光纖技術(shù)及應(yīng)用-第六章

第六章

光纖光纜

的制備2023/2/12光纖的基本結(jié)構(gòu)：纖芯、包層和套層構(gòu)成。纖芯是光波的傳播介質(zhì)，由高度透明的介質(zhì)材料（如石英玻璃等）經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的工藝制成；包層一方面與纖芯構(gòu)成光波導(dǎo)，另一方面可以保護(hù)纖壁不受污染或損壞，是一層折射率低于纖芯折射率的介質(zhì)材料；套層主要增強(qiáng)機(jī)械性能，保護(hù)光纖同時(shí)抑制串?dāng)_，其一般由高損耗的柔軟材料制成。根據(jù)光纖材料構(gòu)成的不同：一般分為石英（玻璃）系列光纖和塑料光纖。石英光纖是指摻雜石英芯和摻雜石英包層構(gòu)成的光纖。這種光纖有很低的傳輸損耗和中等程度的傳輸色散。2023/2/13不同類型光纖的制備工藝有所不同。石英光纖多采用預(yù)制棒拉絲工藝制備，其從原材料提純到制成光纜，已形成一整套成熟的工藝流程，如圖所示：本章重點(diǎn)介紹石英光纖光纜的制備。包括光纖材料介紹及提純、光纖預(yù)備棒的制備方法、拉絲、涂覆與套塑工藝、光纖成纜技術(shù)。2023/2/14石英光纖石英光纖（SilicaFiber）是以二氧化硅（SiO2）為主要原料，并按不同的摻雜量，來(lái)控制纖芯和包層的折射率分布的光纖。優(yōu)點(diǎn)：具有低耗、寬帶的特點(diǎn)；廣泛應(yīng)用于有線電視和通信系統(tǒng)。石英玻璃光導(dǎo)纖維的優(yōu)點(diǎn)是損耗低,當(dāng)光波長(zhǎng)為1.0～1.7μm（約1.4μm附近），損耗只有1dB/km，在1.55μm處最低，只有0.2dB/km。2023/2/151、光纖的設(shè)計(jì)要求：世界上第一根實(shí)用光纖是1970年美國(guó)康寧公式制造的，至今光纖的性能、品種以及制造技術(shù)已飛速發(fā)展。光纖的設(shè)計(jì)核心：都是合理地進(jìn)行光纖折射率分布的設(shè)計(jì)；遵循的設(shè)計(jì)原則：衰減系數(shù)最小、色散特性合理、工作波長(zhǎng)寬、折射率分布結(jié)構(gòu)合理。2、光纖材料與提純（1）選?。紤]主要因素）：成形方便、純度高、材料透明、性能兼容、材料成本低等，同時(shí)具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度。6.1光纖材料與提純2023/2/16（2）理想的光纖材料-----玻璃特別是由二氧化硅（SiO2）組成的石英玻璃具有高的可見(jiàn)光和近紅外光能力，具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和高的機(jī)械強(qiáng)度，摻入不同的摻雜劑，很容易改變其折射率，另外，石英玻璃原材料成本低。因此是制作光纖的首選材料。（3）材料提純：廣泛采用的提純法：“精餾----吸附----精餾吸附混合提純法”精餾法：是利用被提純物質(zhì)與雜質(zhì)的沸點(diǎn)不同來(lái)清楚雜質(zhì)的；吸附法：是利用被提純物質(zhì)與雜質(zhì)的化學(xué)鍵極性差異，選擇適當(dāng)?shù)奈絼┻M(jìn)行有效的選擇性吸附分離，達(dá)到清楚雜質(zhì)的目的。2023/2/176.2光纖預(yù)制棒的制備制造光纖時(shí)，首先將提純的原材料制成一根滿足一定要求的玻璃棒，稱之為光纖預(yù)制棒或坯棒。1、制備光纖預(yù)制棒的方法常采用“化學(xué)氣相沉積”（chemicalvapordeposition)-----CVD;廣泛應(yīng)用的CVD方法有：改進(jìn)的化學(xué)氣相沉積（modifiedchemicalvapordeposition)---------MCVD；氣相軸向沉積(vaporaxialdeposition)-----VAD;外氣相沉積(outsidevapordeposition)----OVD;等離子體化學(xué)氣相沉積(plasmachemicalvapordeposition)--PCVD所有方法都起源于兩種技術(shù)：第一種：采用液體的硅化物，使其蒸氣通過(guò)氧氣火焰得到玻璃相的石英。第二種：半導(dǎo)體工業(yè)中用來(lái)生長(zhǎng)SiO2膜的CVD技術(shù)。2023/2/196.3拉絲、涂覆和套塑拉絲是將已制成的光纖預(yù)制棒直徑縮小、且保持芯包比和折射率分布不變的操作工藝。

涂覆和套塑則是對(duì)裸光纖絲進(jìn)行機(jī)械保護(hù)的工藝?？傮w目標(biāo)：低損耗、低色散、高強(qiáng)度、大長(zhǎng)度、并且尺寸精確、大小均勻的光纖。預(yù)制棒制作完成，第二階段是將預(yù)制棒拉絲成為光纖。石英光纖拉絲機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示。在拉絲過(guò)程中，可以基本保持原預(yù)制棒的折射率分布不變。

圖

石英光纖拉絲機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖（1）拉絲過(guò)程2023/2/111（2）要拉出均勻的光纖，兩個(gè)參量必須控制：

預(yù)制棒的饋送速度與氣體的流速；（3）影響光纖損耗的拉絲工藝條件：

拉絲的速度、溫度、張力，涂覆材料的紫外吸收等；（4）影響光纖直徑均勻性的因素;預(yù)制棒直徑的不均勻程度、預(yù)制棒的饋送速度、收線速度、機(jī)械和聲振動(dòng)，以及周圍環(huán)境的熱起伏，都會(huì)影響光纖直徑的起伏。（5）采用伺服系統(tǒng)可以對(duì)光纖直徑控制：伺服系統(tǒng)組成：電機(jī)和收線機(jī)構(gòu)、拉絲裝置、光纖直徑測(cè)量系統(tǒng)、控制回路。光纖直徑變化由4微米降到01.微米。2023/2/112（2）一次被覆-----涂覆在預(yù)制棒被拉成光纖之后，為了使光纖的強(qiáng)度不受周圍的水汽和其他腐蝕性其他的破壞，必須在清潔的環(huán)境中對(duì)剛從熱區(qū)處理的裸光纖進(jìn)行被覆，是拉絲過(guò)程中不可缺少的一道工序，經(jīng)過(guò)被覆的光纖強(qiáng)度可以提高20倍。一次被覆（涂覆）的作用：保護(hù)光纖表面不受水汽和其他化學(xué)物的腐蝕；

防止機(jī)械擦傷；

可以減少光纖微彎損耗；2023/2/113涂覆材料具有的特點(diǎn);(a)具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，防化學(xué)腐蝕，耐摩擦；(b)有低的彈性模量及低的玻璃化溫度；(c）對(duì)光纖表面有好的浸潤(rùn)性，這樣固化后才能得到平穩(wěn)的涂層；(d)較高的耐熱性，能經(jīng)受住二次被覆；(e)要能夠剖除。涂覆材料：硅樹(shù)脂、聚氨基甲酸乙酯、環(huán)氧樹(shù)脂、丙烯酸樹(shù)脂等。涂覆方法：常采用壓力涂覆器涂覆方法2023/2/114影響涂層質(zhì)量的因素：P127與涂覆層的設(shè)計(jì)和涂層材料的關(guān)系極大。(3)二次被覆-----套塑二次被覆的目的：(a)保護(hù)一次被覆層；(b)減少光纖與外界接觸時(shí)因受力而引起的彎曲；(c)在成纜和架設(shè)時(shí)使光纖的位置容易確定。二次被覆通常采用熱塑性材料的擠壓成型工藝，習(xí)慣上稱為套塑。套塑的方式：緊套和松套兩種。如圖6.3-32023/2/115松套:是在一次涂覆層的外面包上塑料套管，光纖可以在套管中自由活動(dòng)；緊套：是在一次涂覆的光纖上緊套上一層尼龍或聚乙烯塑料，套層與一次涂覆層緊貼在一起，光纖不能自由活動(dòng)。2023/2/1166.4光纜技術(shù)經(jīng)過(guò)被覆的光纖大大提高了機(jī)械強(qiáng)度，但即使這樣也還不能保證光纖在光通信線路中，在復(fù)雜的應(yīng)用環(huán)境里長(zhǎng)期工作而不發(fā)生斷裂。光纖在運(yùn)輸和架設(shè)過(guò)程中會(huì)受到震動(dòng)、壓縮、彎曲、剪切等各種外力的作用，架設(shè)完成以后也還會(huì)存在剩余應(yīng)力。因此要保證光纖通信線路的性能20年或者50年不變，就必須把光纖成纜，使它得到充分的保護(hù)。目前已生產(chǎn)出形式多樣的光纜：如用于架空、直埋或水底（海底）的光纜，適合于可移動(dòng)載體上通信線路的光纜，等等。光纜的設(shè)計(jì)原則：保證光纖的優(yōu)良光學(xué)傳輸特性以及好的機(jī)械和熱學(xué)特性2023/2/117光纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)注意的問(wèn)題：（1）在光纜中加入加強(qiáng)構(gòu)件，使它承受絕大部分張力；加強(qiáng)構(gòu)件在光纜中放置的位置有兩種：第一種是加強(qiáng)構(gòu)件置于軸線上，另一種是把它加進(jìn)外包層中。如圖6.4-1所示（2）光纜的結(jié)構(gòu)應(yīng)使光纖盡量與外教壓力隔離光纜結(jié)構(gòu)：一是緩沖層式結(jié)構(gòu)；二是框架式結(jié)構(gòu)（3）光纜設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮對(duì)彎曲半徑柔軟性的要求（4）光纜設(shè)計(jì)應(yīng)保證光纖的光學(xué)傳輸特性不受破壞（5）光纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)便于現(xiàn)場(chǎng)的端面處理和接續(xù)（6）光纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮空間效率與自重，可制造性與可修理性實(shí)際應(yīng)用中，為了提高光纖的強(qiáng)度、耐溫等性能，光纖必須制成光纜才能使用。成纜時(shí)可以有多種結(jié)構(gòu)，通常由外護(hù)套、包帶和加強(qiáng)心構(gòu)成。圖為層絞式和骨架式兩種常見(jiàn)的光纜結(jié)構(gòu)。圖

光纜結(jié)構(gòu)圖（2）加強(qiáng)構(gòu)件加強(qiáng)構(gòu)件的作用是增加光纜的抗拉強(qiáng)度，提高光纜的機(jī)械性能。光纜中的加強(qiáng)構(gòu)件一般應(yīng)該具有以下條件：①高場(chǎng)式模量；②加強(qiáng)構(gòu)件的屈服應(yīng)力大于光纜的給定應(yīng)力；③單位長(zhǎng)度的重量較??；④抗彎曲性能要好。一般光纜的加強(qiáng)構(gòu)件采用鍍鋅鋼絲、鋼絲繩、不銹鋼絲或者高強(qiáng)度塑料加強(qiáng)構(gòu)件等。加強(qiáng)構(gòu)件一般位于光纜的中心，也有位于護(hù)層的，稱為護(hù)層加強(qiáng)構(gòu)件。表面經(jīng)常要包有一層塑料，保證加強(qiáng)構(gòu)件與光纖接觸的表面光滑并具有一定的彈性。（3）護(hù)層結(jié)構(gòu)護(hù)層的主要作用是保護(hù)纜芯，提高機(jī)械性能和防護(hù)性能。不同的護(hù)層結(jié)構(gòu)適合不同的敷設(shè)條件。光纜的護(hù)層分為外護(hù)層和護(hù)套兩部分。護(hù)套用來(lái)防止鋼帶、加強(qiáng)構(gòu)件等金屬構(gòu)件損傷光纖；外護(hù)層進(jìn)一步增強(qiáng)光纜的保護(hù)作用。（4）填充結(jié)構(gòu)填充結(jié)構(gòu)用來(lái)提高光纜的防潮性能，在光纜纜間空隙中注入填充物，以防止水汽進(jìn)入光纜。2.各種常用光纜的典型結(jié)構(gòu)（1）層絞式結(jié)構(gòu)光纜層絞式結(jié)構(gòu)光纜類似傳統(tǒng)的電纜結(jié)構(gòu)，故又稱之為古典光纜。層絞式結(jié)構(gòu)光纜，把經(jīng)過(guò)套塑的光纖繞在加強(qiáng)芯周圍絞合而構(gòu)成。中央部位是加強(qiáng)構(gòu)件，外部是光纜外護(hù)套。松套結(jié)構(gòu)的光纖圍繞在加強(qiáng)芯周圍。層絞結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是可以很好的保護(hù)光纖，在施工敷設(shè)的過(guò)程中引起的損耗較小。但由于結(jié)構(gòu)限制，只適合制作芯數(shù)比較小的光纜，從幾芯到幾十芯。（2）骨架式結(jié)構(gòu)光纜骨架式結(jié)構(gòu)光纜，是先按照一定結(jié)構(gòu)制作出光纖骨架槽，把緊套光纖或一次涂覆光纖放入加強(qiáng)芯周圍的螺旋形塑料骨架凹槽內(nèi)而構(gòu)成。骨架結(jié)構(gòu)有中心增加螺旋型、正反螺旋型、分散增強(qiáng)基本單元型。目前，我國(guó)采用的骨架式結(jié)構(gòu)光纜，都是采用如圖所示的結(jié)構(gòu)。這中結(jié)構(gòu)的光纜，芯數(shù)組合靈活，對(duì)光纜中纖芯的保護(hù)較好，可以很好的抵抗各種外力的影響。（3）束管式結(jié)構(gòu)光纜

束管式結(jié)構(gòu)光纜，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)在光纜中央，將幾根或者幾十根一次涂覆光纖或光纖束放入大套管中制作成纜芯，然后將幾個(gè)纜芯絞合成光纜。圖所示是屬于分散加強(qiáng)構(gòu)件配置方式的束管式結(jié)構(gòu)光纜。（4）帶狀結(jié)構(gòu)光纜

把帶狀光纖單元放入大套管中，形成中心束管式結(jié)構(gòu)；也可把帶狀光纖單元放入凹槽內(nèi)或松套管內(nèi)，形成骨架式或?qū)咏g式結(jié)構(gòu)，適合制作高密度的光纜，如100芯以上。如圖所示。（5）單芯結(jié)構(gòu)光纜單芯結(jié)構(gòu)光纜簡(jiǎn)稱單芯軟光纜，如圖所示。這種結(jié)構(gòu)的光纜主要用于局內(nèi)（或站內(nèi)）或用來(lái)制作儀表測(cè)試軟線和特殊通信場(chǎng)所用特種光纜以及制作單芯軟光纜的光纖。（6）特殊結(jié)構(gòu)光纜特殊結(jié)構(gòu)的光纜，主要有光/電力組合纜、光/架空地線組合纜和海底光纜和無(wú)金屬光纜。2023/2/129第7章光纖通信技術(shù)2023/2/130光纖通信是以光波為載波，以光纖為傳輸介質(zhì)的一種通信方式。光纖通信系統(tǒng)利用半導(dǎo)體激光器（LD）或發(fā)光二極管(LED)作為光源，產(chǎn)生光載波，由來(lái)自信源的電信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，形成調(diào)制的光信號(hào)并將其耦合進(jìn)光纖中進(jìn)行傳輸；在接收端使用光檢測(cè)器（如PIN光電二極管或雪崩光電二極管等）將光信號(hào)進(jìn)行解調(diào)、獲取電信號(hào)。本章主要闡述光纖通信的基本原理。以及實(shí)現(xiàn)光纖通信的基本技術(shù)和方法。2023/2/1317.1光纖通信系統(tǒng)的基本組成光纖通信系統(tǒng)主要由發(fā)送機(jī)、接收機(jī)和信道三部分組成。如圖所示：來(lái)自信源的信息發(fā)送機(jī)將其轉(zhuǎn)換為適合在信道上傳輸?shù)墓庑盘?hào)，光纖構(gòu)成的信道把光信號(hào)由發(fā)送機(jī)傳送到接收機(jī)，接收機(jī)從信道中提取信息并將其轉(zhuǎn)換為最終形態(tài)，由信宿輸出。1、信源信源的作用：是把非電形態(tài)的信息轉(zhuǎn)換為電形態(tài)的信息，把非電信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。

最常見(jiàn)的信源是把聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)的麥克風(fēng)和將圖像轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)的視頻攝像機(jī)。無(wú)論是電通訊系統(tǒng)還是光通信系統(tǒng)，信息在傳輸之前必須是電形態(tài)的。2023/2/1322、發(fā)送機(jī)發(fā)送機(jī)的作用：是將來(lái)自信源的電信號(hào)轉(zhuǎn)換場(chǎng)適合在光纖中傳輸?shù)墓庑盘?hào)，它由調(diào)制器、載波器和信道耦合器組成。（1）調(diào)制器

調(diào)制器的作用：一是將來(lái)自信源的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成合適的傳輸形態(tài)，即所謂的調(diào)制格式；二是將這種形態(tài)的信號(hào)加載到由載波源產(chǎn)生的載波上。

調(diào)制格式：有模擬和數(shù)字兩種類型；如圖7.1-2；7.1-3模擬調(diào)制信號(hào)是連續(xù)信號(hào)，調(diào)制器不需要改變信號(hào)的形式，只需要適當(dāng)?shù)胤糯髞?lái)自信源的信號(hào)，使其有足夠的幅度驅(qū)動(dòng)載波源。2023/2/133數(shù)字調(diào)制則需要發(fā)送離散形式的信息，稱為數(shù)字信號(hào)。數(shù)字信號(hào)只有“開(kāi)”和“關(guān)”兩種狀態(tài)，開(kāi)狀態(tài)表示“1”，關(guān)狀態(tài)表示“0”。（2）載波源在光纖通信系統(tǒng)中，載波源產(chǎn)生攜帶信息并傳播的光波，這樣的光波稱為光載波或載波。產(chǎn)生光載波的器件主要采用：LD或LED。（3）信道耦合器信道耦合器的功能：是把調(diào)制后光信號(hào)功率耦合進(jìn)信道，以便光信號(hào)在信道中傳輸。2023/2/1343、信道

信道是指發(fā)送機(jī)和接收機(jī)之間的傳輸路徑。在光纖通信系統(tǒng)中，光纖就是信道。低損耗是對(duì)光纖信道的一個(gè)基本要求。

為了在長(zhǎng)距離光纖通信系統(tǒng)中給接收機(jī)提供足夠