光纖技術(shù)及應(yīng)用第六章

光纖技術(shù)及應(yīng)用第六章第1頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三光纖的基本結(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。2023/4/32第2頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三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)。2023/4/33第3頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三石英光纖石英光纖（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。2023/4/34第4頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三1、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2023/4/35第5頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三（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。2023/4/36第6頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三6.2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)--PCVD2023/4/37第7頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三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)中用來生長SiO2膜的CVD技術(shù)。第8頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三6.3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、大長度、并且尺寸精確、大小均勻的光纖。2023/4/39第9頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三預(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）拉絲過程第10頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三（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，都會影響光纖直徑的起伏。（5）采用伺服系統(tǒng)可以對光纖直徑控制：伺服系統(tǒng)組成：電機(jī)和收線機(jī)構(gòu)、拉絲裝置、光纖直徑測量系統(tǒng)、控制回路。光纖直徑變化由4微米降到01.微米。2023/4/311第11頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三（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)境中對剛從熱區(qū)處理的裸光纖進(jìn)行被覆，是拉絲過程中不可缺少的一道工序，經(jīng)過被覆的光纖強(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；2023/4/312第12頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三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）對光纖表面有好的浸潤性，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：硅樹脂、聚氨基甲酸乙酯、環(huán)氧樹脂、丙烯酸樹脂等。涂覆方法：常采用壓力涂覆器涂覆方法2023/4/313第13頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三影響涂層質(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6.3-32023/4/314第14頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三松套: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)。2023/4/315第15頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三6.4光纜技術(shù)經(jīng)過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)境里長期工作而不發(fā)生斷裂。光纖在運(yùn)輸和架設(shè)過程中會受到震動(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2023/4/316第16頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三光纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)注意的問題：（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2023/4/317第17頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三實(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的光纜結(jié)構(gòu)。圖

光纜結(jié)構(gòu)圖第18頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三第19頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三（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。第20頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三（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。第21頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三2.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。第22頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三第23頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三（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。第24頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三（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。第25頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三（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。第26頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三（5）單芯結(jié)構(gòu)光纜單芯結(jié)構(gòu)光纜簡稱單芯軟光纜，如圖所示。這種結(jié)構(gòu)的光纜主要用于局內(nèi)（或站內(nèi)）或用來制作儀表測試軟線和特殊通信場所用特種光纜以及制作單芯軟光纜的光纖。第27頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三（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金屬光纜。第28頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三第7章光纖通信技術(shù)2023/4/329第29頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三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，由來自信源的電信號進(jìn)行調(diào)制，形成調(diào)制的光信號并將其耦合進(jìn)光纖中進(jìn)行傳輸；在接收端使用光檢測器（如PIN光電二極管或雪崩光電二極管等）將光信號進(jìn)行解調(diào)、獲取電信號。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。2023/4/330第30頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三7.1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?，光纖構(gòu)成的信道把光信號由發(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，把非電信號轉(zhuǎn)換為電信號。

最常見的信源是把聲波信號轉(zhuǎn)換為電流信號的麥克風(fēng)和將圖像轉(zhuǎn)換成電流信號的視頻攝像機(jī)。無論是電通訊系統(tǒng)還是光通信系統(tǒng)，信息在傳輸之前必須是電形態(tài)的。2023/4/331第31頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三2、發(fā)送機(jī)發(fā)送機(jī)的作用：是將來自信源的電信號轉(zhuǎn)換場適合在光纖中傳輸?shù)墓庑盘?，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：一是將來自信源的電信號轉(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)制信號是連續(xù)信號，調(diào)制器不需要改變信號的形式，只需要適當(dāng)?shù)胤糯髞碜孕旁吹男盘枺蛊溆凶銐虻姆闰?qū)動(dòng)載波源。2023/4/332第32頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三數(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。數(shù)字信號只有“開”和“關(guān)”兩種狀態(tài)，開狀態(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)制后光信號功率耦合進(jìn)信道，以便光信號在信道中傳輸。2023/4/333第33頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三3、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。低損耗是對光纖信道的一個(gè)基本要求。

為了在長距離光纖通信系統(tǒng)中給接收機(jī)提供足夠的功率，信道中還應(yīng)包含光