一級建造師考點:1L411081 掌握單模和多模光纖的特點和應用
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1L411081 掌握單模和多模光纖的特點和應用 ( P14：光傳輸媒質;P58)
一、光纖結構和類型
二、光纖通信的工作窗口
三、光纖分類
四、多模光纖
五、單模光纖
一、光纖結構和類型
(一)光纖的結構
光纖是光導纖維的簡稱，是一種新的光波導，是光通信系統(tǒng)最普遍和最重要的傳輸媒質。
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性能不同的介質構成，內部的介質對光的折射率比環(huán)繞它的介質的折射率高。
包在外圍的覆蓋層就像不透明的物質一樣，防止了光線在穿插過程中從表面逸出。
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)作用是適當提高纖芯對光的折射率，用于傳輸光信號。
2. 包層
位置: 位于纖芯的周圍
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：適當降低包層對光的折射率，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(這是光纖結構的關鍵)，它使得光信號封閉在纖芯中傳輸。
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：是保護光纖不受水汽侵蝕和機械擦傷，同時增加光纖的機械強度與可彎曲性，起著延長光纖壽命的作用。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：纖芯的折射率大于包層的折射率，這也是光信號在光纖中傳輸的必要條件。
(三)光在光纖中的傳播
對于階躍折射率光纖，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，引導光纖芯向前傳播。
對于漸變折射率光纖，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生連續(xù)折射，形成穿過光纖軸線的類似于正弦波的光折射線，引導光波沿纖芯向前傳播。
(四) 光纖最重要的兩個傳輸特性 (P14)
損耗和色散是光纖最重要的兩個傳輸特性，它們直接影響光傳輸的性能。
(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。
吸收損耗是因為光波在傳輸中有部分光能轉化為熱能;
散射損耗是因為材料的折射率不均勻或有缺陷、光纖表面畸變或粗糙造成的。
當然，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短和中繼距離的選擇。
(2)光纖傳輸色散：色散是光脈沖信號在光纖中傳輸，到達輸出端時發(fā)生的時間上的展寬。
產生的原因是光脈沖信號的不同頻率成分、不同模式，在傳輸時因速度不同，到達終點所用的時間不同而引起的波形畸變。
色散結果：這種畸變使得通信質量下降，從而限制了通信容量和傳輸距離。
二、光纖通信的工作窗口
光纖損耗系數隨著波長而變化，為獲得低損耗特性，光纖通信選用波長范圍在800 ~1800nm，并稱850nm(800~900nm)為短波長波段;1300~1600nm為長波長波段，主要有1310nm和1550nm兩個窗口。實用的低損耗波長是：第一代系統(tǒng)，波長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1550nm，最低損耗0.16dB/km，采用石英單模最低損耗與適應色散光纖。上述三個波長稱為三個工作窗口。
三、光纖分類
四、多模光纖
當光纖的幾何尺寸遠大于光波波長時(約lμm)，光纖傳輸的過程中會存在一著幾十種乃至上百種傳輸模式，這樣的光纖稱為多模光纖。
由于不同的傳播模式具有不同的傳播速度與相位，因此，經過長距離傳輸會產生模式色散(經過長距離傳輸后，會產生時延差，導致光脈沖變寬)。模式色散會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，目前數據通信局域網大量采用多模光纖。
五、單模光纖
當光纖的幾何尺寸較小，與光波長在同一數量級，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，這樣的光纖稱為單模光纖。單模光纖避免了模式色散，適用于大容量長距離傳輸。
(一)單模光纖分類：
按電信標準化部門(ITU-T)建議分類可分為G.652, G.653, G.654, G.655四種單模光纖;按IEC標準分類可分為Bl.1、B1.2、Bl.3、B2、B4;按我國標準(GB/T)分類可分為Bl.l、B1.2、B1.3、B2、B4。我國標準對光纖類別型號的命名等采用了IEC規(guī)定，所以二者是一樣的。
(二)幾種單模光纖的特點和應用
1. G. 652標準單模光纖特點及應用
?、倭闵⒉ㄩL在1310nm附近。既可以使用在1310nm波長區(qū)域，也可以使用在1550nm波長區(qū)域。最佳工作波長在1310nm區(qū)域。
②當工作波長在1.3μm時，光纖色散很小，系統(tǒng)的傳輸距離只受光纖衰減所限制。
?、酃饫w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：λ從<1250nm。
?、菽鲋睆剑?310nm處的模場直徑是8.6~9.5μm士0.7。在1550nm處沒有具體規(guī)定，但一般不大于10. 3μm。
⑥衰減：衰減系數最大值在1310nm窗口，A級為0.36dB/krn, B級為0. 40dB/km,C級為0.50dB/km。
?、呱ⅲ毫闵⒉ㄩL范圍是1300~1324nm。
⑧偏振模色散(PMD)系數最大值：0. 3ps/km。 ◇一級建造師
2. G. 653色散位移光纖特點及應用
色散位移光纖在1.55μm色散為零，不利于多信道的WDM傳輸，用的信道數較多時，信道間距較小，這時就會發(fā)生四波混頻(FWM)導致信道間發(fā)生串擾。如果光纖線路的色散為零，F(xiàn)WM(四波混頻)的干擾就會十分嚴重;如有微量色散，F(xiàn)WN干擾反而還會減少。
?、俟饫w截止波長：λc<1250nm.
?、谀鲋睆剑?550nm處的模場直徑是7. 8~ 8.5μm士0. 8 .
?、鬯p：衰減系數最大值在1310nm窗口，A級為0.40dB/km,B級為0.45dB/km,C級為0. 55dB/km
④偏振模色散(PMD)系數最大值：0. 3 ps/km .
此種光纖除了在日本等國家干線網上有應用外，在我國干線網上幾乎沒有應用
3. G.654截止波長位移光纖特點及應用
也叫衰減最小光纖(在1550nm處)。
?、倭闵⒉ㄩL在1310nm附近，截止波長位移到較長的波長，所以該光纖也被稱為截止波長位移單模光纖。
②工作波長為1.55μm，在該波長附近上的衰減最小。
?、哿闵Ⅻc在1300nm附近，但在1550nm窗口色散較大，約為17~20ps/ (nm• km)
④光纖截止波長：1350nm<λc<1600nm.
?、菽鲋睆剑?550nm處的模場直徑是9.5~10.5μm士0. 7 ?！笠患壗ㄔ鞄?/p>
?、匏p：衰減系數最大值在1550 nm窗口，A級為0.19dB/km, B級為0. 22dB/km。
⑦色散：1550nm色散系數最大值20ps/nm•km; 1550nm零色散斜率最大值為0.07ps/(nm2•km)。
?、嗥衲Ｉ?PMD)系數最大值：0. 3ps/km。
該種光纖主要應用于長距離數字傳輸系統(tǒng)。如海底纜。
4. G.655非零色散位移光纖特點及應用
?、俜橇闵⒐饫w實質上是一種改進的色散位移光纖，其零色散波長不在1. 55μm，而是在1. 525μm或1. 585μm處。
②在使用波長區(qū)域內具有非零的小色散值，削減了色散效應和四波混頻效應。
?、圩罴咽褂貌ㄩL范圍在1530~1565nm區(qū)域，也可以一支持更高波長，直至16 (××不大于25)。
④光纖截止波長
?、菽鲋睆?/p>
?、匏p
?、逤波段色散
?、郘波段色散
⑨偏振模色散(PMD)系數最大值
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