第2章 光纤基本概念

根具有实用价值，每公里衰耗只有4分贝的光纤。
光纤基础
光纤基础
一、光纤的结构
1 纤芯位于光纤中心，直径2a为5 ～75μ m, 作 用是传输光波。 2 包层位于纤芯外层，直径 2b 为 100～ 150μ m, 作用是将光波限制在纤芯中。 光纤导光的条件是n1＞n2。 3 一次涂敷层是为了保护裸纤而在其表面涂上 的聚氨基甲酸乙脂或硅酮树脂层，厚度一般为 30～150μ m。 4+5 套层又称二次涂覆或被覆层，多采用聚乙 烯塑料或聚丙烯塑料、尼龙等材料。 经过二次涂敷的裸光纤称为光纤芯线。
五
光纤的传输特性
光纤的衰减---描述光能在光纤中传输中逐渐减小 或消失的现象，由光纤损耗造成。
光纤衰减一般以分贝（dB）为单位来计量，以 输入光功率Pi与输出光功率PO的比值来定义：
Pi A( ) 10lg( ) dB Po
均匀光纤的衰Βιβλιοθήκη Baidu系数α(λ)
Pi A ( ) 1 ( )= 10lg( ) (dB / Km) L L Po

非本征吸收：由过渡金属离子和氢氧根离子 (OH－)等杂质对光的吸收而产生的损耗。

本征吸收损耗：由制造光纤材料本身 (如 SiO2) 的特性所决定，包括紫外吸收、红外 吸收。即便波导结构非常完美而且材料不含 任何杂质也会存在本征吸收。
3．按传输模数分类
(1)单模光纤 目前，在有线电视和光通信中，是应用最广泛的光纤。单 模光纤纤芯直径仅有几微米，原则上只能传送一种模数的光纤， 常用于光纤传感器。 特点：这类光纤传输性能好、频带很宽，具有较好的线性度； 但因内芯尺寸小，难以制造和耦合。 (2)多模光纤。 多模光纤纤芯直径约为50μm，纤芯直径远大于光的波长。 通常是指跃变光纤中，内芯尺寸较大，传输模数很多的光纤。 特点：性能较差，带宽较窄；但由于芯子的截面积大，容易制 造、连接耦合比较方便，也得到了广泛应用。通信方面只适用 于短距离、小容量的数据和模拟光信息传输。
飞利浦提出 1978年应用于量产 熔融石英管
沉积效率高、沉积 速度快有利于消除 包层沉积过程中的 微观不均匀 直接玻璃沉积 不需高温烧结 反应管不易变形
反应物质
排气口
SiCl4 + O2 + 参杂物质 低压工作的等离子体 玻璃层
1000~1200度
可快速移动，沉积厚度减少， 有利于控制折射率分布
快速来回移动的微波谐振腔 (2.45 GHz，8米/分钟)
单模光纤
单模光纤纤芯直径仅有几微米，接近波长。其折射率分布均 为阶跃型。单模光纤原则上只能传送一种模数的光，常用于光 纤传感器。这类光纤传输性能好，频带很宽，具有较好的线性 度；但因芯小，难以制造和耦合。
多模光纤
多模光纤允许多个模 数的光在光纤中同时 传播，通常纤芯直径 较大，达几十微米以 上。由于每一个“模” 光进入光纤的角度不 同，它们在光纤中走 的路径不同，因此它 们到达另一端点的时 间也不同，这种特征 称为模分散。特别是 阶跃折射率多模光纤， 模分散最严重。这限 制了多模光纤的带宽 和传输距离。
改进的化学汽相沉积法 (MCVD)
贝尔实验室设计，可用于制造低损耗梯度折射率光纤
反应物质 金属卤化物蒸汽+氧气
粉尘状生成物
排气口
SiO2饵管
烧结后的 玻璃
H-O
粉层沉积物 来回移动的喷灯
玻璃粉层沉积初步烧结加强热成实心棒 烧结后，纤芯由汽相沉积材料构成，包层由原始的石英管构成
等离子体活性化学汽相沉积法 (PCVD)
光纤基础
光纤基础 光缆示意图
光缆的基本结构
光缆一般由缆芯、加强元件和护层三部分组成。
• 缆芯：由单根或多根光纤芯线组成，有紧套和 松套两种结构。紧套光纤有二层和三层结构。 • 加强元件：用于增强光缆敷设时可承受的负荷 。一般是金属丝或非金属纤维。 • 护层：具有阻燃、防潮、耐压、耐腐蚀等特性 主要是对已成缆的光纤芯线进行保护。根据敷设 条件可由铝带/聚乙烯综合纵包带粘界外护层、钢 带（或钢丝）铠装和聚乙烯护层等组成。
拉丝炉 裸光纤 光纤粗细监测仪
涂覆机 已涂覆光纤 光纤卷绕
光纤制作
光纤制作
四
光纤传输原理
四
光纤导光原理
光纤导光原理
当光以某一较小的入射角 ， 由折射率为n1的光密物质射向折 射率为n2的光疏物质(即n1＞n2) 时，则一部分入射光以折射角 折射入光疏物质，其余部分以 角 度反射回光密物质，根据折射定 律(斯涅尔定律)，光折射和反射 之间的关系为：
光纤的损耗
光波在光纤中传输，随着传输距离的增加，而 光功率强度逐渐减弱，光纤对光波产生衰减作用， 称为光纤的衰减（损耗） 。 即便是在理想的光纤中都存在损耗——本征损 耗。 光纤的损耗限制了光信号的传播距离。光纤的 损耗主要取决于： 1. 吸收损耗 2. 散射损耗 3. 弯曲损耗
吸收损耗 原子缺陷吸收：由于光纤材料的原子结构的 不完整造成。
n1 sin 1 n2 sin 2
当入射角 增大到某一角度 时，透射入光疏物质的 折射光则沿界面传播，即 ＝90°，称此时的入射角 为 临界角。那么，由斯涅尔定律得 n2 临界角仅与介质的 sin c 折射率的比值有关 n
1
光纤导光原理
(2)光纤传光原理
光纤导光原理
光纤导光原理
第二步是在气相沉积获得的芯棒上施加外包层制成 大光纤预制棒。
光纤制作的过程
汽相氧化法：外部汽相氧化法 (OVPO)
饵棒 粉层状 预制棒 喷 嘴 玻璃微粒
1. 预制棒有空洞 2. 预制棒长度一定 3. 使用氢氧焰，光 纤所含的OH- 较高
玻璃预制棒
粉层沉积
粉状预制棒
加热炉 1400度
加热炉
芯
包层
玻璃预制棒 预制棒烧结 1970年 康宁 第一根损耗小于20 dB/km的光纤
1．按材料分类
(3) 塑料光纤 用人工合成导光塑料制成，其损耗较大。当 λ ＝ 0.63μm 时， 损耗高达100～200 dB/km；但重量轻，成本低，柔软性好，适用 于短距离导光。 (4) 液芯光纤 由石英光窗、芯料、皮层管、护套管、防尘帽和金属接头组 成，光纤的芯料是一种对人体无害的无机盐溶液。 具有大芯径，大数值孔径、光谱传输范围广、传光效率高等特 点，尤其是在紫外光波段比普通的石英传光束具有优越的传光效 率，特别适用于紫外固化、荧光检测、刑侦取证等。
光纤导光原理
光纤导光原理
(2)光纤传光原理
光纤导光原理
(2)光纤传光原理
光纤导光原理
五
光纤的传输特性
光纤的衰减
光纤的色散
光纤的损耗
光波在光纤中传输，随着传输距离的增加，而 光功率强度逐渐减弱，光纤对光波产生衰减作用， 称为光纤的衰减（损耗） 。 即便是在理想的光纤中都存在损耗 ——本征损耗。 光纤的损耗限制了光信号的传播距离。 光纤的损耗主要取决于： 1. 吸收损耗 2. 散射损耗 3. 弯曲损耗
第一步采用四种气相沉积工艺，即： 外气相沉积(Outside Vapour Deposition-OVD)、 轴向气相沉积(Vapour Axial Deposition-VAD)、 改进的化学气相沉积(Modified Chemical Vapour Deposition-MCVD)、 等离子化学气相沉积(Plasma Chemical Vapour Deposition-PCVD) 任一工艺来生产光纤预制棒的芯棒；
二、光纤的分类
石英系列光纤（以SiO2为主要材料） 按光纤组成材料划分 多组分光纤（材料由多组成分组成） 液芯光纤（纤芯呈液态） 塑料光纤（以塑料为材料） 阶跃型光纤（SIF） 渐变型光纤（GIF） W型光纤 单模光纤（SMF） 按光纤传输模式数划分 多模光纤（MMF ） 芯径
光纤种类
按光纤纤芯折射率分布划分
2、折射率分布
阶跃型光纤（SIF ）：纤芯折射率呈均匀分布，纤芯和包层相 对折射率差Δ 为1%～2%。 渐变型光纤（GIF ）：纤芯折射率呈非均匀分布，在轴心处最 大，而在光纤横截面内沿半径方向逐渐减小，在纤芯与包层的界 面上降至包层折射率n2。 W型光纤（双包层光纤）：在纤芯与包层之间设有一折射率低 于包层的缓冲层，使包层折射率介于纤芯和缓冲层之间。可以实 现在1.3～1.6μ m之间色散变化很小的色散平坦光纤或把零色散 波长移到1.55μ m的色散位移光纤。
光纤的纤芯折射率剖面分布
2b 2b 2a 2b 2a 2c 2a
n
n
n n1
n1
n2 0 a b r 0
n1
n2 a b r 0 a n3
n2
c b r
（a）阶跃光纤
（b） 渐变光纤
（c）W型光纤
按光纤的传播模式分类
根据传输模数的不同，光纤可分为单模光纤和多模光纤。 什么是光纤的传播模式 光纤传输的光波，可以分解为沿纵轴向传播和沿横切向传播 的两种平面波。后者在纤芯和包层的界面上会产生全反射。当 2 的整倍数时，将形成 它在横切向往返一次的相位变化为 驻波。形成驻波的光线组称为“模”；它是离散存在的，亦即 一定纤芯和材料的光纤只能传输特定模数的光。
光纤拉丝:
将预制棒直径缩小，且保持芯包比和折射率分布 恒定的操作称为光纤拉丝。 拉丝过程中要对裸光纤施加预涂覆层保护。涂覆 层既可以保护光纤的机械强度、隔离外界潮湿， 又可以避免外应力引起光纤的微弯损耗。此外， 高速拉丝还应注意光纤的充分冷却，消除光纤中 的残余内应力。
光纤拉丝机
光纤预制棒置备好之后进行光纤拉丝 精密输送机构 夹具 预制棒 d = 10~25 mm; L = 60~120 cm
光纤智能材料与结构
第二章 光纤基础
光纤基础
光纤 (Optic Fiber)光导纤维的简称
1966年, 英国籍华人高锟(光纤之父,2009或诺贝尔物 理学奖)和Hockham发现玻璃可以制成光导纤维。 1970年，由美国贝尔、英国电信研究所和美国康宁 玻璃公司联合研究，研制成功了衰减为20dB/km 的光 纤。目前工作在1.55μm波长的石英光纤损耗只有 0.2dB/km. 中国”光纤之父”赵梓森于1979年拉制出来我国第 一
粉状预制棒 剖面
拉制光纤
汽相轴向沉积法 (VAD)
推进机
1977年 日本开发
马达
疏松的预制棒
喷灯口
优点： 1. 预制棒不再具有空洞 马达 2. 预制棒可以任意长 输送杆 3. 沉积室和熔融室紧密 透明预制棒 相连，可以保证制作 环境清洁 容器 环状加热器 4. 没有使用氢氧焰，单 真空泵 模光纤所含的OH- 较 低，因此损耗较低在 0.2~0.4 dB/km 红外热成像仪 玻璃微粒 反应室
渐变折射率多模光纤
渐变折射率多模光纤纤芯内的折射率不是常量，而是从中心轴 线开始沿径向大致按抛物线形成递减，中心轴折射率最大，因 此，光纤在纤芯中传播会自动地从折射率小的界面向中心会聚， 光纤传播的轨迹类似正弦波形，如图所示，具有光自聚焦效果， 故渐变折射率多模光纤又称为自聚焦光纤。因此渐变折射率多 模光纤的模分散比阶跃型小得多。
三
光纤的制造
光纤大多数是由石英玻璃材料组成的 .
光纤的制造要经历原料提纯、光纤预制棒 制备、光纤拉丝等具体的工艺步骤。
三
两种基本方法
光纤制造
1. 直接熔化法： 按传统制造玻璃的工艺将处在熔融状态的石英玻 璃的纯净组分直接制造成光纤。 2. 汽相氧化过程： 高纯度金属卤化物(如SiCl4和GeCl4)与氧反应生成 SiO2微粒 (通过四种不同的方法)，将微粒收集在 玻璃容器的表面，烧结 (在尚未熔化的状态将SiO2 转化成玻璃体) 制成预制棒，拉丝成纤。
1．按材料分类
(1) 石英(SiO2)玻璃纤维 SiO2含量大于90%，熔点为1700℃，这种材料的光损耗比 较小，在波长λ＝1.2μm时、最低损耗约为0.47dB/km。 (2) 多组分玻璃光纤 SiO2原料中，再适当混合诸如氧化钠、氧化硼、氧化钾等 氧化物的多成分玻璃作成的光纤。损耗也很低，如硼硅酸钠玻璃 光纤，在波长λ＝0.84μm时，最低损耗为3.4dB/km。 特点：比石英的熔点低且纤芯与包层的折射率差很大。主要用 在医疗业务的光纤内窥镜。
直接熔化法：双坩埚法
纤芯坯料棒 内坩埚 纤芯 玻璃 熔炉
包层坯料棒
直接熔化法： 可用于制造石英 光纤、卤化物光 纤和硫属光纤 具有产量大、可 连续制造的优点 但坯料棒熔化过 程中容易带来杂 质，它的最低损 耗值为5 dB/km
外坩埚
包层玻 璃
拉制光纤 (到拉丝机)
光纤预制棒生产最常使用的工艺是两步法：