通信光缆系统的发展与应用

3.3.1 通信光纤光缆概述

1．光纤的发展史概述

光纤通信的历史，最早可追溯到1996年，英籍华人“光通信之父”高锟(C.K.Kilo)博士根据“介质波导理论”提出了“光纤通信”的概念。1970年，美国康宁公司根据高博士的这一原理，成功地研制出了通信光纤，从而开始了人类光通信的新时代。

如前所述，目前使用的“光纤”多为纯石英光纤，它以纯净的二氧化硅（SiΟ2）材料为主，为改变折射率，中间掺有锗、磷、硼、氟等微量元素。光纤分为多模光纤(MMF)和单模光纤(SMF)两种基本类型。多模光纤先于单模光纤商用化，它的纤芯直径较大，通常为50 μm或62.5 μm，它允许多个光传导模式同时通过光纤，因而光信号进入光纤时会沿多个角度反射，产生模式色散，影响传输速率和距离。多模光纤由于传输距离短、信号速率低，所以目前实际的光纤系统中已不再使用，逐渐被单模光纤所取代。

单模光纤的纤芯直径非常小，通常为4～10 μm。在任何时候，单模光纤只允许光信号以一种模式通过纤芯。与多模光纤相比，它可以提供非常出色的传输特性，为信号的传输提供更大的带宽，更远的距离。目前的通信网络传输中，从长途网到接入网，主要都采用“单模光纤”。为确保光纤施工过程中连接器、焊接器，以及各类光纤施工工具的相互兼容，国际上统一标准的“包层直径为125 μm，外套直径为245 μm”。

在光脉冲信号传输的过程中，所使用的波长与传输速率、信号衰减之间有着密切的关系。通常采用的光脉冲信号的波长集中在某些波长范围附近，这些波长范围因为有对光信号的“低衰耗”的特征，习惯上又被称为信号传输“窗口”，目前常用的传输“窗口”有850 nm、1310 nm和1550 nm三个光波长的“低损耗窗口”，在这三个“窗口”中，信号具有最优的传输特性——衰耗最低，信号失真度最小。目前通信网中常采用1310 nm 和1550 nm两个波长，作为单模光纤的信号通道——即光信号传输“窗口”。

2．光纤的导光原理

与电信号通信系统比较， 光纤通信系统可提供极宽的频带，并且信号的功率损耗小、传输距离长(2-50-4000公里以上)、传输速率高(可达数千Gb/s)、抗干扰性强(不会受到电信号干扰)，是构建社会信息高速公路的安全可靠的通信网络的理想选择。

光纤为圆柱状，由3个同心圆部分组成——纤芯、涂敷层和护套；根据光纤的全反射原理，在光纤的制造过程中，在光纤纤芯外面涂上1～2层起“光线反射”作用的涂覆层，形成光纤纤芯折射率高而涂敷层折射率低的情况，在光纤芯壁及纤芯涂敷层的边界形成对光信号束的良好的全反射效果，使得射入纤芯的光束信号全部“反射”回纤芯中，从而使光信号束都集中在光纤芯内部传输而不向外泄漏，就似水管中的水流那样，使之永远在水管中流动，如图3.13所示。当然，这对光纤材料通信的实用化提出了很高的要求——光纤的成缆化：形成实用的通信光缆。

图3.13 光纤芯线结构图

由于光纤质地脆、易断裂，为了保证光通信信号在光传输系统中安全可靠的传播，将光纤加工制造成通信工程中实用化的各类“通信光缆”的形式。在固有的“光缆传输系统”中敷设、成端。图3.14是几种常用的光缆实物及断面示意图。

3.3.2 通信光纤

1．通信光纤概述

根据波导传输波动理论分析, 光纤的传播模式可分为多模光纤（ITU-T.G.651）和单模光纤（ITU-T.G.652- 655）两大类，其中目前通信行业普遍使用的是单模光纤光缆。

图3.14 各类单模光纤光缆实物及断面展示图

（1）G.651多模光纤

多模光纤即能承受多个模式的光纤，这种光纤结构简单、易于实现，因而在早期（20世纪80年代末期）的数字光纤通信系统(PDH系列)中采用；但这种光纤传输带宽窄、衰耗大、时延差大；因而已逐步被单模光纤代替，目前仅有少量在计算机局域网络中使用，并且价格往往高于主流的单模光缆。

（2）G.652-G.655单模光纤

即只能传送单一基模的光纤，与多模光纤相比，这种光纤在时域上不存在时延差；从频域看，传输信号的带宽比多模光纤宽得多，有利于高码率信息长距离传输。单模光纤的纤芯直径一般为4～10μ m，包层即外层直径一般为125μm，比多模光纤小得多。下面按型号分别予以介绍。

（3）G.652单模光纤

满足ITU-T.G.652要求的单模光纤，常称为非色散位移光纤，其零色散位于1.3um窗口低损耗区，工作波长为1310nm（损耗为0.30d B／km）。我国已敷设的光纤光缆绝大多数是这类光纤。随着光纤光缆工业和半导体激光技术的成功推进，光纤线路的工作波长可转移到更低损耗（0.20d B／km以下）的1550nm光纤窗口。

（4）G.653单模光纤

满足ITU-T.G.653要求的单模光纤，常称色散位移光纤（DSF＝Dispersion Shifted Fiber），其零色散波长移位到损耗极低的1550nm处。这种光纤在有些国家，特别在日本被推广使用，我国京九干线光传输系统上也有少量采用。美国AT&T公司早期发现DSF的严重不足：在1550nm附近低色散区存在严重的四波混频等光纤非线性效应，阻碍光纤放大器在1550nm窗口的应用，故应用不广。

（5）G.654海底单模光缆

铺设于海底的光缆，有浅海和深海应用。这种光缆的特点，一是耐受很大的静水压力 （每深10m增加压力为1吨。）和施放过程中的拖曳力；二是能防止氢入侵光纤。已经证实，氢会导致光纤增大衰减；三是中继段跨距大。在海缆中光纤单元都放置于缆的中心并在专制的不锈钢管中。该管外绕高强度拱形结构的钢丝。钢丝层又包上铜管，供作远供，又使得光缆敷设时不发生微／宏弯。然后挤塑外护套。还可能销装，以防利器伤害，其中包括鲨鱼咬噬。在我国上海、青岛、汕头已有洋际海底光缆着陆。

（6）G.655单模光纤

满足 ITU-T.G.655 要求的单模光纤，常称非零色散位移光纤或 NZDSF（＝NonZero Dispersion Shifted Fiber）。属于色散位移光纤，不过在1550nm处色散不是零值（按ITU-T.G.655规定，在波长1530-1565nm范围对应的色散值为0.1-6.0ps／nm.km），用以平衡四波混频等非线性效应。商品光纤有如AT&T的TrueWave光纤，Corning的SMF-LS光纤（其零色散波长典型值为1567.5nm，零色散典型值为0.07ps／nm2.km）以及Corning的LEAF光纤。我国的“大宝实”光纤等。该光纤光缆能传输10Gb/s的数字信号速率。

（7）目前常用光纤

目前常用的是G .652和G .655单模光纤，单波长信道可分别传输2.5Gb/s和10Gb/s的数字信号速率。如图3.15所示。

2．通信光纤的主要技术参数

光纤的特性参数及定义相当复杂。在一般数字光纤工程中， 单模光纤所需的主要参数有：模场直径、衰减系数和工作波长（或截止波长）等。

（1）模场直径d

指95%的光能量在光纤信道上传输时的直径范围，是表征光纤中集中光能量程度的物理量；从物理概念上我们可理解为，对于单模光纤，基模场强在光纤横截面近似为高斯分布， 如图3.16所示。通常将纤芯中场分布曲线最大值1/e处所对应的宽度定义为模场直径，用d表示。工程上，可以认为：模场直径d ==单模光纤的芯径。

（2）衰减系数α

光纤衰耗是决定光纤系统传输距离的最重要因素，因此努力把光纤衰耗降到最低，是人们长期以来一直努力奋斗的目标。光纤的衰减系数指单位长度（通常是每公里）下光信号的功率衰耗值，用希腊字母α来表示, 单位是d B/km, 其定义式如下：

式中：Pi为输入光纤的光功率； Po为光纤输出的光功率；L为光纤的长度(单位为km)。

（3）截止波长λ

指光纤中的各阶高次模的光功率总和与基模光功率之比下降到10%时的工作波长。为此， ITU-T定义了以下两种截止波长：

① 2米长一次涂覆光纤的截止波长（λc）；

图3.15 紧套和松套光纤结构示意图

图3.16 基模场强分布曲线图

② 22米长成缆光纤的截止波长（λcc）。

（4）色度色散系数Dλ

指单模光纤传输过程中引起的（光）脉冲展宽和畸变效应。

（5）零色散波长λo

使光纤总的色度色散值为零的某波长值。

3.3.3 通信光缆与工程系统

与通信电缆类似，光缆主要由缆芯组合、加强元件和护套组合三部分组成，如图3. 13所示。

1．缆芯组合简介

缆芯组合指光纤芯的组合，光纤芯的结构分为单位式和带状结构两大类，而单位式结构的光纤主要采用紧套和松套两种成纤结构，最常用的是“松套管结构”；而带状式光纤单元是将4～12根光纤芯线排列成行， 构成带状光纤单元， 再将多个带状单元按一定方式排列成缆。这种光缆的结构紧凑，可做成上千芯的高密度光缆。如图3.10所示。

2．光缆结构介绍

光缆结构可分为“中心束管式”、“层绞式”、和“骨架式”三种，我国常用的是前两种。(www.xing528.com)

（1）松套中心管式光缆技术

将光纤套入由高模量的塑料做成的螺旋空间松套管中，套管内填充防水化合物，套管外施加一层阻水材料和铠装材料，两侧放置两根平行钢丝并挤制聚乙烯护套成缆；其特点是：

①特有的螺旋槽松套管设计有利于精确控制光纤的余长，保证了光缆具有很好的机械性能和温度特性。

②松套管材料本身具有良好的耐水性和较高的强度，管内充以特种油膏，对光纤起到了良好的保护。

③两根平行钢丝保证光缆的抗拉强度。

④该结构适用于光纤数量较少的场合，一般不超过24芯；具有直径小、重量轻、容易敷设等特点。

（2）松套层绞式光缆技术

它是将若干根光纤芯线以强度元件为中心绞合在一起的一种结构，每个光纤束管可包含4、6、8、10或12根光纤。特点是成缆工艺简单，成本低，单位芯线数较少（不超过12根）。单根光缆包含的光纤容量为30～622芯，是目前最主要的光缆使用品种。

（3）骨架式光纤带结构室外光缆

这种结构是将单根或多根光纤放入骨架的螺旋槽内, 骨架中心是强度元件, 骨架上的沟槽可以是V型、U型或凹型（如图3.14所示）。由于光纤在骨架沟槽内具有较大空间, 因此当光纤受到张力时, 可在槽内作一定的位移, 从而减少了光纤芯线的应力应变和微变, 这种光纤具有耐侧压、抗弯曲、抗拉的特点。

3．通信光缆工程系统

与通信电缆相似，通信光缆在室外以“外线光缆”的方式沿通信管道、架空吊线、地下直埋、水底敷设、沿墙壁钉固或槽道等若干种方式敷设，在局内机房中主要在光缆配线架（ΟDF）、用户终端盒等终端设备上成端，在室外及用户侧，则在光缆交接箱、光缆接头盒、用户终端盒（箱）等处成端。

光缆的连接分为“固定熔纤连接（法兰盘中）”和“光缆尾纤跳线连接（ΟDF跳纤盘上）”两种：光纤在法兰盘中，通过“光缆成端固定架”成端固定，剥出裸光纤，在法兰盘中与对端（单头尾纤或裸光纤）在“热熔管”的保护下进行“光纤固定（永久）熔接”，然后安置在“光纤接头固定槽”中，另一端则以“单端尾纤”的方式引出，连接到“光电转换（Ο/ E）设备”或“光传输设备”中，进行下一步的信号转换。

通信光缆在通信系统中的连接关系及部分设备实物，如图3.17所示。

图3.17 通信光缆敷设的系统组成与部分实物示意图

3.3.4 光纤光缆的接续与测试

1. 实地认识光纤光缆的实物与结构组成

光缆结构可分为“中心束管式”、“层绞式”和“骨架式”三种，我国常用的是前两种。实际的光缆结构如图3.18所示。

图3.18 通信光纤光缆断面及直面图片

2. 认识光纤光缆的熔接工具与熔接机

认识光纤加工工具：以图3.19（a）为“光纤光缆熔纤盘”和光缆开剥加工工具，自右至左依次为：

图3.19 通信光纤光缆熔纤工具与熔接机图片

（a）光缆外护套开剥“滚刀”：对光缆外护套和金属护套割开口子，开剥光缆外护套。

（b）光纤松套管开剥钳：专门有各种“槽口”，开剥光缆的松套管。

（c）光纤涂覆层专用刮钳：用来刮开光纤外表层的涂覆层，以便裸露出真正的光纤。

（d）下方图3.21为“光纤光缆熔纤盘”：两端光缆固定，并在法兰盘上固定熔接好的光纤。

图3.19（b）是“光纤自动熔接机”的照片示意图，光纤在切割出符合要求的“断面”之后，就用它来进行光纤的自动熔接。所以，图3.20显示的是专门的光纤断面切割刀工具。其作用就是将开剥出的光纤，经酒精棉球清洁后，用此刀切出专门的“熔纤端面”。

图3.20 两种光纤熔接断面专用切割刀

图3.21 剥出的光纤松套管被固定在光缆接头盒的光纤法兰盘上

3. 实地认识光纤光缆的熔接过程与熔接机的使用

图3.21展示了剥出来的光纤固定在光缆接头盒的光纤法兰盘上的情景。下面介绍光纤熔接的方法。

第1步是“开剥光缆外护套”：用“滚刀”开剥光缆外护套；然后合力拉开光缆外护套，清洁光缆松套管，剪除光缆多余的填塞管和金属加强芯。如图3.22所示。

第2步是“光纤的清洁和切面”：用刮线钳刮掉光纤上的涂覆层（如图3.22（a）所示），切割前需用酒精试擦光纤去除杂污，切割时长度以16mm为准。然后光纤小心地放入切割刀，切出符合标准的光纤断面，如图3.22（b）所示。

第3步是“光纤自动熔纤”：光纤套好“热熔管”，放入光纤熔接机中，进行光纤自动熔纤，直到熔接出衰耗不大于0.05d B的接头，即可完成，如图3.23所示。

图3.22 光纤熔纤前的加工示意图：挂掉涂覆层，切出符合标准的光纤“断面”

具体的光纤自动熔接机操作过程如下：

①打开光纤熔接机的加热盖和左右光纤夹；

②打开防风盖取出熔接部位光纤，按下Reset开关；

③把光纤保护套管(FDS-1)，也就是“光纤热熔管”轻轻移到熔接部位；

④轻轻拉直光纤熔接部位，放入加热器中，使左侧光纤夹合上；

⑤轻轻拉直光纤熔接部位，使右侧光纤夹合上，然后关闭加热器盖。（注：1、保护光纤笔直；2、防止灰尘及粘状物进入保护管内）；

⑥按下开关，加热，蜂鸣器响起后，表示熔接完成，即取出接头，熔纤完成；

⑦熔纤质量评估：光纤固定接头熔接损耗≤0.05d B；

⑧熔纤过程中注意观察光纤熔接机的屏幕显示。

图3.23 光纤自动熔纤的过程示意图

4. 光时域反射仪(OTDR)简介

光时域反射仪(ΟTDR：Οptical Time Domain Reflectometer)，又称“后向散射仪”或“光脉冲测试器”，可用来测量光纤的插入损耗、反射损耗、光纤链路损耗（总衰耗）、光纤长度、光纤故障点的位置，以及光功率值在光纤路由长度各点的分布情况（即P-L 曲线）等，具有功能多、体积小、操作简便、自动存储与自带打印机等诸多特点，是光纤光缆的生产、施工及维护工作中不可缺少的重要仪表，被人称为光通信中的“万用表”。下面以常用的惠普公司Hp-8147型光时域反射仪(ΟTDR)为例，介绍该类测量设备的结构组成、工作原理与操作方法。

图3.24示出了ΟTDR的原理结构框图。图中光源（E/Ο转换器）在“脉冲发生器”的驱动下，产生窄光脉冲，经“光定向耦合器”入射到被测光纤中；在光纤传播的过程中，光脉冲会由于“瑞利散射”和“菲涅尔反射”产生反射光脉冲，该反射光沿光纤路径原路返回，经“光定向耦合器”后由光纤检测器（Ο/E转换器）“收集，并转换成电信号；最后，对该微弱的电信号进行放大，并通过对多次反射信号进行平均化处理以改善信噪比后，由ΟTDR显示屏直观地显示出来。

图3.24 ΟTDR的原理结构框图

ΟTDR显示屏上所显示的波形，即为通常所称的“ΟTDR后向散射曲线”，由该曲线便可确定出被测光纤的长度、衰耗、接头损耗以及判断光纤的故障点或中断点，分析出光纤沿长度的分布情况等参数。