，以保证光能量主要集中在纤芯内传播；包层外面还要涂一层涂料，以保护光纤不受外来的损害，同时增加光纤的机械强度。经过涂覆的光纤虽已具有一定的拉伸强度，但还是不能满足在各种敷设条件下和各种环境中的使用，因而必须把光纤与其他元件组合起来构成光缆，以使其具有优良的传输性能以及抗拉、抗冲击、抗弯、抗扭等机械性能，从而满足实际使用要求。

只包含一根光纤的光缆称为单芯光缆。除此之外还有包含多根光纤的光缆，光纤数量多的可达3000根以上，称为多芯光缆。多芯光缆中一般有加强芯，用于提高其强度，多芯光缆基本结构如图3-3所示。

光纤的结构一般用它的折射率分布函数来表征，而在光纤的横截面上，它的折射率通常都是对称分布的，只和径向坐标有关，因而通常用n（r）来表示折射率分布函数，这种分布函数也被称为光纤的折射率剖面，光纤的特性在很大程度上是由折射率分布来决定的。普通光纤的折射率分布一般有两种类型：一种是光纤材料的折射率为均匀阶跃的，称为阶跃型，如图3-4（a）所示，其中n₁为纤芯的折射率，n₂为包层的折射率；另一种是纤芯材料的折射率沿光纤径向递减，称为梯度型，如图3-4（b）所示。其中n（0）=n₁（0），为纤芯轴心处的折射率，n₂为包层的折射率。其他几种常见光纤的折射率分布为环型、W型等，如图3-4（c）和（d）所示。突变型多模光纤（Step-IndexFiber，SIF）如图3-4（a）所示，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。

（2）光缆结构和类型

光缆一般由缆芯和护套两部分组成，有时在护套外面加有铠装。缆芯按结构不同分为中心束管式光缆、层绞式光缆和骨架式光缆；按敷设条件不同分为架空光缆、管道光缆、直埋光缆和水底光缆；按光缆中光纤的松紧状态不同分为紧结构光缆、松结构光缆和半松半紧结构光缆；按使用环境与缆中材料不同可分为金属加强构件光缆、非金属加强构件光缆、阻燃光缆、防蚁光缆、电力光缆。

①缆芯　缆芯通常包括被覆光纤（或称芯线）和加强件两部分。被覆光纤是光缆的核心，决定着光缆的传输特性。

光缆类型多种多样，图3-5给出若干典型实例。根据缆芯结构的特点，光缆可分为四种基本类型。

a.层绞式。把松套光纤绕在中心加强件周围绞合而构成。这种结构的缆芯制造设备简单，工艺相当成熟，得到广泛应用。采用松套光纤的缆芯可以增强抗拉强度，改善温度特性。b.骨架式。把紧套光纤或一次被覆光纤放入中心加强件周围的螺旋形塑料骨架凹槽内而构成。这种结构的缆芯抗侧压力性能好，有利于对光纤的保护。c.中心束管式。把一次被覆光纤或光纤束放入大套管中，加强件配置在套管周围而构成。这种结构的加强件同时起着护套的部分作用，有利于减轻光缆的重量。d.带状式。把带状光纤单元放入大套管内，形成中心束管式结构，也可以把带状光纤单元放入骨架凹槽内或松套管内，形成骨架式或层绞式结构。带状式缆芯有利于制造容纳几百根光纤的高密度光缆，这种光缆已广泛应用于接入网。

②护套　护套起着对缆芯的机械保护和环境保护作用，要求具有良好的抗侧压力性能及密封防潮和耐腐蚀的能力。护套通常由聚乙烯或聚氯乙烯（PE或PVC）和铝带或钢带构成。不同使用环境和敷设方式对护套的材料和结构有不同的要求。

根据使用条件，光缆又可以分为许多类型。一般光缆有室内光缆、架空光缆、埋地光缆和管道光缆等。

③光纤连接器　其作用是使两根光纤的纤芯对准，保证90％以上的光能够通过，光纤连接器内部结构如图3-6所示。光纤活动连接器是实现光纤之间活动连接的光无源器件，它还具有将光纤与其他无源器件、光纤与系统和仪表进行活动连接的功能。

光纤连接器功能为光纤与器件、设备之间、设备和仪表之间或线路与测试仪表之间实现高质量活动连接可重复插拔。对光连接器的要求：低插损，小于0.3dB；高回损，大于50dB；重复性、互换性好：小于0.1dB；插拔寿命长：大于1000次；价格低。

光纤连接器常用结构有多种。套管结构：套管结构的连接器由插针和套筒组成。双锥结构：双锥结构连接器是利用锥面定位。V形槽结构：V形槽结构的光纤连接器是将两个插针放入V形槽基座中，再用盖板将插针压紧，利用对准原理使纤芯对准，见图3-7（a）。球面定芯结构：球面定心结构由两部分组成，一部分是装有精密钢球的基座，另一部分是装有圆锥面（相当于车灯的反光镜）的插针。透镜耦合结构：透镜耦合又称远场耦合，它分为球透镜耦合和自聚焦透镜耦合两种，见图3-7（b）、（c）。图3-8给出了不同结构的光连接器。

光纤连接器性能指标：a.光学性能，主要是插入损耗和回波损耗；b.插入损耗，即连接损耗，因连接器的导入而引起的链路有效光功率的损耗，不大于0.5dB；c.回波损耗，连接器对链路光功率反射的抑制能力，其典型值应不少于25dB；d.互换性和重复性，指对同一类型光纤能任意组合使用，并可多次重复使用，由此而导入的附加损耗一般小于0.2dB；e.抗拉强度，不低于90N；f.工作温度，在-40～70℃的温度下能正常使用；g.插拔次数，能插拔1000次以上。

（3）光纤的分类

光纤的种类很多，而且千变万化，可以采用不同的方法进行分类，目前常用的分类方法如下：①按纤芯的折射率可分为阶跃型光纤、梯度型光纤、环型光纤、Ω型光纤、W型光纤和凹陷包层等，不同的折射率分布可满足不同的光传输需要。②按构成光纤的材料可分为硅酸盐光纤（包括高纯石英光纤和多组分玻璃光纤等）、塑料光纤和液芯光纤等。硅酸盐光纤损耗很低，可用于长距离传输；塑料光纤的价格非常便宜。③按传导模式可分为单模光纤和多模光纤。单模光纤的纤芯直径仅几微米，光波在光纤中只能以一种模式传导，其信号畸变很小，可传输大容量信息。多模光纤的纤芯直径较大，光波在光纤中能以多种模式传导，具有信号强的优点。④按用途可分为通信光纤和非通信光纤。非通信光纤也称特殊光纤，有双折射光纤、涂层光纤、激光光纤和红外光纤等。

实用光纤主要有三种基本类型，图3-9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于输入脉冲的畸变，这些光纤的主要特征如下。

突变型多模光纤（Step-Index Fiber，SIF），如图3-9（a）所示，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，其特点是信号畸变大。

渐变型多模光纤（Graded-Index Fiber，GIF），如图3-9（b）所示，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，其特点是信号畸变小。

单模光纤（Single-Mode Fiber，SMF），如图3-9（c）所示，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，所以称为单模光纤。

那么怎样理解光纤模式的概念呢？光也是电磁波，电磁波是由交变的电场和磁场组成且满足一定的数学关系。光在光纤中的传播就是电场和磁场相互交替地变换传播，电场和磁场不同的分布形式（满足特定的方程）就构成不同的模式。所谓单模光纤，就是指只传输HE11一种矢量模式。多模光纤则指能同时传输多种模式（例如HE11、TM01、TE01、HE12等矢量模式）的光纤。

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3-9（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。

各种光纤，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10～20 MHz·km，用于小容量、短距离系统。渐变型多模光纤的带宽可达1～2GHz·km，适用于中等容量、中等距离系统。大容量（565Mbit/s～2.5Gbit/s）长距离（30km以上）系统要用单模光纤。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。外差接收方式的相干光系统要用偏振保持光纤，这种系统的最大优点是提高接收灵敏度，增加传输距离。

（4）光纤连接器实例

光纤连接器实例FC型光纤连接器是Ferrule Connector的缩写，表明其外部加强方式是采用金属套，紧固方式为螺纹连接紧固。最早，FC类型的连接器，采用的陶瓷插针的对接端面是平面接触方式（FC）。此类连接器结构简单，操作方便，制作容易，但光纤端面对微尘较为敏感，且容易产生菲涅尔反射，提高回波损耗性能较为困难。后来，对该类型连接器做了改进，采用对接端面呈球面的插针（PC），而外部结构没有改变，使得插入损耗和回波损耗性能有了较大幅度的提高。图3-10展示了四种类型的连接器。

SC型光纤连接器外壳呈矩形，所采用的插针与耦合套筒的结构尺寸与FC型完全相同，其中插针的端面多采用PC型或APC型研磨方式；紧固方式是采用插拔销闩式，不须旋转。此类连接器价格低廉，插拔操作方便，介入损耗波动小，抗压强度较高，安装密度高。

ST型光纤连接器外壳呈圆形，如图3-11所示，所采用的插针与耦合套筒的结构尺寸与FC型完全相同，其中插针的端面多采用PC型或APC型研磨方式；紧固方式为螺纹连接紧固。此类连接器适用于各种光纤网络，操作简便，且具有良好的互换性。

MT-RJ带有与RJ-45型LAN电连接器相同的闩锁机构，通过安装于小型套管两侧的导向销对准光纤，为便于与光信号收发机相连，连接器端面光纤为双芯（间隔0.75mm）排列设计，是主要用于数据传输的高密度光连接器，如图3-12所示。

LC型光纤连接器是著名的Bell研究所研究开发出来的，采用操作方便的模块化插孔（RJ）闩锁机理制成（图3-13）。该连接器所采用的插针和套筒的尺寸是普通SC、FC等所用尺寸的一半，为1.25m，提高了光配线架中光纤连接器的密度。

目前，在单模SFF方面，LC类型的连接器实际已经占据主导地位，在多模方面的应用也增长迅速。

MU（Miniature Unit Coupling）光纤连接器是以SC型连接器为基础研发的世界上最小的单芯光纤连接器（图3-14）。MU连接器系列包括用于光缆连接的插座型光连接器（MU-A系列）、具有自保持机构的底板连接器（MU-B系列）以及用于连接LD/PD模块与插头的简化插座（MU-SR系列）等。该连接器采用1.25mm直径的套管和自保持机构，其优势在于能实现高密度安装。

3.2.3　光纤传输特性

光信号经光纤传输后要产生损耗和畸变（失真），因而输出信号和输入信号不同。对于脉冲信号，不仅幅度要减小，而且波形要展宽。产生信号畸变的主要原因是光纤中存在色散。损耗和色散是光纤最重要的传输特性。损耗限制系统的传输距离，色散则限制系统的传输容量。本节讨论光纤的色散和损耗的机理和特性，为光纤通信系统的设计提供依据。

（1）光纤的色散

光纤的色散是指当光纤传输脉冲信号时，脉冲信号被展宽的现象。这种现象在数字通信中危害较大，一旦光脉冲频率很高（即提高通信容量）时，就有可能使得到达接收端的前后两个脉冲无法分辨开，使通信难以进行，如图3-15所示。要维持正常的通信，只有降低脉冲频率，这就意味着光纤的传输频带变窄。因此，光纤的色散或者说脉冲的展宽是光纤通信的第二个重要问题。

光纤的色散主要分为材料色散、波导色散和模间色散。

①材料色散　光在光纤中的传播速度为v=c/n₁（λ），式中n₁（λ）为光纤芯的折射率，它是光波波长的函数，即同一材料对不同波长的折射率是不一样的。因此，当含有不同波长的光脉冲（非单色光）通过光纤传输时，其传输的速度就不一样，引起脉冲展宽而出现色散。

图3-16表示硅酸盐玻璃的材料色散所引起的脉冲展宽，其光源的相对谱线宽度Δλ/λ=0.04。由图3-16可以看出，材料色散程度随波长而变化，波长越短，由材料色散引起的脉冲展宽越严重。值得注意的是，在1.3μm附近，有一个零色散点，光纤的掺杂元素不同，零色散点的波长稍微有所不同。在零色散点附近，光纤的带宽变得相当宽，光脉冲在传输过程中引起的展宽变得可以忽略。这正是人们对1.3μm附近波长光通信系统特别感兴趣的重要原因之一。

②波导色散　所谓波导色散，是由于波导结构，或者说是由于波导的尺寸大小所引起的色散。波导色散的大小与光纤的纤芯直径、纤芯与包层之间的相对折射率差、归一化频率ν等因素有关。波导色散不同于材料色散和模间色散，即使光纤是由无材料色散的玻璃制作（材料色散不存在），而我们又只考虑光纤中传输的一个模（无模间色散），不同波长的光在光纤中传播仍然会引起色散，造成脉冲展宽。

③模间色散　模间色散在多模光纤中表现最为突出，是限制光纤传输带宽的主要因素。在多模光纤中，即使同一波长的光，由于不同的模有不同的群速度，它们在光纤中传播时的渡越时间也就不一样。同一波长的输入光脉冲，不同的模将先后到达输出端，在输出端便形成了一个展宽了的脉冲波形，其脉冲展宽量为最快的模与最慢的模之间的渡越时间差。很明显，只有多模光纤才存在模间色散，单模光纤因只能传输一个模式，就无模间色散可言。这是人们对单模光纤感兴趣的原因之一。

可以利用几何光学来比较直观地说明模间色散问题。例如在阶跃光纤中，沿光纤轴芯传播的模式（基模）的传播途径最短：而其他入射角越大的光线，到达终端所经过反射的次数越多，所走的路径越长，因而所需时间也越长。在临界角上传输的光路最长。于是，本来同时进入光纤端面的一束光波，由于光波中各光线的入射角不同，到达终端就出现先、后时间差，造成光信号中各模式光波在时间上的延迟。光纤越长，则延迟越长。

总之，光纤的色散由上述三种色散之和决定。在多模光纤中，主要是模间色散和材料色散，对折射率分布适当设计可大大减小多模光纤中的模间色散影响。在单模光纤中，主要是材料色散和波导色散。在某一波长附近，模间色散和材料色散的极性不同，可互相抵消，因而可选择该波长光波作为光通信的载波。

（2）光纤的损耗

光纤的损耗是光纤最重要的传输特性之—。光纤的损耗越小，光在其中传播所受到的衰减就越小，光信号所能传输的距离就越长，在光通信系统中的中继间隔就越大。光纤的损耗通常用每千米的分贝数来表示，记为dB/km。

如图3-17所示光纤的损耗，使得光信号的幅度变小了。如果我们用P_A表示A点的光功率，P_B表示B点的光功率，L表示A、B两点之间光纤的长度，则该光纤的损耗将由下式来计算：

　　 （3-1） 　　

式中，α_P为每公里的光纤衰减系数。

光纤的损耗和波长有关。对于不同的波长，光纤有不同的损耗值，也就是说，光纤的损耗是波长λ的函数。光纤的损耗随波长变化的曲线称为光纤的损耗曲线，也称光纤的损耗谱。图3-18是一条有代表性的光纤的损耗谱曲线。

光纤损耗的来源大致可分为吸收损耗和散射损耗两大类。

①吸收损耗　产生吸收损耗的原因来自以下三个方面。

a.光纤材料的本征吸收。这是物质的固有的吸收，不是由杂质或者缺陷所引起的。光纤的基础材料是石英玻璃（SiO₂），它的Si—O键在波长8～12μm的红外区域里有振动吸收现象，从而造成损耗。但是这段区域的振动波长远离目前光纤通信的工作波长范围，所以Si—O键红外吸收损耗，对光纤通信的影响并不显著。尽管它的吸收损耗光谱底边已延伸至λ>1.2μm处，但是其损耗值已远低于0.1dB/km，如图3-18所示。

在组成光纤材料的原子系统中，一些处于低能级状态的电子，会吸收电磁能量而跃迁到高能级状态。在这个过程中要造成损耗.电子转移造成的吸收损耗，其中心波长在紫外区的0.16μm处，吸收很强时，它的尾巴会拖到0.7～1.1μm波段。因此，短波长的光纤通信，紫外吸收造成的损耗会产生一定的影响。在λ>0.6μm时，紫外吸收损耗在1dB/km左右，如图3-18所示。

b.杂质吸收。玻璃中的金属离子被认为是杂质吸收的主要来源。跃迁金属如铁、铜、锰等，它们在可见光和近红外区的电子跃迁，就造成了在这一区域对光的吸收。它们有各自的吸收峰值和吸收带，且随它们的价状态不同而不同，就是相同的离子在不同的玻璃里所引起的作用也可能不同。在制作光纤时，要特别注意这些杂质的提炼。

c.原子缺陷吸收。由于加热过程或者强烈的辐射，玻璃材料会受激而出现原子的缺陷，从而产生损耗。目前已选取受这种激励影响很小的石英玻璃作光纤材料，因此，由于原子缺陷吸收造成损耗的影响已经不大。

②散射损耗　光纤的散射损耗主要包括三个方面。

a.物质的本征散射。玻璃在加热过程中，由于热骚动使原子的压缩性不均匀而产生起伏，这使得物质的密度不均匀，进而使折射率不均匀。这种不均匀性或者起伏在冷却过程中被固定。这种折射率的不均匀度与波长比是小尺寸的，它引起的散射在光学上称为瑞利散射，它与光波波长的四次方成反比。因此，如图3-18所示，这种散射损耗随着波长加长而很快减小。

b.非线性效应散射。物质在强大的电场作用下呈现非线性，即出现新的频率或输入的频率发生改变，也诱发出物质对入射波的散射。非线性效应散射损耗主要由受激的喇曼散射和布里渊散射引起，由于这部分散射损耗只有在强入射光功率激励下才表现出来，所以在光纤通信使用的弱入射光功率的情况下，其影响极微。

c.波导效应散射。波导效应散射损耗是由于波导结构不规则而引起的辐射损耗。在制作光纤时，在芯与包层界面处的不规则，成缆时造成许多微弯都会引起损耗。在使用光纤时，如果光纤轴心弯曲到一定程度，光将向四周辐射，从而引起损耗，因此，光纤虽有弯曲性，但不要随便造成不必要的弯曲。

3.2.4　光纤的数值孔径NA

光纤的数值孔径NA是光纤的重要参数之一，反映了光纤收集光的能力。从几何光学的观点来看，入射到光纤端面上的光线并不都能进入光纤内部进行传播，只有当入射角度小于某一个角θ_m时，光线才能在光纤内部传播，如图3-19所示。θ_m角的正弦值就定义为光纤的数值孔径NA：

NA=sinθ_m　　（3-2）

下面以阶跃型光纤为例对光纤的数值孔径加以说明。在图3-20中，βm为纤芯与包层之间的反射临界角，因而

　　 （3-3） 　　

而光是由折射率为n₀的空气中入射的，根据折射定律可得

　　 （3-4） 　　

令n₀=1，则

　　 （3-5） 　　

将式（3-3）代入可得

　　 （3-6） 　　

式中，Δ为光纤的相对折射率差。

由式（3-6）可知，数值孔径NA仅由光纤的折射率决定，而与光纤的几何尺寸无关。这样，在制作光纤时可将其NA做得很大，而截面积却做得很小，使光纤变得柔软且可弯曲，使其在许多领域发挥了无比的优越性。

对于上述直径不变的光纤，其两端具有相同的光收集特性，也就是说光纤两端的NA相等。如果希望改变光纤的NA，可以利用光锥。光锥是有一定锥度的光纤，也称锥形光纤，如图3-21所示。光锥遵从下面极其重要的规律：

d₁sinθ₁=d₂sinθ₂　　（3-7）

式中，d₁、d₂、θ₁、θ₂分别为光锥两端的直径和入射或出射角。

在图3-21中，β1和β2是在光锥侧面光线的入射角。因反射表面是光锥的侧面，它并不和光锥的轴线平行，所以β2>β1。这表明当光线从光纤直径小的一端射入时，随着光纤直径越来越大，光线与光锥轴线间的夹角越来越小，光线变得越来越准直。反之，当光线从光锥直径大的一端射入时，随着光锥直径越来越小，光线的准直情况变得越来越差，光线与光锥轴线间的夹角将越来越大，甚至有可能发展到在光锥侧面的某一点入射角小于临界角，此时光线会从光锥的侧面穿出去。因此，虽然看起来光线似乎进入了光锥，但实际上在不一定能够传输到另一端。由此可见，光锥在直径小的端面有较好的光收集特性，即小直径端面的数值孔径较大。因而在实际应用中应当用光锥直径小的一端对着光源，光锥直径大的一端去对着光纤，以提高光源和光纤之间的耦合效率。

3.2.5　光纤中的模

光波是一种电磁波，光波在光纤中的传播，实际上就是电磁场在光纤中的传播。光纤中的模，指的就是电磁场在光纤中传播的模式。

光纤中的模，粗略地可分为两大类：一类叫传导模；另一类叫辐射模。传导模在光纤芯内传播，它从发射端传播到接收端，光纤通信的信息就靠这类模来传递。而辐射模则在传播途中会从光纤的包层辐射到光纤以外的区域，造成辐射损耗，引起多芯光纤之间的串音，一般情况下它不可能从发射端传输到接收端。我们所说的光纤中的模，指的就是传导模。

电磁场的传播遵从麦克斯韦方程，而在光纤中传播的电磁场，还必须满足光纤这样一种传播介质的边界条件。光波在芯包界面上来回地反射，当来回一次的相位变化为360°的整数倍时，就会在光纤中形成驻波。只有驻波才能在光纤中稳定存在，这就反映出光波在光纤中的传播模式是不连续的，离散的。理论分析进一步表明，光纤中能够存在的模式数N是有限的，其计算公式为

　　 （3-8） 　　

式中，g为折射率分布因子，对于阶跃型光纤，g→∞，故所传导的模数为

N_阶跃=ν²/2　　（3-9）

对于抛物型光纤，g=2，故所传导的模数为

N_抛物=ν²/4　　（3-10）

由此可以看出，阶跃型光纤的传导模数是梯度型光纤（一般为抛物型光纤）的传导模数的两倍。

那么，传导模数对光纤通信有什么影响呢？传导模的数目越大，模间色散越大，相应地能传输的信息容量就越小。而信息容量大正是光纤通信的重要优点之一。要想增大信息容量，就必须要减小传导模数。

在式（3-8）中，ν被定义为

　　 （3-11） 　　

还可表示为

　　 （3-12） 　　

ν=k₀d（NA）　　（3-13）

式中，ν为一个无量纲量。它一方面与波导宽度d成正比，被称为归一化波导宽度；另一方面又与k₀=2π/λ=ω/c（c为光速）成正比，因而又称为归一化频率。这里的ν是光纤的一个重要参数，它将决定光纤中究竟能维持多少传导模。

可以看到，参数ν越小，光纤中能传输的模式就越少。也就是说，对于同样波导宽度的光纤，其相对折射率Δ越小，光纤中能传输的模式就越少；或者说，要限制光纤中传输的模式数目，而同时为了方便光纤的制造和连接，又要加大光纤的波导宽度，则可通过减小纤芯与包层的折射率差来实现。参数ν的取值分段对应不同的传导模式。对于阶跃型光纤，0<ν<2.405时，只能传输基模，这样的光纤就是单模光纤；ν>2.405时，才能传输多种模式，这样的光纤就被称为多模光纤。

3.2.6　光纤标准和应用

制订光纤标准的国际组织主要有ITU-T和IEC（国际电工委员会）。应用情况一般为：G.651多模渐变型（GIF）光纤，这种光纤在光纤通信发展初期广泛应用于中小容量、中短距离的通信系统。G.652常规单模光纤，是第一代单模光纤，其特点是在波长1.31μm色散为零，系统的传输距离只受损耗的限制。目前世界上已敷设的光纤线路90％采用这种光纤。G.653色散移位光纤，是第二代单模光纤，其特点是在波长1.55μm色散为零，损耗又最小。这种光纤适用于大容量长距离通信系统。G.654为1.55μm损耗最小的单模光纤，其特点是在波长1.31μm色散为零，在1.55μm色散为17～20ps/（nm·km），和常规单模光纤相同，但损耗更低，可达0.20dB/km以下。这种光纤实际上是一种用于1.55μm改进的常规单模光纤，目的是增加传输距离。此外还有色散补偿光纤，其特点是在波长1.55μm具有大的负色散。这种光纤是针对波长1.31μm常规单模光纤通信系统的升级而设计的，因为当这种系统要使掺铒光纤放大器（EDFA）以增加传输距离时，必须把工作波长从1.31μm移到1.55μm。用色散补偿光纤在波长1.55μm的负色散和常规单模光纤在1.55μm的正色散相互抵消，以获得线路总色散为零损耗又最小的效果。G.655为非零色散光纤，是一种改进的色散移位光纤。具有常规单模光纤和色散移位光纤的优点，是最新一代的单模光纤。这种光纤在密集波分复用和孤子传输系统中使用，实现了超大容量、超长距离的通信。表3-1给出了常用光纤命名与标准对照。

（1）光缆特性

光缆的传输特性取决于被覆光纤。对光缆机械特性和环境特性的要求由使用条件确定。光缆生产出来后，对这些特性的主要项目如拉力、压力、扭转、弯曲、冲击、振动和温度等，要根据国家标准的规定做例行试验。成品光缆一般要求给出上述特性。

（2）电力系统应用

电力特种光缆是适应电力系统特殊的应用而发展起来的一种架空光缆体系，它将光缆技术和输电线技术相结合，架设在10～500kV不同电压等级的电力杆塔上和输电线路上，具有高可靠、长寿命等突出优点，在我国电力通信领域普遍使用。就目前来看，电力特种光缆主要包括全介质自承式光缆ADSS、架空地线复合光缆OPGW、缠绕式光缆GWWOP、捆绑式光缆AD-LASH、相线复合光缆OPPC，但主要使用的是ADSS、OPGW。在电力线路上架设OPGW、ADSS、GWWOP等电力特种光缆以建立光纤通信网络。

①ADSS光缆　目前世界上ADSS光缆的结构主要有4种类型，如图3-22所示。A型：层绞式ADSS光缆；B型：增强型ADSS光缆；C型：中心束管式ADSS光缆；D型：带状式ADSS光缆。其中A型与B型在电力系统中应用较广泛。

其主要特点是：采用了具有高弹性模量的高强度芳纶纱作为抗张元件。芳纶纱弹性模量高、重量轻、具有负膨胀系数、有防弹能力。同时光缆几何尺寸小，缆重仅为普通光缆的1/3，可直接架挂在电力杆塔的适当位置上，对杆塔增加的额外负荷很小；外护套经过中性离子化浸渍处理，使光缆具有极强的抗电腐蚀能力；光缆采用无金属材料，绝缘性能好，能避免雷击，电力线出故障时，不会影响光缆的正常运行；利用现有电力杆塔，可以不停电施工，与电力线同杆架设，可降低工程造价；运行温度范围宽，一般为-40～+70℃；使用跨距范围为50～1200m。

②OPGW光缆的结构和特点　OPGW光缆是将光纤媒体复合在输电线路的架空地线里，地线和通信功能合二为一。OPGW光缆主要是由铝包钢线或铝合金线组成的外部绞线包裹着光纤缆、中心加强件等组成的，如图3-23所示。

OPGW按光纤与其外层束管的“紧密”程度分为“松套”和“紧套”两种类型，大多数厂家都采用松套结构。OPGW主要特点是：a.OPGW既可避雷，又可用于通信，不需要另外加挂光缆；b.光缆位于OPGW中，外层有铝包钢线或铝合金线包裹，光缆受到保护，可靠性较高；c.OPGW是随着电力线架设的，因而节省了施工费；d.OPGW是架设在输电线路铁塔上的，这种铁塔比起邮电部门的通信电杆可靠、安全，且不易被盗窃。

目前电力系统主要使用如图3-23所示几种结构的OPGW光缆。

③缠绕式光缆GWWOP　GWWOP光缆是将无金属的介质光缆缠绕在已运行的输电线路地线上。它是由松套缓冲管与小强度件或填充件绞绕在一起以形成圆形光纤单元，光纤单元是用交联聚乙烯护套加以保护。这个护套提供了机械和环境保护，并且抗电弧和雷击。其主要特点是：a.抗干扰能力强、耐高温、抗老化，且不易被盗窃；b.由于GWWOP光缆重量很轻，而且是使用专用的机械缠绕在输电线路地线上，所以，在光缆架设时不需对原杆塔进行复核与改动即可施工；c.光缆可在任何自承塔上熔接。GWWOP光缆的缺点是易受外界损坏。

④全介质捆绑光缆AD-LASH　AD-LASH光缆是将非金属光缆采用捆绑式架设方法，通过捆绑机用捆绑带把光缆与架空地线或相线捆绑在一起。AD-LASH光缆的特点是：a.光缆直径小、重量轻，将它捆绑在送电线路上，基本不会产生垂直的重力荷载，不会对原有杆塔造成明显的影响。b.光缆的全介质设计减轻了光缆的重量。避免了送电线路短路或者雷击影响。c.可以在地线或者相线上简单快捷地安装。AD-LASH光缆的设计使得其外护套具有耐高温及防电腐蚀等特点，因此，AD-LASH光缆不但可以在地线上安装，也可以在35kV及以下的相线上安装。d.光缆由黏性捆绑带固定，不会在地线或者相线上移动。光缆的捆绑带表面有黏性物质，它可以使光缆、捆绑带及送电线路牢固地粘连在一起，光缆不能左右移动，不会对光缆的外护套造成摩擦损伤。e.光缆安装完成后，由捆绑带承受重量，光缆不会受永久性张力，不会由于张力而产生应力衰减。f.光缆与地线或相线被平行地捆绑在一起，不会有环形状态产生。其缺点是易受外界损坏，且高压送电线路档距较大，杆塔较高，捆绑机施工比较困难。

⑤光缆应用中出现的问题和主要解决措施　随着电力通信网建设的加快，运行中ADSS和OPGW暴露出来许多问题，主要集中在ADSS外护套电腐蚀和OPGW雷击问题。针对ADSS外护套电腐蚀问题，国内有关单位已开始了大量研究工作，主要集中在电应力作用下ADSS损伤机理的研究、耐电痕护套材料的开发、抗电应力损伤的措施以及电腐蚀的测试方法等方面，并取得了大量的研究成果。在确保ADSS光缆质量的前提下，规范工程设计、施工和运行条件，ADSS的电腐蚀是可以控制的。

ADSS应用中的问题主要有：a.ADSS挂点的选择失误。b.“干带电弧”是造成ADSS表面产生电腐蚀的最主要原因。电弧产生的高热，使外护套表面的温度升高，产生树枝化的电痕，直至烧穿光缆的外护套，露出芳纶纱，最后造成断缆事故发生；c。ADSS光缆铝丝端部电晕放电引起的劣化，造成ADSS出现电腐蚀。解决ADSS腐蚀的主要措施有：ADSS外护套采用抗电应力损伤的新技术和新材料；采取措施降低ADSS光缆表面电场强度和电位差；减少放电电压的数值和均衡塔端的感应场强，如悬挂ADSS光缆的金具采用预绞丝结构并相应地安装均压环或防晕圈；在靠近杆塔的ADSS表面沿光缆方向安装半导体棒；优化ADSS的悬挂点等。而针对OPGW遭雷击问题，已采取了提高OPGW本身耐雷水平，在工程设计中提高OPGW防护水平等措施。

（3）光缆的型号

光缆的型式代号是由分类、加强构件、派生（形状、特性等）、护套和外护层五部分组成，如图3-24所示。

光缆的分类代号及意义：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；GW——通信用无金属光缆。加强构件的代号及意义：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。派生特征的代号及其意义：B——扁平式结构；Z——自承式结构；T——填充式结构；S——松套结构。注意：当光缆类型兼有不同派生特征时，其代号字母顺序并列。

护套的代号及其意义：Y——聚乙烯护套；V——聚氯乙烯护套；U——聚氨酯护套；A——铝、聚乙烯护套；L——铝护套；Q——铅护套；G——钢护套；S——钢、铝、聚乙烯综合护套。

外护层的代号及其意义：外护层是指铠装层及铠装层外面的外被层，参照国标GB/T 2952—2008的规定，外护层采用两位数字表示，外护层的代号及意义见表3-2。

光纤的规格代号：光纤的规格代号由光纤数目、光纤类别、光纤主要尺寸参数、传输性能和适用温度五部分组成，各部分均用代号或数字表示。光纤数目用光缆中同类别光纤的实际有效数目的阿拉伯数字表示。

光纤类别的代号及其意义：J——二氧化硅系多模渐变型光纤；T——二氧化硅系多模阶跃型（突变型）光纤；Z——二氧化硅系多模准突变型光纤；D——二氧化硅系单模光纤；X——二氧化硅纤芯塑料包层光纤；S——塑料光纤。

光纤的主要尺寸参数代号及其意义：用阿拉伯数字（含小数点）以μm为单位表示多模光纤的芯径/包层直径或单模光纤的模场直径/包层直径。

传输性能代号及其意义：光纤的传输特性代号是由使用波长、损耗系数、模式带宽的代号（分别为a、bb、cc）构成。a表示使用波长的代号，其数字代号规定为：使用波长在0.85μm区域；使用波长在1.31μm区域；使用波长在1.55μm区域。bb表示损耗系数的代号，其数字依次为光缆中光纤损耗系数值（dB/km）的个位和十分位。cc表示模式带宽的代号，其数字依次是光缆中光纤模式带宽数值（MHz·km）的千位和百位数字。单模光纤无此项。同一光缆适用于两种以上的波长，并具有不同的传输特性时，应同时列出各波长上的规格代号，并用“/”划开。

适用温度代号及其意义：A——适用于-40～+40℃；B——适用于-30～+50℃；C——适用于-20～+60℃；D——适用于-5～+60℃。