光纖

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光纖(Fiber Optics)

目錄

什麼是光纖[1]

  光纖是一種將訊息轉換為光從一端傳送到另一端的媒介,主要由玻璃或塑膠纖維組成。

光纖的結構[2]

  光纖有不同的結構形式。目前,通信用的光纖絕大多數是用石英材料製成的橫截面很小的雙層同心圓柱體,外層的折射率比內層稍低。折射率高的中心部分叫做纖芯,其折射率為n1,直徑為2a;折射率稍低的外層稱為包層,其折射率為n2,直徑為2b。它的基本結構形式如圖1所示。
Image:光纤的基本结构.jpg

光纖的種類[2]

  雖然光纖的基本結構形式都如圖1所示,但是按照纖芯剖面折射率分佈、纖芯中傳輸模式的多少以及材料成份等的不同,光纖可分為很多種,下麵將常用的幾種結構形式作一簡單介紹。

  1.按照折射率分佈來分

  一般可分為階躍型光纖和漸變型光纖兩種。

  (1)階躍型光纖。如果纖芯折射率m沿半徑方向保持一定,包層折射率以。沿半徑方向也保持一定,而且纖芯和包層的折射率在邊界處呈階梯型變化的光纖,稱為階躍型光纖,又可稱為均勻光纖。它的結構如圖2(a)所示。
Image:光纤的折射率剖面分布.jpg

  (2)漸變型光纖。如果纖芯折射率咒,隨著半徑加大而逐漸減小,而包層中折射率咒。是均勻的,這種光纖稱為漸變型光纖,又稱為非均勻光纖。它的結構如圖2(b)所示。

  2.按照傳輸模式的多少來分

  所謂模式,實質上是電磁場的一種場型結構分佈形式。模式不同,其場型結構不同。根據光纖中傳輸模式數量,可分為單模光纖和多模光纖。

  (1)單模光纖。光纖中只傳輸一種模式時,叫做單模光纖。單模光纖的纖芯直徑較小,約為4μm-lOμm,通常,纖芯的折射率分佈認為是均勻分佈的。由於單模光纖只傳輸基模,從而完全避免了模式色散,使傳輸帶寬大大加寬,因此,它適用於大容量、長距離的光纖通信。單模光纖中的光線軌跡如圖3(a)所示。
Image:光纤中的光线轨迹.jpg

  (2)多模光纖。在一定的工作波長下,多模光纖是能傳輸多種模式的介質波導。早期的多模光纖採用階躍折射率分佈,為了減小色散,須採用漸變折射率分佈,它們的光波傳輸軌跡見圖3的b和c。多模光纖的纖芯直徑約為50μm,由於模色散的存在使多模光纖的帶寬變窄,但製造、耦合、連接都比單模光纖容易。

  3.按光纖的材料來分

  (1)石英系光纖。這種光纖的纖芯和包層是由高純度的SiO2摻有適當的雜質製成。其損耗低、強度和可靠性較高,目前應用最廣泛。

  (2)石英芯、塑料包層光纖。這種光纖的芯子是用石英製成,包層是硅樹脂。

  (3)多成分玻璃纖維。一般用鈉玻璃摻有適當雜質製成。

  (4)塑料光纖。這種光纖的纖芯和包層都由塑料製成。

  目前,在光纖通信中主要使用石英系光纖。因此,對於石英系的階躍型光纖和漸變型光纖分兩節來介紹,主要分析它們的導波模式及特性,著重於波動理論進行分析,為了便於理解,也用射線法給出一些必要的概念。

光纖的優越性[3]

  與雙絞線和同軸電纜相比,光纖作為光纖通信系統的物理傳輸媒介,有著巨大的優越性:

  (1)通信容量大。光纖通信是以光纖為傳輸媒介,光波為載波的通信系統,其載波一光波具有很高的頻率。目前用於光纖通信的光載波在紅外線波長範圍內,波長分別為850nm(頻率為350THz)、l310nm(頻率為230THz)和l550nm(頻率為200THz),其中l310nm和1550nm波長較為常用,因此光纖具有很大的通信容量。

  (2)損耗低、中繼距離長。目前,實用的光纖通信系統使用的光纖多為石英光纖,此類光纖在1.55μm波長區的損耗可低到0.18dB/km,比已知的其他通信線路的損耗都低得多,因此,由其組成的光纖通信系統的中繼距離也較其他介質構成的系統長得多。

  (3)抗電磁干擾能力強。電話線和電纜一般是不能跟高壓電線平行架設的,也不能在電氣化鐵路附近鋪設。但是因為光纖通信利用的是頻率極高的光信號,不受電磁輻射的影響,可以在充滿雜訊的環境中進行通信時不受電磁干擾。

  (4)保密性能好。對通信系統的重要要求之一是保密性好。在明線或電纜附近(甚至幾千米以外)設置一個特別的接收裝置,就可以獲取明線或電纜中傳送的信息。但是光纖在傳送光信號時向外泄露小,不會產生串話等干擾,因此通信保密性好。

  此外,光纖還具有線徑細、質量輕、防腐、防火、耐高溫等特點。由於光纖通信具有一系列的突出優點,隨著科學技術的進步,光纖通信技術近年來發展速度之快、應用範圍之廣,出乎人們的預料,它是世界信息革命的一個重要標誌,是現代通信技術的重要組成部分。

光纖的重要參數[4]

  光纖的重要參數主要有光纖芯徑、光纖的數值孔徑和波長。

  (1)光纖芯徑(2a)。光纖纖芯直徑為2a,這是光波導的幾何尺寸。一般來說芯徑越大.集光效應就越好,越有利於遠距離傳輸。但是,過大的芯徑也會帶來一些負面的影響,如模式不容易控制和成本的增加等。那麼芯徑多大合適呢,經過國際上各國專家討論共同制定了CCITT的有關標準。多模光纖的芯徑和包層的尺寸應為50μm/125μm,單模光纖的芯徑應小於或等於10μm,包層直徑也是125μm。

  (2)光纖的數值孔徑。從光源入射到光纖端面上的光,雖說一部分能進入光纖端面,但不一定能在光纖中傳播,只有滿足了一定條件的光才能在光纖中發生全反射而傳輸到遠方。即光纖的導光特性是基於光射線在纖芯與包層界面上的全反射,從而使光線限定在纖芯中傳播的。
Image:光在纤芯中的传播.jpg

  在圖4中,光線是從空氣中以入射角\varphi射入光纖(石英)端面的,空氣折射率行n0 = 1,介質(石英)折射率n≈1.5,即光線從低折射率介質(空氣)向高折射率介質(石英)傳播。因此,光線射入光纖端面時入射角\varphi總大於折射角φ

  若使光線在纖芯與包層界面上全反射而完全限制在光纖內傳播,必須使光線在纖芯一包層界面上的入射角θ大於臨界角β,即

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

  理論分析表明,相應於全反射的臨界角β的入射臨界角\varphi_0反映了光纖集光能力的大小,稱為數值孔徑角。凡角度在\varphi_0以內的入射光線均可在光纖內傳播,定義入射臨界角\varphi_0的正弦為光纖的數值孔徑。光纖的數值孔徑是由光纖本身來決定的,它只與纖芯、包層的折射率有關,與光源無關。光纖的數值孔徑表示光纖接收入射光的能力。數值孔徑越大,入射臨界角\varphi_0越大,則光纖接收光的能力也越強。從立體的觀點來看,2\varphi_0是一個圓錐,從光源發出的光中只有入射在該圓錐內的光才能在光纖中形成全反射從而向前傳播。所以,從增加進入光纖的光功率的觀點來看,數值孔徑越大越好,但隨之而來的不足之處是,光纖的多模畸變(色散)也因數值孔徑的加大而加大,這將影響光纖的帶寬

  上面介紹的是光波在均勻介質中的傳播情況。如果介質是非均勻的,可以把纖芯分割成無數個同心圓,每兩個圓之間的折射率可以看作是均勻的,那麼光在這種介質中傳播時,將會不斷發生折射,形成正弦波形的軌跡。

  (3)波長。光波也是電磁波的一種,其波長在微米級,頻率為1014Hz數量級。目前使用的光纖大多工作在800~1800nm,而1310nm和1550nm是兩個低損耗的視窗區,人們使用的光纖的工作波長大多工作在這兩個特性波長的附近。

光纖的主要特性[4]

  光纖的特性主要包括傳輸特性、光學特性、機械特性和溫度特性等,其中光纖的傳輸特性包括傳輸衰減特性、色散和帶寬特性。

  (1)光纖的傳輸衰減。光信號沿光纖傳輸的過程中,光能逐漸減小的現象稱為光纖的傳輸衰減。光纖的傳輸衰減是光纖通信主要的傳輸參數之一。光纖衰減定義為長度為L(km)的光纖輸出端光功率Po與輸入端光功率Pi的比值,用分貝(dB)表示為af=10/L lg(PoPi)

  各類光纖的傳輸衰減可分為固有衰減和附加衰減兩部分。

  造成光纖衰減的原因有材料吸收、材料散射以及機械變形等外部原因造成的輻射等,見表1。

表1 光纖損耗原因表

損耗類型損耗原因
吸收損耗材料損耗電子躍遷吸收
分子振動吸收
雜質損耗過度金屬吸收
氫氧根吸收
散射吸收材料損耗
結構不均勻散射
瑞利散射
梅耶散射
布里淵散射、拉曼曼散
纖芯包層界面結構不完整散射
缺陷散射
氣泡、析晶散射
輻射損耗外部因素核輻射等機械變形、彎曲

  (2)光纖的色散。

  1)色散的含義。由不同頻率或不同模式(或波長)成分組成的光信號,在光纖中傳輸過程中,由於群速度不同而引起信號畸變的物理現象稱為光纖的色散。

  光纖的色散分為模式色散(模間畸變)、材料色散和波導色散。後兩種色散是某一模式本身的色散,也稱模內色散。

  通常波導色散很小,對多模光纖來說,因模式畸變占主導地位,波導色散可以忽略不計。對於單模光纖來說,由於無模式色散,其帶寬僅由波導色散和材料色散兩者決定,波導色散的影響就不可忽略。

  2)色散對光信號的影響。光纖的色散導致光信號的波形失真,表現為脈衝展寬,它是光纖的時域特性。脈衝展寬也稱為脈衝信號的延時失真,這種延時失真的大小是由光纖的色散特性所決定的。

  對於數字通信系統,光信號的脈衝展寬是一項重要指標。脈衝展寬過大就會引起相鄰脈衝問隙減小,相鄰脈衝將會產生部分重疊而使再生中繼器發生脈衝判斷錯誤,從而使誤碼率增多,限制了光纖的傳輸容量。

  (3)光纖帶寬。光纖帶寬是指光纖不失真地傳遞信息的速率的大小。光纖的帶寬可以用光纖對傳輸脈衝的展寬來表示。

  (4)光纖的機械特性。光纖的機械特性主要包括抗拉、抗彎曲、抗扭絞性能和耐側壓力等,其中抗拉強度尤為重要。為保證光纖有足夠的抗拉強度,在製作中應採取相應措施。

  石英中的硅氧鍵(Si—O)的結合能是很大的,從理論上推算其抗張強度極高,可達20GPa以上,與鐵的強度相當,比銅的強度高。但是石英的缺點是塑性很差,脆性很大,容易破裂。錶面上稍有傷痕就可斷裂。若光纖內部有氣泡、微粒、雜質等都會使抗張強度減小。正是由於這些原因,光纖的抗拉強度遠沒有達到理論值,一般只有100~300MPa。

  (5)光纖的溫度特性。光纖的溫度特性主要取決於光纖本身的質量。石英本身的化學穩定性比金屬材料要好,熱穩定性也非常優良,可是光纖塗敷材料都採用的是有機物,所以溫度變化仍然會對光纖的性能產生不利的影響,其中影響最大的是損耗特性。溫度變化導致損耗增加,其原因是光纖受到軸向壓縮力,產生微彎曲,導致損耗增大。損耗增加與溫度變化量的平方成正比。

  必須指出的是,在低溫(小於0℃)時,隨著溫度逐漸降低,損耗逐漸增加,大約在-60℃時會突然增大,出現閾值,說明此時微彎曲已發揮明顯作用。

  應合理進行設計,選擇適當的塗覆、套塑材料,並對生產工藝進行優化,從而改善光纖的溫度性能。

參考文獻

  1. 張憲榮主編.工業設計辭典.化學工業出版社,2011.06.
  2. 2.0 2.1 張金菊編.光纖通信原理(附光纖通信原理自學考試大綱).中國人民大學出版社,1999.04.
  3. 於寶明 金明主編.電子信息.東南大學出版社,2010.12.
  4. 4.0 4.1 程前主編.綜合佈線設計300問.中國電力出版社,2011.01.
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