1.2 光纤的结构、类型及特性

光纤是光导纤维的简称。光纤通信是以激光为信号载体，以光导纤维为传输媒介的一种通信方式。光纤通信的优点介绍如下。

①传输频带宽、通信容量大；

②传输损耗低、传输距离长；

③不受电磁干扰、安全保密；

④线径细、重量轻、资源丰富（SiO2石英）；

⑤不怕潮湿、耐腐蚀。

1.2.1 光纤的结构和分类

1.光纤的结构

普通光纤的典型结构是多层同轴圆柱体，自内向外为纤芯、包层和涂覆层（纤芯折射率 n1＞包层折射率n2），如图1-8所示。

2.光纤的分类

（1）按光在光纤中的传输模式可分为：单模光纤和多模光纤

多模光纤：一般适用于低、中速和短、中距离传输。中心玻璃纤芯较粗（50±3μm），包层125±3μm，可传多种模式的光。但其模间色散较大，这就限制了传输数字信号的频率，而且随距离的增加会更加严重。例如：600Mb/km 的光纤在 2km时则只有 300Mb的带宽了。因此，多模光纤传输的距离就比较近，一般只有几公里。

单模光纤：一般用于高速、大容量、长距离传输。中心玻璃纤芯较细（芯径一般为9～10± 1μm），包层125±3μm，只能传一种模式的光（基本为延轴心直线传送），所以其模间色散很小，适用于远程通信，由于色度色散起主要作用，因此单模光纤对光源的谱宽和稳定性有较高的要求，即谱宽要窄，稳定性要好。

（2）按最佳传输频率窗口分：常规型单模光纤和色散位移型单模光纤

常规型：光纤生产厂家将光纤传输频率最佳化在单一波长的光上，如1310nm。 色散位移型：光纤生产长家将光纤传输频率最佳化在两个波长的光上，如：1310nm和1550nm。

（3）按折射率分布情况分：突变型和渐变型光纤

突变型（阶跃型）：光纤中心芯到玻璃包层的折射率是突变的。其成本低，模间色散高，适用于短途低速通信，如：工控。单模光纤由于模间色散很小，所以单模光纤都采用突变型。

渐变型光纤（梯度型）：光纤中心芯到玻璃包层的折射率是逐渐变小，可使高模光按正弦形式传播，这能减少模间色散，提高光纤带宽，增加传输距离，但成本较高。现在的多模光纤多为渐变型光纤。

1.2.2 光纤的光学特性

光纤的导光理论比较复杂，涉及电磁场理论、波动光学理论、甚至量子场论方面的知识，仅从基本的几何光学的角度来看，光纤通信是应用了光的全反射原理。

光的全反射：

光线在同一种均匀介质中是直线传播的，当到达两种不同介质的分界面时，会发生反射与折射现象。如图1-9所示。

根据光的反射原理，入射角＝反射角，根据折射定律：n1 sin θ1=n2 sin θ2 ，当n1>n2（纤芯光密媒质折射率＞包层光疏媒质折射率），θ1<θ2 ，当θ2= 90 °即sinθ2=1时，存在临界角θ1=arcsinn2/n1 ，当θ1≥ arcsinn2/n1时，将仅保留反射光线，即出现全反射现象。如图1-10所示。

1.光在阶跃型光纤中的传播

为了保证光在光纤中可靠传播，进入光纤的射入光线必须满足一定的角度区域（也称最大数值孔径NAmax），才能将光线束缚在纤芯内传输。光在阶跃型光纤中的传播如图1-11所示。

同时光纤本身需满足一定的曲率半径要求，当曲率半径过小，将可能出现光线折射进入包层的“漏光”现象，从而引起光信号的损耗。光纤传输中的“漏光”现象如图1-12所示。

因此，当对光纤（缆）进行弯曲和盘放时，一般要求曲率半径不得小于光纤（缆）径的 15倍，工程施工中要求保持20倍。

2.光梯度型光纤中的传播

光在二种均匀介质的光滑分界面上传播时，其折射光遵守折射定律。若有一系列折射率均匀的介质被分成若干层，其折射率分别为 n1>n1>……>n2，光线在第一种介质中以一定的入射角入射在第一和第二种介质的分界面上时将发生折射，折射光在第二和第三、第三和第四……介质的分界面上时也将发生折射。折射光线的轴迹为一折线，且折射光线的方向与各层介质的折射率大小有关。当各层介质的厚度趋于零时，折射光线的轨迹变成一曲线。如图1-13所示。

3.光在单模光纤中的传播

光在单模光纤中的传播轨迹，简单地讲，它是以平行于光纤轴线的形式以直线方式传播，如图1-14所示。

1.2.3 光纤的传输特性

主要传输特性参数指标：损耗和色散。光纤通信中光源发光器件为LD（半导体激光器），为近红外区激光信号。G.652 A/B标准光纤传输特性曲线如图1-15所示（C/D为无“水峰”光纤）。

由图 1-15 标准光纤传输特性曲线我们可以看到，标准光纤在部分波长区域具较小的损耗和色散，这就定义了通常我们所说的光纤通信的 3个工作窗口，即 850nm/1310nm/1550nm窗口，在1310nm位置色散最小（损耗并不小，约为0.34dB/km），1550nm位置损耗最小（0.25dB/km），故1310窗口又俗称零色散窗口，1550窗口又俗称零损耗窗口。目前我们光缆网络中通常用的就是该类G.652标准光纤。

针对衰减和零色散不在同一工作波长上的特点，80 年代中期，人们研发成功了一种把零色散波长从1.3μm移到1.55μm的色散位移光纤（DSF）。ITU规范编为G.653。

然而，色散位移光纤在 1.55μm色散为零，不利于多信道的波分复用（WDM）传输，用的信道数较多时，信道间距较小，这时就会发生四波混频（FWM）导致信道间发生串扰。如果光纤线路的色散为零，FWM的干扰就会十分严重；如果有微量色散，FWM干扰反而还会减小。针对这一现象，人们研制了一种新型光纤，即非零色散光纤（NZ-DSF）——G.655。该类光纤多用于长途波分复用。

随着FTTH的建设发展，人们投入了对抗弯曲能力光纤的研究。2006年12月，ITU-T通过了一个新的光纤标准，即G.657建议，名称为：用于接入网的低弯曲损耗敏感单模光纤和光缆特性。目前已完全实现了商用，在EPON网的建设中将得到广泛应用。“入户皮线光缆”通常将使用G.657光纤。

常见的光纤还有G.651光纤，即早期的多模光纤；G.652 C（D）光纤（无“水峰”光纤）等。此外，为满足海底缆长距离通信的需求，人们研发了一种 1.55μm 波长衰减级小的光纤（仅为0.185dB/km）。在 1.3μm 波长区域的色散为零，但在 1.55μm 波长区域色散较大，为（17～20） ps/（nm·km）。ITU把这种光纤规范为G.654。

1.损耗

光信号经光纤进行传输后，光信号的强度变弱，或者说光脉冲的脉幅发生降低畸变，从而影响光纤传输的距离。

2.色散

当一个光脉冲从光纤输入，经过一段长度的光纤传输之后，其输出端的光脉冲会变宽，甚至有了明显的失真。可以理解为光信号的不同模式或频率分量在经光纤传输过程中产生了时延，接收端光脉冲信号出现了展宽，从而影响光纤传输的距离和带宽（容量）。

需要指出的是，在大容量、高速率、长距离的长途光缆传输中，特别是集成光学、光纤放大器以及超高带宽的G655光纤的广泛应用，光纤的非线性效应和偏振模色散（PMD）影响将越来越成为制约长距离传输的重要因素。