光纤光学-第三章

第3章光纤（光缆）及其相关性质3.1光纤与光缆3.2光纤的折射率分布3.3光在光纤中的几何传输3.4光纤的数值孔径NA3.5光的波动性3.6光纤介质的特性3.7光纤模式3.8光纤的模式色散3.9单模光纤的波长色散（色度色散）3.10光纤的损耗3.11单模光纤3.12光纤的非线性效应3.13光孤子3.1光纤与光缆3.1.1光纤的结构光纤的基本结构一般为双层或多层的同心圆柱体，如图所示。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。图光纤的基本结构示意图5～50m125m250m纤芯包层防护层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，因为紧套时无松套的缓冲空间，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。现在采用的松套方法是发展方向。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。3.1.2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。3.1.3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。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。3.1.4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。（1）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。（2）加强元件有两种结构方式：1）是放在光缆中心的中心加强方式；2）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（芳纶）纤维（Kevlar）。（3）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。1）填充层是由聚氯乙烯(PVC)等组成的填充物，起固定各单元位置的作用。2）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。3）防水层用在海底光缆中，由密封的铝管等构成。4）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。5）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。6）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、聚乙烯等。3.1.5常用光缆的典型结构根据缆芯结构，光缆可分为层绞式、骨架式、束管式和带状式四大类。如图为各类光缆的典型结构示意图。我国和欧亚各国多采用前两种结构－层绞式、骨架式。(a)层绞式光缆(b)骨架式光缆(c)束管式光缆(d)带状式光缆层绞式光缆结构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。(a)层绞式光缆当光纤数较多时，可先用这种结构制成光纤束单元，再把这些单元绞合成缆，这样可制得高密度的多芯光缆。由于光纤在缆中是“不自由”的，当光缆受压时，光纤在护层与中心加强件之间没有活动余地，因此层绞式光缆的抗侧压性能较差，属于紧结构光缆。通常采用松套光纤以减小光纤的应变。骨架式结构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。(b)骨架式光缆束管式光缆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。加强件置于管外，既能做加强用，又可作为机械保护层。由于构成缆芯的束管是一个空腔，又称空腔式光缆。束管式光缆中心无任何导体，故可解决与金属护层之间的耐压问题和电磁脉冲的影响问题。(c)束管式光缆(空腔式光缆)这种结构的光缆因无中心加强件，所以缆芯可做得很细，减小光缆外径，减轻重量，降低成本，而且抗弯曲性能和纵向密封性较好，制作工艺较简单带状式光缆是一种高密度结构的光纤组合。它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方式排列扭绞而成。特点：空间利用率高，光纤易处理和识别，可做到多纤一次快速接续。缺点：制造工艺复杂，光纤带在扭绞成缆时易产生微弯损耗。(d)带状式光缆从应用角度考虑，光缆又可分为中继光缆、海底光缆、用户光缆、局内光缆、无金属光缆、复合光缆以及野战光缆等。这些光缆可根据其应用场合选择以上四种结构形式。3.1.6光缆的种类与型号1.光缆的种类光缆的种类很多，其分类方法也很多，习惯的分类有：★根据光缆的传输性能、距离和用途，光缆可以分为市话光缆、长途光缆、海底光缆和用户光缆；★根据光纤的种类，光缆可以分为多模光缆、单模光缆；★根据光纤套塑的种类，光缆可以分为紧套光缆、松套光缆、束管式新型光缆和带状式多芯单元光缆★根据光纤芯数的多少，光缆可以分为单芯光缆和多芯光缆等等；★根据加强构件的配置方式，光缆可以分为中心加强构件光缆（如层绞式光缆、骨架式光缆等）、分散加强构件光缆（如束管式光缆）和护层加强构件光缆（如带状式光缆）；★根据敷设方式，光缆可以分为管道光缆、直埋光缆、架空光缆和水底光缆；★根据护层材料性质，光缆可以分为普通光缆、阻燃光缆和防蚁、防鼠光缆等。2.光缆的型号光缆的种类较多，同其他产品一样，具有具体的型式和规格。（1）光缆的型式代号光缆的型式代号是由分类、加强构件、派生（形状、特性等）、护套和外护层五部分组成，如图所示。①光缆分类代号及其意义GY：通信用室（野）外光缆；GR：通信用软光缆；GJ：通信用室（局）内光缆；GS：通信用设备内光缆；GH：通信用海底光缆；GT：通信用特殊光缆；GW：通信用无金属光缆。②加强构件的代号及其意义无符号：金属加强构件；F：非金属加强构件；G：金属重型加强构件；H：非金属重型加强构件。③派生特征的代号及其意义B：扁平式结构；Z：自承式结构；T：填充式结构；S：松套结构。注意：当光缆型式兼有不同派生特征时，其代号字母顺序并列。④护套的代号及其意义Y：聚乙烯护套；V：聚氯乙烯护套；U：聚氨酯护套；A：铝、聚乙烯护套；L：铝护套；Q：铅护套；G：钢护套；S：钢、铝、聚乙烯综合护套。⑤外护层是指铠装层及铠装层外面的外被层，参照国标GB2952-82的规定，外护层采用两位数字表示，各代号的意义如表所示。表外护层的代号及意义代号铠装层代号外被层0无0无1……1纤维层2双钢带2聚氯乙烯套3细圆钢丝3聚乙烯套4粗圆钢丝5单钢带皱纹纵包（2）光纤的规格代号光纤的规格代号是由光纤数目、光纤类别、光纤主要尺寸参数、传输性能和适用温度五部分组成，各部分均用代号或数字表示。图光纤的规格代号①光纤数目用光缆中同类别光纤的实际有效数目的阿拉伯数字表示。②光纤类别的代号及其意义J：二氧化硅系多模渐变型光纤；T：二氧化硅系多模阶跃型（突变型）光纤；Z：二氧化硅系多模准突变型光纤；D：二氧化硅系单模光纤；X：二氧化硅纤芯塑料包层光纤；S：塑料光纤。③光纤的主要尺寸参数代号及其意义用阿拉伯数字（含小数点）以μm为单位表示多模光纤的芯径/包层直径或单模光纤的模场直径/包层直径。④传输性能代号及其意义光纤的传输特性代号是由使用波长、损耗系数、模式带宽的代号（分别为a、bb、cc）构成。其中a表示使用波长的代号，其数字代号规定如下：1：使用波长在0.85μm区域；2：使用波长在1.31μm区域；3：使用波长在1.55μm区域。bb表示损耗系数的代号，其数字依次为光缆中光纤损耗系数值（dB/km）的个位和十分位。cc表示模式带宽的代号，其数字依次是光缆中光纤模式带宽数值（MHz·km）的千位和百位数字。单模光纤无此项注意：同一光缆适用于两种以上的波长，并具有不同的传输特性时，应同时列出各波长上的规格代号，并用/划开。⑤A：适用于-40℃~+40℃；B：适用于-30℃~+50℃C：适用于-20℃~+60℃D：适用于-5℃~+60℃。例：一金属重型加强构件，自承式、铝护套、聚乙烯外护层的通信用室外光缆，包括12根芯径/包层直径为50/125μm的二氧化硅系多模渐变型光纤，且在1.31μm波长以上，光纤的衰减系数大于0.4dB/km，模式带宽不大于800MHz.km；光缆的适用温度范围为-20℃~+60℃。此光缆的型号表示为：GYGZL03-12J50/125(20408)C3.2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，如图所示。图(a)阶跃分布；(b)三角分布；(c)高斯分布n2n2n1n2n2n1纤芯包层n2n2n1(a)(b)(c)阶跃分布三角分布高斯分布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（梯度）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。阶跃光纤中的折射率分布为：12()nraanrnarbb（为纤芯的半径）（为包层的半径）分段函数1/21212()grnraanranarbb（为纤芯的半径）　　（为包层的半径）（分段函数）渐变（梯度）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