光纖與光纜簡介

光纖與光纜技術(shù)第一篇光纖第一章概述第一章概述第一節(jié)光纖通信技術(shù)發(fā)展歷程一、光纖通信概念1、光纖通信：以激光作為載體，以光纖作為傳輸媒介的通信方式。

2、光纖通信發(fā)展史(1)原始的光通信：烽火臺(tái)，旗語；(2)近代的光通信：大氣激光通信用承載信息的光波，通過大氣作為傳輸信道完成到點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或點(diǎn)對(duì)多的信息傳輸。特點(diǎn)：不用敷設(shè)任何線路，簡單經(jīng)濟(jì)；受氣候影響大，傳輸不穩(wěn)定，有局限性。雨天：30dB/km；濃霧：120dB/km

數(shù)千米至數(shù)十千米范圍衰減：光從光纖的一端射入，從另一端射出，光的強(qiáng)度會(huì)減弱，這意味著光信號(hào)通過光纖傳播之后光能量衰減了一部分。1966.7美籍華人高錕提出光纖通信的概念，并指出制造出20dB/km的光纖可實(shí)現(xiàn)利用光纖的目的。(3)現(xiàn)代光纖通信1970年美國康寧公司20dB/km1975年美國康寧公司4dB/km1976年美國康寧公司

0.5dB/km1986年日本住友公司0.154dB/km2002年日本住友公司0.148dB/km光纖通信的發(fā)展可以分為三個(gè)階段：第一階段(1966-1976)，短波長(0.85微米)、低速率(45或34Mb/s)多模光纖；無中繼傳輸距離10km；第二階段(1976-1986)，長波長(1.31和1.55微米)、速率(140-565Mb/s)單模光纖；無中繼傳輸距離50-100km；第三階段(1986-1996)，波長(1.55微米)、速率(2.5-10Gb/s)單模光纖；無中繼傳輸距離100-150km。3、光纖通信系統(tǒng)的組成光纖通信系統(tǒng)可以傳輸數(shù)字信號(hào)，也可以傳輸模擬信號(hào)，一般有話音、數(shù)據(jù)或多媒體信息。1、光纖：光導(dǎo)纖維，是一種利用光在玻璃或塑料制成的纖維中全反射原理而達(dá)成的光傳導(dǎo)工具。二、光纖光纜概念2、光纜：由光纖和塑料保護(hù)套及塑料外皮構(gòu)成，由一定數(shù)量的光纖按一定方式組成纜芯，外包有護(hù)套，有的外包覆外護(hù)層，用以實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的傳輸?shù)囊环N通信線路。金屬加強(qiáng)構(gòu)件、松套層絞、油膏填充式、聚乙烯內(nèi)護(hù)套、皺紋鋼帶鎧裝、聚乙烯外護(hù)層的通信用室外光纜應(yīng)用：海底光纜、高壓電塔上的空架光纜、核能電廠的抗輻射光纜、有線電視線，醫(yī)用內(nèi)窺鏡。第二節(jié)光纖的分類及優(yōu)缺點(diǎn)一、分類1、按光在光纖中的傳輸模式(1)多模光纖：中心玻璃芯較粗(50-100微米)，可傳多種模式的光常用：62.5/125型，50/125型(2)單模光纖：中心玻璃芯較細(xì)(9或10微米)，可傳一種模式的光。2、按折射率分布情況(1)突變型(階躍型)：光纖中心芯到玻璃包層的折射率是突變；(2)漸變型(梯度型)：光纖中心芯到玻璃包層的折射率是逐漸變小的。3、按最佳傳輸頻率窗口：(1)常規(guī)型：光纖生產(chǎn)廠家將光纖傳輸頻率最佳化在單一波長的光上；例如：1300nm(2)色散位移型：光線生產(chǎn)廠家將光纖傳輸頻率最佳化在兩個(gè)波長的光上。例：1300、1550nm二光纖的優(yōu)缺點(diǎn)傳輸容量大；損耗低；抗電磁場和電輻射；體積小、重量輕；節(jié)省有色金屬和材料；可用于易燃、易爆場所；抗化學(xué)腐蝕。

1、優(yōu)點(diǎn)：

抗拉強(qiáng)度低；光纖連接困難；材料提純要求高；光纖的彎曲半徑不能太小。

2、缺點(diǎn)：第二章光纖技術(shù)第一節(jié)光纖的光傳輸理論一、概述二、光纖的基本結(jié)構(gòu)三、光纖的分類四、光纖傳輸?shù)睦碚摶A(chǔ)五、習(xí)題一、概述通信光纖：由石英玻璃或塑料或其它導(dǎo)光材料組成的導(dǎo)光纖維。導(dǎo)光原理：光信息在高折射率的纖芯和低折射率的包層所構(gòu)成的光波導(dǎo)中傳播。目的：了解光波在光纖中的傳輸機(jī)理、傳輸條件，建立傳輸特性與光折射率分布結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系，使人們能夠設(shè)計(jì)出理想的光波導(dǎo)體。二、光纖的基本結(jié)構(gòu)

光纖是由中心的纖芯和外圍的包層同軸組成的圓柱形細(xì)絲。纖芯的折射率比包層稍高，損耗比包層更低，光能量主要在纖芯內(nèi)傳輸。包層為光的傳輸提供反射面和光隔離，并起一定的機(jī)械保護(hù)作用。圖2.1示出光纖的外形。設(shè)纖芯和包層的折射率分別為n1和n2，光能量在光纖中傳輸?shù)谋匾獥l件是n1>n2。由纖芯和包層組成的光纖常稱為裸光纖，這種光纖如果直接使用，由于裸露在環(huán)境中,容易受到外界溫度、壓力、水氣的侵蝕等，因而實(shí)際中應(yīng)用的光纖都在裸光纖的外面增加了防護(hù)層,用來緩沖外界的壓力,增加光纖的抗拉、抗壓強(qiáng)度，并改善光纖的溫度特性和防潮性能等。防護(hù)層通常也包括好幾層，細(xì)分為包層外面的緩沖涂層，加強(qiáng)材料涂覆層以及最外一層的套塑層。光纖的套塑方法有兩種：緊套和松套。

緊套是指光纖在二次套管內(nèi)不能自由松動(dòng)；而松套光纖則有一定的活動(dòng)范圍。緊套的優(yōu)點(diǎn)是性能穩(wěn)定，外徑較小但機(jī)械性能不如松套，因?yàn)榫o套無松套的緩沖空間，易受外力影響。

松套光纖溫度性能優(yōu)于緊套，制作比較容易，但外徑較大，為避免水分，需要填充半流質(zhì)的油膏來提高光纜的縱向封閉性能。經(jīng)過涂覆、套塑形成的光纖常稱為被覆光纖或纜芯。光纖的幾何尺寸很小，纖芯直徑一般在5～50μm之間，包層的外徑為125μm，包括防護(hù)層，整個(gè)光纖的外徑也只有250μm左右。

圖2.2光纖的基本結(jié)構(gòu)三、光纖的分類光纖按照纖芯剖面折射率分布、纖芯中傳輸模式的多少以及材料成份等的不同，光纖可分為很多種，下面將常用的幾種結(jié)構(gòu)形式作一簡單介紹。

1.按照折射率分布分類按照折射率分布的不同，光纖一般可分為階躍型光纖和漸變型光纖兩種。(1)階躍型光纖如果纖芯折射率n1沿半徑方向保持一定，包層折射率n2沿半徑方向也保持一定，而且纖芯和包層的折射率在邊界處呈階梯型變化的光纖，稱為階躍型光纖，又可稱為均勻光纖。橫截面2a2brn折射率分布纖芯包層AitAot輸入脈沖光線傳播路徑輸出脈沖(2)漸變型光纖如果纖芯折射率n1隨著半徑加大而逐漸減小，而包層中折射率n2是均勻的，這種光纖稱為漸變型光纖，又稱為非均勻光纖。如梯度光纖中的折射率分布為橫截面折射率分布輸入脈沖光線傳播路徑輸出脈沖50mm125mmrnAitAot2.按照傳輸模式分類所謂模式，光纖纖芯中的電場和磁場，包層中的電場和磁場均滿足波動(dòng)方程，但它們的解不是彼此獨(dú)立的，而是滿足在纖芯和包層處電場和磁場的邊界條件。所謂的光纖模，就是滿足邊界條件的電磁場波動(dòng)方程的解，即電磁場的穩(wěn)態(tài)分布。這種空間分布在傳播過程中只有相位的變化，沒有形狀的變化，且始終滿足邊界條件，每一種這樣的分布對(duì)應(yīng)一種模式。模式：以某一角度入射光纖端面并能在纖芯-包層處形成全反射的光線就成為一個(gè)光纖的模式。(1)單模光纖光纖中只傳輸一種模式時(shí)，叫做單模光纖。單模光纖的纖芯直徑較小，約為4～10μm，通常，纖芯的折射率分布認(rèn)為是均勻分布的。由于單模光纖只傳輸基模，從而完全避免了模式色散，使傳輸帶寬大大加寬，因此，它適用于大容量、長距離的光纖通信。

(2)多模光纖

在一定的工作波長下，多模光纖是能傳輸多種模式的介質(zhì)波導(dǎo)。早期的多模光纖采用階躍折射率分布，為了減小色散，須采用漸變折射率分布，由于模色散的存在使多模光纖的帶寬變窄，但制造、耦合、連接都比單模光纖容易。

3.按光纖材料分類光纖按材料的不同可分為石英系光纖、石英纖芯塑料包層光纖、多成分玻璃光纖、塑料光纖。(1)石英系光纖這種光纖的纖芯和包層是由高純度的SiO2中摻雜適當(dāng)?shù)碾s質(zhì)制成的。其損耗低、強(qiáng)度和可靠性較高，目前應(yīng)用最為廣泛。(2)石英纖芯塑料包層光纖這種光纖的纖芯是用石英制成，包層是硅樹脂。(3)多成分玻璃纖維這種光纖一般用鈉玻璃摻有適當(dāng)雜質(zhì)制成。(4)塑料光纖這種光纖的纖芯和包層都由塑料制成。思考：入射在光纖端面上的光，是否都能夠沿光纖傳播？答案：否，其中一部分是不能進(jìn)入光纖的，而能進(jìn)入光纖端面的光也不一定能在光纖中傳輸，只有符合某一特定條件的光才能在光纖中發(fā)生全反射而傳播到遠(yuǎn)方。

四、光纖傳輸?shù)睦碚摶A(chǔ)要詳細(xì)描述光纖傳輸原理：(1)波動(dòng)理論法。波動(dòng)理論法是根據(jù)電磁場理論，用麥?zhǔn)戏匠糖蠼夤饫w的場方程、特征方程，根據(jù)解答式分析其傳輸特性；

(2)幾何光學(xué)法。幾何光學(xué)法是將光波看成是一條條幾何射線，用光射線理論分析光纖的傳輸特性。

幾何光學(xué)的方法比較直觀，容易理解，但并不十分嚴(yán)格。不管是射線方程還是波動(dòng)方程，數(shù)學(xué)推演都比較復(fù)雜，我們只選取其中主要部分和有用的結(jié)果。幾何光學(xué)法波動(dòng)理論1、光纖傳輸?shù)牟▌?dòng)理論幾何光學(xué)的方法對(duì)光纖的傳輸特性只能提供近似的結(jié)果。光波是電磁波，只有通過求解由麥克斯韋方程組導(dǎo)出的波動(dòng)方程分析電磁場的分布(傳輸模式)的性質(zhì)，才能更準(zhǔn)確地獲得光纖的傳輸特性。（1）波動(dòng)方程和電磁場表達(dá)式設(shè)光纖沒有損耗，折射率n變化很小，在光纖中傳播的是角頻率為ω的單色光，電磁場與時(shí)間t的關(guān)系為exp(jωt)，則標(biāo)量波動(dòng)方程為

式中，E和H分別為電場和磁場在直角坐標(biāo)中的任一分量，c為光速。選用圓柱坐標(biāo)(r,φ，z)，使z軸與光纖中心軸線一致，如圖2.6所示。將式(2.18)在圓柱坐標(biāo)中展開，得到電場的z分量Ez的波動(dòng)方程為光纖中的圓柱坐標(biāo)磁場分量Hz的方程和式(2.19)完全相同，不再列出。解方程(2.19)，求出Ez和Hz，再通過麥克斯韋方程組求出其他電磁場分量，就得到任意位置的電場和磁場。把Ez(r,φ,z)分解為Ez(r)、Ez(φ)和Ez(z)。設(shè)光沿光纖軸向(z軸)傳輸，其傳輸常數(shù)為β，則Ez(z)應(yīng)為exp(-jβz)。由于光纖的圓對(duì)稱性，Ez(φ)應(yīng)為方位角φ的周期函數(shù)，設(shè)為exp(jvφ)，v為整數(shù)?，F(xiàn)在Ez(r)為未知函數(shù)，利用這些表達(dá)式，電場z分量可以寫成

Ez(r,φ,z)=Ez(r)ej(vφ-βz)(2.20)把式(2.20)代入式(2.19)得到式中，k=2π/λ=2πf/c=ω/c，λ和f為光的波長和頻率。這樣就把分析光纖中的電磁場分布，歸結(jié)為求解貝塞爾(Bessel)方程(2.21)。設(shè)纖芯(0≤r≤a)折射率n(r)=n1，包層(r≥a)折射率n(r)=n2，實(shí)際上突變型多模光纖和常規(guī)單模光纖都滿足這個(gè)條件。為求解方程(2.21)，引入無量綱參數(shù)u,w和V。

w2=a2(β2-n22k2)V2=u2+w2=a2k2(n21-n22)

利用這些參數(shù)，把式(2.21)分解為兩個(gè)貝塞爾微分方程：(0≤r≤a)(r≥a)

因?yàn)楣饽芰恳诶w芯(0≤r≤a)中傳輸，在r=0處，電磁場應(yīng)為有限實(shí)數(shù)；在包層(r≥a)，光能量沿徑向r迅速衰減，當(dāng)r→∞時(shí)，電磁場應(yīng)消逝為零。根據(jù)這些特點(diǎn)，式(2.23a)的解應(yīng)取v階貝塞爾函數(shù)Jv(ur/a)，而式(2.23b)的解則應(yīng)取v階修正的貝塞爾函數(shù)Kv(wr/a)。因此，在纖芯和包層的電場Ez(r,φ,z)和磁場Hz(r,φ,z)表達(dá)式為

Ez1(r,φ,z)=AHz1(r,φ,z)=Ez2(r,φ,z)Hz2(r,φ,z)j(vφ-βz)

(vφ-βz)(r≥a)(2.24d)

式中，腳標(biāo)1和2分別表示纖芯和包層的電磁場分量，A和B為待定常數(shù)，由激勵(lì)條件確定。Jv(u)和Kv(w)如圖2.7所示，Jv(u)類似振幅衰減的正弦曲線，Kv(w)類似衰減的指數(shù)曲線。式(2.24)表明，光纖傳輸模式的電磁場分布和性質(zhì)取決于特征參數(shù)u、w和β的值。u和w決定纖芯和包層橫向(r)電磁場的分布，稱為橫向傳輸常數(shù)；β決定縱向(z)電磁場分布和傳輸性質(zhì)，所以稱為(縱向)傳輸常數(shù)。

(2)特征方程和傳輸模式由式(2.24)確定光纖傳輸模式的電磁場分布和傳輸性質(zhì)，

必須求得u,w和β的值。

圖2.7（a)貝賽爾函數(shù)；（b)修正的貝賽爾函數(shù)

(2.22)看到，在光纖基本參數(shù)n1、n2、a和k已知的條件下，u和w只和β有關(guān)。利用邊界條件，導(dǎo)出β滿足的特征方程，就可以求得β和u、w的值。由式(2.24)確定電磁場的縱向分量Ez和Hz后，就可以通過麥克斯韋方程組導(dǎo)出電磁場橫向分量Er、Hr和Eφ、Hφ的表達(dá)式。因?yàn)殡姶艌鰪?qiáng)度的切向分量在纖芯包層交界面連續(xù)，在r=a處應(yīng)該有

Ez1=Ez2Hz1=Hz2

Eφ1=Eφ2Hφ1=Hφ2

由式(2.24)可知，Ez和Hz已自動(dòng)滿足邊界條件的要求。由Eφ和Hφ的邊界條件導(dǎo)出β滿足的特征方程為

這是一個(gè)超越方程，由這個(gè)方程和式(2.22)定義的特征參數(shù)V聯(lián)立，就可求得β值。但數(shù)值計(jì)算十分復(fù)雜，其結(jié)果示于圖2.8。圖中縱坐標(biāo)的傳輸常數(shù)β取值范圍為

n2k≤β≤n1k

相當(dāng)于歸一化傳輸常數(shù)b的取值范圍為0≤b≤1，圖2.8若干低階模式歸一化傳輸常數(shù)隨歸一化頻率變化的曲線

坐標(biāo)的V稱為歸一化頻率，根據(jù)式(2.22)V=(2.29)

圖中每一條曲線表示一個(gè)傳輸模式的β隨V的變化，所以方程(2.26)又稱為色散方程。對(duì)于光纖傳輸模式，有兩種情況非常重要，一種是模式截止，另一種是模式遠(yuǎn)離截止。分析這兩種情況的u、w和β，對(duì)了解模式特性很有意義。模式截止由修正的貝塞爾函數(shù)的性質(zhì)可知，當(dāng)→∞時(shí)，→，要求在包層電磁場消逝為零，即→0，必要條件是w>0。如果w<0，電磁場將在包層振蕩，傳輸模式將轉(zhuǎn)換為輻射模式，使能量從包層輻射出去。w=0(β=n2k)介于傳輸模式和輻射模式的臨界狀態(tài)，這個(gè)狀態(tài)稱為模式截止。其u、w和β值記為uc、wc和βc，此時(shí)V=Vc=uc。對(duì)于每個(gè)確定的v值，可以從特征方程(2.26)求出一系列uc值，每個(gè)uc值對(duì)應(yīng)一定的模式，決定其β值和電磁場分布。當(dāng)v=0時(shí)，電磁場可分為兩類。一類只有Ez、Er和Hφ分量，Hz=Hr=0，Eφ=0，這類在傳輸方向無磁場的模式稱為橫磁模(波)，記為TM0μ。另一類只有Hz、Hr和Eφ分量，Ez=Er=0，Hφ=0，這類在傳輸方向無電場的模式稱為橫電模(波)，記為TE0μ。在微波技術(shù)中，金屬波導(dǎo)傳輸電磁場的模式只有TM波和TE波。當(dāng)v≠0時(shí)，電磁場六個(gè)分量都存在，這些模式稱為混合模(波)?；旌夏Ｒ灿袃深?，一類Ez<Hz，記為HEvμ，另一類Hz<Ez，記為EHvμ。下標(biāo)v和μ都是整數(shù)。第一個(gè)下標(biāo)v是貝塞爾函數(shù)的階數(shù)，稱為方位角模數(shù)，它表示在纖芯沿方位角φ繞一圈電場變化的周期數(shù)。第二個(gè)下標(biāo)μ是貝塞爾函數(shù)的根按從小到大排列的序數(shù)，稱為徑向模數(shù)，它表示從纖芯中心(r=0)到纖芯與包層交界面(r=a)電場變化的半周期數(shù)。模式遠(yuǎn)離截止當(dāng)V→∞時(shí)，w增加很快，當(dāng)w→∞時(shí)，u只能增加到一個(gè)有限值，這個(gè)狀態(tài)稱為模式遠(yuǎn)離截止，其u值記為u∞。波動(dòng)方程和特征方程的精確求解都非常繁雜，一般要進(jìn)行簡化。大多數(shù)通信光纖的纖芯與包層相對(duì)折射率差Δ都很小(例如Δ<0.01)，因此有n1≈n2≈n和β=nk的近似條件。這種光纖稱為弱導(dǎo)光纖，對(duì)于弱導(dǎo)光纖β滿足的本征方程可以簡化為由此得到的混合模HEv+1μ和EHv-1μ(例如HE31和EH11)傳輸常數(shù)β相近，電磁場可以線性疊加。用直角坐標(biāo)代替圓柱坐標(biāo)，使電磁場由六個(gè)分量簡化為四個(gè)分量，得到Ey、Hx、Ez、Hz或與之正交的Ex、Hy、Ez、Hz。這些模式稱為線性偏振(LinearlyPolarized)模，并記為LPvμ。LP0μ即HE1μ，LP1μ由HE2μ和TE0μ、TM0μ組成，包含4重簡并，LPvμ(v>1)由HEv+1μ和EHv-1μ組成，包含4重簡并。若干低階LPvμ模簡化的本征方程和相應(yīng)的模式截止值uc

和遠(yuǎn)離截止值u∞列于表2.1，這些低階模式和相應(yīng)的V值范圍列于表2.2，圖2.9示出四個(gè)低階模式的電磁場矢量結(jié)構(gòu)圖。

圖2.9四個(gè)低階模式的電磁場矢量結(jié)構(gòu)圖

(3)多模漸變型光纖的模式特性漸變型光纖折射率分布的普遍公式用式(2.6)中的n(r)表示。由于折射率是徑向坐標(biāo)r的函數(shù)，波動(dòng)方程式(2.21)沒有解析解。求解式(2.21)的近似方法很多，其中由Wentzel、Kramers和Brillouin提出的WKB法是常用的一種近似方法。我們不準(zhǔn)備討論這種方法的推導(dǎo)過程，只給出用這種方法得到的一些有用的結(jié)果。傳輸常數(shù)多模漸變型光纖傳輸常數(shù)的普遍公式為式中，n1、Δ、g和k前面已經(jīng)定義了，M是模式總數(shù)，m(β)是傳輸常數(shù)大于β的模式數(shù)。經(jīng)計(jì)算

由式(2.32)看到：對(duì)于突變型光纖，g→∞，M=V2/2；對(duì)于平方律漸變型光纖，g=2，M=V2/4。根據(jù)計(jì)算分析，在漸變型光纖中，凡是徑向模數(shù)μ和方位角模數(shù)v的組合滿足

q=2μ+v的模式，都具有相同的傳輸常數(shù)，這些簡并模式稱為模式群。q稱為主模數(shù)，表示模式群的階數(shù)，第q個(gè)模式群有2q個(gè)模式，把各模式群的簡并度加起來，就得到模式數(shù)m(β)=q2。模式總數(shù)M=Q2，Q稱為最大主模數(shù)，表示模式群總數(shù)。用q和Q代替m(β)和M，從式(2.31)得到第q個(gè)模式群的傳輸常數(shù)

光強(qiáng)分布多模漸變型光纖端面的光強(qiáng)分布(又稱為近場)P(r)主要由折射率分布n(r)決定，

式中P(0)為纖芯中心(r=0)的光強(qiáng)，C為修正因子。

(4)單模光纖的模式特性單模條件和截止波長從圖2.8和表2.2可以看到，傳輸模式數(shù)目隨V值的增加而增多。當(dāng)V值減小時(shí)，不斷發(fā)生模式截止，模式數(shù)目逐漸減少。特別值得注意的是當(dāng)V<2.405時(shí)，只有HE11(LP01)一個(gè)模式存在，其余模式全部截止。HE11稱為基模，由兩個(gè)偏振態(tài)簡并而成。由此得到單模傳輸條件為

V=(2.36)

由式(2.36)可以看到，對(duì)于給定的光纖(n1、n2和a確定)，存在一個(gè)臨界波長λc，當(dāng)λ<λc時(shí)，是多模傳輸，當(dāng)λ>λc時(shí)，是單模傳輸，這個(gè)臨界波長λc稱為截止波長。由此得到

V=2.405或λc=光強(qiáng)分布和模場半徑通常認(rèn)為單模光纖基模HE11的電磁場分布近似為高斯分布

Ψ(r)=Aexp

式中，A為場的幅度，r為徑向坐標(biāo)，w0為高斯分布1/e點(diǎn)的半寬度，稱為模場半徑。實(shí)際單模光纖的模場半徑w0是用測量確定的，常規(guī)單模光纖用纖芯半徑a歸一化的模場半徑的經(jīng)驗(yàn)公式為

0.65+1.619V-1.5+2.879V-6

=0.65+0.434+0.0149

w0/a與V(或λ/λc)的關(guān)系示于圖2.10。圖中ρ是基模HE11

的注入效率。由圖可見，在3>V>1.4(0.8<λ/λc<1.8)范圍，ρ>96%。雙折射和偏振保持光纖前面的討論都假設(shè)了光纖具有完美的圓形橫截面和理想的圓對(duì)稱折射率分布，而且沿光纖軸向不發(fā)生變化。因此，HE11（LP01）模的x偏振模HEx11(Ey=0)和y偏振模HEy11(Ex=0)具有相同的傳輸常數(shù)(βx=βy)，兩個(gè)偏振模完全簡并。但是實(shí)際光纖難以避免的形狀不完善或應(yīng)力不均勻，必定造成折射率分布各向異性，使兩個(gè)偏振模具有不同的傳輸常數(shù)(βx≠βy)。因此，在傳輸過程要引起偏振態(tài)的變化，我們把兩個(gè)偏振模傳輸常數(shù)的差(βx-βy)定義為雙折射Δβ，通常用歸一化雙折射B來表示，圖2.10用對(duì)LP01模給出最佳注入效率

的高斯場分布時(shí)，歸一化模場半徑w0/a和注入效率ρ與歸一化波長λ/λc或歸一化頻率V的函數(shù)關(guān)系

式中，=(βx+βy)/2為兩個(gè)傳輸常數(shù)的平均值。把兩個(gè)正交偏振模的相位差達(dá)到2π的光纖長度定義為拍長LbLb=(2.40)

存在雙折射，要產(chǎn)生偏振色散，因而限制系統(tǒng)的傳輸容量。許多單模光纖傳輸系統(tǒng)都要求盡可能減小或消除雙折射。一般單模光纖B值雖然不大，但是通過光纖制造技術(shù)來消除它卻十分困難。合理的解決辦法是通過光纖設(shè)計(jì)，人為地引入強(qiáng)雙折射，把B值增加到足以使偏振態(tài)保持不變，或只保存一個(gè)偏振模式，實(shí)現(xiàn)單模單偏振傳輸。強(qiáng)雙折射光纖和單模單偏振光纖為偏振保持光纖。獲得偏振保持光纖的方法很多，例如引入形狀各向異性的橢圓芯光纖。返回2、幾何光學(xué)法（1）光的反射和折射當(dāng)光射線射到兩種介質(zhì)交界面時(shí)，將發(fā)生反射和折射。全反射：光由光密（即光在此介質(zhì)中的折射率大的）媒質(zhì)射到光疏（即光在此介質(zhì)中折射率小的）媒質(zhì)的界面時(shí)，全部被反射回原媒質(zhì)內(nèi)的現(xiàn)象。發(fā)生條件：①光必須由光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)．②入射角必須大于臨界角。折射率：光從真空射入介質(zhì)發(fā)生折射時(shí)，入射角與折射角的正弦之比n叫做介質(zhì)的絕對(duì)折射率，簡稱折射率。（2）幾何光學(xué)法以突變型多模光纖為例進(jìn)一步討論光纖的傳輸條件：設(shè)纖芯和包層折射率分別為n1和n2，空氣的折射率n0=1，纖芯中心軸線與z軸一致，如圖所示。光線在光纖端面以小角度θ從空氣入射到纖芯(n0<n1)，折射角為θ1，折射后的光線在纖芯直線傳播，并在纖芯與包層交界面以角度ψ入射到包層(n1>n2)。123纖芯n1包層n2θcθθ3Ψ3ΨcΨ1z當(dāng)θ>θc時(shí)，相應(yīng)的光線將在交界面折射進(jìn)入包層并逐漸消失，如光線3；

當(dāng)θ=θc時(shí)，相應(yīng)的光線將以ψc入射到交界面，并沿交界面向前傳播(折射角為90°)，如光線2；改變角度θ，不同θ相應(yīng)的光線將在纖芯與包層交界面發(fā)生反射或折射。根據(jù)全反射原理，存在一個(gè)臨界角θc。當(dāng)θ<θc時(shí)，相應(yīng)的光線將在交界面發(fā)生全反射而返回纖芯，并以折線的形狀向前傳播，如光線1；由此可見，只有在半錐角為θ≤θc的圓錐內(nèi)入射光束才能在光纖中傳播。（3）主要參數(shù)1)相對(duì)折射率指數(shù)差（纖芯和包層折射率分別為n1和n2）這里，當(dāng)n1

和n2

差別極小時(shí)，這種光纖稱為弱導(dǎo)光纖，其相對(duì)折射率差可近似得：說明：纖芯和包層的相對(duì)折射率差典型值Δ=(n1－n2)/n1，一般單模光纖為0.3%～0.6%，多模光纖為1%～2%。Δ越大，把光能量束縛在纖芯的能力越強(qiáng)，但信息傳輸容量卻越小。2)數(shù)值孔徑NA設(shè)纖芯和包層折射率分別為n1和n2，空氣的折射率n0=1，纖芯中心軸線與z軸一致。定義臨界角θc的正弦為數(shù)值孔徑NA。根據(jù)定義和斯奈爾定律：說明：(1)NA表示光纖接收和傳輸光的能力，NA(或θc)越大，光纖接收光的能力越強(qiáng)，從光源到光纖的耦合效率越高。對(duì)于無損耗光纖，在θc內(nèi)的入射光都能在光纖中傳輸；(2)NA越大，纖芯對(duì)光能量的束縛越強(qiáng)，光纖抗彎曲性能越好；(3)但NA越大，經(jīng)光纖傳輸后產(chǎn)生的信號(hào)畸變?cè)酱?，因而限制了信息傳輸容量。所以要根?jù)實(shí)際使用場合，選擇適當(dāng)?shù)腘A。例1：計(jì)算n1=1.48，n2=1.46的階躍折射率分布光纖的θc以及數(shù)值孔徑；光纖端面外空氣中的折射率為n0=1

解：

sinθ0===0.2425θ0=arcsin0.2425=14.03°NA=sinθ0=0.24253)歸一化頻率歸一化頻率V是描述光纖特性的一個(gè)重要參數(shù)，圖2.8中是光纖波導(dǎo)中存在的幾個(gè)較低階LP導(dǎo)波模的情形，橫坐標(biāo)為歸一化頻率V，縱坐標(biāo)為歸一化傳播常數(shù)b。歸一化頻率：

其中：a—纖芯半徑

—工作波長

①多模光纖中傳輸模數(shù)目N

g—折射率指數(shù)

階躍式光纖g=

漸變式光纖

g=2例2多模階躍式光纖中n1=1.5，=0.01，入射光波長=1.3，纖芯半徑

a=25，求N解：

ｖ=N=V2/2=328(取整)=25.63②單模光纖的傳輸條件從圖2.8可以看到傳輸模式數(shù)目隨V值的增加而增多。當(dāng)V值減小時(shí)，不斷發(fā)生模式截止，模式數(shù)目逐漸減少。特別值得注意的是當(dāng)V<2.405時(shí)，只有LP01一個(gè)模式存在，其余模式全部截止。由此得到單模傳輸條件為:

即V2.405

由上式可以看到，對(duì)于給定的光纖(n1、n2和a確定)，存在一個(gè)臨界波長λc，當(dāng)λ<λc時(shí)，是多模傳輸，當(dāng)λ>λc時(shí)，是單模傳輸，這個(gè)臨界波λc稱為截止波長。由此得到：③截止波長例3某階躍光纖=0.003，n1=1.46，=1.31求單模傳輸時(shí)纖芯的半徑？=4.44解：例4某階躍折射率光纖，其芯區(qū)折射率n1=1.46，芯半徑a=4.5μm，相對(duì)折射率差Δ=0.25，分析其截止波長并判斷當(dāng)工作波長分別為1.31μm和0.85μm時(shí)該光纖是單模還是多模工作。解：階躍折射率光纖歸一化截止頻率Vc=2.405，由得其截止波長為：因1.31μm＞1.21μm，所以當(dāng)工作波長為1.31μm時(shí)，該光纖是單模工作；ｖ=因0.85μm

＜1.21μm，所以當(dāng)工作波長為0.85μm時(shí)，該光纖是多模工作。

光纖是否單模工作，要由歸一化頻率同工作波長來決定。同一根光纖，工作波長較短時(shí)，可能是多模工作。當(dāng)工作波長增長到一定范圍時(shí)，可能變成單模光纖。當(dāng)λ>λc時(shí)，光纖變成單模工作，因此，在光纖通信最常用的1.31μm波長上，它是單模工作，若令其傳輸短波長0.85μm，即λ<λc，會(huì)失去單模特征?，F(xiàn)在我們來觀察光線在光纖中的傳播時(shí)間。入射角為θ的光線在長度為L(ox)的光纖中傳輸，所經(jīng)歷的路程為l(oy)，在θ不大的條件下，其傳播時(shí)間即時(shí)間延遲為式中c為真空中的光速。由式得到最大入射角(θ=θc)和最小入射角(θ=0)的光線之間時(shí)間延遲差近似為：4)時(shí)間延遲這種時(shí)間延遲差在時(shí)域產(chǎn)生脈沖展寬，或稱為信號(hào)畸變。由此可見，突變型多模光纖的信號(hào)畸變是由于不同入射角的光線經(jīng)光纖傳輸后，其時(shí)間延遲不同而產(chǎn)生的。設(shè)光纖NA=0.20，n1=1.5，L=1km，說明：根據(jù)上式得到脈沖展寬Δτ=4.4×10-8=44ns，作業(yè)：1、階躍型光纖纖芯和包層的折射率分別為n1=1.5，n2=1.45，試計(jì)算：

1）纖芯和包層的相對(duì)折射率差；

2）該光纖數(shù)值孔徑NA。2、已知階躍光纖纖芯的折射率為n1=1.5，相對(duì)折射指數(shù)差

Δ=0.01，纖芯半徑a=25μm，若λ0=1μm，試計(jì)算光纖的歸一化頻率V及其中傳播的模數(shù)量N。

習(xí)題1.計(jì)算n1=1.48及n2=1.46的階躍折射率光纖的數(shù)值孔徑。如果光纖端面外介質(zhì)折射率n=1.00，則允許的最大入射角θmax為多少？2.一根數(shù)值孔徑為0.20的階躍折射率多模光纖在850nm波長上可以支持1000個(gè)左右的傳播模式。試問：（1）其纖芯直徑為多少？（2）在1310nm波長上可以支持多少個(gè)模？（3）在1550nm波長上可以支持多少個(gè)模？3.有階躍型光纖，若n1=1.5，λ0=1.31μm，那么（1）若Δ=0.25，為保證單模傳輸，光纖纖芯半徑a應(yīng)取多大？（2）若取芯徑a=5μm，保證單模傳輸時(shí)，Δ應(yīng)怎樣選擇？一、色散1、色散：色散是指一束不同顏色的光通過透光物質(zhì)后被散開的現(xiàn)象。一束白光通過一塊玻璃三棱鏡變成五顏六色的光帶，這就是簡單的色散現(xiàn)象。第二節(jié)光纖的設(shè)計(jì)理論2、光纖的色散：由于光纖中光信號(hào)中的不同頻率成分或不同的模式，在光纖中傳輸時(shí)，由于速度的不同而使得傳播時(shí)間不同，因此，造成光信號(hào)中的不同頻率成分或不同模式的光到達(dá)光纖終端有先有后，形成時(shí)間的展寬，從而產(chǎn)生波形畸變的一種現(xiàn)象。色散的程度可用時(shí)延差來表示，時(shí)延差越大，色散就越嚴(yán)重。3、表示方法：色散的大小用時(shí)延差表示

不同速度的信號(hào)傳輸同樣的距離所需的時(shí)間不同，即各信號(hào)的時(shí)延不同，這種時(shí)延上的差別稱為時(shí)延差，用Δ表示。Δ時(shí)延差的單位：s二、色散的種類及產(chǎn)生原因(1)模式色散：在多模光纖中，不同模式在同一頻率下傳輸，各種模沿不同的路徑走向終端，其路徑長短不同，在終端會(huì)合時(shí)就會(huì)發(fā)生脈沖展寬。(只存在于多模光纖中)。在階躍多模光纖中，模式色散是造成脈沖展寬的主要原因，要比波導(dǎo)色散和材料色散高出1～2個(gè)數(shù)量級(jí)。(2)材料色散：由于纖芯、包層材料的折射率是波長的函數(shù)、材料折射率隨光波長非線性變化造成的，不同的頻率傳輸速度不同，對(duì)于譜寬較寬的信號(hào)，經(jīng)過傳輸后產(chǎn)生脈沖展寬的現(xiàn)象。

(3)波導(dǎo)色散：由于光纖的纖芯與包層的折射率差很小，因此在交界面產(chǎn)生全反射時(shí)，就可能有一部分光進(jìn)入包層之內(nèi)。這部分光在包層內(nèi)傳輸一定距離后，又可能回到纖芯中繼續(xù)傳輸。進(jìn)入包層內(nèi)的這部分光強(qiáng)的大小與光波長有關(guān)，這就相當(dāng)于光傳輸路徑長度隨光波波長的不同而異。把有一定波譜寬度的光源發(fā)出的光脈沖射入光纖后，由于不同波長的光傳輸路徑不完全相同，所以到達(dá)終點(diǎn)的時(shí)間也不相同，從而出現(xiàn)脈沖展寬。它與材料色散有同樣的數(shù)量級(jí)。三、光纖的損耗特性光纖的損耗：光波在光纖中傳輸，隨著傳輸距離的增加而光功率逐漸下降，這就是光纖的傳輸損耗。由于損耗的存在，在光纖中傳輸?shù)墓庑盘?hào)，不管是模擬信號(hào)還是數(shù)字信號(hào)，其幅度都要減小。光纖的損耗在很大程度上決定了系統(tǒng)的傳輸距離。光纖損耗定義：長度為L(km)的光纖輸出端光功率Pout與輸入端光功率Pin的比值，用分貝(dB)表示。通常光纖損耗用單位長度的分貝(dB/km)數(shù)表示，定義為例1一段30km的光纖鏈路，其損耗為0.5dB/km。如果在接收端保持0.3μW

的接收光功率，則發(fā)送端的功率至少為多少？解：根據(jù)公式由題意得：

解得Pmin=9.49μW。光纖通信可以說是伴隨著光纖制造水平不斷提高的，即隨著光纖損耗的不斷降低而發(fā)展起來的。造成光纖損耗的原因很多，主要有吸收損耗、散射損耗和附加損耗，其損耗產(chǎn)生機(jī)理也非常復(fù)雜，簡要說明如表2-2所示。1.吸收損耗吸收作用是光波通過光纖材料時(shí)，有一部分光能轉(zhuǎn)化為熱能，從而造成光功率的損失。造成吸收損耗的原因很多，但都與光纖材料有關(guān)，下面主要介紹本征吸收和雜質(zhì)吸收。1）本征吸收本征吸收是光纖基本材料（例如純二氧化硅）固有的吸收，并不是由雜質(zhì)或者缺陷引起的。因此，本征吸收基本上確定了任何特定材料的吸收下限。2）雜質(zhì)吸收雜質(zhì)吸收是由材料的不純凈和工藝的不完善而造成的附加吸收損耗。影響最嚴(yán)重的是過渡金屬離子的吸收和水的氫氧根離子的吸收。過渡金屬正離子吸收包括Cu2+，F(xiàn)e2+，Cr2+，Ni2+，Mn2+，V2+，Po2+等，其電子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生邊帶吸收峰(0.5～1.1μm)，造成損耗。由于工藝改進(jìn)，這些雜質(zhì)含量低于10－9以下，影響已忽略不計(jì)。OH－1根負(fù)離子的吸收峰在0.95μm、1.23μm和1.37μm，由于工藝改進(jìn)，降低了OH－1濃度，吸收峰影響已忽略不計(jì)。2.散射損耗由于光纖的材料、形狀及折射率分布等的缺陷或不均勻，光纖中傳導(dǎo)的光散射，從而使一部分光不能到達(dá)收端所產(chǎn)生的損耗稱為散射損耗。散射損耗包括線性散射損耗和非線性散射損耗。線性和非線性主要是指散射損耗所引起的損耗功率與傳播模式的功率是否成線性關(guān)系。線性散射損耗主要包括瑞利散射損耗和波導(dǎo)散射損耗，非線性散射損耗主要包括受激拉曼散射和受激布里淵散射等。3.附加損耗附加損耗屬于來自外部的損耗，稱為應(yīng)用損耗或輻射損耗。如在成纜、施工安裝和使用運(yùn)行中使光纖扭曲、側(cè)壓等造成光纖宏彎曲和微彎曲所形成的損耗等。微彎曲是在光纖成纜時(shí)隨機(jī)性彎曲產(chǎn)生的，所引起附加損耗一般很小，光纖宏彎曲損耗是最主要的。在光纜接續(xù)和施工過程中，不可避免地出現(xiàn)彎曲，彎曲到一定曲率半徑時(shí)，會(huì)產(chǎn)生輻射損耗。（1）宏彎曲：如果光纖彎曲半徑比光纖直徑大得多，稱為宏彎曲損耗αT，如圖2-5-2所示。圖2-5-2光纖宏彎曲損耗宏彎曲損耗可近似表示為αT=C1exp(－C2R)式中，R為光纖彎曲的曲率半徑，C1與C2為與曲率半徑R無關(guān)的常數(shù)。宏彎曲比較輕微，附加損耗很小，但隨著彎曲曲率半徑的減小，損耗按指數(shù)增大。到達(dá)某個(gè)臨界值Rc時(shí)，若進(jìn)一步減小彎曲半徑，損耗會(huì)突然變得非常大，甚至導(dǎo)致傳輸中斷。Rc估算公式為（2）光纖微彎曲是由于護(hù)套不均勻或成纜時(shí)產(chǎn)生不均勻側(cè)向壓力引起的，造成光纖軸線的曲率半徑重復(fù)變化。這時(shí)彎曲的曲率半徑不一定小于臨界半徑，但這種周期性變化引起光纖中導(dǎo)模與輻射模間反復(fù)耦合，使一部分光能量變成輻射模損耗掉，如圖2-5-3所示。光纖微彎曲損耗國際電信聯(lián)盟－電信標(biāo)準(zhǔn)部ITU-T(TelecommunicationStandardizationSectorofInternationalTelecommunicationUnion)公布的幾種光纖標(biāo)準(zhǔn)如下：

1.G.651光纖（漸變多模光纖）

G.651光纖的工作波長有兩種：1310nm和1550nm。在1310nm處具有最小色散值，在1550nm處具有最小衰減系數(shù)。按照纖芯/包層尺寸，G.651進(jìn)一步分為4種，它們的纖芯/包層直徑/數(shù)值孔徑分別為50/125/0.200，62.5/125/0.275，85/125/0.275和100/140/0.316.

三、光纖產(chǎn)品介紹2.G.652光纖（標(biāo)準(zhǔn)單模光纖/非色散位移單模光纖）

G.652是零色散波長在1310nm處的單模光纖，它的傳輸距離一般只受光纖衰減的限制。在1310nm處，該光纖的衰減率達(dá)到0.3~0.4dB/km。目前已經(jīng)鋪設(shè)的光纜線路絕大部分都采用這種光纖，該光纖也可用于1.55波段、2.5Gb/s的干線傳輸，雖然在1550nm處的色散較大，為20 ，但如果采用高性能的電吸收調(diào)制器，傳輸距離可達(dá)600公里。但如果傳輸?shù)臄?shù)據(jù)速率達(dá)10Gb/s，只能傳輸50公里。

3.G.653光纖（色散位移光纖）

G.653光纖由于零色散與低衰減不在同一波長上，使工程應(yīng)用受到很大限制，而G.653則把零色散點(diǎn)從1.31處移到了1.55處，所以也稱G.653為色散位移光纖。它是單波長傳輸?shù)淖罴堰x擇，但是對(duì)多信道應(yīng)用而言，由于各信道光波之間的相位匹配很好，四波混頻效應(yīng)較強(qiáng)，會(huì)產(chǎn)生非常嚴(yán)重的干擾產(chǎn)物，所以不適合于DWDM系統(tǒng)，目前已不再鋪設(shè)。DWDM指密集波分復(fù)用，這是一項(xiàng)用來在現(xiàn)有的光纖骨干網(wǎng)上提高帶寬的激光技術(shù)。更確切地說，該技術(shù)是在一根指定的光纖中，多路復(fù)用單個(gè)光纖載波的緊密光譜間距，以便利用可以達(dá)到的傳輸性能（例如，達(dá)到最小程度的色散或者衰減），這樣，在給定的信息傳輸容量下，就可以減少所需要的光纖的總數(shù)量。4.G.654光纖（衰減最小光纖）這種光纖是為了滿足海底光纜長距離通信的需求而研制的，其特點(diǎn)是在1.55的衰減很小，僅為0.185dB/km，但在該波長處的色散較大，約為17~20，其零色散點(diǎn)在1.31μm處。5.G.655光纖（非零色散位移光纖）

G.655光纖是一種改進(jìn)型的色散移位光纖，與G.653相比，其零色散點(diǎn)不在1.55um處，而是在1.525um或者1.585um處，1.55um處有適當(dāng)?shù)奈⒘可?。G.655光纖適用于密集波分復(fù)用DWDM系統(tǒng)中，光纖中存在少量色散，四波混頻反而減少。另外還有，G656，色散補(bǔ)償光纖等等。第三章光纖原材料第一節(jié)材料的選擇原則一、選擇原則1、光纖原材料的選擇原則(光衰減、折射率、成纖能力、物理性能、生產(chǎn)成本)(1)成型方便：材料必須能夠制成細(xì)長、柔軟的光纖；

(2)透明材料：使光纖在特定的光波長有效的導(dǎo)光；

(3)性能兼容：保證光纖芯/包層物理性能的彼此適應(yīng)，我們必須選用那些具有微小的折射率差，但物理性能彼此相近的材料；

(4)材料成本：來源豐富，價(jià)格便宜；

(5)其它：良好的化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度。2、各種原材料的介紹(1)氣體材料：光衰減極??；折射率難控制；(2)液體材料：(液體充滿細(xì)玻璃管的纖維)

液體的折射率隨溫度變化顯著，致使精確的保持波導(dǎo)特性變得極為不易；僅能制造出階躍型折射率分布的多模光纖；(3)固體材料：傳輸衰減較大(紫外、紅外的電子躍遷和分子振動(dòng))——強(qiáng)吸收峰彼此遠(yuǎn)離的材料；光學(xué)性能穩(wěn)定，與光的相互作用較強(qiáng)；選擇石英玻璃作為光纖原材料的原因？石英玻璃在常溫下呈現(xiàn)為固體，具有很高的透可見光和近紅外的能力，且具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和高的機(jī)械強(qiáng)度，通過摻雜某些氧化物，例如，GeO2或者C2F6(六氟乙烷)很容易的增加或者降低石英玻璃的折射率，另外，石英玻璃的原料價(jià)格低廉。因此作為低衰減光纖原材料，石英玻璃是最適合的原材料之一。1、纖芯：(1)材質(zhì)：二氧化硅SiO2(參雜：P2O5、GeO2)

目的：提高材料的光折射率；

(2)規(guī)格：多模光纖50或62.5；單芯4-10微米

(3)作用：傳輸光能；二、光纖各部分的材料2、包層：(1)材質(zhì)：SiO2(參雜：B2O3或F)

目的：降低材料的光折射率

(2)規(guī)格：100-150微米

(3)作用：為光的傳輸提供反射面和光隔離面，使光波限制在纖芯中；并起一定的機(jī)械保護(hù)作用。3、涂覆層(1)材質(zhì)：一次涂敷層是為了保護(hù)裸纖而在其表面涂上的聚氨基甲酸乙脂或硅酮樹脂層；二次涂覆層，多采用聚乙烯塑料或聚丙烯塑料、尼龍等材料。

(2)規(guī)格：30-150微米

(3)作用①由于裸光纖的主要成份是二氧化硅，它是一種易碎脆性材料，抗彎曲性能差，為提高光纖的力學(xué)性能，尤其是其微彎特性，涂覆一層或多層高分子材料，改善裸光纖的力學(xué)性能。②當(dāng)裸光纖拉制成絲后，在其表面或內(nèi)部存在著一些微裂紋和缺陷，如遇到空氣中的水分子后會(huì)與其發(fā)生水合反應(yīng)，使Si--O鍵斷裂，產(chǎn)生OH-羥基引起光纖出現(xiàn)微裂紋，如光纖自身已存在微裂紋，則使裂紋發(fā)生擴(kuò)展生長，最終導(dǎo)致光纖強(qiáng)度降低，直到斷裂。為改善光纖的固有強(qiáng)度并阻止裂紋的生長擴(kuò)展必須在裸光纖表面涂覆高分子材料。

③由于裸光纖與空氣中的水分子發(fā)生水合反應(yīng)，將生成大量的羥基OH-，會(huì)增大光纖的吸收衰減，為減少光纖的吸收衰減必須涂覆涂覆層。

④SiO2+H2O=Si-OH-，防止光纖間的相互磨損。材料類型材料功能材料種類作用工藝石英玻璃結(jié)構(gòu)材料沉積管：高純石英玻璃管供促改進(jìn)的化學(xué)氣相沉積、等離子氣相沉積工藝氣相沉積液體鹵化物基本材料：SiCl4摻雜劑：GeCl4供促改進(jìn)的化學(xué)氣相沉積、等離子氣相沉積工藝、外部氣相沉積、軸向氣相沉積工藝使用、已構(gòu)成光纖波導(dǎo)結(jié)構(gòu)氣體摻雜劑：C2F6功能材料N2、Cl2、Ar2保護(hù)、脫水和固化燃燒氣體H2、O2、CH4反應(yīng)能源第二節(jié)材料分類材料類型材料功能材料種類作用工藝塑料結(jié)構(gòu)材料纖芯：F-PMMA包層：PMMA構(gòu)成新型光纖波導(dǎo)結(jié)構(gòu)界面凝膠或擠壓擴(kuò)散或高速離心擴(kuò)散光子晶體結(jié)構(gòu)材料纖芯：石英玻璃或空氣；塑料或空氣包層：石英玻璃或塑料構(gòu)成新型光纖波導(dǎo)結(jié)構(gòu)空心管成束或預(yù)制棒打孔拉絲摻稀土元素功能材料纖芯：摻稀土元素石英包層：石英玻璃構(gòu)成功能光纖氣相沉積+液體摻雜預(yù)涂敷料保護(hù)光纖密封涂覆：無定形碳以及金屬鋁光纖表面保護(hù)紫外光固化或者熱固化內(nèi)護(hù)涂覆：環(huán)氧丙烯酸樹脂或有機(jī)硅樹脂外層涂覆：環(huán)氧丙烯酸樹脂或有機(jī)硅樹脂緩解作用在光纖上的機(jī)械外力著色涂料光纖著色加入色料的光纖預(yù)涂敷料便于光纜中光纖的識(shí)別紫外光固化或者熱固化目前制造通信光纖和光器件的光纖材料有：石英玻璃、塑料、光子晶體和摻稀土元素的石英玻璃。第三節(jié)光纖原材料一、石英玻璃原材料1、材料種類與作用石英玻璃光纖生產(chǎn)工藝過程包含有許多具體的工藝步驟：芯棒制造、外包層、拉絲和涂覆。(不同的工藝階段采用不同的材料，同一種材料在不同的工藝階段要求也不同)2、主體原材料(SiCl4)金屬鹵化物+氧/水→金屬氧化物→構(gòu)成玻璃成分。高純SiCl4→石英玻璃光纖預(yù)制棒→光纖(可見，SiCl4的純度直接影響光纖的傳輸性能)，為了降低光纖損耗，SiCl4必須經(jīng)過嚴(yán)格的提純，除去有害的過渡金屬(Cu、Fe、Co等)離子、含氫化合物和碳?xì)浠衔锏扔泻ξ镔|(zhì)。3、摻雜原材料(GeCl4、CCl3F3氟里昂、C2F6六氟乙烷)(1)GeCl4的作用：提高纖芯的折射率(2)CCl3F3、C2F6的作用：①降低光纖包層的折射率；

②作為沉積反應(yīng)管內(nèi)表面的腐蝕拋光劑，使石英玻璃管內(nèi)表面光滑、清潔、干燥，有利于提高光纖強(qiáng)度，降低損耗；③在預(yù)制成棒時(shí)，作為腐蝕劑減小由于GeO2在成棒時(shí)的高溫?fù)]發(fā)而造成的中心下陷。二、石英玻璃1、來源石英玻璃管主要早期是通過天然水晶熔制而成；目前，采用合成石英玻璃管(SiCl4高溫水解制成坯體，在經(jīng)過脫水燒結(jié)和拉管而成)。2、生產(chǎn)SiCl4+O2→SiO2+2Cl2(1700℃)制的的二氧化硅極純

3、熔融石英玻璃的基本物理性能性能單位數(shù)值密度g/cm32.2軟化點(diǎn)℃1730抗拉強(qiáng)度MPa50彎曲強(qiáng)度MPa66.6抗扭強(qiáng)度MPa29.4楊氏模量EN/mm272900剪切模量GN/mm233000線性膨脹系數(shù)αK-15.5×10-7溫度每變化1℃材料長度變化的百分率

胡克定律：在物體的彈性限度內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變成正比，其比例系數(shù)稱為楊氏模量

E=σ/ε

剪切應(yīng)力與應(yīng)變的比值

特點(diǎn)：(1)耐高溫性能：軟化點(diǎn)與白金熔點(diǎn)相近；(2)熱膨脹系數(shù)小：相當(dāng)于陶瓷的1/6，普通玻璃的1/20(3)光譜特性極佳：在紫外、可見到紅外有良好的透過性(4)耐酸性材料；(5)絕緣性能好、介電損耗?。焊邷仉娮柚迪喈?dāng)于普通玻璃的10000倍；(6)可制得高純的材料：金屬離子總量為10-6。

4、性能計(jì)算已知熔融石英玻璃的密度為ρ=2.2g/cm3，楊氏模量E=72900N/mm2，線膨脹系數(shù)α=5.5×10-7，問：溫度引起的光纖長度的變化量？光纖長度L=1km，溫度變化范圍由20℃升至40℃，即ΔT=20K；解：ΔL=αΔTL=1.1cm(2)光纖質(zhì)量？直徑d=125微米，長度L=1km的無涂覆層的融融石英玻璃光纖；

解：=0.0123mm2；質(zhì)量M=ρAL=27g

(3)光纖的應(yīng)力和應(yīng)變？直徑d=125微米，所加的張力F=424N；胡克定律σ=Eε解：應(yīng)力σ=F/A=345N/mm2，應(yīng)變?chǔ)?σ/E=4.73×10-3

第四節(jié)材料對(duì)光纖傳輸特性的影響

一、材料對(duì)光纖衰減的影響通信光纖所用的材料是石英玻璃和摻雜石英玻璃。通信光纖的四大特性：良好的幾何特性、傳輸特性、機(jī)械特性和環(huán)境特性。傳輸衰減：本證損耗：多聲子吸收、紫外吸收損耗；非本征損耗：雜質(zhì)吸收、光纖波導(dǎo)結(jié)構(gòu)不夠完善等。1、多聲子吸收玻璃是由硅氧四面體組成的三維無序結(jié)構(gòu)，SiO2的聲子吸收帶與硅氧四面體分子的基本振動(dòng)相對(duì)應(yīng)。純石英玻璃的強(qiáng)吸收帶位于9.1微米、12.5微米、21微米。純SiO2的多聲子吸收系數(shù)可由下式求得：摻雜GeO2的石英玻璃中，吸收帶并非SiO2和GeO2得吸收光譜的簡單疊加，而吸收光譜更寬且更分散，摻雜10wt%的石英玻璃吸收光譜與非摻雜石英玻璃吸收光譜幾乎完全相同，所不同的是摻雜GeO2的石英玻璃吸收光譜峰值向長波長方向偏移。

2、紫外吸收和拖尾

拖尾：在吸收光譜中，峰尾需要很長時(shí)間才好回到基線，導(dǎo)致峰的左右不對(duì)稱。在石英玻璃的紫外反射光譜中，10.2eV、11.7eV、14.0eV、17.3eV四個(gè)吸收帶。摻雜石英玻璃的紫外吸收峰波長比石英玻璃的紫外吸收峰的波長要長，所以可以變換摻雜元素的種類和數(shù)量可改善摻雜石英玻璃的吸收拖尾。GeO2含量的增加→拖尾向更長的波長區(qū)域遷移。紫外系數(shù)：

3、雜質(zhì)吸收(1)過渡金屬過渡金屬：Fe、Cu、Ni、Mn、Co、Cr、V、Pt

過渡金屬元素具有α電子結(jié)構(gòu)→α電子躍遷→吸收損耗來源：石英玻璃的原料中(2)氫氧根表31×10-6水而引起的吸收損耗和波長的關(guān)系波長/微米衰減/(dB/km)0.680.0040.720.070.820.040.880.090.951.01.130.111.242.81.3866.31.9010.32.222602.7210000增大由表可見：在0.95微米的吸收損耗為1.0dB/km；在1微米以上，氫氧根引起的吸收損耗急劇增加，1.38微米處為65dB/km；對(duì)于波長為1.0～1.35微米和1.45～1.8微米兩個(gè)波段的吸收損耗影響最大，所以工作波長為1.28～1.625微米低損耗的單模光纖，必除水分。

二、折射率1、色散模式色散、材料色散、波導(dǎo)色散；2、溫度關(guān)系在高溫條件下，純石英玻璃和摻雜石英玻璃折射率隨波長的延長而呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。(1)溫度與折射率的關(guān)系光脈沖通過長度為L的光纖的時(shí)延：

N—光線材料折射率C—光速對(duì)T求導(dǎo)得：

(2)光纖溫度時(shí)延漂移常數(shù)Kf：單位長度、單位溫度的間隔時(shí)延變化量作業(yè)：設(shè)玻璃光纖的熱膨脹系數(shù)為5.5×10-7/℃，SiO2材料在

1310nm處的折射率為1.46，折射率隨溫度的變化大約為1×10-5/℃，求Kf

三、熱膨脹系數(shù)α構(gòu)成光纖包層的石英玻璃的α較小；構(gòu)成光纖纖芯的摻雜石英的α較大→在纖芯/包層界面處一定產(chǎn)生應(yīng)力→光纖產(chǎn)生附近損耗→在光纖預(yù)制棒設(shè)計(jì)中應(yīng)選用熱膨脹系數(shù)比較接近的材料來制造光纖預(yù)制棒。第四章光纖制造工藝一、概述1、光纖性能的影響因素：材料組成、結(jié)構(gòu)、波導(dǎo)結(jié)構(gòu)(折射率分布)和制造工藝。第一節(jié)工藝方法的分類2、光纖制造工藝要求(1)光纖的質(zhì)量在很大程度上取決于原材料的純度，用作原料的化學(xué)試劑需嚴(yán)格提純，其金屬雜質(zhì)含量應(yīng)小于幾個(gè)ppb，含氫化合物的含量應(yīng)小于1ppm，參與反應(yīng)的氧氣和其他氣體的純度應(yīng)為6個(gè)9（99.9999％）以上。

ppb是表示液體濃度的一種單位符號(hào)。一般讀作十億分之一，即10的-9次方的代表符號(hào)。類似的還有ppm，ppt等，分別是-6次和-12次。(2)光纖制造應(yīng)在凈化恒溫的環(huán)境中進(jìn)行，光纖預(yù)制棒、拉絲、測量等工序均應(yīng)在10000級(jí)以上潔凈度的凈化車間中進(jìn)行。在光纖拉絲爐光纖成形部位應(yīng)達(dá)100級(jí)以上。光纖預(yù)制棒的沉積區(qū)應(yīng)在密封環(huán)境中進(jìn)行。光纖制造設(shè)備上所有氣體管道在工作間歇期間，均應(yīng)充氮?dú)獗Ｗo(hù)，避免空氣中潮氣進(jìn)入管道，影響光纖性能。(3)光纖質(zhì)量的穩(wěn)定取決于加工工藝參數(shù)的穩(wěn)定。光纖的制備不僅需要一整套精密的生產(chǎn)設(shè)備和控制系統(tǒng)，尤其重要的是要長期保持加工工藝參數(shù)的穩(wěn)定，必須配備一整套的用來檢測和校正光纖加工設(shè)備各部件的運(yùn)行參數(shù)的設(shè)施和裝置。潔凈度指潔凈空氣中空氣含塵（包括微生物）量多少的程度。

▲通信光纖大都采用石英玻璃為基礎(chǔ)材料，通過氣相沉積方法向基礎(chǔ)材料摻雜(Ge、F)來改變折射率分布結(jié)構(gòu)；由于石英玻璃的優(yōu)異性能與氣相沉積法能夠精確地調(diào)整折射率分布結(jié)構(gòu)，所以目前多采用石英玻璃與氣相沉積法制造通信光纖。3、工藝方法一步法：預(yù)制棒的芯/包層都是由氣相沉積工藝完成二步法：氣相沉積芯棒技術(shù)+外包技術(shù)(大尺寸的預(yù)制棒可降低成本、提高生產(chǎn)效率)4、工藝分類方法

(1)氣相沉積技術(shù)芯棒：①外部化學(xué)氣相沉積法(OVD)②軸向化學(xué)氣相沉積法(VAD)③改進(jìn)的化學(xué)氣相沉積法(MCVD)④等離子化學(xué)氣相沉積法(PCVD)

美國康寧公司在1974年開發(fā)成功，1980年全面投入使用。美國阿爾卡特公司在1974年開發(fā)，又稱管內(nèi)化學(xué)氣相沉積法日本NTT公司在1977年開發(fā)

荷蘭菲利浦公司開發(fā)

外包層：①套管法②粉末法③等離子噴涂法(2)非氣相沉積技術(shù)：①界面凝膠②機(jī)械擠壓法③管束拉絲法④溶膠-凝膠⑤打孔拉絲法

第二節(jié)氣相沉積工藝一、芯棒技術(shù)1、原理：將液態(tài)的SiCl4和GeCl4等鹵化物氣體，在一定條件下進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)而生成摻雜的高純石英玻璃。

——可嚴(yán)格控制金屬離子。

2、工藝流程3．SiO2光纖原料試劑與制備制備SiO2石英系光纖的主要原料多數(shù)采用一些高純度的液態(tài)鹵化物化學(xué)試劑，如四氯化硅（SiCl4）、四氯化鍺（GeCl4）、三氯氧磷（POCl3）、三氯化硼（BCl3）、三氯化鋁（AlCl3）、溴化硼（BBr3）、氣態(tài)的六氟化硫（SF6）、四氟化二碳(C2F4)等。這些液態(tài)試劑在常溫下呈無色的透明液體，有刺鼻氣味，易水解，在潮濕空氣中強(qiáng)烈發(fā)煙，同時(shí)放出熱量，屬放熱反應(yīng)。以SiCl4為例，它的水解化學(xué)反應(yīng)式如下：SiCl4+2H2O4HCl+SiO2

SiCl4+4H2OH4SiO4(硅酸)

+4HClSiCl4是制備光纖的主要材料，占光纖成分總量的85％～95％。Si+2Cl2→SiCl4↑

控制氯氣的注量：反應(yīng)為放熱反應(yīng)，爐內(nèi)溫度隨著反應(yīng)加劇而升高，所以要控制氯氣的注量，防止反應(yīng)溫度過高，生成Si2Cl6和Si3Cl8。SiCl4的制備可采用多種方法，最常用的方法是采用工業(yè)硅在高溫下氯化制得粗SiCl4，化學(xué)反應(yīng)如下：4、SiO2光纖原料的提純經(jīng)大量研究表明，用來制造光纖的各種原料純度應(yīng)達(dá)到99.9999％，或者雜質(zhì)含量要小于10-6。大部分鹵化物材料都達(dá)不到如此高的純度，必須對(duì)原料進(jìn)行提純處理。鹵化物試劑目前已有成熟的提純技術(shù)，如精餾法，吸附法或精餾吸附混合法。目前在光纖原料提純工藝中，廣泛采用的是“精餾－吸附－精餾”混合提純法。一般情況下，SiCl4中可能存在的雜質(zhì)有四類：金屬氧化物、非金屬氧化物、含氫化合物和絡(luò)合物。其中金屬氧化物和某些非金屬氧化物的沸點(diǎn)和光纖化學(xué)試劑的沸點(diǎn)相差很大，可采用精餾法除去，即在精餾工藝中把它們作為高、低沸點(diǎn)組分除去。然而，精餾法對(duì)沸點(diǎn)與SiCl4（57.6℃）相近的組分雜質(zhì)及某些極性雜質(zhì)不能最大限度的除去。例如：在SiCl4中對(duì)衰減危害最大的OH-離子，大多有極性，趨向于形成化學(xué)鍵，容易被吸附劑所吸收，而SiCl4是偶極矩為零的非極性分子。有著不能或者很少形成化學(xué)鍵的穩(wěn)定電子結(jié)構(gòu)，不易被吸附劑吸附，因此，利用被提純物質(zhì)和雜質(zhì)的化學(xué)鍵極性的不同，選擇適當(dāng)?shù)奈絼行У剡x擇性地進(jìn)行吸附分離，可以達(dá)到進(jìn)一步提純極性雜質(zhì)的目的。常用的摻雜劑對(duì)石英玻璃折射率變化的作用二、芯棒工藝氣相沉積法的基本工作原理：首先將經(jīng)提純的液態(tài)SiCl4和起摻雜作用的液態(tài)鹵化物，并在一定條件下進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)而生成摻雜的高純石英玻璃。由于該方法選用的原料純度極高，加之氣相沉積工藝中選用高純度的氧氣作為載氣，將汽化后的鹵化物氣體帶入反應(yīng)區(qū)，從而可進(jìn)一步提純反應(yīng)物的純度，達(dá)到嚴(yán)格控制過渡金屬離子和OH-羥基的目的。1、改進(jìn)的化學(xué)氣相沉積法(MCVD)管內(nèi)化學(xué)氣相沉積法，是目前制作高質(zhì)量石英系玻璃光纖穩(wěn)定可靠的方法，它又稱為“改進(jìn)的化學(xué)氣相沉積法”（MCVD）。MCVD法的特點(diǎn)是在一根石英包皮管內(nèi)沉積內(nèi)包皮層和芯層玻璃，整個(gè)系統(tǒng)是處于全封閉的超提純狀態(tài)，所以用這種方法制得的預(yù)制棒純度非常的高，可以用來生產(chǎn)高質(zhì)量的單模和多模光纖。(1)系統(tǒng)組成

將一根石英玻璃管（200×20mm）安裝在臥式玻璃車床的兩個(gè)同步旋轉(zhuǎn)卡盤上，反應(yīng)管的一端與化學(xué)原料供應(yīng)系統(tǒng)相連，以便將各種化學(xué)原料按照流量進(jìn)行混合并輸入到反應(yīng)管中，反應(yīng)管的另一端與反應(yīng)尾氣及粉塵處理設(shè)備相連，反應(yīng)管下方有噴燈，以可控的速度沿反應(yīng)管縱向平移對(duì)其加熱。(2)工藝流程

1)沉積第一步熔煉光纖預(yù)制棒的內(nèi)包層玻璃制備內(nèi)包層玻璃時(shí)，由于要求其折射率稍低于芯層的折射率。主體材料：四氯化硅（SiCl4）；低折射率摻雜材料：氟利昂（CF2Cl2）、六氟化硫；載氣：O2或Ar；輔助材料：脫泡劑（He）、干燥劑（三氯氧磷POCl3或Cl2）。

首先利用超純氧氣O2或氬氣Ar作為載運(yùn)氣體，通過蒸發(fā)瓶將已汽化的飽和蒸氣SiCl4和摻雜劑(CF2Cl2)經(jīng)氣體轉(zhuǎn)輸裝置導(dǎo)入石英包皮管中，這里，純氧氣一方面起載氣作用，另一方面起反應(yīng)氣體的作用，它的純度一定要滿足要求。然后，啟動(dòng)玻璃車床，以幾十轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速使其旋轉(zhuǎn)，并用1400～1600℃高溫氫氧火焰加熱石英包皮管的外壁，氫氧噴燈按一定速度左右往復(fù)地移動(dòng)，氫氧火焰每移動(dòng)一次，就會(huì)在石英包皮管的內(nèi)壁上沉積一層透明的SiO2-SiF4