光纤与光缆简介

光纤与光缆技术第一篇光纤第一章概述第一章概述第一节光纤通信技术发展历程一、光纤通信概念1、光纤通信：以激光作为载体，以光纤作为传输媒介的通信方式。

2、光纤通信发展史(1)原始的光通信：烽火台，旗语；(2)近代的光通信：大气激光通信用承载信息的光波，通过大气作为传输信道完成到点对点或点对多的信息传输。特点：不用敷设任何线路，简单经济；受气候影响大，传输不稳定，有局限性。雨天：30dB/km；浓雾：120dB/km

数千米至数十千米范围衰减：光从光纤的一端射入，从另一端射出，光的强度会减弱，这意味着光信号通过光纤传播之后光能量衰减了一部分。1966.7美籍华人高锟提出光纤通信的概念，并指出制造出20dB/km的光纤可实现利用光纤的目的。(3)现代光纤通信1970年美国康宁公司20dB/km1975年美国康宁公司4dB/km1976年美国康宁公司

0.5dB/km1986年日本住友公司0.154dB/km2002年日本住友公司0.148dB/km光纤通信的发展可以分为三个阶段：第一阶段(1966-1976)，短波长(0.85微米)、低速率(45或34Mb/s)多模光纤；无中继传输距离10km；第二阶段(1976-1986)，长波长(1.31和1.55微米)、速率(140-565Mb/s)单模光纤；无中继传输距离50-100km；第三阶段(1986-1996)，波长(1.55微米)、速率(2.5-10Gb/s)单模光纤；无中继传输距离100-150km。3、光纤通信系统的组成光纤通信系统可以传输数字信号，也可以传输模拟信号，一般有话音、数据或多媒体信息。1、光纤：光导纤维，是一种利用光在玻璃或塑料制成的纤维中全反射原理而达成的光传导工具。二、光纤光缆概念2、光缆：由光纤和塑料保护套及塑料外皮构成，由一定数量的光纤按一定方式组成缆芯，外包有护套，有的外包覆外护层，用以实现光信号的传输的一种通信线路。金属加强构件、松套层绞、油膏填充式、聚乙烯内护套、皱纹钢带铠装、聚乙烯外护层的通信用室外光缆应用：海底光缆、高压电塔上的空架光缆、核能电厂的抗辐射光缆、有线电视线，医用内窥镜。第二节光纤的分类及优缺点一、分类1、按光在光纤中的传输模式(1)多模光纤：中心玻璃芯较粗(50-100微米)，可传多种模式的光常用：62.5/125型，50/125型(2)单模光纤：中心玻璃芯较细(9或10微米)，可传一种模式的光。2、按折射率分布情况(1)突变型(阶跃型)：光纤中心芯到玻璃包层的折射率是突变；(2)渐变型(梯度型)：光纤中心芯到玻璃包层的折射率是逐渐变小的。3、按最佳传输频率窗口：(1)常规型：光纤生产厂家将光纤传输频率最佳化在单一波长的光上；例如：1300nm(2)色散位移型：光线生产厂家将光纤传输频率最佳化在两个波长的光上。例：1300、1550nm二光纤的优缺点传输容量大；损耗低；抗电磁场和电辐射；体积小、重量轻；节省有色金属和材料；可用于易燃、易爆场所；抗化学腐蚀。

1、优点：

抗拉强度低；光纤连接困难；材料提纯要求高；光纤的弯曲半径不能太小。

2、缺点：第二章光纤技术第一节光纤的光传输理论一、概述二、光纤的基本结构三、光纤的分类四、光纤传输的理论基础五、习题一、概述通信光纤：由石英玻璃或塑料或其它导光材料组成的导光纤维。导光原理：光信息在高折射率的纤芯和低折射率的包层所构成的光波导中传播。目的：了解光波在光纤中的传输机理、传输条件，建立传输特性与光折射率分布结构参数之间的关系，使人们能够设计出理想的光波导体。二、光纤的基本结构

光纤是由中心的纤芯和外围的包层同轴组成的圆柱形细丝。纤芯的折射率比包层稍高，损耗比包层更低，光能量主要在纤芯内传输。包层为光的传输提供反射面和光隔离，并起一定的机械保护作用。图2.1示出光纤的外形。设纤芯和包层的折射率分别为n1和n2，光能量在光纤中传输的必要条件是n1>n2。由纤芯和包层组成的光纤常称为裸光纤，这种光纤如果直接使用，由于裸露在环境中,容易受到外界温度、压力、水气的侵蚀等，因而实际中应用的光纤都在裸光纤的外面增加了防护层,用来缓冲外界的压力,增加光纤的抗拉、抗压强度，并改善光纤的温度特性和防潮性能等。防护层通常也包括好几层，细分为包层外面的缓冲涂层，加强材料涂覆层以及最外一层的套塑层。光纤的套塑方法有两种：紧套和松套。

紧套是指光纤在二次套管内不能自由松动；而松套光纤则有一定的活动范围。紧套的优点是性能稳定，外径较小但机械性能不如松套，因为紧套无松套的缓冲空间，易受外力影响。

松套光纤温度性能优于紧套，制作比较容易，但外径较大，为避免水分，需要填充半流质的油膏来提高光缆的纵向封闭性能。经过涂覆、套塑形成的光纤常称为被覆光纤或缆芯。光纤的几何尺寸很小，纤芯直径一般在5～50μm之间，包层的外径为125μm，包括防护层，整个光纤的外径也只有250μm左右。

图2.2光纤的基本结构三、光纤的分类光纤按照纤芯剖面折射率分布、纤芯中传输模式的多少以及材料成份等的不同，光纤可分为很多种，下面将常用的几种结构形式作一简单介绍。

1.按照折射率分布分类按照折射率分布的不同，光纤一般可分为阶跃型光纤和渐变型光纤两种。(1)阶跃型光纤如果纤芯折射率n1沿半径方向保持一定，包层折射率n2沿半径方向也保持一定，而且纤芯和包层的折射率在边界处呈阶梯型变化的光纤，称为阶跃型光纤，又可称为均匀光纤。横截面2a2brn折射率分布纤芯包层AitAot输入脉冲光线传播路径输出脉冲(2)渐变型光纤如果纤芯折射率n1随着半径加大而逐渐减小，而包层中折射率n2是均匀的，这种光纤称为渐变型光纤，又称为非均匀光纤。如梯度光纤中的折射率分布为横截面折射率分布输入脉冲光线传播路径输出脉冲50mm125mmrnAitAot2.按照传输模式分类所谓模式，光纤纤芯中的电场和磁场，包层中的电场和磁场均满足波动方程，但它们的解不是彼此独立的，而是满足在纤芯和包层处电场和磁场的边界条件。所谓的光纤模，就是满足边界条件的电磁场波动方程的解，即电磁场的稳态分布。这种空间分布在传播过程中只有相位的变化，没有形状的变化，且始终满足边界条件，每一种这样的分布对应一种模式。模式：以某一角度入射光纤端面并能在纤芯-包层处形成全反射的光线就成为一个光纤的模式。(1)单模光纤光纤中只传输一种模式时，叫做单模光纤。单模光纤的纤芯直径较小，约为4～10μm，通常，纤芯的折射率分布认为是均匀分布的。由于单模光纤只传输基模，从而完全避免了模式色散，使传输带宽大大加宽，因此，它适用于大容量、长距离的光纤通信。

(2)多模光纤

在一定的工作波长下，多模光纤是能传输多种模式的介质波导。早期的多模光纤采用阶跃折射率分布，为了减小色散，须采用渐变折射率分布，由于模色散的存在使多模光纤的带宽变窄，但制造、耦合、连接都比单模光纤容易。

3.按光纤材料分类光纤按材料的不同可分为石英系光纤、石英纤芯塑料包层光纤、多成分玻璃光纤、塑料光纤。(1)石英系光纤这种光纤的纤芯和包层是由高纯度的SiO2中掺杂适当的杂质制成的。其损耗低、强度和可靠性较高，目前应用最为广泛。(2)石英纤芯塑料包层光纤这种光纤的纤芯是用石英制成，包层是硅树脂。(3)多成分玻璃纤维这种光纤一般用钠玻璃掺有适当杂质制成。(4)塑料光纤这种光纤的纤芯和包层都由塑料制成。思考：入射在光纤端面上的光，是否都能够沿光纤传播？答案：否，其中一部分是不能进入光纤的，而能进入光纤端面的光也不一定能在光纤中传输，只有符合某一特定条件的光才能在光纤中发生全反射而传播到远方。

四、光纤传输的理论基础要详细描述光纤传输原理：(1)波动理论法。波动理论法是根据电磁场理论，用麦氏方程求解光纤的场方程、特征方程，根据解答式分析其传输特性；

(2)几何光学法。几何光学法是将光波看成是一条条几何射线，用光射线理论分析光纤的传输特性。

几何光学的方法比较直观，容易理解，但并不十分严格。不管是射线方程还是波动方程，数学推演都比较复杂，我们只选取其中主要部分和有用的结果。几何光学法波动理论1、光纤传输的波动理论几何光学的方法对光纤的传输特性只能提供近似的结果。光波是电磁波，只有通过求解由麦克斯韦方程组导出的波动方程分析电磁场的分布(传输模式)的性质，才能更准确地获得光纤的传输特性。（1）波动方程和电磁场表达式设光纤没有损耗，折射率n变化很小，在光纤中传播的是角频率为ω的单色光，电磁场与时间t的关系为exp(jωt)，则标量波动方程为

式中，E和H分别为电场和磁场在直角坐标中的任一分量，c为光速。选用圆柱坐标(r,φ，z)，使z轴与光纤中心轴线一致，如图2.6所示。将式(2.18)在圆柱坐标中展开，得到电场的z分量Ez的波动方程为光纤中的圆柱坐标磁场分量Hz的方程和式(2.19)完全相同，不再列出。解方程(2.19)，求出Ez和Hz，再通过麦克斯韦方程组求出其他电磁场分量，就得到任意位置的电场和磁场。把Ez(r,φ,z)分解为Ez(r)、Ez(φ)和Ez(z)。设光沿光纤轴向(z轴)传输，其传输常数为β，则Ez(z)应为exp(-jβz)。由于光纤的圆对称性，Ez(φ)应为方位角φ的周期函数，设为exp(jvφ)，v为整数。现在Ez(r)为未知函数，利用这些表达式，电场z分量可以写成

Ez(r,φ,z)=Ez(r)ej(vφ-βz)(2.20)把式(2.20)代入式(2.19)得到式中，k=2π/λ=2πf/c=ω/c，λ和f为光的波长和频率。这样就把分析光纤中的电磁场分布，归结为求解贝塞尔(Bessel)方程(2.21)。设纤芯(0≤r≤a)折射率n(r)=n1，包层(r≥a)折射率n(r)=n2，实际上突变型多模光纤和常规单模光纤都满足这个条件。为求解方程(2.21)，引入无量纲参数u,w和V。

w2=a2(β2-n22k2)V2=u2+w2=a2k2(n21-n22)

利用这些参数，把式(2.21)分解为两个贝塞尔微分方程：(0≤r≤a)(r≥a)

因为光能量要在纤芯(0≤r≤a)中传输，在r=0处，电磁场应为有限实数；在包层(r≥a)，光能量沿径向r迅速衰减，当r→∞时，电磁场应消逝为零。根据这些特点，式(2.23a)的解应取v阶贝塞尔函数Jv(ur/a)，而式(2.23b)的解则应取v阶修正的贝塞尔函数Kv(wr/a)。因此，在纤芯和包层的电场Ez(r,φ,z)和磁场Hz(r,φ,z)表达式为

Ez1(r,φ,z)=AHz1(r,φ,z)=Ez2(r,φ,z)Hz2(r,φ,z)j(vφ-βz)

(vφ-βz)(r≥a)(2.24d)

式中，脚标1和2分别表示纤芯和包层的电磁场分量，A和B为待定常数，由激励条件确定。Jv(u)和Kv(w)如图2.7所示，Jv(u)类似振幅衰减的正弦曲线，Kv(w)类似衰减的指数曲线。式(2.24)表明，光纤传输模式的电磁场分布和性质取决于特征参数u、w和β的值。u和w决定纤芯和包层横向(r)电磁场的分布，称为横向传输常数；β决定纵向(z)电磁场分布和传输性质，所以称为(纵向)传输常数。

(2)特征方程和传输模式由式(2.24)确定光纤传输模式的电磁场分布和传输性质，

必须求得u,w和β的值。

图2.7（a)贝赛尔函数；（b)修正的贝赛尔函数

(2.22)看到，在光纤基本参数n1、n2、a和k已知的条件下，u和w只和β有关。利用边界条件，导出β满足的特征方程，就可以求得β和u、w的值。由式(2.24)确定电磁场的纵向分量Ez和Hz后，就可以通过麦克斯韦方程组导出电磁场横向分量Er、Hr和Eφ、Hφ的表达式。因为电磁场强度的切向分量在纤芯包层交界面连续，在r=a处应该有

Ez1=Ez2Hz1=Hz2

Eφ1=Eφ2Hφ1=Hφ2

由式(2.24)可知，Ez和Hz已自动满足边界条件的要求。由Eφ和Hφ的边界条件导出β满足的特征方程为

这是一个超越方程，由这个方程和式(2.22)定义的特征参数V联立，就可求得β值。但数值计算十分复杂，其结果示于图2.8。图中纵坐标的传输常数β取值范围为

n2k≤β≤n1k

相当于归一化传输常数b的取值范围为0≤b≤1，图2.8若干低阶模式归一化传输常数随归一化频率变化的曲线

坐标的V称为归一化频率，根据式(2.22)V=(2.29)

图中每一条曲线表示一个传输模式的β随V的变化，所以方程(2.26)又称为色散方程。对于光纤传输模式，有两种情况非常重要，一种是模式截止，另一种是模式远离截止。分析这两种情况的u、w和β，对了解模式特性很有意义。模式截止由修正的贝塞尔函数的性质可知，当→∞时，→，要求在包层电磁场消逝为零，即→0，必要条件是w>0。如果w<0，电磁场将在包层振荡，传输模式将转换为辐射模式，使能量从包层辐射出去。w=0(β=n2k)介于传输模式和辐射模式的临界状态，这个状态称为模式截止。其u、w和β值记为uc、wc和βc，此时V=Vc=uc。对于每个确定的v值，可以从特征方程(2.26)求出一系列uc值，每个uc值对应一定的模式，决定其β值和电磁场分布。当v=0时，电磁场可分为两类。一类只有Ez、Er和Hφ分量，Hz=Hr=0，Eφ=0，这类在传输方向无磁场的模式称为横磁模(波)，记为TM0μ。另一类只有Hz、Hr和Eφ分量，Ez=Er=0，Hφ=0，这类在传输方向无电场的模式称为横电模(波)，记为TE0μ。在微波技术中，金属波导传输电磁场的模式只有TM波和TE波。当v≠0时，电磁场六个分量都存在，这些模式称为混合模(波)。混合模也有两类，一类Ez<Hz，记为HEvμ，另一类Hz<Ez，记为EHvμ。下标v和μ都是整数。第一个下标v是贝塞尔函数的阶数，称为方位角模数，它表示在纤芯沿方位角φ绕一圈电场变化的周期数。第二个下标μ是贝塞尔函数的根按从小到大排列的序数，称为径向模数，它表示从纤芯中心(r=0)到纤芯与包层交界面(r=a)电场变化的半周期数。模式远离截止当V→∞时，w增加很快，当w→∞时，u只能增加到一个有限值，这个状态称为模式远离截止，其u值记为u∞。波动方程和特征方程的精确求解都非常繁杂，一般要进行简化。大多数通信光纤的纤芯与包层相对折射率差Δ都很小(例如Δ<0.01)，因此有n1≈n2≈n和β=nk的近似条件。这种光纤称为弱导光纤，对于弱导光纤β满足的本征方程可以简化为由此得到的混合模HEv+1μ和EHv-1μ(例如HE31和EH11)传输常数β相近，电磁场可以线性叠加。用直角坐标代替圆柱坐标，使电磁场由六个分量简化为四个分量，得到Ey、Hx、Ez、Hz或与之正交的Ex、Hy、Ez、Hz。这些模式称为线性偏振(LinearlyPolarized)模，并记为LPvμ。LP0μ即HE1μ，LP1μ由HE2μ和TE0μ、TM0μ组成，包含4重简并，LPvμ(v>1)由HEv+1μ和EHv-1μ组成，包含4重简并。若干低阶LPvμ模简化的本征方程和相应的模式截止值uc

和远离截止值u∞列于表2.1，这些低阶模式和相应的V值范围列于表2.2，图2.9示出四个低阶模式的电磁场矢量结构图。

图2.9四个低阶模式的电磁场矢量结构图

(3)多模渐变型光纤的模式特性渐变型光纤折射率分布的普遍公式用式(2.6)中的n(r)表示。由于折射率是径向坐标r的函数，波动方程式(2.21)没有解析解。求解式(2.21)的近似方法很多，其中由Wentzel、Kramers和Brillouin提出的WKB法是常用的一种近似方法。我们不准备讨论这种方法的推导过程，只给出用这种方法得到的一些有用的结果。传输常数多模渐变型光纤传输常数的普遍公式为式中，n1、Δ、g和k前面已经定义了，M是模式总数，m(β)是传输常数大于β的模式数。经计算

由式(2.32)看到：对于突变型光纤，g→∞，M=V2/2；对于平方律渐变型光纤，g=2，M=V2/4。根据计算分析，在渐变型光纤中，凡是径向模数μ和方位角模数v的组合满足

q=2μ+v的模式，都具有相同的传输常数，这些简并模式称为模式群。q称为主模数，表示模式群的阶数，第q个模式群有2q个模式，把各模式群的简并度加起来，就得到模式数m(β)=q2。模式总数M=Q2，Q称为最大主模数，表示模式群总数。用q和Q代替m(β)和M，从式(2.31)得到第q个模式群的传输常数

光强分布多模渐变型光纤端面的光强分布(又称为近场)P(r)主要由折射率分布n(r)决定，

式中P(0)为纤芯中心(r=0)的光强，C为修正因子。

(4)单模光纤的模式特性单模条件和截止波长从图2.8和表2.2可以看到，传输模式数目随V值的增加而增多。当V值减小时，不断发生模式截止，模式数目逐渐减少。特别值得注意的是当V<2.405时，只有HE11(LP01)一个模式存在，其余模式全部截止。HE11称为基模，由两个偏振态简并而成。由此得到单模传输条件为

V=(2.36)

由式(2.36)可以看到，对于给定的光纤(n1、n2和a确定)，存在一个临界波长λc，当λ<λc时，是多模传输，当λ>λc时，是单模传输，这个临界波长λc称为截止波长。由此得到

V=2.405或λc=光强分布和模场半径通常认为单模光纤基模HE11的电磁场分布近似为高斯分布

Ψ(r)=Aexp

式中，A为场的幅度，r为径向坐标，w0为高斯分布1/e点的半宽度，称为模场半径。实际单模光纤的模场半径w0是用测量确定的，常规单模光纤用纤芯半径a归一化的模场半径的经验公式为

0.65+1.619V-1.5+2.879V-6

=0.65+0.434+0.0149

w0/a与V(或λ/λc)的关系示于图2.10。图中ρ是基模HE11

的注入效率。由图可见，在3>V>1.4(0.8<λ/λc<1.8)范围，ρ>96%。双折射和偏振保持光纤前面的讨论都假设了光纤具有完美的圆形横截面和理想的圆对称折射率分布，而且沿光纤轴向不发生变化。因此，HE11（LP01）模的x偏振模HEx11(Ey=0)和y偏振模HEy11(Ex=0)具有相同的传输常数(βx=βy)，两个偏振模完全简并。但是实际光纤难以避免的形状不完善或应力不均匀，必定造成折射率分布各向异性，使两个偏振模具有不同的传输常数(βx≠βy)。因此，在传输过程要引起偏振态的变化，我们把两个偏振模传输常数的差(βx-βy)定义为双折射Δβ，通常用归一化双折射B来表示，图2.10用对LP01模给出最佳注入效率

的高斯场分布时，归一化模场半径w0/a和注入效率ρ与归一化波长λ/λc或归一化频率V的函数关系

式中，=(βx+βy)/2为两个传输常数的平均值。把两个正交偏振模的相位差达到2π的光纤长度定义为拍长LbLb=(2.40)

存在双折射，要产生偏振色散，因而限制系统的传输容量。许多单模光纤传输系统都要求尽可能减小或消除双折射。一般单模光纤B值虽然不大，但是通过光纤制造技术来消除它却十分困难。合理的解决办法是通过光纤设计，人为地引入强双折射，把B值增加到足以使偏振态保持不变，或只保存一个偏振模式，实现单模单偏振传输。强双折射光纤和单模单偏振光纤为偏振保持光纤。获得偏振保持光纤的方法很多，例如引入形状各向异性的椭圆芯光纤。返回2、几何光学法（1）光的反射和折射当光射线射到两种介质交界面时，将发生反射和折射。全反射：光由光密（即光在此介质中的折射率大的）媒质射到光疏（即光在此介质中折射率小的）媒质的界面时，全部被反射回原媒质内的现象。发生条件：①光必须由光密介质射向光疏介质．②入射角必须大于临界角。折射率：光从真空射入介质发生折射时，入射角与折射角的正弦之比n叫做介质的绝对折射率，简称折射率。（2）几何光学法以突变型多模光纤为例进一步讨论光纤的传输条件：设纤芯和包层折射率分别为n1和n2，空气的折射率n0=1，纤芯中心轴线与z轴一致，如图所示。光线在光纤端面以小角度θ从空气入射到纤芯(n0<n1)，折射角为θ1，折射后的光线在纤芯直线传播，并在纤芯与包层交界面以角度ψ入射到包层(n1>n2)。123纤芯n1包层n2θcθθ3Ψ3ΨcΨ1z当θ>θc时，相应的光线将在交界面折射进入包层并逐渐消失，如光线3；

当θ=θc时，相应的光线将以ψc入射到交界面，并沿交界面向前传播(折射角为90°)，如光线2；改变角度θ，不同θ相应的光线将在纤芯与包层交界面发生反射或折射。根据全反射原理，存在一个临界角θc。当θ<θc时，相应的光线将在交界面发生全反射而返回纤芯，并以折线的形状向前传播，如光线1；由此可见，只有在半锥角为θ≤θc的圆锥内入射光束才能在光纤中传播。（3）主要参数1)相对折射率指数差（纤芯和包层折射率分别为n1和n2）这里，当n1

和n2

差别极小时，这种光纤称为弱导光纤，其相对折射率差可近似得：说明：纤芯和包层的相对折射率差典型值Δ=(n1－n2)/n1，一般单模光纤为0.3%～0.6%，多模光纤为1%～2%。Δ越大，把光能量束缚在纤芯的能力越强，但信息传输容量却越小。2)数值孔径NA设纤芯和包层折射率分别为n1和n2，空气的折射率n0=1，纤芯中心轴线与z轴一致。定义临界角θc的正弦为数值孔径NA。根据定义和斯奈尔定律：说明：(1)NA表示光纤接收和传输光的能力，NA(或θc)越大，光纤接收光的能力越强，从光源到光纤的耦合效率越高。对于无损耗光纤，在θc内的入射光都能在光纤中传输；(2)NA越大，纤芯对光能量的束缚越强，光纤抗弯曲性能越好；(3)但NA越大，经光纤传输后产生的信号畸变越大，因而限制了信息传输容量。所以要根据实际使用场合，选择适当的NA。例1：计算n1=1.48，n2=1.46的阶跃折射率分布光纤的θc以及数值孔径；光纤端面外空气中的折射率为n0=1

解：

sinθ0===0.2425θ0=arcsin0.2425=14.03°NA=sinθ0=0.24253)归一化频率归一化频率V是描述光纤特性的一个重要参数，图2.8中是光纤波导中存在的几个较低阶LP导波模的情形，横坐标为归一化频率V，纵坐标为归一化传播常数b。归一化频率：

其中：a—纤芯半径

—工作波长

①多模光纤中传输模数目N

g—折射率指数

阶跃式光纤g=

渐变式光纤

g=2例2多模阶跃式光纤中n1=1.5，=0.01，入射光波长=1.3，纤芯半径

a=25，求N解：

ｖ=N=V2/2=328(取整)=25.63②单模光纤的传输条件从图2.8可以看到传输模式数目随V值的增加而增多。当V值减小时，不断发生模式截止，模式数目逐渐减少。特别值得注意的是当V<2.405时，只有LP01一个模式存在，其余模式全部截止。由此得到单模传输条件为:

即V2.405

由上式可以看到，对于给定的光纤(n1、n2和a确定)，存在一个临界波长λc，当λ<λc时，是多模传输，当λ>λc时，是单模传输，这个临界波λc称为截止波长。由此得到：③截止波长例3某阶跃光纤=0.003，n1=1.46，=1.31求单模传输时纤芯的半径？=4.44解：例4某阶跃折射率光纤，其芯区折射率n1=1.46，芯半径a=4.5μm，相对折射率差Δ=0.25，分析其截止波长并判断当工作波长分别为1.31μm和0.85μm时该光纤是单模还是多模工作。解：阶跃折射率光纤归一化截止频率Vc=2.405，由得其截止波长为：因1.31μm＞1.21μm，所以当工作波长为1.31μm时，该光纤是单模工作；ｖ=因0.85μm

＜1.21μm，所以当工作波长为0.85μm时，该光纤是多模工作。

光纤是否单模工作，要由归一化频率同工作波长来决定。同一根光纤，工作波长较短时，可能是多模工作。当工作波长增长到一定范围时，可能变成单模光纤。当λ>λc时，光纤变成单模工作，因此，在光纤通信最常用的1.31μm波长上，它是单模工作，若令其传输短波长0.85μm，即λ<λc，会失去单模特征。现在我们来观察光线在光纤中的传播时间。入射角为θ的光线在长度为L(ox)的光纤中传输，所经历的路程为l(oy)，在θ不大的条件下，其传播时间即时间延迟为式中c为真空中的光速。由式得到最大入射角(θ=θc)和最小入射角(θ=0)的光线之间时间延迟差近似为：4)时间延迟这种时间延迟差在时域产生脉冲展宽，或称为信号畸变。由此可见，突变型多模光纤的信号畸变是由于不同入射角的光线经光纤传输后，其时间延迟不同而产生的。设光纤NA=0.20，n1=1.5，L=1km，说明：根据上式得到脉冲展宽Δτ=4.4×10-8=44ns，作业：1、阶跃型光纤纤芯和包层的折射率分别为n1=1.5，n2=1.45，试计算：

1）纤芯和包层的相对折射率差；

2）该光纤数值孔径NA。2、已知阶跃光纤纤芯的折射率为n1=1.5，相对折射指数差

Δ=0.01，纤芯半径a=25μm，若λ0=1μm，试计算光纤的归一化频率V及其中传播的模数量N。

习题1.计算n1=1.48及n2=1.46的阶跃折射率光纤的数值孔径。如果光纤端面外介质折射率n=1.00，则允许的最大入射角θmax为多少？2.一根数值孔径为0.20的阶跃折射率多模光纤在850nm波长上可以支持1000个左右的传播模式。试问：（1）其纤芯直径为多少？（2）在1310nm波长上可以支持多少个模？（3）在1550nm波长上可以支持多少个模？3.有阶跃型光纤，若n1=1.5，λ0=1.31μm，那么（1）若Δ=0.25，为保证单模传输，光纤纤芯半径a应取多大？（2）若取芯径a=5μm，保证单模传输时，Δ应怎样选择？一、色散1、色散：色散是指一束不同颜色的光通过透光物质后被散开的现象。一束白光通过一块玻璃三棱镜变成五颜六色的光带，这就是简单的色散现象。第二节光纤的设计理论2、光纤的色散：由于光纤中光信号中的不同频率成分或不同的模式，在光纤中传输时，由于速度的不同而使得传播时间不同，因此，造成光信号中的不同频率成分或不同模式的光到达光纤终端有先有后，形成时间的展宽，从而产生波形畸变的一种现象。色散的程度可用时延差来表示，时延差越大，色散就越严重。3、表示方法：色散的大小用时延差表示

不同速度的信号传输同样的距离所需的时间不同，即各信号的时延不同，这种时延上的差别称为时延差，用Δ表示。Δ时延差的单位：s二、色散的种类及产生原因(1)模式色散：在多模光纤中，不同模式在同一频率下传输，各种模沿不同的路径走向终端，其路径长短不同，在终端会合时就会发生脉冲展宽。(只存在于多模光纤中)。在阶跃多模光纤中，模式色散是造成脉冲展宽的主要原因，要比波导色散和材料色散高出1～2个数量级。(2)材料色散：由于纤芯、包层材料的折射率是波长的函数、材料折射率随光波长非线性变化造成的，不同的频率传输速度不同，对于谱宽较宽的信号，经过传输后产生脉冲展宽的现象。

(3)波导色散：由于光纤的纤芯与包层的折射率差很小，因此在交界面产生全反射时，就可能有一部分光进入包层之内。这部分光在包层内传输一定距离后，又可能回到纤芯中继续传输。进入包层内的这部分光强的大小与光波长有关，这就相当于光传输路径长度随光波波长的不同而异。把有一定波谱宽度的光源发出的光脉冲射入光纤后，由于不同波长的光传输路径不完全相同，所以到达终点的时间也不相同，从而出现脉冲展宽。它与材料色散有同样的数量级。三、光纤的损耗特性光纤的损耗：光波在光纤中传输，随着传输距离的增加而光功率逐渐下降，这就是光纤的传输损耗。由于损耗的存在，在光纤中传输的光信号，不管是模拟信号还是数字信号，其幅度都要减小。光纤的损耗在很大程度上决定了系统的传输距离。光纤损耗定义：长度为L(km)的光纤输出端光功率Pout与输入端光功率Pin的比值，用分贝(dB)表示。通常光纤损耗用单位长度的分贝(dB/km)数表示，定义为例1一段30km的光纤链路，其损耗为0.5dB/km。如果在接收端保持0.3μW

的接收光功率，则发送端的功率至少为多少？解：根据公式由题意得：

解得Pmin=9.49μW。光纤通信可以说是伴随着光纤制造水平不断提高的，即随着光纤损耗的不断降低而发展起来的。造成光纤损耗的原因很多，主要有吸收损耗、散射损耗和附加损耗，其损耗产生机理也非常复杂，简要说明如表2-2所示。1.吸收损耗吸收作用是光波通过光纤材料时，有一部分光能转化为热能，从而造成光功率的损失。造成吸收损耗的原因很多，但都与光纤材料有关，下面主要介绍本征吸收和杂质吸收。1）本征吸收本征吸收是光纤基本材料（例如纯二氧化硅）固有的吸收，并不是由杂质或者缺陷引起的。因此，本征吸收基本上确定了任何特定材料的吸收下限。2）杂质吸收杂质吸收是由材料的不纯净和工艺的不完善而造成的附加吸收损耗。影响最严重的是过渡金属离子的吸收和水的氢氧根离子的吸收。过渡金属正离子吸收包括Cu2+，Fe2+，Cr2+，Ni2+，Mn2+，V2+，Po2+等，其电子结构产生边带吸收峰(0.5～1.1μm)，造成损耗。由于工艺改进，这些杂质含量低于10－9以下，影响已忽略不计。OH－1根负离子的吸收峰在0.95μm、1.23μm和1.37μm，由于工艺改进，降低了OH－1浓度，吸收峰影响已忽略不计。2.散射损耗由于光纤的材料、形状及折射率分布等的缺陷或不均匀，光纤中传导的光散射，从而使一部分光不能到达收端所产生的损耗称为散射损耗。散射损耗包括线性散射损耗和非线性散射损耗。线性和非线性主要是指散射损耗所引起的损耗功率与传播模式的功率是否成线性关系。线性散射损耗主要包括瑞利散射损耗和波导散射损耗，非线性散射损耗主要包括受激拉曼散射和受激布里渊散射等。3.附加损耗附加损耗属于来自外部的损耗，称为应用损耗或辐射损耗。如在成缆、施工安装和使用运行中使光纤扭曲、侧压等造成光纤宏弯曲和微弯曲所形成的损耗等。微弯曲是在光纤成缆时随机性弯曲产生的，所引起附加损耗一般很小，光纤宏弯曲损耗是最主要的。在光缆接续和施工过程中，不可避免地出现弯曲，弯曲到一定曲率半径时，会产生辐射损耗。（1）宏弯曲：如果光纤弯曲半径比光纤直径大得多，称为宏弯曲损耗αT，如图2-5-2所示。图2-5-2光纤宏弯曲损耗宏弯曲损耗可近似表示为αT=C1exp(－C2R)式中，R为光纤弯曲的曲率半径，C1与C2为与曲率半径R无关的常数。宏弯曲比较轻微，附加损耗很小，但随着弯曲曲率半径的减小，损耗按指数增大。到达某个临界值Rc时，若进一步减小弯曲半径，损耗会突然变得非常大，甚至导致传输中断。Rc估算公式为（2）光纤微弯曲是由于护套不均匀或成缆时产生不均匀侧向压力引起的，造成光纤轴线的曲率半径重复变化。这时弯曲的曲率半径不一定小于临界半径，但这种周期性变化引起光纤中导模与辐射模间反复耦合，使一部分光能量变成辐射模损耗掉，如图2-5-3所示。光纤微弯曲损耗国际电信联盟－电信标准部ITU-T(TelecommunicationStandardizationSectorofInternationalTelecommunicationUnion)公布的几种光纤标准如下：

1.G.651光纤（渐变多模光纤）

G.651光纤的工作波长有两种：1310nm和1550nm。在1310nm处具有最小色散值，在1550nm处具有最小衰减系数。按照纤芯/包层尺寸，G.651进一步分为4种，它们的纤芯/包层直径/数值孔径分别为50/125/0.200，62.5/125/0.275，85/125/0.275和100/140/0.316.

三、光纤产品介绍2.G.652光纤（标准单模光纤/非色散位移单模光纤）

G.652是零色散波长在1310nm处的单模光纤，它的传输距离一般只受光纤衰减的限制。在1310nm处，该光纤的衰减率达到0.3~0.4dB/km。目前已经铺设的光缆线路绝大部分都采用这种光纤，该光纤也可用于1.55波段、2.5Gb/s的干线传输，虽然在1550nm处的色散较大，为20 ，但如果采用高性能的电吸收调制器，传输距离可达600公里。但如果传输的数据速率达10Gb/s，只能传输50公里。

3.G.653光纤（色散位移光纤）

G.653光纤由于零色散与低衰减不在同一波长上，使工程应用受到很大限制，而G.653则把零色散点从1.31处移到了1.55处，所以也称G.653为色散位移光纤。它是单波长传输的最佳选择，但是对多信道应用而言，由于各信道光波之间的相位匹配很好，四波混频效应较强，会产生非常严重的干扰产物，所以不适合于DWDM系统，目前已不再铺设。DWDM指密集波分复用，这是一项用来在现有的光纤骨干网上提高带宽的激光技术。更确切地说，该技术是在一根指定的光纤中，多路复用单个光纤载波的紧密光谱间距，以便利用可以达到的传输性能（例如，达到最小程度的色散或者衰减），这样，在给定的信息传输容量下，就可以减少所需要的光纤的总数量。4.G.654光纤（衰减最小光纤）这种光纤是为了满足海底光缆长距离通信的需求而研制的，其特点是在1.55的衰减很小，仅为0.185dB/km，但在该波长处的色散较大，约为17~20，其零色散点在1.31μm处。5.G.655光纤（非零色散位移光纤）

G.655光纤是一种改进型的色散移位光纤，与G.653相比，其零色散点不在1.55um处，而是在1.525um或者1.585um处，1.55um处有适当的微量色散。G.655光纤适用于密集波分复用DWDM系统中，光纤中存在少量色散，四波混频反而减少。另外还有，G656，色散补偿光纤等等。第三章光纤原材料第一节材料的选择原则一、选择原则1、光纤原材料的选择原则(光衰减、折射率、成纤能力、物理性能、生产成本)(1)成型方便：材料必须能够制成细长、柔软的光纤；

(2)透明材料：使光纤在特定的光波长有效的导光；

(3)性能兼容：保证光纤芯/包层物理性能的彼此适应，我们必须选用那些具有微小的折射率差，但物理性能彼此相近的材料；

(4)材料成本：来源丰富，价格便宜；

(5)其它：良好的化学稳定性和机械强度。2、各种原材料的介绍(1)气体材料：光衰减极小；折射率难控制；(2)液体材料：(液体充满细玻璃管的纤维)

液体的折射率随温度变化显著，致使精确的保持波导特性变得极为不易；仅能制造出阶跃型折射率分布的多模光纤；(3)固体材料：传输衰减较大(紫外、红外的电子跃迁和分子振动)——强吸收峰彼此远离的材料；光学性能稳定，与光的相互作用较强；选择石英玻璃作为光纤原材料的原因？石英玻璃在常温下呈现为固体，具有很高的透可见光和近红外的能力，且具有良好的化学稳定性和高的机械强度，通过掺杂某些氧化物，例如，GeO2或者C2F6(六氟乙烷)很容易的增加或者降低石英玻璃的折射率，另外，石英玻璃的原料价格低廉。因此作为低衰减光纤原材料，石英玻璃是最适合的原材料之一。1、纤芯：(1)材质：二氧化硅SiO2(参杂：P2O5、GeO2)

目的：提高材料的光折射率；

(2)规格：多模光纤50或62.5；单芯4-10微米

(3)作用：传输光能；二、光纤各部分的材料2、包层：(1)材质：SiO2(参杂：B2O3或F)

目的：降低材料的光折射率

(2)规格：100-150微米

(3)作用：为光的传输提供反射面和光隔离面，使光波限制在纤芯中；并起一定的机械保护作用。3、涂覆层(1)材质：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；二次涂覆层，多采用聚乙烯塑料或聚丙烯塑料、尼龙等材料。

(2)规格：30-150微米

(3)作用①由于裸光纤的主要成份是二氧化硅，它是一种易碎脆性材料，抗弯曲性能差，为提高光纤的力学性能，尤其是其微弯特性，涂覆一层或多层高分子材料，改善裸光纤的力学性能。②当裸光纤拉制成丝后，在其表面或内部存在着一些微裂纹和缺陷，如遇到空气中的水分子后会与其发生水合反应，使Si--O键断裂，产生OH-羟基引起光纤出现微裂纹，如光纤自身已存在微裂纹，则使裂纹发生扩展生长，最终导致光纤强度降低，直到断裂。为改善光纤的固有强度并阻止裂纹的生长扩展必须在裸光纤表面涂覆高分子材料。

③由于裸光纤与空气中的水分子发生水合反应，将生成大量的羟基OH-，会增大光纤的吸收衰减，为减少光纤的吸收衰减必须涂覆涂覆层。

④SiO2+H2O=Si-OH-，防止光纤间的相互磨损。材料类型材料功能材料种类作用工艺石英玻璃结构材料沉积管：高纯石英玻璃管供促改进的化学气相沉积、等离子气相沉积工艺气相沉积液体卤化物基本材料：SiCl4掺杂剂：GeCl4供促改进的化学气相沉积、等离子气相沉积工艺、外部气相沉积、轴向气相沉积工艺使用、已构成光纤波导结构气体掺杂剂：C2F6功能材料N2、Cl2、Ar2保护、脱水和固化燃烧气体H2、O2、CH4反应能源第二节材料分类材料类型材料功能材料种类作用工艺塑料结构材料纤芯：F-PMMA包层：PMMA构成新型光纤波导结构界面凝胶或挤压扩散或高速离心扩散光子晶体结构材料纤芯：石英玻璃或空气；塑料或空气包层：石英玻璃或塑料构成新型光纤波导结构空心管成束或预制棒打孔拉丝掺稀土元素功能材料纤芯：掺稀土元素石英包层：石英玻璃构成功能光纤气相沉积+液体掺杂预涂敷料保护光纤密封涂覆：无定形碳以及金属铝光纤表面保护紫外光固化或者热固化内护涂覆：环氧丙烯酸树脂或有机硅树脂外层涂覆：环氧丙烯酸树脂或有机硅树脂缓解作用在光纤上的机械外力着色涂料光纤着色加入色料的光纤预涂敷料便于光缆中光纤的识别紫外光固化或者热固化目前制造通信光纤和光器件的光纤材料有：石英玻璃、塑料、光子晶体和掺稀土元素的石英玻璃。第三节光纤原材料一、石英玻璃原材料1、材料种类与作用石英玻璃光纤生产工艺过程包含有许多具体的工艺步骤：芯棒制造、外包层、拉丝和涂覆。(不同的工艺阶段采用不同的材料，同一种材料在不同的工艺阶段要求也不同)2、主体原材料(SiCl4)金属卤化物+氧/水→金属氧化物→构成玻璃成分。高纯SiCl4→石英玻璃光纤预制棒→光纤(可见，SiCl4的纯度直接影响光纤的传输性能)，为了降低光纤损耗，SiCl4必须经过严格的提纯，除去有害的过渡金属(Cu、Fe、Co等)离子、含氢化合物和碳氢化合物等有害物质。3、掺杂原材料(GeCl4、CCl3F3氟里昂、C2F6六氟乙烷)(1)GeCl4的作用：提高纤芯的折射率(2)CCl3F3、C2F6的作用：①降低光纤包层的折射率；

②作为沉积反应管内表面的腐蚀抛光剂，使石英玻璃管内表面光滑、清洁、干燥，有利于提高光纤强度，降低损耗；③在预制成棒时，作为腐蚀剂减小由于GeO2在成棒时的高温挥发而造成的中心下陷。二、石英玻璃1、来源石英玻璃管主要早期是通过天然水晶熔制而成；目前，采用合成石英玻璃管(SiCl4高温水解制成坯体，在经过脱水烧结和拉管而成)。2、生产SiCl4+O2→SiO2+2Cl2(1700℃)制的的二氧化硅极纯

3、熔融石英玻璃的基本物理性能性能单位数值密度g/cm32.2软化点℃1730抗拉强度MPa50弯曲强度MPa66.6抗扭强度MPa29.4杨氏模量EN/mm272900剪切模量GN/mm233000线性膨胀系数αK-15.5×10-7温度每变化1℃材料长度变化的百分率

胡克定律：在物体的弹性限度内，应力与应变成正比，其比例系数称为杨氏模量

E=σ/ε

剪切应力与应变的比值

特点：(1)耐高温性能：软化点与白金熔点相近；(2)热膨胀系数小：相当于陶瓷的1/6，普通玻璃的1/20(3)光谱特性极佳：在紫外、可见到红外有良好的透过性(4)耐酸性材料；(5)绝缘性能好、介电损耗小：高温电阻值相当于普通玻璃的10000倍；(6)可制得高纯的材料：金属离子总量为10-6。

4、性能计算已知熔融石英玻璃的密度为ρ=2.2g/cm3，杨氏模量E=72900N/mm2，线膨胀系数α=5.5×10-7，问：温度引起的光纤长度的变化量？光纤长度L=1km，温度变化范围由20℃升至40℃，即ΔT=20K；解：ΔL=αΔTL=1.1cm(2)光纤质量？直径d=125微米，长度L=1km的无涂覆层的融融石英玻璃光纤；

解：=0.0123mm2；质量M=ρAL=27g

(3)光纤的应力和应变？直径d=125微米，所加的张力F=424N；胡克定律σ=Eε解：应力σ=F/A=345N/mm2，应变ε=σ/E=4.73×10-3

第四节材料对光纤传输特性的影响

一、材料对光纤衰减的影响通信光纤所用的材料是石英玻璃和掺杂石英玻璃。通信光纤的四大特性：良好的几何特性、传输特性、机械特性和环境特性。传输衰减：本证损耗：多声子吸收、紫外吸收损耗；非本征损耗：杂质吸收、光纤波导结构不够完善等。1、多声子吸收玻璃是由硅氧四面体组成的三维无序结构，SiO2的声子吸收带与硅氧四面体分子的基本振动相对应。纯石英玻璃的强吸收带位于9.1微米、12.5微米、21微米。纯SiO2的多声子吸收系数可由下式求得：掺杂GeO2的石英玻璃中，吸收带并非SiO2和GeO2得吸收光谱的简单叠加，而吸收光谱更宽且更分散，掺杂10wt%的石英玻璃吸收光谱与非掺杂石英玻璃吸收光谱几乎完全相同，所不同的是掺杂GeO2的石英玻璃吸收光谱峰值向长波长方向偏移。

2、紫外吸收和拖尾

拖尾：在吸收光谱中，峰尾需要很长时间才好回到基线，导致峰的左右不对称。在石英玻璃的紫外反射光谱中，10.2eV、11.7eV、14.0eV、17.3eV四个吸收带。掺杂石英玻璃的紫外吸收峰波长比石英玻璃的紫外吸收峰的波长要长，所以可以变换掺杂元素的种类和数量可改善掺杂石英玻璃的吸收拖尾。GeO2含量的增加→拖尾向更长的波长区域迁移。紫外系数：

3、杂质吸收(1)过渡金属过渡金属：Fe、Cu、Ni、Mn、Co、Cr、V、Pt

过渡金属元素具有α电子结构→α电子跃迁→吸收损耗来源：石英玻璃的原料中(2)氢氧根表31×10-6水而引起的吸收损耗和波长的关系波长/微米衰减/(dB/km)0.680.0040.720.070.820.040.880.090.951.01.130.111.242.81.3866.31.9010.32.222602.7210000增大由表可见：在0.95微米的吸收损耗为1.0dB/km；在1微米以上，氢氧根引起的吸收损耗急剧增加，1.38微米处为65dB/km；对于波长为1.0～1.35微米和1.45～1.8微米两个波段的吸收损耗影响最大，所以工作波长为1.28～1.625微米低损耗的单模光纤，必除水分。

二、折射率1、色散模式色散、材料色散、波导色散；2、温度关系在高温条件下，纯石英玻璃和掺杂石英玻璃折射率随波长的延长而呈现下降趋势。(1)温度与折射率的关系光脉冲通过长度为L的光纤的时延：

N—光线材料折射率C—光速对T求导得：

(2)光纤温度时延漂移常数Kf：单位长度、单位温度的间隔时延变化量作业：设玻璃光纤的热膨胀系数为5.5×10-7/℃，SiO2材料在

1310nm处的折射率为1.46，折射率随温度的变化大约为1×10-5/℃，求Kf

三、热膨胀系数α构成光纤包层的石英玻璃的α较小；构成光纤纤芯的掺杂石英的α较大→在纤芯/包层界面处一定产生应力→光纤产生附近损耗→在光纤预制棒设计中应选用热膨胀系数比较接近的材料来制造光纤预制棒。第四章光纤制造工艺一、概述1、光纤性能的影响因素：材料组成、结构、波导结构(折射率分布)和制造工艺。第一节工艺方法的分类2、光纤制造工艺要求(1)光纤的质量在很大程度上取决于原材料的纯度，用作原料的化学试剂需严格提纯，其金属杂质含量应小于几个ppb，含氢化合物的含量应小于1ppm，参与反应的氧气和其他气体的纯度应为6个9（99.9999％）以上。

ppb是表示液体浓度的一种单位符号。一般读作十亿分之一，即10的-9次方的代表符号。类似的还有ppm，ppt等，分别是-6次和-12次。(2)光纤制造应在净化恒温的环境中进行，光纤预制棒、拉丝、测量等工序均应在10000级以上洁净度的净化车间中进行。在光纤拉丝炉光纤成形部位应达100级以上。光纤预制棒的沉积区应在密封环境中进行。光纤制造设备上所有气体管道在工作间歇期间，均应充氮气保护，避免空气中潮气进入管道，影响光纤性能。(3)光纤质量的稳定取决于加工工艺参数的稳定。光纤的制备不仅需要一整套精密的生产设备和控制系统，尤其重要的是要长期保持加工工艺参数的稳定，必须配备一整套的用来检测和校正光纤加工设备各部件的运行参数的设施和装置。洁净度指洁净空气中空气含尘（包括微生物）量多少的程度。

▲通信光纤大都采用石英玻璃为基础材料，通过气相沉积方法向基础材料掺杂(Ge、F)来改变折射率分布结构；由于石英玻璃的优异性能与气相沉积法能够精确地调整折射率分布结构，所以目前多采用石英玻璃与气相沉积法制造通信光纤。3、工艺方法一步法：预制棒的芯/包层都是由气相沉积工艺完成二步法：气相沉积芯棒技术+外包技术(大尺寸的预制棒可降低成本、提高生产效率)4、工艺分类方法

(1)气相沉积技术芯棒：①外部化学气相沉积法(OVD)②轴向化学气相沉积法(VAD)③改进的化学气相沉积法(MCVD)④等离子化学气相沉积法(PCVD)

美国康宁公司在1974年开发成功，1980年全面投入使用。美国阿尔卡特公司在1974年开发，又称管内化学气相沉积法日本NTT公司在1977年开发

荷兰菲利浦公司开发

外包层：①套管法②粉末法③等离子喷涂法(2)非气相沉积技术：①界面凝胶②机械挤压法③管束拉丝法④溶胶-凝胶⑤打孔拉丝法

第二节气相沉积工艺一、芯棒技术1、原理：将液态的SiCl4和GeCl4等卤化物气体，在一定条件下进行化学反应而生成掺杂的高纯石英玻璃。

——可严格控制金属离子。

2、工艺流程3．SiO2光纤原料试剂与制备制备SiO2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（SiCl4）、四氯化锗（GeCl4）、三氯氧磷（POCl3）、三氯化硼（BCl3）、三氯化铝（AlCl3）、溴化硼（BBr3）、气态的六氟化硫（SF6）、四氟化二碳(C2F4)等。这些液态试剂在常温下呈无色的透明液体，有刺鼻气味，易水解，在潮湿空气中强烈发烟，同时放出热量，属放热反应。以SiCl4为例，它的水解化学反应式如下：SiCl4+2H2O4HCl+SiO2

SiCl4+4H2OH4SiO4(硅酸)

+4HClSiCl4是制备光纤的主要材料，占光纤成分总量的85％～95％。Si+2Cl2→SiCl4↑

控制氯气的注量：反应为放热反应，炉内温度随着反应加剧而升高，所以要控制氯气的注量，防止反应温度过高，生成Si2Cl6和Si3Cl8。SiCl4的制备可采用多种方法，最常用的方法是采用工业硅在高温下氯化制得粗SiCl4，化学反应如下：4、SiO2光纤原料的提纯经大量研究表明，用来制造光纤的各种原料纯度应达到99.9999％，或者杂质含量要小于10-6。大部分卤化物材料都达不到如此高的纯度，必须对原料进行提纯处理。卤化物试剂目前已有成熟的提纯技术，如精馏法，吸附法或精馏吸附混合法。目前在光纤原料提纯工艺中，广泛采用的是“精馏－吸附－精馏”混合提纯法。一般情况下，SiCl4中可能存在的杂质有四类：金属氧化物、非金属氧化物、含氢化合物和络合物。其中金属氧化物和某些非金属氧化物的沸点和光纤化学试剂的沸点相差很大，可采用精馏法除去，即在精馏工艺中把它们作为高、低沸点组分除去。然而，精馏法对沸点与SiCl4（57.6℃）相近的组分杂质及某些极性杂质不能最大限度的除去。例如：在SiCl4中对衰减危害最大的OH-离子，大多有极性，趋向于形成化学键，容易被吸附剂所吸收，而SiCl4是偶极矩为零的非极性分子。有着不能或者很少形成化学键的稳定电子结构，不易被吸附剂吸附，因此，利用被提纯物质和杂质的化学键极性的不同，选择适当的吸附剂，有效地选择性地进行吸附分离，可以达到进一步提纯极性杂质的目的。常用的掺杂剂对石英玻璃折射率变化的作用二、芯棒工艺气相沉积法的基本工作原理：首先将经提纯的液态SiCl4和起掺杂作用的液态卤化物，并在一定条件下进行化学反应而生成掺杂的高纯石英玻璃。由于该方法选用的原料纯度极高，加之气相沉积工艺中选用高纯度的氧气作为载气，将汽化后的卤化物气体带入反应区，从而可进一步提纯反应物的纯度，达到严格控制过渡金属离子和OH-羟基的目的。1、改进的化学气相沉积法(MCVD)管内化学气相沉积法，是目前制作高质量石英系玻璃光纤稳定可靠的方法，它又称为“改进的化学气相沉积法”（MCVD）。MCVD法的特点是在一根石英包皮管内沉积内包皮层和芯层玻璃，整个系统是处于全封闭的超提纯状态，所以用这种方法制得的预制棒纯度非常的高，可以用来生产高质量的单模和多模光纤。(1)系统组成

将一根石英玻璃管（200×20mm）安装在卧式玻璃车床的两个同步旋转卡盘上，反应管的一端与化学原料供应系统相连，以便将各种化学原料按照流量进行混合并输入到反应管中，反应管的另一端与反应尾气及粉尘处理设备相连，反应管下方有喷灯，以可控的速度沿反应管纵向平移对其加热。(2)工艺流程

1)沉积第一步熔炼光纤预制棒的内包层玻璃制备内包层玻璃时，由于要求其折射率稍低于芯层的折射率。主体材料：四氯化硅（SiCl4）；低折射率掺杂材料：氟利昂（CF2Cl2）、六氟化硫；载气：O2或Ar；辅助材料：脱泡剂（He）、干燥剂（三氯氧磷POCl3或Cl2）。

首先利用超纯氧气O2或氩气Ar作为载运气体，通过蒸发瓶将已汽化的饱和蒸气SiCl4和掺杂剂(CF2Cl2)经气体转输装置导入石英包皮管中，这里，纯氧气一方面起载气作用，另一方面起反应气体的作用，它的纯度一定要满足要求。然后，启动玻璃车床，以几十转/分钟的转速使其旋转，并用1400～1600℃高温氢氧火焰加热石英包皮管的外壁，氢氧喷灯按一定速度左右往复地移动，氢氧火焰每移动一次，就会在石英包皮管的内壁上沉积一层透明的SiO2-SiF4