第2章光纤特性测量详解

12.1光波基础，光与介质的相互作用2.2光纤结构、类型与制造工艺及传输特性2.3光缆的结构、类型及特性第2章光、光纤和光缆返回主目录22.1光波基础、光与介质的相互作用2.1.1光波基础光的两种特性：1、光的波动性：•光是一种电磁波，具有反射、折射、衍射、干扰、衰减等特性。单频光称为单色光。•光波用频率（波长）、传播速率来描述。2、光的粒子性：•光可用粒子数来描述，单色光的最小单位是光子。可用能量方程来描述：能量方程E=hf（h=6.62*10-34)•光在不同的介质中有不同的传输速度，在真空中以最大的速度直线传输，光子能量可用爱因斯坦方程描述：E=mc232.1.2光与介质的相互作用1、反射定理：2、折射定理：3、全反射：但n1n2时，只有反射光，无折射光时，为全反射。从射线光学的角度看，光纤是一种利用全反射原理进行光信号传递的导波介质。φ0被称为临界角。4、光在两种均匀介质分界面上的行为如图2.1所示∶1221sinsinnn201sinnn4图2.1光的反射与折射入射光反射光折射光MN0n1n2MN15图2.2全反射过程示意图入射光反射光折射光MN0入射光反射光折射光MN0入射光反射光折射光MN0入射光反射光MN0n1n21MN11NMn1n2NMNM1(a)(b)(c)(d)n1n2n1n2n1n21221sinsinnn201sinnn6可见：•当入射角大于临界角时，光由两介质的界面全部反射回原介质，这种现象称为全反射。在全反射情况下，光能无损失地返回原介质。显然，只有当光从折射率大的介质进入折射率小的介质时n1n2，才能产生全反射。•光纤就是依据全反射原理构造的一种光波导，为了将光信号封闭在光纤中传输，根据全反射原理，光纤从纤芯到纤芯外部，折射率应有某种递减的规律，以保证全反射现象的出现。7图2.3阶跃光纤的结构及折射率分布示意图n0n折射率200mn2n1n2n1n2•上图为一种最基本的光纤结构，这种光纤称为阶跃光纤，其纤芯折射率n1大于包层折射率n2。光纤横截面上折射率分布如下式：12,()(),()nranrnra82.2光纤结构、类型与制造工艺2.2.1光纤结构光纤（OpticalFiber）是由中心的纤芯和外围的包层同轴组成的圆柱形细丝。见图2.4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。纤芯材料：SiO2含量达99.999%,极少量GeO2，为了提高折射率。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。包层材料：SiO2，为了增强光纤韧性和强度，外增加一层涂覆层。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n1n2。纤芯和包层的相对折射率差Δ=（n1-n2）/n1的典型值，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。9图2.4光纤的外形包层n2纤芯n1n1n2102.2.21、实用光纤主要有三种基本类型，图2.5示出其横截面的结构和折射率分布，光线在纤芯传播的路径，以及由于色散引起的输出脉冲相对于输入脉冲的畸变。这些光纤的主要特征如下突变型多模光纤（StepIndexFiber,SIF）渐变型多模光纤（GradedIndexFiber,GIF）单模光纤（SingleModeFiber,SMF）11图2.5（a)突变型多模光纤的光线传播原理321y1lLxoc23纤芯n1包层n2zc1•突变型多模光纤（SIF）纤芯折射率为n1保持不变，到包层突变为n2。这种光纤一般纤芯直径2a=50~80μm，光线以折线形状沿纤芯中心轴线方向传播。特点：信号畸变大，(信道）相应的带宽只有10~20MHz·km，只能用于小容量（8Mb/s以下）短距离（几km以内）系统。12•渐变型多模光纤（GIF）在纤芯中心折射率最大为n1，沿径向r向外围逐渐变小，直到包层变为n2。这种光纤一般纤芯直径2a为50μm，光线以正弦形状沿纤芯中心轴线方向传播。特点：具有能减小信号脉冲展宽、增加信道带宽的优点，信号畸变小，带宽可达1~2GHz·km，适用于中等容量（34~140Mb/s）中等距离（10~20km）系统。oidzrirmp纤芯n(r)r*zr0dr图2.5(b)渐变型多模光纤的光线传播原理13•单模光纤（SMF）折射率分布和突变型光纤相似，纤芯直径只有8~10μm，光线以直线形状沿纤芯中心轴线方向传播。因为这种光纤只能传输一个模式（两个偏振态简并），所以称为单模光纤。特点：其信号畸变很小，大容量（565Mb/s~2.5Gb/s）长距离(30km以上)系统要用单模光纤。特种单模光纤大幅度提高光纤通信系统的水平。相对于单模光纤而言，突变型光纤和渐变型光纤的纤芯直径都很大。横截面2a2brn折射率分布纤芯包层AitAot(a)输入脉冲光线传播路径输出脉冲50m125mrnAitAot(b)～10m125mrnAitAot(c)14图2.5(a)突变型多模光纤(b)渐变型多模光纤（c）单模光纤横截面2a2brn折射率分布纤芯包层AitAot(a)输入脉冲光线传播路径输出脉冲50m125mrnAitAot(b)～10m125mrnAitAot(c)返回2a=50~80μm15•模式：波动方程的某一种解，表示光场的某种特定分布，这种特定分布通常称为某种模式。•传输多个模式的光纤——多模光纤传输单个模式的光纤——单模光纤•多模光纤与单模光纤的性能：因为每种模式有其特定的传播常数，各模间存在模间色散，而光纤的传输特性由所有能传输的模式叠加而定。模式数多，传输特性差，所以，单模光纤传输特性最好。•色散：指信号的群速度随频率或模式不同而引起的信号失真的物理现象。162、根据应用的需要，可在图2.5(c)常规单模光纤的基础上，设计许多结构复杂的特种单模光纤。•双包层光纤2a2an1n2n3(a)(b)(b)′折射率分布像W形，又称为W型光纤。a′/a≤2。适当选取纤芯、外包层和内包层的折射率n1、n2和n3，可以得到在1.3~1.6μm之间色散变化很小的色散平坦光纤（DFF），或把零色散波长移到1.55μm的色散移位光纤（DSF）。色散平坦光纤适用于WDM系统，可以把传输容量提高几倍到几十倍。1.55μm色散移位光纤实现了10Gb/s容量的100km的超大容量超长距离系统。17纤芯折射率分布呈三角形，这是一种改进的色散移位光纤。这种光纤在1.55μm有微量色散，有效面积较大，适合于密集波分复用和孤子传输的长距离系统使用，康宁公司称它为长距离系统光纤，这是一种非零色散光纤。三角芯光纤有效面积较大，有利于提高输入光纤的光功率，增加传输距离。•三角芯光纤2a2an1n2n3(a)(b)(b)′18•椭圆芯光纤纤芯折射率分布呈椭圆形。这种光纤具有双折射特性，即两个正交偏振模的传输常数不同。强双折射特性能使传输光保持其偏振状态，因而又称为双折射光纤或偏振保持光纤。外差接收方式的相干光系统要用偏振保持光纤，这种系统最大优点是提高接收灵敏度，增加传输距离。链接色散光纤示图2a2an1n2n3(a)(b)(b)′19图2.6(a)双包层(b)三角芯(c)椭圆芯2a2an1n2n3(a)(b)(b)′202.2.3光纤材料及制造工艺1.光纤材料目前通信用光纤主要是用高纯度的玻璃材料制成的。按玻璃内所含化学元素组分的不同，大体上可分为以石英玻璃（SiO2）为主的石英系光纤和普通的多组分玻璃光纤两类。普通的多组分玻璃是在SiO2中含有较多成分的碱金属氧化物和硼、铝等氧化物。它的熔融温度比石英玻璃低得多，制造成光纤后的抗拉强度也低得多。因而目前通信中主要使用的是石英光纤。下面结合石英光纤介绍光纤的制造工艺。212.制造工艺包括预制棒和拉丝。•制造光纤时，一般先熔制出一根合适的玻璃棒。如图2.7所示。以制造阶跃光纤为例，玻璃棒的包层和纤芯的主体材料都是石英玻璃，即透明的SiO2。石英玻璃的折射率为1.458。欲使光在光纤纤芯中传输，必须使纤芯的折射率稍高于包层的折射率。为此，在制造纤芯玻璃时均匀地掺入少量的比石英折射率稍高的材料，而制造包层玻璃时均匀地掺入少量的比石英折射率稍低的材料，这样就制成了拉制纤维的原始棒体材料，通常把它叫做光纤的预制棒。•然后将预制棒放入高温拉丝炉中加温软化，以相似比例的尺寸拉成线径很小的又长又细的玻璃丝。这种玻璃丝中的芯和包层的厚度比例及折射率分布与原始的光纤预制棒的完全一样，这种玻璃丝就是我们所说的光纤。22图2.7(a)预制棒(b)拉丝(a)(b)n1包层玻璃芯玻璃n2231）光纤预制棒的制造工艺主要有管内化学气相沉积法和管外化学气相沉积法。管内化学气相沉积法是目前制造高质量石英光纤比较稳定可靠的方法，通常被叫做改进的化学气相沉积法（MCVD法）。它的特点是在石英反应管内沉积内包层和芯层的玻璃，整个系统是处在封闭的超提纯状态下，所以用这种方法制得的预制棒可以生产高质量的单模和多模光纤。MCVD法制造光纤预制棒的示意图如图2.8所示。制造过程分两步：24图2.8氧气(O2)SiCl4O2GeCl4活动接头石英反应管Cl2转动喷灯O2H2玻璃车床CF2Cl2(低)氟利昂•SiCl4+O2SiO2+2Cl2↑(1.4)2CF2Cl2+4SiCl4+2O2SiF4+2Cl2↑+2CO2↑高温高温蒸发瓶25•第一步，先熔制光纤的内包层玻璃，内包层玻璃的折射率要比石英折射率稍低。选用液态的四氯化硅（SiCl4）作为主体材料，选用氟利昂（CF2Cl2）、六氟化硫（SF6）、四氟化二碳（C2F4）等低折射率材料作为掺杂的试剂。把一根外径18~25mm，壁厚1.4~2mm的石英反应管夹在玻璃车床上。用超纯氧气（O2）和氩气（Ar）作为载运气体通过SiCl4和掺杂试剂的蒸发瓶后，含有SiCl4、CF2Cl2等物质的载运气体就一起导入石英反应管。26•当玻璃车床旋转时，用1400~1600℃的高温氢氧火焰加热石英反应管的外壁，这时，管内的SiCl4和CF2Cl2等试剂在高温下起氧化反应：•SiCl4+O2SiO2+2Cl2↑(1.4)2CF2Cl2+4SiCl4+2O2SiF4+2Cl2↑+2CO2↑(1.5)高温高温27•反应形成粉尘状氧化物（SiO2―SiF4等），沉积在高温区气流下游的管内壁上，当氢氧火焰的高温区经过这里时，就在石英反应管的内壁上形成一层均匀透明的掺杂玻璃SiO2―SiF4。氯气（Cl2）和没反应完的材料均从石英管的尾端排出去。氢氧火焰来回左右移动，每移动一次，就在石英反应管内壁上沉积一层透明的玻璃薄膜，这样不断地重复沉积，就在反应管的内壁上形成一定厚度的SiO2―SiF4玻璃层，作为纤维的内包层。28•第二步，熔制纤芯玻璃。纤芯的折射率比包层的折射率要稍高，可选用的掺杂材料有三氯氧磷、四氯化锗(GeCl4)等。同样用超纯氧气把掺杂物质带入反应管中进行反应，经过一段时间的沉积后，就得到一定厚度的纤芯玻璃。为了消除反应管中最后还留下的小孔，可以加大火焰或降低火焰左右移动的速度，并保持石英反应管的旋转状态，使石英管外壁的温度达到1800℃左右。石英反应管在高温下软化收缩，最后形成一个实心的预制棒。原石英反应管和沉积的玻璃熔为一个整体，成为光纤的外包层，外包层不导光。29将MCVD法中的氢氧火焰加热改为微波腔体加热就是所谓的等离子体激活化学气相沉积法(PCVD)。它的原理是把中小功率的微波能量送入谐振腔中，使谐振腔内石英反应管内的低压气体受激产生辉光放电来实现加温氧化沉积玻璃。这种工艺的特点是：（1）沉积温度低于相应的热反应温度，反应管不易变形；（2）由于气体电离不受反应管的热容量的限制，微波加热体可沿反应管做快速往返运动，沉积厚度可小于1μm，从而可制造出多达上千层的接近理想分布的折射率剖面；（3）光纤几何特性和光学特性的重复性好，适合于批