光纤简介

第2章光纤简介

2.1 光纤结构

光纤，又称介质圆波导，是由一种高度透明的石英或其它光学材料经复杂的工艺拉制而成的光波导材料，光纤的一般结构如图2.1所示。纤芯和包层为光纤的主体，对光波的传播起着决定性作用。涂敷层和护套则主要用于隔离杂光，提高光纤强度，保护光纤。在某些特殊的应用场合不加涂敷层和护套的光纤称为裸体光纤，简称裸纤。

图2.1 光纤结构示意图

μ,材料主体是二氧化硅(SiO2)，其中掺杂极微量其纤芯直径一般为5～75m

他材料，例如二氧化锗(GeO2)、五氧化二磷(P2O5)等以提高纤芯的折射率。包层为紧贴纤芯的材料层，其折射率略小于纤芯材料的折射率。包层总直径一般为μ。包层材料一般也是二氧化硅，有时也掺杂微量三氧化二硼(B2O3) 100～200m

或四氧化硅(Si2O4)，以降低包层的折射率。涂敷层的材料一般为硅酮、丙烯酸μ，用于隔离杂光、增强光纤的柔韧性、机械强度和耐老化盐，外径约为250m

特性。护套的材料一般为尼龙或是其他的有机材料，用于增加光纤的机械强度，保护光纤。

2.2 光纤类型[1]

光纤类型多样，其分类方法也很多，常见的有以下三种方法。

2.2.1 按折光纤射率分布分类

⑴ 阶跃折射率(Step Index, SI)光纤，纤芯和包层折射率都是均匀的，纤芯折射率1n 高于包层折射率2n ，在两者分界处折射率突变，如图2.2(a)。

⑵ 渐变折射率(Gradient Index, GI)光纤，纤芯折射率是渐变的，中心折射率最高，沿径向逐渐减小，包层折射率是均匀的，如图2.2(b)。目前GI 光纤纤芯折射率大多呈抛物线分布。

⑶ W 型光纤，纤芯折射率可以是均匀的，也可以是渐变的，主要区别是包层折射率又出现阶跃变化，形成双包层或多包层结构。其折射率分布曲线似字母“W”而得名，它的特点是可以进一步减小色散，增大通信容量。

(a) SI 光纤 (b) GI 光纤

图2.2 光纤的横截面及折射率分布

2.2.2 按传输模式分类

根据光纤中的传输模式，可将光纤分为多模光纤和单模光纤。多模光纤可传播数百到上千个模式，根据折射率在纤芯和包层上的径向分布情况，又可细分为阶跃多模光纤和渐变多模光纤。单模光纤对给定的工作波长只能传输一个模式。国际电报电话咨询委员会(CCITT)建议单模光纤与多模光纤的外径(包层直径)均为125μm ，多模光纤芯径为50μm ，单模光纤芯径为8～10μm 。

2.2.3 按材料成分分类

⑴石英光纤：它主要由高纯度的石英制成，传输损耗很低。例如，工作波长在1550nm和1310nm的单模光纤，传输损耗只有0.2dB/km和0.35dB/k。这种光纤主要用于光纤通信，也是目前用量最大的光纤。

⑵多组分玻璃光纤：主要由特殊的光学玻璃制成。它的传输损耗较大，白光下平均损耗在0.7dB/km以上。这种光纤主要用于传光束、传像束、扭像器及纤维面板等。

⑶塑料光纤：它是由高分子聚合物制成。其特点是价格低廉，但损耗大。一般用于段距离(数米)的信息传输，或用作传光、传像。

⑷液芯光纤：它是把石英管拉制成毛细管的尺寸，然后用四氯乙烯或其他液体加压填充而制成。它是20世纪70年代研制的一种光纤，目前在一些特殊用途中仍有采用。

此外，在各种特殊用途中还有许多特殊光纤，例如军事上用于制导的高强度光纤，用于激光手术或激光治疗中能传输大功率激光束的传能光纤，用于光纤放大器、光纤激光器的掺稀土元素的有源光纤，以及近几年发展起来的晶体光纤。

2.3 光纤的导光原理

2.3.1 光在光纤中的全反射

光传导的一个基本原理是：光在不同光学介质中传导时(速度、方向)会发生变化。

光在真空中的传导速度为3×106km/s，而在其他介质中，传导速度要降低。物理上把介质中光速减小的程度用介质的折射率加以表述，即：

n/

(2-1)

c

v

式中，n为介质的折射率，c为真空中的光速，v为介质中的光速。

当光线传导从一种介质(入射介质)进入另一种折射率不同的介质(出射介质)时，不仅速度会变化，而且方向也会改变，即出现折射(弯曲)，光线总是弯向折射率较大的介质。

在中学物理中就有描述这一物理现象的折射定律(Snell定律)：

r

i n n θθsin sin 12= (2-2) 式中，1n 和2n 分别为入射介质和出射介质的折射率， i θ 和r θ分别为入射角和折射角。

当光从折射率为1n 的介质入射到折射率为2n 的介质的分解面上时(12n n >)，将产生反射和折射现象，反射角i i θθ='，由于12n n >，因此折射角r θ大于入射角i θ。当入射角)/arcsin(12n n c i ==θθ时， 90=r θ，此时不再有光线进入介质2n ，所有的光能量将全部被反射，这种现象称为光的全反射，c θ称为全反射的临界角，如图2.3所示。

图2.3 光的反射与折射

事实上，由于光的波动性，即使是在全反射的情况下，光波也会进入介质2n 表面一定的深度，称为穿透深度，其大小取决于两种介质的折射率、入射角以及入射光的偏振态和频率。

为了在纤芯实现全反射，只需要在光纤入口端，由光源发出的入射光线与光纤轴线的夹角β满足以下条件：

??

??

??-≤-2/1222101)(1sin n n n β (2-3) 式中，0n 为空气中的折射率。

满足以上条件的入射光也满足c i θθ≥的全反射条件，而当入口端入射角不满足上述条件时，就会在界面处外逸，如图2.4所示。

图2.4 光纤端口的接收角

2.3.2 光线在光纤中的传播

根据射线光学理论研究光纤中的光射线，可以直观地了解光在光纤中的传播机理。设一平行光束射入光纤中，如图2-5所示。在该平行光束中取一根光线SO ，入射点O 位于光纤纤芯入射端面的边界上，其中纤芯内的反射光线为OX ，相继的反射光线为XY ，光线就在纤芯中通过无数次反射，最后从出射端射出。设光纤的纤轴为'CC ，光线入射光线SO 在芯包界面上的折射角为φ，在芯包界面上过X 点做母线XP 。可见，平面OXP 垂直于光纤的端面，OP 为折射光线OX 在端面上的投影，夹角COP ∠为折射角φ在光纤端面上的投影。

图2.5 光线在光纤中的传播路径

当12sin n n ≥φ时，满足全反射条件，光线能在纤芯内不断反射、向前传播，直到从光纤出射端射出。光纤每次发射后的对应的φ及其投影保持不变。

⑴ 子午光线

通过纤芯的轴线可以做很多个平面，这些平面称为子午面。子午面上与轴线相交的光射线称为子午光线，简称子午线。如图2-6所示，子午线在纤芯与包层的交界面上来回全反射，对均匀光纤，子午线形成锯齿状波形，在非均匀光纤中，光线的轨迹为一周期性曲线，无论是在均匀光纤还是在非均匀光纤中，子午线在光纤端面上的投影为一直线。

(a) 均匀光纤 (b)非均匀光纤

图2.6 子午光线的传播路径 ⑵ 斜光线

斜光线是指在光纤内传播路径与入射光线及纤轴不共面的光线。斜光线在光纤内传播情况比较复杂，它在均匀光纤内的传播路径为绕纤轴的螺旋状空间折线，在非均匀光纤内的传播路径为绕纤轴的空间曲线。

2.4 光纤的损耗[1-2]

损耗是光纤的重要参量，它决定了在光纤输入端发射的光脉冲可以传播的距离。如果损耗太大，在输出端就检测不出信号了。

2.4.1 损耗的表示方法

损耗用分贝(dB)表示，定义为：

)/lg(10o i P P Loss = (2-4)

式中，i P 为输入功率，o P 为输出功率

在大多数传输线路中，传输功率随传输距离作指数衰减，表示为：

)2exp()(x P x P i α-= (2-5)

式中，)(x P 为距离输入端x 处的功率，2α为衰减系数或称功率损耗系数，其中系数2是因为习惯上电场振幅的衰减系数用α表示，而功率与电场的平方成正比。由式(2-5)可得：

)](/ln[12x P P x

i =α (2-6) 上式求出的衰减系数是以Np/km 为单位的，人们更习惯使用dB/km 表示的衰减系数a ,并定义为： )](/lg[10x P P x

a i = (2-7) a 与2α只相差一个常数。由式(2-7)和式(2-5)可得：

)2(34.42)lg 10()]2lg[exp(10)](/lg[10ααα≈?===e x x

x P P x a i (2-8) 低损耗是实现远距离光纤通信的前提。20世纪60年代拉制的光纤，其损耗还只能达到1000dB/km 的水平。1970年美国康宁公司第一次拉制出损耗为20dB/km 的石英光纤，使人们看到了实现光纤通信的希望。70年代到80年代经过科技人员的努力，已使长波长区域的损耗降到0.2dB/km 的量级，它已接近光纤损耗的理论极限。

2.4.2 吸收损耗

吸收损耗是由于光纤材料的量子跃迁致使一部分光功率转换为热量造成的传输损耗，包括本征吸收损耗、杂质吸收损耗和原子吸收损耗。

本征吸收是物质所固有的，主要是由紫外和红外波段电子跃迁与振动跃迁引起的吸收。杂质吸收损耗是由于光纤材料含有的正过渡金属离子(Fe 3+、Ni 3+、Cu 2+、Mn 3+等)的电子跃迁和氢氧根负离子(OH -)的分子振动跃迁引起的吸收。原子缺陷吸收主要是由于强烈的热、光或射线辐射使光纤材料受激出现原子缺陷产生的损耗。

2.4.3 散射损耗

当介质中含有杂质或物质结构、密度有微小不均匀，就会发生散射。光纤

的散射包括瑞利(Rayleigh)散射、拉曼(Raman)散射和布里渊(Brillouin)散射，如图2.7所示。瑞利散射的频率不发生变化，属弹性散射，而拉曼散射和布里渊散射是光与光纤物质发生非弹性散射时所携带出的信息，散射光频率相对于入射光频率发生偏移。

图2.7 散射光分布

瑞利散射是引起光纤损耗的最基本散射过程，当杂质粒子或不均匀分子团的线度小于入射光波长时，产生的散射就是瑞利散射。从电磁场理论分析，瑞利散射即是这些小粒子在入射光电磁场中作受迫振动，形成电偶极振荡而发射的次波，由于这些杂质粒子和分子团的不均匀是随机的，因而散射波是非相干的。对单个散射中心来说，如果入射光是线偏振光，则散射光也是线偏振光，并向空间各个方向散射，其强度分布正比于sin2θ(θ为散射方向与入射光振动方向的夹角)。瑞利散射的一大特点是散射光强度正比于4

/1 ，波长与传输光波长相同。

2.4.4 弯曲损耗

光纤的弯曲损耗包括宏弯损耗和微弯损耗，主要来自于光纤弯曲产生的空间滤波、模式泄漏和模式耦合。

2.4.4.1 宏弯损耗

宏弯损耗是指整体光纤轴弯曲时产生的损耗。用射线光学的观点可以很好的理解宏弯损耗。当光纤轴弯曲时，一部分以接近全反射临界角传输的高阶模，在光纤弯曲部位其纤芯-包层截面入射角小于全反射临界角，全反射条件遭到破坏，使高阶模转换成辐射模而产生损耗，如图2.7。

图2.7 宏弯损耗示意图

弯曲损耗的大小可表示为：

)exp(BR A a R -= (2-9)

式中，A 和B 为与光纤结构型式、光纤光学属性、入射光波长等因素有关的系数。显然弯曲曲率半径R 越小，弯曲损耗越大。对普通光纤，直径为33mm 的弯曲引起的损耗为0.5dB 。有些厂家在产品出厂时会给出允许的最小弯曲半径。对光纤通信来讲，通常认为，长期和短期使用时，光纤的最小弯曲半径应分别大于其包层直径的150倍和100倍，对包层直径为125μm 的普通光纤，最小弯曲半径为19和13mm 。一般认为R≥10cm 时，弯曲损耗可忽略不计。

2.4.4.2 微弯损耗

微弯是指光纤轴局部产生的微小畸变，其曲率半径与光纤的横截面尺寸相当，达μm 级，它主要是光纤生产过程中产生的一种随机缺陷。这种畸变也会

使部分高阶模不再满足全反射条件而成为辐射模，从而产生损耗，如图2.8所示。

图2.8 微弯损耗示意图

微弯损耗的大小可表示为：

233642

)/(f c o i M E E r r h N a ?><= (2-10) 式中，N 为微弯个数，h 为微弯凸起高度，><　表示统计平均，c E 和f E 分别是涂覆和裸纤的弹性模量。微弯损耗是不可避免的，如不当心会达到无法容忍的程度。它是光缆设计与成缆工艺中必须认真处理的问题。

2.5 小 结

本章对光纤的基本知识作了简单的介绍，包括：光纤的结构、光纤的类型、光纤的导光原理和光纤的损耗，对后续章节起铺垫作用。