光纤和光缆基础知识
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1.光纤结构
光纤(OpticalFiber)是由中心的纤芯和外围的包层同轴组成的圆柱形细丝。纤芯的折射率比包层稍高，损耗比包层更低，光能量主要在纤芯内传输。包层为光的传输提供反射面和光隔离，并起一定的机械保护作用。图1示出光纤的外形。设纤芯和包层的折射率分别为n1和n2，光能量在光纤中传输的必要条件是n1＞n2。纤芯和包层的相对折射率差△=(n1-n2)/n1的典型值，一般单模光纤为0.3％～0.6％，多模光纤为1％～2％。△越大，把光能量束缚在纤芯的能力越强，但信息传输容量却越小。
2.光纤类型
光纤种类很多，这里只讨论作为信息传输波导用的由高纯度石英(SiO2)制成的光纤。实用光纤主要有三种基本类型，图2示出其横截面的结构和折射率分布，光线在纤芯传播的路径，以及由于色散引起的输出脉冲相对输入脉冲的畸变。这些光纤的主要特征如下。
突变型多模光纤(Step-IndexFiber,SIF)如图2(a)，纤芯折射率为n1保持不变，到包层突然变为n2。这种光纤一般纤芯直径2a=50～80μm，光线以折线形状沿纤
芯中心轴线方向传播，特点是信号畸变大。
渐变型多模光纤(Graded-IndexFiber,GIF)如图2(b)，在纤芯中心折射率zui大为n1，沿径向r向外围逐渐变小，直到包层变为n2。这种光纤一般纤芯直径2a为50μm，光线以正弦形状沿纤芯中心轴线方向传播，特点是信号畸变小。
单模光纤(Single-ModeFiber,SMF)如图2(c)折射率分布和突变型光纤相似，纤芯直径只有8～10μm，光线以直线形状沿纤芯中心轴线方向传播。因为这种光纤只能传输一个模式（两个偏振态简并），所以称为单模光纤，其信号畸变很小。
图2三种基本类型的光纤
(a)突变型多模光纤；(b)渐变型多模光纤；(c)单模光纤
相对于单模光纤而言，突变型光纤和渐变型光纤的纤芯直径都很大，可以容纳数百个模式，所以称为多模光纤。渐变型多模光纤和单模光纤，包层外径2b都选用125μm。实际上，根据应用的需要，可以设计折射率介于SIF和GIF之间的各种准渐变型光纤。为调整工作波长或改善色散特性，可以在图2(c)常规单模光纤的基础上，设计许多结构复杂的特种单模光纤。zui有用的若干典型特种单模光纤的横截面结构和折
射率分布示于图3，这些光纤的特征如下。
双包层光纤如图3(a)所示，折射率分布像W形，又称为W型光纤。这种光纤有两个包层，内包层外直径2a′与纤芯直径2a的比值a′/a≤2。适当选取纤芯、外包层和内包层的折射率n1、n2和n3，调整a值，可以得到在1.3～1.6μm之间色散变化很小的色散平坦光纤(Dispersion-FlattenedFiber，DFF)，或把零色散波长移到1.55μm的色散移位光纤(Dispersion-ShiftedFiber，DSF)。
三角芯光纤如图3(b)所示，纤芯折射率分布呈三角形，这是一种改进的色散移位光纤。这种光纤在1.55μm有微量色散，有效面积较大，适合于密集波分复用和孤子传输的长距离系统使用，康宁公司称它为长距离系统光纤，这是一种非零色散光纤。
椭圆芯光纤如图3(c)所示，纤芯折射率分布呈椭圆形。这种光纤具有双折射特性，即两个正交偏振模的传输常数不同。强双折射特性能使传输光保持其偏振状态，因而又称为双折射光纤或偏振保持光纤。
图3典型特种单模光纤
(a)双包层；(b)三角芯；(c)椭圆形
以上各种特征不同的光纤，其用途也不同。突变型多模光纤信号畸变大，相应的带宽只有10～20MHz·km，只能用于小容量(8Mb/s以下)短距离（几km以内）系统。渐变型多模光纤的带宽可达1～2GHz·km，适用于中等容量(34～140Mb/s)中等距离(10～20km)系统。大容量(565Mb/s～2.5Gb/s)长距离(30km以上)系统要用单模光纤。
特种单模光纤大幅度提高光纤通信系统的水平。1.55μm色散移位光纤实现了10Gb/s容量的100km的超大容量超长距离系统。色散平坦光纤适用于波分复用系统，这种系统可以把传输容量提高几倍到几十倍。三角芯光纤有效面积较大，有利于提高输入光纤的光功率，增加传输距离。外差接收方式的相干光系统要用偏振保持光纤，这种系统zui大优点是提高接收灵敏度，增加传输距离。
二、光缆
对光缆的基本要求是保护光纤的机械强度和传输特性，防止施工过程和使用期间光纤断裂，保持传输特性稳定。为此，必须根据使用环境设计各种结构的光缆，以保证光纤不受应力的作用和有害物质的侵蚀。
1.光缆基本要求
保护光纤固有机械强度的方法，通常是采用塑料被覆和应力筛选。光纤从高温拉制出来后，要立即用软塑料（例如紫外固化的丙烯酸树脂）进行一次被覆和应力筛选，除去断裂光纤，并对成品光纤用硬塑料（例如高强度聚酰胺塑料）进行二次被覆。
应力筛选条件直接影响光纤的使用寿命。设对光纤进行拉伸应力筛选时，施加的应力为σP，作用时间为tP(设为ls)；*使用时，容许施加的应力为σr，作用时间为tr，断裂概率为10
6km一个断裂点。理论推算得到的容许作用时间（光纤使用寿命）tr和应力比σr/σP的关系示于图4。图中n为疲劳因子，其数值随环境条件而变化，例如充气光缆n=20，不充气光缆n=13～20。由图可见，为保证20年的光纤使用寿命，
应力比被限制为0.20～0.35。经验确定，陆上光缆敷设后，*使用应力（用应变表
示）σr=0.17％，因此要求筛选应力σP=0.5％～0.9％，海底光缆要求更高，σP＞2
％。
图4光纤使用寿命和应力比的关系
即使进行应力筛选，软塑料一次被覆光纤的机械强度，对于成缆的要求还是不够的。因此要用硬塑料进行二次被覆。二次被覆光纤有紧套、松套、大套管和带状线光
纤四种，见图5。
图5二次被覆光纤（芯线）简图
(a)紧套；(b)松套；(c)大套管；(d)带状线
把一次被覆光纤装入硬塑料套管内，使光纤与外力隔离是保护光纤的有效方法。在工程应用中，光缆不可避免要遭受一定的拉力而伸长，或者遭遇低温而收缩。因此，松套管内的光纤要留有一定的余长，使光纤受拉力或压力的作用。图6表示松套管
光纤无应力“窗口”。
图6松套管光纤的无应力“窗口”
2.光缆结构和类型
光缆一般由缆芯和护套两部分组成，有时在护套外面加有铠装。
1)缆芯
缆芯通常包括被覆光纤（或称芯线）和加强件两部分。被覆光纤是光缆的核心，决定着光缆的传输特性。加强件起着承受光缆拉力的作用，通常处在缆芯中心，有时配置在护套中。加强件通常用杨氏模量大的钢丝或非金属材料例如芳纶纤维（Kevlar）做成。
光缆类型多种多样。根据缆芯结构的特点，光缆可分为四种基本型式。
层绞式：把松套光纤绕在中心加强件周围绞合而构成。这种结构的缆芯制造设备简单，工艺相当成熟，得到广泛应用。采用松套光纤的缆芯可以增强抗拉强度，改善温度特性。
骨架式：把紧套光缆或一次被覆光纤放入中心加强件周围的螺旋形塑料骨架凹槽内而构成。这种结构的缆芯抗侧压力性能好，有利于对光纤的保护。
中心束管式：把一次被覆光纤或光纤束放入大套管中，加强件配置在套管周围而构成。这种结构的加强件同时起着护套的部分作用，有利于减轻光缆的重量。
带状式：把带状光纤单元放入大套管内，形成中心束管式结构，也可以把带状光纤单元放入骨架凹槽内或松套管内，形成骨架式或层绞式结构。带状式缆芯有利于制造容纳几百根光纤的高密度光缆，这种光缆已广泛应用于接入网。
2)护套
护套起着对缆芯的机械保护和环境保护作用，要求具有良好的抗侧压力性能及密封防潮和耐腐蚀的能力。护套通常由聚乙烯或聚氯乙烯（PE或PVC）和铝带或钢带构成。不同使用环境和敷设方式对护套的材料和结构有不同的要求。根据使用条件，光缆又可以分为许多类型。
一般光缆有室内光缆、架空光缆、埋地光缆和管道光缆等。
特种光缆常见的有：电力网使用的架空地线复合光缆（OPGW），跨越海洋的海底光缆，易燃易爆环境使用的阻燃光缆以及各种不同条件下使用的军用光缆等。