光纤

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光纤(Fiber Optics)

目录

什么是光纤[1]

  光纤是一种将讯息转换为光从一端传送到另一端的媒介,主要由玻璃或塑胶纤维组成。

光纤的结构[2]

  光纤有不同的结构形式。目前,通信用的光纤绝大多数是用石英材料制成的横截面很小的双层同心圆柱体,外层的折射率比内层稍低。折射率高的中心部分叫做纤芯,其折射率为n1,直径为2a;折射率稍低的外层称为包层,其折射率为n2,直径为2b。它的基本结构形式如图1所示。
Image:光纤的基本结构.jpg

光纤的种类[2]

  虽然光纤的基本结构形式都如图1所示,但是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.按照折射率分布来分

  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m沿半径方向保持一定,包层折射率以。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。它的结构如图2(a)所示。
Image:光纤的折射率剖面分布.jpg

  (2)渐变型光纤。如果纤芯折射率咒,随着半径加大而逐渐减小,而包层中折射率咒。是均匀的,这种光纤称为渐变型光纤,又称为非均匀光纤。它的结构如图2(b)所示。

  2.按照传输模式的多少来分

  所谓模式,实质上是电磁场的一种场型结构分布形式。模式不同,其场型结构不同。根据光纤中传输模式数量,可分为单模光纤和多模光纤。

  (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4μm-lOμm,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。单模光纤中的光线轨迹如图3(a)所示。
Image:光纤中的光线轨迹.jpg

  (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,它们的光波传输轨迹见图3的b和c。多模光纤的纤芯直径约为50μm,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.按光纤的材料来分

  (1)石英系光纤。这种光纤的纤芯和包层是由高纯度的SiO2掺有适当的杂质制成。其损耗低、强度和可靠性较高,目前应用最广泛。

  (2)石英芯、塑料包层光纤。这种光纤的芯子是用石英制成,包层是硅树脂。

  (3)多成分玻璃纤维。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。

  目前,在光纤通信中主要使用石英系光纤。因此,对于石英系的阶跃型光纤和渐变型光纤分两节来介绍,主要分析它们的导波模式及特性,着重于波动理论进行分析,为了便于理解,也用射线法给出一些必要的概念。

光纤的优越性[3]

  与双绞线和同轴电缆相比,光纤作为光纤通信系统的物理传输媒介,有着巨大的优越性:

  (1)通信容量大。光纤通信是以光纤为传输媒介,光波为载波的通信系统,其载波一光波具有很高的频率。目前用于光纤通信的光载波在红外线波长范围内,波长分别为850nm(频率为350THz)、l310nm(频率为230THz)和l550nm(频率为200THz),其中l310nm和1550nm波长较为常用,因此光纤具有很大的通信容量。

  (2)损耗低、中继距离长。目前,实用的光纤通信系统使用的光纤多为石英光纤,此类光纤在1.55μm波长区的损耗可低到0.18dB/km,比已知的其他通信线路的损耗都低得多,因此,由其组成的光纤通信系统的中继距离也较其他介质构成的系统长得多。

  (3)抗电磁干扰能力强。电话线和电缆一般是不能跟高压电线平行架设的,也不能在电气化铁路附近铺设。但是因为光纤通信利用的是频率极高的光信号,不受电磁辐射的影响,可以在充满噪声的环境中进行通信时不受电磁干扰。

  (4)保密性能好。对通信系统的重要要求之一是保密性好。在明线或电缆附近(甚至几千米以外)设置一个特别的接收装置,就可以获取明线或电缆中传送的信息。但是光纤在传送光信号时向外泄露小,不会产生串话等干扰,因此通信保密性好。

  此外,光纤还具有线径细、质量轻、防腐、防火、耐高温等特点。由于光纤通信具有一系列的突出优点,随着科学技术的进步,光纤通信技术近年来发展速度之快、应用范围之广,出乎人们的预料,它是世界信息革命的一个重要标志,是现代通信技术的重要组成部分。

光纤的重要参数[4]

  光纤的重要参数主要有光纤芯径、光纤的数值孔径和波长。

  (1)光纤芯径(2a)。光纤纤芯直径为2a,这是光波导的几何尺寸。一般来说芯径越大.集光效应就越好,越有利于远距离传输。但是,过大的芯径也会带来一些负面的影响,如模式不容易控制和成本的增加等。那么芯径多大合适呢,经过国际上各国专家讨论共同制定了CCITT的有关标准。多模光纤的芯径和包层的尺寸应为50μm/125μm,单模光纤的芯径应小于或等于10μm,包层直径也是125μm。

  (2)光纤的数值孔径。从光源入射到光纤端面上的光,虽说一部分能进入光纤端面,但不一定能在光纤中传播,只有满足了一定条件的光才能在光纤中发生全反射而传输到远方。即光纤的导光特性是基于光射线在纤芯与包层界面上的全反射,从而使光线限定在纤芯中传播的。
Image:光在纤芯中的传播.jpg

  在图4中,光线是从空气中以入射角\varphi射入光纤(石英)端面的,空气折射率行n0 = 1,介质(石英)折射率n≈1.5,即光线从低折射率介质(空气)向高折射率介质(石英)传播。因此,光线射入光纤端面时入射角\varphi总大于折射角φ

  若使光线在纤芯与包层界面上全反射而完全限制在光纤内传播,必须使光线在纤芯一包层界面上的入射角θ大于临界角β,即

  sinβ=n2 / n1     θ≥β=arcsin(n2 / n1)

  理论分析表明,相应于全反射的临界角β的入射临界角\varphi_0反映了光纤集光能力的大小,称为数值孔径角。凡角度在\varphi_0以内的入射光线均可在光纤内传播,定义入射临界角\varphi_0的正弦为光纤的数值孔径。光纤的数值孔径是由光纤本身来决定的,它只与纤芯、包层的折射率有关,与光源无关。光纤的数值孔径表示光纤接收入射光的能力。数值孔径越大,入射临界角\varphi_0越大,则光纤接收光的能力也越强。从立体的观点来看,2\varphi_0是一个圆锥,从光源发出的光中只有入射在该圆锥内的光才能在光纤中形成全反射从而向前传播。所以,从增加进入光纤的光功率的观点来看,数值孔径越大越好,但随之而来的不足之处是,光纤的多模畸变(色散)也因数值孔径的加大而加大,这将影响光纤的带宽

  上面介绍的是光波在均匀介质中的传播情况。如果介质是非均匀的,可以把纤芯分割成无数个同心圆,每两个圆之间的折射率可以看作是均匀的,那么光在这种介质中传播时,将会不断发生折射,形成正弦波形的轨迹。

  (3)波长。光波也是电磁波的一种,其波长在微米级,频率为1014Hz数量级。目前使用的光纤大多工作在800~1800nm,而1310nm和1550nm是两个低损耗的窗口区,人们使用的光纤的工作波长大多工作在这两个特性波长的附近。

光纤的主要特性[4]

  光纤的特性主要包括传输特性、光学特性、机械特性和温度特性等,其中光纤的传输特性包括传输衰减特性、色散和带宽特性。

  (1)光纤的传输衰减。光信号沿光纤传输的过程中,光能逐渐减小的现象称为光纤的传输衰减。光纤的传输衰减是光纤通信主要的传输参数之一。光纤衰减定义为长度为L(km)的光纤输出端光功率Po与输入端光功率Pi的比值,用分贝(dB)表示为af=10/L lg(PoPi)

  各类光纤的传输衰减可分为固有衰减和附加衰减两部分。

  造成光纤衰减的原因有材料吸收、材料散射以及机械变形等外部原因造成的辐射等,见表1。

表1 光纤损耗原因表

损耗类型损耗原因
吸收损耗材料损耗电子跃迁吸收
分子振动吸收
杂质损耗过度金属吸收
氢氧根吸收
散射吸收材料损耗
结构不均匀散射
瑞利散射
梅耶散射
布里渊散射、拉曼曼散
纤芯包层界面结构不完整散射
缺陷散射
气泡、析晶散射
辐射损耗外部因素核辐射等机械变形、弯曲

  (2)光纤的色散。

  1)色散的含义。由不同频率或不同模式(或波长)成分组成的光信号,在光纤中传输过程中,由于群速度不同而引起信号畸变的物理现象称为光纤的色散。

  光纤的色散分为模式色散(模间畸变)、材料色散和波导色散。后两种色散是某一模式本身的色散,也称模内色散。

  通常波导色散很小,对多模光纤来说,因模式畸变占主导地位,波导色散可以忽略不计。对于单模光纤来说,由于无模式色散,其带宽仅由波导色散和材料色散两者决定,波导色散的影响就不可忽略。

  2)色散对光信号的影响。光纤的色散导致光信号的波形失真,表现为脉冲展宽,它是光纤的时域特性。脉冲展宽也称为脉冲信号的延时失真,这种延时失真的大小是由光纤的色散特性所决定的。

  对于数字通信系统,光信号的脉冲展宽是一项重要指标。脉冲展宽过大就会引起相邻脉冲问隙减小,相邻脉冲将会产生部分重叠而使再生中继器发生脉冲判断错误,从而使误码率增多,限制了光纤的传输容量。

  (3)光纤带宽。光纤带宽是指光纤不失真地传递信息的速率的大小。光纤的带宽可以用光纤对传输脉冲的展宽来表示。

  (4)光纤的机械特性。光纤的机械特性主要包括抗拉、抗弯曲、抗扭绞性能和耐侧压力等,其中抗拉强度尤为重要。为保证光纤有足够的抗拉强度,在制作中应采取相应措施。

  石英中的硅氧键(Si—O)的结合能是很大的,从理论上推算其抗张强度极高,可达20GPa以上,与铁的强度相当,比铜的强度高。但是石英的缺点是塑性很差,脆性很大,容易破裂。表面上稍有伤痕就可断裂。若光纤内部有气泡、微粒、杂质等都会使抗张强度减小。正是由于这些原因,光纤的抗拉强度远没有达到理论值,一般只有100~300MPa。

  (5)光纤的温度特性。光纤的温度特性主要取决于光纤本身的质量。石英本身的化学稳定性比金属材料要好,热稳定性也非常优良,可是光纤涂敷材料都采用的是有机物,所以温度变化仍然会对光纤的性能产生不利的影响,其中影响最大的是损耗特性。温度变化导致损耗增加,其原因是光纤受到轴向压缩力,产生微弯曲,导致损耗增大。损耗增加与温度变化量的平方成正比。

  必须指出的是,在低温(小于0℃)时,随着温度逐渐降低,损耗逐渐增加,大约在-60℃时会突然增大,出现阈值,说明此时微弯曲已发挥明显作用。

  应合理进行设计,选择适当的涂覆、套塑材料,并对生产工艺进行优化,从而改善光纤的温度性能。

参考文献

  1. 张宪荣主编.工业设计辞典.化学工业出版社,2011.06.
  2. 2.0 2.1 张金菊编.光纤通信原理(附光纤通信原理自学考试大纲).中国人民大学出版社,1999.04.
  3. 于宝明 金明主编.电子信息.东南大学出版社,2010.12.
  4. 4.0 4.1 程前主编.综合布线设计300问.中国电力出版社,2011.01.
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