光纤的结构与分类

2-1光纤结构与分类,一、光纤的结构二、光纤的分类,一次涂覆层,纤芯包层,套层,一次涂覆层包层纤芯,套层,光纤的结构示意图,纤芯位于光纤中心，直径2a为575m,作用是传输光波。包层位于纤芯外层，直径2b为100150m,作用是将光波限制在纤芯中。纤芯和包层即组成裸光纤，两者采用高纯度二氧化硅（SiO2）制成，但为了使光波在纤芯中传送，应对材料进行不同掺杂，使包层材料折射率n2比纤芯材料折射率n1小，即光纤导光的条件是n1n2。,一、光纤的结构,一次涂敷层是为了保护裸纤而在其表面涂上的聚氨基甲酸乙脂或硅酮树脂层，厚度一般为30150m。套层又称二次涂覆或被覆层，多采用聚乙烯塑料或聚丙烯塑料、尼龙等材料。经过二次涂敷的裸光纤称为光纤芯线。,根据光纤的折射率、光纤材料、传输模式、光纤用途和制造工艺，有如下几种分类方法：1阶跃型和梯度型光纤(根据光纤的折射率分布函数)阶跃光纤的纤芯与包层间的折射率阶跃变化的，即纤芯内的折射率分布大体上是均匀的，包层内的折射率分布也大体均匀，均可视为常数，但是纤芯和包层的折射率不同，在界面上发生突变。梯度光纤纤芯内的折射率不是常量，而是从中心轴线开始沿径向大致按抛物线形状递减，中心轴折射率最大。,二、光纤分类,2按材料分类(1)高纯度石英(SiO2)玻璃纤维。这种材料的光损耗比较小，在波长1.2m时、最低损耗约为0.47dB/km。(2)多组分玻璃光纤用常规玻璃制成，损耗也很低。如硼硅酸钠玻璃光纤，在波长0.84m时，最低损耗为3.4dB/km。(3)塑料光纤。用人工合成导光塑料制成，其损耗较大。当0.63m时，损耗高达100200dB/km；但重量轻，成本低，柔软性好，适用于短距离导光。,3按传输模数分类(1)单模光纤单模光纤纤芯直径仅有几微米，接近光的波长。单模光纤通常是指跃变光纤中，内芯尺寸很小，光纤传输模数很少，原则上只能传送一种模数的光纤，常用于光纤传感器。这类光纤传输性能好、频带很宽，具有较好的线性度；但因内芯尺寸小，难以制造和耦合。(2)多模光纤。多模光纤纤芯直径约为50m，纤芯直径远大于光的波长。通常是指跃变光纤中，内芯尺寸较大，传输模数很多的光纤。这类光纤性能较差，带宽较窄；但由于芯子的截面积大，容易制造、连接耦合比较方便，也得到了广泛应用。,石英系列光纤（以SiO2为主要材料）按光纤组成材料划分多组分光纤（材料由多组成分组成）液芯光纤（纤芯呈液态）塑料光纤（以塑料为材料）阶跃型光纤（SIF）光纤种类按光纤纤芯折射率分布划分渐变型光纤（GIF）W型光纤单模光纤（SMF）按光纤传输模式数划分芯径多模光纤（MMF）,光纤的分类,2b2b2b2c2a2a2annnn1n1n1n2n2n2n30abr0abr0acbr（a）阶跃光纤（b）渐变光纤（c）W型光纤,光纤的纤芯折射率剖面分布,阶跃型光纤（SIF）：纤芯折射率呈均匀分布，纤芯和包层相对折射率差为1%2%。渐变型光纤（GIF）：纤芯折射率呈非均匀分布，在轴心处最大，而在光纤横截面内沿半径方向逐渐减小，在纤芯与包层的界面上降至包层折射率n2。W型光纤（双包层光纤）：在纤芯与包层之间设有一折射率低于包层的缓冲层，使包层折射率介于纤芯和缓冲层之间。可以实现在1.31.6m之间色散变化很小的色散平坦光纤或把零色散波长移到1.55m的色散位移光纤。,指在工作波长中，只能传输一个传播模式的光纤，通常简称为单模光纤（SMF：SingleModeFiber）。目前，在有线电视和光通信中，是应用最广泛的光纤。由于光纤的纤芯很细（约10m）而且折射率呈阶跃状分布，当归一化频率V参数2.4时，理论上，只能形成单模传输。,单模光纤,SMF没有多模色散，不仅传输频带较多模光纤更宽，再加上SMF的材料色散和结构色散的相加抵消，其合成特性恰好形成零色散的特性，使传输频带更加拓宽。SMF中，因掺杂物不同与制造方式的差别有许多类型。凹陷型包层光纤（DePr-essedCladFiber），其包层形成两重结构，邻近纤芯的包层，较外侧包层的折射率还低。,单模光纤,将传播可能的模式为多个模式的光纤称作多模光纤。纤芯直径为50m，由于传输模式可达几百个，与SMF相比传输带宽主要受模式色散支配。曾用于有线电视和通信系统的短距离传输。自从出现SMF光纤后，似乎形成历史产品。但实际上，由于MMF较SMF的芯径大且与局域网等光源结合容易，更有优势。所以，在短距离通信领域中MMF仍在重新受到重视。,多模光纤,MMF按折射率分布进行分类时，有：渐变（GI）型和阶跃（SI）型两种。从几何光学角度来看，渐变型在纤芯中前进的光束呈现以蛇行状传播。由于，光的各个路径所需时间大致相同。所以，传输容量较SI型大。SI型MMF光纤的折射率分布，纤芯折射率的分布是相同的，但与包层的界面呈阶梯状。由于SI型光波在光纤中的反射前进过程中，产生各个光路径的时差，致使射出光波失真，其结果是传输带宽变窄，目前SI型MMF应用较少。,多模光纤,单模光纤相比，多模光纤芯径大，便于接续；但其衰减系数大，带宽小，故目前多模光纤在通信方面只适用于短距离、小容量的数据和模拟光信息传输。多模光纤用于检测系统。,作为光通信领域所开发的石英系列光纤的工作波长，尽管用在较短的传输距离，也只能用于2m以下。为能在更长的红外波长领域工作，所开发的光纤称为红外光纤。红外光纤（InfraredOpticalFiber）主要用于光能传送。例如有：温度计量、热图像传输、激光手术刀医疗、热能加工等等，普及率尚低。,特殊光纤：红外光纤,复合光纤（CompoundFiber）是指在二氧化硅原料中，再适当混合诸如氧化钠、氧化硼、氧化钾等氧化物的多成分玻璃作成的光纤。特点是多成分玻璃比石英的软化点低且纤芯与包层的折射率差很大。主要用在医疗业务的光纤内窥镜。,复合光纤,氟化物光纤（FluorideFiber）是由氟化物玻璃作成的光纤。这种光纤原料包括氟化铝、氟化钡、氟化镧、氟化钠等氟化物玻璃原料。简称为ZBLAN。主要工作在210m波长的光传输业务。,氟化物光纤,由于ZBLAN具有超低损耗光纤的可能性，正在进行着用于长距离通信光纤的可行性开发，例如：其理论上的最低损耗，在3m波长时可达dBkm，而石英光纤在1.55m时却在0.150.16dB/Km之间。目前，ZBLAN光纤由于难于降低散射损耗，只能用在2.42.7m的温敏器和热图像传输，尚未广泛实用。为了利用ZBLAN进行长距离传输，正在研制1.3m的掺锗光纤放大器（PDFA）。,氟化物光纤,塑包光纤（PlasticCladFiber）是将高纯度的石英玻璃作成纤芯，而将折射率比石英稍低的如硅胶等塑料作为包层的阶跃型光纤。它与石英光纤相比较，具有纤芯粗、数值孔径（N.A.）高的特点。因此，易与发光二极管LED光源结合，损耗也较小。所以，非常适用于局域网（LAN）和近距离通信。,塑包光纤,将纤芯和包层都用塑料（聚合物）作成的光纤。早期产品主要用于装饰和导光照明及近距离光路的光通信中。原料主要是有机玻璃（PMMA）、聚苯乙稀（PS）和聚碳酸酯（PC）。损耗一般每km可达几十dB。为了降低损耗正在开发应用氟索系列塑料。,塑料光纤,由于塑料光纤（PlasticOpticalfiber）的纤芯直径为1000m，比单模石英光纤大100倍，接续简单，而且易于弯曲施工容易。近年来，加上宽带化的进度，作为渐变型（GI）折射率的多模塑料光纤的发展受到了社会的重视。在汽车内部局域网中应用较快，未来在家庭局域网中也可能得到应用。,塑料光纤,单模光纤的工作波长在1.3m时，模场直径约9m，其传输损耗约0.3dBkm。此时，零色散波长恰好在1.3m处。石英光纤中，从原材料上看1.55m段的传输损耗最小（约0.2dBkm）。由于现在已经实用的掺铒光纤放大器（EDFA）是工作在1.55m波段的，如果在此波段也能实现零色散，就更有利于1.55m波段的长距离传输。,色散位移光纤,巧妙地利用光纤材料中的石英材料色散与纤芯结构色散的合成抵消特性，就可使原在1.3m段的零色散，移位到1.55m段也构成零色散。因此，被命名为色散位移光纤（DSF：DispersionShiftedFiber）。,色散位移光纤,在光通信的长距离传输中，光纤色散为零是重要的，但不是唯一的。其它性能还有损耗小、接续容易、成缆化容易和工作中的特性变化小（包括弯曲、拉伸和环境变化影响）。DSF就是在设计中，综合考虑这些因素。,色散位移光纤,色散移位光纤（DSF）是将单模光纤设计零色散位于1.55m波段的光纤。而色散平坦光纤却是将从1.3m到1.55m的较宽波段的色散，都能作到很低，几乎达到零色散的光纤称作DFF。,色散平坦光纤,由于DFF要作到1.3m1.55m范围的色散都减少。就需要对光纤的折射率分布进行复杂的设计。不过这种光纤对于波分复用（WDM）的线路却是很适宜的。由于DFF光纤的工艺比较复杂，费用较贵。今后随着产量的增加，价格也会降低。,色散平坦光纤,对于采用单模光纤的干线系统，多数是利用1.3m波段色散为零的光纤构成的。可是，如果能在1.3m零色散的光纤上也能令1.55m波长工作，将是非常有益的。在1.3m零色散的光纤中1.55m波段的色散约有16pskmnm之多。,色散补偿光纤,如果在此光纤线路中，插入一段与此色散符号相反的光纤，就可使整个光线路的色散为零。为此目的所用的是光纤则称作色散补偿光纤（DCF：DisPersionCompe-nsationFiber）。DCF与标准的1.3m零色散光纤相比，纤芯直径更细，而且折射率差也较大。DCF也是WDM光线路的重要组成部分。,色散补偿光纤,通信用光纤通常的工作环境温度可在-4060之间，设计时也是以不受大量辐射线照射为前提的。相比之下，对于更低温或更高温以及能遭受高压或外力影响、曝晒辐射线的恶劣环境下，也能工作的光纤则称作抗恶环境光纤。一般为了对光纤表面进行机械保护，多涂覆一层塑料。可是随着温度升高，塑料保护功能有所下降，致使使用温度也有所限制。如果改用抗热性塑料，如聚四氟乙稀（Teflon）等树脂，即可工作在300环境。也有在石英玻璃表面涂覆镍和铝等金属的，这种光纤则称为耐热光纤。,抗恶环境光纤,当光纤受到辐射线的照射时，光损耗会增加。这是因为石英玻璃遇到辐射线照射时，玻璃中会出现结构缺陷（也称作色心：ColourCenter），尤在0.40.7m波长时损耗增大。防止办法是改用掺杂OH或F素的石英玻璃，就能抑制因辐射线造成的损耗缺陷。这种光纤则称作抗辐射光纤（RadiationResista-ntFiber），多用于核发电站的监测用光纤维镜等。,抗恶环境光纤,为了保持光纤的机械强度和损耗的长时间稳定，而在玻璃表面涂装碳化硅（SiC）、碳化钛（TiC）、碳（C）等无机材料，用来防止从外部来的水的扩散所制造的光纤（HCF：HermeticallyCoatedFiber）。,密封涂层光纤,在石英光纤的表面涂敷碳膜的光纤，称之碳涂层光纤（CCF：CarbonCoatedFiber）。其机理是利用碳素的致密膜层，使光纤表面与外界隔离，以改善光纤的机械疲劳损耗和氢分子的损耗增加。CCF是密封涂层光纤（HCF）的一种。,碳涂层光纤,碳涂覆光纤（CCF）能有效地截断光纤与外界氢分子的侵入。据报道它在室温的氢气环境中可维持20年不增加损耗。防止水分侵入能延缓机械强度的疲劳进程，其疲劳系数（FatigueParameter）可达200以上。所以，HCF被应用于严酷环境中要求可靠性高的系统，例如海底光缆。,碳涂层光纤,金属涂层光纤（MetalCoatedFiber）是在光纤的表面涂布Ni、Cu、AL等金属层的光纤。也有再在金属层外被覆塑料的，目的在于提高抗热性和可供通电及焊接。它是抗恶环境性光纤之一，也可作为电子电路的部件用。早期产品是在拉丝过程中，涂布熔解的金属作成。由于此法因被玻璃与金属的膨胀系数差异太大，会增加微小弯曲损耗，实用化率不高。现在多采用在玻璃光纤的表面用低损耗的非电解镀膜法，使性能大有改善。,金属涂层光纤,在光纤的纤芯中，掺杂稀土族元素的光纤。1985年英国的索斯安普顿（Sourthampton）大学的佩思（Payne）等首先发现掺杂稀土元素的光纤（RareEarthDoPedFiber）有激光振荡和光放大的现象。于是，从此揭开了掺饵等光放大的面纱，现在已经实用的1.55mEDFA就是利用掺饵的单模光纤，利用1.47m或980nm的激光进行激励，得到1.55m光信号放大的。,掺稀土光纤,喇曼效应是指往某物质中射入频率f的单色光时，在散射光中会出现频率f之外的ffR，f2fR等频率的散射光，对此现象称喇曼效应。利用这种非线性媒体做成的光纤，称作喇曼光纤（RF：RamanFiber）。光封闭在细小的纤芯中，进行长距离传播，当输入光增强时，就会获得相干的感应散射光。感应喇曼散射光-喇曼光纤激光器。感应喇曼散射-在光纤的长距离通信中，作为光放大器的应用。,喇曼光纤,标准光纤的纤芯是设置在包层中心的，纤芯与包层的截面形状为同心圆型。但因用途不同，也有将纤芯位置和纤芯形状、包层形状，作成不同状态或将包层穿孔形成异型结构的。相对于标准光纤，称这些光纤叫异型光纤。偏心光纤（ExcentricCoreFiber），它是异型光纤的一种。其纤芯设置在偏离中心且接近包层外线的偏心位置。由于纤芯靠近外表，部分光场会溢出包层传播（称此为渐消波，EvanescentWave）。,偏心光纤,当光纤表面附着物质时，因物质的光学性质在光纤中传播的光波受到影响。如果附着物质的折射率较光纤高时，光波则往光纤外辐射。若附着物质的折射率低于光纤折射率时，光波不能往外辐射，却会受到物质吸收光波的损耗。利用这一现象，就可检测有无附着物质以及折射率的变化。偏心光纤（ECF）主要用作检测物质的光纤敏感器。与光时域反射计（OTDR）的测试法组合一起，还可作分布敏感器用。,偏心光纤,采用含有荧光物质制造的光纤。它是在受到辐射线、紫外线等光波照射时，产生的荧光一部分，可经光纤闭合进行传输的光纤。发光光纤（LuminescentFiber）可以用于检测辐射线和紫外线，以及进行波长变换，或用作温度敏感器、化学敏感器。在辐射线的检测中也称作闪光光纤（ScintillationFiber）。发光光纤从荧光材料和掺杂的角度上，正在开发塑料光纤。,发光光纤,通常的光纤是由一个纤芯区和围绕它的包层区构成的。但多芯光纤却是一个共同的包层区中存在多个纤芯的。由于纤芯的相互接近程度，可有两种功能。其一是纤芯间隔大，即不产生光耦会的结构。这种光纤，由于能提高传输线路的单位面积的集成密度。在光通信中，可以作成具有多个纤芯的带状光缆，而在非通信领域，作为光纤传像束，有将纤芯作成成千上万个的。其二是使纤芯之间的距离靠近，能产生光波耦合作用。利用此原理正在开发双纤芯的敏感器或光回路器件。,多芯光纤,将光纤作成空心，形成圆筒状空间，用于光传输的光纤，称作空心光纤。空心光纤主要用于能量传送，可供X射线、紫外线和远红外线光能传输。空心光纤结构有两种：一是将玻璃作成圆筒状，其纤芯与包层原理与阶跃型相同。利用光在空气与玻璃之间的全反射传播。由于，光的大部分可在无损耗的空气中传播，具有一定距离的传播功能。二是使圆筒内面的反射率接近1，以减少反射损耗。为了提高反射率，有在简内设置电介质，使工作波长段损耗减少的。例如可以作到波长10.6m损耗达几dBm的。,空心光纤,G.651光纤:渐变多模光纤，工作波长为1.31m和1.55m，在1.31m处光纤有最小色散，而在1.55m处光纤有最小损耗，主要用于计算机局域网或接入网。G.652光纤：常规单模光纤，也称为非色散位移光纤，其零色散波长为1.31m，在1.55m处有最小损耗，是目前应用最广的光纤。G.653光纤：色散位移光纤，在1.55m处实现最低损耗与零色散波长一致，但由于在1.55m处存在四波混频等非线性效应，阻碍了其应用。G.654光纤：性能最佳单模光纤，在1.55m处具有极低损耗（大约0.18dB/km）且弯曲性能好。截止波长大于1310nm,专门用于1550nm波段。G.655光纤：非零色散位移单模光纤，在1.55m1.65m处色散值为0.16.0ps/（nm.km），用以平衡四波混频等非线性效应，适用于高速（10Gb/s以上）、大容量、DWDM系统。,ITU-T建议的光纤分类,光纤大多数是由石英玻璃材料组成的.光纤的制造要经历原料提纯、光纤预制棒制备、光纤拉丝等具体的工艺步骤。,光纤的制造,光纤制造,两种基本方法1.直接熔化法：按传统制造玻璃的工艺将处在熔融状态的石英玻璃的纯净组分直接制造成光纤。2.汽相氧化过程：高纯度金属卤化物(如SiCl4和GeCl4)与氧反应生成SiO2微粒(通过四种不同的方法)，将微粒收集在玻璃容器的表面，烧结(在尚未熔化的状态将SiO2转化成玻璃体)制成预制棒，拉丝成纤。,原料提纯(石英玻璃材料):精馏法:利用被提纯物质与杂质的沸点不同来清除杂质;吸附法:利用被提纯物质与杂质的化学键极性差异,选择适当的吸附剂进行选择性吸附分离,达到清除杂质的目的;,直接熔化法：双坩埚法,直接熔化法：可用于制造石英光纤、卤化物光纤和硫属光纤具有产量大、可连续制造的优点但坯料棒熔化过程中容易带来杂质，它的最低损耗值为5dB/km,光纤预制棒生产最常使用的工艺是两步法：第一步采用四种气相沉积工艺，即：外气相沉积(OutsideVapourDeposition-OVD)、轴向气相沉积(VapourA