第二章光纤拉制及成缆

第 2 章光纤拉制及成缆

2.1 光纤的分类

2.2 光纤材料

2.3 光纤的拉制

2.4 光纤成缆技术

思考与练习

随着通信技术的进一步发展, 光纤光缆已逐步取代电缆成为国家通信的主干线。

内容：光纤的种类、材料和制作方式, 以及光缆的类型、设计要求和制造工艺、拉制和成缆。

2.1光纤的分类

光纤的基本结构十分简单,是由光折射率较高的纤芯和折射率较低的包层所组成。纤芯和包层的折射率差异导致光在纤芯发生全内反射,从而使光在纤芯内传播。

为了保护光纤不受外力和环境的影响,在包层的外面一般都加有涂敷层。

典型的通信用光纤截面图,对于单模光纤,其标准包层直径是125μm,加上涂敷层后,光纤直径约为250μm。

不同类型的光纤虽然由纤芯、包层、涂敷层三个基本部分组成,各自的几何尺寸差异却很大。

b

b

a

a a a b

b

r

r

芯区

包层涂层

n 1

n 1

n 2

n 2

n

n 0

(a)

(b)

阶跃光纤

渐变光纤

阶跃光纤与渐变光纤的横截面和折射率分布

光纤的分类

光纤的分类方式多种多样, 一般按照光纤内部光能传输的稳定模式数来确定。

多模光纤：能以多种模式传光的光纤即为多模光纤。

单模光纤：而只能传输单一模式的光纤则称为单模光纤。

多模光纤

阶跃多模光纤和渐变光纤

阶跃多模光纤是一种具有大的芯径和大的数值孔径的光纤, 纤芯与包层界面上折射率呈阶跃分布, 即纤芯和包层的折射率各自保持常数, 纤芯折射率较高, 包层折射率较低, 一般由多组分玻璃化合物或掺杂石英玻璃制成。

大芯径和大的数值孔径有利于提高光纤收集光功率的效率, 在图像传输和照明中使用广泛;

但芯径和数值孔径的增大也使光纤的模式色散增加, 不利于长途通信。

渐变光纤的横截面折射率则是渐变的,芯径相对较小,具有更好的抗弯曲性能。

制备这种光纤选用的材料纯度比大多数阶跃光纤材料纯度高,加上折射率梯度分布,使得这种光纤具有小的色散和低的衰减,其性能特征比阶跃型多模光纤要好。

但和光波长有关的折射率微小变化会引起残余色散,不同模式间相互干扰还会产生模噪声,从而限制了渐变光纤的性能,使这种光纤同样不适合于长距离通信。

单模光纤

单模光纤以其损耗低、频带宽、容量大、成本低、易于扩容等优点, 成为一种理想的长距离通信介质得到广泛的应用。

随着光纤放大器、时分复用技术、波分复用技术和频分复用技术的发展,单模光纤的传输距离、通信容量和传输速率都得到了很大的提高。

但复用技术也使光纤的色散和非线性效应更为显著, 为解决光纤的色散问题,研究人员开发出了几种折射率特殊分布的单模光纤: 非色散位移光纤、色散位移光纤、截止波长位移光纤、非零色散位移光纤、色散平坦光纤、色散补偿光纤。

光纤其他分类

光纤按其本身的材料组成不同, 可分为石英光纤、多组分玻璃光纤、液芯光纤、塑料光纤、氟化物光纤、硫硒碲化合物光纤。

按光纤横截面上折射率分布状况, 可分为阶跃光纤、梯度光纤、W型光纤、三角形光纤等。按传输光的工作波长可分为短波长光纤、长波长光纤和超长波长光纤。

按光纤用途不同, 除通信用的光纤外, 还有军事上的高强度导弹用的光纤、医学上激光手术刀用的传能光纤、内窥镜用的传像光纤、特种传感器用的偏振光纤。

表2. 1 大芯径阶跃折射率石英光纤的特性*

光纤类型纤芯包层直

径

/μm 0.82μm处的衰

减/(dB/km)

0.82μm处的

带宽/MHz・

km

数值孔

径

NA

石英包层100/ 1205200. 22硬包层125/ 14020200.48塑料包层,低OH200/ 3806200.40塑料包层,高OH200/ 38012200.40石英包层400/ 50012—0.16硬包层550/ 60012—0.22石英包层1000/ 125014—0.16塑料包层,低OH1000/ 14008—0.40

* 芯径超过200μm 的光纤的带宽未给出额定值, 因为它们很少用于通信。

2. 2 光纤材料

1.光纤材料的选择

材料是光纤的核心, 如果没有高度透明的材料, 光纤通信是不现实的。

在选择制造光纤的材料时主要考虑的因素有: 纯度高、透明度高、折射率径向分布易于精确控制等, 同时要注意材料自身的机械强度和化学稳定性。气体材料在可见光和近红外区域光衰减很小, 但折射率难以控制。

一些液体材料的光衰减也很小, 但液体的折射率随温度变化明显, 同样难以对折射率实现精确控制。

固体材料的光衰减虽然较大, 但光学特性稳定, 也容易实现对折射率的控制。

固体材料可分为非晶体材料和晶体材料。

晶体材料(如石英、蓝宝石、碱金属卤化物晶体)的光衰减比非晶体材料低, 但晶体材料的大规模生产极为困难, 而且晶体材料的折射率也不易控制。

非晶体材料中的玻璃是理想的光纤材料, 因为某些氧化物玻璃和氟化物玻璃在可见光和红外区域具有很小的光衰减, 这些玻璃极易制成纤维, 并且可通过改变这些玻璃的组成比例很容易地控制其折射率分布。

由SiO

2组成的石英玻璃对可见光和近

红外光有很高的透光能力, 并且这种玻璃具有良好的化学稳定性和较高的机械强度, 通过添加不同的掺杂剂, 也很容易改变石英玻璃的折射率。

石英玻璃来源充足、价格低廉, 是制作光纤的首选材料。