光纤技术及应用第六章

光纤技术及应用第六章第一页，共三十八页，2022年，8月28日光纤的基本结构：纤芯、包层和套层构成。纤芯是光波的传播介质，由高度透明的介质材料（如石英玻璃等）经过严格的工艺制成；包层一方面与纤芯构成光波导，另一方面可以保护纤壁不受污染或损坏，是一层折射率低于纤芯折射率的介质材料；套层主要增强机械性能，保护光纤同时抑制串扰，其一般由高损耗的柔软材料制成。根据光纤材料构成的不同：一般分为石英（玻璃）系列光纤和塑料光纤。石英光纤是指掺杂石英芯和掺杂石英包层构成的光纤。这种光纤有很低的传输损耗和中等程度的传输色散。2023/1/182第二页，共三十八页，2022年，8月28日不同类型光纤的制备工艺有所不同。石英光纤多采用预制棒拉丝工艺制备，其从原材料提纯到制成光缆，已形成一整套成熟的工艺流程，如图所示：本章重点介绍石英光纤光缆的制备。包括光纤材料介绍及提纯、光纤预备棒的制备方法、拉丝、涂覆与套塑工艺、光纤成缆技术。2023/1/183第三页，共三十八页，2022年，8月28日石英光纤石英光纤（SilicaFiber）是以二氧化硅（SiO2）为主要原料，并按不同的掺杂量，来控制纤芯和包层的折射率分布的光纤。优点：具有低耗、宽带的特点；广泛应用于有线电视和通信系统。石英玻璃光导纤维的优点是损耗低,当光波长为1.0～1.7μm（约1.4μm附近），损耗只有1dB/km，在1.55μm处最低，只有0.2dB/km。2023/1/184第四页，共三十八页，2022年，8月28日1、光纤的设计要求：世界上第一根实用光纤是1970年美国康宁公式制造的，至今光纤的性能、品种以及制造技术已飞速发展。光纤的设计核心：都是合理地进行光纤折射率分布的设计；遵循的设计原则：衰减系数最小、色散特性合理、工作波长宽、折射率分布结构合理。2、光纤材料与提纯（1）选取（考虑主要因素）：成形方便、纯度高、材料透明、性能兼容、材料成本低等，同时具有良好的化学稳定性和机械强度。6.1光纤材料与提纯2023/1/185第五页，共三十八页，2022年，8月28日（2）理想的光纤材料-----玻璃特别是由二氧化硅（SiO2）组成的石英玻璃具有高的可见光和近红外光能力，具有良好的化学稳定性和高的机械强度，掺入不同的掺杂剂，很容易改变其折射率，另外，石英玻璃原材料成本低。因此是制作光纤的首选材料。（3）材料提纯：广泛采用的提纯法：“精馏----吸附----精馏吸附混合提纯法”精馏法：是利用被提纯物质与杂质的沸点不同来清楚杂质的；吸附法：是利用被提纯物质与杂质的化学键极性差异，选择适当的吸附剂进行有效的选择性吸附分离，达到清楚杂质的目的。2023/1/186第六页，共三十八页，2022年，8月28日6.2光纤预制棒的制备制造光纤时，首先将提纯的原材料制成一根满足一定要求的玻璃棒，称之为光纤预制棒或坯棒。1、制备光纤预制棒的方法常采用“化学气相沉积”（chemicalvapordeposition)-----CVD;广泛应用的CVD方法有：改进的化学气相沉积（modifiedchemicalvapordeposition)---------MCVD；气相轴向沉积(vaporaxialdeposition)-----VAD;外气相沉积(outsidevapordeposition)----OVD;等离子体化学气相沉积(plasmachemicalvapordeposition)--PCVD2023/1/187第七页，共三十八页，2022年，8月28日所有方法都起源于两种技术：第一种：采用液体的硅化物，使其蒸气通过氧气火焰得到玻璃相的石英。第二种：半导体工业中用来生长SiO2膜的CVD技术。第八页，共三十八页，2022年，8月28日6.3拉丝、涂覆和套塑拉丝是将已制成的光纤预制棒直径缩小、且保持芯包比和折射率分布不变的操作工艺。

涂覆和套塑则是对裸光纤丝进行机械保护的工艺。总体目标：低损耗、低色散、高强度、大长度、并且尺寸精确、大小均匀的光纤。2023/1/189第九页，共三十八页，2022年，8月28日预制棒制作完成，第二阶段是将预制棒拉丝成为光纤。石英光纤拉丝机的结构示意图如图所示。在拉丝过程中，可以基本保持原预制棒的折射率分布不变。

图

石英光纤拉丝机的结构示意图（1）拉丝过程第十页，共三十八页，2022年，8月28日（2）要拉出均匀的光纤，两个参量必须控制：

预制棒的馈送速度与气体的流速；（3）影响光纤损耗的拉丝工艺条件：

拉丝的速度、温度、张力，涂覆材料的紫外吸收等；（4）影响光纤直径均匀性的因素;预制棒直径的不均匀程度、预制棒的馈送速度、收线速度、机械和声振动，以及周围环境的热起伏，都会影响光纤直径的起伏。（5）采用伺服系统可以对光纤直径控制：伺服系统组成：电机和收线机构、拉丝装置、光纤直径测量系统、控制回路。光纤直径变化由4微米降到01.微米。2023/1/1811第十一页，共三十八页，2022年，8月28日（2）一次被覆-----涂覆在预制棒被拉成光纤之后，为了使光纤的强度不受周围的水汽和其他腐蚀性其他的破坏，必须在清洁的环境中对刚从热区处理的裸光纤进行被覆，是拉丝过程中不可缺少的一道工序，经过被覆的光纤强度可以提高20倍。一次被覆（涂覆）的作用：保护光纤表面不受水汽和其他化学物的腐蚀；

防止机械擦伤；

可以减少光纤微弯损耗；2023/1/1812第十二页，共三十八页，2022年，8月28日涂覆材料具有的特点;(a)具有良好的化学稳定性，防化学腐蚀，耐摩擦；(b)有低的弹性模量及低的玻璃化温度；(c）对光纤表面有好的浸润性，这样固化后才能得到平稳的涂层；(d)较高的耐热性，能经受住二次被覆；(e)要能够剖除。涂覆材料：硅树脂、聚氨基甲酸乙酯、环氧树脂、丙烯酸树脂等。涂覆方法：常采用压力涂覆器涂覆方法2023/1/1813第十三页，共三十八页，2022年，8月28日影响涂层质量的因素：P127与涂覆层的设计和涂层材料的关系极大。(3)二次被覆-----套塑二次被覆的目的：(a)保护一次被覆层；(b)减少光纤与外界接触时因受力而引起的弯曲；(c)在成缆和架设时使光纤的位置容易确定。二次被覆通常采用热塑性材料的挤压成型工艺，习惯上称为套塑。套塑的方式：紧套和松套两种。如图6.3-32023/1/1814第十四页，共三十八页，2022年，8月28日松套:是在一次涂覆层的外面包上塑料套管，光纤可以在套管中自由活动；紧套：是在一次涂覆的光纤上紧套上一层尼龙或聚乙烯塑料，套层与一次涂覆层紧贴在一起，光纤不能自由活动。2023/1/1815第十五页，共三十八页，2022年，8月28日6.4光缆技术经过被覆的光纤大大提高了机械强度，但即使这样也还不能保证光纤在光通信线路中，在复杂的应用环境里长期工作而不发生断裂。光纤在运输和架设过程中会受到震动、压缩、弯曲、剪切等各种外力的作用，架设完成以后也还会存在剩余应力。因此要保证光纤通信线路的性能20年或者50年不变，就必须把光纤成缆，使它得到充分的保护。目前已生产出形式多样的光缆：如用于架空、直埋或水底（海底）的光缆，适合于可移动载体上通信线路的光缆，等等。光缆的设计原则：保证光纤的优良光学传输特性以及好的机械和热学特性2023/1/1816第十六页，共三十八页，2022年，8月28日光缆结构设计时注意的问题：（1）在光缆中加入加强构件，使它承受绝大部分张力；加强构件在光缆中放置的位置有两种：第一种是加强构件置于轴线上，另一种是把它加进外包层中。如图6.4-1所示（2）光缆的结构应使光纤尽量与外教压力隔离光缆结构：一是缓冲层式结构；二是框架式结构（3）光缆设计时应考虑对弯曲半径柔软性的要求（4）光缆设计应保证光纤的光学传输特性不受破坏（5）光缆结构设计应便于现场的端面处理和接续（6）光缆结构设计应考虑空间效率与自重，可制造性与可修理性2023/1/1817第十七页，共三十八页，2022年，8月28日实际应用中，为了提高光纤的强度、耐温等性能，光纤必须制成光缆才能使用。成缆时可以有多种结构，通常由外护套、包带和加强心构成。图为层绞式和骨架式两种常见的光缆结构。图

光缆结构图第十八页，共三十八页，2022年，8月28日第十九页，共三十八页，2022年，8月28日（2）加强构件加强构件的作用是增加光缆的抗拉强度，提高光缆的机械性能。光缆中的加强构件一般应该具有以下条件：①高场式模量；②加强构件的屈服应力大于光缆的给定应力；③单位长度的重量较小；④抗弯曲性能要好。一般光缆的加强构件采用镀锌钢丝、钢丝绳、不锈钢丝或者高强度塑料加强构件等。加强构件一般位于光缆的中心，也有位于护层的，称为护层加强构件。表面经常要包有一层塑料，保证加强构件与光纤接触的表面光滑并具有一定的弹性。第二十页，共三十八页，2022年，8月28日（3）护层结构护层的主要作用是保护缆芯，提高机械性能和防护性能。不同的护层结构适合不同的敷设条件。光缆的护层分为外护层和护套两部分。护套用来防止钢带、加强构件等金属构件损伤光纤；外护层进一步增强光缆的保护作用。（4）填充结构填充结构用来提高光缆的防潮性能，在光缆缆间空隙中注入填充物，以防止水汽进入光缆。第二十一页，共三十八页，2022年，8月28日2.各种常用光缆的典型结构（1）层绞式结构光缆层绞式结构光缆类似传统的电缆结构，故又称之为古典光缆。层绞式结构光缆，把经过套塑的光纤绕在加强芯周围绞合而构成。中央部位是加强构件，外部是光缆外护套。松套结构的光纤围绕在加强芯周围。层绞结构的优点是可以很好的保护光纤，在施工敷设的过程中引起的损耗较小。但由于结构限制，只适合制作芯数比较小的光缆，从几芯到几十芯。第二十二页，共三十八页，2022年，8月28日第二十三页，共三十八页，2022年，8月28日（2）骨架式结构光缆骨架式结构光缆，是先按照一定结构制作出光纤骨架槽，把紧套光纤或一次涂覆光纤放入加强芯周围的螺旋形塑料骨架凹槽内而构成。骨架结构有中心增加螺旋型、正反螺旋型、分散增强基本单元型。目前，我国采用的骨架式结构光缆，都是采用如图所示的结构。这中结构的光缆，芯数组合灵活，对光缆中纤芯的保护较好，可以很好的抵抗各种外力的影响。第二十四页，共三十八页，2022年，8月28日（3）束管式结构光缆

束管式结构光缆，加强结构在光缆中央，将几根或者几十根一次涂覆光纤或光纤束放入大套管中制作成缆芯，然后将几个缆芯绞合成光缆。图所示是属于分散加强构件配置方式的束管式结构光缆。第二十五页，共三十八页，2022年，8月28日（4）带状结构光缆

把带状光纤单元放入大套管中，形成中心束管式结构；也可把带状光纤单元放入凹槽内或松套管内，形成骨架式或层绞式结构，适合制作高密度的光缆，如100芯以上。如图所示。第二十六页，共三十八页，2022年，8月28日（5）单芯结构光缆单芯结构光缆简称单芯软光缆，如图所示。这种结构的光缆主要用于局内（或站内）或用来制作仪表测试软线和特殊通信场所用特种光缆以及制作单芯软光缆的光纤。第二十七页，共三十八页，2022年，8月28日（6）特殊结构光缆特殊结构的光缆，主要有光/电力组合缆、光/架空地线组合缆和海底光缆和无金属光缆。第二十八页，共三十八页，2022年，8月28日第7章光纤通信技术2023/1/1829第二十九页，共三十八页，2022年，8月28日光纤通信是以光波为载波，以光纤为传输介质的一种通信方式。光纤通信系统利用半导体激光器（LD）或发光二极管(LED)作为光源，产生光载波，由来自信源的电信号进行调制，形成调制的光信号并将其耦合进光纤中进行传输；在接收端使用光检测器（如PIN光电二极管或雪崩光电二极管等）将光信号进行解调、获取电信号。本章主要阐述光纤通信的基本原理。以及实现光纤通信的基本技术和方法。2023/1/1830第三十页，共三十八页，2022年，8月28日7.1光纤通信系统的基本组成光纤通信系统主要由发送机、接收机和信道三部分组成。如图所示：来自信源的信息发送机将其转换为适合在信道上传输的光信号，光纤构成的信道把光信号由发送机传送到接收机，接收机从信道中提取信息并将其转换为最终形态，由信宿输出。1、信源信源的作用：是把非电形态的信息转换为电形态的信息，把非电信号转换为电信号。

最常见的信源是把声波信号转换为电流信号的麦克风和将图像转换成电流信号的视频摄像机。无论是电通讯系统还是光通信系统，信息在传输之前必须是电形态的。2023/1/1831第三十一页，共三十八页，2022年，8月28日2、发送机发送机的作用：是将来自信源的电信号转换场适合在光纤中传输的光信号，它由调制器、载波器和信道耦合器组成。（1）调制器

调制器的作用：一是将来自信源的电信号转换成合适的传输形态，即所谓的调制格式；二是将这种形态的信号加载到由载波源产生的载波上。

调制格式：有模拟和数字两种类型；如图7.1-2；7.1-3模拟调制信号是连续信号，调制器不需要改变信号的形式，只需要适当地放大来自信源的信号，使其有足够的幅度驱动载波源。2023/1/1832第三十二页，共三十八页，2022年，8月28日数字调制则需要发送离散形式的信息，称为数字信号。数字信号只有“开”和“关”两种状态，开状态表示“1”，关状态表示“0”。（2）载波源在光纤通信系统中，载波源产生携带信息并传播的光波，这样的光波称为光载波或载波。产生光载波的器件主要采用：LD或LED。（3）信道耦合器信道耦合器的功能：是把调制后光信号功率耦合进信道，以便光信号在信道中传输。2023/1/1833第三十三页，共三十八页，2022年，8月28日3、信道

信道是指发送机和接收机之间的传输路径。在光纤通信系统中，光纤就是信道。低损耗是对光纤信道的一个基本要求。

为了在长距离光纤通信系统中给接收机提供足够的功率，信道中还应包含光放大器