第二章光纤与光缆 02.1光纤简介 02.2导光原理 o2.3光纤的特性 02.4光缆 02.5新型光缆简介
第二章 光纤与光缆 2.1 光纤简介 2.2 导光原理 2.3 光纤的特性 2.4 光缆 2.5 新型光缆简介
2.1光纤简介 0 1.光纤结构 目前通信用的光纤是石英玻璃(S02)制成的横载面很小 为了1 用， 一般需在裸光纤表面进行涂敷构成光穿。光纤结构如图 21所示。 鬓贵接餐我悠灌蓊纏录期道共製移 英玻璃（运参杂有极丞量的掺杂剂） (单模光纤)或50~15m多模光纤)， 另外也有使用 塑料制作纤芯的光纤，其径 约1000μm(价格此石英纤 芯的光纤便宜)，纤芯的折射率表示为1；包层是纤芯外围 的部分，是在石英中掺入二定量的掺杂剂制成的， 其折射率 示为n2（n2<n由于n2n, T以 在纤芯与 包层界 面上产生全反射，使光能够在纤芯中进行传 下一页返回
2.1 光纤简介 1. 光纤结构 目前通信用的光纤是石英玻璃（SiO2）制成的横载面很小 的双层同心园柱体，未经涂敷和套塑的光纤称为裸光纤，由 纤芯和包层所组成。为了保护光纤表面，提高抗拉强度及实 用，一般需在裸光纤表面进行涂敷构成光纤。光纤结构如图 2-1所示。 其中，纤芯是光纤中传递光信号的通道，制作材料一般是石 英玻璃（还掺杂有极少量的掺杂剂），其径长约5～12μm （单模光纤）或50～150μm（多模光纤），另外也有使用 塑料制作纤芯的光纤，其径长约1000μm（价格比石英纤 芯的光纤便宜），纤芯的折射率表示为n1；包层是纤芯外围 的部分，是在石英中掺入一定量的掺杂剂制成的，其折射率 表示为n2（n2<n1）,由于n2<n1，所以光在纤芯与包层界 面上产生全反射，使光能够在纤芯中进行传播； 下一页 返回
2.1光纤简介 。涂敷层是为了保护光纤不受水汽侵蚀和机械擦伤，同时又增 加光纤的机械强度与可弯曲性，延长光纤的使用寿命，而涂 敷在裸光纤表面的一层薄薄的物质，其材料一般为硅酮树脂 或聚氨基甲酸乙脂。涂敷后的光纤其外径约1.5mm。 。实用中，在光纤涂敷层的外围，还会套塑，即二次涂敷，套 塑的原材料一般是尼龙、聚乙烯或聚丙烯等塑料。 上一页下一页 返回
2.1 光纤简介 涂敷层是为了保护光纤不受水汽侵蚀和机械擦伤，同时又增 加光纤的机械强度与可弯曲性，延长光纤的使用寿命，而涂 敷在裸光纤表面的一层薄薄的物质，其材料一般为硅酮树脂 或聚氨基甲酸乙脂。涂敷后的光纤其外径约1.5mm。 实用中，在光纤涂敷层的外围，还会套塑，即二次涂敷，套 塑的原材料一般是尼龙、聚乙烯或聚丙烯等塑料。 上一页 下一页 返回
2.1光纤简介 02.光纤分类 0(1)按材料划分 。按光纤制作材料的不同，光纤可分为：以二氧化硅为主要成 份的石英光纤；以多种组份玻璃组成的玻璃光纤；在某种细 管内充以一种传光的液体材料组成的液芯光纤；以塑料为材 料的塑料光纤；以石英为纤芯和包层，外涂炭素材料的高强 度光纤等。 。(2)按折射率分布划分 。按光纤横截面上折射率分布划分，则光纤可被划分为阶跃型 光纤、渐变型光纤等，如图2-2所示，图中d为纤芯直径。 上一页下一页返回
2.1 光纤简介 2.光纤分类 （1）按材料划分 按光纤制作材料的不同，光纤可分为：以二氧化硅为主要成 份的石英光纤；以多种组份玻璃组成的玻璃光纤；在某种细 管内充以一种传光的液体材料组成的液芯光纤；以塑料为材 料的塑料光纤；以石英为纤芯和包层，外涂炭素材料的高强 度光纤等。 （2）按折射率分布划分 按光纤横截面上折射率分布划分，则光纤可被划分为阶跃型 光纤、渐变型光纤等，如图2-2所示，图中d为纤芯直径。 上一页 下一页 返回
2.1光纤简介 。(3)按传输波长划分 。按传输波长划分，则光纤可分为短波长光纤和长波长光纤。 短波长光纤的波长为0.85μm(0.8μm~0.9μm),长波 长光纤的波长为1.3μm~1.6pm,主要有1.31μm和 1.55μm两种。 0(4)按套塑结构分类 。按套塑结构划分，光纤可分为紧套光纤和松套光纤。 紧套光纤是指在二次、三次涂敷层与包层、纤芯紧密结合的 光纤，如图2-4所示；松套光纤是指经过预涂敷后的光纤松 散地放置在塑料套管内，不再进行二次涂敷，因为其制作工 艺简单、光纤衰减一温度特性与机械特性良好，所以受到越 来越多的重视，如图2-5所示。 上一页下一页返回
2.1 光纤简介 （3）按传输波长划分 按传输波长划分，则光纤可分为短波长光纤和长波长光纤。 短波长光纤的波长为0.85μm（0.8μm～0.9μm），长波 长光纤的波长为1.3μm～1.6μm，主要有1.31μm和 1.55μm两种。 （4）按套塑结构分类 按套塑结构划分，光纤可分为紧套光纤和松套光纤。 紧套光纤是指在二次、三次涂敷层与包层、纤芯紧密结合的 光纤，如图2-4所示；松套光纤是指经过预涂敷后的光纤松 散地放置在塑料套管内，不再进行二次涂敷，因为其制作工 艺简单、光纤衰减－温度特性与机械特性良好，所以受到越 来越多的重视，如图2-5所示。 上一页 下一页 返回
2.1光纤简介 0(5)按传输模的数量划分 。按传输模的数量划分，光纤可划分为多模光纤和单模光纤。 。当光在光纤中传播时，如果光纤纤芯的几何尺寸（芯径d1) 远大于光波波长时，光在光纤中会以几十种乃至几百种传播 模式进行传播，如图2-6所示，这些不同的光束称为模式，此 时光纤被称为多模光纤。 。多模传输会产生模式色散现象，导致多模光纤的带宽变窄， 降低光纤的传输容量，因此多模光纤适用于小容量或短距离 的光纤通信。 。多模光纤的折射率分布一般为渐变型，纤芯直径一般为 50μm. 上一页下一页 返回
2.1 光纤简介 （5）按传输模的数量划分 按传输模的数量划分，光纤可划分为多模光纤和单模光纤。 当光在光纤中传播时，如果光纤纤芯的几何尺寸（芯径d1） 远大于光波波长时，光在光纤中会以几十种乃至几百种传播 模式进行传播，如图2-6所示,这些不同的光束称为模式，此 时光纤被称为多模光纤。 多模传输会产生模式色散现象，导致多模光纤的带宽变窄， 降低光纤的传输容量，因此多模光纤适用于小容量或短距离 的光纤通信。 多模光纤的折射率分布一般为渐变型，纤芯直径一般为 50μm。 上一页 下一页 返回
2.1光纤简介 o单模光纤是指：当光纤的几何尺寸（芯径d1)较小，与光波 长在同一数量级，如芯径d1在4μm~10pm范围，此时光 纤只允许一种模式（基模）在其中传播，其余的高次模全部 截止，这样的光纤称为单模光纤，如图2-Z所示。 。要做到单模传输，光纤的纤芯几何尺寸，需要满足式2-2的 要求。 d1≤ 2.40482 (2-2) πNA 。式(2-2)中为纤芯直径、为光波波长、NA为光纤的数值 孔径。 上一页下一页返回
2.1 光纤简介 单模光纤是指：当光纤的几何尺寸（芯径d1）较小，与光波 长在同一数量级，如芯径d1 在4μm～10μm范围，此时光 纤只允许一种模式（基模）在其中传播，其余的高次模全部 截止，这样的光纤称为单模光纤，如图2-7所示。 要做到单模传输，光纤的纤芯几何尺寸，需要满足式2-2的 要求。 式（2-2）中为纤芯直径、λ为光波波长、NA为光纤的数值 孔径。 上一页 下一页 返回 NA d 2.4048 1 （2-2）
2.1光纤简介 。3.光纤制造过程简介 。光纤是用高纯度的玻璃材料制成的。下面简单介绍一下石英 光纤的制作工艺。 。(1)光纤制造过程 。①制作光纤预制棒。制作光纤的第一步就是利用熔融的、透 明状态的二氧化硅(S02,石英玻璃)，熔制出一条玻璃棒 一光纤预制棒。石英玻璃的折射率为1.458，则熔制纤芯和包 层时，为了满足n1>n2的条件，在制备纤芯时，需要均匀地 掺入极少量的，能提高石英折射率的材料，使其折射率为 在制备包层时，则相反。 上一页下一页返回
2.1 光纤简介 3.光纤制造过程简介 光纤是用高纯度的玻璃材料制成的。下面简单介绍一下石英 光纤的制作工艺。 (1) 光纤制造过程 ① 制作光纤预制棒。制作光纤的第一步就是利用熔融的、透 明状态的二氧化硅（SiO2，石英玻璃），熔制出一条玻璃棒 －光纤预制棒。石英玻璃的折射率为1.458,则熔制纤芯和包 层时，为了满足n1>n2的条件，在制备纤芯时，需要均匀地 掺入极少量的，能提高石英折射率的材料，使其折射率为n1, 在制备包层时，则相反。 上一页 下一页 返回
2.1光纤简介 。②拉丝 。将光纤预制棒放入高温拉丝炉中，加温，使其软化，然后以 相似比例的尺寸，拉制成又长又细的玻璃丝。最后得到的玻 璃丝就是光纤。 。(2)制造方法 。制备光纤预制棒的方法很多，主要有管内化学汽相沉积法、 管外化学汽相沉积法、轴向汽相沉积法、微波腔体的等离子 体法、多元素组分玻璃法等。下面简要介绍管内化学汽相沉 积法。该方法是制作高质量石英光纤中比较稳定可靠的方法， 称为MCVD法。 上一页下一页返回
2.1 光纤简介 ② 拉丝 将光纤预制棒放入高温拉丝炉中，加温，使其软化，然后以 相似比例的尺寸，拉制成又长又细的玻璃丝。最后得到的玻 璃丝就是光纤。 (2)制造方法 制备光纤预制棒的方法很多，主要有管内化学汽相沉积法、 管外化学汽相沉积法、轴向汽相沉积法、微波腔体的等离子 体法、多元素组分玻璃法等。下面简要介绍管内化学汽相沉 积法。该方法是制作高质量石英光纤中比较稳定可靠的方法， 称为MCVD 法。 上一页 下一页 返回
2.1光纤简介 o MCVD法是在石英反应管（也称衬底管、外包皮管）内沉 积内包皮层和芯层的玻璃，整个系统是处于封闭的超提纯状 态下，所以用这种方法制得的预制棒可以生产出高质量的单 模和多模光纤。MCVD法制备光纤预制棒的示意图如图2-8 所示。 。其基本制作步骤是： 。熔制光纤的内包皮层玻璃。熔制的主材料选择液态的四氯化 硅(SiCI4)，掺杂剂选择氟利昂(CF2CI2)等低折射率材 料。 上一页下一页返回
2.1 光纤简介 MCVD 法是在石英反应管（也称衬底管、外包皮管）内沉 积内包皮层和芯层的玻璃，整个系统是处于封闭的超提纯状 态下，所以用这种方法制得的预制棒可以生产出高质量的单 模和多模光纤。MCVD 法制备光纤预制棒的示意图如图2-8 所示。 其基本制作步骤是： 熔制光纤的内包皮层玻璃。熔制的主材料选择液态的四氯化 硅（SiCI4），掺杂剂选择氟利昂（CF2CI2）等低折射率材 料。 上一页 下一页 返回