第一部分 光纖理論與光纖結(jié)構(gòu)
一、光及其特性：
1.光是一種電磁波
可見光部分波長范圍是：390~760nm(毫微米)。大于760nm部分是紅外光，小于390nm部分是紫外光。光纖中應(yīng)用的是：850，1300，1550三種。
2.光的折射，反射和全反射。
因光在不同物質(zhì)中的傳播速度是不同的，所以光從一種物質(zhì)射向另一種物質(zhì)時(shí)，在兩種物質(zhì)的交界面處會(huì)產(chǎn)生折射和反射。而且，折射光的角度會(huì)隨入射光的角度變化而變化。當(dāng)入射光的角度達(dá)到或超過某一角度時(shí)，折射光會(huì)消失，入射光全部被反射回來，這就是光的全反射。不同的物質(zhì)對相同波長光的折射角度是不同的（即不同的物質(zhì)有不同的光折射率），相同的物質(zhì)對不同波長光的折射角度也是不同。光纖通訊就是基于以上原理而形成的。
二、光纖結(jié)構(gòu)及種類：
1.光纖結(jié)構(gòu)：
光纖裸纖一般分為三層：中心高折射率玻璃芯（芯徑一般為50或62.5μm），中間為低折射率硅玻璃包層（直徑一般為125μm），最外是加強(qiáng)用的樹脂涂層。
2.數(shù)值孔徑：
入射到光纖端面的光并不能全部被光纖所傳輸，只是在某個(gè)角度范圍內(nèi)的入射光才可以。這個(gè)角度就稱為光纖的數(shù)值孔徑。光纖的數(shù)值孔徑大些對于光纖的對接是有利的。不同廠家生產(chǎn)的光纖的數(shù)值孔徑不同（AT&T??CORNING）。
3.光纖的種類：
A.按光在光纖中的傳輸模式可分為：單摸光纖和多模光纖。
多模光纖：中心玻璃芯較粗（50或62.5μm），可傳多種模式的光。但其模間色散較大，這就限制了傳輸數(shù)字信號(hào)的頻率，而且隨距離的增加會(huì)更加嚴(yán)重。例如：600MB/KM的光纖在2KM時(shí)則只有300MB的帶寬了。因此，多模光纖傳輸?shù)木嚯x就比較近，一般只有幾公里。單模光纖：中心玻璃芯較細(xì)（芯徑一般為9或10μm），只能傳一種模式的光。因此，其模間色散很小，適用于遠(yuǎn)程通訊，但其色度色散起主要作用，這樣單模光纖對光源的譜寬和穩(wěn)定性有較高的要求，即譜寬要窄，穩(wěn)定性要好。
B.按最佳傳輸頻率窗口分：常規(guī)型單模光纖和色散位移型單模光纖。
常規(guī)型：光纖生產(chǎn)廠家將光纖傳輸頻率最佳化在單一波長的光上，如1300nm。
色散位移型：光纖生產(chǎn)長家將光纖傳輸頻率最佳化在兩個(gè)波長的光上，如：1300nm和1550nm。
C.按折射率分布情況分：突變型和漸變型光纖。
突變型：光纖中心芯到玻璃包層的折射率是突變的。其成本低，模間色散高。適用于短途低速通訊，如：工控。但單模光纖由于模間色散很小，所以單模光纖都采用突變型。
漸變型光纖：光纖中心芯到玻璃包層的折射率是逐漸變小，可使高模光按正弦形式傳播，這能減少模間色散，提高光纖帶寬，增加傳輸距離，但成本較高，現(xiàn)在的多模光纖多為漸變型光纖。
4.常用光纖規(guī)格：
單模：8/125μm，9/125μm，10/125μm
多模：50/125μm，歐洲標(biāo)準(zhǔn)
62.5/125μm，美國標(biāo)準(zhǔn)
工業(yè)，醫(yī)療和低速網(wǎng)絡(luò)：100/140μm，200/230μm
塑料：98/1000μm，用于汽車控制
三、光纖制造與衰減：
1.光纖制造：
現(xiàn)在光纖制造方法主要有：管內(nèi)CVD（化學(xué)汽相沉積）法，棒內(nèi)CVD法，PCVD（等離子體化學(xué)汽相沉積）法和VAD（軸向汽相沉積）法。
2.光纖的衰減：
造成光纖衰減的主要因素有：本征，彎曲，擠壓，雜質(zhì)，不均勻和對接等。
本征：是光纖的固有損耗，包括：瑞利散射，固有吸收等。
彎曲：光纖彎曲時(shí)部分光纖內(nèi)的光會(huì)因散射而損失掉，造成的損耗。
擠壓：光纖受到擠壓時(shí)產(chǎn)生微小的彎曲而造成的損耗。
雜質(zhì)：光纖內(nèi)雜質(zhì)吸收和散射在光纖中傳播的光，造成的損失。
不均勻：光纖材料的折射率不均勻造成的損耗。
對接：光纖對接時(shí)產(chǎn)生的損耗，如：不同軸（單模光纖同軸度要求小于0.8μm），端面與軸心不垂直，端面不平，對接心徑不匹配和熔接質(zhì)量差等。
四、光纖的優(yōu)點(diǎn)：
1.光纖的通頻帶很寬.理論可達(dá)30億兆赫茲。
2.無中繼段長.幾十到100多公里，銅線只有幾百米。
3.不受電磁場和電磁輻射的影響。
4.重量輕，體積小。例如：通2萬1千話路的900對雙絞線，其直徑為3英寸，重量8噸/KM。而通訊量為其十倍的光纜，直徑為0.5英寸，重量450P/KM。
5.光纖通訊不帶電，使用安全可用于易燃，易暴場所。
6.使用環(huán)境溫度范圍寬。
7.化學(xué)腐蝕，使用壽命長。
第二部分 光纜
一、光纜的制造：
光纜的制造過程一般分以下幾個(gè)過程：
1.光纖的篩選：選擇傳輸特性優(yōu)良和張力合格的光纖。
2.光纖的染色：應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的全色譜來標(biāo)識(shí)，要求高溫不退色不遷移。
3.二次擠塑：選用高彈性模量，低線脹系數(shù)的塑料擠塑成一定尺寸的管子，將光纖納入并填入防潮防水的凝膠，最后存放幾天（不少于兩天）。
4.光纜絞合：將數(shù)根擠塑好的光纖與加強(qiáng)單元絞合在一起。
5.擠光纜外護(hù)套：在絞合的光纜外加一層護(hù)套。
二、光纜的種類：
1.按敷設(shè)方式分有：自承重架空光纜，管道光纜，鎧裝地埋光纜和海底光纜。
2.按光纜結(jié)構(gòu)分有：束管式光纜，層絞式光纜，緊抱式光纜，帶式光纜，非金屬光纜和可分支光纜。
3.按用途分有：長途通訊用光纜、短途室外光纜、混合光纜和建筑物內(nèi)用光纜。
三、光纜的施工：
多年來，做光纜施工使得我們已有了一套成熟的方法和經(jīng)驗(yàn)。
（一）光纜的戶外施工：
較長距離的光纜敷設(shè)最重要的是選擇一條合適的路徑。這里不一定最短的路徑就是最好的，還要注意土地的使用權(quán)，架設(shè)的或地埋的可能性等。
必須要有很完備的設(shè)計(jì)和施工圖紙，以便施工和今后檢查方便可靠。施工中要時(shí)時(shí)注意不要使光纜受到重壓或被堅(jiān)硬的物體扎傷。
光纜轉(zhuǎn)彎時(shí)，其轉(zhuǎn)彎半徑要大于光纜自身直徑的20倍。
1.戶外架空光纜施工：
A.吊線托掛架空方式，這種方式簡單便宜，我國應(yīng)用最廣泛，但掛鉤加掛、整理較費(fèi)時(shí)。
B.吊線纏繞式架空方式，這種方式較穩(wěn)固，維護(hù)工作少。但需要專門的纏扎機(jī)。
C.自承重式架空方式，對線干要求高，施工、維護(hù)難度大，造價(jià)高，國內(nèi)目前很少采用。
D.架空時(shí)，光纜引上線干處須加導(dǎo)引裝置，并避免光纜拖地。光纜牽引時(shí)注意減小摩擦力。每個(gè)干上要余留一段用于伸縮的光纜。
E.要注意光纜中金屬物體的可靠接地。特別是在山區(qū)、高電壓電網(wǎng)區(qū)和多地區(qū)一般要每公里有3個(gè)接地點(diǎn)，甚至選用非金屬光纜。
2.戶外管道光纜施工：
A.施工前應(yīng)核對管道占用情況，清洗、安放塑料子管，同時(shí)放入牽引線。
B.計(jì)算好布放長度，一定要有足夠的預(yù)留長度。詳見下表：
C.一次布放長度不要太長（一般2KM），布線時(shí)應(yīng)從中間開始向兩邊牽引。
D.布纜牽引力一般不大于120kg，而且應(yīng)牽引光纜的加強(qiáng)心部分，并作好光纜頭部的防水加強(qiáng)處理。
E.光纜引入和引出處須加順引裝置，不可直接拖地。
D.管道光纜也要注意可靠接地。
3.直接地埋光纜的敷設(shè)：
A.直埋光纜溝深度要按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行挖掘，標(biāo)準(zhǔn)見下表：
B.不能挖溝的地方可以架空或鉆孔預(yù)埋管道敷設(shè)。
C.溝底應(yīng)保正平緩堅(jiān)固，需要時(shí)可預(yù)填一部分沙子、水泥或支撐物。
D.敷設(shè)時(shí)可用人工或機(jī)械牽引，但要注意導(dǎo)向和潤滑。
E.敷設(shè)完成后，應(yīng)盡快回土覆蓋并夯實(shí)。
4.建筑物內(nèi)光纜的敷設(shè)：
A.垂直敷設(shè)時(shí)，應(yīng)特別注意光纜的承重問題，一般每兩層要將光纜固定一次。
B.光纜穿墻或穿樓層時(shí)，要加帶護(hù)口的保護(hù)用塑料管，并且要用阻燃的填充物將管子填滿。
C.在建筑物內(nèi)也可以預(yù)先敷設(shè)一定量的塑料管道，待以后要敷射光纜時(shí)再用牽引或真空法布光纜。
四、光纜的選用：
光纜的選用除了根據(jù)光纖芯數(shù)和光纖種類以外，還要根據(jù)光纜的使用環(huán)境來選擇光纜的外護(hù)套。
1.戶外用光纜直埋時(shí)，宜選用鎧裝光纜。架空時(shí)，可選用帶兩根或多根加強(qiáng)筋的黑色塑料外護(hù)套的光纜。
2.建筑物內(nèi)用的光纜在選用時(shí)應(yīng)注意其阻燃、毒和煙的特性。一般在管道中或強(qiáng)制通風(fēng)處可選用阻燃但有煙的類型（Plenum），暴露的環(huán)境中應(yīng)選用阻燃、無毒和無煙的類型（Riser）。
3.樓內(nèi)垂直布纜時(shí)，可選用層絞式光纜（DistributionCables）；水平布線時(shí)，可選用可分支光纜（BreakoutCables）。
4.傳輸距離在2km以內(nèi)的，可選擇多模光纜，超過2km可用中繼或選用單模光纜。
直埋光纜埋深標(biāo)準(zhǔn)
第三部分 連接和檢測
一、光纜的連接：
方法主要有永久性連接、應(yīng)急連接、活動(dòng)連接。
1.永久性光纖連接（又叫熱熔）：
這種連接是用放電的方法將連根光纖的連接點(diǎn)熔化并連接在一起。一般用在長途接續(xù)、永久或半永久固定連接。其主要特點(diǎn)是連接衰減在所有的連接方法中最低，典型值為0.01~0.03dB/點(diǎn)。但連接時(shí)，需要專用設(shè)備（熔接機(jī)）和專業(yè)人員進(jìn)行操作，而且連接點(diǎn)也需要專用容器保護(hù)起來。
2.應(yīng)急連接（又叫）冷熔：
應(yīng)急連接主要是用機(jī)械和化學(xué)的方法，將兩根光纖固定并粘接在一起。這種方法的主要特點(diǎn)是連接迅速可靠，連接典型衰減為0.1~0.3dB/點(diǎn)。但連接點(diǎn)長期使用會(huì)不穩(wěn)定，衰減也會(huì)大幅度增加，所以只能短時(shí)間內(nèi)應(yīng)急用。
3.活動(dòng)連接：
活動(dòng)連接是利用各種光纖連接器件（插頭和插座），將站點(diǎn)與站點(diǎn)或站點(diǎn)與光纜連接起來的一種方法。這種方法靈活、簡單、方便、可靠，多用在建筑物內(nèi)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)布線中。其典型衰減為1dB/接頭。
二、光纖檢測：
光纖檢測的主要目的是保證系統(tǒng)連接的質(zhì)量，減少故障因素以及故障時(shí)找出光纖的故障點(diǎn)。檢測方法很多，主要分為人工簡易測量和精密儀器測量。
1.人工簡易測量：
這種方法一般用于快速檢測光纖的通斷和施工時(shí)用來分辨所做的光纖。它是用一個(gè)簡易光源從光纖的一端打入可見光，從另一端觀察哪一根發(fā)光來實(shí)現(xiàn)。這種方法雖然簡便，但它不能定量測量光纖的衰減和光纖的斷點(diǎn)。
2.精密儀器測量：
使用光功率計(jì)或光時(shí)域反射圖示儀（OTDR）對光纖進(jìn)行定量測量，可測出光纖的衰減和接頭的衰減，甚至可測出光纖的斷點(diǎn)位置。這種測量可用來定量分析光纖網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障的原因和對光纖網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品進(jìn)行評價(jià)。
造成光纖衰減的主要原因：
1、造成光纖衰減的主要因素有：本征，彎曲，擠壓，雜質(zhì)，不均勻和對接等。
本征：是光纖的固有損耗，包括：瑞利散射，固有吸收等。
彎曲：光纖彎曲時(shí)部分光纖內(nèi)的光會(huì)因散射而損失掉，造成損耗。
擠壓：光纖受到擠壓時(shí)產(chǎn)生微小的彎曲而造成的損耗。
雜質(zhì)：光纖內(nèi)雜質(zhì)吸收和散射在光纖中傳播的光，造成的損失。
不均勻：光纖材料的折射率不均勻造成的損耗。
對接：光纖對接時(shí)產(chǎn)生的損耗，如：不同軸(單模光纖同軸度要求小于0.8μm)，端面與
軸心不垂直，端面不平，對接心徑不匹配和熔接質(zhì)量差等。
當(dāng)光從光纖的一端射入，從另一端射出時(shí)，光的強(qiáng)度會(huì)減弱。這意味著光信號(hào)通過光纖傳播后，光能量衰減了一部分。這說明光纖中有某些物質(zhì)或因某種原因，阻擋光信號(hào)通過。這就是光纖的傳輸損耗。只有降低光纖損耗，才能使光信號(hào)暢通無阻。
2、光纖損耗的分類
光纖損耗大致可分為光纖具有的固有損耗以及光纖制成后由使用條件造成的附加損 耗。具體細(xì)分如下：
光纖損耗可分為固有損耗和附加損耗。
固有損耗包括散射損耗、吸收損耗和因光纖結(jié)構(gòu)不完善引起的損耗。
附加損耗則包括微彎損耗、彎曲損耗和接續(xù)損耗。
其中，附加損耗是在光纖的鋪設(shè)過程中人為造成的。在實(shí)際應(yīng)用中，不可避免地要將光纖一根接一根地接起來，光纖連接會(huì)產(chǎn)生損耗。光纖微小彎曲、擠壓、拉伸受力也會(huì)引起損耗。這些都是光纖使用條件引起的損耗。究其主要原因是在這些條件下，光纖纖芯中的傳輸模式發(fā)生了變化。附加損耗是可以盡量避免的。下面，我們只討論光纖的固有損耗。
固有損耗中，散射損耗和吸收損耗是由光纖材料本身的特性決定的，在不同的工作波長下引起的固有損耗也不同。搞清楚產(chǎn)生損耗的機(jī)理，定量地分析各種因素引起的損耗的大小，對于研制低損耗光纖，合理使用光纖有著極其重要的意義。
3、材料的吸收損耗
制造光纖的材料能夠吸收光能。光纖材料中的粒子吸收光能以后，產(chǎn)生振動(dòng)、發(fā)熱，而將能量散失掉，這樣就產(chǎn)生了吸收損耗。
我們知道，物質(zhì)是由原子、分子構(gòu)成的，而原子又由原子核和核外電子組成，電子以一定的軌道圍繞原子核旋轉(zhuǎn)。這就像我們生活的地球以及金星、火星等行星都圍繞太陽旋轉(zhuǎn)一樣，每一個(gè)電子都具有一定的能量，處在某一軌道上，或者說每一軌道都有一個(gè)確定的能級。距原子核近的軌道能級較低，距原子核越遠(yuǎn)的軌道能級越高。軌道之間的這種能級差別的大小就叫能級差。當(dāng)電子從低能級向高能級躍遷時(shí)，就要吸收相應(yīng)級別的能級差的能量。
在光纖中，當(dāng)某一能級的電子受到與該能級差相對應(yīng)的波長的光照射時(shí)，則位于低能級軌道上的電子將躍遷到能級高的軌道上。這一電子吸收了光能，就產(chǎn)生了光的吸收損耗。
制造光纖的基本材料二氧化硅（SiO2）本身就吸收光，一個(gè)叫紫外吸收，另外一個(gè)叫紅外吸收。目前光纖通信一般僅工作在0.8～1.6μm波長區(qū)，因此我們只討論這一工作區(qū)的損耗。
石英玻璃中電子躍遷產(chǎn)生的吸收峰在紫外區(qū)的0.1～0.2μm波長左右。隨著波長增大，其吸收作用逐漸減小，但影響區(qū)域很寬，直到1μm以上的波長。不過，紫外吸收對在紅外區(qū)工作的石英光纖的影響不大。例如，在0.6μm波長的可見光區(qū)，紫外吸收可達(dá)1dB／km，在0.8μm波長時(shí)降到0.2～0.3dB／km，而在1.2μm波長時(shí)，大約只有0.ldB／km。
石英光纖的紅外吸收損耗是由紅外區(qū)材料的分子振動(dòng)產(chǎn)生的。在2μm以上波段有幾個(gè)振動(dòng)吸收峰。
由于受光纖中各種摻雜元素的影響，石英光纖在2μm以上的波段不可能出現(xiàn)低損耗窗口，在1.85μm波長的理論極限損耗為ldB／km。
通過研究，還發(fā)現(xiàn)石英玻璃中有一些"破壞分子"在搗亂，主要是一些有害過渡金屬雜質(zhì)，如銅、鐵、鉻、錳等。這些"壞蛋"在光照射下，貪婪地吸收光能，亂蹦亂跳，造成了光能的損失。清?quot;搗亂分子"，對制造光纖的材料進(jìn)行格的化學(xué)提純，就可以大大降低損耗。
石英光纖中的另一個(gè)吸收源是氫氧根（OHˉ） 期的研究，人們發(fā)現(xiàn)氫氧根在光纖工作波段上有三個(gè)吸收峰，它們分別是0.95μm、1.24μm和1.38μm，其中1.38μm波長的吸收損耗最為嚴(yán)重，對光纖的影響也最大。在1.38μm波長，含量僅占0.0001的氫氧根產(chǎn)生的吸收峰損耗就高達(dá)33dB/km。
這些氫氧根是從哪里來的呢？氫氧根的來源很多，一是制造光纖的材料中有水分和氫氧化合物，這些氫氧化合物在原料提純過程中不易被清除掉，最后仍以氫氧根的形式殘留在光纖中；二是制造光纖的氫氧物中含有少量的水分；三是光纖的制造過程中因化學(xué)反應(yīng)而生成了水；四是外界空氣的進(jìn)入帶來了水蒸氣。然而，現(xiàn)在的制造工藝已經(jīng)發(fā)展到了相當(dāng)高的水平，氫氧根的含量已經(jīng)降到了足夠低的程度，它對光纖的影響可以忽略不計(jì)了。
4、散射損耗
在黑夜里，用手電筒向空中照射，可以看到一束光柱。人們也曾看到過夜空中探照燈發(fā)出粗大光柱。那么，為什么我們會(huì)看見這些光柱呢？這是因?yàn)橛性S多煙霧、灰塵等微小顆粒浮游于大氣之中，光照射在這些顆粒上，產(chǎn)生了散射，就射向了四面八方。這個(gè)現(xiàn)象是由瑞利最先發(fā)現(xiàn)的，所以人們把這種散射命名為"瑞利散射"。
散射是怎樣產(chǎn)生的呢？原來組成物質(zhì)的分子、原子、電子等微小粒子是以某些固有頻率進(jìn)行振動(dòng)的，并能釋放出波長與該振動(dòng)頻率相應(yīng)的光。粒子的振動(dòng)頻率由粒子的大小來決定。粒子越大，振動(dòng)頻率越低，釋放出的光的波長越長；粒子越小，振動(dòng)頻率越高，釋放出的光的波長越短。這種振動(dòng)頻率稱做粒子的固有振動(dòng)頻率。但是這種振動(dòng)并不是自行產(chǎn)生，它需要一定的能量。一旦粒子受到具有一定波長的光照射，而照射光的頻率與該粒子固有振動(dòng)頻率相同，就會(huì)引起共振。粒子內(nèi)的電子便以該振動(dòng)頻率開始振動(dòng)，結(jié)果是該粒子向四面八方散射出光，入射光的能量被吸收而轉(zhuǎn)化為粒子的能量，粒子又將能量重新以光能的形式射出去。因此，對于在外部觀察的人來說，看到的好像是光撞到粒子以后，向四面八方飛散出去了。
光纖內(nèi)也有瑞利散射，由此而產(chǎn)生的光損耗就稱為瑞利散射損耗。鑒于目前的光纖制造工藝水平，可以說瑞利散射損耗是無法避免的。但是，由于瑞利散射損耗的大小與光波長的4次方成反比，所以光纖工作在長波長區(qū)時(shí)，瑞利散射損耗的影響可以大大減小。
5、先天不足，愛莫能助
光纖結(jié)構(gòu)不完善，如由光纖中有氣泡、雜質(zhì)，或者粗細(xì)不均勻，特別是芯-包層交界面不平滑等，光線傳到這些地方時(shí)，就會(huì)有一部分光散射到各個(gè)方向，造成損耗。這種損耗是可以想辦法克服的，那就是要改善光纖制造的工藝。
散射使光射向四面八方，其中有一部分散射光沿著與光纖傳播相反的方向反射回來，在光纖的入射端可接收到這部分散射光。光的散射使得一部分光能受到損失，這是人們所不希望的。但是，這種現(xiàn)象也可以為我們所利用，因?yàn)槿绻覀冊诎l(fā)送端對接收到的這部分光的強(qiáng)弱進(jìn)行分析，可以檢查出這根光纖的斷點(diǎn)、缺陷和損耗大小。這樣，通過人的聰明才智，就把壞事變成了好事。