FTTH光纤通信概论基础知识.doc

《FTTH光纤通信概论基础知识.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《FTTH光纤通信概论基础知识.doc（70页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。

1、FTTH光纤通信概论基础知识1.1. 光纤通信概论1.1.1. 光通信光通信，就是利用光波来载送信息，实现通信。光通信是自然界最原始、最普遍的一种通信手段，也是人与自然、人与社会、人与人交流的最基础的手段之一。我们每天目视的一切，都是一种光通信过程，只不过是一种被动的接收性光通信过程。随着信息交互的需要，发展出主动利用光传递信息的手段和技术，比如古代的烽火台、现在用以指挥交通的红绿灯等均可算是主动性光通信手段，但这种光通信仅限于大气式视距通信，并且仅仅具备传送图像信息的功能。随着近现代“信息”含义的內伸和外延，信息通信除了图像交互，还发展出了文本交互、音频交互、视频交互和数据交互等等方式，这些

2、信息交互方式以“超视距、不可视”为特征，并且这些交互方式已经复杂到不可能单纯只利用光在空气中的直线传播特性来完成，光通信系统应运而生。光通信系统具有如下模型：图1-1 光通信系统模型信源系统：信息的产生来源，是信息动态运行一个周期的起始环节。可以是人、机器、自然界的物体等等。信宿系统：信宿系统是相对于信源系统而言的。信宿系统是信息动态运行一个周期的最终环节。其功能是接收情报信息，并选择对自身有用的信息加以利用，直接或间接地为某一目的服务。光信道系统：以光波作为运输载体和处理对象，以有效性和可靠性为目的，保证信源信息高效无误地传送至信宿的通路系统，是连接信源系统与信宿系统的中间环节。1.1.2.

3、 光纤通信早在光纤通信之前，人们已经在利用光进行通信上的尝试了。容易想象，利用光在空气中直线传播的特点，进行大气传输光通信，不需要任何线路，简单、经济。1960年梅曼（T.H.Maiman）发明了红宝石激光器，产生了单色相干光，使高速的光调制成为可能，美国林肯实验室首先利用氦氖激光器通过大气传输了一路彩色电视。随后，相继出现了各色各样的大气传输系统实验。但后来发现大气传输光通信有许多严重的问题：(1). 气候对通信的影响十分严重。大雾时，通信几乎中断。(2). 由于大气气温不均匀，使它的密度或折射率不均匀，以及大气湍流的影响，使光线发生漂移和抖动。通信的信噪比变劣，传输不稳定。(3). 大气传

4、输设备要求架设在高处，收发两地直线可见。这种地理条件使大气传输光通信的使用范围具有局限性。1966年，英籍华人高锟（C.K.Kao）和Hockham预见利用玻璃可以制成衰减为20dB/km的通信光导纤维（简称光纤）。同时期的其他实验证明，编码在光信号上的信息可以通过玻璃纤维波导传输。波导提供了一种可以传导光信号的介质，该介质使光信号在其中传输一定的距离而不发生散射，即光能仍较集中。这就使信号在另一端被接受时仍有足够的强度，因此传输的信息可以通过解码被读取出来。这些早期的实验证明了光信息通过光纤传输是可行的。1970年，康宁公司的Maurer等人根据高锟的理论首先制出衰减为20dB/km的光纤，

5、光纤传输的实用取得重大突破。之后，世界各发达国家纷纷开展光纤通信的研究，从此光纤传输开始了以最高的传输容量和最长的传输距离来传输信息的历程，并且发展速度惊人。随着技术难题的解决，光网络传输容量和传输距离持续增长，同时，将一比特信息传输一公里所耗费的造价持续降低。基本上实现了运营商可以不考虑传输距离，而只对线路估价的目标。光纤引入通信领域之后，随着光纤传输系统的发展，通信网络也一步步向着光网络进化。图1-2 光纤传输系统的进化（a） 使用发光二级管和多模光纤的早期系统（b） 使用多纵模激光器和单模光纤、工作波长 波段、抑制模间色散的系统（c） 工作波长为 波段、低损耗、使用单纵模激光器抑制色散射

6、的系统（d） 工作波长为 、使用光放大器代替再生器、多波长传输的当代波分复用系统。发射机左侧的P-曲线表征发射信号的功率谱上图简要概括了光纤传输系统的进化。可以看出，光纤传输系统的进化依赖于发射机技术（光源）/接收机技术（光源检测）、光纤技术和放大器技术的不断突破。驱动光纤技术不断突破的两大源动力是对长距离和大容量孜孜不倦的追求。长距离要求光纤损耗小，不断降低其固有损耗和附加损耗；大容量要求光纤具有很宽的带宽，采用长波长的载波并抑制色散。目前使用的光纤绝大部分都是基于二氧化硅（SiO2）材质的光纤，这种光纤在红外波段有三个低损耗窗口，分别是 、 和。其中， 窗口被称为短波长窗口， 和 窗口被成

7、为长波长窗口。高锟在其论文中指出：降低玻璃内的过度金属杂志粒子是降低光纤衰减的主要因素。根据这一理论的指引，在70年代初期，人们对原材料经过严格提纯以后，发现在 波段内石英光纤的损耗比较低。因此，70年代至80年代初期的光纤通信系统就使用这一波段。图1-3 光纤的损耗窗口之后通过对光纤损耗原因作进一步分析，人们发现光纤材料中的水气（主要是 OH-）对光纤损耗影响很大，特别是在 波长的地方有一个强烈的吸收峰。在改进工艺，降低这个吸收峰以后，人们又发现在 和 这两个波长处有比 波段更低的损耗。 波长的最低损耗可达 以下， 波长的最低损耗可达 。后来由于 激光器首先成熟并得到广泛应用，所以现在正在大

8、量运营的光纤通信系统就工作在这一窗口。不过，由于 波长的损耗最低，其损耗系数大约为 波长区的一半，因此又称 波长区为石英光纤的最低损耗窗口，继 和 波长之后，被称之为第三窗口。1980年，在 窗口，实用光纤衰减低至，已接近理论值。这样，使得长距离的光纤通信成为可能。这一窗口对人们具有很大的吸引力，特别是近几年 光纤放大器的研制成功，使得这一窗口成为人们积极开发、应用的热点。要实现大容量的通信，就要求光纤具备很宽的带宽。受归一化频率的制约，单模光纤具有最宽的带宽，是最理想的传输介质。但单模光纤的芯径只有 ，工艺要求极高，在70年代初，难以做到，所以在当时多采用芯径较粗的多模光纤。光信号在多模光纤

9、中传输时，遵循传统的几何光学模型，光信号中的每一条光线，都沿着不同的路径在光纤中传播，每一条不同的路径相应于一个传输模式。不同的路径长度有所不同，因此与其他模式相比，每一个模式在光纤中传播的速度也稍有不同。这样，不同的模式到达光纤接收端时的时间也不同，造成光信号的展宽模糊，这种信号模糊通常被称为色散，而由于上述情况引入的色散被称为模间色散。随着光纤制作工艺的改进， 波段的单模光纤研制成功，这样在光纤中光能量只能以单一模式传输，有效消除了模间色散的影响，应用于通信系统后，使得传输的比特率和传输距离都大幅增加。但伴随更低损耗的1.55波段单模光纤的研制和使用，另一个限制因素色散射，逐渐成为影响系统

10、性能的主要限制因素。与模间色散相似但不同的是，色散射是由于玻璃材质的不均匀性（如折射率不均匀、参杂离子浓度不均匀等），引起光脉冲中不同的频率分量以不同的速度传播，最终造成和模间色散一样的信号展宽现象，使得光信号变模糊，而且，光脉冲的谱越宽，由色散引发的信号模糊程度越大。对于标准的基于二氧化硅的光学纤维而言，在 波段几乎没有色散射，但在 波段色散射则较大。为克服这种难题，色散位移光纤发展了起来。终于在80年代中期，经过仔细设计，在 波长窗口色散为零的色散位移光纤研制成功。这样采用单模光纤进行超大容量光纤通信也成为了可能。解决了光纤低损耗和零色散的问题，使长距离、超大容量的光纤通信变成了现实。1.

11、1.3. 光纤通信的特点与电缆和微波通信相比，光纤通信具有无与伦比的优越性。(1). 通信容量大光纤通信是以光纤为传输媒介，光波为载波的通信方式，其载波光波具有很高的频率(约 )，因此光纤具有很大的通信容量。(2). 传输距离长光纤具有极低的传输衰耗系数，若配以适当的光发送设备和光接收设备，可使其中继距离达数百公里以上。这是传统的电缆、微波等根本无法与之比拟的。(3). 保密性能好光波在光纤中传输时只在其芯区进行，基本上没有光泄露出去，因此其保密性能极好。(4). 适应能力强光纤基材为玻璃，无金属辅件的光缆可以在强电场环境下工作，不受电磁场干扰，可用于电力网或变电所内做通信控制线路；光纤的抗腐

12、蚀能力很强，可以在具有有害气体环境下工作，如化工厂等；光纤还具有优良的抗核辐射能力。(5). 体积小、重量轻、便于施工维护光缆的敷设方式方便灵活，既可以直埋、管道敷设，又可以水底敷设和架空。(6). 原材料来源丰富，价格低廉制造石英光纤的最基本原材料是二氧化硅既石英砂，在大自然中几乎是取之不尽、用之不竭，规模生产后价格低廉，并且替代了铜缆以后，节省了有色金属资源， 的光缆线路可以节省铜150吨、铅500吨。但光纤也具有其固有的缺点：(1). 质地脆，机械强度差因此光纤外围需要大量的辅材以弥补这一缺点，同时提高了施工工艺要求。(2). 光纤的切断和接续需要一定的工具、设备和技术对光纤的断续操作其

13、实是对纤芯的一项精细化操作，已经超出了人的手眼可以直接操作的范畴，必须借助一定的工具和设备，采用特殊的操作手段。(3). 分路、耦合不灵活光纤的分路、耦合涉及到对光纤的熔融操作，且需要精密的仪器控制操作参数以保障分路、耦合后光纤的技术参数，非工厂环境下难以实施。此外，由于光纤本身的物理特性，需要对光纤的分路、耦合设计额外的接口单元。(4). 光纤光缆的弯曲半径不能过小光在纤芯中是以全反射的方式进行传播，光纤光缆弯曲半径过小将破环全反射条件，使得光能量泄露，造成光信号大幅衰减甚至通信中断。1.2. 光纤及光缆基础知识1.1.1.1.2.1.2.1. 光纤的概念光纤是光导纤维（Optical Fi

14、ber）的简称。它是由玻璃、塑料和晶体等对某个波长范围透明的材料制成的，能传输光的纤维，是一种介质光波导，具有把光封闭在其中进行传播的导波结构。 光纤主要由纤芯、包层和涂敷层三部分组成，如图1-4所示。图1-4 光纤构造示意图纤芯的作用是传导光波。包层的作用是将光波封闭在光纤中传播。纤芯和包层均由石英材料构成，只不过是为了形成光波导效应，必须使纤芯折射率高于包层折射率（即 ），因而两者石英材料的掺杂情况不同。涂敷层的作用是保护光纤不受水汽的侵蚀和机械的擦伤，同时增加光纤的柔韧性，它一般采用环氧树脂或硅橡胶。在涂敷层外，有时为了增加光纤的机械强度，满足成缆要求，在涂覆层外面还加有塑料外套。目前主

15、流应用的光纤有两种尺寸规格，一种是芯线标称直径规格为 （纤芯直径/包层直径，下同）或 的多模光纤，一种是芯线标称直径规格为 的单模光纤。如图1-5所示。图1-5 单模光纤、多模光纤标称规格1.2.2. 光纤导光原理-几何光学理论光波与通信用的无线电波一样也是一种电磁波。不同的只是它的波长比无线电波的波长短很多，或者说它的频率比无线电波高很多，达到10131014Hz。图1-6中显示出了光波在电磁波谱图中的位置。人们所能直接看到的光波，仅仅是波长从 起到 这一小段的光波，我们称之为可见光。可见光包含红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七种颜色，这七种颜色的光波混合在一起就成为白光。图1-6 电磁波波谱图比

16、红光波长（ ）更长的光波，叫红外光；比紫光波长（ ）更短的光波，叫紫外光。人们把紫外光、红外光和可见光都归入到光波的范围。当今用作通信传输的介质石英光纤的低衰减“窗口”为 的波段范围，就坐落在可见的红光波段和不可见的近红外光波段。光波与其他波长的电磁波一样，在真空中的传播速度为 。光波在均匀介质中是直线传播的，在介质中的传播速度与其介质中的光折射率成反比，即 式中，为介质的光折射率；代表光速（ ）。光波的波长（）、频率（）和波速（）之间的关系为 当所使用的光纤的纤芯半径远大于传输光波长时（如多模光纤，其纤芯半径为 ，工作波长约为 ），可用几何光学理论对光在光纤中的传播原理进行解释，而当所使用的

17、光纤的纤芯半径 接近传输光波长 时（如单模光纤，其纤芯半径为 ，工作波长约为 ），则需用波动光学理论进行解释。下面将通过几何光学理论，对光在光纤中的传播原理进行简单说明。在几何光学理论中，传输的光信号被看作是有许多条光线所组成，在一种材料（或介质）中以直线传播，并在两种介质的交界处发生反射和折射，图1-7（a）给出了纤芯（折射率为 ）和包层（折射率为 ）的模拟界面。一束光从纤芯射向纤芯和包层的界面，部分能量被以反射光的形式反射回纤芯，在忽略吸收的情况下，其余的能量以折射光形式传入包层。入射角是入射光线和两种介质界面的法线之间夹角，用 表示。反射角是反射光线和法线之间的夹角，用 表示。折射角是折

18、射光线和法线之间的夹角，用 表示。根据几何光学原理：反射定律： 折射定律（斯涅尔定律）： （a） 光的反射、折射（入射角临界角）图1-7 几何光学原理当入射角 增大时，折射角 也随着增大。如果 ，当 时，达到临界点 ，如图1-7（b）。随着 继续增大，折射光线消失，所有的入射光能量都被反射回纤芯。这种现象称之为全反射。达到全反射现象时的最小的入射角被称之为临界角，如图1-7（c）。因此，根据几何光学理论，光信号是靠着光束在纤芯和包层界面的一系列全反射在光纤中向前传播的，如图1-8所示。图1-8 光信号在光纤中的传播必须指出的是，根据 ，只有当光从折射率大的介质射入折射率小的介质时，即 时，才能

19、产生全反射。例如，当光从玻璃射入空气时能产生全反射；而当光从折射率小的空气射入折射率大的玻璃时，就不可能产生全反射。1.2.3. 光纤类型(1). 按其本身材料分类4 石英系光纤纤芯和包层均是由高纯度的二氧化硅（SiO2）掺有适当的杂质（如B2O3、P2O5、GeO2、Ae2O3等氧化物）制成。特点是损耗低、强度大、可靠性好、但价格较高，目前应用最为广泛。4 石英芯塑料层光纤纤芯采用石英制成，包层采用硅树脂。特性同石英系光纤，但价格较低。4 多成分玻璃光纤一般采用SiO2、Na2O、CaO等多组玻璃材料制成。其特点是损耗较低，但可靠性也较差。4 塑料光纤纤芯和包层都由高度透明的聚苯乙烯或聚甲基

20、丙烯酸甲酯（有机塑料）制成。具有重量轻（为石英光纤的 ），韧性好（直径为 仍可自由弯曲不断裂，而同样粗的石英光纤已成为玻璃棒），工艺简单，成本低等优点，但损耗较大、可靠性较差。 多用于家电、音响，以及短距的图像传输4 红外光纤红外光纤是利用红外材料制成的光纤。具有极低的理论损耗极限，适用于长距离通信。但目前由于工艺和技术上的原因，损耗还相当大（每公里几十至几百分贝），正在进一步研究之中。(2). 按光纤横截面上折射率分布状况分类4 阶跃型光纤4 渐变型光纤4 W型光纤图1-9 典型的光纤截面和相应的折射率分布图(3). 按光纤内部允许激励的电磁场总模数分类4 多模光纤4 单模光纤图1-10 多

21、模光纤和单模光纤(4). 按使用波长分类4 短波长光纤：波长为 的光纤。4 长波长光纤：波长为 的光纤。4 超长波长光纤：波长为 的光纤。(5). 按特殊用途分类特殊用途的光纤亦称为特种光纤，是指适用于某些特殊场合的光纤。如：4 保偏（单偏振）光纤4 有源光纤4 双包层或多包层光纤4 增敏光纤 4 特殊涂层光纤4 耐辐射光纤4 发光光纤(6). 按ITU-T或IEC文号分类4 G.651 多模光纤4 G.652 零色散点在 波长左右的单模光纤4 G.653 零色散点在 波长左右的单模光纤4 G.654 截止波长位移单模光纤4 G.655 非零色散位移单模光纤4 G.656 宽带光传送的非零色散

22、光纤4 G.657 接入网用弯曲衰减不敏感单模光纤1.2.4. 光纤性能指标 光纤的特性参数主要有：(1). 数值孔径（Numerical Aperture；）在阶跃型光纤中，把受光角一半（即光线在光纤端面的最大入射角）的正弦值定义为光纤的数值孔径（简称NA）。即： 光纤的数值孔径反映了光纤接受光能力的强弱。 越大，即 越大，光纤接受光的能力越强。但 太大时，光纤的模畸变加大，影响光纤的带宽。对于通信光纤， 一般为（0.180.24）0.02。(2). 归一化截至频率（ ）和截止波长（ ）归一化频率是光纤最重要的结构参数，它能表征光纤中传播模式的数量。光纤中传播的各模式均有其自身的归一化截止频

23、率 。它描述了各个模式的截止条件。对应归一化截止频率的波长称为截止波长 。 某一模式在光纤中导行、截止和临界的条件分别为：导行条件：截止条件：临界条件：当光纤的归一化频率满足 时，光纤中只能传输HE11模，其它模都被截止，这种情况被称为光纤的单模传输。(3). 模场直径（Mode Field Diameter；MFD）模场直径，用来表征在单模光纤的纤芯区域基模光的分布状态。基模在纤芯区域轴心线处光强最大，并随着偏离轴心线的距离增大而逐渐减弱。 一般将模场直径定义为光强降低到轴心线处最大光强的 的各点中两点最大距离。 模场直径的大小与所使用的波长有关系，随着波长的增加模场直径增大。 典型值： ，

24、 典型值： 。模场直径一般越小越好，有利于增加光纤的抗弯性能，但减小模场直径必然增加相对折射率差，这会增加光纤的色散。故在选取模场直径时要全面权衡。 光纤的传输参数主要有：(1). 损耗损耗（loss）是衡量光纤性能的关键指标之一。它决定了光纤通信系统所能达到的最大无中继距离。光纤损耗 定义为单位长度光纤光功率衰减的分贝数，即： 式中： 分别为输入和输出光纤的有效功率。通过对光纤损耗的来源进行研究，可归纳如下：光纤损耗固有损耗吸收损耗本征吸收损耗紫外本征吸收红外本征吸收杂质吸收损耗氢氧根离子吸收过渡金属离子吸收原子缺陷吸收损耗散射损耗线性散射损耗瑞利散射损耗结构不完善散射损耗非线性散射损耗受激

25、喇曼散射受激布里渊散射附加损耗弯曲损耗接续损耗耦合损耗图1-11 光纤损耗来源A. 吸收损耗吸收损耗是指由于组成光纤的材料及其中的杂质对光波的吸收，使一部分光能转变为热能散失，从而造成光功率的损失。a) 本征吸收损耗本征吸收损耗是指光纤材料在不含有杂质的情况下自身的固有吸收。根据吸收机理可分为紫外本征吸收和红外本征吸收两种。b) 杂质吸收损耗杂质吸收是由于光纤中的杂质对光的吸收作用而造成的附加吸收损耗。这里的杂质并非指光纤中的掺杂物，而是指由于材料不纯或工艺不完善而引入的杂质。杂质吸收损耗中，影响最为严重的有两种杂质：4 过渡金属离子：铁、铬、钴、铜等，杂质含量的浓度越大，损耗越大。4 氢氧根

26、离子：当熔融的石英玻璃中含有水份时，由于水分子中氢氧根离子的振动而造成吸收损耗。 c) 原子缺陷吸收损耗原子缺陷吸收损耗是指玻璃材料受到某种激励（热激励或强辐射激励）时所感生的一种损耗。原子缺陷吸收损耗可高达几百 甚至几万 。B. 散射损耗散射损耗是指由于远小于波长的不均匀性（如折射率不均匀、掺杂离子浓度不均匀等）引起光的散射而造成的损耗。a) 瑞利散射损耗瑞利（Rayleigh）散射损耗是指在制造光纤过程中，由于局部浓度微观漂移而引起的一种损耗。即在制造石英玻璃光纤的过程中，因为冷却条件不均匀而出现分子级大小的密度不均匀，使得折射率不均匀而引起的散射。b) 结构不完善散射损耗结构不完善散射损

27、耗有的资料上也称为波导散射损耗，是指在光纤制造过程中，由于光纤存在缺陷而引起的损耗。如气泡、粗细不均匀、纤芯与包层交界面粗糙等。当光线传输遇到这些缺陷时，就会产生光的散射，引起损耗。C. 弯曲损耗弯曲损耗是指光纤弯曲的曲率半径小到一定程度时，纤芯中传输的光射线不再满足全反射条件，使光线由纤芯折射到包层，即光功率由传输模转变为辐射模而引起的损耗。弯曲损耗依模式不同分为宏弯(Macro bending)损耗和微弯(Micro bending)损耗两种。4 宏弯损耗：光纤的曲率半径比光纤直径大的多的弯曲(宏弯)引起的附加损耗，主要原因有：路由转弯和敷设中的弯曲；光纤光缆的各种预留造成的弯曲(预留圈、

28、各种拿弯、自然弯曲)；接头盒中光纤的盘留、机房及设备内尾纤的盘绕等。4 微弯损耗：光纤轴产生m级的弯曲(微弯)引起的附加损耗，主要原因有：光纤成缆时，支承表面微小的不规则引起各部分应力不均匀而形成的随机性微弯；纤芯与包层的分界面不光滑形成的微弯；光缆敷设时，各处张力不均匀而形成的微弯；光纤受到的侧压力不均匀而形成的微弯；光纤遇到温度变化，因热胀冷缩形成的微弯。D. 接续损耗接续损耗又称为连接损耗，是指两根光纤连接时由于发生空间错位而产生的损耗。E. 耦合损耗耦合损耗是指光源和光探测器与光纤之间耦合时产生的损耗。光纤在使用过程中，其固有损耗由于源自光纤本身，因此损耗值相对固定，但其附加损耗由于受

29、到人为操作和环境变化因素影响较大，因此损耗值波动范围较大。实际使用中，附加损耗往往决定了整条光纤链路的品质，因此，必须严格按规范操作光纤光缆，将附加损耗降至最低。(2). 色散光纤的色散（dispersion）是指由于光纤中传输的信号是由不同模式或不同频率携带的，它们在传输过程中速度不同，从而引起波形失真的一种物理现象。光纤的色散通常用时延差来表示。色散越严重，时延差越大，脉冲展宽就越大。光纤的色散主要由三种组成：4 模式色散：是指在光纤中由于各模式的轴向速度不同（即传播路径不同），使得到达终点的时间也不相同，而引起的脉冲展宽。4 材料色散：是指由于构成光纤的材料的折射率随传输光波的频率变化，

30、导致模内不同频率信号的传输速度不同而引起的色散。4 波导色散：是指由光纤的几何结构所引起的色散。其产生原因是由于光纤的纤芯与包层折射率相差很小，光线在其交界面上产生全反射时，有可能一部分光进入包层之内传输。这部分光在传输一定距离后，又有可能返回纤芯中传播。由于包层折射率小于纤芯折射率，导致模内各信号传输速度不同，从而产生色散。一般来讲，入射光的波长越长，进入包层的光强比例就越大，引起的色散也就越大。三种色散数值大小不同，一般是模式色散最大，材料色散次之，波导色散最小。对于阶跃型光纤，模式色散占主导地位，其次是材料色散，波导色散可忽略不计。对于渐变型光纤，模式色散和波导色散均可忽略，主要考虑材料

31、色散。对于理想单模光纤，无模式色散，只有材料色散和波导色散。在短波长区（如 ），材料色散占主导地位，波导色散可忽略不计。在长波长区，波导色散不可忽略。在 处，材料色散和波导色散彼此抵消，出现无色散传输的零色散波长点。故常规单模光纤在 工作窗口的色散非常小。在光纤中，通常所说的色散为模式色散、波导色散和材料色散三者之和，它一般可由下式求得： 式中： 分别为模式色散、材料色散和波导色散。 (3). 传输带宽传输带宽是光纤的重要参数，它与色散有着直接关系。经理论推导，它们的关系为： 式中： 为高斯形光脉冲的 每公里带宽； 为光脉冲传播 的时延差，单位为 。一般光纤总带宽计算的经验公式为： 式中： 为

32、光纤长度（）； 为光纤每公里带宽； 为带宽距离指数，对于多模光纤取值在 之间，一般取0.7，对于单模光纤，由于只传输一个模，故取1。当前运用的单模石英光纤，如G.652 C，G.652 D，已经基本消除氢损，它们的传输带宽，可以从 到 ，共有 宽度。一般把这 宽度划分成O、E、S、C、L、U六个波段，具体划分方法如表1-1：表1-1 光纤传输用波段划分波段波长范围初始(O)波段扩展(E)波段短(S)波段常规(C)波段长(L)波段超常(U)波段1.2.5. 主流应用光纤性能指标 G652光纤G.652光纤称为色散移位光纤，又称为 波长性能最佳的单模光纤，是目前广泛应用的常规单模光纤。G.652光

33、纤适用于 和 窗口工作。在 波长工作时，理论色散值为零；在 波长工作时，传输损耗最小，但色散系数较大。表1-2 G.652光纤的主要参数（2009年第八版）光纤属性特性详情值模场直径波长标称值范围容差包层直径标称值容差核壳同心度误差最大值包层不圆度最大值光缆截止波长最大值宏弯损耗半径圈数在 区域的最大值在 区域的最大值表面应力最小值色散系数光缆属性衰减系数在 区域的最大值在区域的最大值在区域的最大值在 区域的最大值在 区域的最大值PMD 系数M 根光缆Q最大 PMDQG657光纤G.657光纤称为接入网使用的弯曲损耗不敏感的单模光纤，主要是为了满足接入网和用户网线路的需要于近年来开发应用的。根

34、据G.657标准，光纤的弯曲半径可达 ，因此符合G.657标准的光纤可以像铜缆一样，沿着建筑物内很小的拐角进行安装操作，非专业的技术人员也可以掌握施工方法，降低了FTTx网络布线的成本。除此以外，实际施工中光纤的弯曲半径一般会大于该类光纤的最小弯曲半径，当光纤发生一定程度的老化时，信号仍然可以正常传送。因此，G.657标准的光纤提高了光纤的抗老化能力，降低了FTTx的维护成本。2009年10月ITU-T SG15对G.657光纤的分类建议有了新的规定：按与G.652D是否兼容和弯曲等级2个原则将G.657划分为G.657 A1、G.657 A2、G.657 B2和G.657 B3 4个字类，如

35、表1-2所示。G.657光纤的主要性能参数见表1-3。表1-3 ITU-T G.657建议的分类弯曲等级与G.652D兼容与G.652D不兼容弯曲等级 最小弯曲半径 弯曲等级 最小弯曲半径 弯曲等级 最小弯曲半径 表1-4 G.657光纤的主要参数（2009年第二版）光纤属性特性详情值模场直径波长标称值范围容差包层直径标称值容差纤芯同心度误差最大值包层不圆度最大值光缆截止波长最大值微弯损耗半径（）缠绕圈数最大值（），在 最大值（），在 筛选应力最小值色散系数光缆属性衰减系数最大值，在 最大值，最大值，在 最大值，在 最大值，在 PMD 系数M 段光缆Q最大 PMDQ由表1-4可以看出，G.65

36、7 A1和G.657 A2类光纤使用与O、E、S、C和L波段（ ），满足G.652 D类光纤的全部传输特性，并在宏弯损耗参数上优于B1.3类光纤，应用于入户布线场景时可与现网存在的大量G.652 D类光纤实现完全平滑对接，目前使用的蝶形引入光缆应用的就是G.657 A2类光纤。G.657 A1的最小弯曲半径推荐为 ，G.657 A2的最小弯曲半径推荐为 。G.652 B2和G.652 B3类光纤适用于室内短距离的通信传输，工作波长在 和 。不要求与G.652 D光纤兼容，允许更小的模场直径、更大的衰减系数以及特殊的光纤结构等。G.652 B2的最小弯曲半径推荐为 ，G.657 B3的最小弯曲半

37、径推荐为 。1.2.6. 光缆结构及其特点与使用场合单独的成品光纤，都是经过了一次涂覆或者二次涂覆（套塑）以后的光纤，虽然它已具有一定抗拉强度，但还是经不起实用场合的弯折、扭曲和侧压力的作用。为此欲使成品光纤能达到通信工程的实用要求，必须像通信用的各种铜线电缆那样，借用传统的绞合、套塑，金属带铠装等成缆工艺，并在缆芯中放置强度元件材料，组成为因使用环境不同的多品种光缆，使之能适应工程要求的敷设条件，承受实用条件下的抗拉、抗冲击、抗弯、抗扭曲等机械性能，以保证光纤原有的好的传输性能不变。光缆结构分为缆芯、加强元件和护层三大部分。缆芯是光缆结构的主体，它的作用主要是妥善安置光纤，使光纤在各种外力影

38、响下仍能保持优良的传输性能。缆芯结构可分为层绞式、骨架式、带式、束管式4种。(1). 层绞式层绞式主线一般采用中心加强件来承受张力，光纤环绕在中心加强件周围，并以一定节距绞合成缆。该结构中光纤可采用紧套或松套两种套塑方式。紧套光纤性能稳定，外径较小，但对侧压力比较敏感。松套光纤外径较大，但温度性能、抗压性能较好，故应用较广。松套光纤的套塑层内可放入一根或多根一次涂敷的光纤。当光纤数较多时，可先用这种结构制成光纤单元，再把这些单元绞合成缆，制成高密度的多芯光缆。(2). 骨架式骨架式光缆是在中心加强件外面制一个带螺旋槽的聚乙烯骨架，一次涂敷的光纤置于骨架的槽内，使光纤受到很好的保护。(3). 带

39、式带式光缆是先将一定数目的光纤排列成行制成光纤带，然后把若干条光纤带按一定的方式排列扭绞成缆，是一种高密度结构的光缆。(4). 束管式束管式光缆是一种新型的光缆结构，它的特点是中心无加强元件，缆芯都为一充油管，一次涂敷的光纤浮在油膏中，加强件在管的外面，既能做加强用，又可作为机械保护护层。束管式光缆由于中心无任何导带，所以可以解决与金属护层之间的耐压问题和电磁脉冲的影响问题。这种结构的光缆因为无中心加强件，所以缆芯可以做得很细，减小了光缆的外径，减轻了重量，降低了成本，而且抗弯曲性能和纵向密封性能较好，制造工艺也较简单。加强元件光缆必须设置加强元件以承受机械拉伸负荷，这是光缆结构与电缆结构的主

40、要不同点。加强元件有两种设置方式，一种是放在缆芯中心的中心加强方式，常用于层绞式和骨架式，另一种是放在护层中的外层加强方式，常用于带式和束管式。加强元件一般采用圆形钢丝、扇形钢丝、钢绞线或钢管等。在强电磁干扰环境和雷区中可使用高强度的非金属材料玻璃丝和芳纶纤维等。护层位于缆芯外围，是由护套等构成的多层组合体。护层结构应根据敷设条件选定，敷设方式主要有管道、直埋、架空、水底（或海底）等几种。管道光缆的护层要求具有较高的抗拉、抗侧压、抗弯曲的能力。直埋光缆的护层要考虑地面的震动和虫咬等，要加铠装层。架空光缆的护层要考虑环境的影响，在森林地带使用时，还要加防弹层。水底光缆的护层所加装的铠装层，则要求

41、具有更高的抗拉强度和更高的抗水压能力。一般来说护层分为填充层、内护层、防水层、缓冲层、铠装层和外护层等。填充层是由聚氯乙烯（PVC）等组成的填充物，起固定各单元位置的作用。内护层是置于缆芯外的一层聚酯薄膜，一方面将缆芯扎成一整体，另一方面也可起隔热和缓冲的作用。防水层在一般的光缆中由双面涂塑的铝带（PAP）或钢带（PSP）在缆芯外纵包粘结构成，在海底光缆中由全密封的铝管（含氩弧焊铝管）或铅管构成。缓冲层用于保护缆芯受径向压力，一般采用尼龙带沿轴向螺旋式绕包方塑钢带、不锈钢带、皱纹钢带、单层钢丝、双层钢丝等不同种类，也有采用尼龙铠装的。外护层是利用挤塑的方法将聚氯乙烯或聚乙烯等塑料挤在光缆外面。

42、光缆还必须有防止潮气浸入光缆内部的措施，一种是在缆芯内填充油膏，称为充油光缆；另一种是采用主动充气方式，称为充气光缆。充油光缆具有防潮性能好、投资省、维护工作量小的优点。充气具有早期漏气告警，能在传输特性恶化之前及时排除故障等优点，但充气设备费用较高，光缆直径细、气阻大、不易成气流通路，故世界上较多采用充油光缆。表1-5 FTTH建设中适用的缆型结构及规格样式名称规格层绞式光纤束光缆2/4/6/12/24/48芯中心束管式带状光缆144/96/72芯层绞式带状光缆288/216芯室内蝶形引入光缆1-2芯自承式蝶形引入光缆1-2芯管道蝶形引入光缆1-2芯1.2.7. FTTH建设关键器件FTTH

43、建设的本质是对光纤光缆的操作，与之相搭配形成ODN网络的器件与以往铜质线缆的网络器件完全不同。本节将对这些器件做简单的介绍。光分路器光分路器是目前FTTH网络建设中的核心，正是由于它的出现，替代了直接面向用户的大量底层有源汇聚节点，使得无源光网络成为现实。光分路器是光纤链路中最重要的无源器件之一，是具有多个输入端和多个输出端的光纤汇接器件，它实现了光信号的耦合、分支和分配，常用 来表示一个分路器有 个输入端和 个输出端。目前FTTH建设中使用的光分路器主要有 六种规格，正在进行探索应用的还有 规格，同时还有少量 规格的实际应用。图1-12 光分路器成品光分路器按原理可以分为熔融拉锥型和平面波导

44、型两种（见图1-13），熔融拉锥型产品是将两根或多根光纤进行侧面熔接而成；平面波导型是微光学元件型产品，采用光刻技术，在介质或半导体基板上形成光波导，实现分支分配功能。这两种型式的分光原理类似，它们通过改变光纤间的消逝场相互耦合（耦合度，耦合长度）以及改变光纤纤半径来实现不同大小分支量，反之也可以将多路光信号合为一路信号叫做合成器。（a） 熔融拉锥型（FBT）（b） 平面波导型（PLC）图1-13 光分路器类型表1-6 熔融拉锥型和平面波导型光分路器比较序号主要参数熔融拉锥型（FBT）平面波导型（PLC）1工作波长2功率分配比例可变、不等分均分3外形尺寸多通道体积大小4波长敏感度高低5插损及均

45、匀性差好6价格低分路价格低,高分路价格高低分路价格高,高分路价格低衡量光分路器性能常参考如下4个技术指标：(1). 插入损耗光分路器的插入损耗是指每一路输出的光功率相对于输入光功率损失的 数，其数学表达式为： （2.10）其中： 是指第 个输出口的插入损耗； 是第 个输出端口的光功率； 是输入端的光功率值。(2). 附加损耗附加损耗定义为所有输出端口的光功率总和相对于输入光功率损失的 数。附加损耗是体现器件制造工艺质量的指标，反映的是器件制作过程的固有损耗，这个损耗越小越好，是制作质量优劣的考核指标。而插入损耗则仅表示各个输出端口的输出功率状况，不仅有固有损耗的因素，更考虑了分光比的影响。因此不同的光纤耦合器之间，插入损耗的差异并不能反映器件制作质量的优劣。(3). 分光比分光比定义为光分路器各输出端口的输出功率比值。(4). 隔离度隔离度是指光