一級(jí)建造師考點(diǎn):1L411081 掌握單模和多模光纖的特點(diǎn)和應(yīng)用

　　1L411081 掌握單模和多模光纖的特點(diǎn)和應(yīng)用 ( P14：光傳輸媒質(zhì);P58)

　　一、光纖結(jié)構(gòu)和類(lèi)型

　　二、光纖通信的工作窗口

　　三、光纖分類(lèi)

　　四、多模光纖

　　五、單模光纖

　　一、光纖結(jié)構(gòu)和類(lèi)型

　　(一)光纖的結(jié)構(gòu)

　　光纖是光導(dǎo)纖維的簡(jiǎn)稱(chēng)，是一種新的光波導(dǎo)，是光通信系統(tǒng)最普遍和最重要的傳輸媒質(zhì)。

　　它由單根玻璃纖芯、緊靠纖芯的包層、一次涂覆層以及套塑保護(hù)層組成。(光纖呈圓柱形，由纖芯、包層和涂覆層三部分組成。)

　　纖芯和包層由兩種光學(xué)性能不同的介質(zhì)構(gòu)成，內(nèi)部的介質(zhì)對(duì)光的折射率比環(huán)繞它的介質(zhì)的折射率高。

　　包在外圍的覆蓋層就像不透明的物質(zhì)一樣，防止了光線(xiàn)在穿插過(guò)程中從表面逸出。

　　1. 纖芯

　　位置: 位于光纖的中心部位，

　　直徑：在4~50μm，單模光纖的纖芯直徑為4~10μm ,多模光纖的纖芯直徑為50μm。纖芯的成分：含有極少量摻雜劑的高純度二氧化硅(如二氧化鍺，五氧化二磷)作用是適當(dāng)提高纖芯對(duì)光的折射率，用于傳輸光信號(hào)。

　　2. 包層

　　位置: 位于纖芯的周?chē)?/p>

　　直徑：125μm

　　成分：是含有極少量摻雜劑的高純度二氧化硅。

　　摻雜劑(如三氧化二硼)的作用：適當(dāng)降低包層對(duì)光的折射率，使之略低于纖芯的折射率，即纖芯的折射率大于包層的折射率(這是光纖結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵)，它使得光信號(hào)封閉在纖芯中傳輸。

　　3. 光纖的最外層為涂覆層，包括一次涂覆層、緩沖層和二次涂覆層。

　　一次涂覆層：一般使用丙烯酸醋、有機(jī)硅或硅橡膠材料;

　　緩沖層：一般為性能良好的填充油膏;

　　二次涂覆層：一般多用聚丙烯或尼龍等高聚物。

　　涂覆層的作用：是保護(hù)光纖不受水汽侵蝕和機(jī)械擦傷，同時(shí)增加光纖的機(jī)械強(qiáng)度與可彎曲性，起著延長(zhǎng)光纖壽命的作用。涂覆后的光纖外徑約2. 5 mm 。

　　(二)光纖的折射率分布

　　光纖的折射率分布有兩種典型的情況：階躍折射率光纖，漸變折射率光纖。

　　它們的共同特點(diǎn)：纖芯的折射率大于包層的折射率，這也是光信號(hào)在光纖中傳輸?shù)谋匾獥l件。

　　(三)光在光纖中的傳播

　　對(duì)于階躍折射率光纖，由于纖芯和包層的折射率分布有明顯的分界，光波在纖芯和包層界面的交界面形成全反射，并且形成鋸齒形傳輸途徑，引導(dǎo)光纖芯向前傳播。

　　對(duì)于漸變折射率光纖，由于在其界面上折射率是連續(xù)變化的，軸中心的折射率最大，沿纖芯半徑方向折射率按拋物線(xiàn)規(guī)律減小，在纖芯邊緣的折射率最小，因此光波在纖芯中產(chǎn)生連續(xù)折射，形成穿過(guò)光纖軸線(xiàn)的類(lèi)似于正弦波的光折射線(xiàn)，引導(dǎo)光波沿纖芯向前傳播。

　　(四) 光纖最重要的兩個(gè)傳輸特性 (P14)

　　損耗和色散是光纖最重要的兩個(gè)傳輸特性，它們直接影響光傳輸?shù)男阅堋?/p>

　　(1)光纖傳輸損耗：損耗是影響系統(tǒng)傳輸距離的重要因素之一，光纖自身的損耗主要有吸收損耗和散射損耗。

　　吸收損耗是因?yàn)楣獠ㄔ趥鬏斨杏胁糠止饽苻D(zhuǎn)化為熱能;

　　散射損耗是因?yàn)椴牧系恼凵渎什痪鶆蚧蛴腥毕?、光纖表面畸變或粗糙造成的。

　　當(dāng)然，在光纖通信系統(tǒng)中還存在非光纖自身原因的一些損耗，包括連接損耗、彎曲損耗和微彎損耗等。這些損耗的大小將直接影響光纖傳輸距離的長(zhǎng)短和中繼距離的選擇。

　　(2)光纖傳輸色散：色散是光脈沖信號(hào)在光纖中傳輸，到達(dá)輸出端時(shí)發(fā)生的時(shí)間上的展寬。

　　產(chǎn)生的原因是光脈沖信號(hào)的不同頻率成分、不同模式，在傳輸時(shí)因速度不同，到達(dá)終點(diǎn)所用的時(shí)間不同而引起的波形畸變。

　　色散結(jié)果：這種畸變使得通信質(zhì)量下降，從而限制了通信容量和傳輸距離。

　　二、光纖通信的工作窗口

　　光纖損耗系數(shù)隨著波長(zhǎng)而變化，為獲得低損耗特性，光纖通信選用波長(zhǎng)范圍在800 ~1800nm，并稱(chēng)850nm(800~900nm)為短波長(zhǎng)波段;1300~1600nm為長(zhǎng)波長(zhǎng)波段，主要有1310nm和1550nm兩個(gè)窗口。實(shí)用的低損耗波長(zhǎng)是：第一代系統(tǒng)，波長(zhǎng)850nm，最低損耗2. 5dB/km，分貝(dB)采用石英多模光纖;第二代系統(tǒng)，波長(zhǎng)1310nm，最低損耗0. 27dB/km,采用石英單模最低色散光纖;第三代系統(tǒng)，波長(zhǎng)1550nm，最低損耗0.16dB/km，采用石英單模最低損耗與適應(yīng)色散光纖。上述三個(gè)波長(zhǎng)稱(chēng)為三個(gè)工作窗口。

　　三、光纖分類(lèi)

　　四、多模光纖

　　當(dāng)光纖的幾何尺寸遠(yuǎn)大于光波波長(zhǎng)時(shí)(約lμm)，光纖傳輸?shù)倪^(guò)程中會(huì)存在一著幾十種乃至上百種傳輸模式，這樣的光纖稱(chēng)為多模光纖。

　　由于不同的傳播模式具有不同的傳播速度與相位，因此，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離傳輸會(huì)產(chǎn)生模式色散(經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離傳輸后，會(huì)產(chǎn)生時(shí)延差，導(dǎo)致光脈沖變寬)。模式色散會(huì)使多模光纖的帶寬邊窄，降低傳輸容量，因此，多模光纖只適用于低速率、短距離的光纖通信，目前數(shù)據(jù)通信局域網(wǎng)大量采用多模光纖。

　　五、單模光纖

　　當(dāng)光纖的幾何尺寸較小，與光波長(zhǎng)在同一數(shù)量級(jí)，如芯徑在4~10μm范圍，光纖只允許一種模式(基模)在其中傳播，其余的高次模全部截止，這樣的光纖稱(chēng)為單模光纖。單模光纖避免了模式色散，適用于大容量長(zhǎng)距離傳輸。

　　(一)單模光纖分類(lèi)：

　　按電信標(biāo)準(zhǔn)化部門(mén)(ITU-T)建議分類(lèi)可分為G.652, G.653, G.654, G.655四種單模光纖;按IEC標(biāo)準(zhǔn)分類(lèi)可分為Bl.1、B1.2、Bl.3、B2、B4;按我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)(GB/T)分類(lèi)可分為Bl.l、B1.2、B1.3、B2、B4。我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)光纖類(lèi)別型號(hào)的命名等采用了IEC規(guī)定，所以二者是一樣的。

　　(二)幾種單模光纖的特點(diǎn)和應(yīng)用

　　1. G. 652標(biāo)準(zhǔn)單模光纖特點(diǎn)及應(yīng)用

　?、倭闵⒉ㄩL(zhǎng)在1310nm附近。既可以使用在1310nm波長(zhǎng)區(qū)域，也可以使用在1550nm波長(zhǎng)區(qū)域。最佳工作波長(zhǎng)在1310nm區(qū)域。

　?、诋?dāng)工作波長(zhǎng)在1.3μm時(shí)，光纖色散很小，系統(tǒng)的傳輸距離只受光纖衰減所限制。

　　③光纖在1.3μm波段的損耗較大;在1.55μm波段的損耗較小。

　?、芄饫w截止波長(zhǎng)：λ從<1250nm。

　　⑤模場(chǎng)直徑：1310nm處的模場(chǎng)直徑是8.6~9.5μm士0.7。在1550nm處沒(méi)有具體規(guī)定，但一般不大于10. 3μm。

　?、匏p：衰減系數(shù)最大值在1310nm窗口，A級(jí)為0.36dB/krn, B級(jí)為0. 40dB/km,C級(jí)為0.50dB/km。

　?、呱ⅲ毫闵⒉ㄩL(zhǎng)范圍是1300~1324nm。

　　⑧偏振模色散(PMD)系數(shù)最大值：0. 3ps/km。 ◇一級(jí)建造師

　　2. G. 653色散位移光纖特點(diǎn)及應(yīng)用

　　色散位移光纖在1.55μm色散為零，不利于多信道的WDM傳輸，用的信道數(shù)較多時(shí)，信道間距較小，這時(shí)就會(huì)發(fā)生四波混頻(FWM)導(dǎo)致信道間發(fā)生串?dāng)_。如果光纖線(xiàn)路的色散為零，F(xiàn)WM(四波混頻)的干擾就會(huì)十分嚴(yán)重;如有微量色散，F(xiàn)WN干擾反而還會(huì)減少。

　?、俟饫w截止波長(zhǎng)：λc<1250nm.

　?、谀?chǎng)直徑：1550nm處的模場(chǎng)直徑是7. 8~ 8.5μm士0. 8 .

　　③衰減：衰減系數(shù)最大值在1310nm窗口，A級(jí)為0.40dB/km,B級(jí)為0.45dB/km,C級(jí)為0. 55dB/km

　?、芷衲Ｉ?PMD)系數(shù)最大值：0. 3 ps/km .

　　此種光纖除了在日本等國(guó)家干線(xiàn)網(wǎng)上有應(yīng)用外，在我國(guó)干線(xiàn)網(wǎng)上幾乎沒(méi)有應(yīng)用

　　3. G.654截止波長(zhǎng)位移光纖特點(diǎn)及應(yīng)用

　　也叫衰減最小光纖(在1550nm處)。

　?、倭闵⒉ㄩL(zhǎng)在1310nm附近，截止波長(zhǎng)位移到較長(zhǎng)的波長(zhǎng)，所以該光纖也被稱(chēng)為截止波長(zhǎng)位移單模光纖。

　?、诠ぷ鞑ㄩL(zhǎng)為1.55μm，在該波長(zhǎng)附近上的衰減最小。

　?、哿闵Ⅻc(diǎn)在1300nm附近，但在1550nm窗口色散較大，約為17~20ps/ (nm• km)

　?、芄饫w截止波長(zhǎng)：1350nm<λc<1600nm.

　?、菽?chǎng)直徑：1550nm處的模場(chǎng)直徑是9.5~10.5μm士0. 7 ?！笠患?jí)建造師

　?、匏p：衰減系數(shù)最大值在1550 nm窗口，A級(jí)為0.19dB/km, B級(jí)為0. 22dB/km。

　?、呱ⅲ?550nm色散系數(shù)最大值20ps/nm•km; 1550nm零色散斜率最大值為0.07ps/(nm2•km)。

　?、嗥衲Ｉ?PMD)系數(shù)最大值：0. 3ps/km。

　　該種光纖主要應(yīng)用于長(zhǎng)距離數(shù)字傳輸系統(tǒng)。如海底纜。

　　4. G.655非零色散位移光纖特點(diǎn)及應(yīng)用

　?、俜橇闵⒐饫w實(shí)質(zhì)上是一種改進(jìn)的色散位移光纖，其零色散波長(zhǎng)不在1. 55μm，而是在1. 525μm或1. 585μm處。

　?、谠谑褂貌ㄩL(zhǎng)區(qū)域內(nèi)具有非零的小色散值，削減了色散效應(yīng)和四波混頻效應(yīng)。

　?、圩罴咽褂貌ㄩL(zhǎng)范圍在1530~1565nm區(qū)域，也可以一支持更高波長(zhǎng)，直至16 (××不大于25)。

　?、芄饫w截止波長(zhǎng)

　?、菽?chǎng)直徑

　　⑥衰減

　?、逤波段色散

　　⑧L波段色散

　?、崞衲Ｉ?PMD)系數(shù)最大值
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