第2章光纤(修改).

第2章光纤第2章光纤2.1光纤与光缆2.2光纤的折射率分布2.3光在光纤中的几何传输2.4光纤的数值孔径NA2.5光的波动性2.6光纤介质的特性2.7光纤模式第2章光纤2.8光纤的模式色散2.9单模光纤的波长色散或色度色散2.10光纤的损耗2.11单模光纤2.12光纤的非线性效应2.13光孤子的定性描述第2章光纤2.1光纤与光缆2.1.1光纤的结构光纤的基本结构一般是双层或多层的同心圆柱体，如图2.1所示。其中心部分是纤芯，纤芯外面的部分是包层，纤芯的折射率高于包层的折射率，从而形成一种光波导效应，使大部分的光被束缚在纤芯中传输，实现光信号的长距离传输。5～50m125m250m纤芯包层防护层图2.1光纤的基本结构第2章光纤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：第2章光纤紧套和松套。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。现在采用的套方法是发展方向。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。第2章光纤2.1.2光纤的主要成分目前通信用的光纤主要是石英系光纤，其主要成分是高纯度的SiO2玻璃。如果在石英中掺入折射率高于石英的掺杂剂，就可以制作光纤的纤芯。同样，如果在石英中掺入折射率低于石英的掺杂剂，就可以作为包层材料。纤芯中广泛应用的掺杂剂为二氧化锗（GeO2）、五氧化二磷(P2O5)等，包层中主要的掺杂剂为三氧化二硼（B2O3）、氟（F）等。第2章光纤2.1.3光纤的制造工艺简介光纤是由圆柱形预制棒拉制而成的，因而光纤的生产工艺主要包括怎样制造圆柱形预制棒和拉丝工艺。1.预制棒的制造方法预制棒的制造方法主要有管内化学汽相沉积法，如改进的化学汽相沉积法MCVD(ModifiedChemicalVapourDeposition)，等离子体汽相沉积法PCVD(PlasmaChemicalVapourDeposition)和管外化学汽相沉积法。而管外化学汽相沉积法又分为汽相轴向沉积法VAD(VapourPhaseAxialDeposition)和外汽相沉积法OVD(OutsideVapourDeposition)两种。第2章光纤MCVD是目前使用最广泛的预制棒生产工艺。MCVD法生产光纤预制棒的基本原理是用氧气按特定的次序将SiO2、GeCl4、BCl3送入旋转的高纯硅管中，硅管维持较高的温度，使硅和掺杂元素(Ge、B等)按受控方式产生化学反应。反应的产物均匀沉积在硅管的内壁，随着沉积不断产生，中空的硅管逐渐被封闭。SiCl4+O2→SiO2+2Cl2↑4BCl3+3O2→2B2O3+6Cl2↑最后沉积光纤的纤芯，其氧化反应过程为：SiCl4+O2→SiO2+2Cl2↑GeCl4+O2→GeO2+2Cl2↑高温高温高温高温第2章光纤为了保证沉积的均匀性，在整个过程中要以一定的速度旋转石英管，并使氢氧焰喷灯以适当的速度沿石英管来回移动，下图给出了其工艺示意图。图2.2用MCVD法制造预制棒的工艺多余气体排出旋转的硅管BCl3、GeCl4SiCl4、SiO2O2喷灯左右移动第2章光纤2.拉丝工艺预制棒拉制成光纤的示意图如图2.3所示，当预制棒由送料机构以一定的速度均匀地送往环状加热炉中加热，且预制棒尖端加热到一定的温度时，棒体尖端的粘度变低，靠自身重量逐渐下垂变细而成纤维，由牵引棍绕到卷筒上。光纤外径和圆的同心度由激光测径仪和同心度测试仪监测，其监测结果控制送棒机构和牵引辊相互配合，以保证光纤的同心度和外径的均匀性。目前，光纤的外径波动可控制在±0.5μm以内，拉丝速度一般为600m/min。第2章光纤图2.3光纤制造的拉丝工艺送棒机构硅预制棒环形加热炉直径测量涂覆同心度测量固化牵引棍套塑第2章光纤2.1.4光缆的技术要求为了构成实用的传输线路，同时便于工程上安装和敷设，常常将若干根光纤组合成光缆。虽然在拉丝过程中经过涂覆的光纤已具有一定的抗拉强度，但仍经不起弯折、扭曲等侧压力，所以必须把光纤和其他保护元件组合起来构成光缆，使光纤能在各种敷设条件下和各种工程环境中使用，达到实际应用的目的。第2章光纤光缆的最主要的技术要求是保证在制造成缆、敷设以及在各种使用环境下光纤的传输性能不受影响并具有长期稳定性。其主要性能有：(1)机械性能：包括抗拉强度、抗压、抗冲击和弯曲性能。(2)温度特性：包括高温和低温温度特性。(3)重量和尺寸：每千米重量(kg/km)及外径尺寸。第2章光纤其中最关键的是机械性能，它是保持光缆在各种敷设条件下都能为缆芯提供足够的抗拉、抗压、抗弯曲等机械强度的关键指标。必须采用加强芯和光缆防护层（简称护层），根据敷设方式的不同，护层要求也不一样：管道光缆的护层要求具有较高的抗拉、抗侧压、抗弯曲的能力；直埋光缆要加装铠装层，要考虑地面的振动和虫咬等；架空光缆的护层要考虑环境的影响，还要有防弹层等；海底光缆则要求具有更高的抗拉强度和更高的抗水压能力。第2章光纤2.1.5光缆的结构为了满足以上所说的光缆的性能，必须合理地设计光缆的结构。光缆的结构可分为缆芯、加强元件和护层三大部分。缆芯是光缆结构中的主体，其作用主要是妥善地安置光纤的位置，使光纤在各种外力影响下仍能保持优良的传输性能。多芯光缆还要对光纤进行着色以便于识别。另外，为防止气体和水分子浸入，光纤中应具有各种防潮层并填充油膏。第2章光纤加强元件有两种结构方式，一种是放在光缆中心的中心加强方式，另一种是放在护层中的外层加强方式。对加强元件的要求是具有高杨氏模量，高弹性范围，高比强度(强度和重量之比)，低线膨胀系数，优良的抗腐蚀性和一定的柔软性。加强件一般采用钢丝，钢绞线或钢管等，而在强电磁干扰环境和雷区中则应使用高强度的非金属材料玻璃丝和凯夫拉尔纤维(Kevlar)。光纤护层同电缆护层一样，是由护套等构成的多层组合体。护层一般分为填充层、内护套、防水层、缓冲层、铠装层和外护套等。第2章光纤填充层是由聚氯乙稀(PVC)等组成的填充物，起固定各单元位置的作用。内护套是置于缆芯外的一层聚脂薄膜，一方面可将线芯扎成一个整体，另一方面也可起隔热和缓冲的作用。防水层用在海底光缆中，由密封的铝管等构成。缓冲层用于保护缆芯免受径向压力，一般采用尼龙带沿轴向螺旋式绕包线芯的方式。铠装层是在直埋光缆中为免受径向压力而在光缆外加装的金属护套。外护套是利用挤塑的方法将塑料挤铸在光缆外面，常用材料有PVC、聚乙稀等。第2章光纤图2.4(a)层绞式；(b)骨架式；(c)带状式；(d)束管式聚乙烯聚脂薄膜带包带骨架中心加强芯光纤光纤钢芯(a)(b)钢棒聚乙烯带状光纤聚乙烯管光纤纤维凯夫拉尔纤维聚乙烯(c)(d)2.1.6常用光缆的典型结构第2章光纤层绞式光缆结构(图2.4(a))与一般的电缆结构相似，能用普通的电缆制造设备和加工工艺来制造，工艺比较简单，也较成熟。这种结构由中心加强件承受张力，而光纤环绕在中心加强件周围，以一定的节距绞合成缆，光纤与光纤之间排列紧密。骨架式结构(图2.4(b))是在中心加强件的外面制作一个带螺旋槽的聚乙烯骨架，在槽内放置光纤绳并充以油膏，光纤可以自由移动，并由骨架来承受轴向拉力和侧向压力，因此骨架式结构光纤具有优良的机械性能和抗冲击性能，而且成缆时引起的微弯损耗也小，属于松结构光缆。其缺点是加工工艺复杂，生产精度要求较高。第2章光纤带状式光缆(如2.4(c))是一种高密度结构的光纤组合。它是将一定数目的光纤排列成行制成光纤带，然后把若干条光纤带按一定的方式排列扭绞而成。其特点是空间利用率高，光纤易处理和识别，可以做到多纤一次快速接续。缺点是制造工艺复杂，光纤带在扭绞成缆时容易产生微弯损耗。束管式光缆(图2.4(d))的特点是中心无加强元件，缆心为一充油管，一次涂覆的光纤浮在油中。这种结构的光缆因为无中心加强件，所以缆芯可以做得很细，减小了光缆的外径，减轻了重量，降低了成本，而且抗弯曲性能和纵向密封性较好，制作工艺较简单。第2章光纤2.2光纤的折射率分布光纤的光学特性决定于它的折射率分布，因此光纤纤芯和包层折射率在制造阶段是沿径向加以控制的，即用控制预制棒中掺杂剂的种类和数量的方法来使之产生一定形状的折射率分布。折射率分布的形状有阶跃（突变）、高斯、三角或更复杂的形式图2.5(a)阶跃分布；(b)三角分布；(c)高斯分布n2n2n1n2n2n1纤芯包层n2n2n1(a)(b)(c)第2章光纤根据光纤横截面上折射率分布的情况来分类，光纤可分为阶跃折射率型和渐变折射率型（也称为梯度折射率型），即阶跃光纤和渐变光纤。阶跃光纤：在纤芯中折射率的分布是均匀的，常用n1表示，在纤芯和包层的界面上折射率发生突变。渐变光纤:在纤芯中折射率的分布是变化的，而包层中的折射率通常是常数。在渐变光纤中，包层中的折射率常数用n2表示，纤芯中折射率分布可用方幂律式表示。第2章光纤渐变光纤的折射率分布可以表示为ararnarnrng211)(其中,g是折射率变化的参数，a是纤芯半径，r是光纤中任意一点到中心的距离，Δ是渐变折射率光纤的相对折射率差，即121nnn当g=2时，折射率分布为抛物线分布;当g=∞时，渐变光纤演变为阶跃光纤。第2章光纤2.3光在光纤中的几何传输当小圆孔尺寸大小的数量级远远大于光的波长时，光直接通过圆孔，投入圆孔后面的屏幕上；当小圆孔的大小量级与光的波长比拟即相当时，才观察到衍射光斑。因此，当空间尺度远大于光波长时，可以用较成熟的几何光学分析法分析光在物质中的运动；当空间尺度与光波长相当时，应采用复杂而严密的波动理论分析法。由此可见，几何光学分析法是严密的波动理论在一定条件下的近似。第2章光纤对于多模光纤，由于其光纤的纤芯为50/62.5μm,远远大于光波的波长(约1μm)，因而可以采用几何光学分析法；而对于单模光纤,其光纤纤芯小于10μm，与光波的波长同一数量级，因而用几何光学分析法不合适，应采用波动理论进行严格的求解。第2章光纤2.3.1反射和折射图2.6光在两种介质界面上的反射和折射入射光线反射光线透过光线n1n221r1入射角θ1定义为入射光线与分界面垂直线（常称为法线）之间的夹角，反射角θ1r定义为反射光线与分界面垂直线之间的夹角，折射角θ2定义为折射光线与分界面垂直线之间的夹角。第2章光纤从介质n1入射到介质n2的光信号的能量一部分反射回介质n1，一部分透射到介质n2，且θ1、θ2、θ1r满足如下关系：θ1r=θ1(2.1)n1sinθ1=n2sinθ2(2.2)式(2.1)即为大家熟知的反射定律，式(2.2)为折射定律，又称斯涅尔（Snell）定律。第2章光纤2.3.2全反射定律由斯涅尔定律可以得到，折射角。如果n1n2，则在时，折射角θ2=90°；当（n1sinθ1）/n21时，θ2为非实数，这意味着发生了全反射。我们称满足（n1sinθ1）/n2=1的入射角θ1为全反射的临界角，记为θc，则有2112sinarctannn1sin121nn12arctannnc(2.3)第2章光纤当入射角θ1θc时，光线在分界面上发生全反射，这是用几何光学描述均匀光波导中光线传播特点的一个理论依据。可见光在阶跃光纤中的传输是由光在纤芯和包层分界面上的全反射导引向前的。其在纤芯中的传输速度为1nc其中，c为光在真空中的速度，