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光导纤维（即光纤）是一种导光性能良好、直径很小的圆柱形实心光波导。通信用光纤以SiO 2 为主要材料，外径为125µm。为了让光信号实现全反射传输，通过在制造过程中对纤芯或包层掺杂，使纤芯折射率大于包层折射率，从而获得相对折射率差，实现光信号的全反射传输。光纤的传输原理如图1-2所示。
图1-2 光纤的传输原理
只有纤芯和包层结构的光纤被称为裸光纤，裸光纤强度低，易折断，通常采用包裹环氧树脂和硅橡胶等高分子材料来增强光纤的柔韧性、机械强度和耐老化特性。单模光纤的纤芯、包层和涂覆层三者的大小对应关系，如图1-3所示。经过涂覆的光纤，外径约为250µm，被称为涂覆光纤，如图1-4所示。
图1-3 单模光纤结构示意
图1-4 涂覆光纤
光纤可以按制造材料、传输光波的模式、光纤截面折射率的分布及二次涂层结构等要素进行分类。下面介绍4种常用的分类方法。
（1）按制造材料分类
石英系光纤： 以二氧化硅（SiO 2 ）为主要原料。按不同的掺杂量，可以控制纤芯和包层的折射率，使纤芯折射率大于包层折射率。纤芯掺杂会导致光纤的平均衰减增加，使用纯SiO 2 作为纤芯外层掺氟，在1550nm波长衰减可达到0.151dB/km。
塑料光纤： 主要使用聚甲基丙烯酸甲酯（Polymethyl Methacrylate，PMMA）及其他高透明塑料作为芯层材料，氟塑料为包层材料，直径约为1mm，平均衰减约为20dB/km，主要用于医用内窥镜、音箱信号传输、汽车和飞机等短距离传输信息。
（2）按传输光波的模式分类
光在光纤纤芯中传输，传输距离受光纤材料和入射角度的限制，只有满足特定类型的光才可以稳定地传送较远的距离。能够让多种模式的光正常传输的光纤被称为多模光纤（Multi mode Optical Fiber，MMF），只能让一种模式的光正常传输的光纤被称为单模光纤（Single mode Optical Fiber，SMF）。
光纤传导光波模式与光纤的结构密切相关。为了传送多种模式的光信号，多模光纤的纤芯直径为50～100µm，单模光纤的纤芯直径为9～11µm。多模光信号在单模光纤中传送几厘米后就已经衰减，无法长距离传播。
（3）按光纤截面折射率的分布分类
石英系光纤按纤芯和包层的折射率分布可分为阶跃型光纤和渐变型光纤。阶跃型光纤又称为突变型光纤，是指纤芯和包层的折射率变化较大，光信号以近似全反射的形式传播，单模光纤的折射率分布就是阶跃型。渐变型光纤是指纤芯和包层的折射率逐渐变化，又称自聚焦光纤，光信号可以自动聚焦而不发生色散，多模光纤的折射率分布一般以渐变型为主。光纤折射率分布示意如图1-5所示。
图1-5 光纤折射率分布示意
（4）按二次涂层结构分类
根据二次涂层结构的不同，涂覆光纤可以分为紧套光纤、松套光纤和带状光纤。
紧套光纤在涂覆光纤外层包裹一层塑料紧套管，直径为900µm，如图1-6所示。紧套光纤的二次涂覆层和一次涂覆层紧密相贴，两层之间没有空隙，因此一次涂覆光纤在二次涂覆层内不能自由移动，两层挤在一起且各层同芯。紧套光纤具有体积小和机械强度较好等特点，但当外界环境变化时，易受微弯影响，温度特性差。
图1-6 紧套光纤结构示意
当涂覆光纤在塑料束管中时，光纤和束管二者之间的空隙被阻水油膏填充，光纤在束管内可以自由移动，这种涂覆光纤被称为松套光纤，这种束管被称为松套管。松套管可以隔离外部应力，以及温度变化对光纤的作用，而且管内填充的阻水油膏也对光纤起着保护和阻水两个方面的作用，因此具有更好的机械特性和温度特性，但是松套光纤的直径较大，占用的空间也相对较大。
按照相关标准，将多芯（4、6、8、12芯等）涂覆光纤沿轴线并排，用特殊材料将其黏排起来，形成一组（也叫一带），这个光纤组（带）被称为带状光纤，如图1-7所示。带状光纤具有可以一次性接续，速度快、耗时少，容易盘纤，顺序不容易出错，施工、维护、障碍抢修效率高等优点。
图1-7 带状光纤结构示意
光信号在光纤内传输主要受衰减和色散两个因素影响，了解光纤的衰减和色散性能后可以更加合理地使用和利用光纤。单模光纤具有极大的通信容量和较长的传输距离，是目前光纤通信系统的主要传输通道，本节介绍的光纤传输性能主要针对单模光纤。
（1）光纤的衰减
在一段光纤上，相距 L 的横截面1和横截面2之间在波长 λ 处的衰减 A （ λ ）定义见公式（1）。
式中： P 1 （ λ ）——通过横截面1的光功率； P 2 （ λ ）——通过横截面2的光功率。
通过公式（1）可以看出，传输的光能量随着传输距离的增加，其光功率值按指数降低。两个测量点的光功率绝对值的单位应相同。衰减值是一个功率比值，其没有单位，数值后加dB，表示这个数是经过对数换算后得到的数据。
光功率值可以采用dBm表示，见换算公式（2）。
式中： P 测 ——通过测量点横截面的光功率。
当发射功率 P 测 绝对值为lmw时，换算后为0dBm（一般情况下m可省略，写作0dB）。以dBm形式表示，方便计算。
横截面1和横截面2的光功率值以dBm形式表示后，衰减计算公式简化为公式（3）。
式中：
——通过横截面1的光功率；
——通过横截面2的光功率。
例如，横截面1光功率值-4dBm，横截面2光功率值-7dBm，两点间的衰减值计算式如下。
A （ λ ）=（-4）-（-7）=-4+7=3dBm
表示横截面1的光功率比横截面2大3dBm，或者横截面2的光功率比横截面1小3dBm。光功率值为负值，不是表示该处的光能量是负值，而是表示光能量值小于标准0dBm。
造成光纤衰减的原因有很多，主要包括光纤本身的损耗和施工过程的附加损耗两个方面。光纤本身的损耗主要有：吸收损耗，包括光纤材料（SiO 2 ）的本征吸收和杂质吸收：散射损耗，包括瑞利散射、非线性散射和结构不完善散射等，测试光纤的光时域反射仪（Optical Time-Domain Reflectometer，OTDR）就是利用瑞利散射原理制造出来的。光纤经过集束制成光缆，在各种环境下进行光缆敷设、光纤接续，以及由于系统的耦合与连接等操作引起的光纤附加损耗，包括光纤的弯曲损耗、微弯损耗、光纤接续损耗和光器件之间的耦合损耗等。
衰减系数是指光纤在单位长度上的衰减，对于稳态条件下的均匀光纤，可定义单位长度衰减（即衰减系数） α （ λ ）计算公式（4）如下。
式中： L ——光纤长度，单位为km； α （ λ ）值与选择的光纤长度无关。
衰减受测量条件影响：未加以控制的注入条件通常激励较高阶有损耗的模式，这种模式会产生瞬态损耗并导致光纤衰减与光纤长度不成正比；加以控制的稳态注入条件使光纤衰减与其长度成正比。在稳态条件下，能确定光纤衰减系数，串接光纤总衰减可由各段光纤的衰减线性相加得出。衰减系数又称为平均衰减，是光纤最基本和最重要的一个传输性能参数，对光纤质量的评定和对光纤通信系统中继距离的确定起着十分重要的作用。
光纤的衰减谱如图1-8所示。
图1-8 光纤的衰减谱
其中，光纤制造过程残留的氢氧根（OH - ）成分导致在1400nm波段产生损耗特别严重的OH - 吸收峰，对光纤衰减谱的影响较大，使1310nm和1550nm波段无法被连续使用，OH - 吸收峰被称为“水峰”。随着制作工艺的改进，目前已经将光纤中的OH - 含量降至极低，制成无（低）水峰光纤。某些特殊型号的光纤已经消除了“水峰”。无（低）水峰光纤在E波段的光纤衰减系数已经降至0.35dB以下。
2002年5月，国际电信联盟电信标准分局（ITU-T）将单模光纤通信系统光波段划分为O、E、S、C、L、U共6个波段，多模光纤850nm为第一传输窗口，单模光纤O带为第二传输窗口，C带为第三传输窗口，L带为第四传输窗口，E带为第五传输窗口。C波段具有最小的光纤衰减系数，理论值是0.1dB/km，目前在用的光纤中衰减系数最小值达到0.151dB/km。多模光纤和单模光纤的通信波段划分见表1-1。
表1-1 多模光纤和单模光纤的通信波段划分
（2）光纤的色散
在光纤传输的光脉冲信号经过长距离传输后，在光纤输出端的光脉冲波形发生了时间上的展宽，这种现象称为色散。色散可以分为材料色散、波导色散和模间色散。单模光纤中的色散主要是由材料色散和波导色散组成的，两种色散数值与光波长相关被称为波长色散，也被称为色度色散；单模光纤只能传送一种模式所以没有模间色散，单一模式光信号中光的振动方向不同，会产生偏振模色散。
色散会导致接收端无法正确判别光脉冲信号，进而导致码间干扰、误码率增大，严重影响信息传送，因此必须控制色散。单模光纤中的色散现象如图1-9所示。早期的光纤和通信设备对色散要求不高，随着传输速率的增大、光发送功率的提高，以及解调方式的改变，较小的色散值可以抑制光信号在光纤中传播产生的非线性效应，从而提高通信质量，所以对波长色散的要求不是色散值为零最好，而是只要产生的色散在容限之内，就可以保证信号的正常传输。
图1-9 单模光纤中的色散现象
光纤的色散值不能通过施工过程改变，一般通过选用合适型号的光纤、插入色散补偿器件进行修正。在竣工验收环节，为了获取每一条光纤通道的色散系数，为后续传输设备的开通提供测算数据，需要对光纤通道进行色散测试。
波长色散： 波长色散是由组成光源谱的不同波长光波在光纤中以不同群速度传播引起的时延。定义为每单位光源谱宽的光脉冲展宽，用ps/nm表示，光纤波长色散系数是每单位光纤长度的波长色散，用ps/（nm·km）表示。波长色散通常由材料色散、波导色散和剖面色散3个部分组成。材料色散与制造光纤原材料（SiO 2 ）的纯度和杂质浓度有关，在光通信频段，材料色散值随着光的波长增加，在波长为1290nm附近有一个零材料色散波长，波长小于1290nm色散值为负值，大于1290nm色散值为正值。
波导色散是光纤的某一传输模式在不同的光波长下的群速度不同引起的脉冲展宽。波导色散与制造光纤过程中纤芯与包层的折射率变化有关，也被称为结构色散。波导色散在光通信频段基本是负值，当材料色散和波导色散相叠加时，总色散值可以为零。最初研制的G.652光纤在1310nm附近的低损耗窗口具有零色散特性。G.652单模光纤的色散特性曲线如图1-10所示。
图1-10 G.652单模光纤的色散特性曲线
剖面色散又被称为折射率剖面色散，与光纤纤芯和包层的相对折射率差相关。光纤纤芯和包层的相对折射率差较小，剖面色散也较小，通常可以被忽略。
材料色散、波导色散和剖面色散这3类波长色散产生的时延差与光信号的光谱宽成正比，所以在光源本身起决定性作用的条件下，采用窄线宽的光源是减小波长色散影响的最有效率的措施。
偏振模色散（Polarization Mode Dispersion，PMD）： 偏振是与光的振动方向有关的光性能。单模光纤中的光信号只有一种模式，即基模。基模存在两个相互正交的偏振方式，每个偏振方式代表一个偏振模。在理想状态下，两种偏振模应当具有相同的特性曲线和传输性质，但是光纤几何和压力的不对称导致了两种偏振模具有不同的传输速度。两个正交偏振模之间的差分群时延（Diferential Group Delay，DGD），被称为PMD。PMD导致脉冲分离和脉冲展宽，对传输信号造成降级，并限制载波的传输速率，脉冲宽度越窄的超高速系统，PMD的影响越大。PMD的产生原理如图1-11所示。PMD的度量单位为ps，PMD系数的表示单位为ps/km 1/2 。
图1-11 PMD的产生原理
PMD与其他色散相比，几乎可以忽略，但是无法完全消除，只能从光器件上使之最小化。造成单模光纤中的PMD的内在原因是纤芯的椭圆度和残余内应力，它们改变了光纤的折射率分布，引起相互垂直的本征偏振以不同的速度传输，进而造成脉冲展宽；外在原因则是成缆和敷设时的各种作用力，即压力、弯曲、扭转及光缆连接等都会引起PMD，外在作用力对光纤损耗的作用变化比偏振模色散更显著。
在光缆线路施工中，PMD的最终结果是每段光纤随机耦合的结果，在工程实践中，多段光纤（≥2km）组成的光纤通道可以通过逐段替换的方式找到偏振模色散最大的光纤通道，也可以通过逐段替换的方式形成偏振模色散值相对较小的光纤通道。
ITU-T制定了统一的光纤标准（G标准）。按照ITU-T关于光纤的建议，将光纤的种类分为多模光纤（G.651光纤）、标准单模光纤（G.652光纤）、零色散位移光纤（G.653光纤）、1550nm处最低衰减光纤（G.654光纤）、非零色散位移光纤（G.655光纤）、宽带光传送的非零色散光纤（G.656光纤）、接入网用弯曲衰减不敏感单模光纤（G.657光纤）。
多模光纤多用于低速率、短距离的通信系统，不适合长途通信系统，本书主要介绍单模光纤。
（1）标准单模光纤（G.652光纤）
标准单模光纤又称非色散位移光纤或常规单模光纤，2003年，ITU-T颁布最新的G.652光纤的分类，将G.652光纤分为G.652.A、G.652.B、G.652.C和G652.D共4种类型。G.652光纤可以工作于1310/1550nm两个低衰减波长窗口。在1310nm窗口衰减较小，同时具有最小的常规色散，存在零色散窗口；在1550nm窗口，光纤衰减最小，但具有较大的常规色散，达到17～20ps/（nm·km）。G.652.C、G652.D是无（低）水峰光纤，在1383nm波段消除了“水峰”对衰减的影响。
2013年，国产低衰减光纤正式商用，它属于G.652.D型光纤，纤芯材料使用掺锗二氧化硅，在1550nm窗口光纤衰减达到0.185dB/km，具有比G.652.D光纤更小的PMD值，达到0.004ps/km 1/2 ，是可以在1260～1625nm光传输系统上运行的全波段光纤。新的100Gbit/s通信系统降低了对PMD值的要求，低损光纤可以用于100Gbit/s甚至400Gbit/s的通信系统。
（2）零色散位移光纤（G.653光纤）
该型单模光纤折射率剖面结构采用了分段芯和双台阶芯型，不仅成功实现了1550nm波长处低衰减和零色散，而且具有抗弯性能好、连结损耗低等特点。G.653光纤在1.55µm波段色散为零，不利于多信道的WDM传输，当使用的信道数较多时，信道间距较小，这时就会发生四波混频（Four-Wave Mixing，FWM），导致信道间发生串扰，不利于多信道的WDM传输。该型光纤在日本短距离通信系统中应用较多。
（3）1550nm处最低衰减光纤（G.654光纤）
该型光纤折射率剖面结构与标准单模光纤相同，采用简单阶跃匹配包层型，不同的是选用纯SiO 2 来降低光纤的衰减，靠包层掺杂氟（F）使折射率下降而获得所需要的折射率差。G.654光纤原本应用于海底光纤通信，这种光纤的最大优点是理论上在1550nm波长处最低衰减为0.15dB/km。
2008年，超低损光纤成功研制，使用纯硅纤芯在1550nm窗口光纤衰减最小值达到0.166dB/km，PMD值比G.652.D光纤更小，达到0.004ps/km 1/2 。2010年后，陆地高速系统长距离传输100Gbit/s及更高速率通信系统对光纤色散的要求降低，且传输速率的提高使通信系统可传输距离缩短。超低损光纤较低的衰减系数可以提供较远的传输距离，可以用于100Gbit/s甚至400Gbit/s的通信系统。
2016年9月，ITU-T通过了最新版本的G.654标准，添加了E子类，对陆地长途大容量高速率传输网络用的截止波长位移大有效面积光纤进行了规范，既保持了低衰减和大有效面积特性，又进一步缩小了有效面积的范围，提升了光纤的弯曲性能，达到G.652的水平。
（4）非零色散位移光纤（G.655光纤）
该型光纤具有三角芯和双环芯两种折射率剖面结构。三角芯和双环芯中的第一个环具有可移动零色散波长的特性。这两种剖面结构的外环对实现大有效面积和微弯曲衰减都起着关键作用。非零色散位移光纤（G.655光纤）被称为大有效面积光纤（Larger Efective Area Fiber，LEAF），在1550nm窗口不仅衰减最小，同时具有较小但不为零的色散值［1ps/（nm·km）≤| D |≤4ps/（nm·km）］，这样可以有效地降低光纤中的FWM，尤其适用于密集波分复用（Dense Wavelength Division Multiplexing，DWDM）系统。
（5）宽带光传送的非零色散光纤（G.656光纤）
该型光纤在1460～1624nm波长范围内，其色散为一个大于零的数值。该型光纤色散减小了密集波分复用系统的非线性效应。相较于G.652光纤，G.656光纤能支持更小的色散系数，并能减小FWM和交叉相位调制（Cross-Phase Modulation，XPM）的效应；与G.655光纤相比，G.656光纤能支持更宽的工作波长，这种光纤非常适合于1460～1624nm波长范围（S+C+L 3个波段）的粗波分复用（Coarse Wavelength Division Multiplexing，CWDM）和DWDM，G.656光纤可保证通道间隔100GHz、40Gbit/s通信系统至少传400km。
该型光纤是第一个由中国参与制定标准的国际标准光纤。长飞光纤光缆公司对该光纤的应用和具体指标提出了建议。G.656光纤被预测为可能成为继G.652和G.655之后的又一个广泛应用的光纤。2016年，柬埔寨大湄公河骨干网光缆线路工程使用的就是该型光纤。
（6）接入网用弯曲衰减不敏感单模光纤（G.657光纤）
该型光纤最主要的特性是具有优异的耐弯曲特性，其弯曲半径可实现常规的G.652光纤弯曲半径的1/4～1/2。G.657光纤分A、B两个子类：G.657.A光纤的性能及其应用环境和G.652.D光纤相近，可以在1260～1625nm的宽波长范围内（即O、E、S、C、L 5个工作波段）工作；G.657.B光纤主要工作在1310nm、1550nm和1625nm这3个波段，更适用于实现FTTH的信息传送，一般安装在室内、大楼等转弯狭窄的场所。
我国国家标准规定用大写A表示多模光纤，用大写B表示单模光纤。多模光纤的分类代号见表1-2。单模光纤的分类代号见表1-3。其中，B3色散平坦型光纤由于生产要求高，并没有生产应用。
表1-2 多模光纤的分类代号
资料来源：YD/T 908—2020《光缆型号命名方法》。
注：A1a.1、A1a.2和A1a.3的区别在于850mm波长的满注入条件下最小模式带宽不同。
表1-3 单模光纤的分类代号
资料来源：YD/T 908—2020《光缆型号命名方法》。