第2章光纖的特性1

第二章光纖的特性2.1引言光纖傳輸損耗、色散和偏振是光纖最重要特性參量。它在很大程度上決定了中繼站之間的距離。2023/2/5損耗吸收損耗散射損耗本征吸收雜質(zhì)離子吸收過(guò)渡族金屬離子OH-紫外吸收紅外吸收本征散射及其他制作缺陷芯-包層界面不理想喇曼散射瑞利散射折射率分布不均勻氣泡、條紋、結(jié)石布里淵散射與波長(zhǎng)四次方成反比2023/2/52.2.1光纖的損耗特性吸收損耗 吸收損耗是由制造光纖材料本身以及其中的過(guò)渡金屬離子和氫氧根離子(OH－)等雜質(zhì)對(duì)光的吸收而產(chǎn)生的損耗，前者是由光纖材料本身的特性所決定的，稱為本征吸收損耗。2023/2/51.本征吸收損耗 本征吸收損耗在光學(xué)波長(zhǎng)及其附近有兩種基本的吸收方式。紫外吸收損耗 紫外吸收損耗是由光纖中傳輸?shù)墓庾恿鲗⒐饫w材料中的電子從低能級(jí)激發(fā)到高能級(jí)時(shí)，光子流中的能量將被電子吸收，從而引起的損耗。2023/2/5(2)紅外吸收損耗 紅外吸收損耗是由于光纖中傳播的光波與晶格相互作用時(shí)，一部分光波能量傳遞給晶格，使其振動(dòng)加劇，從而引起的損耗。2.雜質(zhì)吸收損耗 光纖中的有害雜質(zhì)主要有過(guò)渡金屬離子，如鐵、鈷、鎳、銅、錳、鉻等和OH－。2023/2/53.原子缺陷吸收損耗

通常在光纖的制造過(guò)程中，光纖材料受到某種熱激勵(lì)或光輻射時(shí)將會(huì)發(fā)生某個(gè)共價(jià)鍵斷裂而產(chǎn)生原子缺陷，此時(shí)晶格很容易在光場(chǎng)的作用下產(chǎn)生振動(dòng)，從而吸收光能，引起損耗，其峰值吸收波長(zhǎng)約為630nm左右。2023/2/5散射損耗1.線性散射損耗 任何光纖波導(dǎo)都不可能是完美無(wú)缺的，無(wú)論是材料、尺寸、形狀和折射率分布等等，均可能有缺陷或不均勻，這將引起光纖傳播模式散射性的損耗，由于這類損耗所引起的損耗功率與傳播模式的功率成線性關(guān)系，所以稱為線性散射損耗。2023/2/5(1)瑞利散射 瑞利散射是一種最基本的散射過(guò)程，屬于固有散射。 對(duì)于短波長(zhǎng)光纖，損耗主要取決于瑞利散射損耗。值得強(qiáng)調(diào)的是：瑞利散射損耗也是一種本征損耗，它和本征吸收損耗一起構(gòu)成光纖損耗的理論極限值。2023/2/5(2)光纖結(jié)構(gòu)不完善引起的散射損耗(波導(dǎo)散射損耗)

在光纖制造過(guò)程中，由于工藝、技術(shù)問(wèn)題以及一些隨機(jī)因素，可能造成光纖結(jié)構(gòu)上的缺陷，如光纖的纖芯和包層的界面不完整、芯徑變化、圓度不均勻、光纖中殘留氣泡和裂痕等等。2023/2/52.非線性散射損耗 光纖中存在兩種非線性散射，它們都與石英光纖的振動(dòng)激發(fā)態(tài)有關(guān)，分別為受激喇曼散射和受激布里淵散射。2023/2/5彎曲損耗 光纖的彎曲有兩種形式：一種是曲率半徑比光纖的直徑大得多的彎曲，我們習(xí)慣稱為彎曲或宏彎；另一種是光纖軸線產(chǎn)生微米級(jí)的彎曲，這種高頻彎曲習(xí)慣稱為微彎。2023/2/5 在光纜的生產(chǎn)、接續(xù)和施工過(guò)程中，不可避免地出現(xiàn)彎曲。 微彎是由于光纖受到側(cè)壓力和套塑光纖遇到溫度變化時(shí)，光纖的纖芯、包層和套塑的熱膨脹系數(shù)不一致而引起的，其損耗機(jī)理和彎曲一致，也是由模式變換引起的。2023/2/5光纖損耗系數(shù) 為了衡量一根光纖損耗特性的好壞，在此引入損耗系數(shù)(或稱為衰減系數(shù))的概念，即傳輸單位長(zhǎng)度(1km)光纖所引起的光功率減小的分貝數(shù)，一般用α表示損耗系數(shù)，單位是dB/km。用數(shù)學(xué)表達(dá)式表示為：2023/2/5 式中：L為光纖長(zhǎng)度，以km為單位；P1和P2分別為光纖的輸入和輸出光功率，以mW或μW為單位。2023/2/5光纖損耗的來(lái)源(1)(2)水峰2023/2/52.3光纖色散光纖色散是光纖最重要特性參量之一。它在很大程度上決定了信號(hào)傳輸質(zhì)量2023/2/52.3.1引言光纖色散：在光纖中傳輸?shù)墓饷}沖，受到由光纖的折射率分布、光纖材料的色散特性、光纖中的模式分布以及光源的光譜寬度等因素決定的“延遲畸變”，使該脈沖波形在通過(guò)光纖后發(fā)生展寬。（1）多模色散（2）波導(dǎo)色散（3）材料色散（4）偏振色散波長(zhǎng)色散2023/2/5脈沖與脈沖線寬=為光源的線寬，為脈沖的脈寬2023/2/5群延時(shí)t2023/2/5群速與群延時(shí)群速的表示：群延時(shí)：群速Vg行進(jìn)單位長(zhǎng)度所花費(fèi)的時(shí)間，即2023/2/5光纖內(nèi)的群延時(shí)ps/nm2023/2/5

多模光纖色散SI光纖的模式色散

GRIN(=2)光纖的的模式色散，單位長(zhǎng)度脈沖展寬為2023/2/5材料色散參量(ps/nm/km)材料色散參量2023/2/5波導(dǎo)色散短波長(zhǎng)=0.82m處材料色散M=110：波導(dǎo)色散M’=2ps/nm/km材料色散：難調(diào)整波導(dǎo)色散：比較容易調(diào)整2023/2/5

偏振模彌散水平偏振基模與垂直偏振基模的群速不同造成的脈沖即xy2023/2/5舉例n1=1.48,，n2=1.473；L＝0.3km=0.00472023/2/5

材料色散、波導(dǎo)色散是由于光脈沖由同一模式運(yùn)載，因光源有線寬，而不同波長(zhǎng)光的群速不同導(dǎo)致的脈沖展寬。

模式色散是由于光脈沖由同一波長(zhǎng)光的不同模式運(yùn)載，因不同模式的群速不同導(dǎo)致的脈沖展寬。

偏振模色散是由于光脈沖由同一波長(zhǎng)光的同一模式運(yùn)載，因不同偏振態(tài)光的群速不同導(dǎo)致的脈沖展寬。各種色散導(dǎo)致脈沖展寬的特點(diǎn)2023/2/5

各種光纖的綜合性能和用途2023/2/52.4單模光纖的設(shè)計(jì)2.4.1引言多模光纖色散2023/2/5單模光纖的色散圖2.4.1石英玻璃的材料色散DMλDW圖2.4.2單模光纖的波導(dǎo)色散2023/2/5常規(guī)SI單模光纖(SMF-SingleModeFiber)ZMD：零色散點(diǎn)ZMD＝1.3m0=1.55mD＝17ps/nm/km＝0.2dB/km

2023/2/5零色散位移光纖(DSF-ZeroDispersionShiftedFiber)ZMD＝1.55m2023/2/5非零色散位移光纖(NonzeroDispersionShiftedFiber)

2023/2/5單模光纖色散比較2023/2/52.4.2截止條件2023/2/52.4.3色散特性2023/2/52.5偏振保持光纖簡(jiǎn)介2.5.1引言軸對(duì)稱單模光纖：兩個(gè)線偏振正交模式或兩個(gè)圓偏振正交模式偏振模色散：實(shí)際光纖不可避免地存在一定缺陷，如纖芯橢圓度和內(nèi)部殘余應(yīng)力，使兩個(gè)偏振模的傳輸常數(shù)不同，這樣產(chǎn)生的時(shí)間延遲差稱為偏振模色散或雙折射色散。偏振態(tài)改變發(fā)生偏振色散保偏光纖：維持光波偏振態(tài)的偏振保持光纖2023/2/5偏振模色散Δτ取決于光纖的雙折射，由Δβ=βx-βy≈nxk-nyk得到2023/2/5雙折射參量的定義

保偏光纖(PMF)傳輸相位差2023/2/5拍長(zhǎng)LB高雙折射率(HB)保偏光纖:BF>10-5低雙折射率(LB)保偏光纖:BF<10-6保偏光纖(PMF)2023/2/52.5.2保偏光纖結(jié)構(gòu)類型(PolarizationMaintainingFiber)2023/2/52.5.3高雙折色光纖的制作方法石英管或預(yù)制棒研磨法（MCVD法:改進(jìn)的化學(xué)汽相淀積

）管套棒法光刻腐蝕法氣相腐蝕法2023/2/5通信用光纖大多數(shù)是由石英玻璃材料組成的。光纖的制造要經(jīng)歷光纖預(yù)制棒制備、光纖拉絲等工藝步驟。

光纖制作工藝流程概述2023/2/5預(yù)制棒的生產(chǎn)主要預(yù)制棒生產(chǎn)廠家有康寧、朗訊、阿爾卡特及日本藤倉(cāng)、古河等主要有四種工藝：MCVD(ModifiedChemicalVaporDeposition)OVD(OutsideVaporDeposition)VAD

(VaporAxialDeposition)汽相沿軸沉淀積法

PCVD(PlasmaChemicalVaporDeposition)等離子體化學(xué)汽相淀積

2023/2/5工業(yè)界大多采用MCVD制作多模光纖。在石英管中加氧氣及高純度的鹵化物，加熱形成多層折射率不同的玻璃，玻璃再收縮變成實(shí)心棒，即為預(yù)制棒，此法很容易控制預(yù)制棒的形狀及大小。預(yù)制棒成形后，先作量測(cè)，再移到石墨爐中加熱抽絲成為光纖2023/2/5為保護(hù)其強(qiáng)度，避免受潮及污染，必須在裸光纖表面鍍上保護(hù)層，整個(gè)生產(chǎn)流程須4～5天（預(yù)制棒～2天）。纖芯包層一次涂覆二次涂覆2023/2/5該工藝由AT&T貝爾實(shí)驗(yàn)室于1974年開(kāi)發(fā)。利用SiCl4與GeCl4等氣態(tài)原料導(dǎo)入旋轉(zhuǎn)石英玻璃管中，并在石英管外側(cè)進(jìn)行加熱使管內(nèi)物質(zhì)進(jìn)行氧化反應(yīng)，產(chǎn)生SiO2、GeO2在石英管內(nèi)壁形成30~100層之層積狀態(tài)而構(gòu)成光纖之主要成分。若針對(duì)制造需有折射率變化規(guī)格的光纖產(chǎn)品而言，可透過(guò)氣態(tài)添加物的成分濃度加以控制來(lái)完成。返回MCVD2023/2/5SiO2、GeO2SiCl4、GeCl4、O22023/2/52023/2/52023/2/5Alcatel目前已針對(duì)MCVD進(jìn)行制程上的更新設(shè)計(jì)，稱為AdvancedPlasma&VaporDeposition(APVD法)。主要不同于MCVD法之處在于氣態(tài)物質(zhì)沉積之后，利用另外一專用車床機(jī)臺(tái)來(lái)熔合沉積物質(zhì)以構(gòu)成預(yù)制棒，并以石墨感應(yīng)爐替代原氫氧焰熱源進(jìn)行熔合。

2023/2/5外部氣象沉積法是由康寧公司開(kāi)發(fā)，OVD與MCVD最大不同在于沉積物質(zhì)形成于由石英、石墨或氧化鋁材料制成的“母棒”外表面，意即混合材料的玻璃蒸氣物質(zhì)透過(guò)氫氧焰的直接燃燒，使氣體材料因熱分解以形成SiO2、GeO2之多孔狀物質(zhì)沉積，經(jīng)過(guò)多層累積后形成預(yù)型體。返回OVD2023/2/5OVD工藝有沉積和燒結(jié)兩個(gè)具體工藝步驟：先按所設(shè)計(jì)的光纖折射分布要求進(jìn)行多孔玻璃預(yù)制棒芯棒的沉積（預(yù)制棒生長(zhǎng)方向是徑向由里向外），再將沉積好的預(yù)制棒芯棒進(jìn)行燒結(jié)處理，除去殘留水份，以求制得一根透明無(wú)水份的光纖預(yù)制棒芯棒，OVD工藝最新的發(fā)展經(jīng)歷從單噴燈沉積到多噴燈同時(shí)沉積，由一臺(tái)設(shè)備一次沉積一根棒到一臺(tái)設(shè)備一次沉積多根棒2023/2/52023/2/5VAD工藝是1977年由日本電報(bào)電話公司為避免與康寧公司的OVD專利的糾紛所發(fā)明的連續(xù)工藝。VAD工藝的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理與OVD工藝相同，也是火焰水解。與OVD工藝不同的是，VAD工藝沉積獲得的預(yù)制棒的生長(zhǎng)方向是由下向上垂直軸向生長(zhǎng)的。燒結(jié)和沉積是在同一臺(tái)設(shè)備中不同空間同時(shí)完成的，即預(yù)制棒連續(xù)制造。VAD2023/2/5

VAD工藝的最新發(fā)展由70年代的芯、包同時(shí)沉積燒結(jié)，到80年代先沉積芯棒再套管的兩步法，再到90年代的粉塵外包層代替套管制成光纖預(yù)制棒。VAD的重要特點(diǎn)是可以連續(xù)生產(chǎn)，適合制造大型預(yù)制棒，從而可以拉制較長(zhǎng)的連續(xù)光纖。2023/2/5PCVD是由Philips研究實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)類似于MCVD的一種技術(shù)，但不用氫氧焰進(jìn)行管外加熱，而是改用微波腔體產(chǎn)生的等離子體加熱。PCVD工藝的沉積溫度低于MCVD工藝的沉積溫度，因此反應(yīng)管不易變形；由于氣體電離不受反應(yīng)管熱容量的限制，所以微波加熱腔體可以沿著反應(yīng)管軸向作快速往復(fù)移動(dòng)，這樣允許在管內(nèi)沉積數(shù)千個(gè)薄層，從而使每層的沉積厚度減小，因此折射率分布的控制更為精確，可以獲得更寬的帶寬。PCVD2023/2/5PCVD的沉積效率高，沉積速度快，有利于消除SiO2層沉積過(guò)程中的微觀不均勻性，從而大大降低光纖中散射造成的本征損耗，適合制備復(fù)雜折射率剖面的光纖，可以批量生產(chǎn)，有利于降低成本。目前，荷蘭的等離子光纖公司占據(jù)世界領(lǐng)先水平。

2023/2/5VAD工藝的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理與OVD工藝相同，也是火焰水解。與OVD工藝不同的是，VAD工藝沉積獲得的預(yù)制棒的生長(zhǎng)方向是由下向上垂直軸向生長(zhǎng)的。單模光纖以O(shè)VD、VAD技術(shù)為主；而多模光纖則以MCVD或PCVD為主。幾種制作工藝的比較2023/2/5PCVD與MCVD的工藝相似之處是，它們都是在高純石英玻璃管管內(nèi)進(jìn)行氣相沉積和高溫氧化反應(yīng)。所不同之處是熱源和反應(yīng)機(jī)理，PCVD工藝用的熱源是微波，其反應(yīng)機(jī)理為微波激活氣體產(chǎn)生等離子使反應(yīng)氣體電離，電離的反應(yīng)氣體呈帶電離子。帶電離子重新結(jié)合時(shí)釋放出的熱能熔化氣態(tài)