光纤相关术语的解释

复习思考题

1．什么是光纤

由玻璃、塑料和晶体等对某个波长范围透明的材料制造的能传输光的纤维。由中心部份的纤芯和环绕在纤芯外面的包层组成，芯的折射率比包层的高。光特性由光纤横截面上折射率分布所决定，分布一般呈圆对称形，仅与径向坐标r有关，用符号表示。光纤呈圆柱状直径从几μm到几百μm。光从纤维端面进入后即束缚在纤维内曲折地向前传播其传输原理可用几何光学或波动光学解释。制造光纤时，一般先用原料做成坯棒或块材，然后拉制成细而长的纤维。光纤的特征和性能有以下几方面：①几何和结构参数，如芯径、外径、数值孔径、芯/包层相对折射率差、折射率分布、涂覆层厚度等；②光传输特性，如工作波长，传输损耗和带宽、色散以及偏振特性；③环境特性，如高低温特性、抗微弯和弯曲特性、辐射特性、氢效应、抗疲劳特性和机械筛选强度等。此外，单模光纤的参数还包括零色散波长和截止波长等。光纤的分类是一个很复杂的问题，因为存在许多分类标准，例如工作波长、模式、折射率分布、材料及纤维形态和结构均可作为分类的标准。)(rn

2．什么是多模光纤

可传播多种模式电磁波的光纤。根据横截面折射率分布不同可分阶跃型多模光纤和梯度（渐变）型多模光纤。前者模间色散大，传输的信息容量较小；后者模间色散小，可传输的信息容量较大。多模光纤芯径较大，一般为50μm或62.5μm，其数值孔径为0.275。与单模光纤相比，芯径大得多，制造较容易，使用较方便，例如容易相互熔接，容易与无源器件、光源和光检测器件配接使用。但色散大得多，传输容量较小。3．什么是单模光纤

只能传导单一基模的光纤。圆芯折射阶跃分布的光纤维持单模传输出的条件是规一化频率值小于等于2.405，还有其他折射率分布。表征单模光纤除了用与多模光纤相同的一些传输性能指标和结构指标外，还应包括截止波长、零色散波长和模斑尺寸。在实用中，单模光纤的抗弯曲和微弯特性是重要的，单模光纤的制造工艺、熔接和耦合技术已经成熟，其品种繁多，应用广泛，产量已超过多模光纤。除普通单模光纤外，还有具有特殊色散特性和偏振特性的单模光纤。制造单模光纤的材料有以二氧化硅为基础的玻璃及重金属氟化物玻璃。各种单模光纤可分别在高速率通信系统、局部地区网线路和传感器等器件中应用。4．什么是塑料光纤plastic optical fiber(POF)

一种由高折射率的透明塑料芯材与低折射率的透明塑料包层构成的光纤。直径小到几十微米到几毫米不等。与无机玻璃质光纤相比，它有重量轻，柔软性好不易折断，制造方便成本低等优点，同时光纤上端面的损耗较小，对可见光波段透光性好，并可与价廉的发光二极管配合使用，因此具有经济上的优越性。这类光纤目前存在的缺点是传输损耗高，抗张强度低，耐溶剂侵蚀性差，容易老化且最高使用温度低于80℃，应用受到限制。主要用于传输距离100~200m、频带宽度10~20Mb/s的闭路光通信系统。制造塑料光纤的主要树脂材料有两大类，一类以聚甲基丙烯酸甲酯作纤芯，另一类以聚苯乙烯作纤芯。另外还有以聚碳酸酯和含25%克分子的间苯二酸的聚酯等为纤芯的塑料光纤。塑料光纤除单根纤维使用外还制成塑料传光束使用。

5．什么是气相技术vapour technique

用气相化学反应把组成玻璃的二氧化硅和其他成份合成为石英基玻璃块料和石英基光纤坯棒的技术。优点是：①原料纯度高，利用蒸气压的显著差别提纯原料，杂质含量可减少到PPB级；②无炉子和坩埚的污染；

③四氯化硅、四氯化锗等原料是半导体工业中常用原

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料，有商品供应；④可制备光学上特别均匀的各种耐熔组份的石英基玻璃，而其他方法很难做到；⑤玻璃成份可有较大幅度变化，能满足光纤设计者提出的要求。气相技术制备光纤坯棒主要以加热氧化反应、等离子氧化反应和火焰水解反应为基础，由此形成各种工艺方法。

6．什么是化学汽相沉积法chemical vapor-phase deposition (CVD)

用高温汽相氧化反应获得固相沉积物的工艺。原广泛用于半导体工业，是一种在半导体器件产生二氧化硅保护膜的加工方法，其原理是易氧化的与被惰性气体高度稀释的氧化剂相互作用。由于反应在相当低的温

度下进行，氧化反应只有加热的基体表面发生并且二氧化硅均匀沉积在基体上。同样原理用于制造光纤坯棒。基体是一根加热的石英管的内表面，在其上沉积各种组份的玻璃状膜，达到足够厚度后再把管子缩成棒。沉积层有几种，一种是以为掺杂剂，经过氧化反应产生掺杂到中去从而提高玻璃的折光率而成为芯材，石英管作为皮层；另一种是先沉积低折光率的硼硅酸盐玻璃作为皮层，再沉积纯玻璃作为芯材。CVD法的特点是，由于利用了形成玻璃元素的气体化合物，纯度高；反应在管内进行，污染少；并且对环境要求不必很严格；可以制成低损耗光纤。缺点是，由于反应浓度和温度均低，反应仅发生在管壁附近，所以反应速度很慢；应用氢化物作反应剂，易燃烧不安全；并且反应生成的玻璃材料中OH离子浓度较高，造成光纤大的OH离子吸收。为此，在这基础上发展了MCVD、PCVD等工艺。4SiH44HG2GeO2SiO2SiO 7．什么是改良的化学汽相学积法modified chemical vapor de-position (MCVD)

又称“内部加热氧化法”。在化学汽相学积法基础上发展的一种制造光纤维坯棒的方法。与CVD不同，它的起始反应物是在一根旋转的石英管内加热，温度、浓度等条件促使大部份的反应以同质反应进行，即包含一个相的反应。汽相物质在灼热区反应后生成颗粒状材料落向下方远离灼热区的管壁处，灼热区沿管子长度连续地、周期地往返移动，从而形成一层层颗粒层，同时颗粒层又成为透明的玻璃层，最后再烧缩成所需的高度透明的玻璃质坯棒。由于反应剂浓度和温度的提高，同质反应和异质反应同时进行，所以MCVD 法的沉积速度比CVD法提高了100倍。高的反应温度允许使用卤化物作反应剂，因而消除了高浓度的OH 离子。由于玻璃形成无元素的卤化物的挥发性比杂质元素的卤化物高，蒸气压差几个数量级，因此原料纯度极高；并且在管内密封条件下污染亦少，可制得损耗极低的光纤。沉积过程中调节每层掺杂剂浓度可得到所需的任意折射率分布的坯棒。MCVD的工作原理如图所示。

8．什么是等离子体CVD法plasma chemical vapour-phase deposition (PCVD)

又称“内等离子氧化法”、“侧面横向火焰水解法”。用微波等离子体使石英基管内气态卤化物原料氧化生成玻璃沉积膜层制造光纤坯棒的过程。等离子体是由装在石英管外可快速移动的环形微波腔发生的，这种微波等离体发生器的功率一般为1000W左右，频率2.45GHz，发生的等离子体属于非等温等离子体，即等离子体内电子温度高于离子温度和

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气体温度。因而气态原料的氧化反应可在低温（500℃）进行，但反应沉积的玻璃内氯含量较高。为避免氯气导致沉积层开裂和剥落，在石英管外还套一管式加热炉，使反应沉积在1000℃以上进行。PCVD法的特点是在管壁处进行异相反应并直接在管壁上形成一层极薄而且均匀的玻璃膜层；为了提高同一膜层内玻璃成分的均匀性，等离了发生器以8cm/s的速度快速移动；调节形成每一层玻璃膜时气态原料的组成，就可形成设计要求的折射率分布的坯棒；每一坯棒的形成一般要沉积2000层玻璃膜，因而折射率分布比较理想。另外沉积效率高亦是PCVD法的优点。

9．什么是外汽相沉积法outside vapor-phase deposition (OVD)

在靶棒外表面用汽相沉积技术制造光纤坯棒的方法。这种方法的工作过程如下，供料系统把一定组成的气态原料通到高温火焰中，原料经水解反应产生的玻璃微珠喷涂到一根旋转的靶棒表面，当燃烧器平行靶棒轴移动一个行程后，整个靶棒表面就粘附一层均匀的玻璃微珠层，燃烧器不断地往复移动，同时不断改变每一层玻璃微珠的供料组成，就能形成横断面具有折射率分布的玻璃微珠堆积成的圆柱体，冷却后由于靶棒与玻璃柱体的热膨胀的不同可顺利抽出靶棒，再经脱水和透明化，就可制成各种优质光纤用的坯棒。OVD 法的优点是多孔玻璃空心柱体脱水比较容易、透明化温度较低，掺入的、等组份的挥发较少以及容易制造大尺寸坯棒。GeO52OP

10．什么是汽相轴向沉积法vapour-phase axial deposition method (VAD)

又称“纵向火焰水解法”。气化的原料进入火焰中水解形成的超细玻璃粉堆积在作为靶子的种棒的端面上，形成轴向生长的光纤坯棒的方法。本方法所用的种棒一般是石英玻璃棒。用VAD法制备光纤坯棒可分四个阶段：多孔坯棒的制造、脱水和透明化过程、拔细和加外附管。前两个阶段是利用附图所示装置连续进行。拔细是把前阶段做成的直径为25mm的棒拉成直径为10mm的棒。加外附管是用来调节芯和包层的相对尺寸，外附管是石英管，这后两个步骤是在玻璃车床上进行的。用VAD法制造进行光纤坯棒时，不同于与其