第一章 光纤基本原理2.ppt

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1、8、光纤光缆的设计和制造1)光纤材料光纤材料2)光纤的设计光纤的设计3）制做光纤工艺流程）制做光纤工艺流程4）光缆结构）光缆结构1)光纤材料光纤材料选材的准则：选材的准则：1、纯度高、透明度高、折射率径向分布易于控制、纯度高、透明度高、折射率径向分布易于控制2、能拉长、拉细、具有一定的柔韧性、可卷绕、能拉长、拉细、具有一定的柔韧性、可卷绕3、化学稳定性好、化学稳定性好主要光纤材料主要光纤材料主要有塑料和玻璃纤维两大类；主要有塑料和玻璃纤维两大类；塑料纤维损耗大，机械强度大，主要用于短距离传输塑料纤维损耗大，机械强度大，主要用于短距离传输玻璃纤维分为高硅玻璃和多组分玻璃纤维两大类。玻璃纤维分为高

2、硅玻璃和多组分玻璃纤维两大类。高硅玻璃光纤采用高纯度石英（高硅玻璃光纤采用高纯度石英（SiO2）做纤芯，又称为）做纤芯，又称为石英玻璃光纤石英玻璃光纤8、光纤的设计和制造高高纯纯度度熔熔石石英英光光纤纤，其其特特点点是是材材料料的的光光传传输输损损耗耗低，有的波长可低到低，有的波长可低到0.2dB0.2dBkmkm多多组组分分玻玻璃璃纤纤维维，其其特特点点是是芯芯-皮皮折折射射率率可可在在较较大大范范围围内内变变化化，因因而而有有利利于于制制造造大大数数值值孔孔径径的的光光纤纤，但材料损耗大，在可见光波段一般为但材料损耗大，在可见光波段一般为:1dB:1dBm m塑塑料料光光纤纤，其其优优点点

3、是是成成本本低低，韧韧性性好好、更更为为耐耐用用、直径大；缺点是材料损耗大，温度性能较差；直径大；缺点是材料损耗大，温度性能较差；红红外外光光纤纤，其其特特点点是是可可透透过过近近红红外外（1 15m5m）或中红外（或中红外（10m10m）的光波；）的光波；液芯光纤，特点是纤芯为液体，可满足特殊需要液芯光纤，特点是纤芯为液体，可满足特殊需要.不同材料光纤及特性：石英玻璃（石英玻璃（SiO2）制造光纤首选材料）制造光纤首选材料-物理和化学稳定性好物理和化学稳定性好-对通信光波段的透明性好对通信光波段的透明性好折射率差的引入：通过在折射率差的引入：通过在SiO2中掺入不同杂质改变中掺入不同杂质改变

4、折射率折射率掺杂种类和浓度对折射率的影响 GeO2-SiO2纤芯，纤芯，SiO2包层包层 P2O5-SiO2纤芯，纤芯，SiO2包层包层 SiO2纤芯，纤芯，F-SiO2包层包层掺杂种类和浓度对折射率的影响 SiO2纤芯，纤芯，B2O3-SiO2包层包层各种不同的结构、特性参数和折射率分布的光纤，可分别用于不同的场合。纤芯和包层都用石英作为基本材料，折射率差通过在纤芯和包层进行不同的掺杂来实现。纤芯掺入Ge和P 折射率包层掺入B 折射率 2)光纤的设计 多模光纤的设计 通信用多模光纤标准尺寸：d=50m，D=125 m，NA=0.200.23，1.0%1.3 d纤芯涂敷层D 单模光纤的设计 匹

5、配包层阶跃型：纤芯掺锗（Ge）。损耗、色散性能好。压低包层阶跃型：纤芯掺锗减少，包层掺氟（F）和磷（P）。损耗、色散性能好，弯曲损耗低。纯石英纤芯型：包层掺氟。损耗最低。d纤芯涂敷层DSiO2SiO2-GeO2SiO2纯石英包层纯石英包层石英掺锗纤芯折射率SiO2SiO2-GeO2SiO22）凹陷包层光纤纯石英折射率石英掺低锗纤芯纯石英石英掺氟石英掺氟1）匹配包层光纤F-SiO2F-SiO2两种阶跃单模光纤折射率分布3）制做光纤工艺流程原料制备、提纯原料制备、提纯制棒制棒拉丝拉丝涂敷涂敷性能测量性能测量产品产品返回返回高纯原料的制备是制造高品质光纤最重要的环节。高纯原料的制备是制造高品质光纤最

6、重要的环节。制备石英光纤的主要原料是一些高纯度的卤化物化学试剂,常见的有:液态的四氯化硅(SiCl4),四氯化锗(GeCl4),三氯氧磷(POCl3),三氯化硼(BCl3),三氯化铝(AlCl3),三溴化硼(BBr3)以及气态的六氟化硫(SF6),四氟化碳(C2F4)等特点:液态试剂在常温下是无色的透明液体,有刺鼻气味,易水解,在潮湿空气中强烈发烟,有一定的毒性和腐蚀性.材料制备与提纯材料制备与提纯制备石英光纤所需的原材料常含有金属氧化物，非金属氧化物和氢氧化物（产生大量的OH1）等，对光产生吸收。为了得到低损耗的光纤，必须对卤化物原材料进行严格的提纯,降低几种有害过渡金属杂质,如 铁(Fe)

7、,钴(Co),镍(Ni),铜(Cu),锰(Mn),铬(Cr),钒(V)等,以及氢氧根(OH-)的含量.一般金属离子的浓度应在10-9级范围，OH1浓度一般为10-410-7目前广泛采用的提纯方法是精馏-吸附-精馏综合提纯法.材料制备与提纯材料制备与提纯制棒制造光纤时，须先将提纯过的原材料制成一根满足一定要求的玻璃棒，称为“光纤预制棒（fiber preform rod）”，它是拉制光纤的原始棒体材料，其内层为高折射率（n1）的芯层，外层为低折射率（n2）的包层。应有符合要求的折射率分布和尺寸。典型的预制棒直径为1020cm，长度为50100cm。就是一根加粗加大的光纤。国际上生产石英光纤预制棒

8、的方法有十多种，其中普遍使用的制棒方法主要有以下四种：改进的化学汽相沉积法(MCVD-Modified Chemical Vapour Deposition)棒 外 化 学 汽 相 沉 积 法(OVD-Outside Chemical Vapour Deposition)轴 向 汽 相 沉 积 法(VAD-Vapour phase Axial Deposition)微波等离子体激活化学汽相沉积法(PCVD-Plasma activated Chemical Vapour Deposition)制棒方法：制棒方法：（i）改进的化学汽相沉积法MCVDMCVD生产工艺是1974年贝尔实验室开发出来的

9、，整个制棒系统处于封闭超提纯状态下，可以生产高质量的单模和多模光纤，广泛用于低损耗渐变折射率光纤的生产，预制棒制备过程分为两步：沉积和成棒。空心石英反应管沉积时先将一根空心石英反应管安装在同轴旋转的车床上，以超纯氧气作为载体，将SiCl4等原材料和GeCl4等掺杂剂送入石英管。管是旋转的（转速为几十转/分），下面有来回移动的喷灯，用16000C0火焰加热石英管外臂，使管内的原材料和掺杂剂发生氧化还原反应，反应生成的粉尘物就沉积在石英反应管内臂上，经过喷灯烧结成一层纯净的掺杂玻璃薄层，喷灯每移动一次就沉积一层厚度约810m的玻璃膜层。在沉积过程中，通过严格控制掺杂剂的流量，以获得所设计的折射率分

10、布。经过数小时的沉积后，玻璃管子内壁的玻璃沉积层达到一定厚度，初步步形成预制棒，只是中间还有一个小孔，这时停止加料，然后提高火焰温度到20000C0，导致玻璃管高温下软化收缩，中心孔封闭，形成一个实棒，即光纤预制棒。停止反应气体的供给，将基管加热至，使之成为实心棒。光纤预制棒有三层：1）中心为光纤芯层玻璃2）紧接芯层的是沉积的包层3）最外面一层的石英反应管壁玻璃,即光纤的保护层.(保护层不起导光作用,但其几何尺寸与内在杂质含量直接影响光纤的机械强度和传输性能,所以,必须选取质量好的石英反应管)在沉积过程中，对料温、反应温度、石英管管径和转速、喷灯的移动速度进行精密的测量和控制。目前利用MCVD

11、技术制造的多模光纤的损耗可以稳定在24dB/km，单模光纤可以达到0.20.4dB/km，具有很好的重复性。MCVD法制棒举例法制棒举例SiO2SiO2-GeO2SiO2凹陷包层光纤预制棒制造过程纯石英折射率石英掺低锗纤芯纯石英石英掺氟石英掺氟SiO2SiF4SiO2SiF4制造光纤预制棒的制造光纤预制棒的MCVDMCVD流程示意图流程示意图以超纯氧气作为载体将原料送入旋转的石英反应管第一步：熔制光纤的内包层玻璃。主体材料：液态SiCl4；掺杂试剂：CF2Cl2（或 SF6,C2F4等）；载运气体：O2 SiCl4+O2SiO2+2Cl2 2 CF2Cl2+SiCl4+2O2 SiF4+2Cl

12、2 +2CO2 石英管内壁上形成SiO2SiF4玻璃层，作为光纤内包层。SiCl4CF2Cl2O2SiCl4O2第二步：熔制芯层玻璃。主体材料：液态SiCl4；掺杂试剂：GeCl4；载运气体：O2 SiCl4+O2SiO2+2Cl2 GeCl4+O2GeO2+2Cl2SiO2 GeO2沉积在内包层玻璃上，成为芯层玻璃。GeCl4（ii）等离子体化学汽相沉积法PCVD该方法与MCVD有些相似，它用微波加热腔代替喷灯，在合成石英管内形成离子化气体-等离子体。等离子体激发的化学反应可直接将一层纯净玻璃直接沉积在管壁上，而不形成粉尘，当达到所需的厚度的玻璃以后，再将管子制成实心预制棒。目前微波加热腔的

13、移动速度在8m/min，这允许管内沉积数千个薄层，从而使每层的沉积厚度减小，因此折射率分布的控制更为精确，可以获得更高的带宽。（iii）外部汽相沉积法OVD基棒由石墨石英或氧化铅做成，从喷管出来的SiO2粉尘在旋转并移动的基棒上形成一层沉积层，沉积层较为松散，沉积过程完成后抽走基棒，将粉尘预制棒置于固化炉中,在高温(大约14000C0)环境下将其脱水固化，制成洁净的玻璃基棒，这种管状芯棒的中心空洞在拉丝过程中会消失。（iv）汽相轴向沉积法VAD这种方法是在反应室里放置一根基棒石英玻璃棒，基棒可以旋转并向反应室外移动。当反应气体送入反应室后，就在基棒上沉积，基棒的旋转运动保证了芯棒的轴对称性，疏

14、松的预制棒在向上移动的过程中经过一环形加热器，从而生成玻璃预制棒。玻璃预制棒沉积预制棒环形加热器反应气体入孔反应室。光纤制棒设备光纤制棒设备新型新型MCVD预制棒车床预制棒车床 拉丝与涂覆拉丝与涂覆将预制棒经拉丝才得到真正光纤，这一过程是在“拉丝塔”内完成的。光光纤纤拉拉丝丝塔塔预制棒由送料机构送入管状加热炉中，当预制棒尖端热到20000Co时，粘度变低，靠自身重量逐渐下垂变细形成纤维。纤维经由纤径测量仪监测并拉引到牵引辊绕到卷筒上。卷绕轴的转速决定光纤的拉制速度，而拉制速度又决定了光纤的粗细，所以卷绕轴的转速必须精确控制并保持不变。光纤直径监测仪通过反馈实现对于拉丝速度的调整。拉丝速度一般为

15、30100米/秒。拉丝流程拉丝流程在拉丝过程中，由预制棒拉成的光纤基本上能够保持原有的折射率分布形式与芯包层外径比，这是因为玻璃中的分子扩散速度极慢，即使加热到2000的高温，预制棒中的GeO2等掺杂剂也不会扩散，因此可以保持原有的折射率分布不变。涂覆涂覆裸露在空气中的光纤，表面缺陷扩大，造成裸光纤容易断裂，为了提高光纤强度，光纤拉成以后，将被立即涂覆上一层有弹 性 的 保 护 层（厚 度 约 为50150m），又称为“一次涂覆”。一次涂敷一般采用两层结构：预涂层和缓冲层预涂层采用变性硅酮树酯；缓冲层采用普通硅酮树酯。直接熔化法：双坩埚法纤芯坯料棒纤芯坯料棒内坩埚内坩埚包层坯料棒包层坯料棒纤芯

16、纤芯玻璃玻璃外坩埚外坩埚熔炉熔炉拉制光纤拉制光纤(到拉丝机到拉丝机)包层玻包层玻璃璃直接熔化法：直接熔化法：可用于制造石英可用于制造石英光纤、卤化物光光纤、卤化物光纤和硫属光纤纤和硫属光纤但坯料棒熔化过但坯料棒熔化过程中容易带来杂程中容易带来杂质，它的最低损质，它的最低损耗值为耗值为5dB/km 套塑为了增大光纤机械强度，再在经一次涂敷光纤上套上一层塑料层（如尼龙或聚乙烯塑料），这一工艺叫做套塑。套塑又称为“二次涂覆”。光纤套塑机原理结构在套塑时，将一次涂敷光纤从导向管个穿过去，在模具出口处涂覆上经250Co温度加热溶化了的尼龙，然后经过冷却水槽，使尼龙冷却固化，即获得套塑光纤，最后出收丝轮接

17、收光纤。光纤芯线的剖面构造光纤芯线的剖面构造紧套和松套光纤结构示意图紧套和松套光纤结构示意图(a)紧套光纤结构示意图；紧套光纤结构示意图；(b)松套光纤结构示意图松套光纤结构示意图4）光纤成缆 缆芯结构：缆芯结构：套塑后的光纤称为光纤心线，套塑后要进行筛选，选出机械强度满足要求的心线进行成缆。光缆的结构包括缆芯、护层和加强元件缆芯、护层和加强元件组成。强度元件强度元件内护层内护层光纤光纤加强芯加强芯外护层外护层护层主要是对已成缆的光纤芯线起保护作用，避免受外界机械力和环境损坏。护层可分为内护层（多用聚乙烯或聚氯乙烯等）和外护层（多用铝带和聚乙烯组成的LAP外护套加钢丝铠装等）。加强芯主要承受敷

18、设安装时所加的外力。强度元件强度元件内护层内护层光纤光纤加强芯加强芯外护层外护层 典型光缆结构：典型光缆结构：i）层绞式结构光缆）层绞式结构光缆把经过套塑的光纤绕在加强芯周围绞合而构成。图示为目前在市话中继和长途线路上采用的几种层绞式结构光缆的示意图（截面）。12芯松套层绞式直埋防蚁光缆浅海光缆将将单单根根或或多多根根光光纤纤放放入入骨骨架架的的螺螺旋旋槽槽内内，骨骨架架中中心心是是强强度度元元件件，骨骨架架上上的的沟沟槽槽可可以以是是V型型、U型型或或凹凹型型，如如图图(c)所示。所示。ii)骨架式光缆骨架式光缆 目前，我国采用的骨架式结构光缆，都是采用如图(b)所示的结构。70芯骨架式光缆

19、 骨架式自承式架空光缆 iii)带状式光缆带状式光缆将将412根根光光纤纤芯芯线线排排列列成成行行构构成成带带状状光光纤纤单单元元，再再将将多多个个带带状状单单元元按按一一定定方方式式排排列列成成缆缆，如如图图(d)所所示示.把带状光纤单元放入凹槽内或松套管内，形成骨架式或层绞式结构。iv)束管式结构光缆 把一次涂覆光纤或光纤束放入大套管中，加强芯配置在套管周围而构成。v)单芯结构光缆这种结构的光缆主要用于局内（或站内）或用来制作仪表测试软线和特殊通信场所用特种光缆以及制作单芯软光缆的光纤。光缆的典型结构示意图光缆的典型结构示意图通信用光缆主要类型通信用光缆主要类型（1）室(野)外光缆用于室外

20、直埋、管道、槽道、隧道、架空及水下敷设的光缆。（2）软光缆具有优良的曲挠性能的可移动光缆。（3）室（局）内光缆适用于室内布放的光缆。（4）设备内光缆用于设备内布放的光缆。（5）海底光缆用于跨海洋敷设的光缆。（6）特种光缆除上述几类之外，作特殊用途的光缆如何识别光缆型号？如何识别光缆型号？光缆型号由它的型式代号和规格代号构成，中间用一短横线分开。1、光缆型式由五个部分组成，如图所示。I I：分类代号及其意义为：分类代号及其意义为：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 ：加强构件代号及其意义为：加强构件代

21、号及其意义为：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 IIIIII：派生特征代号及其意义为：派生特征代号及其意义为：D光纤带状结构 G骨架槽结构 B扁平式结构 Z自承式结构 T填充式结构IVIV：护层代号及其意义为护层代号及其意义为Y聚乙烯护层 V聚氯乙烯护层；U聚氨酯护层 A铝-聚乙烯粘结护层L铝护套 G钢护套Q铅护套 S钢-铝-聚乙烯综合护套：加强构件代号及其意义为：加强构件代号及其意义为：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V:外护层代号及其意义外护层代号及其意义代 号铠装层（方式）代 号外护层（材料）0无0

22、无11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单钢带皱纹纵包光缆规格由五部分七项内容组成图中：光纤数目用1、2、，表示光缆内光纤的实际数目。：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。：光纤主要尺寸参数光纤主要尺寸参数 用阿拉伯数（含小数点数）及以m为单位表示多模光纤的芯径及包层直径，单模光纤的模场直径及包层直径。：带带宽宽、损损耗耗、波波长长表表示示光光纤纤传传输输特特性性的的代代号号由由a、bb及及cc三三组组数数字字代代号号构成。构成。a表示

23、使用波长的代号，其数字代号规定如下：1波长在0.85m区域；2波长在1.31m区域；3波长在1.55m区域。注意，同一光缆适用于两种及以上波长，并具有不同传输特性时，应同时列出各波长上的规格代号，并用“/”划开。光纤通信基础光纤通信基础 李玲李玲 编著编著光纤技术光纤技术 饶云江饶云江 编著编著光纤原理与技术光纤原理与技术 王少理编著王少理编著主要参考书主要参考书1 1、名词解释、名词解释 光纤色散；弱导光纤；光纤色散；弱导光纤；色散位移色散位移单模光纤；截止波长单模光纤；截止波长2 2、光光纤纤中中产产生生色色散散的的原原因因是是什什么么？色色散散对对通通信信有有什什么么影影响响？标标准准的

24、的阶阶跃跃折折射射率率单单模模光光纤纤（G.652G.652）的的零零色色散散波长是多少？波长是多少？3 3、从从物物理理概概念念来来看看，脉脉冲冲展展宽宽、光光纤纤带带宽宽二二者者之之间间的的关系是什么关系是什么?4 4、阶跃光纤单模传输的条件是什么？、阶跃光纤单模传输的条件是什么？5 5、试从光线理论观点和波动理论观点解释模式的概念。、试从光线理论观点和波动理论观点解释模式的概念。习题和思考题6、引引起起光光纤纤损损耗耗的的因因素素有有那那些些？光光纤纤损损耗耗系系数数是是如如何何定义的？定义的？G.652光纤的最小损耗和波长各是多少？光纤的最小损耗和波长各是多少？7、某某阶阶跃跃光光纤纤，纤纤芯芯半半径径a20 m，如如果果n1=1.48，n2=1.46。当当入入射射光光波波长长为为1.3 m时时，计计算算光光纤纤的的规规一一化化频频率率。计计算算光光纤纤能能传传输输的的模模式式数数N。若若要要实实现现单模传输，则纤芯半径应如何选择单模传输，则纤芯半径应如何选择?8、举举例例说说说说光光纤纤主主要要有有哪哪些些种种类类，简简要要介介绍绍光光纤纤制制造造过程。过程。9、光缆的结构组成。、光缆的结构组成。红外光纤红外光纤红外光纤用于传输波长为112m波段的红外光信息，光纤材料有硫系玻璃、氟化物玻璃、重金属氧化物玻璃等，应用于CO和CO2激光传输、温度监测、化学传感等领域。