光纤基础知识资料

1、光纤基础知识1 .光纤光纤是一种由多层透明介质（玻璃或塑料）制成的用来传导光波的纤维状光波导，称为光导纤 维。光纤是光导纤维的简写。光纤的传输原理是光的全反射”2 .光纤的分类光纤的种类很多，根据用途不同，所需要的功能和性能也有所差异。光纤的分类主要是从工作 波长、折射率分布、传输模式、原材料和制造方法上作一归纳的，兹将各种分类举例如下：1）工作波长：紫外光纤、可观光纤、近红外光纤、红外光纤（0.85 ym 1.3 ym3 .55 yl）。2）折射率分布：阶跃（SI）型光纤、近阶跃型光纤、渐变（GI）型光纤、其它（如三角型、 W型、凹陷型等）。3）传输模式：单模光纤（含偏振保持光纤、非偏振保持

2、光纤）、多模光纤。4）原材料：石英光纤、多成分玻璃光纤、塑料光纤、复合材料光纤（如塑料包层、液体纤 芯等）、红外材料等。按被覆材料还可分为无机材料（碳等）、金属材料（铜、银等）和塑料等。5）制造方法：预塑有汽相轴向沉积（VAD ）、化学汽相沉积（CVD ）等，拉丝法有管律法 （Rod in tube）和双土甘锅法等。3. 一些不常用光纤的简单介绍1）掺氟光纤（Fluorine Doped Fiber）掺氟光纤为石英光纤的典型产品之一。通常，作为1.3 ym波域的通信用光纤中，控制纤芯的掺杂物为二氧化铭（GeO2）,包层是用Si02作成的。但接氟光纤的纤芯，大多使用SiO2， 而在包层中却是掺入

3、氟素的。由于，瑞利散射损耗是因折射率的变动而引起的光散射现象。所以， 希望形成折射率变动因素的掺杂物，以少为佳。氟素的作用主要是可以降低SI02的折射率。因而， 常用于包层的掺杂。2）红外光纤（Infrared Optical Fiber）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 2ym。为此，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。3）复合光纤（Compound Fiber）复合光纤是在SiO2原料中，再适当混合诸如氧化钠（Na2O）、氧化

4、硼（B2O3）、氧化钾 （K2O）等氧化物制作成多组分玻璃光纤，特点是多组分玻璃比石英玻璃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。4）氟氯化物光纤（Fluoride Fiber）氟化物光纤氯化物光纤是由氟化物玻璃作成的光纤。这种光纤原料又简称ZBLAN （即将氟化 诰（ZrF2）、氟化锁（BaF2）、氟化铺（LaF3）、氟化铝（AIF3 ）、氟化钠（NaF）等氯化物 玻璃原料简化成的缩语。主要工作在210ym波长的光传输业务。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3ym 波长时可达10-21

5、03dB/km，而石英光纤在1.55 ymB寸却在0.15-0.16dB/Km之间。目前， ZBLAN光纤由于难于降低散射损耗，只能用在2.42.7 ym的温敏器和热图像传输，尚未广泛实用。最近，为了利用ZBLAN进行长距离传输，正在研制1.3 ym的掺错光纤放大器（PDFA）。5) 塑包光纤（Plastic Clad Fiber）塑包光纤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，具有纤芯租、数值孔径（NA ）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。6) 色散位

6、移光纤（DSFDispersionShifted Fiber）单模光纤的工作波长在1.3Pm时，模场直径约9Pm，其传输损耗约0.3dB/km。此时，零色 散波长恰好在1.3pm处。石英光纤中，从原材料上看1.55pm段的传输损耗最小(约0.2dB/km )。 由于现在已经实用的掺钥光纤放大器(EDFA)是工作在1.55pm波段的，如果在此波段也能实现 零色散，就更有利于应用1.55Pm波段的长距离传输。于是，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1.3Pm段的零色散，移位到1.55pm段也构成零 色散。因此，被命名为色散位移光纤。加大结构色散的方法，主要

7、是在纤芯的折射率分布性能进行 改善。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、成缆化或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。7) 色散平坦光纤(D F FDispersion Flattened Fiber)色散移位光纤是将单模光纤设计零色散位于1.55pm波段的光纤。而色散平坦光纤却是将从 1.3Pm到1.55pm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。由于DFF 要作至1.3pm1.55pm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

8、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。8) 色散补偿光纤(DCFDisPersion Compe-nsation Fibe) r对于采用单模光纤的干线系统，由于多数是利用1.3pm波段色散为零的光纤构成的。可是， 现在损耗最小的1.55pm，由于EDFA的实用化，如果能在1.3pm零色散的光纤上也能令1.55pm 波长工作将是非常有益的源为在1.3Pm零色散的光纤中，1.55Pm波段的色散约有16ps/km/nm 之多。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

9、是光纤则称作色散补偿光纤。DCF与标准的1.3pm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。9) 偏振保持光纤(PMFPolarization Maintaining fiber )在光纤中传播的光波，因为 具有电磁波的性质，所以，除了基本的光波单一模式之外，实质上还存在着电磁场(TE、TM )分布的两个正交模式。通常，由于光纤截面的结构是圆对 称的，这两个偏振模式的传播常数相等，两束偏振光互不干涉，但实际上，光纤不是完全地圆对称， 例如有着弯曲部分，就会出现两个偏振模式之间的结合因素，在光轴上呈不规则分布。偏振光的这 种变化造成的色散，称之偏振

10、模式色散(PMD)。对于现在以分配图像为主的有线电视，影响尚 不太大，但对于一些未来超宽带有特殊要求的业务，如：(1) 相干通信中采用外差检波，要求光波偏振更稳定时；(2)光机器等对输入输出特性要求与偏振相关时；(3)在制作偏振保持光耦合器和偏振器或去偏振器等时；(4)制作利用光干涉的光纤敏感器等，凡要求偏振波保持恒定的情况下，对光纤经过改进使偏振状态不变的光纤称作偏振保持光纤， 或称其为固定偏振光纤。10)双折射光纤(PANDAPolarization-maintaining AND Absorption-reducing fiber )双折射光纤是指在单模光纤中，可以传输相互正交的两个固有

11、偏振模式的光纤。折射率随偏报方向变异的现象称为双折射。它又称作PANDA光纤，即偏振保持与吸收减少光纤。它 是在纤芯的横向两则，设置热膨胀系数大、截面是圆形的玻璃部分。在高温的光纤拉丝过程中，这 些部分收缩，其结果在纤芯y方向产生拉伸，同时又在x方向呈现压缩应力。致使纤材出现光弹性效应，使折射率在X方向和y方向出现差异。依此原理达到偏振 保持恒定的效果。11)抗恶环境光纤(Hard Condition Resistant Fiber)通信用光纤通常的工作环境温度可在40+60 C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在遭受高压或外力影响、曝晒辐射线的

12、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更吐丝果改用抗热性塑料，如聚四氟 乙稀(Teflon)等树脂，即可工作在300c环境。也有在石英玻璃表面涂覆银(Ni)和铝(AI)等 金属的。这种光纤则称为耐热光 纤(Heat Resista nt Fibe)另外，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：Colour Center）， 尤在0.40.7pm波长时损耗增大。防止办法是改用掺杂0H或F素的石英玻璃，就能抑制

13、因辐射 线造成的损耗缺陷。这种光纤则称作抗辐射光纤（Radiation Resistant Fiber），多用于核发电站 的监测用光纤维镜等。12） 密封涂层光纤（HCFHermeticallyCoated Fiber）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和氢的扩散所制造的光纤。目前， 通用的是在化学气相沉积（CVD ）法生产过程中，用碳层高速堆积来实现充分密封效应。这种碳 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。当然，它在防

14、止水分侵入，延缓机械强度的疲劳进程中，其疲劳系数（Fatigue Paramete）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 就是一例。13）碳涂层光纤（CCF Carbon CoatedFiber在石英光纤的表面涂敷碳膜的光纤，称 之碳涂层光纤。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。14）金属涂层光纤（Metal Coated Fiber）金属涂层光纤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

15、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的。由于此法因被玻璃与金属的膨胀系数差 异太大，会增微小弯曲损耗，实用化率不高。近期，由于在玻璃光纤的表面采用低损耗的非电解镀 膜法的成功，使性能大有改善。15）掺稀土光纤（Rare Earth DoPed Fiber在光纤的纤芯中，掺杂如何（）、钦（Nd）、谱（Pr）等稀土族元素的光纤。1985年英 国的索斯安普顿（Southampton）大学的佩思（Payn等首先发现掺杂稀土元素的光纤有激光振荡 和光放大的现象。于是，从此揭开了慢饵等光放大的面纱，现在已经实用的1.55pmEDFA就是利 用掺

16、饵的单模光纤，利用1.47pm的激光进行激励，得到1.55pm光信号放大的。另外，掺错的氟 化物光纤放大器（PDFA）正在开发中。16）喇曼光纤（RFRaman Fiber）喇曼效应是指往某物质中射人频率f的单色光时，在散射光中会出现频率f之外的f 士fR，f 2fR等频率的散射光，对此现象称喇曼效应。由于它是物质的分子运动与格子运动之间的能量交换 所产生的。当物质吸收能量时，光的振动数变小，对此散射光称斯托克斯（stokes）线。反之，从 物质得到能量，而振动数变大的散射光，则称反斯托克斯线。于是振动数的偏差FR,反映了能级， 可显示物质中固有的数值。利用这种非线性媒体做成的光纤，称作喇曼光

17、纤。为了将光封闭在细小 的纤芯中，进行长距离传播，就会出现光与物质的相互作用效应，能使信号波形不畸变，实现长距 离传输。当输入光增强时，就会获得相干的感应散射光。应用感应喇曼散射光的设备有喇曼光纤激光器，可供作分 光测量电源和光纤色散测试用电源。另外，感应喇曼散射，在光纤的长距离通信中，正在研讨作为 光放大器的应用。17）偏心光纤（ECFExcentric Core Fiber）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，它是异型光

18、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 （称此为渐消彼Evanescent Wave）。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。18）发光光纤（Luminescent Fiber）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(Sci ntill

19、ation Fiber )。发光光纤从荧光材料和掺杂的角度上，正在开发着塑料光纤。19)空心光纤(Hollow Fiber)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10.6pm损耗达几dB/m的。20)保偏光纤

20、保偏光纤传输线偏振光，广泛用于航天、航空、航海、工业制造技术及通信等国民经济的各个 领域。在以光学相干检测为基础的干涉型光纤传感器中，使用保偏光纤能够保证线偏振方向不变， 提高相干信躁比，以实现对物理量的高精度测量。保偏光纤作为一种特种光纤，主要应用于光纤陀 螺，光纤水听器等传感器和DWDM、EDFA等光纤通信系统。由于光纤陀螺及光纤水听器等可用于军用惯导和声呐，属于高新科技产品，而保偏光纤 又是其核心部件，因而保偏光纤一直被西方发达国家列入对我禁运的清单。保偏光纤在拉制过程中， 由于光纤内部产生的结构缺陷会造成保偏性能的下降，即当线偏振光沿光纤的一个特征轴传输时， 部分光信号会耦合进入另一个

21、与之垂直的特征轴，最终造成出射偏振光信号偏振消光比的下降. 这种缺陷就是影响光纤内的双折射效应. 保偏光纤中，双折射效应越强，波长越短，保持传输光偏振态越好。保偏光纤在今后几年内将有较大的市场需求。随着世界新技术的飞速发展和新产品的不断开发，保偏光纤将沿着以下几个方向发展：(1)采用光子晶体光纤新技术制造新型的高性能保偏光纤；(2) 开发温度适应性保偏光纤，以适应航空航天等领域环境的要求；(3)开发出各种掺稀土保偏光纤 ，满足光放大器等器件应用的需求； (4)开发氟化物保偏光纤，促进纤维光学干涉技术在红外天文学技术领域的发展；(5)低衰减保偏光纤：随着单模光纤技术的不断完善，损耗、材料色散和波

22、导色散已经不再是影响光纤通信的主要因素，单模光纤的偏振模色散(PMD)逐渐成为限制光纤通信质量的 最严重的瓶颈，在10 Gbit / s及以上的高速光纤通信系统中表现尤为突出。(6)利用克尔效应和法拉第旋光效应制造偏振光器件。21)塑料光纤(POFPlastic Optical Fiber)塑料光纤是纤芯和包层都用塑料(透光聚合物)制成的光纤。是由高透明聚合物如聚苯乙烯(PS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMAPolymer Polymethylmethacrylate) 聚碳酸酯(PC)作为芯层材料，PMMA、氟塑料等作为皮层材料的一类光纤(光导纤维)。不同的 材料具有不同的光衰减性能和温度应用范

23、围。(1)评价塑料光纤的性能指标有：衰减塑料光纤的衰减主要取决于所选用的材料的散射损耗和吸收损耗。要想作为通信级塑料光纤，一个最基本要求就是PMMA塑料光纤的衰减要小于180dB/km。带宽渐变型塑料光纤是折射率呈梯度分布的光纤，其折射率由芯至包层逐渐降低。只要所形成的渐 变折射率分布适宜，便可获得抑制模色散，保持大的数值孔径，控制出射光波相对于人射光波展宽 的效果。如折射率分布妥当，那么材料色散就成为决定传输带宽的主要因素。只要在选择时充分注 意材料色散，欲制得带宽为数Ghz- km是完全可行的。耐热性最重要、白勺是，塑料光纤的耐热性主要由其成分性能决定。耐热性好的材料成分，决定塑料光纤 具

24、有比较好的耐热性。判断材料耐热性的指标有玻璃化温度、维卡软化点、热变形温度等指标。连接性通信塑料光纤多采用纤芯直径为1000 ym的光纤，是石英光纤的820倍。粗的塑料光纤的 连接比石英光纤要容易得很多。（2）塑料光纤的优势有：塑料光纤质轻、柔软，更耐破坏（振动和弯曲）。塑料光纤有着优异的拉伸强度、耐用性和占用 空间小的特点。这些优点使得塑料光纤在汽车中成功应用尤为重要。一个典型的豪华车内部至少由 几公里的铜线和铜缆，重量和成本大为增加。飞机、火车和其他所有交通工具莫不如此。由于塑料光纤的大直径和数值孔径，光传导能力大。塑料光纤比铜类传输介质（双绞线和同轴电缆）有着高得多的带宽能力。传输的频率

25、越高，运用塑料光纤的成本就越低。塑料光纤的切割、布线、粘结、抛光和其他加工容易。由于有较大直径，塑料光纤安装和与器件、光源、探测器等的连接变得容易和低成本，非专业人士也能胜任这些操作。准备 塑料光纤的连接最多不超过1分钟，也不需要特别的工具。即使是最简单的剪刀也可以用来切割塑 料光纤。塑料光纤收发模块使用650nm波长的红光，非常安全，使用者可见也容易判断光纤的连接是否成功。另外，塑料光纤的连接对端面藏留的灰尘和碎屑不敏 威0u 塑料光纤不产生辐射，完全不受电磁干扰和无线电频率干扰以及噪音的影响。这一点对视频和音频的分流尤为重要，很显然这些干扰和噪音影响图像和服务的品质。塑料光纤可以 和铜缆在

26、同一管道里或同一线束并排铺放。塑料光纤不产生噪音，不会对目前的管网产生负面影响。POF系统的成本低。据说用于家庭消费电子、家庭联网和汽车包括音响、DVD、VCR等的每个连接的成本低于20美金。所以这些器件都可以在一般商店里买到。通过塑料光纤进行数据传输没有可能被窃听，这样塑料光纤在一些安全程度要求高的场合，就 非常适用。虽然石英光纤广泛用于远距离干线通信和光纤到户，但塑料光纤被称之为“平民化”光纤，理由是塑料光纤、相关的连接器件和安装的总成本比较低。在光纤到户、光纤到桌面整体方 案中，塑料光纤是石英光纤的补充，可共同构筑一个全光网络。POF与石英光纤相比，具有以下优点：模量低，芯径大（0.31

27、.01101）,接续时可使用简单的 POF连接器，即使是光纤接续中心对准产生30ym的偏差也不会影响耦合损耗；数值孔径大（NA0.5 左右），受光角可达60。而石英光纤只有16。可用便宜的LED，并且耦合效率高；挠曲性好，易于 加工和使用；在可见光区有低损耗窗口 ；重量轻;成本及加工费用低。POF网络在局域网系统中与其他传输介质相比，也具有明显的优点POF对电磁干扰不敏感，也不发生辐射，不同数据速率下的衰减恒定，误码率可预测，能在电噪声环境中使用; 其尺寸较长，可降低接头设计中公差控制的要求，故成网成本较低等。（3）塑料光纤的应用有：光纤到户（FTTH）和光纤到桌面（FTTD），家庭和办公室智

28、能网络（三网合一）90年代开始，通信技术高速发展，移动通信，卫星传输和光纤通信，将通信演变为高速、大 容量、数字化和综合的多媒体业务。在ITU-T的推动下，光纤通信的各种标准纷纷制定，如PDH、 SDH、DWDM、AN和B-ISDN等。因此，美国首先提出建立国家信息高速公路的构想：国家信息 基础建设（Nil），之后各国纷纷制定计划，并推出全球的信息技术建设计划（GII）。70年代，光纤网 络主要用于市内等大容量业务区，80年代向市外长途干线发展，到90年代逐步向用户方向延伸，即所谓FTTx应用，也就是光纤到 路边（FTTC）、至大楼（FTTB）、光纤到公寓（FTTA），和光纤至户（FTTH）。

29、目前也有采 用电缆到家庭（如:CABLE MODEM和ADSL技术）的经济方式，光纤到户是指从干网到小区、 用户间的最后接入网阶段全部使用光纤，实现语音、数据、广播电视及各类智能化系统功能的一种 接入方式，有利于整合网络功能和各种资源。光纤到户正在世界各地得到推广，日本的光纤到户普 及率最高，用户去年底已达到250万户，预计今年底将达到400万。美国从2004年底开始发力，截至今年3月线路建设履盖用户160万，实际开通业务接近 20万户。以网络游戏领先全球的韩国，同样对光纤到户给予了很高的期望，从2003年起韩国的电 信运营商陆续在光纤到户上加大投资，从2005年开始，宽带投资中光纤到户成为主

30、流。韩国政府预测，到2010年，光纤到户家庭普及率将达到70%。欧洲的英 国、德国、瑞典等都在加快发展光纤到户。由于塑料光纤的大直径和数值孔径，比铜类传输介质有更强的带宽能力。8根铜丝的传播速度和容量相当于2根塑料光纤。但是，每吨铜的价格却高达2030万元，并且价格在逐 年上涨。而一根直径1毫米重1克长1米的塑料光纤却只有。.20.3元。“三网融合”战略中的三网 指的就是电信网、广播电视网、互联网。随着该项战略的推进，用塑料光纤这一根线代替以上这三 种信号的传输，而且传输成本会大幅下降。光纤到户代表着一个国家宽带的未来，对光器件、光纤 光缆等行业有很大的促进作用。汽车应用现代轿车的各种新功能要

31、求快速可靠地传输更大数据量。多媒体汽车意味着常常要在较差的环 境中不受干扰地传输视频和音频等信号，国际MOST标准与IDB标准规定使用塑料光纤。塑料光纤汽车网络已经用在级别较高的轿车上，并经受住了长时间的考验。如:戴姆 勒-克莱斯勒（奔驰）”级”系列以及宝马的“BMW7”系列等。我国部分车型也开始考虑使用塑料光纤通信系统。根据测试专业之Faztec Optronics宜捷威科 技的行销企划报告指出，光通讯之Polymer Optical Fiber塑料光纤于车用电子中已成为汽车零组 件发展的新主流，目前使用于车内通讯与车内娱乐视听系统，例如车内电视，车内音响，车内灯具， 车内开关之联接线路均陆

32、续改用塑料光纤。消费电子和传感器塑料光纤在传感器、消费电子领域具有明显的优势，如电脑、视频摄像机、CD-ROM、DVD、 VCD、TV、打印机、扫描仪、磁盘和立体声系统等。例如我国DVD行业DVD年产量约为3000万台，用于DVD音频光纤跳线的塑料光纤需求量为30000km,价值1200万元 如加工成光缆，价值3000万元，如加工成音频光纤跳线，价值1.5亿元。考虑到国内主要是把塑 料光纤加工成光缆或音频光纤跳线出口到日本、韩国、台湾、欧美等国家与地区，塑料光纤在国内 这方面的市场需求至少有1亿元。工业控制总线系统随着计算机和自动控制技术的高速发展，工业自动化水平提高到一个崭新的高度。工业自动

33、化 根据其特点和使用方向可分为过程控制自动化、面向生产和制造业的自动化以及自动化测量系统（工业测量仪表）。这些工业自动化系统的建立和发展都有一个共同特点，即 由直接控制系统向集散型控制系统发展，而这种集散型控制系统的发展都是以各种工业网络为基础。 通过这些形形色色的工业总线系统，各种工业设备构成一个既分散又统一的整体。对POF来说， 工业控制总线系统是其最稳定和最大的市场之一。通过转换器，POF可以与RS232、RS422、 100Mbps以太网、令牌网等标准协议接口相连，从而在恶劣的工业制造环境中提供稳定、可靠的 通信线路，高速传输工业控制信号和指令，避免了因使用全属电缆线路受电磁干扰而导致

34、通信中断 的危险。照明及太阳能利用由于塑料光纤照明和其它方式相比具有独特优点，所以它已广泛地应用于各种场 合，并在不断地推广中。现将目前国内应用情况和场合简述如下：a室内装饰在室内装饰中，用侧发光光纤来构成轮廊线条，光照均匀、颜色柔和，给人一种和谐幸福的感 觉；细端光的合理利用，在家里营造出浪漫温馨的气息，在自己的家里也如同沐浴酒吧的感觉。在 酒店大厅中，安装流星光纤制作的水晶吊灯，通过各种色彩和亮点的变化，更显得华丽别致，给人 耳目一新的感觉；在KTV包房和演艺大厅里面，利用端光光纤，拼组成具有艺术效果的图案，同 时还可以利用端光光纤吊顶，可模拟星空效果，忽明忽暗，使人有无限的太空遐想。b水

35、景照明水景离开了照明就失去了迷人的景色。而普通照明又给游人带来危险的隐患，我们游览水景时， 通常都可以看见”请勿戏水，小心有电”等字样，无疑给我们的游览带来点点遗憾。由于光纤照明实 现了光电分离，用光纤照明作为水景的点缀，不但颜色鲜艳新颖，而且绝对安全可靠，实属最佳搭 配。光纤照明除了针对水体照明时，使水色更为艳丽动人外，也可用侧光光纤来构成水池的轮廊线。使垂直的彩色水姿与横向的水池轮廓，形成协 调的线条美。c城市建筑在灯光工程中，用侧发光光纤来构成建筑轮廓线是最常见应用实例。特别是对一个城市的形象 建筑，以多彩的线条把建筑轮廓在夜色中显得更蔚蔚壮观。同时光纤使用寿命很长，属于免维护产 品，大

36、大减低了运营费用。另外，可以改变光纤装饰照明的光色，使建筑物轮廓的色彩随季节或气 候而变化，给人们一种人性化的感觉。d园林绿化在园林绿化中，用端发光光纤来作亭院灯、地埋灯，使绿地、道路在照明的同时也有色彩变化。 e道路照明在景观道路上，装上星星点点的端发光光纤，成为光纤甬道，更增加了景观的趣味性，同时可 以将流星光缆平铺于地面，人们走在上面如同在光色中浮游，给游玩的人们无穷的遐想。f溶洞照明溶洞是一种自然景观，由于它没有阳光照射，全靠灯光来展现它的风采。多变的光色和柔性的 光纤，对无规则溶石和湖岸更显出它的有用武之地，使溶洞的景色更迷人。而最重要的是清除了对 游客的不安全隐患。g古建筑物及文物

37、照明在一般的灯光照射下，因紫外光的作用，使图书文物、木结构等建筑物加速老化。同时有电会 造成大火的危险。而用光纤照明，既安全又能达到理想的艺术效果。h易燃易爆场合在油库、矿区等严禁火种入内的危险场合中。应用其他各种照明都有明火的隐患。如不小心就 会酿成大祸。从安全角度看，因光与电分开，所以光纤照明应是一种最理想的照明。i太阳光的利用在我们常见的太阳能利用中，都是把太阳光转换为热能或电能，而光纤可将太阳光直接加以利 用，用来改善居室照明，对于阴暗的地下室、隧道，采用光纤照明，可让永远见不到阳光的地方能 重见光明。军事通信在军事通信上，POF正在被开发用于高速传输大量的第三、保密信息，如利用POF

38、重量轻、 可挠性好、连接快捷，适用于随身配戴的特点，用于士兵穿戴式的轻型计算机系统，并能够插入通 信网络下载、存储、发送、接收关键任务信息，且在头盔显示器中八显八示。（4）塑料光纤的市场发展前景：中国科学家经过多年努力，终于攻克了从本体聚合法直接生产聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）突变 型塑料光纤的技术难关，掌握了批量连续化生产塑料光纤技术。中科院理化技术研究所现已累计生 产出数百万米低损耗突变型塑料光纤，破除了日本公司在国际上的垄断地位。近几年全球塑料光纤的需求量迅速增加，2005年国际上PMMA塑料光纤销售额已经达到数十亿美元。而适用于数据传输的低损耗PMMA塑料光纤，目前只有日本三菱 公司能

39、够生 产，每年我国均从日本进口大量的PMMA塑料光纤。该项目负责人甄珍和刘新厚研究员介绍，中科院理化所掌握了从原材料提纯、经本体聚合直接拉制光纤整套技术。其核心技术是高纯度光纤级PMMA光学模塑料（芯层材料）以及皮层材料的制备技术。在研制过程中，中国科学院理化技术所先后开发了具有自主知识产 权的单分子扩散转移原料提纯新技术，平推式薄层管式与双螺杆复合系统的本体聚合制备高纯度光纤级PMMA原料以及与之相配套的包层材料技术，并成功地解决了产业化 的相关问题。目前该所已研制成功日产10万米PMMA塑料光纤的全自动流水线，连续数月稳定 生产出光 衰减在170-200dB/km的PMMA光纤，累计生产出

40、数百万米低损耗塑料光纤，表明这一产业化技 术已经成熟。同时，该所还具备批量生产光衰减为150dB/km的阶跃型PMMA光纤潜能，产品技术指标达到国际同类产品的最好水平。低衰减PMMA光纤连续化批量生产技术的问世，标志我国在该领域跻身世界先进行列。当今信息技术的发展迫切需要信息容量大的光纤材料，对通讯网络带宽的要求越来越高。塑料 光纤具有芯径大、质地柔软、联结容易、质量轻、价格便宜、传输带宽大等优点，在宽带接人网系 统、家庭智能网络系统、数据传输系统、汽车智能系统、工业控制系统以及纺织、照明、太阳能利 用系统等方面的应用市场潜力巨大。目前塑料光纤在我国的应用场合有：室内装饰、水景照明、溶洞照明、

41、易燃易爆场合、太阳光 的利用。此外，塑料光纤在工业，特别是汽车工业、农业及国防建设中也得到了大量的应用。网络成本的降低、性能的提高、数字传播技术的引入、电磁干扰的减少以及塑料光纤标准的制 定与完善都使得塑料光纤在工业、农业、国防建设中得到大量应用，并推动着塑料光纤产业逐渐成 为光通信的主流产业。目前，塑料光纤主要应用于低速、短距离的通信传输中。由于塑料光纤具有 通信容量大、不放射电磁噪音、质量轻等特点，因 而在汽车制造工业中得到广泛使用。宝马公司已 在其最新产品中使用塑料光纤，用于汽车制造系统的通信。在工业控制总线系统中，通过转换器，塑料光纤可与RS232、RS422 100 Mb/s以太网、

42、令牌网等标准协议接口连接，从而在恶劣的工业制造环境中提供稳定、可靠的通信路线，高 速传输工业控制信号和指令，避免了因使用金属电缆线路受干扰而导致通信中断的危险。通过塑料光纤，我们可实现智能家电（家用PC、HDTV、电话、数字成像设备、空调、冰箱、 音响系统、厨用电器等）的联网，达到家庭自动化和远程控制管理，提高生活质量;通过塑料光纤， 我们可实现办公设备的联网，如计算机联网可以实现计算机并行处理，办公设备间数据的高速传输 可大大提高工作效率，实现远程办公等。在低速局域网的数据速率小于100Mb/S时，100m范围 内的传输用SI型塑料光纤即可实现;150 Mb/s 50m范围内的传输可用小数值

43、孔径POF实现。POF 在制造工业中可得到广泛的应用。通过转换器，POF可以与RS232 RS422 100 Mb/S以太网、 令牌网等标准协议接口相连，从而在恶劣的工作制造环境中提供稳定、可靠的通信线路。能够高速 地传输工业控 制信号和指令，避免因使用金属电缆线路而受电磁干扰导致通信传输中断的危险。塑料光纤作为短距离通信网络的理想传输介质，在未来家庭智能化、办公自动化中也将得到广 泛应用。在In ternet服务中，塑料光纤由于重量轻且耐用，因而被用来将车载机通信网络和控制系 统连接成一个网络，将微型计算机、卫星导航设备、移动电话、传真等外设纳入机车整体设计中， 旅客可通过塑料光纤网络在座位

44、上享受音乐、电影、视频游戏、购物。当塑料光纤在传输距离不超 过100m时，其传输速率能达到11 Gb/s,因此在互联网短距离传输中可以用塑料光纤代替双绞线和同轴电缆，从而保证了互联网中短是巨离的大容量通信在单兵作战系统%，重量轻、可挠性好、连接快捷的塑料光纤，被用于士兵穿戴式的轻型计算 机系统。塑料光纤也被用在飞机、战舰、导弹等高科技智能武器的控制系统中。随着科技的发展，塑料光纤的应用领域越来越广，其市场的发展会越来越广阔。国外在塑料光 纤的应用开发上已取得了较大的成果，且不断在加大新的应用研究投入，在韩国、中国以及我国台 湾地区已经有厂商开始投入研发生产，因此产业更应就塑料光纤的研究和发展予

45、以密切注视。总之，随着科技的高速发展，塑料光纤的应用领域会越来越广，必将 给光通信带来一场新的革命。4 .常用石英光纤的重点介绍石英光纤（Silica Fiber ）是以二氧化硅（SiO2）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的光纤。纤芯的折射率略高于包层，包层的折射率为常数。这种光纤有很低 的损耗和中等程度的色散。目前通信用光纤绝大多数是石英光纤。1）优缺点在第二部分：光纤通信简介中有详细介绍，此处略。2）生产方法目前通信中所用的光纤一般是石英光纤。石英的化学名称叫二氧化硅（SiO2），它和我们日常用来建房子所用的砂子的主要成分是相同的。但是普通的石英材料制成的光纤是

46、不能用于 通信的。通信光纤必须由纯度极高的材料组成不过，在主体材料里掺入微量的掺杂剂，可以使纤 芯和包层的折射率略有不同，这是有利于通信的。光纤预制棒是制造石英系列光纤的核心原材料。简单地说，用于拉光纤（丝）的玻璃特种预制大棒。人们在制造光纤时先要制做出光纤预制棒，预制棒一般直径为几毫米至几十毫米（俗称光棒）。 光纤的内部结构就是在预制棒中形成的，因而预制棒的制作是光纤工艺中最重要的部分。光纤品种 为了保护裸玻璃光纤，使其不受光和水汽等外部物质的污染，在光纤拉成的同时，就给它涂上弹性 涂料（被覆层）。光纤由纤芯、包层和被覆层组成，导光的部分是处于触线上的实心纤芯，包层的 作用是提供一个圆柱形的

47、界面，以便把光线束缚在纤芯之中。被覆层是一种弹性耐磨的塑料材料， 它增强了光纤的强度和柔软性。在光纤预制棒完成后，就进入到光纤拉丝的过程。其作法是在无尘室中将光纤预制棒固定在拉 丝机顶端，并逐渐加热至2000摄氏度。光纤预制棒受热后便逐渐融化并在底部累积液体，待其自 然垂下，就形成光纤。这里的关键在于均匀加热、拉制速度的控制等。拉制技术无误时，拉出的光纤结构会与光纤预制棒的结构相同（只不过是缩小了很多）。涂覆材料也在拉丝机上及时涂敷，以保护光纤免受潮气、磨损的伤害。有的涂覆材料是通 过自然冷却附在光纤上，有的是用某种光线（紫外线）照射光纤使涂覆材料固化。拉丝的过程中， 光纤直径的测量及控制非常

48、重要。光纤的直径和结构等质量参数多与拉制速度有关，自动化的测量 监控会随时调节拉丝的速度。国际上生产石英光纤预制棒的方法有十多种，其中普遍使用并能制作出优质光纤预 制棒方法主要有四种，即OVD法、MCVD法、PCVD法和VAD法。序号方法英文名称中文名称1OVDOutside Vapor Deposit! on管外汽相沉积技术2MCVDModified Chemical Vapor Depositi on改进了的化学汽相沉积技术3PCVDPlasma-activated Chemical Vapor Depositi on等离子体化学汽相沉积技术4VADVapor-phase Axial De

49、positi on轴向汽相沉积技术仅用上述工艺名称简单地表示当前的生产工艺已经不是很全面了。当前商业生产光纤预制棒的汽相沉积工艺都已经发展为晒步法”（Twostep Processes）其中，OVD、MCVD等 工艺名称仅仅表示生产预制棒的第1步，即生产芯棒（Core-rod/Primary Preform/I nitial Preform） 所用的工艺。在生产预制棒时，不仅要制造芯也必需制造部分包层，这是为了确保光纤的光学质量。第二步， 在芯棒上附加外包层（俗称外包技术或Overcladding），制成预制棒，拉丝之前，可以把预制棒 拉细也可以不拉细，这取决于预制棒和拉丝炉的大小。所谓“两步

50、法”并不局限于两步，光纤预制棒的光学特性主要取决于芯棒制造技术；光纤预制棒的成本主要取决于外包技术，因此，芯棒制造技术加上外包技术才能全面说明当前光纤 预棒制造工艺的特征。在芯棒的制造技术中，MCVD和PCVD称为管内沉积工艺，OVD和VAD属于外沉积工艺在 单模光纤制造上。OVD和VAD方法，沉积速度快，效率高。能制造大的包层预制棒，成本低。MCVD和PCVD方法，采用天然石英管生产单模光纤，受到了石英管沉积量的 限制，进而限制了预制棒的尺寸和生产效率，成本高，效率低。在激烈的光纤市场竞争中，迫使MCVD和PCVD方法，降低成本和提高生产效率。开发出合 成石英管技术，突破了预制棒尺寸的限制，

51、提高了生产效率，降低了本身成本。目前汽相沉积制造光纤大预制棒的方法有8种：(1) OVD(2) VAD(3) MCVD + OVD(4) PCVD + OVD(5) VAD + OVD(6) MCVD +合成管(7) PCVD +合成管(8) VAD +合成管目前，我国已引进的生产单模光纤预制棒的方法有(3)、(5)、(6)、(7)和(8)等 共五种方法。在制造光纤的过程中，要注重：光纤原材料的纯度必须很高。必须防止杂质污染，以及气泡混入光纤。要准确控制折射率的分布。正确控制光纤的结构尺寸。尽量减小光纤表面的伤痕损害，提高光纤机械强度。4)折射率分布光纤有两种，一种是多模光纤，它容许几百个模式

52、在光纤中传输。多模光纤若以光纤剖面上的 折射率分布形状来分，一种叫渐变型，一种叫突变型。另外一种是单模光纤，它只容许一个模式(基 模LPoi)在光纤中传输。图1.1.1中给出了两种多模光纤的折射率分布形状。图中的&为纤芯半 径，m为芯区中的最大折射率，n2为包层折射率。定义相对折射率差为：(L1)(当 1时)n(r) 0n(r)m020芯区芯区 包层Rca.突变型0 Rcb.渐变型图1-1-1 .两种多模光纤的折射率分布相对折射率差及折射率剖面分布n (r)是光纤设计和制造时的重要参数。一般情况下，多 模光纤的1 %单模光纤的0.020.5%。(1)基本原理光纤折射率分布描述的是从纤芯至包层的

53、折射率随半径的变化，如图 1 -2-1所示 n = n r(1-2)光纤中模的传播依赖于折射率分布的形状。用在实际应用中光纤折射率分布曲线也可 半径的折射率分布指数函数来描述：对于芯：ny尸2ra对于包层：s常数式中：H1 光纤芯折射率；(1-3一芯/包相对折射率差；r离开光纤芯轴的距离；a纤芯半径()； g折射 率分布指数；n2 包层折射率。n(r)芯折射率包层折射率-a+a图121 光纤折射率分布只有在阶跃分布时，芯折射率为常数：n(r)=ni。对于所有其他分布时，折射率都是由包层折 射率地逐渐增大至纤芯折射率。归一化频率V值是描述光纤特性的一个重要参数。它与芯半径a纤芯的数值孔径NA和波

54、长入或光波数R有关。VaNA( 1-4)对于折射率分布指数为g的任意幕指数率的折射率分布，芯中传导的模数量值有关，其关系可近似地表示为：V2 g 2g2(1-5)阶跃折射率分布(光纤的芯中传导模数量近似为：N =Vj2( 1 -6)梯度折射率分布(g=2)光纤的芯中传导模数量近似为：N =V：4( 1 -7)三角折射率分布(g=1)光纤的芯中传导模数量近似为：N 7%(1-8)由以上三式可知，当光纤的V值相同时，梯度折射率分布光纤芯中传导模数量只有阶跃折射率 分布光纤的一半，三角折射率分布光纤芯中传导模数量只有阶跃折射率分布的三分之一。光纤芯中 传导模数量越少，光纤的带宽就越宽。通常，将能同时

55、传输几个模的光纤称为多模光纤。如果要减少模数(即V值)，则必须减小芯直 径2a或数值孔径NA，或者增大光波长。阶跃折射率分布(g-P的光纤，V值比常数Vc=2.405更小，仅有一个模，即基模LPoi能在纤 芯中传播。这种只传播一个模的光纤称为单模光纤。是阶跃折射率分布(g-x)的光纤的极限值。角注c表示极限的概念，对具有任意折射率分布指数 g的幕指数率分布，极限值可近似地表示为：乂我炉 2(1-9)例如对于梯度多模光纤，极限值可近似地表示为：Vc=2.405 V2=3.4波长入 人的光纤才是单模光纤。(2)设计原则光纤的折射率分布与光纤的性能密切相关，例如，多模光纤的折射率分布对其带宽具有决定

56、性 的影响，单模光纤的折射率分布只决定其截止波长、模场直径和色散。因此，要制造出令人满意的光 纤，必须根据光纤的类型进行合理的剖面设计。尽管不同类型光纤要求的具体技术指标有异，但是 一个优秀的光纤折射率剖面设计都必须遵循下述设计原则：高带宽和低色散多模光纤应力求其折射率分别最佳，以达到带宽最高之目的。单模光纤的折射率分布应使其波 长具有低色散和小的色散斜率。衰减系数小从剖面结构设计、掺杂剂、材料选择、制造工艺技术等设法保证所制得的光纤衰减系数最小。剖面结合合理光纤折射率分布合理，剖面结构重复性好，便于生产，且成本低。（3）剖面类型为满足光纤的折射率分布设计原则的要求，人们根据各种光纤的性能特点

57、设计出很多实用型光 纤的折射率剖面结构。多模光纤阶跃型多模光纤梯度型多模光纤单模光纤a非色散位移单模光纤（G.652、B1.1 ）这种光纤被称为标准单模光纤或常规单模光纤，其最广为采用的折射率剖面结构为匹配包层型和下凹内包层型，如图12-2所示。匹配包层型光纤性能稍差。一般采用掺杂Ge来提高纤芯折射率，掺杂过多会因材料色散损耗 增加光纤的衰减，因此相对折射率差偏低（。.3%,光纤抗弯特性稍差。下凹内包层型光纤性能较好。一般它的内包层采用掺杂F产生下凹折射率，这样只要在纤芯中掺杂 少量的Ge就能获得较大的总相对折射率 =Z+A“。高的就能大大改善光纤的抗弯性、损耗。 同时这种结构有四个设计自由度（匹配包层仅为两个），那么通过适当选择A.、A和2a （芯直径）、2b （包层直径），能使截止波长、零色散波长、模