第7章 光纤和光纤技术

1、第第7章章 光纤和光纤技术光纤和光纤技术 7.4 突变光纤的光线理论分析突变光纤的光线理论分析 7.3 光纤的制作技术光纤的制作技术 7.1 光纤产生和应用光纤产生和应用 7.2 光纤的种类和结构光纤的种类和结构 长春理工大学长春理工大学 7.8 光纤传感技术光纤传感技术 7.7 光纤的色散光纤的色散 7.9 光纤通信技术光纤通信技术 7.5 渐变光纤的光线理论分析渐变光纤的光线理论分析 7.6 光纤的损耗光纤的损耗 长春理工大学长春理工大学 第第7章章 光纤和光纤技术光纤和光纤技术 7.1 光纤产生和应用光纤产生和应用 7.1.1光纤初始阶段光纤初始阶段 7.1.2光纤实用阶段光纤实用阶段

2、光纤光纤是光导纤维的简称，是目前应用最广泛的光波是光导纤维的简称，是目前应用最广泛的光波 导。它是利用全反射的原理将光波的能量约束在界导。它是利用全反射的原理将光波的能量约束在界 面内，并引导光波沿着光纤的轴线方向前进。面内，并引导光波沿着光纤的轴线方向前进。 长春理工大学长春理工大学长春理工大学长春理工大学 第第7章章 光纤和光纤技术光纤和光纤技术 7.1.1光纤初始阶段光纤初始阶段 l1854年，英国的廷达尔年，英国的廷达尔(Tyndall)就观察到就观察到 光在水与空气分界面上作全反射以致光随水光在水与空气分界面上作全反射以致光随水 流而弯曲的现象。流而弯曲的现象。 l1870年的一天，

3、他到皇家学会的演讲厅讲年的一天，他到皇家学会的演讲厅讲 光的全反射原理，演示放光的水从水桶的小光的全反射原理，演示放光的水从水桶的小 孔里流了出来，水流弯曲，光线也跟着弯曲，孔里流了出来，水流弯曲，光线也跟着弯曲， 光居然被弯弯曲曲的水俘获了。光居然被弯弯曲曲的水俘获了。 l1929-1930年，美国的哈纳尔年，美国的哈纳尔(Hanael)和德和德 国的拉姆国的拉姆(Lamm)先后拉制出石英细丝并用于先后拉制出石英细丝并用于 光线和图象的短距离传输。光线和图象的短距离传输。 长春理工大学长春理工大学长春理工大学长春理工大学 第第7章章 光纤和光纤技术光纤和光纤技术 20世纪世纪60年代，最好的

4、玻璃纤维的衰减损耗仍年代，最好的玻璃纤维的衰减损耗仍 在每公里在每公里1000分贝以上。分贝以上。 1970年，美国康宁玻璃公司的三名科研人员年，美国康宁玻璃公司的三名科研人员 马瑞尔、卡普隆、凯克成功地制成了传输损耗马瑞尔、卡普隆、凯克成功地制成了传输损耗 每千米只有每千米只有20分贝的光纤，这是世界上第一根分贝的光纤，这是世界上第一根 低损耗的石英光纤。低损耗的石英光纤。 1966年年7月，高锟在月，高锟在PIEE 杂志上就光纤传输的杂志上就光纤传输的 前景发表了具有重大历史意义的论文前景发表了具有重大历史意义的论文光频率光频率 的介质纤维表面波导的介质纤维表面波导 长春理工大学长春理工大

5、学长春理工大学长春理工大学 第第7章章 光纤和光纤技术光纤和光纤技术 1974年美国贝尔研究所发明了低损耗光纤制年美国贝尔研究所发明了低损耗光纤制 作法作法CVD法（汽相沉积法），使光纤损耗法（汽相沉积法），使光纤损耗 降低到每千米降低到每千米1分贝。分贝。 1977年，贝尔研究所和日本电报电话公司几年，贝尔研究所和日本电报电话公司几 乎同时研制成功寿命达乎同时研制成功寿命达100万小时的半导体激万小时的半导体激 光器，从而有了真正实用的激光器光器，从而有了真正实用的激光器 。 7.1.2光纤实用阶段光纤实用阶段 长春理工大学长春理工大学长春理工大学长春理工大学 第第7章章 光纤和光纤技术光纤

6、和光纤技术 u1977年，世界上第一条光纤通信系统在美国芝年，世界上第一条光纤通信系统在美国芝 加哥市投入商用，速率为加哥市投入商用，速率为45Mbs。 u70年代的光纤通信系统主要是用多模光纤，应年代的光纤通信系统主要是用多模光纤，应 用光纤的短波长（用光纤的短波长（850纳米）波段，纳米）波段， u80年代以后逐渐改用长波长（年代以后逐渐改用长波长（1310纳米），光纳米），光 纤逐渐采用单模光纤，纤逐渐采用单模光纤， u90年代初，通信容量扩大了年代初，通信容量扩大了50倍，达到倍，达到2.5Gb s。 u90年代以后，传输波长又从年代以后，传输波长又从1310纳米转向更长纳米转向更长

7、的的1550纳米波长，并且开始使用光纤放大器、波纳米波长，并且开始使用光纤放大器、波 分复用（分复用（WDM）技术等新技术。）技术等新技术。 长春理工大学长春理工大学长春理工大学长春理工大学 第第7章章 光纤和光纤技术光纤和光纤技术 要点与习题要点与习题 光纤发展历程？光纤发展历程？ 光纤的作用？光纤的作用？ 光纤传光原理？光纤传光原理？ 长春理工大学长春理工大学长春理工大学长春理工大学 第第7章章 光纤和光纤技术光纤和光纤技术 第第7章章 光纤和光纤技术光纤和光纤技术 7.4 突变光纤的光线理论分析突变光纤的光线理论分析 7.3 光纤的制作技术光纤的制作技术 7.1 光纤产生和应用光纤产生和

8、应用 7.2 光纤的种类和结构光纤的种类和结构 长春理工大学长春理工大学长春理工大学长春理工大学 第第7章章 光纤和光纤技术光纤和光纤技术 7.2 光纤的种类和结构光纤的种类和结构 7.2.1光纤的种类光纤的种类 7.2.2 光纤的结构光纤的结构 长春理工大学长春理工大学 第第7章章 光纤和光纤技术光纤和光纤技术 通常光纤的分类可以从工作波长、折射率分布、通常光纤的分类可以从工作波长、折射率分布、 传输模式和制作材料上进行归纳。传输模式和制作材料上进行归纳。 7.2.1光纤的种类光纤的种类 p按照制造光纤所用的材料分：石英系光纤、多按照制造光纤所用的材料分：石英系光纤、多 组分玻璃光纤、塑料包

9、层石英芯光纤、全塑料光组分玻璃光纤、塑料包层石英芯光纤、全塑料光 纤和氟化物光纤。纤和氟化物光纤。 p按光在光纤中的传输模式分：单模光纤和多模按光在光纤中的传输模式分：单模光纤和多模 光纤。光纤。 p按折射率分布情况分：阶跃型和渐变型光纤。按折射率分布情况分：阶跃型和渐变型光纤。 长春理工大学长春理工大学 第第7章章 光纤和光纤技术光纤和光纤技术 1、工作波长、工作波长 按照工作波长光纤可分为紫外光纤、可见光纤和红按照工作波长光纤可分为紫外光纤、可见光纤和红 外光纤。外光纤。 2、折射率分布、折射率分布 按照折射率分布光纤可分为按照折射率分布光纤可分为阶跃型和渐变型阶跃型和渐变型。 阶跃型阶跃

10、型光纤纤芯的折射率和包层的折射率都是一个光纤纤芯的折射率和包层的折射率都是一个 常数。常数。 渐变型渐变型光纤纤芯的折射率随着半径的增加按一定光纤纤芯的折射率随着半径的增加按一定 规律减小规律减小, 在纤芯与包层交界处减小为包层的折射在纤芯与包层交界处减小为包层的折射 率。率。 长春理工大学长春理工大学 第第7章章 光纤和光纤技术光纤和光纤技术 3、传输模式、传输模式 按照传输模式光纤可分为单模光纤和多模光纤。按照传输模式光纤可分为单模光纤和多模光纤。 单模光纤：单模光纤：中心玻璃芯较细中心玻璃芯较细(芯径一般为芯径一般为1-10m),只能只能 传一种模式的光。传一种模式的光。 多模光纤：多模

11、光纤：中心玻璃芯较粗中心玻璃芯较粗(芯径一般为芯径一般为50-100m)， 可传多种模式的光。可传多种模式的光。 4、制作材料、制作材料 按照制作材料可分为石英光纤、复合光纤（多成分按照制作材料可分为石英光纤、复合光纤（多成分 玻璃光纤）、氟化物光纤和塑料光纤等。玻璃光纤）、氟化物光纤和塑料光纤等。 长春理工大学长春理工大学 第第7章章 光纤和光纤技术光纤和光纤技术 石英光纤石英光纤是以二氧化硅（是以二氧化硅（SiO2）为主要原料，并）为主要原料，并 按不同的掺杂量来控制纤芯和包层的折射率分布按不同的掺杂量来控制纤芯和包层的折射率分布 的光纤。的光纤。 纤芯一般为纤芯一般为SiO2+GeO2增

12、大折射率增大折射率: 包层一般为包层一般为SiO2+B2O3降低折射率降低折射率: 纤芯和包层一般均加纤芯和包层一般均加P2O5 降低熔融温度降低熔融温度: 长春理工大学长春理工大学 第第7章章 光纤和光纤技术光纤和光纤技术 复合光纤复合光纤（Compound Fiber）是在）是在SiO2原料中再原料中再 适当混合诸如氧化钠（适当混合诸如氧化钠（Na2O）、氧化硼（）、氧化硼（B2O2）、）、 氧化钾（氧化钾（K2O2）等氧化物的多成分玻璃做成的光）等氧化物的多成分玻璃做成的光 纤，特点是多成分玻璃比石英的软化点低，并且纤纤，特点是多成分玻璃比石英的软化点低，并且纤 芯与包层的折射率差很大。

13、主要用在医疗业务的光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。纤内窥镜。 氟化物光纤氟化物光纤（Fluoride Fiber）是由做氟化物玻璃）是由做氟化物玻璃 成的光纤。这种光纤原料又简称成的光纤。这种光纤原料又简称 ZBLAN，由于它，由于它 具有制作超低损耗光纤的可能性，人们正在进行着具有制作超低损耗光纤的可能性，人们正在进行着 用于长距离通信光纤的可行性开发。用于长距离通信光纤的可行性开发。 长春理工大学长春理工大学 第第7章章 光纤和光纤技术光纤和光纤技术 塑包光纤塑包光纤（Plastic Clad Fiber）是将高纯度的石英）是将高纯度的石英 玻璃作成纤芯，而将折射

14、率比石英稍低的硅胶等塑玻璃作成纤芯，而将折射率比石英稍低的硅胶等塑 料作为包层的阶跃型光纤。它与石英光纤相比较，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（具有纤芯粗、数值孔径（NA）高的特点。因此，易）高的特点。因此，易 与发光二极管与发光二极管LED光源结合，损耗也较小。所以，光源结合，损耗也较小。所以， 非常适用于局域网（非常适用于局域网（LAN）和近距离通信。）和近距离通信。 塑料光纤塑料光纤（Plastic Optical fiber）是将纤芯和包层）是将纤芯和包层 都用塑料（聚合物）做成的光纤。早期产品主要用都用塑料（聚合物）做成的光纤。早期产品主要用 于装

15、饰和导光照明及近距离光链路的光通信中。最于装饰和导光照明及近距离光链路的光通信中。最 近，在汽车内部近，在汽车内部LAN中应用较快，未来在家庭中应用较快，未来在家庭LAN 中也可能得到应用。中也可能得到应用。 长春理工大学长春理工大学 第第7章章 光纤和光纤技术光纤和光纤技术 7.2.2 光纤的结构光纤的结构 光纤的典型结构光纤的典型结构是一种细长多层同轴圆柱形实体复是一种细长多层同轴圆柱形实体复 合纤维。自内向外分别称为纤芯（芯层）、包层和合纤维。自内向外分别称为纤芯（芯层）、包层和 涂覆层（被覆层），如图涂覆层（被覆层），如图7.1所示。所示。 长春理工大学长春理工大学 第第7章章 光纤和

16、光纤技术光纤和光纤技术 n核心部分为纤芯和包层，二者共同构成介质光波导，核心部分为纤芯和包层，二者共同构成介质光波导， 形成对光信号的传导和约束，实现光的传输。形成对光信号的传导和约束，实现光的传输。 n涂覆层又称被覆层，是一层高分子涂层，主要对裸涂覆层又称被覆层，是一层高分子涂层，主要对裸 光纤提供机械保护，因裸光纤的主要成分为二氧化硅，光纤提供机械保护，因裸光纤的主要成分为二氧化硅， 它是一种脆性易碎材料，抗弯曲性能差，韧性差，为它是一种脆性易碎材料，抗弯曲性能差，韧性差，为 提高光纤的微弯性能，涂覆一层高分子涂层。提高光纤的微弯性能，涂覆一层高分子涂层。 n如将若干根这样的裸光纤集束成一

17、捆，相互间极易如将若干根这样的裸光纤集束成一捆，相互间极易 产生磨损，导致光纤表面损伤而影响光纤的传输性能。产生磨损，导致光纤表面损伤而影响光纤的传输性能。 为防止这种损伤采取的有效措施就是在裸光纤表面涂为防止这种损伤采取的有效措施就是在裸光纤表面涂 一层高分子。一层高分子。 长春理工大学长春理工大学 第第7章章 光纤和光纤技术光纤和光纤技术 要点与习题要点与习题 光纤的种类？光纤的种类？ 光纤的结构？光纤的结构？ 光纤传光原理？光纤传光原理？ 长春理工大学长春理工大学 第第7章章 光纤和光纤技术光纤和光纤技术 第第7章章 光纤和光纤技术光纤和光纤技术 7.4 突变光纤的光线理论分析突变光纤的

18、光线理论分析 7.3 光纤的制作技术光纤的制作技术 7.1 光纤产生和应用光纤产生和应用 7.2 光纤的种类和结构光纤的种类和结构 长春理工大学长春理工大学 第第7章章 光纤和光纤技术光纤和光纤技术 7.3 光纤的制作技术光纤的制作技术 7.3.1 光纤材料光纤材料 7.3.2 光纤预制棒制备光纤预制棒制备 7.3.3 光纤拉丝光纤拉丝 7.3.4 光纤涂覆光纤涂覆 长春理工大学长春理工大学 第第7章章 光纤和光纤技术光纤和光纤技术 7.3.1 光纤材料光纤材料 制备制备SiO2 石英系光纤的主要原料多数采用一些高纯石英系光纤的主要原料多数采用一些高纯 度的液态卤化物化学试剂，如四氯化硅（度的

19、液态卤化物化学试剂，如四氯化硅（SiCl4）, 四四 氯化锗（氯化锗（GeCl4），三氯氧磷（），三氯氧磷（POCl3）, 三氯化硼三氯化硼 （BCl3）, 三氯化铝（三氯化铝（AlCl3）等。）等。 长春理工大学长春理工大学 第第7章章 光纤和光纤技术光纤和光纤技术 以以SiCl4 为例，它的水解化学反应式如下：为例，它的水解化学反应式如下： SiCl4+2H2O4HCl+SiO2 (7.3-1) SiCl4+4H2OH4SiO4+4HCl (7.3-2) 长春理工大学长春理工大学 第第7章章 光纤和光纤技术光纤和光纤技术 SiCl4 的制备可采用多种方法，最常用的方法是的制备可采用多种方法

20、，最常用的方法是 采用工业硅在高温下氯化制得粗采用工业硅在高温下氯化制得粗SiCl4，化学反，化学反 应如下：应如下： Si+2Cl2SiCl4 (7.3-3) 该反应为放热反应，反应炉内温度随着反应加剧而该反应为放热反应，反应炉内温度随着反应加剧而 升高，所以要控制氯气流量，防止反应温度过高，升高，所以要控制氯气流量，防止反应温度过高， 生成生成Si2Cl6 和和Si3Cl8。反应生成的。反应生成的SiCl4 蒸气流入冷蒸气流入冷 凝器，这样制得凝器，这样制得SiCl4 液体原料。液体原料。 长春理工大学长春理工大学 第第7章章 光纤和光纤技术光纤和光纤技术 在制备在制备SiO2 光纤时，除

21、需要光纤时，除需要SiCl4 卤化物试剂外，卤化物试剂外， 还需要一些高纯度的掺杂剂和某些有助反应的辅还需要一些高纯度的掺杂剂和某些有助反应的辅 助试剂或气体。在沉积包层时，需掺入少量的低助试剂或气体。在沉积包层时，需掺入少量的低 折射率的掺杂剂。如折射率的掺杂剂。如B2O3，F，SiF4 等；在沉积等；在沉积 芯层时，需要掺杂少量的高折射率的掺杂剂，如芯层时，需要掺杂少量的高折射率的掺杂剂，如 GeO2、P2O5、TiO2、ZrO2、Al2O3 等。如采用四等。如采用四 氯化锗与纯氧气反应得到高掺杂物质氯化锗与纯氧气反应得到高掺杂物质GeO2，而利，而利 用氟里昂与用氟里昂与SiCl4 加纯

22、加纯O2反应得到低掺杂物质反应得到低掺杂物质SiF4 等。等。 长春理工大学长春理工大学 第第7章章 光纤和光纤技术光纤和光纤技术 光纤预制棒是控制光纤折射率分布的原始棒体材料，光纤预制棒是控制光纤折射率分布的原始棒体材料， 其结构为多层圆柱体，它的内层为高折射率的纤芯其结构为多层圆柱体，它的内层为高折射率的纤芯 层，外层为低折射率的包层，它应具有符合要求的层，外层为低折射率的包层，它应具有符合要求的 折射率分布形式和几何尺寸。折射率分布形式和几何尺寸。 7.3.2 光纤预制棒制备光纤预制棒制备 长春理工大学长春理工大学 第第7章章 光纤和光纤技术光纤和光纤技术 美国康宁公司在美国康宁公司在1

23、974 年开发成功，年开发成功，1980 年全面投年全面投 入使用的管外气相沉积法，简称入使用的管外气相沉积法，简称OVD法；美国阿尔卡法；美国阿尔卡 特公司在特公司在1974 年开发的管内化学气相沉积法，简称年开发的管内化学气相沉积法，简称 MCVD 法法 1、光纤预制棒的制造工艺、光纤预制棒的制造工艺 日本日本NTT 公司在公司在1977 年开发的轴向气相沉积法，年开发的轴向气相沉积法， 简称简称VAD 法；荷兰菲利浦公司开发的微波等离子体法；荷兰菲利浦公司开发的微波等离子体 化学气相沉积法，简称化学气相沉积法，简称PCVD 法。法。 近年来又开发了等离子改良的化学气相沉积法近年来又开发了

24、等离子改良的化学气相沉积法 （PMCVD）、轴向和横向等离子化学气相沉积法）、轴向和横向等离子化学气相沉积法 （ALPD）、）、MCVD 大棒法、大棒法、MCVD/OVD 混合法及混合法及 混合气相沉积法（混合气相沉积法（HVD）等多种工艺。）等多种工艺。 长春理工大学长春理工大学 第第7章章 光纤和光纤技术光纤和光纤技术 2、典型预制棒制作过程、典型预制棒制作过程 长春理工大学长春理工大学 第第7章章 光纤和光纤技术光纤和光纤技术 在内包层沉积过程中，可以使用的低折射率掺杂剂有在内包层沉积过程中，可以使用的低折射率掺杂剂有 CF2Cl2、SF6 、C2F4、B2O3 等，其氧化原理与化学等，

25、其氧化原理与化学 反应方程式如下：反应方程式如下： SiCl4O2 =SiO22Cl2 （7.3-4） SiCl42O22CF2Cl2 =SiF42Cl2 2CO2 （7.3-5） 3SiCl42O22SF6 =3SiF43Cl2 2SO2 （7.3-6） 3O24BBr3 =2B2O36Br2 （7.3-7） 长春理工大学长春理工大学 第第7章章 光纤和光纤技术光纤和光纤技术 SiCl4 O2 =SiO22Cl2 （7.3-8） GeCl4O2 =GeO22Cl2 （7.3-9） 2POCl34O2 =2P2O53Cl2 （7.3-10） GeO2、P2O5,沉积在气流下漩的内壁上，氢氧火焰

26、经沉积在气流下漩的内壁上，氢氧火焰经 过的地方，就会在包皮管内形成一层均匀透明的氧化过的地方，就会在包皮管内形成一层均匀透明的氧化 物物SiO2-GeO2（或（或SiO2-P2O5）沉积在内包层）沉积在内包层SiO2-SiF4 玻璃表面上。沉积芯层过程中，高温氧化的原理与化玻璃表面上。沉积芯层过程中，高温氧化的原理与化 学反应方程式如下：学反应方程式如下： 长春理工大学长春理工大学 第第7章章 光纤和光纤技术光纤和光纤技术 7.3.3 光纤拉丝光纤拉丝 光纤拉丝是指将制备好的光纤预制棒，利用某种光纤拉丝是指将制备好的光纤预制棒，利用某种 加热设备加热熔融后拉制成直径符合要求的细小光纤加热设备加

27、热熔融后拉制成直径符合要求的细小光纤 纤维，并保证光纤的芯、包层直径比和折射率分布形纤维，并保证光纤的芯、包层直径比和折射率分布形 式不变的工艺操作过程。式不变的工艺操作过程。 在拉丝操作过程中，最重要的技术是如何保证在拉丝操作过程中，最重要的技术是如何保证 不使光纤表面受到损伤并正确控制芯、包层外径尺不使光纤表面受到损伤并正确控制芯、包层外径尺 寸及折射率分布形式。寸及折射率分布形式。 在工艺上，拉丝与一次涂覆是相互独立的两个在工艺上，拉丝与一次涂覆是相互独立的两个 工艺步骤，而在实际生产中，拉丝与一次涂覆是工艺步骤，而在实际生产中，拉丝与一次涂覆是 在一条生产线上一次完成的，如图在一条生产

28、线上一次完成的，如图7.3所示。所示。 长春理工大学长春理工大学 第第7章章 光纤和光纤技术光纤和光纤技术 1、拉丝方法、拉丝方法 长春理工大学长春理工大学 第第7章章 光纤和光纤技术光纤和光纤技术 光纤预制棒的拉丝机由五个基本部分构成：光纤预制棒的拉丝机由五个基本部分构成： 1）光纤预制棒馈送系统）光纤预制棒馈送系统 2）加热系统）加热系统 3）拉丝机构）拉丝机构 4）各参数控制系统）各参数控制系统5）冷却和缠绕系统）冷却和缠绕系统 2、拉丝过程、拉丝过程 具体的机械和电气设备与系统包括：具体的机械和电气设备与系统包括： 机械系统拉丝塔架、电气部分送棒控制及调心控制机械系统拉丝塔架、电气部分

29、送棒控制及调心控制 系统、加热炉控制系统、外径测控系统、牵引控制系统、加热炉控制系统、外径测控系统、牵引控制 系统、冷却及保护控制系统、人机界面、系统、冷却及保护控制系统、人机界面、PLC 信号信号 处理系统等。处理系统等。 长春理工大学长春理工大学 第第7章章 光纤和光纤技术光纤和光纤技术 在正常状态，若预制棒的馈送速度为在正常状态，若预制棒的馈送速度为V，光纤的拉，光纤的拉 丝速度为丝速度为Vf，预制棒的外径为，预制棒的外径为D，裸光纤的外径为，裸光纤的外径为d。 根据熔化前的棒体容积等于熔化拉丝后光纤的容积根据熔化前的棒体容积等于熔化拉丝后光纤的容积 的特点，可知，的特点，可知， 22

30、f VDV d(7.3-11) 因此，光纤的外径：因此，光纤的外径： 22 / f dVDV (7.3-12) 长春理工大学长春理工大学 第第7章章 光纤和光纤技术光纤和光纤技术 拉丝操作对加热源的要求是十分苛刻的。热拉丝操作对加热源的要求是十分苛刻的。热 源不仅要提供足以熔融石英玻璃的源不仅要提供足以熔融石英玻璃的2000C 以上以上 高温，还必须在拉制区域能够非常精确的控制温高温，还必须在拉制区域能够非常精确的控制温 度，因而加热炉的设计是拉丝技术的又一关键技度，因而加热炉的设计是拉丝技术的又一关键技 术。术。 常用的拉丝热源有：气体喷灯；各种电阻及感常用的拉丝热源有：气体喷灯；各种电阻及

31、感 应加热炉和大功率应加热炉和大功率CO2 激光器。激光器。 3、加热源、加热源 长春理工大学长春理工大学 第第7章章 光纤和光纤技术光纤和光纤技术 光纤拉丝工艺中的直径控制技术是关键。为此，光纤拉丝工艺中的直径控制技术是关键。为此， 在加热炉及预制棒下端拉锥部位要求有相当平静在加热炉及预制棒下端拉锥部位要求有相当平静 的气氛，任何气流的搅动都会造成光纤直径的高的气氛，任何气流的搅动都会造成光纤直径的高 频波动。为保证光纤直径的精度要求，必须采取频波动。为保证光纤直径的精度要求，必须采取 下列措施：下列措施： 4、直径控制措施、直径控制措施 长春理工大学长春理工大学 第第7章章 光纤和光纤技术

32、光纤和光纤技术 首先，要求拉丝塔的底座应与周围建筑物的地基首先，要求拉丝塔的底座应与周围建筑物的地基 隔离，单独设置地基，以防止厂房周围车辆、机械隔离，单独设置地基，以防止厂房周围车辆、机械 振动产生影响，引起拉制的光纤直径波动；振动产生影响，引起拉制的光纤直径波动； 第二要求预制棒的拉丝牵引轮的速度要非常均第二要求预制棒的拉丝牵引轮的速度要非常均 匀平稳；牵引轮，收线盘，电机的传动部分不能匀平稳；牵引轮，收线盘，电机的传动部分不能 出现任何的偏心，否则都会导致光纤直径的变化；出现任何的偏心，否则都会导致光纤直径的变化； 长春理工大学长春理工大学 第第7章章 光纤和光纤技术光纤和光纤技术 第三

33、光纤直径要有一个十分精密的测量与反馈控制系第三光纤直径要有一个十分精密的测量与反馈控制系 统。一般选用非接触法之一的激光散射法对刚出炉的裸统。一般选用非接触法之一的激光散射法对刚出炉的裸 光纤同步进行遥测。基本测量方法有二种：一是通过光光纤同步进行遥测。基本测量方法有二种：一是通过光 纤的干涉图形来测定直径；二是采用扫描激光束产生的纤的干涉图形来测定直径；二是采用扫描激光束产生的 光纤的影象来确定直径。光纤的影象来确定直径。 在拉丝设备中拉丝和卷绕系统是重要组成部分。一般在拉丝设备中拉丝和卷绕系统是重要组成部分。一般 采用涂有橡胶的牵引轮和牵引装置、张力控制轮、收排采用涂有橡胶的牵引轮和牵引装

34、置、张力控制轮、收排 线盘等设备完成。牵引拉丝轮的速度在线盘等设备完成。牵引拉丝轮的速度在1020m/s 间，间， 要求保证光纤所受拉力为要求保证光纤所受拉力为“零零”。牵引装置一般采用轮。牵引装置一般采用轮 式牵引机，牵引光纤在牵引轮上移动，牵引速度即为拉式牵引机，牵引光纤在牵引轮上移动，牵引速度即为拉 丝生产线的拉丝速度。丝生产线的拉丝速度。 长春理工大学长春理工大学 第第7章章 光纤和光纤技术光纤和光纤技术 控制系统在拉丝设备中是最重要的组成部分。当控制系统在拉丝设备中是最重要的组成部分。当 拉制光纤的直径、温度、气氛等参数发生微小变化拉制光纤的直径、温度、气氛等参数发生微小变化 时，控

35、制系统自动反馈一个信息，并使变化自动得时，控制系统自动反馈一个信息，并使变化自动得 到补偿，这一作用系统称为控制系统。到补偿，这一作用系统称为控制系统。 主要构成部分有：位于加热炉出口的激光测径仪主要构成部分有：位于加热炉出口的激光测径仪 及涂覆后位于张力轮前端的涂层测径仪控制系统，及涂覆后位于张力轮前端的涂层测径仪控制系统， Ar气液面、压力和流量控制系统，炉内温度控制系气液面、压力和流量控制系统，炉内温度控制系 统以及各自相应的误差信号处理系统及控制拉丝速统以及各自相应的误差信号处理系统及控制拉丝速 度的控制机构。度的控制机构。 长春理工大学长春理工大学 第第7章章 光纤和光纤技术光纤和光

36、纤技术 7.3.4 光纤涂覆光纤涂覆 一次涂覆工艺是将拉制成的裸光纤表面涂覆上一一次涂覆工艺是将拉制成的裸光纤表面涂覆上一 层弹性模量比较高的涂覆材料，从而保护拉制出层弹性模量比较高的涂覆材料，从而保护拉制出 的光纤表面不受损伤，并提高其机械强度，降低的光纤表面不受损伤，并提高其机械强度，降低 衰减。衰减。 一次涂覆是对光纤最直接的保护，所以显得尤为一次涂覆是对光纤最直接的保护，所以显得尤为 重要。重要。 长春理工大学长春理工大学 第第7章章 光纤和光纤技术光纤和光纤技术 为保护光纤表面，提高抗拉强度和抗弯曲强度，为保护光纤表面，提高抗拉强度和抗弯曲强度， 实现实用化，需要给裸光纤涂覆一层或多

37、层高分子材实现实用化，需要给裸光纤涂覆一层或多层高分子材 料，例如：硅酮树脂，聚氨基甲酸乙酯，紫外固化丙料，例如：硅酮树脂，聚氨基甲酸乙酯，紫外固化丙 烯酸酯等。烯酸酯等。 涂覆层可有效地保护光纤表面，提高光纤的机械涂覆层可有效地保护光纤表面，提高光纤的机械 强度并隔绝引起微变损耗的外应力，对新拉制出的光强度并隔绝引起微变损耗的外应力，对新拉制出的光 纤进行完善的机械保护，避免损伤裸光纤表面，增加纤进行完善的机械保护，避免损伤裸光纤表面，增加 光纤的耐磨性，只有涂覆后方可允许光纤与其它表面光纤的耐磨性，只有涂覆后方可允许光纤与其它表面 接触。接触。 1、涂层作用、涂层作用 涂层的作用是使拉制好

38、的光纤表面不受机械损涂层的作用是使拉制好的光纤表面不受机械损 伤，防止裸光纤断裂。伤，防止裸光纤断裂。 长春理工大学长春理工大学 第第7章章 光纤和光纤技术光纤和光纤技术 一次涂层的层数一般为二层：预涂层和缓冲层。一次涂层的层数一般为二层：预涂层和缓冲层。 极特殊的情况下可有五层结构。涂层数主要由制造极特殊的情况下可有五层结构。涂层数主要由制造 者根据具体的使用环境和光纤结构决定。者根据具体的使用环境和光纤结构决定。 2、涂层厚度、涂层厚度 如果仅从机械强度考虑，涂层越厚越好，若综合如果仅从机械强度考虑，涂层越厚越好，若综合 考虑光纤的传输特性，涂层太厚，不仅在弯曲、拉伸考虑光纤的传输特性，涂

39、层太厚，不仅在弯曲、拉伸 及温度变化时会产生微弯，同时还会成为光纤损耗增及温度变化时会产生微弯，同时还会成为光纤损耗增 加的主要原因，此外，涂层材料的机械特点，也严重加的主要原因，此外，涂层材料的机械特点，也严重 影响光纤的传输特性。绝大多数光纤的涂层厚度控制影响光纤的传输特性。绝大多数光纤的涂层厚度控制 在在121-210m，但特殊光纤的涂层直径高达，但特殊光纤的涂层直径高达1mm。 长春理工大学长春理工大学 第第7章章 光纤和光纤技术光纤和光纤技术 一次涂覆根据所使用的涂覆设备的不同，可以有三一次涂覆根据所使用的涂覆设备的不同，可以有三 种不同的选择工艺种不同的选择工艺 1）灯芯涂覆）灯芯

40、涂覆 2）有引导管涂覆器涂覆）有引导管涂覆器涂覆 3）自动定心涂覆器涂覆）自动定心涂覆器涂覆 目前，最常用的是第三种工艺。目前，最常用的是第三种工艺。 3、涂覆工艺、涂覆工艺 长春理工大学长春理工大学 第第7章章 光纤和光纤技术光纤和光纤技术 灯芯涂覆工艺是美国贝尔实验室在光纤涂覆灯芯涂覆工艺是美国贝尔实验室在光纤涂覆 工艺研究的早期研制的一种涂覆工艺，它的基本工艺研究的早期研制的一种涂覆工艺，它的基本 操作原理是：用操作原理是：用Kynar7021 液将灯芯沾湿后，使液将灯芯沾湿后，使 裸光纤穿过沾湿的灯芯中心，涂覆上裸光纤穿过沾湿的灯芯中心，涂覆上Kynar7021 涂层，并用此溶液与六甲

41、基二硅化氧混合做表面涂层，并用此溶液与六甲基二硅化氧混合做表面 处理液，对涂覆后的光纤进行表面处理。这种方处理液，对涂覆后的光纤进行表面处理。这种方 法在一定程度上可以起到防磨损的作用。灯芯由法在一定程度上可以起到防磨损的作用。灯芯由 毡垫叠层而成，中间留有中心孔，并浸渍上主要毡垫叠层而成，中间留有中心孔，并浸渍上主要 成分为丙酮的成分为丙酮的Kynar7021 液，可涂层厚度在液，可涂层厚度在 12m左右。左右。 长春理工大学长春理工大学 第第7章章 光纤和光纤技术光纤和光纤技术 n有引导管涂覆器它主要由盛装涂覆液的容器、有引导管涂覆器它主要由盛装涂覆液的容器、 无压力作用不銹钢模具、引导管

42、、涂覆液封套无压力作用不銹钢模具、引导管、涂覆液封套 等组成。等组成。 n模具位于涂覆器的底部，当光纤穿过涂覆器模具位于涂覆器的底部，当光纤穿过涂覆器 时，光纤的表面粘附一层涂覆液，这层涂覆液时，光纤的表面粘附一层涂覆液，这层涂覆液 凝固后即成固体涂层，光纤必须定位于模具中凝固后即成固体涂层，光纤必须定位于模具中 心，模具决定了涂层的几何形状及光纤在涂层心，模具决定了涂层的几何形状及光纤在涂层 中最终的中心定位。中最终的中心定位。 n为保证光纤在模具中易于定位，再涂覆器中为保证光纤在模具中易于定位，再涂覆器中 靠近模具的地方放置一根引导管，内充满涂覆靠近模具的地方放置一根引导管，内充满涂覆 液

43、。这种结构的涂覆器有三个优点：液。这种结构的涂覆器有三个优点： 长春理工大学长春理工大学 第第7章章 光纤和光纤技术光纤和光纤技术 （1）光纤中心定位容易；）光纤中心定位容易； （2）涂覆液通过引导管时，本身可起到润滑作用，）涂覆液通过引导管时，本身可起到润滑作用， 保护光纤不受损伤；保护光纤不受损伤； （3）因为这种模具无压力特性，避免了在有压力）因为这种模具无压力特性，避免了在有压力 存在的挤压过程中出现的横向压力差问题。存在的挤压过程中出现的横向压力差问题。 长春理工大学长春理工大学 第第7章章 光纤和光纤技术光纤和光纤技术 自动定心涂覆器利用涂覆液的液体动力的作用，当自动定心涂覆器利用

44、涂覆液的液体动力的作用，当 光纤穿过模具时，依靠涂覆液流体动力使光纤移向光纤穿过模具时，依靠涂覆液流体动力使光纤移向 模具中心，位移量的大小取决于所设计的模具结构模具中心，位移量的大小取决于所设计的模具结构 和流体的特性。但是由于一般的涂覆液的流体动力和流体的特性。但是由于一般的涂覆液的流体动力 都是非常小的，只要模具对光纤的自由路径稍不对都是非常小的，只要模具对光纤的自由路径稍不对 准，就会使定心破坏，导致涂层出现很大的偏心，准，就会使定心破坏，导致涂层出现很大的偏心， 影响光纤传输的质量。影响光纤传输的质量。 为解决偏心问题可以采取两种方法：（为解决偏心问题可以采取两种方法：（1）设计具有

45、）设计具有 最大流体定心动力的模具；（最大流体定心动力的模具；（2）使涂覆模具保持精）使涂覆模具保持精 确的对准。确的对准。 长春理工大学长春理工大学 第第7章章 光纤和光纤技术光纤和光纤技术 u自动定心涂覆器最常用的涂覆结构有二种：无外部自动定心涂覆器最常用的涂覆结构有二种：无外部 加压开口杯式和压力涂覆器。加压开口杯式和压力涂覆器。 u采用简单的无外部加压开口杯式涂覆器，移动中的采用简单的无外部加压开口杯式涂覆器，移动中的 光纤会粘附一些液体涂料，并穿过一个使涂料在光纤光纤会粘附一些液体涂料，并穿过一个使涂料在光纤 上自对中可调模具口，涂层厚度由模具口大小和光纤上自对中可调模具口，涂层厚度

46、由模具口大小和光纤 直径决定。但这种结构涂覆器，在高速拉丝时得不到直径决定。但这种结构涂覆器，在高速拉丝时得不到 均匀涂敷层。均匀涂敷层。 u现在实际应用更普遍的是压力涂敷器。这种结构涂现在实际应用更普遍的是压力涂敷器。这种结构涂 覆器最适合用于高速拉丝，而且不会在涂料中搅起气覆器最适合用于高速拉丝，而且不会在涂料中搅起气 泡。压力涂敷器树脂涂敷速度与下列因素有关：液体泡。压力涂敷器树脂涂敷速度与下列因素有关：液体 的粘度；涂层厚度；烘干速度；光纤离开加热区的冷的粘度；涂层厚度；烘干速度；光纤离开加热区的冷 却速度。却速度。 长春理工大学长春理工大学 第第7章章 光纤和光纤技术光纤和光纤技术

47、要点与习题要点与习题 1、 制备光纤的材料都有哪些？制备光纤的材料都有哪些？ 2 、简述光纤预制棒制备过程、简述光纤预制棒制备过程 3 、简述光纤拉丝过程、简述光纤拉丝过程 4 、光纤涂覆的作用和方法、光纤涂覆的作用和方法 长春理工大学长春理工大学 第第7章章 光纤和光纤技术光纤和光纤技术 第第7章章 光纤和光纤技术光纤和光纤技术 7.4 突变光纤的光线理论分析突变光纤的光线理论分析 7.3 光纤的制作技术光纤的制作技术 7.1 光纤产生和应用光纤产生和应用 7.2 光纤的种类和结构光纤的种类和结构 长春理工大学长春理工大学 7.4 突变光纤的光线理论分析突变光纤的光线理论分析 7.4.1 光

48、纤当中的光线光纤当中的光线 7.4.2 光纤的数值孔径光纤的数值孔径 7.4.3 子午光线的时延差子午光线的时延差 长春理工大学长春理工大学 第第7章章 光纤和光纤技术光纤和光纤技术 在突变介质平面波导中，光线是通过波导的中在突变介质平面波导中，光线是通过波导的中 心轴线，在上下两个边界之间来回反射的锯齿形光心轴线，在上下两个边界之间来回反射的锯齿形光 线，与之不同，在突变光纤中有两种光线，一种称线，与之不同，在突变光纤中有两种光线，一种称 为子午光线，另一种称为斜射光线。为子午光线，另一种称为斜射光线。 本节在介绍两种光线之后，讨论光纤的数值孔本节在介绍两种光线之后，讨论光纤的数值孔 径、时

49、延差和焦散面。径、时延差和焦散面。 7.4.1光纤当中的光线光纤当中的光线 长春理工大学长春理工大学 第第7章章 光纤和光纤技术光纤和光纤技术 子午光线子午光线是在一个通过光纤轴线的平面（称为子是在一个通过光纤轴线的平面（称为子 午面）内以在午面）内以在z字形行进的光线，它在一个周期内与字形行进的光线，它在一个周期内与 光纤的中心轴线相交两次，如图光纤的中心轴线相交两次，如图7.4a)所示。所示。 长春理工大学长春理工大学 第第7章章 光纤和光纤技术光纤和光纤技术 光纤中不在子午面内的光线都是光纤中不在子午面内的光线都是斜射光线斜射光线。它和光。它和光 纤的轴线既不平行也不相交，其光路轨迹是空

50、间螺纤的轴线既不平行也不相交，其光路轨迹是空间螺 旋折线。此折线可为左旋，也可为右旋，但它和光旋折线。此折线可为左旋，也可为右旋，但它和光 纤的中心轴是等距的。纤的中心轴是等距的。 斜射光线是一种不通过光纤的中心轴线而且不在斜射光线是一种不通过光纤的中心轴线而且不在 一个平面内的光线，这类光线是在内半径小于纤芯一个平面内的光线，这类光线是在内半径小于纤芯 半径、外半径等于纤芯半径的圆柱形空间中绕中心半径、外半径等于纤芯半径的圆柱形空间中绕中心 轴线弯曲前进的光线，其运动范围是在纤芯包层轴线弯曲前进的光线，其运动范围是在纤芯包层 边界这一圆柱面与一个半径比光纤半径小的圆柱面边界这一圆柱面与一个半

51、径比光纤半径小的圆柱面 之间，后一圆柱面常称为焦散面，如图之间，后一圆柱面常称为焦散面，如图7.4b)所示。所示。 长春理工大学长春理工大学 第第7章章 光纤和光纤技术光纤和光纤技术 长春理工大学长春理工大学 第第7章章 光纤和光纤技术光纤和光纤技术 7.4.2光纤的数值孔径光纤的数值孔径 1、子午光线入射时光纤的数值孔径。、子午光线入射时光纤的数值孔径。入射的子午入射的子午 光线从折射率为的介质（一般是空气，光线从折射率为的介质（一般是空气， ） 射入光纤端面，入射角为光线在光纤中以与光纤射入光纤端面，入射角为光线在光纤中以与光纤 中心轴线成的角度方向前进，是光线和纤中心轴线成的角度方向前进

52、，是光线和纤 芯包层界面法线的夹角，如图芯包层界面法线的夹角，如图7.5所示。所示。 0 n 1 0 n 90 长春理工大学长春理工大学 第第7章章 光纤和光纤技术光纤和光纤技术 21 sinnn(7.4-1) 01 sinsin 90nn (7.4-2) 根据全反射条件，根据全反射条件， 应大于应大于临界角临界角 21 arcsin c nn 故应有故应有 另一方面，在光纤端面的入射角另一方面，在光纤端面的入射角 应满足斯涅应满足斯涅 耳耳( Snell)定律，故有定律，故有 即，即， 2 222 2 011112 1 sincos1 sin1 n nnnnnn n 长春理工大学长春理工大学

53、 由此得到由此得到 22 012 sinnnn(7.4-3) 只有满足这一条件的入射光线，才能发生全反射，只有满足这一条件的入射光线，才能发生全反射， 并在光纤中传播。并在光纤中传播。在通常情况下在通常情况下 1 0 n ，入射角的最大，入射角的最大 值记作值记作 max ，则，则 22 max12 sinnn（7.4-4） 这样，如果入射到光纤端面的光锥的半角小于这样，如果入射到光纤端面的光锥的半角小于 max 则光纤被激发，光束将进入光纤成为光导波。则光纤被激发，光束将进入光纤成为光导波。 长春理工大学长春理工大学 第第7章章 光纤和光纤技术光纤和光纤技术 角度角度2 max 称为入射光线

54、的称为入射光线的孔径角孔径角。 定义子午光线入射时光纤的定义子午光线入射时光纤的数值孔径数值孔径为为 22 12 NAnn 子 (7.4-5) 习惯上把习惯上把 2 2 2 1 nn称为称为“光纤的数值孔径光纤的数值孔径”。 长春理工大学长春理工大学 第第7章章 光纤和光纤技术光纤和光纤技术 2、斜射光线入射时光纤的数值孔径。、斜射光线入射时光纤的数值孔径。图图7.6是斜射光是斜射光 线在光纤中的全反射示意图。图中线在光纤中的全反射示意图。图中PQ为入射在光纤为入射在光纤 中的斜光线，它与光纤轴不共面；中的斜光线，它与光纤轴不共面；M为为Q在光纤横截在光纤横截 面上的投影；面上的投影；MN P

55、N，OH PM。 为入射面与子午为入射面与子午 面的夹角，面的夹角， 为折射角，为折射角， 为入射角。 为入射角。 长春理工大学长春理工大学 第第7章章 光纤和光纤技术光纤和光纤技术 由图中几何关系得斜光线的全反射条件为，由图中几何关系得斜光线的全反射条件为， 2 2 1 cos sin1 n n 再利用折射定律再利用折射定律 01 sinsinnn，可得，可得 22 12 0 sincos nn n 因此，斜光线的数值孔径则为因此，斜光线的数值孔径则为 22 12 0 sin cos nn NAn 斜 由于由于cos1，因而斜光线的数值孔径要大一些。，因而斜光线的数值孔径要大一些。 (7.4

56、-6) (7.4-7) (7.4-8) 长春理工大学长春理工大学 第第7章章 光纤和光纤技术光纤和光纤技术 7.4.3子午光线的时延差子午光线的时延差 如图如图7.7所示，入射角不同，光线沿光纤轴线所示，入射角不同，光线沿光纤轴线 的速度也不同：设光纤芯子中的光速为则光线的速度也不同：设光纤芯子中的光速为则光线 的轴线（取为的轴线（取为z轴）方向分速显然，轴）方向分速显然， sin z 90时，时， z 最大，最大， 为临界角，即为临界角，即 21 sin/nn 时，时， z 最小。最小。 长春理工大学长春理工大学 第第7章章 光纤和光纤技术光纤和光纤技术 1 min max z LnLL t

57、 c (7.4-9) 2 1 max 2 2min 1 z LnLL t cnn n (7.4-10) 若用若用 max z 和和 min z 分别表示分别表示 z 的最大值和最小值，的最大值和最小值， min t 和最长时间和最长时间 max t各为。各为。 并设并设L为传播距离，则光线传播所用的最短时间为传播距离，则光线传播所用的最短时间 长春理工大学长春理工大学 第第7章章 光纤和光纤技术光纤和光纤技术 其中其中c为真空中的光速，所以，时延差（即为真空中的光速，所以，时延差（即 ）为）为 m t 112 maxminmin 2 m Lnnn tttt cn (7.4-11) 其中其中 1

58、22 /nnn 为折射率差的相对值。为折射率差的相对值。 1 21 2 1 2 2 2 1 2 n nn n nn (7.4-12) 由此可见，时延差由此可见，时延差 与 与 成正比。成正比。 m t 长春理工大学长春理工大学 第第7章章 光纤和光纤技术光纤和光纤技术 要点与习题要点与习题 1、光纤当中有哪些光线？、光纤当中有哪些光线？ 2、简述光纤的数值孔径、简述光纤的数值孔径 3、计算子午光线的时延差、计算子午光线的时延差 长春理工大学长春理工大学 第第7章章 光纤和光纤技术光纤和光纤技术 7.8 光纤传感技术光纤传感技术 7.7 光纤的色散光纤的色散 7.9 光纤通信技术光纤通信技术 7

59、.5 渐变光纤的光线理论分析渐变光纤的光线理论分析 7.6 光纤的损耗光纤的损耗 第第7章章 光纤和光纤技术光纤和光纤技术 长春理工大学长春理工大学 第第7章章 光纤和光纤技术光纤和光纤技术 7.5 渐变光纤的光线理论分析渐变光纤的光线理论分析 7.5.1 平方律光纤平方律光纤(自聚焦光纤自聚焦光纤) 7.5.2 光线在光纤当中的传播轨迹光线在光纤当中的传播轨迹 l采用渐变折射率平板波导，使光线在芯层内沿采用渐变折射率平板波导，使光线在芯层内沿 “蛇形曲线蛇形曲线”或或“弧形曲线弧形曲线”前进，以避免散射损前进，以避免散射损 耗。耗。 l为了减小多模光纤的这种模间色散，常采用芯层为了减小多模光

60、纤的这种模间色散，常采用芯层 中折射率沿径向按平方律渐减的渐变折射率光纤。中折射率沿径向按平方律渐减的渐变折射率光纤。 长春理工大学长春理工大学 第第7章章 光纤和光纤技术光纤和光纤技术 7.5.1 平方律光纤平方律光纤(自聚焦光纤自聚焦光纤) 在折射率渐变光纤当中，折射率分布随着离轴距离在折射率渐变光纤当中，折射率分布随着离轴距离 的增加而不断改变，其一般形式为的增加而不断改变，其一般形式为 22 ( )(0) 12 m r nrn a (7.5-1) 为纤芯半径，为纤芯半径， 222 0/20nn rn m,为正数，为正数， a 0n为光纤轴上的折射率，为光纤轴上的折射率， n r为光纤轴