第四讲 光导纤维基础知识

1、光纤通信系统的基本组成光纤光纤光源、发射机、接收机光源、发射机、接收机中继器、再生器和放大器中继器、再生器和放大器连接器和接头、耦合器、衰减器、光隔离器、光环行器连接器和接头、耦合器、衰减器、光隔离器、光环行器 系统的基本组成：系统的基本组成：光纤系统基础知识一、基本光纤系统的构架及其功能介绍：一、基本光纤系统的构架及其功能介绍： 1. 1.发送单元：把电信号转换成光信号；发送单元：把电信号转换成光信号； 2. 2.传输单元：载送光信号的介质；传输单元：载送光信号的介质； 3. 3.接收单元：接收光信号并转换成电信号；接收单元：接收光信号并转换成电信号； 4. 4.连接器件：连接光纤到光源、光

2、检测以及连接器件：连接光纤到光源、光检测以及其它光纤其它光纤。光纤的结构光纤的结构纤芯纤芯包层包层涂层涂层图图1-1 1-1 光纤典型结构光纤典型结构光纤的结构n纤芯纤芯 core：折射率较高，用来传送光；：折射率较高，用来传送光；n包层包层 Clab：折射率较低，与纤芯一起：折射率较低，与纤芯一起形成全反射条件；形成全反射条件；n涂敷层涂敷层coating：71.1.1 1.1.1 光纤光纤裸光纤涂覆高分子材料的原因：裸光纤涂覆高分子材料的原因：（1 1）裸光纤的主要成分为二氧化硅，它是一种脆性易）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，为提高光纤的微弯性碎材

3、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。能，涂覆一层高分子涂层。81.1.1 1.1.1 光纤光纤裸光纤涂覆高分子材料的原因：裸光纤涂覆高分子材料的原因：（2 2）阻止水分子与）阻止水分子与SiSiOO键接触键接触91.1 概述（光纤光缆的结构）概述（光纤光缆的结构）1.1.1 1.1.1 光纤光纤裸光纤涂覆高分子材料的原因：裸光纤涂覆高分子材料的原因：（3 3）裸光纤与空气中的水分子发生反应生成羟基，羟）裸光纤与空气中的水分子发生反应生成羟基，羟基是光纤固有吸收衰减的主要成因。为降低光纤的吸收基是光纤固有吸收衰减的主要成因。为降低光纤的吸收衰减必须涂高分子材料阻止

4、水份的侵入。衰减必须涂高分子材料阻止水份的侵入。101.1 概述（光纤光缆的结构）概述（光纤光缆的结构）1.1.1 1.1.1 光纤光纤裸光纤涂覆高分子材料的原因：裸光纤涂覆高分子材料的原因：（4 4）二氧化硅是一种脆性易碎材料，如将若干根这样）二氧化硅是一种脆性易碎材料，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。为防止这种损伤采取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一层高分子材料。的有效措施就是在裸光纤表面涂一层高分子材料。按折射率分类n阶越光纤芯子直径为

5、2a,包层为2b,芯子折射率为n1,包层为n2n渐变折射率光纤 折射率在包层中为n2,是均匀的，而在芯子中则随着半径的加大而减小，是非均匀的光纤的分类bn按照光纤的模式分类n单模（Single-Mode）当光纤中只传输一种模式时，叫单模光纤，芯子直径极小，约在2a=410um，包层2b=125um.n多模（Multi-Mode）光纤中传输的模式不止一个，则叫多模光纤，渐变多模光纤芯子中的折射率指数要求按一定的规律变化，多模光纤的截面尺寸较大，2a=50um,2b=125um.光纤的分类光纤的分类n按材料分类：n玻璃光纤（主要）：纤芯与包层都是玻璃，玻璃光纤（主要）：纤芯与包层都是玻璃，损耗小，

6、传输距离长，成本高；损耗小，传输距离长，成本高； 为了改变折射率，中间掺与合适的杂质，锗为了改变折射率，中间掺与合适的杂质，锗和磷使折射率增加，硼和氟使折射率降低。和磷使折射率增加，硼和氟使折射率降低。n胶套硅光纤：纤芯是玻璃，包层为塑料，特胶套硅光纤：纤芯是玻璃，包层为塑料，特性同玻璃光纤差不多，成本较低；性同玻璃光纤差不多，成本较低；n塑料光纤：纤芯与包层都是塑料，损耗大，塑料光纤：纤芯与包层都是塑料，损耗大，传输距离很短，价格很低。多用于家电、音传输距离很短，价格很低。多用于家电、音响，以及短距的图像传输。响，以及短距的图像传输。光纤的分类n按工作波长分类按工作波长分类： 短波长光纤短波

7、长光纤在光纤通信发展的初期，人们使用的光波之波长在在光纤通信发展的初期，人们使用的光波之波长在0.60.9 微米范围内（典型值为微米范围内（典型值为0.83 微米），此波长范围内呈微米），此波长范围内呈现低衰耗的光纤称作短波长光纤。目前很少采用。现低衰耗的光纤称作短波长光纤。目前很少采用。 长波长光纤长波长光纤后来人们发现在波长后来人们发现在波长1.31 微米和微米和1.55 微米附近，石英光微米附近，石英光纤的衰耗急剧下降如图纤的衰耗急剧下降如图2.4 所示。而且在此波长范围内石所示。而且在此波长范围内石英光纤的材料色散也大大减小。因此人们的研究工作又迅英光纤的材料色散也大大减小。因此人们的

8、研究工作又迅速转移，并研制出在此波长范围衰耗更低，带宽更宽的光速转移，并研制出在此波长范围衰耗更低，带宽更宽的光纤，工作在纤，工作在1.02.0 微米波长范围的光纤称为长波长光纤。微米波长范围的光纤称为长波长光纤。长波长光纤因具有衰耗低、带宽宽等优点，特别适用长波长光纤因具有衰耗低、带宽宽等优点，特别适用于长距离、大容量的光纤通信。于长距离、大容量的光纤通信。光纤制造光纤制造第一步采用四种气相沉积工艺，即：改进的化学第一步采用四种气相沉积工艺，即：改进的化学气相沉积（气相沉积（Modified Chemical Modified Chemical VapourVapour Deposition

9、-MCVDDeposition-MCVD）、等离子化学气相沉积）、等离子化学气相沉积（Plasma Chemical Plasma Chemical VapourVapour Deposition-PCVD Deposition-PCVD）、）、轴向气相沉积（轴向气相沉积（VapourVapour Axial Deposition-VAD Axial Deposition-VAD）、）、外气相沉积（外气相沉积（Outside Outside VapourVapour Deposition-OVD Deposition-OVD）中的任一工艺来生产光纤预制棒的芯棒；中的任一工艺来生产光纤预制棒的芯

10、棒；通信用光纤大多数是由石英玻璃材料组成的。光纤通信用光纤大多数是由石英玻璃材料组成的。光纤的制造要经历材料制备与提纯、熔炼、拉丝和套塑的制造要经历材料制备与提纯、熔炼、拉丝和套塑等等4 4个具体过程，最常用的工艺是两步法个具体过程，最常用的工艺是两步法光纤制造光纤制造第二步是在气相沉积获得的第二步是在气相沉积获得的芯棒上施加外包层制成大光纤预芯棒上施加外包层制成大光纤预制棒。制棒。值得强调的是，光纤预制棒值得强调的是，光纤预制棒的光学特性主要取决于芯棒的制的光学特性主要取决于芯棒的制造造技术技术，光纤预制棒的成本主要，光纤预制棒的成本主要取决于外包取决于外包技术技术。芯棒制造芯棒制造芯棒制造

11、芯棒制造技术技术普遍采用气相沉积工艺，普遍采用气相沉积工艺，芯棒制造芯棒制造芯棒制造芯棒制造技术技术普遍采用气相沉积工艺，普遍采用气相沉积工艺，如如MCVD MCVD 、 PCVD PCVD 、 OVD OVD 、VAD VAD 。MCVDMCVD改进的化学气相沉积法改进的化学气相沉积法nMCVDMCVD工艺是工艺是19741974年由美国年由美国AT&TAT&T公司贝尔实验室公司贝尔实验室的的MachesneyMachesney等人开发的经典工艺。等人开发的经典工艺。MCVDMCVD工艺工艺为朗讯等公司所采用的方法。为朗讯等公司所采用的方法。MCVDMCVD工艺是一种工艺是一

12、种以氢氧焰热源，发生在高纯度石英玻璃管内进以氢氧焰热源，发生在高纯度石英玻璃管内进行的气相沉积。行的气相沉积。MCVDMCVD改进的化学气相沉积法改进的化学气相沉积法nMCVDMCVD工艺的化学反应机理为高温氧化工艺的化学反应机理为高温氧化(SiCL4, (SiCL4, GeCL4)GeCL4)。MCVDMCVD工艺是由沉积和成棒两个工艺步工艺是由沉积和成棒两个工艺步骤组成。沉积是获得设计要求的光纤芯折射率骤组成。沉积是获得设计要求的光纤芯折射率分布，成棒是将巳沉积好的空心高纯石英玻璃分布，成棒是将巳沉积好的空心高纯石英玻璃管熔缩成一根实心的光纤预制棒芯棒管熔缩成一根实心的光纤预制棒芯棒n硅和

13、锗与氧发生反应，生成(SiO2)和(GeO2)。n二氧化硅和二氧化锗在管内堆积熔合，形成玻璃PCVDPCVD等离子化学气相沉积法等离子化学气相沉积法nPCVDPCVD工艺由荷兰飞利浦公司的提出的微波工艺。长飞工艺由荷兰飞利浦公司的提出的微波工艺。长飞公司采用的就是这种工艺。公司采用的就是这种工艺。nPCVDPCVD与与MCVDMCVD的工艺相似，都是在高纯石英玻璃管管内的工艺相似，都是在高纯石英玻璃管管内进行气相沉积和高温氧化反应。所不同的是热源和反进行气相沉积和高温氧化反应。所不同的是热源和反应机理，应机理，PCVDPCVD的热源是微波，反应机理为微波激活气的热源是微波，反应机理为微波激活气

14、体产生等离子使反应气体电离，电离的反应气体呈带体产生等离子使反应气体电离，电离的反应气体呈带电离子。带电离子重新结合时释放出的热能熔化气态电离子。带电离子重新结合时释放出的热能熔化气态反应物形成透明的石英玻璃沉积薄层。反应物形成透明的石英玻璃沉积薄层。nPCVDPCVD工艺的最新发展是采用大直径合成石英玻璃管为工艺的最新发展是采用大直径合成石英玻璃管为沉积衬底管，沉积速率提高到了沉积衬底管，沉积速率提高到了23g/min23g/min，沉积长度，沉积长度达到达到1.21.5m1.21.5m。OVDOVD外汽相沉积法外汽相沉积法VAD VAD 轴向汽相沉积法轴向汽相沉积法VADVAD工艺是工艺是

15、19771977年由日本电报电话公司提出，年由日本电报电话公司提出，为避免与康宁公司的为避免与康宁公司的OVDOVD专利的纠纷所发专利的纠纷所发明的连续工艺。明的连续工艺。VADVAD工艺的化学反应机理工艺的化学反应机理与与OVDOVD工艺相同，也是火焰水解。工艺相同，也是火焰水解。与与OVDOVD工艺不同的是，工艺不同的是，VADVAD工艺沉积获得的工艺沉积获得的预制棒的生长方向是由下向上垂直轴向预制棒的生长方向是由下向上垂直轴向生长的。烧结和沉积是在同一台设备中生长的。烧结和沉积是在同一台设备中不同空间同时完成的，即预制棒连续制不同空间同时完成的，即预制棒连续制造。造。拉丝通常，将气相沉积

16、法工艺的大预制棒直通常，将气相沉积法工艺的大预制棒直径缩小，且保持芯包比和折射率分布恒径缩小，且保持芯包比和折射率分布恒定的操作称为光纤拉丝。定的操作称为光纤拉丝。拉丝过程中要对裸光纤施加预涂覆层保拉丝过程中要对裸光纤施加预涂覆层保护。涂覆层既可以保护光纤的机械强度、护。涂覆层既可以保护光纤的机械强度、隔离外界潮湿，又可以避免外应力引起隔离外界潮湿，又可以避免外应力引起光纤的微弯损耗。光纤的微弯损耗。此外，高速拉丝还应注意光纤的充分冷此外，高速拉丝还应注意光纤的充分冷却，消除光纤中的残余内应力，以求确却，消除光纤中的残余内应力，以求确保光纤的翘曲度指标最优。保光纤的翘曲度指标最优。光纤拉丝过程

17、光纤拉丝过程将光纤预制棒固定在拉丝机顶将光纤预制棒固定在拉丝机顶端，并逐渐加热至端，并逐渐加热至20002000摄氏度。摄氏度。光纤预制棒受热后便逐渐融化光纤预制棒受热后便逐渐融化并在底部累积液体，待其自然并在底部累积液体，待其自然垂下，就形成光纤。垂下，就形成光纤。这里的关键在于均匀加热、拉这里的关键在于均匀加热、拉制速度的控制等。拉制技术无制速度的控制等。拉制技术无误时，拉出的光纤结构会与光误时，拉出的光纤结构会与光纤预制棒的结构相同（只不过纤预制棒的结构相同（只不过是缩小了很多）。是缩小了很多）。涂覆材料也在拉丝机上及时涂涂覆材料也在拉丝机上及时涂敷，以保护光纤免受潮气、磨敷，以保护光纤

18、免受潮气、磨损的伤害。拉丝的过程中，光损的伤害。拉丝的过程中，光纤直径的测量及控制非常重要纤直径的测量及控制非常重要n将预成形模具下部放入石墨炉（摄氏将预成形模具下部放入石墨炉（摄氏1900到到2200度），从末端开始熔化，熔化的液珠因度），从末端开始熔化，熔化的液珠因重力落下。落下后，即冷却并形成细丝。重力落下。落下后，即冷却并形成细丝。n将这些细丝穿过一系列涂层容器（涂层）和紫将这些细丝穿过一系列涂层容器（涂层）和紫外固化炉，最后固定到牵引机控制的转轴上。外固化炉，最后固定到牵引机控制的转轴上。n牵引机从加热的预成形模具中缓缓拉出细丝，牵引机从加热的预成形模具中缓缓拉出细丝，通过激光测微计

19、测量细丝的直径，并将测量信通过激光测微计测量细丝的直径，并将测量信息反馈给牵引机，从而来精确地控制此过程。息反馈给牵引机，从而来精确地控制此过程。n拉丝速度为拉丝速度为1020米米/秒，缠绕在线轴上。线秒，缠绕在线轴上。线轴通常能承载长度超过轴通常能承载长度超过2.2公里的光纤公里的光纤光纤套塑光纤套塑n为进一步增大光纤的强度，提高光纤的抗张力，为进一步增大光纤的强度，提高光纤的抗张力，再套上一层塑料层即套塑。再套上一层塑料层即套塑。n套塑有紧套和松套两种。紧套是在一次涂层的光套塑有紧套和松套两种。紧套是在一次涂层的光纤上再紧紧地套上一层尼龙或聚乙烯等塑料，使纤上再紧紧地套上一层尼龙或聚乙烯等

20、塑料，使光纤不能自由活动。松套则是在一次涂覆层的外光纤不能自由活动。松套则是在一次涂覆层的外面，再包上塑料套管面，再包上塑料套管光纤光缆的结构光纤光缆的结构1.1.2 1.1.2 光缆光缆定义定义: : 光缆是由若干根这样的光纤经一定方式绞合、成光缆是由若干根这样的光纤经一定方式绞合、成缆并外挤保护层构成的实用导光线缆制品。缆并外挤保护层构成的实用导光线缆制品。作用作用: :光缆内的加强件及外保护层等附属材料的作用主光缆内的加强件及外保护层等附属材料的作用主要是保护光纤并提供承缆、敷设、储存、运输和使用要要是保护光纤并提供承缆、敷设、储存、运输和使用要求的机械强度、防止潮气及水的侵入及环境、化

21、学的侵求的机械强度、防止潮气及水的侵入及环境、化学的侵蚀和生物体啃咬等。蚀和生物体啃咬等。光缆简介光缆简介n光缆的制造光缆的制造技术技术与电缆是不一样的。与电缆是不一样的。n光纤虽有一定的强度和抗张能力，但经不起光纤虽有一定的强度和抗张能力，但经不起过大的侧压力与拉伸力；过大的侧压力与拉伸力；n光纤在短期内接触水是没有问题的，但若长光纤在短期内接触水是没有问题的，但若长期处在多水的环境下会使光纤内的氢氧根离期处在多水的环境下会使光纤内的氢氧根离子增多，会增大光纤的衰耗。子增多，会增大光纤的衰耗。n因此制造光缆不仅要保证光纤在长期使用过因此制造光缆不仅要保证光纤在长期使用过程中机械物理性能，而且

22、还要注意其防水防程中机械物理性能，而且还要注意其防水防潮性能。潮性能。491.1 概述（光纤光缆的结构）概述（光纤光缆的结构）1.1.2 1.1.2 光缆光缆光缆的基本组成：光缆的基本组成： 缆芯缆芯 护套护套内护套内护套铠装层铠装层外护层外护层501.1 概述（光纤光缆的结构）概述（光纤光缆的结构）护套的类型有四种：护套的类型有四种：（1 1）. .金属护套金属护套（2 2）. .橡塑护套橡塑护套（3 3）. .组合护套组合护套（4 4）. .特种护套特种护套511.1 概述（光纤光缆的结构）概述（光纤光缆的结构）1.1.2 1.1.2 光缆光缆光缆的基本结构：光缆的基本结构： 按照光缆缆芯结构的不同可将光缆分为四种：按照光缆缆芯结构的不同可将光缆分为四种：（1 1）层绞式光缆）层绞式光缆（2 2）骨架式光缆）骨架式光缆（3 3）中心管式光缆）中心管式光缆（4 4）带状式光缆）带状式光缆光缆简介光缆简介 光纤通信初期，多光纤通信初期，多采用紧套光纤的采用紧套光纤的层绞层绞式结构式结构，它是从电缆，它是从电缆的结构演变而来。的结构演变而来。 由于光纤直接绕由于光纤直接绕在光缆中的加强芯上，在光缆中的加强芯上，所以