光纤传输理论及基本特性
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2.1 光纤结构与分类
1 2.1.1 光纤的结构 2 2.1.2 光纤的折射 率分布 3 2.1.3 光纤的分类
精密仪器与光电子工程学院
2.1.1 光纤的结构
1. 光纤的结构
光纤的全称是光导纤维(Optical Fiber)，是一种多层同心对 称圆柱结构，从里到外依次是纤芯、包层（可以是多层）和涂 覆层。所传光的波长在可见光和红外光区域。
一些常见光纤的折射率分布
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2.1.3 光纤的分类
按折射率径 向分布 阶跃光纤 渐变折射率光纤等 通信光纤 按照用途分 非通信光纤 (特殊光纤） 单模光纤 多模光纤 高纯度 石英玻璃光纤 按照制作材 料分 多组分 玻璃光纤 塑料光纤 化学气相沉积法 （CVD，MCVD） 按照制作工 艺分 等离子体激活化学气 相沉积法(PCVD) 低双折射光纤，高双折射光纤，涂层光纤、液芯光纤、激光 光纤和红外光纤等 纤芯直径4-10μm(LP01) 纤芯直径50μm左右 纤芯：锗硅材料；包层：硼硅材料。 有三个低损耗传输窗口（0.85μm，1.31μm，1.55μm）。 传输损耗低，可低于0.5dB/km。可作为长途光纤通信用。 常规的光学玻璃，如Sodium-borosilicate，传输损耗较大，在 λ=0.84μm时，损耗为3.4dB/km。传播光束，像束。 重量轻、成本低、柔性好，加工方便，损耗大（ λ=0.63μm时， 损耗为100～200dB/km）。短距离传输用
精密仪器与光电子工程学院
2.2.3 光
缆
精密仪器与光电子工程学院
习
1. 简答光纤的结构，相对折射率差。 2. 光纤的折射率剖面是什么？
题
3. 给出几种常见的光纤折射率分布情况。 4. 了解光纤的常见分类。
5. 简单叙述OVPO，VPAD，MCVD，PCVD等预制棒制作方 法。
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2.2.1 光纤预制棒的制作方法
2. 气相轴向沉积法 VPAD: Vapour Phase Axial Deposition
日本NTT公司采用的光纤预制棒制作方法。 化学反应生成SiO2微粒的过程与OVPO法 完全一样，沉积时由横向变为纵向。
VPAD法的优点：
沉积速度快，适合批量生产； 一根棒可拉100 km以上的光纤。
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2.1.2 光纤的折射率分布
2. 折射率剖面
在数学上，光纤的结构一般用折射率沿光纤径向的分 布函数来表征，这种分布函数称为光纤的折射率剖面。在 圆柱坐标系(r,φ,z)中，用n(r)表示。在理论分析时，折射率剖面 n(r) 就是光纤的数学模型。
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2.1.2 光纤的折射率分布
精密仪器与光电子工程学院
2.2.1 光纤预制棒的制作方法
1. 外气相沉积法 OVPO : Outside Vapour Phase Oxidation
Corning Class Work 公司用于制造第一根损耗小于20 dB/km 的石英光纤的方法。 抽掉中心棒，高温烧结成预制棒
SiCl4 H2 O SiO2 2HCl Cl2 GeCl4 H2 O GeO2 2HCl Cl2
由Philips 研究所的科学家们发明 微波谐振腔使管内气体等离子化，产生高温化学反应，将一层 纯净SiO2沉积在管壁上，SiCl4 的沉积率接近100％。
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2.2.2 预制棒拉丝
为了防止石墨在高温下氧化 ，充入氩气等惰性气体加以 保护； 送棒机构和牵引辊的速度要 匹配，以保证光纤外径的均 匀性; 激光测径； 涂覆层紫外线固化； 外径波动控制在0.5微米之内 拉丝的速度可以调整， 600m/min~1000m/min
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2.1.2 光纤的折射率分布
1. 相对折射率差△
折射率(n1,n2)由制作光纤的材料决定，在光纤分析中通常定义
相对折射率差
2 (n12 n2 ) / 2n12
通常: 单模光纤的相对折射率差△满足0.003 < △ < 0.01，
多模光纤的相对折射率差△满足0.01 < △ < 0.03。
按照传输模 式分
用来制作高纯度石英玻璃光纤
用来制作高纯度石英玻璃光纤、多组分玻璃光纤
双坩埚法（三坩埚法）
精密仪器与光电子工程学院 用来制作多组分玻璃光纤
2.2 光纤的制作和光缆
• 在这一节中主要介绍石英光纤的制作工艺。 • 石英光纤的制造工艺大致可以分为两个阶段，即光纤预制棒
的制造和预制棒拉制光纤。
1 2.2.1 光纤预制 棒的制作 方法 2 2.2.2 预制棒 拉丝 3 2.2.3 光缆
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2.2.1 光纤预制棒的制作方法
常见的预制棒制作方法有：
1. 外气相沉积法(OVPO); 2. 气相轴向沉积法(VPAD); 3. 改进的化学气相沉积法(MCVD); 4. 等离子体激活化学气相沉积法(PCVD)； ……
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2.2.1 光纤预制棒的制作方法
3. 改进的化学气相沉积法 MCVD: Modified Chemical Vapour Deposition
由贝尔实验室设计。在旋转的石英管的内壁进行沉积。 停止气相反应后， 加高温将石英管烧结 成实心棒，改变气相 组分可以制成阶跃或 梯度折射2.2.1 光纤预制棒的制作方法
OVPO法的基本步骤
(1) 中心棒在喷嘴下方，匀速旋转并来回平移，以便在中心棒
外形成粉尘的均匀沉积。 (2) 控制气体流量成分，可以使预制棒折射率分布是阶跃的， 或是渐变的。 (3) 沉积过程完成后，经过脱水处理后，抽出中心棒，在高温
炉中将粉尘状预制棒烧结成透明玻璃预制棒。
SiCl4 O2 SiO2 2Cl2 CF2 Cl4 O2 SiF4 2CO2 2Cl2
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2.2.1 光纤预制棒的制作方法
4. 等离子体激活化学气相沉积法 PCVD : Plasma Activated Chemical Vapour Deposition
1 2.1.1 光纤的结构 2 2.1.2 光纤的折射 率分布 3 2.1.3 光纤的分类
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2.1.1 光纤的结构
1. 光纤的结构
光纤的全称是光导纤维(Optical Fiber)，是一种多层同心对 称圆柱结构，从里到外依次是纤芯、包层（可以是多层）和涂 覆层。所传光的波长在可见光和红外光区域。
一些常见光纤的折射率分布
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2.1.3 光纤的分类
按折射率径 向分布 阶跃光纤 渐变折射率光纤等 通信光纤 按照用途分 非通信光纤 (特殊光纤） 单模光纤 多模光纤 高纯度 石英玻璃光纤 按照制作材 料分 多组分 玻璃光纤 塑料光纤 化学气相沉积法 （CVD，MCVD） 按照制作工 艺分 等离子体激活化学气 相沉积法(PCVD) 低双折射光纤，高双折射光纤，涂层光纤、液芯光纤、激光 光纤和红外光纤等 纤芯直径4-10μm(LP01) 纤芯直径50μm左右 纤芯：锗硅材料；包层：硼硅材料。 有三个低损耗传输窗口（0.85μm，1.31μm，1.55μm）。 传输损耗低，可低于0.5dB/km。可作为长途光纤通信用。 常规的光学玻璃，如Sodium-borosilicate，传输损耗较大，在 λ=0.84μm时，损耗为3.4dB/km。传播光束，像束。 重量轻、成本低、柔性好，加工方便，损耗大（ λ=0.63μm时， 损耗为100～200dB/km）。短距离传输用
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2.2.3 光
缆
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习
1. 简答光纤的结构，相对折射率差。 2. 光纤的折射率剖面是什么？
题
3. 给出几种常见的光纤折射率分布情况。 4. 了解光纤的常见分类。
5. 简单叙述OVPO，VPAD，MCVD，PCVD等预制棒制作方 法。
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2.2.1 光纤预制棒的制作方法
2. 气相轴向沉积法 VPAD: Vapour Phase Axial Deposition
日本NTT公司采用的光纤预制棒制作方法。 化学反应生成SiO2微粒的过程与OVPO法 完全一样，沉积时由横向变为纵向。
VPAD法的优点：
沉积速度快，适合批量生产； 一根棒可拉100 km以上的光纤。
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2.1.2 光纤的折射率分布
2. 折射率剖面
在数学上，光纤的结构一般用折射率沿光纤径向的分 布函数来表征，这种分布函数称为光纤的折射率剖面。在 圆柱坐标系(r,φ,z)中，用n(r)表示。在理论分析时，折射率剖面 n(r) 就是光纤的数学模型。
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2.1.2 光纤的折射率分布
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2.2.1 光纤预制棒的制作方法
1. 外气相沉积法 OVPO : Outside Vapour Phase Oxidation
Corning Class Work 公司用于制造第一根损耗小于20 dB/km 的石英光纤的方法。 抽掉中心棒，高温烧结成预制棒
SiCl4 H2 O SiO2 2HCl Cl2 GeCl4 H2 O GeO2 2HCl Cl2
由Philips 研究所的科学家们发明 微波谐振腔使管内气体等离子化，产生高温化学反应，将一层 纯净SiO2沉积在管壁上，SiCl4 的沉积率接近100％。
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2.2.2 预制棒拉丝
为了防止石墨在高温下氧化 ，充入氩气等惰性气体加以 保护； 送棒机构和牵引辊的速度要 匹配，以保证光纤外径的均 匀性; 激光测径； 涂覆层紫外线固化； 外径波动控制在0.5微米之内 拉丝的速度可以调整， 600m/min~1000m/min
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2.1.2 光纤的折射率分布
1. 相对折射率差△
折射率(n1,n2)由制作光纤的材料决定，在光纤分析中通常定义
相对折射率差
2 (n12 n2 ) / 2n12
通常: 单模光纤的相对折射率差△满足0.003 < △ < 0.01，
多模光纤的相对折射率差△满足0.01 < △ < 0.03。
按照传输模 式分
用来制作高纯度石英玻璃光纤
用来制作高纯度石英玻璃光纤、多组分玻璃光纤
双坩埚法（三坩埚法）
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2.2 光纤的制作和光缆
• 在这一节中主要介绍石英光纤的制作工艺。 • 石英光纤的制造工艺大致可以分为两个阶段，即光纤预制棒
的制造和预制棒拉制光纤。
1 2.2.1 光纤预制 棒的制作 方法 2 2.2.2 预制棒 拉丝 3 2.2.3 光缆
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2.2.1 光纤预制棒的制作方法
常见的预制棒制作方法有：
1. 外气相沉积法(OVPO); 2. 气相轴向沉积法(VPAD); 3. 改进的化学气相沉积法(MCVD); 4. 等离子体激活化学气相沉积法(PCVD)； ……
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2.2.1 光纤预制棒的制作方法
3. 改进的化学气相沉积法 MCVD: Modified Chemical Vapour Deposition
由贝尔实验室设计。在旋转的石英管的内壁进行沉积。 停止气相反应后， 加高温将石英管烧结 成实心棒，改变气相 组分可以制成阶跃或 梯度折射2.2.1 光纤预制棒的制作方法
OVPO法的基本步骤
(1) 中心棒在喷嘴下方，匀速旋转并来回平移，以便在中心棒
外形成粉尘的均匀沉积。 (2) 控制气体流量成分，可以使预制棒折射率分布是阶跃的， 或是渐变的。 (3) 沉积过程完成后，经过脱水处理后，抽出中心棒，在高温
炉中将粉尘状预制棒烧结成透明玻璃预制棒。
SiCl4 O2 SiO2 2Cl2 CF2 Cl4 O2 SiF4 2CO2 2Cl2
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2.2.1 光纤预制棒的制作方法
4. 等离子体激活化学气相沉积法 PCVD : Plasma Activated Chemical Vapour Deposition