第2章-光纤基本概念课件

光纤智能材料与结构

第二章光纤基础光纤基础

光纤(OpticFiber)光导纤维的简称

1966年,英国籍华人高锟(光纤之父,2009或诺贝尔物理学奖)和Hockham发现玻璃可以制成光导纤维。

1970年，由美国贝尔、英国电信研究所和美国康宁玻璃公司联合研究，研制成功了衰减为20dB/km的光纤。目前工作在1.55μm波长的石英光纤损耗只有0.2dB/km.

中国”光纤之父”赵梓森于1979年拉制出来我国第一根具有实用价值，每公里衰耗只有4分贝的光纤。

光纤基础光纤基础一、光纤的结构1纤芯位于光纤中心，直径2a为5～75μm,作用是传输光波。2包层位于纤芯外层，直径2b为100～150μm,作用是将光波限制在纤芯中。光纤导光的条件是n1＞n2。3一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30～150μm。4+5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。

光纤基础光纤基础光缆示意图光缆的基本结构光缆一般由缆芯、加强元件和护层三部分组成。缆芯：由单根或多根光纤芯线组成，有紧套和松套两种结构。紧套光纤有二层和三层结构。加强元件：用于增强光缆敷设时可承受的负荷。一般是金属丝或非金属纤维。护层：具有阻燃、防潮、耐压、耐腐蚀等特性主要是对已成缆的光纤芯线进行保护。根据敷设条件可由铝带/聚乙烯综合纵包带粘界外护层、钢带（或钢丝）铠装和聚乙烯护层等组成。二、光纤的分类

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）

(1)石英(SiO2)玻璃纤维

SiO2含量大于90%，熔点为1700℃，这种材料的光损耗比较小，在波长λ＝1.2μm时、最低损耗约为0.47dB/km。

(2)多组分玻璃光纤

SiO2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。损耗也很低，如硼硅酸钠玻璃光纤，在波长λ＝0.84μm时，最低损耗为3.4dB/km。特点：比石英的熔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。

1．按材料分类

(3)塑料光纤用人工合成导光塑料制成，其损耗较大。当λ＝0.63μm时，损耗高达100～200dB/km；但重量轻，成本低，柔软性好，适用于短距离导光。

(4)液芯光纤由石英光窗、芯料、皮层管、护套管、防尘帽和金属接头组成，光纤的芯料是一种对人体无害的无机盐溶液。具有大芯径，大数值孔径、光谱传输范围广、传光效率高等特点，尤其是在紫外光波段比普通的石英传光束具有优越的传光效率，特别适用于紫外固化、荧光检测、刑侦取证等。1．按材料分类阶跃型光纤（SIF）：纤芯折射率呈均匀分布，纤芯和包层相对折射率差Δ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1.3～1.6μm之间色散变化很小的色散平坦光纤或把零色散波长移到1.55μm的色散位移光纤。

2、折射率分布光纤的纤芯折射率剖面分布

2b2b2b2c2a2a

2a

nnnn1n1n1

n2n2n2

n3

0abr0abr0acbr

（a）阶跃光纤（b）渐变光纤（c）W型光纤

按光纤的传播模式分类根据传输模数的不同，光纤可分为单模光纤和多模光纤。什么是光纤的传播模式？光纤传输的光波，可以分解为沿纵轴向传播和沿横切向传播的两种平面波。后者在纤芯和包层的界面上会产生全反射。当它在横切向往返一次的相位变化为

的整倍数时，将形成驻波。形成驻波的光线组称为“模”；它是离散存在的，亦即一定纤芯和材料的光纤只能传输特定模数的光。

(1)单模光纤

目前，在有线电视和光通信中，是应用最广泛的光纤。单模光纤纤芯直径仅有几微米，原则上只能传送一种模数的光纤，常用于光纤传感器。

特点：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50μm，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。

特点：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。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。3．按传输模数分类

单模光纤纤芯直径仅有几微米，接近波长。其折射率分布均为阶跃型。单模光纤原则上只能传送一种模数的光，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；但因芯小，难以制造和耦合。单模光纤多模光纤允许多个模数的光在光纤中同时传播，通常纤芯直径较大，达几十微米以上。由于每一个“模”光进入光纤的角度不同，它们在光纤中走的路径不同，因此它们到达另一端点的时间也不同，这种特征称为模分散。特别是阶跃折射率多模光纤，模分散最严重。这限制了多模光纤的带宽和传输距离。多模光纤渐变折射率多模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成递减，中心轴折射率最大，因此，光纤在纤芯中传播会自动地从折射率小的界面向中心会聚，光纤传播的轨迹类似正弦波形，如图所示，具有光自聚焦效果，故渐变折射率多模光纤又称为自聚焦光纤。因此渐变折射率多模光纤的模分散比阶跃型小得多。渐变折射率多模光纤三光纤的制造

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。

三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。直接熔化法：双坩埚法纤芯坯料棒内坩埚包层坯料棒纤芯玻璃外坩埚熔炉拉制光纤(到拉丝机)包层玻璃直接熔化法：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(VapourAxial

Deposition-VAD)、改进的化学气相沉积(ModifiedChemicalVapourDeposition-MCVD)、等离子化学气相沉积(PlasmaChemicalVapourDeposition-PCVD)任一工艺来生产光纤预制棒的芯棒；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制棒。

光纤制作的过程

汽相氧化法：外部汽相氧化法(OVPO)饵棒粉层状预制棒喷嘴玻璃微粒粉层沉积粉状预制棒剖面芯包层粉状预制棒加热炉1400度玻璃预制棒预制棒烧结拉制光纤加热炉玻璃预制棒1970年康宁第一根损耗小于20dB/km的光纤1.预制棒有空洞2.预制棒长度一定3.使用氢氧焰，光纤所含的OH-较高汽相轴向沉积法(VAD)推进机马达马达输送杆透明预制棒容器环状加热器疏松的预制棒真空泵红外热成像仪玻璃微粒反应室喷灯口优点：1.预制棒不再具有空洞2.预制棒可以任意长3.沉积室和熔融室紧密相连，可以保证制作环境清洁4.没有使用氢氧焰，单模光纤所含的OH-较低，因此损耗较低在

0.2~0.4dB/km1977年日本开发改进的化学汽相沉积法(MCVD)贝尔实验室设计，可用于制造低损耗梯度折射率光纤

玻璃粉层沉积初步烧结加强热成实心棒烧结后，纤芯由汽相沉积材料构成，包层由原始的石英管构成反应物质金属卤化物蒸汽+氧气粉尘状生成物排气口SiO2饵管烧结后的玻璃粉层沉积物来回移动的喷灯H-O熔融石英管SiCl4+O2+参杂物质反应物质排气口低压工作的等离子体玻璃层快速来回移动的微波谐振腔(2.45GHz，8米/分钟)1000~1200度直接玻璃沉积不需高温烧结反应管不易变形可快速移动，沉积厚度减少，有利于控制折射率分布等离子体活性化学汽相沉积法(PCVD)飞利浦提出1978年应用于量产沉积效率高、沉积速度快有利于消除包层沉积过程中的微观不均匀光纤拉丝:

将预制棒直径缩小，且保持芯包比和折射率分布恒定的操作称为光纤拉丝。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、隔离外界潮湿，又可以避免外应力引起光纤的微弯损耗。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。

光纤预制棒置备好之后进行光纤拉丝光纤拉丝机d=10~25mm;L=60~120cm精密输送机构夹具预制棒拉丝炉光纤粗细监测仪裸光纤涂覆机已涂覆光纤光纤卷绕光纤制作

光纤制作

四光纤传输原理

四光纤导光原理

临界角仅与介质的折射率的比值有关

光纤导光原理当光以某一较小的入射角，由折射率为n1的光密物质射向折射率为n2的光疏物质(即n1＞n2)时，则一部分入射光以折射角折射入光疏物质，其余部分以角度反射回光密物质，根据折射定律(斯涅尔定律)，光折射和反射之间的关系为：当光以某一较小的入射角，由折射率为n1的光密物质射向折射率为n2的光疏物质(即n1＞n2)时，则一部分入射光以折射角折射入光疏物质，其余部分以角度反射回光密物质，根据折射定律(斯涅尔定律)，光折射和反射之间的关系为：当光以某一较小的入射角，由折射率为n1的光密物质射向折射率为n2的光疏物质(即n1＞n2)时，则一部分入射光以折射角折射入光疏物质，其余部分以角度反射回光密物质，根据折射定律(斯涅尔定律)，光折射和反射之间的关系为：当光以某一较小的入射角，由折射率为n1的光密物质射向折射率为n2的光疏物质(即n1＞n2)时，则一部分入射光以折射角折射入光疏物质，其余部分以角度反射回光密物质，根据折射定律(斯涅尔定律)，光折射和反射之间的关系为：当光以某一较小的入射角，由折射率为n1的光密物质射向折射率为n2的光疏物质(即n1＞n2)时，则一部分入射光以折射角折射入光疏物质，其余部分以角度反射回光密物质，根据折射定律(斯涅尔定律)，光折射和反射之间的关系为：当入射角增大到某一角度时，透射入光疏物质的折射光则沿界面传播，即＝90°，称此时的入射角为临界角。那么，由斯涅尔定律得

光纤导光原理(2)光纤传光原理

光纤导光原理

光纤导光原理

光纤导光原理

光纤导光原理(2)光纤传光原理

光纤导光原理(2)光纤传光原理

光纤导光原理

光纤的色散

光纤的衰减五光纤的传输特性光纤的损耗

光波在光纤中传输，随着传输距离的增加，而光功率强度逐渐减弱，光纤对光波产生衰减作用，称为光纤的衰减（损耗）。

即便是在理想的光纤中都存在损耗——本征损耗。光纤的损耗限制了光信号的传播距离。光纤的损耗主要取决于：1.吸收损耗2.散射损耗3.弯曲损耗

五光纤的传输特性光纤的衰减---描述光能在光纤中传输中逐渐减小或消失的现象，由光纤损耗造成。光纤衰减一般以分贝（dB）为单位来计量，以输入光功率Pi与输出光功率PO的比值来定义：均匀光纤的衰减系数α(λ)光纤的损耗

光波在光纤中传输，随着传输距离的增加，而光功率强度逐渐减弱，光纤对光波产生衰减作用，称为光纤的衰减（损耗）。

即便是在理想的光纤中都存在损耗——本征损耗。光纤的损耗限制了光信号的传播距离。光纤的损耗主要取决于：1.吸收损耗2.散射损耗3.弯曲损耗吸收损耗原子缺陷吸收：由于光纤材料的原子结构的不完整造成。非本征吸收：由过渡金属离子和氢氧根离子(OH－)等杂质对光的吸收而产生的损耗。本征吸收损耗：由制造光纤材料本身(如SiO2)的特性所决定，包括紫外吸收、红外吸收。即便波导结构非常完美而且材料不含任何杂质也会存在本征吸收。原子缺陷吸收

在光纤的制造过程中光纤材料受到某种热激励造成结构的不完善或在使用时暴露在强粒子的光辐射下将会发生某个共价键断裂而产生原子缺陷，此时晶格很容易在光场的作用下产生振动，从而吸收光能，引起损耗，其峰值吸收波长约为630nm左右。1rad(Si)=0.01J/kg非本征吸收

原材料将在光纤的制造过程中引入杂质，带来较强的非本征吸收。有害杂质主要有过渡金属离子，如铁、钴、镍、铜、锰、铬等金属离子和OH－。OH－吸收峰解决方法：(1)对制造光纤的材料进行严格的化学提纯，比如材料达到99.9999999%的纯度(2)制造工艺上改进，如避免使用氢氧焰加热(汽相轴向沉积法)本征吸收(1)紫外吸收光纤中传输的光子流会将光纤材料中的电子从低能级激发到高能级，同时光子流中的能量被电子吸收而引起损耗。该损耗与光纤中非晶体材料的带隙相关。(2)红外吸收由于光纤中传播的光波与晶格相互作用时，一部分光波能量传递给晶格，使其振动加剧，从而引起的损耗。z晶格光传播方向kEx

光纤的散射损耗光纤的散射损耗---由于光纤的结构不均匀，使光纤中传导的光在不均匀点变更其传播方向，这种现象称为光的色散，由此产生的损耗为散射损耗。色散复色光被分解为单色光，而形成光谱的现象，称为“色散”。如一细束阳光可被棱镜分为红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七色光。光纤色散---输入的光脉冲在光纤传输过程中，由于光波的群速度不同而出现的脉冲展宽现象。

光纤的色散色散引起的光纤信号失真模内色散(群速率色散)

-材料色散：每种光源都有一定的谱宽，而光纤材料对不同 的频率成分的折射率不同，从而不同的频率成 分在光纤中传播的群速度不同。

-波导色散：信号光处于纤芯的部分和处于包层的部分具有 不同的传播速度，从而导致色散。它的大小取 决于波导尺寸和纤芯包层的折射率差。模间色散：不同传播模式在光纤中具有不同的传播路径和 速率，造成模间色散。fA(1)光源输出都有一定的谱宽l1l2l3l1l2l3(2)单模光纤中传播模80%能量在纤芯；20%能量在包层色散的直接后果是产生码间干扰，给信号的最后判决造成困难模内色散

光纤的色散2模间色散---光纤的模式色散只存在于多模光纤中。每一种模式到达光纤终端的时间先后不同，造成了脉冲的展宽，从而出现色散现象。

光纤的色散

3．波导色散又称结构色散

由光纤的几何结构决定的色散，其中光纤的横截面积尺寸起主要作用。光在光纤中通过芯与包层界面时，受全反射作用，被限制在纤芯中传播。但是，如果横向尺寸沿光纤轴发生波动，除导致模式间的模式变换外，还有可能引起一少部分高频率的光线进入包层，在包层中传输，而包层的折射率低、传播速度大，这就会引起光脉冲展宽，从而导致色散。

典型的光纤损耗谱多模光纤的损耗大于单模光纤：-为获得较大的数值孔径，多模光纤中掺杂的浓度高-由于纤芯-包层边界的微扰，多模光纤容易产生高阶模式损耗多模光纤单模光纤弯曲损耗宏弯：曲率半径比光纤的直径大得多的弯曲微弯：光纤轴线产生微米级的高频弯曲消逝场qqq¢

<qqq

>qcq¢RCladdingCore场分布宏弯：当曲率半径减小时，辐射损耗呈指数增加微弯损耗微弯的原因：

光纤的生产过程中的带来的不均 成缆时受到压力不均

使用过程中由于光纤各个部分热胀冷缩的不同导致的后果：

造成能量辐射损耗高阶模功率损耗低阶模功率耦合到高阶模减小微弯的一种办法是在光纤外面一层弹性保护套宏弯和微弯对损耗的附加影响弯曲损耗随模场直径增加显著增加光纤弯曲带来额外损耗宏弯损耗微弯

损耗基本损耗l增加，V减少

六光纤的物理、化学特性1．机械特性

SiO2的密度为2.2g/cm3，1Km的单模光纤仅重27g。理论上，直径为125微米的光纤所能承受的抗张力达到了30Kg。但实际的抗拉强度约为理论的1/4，约是相同直径的钢丝的抗拉强度的2倍。其损坏应力定义为：

其只，E为材料的弹性模量，

γ为表明能量，α为裂痕的半径

光纤的物理、化学特性2．温度特性

纯的SiO2在1700℃左右发生软化，但由于搀杂，光纤的纤芯、包层的最高工作范围只能在400～500℃，最低工作范围能达-40℃。3．耐电压性

石英光纤的绝缘性极好，电阻率高达1018Ω/cm,具有抗电磁干扰、抗辐射、能承受几十万伏的高压电，特别适用于在强电磁场场合使用。

光纤的物理、化学特性4．耐水性

石英光纤不溶于水，但会由于吸潮使机械性能下降并增加传输损耗，水是光纤老化的重要因素。采用密封涂敷保护预防5．耐酸碱性

虽然化学稳定好，但抗酸碱性差，在氟酸和强碱中会溶解。

1发光强度:

是光度学的基本单位，是度量发光体的。发光强度单位最初是用蜡烛来定义的，单位为烛光。1979年第十六届国际计量大会决定采用现行的新定义，坎德拉(candelacd)。在1个标准大气压下，面积等于1/60平方厘米的绝对“黑体”（即能够吸收全部外来光线而毫无反射的理想物体），在纯铂（Pt）凝固温度（约2042K或1769℃）时，沿垂直方向的发光强度为1cd。

七有关光学度量单位2光通量（luminousflux）指人眼所能感觉到的辐射功率，它等于单位时间内某一波段的辐射能量和该波段的相对视见率的乘积。光通量的单位为“流明”(lm),光通量通常用Φ来表示.由于人眼对不同波长光的相对视见率不同，所以不同波长的光即使辐射功率相等时，其光通量并不相等。绝对黑体在铂的凝固温度下，从5.305*10³cm²面积上辐射出来的光通量为1lm。光强和光通量的关系：发光强度为1cd的点光源在单位立体角（1球面度）内发出的光通量为1lm。

七有关光学度量单位相对视见率：不同波长的光对人眼的视觉灵敏度。正常视力的观察者，对波长5.5×10-7米的黄绿色光最敏感，视见率=1；而对紫外光和红外光，则无视力感觉，视见率=0；其他波长的可见光的视见率均小于1。红：R（610nm-640nm）；黄：Y（580nm-595nm）蓝：B（455nm-490nm）；蓝绿：C（490nm-515nm）绿：G（501nm-540nm）；紫：P（380nm-410nm）黄绿：K（560nm-580nm）3光照度：被照明面单位面积上得到的光通量，单位是勒克斯（lx)，即每平方米1流明。4光亮度(luminance)：指一个表面的明亮程度,以L表示,单位坎德拉/平方米(cd/m2),指发光表面在指定方向的发光强度与垂直于指定方向的发光面的面积之比。

七有关光学度量单位光波：波长为10—106nm的电磁波可见光：波长380—780nm紫外线：波长10—380nm，

波长300—380nm称为近紫外线波长200—300nm称为远紫外线波长10—200nm称为极远紫外线，红外线：波长780—106nm

波长3μm（即3000nm）以下的称近红外线波长超过3μm的红外线称为远红外线。光谱分布如图所示。光谱范围光子能量/JE=hν近红外真空中的光速c=2.99793×1010cm/s，通常c≈3×1010cm/s。光的波长λ和频率ν的关系为

ν的单位为Hz，λ的单位为cm。

远紫外近紫外可见光远红外极远紫外0.010.11100.050.55波长/μm频率ν/Hz5×10135010010150.510155×101410145×101510163×1018νλ=3×1010cm/s普朗克常数h=6.626×10-34J·S光谱范围1热辐射光源电流流经导电物体，使之在高温下辐射光能的光源。包括白炽灯和卤钨灯常用光源2气体放电光源电流流经气体或金属蒸气，使之产生气体放电而发光的光源。常用光源常用光源3发光二极管在电场作用下，使固体物质（半导体）发光的光源激光器的基本结构使入射光得到放大，是核心供给工作物质能量光抽运激光束工作介质泵浦源只让与反射镜轴向平行的光束能在激活介质中来回地反射，连锁式地放大。最后形成稳定的激光输出。常用光源4激光器

利用激发态粒子在受激辐射作用下发光的电光源。八光纤传感器光纤传感器是以光纤为媒介，用来检测光在光纤中传播时，因光纤的全部或部分环节所在环境(物理量、化学量或生物量等)的变化带来光传输特性改变的装置。

第一节基本概念光纤传感器分类

从测量类型来分，光纤传感器一般可分为两大类：