光纤光缆的结构和型号，色谱和端别知识培训

教学内容

(1)光纤的结构及分类；

(2)光缆的结构及分类；

(3)光缆的型号(难点)；

(4)光缆的线序、色谱(重点、难点)；

(5)光缆的端别。

技能要求

(1)会开剥光缆；

(2)会识别光纤光缆的型号；

(3)会识别光缆的线序；

(4)会识别光缆的端别。

任务描述

团队(4～6人)完成1～2段光缆型号识别和开剥训练，通过观察光缆实物，掌握光缆的结构、色谱和端别。

任务分析

通过光缆开剥技能训练，让学生巩固光纤光缆结构和型号；通过观察和分析光缆，进一步巩固光缆的色谱和端别的知识。

(1)光缆的型号识别；

(2)光缆的开剥训练；

(3)光缆的结构、色谱和端别识别。

知识准备

1.光纤概述

在光通信中，长距离传输光信号所需要的光波导是叫作光导纤维(简称光纤)的圆柱体介质波导。所谓“光纤”(Optical Fiber，OF)，就是工作在光频下的一种介质波导，它能引导光沿着轴线进行平行方向的传输。

动画2-1　光纤结构示意

1)光纤的结构

光纤就是用来导光的透明介质纤维，一根实用化的光纤是由多层透明介质构成的。一般光纤的结构如图2-1所示，它可以分为三层:折射率较大的为纤芯；折射率较低的为包层和涂覆层。纤芯和包层的结构满足导光要求，控制光波沿纤芯传播；涂覆层主要起保护作用(因不作导光用，故可染成各种颜色)。动画2-1所示为光纤结构示意。

图2-1　一般光纤的结构

(1)纤芯。纤芯位于光纤的中心部位(直径d1为5～80μm)。其成分是高纯度的二氧化硅，此外还掺有极少量的掺杂剂如二氧化锗、五氧化二磷等。掺有少量掺杂剂的目的是适当提高纤芯的光折射率(n1)。通信用的光纤，其纤芯的直径为5～10μm(单模光纤)或50～80μm(多模光纤)。

(2)包层。包层位于纤芯的周围(其直径d2≈125μm)。其成分也是含有极少量掺杂剂的高纯度二氧化硅。而掺杂剂(如三氧化二硼)的作用则是适当降低包层的光折射率(n2)，使之略低于纤芯的折射率。为满足不同的导光要求，包层可做成单层，也可做成多层。

(3)涂覆层。光纤的最外层是由丙烯酸酯、硅橡胶和尼龙组成的涂覆层。其作用是增加光纤的机械强度与可弯曲性。涂覆层一般分为一次涂覆层和二次涂覆层。二次涂覆层是在一次涂覆层的外面再涂上一层热塑材料，故又称为套塑。一般涂覆后的光纤外径约为1.5 cm。

纤芯的粗细、纤芯材料的折射率分布和包层材料的折射率对光纤的传输特性起着决定性的作用。包层材料通常为均匀材料，其折射率为常数，如为多层包层，则各包层的折射率不同。纤芯的折射率可以是均匀的，也可以随纤芯半径r的不同而不同。因此，常用折射率沿半径的分布函数n1(r)来表征纤芯折射率的变化。

2)光纤的分类

光纤的种类繁多，但就其分类方法而言大致有四种:阶跃型光纤与渐变型光纤(按折射率分布)、多模光纤与单模光纤(按传播模式)、短波长光纤与长波长光纤(按工作波长)、紧套光纤与松套光纤(按套塑类型)。

(1)按传播模式分类可分为多模光纤与单模光纤。

众所周知，光是一种频率极高的电磁波，当它在波导-光纤中传播时，根据波动光学理论和电磁场理论，需要用麦氏方程组来解决其传播方面的问题。而通过烦琐地求解麦氏方程组之后就会发现，当光纤纤芯的几何尺寸远大于光波波长时，光在光纤中会以几十种乃至几百种传播模式进行传播。

在工作波长一定的情况下，光纤中存在多个传输模式，这种光纤就称为多模光纤。多模光纤横截面的折射率分布有均匀分布和非均匀分布两种。前者也叫阶跃型多模光纤，后者称为渐变型多模光纤。多模光纤的传输特性较差，带宽较窄，传输容量较小。

在工作波长一定的情况下，光纤中只有一种传输模式，这种光纤就称为单模光纤。单模光纤只能传输基模(最低阶模)，不存在模间的传输时延差，具有比多模光纤大得多的带宽，这对于高速传输是非常重要的。

(2)按工作波长分类可分为短波长光纤和长波长光纤。

短波长光纤:在光纤通信发展的初期，人们使用的光波波长在0.6～0.9μm范围内(典型值为0.85μm)，习惯上把在此波长范围内呈现低衰耗的光纤称作短波长光纤。短波长光纤属早期产品，目前很少使用。

长波长光纤:随着研究工作的不断深入，人们发现在波长1.31μm和1.55μm附近，石英光纤的衰耗急剧下降。不仅如此，而且在此波长范围内石英光纤的材料色散也大大减小。因此，人们又研制出在此波长范围内衰耗更低、带宽更宽的光纤。习惯上把工作在1.0～2.0μm波长范围内的光纤称为长波长光纤。

长波长光纤具有衰耗低、带宽宽等优点，特别适用于长距离、大容量的光纤通信。

(3)按套塑类型分类可分为紧套光纤与松套光纤。

紧套光纤是指二次、三次涂覆层与涂覆层及光纤的纤芯、包层等紧密地结合在一起的光纤。目前此类光纤使用得较多。

未经套塑的光纤，其衰耗与温度特性本是十分优良的，但经过套塑之后其温度特性下降。这是因为套塑材料的膨胀系数比石英高得多，在低温时收缩较厉害，压迫光纤发生微弯曲，增加了光纤的衰耗。

松套光纤是指经过涂覆后的光纤松散地放置在一塑料管之内，不再进行二次、三次涂覆。松套光纤的制造工艺简单，其衰耗、温度特性与机械性能也比紧套光纤好，因此越来越受到人们的重视。

光纤的机械特性是非常重要的。由于通信用的石英光纤是外径约为125μm的细玻璃丝，玻璃是一种硬度很高、无延展性的易碎材料，其强度极限由材料结构内的Si-O键的键合力所决定，从理论上估算折断Si-O原子键所需应力为2 000～2 500 kg/mm2，因此外径为125μm的光纤所能承受的抗张力将达30 kg。然而，实际的光纤表面或内部总是不可避免地存在裂纹，在光纤受到外力作用时，一个非常小的微裂会扩大、传播，引起崩溃性的断裂，这使得光纤的断裂强度大为降低(约为理论值的1/4)。因此，从光纤开发到大量应用，人们花费了大量精力、物力、财力进行攻关。目前，光纤的研究、制造以及成缆、施工等部门，都在进一步研究如何提高光纤的抗张强度和使用寿命。

光纤的低温性能十分重要，对于架空光缆及北方地区线路，如低温特性不良，其将会严重影响通信质量。因此，制造光纤时必须选择光纤的涂覆、套塑的材料及改进工艺。在工程设计时，务必选用特性良好的光纤。

文档2-1　光知识

3)光纤的导光原理

光是一种频率极高的电磁波，而光纤本身是一种介质波导，因此光在光纤中的传输理论是十分复杂的。要想全面地了解它，需要应用电磁场理论、波动光学理论，甚至量子场论方面的知识。光知识的具体内容见文档2-1。

为了便于理解，可从几何光学的角度来讨论光纤的导光原理，这样会更加直观、形象、易懂。更何况对多模光纤而言，由于其几何尺寸远远大于光波波长，所以可把光波看作一条光线来处理，这正是几何光学处理问题的基本出发点。

由于n1与n2差别较小，所以光纤的数值孔径(Numerical Aperture，NA)定义为

光纤产生全反射时光纤端面最大入射角的正弦值sinφ0称为光纤的数值孔径，一般用NA表示，此式表示了光纤收集光的能力。凡是入射角小于圆锥角φ0的光线都可以满足全反射条件，将被束缚在纤芯中沿轴向传播。可见，光纤的数值孔径与相对折射率差的平方根成正比，也就是说光纤纤芯与包层的折射率相差越大，则光纤的数值孔径越大，其集光能力越强。

(1)光在阶跃光纤中的传播。为了便于理解，先用射线法对光纤中光波的传播作简单的描述。当一束光线从光纤端面耦合进光纤时，光纤中可能有不同形式的光射线:子午线和斜射线。

阶跃光纤是指在纤芯与包层区域内，其折射率分布是均匀的，其值分别为n1与n2，但在纤芯与包层的分界处，其折射率的变化是阶跃的。阶跃光纤的折射率分布如图2-2所示。

由此可见，只要光纤端面的入射角φi≤φ0，光线就能在纤芯中全反射传输，φ0称为光纤端面的最大入射角，则2φ0为光纤对光线的最大可接收角，见动画2-2和动画2-3。

(2)光在渐变光纤中的传播。渐变光纤是指光纤轴心处的折射率最大(n1)，而沿剖面径向的增加而逐渐变小，其变化规律一般符合抛物线规律，到了纤芯与包层的分界处，正好降到与包层区域的折射率n2相等的数值；在包层区域中，其折射率的分布是均匀的，为n2。渐变光纤的折射率分布如图2-3所示。

要分析渐变光纤中光线的传播，可以采用与数学中“积分定义”相同的办法。先将光纤纤芯分成无数多个同心的薄圆柱层，每一层的厚度很薄，折射率在每一层中近似地看为常数，邻层的折射率有一阶跃差，但相差很小，见动画2-4。

动画2-2　光在阶跃光纤中的传播(1)

动画2-3　光在阶跃光纤中的传播(2)

动画2-4　光在渐变光纤中的传播

综上所述，光纤之所以能够导光，就是利用了纤芯折射率略高于包层折射率的特点，使落于数值孔径角(φ0)内的光线都能被收集到光纤中，并能在纤芯包层界面以内形成全反射，从而将光限制在光纤中传播。这就是光纤的导光原理。

文档2-2　光纤主要特性

4)光纤的主要特性

光信号经过一定距离的光纤传输后会产生衰减和畸变，因而使输入的光信号脉冲和输出的光信号脉冲不同，其表现为光脉冲的幅度衰减和波形的展宽。产生该现象的原因是光纤中存在损耗和色散。损耗和色散是描述光纤传输特性的最主要的参数，它们限制了系统的传输距离和传输容量。光纤损耗和色散等特性见文档2-2。

图2-2　阶跃光纤的折射率分布

图2-3　渐变光纤的折射率分布

2.光缆概述

1)光缆的结构

光缆一般由缆芯、加强元件、填充物和护层等几部分构成，另外，根据需要还包括防水层、缓冲层、绝缘金属导线等。光缆的分类见表2-1所示。

表2-1　光缆的分类

续表

室外光缆主要有层绞式、中心管式和骨架式三种。

(1)层绞式光缆。层绞式光缆端面如图2-4所示。层绞式光缆由多根二次被覆光纤松套管(或部分填充绳)绕中心金属加强件绞合而成的圆形缆芯、缆芯外先纵包复合铝带并挤上聚乙烯内的护套、再纵包阻水带和双面覆膜皱纹钢(铝)带再加上一层聚乙烯外护层组成。

图2-4　GYSTA型层绞式光缆(金属加强构件松套层绞填充式铝－聚乙烯黏结护套通信用室外光缆)

层绞式光缆的结构特点为:光缆中容纳的光纤数量多，光缆中光纤余长易控制，光缆的机械性能和环境性能好，适宜于直埋和管道敷设，也可用于架空敷设。

(2)中心管式光缆。中心管式光缆如图2-5所示，它是由一根二次光纤松套管或螺旋形光纤松套管(无绞合直接放在缆的中心位置)、纵包阻水带和双面涂塑钢(铝)带、两根平行加强圆磷化碳钢丝或玻璃钢圆棒(位于聚乙烯护层中)组成的。按松套管中放入的是分离光纤、光纤束还是光纤带，中心管式光缆可分为分离光纤的中心管式光缆或光纤带中心管式光缆等。

中心管式光缆的优点为:光缆结构简单、制造工艺简捷，光缆截面小、质量轻，很适合架空敷设，也可用于管道或直埋敷设；其缺点为:缆中光纤芯数不宜过多(如分离光纤为12芯、光纤束为36芯、光纤带为216芯)，松套管挤塑工艺中松套管冷却不够，成品光缆中松套管会出现后缩，光缆中光纤余长不易控制等。

图2-5　GYXTS型中心管式光缆[金属加强构件钢－聚乙烯黏结护套中心束管式全填充型通信用光缆(细钢丝铠装)]

中心管式带状光缆的结构为大芯数光缆提供了最经济有效的配置，以4、6、8、12光纤带为基带，可生产48～216芯各种芯数、不同规格的带状光缆。光纤带号由数字1～18和字母喷印在光纤带上予以识别。

(3)骨架式光缆。目前，骨架式光缆在国内仅限于干式光纤带光缆，即将光纤带以矩阵形式置于U形螺旋骨架槽或SZ螺旋骨架槽中，将阻水带以绕包方式缠绕在骨架上，使骨架与阻水带形成一个封闭的腔体，如图2-6所示。当阻水带遇水后，吸水膨胀产生一种阻水凝胶屏障。阻水带外再纵包双面覆塑钢带，钢带外涂上聚乙烯外护层。

图2-6　GYDGA－216Xn－4F型骨架式光缆(骨架式9槽4层4芯光纤带A护套光缆)

视频2-1　光缆的结构

骨架式光纤带光缆的优点为:结构紧凑、缆径小、纤芯密度大(上千芯至数千芯)，接续时无须清除阻水油膏，接续效率高；其缺点为:制造设备复杂(需要专用的骨架生产线)、工艺环节多、生产技术难度大等。

每种基本结构中既可放置分离光纤，也可放置带状光纤，如视频2-1所示。

2)光缆的型号及识别

光缆的型号是识别光缆规格、形式和用途的代号，如图2-7所示。

图2-7　光缆型号的格式

(1)光缆的型号。光缆的型号由分类、加强构件、派生、护套和外护套五个部分组成，如图2-8所示。

图2-8　光缆的型号组成

下面对各部分代号所表示的内容作详细说明。

①分类代号见表2-2。

表2-2　分类代号

②加强构件的代号见表2-3。

表2-3　加强构件的代号

③派生特征的代号见表2-4。

表2-4　派生特征的代号

④护套的代号见表2-5。

表2-5　护套的代号

⑤外护套的代号见表2-6。

表2-6　外护套的代号

(2)光缆的规格。光缆的规格是由光纤和导电芯线的有关规格组成的。

①光缆的规格的构成格式如图2-9所示。光纤的规格与导电芯线的规格之间用“＋”号连接。

图2-9　光缆的规格的构成格式

②光纤的规格的构成:光纤的规格由光纤数和光纤类别组成。如果同一根光缆中含有两种或两种以上规格(光纤数和类别)的光纤，中间应用“＋”号连接。

a.光纤数的代号用光缆中同类别光纤的实际有效数目的数字表示。

b.光纤类别的代号应采用光纤产品的分类代号表示。按IEC60792－2(1998)«光纤第2部分:产品规范»等标准的规定，用大写字母A表示多模光纤，用大写字母B表示单模光纤，再以数字和小写字母表示不同类型的光纤。多模光纤见表2-7，单模光纤见表2-8。

表2-7　多模光纤

表2-8　单模光纤

注:“B1.1”可简化为“B1”。

③导电芯线的规格:导电芯线的规格构成应符合有关通信行业标准中铜芯线规格构成的规定。

例如:“2×1×0.9”表示2根线径为0.9 mm的铜导线单线。

“3×2×0.5”表示3根线径为0.5 mm的铜导线线对。

“4×2.6/9.5”表示4根内导体直径为2.6 mm、外导体内径为9.5 mm的同轴对。

(3)实例。

例2-1　金属加强构件、松套层绞、填充式、铝－聚乙烯黏结护套、皱纹钢带铠装、聚乙烯护层的通信用室外光缆，包含12根50/125μm二氧化硅系列渐变多模光纤和5根用于远供电及监测的铜线径为0.9 mm的4线组，光缆的型号应表示为GYTA53 12Ala＋4×0.9。

例2-2　金属加强构件、光纤带、松套层绞、填充式、铝－聚乙烯黏结护套通信用室外光缆，包含24根“非零色散位移型”单模光纤，光缆的型号应表示为GYDTA24B4。

例2-3　非金属加强构件、光纤带、扁平型、无卤阻燃聚乙烯烃护层通信用室内光缆，包含12根常规或“非色散位移型”单模光纤，光缆的型号应表示为GJDBZY12B1。(www.xing528.com)

3)光缆中光纤的色谱

光纤排列以12芯为一束，每束光纤按表2-9所列颜色顺序区分。

表2-9　光纤的色谱

　　多芯光缆把不同颜色的光纤放在同一束管中成为一组，这样一根多芯光缆里就可能有好几个束管。正对光缆横截面，把红束管看作光缆的第一束管，顺时针依次为白一、白二、白三……最后一根是绿束管，如图2-10所示。

图2-10　光缆中光纤的色谱

(a)B端(绿色封头)；(b)A端(红色封头)

4)光缆的端别和光纤纤序

要正确地对光缆工程进行接续、测量和维护工作，必须首先掌握判别光缆的端别和缆内光纤纤序的方法，因为这是提高施工效率、方便日后维护所必需的。

光缆中的单元光纤、单元内的光纤，均采用全色谱或领示色来标识光缆的端别与光纤序号。其色谱排列和所加标志色，各个国家的产品不完全一致，这在各国产品标准中有规定。我国生产的光缆已完全能满足工程需要，所以在这里只对目前使用最多的全色谱光缆进行介绍。

通信光缆的端别判断和通信电缆有些类似。

(1)对于新光缆:红点端为A端，绿点端为B端；光缆外护套上的长度数字小的一端为A端，另外一端为B端。

(2)对于旧光缆:因为是旧光缆，此时红、绿点及长度数字均有可能看不到了(施工过程中摩擦掉了)，其判断方法是:面对光缆端面，若同一层中的松套管颜色按蓝、橙、绿、棕、灰、白顺时针排列，则为光缆的A端，反之则为B端。

(3)通信光缆中的纤序排定。光缆中的松套管单元光纤色谱分为两种，一种是6芯的，另一种是12芯的。前者的色谱排列顺序为蓝、橙、绿、棕、灰、白；后者的色谱排列顺序为蓝、橙、绿、棕、灰、白、红、黑、黄、紫、玫瑰、天蓝。

若为6芯单元松套管，则蓝色松套管中的蓝、橙、绿、棕、灰、白6根纤对应1～6号纤；紧扣蓝色松套管的橙色松套管中的蓝、橙、绿、棕、灰、白6根纤对应7～12号纤，……，依此类推，直至排完所有松套管中的光纤为止。

若为12芯单元松套管，则蓝色松套管中的蓝、橙、绿、棕、灰、白、红、黑、黄、紫、玫瑰、天蓝12根纤对应1～12号纤；紧扣蓝色松套管的橙色松套管中的蓝、橙、绿、棕、灰、白、红、黑、黄、紫、玫瑰、天蓝12根纤对应12～24号纤，……，依此类推，直至排完所有松套管中的光纤为止。

从这个过程中可以看到，光缆、电缆的色谱走向统一，均采用构成全色谱全塑电缆芯线绝缘层色谱的十种颜色(白、红、黑、黄、紫、蓝、橙、绿、棕、灰)来形成，但有一点不同:在全色谱全塑电缆中，颜色的最小循环周期是5种(组)，如白/蓝、白/橙、白/绿、白/棕、白/灰，而在光缆里面是6种——蓝、橙、绿、棕、灰、白，它的每根松套管里的光纤数量也是6根，而不是5根，这一点要特别注意。

图2-11　光缆端别示意

端别判断和纤序排定举例如下。

例2-4　图2-11所示为某光缆端面，请解答下列问题:

(1)判断光缆的端别。

(2)排定纤序并说明填充绳的主要作用。

解:(1)端别判别:因为蓝、橙松套管是顺时针排列的，所以这是光缆的A端。

(2)排定纤序:因为它是以6芯为基本单元的，所以，蓝色松套管中的蓝、橙、绿、棕、灰、白分别为1～6号纤，橙色松套管中的蓝、橙、绿、棕、灰、白分别为7～12号纤，所以这是一条12芯的松套层绞式光缆，其中填充绳的主要作用是稳固缆芯结构，提高光缆的抗侧压能力。

例2-5　图2-12所示为某光缆端面，请解答下列问题:

图2-12　端别判别与纤序排定

(1)判断光缆的端别。

(2)排定纤序并说明加强芯的主要作用。

解:(1)端别判别:因松套管颜色在统一层中按照蓝、橙、绿、棕顺时针方向排列，故这是光缆的A端。

(2)排定纤序:这是一条以12芯为基本单元的层绞式光缆，所以其基本色谱为蓝、橙、绿、棕、灰、白、红、黑、黄、紫、玫瑰、天蓝，因此，蓝色套管中的蓝、橙、绿、棕、灰、白、红、黑、黄、紫、玫瑰、天蓝12纤对应1～12号纤；紧扣蓝松套管的白橙松套管中的蓝、橙、绿、棕、灰、白、红、黑、黄、紫、玫瑰、天蓝对应12～24号纤，……，依此类推，直至棕松套管中的天蓝色光纤为第48号光纤。光缆中的加强芯为避免产生氢损，一般采用磷化钢丝，其主要作用有两个:一是增强光缆的机械强度，二是在施工时承受施工拉力。

任务实施

1.任务器材

光缆、开缆工具(开缆刀、电工刀、剪刀)、抽纸和笔，如图2-13所示。

图2-13　缆工具

(a)米勒钳；(b)松套管割刀；(c)管子割刀

2.任务

(1)识别光缆的型号。依据光缆生产厂家的说明书、光缆盘标记或光缆外护层上的白色印记(教师提供光缆)，请将型号、容量、长度和时间等内容记录在空白处并说明其含义。

(2)光缆开剥。

①正确使用开缆刀开剥光缆，注意开口长度(一定要谨慎，注意不要伤及束管和光纤芯线)。

②剪断填充线、加强件(预留4～10 cm)，留下光纤套管，用光纤剥线钳剥去套管，观察套管内的光纤。

(3)判断光缆的端别(A/B端)。画出光缆端面(A端和B端截面图)，判断光缆的端别，描述判断原理。

(4)正确识别套管顺序，芯线色谱及纤序，达到熟练程度，并填写表2-10。

表2-10　记录数据

注意:“束管序号”行填写数字，例如1号束管、2号束管；“束管内的光纤纤序”行填写数字，注意与束管的对应关系。本表设计1～48芯光缆，请根据实际光缆的对数设备表格并填写数据。

任务总结(拓展)

(1)光知识拓展。

按照波长或频率的顺序把电磁波排列起来，就是电磁波谱。如果把每个波段的频率由低至高依次排列的话，它们是无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线及γ射线。其中无线电的波长最长，宇宙射线的波长最短。电磁波为横波，可用于探测、定位、通信等。目前光纤通信的实用工作波长在近红外区，即0.8～1.8μm的波长区，如图2-14所示，对应的频率为167～375 THz。光纤通信有850 nm、1 310 nm和1 550 nm三个工作窗口。

图2-14　光通信中使用的电磁波范围

①光的传播。

光通常指可见光，即能刺激人的视觉的电磁波，发射(可见)光的物体叫作(可见)光源。例如太阳、萤火虫和白炽灯等都是光源。光是有能量的，光能可以与化学能、电能等其他形式的能相互转换。

a.光的直线传播。光在同一种均匀物质中是沿直线传播的。日食、月食、人影、小孔成像、隧道掘进机的工作原理(激光准直)等就是光的直线传播。光(电磁波)在真空中的传播速度目前公认值为c＝299 792 458 m/s(精确值)，它是重要的物理常数之一。除真空外，光所通过的水、玻璃等物质叫作(光)介质，光在介质中传播的速度小于它在真空中传播的速度。光在水中的传播速度为2.25×108 m/s；在玻璃中的传播速度为2.0×108 m/s；在冰中的传播速度为2.30×108 m/s；在空气中的传播速度为3.0×108 m/s；在酒精中的传播速度为2.2×108 m/s。

b.光的传播规律。光的传播规律主要有:

①光的直线传播规律如上述。测量技术也是以此为依据的。

②光的反射、折射和全反射。光在传播途中遇到两种不同介质的分界面时，一部分反射，一部分折射，还可能发生全反射。反射光线遵循反射定律，折射光线遵循折射定律。

光线在均匀介质中传播时是以直线方向进行的，但在到达两种不同介质的分界面时，会发生反射与折射现象。光的反射与折射如图2-15所示。

根据光的反射定律，反射角等于入射角。

光的折射定律为

式中，n1为纤芯的折射率；n2为包层的折射率。

显然，若n1>n2，则会有θ2>θ1。如果n1与n2的比值增大到一定程度，其就会使折射角θ2≥90°，此时的折射光线不再进入包层(光疏介质)，而会在纤芯(光密介质)与包层的分界面上掠过(θ2＝90°时)，或者重返纤芯中进行传播(θ2>90°时)。这种现象叫作光的全反射现象，如图2-16所示。可见，入射角不断增大，折射光的能量越来越少，反射光的能量逐渐增大，最后折射光消失。

图2-15　光的反射与折射

图2-16　光的全反射现象

(2)光的色散及散射。

①光的色散。

在物理学中，色散是指不同颜色的光经过透明介质后被分散开的现象。一束白光经三棱镜后被分为七色光带。这是因为玻璃对不同颜色(不同频率或不同波长)的光具有不同的折射率:波长越长(或频率越低)，玻璃呈现的折射率就越小；波长越短(或频率越高)，玻璃呈现的折射率就越大。换句话说，玻璃的折射率是光波频率(或波长)的函数。当由不同颜色组合而成的白光以相同的入射角θ1入射时，根据折射定律n1 sinθ1＝n2 sinθ2，不同颜色的光因n2不同会有不同的折射角，这样不同颜色的光就会被分开，出现色散。如图2-17所示，紫色光折射率大，红色光折射率小。由于v＝c/n，很显然不同颜色的光在玻璃中传播的速度也不相同。

图2-17　光的色散

在光纤中，信号是由很多不同模式或频率的光波携带传输的，当信号达到终端时，不同模式或不同频率的光波出现了传输时延差，从而引起信号畸变，这种现象就称为色散。对于数字信号，经光纤传播一段距离后，色散会引起光脉冲展宽，严重时，前后脉冲将互相重叠，形成码间干扰。因此，色散决定了光纤的传输带宽，限制了系统的传输速率或中继距离。色散和带宽是从不同的领域来描述光纤的同一特性的。

②光的散射。

物质中存在的不均匀杂质使进入物质的光偏离入射方向而向四面八方散开，这种现象称为光的散射，向四面八方散开的光，就是散射光。与光的吸收一样，光的散射也会使通过物质的光的强度减弱。这是由于介质中存在着其他物质的微粒，或者由于介质本身的密度不均匀(即密度涨落)，从而引起光的散射。

一般来说，瑞利散射是微弱的。由于瑞利散射光强与1/λ4成正比，当观察晴天时，进入人眼的是阳光经过大气时的侧向散射光，其主要包含着短波成分，所以天空呈蓝色；而观察落日时，直视太阳所看到的是在大气层(包括微尘层)中经过较长路程的散射后的阳光，剩余的长波成分较强，所以落日呈红色。

如果物质中存在折射率分布的不均匀性，例如物质中有杂质微粒(如细微的悬浮物、细微气泡等)，这些细微的不均匀性区域成为散射中心，它们的散射光是非相干的，各散射光束的光强直接相加，这时即可观察到散射光。当微粒线度远小于光的波长时，就产生瑞利散射。此外，通常的纯净物质中各处总有密度的起伏，这也构成折射率分布的不均匀性。斯莫卢霍夫斯基(1908)与爱因斯坦(1910)的研究表明，这种密度起伏是一般纯净透明物质中产生瑞利散射的原因。这种由密度起伏导致的散射也称为分子散射。

(3)光的其他现象。

①光电效应。

赫兹于1887年发现光电效应，1905年，爱因斯坦提出光子假设，成功解释了光电效应，因此获得1921年诺贝尔物理奖。光照射到金属上，引起物质的电性质发生变化。这类光变致电的现象被人们统称为光电效应(Photoelectric Effect)。光电效应分为光电子发射、光电导效应和阻挡层光电效应。前一种现象发生在物体表面，又称外光电效应；后两种现象发生在物体内部，称为内光电效应。光波波长小于某一临界值时方能发射电子，此波长即极限波长，对应的光的频率叫作极限频率。临界值取决于金属材料，而发射电子的能量取决于光的波长。而与光的波动性相矛盾，即光电效应的瞬时性，按波动性理论，如果入射光较弱，照射的时间要长一些，金属中的电子才能积累足够的能量，飞出金属表面。可事实是，只要光的频率高于金属的极限频率，光的亮度无论强弱，光子的产生都几乎是瞬时的，不超过10－9 s。

光电效应里电子的射出方向不是完全确定的，但大部分都垂直于金属表面射出，与光照方向无关。光是电磁波，但是光是高频震荡的正交电磁场，振幅很小，不会对电子的射出方向产生影响。

光电效应说明了光具有粒子性。相对应的，光的波动性最典型的例子就是光的干涉和衍射。

只要光的频率超过某一极限频率，受光照射的金属表面就会立即逸出光电子，发生光电效应。当在金属外面加一个闭合电路和正向电源时，这些逸出的光电子全部到达阳极便形成所谓的光电流。在入射光一定时，增大光电管两极的正向电压，提高光电子的动能，光电流会随之增大。但光电流不会无限增大，要受到光电子数量的约束，有一个最大值，这个值就是饱和电流。所以，当入射光强度增大时，根据光子假设，入射光的强度(即单位时间内通过单位垂直面积的光能)决定单位时间里通过单位垂直面积的光子数，单位时间里通过金属表面的光子数也就增多，于是，光子与金属中的电子碰撞次数也增多，因而单位时间里从金属表面逸出的光电子也增多，饱和电流也随之增大。

②光的波粒二象性。

光的波粒二象性简单说就是光既具有波动特性，又具有粒子特性。

(4)海底光缆的结构及功能展示(制作课件或文档，记录文件的链接网址)。

(5)根据团队训练结果，写出本次任务的缺点和优点。