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1、第2章 光纤,光纤传输原理 单模光纤 多模光纤 光纤结构,本章在介绍光纤结构和制备工艺的基础上，使用几何光学和波动方程两种方法分析了光纤中光的传输机理，在此基础上，对单模光纤和多模光纤传输特性进行了分析。,光纤的基本结构,光纤的几何尺寸很小， 纤芯直径一般在550 m之间， 包层的外径为125 m， 包括防护层， 整个光纤的外径也只有250 m左右,一些常见光纤的折射率分布。,光纤典型参数,2.1 光纤结构分类 按照光纤横截面上径向折射率的分布特点，我们把光纤分为阶跃折射率光纤和渐变折射率光纤两大类。 2.1.1 阶跃折射率光纤 阶跃折射率光纤的折射率分布如图2.1.1所示。图（a）、（b）分
2、别为单模和多模阶跃折射率光纤示意图。 图2.1.1 阶跃折射率光纤示意图 图中，2a为纤芯直径，2b为包层直径，纤芯和包层的折射率都是常数，分别为n1和n2。为了满足光在纤芯内的全内反射条件，要求。在纤芯和包层分界面处，折射率呈阶跃式变化，用数学形式表示为 （2.1.1） 多模阶跃光纤由于存在着较大的模间色散，使用受到了很大限制。,2.1.2 渐变折射率光纤 渐变折射率光纤纤芯中折射率不是常数，而是在纤芯中心最大，为n1，沿径向（r方向）按一定的规律逐渐减小至n2，包层中折射率不变仍为 n2。其折射率分布是： （2.1.2） 式中，r是光纤的径向半径，参数决定折射率形式。为相对折射率差。值越大
3、，把能量束缚在纤芯中传输的能力越强，对渐变多模光纤而言，其典型值为0.015, 图2.1.2示出了多模渐变折射率光纤中折射率分布和光线传输示意图，与阶跃型光纤不同的是，光线传播的路径是连续的弯曲线。 表2.1列出了阶跃型单模光纤、阶跃型多模光纤和渐变型多模光纤的典型参数。,2.2 光纤传输原理 由物理学可知，光具有粒子性和波动性，对其分析也有两种方法：一是几何光学分析法，二是波动方程分析法。 2.2.1 几何光学分析法 几何光学分析法是用射线光学理论分析光纤中光传输特性的方法。这种分析方法的前提条件是光的波长要远小于光纤尺寸，用这种方法可以得到一些基本概念：全内反射、数值孔径等，其特点是直观、
4、简单。 1. 全内反射 光在不同介质中的传播速度不同，描述介质对光这种作用的参数就是折射率，折射率与光之间的关系为 （2.2.1） 式中，c是光在真空中的传播速度，c3108m/s，是光在介质中的传播速度，n是介质的折射率。空气的折射率近似为1。折射率越高，介质材料密度越大，光在其中传播的速度越慢。 在均匀介质中，光是直线传播的，当光由一种折射率介质向另一种折射率介质传播时，在介质分界面上会产生反射和折射现象，见图2.2.1。,图2.2.1 光由光密介质向光疏介质的入射,由斯涅尔定理可知，入射光、反射光以及折射光与界面垂线间的角度满足下列关系 （2.2.2） 式中，1、2和3分别称为入射角、折
5、射角和反射角。我们将折射率较大的介质称为光密介质，折射率较小的称为光疏介质，由（2.2.2）式可知，当光由光疏介质进入光密介质时，折射角小于入射角；反之，光由光密介质进入光疏介质时，折射角大于入射角。在这种情况下（n1n2），随着入射角的增大，折射角也增大，当 时，折射光将沿着分界面传播，此时对应的入射角称为临界入射角，记为 。 图2.2.1 光由光密介质向光疏介质的入射 由（2.2.2）式可求得临界入射角： ，即 （2.2.3）,如果入射光的入射角，所有的光将被反射回入射介质，这种现象称之为全反射，光纤就是利用这种折射率安排来传导光的：光纤纤芯的折射率高于包层折射率，在纤芯与包层的分界面上，
6、光发生全内反射，沿着光纤轴线曲折前进，如图2.2.2所示。我们将光纤内的光线分成两类：一类是子午光线，见图2.2.2（a）。另一类是斜光线，见图2.2.2（b）。子午光线是在与光纤轴线构成的平面（子午面）内传输，斜光线则在传播的过程中不固定在一个平面内。,图2.2.2 子午光线和斜光线,几种不同光纤传光原理,(a) 阶跃型多模光纤； (b) 渐变型多模光纤； （c） 单模光纤,2.3 光纤的制备 下面我们介绍一下光纤制造过程，它有利于我们对光纤的使用和维护。 2.3.1 光纤制作工艺 光纤的制作工艺包括两个主要阶段，第一是制作预制棒，第二是拉丝。 1. 预制棒的制作 预制棒是制作光纤的原料，它
7、的径向折射率按照芯层和包层的折射率要求而分布，但尺寸则要大的多，典型的预制棒直径约为1025mm，长度约为60120cm。 图2.3.1 预制棒制造工艺流程 由图可见，芯棒的制作有四种工艺，它们分别是改进的化学气相沉积法MCVD(Modified Chemical Vapor Deposition)，外部气相沉积法OVD(Outside Vapor Deposition)，气相轴向沉积法VAD(Vapor Axial Deposition)和等离子体化学气相沉积法PCVD(Plasma Chemical Vapor Deposition)。,其基本化学反应是用两种气体SiCl4和O2在高温下进
8、行混合,生成二氧化硅SiO2：为了控制折射率,往往还要加入一些掺杂物，例如硼、锗等。其反应过程如下：,SiCl4+O2 SiO2+2Cl2 4BCl3+3O2 2B2O3+6Cl2 GeCl4+O2 GeO2+2Cl2,芯棒的制作技术有以下四种。 （1）外部气相沉积法OVD 这种方法如图2.3.2所示。基棒由石墨石英或氧化铅做成，从喷管出来的SiO2粉尘在旋转并移动的基棒上形成一层沉积层，沉积层较为松散，沉积过程完成后抽走基棒，将粉尘预制棒置于固化炉中,在高温(大约14000C)环境下将其脱水固化，制成洁净的玻璃基棒，这种管状芯棒的中心空洞在拉丝过程中会消失。 OVD法要求环境清洁，严格脱水，
9、可以制得0.16dB/km，的单模光纤，几乎接近于石英光纤在1.55窗口的理论损耗0.15dB/km。沉积层SiO2粉尘基棒O2SiCl4 图2.3.2 沉积过程 此方法为Corning 公司制造第一根损耗小于20 dB/km 的石英光纤所使用的方法。,（2）改进的化学气相沉积法MCVD MCVD广泛用于低损耗渐变折射率光纤的生产，图2.3.3示出了其过程，反应气体(O2、SiCl4、GeCl4等)由基管(合成石英管)的左侧流进基管，基管是旋转的，下面有来回移动的喷灯，这样SiO2、GeO2和其它掺杂物将形成粉尘并沉积在基管内的表面，经过喷灯烧结成一层纯净的玻璃薄层，其工作温度大约有16000
10、C。当管子内壁的玻璃沉积层达到一定厚度时，停止反应气体的供给，将基管加热至20000C，使之成为实心棒。 MCVD时是目前制备高质量石英光纤比较稳定可靠的方法。该法备制的单模光纤性能可达0.20.3dB/lm。MCVD属于内沉积工艺。内沉积技术的优点在于可精确地控制径向折射率的分布，而芯棒的外沉积技术（如OVD）的优势在于不用价格很昂贵的合成石英管，沉积速率、沉积层数不会受到基管直径的限制，特别有利于以高沉积速率制造大型预制棒。 图2.3.3 MCVD工艺示意图,（3）气相轴向沉积法VAD 这种方法是在反应室里放置一根基棒石英玻璃棒，基棒可以旋转并向反应室外移动，如图2.3.4所示。当反应气体
11、送入反应室之后，就在基棒上沉积，基棒的旋转运动保证了芯棒的轴对称性，疏松的预制棒在向上移动的过程中经过一环形加热器，从而生成玻璃预制棒。 图2.3.4 VAD工艺示意图,（4）等离子体化学气相沉积法PCVD 该方法与MCVD有些相似，它用微波加热腔代替喷灯，在合成石英管内形成离子化气体等离子体。等离子体激发的化学反应可直接将一层纯净玻璃直接沉积在管壁上，而不形成粉尘，当达到所需的厚度的玻璃以后，再将管子制成实心预制棒。目前微波加热腔的移动速度在8m/min，这允许管内沉积数千个薄层，从而使每层的沉积厚度减小，因此折射率分布的控制更为精确，可以获得更高的带宽。,2. 拉丝 图2.3.5示出了拉丝
12、的设备，预制棒被放在拉丝加热炉，其底部受热熔化，受热熔化的部分开始下降，置于底部的拉线塔上卷绕轴的转速决定光纤的拉制速度，而拉制速度又决定了光纤的粗细，所以卷绕轴的转速必须精确控制并保持不变。光纤直径监测仪通过反馈实现对于拉丝速度的调整，光纤拉成以后，将被立即涂覆上一层有弹性的覆盖物。然后使用硬化设备（紫外灯或热源）固化 ，最后通过卷线轴后卷轴。 图2.3.5 光纤拉制工艺示意图,3 光缆,为了构成实用的传输线路， 同时便于工程上安装和敷设， 常常将若干根光纤组合成光缆。虽然在拉丝过程中经过涂覆的光纤已具有一定的抗拉强度， 但仍经不起弯折、 扭曲等侧压力， 所以必须把光纤和其他保护元件组合起来
13、构成光缆， 使光纤能在各种敷设条件下和各种工程环境中使用， 达到实际应用的目的 其主要性能有： (1) 机械性能： 包括抗拉强度、 抗压、 抗冲击和弯曲性能。 (2) 温度特性： 包括高温和低温温度特性。 (3) 重量和尺寸： 每千米重量(kg/km)及外径尺寸,根据缆芯结构， 光缆可分为层绞式、 骨架式、 带状式和束管式四大类。 图2.4为各类光缆的典型结构示意图。 我国和欧亚各国多采用前两种结构。,图 2.4 各类光缆的典型结构示意图 (a) 层绞式； (b) 骨架式； (c) 带状式； (d) 束管式,（1）层绞式光缆 层绞式光缆结构(图2.4(a)与一般的电缆结构相似， 能用普通的电缆
14、制造设备和加工工艺来制造， 工艺比较简单， 也较成熟。 这种结构由中心加强件承受张力， 而光纤环绕在中心加强件周围， 以一定的节距绞合成缆， 光纤与光纤之间排列紧密。 当光纤数较多时， 可先用这种结构制成光纤束单元， 再把这些单元绞合成缆， 这样可制得高密度的多芯光缆。 由于光纤在缆中是“不自由”的， 当光缆受压时， 光纤在护层与中心加强件之间没有活动余地， 因此层绞式光缆的抗侧压性能较差， 属于紧结构光缆。 通常采用松套光纤以减小光纤的应变。,（2）骨架式结构 骨架式结构(图2.4(b)是在中心加强件的外面制作一个带螺旋槽的聚乙烯骨架， 在槽内放置光纤绳并充以油膏， 光纤可以自由移动， 并由
15、骨架来承受轴向拉力和侧向压力， 因此骨架式结构光纤具有优良的机械性能和抗冲击性能， 而且成缆时引起的微弯损耗也小， 属于松结构光缆。 其缺点是加工工艺复杂， 生产精度要求较高。,（3）带状式光缆 带状式光缆(如2.4(c)是一种高密度结构的光纤组合。 它是将一定数目的光纤排列成行制成光纤带， 然后把若干条光纤带按一定的方式排列扭绞而成。 其特点是空间利用率高， 光纤易处理和识别， 可以做到多纤一次快速接续。 缺点是制造工艺复杂， 光纤带在扭绞成缆时容易产生微弯损耗。,（4）束管式光缆 束管式光缆(图2.4(d)的特点是中心无加强元件， 缆心为一充油管， 一次涂覆的光纤浮在油中。 加强件置于管外， 既能做加强用， 又可作为机械保护层。 由于构成缆芯的束管是一个空腔， 因此又称为空腔式光缆。 由于束管式光缆中心无任
