光纖光纜

光纖光纜是一種通信電纜，由兩個或多個玻璃或塑膠光纖芯組成，這些光纖芯位於保護性的覆層內，由塑膠PVC外部套管覆蓋。沿內部光纖進行的信號傳輸一般使用紅外線。

基本介紹

• 中文名：光纖光纜
• 簡介：雙層透明介質構成的一種纖維
• 研究報告：分析了光纖光纜行業的發展現狀
• 基本原理：光在兩種介質界面發生全反射

簡介

傳送光波的介質波導。光纖是由成同心圓的雙層透明介質構成的一種纖維。使用最廣泛的介質材料是石英玻璃(SiO2)。內層介質稱為纖芯，其折射率高於外層介質（稱為包層）。通過在石英玻璃中摻鍺、磷、氟、硼等雜質的方法調節纖芯或包層的折射率。通信用光纖的傳輸波長主要為0.8～1.7微米的近紅外光。光纖的芯徑因類型而異,通常為數微米到100微米，外徑大多數約為 125微米。它的外面有塑膠被覆層。光纜（圖2）由單根或多根光纖組合併加以增強和保護製成。光纜可以在各種環境下使用。光纜的製造方法與電纜相似。

光纖光纜

光纖通信是現代信息傳輸的重要方式之一。它具有容量大、中繼距離長、保密性好、不受電磁干擾和節省銅材等優點。

報告利用資訊長期對光纖光纜行業市場跟蹤蒐集的市場數據，從行業的整體高度來架構分析體系。報告主要分析了中國光纖光纜行業的發展現狀和前景；光纖光纜行業格局和集中度；光纖光纜行業的技術狀況。

發展概況

在3G網路建設、FTTH(光纖到戶)實施、三網融合試點、西部村村通工程、“光進銅退”等多重利好驅動下，中國光纖光纜行業發展勢頭較好，我國成為了全球最主要的光纖光纜市場和全球最大的光纖光纜製造國，並取得了引人矚目的成就。

2011年，中國光纖光纜行業規模以上企業共有149家，比上年減少21家;實現工業總產值688.02億元;實現銷售收入643.10億元，同比增長24.68%;創造利潤65.54億元，同比增長47.39%。

隨著我國FTTH及FTTC系統的採用、三網融合以及大規模3G建設的持續，市場對光纖光纜的需求量依然很大，為我國光纖光纜行業發展提供了強勁動力，行業前景大好。

隨著光纖光纜行業競爭的不斷加劇，大型光纖光纜企業間併購整合與資本運作日趨頻繁，國內優秀的光纖光纜生產企業愈來愈重視對行業市場的研究，特別是對企業發展環境和客戶需求趨勢變化的深入研究。正因為如此，一大批國內優秀的光纖光纜品牌迅速崛起，逐漸成為光纖光纜行業中的翹楚！

光纖通信的誕生與發展是電信史上的一次重要革命。人類社會的信息化建設正在加速進行，即 使是在全球經濟發展不景氣的情況下，通信和信息行業還十分火紅。光纖通信正朝高速、超高速、超大容量的光纖傳輸及全光網方向發展。我國在實現信息化進程中，“九五”期間中國電信 完成了“八縱八橫”的光纜幹線敷設。一個以光纜為主體的骨幹通信網逐步形成。四通八達的高容量光纜幹線已成為我國的“信息通道”。隨著通信事業的不斷發展，從省到市、縣甚至鄉鎮也敷設 了光纜。“光纖到戶”的日期越來越臨近了。近幾年來，隨著技術的進步，電信體制的改革以及電 信市場的逐步全面開放，更由於IP業務的爆炸式發展所帶來的頻寬的巨大需求，光纖通信的發展又一次呈現出蓬勃發展的新局面。

用玻璃纖維傳光已有30多年。初期的光纖套用僅限於某些光學機械和醫療設備（如燈光導引及胃鏡等），傳輸的是可見光，衰減高達1000分貝/公里。1966年，高錕首先提出用石英基玻璃纖維進行長距離光信息傳輸的構想。1970年在美國用化學氣相沉積法製成了高純石英光纖,其衰減降為20分貝/公里，從而使長距離傳輸成為現實。其後，光纖的衰減迅速下降，到70年代後期已降至0.2分貝/公里的理論極限水平。光纖的頻寬不斷增加，到80年代初頻寬達到數百吉赫·公里的單模光纖已可供實用。已研製成中繼距離超過100公里,容量達數百兆比/秒的光纖通信系統。光纖通信設備製造已經發展成為一個新興的工業部門。光纖中光波強度和相位隨溫度、電場、磁場等物理量的改變而變化的特點，已被用於高靈敏度的遙測感測器。

基本原理

光纖傳輸基於可用光在兩種介質界面發生全反射的原理。突變型光纖,n1為纖芯介質的折射率，n2為包層介質的折射率,n1大於n2，進入纖芯的光到達纖芯與包層交界面（簡稱芯-包界面）時的入射角大於全反射臨界角θc時,就能發生全反射而無光能量透出纖芯，入射光就能在界面經無數次全反射向前傳輸。原來

當光纖彎曲時，界面法線轉向，入射角度小，因此一部分光線的入射角度變得小於θc而不能全反射。但原來入射角較大的那些光線仍可全反射，所以光纖彎曲時光仍能傳輸，但將引起能量損耗。通常，彎曲半徑大於50～100毫米時,其損耗可忽略不計。微小的彎曲則將造成嚴重的“微彎損耗”。

人們常用電磁波理論進一步研究光纖傳輸的機制，由光纖介質波導的邊界條件來求解波動方程。在光纖中傳播的光包含有許多模式，每一個模式代表一種電磁場分布，並與幾何光學中描述的某一光線相對應。光纖中存在的傳導模式取決於光纖的歸一化頻率ν值

公式

式中NA為數值孔徑，它與纖芯和包層介質的折射率有關。ɑ為纖芯半徑，λ為傳輸光的波長。光纖彎曲時，發生模式耦合，一部分能量由傳導模轉入輻射模，傳到纖芯外損耗掉。

性能：光纖的主要參數有衰減、頻寬等。

光纖衰減

造成光纖衰減的因素有散射損耗、吸收損耗和微彎損耗等。散射損耗主要由瑞利散射產生，它是由玻璃的不規則分子結構引起的微觀折射率波動所造成的，是光纖的固有損耗，也是光纖衰減的最低限。它與λ4成反比。在波長小於0.8微米時,瑞利散射損耗迅速上升，限制了光纖的使用。光纖基質材料SiO2和摻雜氧化物分子的本徵吸收損耗又使光纖的衰減，在波長大於1.7微米時，迅速增大。因此,這類光纖的使用波長就被限制在0.8～1.7微米範圍內。在這一範圍內，衰減主要是石英玻璃中所含的雜質Fe+ +、Cu+ + 等過渡金屬離子和OH-。的吸收損耗造成的。隨著純化工藝的改進,雜質吸收損耗已被基本上消除，從而達到了瑞利散射損耗的極限。光纖的不規則微小彎曲引起模式耦合,造成微彎損耗,因此在加工和使用中應儘量避免光纖微彎。

光纖頻寬

光纖傳輸的載波是光,雖然頻帶極寬,但並不能充分利用，這是由於光在光纖中傳輸有色散（模間色散、材料色散和波導色散）的緣故。它們在不同程度上影響光纖頻寬。

模間色散是由於不同模式的光線在芯- 包界面上的全反射角不同，曲折前進的路程長短不一。因而,一束光脈衝入射光纖後,它所含的各模式經一定距離傳輸到達終點的時間會有先後，因而引起脈衝展寬。它可使一束窄脈衝展寬達20納秒/公里左右，光纖的相應頻寬約為20兆赫·公里。

光纖光纜

材料色散是一種模內色散。光纖所傳輸的光即使是雷射，也包含有一定譜寬的不同波長的光分量。例如，GaAlAs半導體雷射器發出的雷射譜寬約為 2納米。光在介質中的傳輸速度與折射率 n有關，而石英介質的折射率隨波長變化，因此當一束光脈衝入射光纖後，即使是同一模式，傳輸群速也會因光波長不同而有差異，致使到達終點後的脈衝展寬,這就是材料色散。在1.3微米附近，折射率隨波長的變化極小,因此,材料色散很小（例如3皮秒/公里·納米）。消除模間色散可使光纖頻寬大大提高。純石英在1.27微米波長上具有零色散特性。

波導色散也是一種模內色散，是由於模式傳播常數隨波長變化引起群速差異而造成的。波導色散更小。在1.3微米波長附近,材料色散顯著減小，以致二者大致相同，並有可能相互抵消。 　光纖的種類 　按使用的材料分，有石英光纖、多組分玻璃光纖、塑膠包層光纖和塑膠光纖等幾大類。其中石英光纖以高純SiO2玻璃作光纖材料，具有衰減低、頻頻寬等優點，在研究及套用中占主要地位。如按纖芯折射率分類主要有突變型光纖和漸變型光纖。按傳輸光的模式分，有多模光纖和單模光纖。

光纖分類

突變型

纖芯部分折射率不變,而在芯-包界面折射率突變。纖芯中光線軌跡呈鋸齒形折線。這種光纖模間色散大，頻寬只有幾十兆赫·公里。常做成大芯徑，大數值孔徑（例如芯徑為100微米，NA為0.30）光纖,以提高與光源的耦合效率，適用於短距離、小容量的通信系統。

漸變型

纖芯折射率分布如圖4。纖芯中心折射率最高，沿徑向按下式漸變：

n(r)=n1【1-2墹(r/ɑ)α】1/2　(2)

式中α為折射率分布指數。可以把這種光纖的纖芯分割成多層突變型光纖來分析其傳輸原理。在分析中可近似地認為各層內折射率均勻。當入射角為θ0的光線入射纖芯後，在各層界面依次折射。按折射定律，折射角θ1逐漸增大，直到大於全反射臨界角θc；發生全反射後，即折向纖芯中心。然後，經各層時折射角又逐漸減小，到達中心時仍為θ0。結果光線呈正弦形軌跡。高次模即入射角較大的光線處於靠近包層的區域，這裡折射率較小，光速較大，因此雖然路程較長，傳輸時間仍有可能與處於中心區的低次模接近或一致，即各模式的光線軌跡可聚焦於一點，使模間色散大大減小。當折射率分布接近拋物線(α=2)時，模間色散最小，頻寬可達吉赫·公里的水平。

光纖光纜

單模光纖

當光纖的歸一化頻率ν<2.41時,光纖中只允許單一模式（基模）傳輸，就成為單模光纖。根據式(2)，這種光纖芯徑和數值孔徑必然很小,一般芯徑只有數微米，因此連線耦合難度大。由於是單模傳輸，消除了模間色散,在波長1.3微米附近材料色散又趨近於零，因此頻寬極大（可達數百吉赫·公里）。單模光纖被視為今後大容量長途幹線通信的主要傳輸線。

玻璃光纖

組成光纖的玻璃成分以SiO2為主，約占百分之幾十，此外還含有鹼金屬、鹼土金屬、鉛硼等的氧化物。它的特點是熔點低（1400攝氏度以下），可用傳統的坩堝法拉絲，適於製做大芯徑、大數值孔徑光纖。這種光纖尚處於研製階段，故套用不多。

光纖光纜

包層光纖

這是一種以高純石英作纖芯、塑膠（如有機矽）作包層的突變型多模光纖。芯徑和數值孔徑較大，例如芯徑大於200微米，NA大於0.3。這種光纖便於連線和耦合，適於短距離小容量系統使用。

塑膠光纖

光纖材料主要是特製的高透明度的有機玻璃、聚苯乙烯等塑膠，可做成突變型或漸變型多模光纖，光纖衰減已從初期的500～1000分貝/公里降低到數十分貝/公里,但仍須進一步降低。它的特點是柔軟、加工方便、芯徑和數值孔徑大。

被覆光纖

裸光纖脆而易斷，這是因為玻璃光纖表面總是存在隨機分布的微裂紋，在潮氣、塵埃和應力作用下迅速增殖而導致破壞。在光纖拉絲的同時立即塗覆一層塑膠護層，製成一次被覆光纖，可保證光纖的高強度和長壽命。但為了進一步提高其耐壓和抗彎折等機械性能，便於成纜和使用，往往在表面上再擠覆一層較厚的塑膠層，這就是二次被覆光纖,也稱被覆光纖。它的外徑一般為 1毫米左右。按照光纖在二次被覆護層中的鬆動狀態，還可分為松包光纖和緊包光纖兩類。

光纖光纜

光纜結構

按照被覆光纖在光纜中所處的狀態，光纜有緊結構與松結構兩類。骨架型光纜是一種典型的松結構。光纖埋在骨架外周螺旋槽中，有活動餘地。這種光纜隔離外力和防止微彎損耗的特性較好。圖2b的絞合型光纜當使用緊包光纖時是一種典型的緊結構，被覆光纖被緊包於纜結構中，但絞合型光纜使用松包光纖時，由於光纖在二次被覆塑膠管中可以活動，仍屬松結構。絞合型光纜的成纜工藝較為簡單，性能良好。此外，還有帶狀光纜、單芯光纜等結構類型。

光纖光纜

各種光纜中都有增強件，用以承載拉力。它由具有高彈性模量的高強度材料製成，常用的有鋼絲、高強度玻璃纖維和高模量合成纖維芳綸等。增強件使光纜在使用應力下只產生極低的伸長形變（例如小於0.5%）,以保護光纖免受應力或只承受極低的應力，以防光纖斷裂。

光纜的護套結構和材料視使用環境和要求而定，與同樣使用條件下的電纜基本相同。按照光纜的使用環境分，有架空光纜、直埋光纜、海底光纜、野戰光纜等。

新型介紹

用於長途通信的新型大容量長距離光纖光纜

主要是一些大有效面積、低色散維護的新型G.655光纖光纜，其PMD值極低，可以使現有傳輸系統的容量方便地升級至10～40Gbit/s，並便於在光纖光纜上採用分散式拉曼效應放大，使光信號的傳輸距離大大延長。

用於城域網通信的新型低水峰光纖光纜

城域網設計中須要考慮簡化設備和降低成本，還須要考慮非波分復用技能（CWDM）運用的可能性。低水峰光纖光纜在1360～1460nm的延伸波段使頻寬被大大擴展，使CWDM系統被極大地最佳化，增大了傳輸信道、增長了傳輸距離。一些城域網的設計可能不僅要求光纖光纜的水峰低，還要求光纖光纜具有負色散值，一方面可以抵消光源光器件的正色散，另一方面可以組合運用這種負色散光纖光纜與G.652光纖光纜或G.655標準光纖光纜，運用它來做色散補償，從而防止複雜的色散補償設計，節約成本。如果將來在城域網光纖光纜中採用拉曼放大技能，這種網路也將具有明顯的優勢。但是畢竟城域網的規範還不是很成熟，所以城域網光纖光纜的規格將會隨著城域網模式的變化而不斷變化。

用於區域網路的新型多模光纖光纜

由於區域網路和用戶駐地網的高速發展，大量的綜合布線系統也採用了多模光纖光纜來代替數字電纜，因此多模光纖光纜的市場份額會逐漸加大。之所以選用多模光纖光纜，是因為區域網路傳輸距離較短，雖然多模光纖光纜比單模光纖光纜價格貴50%～100%，但是它所配套的光器件可選用發光二極體，價格則比雷射管便宜很多，而且多模光纖光纜有較大的芯徑與數值孔徑，容易連線與耦合，相應的連線器、耦合器等元器件價格也低得多。ITU-T至今未接受62.5/125μm型多模光纖光纜標準，但由於區域網路發展的須要，它仍然得到了廣泛運用。而ITU-T推選的G.651光纖光纜，即50/125μm的標準型多模光纖光纜，其芯徑較小、耦合與連線相應困難一些，雖然在部分歐洲國家和日本有一些運用，但在北美及歐洲大多數國家很少採用。針對這些疑問，目前有的公司已執行了改良，研製出新型的5O/125μm光纖光纜漸變型（G1）光纖光纜，區別於傳統的50/125μm光纖光纜纖芯的梯度折射率分布，它將頻寬的常態分配執行了調整，以配合850nm和1300nm兩個視窗的運用，這種改良可能會為50/125pm光纖光纜在區域網路運用找到新的市場。

前途未卜的空芯光纖光纜

據報導，美國一些公司及大學研究所正在開發一種新的空芯光纖光纜，即光是在光纖光纜的空氣夠傳輸。從理論上講，這種光纖光纜沒有纖芯，減小了衰耗，增長了通信距離，防止了色散導致的干擾現象，可以支持更多的波段，並且它允許較強的光功率注入，估計其通信能力可達到光纖光纜的100倍。歐洲和日本的一些業界人士也十分關注這一技能的發展，越來越多的研究證明空芯光纖光纜似有可能。如果真能實用，就能處理現有光纖光纜系統長距離傳輸的疑問，並大大降低光通信的成本。但是，這種光纖光纜運用起來還會遇到許多棘手的疑問，比如光纖光纜的穩定性、側壓性能及彎曲損耗的增大等。因此，對於這種光纖光纜的現場運用還需做進一步的探討。

參考要點

光纖光纜的選用除了根據光纜芯數和光纖種類，還要根據光纖的使用來選擇光纜的外護套，在選用時要注意以下幾點：

1.戶外用光纜直埋時，宜選鎧裝光纜，架空時，可選用兩根或多根加強筋的黑色塑膠外護套的光纜。

2.建築物內用的光纜在選用時應該注意其阻燃，毒和煙的特性，一般在管道中和強制通風處，可選用阻燃和有煙的類型，暴露的環境中應選用阻燃、無煙和無毒的類型。

3樓內垂直布線時，可選用層絞是光纜；水平布線式，可選用分支光纜。

4.傳輸距離在2km以內的可選用多模光纜；超過2km可選用中繼或單模光纜。

以上是單從套用方面考慮應該主義的幾個問題，實施時候還需要靈活掌握，其實，布線環境複雜多樣，各種問題都可能隨時出現，這就需要我們在規劃和施工時嚴格按照布線標準實施，遇到問題，靈活分析，就會圓滿解決。

單模光纖，只傳輸主模，也就是說光線只沿光纖的內芯進行傳輸，由於完全避免了模式射散使得單模光纖的傳輸頻帶很寬，因而適用於大容量，長距離的光纖通訊，單模光纖使用的光波長1310nm或1550nm。

多模光纖，在一定的工作波長下，有多個模式在光纖中傳輸，這種光纖稱之為多模光纖，由於色散或像差，因此這種光纖傳輸性能較差頻帶比較窄，傳輸容量比較小，距離也比較短。

光纖光纜的選擇要點

1、光纜芯數的選定

在施工方便的條件下，儘量選擇盤長較大的光纜。選擇光纜芯數時，要把效益和長期規劃結合起來，充分考慮擴容的可能性；根據“建設一條線服務一大片”的指導思想，充分考慮沿途各大單位的通信需要。

2、光纜結構程式的選擇

長途幹線光纜應採用波長1310nm視窗，並能在1550nm視窗使用的單模光纖；光纖篩選張力應不小於5N（牛頓）；採用無金屬線對光纜，在雷擊嚴重或強電影響地段可採用非金屬構件加強芯光纜，光纜芯採用充油膏結構。

光纜護層結構選擇的規定：架空和管道光纜（簡易塑膠管管道）為防潮層+PE外護層；直埋光纜為防潮層+PE內護層+鋼帶鎧裝層+PE外護層；水底光纜為防潮層+PE內護層+粗鋼絲鎧裝層+PE外護層。

光纜的機械性能應符合表1.1所規定。光纜承受短期允許張力或側壓力，在張力或側壓力解除後光纖衰減不變化，光纖延伸率不大於0.15%；光纜在承受長期允許張力或側壓力時，光纖衰減不變化，光纜延伸率不大於0.2%，光前沒有應變。

3、水底光纜的選用

通航機動船、帆船、木筏較多的主要航運河流，應採用鋼絲鎧裝光纜；河水流速特別急、河道變化較大時，應採用雙層鋼絲鎧裝光纜；河寬（兩堤或自然岸間）大於150m的平原河流，宜採用鋼絲鎧裝光纜；有的河寬雖小於150m，但流速較大（3m/s以上）、河床土質鬆散、兩岸易受沖刷塌方、河底坎坷不平或為石質河床、大卵石河床，應才用剛絲鎧裝的水底光纜；有的河寬雖不大於150m，但河床土質穩定，流速很小，河道順直又無沖刷現象，可不採用剛絲鎧裝的水底光纜；山區河流，應根據河床土質、流速、流量的大小、沖刷程度以及上游水文等情況確定。備用水底光纜的設定，綜合考慮的因素有：特大的河流；河床穩定性能很差的較大河流；有其他特殊要求；限於自然地形和施工條件，光纜的安全程度較差或搶修很困難。

延長光纖光纜的使用壽命的方法

第一，當疲勞參數n一定時，纖維的壽命ts只與所承受到的應力σ有關，因此，減小纖維承受到的應力是提高光纖使用壽命的一種方法。當人們製造光纖時，在光纖表面上形成一種壓縮應力以對抗所承受到的張應力，使張應力減到儘可能小的程度，由此就產生了壓應力包層技術來製造光纖。

若設光纖承受到的應力為σa，壽命為t1，當光纖具有壓應力σR包層時，光纖的壽命為t2：t2= t1[(σa-σR)/σa]-n，其中，(σa-σR)為光纖真正承受到的淨應力。由此表明：具有壓應力包層的光纖比一般光纖的壽命長得多。近年來就有人用摻GeO2石英做光纖表面的壓縮層，也有人用摻TiO2石英做光纖的外包層使光纖本身的抗拉強度從50kpsi提高到130kpsi（相當抗拉強度從430g提高到1100g），也使光纖的靜態疲勞參數從n=20～25提高到n=130。

第二，提高光纖的靜態疲勞參數n來提高光纖的使用壽命。因此，人們在製造光纖時，設法把石英纖維本身與大氣環境隔絕開來，使之不受大氣環境的影響，儘可能地把n值由環境材料參數轉變為光纖材料本身的參數，就可以使n值變得很大，由此產生了在光纖表面的“密封被覆技術”。

展望

由於瑞利散射損耗與λ4成反比，石英光纖在長波長（1.3～1.6微米）下具有更低的衰減，因此長波長光纖將獲得最廣泛的使用。1.3微米的長波長光纖已取代0.85微米的短波長光纖。人們正在研製1.55微米波長的傳輸系統。以及工作波長更長、衰減更低的新型光纖材料。單模光纖具有更高的頻寬，並能適應相干傳輸和外差接收新技術，可大大擴展中繼距離和信息容量，已成為人們研究的重點，單模光纖可在長途幹線及海底光纜中大量使用。工作在一個偏振狀態的偏振維持型單模光纖適用於相干傳輸和相位調製型光纖感測器。

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