光纖是由折射率較高的纖芯和包圍在纖芯外面的折射率較低的包層所組成的光的傳輸媒質(zhì)，一般為雙層或多層的同心圓柱體，為軸對稱結(jié)構(gòu)，如圖0所示。

圖0：光纖的結(jié)構(gòu)

纖芯用來導(dǎo)光，包層保證光全反射只發(fā)生在纖芯內(nèi)，涂覆層（塑料護(hù)套）的作用是進(jìn)一步確保光纖的力學(xué)性能和傳輸性能。光纖中光的傳輸過程一般可以用幾何光學(xué)和波動兩種理論來解釋。這里主要從光纖通信工程的角度出發(fā)，以光纖的結(jié)構(gòu)、材料等方面來認(rèn)識光纖。

描述光纖結(jié)構(gòu)的參數(shù)主要有光纖的幾何參數(shù)、折射率分布、數(shù)值孔徑（NA）、截止波長和模場參數(shù)。這些參數(shù)僅與光纖橫截面的物理構(gòu)成相關(guān)，與光纖的長度及傳輸狀態(tài)無關(guān)。但光纖的不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對光纖的性能會產(chǎn)生不同影響。

一、光纖的幾何參數(shù)

根據(jù)ITU-T（國際電信聯(lián)盟）及IEC（國際電工委員會）的推薦，多模光纖的幾何參數(shù)包括纖芯直徑、包層直徑、纖芯不圓度、包層不圓度、纖芯與包層同心度等；單模光纖的幾何參數(shù)包括包層直徑、包層不圓度、纖芯與包層同心度誤差（或模場包層同心度誤差）。ITU-T及IEC標(biāo)準(zhǔn)均對光纖物理尺寸做出了相應(yīng)的規(guī)定，這些尺寸是制造光纖時(shí)的重要依據(jù)。光纖的幾何尺寸、結(jié)構(gòu)參數(shù)除對光纖的傳輸性能和力學(xué)性能有影響外，對光纖的連接（接續(xù)）損耗也產(chǎn)生較大影響。

ITU-T通常是參照IEC的規(guī)范給出了光纖的幾何參數(shù)的要求。在ITU-T G.650.1和G.651.1建議中給出了單模光纖和多模光纖的幾何參數(shù)的概念定義，其中單模光纖的幾何參數(shù)的概念定義詳見下表1中。我國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14733.12《電信術(shù)語 光纖通信》也有相應(yīng)的術(shù)語解釋。

表1：單模光纖的幾何參數(shù)的概念定義

二、光纖的模場參數(shù)

模場的概念屬于光纖的光學(xué)特性中的一個參數(shù)。根據(jù)ITU-T（國際電信聯(lián)盟）及IEC（國際電工委員會）的推薦，單模光纖的模場參數(shù)有：模場、模場中心、模場同心度誤差、模場直徑、模場不圓度等。在ITU-T G.650.1建議中給出了單模光纖的模場參數(shù)的概念定義，其概念定義詳見下表2中。

表2：單模光纖的模場參數(shù)的概念定義

模場直徑是單模光纖特有的一個重要參數(shù)。所謂模場，就是指光纖中LP₀₁模的基模場電場強(qiáng)度隨空間變化的分布。而模場直徑就是基模近場光斑的大小，如圖2所示，E（r）為基模場的電場強(qiáng)度，r為光纖橫截面的徑向坐標(biāo)。

圖2：基模近場功率分布圖

模場直徑的取值和容差范圍與光纖的連接損耗和抗彎特性有著直接聯(lián)系。此外，模場直徑隨波長變化譜還能用來確定單模光纖的截止波長和估算出光纖的色散系數(shù)，因此，不管對生產(chǎn)還是施工，模場直徑都是一個非常重要的參數(shù)。單模光纖之所以采用模場直徑而不采用纖芯的幾何尺寸作為其結(jié)構(gòu)參數(shù)，是因?yàn)閱文９饫w中的場并不是完全集中在纖芯中，有相當(dāng)部分的能量在包層中傳輸。

三、其他參數(shù)

1、折射率分布（refractive index profile）

G.650.1給出的折射率分布定義為：折射率沿纖維直徑的折射率。光纖的折射率分布描述了光纖從芯到包層的折射率隨半徑的變化，即光纖的折射率為光纖半徑的函數(shù)。單模光纖的折射率分布決定了單模光纖的截止波長、模場直徑和色散。多模光纖的折射率分布對多模光纖的帶寬具有決定性的影響。折射率的設(shè)計(jì)原則一般要求設(shè)計(jì)出的光纖具有高帶寬、低色散、小的衰減系數(shù)，并有合理的剖面結(jié)構(gòu)，以減少其生產(chǎn)成本。

2、截止波長（cut-off wavelength）

G.650.1給出的理論截止波長定義為：理論截止波長是單模能在單模光纖中傳播的最短波長。這個參數(shù)可以從光纖的折射率分布計(jì)算出來。在理論上截止波長以下的波長下，幾種模式傳播，纖維不再是單模而是多模。在光纖中，從多模態(tài)到單模態(tài)的變化不是在孤立的波長上發(fā)生的，但在波長范圍內(nèi)相當(dāng)平滑。因此，在電信網(wǎng)絡(luò)中確定光纖性能時(shí)，理論上的截止波長比實(shí)際的單模性能閾值波長要有用得多。因此，對于以下定義的單模光纖參數(shù)，應(yīng)該引入一個更有效的參數(shù)，稱為截止波長：截止波長定義為總功率(包括發(fā)射的高階模態(tài))與基模功率的比值小于0.1 dB時(shí)的波長。根據(jù)這一定義，當(dāng)模態(tài)相同時(shí)，二階模態(tài)（LP₁₁）的衰減比基本模態(tài)（LP₀₁）大19.3 dB。

截止波長為單模光纖所特有的結(jié)構(gòu)參數(shù)，它給出了保證單模光纖傳輸?shù)墓獠ㄩL范圍。所謂截止波長，是指次低階模LP₁₁（Linearly Polarized（Lp）mode（線偏振模），下標(biāo)11為波形編號，表示沿半圓周數(shù)得到的光斑個數(shù)為1和沿半徑數(shù)得到的光斑個數(shù)也為1）的截止波長。單模光纖傳輸系統(tǒng)的工作波長必須大于截止波長，否則光纖將工作在多模區(qū)，產(chǎn)生模式噪聲和模式色散，從而導(dǎo)致傳輸性能惡化和帶寬下降。但工作波長不宜偏離截止波長太遠(yuǎn)，以免有更多的光功率分布在包層中，影響傳輸性能。截止波長對于光纖光纜制造廠商、光纜的用戶設(shè)計(jì)和使用光纖傳輸系統(tǒng)均有很大意義。

3、數(shù)值孔徑（NA）

G.651.1給出的數(shù)值孔徑的定義是：進(jìn)入或離開光纖核心的最大錐狀光線頂點(diǎn)半角的正弦，乘以錐狀光線頂點(diǎn)所在介質(zhì)的折射率。數(shù)值孔徑是多模光纖的重要參數(shù)之一，它表征了多模光纖接受光的能力，同時(shí)也反映了該光纖與光源或別的光纖耦合的難易程度。數(shù)值孔徑是多模光纖的特有結(jié)構(gòu)參數(shù)。

數(shù)值孔徑的值比最大理論數(shù)值孔徑(NA _tmax)的值低5%左右，理論上的數(shù)值孔徑(NA _tmax)是由核心和包層的折射率測量得到的。

其中n₁為纖芯的最大折射率，n₂為包層最內(nèi)均勻的折射率。

四、示例

表4-1和表4-2分別給出了漸變多模（GI）光纖和標(biāo)準(zhǔn)G.652光纖（單模）的結(jié)構(gòu)參數(shù)實(shí)例。

表4-1：漸變多模（GI）光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)的實(shí)例

表4-2：單模光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)實(shí)例（G.652光纖）

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