光纖通信技術(shù)第二章第一節(jié)

第2章 光纖和光纜

2/1/20241初識光纖

光纖為什么會像金屬導(dǎo)線那樣能夠傳輸信號呢？在這里首先我們要清楚光纖到底是什么東西。光纖為光導(dǎo)纖維的簡稱，由直徑大約為0.1mm的細玻璃絲構(gòu)成。它透明、纖細，雖比頭發(fā)絲還細，卻具有把光封閉在其中并沿軸向進行傳播的導(dǎo)波結(jié)構(gòu).2/1/202422.1光纖的結(jié)構(gòu)和類型

2.1.1光纖的結(jié)構(gòu)

1.光纖結(jié)構(gòu)光纖由纖芯、包層和涂覆層3部分組成，如圖2-1所示。圖2-1光纖的結(jié)構(gòu)2/1/202432.1光纖的結(jié)構(gòu)和類型（1）纖芯：纖芯位于光纖的中心部位。直徑d1=4μm～50μm，單模光纖的纖芯為4μm～10μm，多模光纖的纖芯為50μm。纖芯的成分是高純度SiO2，摻有極少量的摻雜劑（如GeO2，P2O5），作用是提高纖芯對光的折射率（n1），以傳輸光信號。（2）包層：包層位于纖芯的周圍。直徑d2=125μm，其成分也是含有極少量摻雜劑的高純度SiO2。而摻雜劑（如B2O3）的作用則是適當降低包層對光的折射率（n2），使之略低于纖芯的折射率，即n1＞n2，它使得光信號封閉在纖芯中傳輸。2/1/202442.1光纖的結(jié)構(gòu)和類型（3）涂覆層：光纖的最外層為涂覆層，包括一次涂覆層，緩沖層和二次涂覆層。一次涂覆層一般使用丙烯酸酯、有機硅或硅橡膠材料；緩沖層一般為性能良好的填充油膏；二次涂覆層一般多用聚丙烯或尼龍等高聚物。

涂覆的作用是保護光纖不受水汽侵蝕和機械擦傷，同時又增加了光纖的機械強度與可彎曲性，起著延長光纖壽命的作用。涂覆后的光纖其外徑約1.5mm。通常所說的光纖為此種光纖。2/1/202452.1光纖的結(jié)構(gòu)和類型

緊套光纖與松套光纖緊套光纖就是在一次涂覆的光纖上再緊緊地套上一層尼龍或聚乙烯等塑料套管，光纖在套管內(nèi)不能自由活動。松套光纖，就是在光纖涂覆層外面再套上一層塑料套管，光纖可以在套管中自由活動。圖2-2套塑光纖結(jié)構(gòu)2/1/202462.1光纖的結(jié)構(gòu)和類型

2．光纖的折射率分布與光線的傳播圖2-3所示為兩種典型光纖的折射率分布情況。一種稱為階躍折射率光纖；另一種稱為漸變折射率光纖，如圖2-3（a）、（b）所示。圖2-3光纖的折射率分布2/1/20247

2.1光纖的結(jié)構(gòu)和類型光在階躍折射率光纖和漸變折射率光纖的傳播軌跡分別如圖2-5和圖2-6所示。圖2-5

光在階躍折射率多模光纖中的傳播圖2-6光在漸變折射率多模光纖中的傳播2/1/202482.1.2光纖的分類若按傳輸模的數(shù)量分類可分為多模光纖和單模光纖若按傳輸波長分類可分為短波長光纖和長波長光纖若按套塑結(jié)構(gòu)分類可分為緊套光纖和松套光纖2/1/202492.1.2光纖的分類

1．按傳輸模數(shù)分類按傳輸模的數(shù)量不同，光纖分為多模光纖和單模光纖。傳播模式概念：當光在光纖中傳播時，如果光纖纖芯的幾何尺寸遠大于光波波長時，光在光纖中會以幾十種乃至幾百種傳播模式進行傳播。如圖2-4所示。這些不同的光束稱為模式。圖2-4

光在階躍折射率光纖中的傳播2/1/2024102.1.2光纖的分類（1）多模光纖

當光纖的幾何尺寸（主要是芯徑d1）遠大于光波波長時（約1μm），光纖傳輸?shù)倪^程中會存在著幾十種乃至幾百種傳輸模式，這樣的光纖稱為多模光纖。如圖2-5和圖2-6所示。（2）單模光纖

當光纖的幾何尺寸（主要是芯徑d1

）較小，與光波長在同一數(shù)量級，如芯徑d1

在4μm～10μm范圍，這時，光纖只允許一種模式（基模）在其中傳播，其余的高次模全部截止，這樣的光纖稱為單模光纖。如圖2-7所示。2/1/2024112.1.2光纖的分類

2．按傳輸波長分類光纖可分為短波長光纖和長波長光纖。短波長光纖的波長為0.85μm（0.8μm～0.9μm）長波長光纖的波長為1.3μm～1.6μm，主要有1.31μm和1.55μm兩個窗口。

3．按套塑結(jié)構(gòu)分類按套塑結(jié)構(gòu)不同，光纖可分為緊套光纖和松套光纖。

2/1/2024122.光纖制造工藝2/1/2024132.2光纖的材料制作在這一節(jié)中主要介紹石英光纖的制作工藝。石英光纖的制造工藝大致可以分為兩個階段，即光纖預(yù)制棒的制造和預(yù)制棒拉制光纖。

2.2.2預(yù)制棒拉絲2

2.2.1預(yù)制棒的制造方法12/1/2024142.2光纖的材料制作

2.2.1預(yù)制棒的制造方法預(yù)制棒的制造方法很多，常見的方法有：外氣相沉積法(OVPO)、氣相軸向沉積法(VPAD)、改進的化學(xué)氣相沉積法(MCVD)、等離子體激活化學(xué)氣相沉積法(PCVD)。下面分別加以介紹。1．OVPO法OVPO法是CorningClassWork公司用于制造第一根損耗小于20dB/km

的石英光纖的方法。該方法采用以下化學(xué)反應(yīng)：2/1/2024152.2光纖的材料制作以石英、石墨或陶瓷棒作為中心棒，在中心棒外沉積粉塵，然后抽掉中心棒，高溫?zé)Y(jié)成預(yù)制棒，制造示意圖如圖2.5所示。圖2.5OVPO法2/1/2024162.2光纖的材料制作

OVPO法的基本步驟如下：

(1)中心棒在噴嘴下方，勻速旋轉(zhuǎn)并來回平移，以便在中心棒外形成粉塵的均勻沉積。

(2)控制氣體流量成分，可以使預(yù)制棒折射率分布是階躍的，或是漸變的。

(3)沉積過程完成后，經(jīng)過脫水處理后，抽出中心棒，在高溫爐中將粉塵狀預(yù)制棒燒結(jié)成透明玻璃預(yù)制棒。2/1/2024172.2光纖的材料制作

2.2.2預(yù)制棒拉絲預(yù)制棒制作完成，第二階段是將預(yù)制棒拉絲成為光纖。石英光纖拉絲機的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖2.9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。

2/1/202418圖2.9石英光纖拉絲機的結(jié)構(gòu)示意圖2/1/2024192.1.2光纖的分類

4．單模光纖的分類

ITU-T建議規(guī)范了G.652、G.653、G.654和G.655四種單模光纖。（1）G.652光纖

G.652光纖，也稱標準單模光纖（SMF），是指色散零點（即色散為零的波長）在1310nm附近的光纖。它的折射率分布如圖2-8