（电磁场与微波技术专业论文）对纯硅芯光纤特性的分析.pdf

北京交通人学硕十学位论文摘要 摘要 在未来超长距离的光纤传输系统中，具有低衰减、高稳定性的 单模光纤是必不可少的。本文所讨论的纯硅芯单模光纤就具有上面 的特点。对于传统石英系光纤，出于芯层中掺入q 等金属氧化 物而使瑞利散射损耗增加：同时，氧化物的掺入破坏了光纤在氢元 素和y 一射线辐射环境中的化学稳定性。纯硅芯单模光纤由于在芯 层中没有掺杂，因此具有很好的化学稳定性。出理论和实验表明， 光纤巾的损耗主要来自于光纤材料的瑞利敞射损耗和吸收损耗两 个部分。其r f j f ；5 乏收损耗山紫外吸收、红外吸收和氢氧根离予吸收损 耗构成。瑞利敞射损耗足山光纤材料中不可避免的随机密度或浓度 波动引起的。在光纤的制造王艺中存在着r i ：多引入损耗的因素。通 过对多种制造的比较以及对纯硅芯单模光纤其结构特点的分析， 总结了适用于纯硅芯光纤的制造工艺。在前面理论分析的基础上， 分析了纯硅芯光纤的瑞利散射损耗特性，得到了光纤结构参数芯径 和相对折射率差与瑞利散射损耗的关系。分析表明，单模光纤的瑞 利散射损耗与功率限制因子密切相关，在纯硅芯单模光纤中的瑞利 散射损耗主要由芯径大小决定。通过对实际拉制的纯硅芯光纤的测 试，证明了这种方法是具有明显效果的。论文的这个结论对于纯硅 芯光纤的设计和制造具有指导意义。 关键词；纯硅芯光纤、损耗、预制棒、拉丝 北京变通人学硕 二学位论文 摘要 a b s t r a c t s i n g l e 棚o d ef i b e f s 、v i t l lv e 叫l o wa 舵n u a t j o n a i l ds u 币c j e n t t e l i a b 弧y a r ei n d i s p e n s a b l el o rt h ef u t i l r e u i t r a l o n gs p a i lo p t i c a l t r a n s m i s s i o ns y s t e m a so n ep r o m i s i n gc a n d i d a t ef o rs u c hh i 曲一g f a d e n b e r ap u r e - s i l i c a c o r es i n g l e m o d en b e ri si n t r o d u c e di nt sp a p e r 。 g e n e r a i l y ，a st h ea m o 蚴to fm e t a lo x j d ea d d i t i v c ss u c ha s 伉j n t h ec o r ci n c r e a s e s ，t h cr a y l e i g hs c a t t e r i n gl o s si n c r e a s e s a d d i t i o n a l l y t h eo x i d ea d d i t i v e sd e t c r i o r a t et i l ec h e m i c a is t a b i j i t yo ft h ei b c ru n d c r t h cc x i s t e n c eo fh y d r o g e na n dy r a yi 兀。a d i a t i o n t h ep u r c - s i l i c a c o r e s i n 9 1 e m o d ef i b e r ，w h i c hc o n t a i n sn oa d d i t i v e s nt h ec o r e ，h e n c e f c a t u r c si m p r o v e dc h e m i c a ls t a b j l i t yd e r i v e df 沁mt h ea b s e n c eo fm e t a l o x i d ea d d i t i v e s t h eo p t i c a l1 0 s sp 门) p e n yo fs i l i c af i b e r sh a sb c e n i n v e s t i g a t e dt l e o r e t i c a l l ya n de x p e r i m e n t a l l yb a s e do nt h e j rr a y l e i 曲 s c a n e r i n g a 1 1 d a b s o r p t i o n l o s s e s n l e a b s o 巾t i o n 1 0 s sc o n t a j n s u l n a v i o l e ta b s o r p t i o n ，i h r e da b s o r p t i o n ，a 1 1 d0 ha b s o r p t i o n t h e c a u s eo ft 1 1 e r a y l e i t hs c a t t e r i n g l o s si st l l er 卸d o mn u c t t i l l go f d e n s i 妙o rc o n s i s t e n c ei nt l l ef i b e r t h e r ea r ea l s os o m es t e p sw 1 1 i c h m a yc a u s e 】0 s s e sj nt h ep r o c e s so fm a k 主n g 矧) e r s b yc o m p 痂g d i 行b r e n t t e c l l l l i q u e s a n d a i l a i 妒血培 t 1 1 ec h a 忍c t c i j s t i c so ft h e p u r e s i l i c a c o r es i n 出e - m o d e 颤b c r w es i 】衄妇也et e c h n i q u ew h j c h i s a p p r o p r i a t e t om a k ep u 咒- s i l j c a 吒o r e s i l l g l e m o d e 矧) e r t h e 北京交通夫学碗上学位论立摘要 r a y l 秭g hs c a t t e n gp r o p e t t i e so fp u f e - s i l i c a c o r es i n g l e m o d e 矗b e ri s i n v e s t i g a t e d w eh a v ed i s c u s s e dt 1 1 er e l a t i o n 拙p sb e t w e e nt 1 1 ef i b e r s t r l 】c t u r ep a f a m e t e r s ( r a d i u so fc o r e ，r e l a t i v ei f l d e xd 蛹陪r e n c e ) a n dt h e r a y l e i g hs c a n e n gl o s s 1 1 1 e r ei sas 仃o n gc o n l a t i o nb c 细e e nt h e r a y l e i 曲s c a n e r i n g1 0 s s a 1 1 dt h e p o w c rc o n f i n e m e n t 最l c t o r t h e r a y l e i g hs c a r i n gl o s sd e p c n d sm a i n l yo i l t h ec o r cr a d i u sf 。r p u r e - s i i i c a c o r es i n g i e m o d e f i b e r t h em e t h o di s p f o v e d t ob e e f 托c t i v eb yt h ed a t ao ft h i sp u r e s i l i c a c o r e 胁e r t 1 1 ec o n c l u s i o ni s u s e m jf o r p u r e s j i 主c a c o r cs i n g l e 一巾o d e f i b c r d e s i g n i n g a n d m a n u f a c “j r e 1 ( c y w o r d s ：p u r e s i “c a - c o r cf i b e r ，i o s s ，p r c f 0 n 1 1 ，f i b e rd r a w i n g j 交通j 、掌 一蚍f 1 学位论上 奔一幸婿沦 第一章绪论 1 1 引言 自二十世纪七十年代光纤诞生以来，光纤通信技术一直在飞速发 展。光纤通信技术的发展包括光传输系统方面的不断进步及光纤本身 的推陈出新二者是相辅相成的：一方面系统的不断升级对光纤提出 新的要求，另一方面设计先进的光纤会促进系统性能的提升。光纤技 术的发展体现在其技术参数的改群雨l 优化主要包括衰减的降低、带 宽的扩展，色散、色敝斜率、有效面私 的优化以及偏振模包敞( p m d ) 的进一步改善。光纤衰减的降低为光纤通信系统的发展提供了必要的 祭仆。1 ：制造工艺的不断进步。晦1 ：5 ：f 光纤的褒减已经接近其i 咀沦极 限俩，纯n ：占光纤在这方面就具有很大的优纷。本文主要就纯砘芯光 纤的特性，制作：r ：艺，以及如f l i 降低其损耗方丽作了全而深入的分析 与研究。第1 2 节简要介绍光纤通信技术的发展现状；第1 3 。h 先将 纯硅芯光纤与传统石英光纤作了比较，并介绍了目前在纯硅芯光纤方 面的研究现状：第1 4 节为本论文的内容概要和结构安排。 1 2 飞速发展的光纤通信技术 一个典型的点对点强度调制一赢接检测( i m d d ) 光纤通信系统 主要包括收发信电端机、光发送机、传输光纤及光接收机等几个部分， 其结构框图如图1 2 1 所示。电端机把来自用户的模拟信号经数字化 处理为二进制信号送入光端机。光端机通过调制光源载波或者直接调 制激光器的受激电流把这些电信号调制成光脉冲信号输入的光纤线 路中去。由于调制的原因，光脉冲将可能产生频率啁啾l ：经过光纤 涂一青绪论 传输，光咏冲可能：洛发生脉冲展宽和畸变，到接受端，光检测器( p 或a p d ) 把光信号转变为电信号，然后经放大、均衡等处理后恢复成 原信号输出。在数字光纤传输系统中，溟码率是判断系统传输性能的 一个重要指标，产生误码的原因涉及颦个传输系统，即与发送的光信 号、传输线路以及检测等过程有关。但主要是光纤传输和检测过程中 的各种噪声及干扰所造成。一般系统对误码率的要求在l o - 9 以下。 i 发送端 i 光琏接措i 接受端 l 输入竹 r 一- 。- - - - - _ - _ - - _ - 。- - 图1 2 1 光纤迎佑系统结构简| i l i 光纤通信0 ql 竖2 0 年，尤其足从9 0 年代以米，光通信的发展一 h 令【! = ! ：人懈i _ j i 。单光纤通信容毓j 前加的速度甚至超过了f 乜了 川k 的摩 尔定律这主要表现在以下两点，一方面单信道速率不断提升： 2 5 g b s 、1 0 g b ，s 系统已经商用化并正在向4 0 g b ，s 甚至1 6 0 g b ，s 迈 进。单信道最高传速3 2 0 g b ，s 的光n 寸分复用( o t d m ) 实验系统已有 报道：另一方面密集波分复用系统( d w d m ) 日趋成熟并己实用化： 2 0 0 0 年3 月。0 f c 2 0 0 0 会议上，美国l u c e n t 公司报道了3 2 8 t b s ( 8 2 4 0g b ，s ) 3 0 0k m 非零色散光纤w d m 传输系统”甜。紧随其后， 2 0 0 0 年1 0 月，德国s i e m e n s 公司完成了7 0 4 t b ，s ( 1 7 6 4 0 g b ，s ) w d m 系统。传输距离为5 0 k m 【1 3 l 。2 0 0 1 年3 月的o f c 会议上，阿尔卡特 发布l o 2 4 t b ，s ( 2 5 6 4 0 g b ，s ) w d m 实验系统。同时日本n e c 公 司也报道了当前世界上单纤传输速率的最高记录，该系统速率为1 0 9 2 t b ，s = 2 7 3 x 4 0 g b ，s ( 采用s 、c 、1 三个波段) ，传输距离u 7 k m ( 纯 ，1 l 墨通j 、学删1 学匣论上 第一章持论 砖芯大有效面积光纤p s c f 两段) ，采用了分布拉曼放大与集中光纤 放大以及极化复用，频带利用率0 8 b i t ，s ，h z 。然而自2 0 0 1 年以来，低 迷的国际光纤通信市场使各大公司从片面追求传输速率的误区中走 了山来开始注重向降低成本。实用化方向发展，进入了效率时代【l “。 现在商用最高容量光纤传输系统为1 6 t b ，s 系统。国内各大研究单位 也已成功演示了3 2 l o g b s 光纤传输实验系统( 武汉邮科院) 和 1 6 l o g b ，s 光纤色散补偿系统( 北京交通大学) 等，并且这两年新建 线路心到l o g b ，s ，波分复用最高达3 2 ，总传输容量达3 2 0 g b s ( 3 2 1 0 g b ，s ) 。 从懿个光通信产业上吞，m1 二人们刈信息最的需求日j i i i 增加，个 球，乜纤光缆及光叫络改符市场也一n 保持e 述f l q 发展。美l 圈c o i 1 1 i n g 公司仡2 0 0 1 年释季的世界光纤通信犬会( o f c 2 0 0 i ) 上宣布，2 0 0 0 年全球光纤市场突破了i 1 亿公里，比i 9 9 9 年猛增了5 0 目前全 球几乎被超过3 亿多公里的光纤所疆盏。尽管从2 0 0 1 年中期起，市 场需求开始大幅回落光纤每年仍在以超过6 0 0 0 万公里的速度继续 铺设。而从上个世纪八十年代以来，我国光通信在设备产品制造、技 术应用和网络建设上也直保持着与世界同步发展，尤其是在2 0 0 0 年下半年以来市场低迷的情况下，中国的光通信市场一枝独秀，保持 一派生机，更引起了全世界的关注。继“八五”期间完成“八横八纵” 光缆干线网后，2 0 0 2 年1 月2 4 日，中国电信宣布，其总投资额达8 9 亿元人民币的中国电信全国高速传输环网正式开通。该网全长1 5 0 0 0 多公里，是世界上最长的高速传输网络。截止到2 0 0 4 年第一季度。 全国光缆线路长度达到2 8 2 5 万公里，其中，长途光缆线路长度达到 5 8 8 万公里”6 1 ，平均芯数约3 6 芯，并且仍以每年3 0 万公里的铺设速 度继续增k j 。美国市场渊研公司k m i 最新报告 “p r o s p e c t s f o r l e l e c o m c a p e x i n a s i a p a c 讯c ”指出中国预计今年将 安装1 j 0 0 万公里光纤，超过美国市场应用总额5 0 以上，并将在2 0 0 5 年超过日本成为世界最大的光通信市场蝎。 1 3 纯硅芯光纤技术 在传统石英光纤中随带芯层金属氧化物如d 1 的增加， 鼢y l e i g h 散射损耗也在逐渐增加。而h ，掺入的氧化物在氢元素和y 划线辐射下的作用下使光纤芯石英玻璃发生物理和化学变化( 变色、 变碰、交脆、分斛、破坏等) 在于i _ c f 3 ；j 占内产生各种缺陷( 点缺陷、位 钳、包心) ，从而使光纤的光传输俐：能恶化。 前大戢使川的石荚系光纤都魁以7 i 英玻璃作为低折射率反射 包层，在芯层掺入g p n 等提高折射率的物质。但是这种结构的光纤 存在四个缺点：1 芯层掺杂破坏了打英玻璃作为传导部分的的单一成 分引入杂质机会增大不利于降低光纤损耗；2 掺g p d 光纤成本高， 而且g p d ，熔点低易挥发，造成波导结构缺陷( 即折射率中心凹陷) ， 影响光纤带宽：3 耐辐射性能差；4 g e 0 ，在紫外区有强吸收峰，不 能用于紫外光波段的传输。 掺入硼和氟可以降低石英玻璃的折射率，但是掺硼降低折射率 时，在红外区产生很大的吸收，而且又能引起石英玻璃结构产生缺陷， 囚此采用掺氟的方法来代替掺硼，使光纤包层中折射率降低。掺氟引 起石英玻璃折射率降低曲线的斜率比硼大，因此，掺入量可以比硼少 4 北京交通犬学硕上学位论文第一章绪论 起石英玻璃折射率降低曲线的斜率比硼大，因此，掺入量可以比硼少 即可获得较大的折射率变化。而且氟的掺入，也使玻璃的红外吸收端 更向长波侧移动，对获得长波长低损耗光纤更为有利。所以纯硅芯光 纤包层中通过掺氟来降低折射率。纯硅芯光纤克服了上述掺d 2 光 纤的缺点，它以纯石英玻璃作为芯层，在包层中掺氟降低折射率，具 有较低的衰减和较高的稳定性。这种光纤不论在通信上还是在光能量 传输方面都有着广阔的应用前景，可以作为适合于未来高速大容量传 输系统的下一代光纤。 s u m i t o m o ( 住友) 公司开发的超低损光纤z p l u s 胁e m ，该光纤 屈纯硅：薛光纤( p s c f ) ，包层掺f 使其折射率低予光纤芯。其在1 5 5 0 f i r i l 处损耗可达到0 1 5 l d b ，i ，并且同时具有大的有效面积。 1 4 论文各部分的主要内容 结合所承担的科研项目，本论文主要对纯硅芯光纤的以下若干方 面进行了研究。 第二章介绍了纯硅芯光纤的特性，分别从稳定特性和机械可靠性 方面进行深入的讨论。首先从影响特性的因素出发，讨论了传统石英 系光纤所具有的特点，再针对纯硅芯光纤结构的特殊性加以讨论。 第三章介绍了纯硅芯光纤中的损耗。首先对光纤中存在的损耗分 别予以介绍并针对其在纯硅芯光纤中的特殊性加以分析，在本章还 对光纤损耗的测量方法进行了介绍。 第四章首先介绍了光纤制造技术，并着重介绍了芯棒的制作方法 以及各自的特点，并根据纯硅芯光纤技术的特点进行了具体的分析。 第一章持地 第五章结合本课题主要研究的重点，首先从理论角度出发，分斫 了纯硅芯光纤衰减的特点以及与其午h 关的因素：并根据得山的结论在 实验室的条件下作了相关实验数据的对比。 6 第一章纯件芯光纤的件能 第二章纯硅芯光纤的性能 本章将首先从传统光纤出发，讨论与这些特性相关的参数，并从 而引山这些参数在纯硅芯光纤中的表现形式，从而引出纯硅芯光纤对 应的特性。本章中讨论特性均为纯硅芯光纤特殊的结构形式导致的特 性形式，并且由于课题的原因将光纤巾的衰减特性在第三章中单独 予以讨论。 2 1 稳定特性 在光通信系统中，值得关洱珀不仅仪是光纤优越的传输性能，其 稳定特性址系统稳定运行的保证。所以光器件能否投入刮实际运用 巾其优秀的稳定特性是一个关键 习索。 2 1 1 氢损 光纤的氢损是由于氢( 或氢气) 的原囚徒光纤中引起附加损耗的 一种现象。从本质上讲。是氢气扩散入光纤玻璃中，同时和玻璃中的 缺陷发生反应，在一些特征波长上造成光纤衰减增加的过程这种过 程包括物理过程和化学过程两个方面。物理过程主要是指氢气在光纤 玻璃中的扩散过程这个过程中，氢分子并未和玻璃的缺陷发生反应， 因此其造成的氢损也仅仅和氢分子的特征振动有关。将光纤置于1 8 个大气压的氢气氛中一定时间，衰减谱测试表明在1 2 4 “m 、1 1 7 “m 、 1 1 3 u m 和1 0 8 m 波长处出现衰减峰，这些都是由氢分子的高次振动 模引起的，其中1 2 4 m 波长的衰减最大。 氢分子在光纤中的扩散过程，可以简单地表述为： 7 北京交通大学硕士学位论文 第二章纯硅芯光纤的性能 军：三拿l ，d 善1 ( 2 1 1 ) 西，西i打i 式( 2 1 1 ) 中，c 是光纤中氢的浓度，t 是扩散时间，d 是氢的扩散系数， r 是扩散距离。 氢损的化学过程在于，氢分子在玻璃中扩散的同时，氢将和玻璃 中存在的缺陷发生反应，形成某些特定的化学键，这些化学键的本征 振动或高次振动楼，同样会在其特征波长上造成衰减增加。研究表明， 氢损的主要反应过程为： s i o “o s i + h2 _ s i o h + h o - 2 s i ( 2 1 2 ) s i o - o “s i + h 2 - s i o o h + h s i s i - o - o s i + h2 ( 2 1 3 ) 上述反应涉及光纤中两种主要的结构缺陷，即s i o 一0 s i 和 s i - o o - s i ，分别被称为非桥氧空心缺陷( n b o h c s ) 和s i - e 心缺陷， 这两种缺陷在富氧过程中有增加的趋势。可以发现，反应( 2 1 。2 ) ( 2 1 3 ) 的特征吸收峰在1 3 8 3 啪、1 5 3 0n m 波长，也就是说，上述氢损过程 将使1 3 8 3n m 和1 5 3 0 胁的衰减增加。很明显，这两个波长分别位 于e - b a n d 和l - b 柚d ，对光纤的传输应用可能造成影响。观察反应式 ( 2 1 2 ) 和( 2 1 3 ) ，其中( 2 i 2 ) 是单向的、永久性的。而反应( 2 1 3 ) 可能 发生自愈反应，即s i o o h ，h s i 继续反应析出氢，同时原有的缺 陷消失。 氢损的物理和化学过程在光纤的氢损测试中同时存在，并分别在 1 2 4 0 衄、1 3 8 3 衄和1 5 3 0 n m 处出现附加衰减峰。但1 2 4 0 眦的附 加衰减是可逆的，将测试样品从氢气中取出，重新置于空气环境一段 北京交通大学硕士学位论文 第二章纯硅芯光纤的性能 时间后，1 2 4 0 岫波长的附加衰减会消失，表明扩散入光纤的氢分子 又逐渐扩散出来。而1 3 8 3 m 和1 5 3 0 衄的附加衰减是稳定的。虽 然由于自愈反应可能使它们的附加衰减有所下降，但也是相当有限 的。 由于氢损和材料的结构缺陷密切相关，因此减少光纤的氢损，必 须从降低光纤制造过程中形成的缺陷入手。所以纯硅芯光纤本身就具 有这方面的优势测试也表明，纯硅芯光纤的氢损是最低的，而芯层 掺杂伪q 或只q 的光纤就很容易观察到氢损现象。 2 1 2 耐辐射特性 传统石英光纤在商能辐射作用下，可以使光纤芯石英玻璃发生物 理和化学变化( 变色、变硬、变脆、分解、破坏等) ，在石英芯内产生 各种缺陷( 点缺陷、位错、色心) ，从而使光纤的光传输性能恶化。 由玻璃与电磁辐射作用机理得知，辐射线能使玻璃产生着色现 象，这是因为在玻璃中存在电子和空穴捕获中心。这种辐射线作用所 生成的电子捕获玻璃中的空穴，从而在玻璃中产生着色中心。且在紫 外区域产生吸收带。这种吸收损失一般随玻璃中杂质含量的减少而降 低，由此可知纯硅芯石英光纤较芯中掺杂锗的石英光纤的耐辐射性能 更好。 另外，从石英光纤的微观结构来看，纯硅芯石英光纤芯中不含任 何掺杂元素，其组成玻璃的网络生成体为硅氧四面体( q ) 。这是典 型的极性共价键化合物，而掺杂锗元素的普通石英光纤芯中主要是共 价键化合物。由振动光谱主要取决于构成玻璃的网络生成体的机理可 9 第一案纯件，0 光纤的性能 知，百英光纤芯中掺杂或不掺杂时其光谱特性如红外吸收、紫外吸收、 喇曼光谱等差异很大。纯硅芯石英光纤内部结构是由( s j 口) 构成的网 络，网络结构规整，其光谱特- 性好且具有良好的耐辐射性能。 2 2机械可靠性 石英光纤的机械可靠性是决定光纤光缆使用寿命的关键因素之 一。到日前为止光纤断裂机理和断裂形貌的深入研究在国内外已取 得疆著的成果。众所周知，常舰光纤的抗拉强度可以达到5 g p a 以上， 仉在实际光纤光缆制造过程中，m1 二缺陷的存在，难以保证稳定的断 裂强度。这些缺陷可以分为奉征缺阮和非本征缺陷。木征缺陷主要包 j i i 破鹏1 土j 部干表丽央杂、表l f i 划伤，它们主臻来源于原材料或光纤制 造1 ：岂，扎断裂机可以川g i i f n l l l 裂纹j f i l ! 论进行解释。：| | j 本征缺陷 ：篮水溺：剥光纤的处理过鞋中形成的表而损伤，包括涂覆层的划伤 或破损更严重的是玻璃体表面的破拟等。 2 2 1 光纤强度 按照石英玻璃组成中原子间的结合力推算，光纤理论强度高达 2 0 2 5 g n m 。但是由于表面裂纹和杂质的影响，裸光纤的断裂强 度只有0 1 0 2 g n 珊。然而，光纤抛光或其它方法将这些裂纹完全 消除，这种无裂纹光纤的理论强度可达7 g n m 。然而，光纤的平均速 度远远低于这个值，这主要是由于表面裂纹，内补缺陷，杂质，气泡 等缺陷所造成的。而光纤的强度又取决于纵向分布最弱的部分。为了 保持原始的光纤的强度防止光纤表面受损产生微裂纹以及外界环境 引起微裂纹的扩展，需要对刚拉出的光纤进行涂覆。因此。涂覆的材 料，涂覆层厚度，同心度以及光纤拉制工艺。环境清洁度等对光纤的 1 0 北京交通大学顾十学位论文第二章纯硅芯光纤的性能 最终强度都有一定的影响。 实际上，涂敷层虽然对光纤表面起了良好的保护作用，但光纤表 面难免受伤产生微裂纹这些微裂纹极易受到水分，尘埃和化学物质的 侵蚀，在外力作用下逐步生长扩大，导致光纤强度下降以致断裂。根 据g r i 伍t h 的理论，玻璃脆性材料的断裂强度与裂纹长度的关系为： ，月；( 三生) ；( 2 2 1 ) ax 1 式中，e 是杨氏模量；y 是表面能。用裂纹前端的应力场表示强度因 子局，则： 足i ；盯日( 万一) ( 2 2 2 ) 将式( 2 2 1 ) 代入到( 2 2 2 ) ，可得到断裂条件为： i x l ；2 印) 2 ( 2 2 3 ) k i 。是应力强度园子的展大临界值，称为断裂韧度。当应力与裂纹的 函数托增加到k 。时。光纤就会断裂。 在理想的条件下( 低温，湿度为零，高真温) ，任何裂纹都不会 生长。仅当外界施加的英里增加到光纤的断裂韧度时，才会产生光纤 的断裂。 而在通常情况下，比如环境中有水分或化学物质时，旌加应力会 使裂纹生长，这叫做应力腐蚀。裂纹生长速率v 可以表示为： r = 鲁= 群 ( 2 2 4 ) 曲 1 一7 式中，n 是应力腐蚀因子，为无量纲常数，a 是与材料有关的比例常 数，由实验确定。 在将纯硅芯光纤进行2 的拉伸试验中，拉伸后光纤的平均长度 与在同等条件下测试的传统光纤相似a 要获得与传统0 2 一& d 2 芯光 1 1 北京交逢人学硕l 学位论文 磐二章 e 硅芯光纤的性能 纤同样高强度的纯硅芯光纤是没有困难的。同时完全抗拉力还是稍微 比传统q 一d 2 芯光纤低一些( 大约百分之五) 这是由于纯硅芯 光纤的杨氏系数大约要比传统光纤小5 5 的原因。纯硅芯光纤和传 统光纤不同的杨氏系数对应于不同的包层材料：纯硅芯光纤在硅中掺 氟，而传统光纤则采用纯硅。硅中掺氟后的杨氏系数是随着氟的浓度 变化的一个函数。杨氏系数互。一，和氟浓度( f 叭) 的关系可用如下 的等式表示： e 赢一f 2 e 赢 1 1 0 6 ( f 、t ) 】 其中，是所d 2 的杨氏系数， 压。足掺氟后硅的杨氏系数。 纯硅芯光纤和传统光纤完全抗拉力的微小差别可以通过扬氏系 数的差异进行弥补。因此，纯硅芯光纤的拉仲依赖于其抗拉力，这是 与传统光纤一样的。 2 2 2 疲劳指数 在一定条件下，光纤表面微裂纹生长扩大至光纤断裂的过程称为 光纤的疲劳。它有两种模式，即静态疲劳和动态疲劳。 ( 一) 静态疲劳 所谓静态疲劳就是对试样光纤旌加一个恒定的应力，测量其断裂 时间。试验时，光纤在一个恒定外加作用应力o 。的作用下，观察最 弱的裂纹扩张至光纤断裂所需要的时间f ，p 。) 。断裂时间可用下式表 示： 1 2 北京交_ i 匮夫学硕士学位论文 第二章纯硅芯光纤的性能 ，r ( 吼) = 爿1 c r 0 “ ( 2 - 2 5 ) 在这里，n ，被称为光纤的静态疲劳指数，可从断裂时问与施加应 力的关系中求得。a 为一常数。 ( 二) 动态疲劳 所谓动态疲劳就是对试样光纤施加一个具有恒定速率的应力，测 量加载和断裂时间。在恒定速率的外加应力作用下，断裂时间，m 和 断裂应力盯，之问存在如下关系： 仃，= 盯o o ( 2 - 2 - 6 ) i 仃，( 盯o ) = 爿2 盯。而 ( 2 2 7 ) 在这里，被称为动态疲劳指数，它可利用上式求得，彳2 为一 常数。 虽然纯硅芯光纤的成分和传统石英系光纤不同，但是疲劳指数与 实际应用中应力的大小有关，实验数据表明纯硅芯的疲劳指数完全可 以在实际工程中应用。 2 2 3 熔接强度 在超长距离光缆传输，尤其是海底光缆传输中高强度的熔接是系 统完好运行的保障。所以在长距离光纤传输系统中对光纤的选择要考 虑其熔接强度能否满足应用的要求。 当前，高强度的熔接技术和熔接处再次涂覆的技术已经在传统光 1 1 第一币扎井匕光开性旺 纤上有很大的提高。通过对纯碡芯光纤的熔接强度试验表明，其熔接 后的强度与传统光纤一样可靠。闪此纯碡芯光纤可以满足长距离光纤 传输系统所要求的达到的熔接工艺要求。 北袁乏：迅人学坝l j 学位：仑史 算二章纯砖芯光纤的衰减 第三章纯硅芯光纤的衰减 实现光纤通信，一个重要的问题是尽可能地降低光纤的损耗。所 谓损耗是指光纤每单位长度上的衰减，单位为d b ，k m 。光纤损耗的高 低直接影响传输距离或中继站间隔距离的远近因此，了解并降低光 纤的损耗对光纤通信有着重大的现实意义。 3 1 损耗分类 光纤存在着金属电缆所没有的特殊损耗。当然与金属电缆相比 较，艇损耗要小得多。例如，单模光纤在1 5 5 0n m 波长的损耗达到 o 2 d b k m ，嫩低可达到o 1 6 d b k m ! i - ，这可以认为是损耗n 勺理想 撒限。在7 r 线也视于线传输中凿逊川光纡代咎电缆，基于光纤j j i 托 小址二l i 篮原因之一，已经被很多 ：碰实例所证实。除柯线电视干线传 输使川光缆外，在其他通信业务巾u 三普遍使用光缆。 光纤的传输损耗是光纤的黎本特征之一。损耗关系到通信系统传 输距离的长短和中继站间隔距离的选择，这是首要的特性。损耗的波 谱曲线关系到光波波长的选择。研究如何降低损耗，需要了解损耗的 来源。若入纤功率为r ，传输功率则以指数形式衰减，传输功率斥与 入纤功率晶的关系则为，片= 只p ”，式中l 为传输光纤长度，口为 衰减常数。现在，习馁上以d 跳m 表示光纤的损耗单位，这时有 叫一圭培青卜4 3 4 3 仉 从根本上说，光纤损耗，包括固有损耗和施工中引起的附加损耗 两大类，如图3 1 1 所示。 第二章纯许，出圯纤的裒：盛 f 吸收损耗 本征吸收 薹：耋薏 f 州柯损耗1 瑞利散射损托l 原子缺陷吸收 l 附加损托 薏三三兰托 幽3 1 1 ) 乜 r 拟耗 3 1 1 吸收损耗 包括在玻璃纤维中主体材料s f d ，所产生的损耗以及其他杂质成 分所产生的吸收损耗。光纤材料中的某些粒子圾收光能产生振动并 以热的形式散失掉。 1 过渡金属离子的吸收 造成吸收损耗的原因主要是材料中存在着不需要的杂质离子的 吸收特别是过渡金属离子铜( c u 。) 、铁( f e2 + ) 、铬( c r “) 、钻( c o2 + ) 等，当它们以离子形式存在时，这些离子在光波的激励下，易于振动， 产生电子跃迁，吸收光能，产生损耗。为了减小这种损耗，最初制造 光纤时，就要注意这些金属杂质的提净，其含量不得超过1 0 一。 6 第二幸地件出光纤的建域 ! 本征吸收 来自紫外区中的电荷转移波段和远红外区中振动波段。如果这些 波段的吸收足够强，则它们的尾部延伸至光纤通信使用的波谱范围， 将影响工作波长的损耗。甄0 ，产生的吸收，在紫外区( 波长在0 3 h m 以下) 和远红外区( 波长在1 0u m 以上) 最为明显。现在光纤通信使用 的是( o 8 1 6 ) u m 的光波长段，凶此，几乎没有什么影响。 3 氧氧根( o h 一，又称羟基) 的吸收 列 j ( 0 8 1 6 ) u m 的光纤吸收损耗，主要表现在囚含有杂质成 分而引起的吸收，特别有影响的是氯氰揪( o h ) 所产乍的吸收还不能 消除。 o h 。离f 的基波振动吸收波k z l ：2 8 0 0n m 处，二：i 次谐波位j j 1 3 8 2n m 和9 5 0n m 附近。此外，在1 2 4 6 n m 处尚有一小的j 0 振吸收 峰。这些对1 3 1 0n m 窗口的光纤损耗影响较大。l 1 0 “o h 。含量在 1 2 4 6n m 和1 3 8 2n m 可产生2 5 d b ，k m 利5 d b ，l ( m 的损耗，在1 3 l o n m 产生ld b ，k m 的额外损耗。 要使材料吸收损耗降到很低。必须对制造光纤的原材料进行严格 的化学提纯，要求其杂质过渡金属离子含量下降到l o 9 级，含氢氧化 物的杂质含量控制在l 1 0 。6 以下。 4 原子缺陷吸收 ， 由玻璃的热经历或受到射线辐射引起。例如，普通玻璃纤维受到 3 0 g 的y 辐射，可能引起的损耗高达2 0 0 0 0d b ，l 锄。适当选择玻璃材 芬二节赴砖苎光纤的裒硅 料可使光纤不受射线辐射的影响，例如，掺锗的s f 0 ，对于4 3 6 的辐射，汉在波长0 8 2 u m 引起损耗1 6d b ，k m 。 3 1 2r a y l e i g h 散射损耗 散射就是光在光纤内传播过程中，遇到不均匀或不连续的情况 时，就会有一部分光散射到各个方向上去，不能传输到终点从而形 成损耗。 由j i 光纤材料密度的微观变化，以及所含可d ，、g p d ，和只0 ；等 成分的浓度刁i 均匀，使得光纤中山观一些折射率不均匀的局部区域 ( j 儿j t 寸，可与光波长柏比拟) ，从而引起光的散射将一部分功 率薛殳射到光纤外部，毛；l 起损耗。这利，损耗为r a y l e i g h 散射拟# 。倒如， n ：光纤制造托丝过程中，从2 0 0 0 的l 诗温急剧冷却到2 0 室温时， 秕光纤内所产生的密度不均匀以及成分r l 一微小变化的那蟪部分就会 引起r a y f e i g h 散射损耗。因此鉴于h 前光纤的制造工艺，可以说 r a y l e i g l l 散射损耗是不可避免的。它f l 下式决定： l ：鲁+ 8 五4 式中：l r a y i e i 曲散射损耗；五一传输的光波长：a 一曲线的斜率， 称为r a y l e i 曲系数：b 一纵轴上的截值，代表波导散射或不完善引起 的损耗与波长无关。在制造工艺和材料较好的光纤中，纤芯没有不规 则和气泡等情况，b 很小，可能近于零。 由上式看出，r a y l e i g h 散射损耗的大小与光波长的负4 次方成正 比，所以使用光波长带，r a y l e i 曲散射损耗的影响可大为减小。在1 5 5 u m 处l 为( o 1 2 0 1 5 ) d b l ( m ，说明在这个波长上的r a y l e i g h 散射损耗是主要的。相反，有时往往需要充分利用这种r a y l e i g h 散射 北袁交通人学坝i 学位论文第三辛纯韩，出光纤的哀 臧 耻象，例如，使用光时域反射计测最：) 匕纤线路损耗特性就是一个例子。 降低r a y l e i g h 散射损耗的办法： i 在熔炼光纤预制棒和拉丝时，要选择合适的工艺，以避免制造过 程中所造成的缺陷，例如，气泡、杂质和不溶解粒子等的出现。 2 q 三产拉制光纤时，必须在清洁的环境中进行。 吸收损耗和r a y l e 唔h 散射损耗是引起光纤损耗的主要机理，它仃 引起光纤损耗的主要特征与光纤的工作波长有关。这就决定了光纤的 拟托他随工作波长不同而变化，形成了所粥拟耗谱曲线，图3 ，1 2 为 j 弘模光纤的损耗潜曲线，吲3 i 3 为多幞光纤的移i 耗谱l i f j 线。 j 一 e ： m 口 i 0 j i i 1 11 il 、l ，j 图3 1 2 单模光纾的损耗谱曲线 不完善 旃二葶地特占光纤的亵减 e = o j 图3 1 3 多模光纤的损耗谱曲线 ： 1 ： 波导结构不完荐引起的损l e 这剁i 英托称之为光波导敞射，f | 。j ：光纤的尺寸滑k 皮发生变化而 造成的。例如，生产拉制光纤时造成帆l 细f i 均匀。械顽形状改变：也 仃q 能在纤芯和包层交界面上出现某缺陷、残田些气泡平几气痕等。 这些 占构上不完善处的几何尺寸远大于光波 ，引起与波 垂无关的散 刺损耗。 降低光波导散射损耗的办法： 1 熔炼预制棒时，注意均匀性。 2 拉丝工艺上要采取措施，借助于热状态下玻璃表面张力，保持均 匀的光纤截面。 3 使用高精度、高稳定性的拉丝机。 使用这种完善的工艺，可使这种损耗降低到( o 0 1 o ，0 4 ) d b m 。 随着光纤制造工艺的不断改进，已将光波导散射损耗降到与r a y i e i g h 散射损耗比较起来，可以忽略不计的程度。 第三市纯薛出危圩的裒：谩 3 1 4 附加损耗 1 弯曲损耗 当光纤山现曲率半径比光纤直径大得多的弯醢，如敷设光缆时就 可能山现这种弯曲，就形成了使传导模变换为辐射模而产生的损耗。 光纤是柔软的可弯曲的。如果弯曲半径过小，可使光的传播途径改 变，使光从纤芯渗透到包层，硅至仃可能穿过包层向外泄漏掉。常发 生在成缆、现场敷设( 管导转弯) 、光缆接头等场合中，引起弯曲损耗。 其大小由下式表示： a ，= a e ”8 - l = i = ，ha 一弯曲j ! f 耗：r 一弯i 半 t ：a 、b 一与光纤参数( 纤芯_ ： 径a 、光纤外径2 b 、棚刈折射：笨箍) 仃欠的i 斗定参数。 洲此，在光缆敷设和迎接你、i k 时，需要充分加以注意。哪么，光 纤允许弯曲半径多大? 光纤弯i n l 半 = = 必须远大于光纤的纤：二仁释 必须大于最小限度r m m = 甜心：( 。光纤的数值孔径) ，否则将引起很 大损耗。如弯曲半径r 足够大损耗将按指数规律e x p ( 一盯靠。) 减 小。一般认为，如果弯曲半径大于1 0 c m 。其弯曲损耗就可忽略不计。 为了留有余地，常用光缆性能参数推荐允许弯曲半径。短期：1 2 5 倍光缆南径：k 期：2 5 倍光缆直径。 2 微弯曲损耗 用光纤作实际的传输线路时，会在光缆内产生微弯曲：另外，光 纤制造出来以后，由于光纤侧面受到不均匀的压力，使得光纤在轴上 发生m ( 1 0 。m ) 级的弯曲而产生损耗。也就是说，由于纤芯与包层 二章纯件匕光纤的裒：碰 界面有微小凹凸不平而产生光辐射所彤成的损耗。所以说，微弯是一 些随机的，其曲率半径可以与光纤的横截面尺寸相比拟的畸变。常发 生在套塑、成缆过程，以及光纤( 或光缆) 的周围温度发生变化等场合 下，呈现明显的微弯。微弯损耗也是光纤随机畸变而产生的高次模与 辐射模之间的模耦台所引起的光功率损火，其微弯曲损耗大小由下式 求出： 驴 n 寿( 軎) 式叶一， 。一微弯曲损耗：n 一随机微巧的个数：1 1 一微弯凸起的高度； e 一涂覆层的杨氏模晕：a 一纤芯半径：b 一光纤外半径；一光纤的 十对折射率菱； 一统计平均符号。 仃的资利指出微弯曲损耗可i | d g l g e 给山的近似关系式嵌示： a j 户( ) ： 式中k 一比例常数，它与光纤接触嘶的籼糙程度和材料的特性柯关。 减少微弯曲损耗的方法，可在光纤和二次涂覆层之问设置缓冲 层，制成光纤不会直接受到侧压力的心线结构制成松套心线结构等。 3 连接损耗 因为光信号是封闭在由光纤包层所限制的光波导管里进行传输， 所以对光纤的连接就像自来水管和煤气管，不允许水和煤气因连接处 有隙缝而向外泄漏掉。光纤连接时，两纤芯相互间必须正确吻合，特 别注意把两根待接光纤的纤芯端面处理得平稳一致，并把芯轴对准， 以便达到完善和均匀一致地进行连接。如果不把两根光纤的芯轴调整 在一条三维空间的直线上，就难以连接出合格的接头。否则，从一根 笫_ = = 章她胖苎光 千的哀减 光纤纤芯射出的光就不能完全射到另一眼光纤的纤芯中，部分光将进 入包层而形成辐射模损耗掉。产生连接损耗的原因作如下分折： ( i ) 轴错位 当光纤间出现轴错位时，由于两光纤纤芯的重合面积比可以代表 光的传输效率，因此，在轴错位一定的情况下，芯径越大，连接损耗 就越小。如果轴错位越大，由此所带来的连接损耗也就越大。光纤间 的轴错位是影响连接损耗的最重要凶索。 ( 2 ) 端而问仃问隙 两光纤端面问的间隙给连接坝牦带来的影响比轴错位因素要小。 剥。j 二年同的端面间的问隙，芯弪越大连接损耗就越小。 ( 3 ) 两轴肿j 互倾斜 近接_ j i f i $ e 随光纤两轴线的倾斜加l l 变化，兴们越犬，连接损耗也 就越火。 ( 4 ) 端面的不完善性 主要包括下面三点： 相对于光纤轴线而言的端丽倾斜。 有凹凸等缺陷的端面起伏。 端面不平整、不光滑而粗糙等。 这些取决于制备光纤端面的水平。端面的倾斜度、端面的起伏度 以及端面的粗糙程度越大光纤的连接损耗也就越大。 ( 5 ) 菲涅耳反射损耗 当光纤之间存在和纤芯折射率不同的物质时从一方光纤射出的 光，将会因折射率不同在纤芯和其他物质的界面出现部分反射。此 外，当光入射到另外一方光纤时，同样也会有一部分光被反射。人们 第_ 三章纯件出光纤自勺衰减 把这种反对叫做菲涅耳反射，并把凼艟涅耳反射而产生的损耗叫做菲 涅耳反射损耗。 防止菲涅耳反射