第四章 光纤与光缆.ppt

1、第 四 章,光纤与光缆,关于光纤制造的基本要求，听起来简单得令人难以置信。需要的材料仅仅要满足： （1）透明； （2）能将其拉制成沿长度方向均匀分布的具有明显纤芯包层结构的细小纤维； （3）能经受住所需要的工作环境。 实践证明，满足以上条件并不容易，特别是在获取用于通信的极端透明的材料时。,4.1 光纤的制造,光纤是将透明材料拉伸为细丝制成的。 多年以来，石英基玻璃和某些塑料被认为是制造光纤的最佳材料，尽管制造低损耗通信光纤需要特种玻璃和塑料。 在可见区（0.40.7m）和近红外区（0.72 m）的有限波长范围内，这些材料几乎是透明的。玻璃光纤的透明窗口为1.21.7 m，但它们不能用于其他波

2、长。塑料光纤在0.65 m处有一个透明窗口，而且对其他可见光的透明性也比较好。如果要传输2 m以上波长的信号，就需要采用特殊的聚合物光纤。,熔石英是现代通信的光纤的基础。 熔石英所含SiO2的纯度极高，它是用合成的方法制成的，即在氢氧火焰中燃烧四氯化硅（SiCl4），产生氯化物蒸气和二氧化硅，然后沉淀成白色、蓬松的粉尘状物。这一过程能产生极高纯度的材料，因为SiCl4在室温下是液体，在58时就会沸腾。铁、铜等杂质的氯化物的沸点要比四氯化硅的高得多，因此当四氯化硅变成蒸气与氧气反应时，其他氯化物杂质仍是液态，结果可以将杂质降低至十亿分之一的水平，以满足生产极高透明玻璃光纤的需要。,一、双坩埚法,

3、内坩埚,测厚,纤芯玻璃（内坩埚）和包层玻璃熔化液从底部流出，熔合后冷却固化。 光纤由炉底拉出后先通过一个非接触测厚仪。,加热元件,双坩埚法工艺流程,非接触测厚仪和一个反馈系统来控制绕丝卷筒的转速以保持恒定外径。,双坩埚法工艺流程,测厚后经过涂覆材料池进行涂层，并被干燥后连续缠在卷筒上。,双坩埚法的优劣,优点：可用来控制任意长度的连续光纤，批量生产。 缺点： 1、纤芯玻璃及包层玻璃必须在高温（100）下加热，易使白金坩埚粒子扩散到纤芯中去，难以保证高纯度。 2、要求内外坩埚严格同心，否则厚度不均易造成扭曲（因厚度不均热膨胀率不同）。,二、气相淀积法,由于低损耗玻璃材料的熔点高，不能用一般方法制作

4、，目前采用的多为基于半导体工艺中常用的化学气相淀积法及高温下的气相氧化反应方法来制作。 原材料的蒸气在高温下经过氧化、淀积、烧结等过程成实心预制体，然后再从预制体中拉出光纤来，基本方法有三种：内淀积法、外淀积法、轴向淀积法。,1、内淀积法（法）,1）用氧气作为载气把主要原料(如四氯化硅)和控制折射率的掺杂剂(如四氯化锗)携入石英管中，此石英管称“饵管”。,2）用一个可移动的氢氧喷灯加热管子外部,3）加热使蒸气氧化，生成 SiO2 、GeO2；,4）在饵管壁上产生很细的玻璃微粒沉积物。,5）饵管旋转并往复移动喷灯，使沉积物均匀分布在管子四周外壁上。 一般要往复50100次，经历几小时才行.,反应

5、区,5）饵管旋转并往复移动喷灯，使沉积物均匀分布在管子四周外壁上。一般要往复50100次，经历几小时。,反应区,6）当包层和纤芯玻璃沉积后（或以饵管作包层），继续加热管子，在表面张力作用下，熔缩而除去中心孔（收棒）。 7）（移去饵管）拉制光纤（预制件顶端加热炉）,光 纤 预 制 件,这种方法是将氧化物微粒沉积在基管外表面，可得到大预制体，将混合气体经氢氧喷嘴送出，在火焰高温下氧化反应生成物沉积在石墨棒或Al2O3棒上。 由于石墨的膨胀系数比玻璃大，冷却后即可取出得到空心预制体，收棒后再拉制即可。此法可制宽棒但不能制长棒。,2、外淀积法（VLD法）,3、轴向淀积法（法）,1）芯玻璃和涂层玻璃微粒

6、通过喷灯同时沉积在母棒底端；形成多孔预制棒（粉笔状微结构）。,垂直向上提拉使多孔部分通过一个同心加热环熔缩烧结成透明玻璃棒。,4、低损耗玻璃纤维的控制,一般是采用环形氢氧喷嘴来加热预制棒，但此法难以得到径向对称的热源，且热源的气流起伏较大，难以精确控制光纤直径。 一种新方法是采用CO2激光器拉制设备，其优点是干净，扰动小，且玻璃材料对CO2激光束（1.06m）的吸收系数高，可加快拉丝速度。 通过偏心旋转透镜系统可将激光束很好地聚焦于预制体上得到完全对称的高温区。,CO2 激光器拉制设备,三.几种常用单模光纤,G.652常规（标准）单模光纤 也被称为非色散位移光纤，其零色散位于1310nm窗口低

7、损耗区，工作波长为1310nm（损耗为036dBkm）。 我国已敷设的光纤光缆绝大多数是这类光纤。随着光纤光缆工业和半导体激光技术的成功推进，光纤线路的工作波长可转移到更低损耗（0.22dBkm）的1550nm光纤窗口。,G.653 单模光纤,常称色散位移光纤( DSF Dispersion Shifted Fiber）其零色散波长移位到损耗极低的1550nm处。 这种光纤在有些国家，特别在日本被推广使用，我国京九干线上也有所采纳。 美国ATT早期发现DSF的严重不足，在1550nm附近低色散区存在有害的四波混频等光纤非线性效应，阻碍光纤放大器在1550nm窗口的应用。,常称 非零色散位移光纤

8、 或 NZDSF（Non Zero Dispersion Shifted Fiber）。 属于色散位移光纤，不过在1550nm处色散不是零值，用以平衡四波混频等非线性效应。,G.655 单模光纤,L E A F 光 纤,商品名为LEAF（Large Effective Area Fiber）的单模非零色散位移光纤，工作在 1550nm窗口； 与标准的非零色散位移光纤相比，具有较大的“有效面积”，因而较大的功率承受能力； 适于使用高输出功率掺铒光纤放大器，即EDFA和密集波分复用（DWDM）技术的网络之用。,光纤的型号,光纤的规格代号由光纤数目、光纤类别、光纤主要尺寸参数、传输特性（使用波长、损

9、耗系数、模式带宽）及适用温度等5个部分组成，各组成部分均用代号或数字表示。 1、光纤数目 在光缆中用阿拉伯数字表示。 2、光纤类别的代号及其意义 J二氧化硅多模渐变型光纤 Z二氧化硅多模准突变型光纤 X二氧化硅纤芯塑料包层光纤 T二氧化硅多模突变光纤 D二氧化硅单模光纤 S塑料光纤,3、光纤主要尺寸参数 用阿拉伯数字以m为单位表示多模光纤的芯径、包层直径或单模光纤的模场直径、包层直径。 4、传输性能 这部分用三组数字分布表示使用波长、损耗系数及带宽距离积，第一组数字规定如下： 1使用波长在0.85 m区域 2使用波长在1.31 m区域 3使用波长在1.55 m区域 第二组数字表示损耗系数的个数

10、和小数点后一位的值，单位为dB/km，第三组数字是带宽距离积的千位数和百位数，单位为MHzkm，单模光纤无此项。,5、适用温度代号及意义 A适用于-40C +40 C B适用于-30 C +50 C C适用于-20 C +60 C D适用于-5 C +60 C 例：J50/125(12008)C意义如下： J 50/125 (1 20 08) C 多模渐变型 环境温度-20 C +60 C,芯径50m包层125m,工作波长0.85m,衰减2.0dB/km,带宽距离积800 MHzkm,4.2 光纤的损耗特性,光纤的发展和应用过程一直是围绕着降低损耗来进行的。 从最初的100dB/km降到197

11、0年的20dB/km， 再到0.47dB/km（1976年）以至于0.2dB/km（1980年）。 即使降的再低，由于光纤的衰减受光纤材料固有因素和制造工艺的影响，损耗是绝对不会消除的。,入射进光纤中的光，由于各种原因被吸收、散射而造成光能损耗，对于一根均匀的光纤的损耗可定义单位长度的损耗为（单位分贝每千米，用 dB/km表示 ）,Pi：光纤入射端的光功率； Po：光纤出射端光功率； L：光纤长度,损耗的描述,以dB为单位计算衰减,分贝看起来是一个相当奇特的单位,好象是对高损耗做了“淡化”处理。例如，3dB损耗表明原始光仅剩余一半，10dB损耗表明原始光剩余10%，20dB损耗表明原始光剩余1

12、%。数值越大，“淡化”的越厉害。100dB损耗相当于仅留下10-10的原始光，1000dB损耗相当于仅剩余10-100的原始光。 在计算信号功率和衰减时，以dB作单位非常方便。假设要计算两个连续的衰减效应，第一次衰减过程阻止了输入信号的80%，第二次阻止了30%，为了用百分比计算出总衰减，就必须将两次吸收数值转化成透射功率所占的百分比例，然后将两者相乘，最后由透射光所占的百分比得到衰减部分占的比例。如果采用dB为单位，仅将衰减相加就可得到总损耗。 总损耗（ dB ）=损耗（ dB ）1+损耗（ dB ）2+,影响损耗的因素很多，从原理上讲，主要有吸收和辐射两大类。 当光作用于物质时，一部分反射

13、，一部分透射，还有一部分被物质吸收。反射和透射不改变物质的形态，但只有一部分到达终端，其余部分仍以光的形式辐射掉。被物质吸收的那一部分光，能的形态发生变化，一般变为热能，当然也可能变为其他形式能（如变为其他波长的光）。这两部分光都不能到达终端。因此，任何导致产生辐射与吸收的因素都可能产生损耗。 除此之外，由于使用不当，也可导致损耗上升，这是每一个从事光纤通信的人必须切记的。,学习目的是对造成光纤中光功率衰减的原因有一个清晰了解。这不仅对制造光纤是重要的，对使用者也是重要的。,材料损耗包括：,1、本征吸收损耗 2、有害杂质吸收损耗 3、散射损耗,一、材料损耗,1、本征吸收损耗,1）纯SiO2的本

14、征吸收 构成物质的分子或原子受到某个特殊波长的光作用时，会产生共振，从而对这个特殊波长的光产生吸收，这就是本征吸收。本征吸收是物质的基本属性。纯SiO2的吸收发生在红外与紫外两个波段。 2）掺杂光纤的本征吸收 掺杂是形成光纤波导结构的主要方法，而掺杂又会带来杂质吸收损耗。,紫外区的吸收带是由电子跃迁造成的。这种跃迁一般发生在波长较短的区域。吸收带的范围是3nm0.4m。 近红外区的吸收带是由玻璃材料的晶格中的原子围绕它们的平衡点振动引起的，这种吸收带又被称为振动吸收带。吸收带的范围是 8 12m。 这两种损耗的吸收曲线在吸收峰值两端均按指数形式衰减。尾端延伸影响到光纤通信波段。,紫外区的吸收带

15、和近红外区的吸收带,（1）金属离子的吸收 在生产过程中残留于光纤中的铁、铜、铬和镍等杂质的电子吸收光能而跃迁，这在早期光纤中比较突出。 （2）OH 根离子吸收 在光纤制造过程中，金属卤化物的氧化剂氧气中残留的水份和碳氢化合物生成 OH 根离子；而且外界套管中含有的 OH也会在高温下（制造纤维时）向纤芯扩散； OH会吸收光能量向氢氧离子的振动能级跃迁，并以热辐射形式进入分子晶格。 只有使光纤中的OH 根含量低于10-9以下， OH根的吸收损耗才可以忽略。因此，高度提纯光纤材料，是减小光纤损耗的重要途径。,2、有害杂质吸收损耗,玻璃在固化过程中，由于热的作用而产生密度波动，这种波动随玻璃冷却被凝结

16、在玻璃的分子结构中而表现为掺杂物浓度波动，此浓度波动又造成了折射率的波动，而折射率的波动即微观的折射率不均匀则会产生瑞利散射。,上式中为光弹系数，为固化温度，为等温压缩率。 可见，与波长的四次方成反比，故在长波区这种损耗小。,3、瑞利散射损耗,布里渊散射 由于热声波产生的动态密度波动，这种传播的密度波动（热声子）会导致布里渊散射，是一种激光作用下而产生的非线性效应。 喇曼散射 由于分子振动能级和转动能级的吸收和再发射引起的散射光。 后两种散射是非线性过程并只在强光条件下才产生。,4、受激喇曼散射和布里渊散射,二、波导损耗,由于折射率分布的不均匀性（无论纵向或横向），会引起光的折射或反射，产生波

17、导损耗。包括: 1 模式损耗 2 模耦合损耗 3 工艺缺陷,1、模式损耗 对于给定的模式，其场分布于芯层和包层，但芯层和包层的材料不同，故损耗不同，通常为,式中P0、Pa、P分别为芯层、包层的功率和总的功率，0、a分别为芯层、包层的吸收损耗。所以一个模式的总损耗为芯层材料和包层材料按场分布（功率分布）的加权和。,2、模耦合损耗 当光波导出现纵向非均匀性时，将出现模式耦合现象。引起模式耦合的原因很多，所以引起的模式耦合损耗也不同。 （1）弯曲损耗 当光纤弯曲时引起的模式耦合，强烈依赖于弯曲半径、折射率差和归一化频率V。V越大（不超过单模条件），受弯曲的影响越大。所以存在一临界的弯曲半径，当小于这

18、一半径时，损耗就急剧增加。 （2）微弯损耗 光纤的微弯可看作光线在其理想的直的位置附近的微小的振荡偏移，它是随机发生而且曲率半径很小，振荡周期也就很小，所以有可能发生局部的急剧的弯曲，导致严重的模式耦合，引起微弯损耗。,（3）其他模耦合损耗 由于光纤制造过程中芯包界面的不规则和使用过程中受到应力等因素，也会使模式耦合加剧，损耗增加。 3、工艺缺陷 也是一种波导结构的不规则性，主要有： （1）微裂纹 主要由于光纤在拉丝过程中，不可避免的有十分微小的损伤，而且温度的变化，水汽的侵蚀都会增加裂痕。在裂纹处光有反射与折射，引起损耗。 （2）气泡 由于光纤在玻璃化过程中排气不完全而残留的，直径一般很小。

19、,4.3 光纤的物理性能,一、机械性能 1、 弯曲性能 一般情况下，光纤遵守胡克定律。在弹性范围内，光纤受到外力而发生弯曲时，芯轴内部分受到压缩作用，外部分受到拉伸作用。外力消失后，由于弹性作用，光纤能自动恢复原状。但当弯曲半径小于所允许的曲率半径时，光纤将会被折断。,光纤的弯曲性与光纤的机械强度有关，而机械强度则取决于材料的强度，分子结构状态及缺陷等因素，因此严格的制作工艺是提高机械强度的主要保证。 光纤弯曲时所受到的应力可表示为,式中：应力，E：杨氏模量，R：弯曲半径，a：纤芯半径,如SiO2芯的光纤,光纤弯曲时所受到的应力,住友电工成功开发出“PureAccess-Ultre”光纤，这种

20、光纤的最小弯曲半径从常规的30mm减小到7.5mm，仅为同类产品的四分之一。 “PureAccess-Ultre”单模光纤适用于贴墙安装的应用。极小的弯曲半径使多余的光缆可以象电源线一样简洁方便的绑的更小，从而减小设备和接线盒的尺寸。 住友电工的“PureAccess”系列光纤已经应用到各类宽带网络工程中。,住友电工成功开发出 抗弯曲光纤,一、机械性能 2 、抗拉强度,抗拉强度 F 由下述经验公式计算,如直径（2a）为 76 m 的光纤， F 381Mpa ( 3810 kgf/cm2 ),二、光纤的热性能,光纤的耐热性能与光纤的介质材料有关: 多组分玻璃材料的熔点在8001200范围内，可在

21、500以下的环境中使用而没有问题。 高纯度的石英（SiO2）的熔化在1500以上，可在1000以下使用。 至于在低温环境中的使用，主要决定于包层材料。在一般条件下，光纤使用的温度可低至40。,1、耐 热 性,2、热 膨 胀 系 数,此指标非常重要，尤其是光纤传感器应用中，它关系到光纤对被测物理量的敏感性的好坏。 根据所测的物理量性质不同，对光纤的热膨胀系数的要求也不一样，有时甚至截然相反。 例如测量温度时，要求光纤有较高的热膨胀系数，以取得良好的灵敏度； 当测量压力时，则要求光纤有尽可能好的热稳定性，即有最小的热膨胀系数。,二、光纤的热性能,一种典型的玻璃材料的热膨胀变形与温度关系如图所示,转

22、化点,屈服点,是玻璃随温度升高其热变形由伸长变收缩的转折点，称为屈服点。,可见，热膨胀系数在 处发生急剧化，称为玻璃的转点；,三、光纤的电绝缘性,传感器用光纤在很多场合都要求有电绝缘性。SiO2石英波导是优良的绝缘介质，其电阻率为,一般波导的电阻率也在 以上。,4.4 特 殊 光 纤 简 介,光纤的种类很多，主要从工作波长、折射率分布、传输模式、原材料和制造方法上作一归纳。 （1）工作波长：紫外光纤、可见光纤、 近红外光纤、红外光纤（0.85m、 1.3m、1.55m） （2）折射率分布：阶跃型、近阶跃型、渐变型、其它（如三角型、W型、凹陷型等）。 （3）传输模式：单模光纤（含偏振保持光纤、非

23、偏振保持光纤）、多模光纤。 （4）原材料：石英玻璃、多成分玻璃、塑料、复合材料（如塑料包层、液体纤芯等）、红外材料等； （5）按被覆材料:还可分为无机材料（碳等）、金属材料（铜、镍等）和塑料等。 （6）制造方法：有汽相轴向沉积（VAD）、化学汽相沉积（CVD）和双坩锅法等。,1、石英光纤 ( Silica Fiber ),是以二氧化硅为主要原料，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。 石英（玻璃）系列光纤，具有低耗、宽带的特点，现在已广泛应用于有线电视和通信系统。,石英光纤传光束,石英光纤与其他原料的光纤相比，还具有从紫外光到近红外光的透光光谱，除通信用途之外，还可用于导光和传

24、导图像等领域。 掺氟光纤（Fluorine Doped Fiber）为石英光纤的典型产品之一。 通常，作为1.3m波域的通信用石英光纤中，控制纤芯的掺杂物为二氧化锗，包层用纯二氧化硅。但掺氟光纤的纤芯使用二氧化硅，而在包层中却是掺入氟元素。 氟元素的作用主要是降低二氧化硅的折射率。由于掺氟光纤中，纤芯没有掺杂，因此瑞利散射很小，而且损耗也接近理论的最低极限值，所以多用于长距离的光信号传输。,随着电子技术的发展，袖珍化的红外线或可见光波段摄象机可放到导弹里面，通过光纤将图像送回来，让射手看到目标，这种方式形成一类崭新的线导导弹家族。 光纤重量轻，延伸距离可达60公里，甚至在障碍后方或视距外也可锁

25、定目标，由于是以图像来选择目标，对坦克、船舰、地面或低速空中目标均可作精确的打击，同时没有信号泄露，容易作到隐身，存活性高，也有绝佳的干扰“免疫力”。,线 导 导 弹,从1945年有线制导导弹诞生以来，总摆脱不了“长尾巴”的印象，虽有难以干扰的优点，但金属导线的重量、长度与信号的衰减，限制了导弹的射程，使其射程限于2000-3000米内，而且作战对象也以反坦克为主。,2、红外光纤 （Infrared Optical Fiber）,由于比1.55m更长的波长区的散射损耗极低，20世纪80年代，将这一波段用于长距离通信引起了人们的兴趣。为能在更长的红外波长领域工作，所开发的光纤称为红外光纤。 而石

26、英的吸收在2 m以上急剧增大，因此要选在这一波段透明的其他材料。理论上希望能利用这些材料制造出极低损耗的玻璃光纤（玻璃是无序材料，没有必要利用石英制造）。如果能避免其他损耗，衰减将有可能降低到0.001dB/km，也就有可能实现极端长距离的通信。,但是，红外材料更难拉制成光纤，因为这些材料在融化时粘性要比硅酸盐玻璃低得多，能够生产的光纤的机械性能要比石英弱得多，同时易受其他环境条件的限制。总之，对超长距离通信而言，选择红外光纤是不可取得。 红外光纤主要用于光能传送。例如有：温度计量、热图像传输、激光手术刀医疗、热能加工等等，普及率尚低。,3、复合光纤 （Compound Fiber）,复合光纤

27、是指在二氧化硅原料中，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。 特点是多成分玻璃比石英的软化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。,4、 氟化物光纤 （Fluoride Fiber）,氟化物光纤是由氟化物玻璃作成的光纤。 这种光纤原料包括氟化铝、氟化钡、氟化镧、氟化钠等氟化物玻璃原料，简称为 Z B L A N 。 主要用于工作在 2 10m 波长的光传输业务。,氟化物玻璃原料（ZBLAN）,由于ZBLAN具有超低损耗光纤的可能性，正在进行着用于长距离通信光纤的可行性开发，例如研究发现： 其理论上的最低损耗，在 3m 波长时可达 10-21

28、0-3 dBkm，而石英光纤在1.55m 时却在 0.150.16 dB/km 之间。 目前，ZBLAN光纤由于难于降低散射损耗，只能用在 2.42.7m 的温敏器和热图像传输，尚未广泛实用。 最近，为了利用ZBLAN进行长距离传输，正在研制1.3 m 的掺锗光纤放大器（PDFA）。,5、塑包光纤（Plastic Clad Fiber）,塑包光纤是将高纯度的石英玻璃作成纤芯，而将折射率比石英稍低的如硅胶等塑料作为包层的阶跃型光纤。 它与石英光纤相比较，具有纤芯粗、数值孔径（N.A.）高的特点。因此，易与光源（发光二极管LED）结合，损耗也较小。所以，非常适用于局域网（LAN）和近距离通信。,6

29、、塑料光纤 （Plastic Optical fiber）,这是将纤芯和包层都用塑料（聚合物）作成的光纤。早期产品主要用于装饰和导光照明及近距离光路的光通信中。 原料主要是有机玻璃（PMMA）、聚苯乙稀（PS）和聚碳酸酯（PC）。 损耗一般每km可达几十dB。为了降低损耗正在开发应用氟素系列塑料。,塑 料 光 纤 的 优 点,由于塑料光纤的纤芯直径通常从大约85m到为3000m以上，比单模石英光纤约大100倍，接续简单，而且易于弯曲，施工容易。 近年来，加上宽带化的进度，作为渐变型折射率的多模塑料光纤的发展受到了社会的重视。 最近，在汽车内部局域网中应用较快，未来在家庭局域网中也可能得到应用。

30、,闪点光纤缆,PMMA塑料光纤,侧发光光纤,7、单模光纤（SMF：Single Mode Fiber）,这是指在工作波长中，只能传输一个传播模式的光纤，通常简称为单模光纤。由于光纤的纤芯很细（约10m）而且折射率呈阶跃状分布，当归一化频率V2.4时，理论上，只能形成单模传输。 目前在有线电视和光通信中，是应用最广泛的光纤。 SMF没有多模色散，传输频带较多模光纤更宽; 再加上SMF的材料色散和结构色散的相加抵消，其合成特性恰好形成零色散的特性，使传输频带更加拓宽。,SMF中，因掺杂物不同与制造方式的差别有许多类型。 凹陷型包层光纤（Deperessed Clad Fiber） 其包层形成两重结

31、构: 邻近纤芯的包层，较外侧包层的折射率还低。 匹配型包层光纤 其包层折射率呈均匀分布。,8、 多 模 光 纤（ MMF ）,将传播可能的模式为多个模式的光纤称作多模光纤。纤芯直径为50m，由于传输模式可达几百个，与SMF相比传输带宽主要受模式色散支配。在历史上曾用于有线电视和通信系统的短距离传输。 自从出现SMF光纤后，似乎已成为历史产品。但实际上，由于MMF较SMF的芯径大且与LED等光源结合容易，在众多LAN中更有优势。所以，在短距离通信领域中MMF重新受到重视。,阶跃型多模光应用较少,MMF按折射率分布进行分类时，有：渐变（GI）型和阶跃（SI）型两种。 从几何光学角度来看，渐变型在纤

32、芯中前进的光束呈现以蛇行状传播。由于光的各个路径所需时间大致相同，所以传输容量较SI型大。 SI型MMF光纤的折射率分布，纤芯折射率的分布是相同的，但与包层的界面呈阶梯状。由于SI型光波在光纤中的反射前进过程中，产生各个光路径的延时差，信号失真严重，目前SI型MMF应用较少。,9、色散位移光纤（DSF：Dispersion Shifted Fiber）,问题的提出 单模光纤的工作波长在1.3m时，模场直径约9m，其传输损耗约0.3dBkm。此时，零色散波长恰好在1.3m处。 石英光纤中，从原材料上看1.55m段的传输损耗最小（约0.2dBkm）。由于现在已经实用的掺铒光纤放大器（EDFA）是工

33、作在1.55m波段的，如果在此波段也能实现零色散，就更有利于1.55m波段的长距离传输。,解决途径 巧妙地利用光纤材料中的石英材料色散与纤芯结构色散的合成抵消特性，就可使原在1.3m段的零色散，移位到1.55m段也构成零色散。因此，被命名为色散位移光纤。 在光通信的长距离传输中，光纤色散为零是重要的。 DSF其他性能还有损耗小、接续容易、成缆化容易和工作中的特性变化小（包括弯曲、拉伸和环境变化影响）。,10、色散平坦光纤 （DFF：Dispersion Flattened Fiber）,色散移位光纤（DSF）是将单模光纤设计零色散位于1.55m波段的光纤。而色散平坦光纤却是将从1.3m到1.5

34、5m的较宽波段的色散，都能做到很低，几乎达到零色散的光纤称作DFF。 由于DFF要作到1.3m1.55m范围的色散都减少，就需要对光纤的折射率分布进行复杂的设计。 不过这种光纤对于波分复用（WDM）的线路却是很适宜的。由于DFF光纤的工艺比较复杂，费用较多。今后随着工艺的改进、产量的增加，价格也会降低。,11、色散补偿光纤（DCF：Dispersion Compensation Fiber）,对于采用标准单模光纤的干线系统，多数是利用1.3m波段色散为零的光纤构成的。可是，如果能在1.3m零色散的光纤上也能令1.55m波长工作，将是有益的。 但是在1.3m零色散光纤中使用1.55m波段工作，色

35、散过大。 如果在此光纤线路中，插入一段与此色散符号相反的光纤，就可使整个光线路的色散为零。为此目的所开发的光纤称作色散补偿光纤。 DCF与标准的1.3m零色散光纤相比，纤芯直径更细，而且折射率差也较大。DCF是WDM光线路的重要组成部分。,12、偏振保持光纤 （PMF：Polarization Maintaining fiber）,在光纤中传播的光波，除了基本的光波单一模式之外，实质上还存在着电磁场（TE、TM）分布的两个正交模式。通常，由于光纤截面的结构是圆对称的，这两个偏振模式的传播常数相等，两束偏振光互不干涉。 实际上光纤不是完全地圆对称，例如有着弯曲部分，就会出现两个偏振模式之间的结合

36、因素，在光轴上呈不规则分布。 偏振光的这种变化造成的色散，称之偏振模式色散（PMD）。,对于以分配图像为主的有线电视，影响尚不太大。但对于一些未来超宽带有特殊要求的业务则不能忽视，如： 相干通信中采用外差检波，要求光波偏振更稳定时； 光器件等对输入输出特性要求与偏振相关时； 在制作偏振保持光耦合器和偏振器或去偏振器时； 制作利用光干涉的光纤敏感器等。 凡要求偏振光保持恒定的情况下，对光纤经过改进使偏振状态不变的光纤称作偏振保持光纤，或固定偏振光纤。,13、双折射光纤,双折射光纤是指在单模光纤中，可以传输相互正交的两个固有偏振模式的光纤。因为，折射率随偏振方向变异的现象称为双折射。在造成双折射的

37、方法中，它又称作PANDA光纤，即偏振保持与吸收减少光纤。 它是在纤芯的横向两侧，设置热膨胀系数大、截面是圆形的玻璃部分。在高温的光纤拉丝过程中，这些部分收缩，其结果在纤芯y方向产生拉伸，同时又在x方向呈现压缩应力。致使纤材出现光弹性效应，使折射率在x方向和y方向出现差异。依此原理达到偏振保持恒定。,14、 抗恶环境光纤,通信用光纤通常的工作环境温度可在 - 40 60之间，设计时也是以不受大量辐射线照射为前提的。 相比之下，对于更低温或更高温以及能遭受高压或外力影响、曝晒、辐射线的恶劣环境下，也能工作的光纤则称作抗恶环境光纤（Hard Condition Resistant Fiber） 。

38、,抗恶环境光纤：耐热光纤,一般为了对光纤表面进行机械保护，多涂覆一层塑料。可是随着温度升高，塑料保护功能有所下降，致使使用温度受到限制。 如果改用抗热性塑料，如聚四氟乙稀（Teflon）等树脂，即可工作在300环境。 也有在石英玻璃表面涂覆镍和铝等金属的。这种光纤则称为耐热光纤 。,抗恶环境光纤：抗辐射光纤（Radiation Resistant Fiber）,当光纤受到辐射线的照射时，光损耗会增加。 这是因为石英玻璃遇到辐射线照射时，玻璃中会出现结构缺陷（称色心：Colour Center），尤在 0.40.7m 波长时损耗增大。 防止办法是改用掺杂OH-或F素的石英玻璃，就能抑制因辐射线造

39、成的损耗缺陷。 这种光纤则称作抗辐射光纤，多用于核发电站的监测用光纤维镜等。,15、 密封涂层光纤 （HCF：Hermetically Coated Fiber）,为了保持光纤的机械强度和损耗的长时间稳定，而在玻璃表面涂装碳化硅（SiC）、碳化钛（TiC）、碳（C）等无机材料，用来防止从外部来的水的扩散所制造的光纤。 目前，通用的是在化学气相沉积（CVD）法生产过程中，用碳层高速堆积来实现充分密封效应。,16、碳涂层光纤（CCF：Carbon Coated Fiber）,在石英光纤的表面涂敷碳膜的光纤，称为碳涂层光纤。 其机理是利用碳素的致密膜层，使光纤表面与外界隔离，以改善光纤的机械疲劳损耗

40、和氢分子的损耗增加。 CCF是密封涂层光纤（HCF）的一种。 这种碳涂覆光纤（CCF）能有效地截断光纤中外界氢分子的侵入。延缓机械强度的疲劳进程，其疲劳系数（Fatigue Parameter）可达200以上。据报道它在室温的氢气环境中可维持20年不增加损耗。 所以，HCF被应用于严酷环境中且要求可靠性高的系统，例如海底光缆就是一例。,17、金属涂层光纤（Metal Coated Fiber）,金属涂层光纤是在光纤的表面涂布 Cu、A1等金属层的光纤，也有再在金属层外被覆塑料的。目的在于提高抗热性和可供通电及焊接。它是抗恶环境性光纤之一，也可作为电子电路的部件用。 早期产品是在拉丝过程中，涂布

41、熔解的金属作成的。由于此法因玻璃与金属的膨胀系数差异太大，会增微小弯曲损耗，实用率不高。 近期，由于在玻璃光纤的表面采用低损耗的非电解镀膜法的成功，使性能大有改善。,18、掺稀土光纤（Rare Earth DoPed Fiber）,是指在光纤的纤芯中，掺杂稀土族元素的光纤。 1985年英国的索斯安普顿大学的佩思等首先发现掺杂稀土元素的光纤有激光振荡和光放大的现象。于是，从此揭开了掺铒等光放大器的面纱。 现在已经实用的1.55m光纤放大器就是利用掺铒的单模光纤，在1.48或0.98m的激光激励下，得到1.55m光信号放大的。,19、喇 曼 光 纤（RF：Raman Fiber）,喇曼效应是指往某

42、物质中射入频率 f 的单色光时，在散射光中会出现频率 f 之外的 ffR， f2fR等频率的散射光，此现象称喇曼效应。它是物质的分子运动与格子运动之间的能量交换所产生的。 当物质吸收能量时，光的振动数变小，对此散射光称斯托克斯线。反之，从物质得到能量，而振动数变大的散射光，则称反斯托克斯线。于是振动数的偏差FR。 利用这种效应做成的光纤，称作喇曼光纤。,它可以将光封闭在细小的纤芯中，进行长距离传播而使信号波形不畸变，实现长距离传输。 当喇曼光纤中输入光增强时，就会获得相干的感应散射光。应用感应喇曼散射光的设备有喇曼光纤激光器，可供作分光测量电源和光纤色散测试用电源。另外，感应喇曼散射，在光纤的

43、长距离通信中，正在研讨作为光放大器的应用。,喇 曼 光 纤,20. 偏 心 光 纤（Excentric Core Fiber）,标准光纤的纤芯是设置在包层中心的，纤芯与包层的截面形状为同心圆型。但因用途不同，也有将纤芯位置和纤芯形状、包层形状，作成不同状态或将包层穿孔形成异型结构的。相对于标准光纤，称这些光纤叫异型光纤。 偏心光纤，它是异型光纤的一种。其纤芯设置在偏离中心且接近包层外线的偏心位置。,偏 心 光 纤,由于纤芯靠近外表，部分光场会溢出包层传播（称此为渐消波，Evanescent Wave）。因此，当光纤表面附着物质时，在光纤中传播的光波受到影响。 如果附着物质的折射率较光纤高时，光

44、波则往光纤外辐射。若附着物质的折射率低于光纤折射率时，光波不能往外辐射，却会受到物质吸收光波的损耗。 利用这一现象，就可检测有无附着物质以及折射率的变化。 偏心光纤（ECF）主要用作检测物质的光纤敏感器。与光时域反射计（OTDR）的测试法组合一起，还可作分布敏感器用。,21、发光光纤（Luminescent Fiber）,指采用含有荧光物质制造的光纤。它是利用在受到辐射线、紫外线等光波照射时产生的荧光进行传输的光纤。 发光光纤可以用于检测辐射线和紫外线，以及进行波长变换，或用作温度敏感器、化学敏感器。在辐射线的检测中也称作闪光光纤。 发光光纤从荧光材料和掺杂的角度上，正在开发着塑料光纤。,彩色

45、荧光光纤,22、多 芯 光 纤,通常的光纤是由一个纤芯区和围绕它的包层区构成的，但多芯光纤却是一个共同的包层区中存在多个纤芯的。 由于纤芯的相互接近程度，可有两种功能： 其一是纤芯间隔大，即不产生光耦合的结构。这种光纤，由于能提高传输线路的单位面积的集成密度，在光通信中，可以作成具有多个纤芯的带状光缆，而在非通信领域，作为光纤传像束，有将纤芯作成成千上万个的。 其二是使纤芯之间的距离靠近，能产生光波耦合作用。利用此原理正在开发双纤芯的敏感器或光回路器件。,23、空 心 光 纤,将光纤作成空心，形成圆筒状空间，用于光传输的光纤，称作空心光纤。空心光纤主要用于能量传送，可供X射线、紫外线和远红外线

46、光能传输。 空心光纤结构有两种：一是将玻璃作成圆筒状，其纤芯与包层原理与阶跃型相同。利用光在空气与玻璃之间的全反射传播。由于光的大部分可在无损耗的空气中传播，具有一定距离的传播功能。 二是使圆筒内面的反射率接近1，以减少反射损耗。为了提高反射率，有在筒内设置电介质，使工作波长段损耗减少的。例如可以作到波长10.6m损耗达几dBm的。,空心光纤结构的新进展,美国麻省理工学院的布拉克特梅尔库朗（BurakTemelkuran）等人组成的研究小组日前成功地开发出了截面中央开孔的新型光纤。,M I T研究成功中空光纤,中空光纤的原理,此前为了降低光纤的传输损耗，世界各地都在开发高透明度的光纤材料。而此

47、次，研究人员并没有着眼于材料的开发，而是基于在光传输部分中不使用任何材料这一新构想，获得了新成果。 通过在纳米级别上将两种介电薄膜层叠成“筒”状、利用名为“光子带隙” 的不透光性质，防止了通过中空部分的光线的外泄。,中空光纤的原理,通常情况下，光纤都是在光纤材料中传输光线的。但此次开发的中空光纤是在空气中传输光线。 使用长度4nm的中空光纤传输波长10.6m的二氧化碳（CO2）激光，结果传输损耗仅为每千米0.95dB，与市售光纤测定的值相比，减小了一个数量级以上。 详细内容已刊登在2002年12月12日出版的英国科学杂志自然上。,中空光纤制作过程,首先，在厚度为2550m、折射率为1.55的P

48、ES（聚醚砜）薄膜上，利用热蒸镀法形成折射率为2.8的As2Se3（三硒化二砷）薄膜。As2Se3层的厚度为510m。 由两种绝缘层层叠而成的中空光纤之所以不向筒外泄漏在中间位置传输的光线，是因为绝缘层具有不透光的光子带隙。,中空光纤截面的扫描电子显微镜照片。 明、暗部分分别是As2Se3 层和 PES 层,4.5 光 缆 技 术,单独的成品光纤，虽然它已具有一定抗拉强度，但还是经不起实用场合的弯折、扭曲和侧压力的作用。为此欲使成品光纤能达到实用要求必须成缆。,光缆结构能保护光纤不受机械损伤和环境老化的影响，使对纤细的光纤进行的加工处理变得更加容易，同时还能使光纤与光缆敷设或操作过程中所产生的

49、机械应力隔离开。 在决定光纤是能用在海底传输信号，还是仅仅限制在外部环境控制的办公楼内传输信号时，成缆方式是主要的判定依据。,光缆结构的优点,光缆在外形上看起来与传统金属电缆相似，它们从铜导线电缆那里借用了一些材料和装护套技术。 建筑物内部的光缆和同轴电缆通常都是采用聚氯乙烯（PVC）护套，但光缆护套常采用明亮的色彩，而同轴电缆一般采用黑色护套。 户外金属电缆和光缆都采用聚乙烯（PE）护套，以保护其免受地下掩埋或架空敷设等所遇到的苛刻环境条件的影响。 与电缆相比，光缆要更细一些，因为一根光纤可以和许多导线具有相同的容量，而且光纤本身就很细。,光纤光缆信号在光缆中是以光的形式传输的，而不是电形式

50、。,光缆与金属线电缆的比较,光纤不导电，不需要用电绝缘材料将彼此隔开，因此可以将光缆制成绝缘性的，这就可以制造出不受接地环路难题影响且能经受住闪电冲击的全介质光缆。 弹性与非弹性的差别 玻璃光纤对张力的反应与铜导线不同。若轻轻拉一根光纤，它将略有伸长，然后马上恢复到原始长度；如用足够的力拉，光纤就会折断（始于薄弱点或表面缺陷处）。 若拉一根铜导线，即使用的力比拉断一根光纤时所用的力小，铜导线也会伸长20%以上，而且不能恢复到原始长度。 因此机械工程表述为，光纤是弹性的，而铜是非弹性的。,光缆与金属线电缆的比较,一、光缆的制造,光缆的实用要求是使它能适应工程所要求的敷设条件，承受实用条件下的抗拉

51、、抗冲击、抗弯、抗扭曲等机械性能，以保证光纤原有的好的传输性能不变。 因此，要做三件事： 1 选择合格的成缆光纤； 2 确定光缆的基本设计原则； 3 选择好的强度元件和合理的成缆工艺。,1选择合格的成缆光纤,光缆性能的好坏在很大程度上决定于光纤性能的好坏，因此，提供成缆的光纤必须具有符合CCITT规定技术指标要求的传输性能。 在工作温度范围内传输性能要稳定可靠，并有一定的抗拉强度。 许多文献和试验证明，光纤在成缆绞合、铠装、敷设安装和气候环境温度变化的情况下会引起损耗的增加，其原因是光纤弯曲造成的。,关于C C I T T ( Consultative Committee on Interna

52、tional Telegraphand Telephone and Telegraph ),国际电报电话咨询委员会，国际电信联盟的一个主要机构。 CCITT负责制定电话、电报传输和卫星通信的一些技术指标的国际标准。,环境温度变化引起损耗,光纤石英玻璃的线胀系数非常小，数量级在10-7/，而其他光纤套塑材料(聚乙烯、尼龙、聚丙烯等)的线膨胀系数都在10-4/量级，两者相差三个数量级。 因此光纤套塑材料在温度降低时就出现纵向收缩，对光纤施加压缩力，产生微弯，半径在毫米量级，这使得光纤传输的光信号能量的一部分转变为辐射模辐射出去，造成损耗的增加。,外界的机械横向压力的影响,在绞合成缆，敷设安装过程中

53、光纤也可能会受到外界的机械横向压力(如侧压力)而造成微弯或弯曲引起光纤的附加损耗。,在生产实践中为了避免上述有害现象的出现，就设计出在图中所提出的紧套光纤、松套光纤结构。,2.光纤成缆绞合前的筛选试验,有了这些成品光纤后(紧套光纤或松套光纤)，还不能直接用来成缆。 为了保证光纤在缆芯内有足够的机械强度，国际上规定在成缆绞合前，应对要成缆的光纤采取拉伸应变的筛选试验。 只有符合抗拉强度要求的光纤才能用来成缆。筛选试验在拉丝涂覆(松套光纤)或套塑后(紧套光纤)进行。,筛选张力应选多大?,从石英 ( Si02 )玻璃的 Si 0 键力来说，光纤本身的抗拉强度是极高的，可达到每平方毫米2000kg。

54、但是，因为光纤中可能有杂质、气泡、微粒，表面微裂纹、缺陷以及分子结构不均匀等因素，拉丝时的平均抗拉强度只有每平方毫米1030kg。 如果在拉丝时，立即涂覆上UV 丙烯酸酯，可以大大提高光纤的抗拉强度。,要对光纤施加一定的筛选张力,在筛选光纤时要对光纤施加一定的张力和弯曲力 ( 一般使此张力应小于平均抗拉强度 )。在此筛选过程中，如果光纤本身的微缺陷会扩大,则这些光纤就要断裂，不能通过筛选。所以筛选张力就能帮助我们找出光纤断裂的最低薄弱点。 国际上对不同用途的光纤施加不同的筛选张力，并规定了拉伸的应变率的范围。 国内厂家一般用400500g的张力进行筛选。有一些光纤光缆厂为了体现高强度的质量，把

55、筛选张力加到了600g。对于海底光缆用光纤，光纤制导导弹用的光纤，筛选张力则要加大到1700g。,格里菲斯关系式,光纤的断裂强度 与表面最大缺陷深度a 之间的关系可用格里菲斯关系式表示：,式中，r 为几何尺寸常数； KI C 为临界应力强度因子。,关于“ 静 态 疲 劳 ”,最后要指出的是：石英光纤表面的缺陷在应力作用下会逐渐扩展，甚至光纤在极小的应力作用下也会断裂，这就是所谓的静态疲劳。 静态疲劳的进展速度与光纤所受的应力以及湿度有关，为减缓静态疲劳的速度，必须尽量减小光纤所受的应力。 若光纤所受的应力小于瞬时强度的20，则静态疲劳过程就缓慢。因此，希望在光缆的制造过程中能将光纤的伸长率限制

56、在 0.12 - 0.25以下，以做到在10年或更长的时间内光纤不会发生断裂。,3设计光缆的基本原则,光缆结构形式设计，应满足下列技术要求： (1) 在制造光缆时的成缆绞合、护层铠装、护套挤塑等过程中，以及使用的地形、气候条件等环境下，要保持光纤原有的传输性能，并能稳定可靠地工作。 (2) 为光纤提供机械保护，保证在制造、敷设、使用光缆的过程中光纤不致断裂，而且所受的应力最小，以保证光缆的寿命大于20年(有的工厂提出了30年的寿命指标)。 (3) 要考虑使用者在维护和接续方面应方便可靠。,为满足第一个要求，应该：, 设计合理的缆心结构，尽可能减小光缆制造过程中光纤所受的机械力，以控制机械力引起

57、的微弯衰耗； 选择适当的光缆材料 (主要是增强的强度元件材料 )，使缆中各元件的线膨胀系数尽量接近光纤的线膨胀系数，并减小因湿度引起的光缆结构尺寸的变化，从而防止热、湿度引起的外力导致明显的微弯曲衰耗。,为满足第二个要求，应该：,在光缆中需要加有承受张力负荷的强度元件：称之为加强芯。由于光纤所能承受的张力很小，因此要在缆心内设置加强芯元件来承受外来张力； 在光缆结构中，光纤应尽量靠近缆心结构的中心，这样在光缆弯曲时，光纤所受的力最小。或者让光纤位于较大的空间，这样也可减小光缆在弯曲时所受的张力。,在成缆过程中，要使光纤长度比缆的段长留有稍长的余长，这样当光缆受力时光纤的应变可小于光缆的应变。成

58、缆之前必须预先设计出余长的数据； 由于光纤线膨胀系数小，无塑性变形，几乎没有吸收能量的能力，因此需要选择合理的光缆结构和外护层，使冲击负荷与光纤隔离。 设计合理的外护层和铠装层，使光缆具有优良的机械性能，以适应各种敷设条件和环境条件。,4合理选择光缆的加强芯材料,光缆加强芯材料强度元件，是光缆的一个重要组成部分。它从机械上保证光纤的安全，决定了光缆可以承受拉伸负荷的能力。 光缆受张力负荷时，如果光纤的应变与光缆的应变是相等的，则光缆中各元件承受的张力量是由各元件的 Ei Ai 值来分配的。为此，要求,E 为光缆中元件的杨氏模量； A 为元件的横截面积； N 为光缆中的光纤数目。 角标 f 表示

59、光纤的杨氏模量和光纤的横截面积； 角标 i 表示其他各元件。,光缆加强芯材料带来的问题,由于强度元件的线膨胀系数与光纤的线膨胀系数不同，当外界温度条件变化时，光纤可能要产生纵向压缩应变，从而导致微弯衰耗的增加，这是温度和环境对光缆运行的影响。 其次是当光缆受到外力的牵引或拉伸 (主要是强度元件在承受)的应变达到0.7时，缆心内光纤几乎没有应变；当光缆受到外力的应变达到 0.8 或稍高的外拉力时，务必使缆心内光纤的应变0.2。 为此，我们要从机械和热的两个因素来考虑选择适当的材料做强度元件。,要从机械和热的两个因素来考虑选择强度元件材料,对强度元件材料的基本要求是：具有高杨氏模量，高弹性范围，低的线膨胀系数和一定的柔软性。以这种强度元件材料做成的缆结构，可得到高抗拉强度、重量轻，热性能稳定的光缆。 目前，常用的强度元件有钢丝、聚酯单丝、芳伦纤维( kevlar ) 、玻璃纤维棒等。其中，钢丝作光缆强度元件应用最多，它的特点是杨氏模量高，价格便宜，但重量太重。后三种材料重量轻，价格贵，一般在