光纤的原理、结构及应用

1 / 9光纤的原理、结构及应用摘要：人类社会现在已发展到了信息社会，声音、 图象和数据等信息的交流量非常大。以前的通讯手段已经不能满足现在的要求，而光纤通讯以其信息容量大、保密性好、 重量轻体积小、无中继段距离长等优点得到广泛应用。其应用领域遍及通讯、交通、工业、医疗、教育、航空航天和计算机等行业，并正在向更广更深的层次发展。光及光纤的应用正给人类的生活带来深刻的影响与变革。下面将对光纤的原理、结构及应用做简要介绍。关键字：光纤 原理 结构 应用正文：光纤的原理、结构及应用 人类社会现在已发展到了信息社会，声音、 图象和数据等信息的交流量非常大。以前的通讯手段已经不能满足现在的要求，而光纤通讯以其信息容量大、保密性好、 重量轻体积小、无中继段距离长等优点得到广泛应用。其应用领域遍及通讯、交通、工业、医疗、教育、航空航天和计算机等行业，并正在向更广更深的层次发展。光及光纤的应用正给人类的生活带来深刻的影响与变革。下面将对光纤的原理、结构及应用做简要介绍。一、光纤原理2 / 9（一） 、光纤其实利用的是玻璃纤维的全反射原理光能够在玻璃纤维或塑料纤维中传递是利用光在折射率不同的两种物质的交界面处产生“全反射”作用的原理。为了防止光线在传导过程中“泄露” ，必须给玻璃细丝穿上“外套” ，所以无论是玻璃光纤还是塑料光纤均主要由芯线和包层两部分组成。光纤的结构呈圆柱形，中间是直径为 8 微米或 50 微米的纤芯，具有高折射率，外面裹上低折射率的包层，最外面是塑料护套，整个外部直径为 125微米，特殊的制造工艺，特殊的材料，使光纤既纤细似发，柔顺如丝，又具高抗强度，大抗压力。由于包层的折射率比芯线折射率小，这样进入芯线的光线在芯线与包层的界面上作多次全反射而曲折前进，不会透过界面，仿佛光线被包层紧紧地封闭在芯线内，使光线只能沿着芯线传送，就好象自来水只能在水管里流动一样。光纤实际是指由透明材料做成的纤芯和在它周围采用比纤芯的折射率稍低的材料做成的包层，并将射入纤芯的光信号，经包层界面反射，使光信号在纤芯中传播前进的媒体。一般是由纤芯、包层和涂敷层构成的多层介质结构的对称圆柱体。（二） 、光纤两项主要特性光纤有两项主要特性：即损耗和色散。3 / 9光纤每单位长度的损耗或者衰减（dB/km） ，关系到光纤通信系统传输距离的长短和中继站间隔的距离的选择。光纤的色散反应时延畸变或脉冲展宽，对于数字信号传输尤为重要。每单位长度的脉冲展宽（ns/km） ，影响到一定传输距离和信息传输容量。二、光纤的结构（一） 、光纤的结构：纤芯材料的主体是二氧化硅，里面掺极微量的其他材料，例如二氧化锗、五氧化二磷等。掺杂的作用是提高材料的光折射率。纤芯直径约 575m。纤 芯包 层涂敷层护 套图一光纤外面有包层，包层有一层、二层（内包层、外包层）或多层（称为多层结构） ，但是总直径在 100200m4 / 9上下。包层的材料一般用纯二氧化硅，也有掺极微量的三氧化二硼，最新的方法是掺微量的氟，就是在纯二氧化硅里掺极少量的四氟化硅。掺杂的作用是降低材料的光折射率。这样，光纤纤芯的折射率略高于包层的折射率。两者席位的区别，保证光主要限制在纤芯里进行传输。包层外面还要涂一种涂料，可用硅铜或丙烯酸盐。涂料的作用是保护光纤不受外来的损害，增加光纤的机械强度。光纤的最外层是套层，它是一种塑料管，也是起保护作用的，不同颜色的塑料管还可以用来区别各条光纤。（二）光纤的折射率：光纤的结构一般用折射率沿光纤径向的分布函数来表征，这种分布函数成为光纤的折射率刨面。在圆柱坐标系（l、z）中 n（l）来表示。在理论分析中，折射率剖面 n(r)就是光纤的数学模型：对于单包层光纤，纤芯直径为 d，设纤芯轴心处的折射率 n(0)=n1，包层折射率为 n2,为了简略地表示的剖面特征，引入纤芯包层相对折射率差作为剖面参数 ，其中定义为n1 2 n22 n1 n2 = 2 n1 2 n15 / 9射线理论认为，光在光纤中传播主要是依据全反射原理。因此，典型的阶越光纤是由折射率（n1）稍高的纤芯和折射率（n2）稍低的包层构成。纤芯和包层 之间有良好的光学界面。若光线以某一角度进入光线端面时，入射光线与光线轴线之间的夹角 0 称为光线端面入射角；光线进入光纤后又射到纤芯和包层之间的界面上，形成包层界面入射角 ，如图二所示。图 2 中，光线垂直光线端面射入，并与光纤轴心线重合时，光线沿轴心线向前传播。由于12，所以包层界面有一个全反射的临界角 c，与其相对应的光线端面有一个临界入射角 a。如果端面入射角 0a，如图（）中的光线进入光纤后，当射到光纤的内包层界面时，入射角 c，满足全反射条件，光线图二将在纤芯和包层的界面上不断的产生全反射而向前传播。一般，这种光线在光纤内需经过几千、几万、甚至更多次的全反射， （全反射次数与光纤长度、直径有关） ，才能从光纤的一段传到另一端。光线、的特点是光在光纤中传播路径始终在同6 / 9一平面内，这种光线称为受到光线；在纤维光学中又称为子午光线。子无光的是平面曲线，包含子午光线的面称为子无面。另一种光线不在一个平面内，不经过光的轴心线。当入射光纤后碰到边界时，作内部全反射，如图（）中光线所示。这类光线运动范围是在边界和有虚线所示的焦散面之间。光线在断面上的投影为折线。光线称为斜光线，它是一空间曲线，除子午线和斜光线外，还有一种不受到光线，它不能在光纤中传播，射线理论无法解释这种光线。三、光纤的分类光纤正处在新产品的不断涌现的发展时期，种类不断增多，而且千变万化。近年来用于传感器的特殊光纤发展尤迅速。目前一般分类方法如下：（一）按制作材料分：1、玻璃光纤这种材料损耗低，在波长时，最低达 0。47db/km。用锗硅材料作芯子，硼硅材料作包层的多模光纤，损耗最低为/km 和类似的损耗-波谱曲线。采用三元化合材料，可能获得最好的损耗-波谱曲线。2、分玻璃光纤7 / 9通常用更常规的玻璃制成，损耗也 Sodium-borosilica-te 玻璃光纤在 l=微米最低损耗为/km。3、塑料光纤石英光纤相比具有重量轻，成本低，柔软性好，加工方便等特点，但损耗在 r=微米到 100-200db/km。（二）按传输模分：1、单模光纤光纤纤芯直径仅几个厘米，加包层和涂敷层后也仅几十个微米到 125 微米。纤芯直径接近波长。2、多模光纤多模光纤纤芯直径有 50 微米，加包层和涂敷层有 50微米。纤芯直径远远大于波长。3、其他根据光纤的折射率沿径向分布函数不同又进一步分为多模阶跃光纤，单模阶跃光纤和多模梯度光纤（三）按用途分：1、通信光纤。2、非通信光纤非通信光纤-特殊光纤。有低双折射光纤，高双折射光纤，涂层光纤，液芯光纤，激光光纤和红外光纤等。（四）按制作方法分：8 / 91、化学气相沉积法（CVD）或改进化学气相沉积法（MCVD） 。用来制作高纯度石英玻璃光纤。2、双坩埚法或三坩埚法。用来制作多组分玻璃光纤。四、光纤技术的应用光纤传感技术是伴随着光通讯技术和半导体技术发展而衍生的一种新的传感技术，是光传感、光通讯、电子技术互相交叉、互相渗透的高科技技术，是国家“十五”重点支持发展的信息产业的重要组成部分。因此光纤技术在很多方面都有很大的应用，现简单介绍如下：（一）光纤液位传感器在我国石油化工、冶金以及国防等部门，对油品和化工产品等易燃易爆液体类物质的储存、检测和安全管理一直是个难题。长期以来，大多企业是采用人工对其进行检测和管理，劳动强度大，又有危险性，储罐爆炸事件和人员伤亡事故时有发生。光纤液位传感器某检测湘度高，使用方便、稳定可靠，特别是采用光纤光缆采集和传输信号，做到现场无电检侧，本质安全防爆，特别适于易燃易爆场所的储罐检测。即将投产的光纤液位传感器价调查和分析表明，目前全国年需求量应在 1 万台以上，而 1日市场需求仍在快鹏长如。（二）接入网技术9 / 9所谓光接入网（OAN）就是采用光纤传输技术的接入网，泛指本地交换机或远端模块与用户之间采用光纤通信或部分采用光纤通信的系统。通常，OAN 指采用基带数字传输技术并以传输双向交互式业务为目的的接入传输系统，将来应能以数字或模拟技术升