通信工程师考试光纤的结构与分类

  1.1光纤

  1.2.1光纤的结构与分类

  光纤是光纤传输系统的物理层介质，是构建光纤传输网络的重要基础。

  1.光纤的结构

  （1）光纤的基本结构。光纤的基本结构一般是双层或多层的同心圆柱体，如图1-1所示。中心部分是纤芯，由纯石英玻璃拉制而成；纤芯外面是包层，纤芯的折射率高于包层的折射率，从而形成一种光波导效应，使大部分的光被束缚在纤芯中传输，实现光信号的传输。

  由纤芯和包层组成的光纤称为裸光纤，裸光纤不能直接使用，实用的光纤是在裸光纤的外面增加了防护层保护光纤不受水汽的侵蚀和机械擦伤，增加光的柔韧性，并用来缓冲外界的压力、增加光纤的抗拉、抗压强度，以及改善光纤的温度特性和防潮性能等。防护层通常也包括好几层，包括包层外面的缓冲涂层、加强材料涂覆层以及最外一层的套塑层。

  光纤的几何尺寸很小，纤芯直径一般在5-50pm之间，包层的外径为125哗，若将防护涂层也算上整个光纤的外径，也只有250pm左右。

  光纤的套塑方法有两种：紧套和松套。紧套是指光纤在套管内不能自由松动，而松套光纤则有一定的活动范围。紧套的优点是性能稳定，外径较小但机械性能不如松套，因为紧套无松套的缓冲空间，易受外力影响。松套光纤温度性能优于紧套光纤，制作比较容易，但外径较大，为避免水分，需要填充半流质的油膏来提高组成光缆后的光缆的纵向封闭性能。经过涂覆、套塑形成的光纤常称为被覆光纤。

  （2）光纤的材料。目前通信用光纤主要是石英系光纤，其主要成分是高纯度的Si02玻璃。如果在石英中掺入折射率高于石英的掺杂剂，就可以制作光纤的纤芯；同样，如果在石英中掺入折射率低于石英的掺杂剂，则就可以作为包层材料。纤芯中广泛应用的掺杂剂为二氧化锗（Ge02）、五氧化二磷（P205）等，包层中主要的掺杂剂为三氧化二硼（B203）、氟（F）等。

  （3）光纤的折射率分布。光纤的光学特性决定于它的折射率分布，因此光纤纤芯和包层折射率在制造阶段（指预制棒制造）是沿径向加以控制的。用控制预制棒中掺杂剂的种类和数量的方法来使之产生一定形状的折射率分布。折射率分布的形状有：阶跃（突变）、髙斯、三角形或更复杂的形式。

  2.光纤的分类

  光纤的分类方法很多，既可以按照光的折射分布来分，如阶跃光纤和渐变光纤，也可以按照传输模式数目来分，如单模光纤和多模光纤。

  光纤模是满足边界条件的电磁场波动方程的解即电磁场的稳态分布，每一种这样的分布对应一种模式。根据光纤中传输模式数目分为多模光纤和单模光纤。

  （1）多模光纤。光纤中传输模式的数目与光的波长、光纤的结构（如纤芯直径）、光纤的纤芯和包层的折射率分布有关。为了表示光纤中存在模式的数目，我们引入归一化频率参数（V），其定义为式中，λ为光纤中电磁波的工作波长；a为光纤的纤芯半径；n1为纤芯的折射率；为包层n2的折射率。

  多模光纤是一种传播多个模式的光纤，即它允许多个传导模通过d多模光纤有两种结构：多模阶跃光纤和多模渐变光纤。多模阶跃光纤是早期的产品，结构简单、工艺易于实现，但由于其模式数目较多，因而模间延时较大，传输带宽窄，目前己被多模渐变光纤取代。

  多模渐变光纤现已成为国际标准（即G.651）光纤，ITU-T对其主要参数，如芯径、包层直径、同心度误差等作了严格的规定。

  （2）单模光纤。只能传播一种模式的光纤称为笮模光纤。为保证光纤中只存一个模式，应满足截止条件<2.405式中，波长的最小值称为单模光纤的截止波长，表示为；Urn:F随纤芯半径纤芯和包层的相对折射率气化-叱如增大而增大，因而单模光纤的纤芯和折射率差都较小。典型多模光纤和笮模光纤的结构如图1-2所示：

  所示ITU-T己规范了4种类型的单模光纤，即Q652光纤、G653光纤、G654光纤和G655光纤。

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