第一章续光纤与光缆1.光纤的结构与分类2.光纤传光原理3.光纤传输特性4.光纤材料的物理化学特性5.光纤制造技术与光缆1.光纤的结构和分类光纤的分层结构:纤芯、包层、涂敷层、护套各层的材料构成纤芯:SiO2以及少量GeO2、P2O5掺杂包层：高纯度SiO2涂敷层：环氧树脂等高分子材料护套：尼龙或其他有机材料提高纤芯的折射率传光基本条件：n1>n2折射率剖面(Refractionindexprofile)阶跃型(step)渐变型(grading)n=n(r)光纤折射率分布
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达式阶跃型渐变型光射线阶跃光纤渐变光纤光纤分类阶跃光纤与渐变光纤按照折射率剖面分单模光纤与多模光纤按照模式分…图2.2三种基本类型的光纤(a)突变型多模光纤；(b)渐变型多模光纤；（c）单模光纤2光纤传光原理
分析
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光纤传输原理的常用方法：（1）几何光学法可以给出有关波导特性清晰的物理图像和解释。不足之处是所给出的结论较为粗糙，不能获得有关电磁场模式在波导内的具体场分布和传输特性等方面的完整细节。（2）麦克斯韦波动方程法针对具体的波导结构，结合电磁场的边界条件求解Maxwell方程组，得到波导内各模式的场分布和特征方程。2.1光纤数值孔径的概念研究对象：阶跃型光线中的光射线（子午光线）研究目标：数值孔径思路：光纤中的光射线应满足全反射条件2.1光纤数值孔径的概念已知条件：设纤芯和包层折射率分别为n1和n2，空气的折射率n0=1，纤芯中心轴线与z轴一致。第一束光线在光纤端面以小角度θ从空气入射到纤芯，折射角为θ1，折射后的光线在纤芯直线传播，并在纤芯与包层交界面以角度ψ1入射到包层。2.1光纤数值孔径的概念[分析]改变角度θ，不同θ相应的光线将在纤芯与包层交界面发生反射或折射。根据全反射原理，存在一个临界角θc。(1)当θ<=θc时，相应的光线将在交界面发生全反射而返回纤芯，并以折线的形状向前传播，如光线1。根据斯奈尔(Snell)定律得到n0sinθ=n1sinθ1=n1cosψ1(2)当θ>θc时，相应的光线有一部分将在交界面折射进入包层并逐渐消失，如光线3。由此可见，只有在半锥角为θ≤θc的圆锥内入射的光束才能在光纤中传播。因此，定义临界角θc的正弦为数值孔径(NumericalAperture)：NA=n0sinθc=n1cosψc，n1sinψc=n2sin90°n0=1，经简单计算得到【NA的物理意义】NA表示光纤接收和传输光的能力，NA越大，光纤接收光的能力越强，从光源到光纤的耦合效率越高。对于无损耗光纤，在θc内的入射光能在光纤中传输。NA越大，纤芯对光能量的束缚越强，光纤抗弯曲性能越好其中Δ为纤芯与包层相对折射率差。2.1光纤数值孔径的概念2.2光纤模式的理解【疑问】是不是满足θ≤θc的光射线都可以在光纤中稳定传输？
答案
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是否定的。能够在光纤中传导的电磁波模式不仅满足芯/包界面上的全反射条件，而且满足传输过程中的相干加强条件只有这一系列特定的电磁波才能在光纤中存在！从电磁波动理论来看，模式是光纤中电磁场传播的一种稳定的分布形态。2.2光纤模式的理解【分析】近似地，认为光纤中传播的光波是均匀平面电磁波，光射线方向就是波矢量k方向。通常将光纤中所传输的波矢量k在其波导传输方向(z方向)上的分量称为光波的传播常数：β=kz=k0*n1*sinθ;其中θ为光射线方向与光纤横截面的夹角。k0=2π/λ为真空中的波数。根据全内反射条件，sinθ>=n2/n1。只有传播常数满足k0*n2<β
25年光纤的物理化学特性SiO2的软化温度在1700度左右，掺杂后的软化温度降低。石英光纤热膨胀系数：3.410-7/oC；涂覆层：510-7/oC因此，限制一定的工作温度范围。温度特性表(2)光缆(1)光纤制造技术5.光纤制造技术和光缆沉积拉丝原料预制棒光纤光纤制造的关键原料：SiCl4,GeCl4,POCl3,BBr3,O2,He,……提纯：过渡金属离子，OH-，…...
要求
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达到ppb量级原料提纯光纤丝径控制，温度控制拉制光纤制作中对各种参数的精确控制预制棒制备光纤制造技术制备光纤预制棒与光纤有相同物理结构和材料结构，尺寸大的实心石英棒拉丝光纤预制棒高温下，拉制成光纤原料：SiCl4,GeCl4,CF2Cl2,O2,Ar,H2,He,……提纯：过渡金属离子，OH-，…...预制棒制备工艺：非气相工艺，气相工艺非气相工艺：双坩埚法，溶胶—凝胶法，管棒法，粉末机械成形法，…...MCVD法:美国AT&T公司PCVD法:荷兰飞利浦公司OVD法:美国康宁公司VAD法:日本住友、古河、腾仓等公司重点介绍气相工艺：MCVD，PCVD，OVD，VAD，…...MCVD:改良的化学气相沉积法------AT&T,USA化学反应热泳现象处于温度场中的悬浮颗粒，受力的作用而向低温区运动，附着在石英管壁上。MCVD工艺利用氧气鼓泡携带原料瓶中挥发出的氯化物（SiCl4、GeCl4）蒸汽进入石英管，在高温加热（氢氧焰）下氯化物和氧气反应生成高纯度氧化物SiO2或GeO2MCVD方法简图PCVD（1976年，荷兰Philips）使用微波在石英管内产生高温等离子代替MCVD法中的氢氧焰进行加热，使得原料发生反应。OVD:OutsideVaporDeposition------Corning,USARadialFlamousHydrolizationVAD:VaporAxialDeposition------NTT,Japan化学反应水解反应氧化反应脱水反应沉积拉丝原料预制棒光纤2、拉丝工艺拉丝工艺流程拉丝控制系统收丝控制设备预制棒裸光纤光纤拉丝塔结构示意图拉丝工艺简介 光纤拉丝工艺包括以下几个方面：一．拉丝 将处理好的预制棒送入拉丝炉中，在高温下，将预制棒的一端熔化以形成石英玻璃丝，再以一定的张力及速度对其进行牵引，以保持光纤直径稳定在125±１μm范围内二．涂覆 在光纤冷却后，对光纤表面涂UV材料进行UV固化，以保护光纤表面精确控制外径在245±5μm，形成标准的商用光纤。涂覆层有机材料拉丝长度l预制棒体积Vpreform=D2L/4,D:mm,L:mm光纤体积Vfiber=d2l/4,d=125umVpreform=Vfiberl=6.410-5D2L(km)拉丝原理保持芯/包层结构不变！光缆光纤——成缆工艺——光缆——使用技术要求保护光纤免受外力作用（切断、微弯、侧应力等）便于施工、维护、接续要有一定的余长，光纤尽量靠近光缆中心保护材料的热膨胀系数与光纤尽量接近，避免应力和微弯尺寸小，重量轻防水，防潮，抗腐蚀，防虫叮鼠咬光缆结构缆芯、加强元件、护层缆芯作用：妥善安置光纤的位置，使光纤在各种外力影响下仍能保持优良的传输性能套塑方法紧套：无活动空间，易受外力影响；外径小，性能稳定松套：外径较大，须填充油膏来提高纵向密封性；温度性能好，易于缓冲外力，是发展方向*光缆中必须有防潮层，并填充油膏！加强元件中心加强、外层加强要求高杨氏模量，高弹性范围，高比强度（强度/重量），低线膨胀系数，抗腐蚀性，柔软性材料钢丝，钢绞线，钢管强电磁干扰区域、雷区——高强度非金属材料，芳纶纤维护层是由护套构成的多层组合体作用保持光缆在各种敷设条件下都能为缆芯提供足够机械强度不同敷设方式不同要求管道：较强的抗拉、抗侧压、抗弯曲能力直埋：铠装抗侧压，同时考虑地面的振动与虫咬架空：环境的影响，防弹层水底：更高的抗拉、抗水压、防水能力护层结构填充层：PVC填充物，固定各单元位置内护层：缆芯外一层聚脂薄膜，扎紧缆芯，隔热，缓冲防水层：密封的铝管，防水进入，特别是水下光缆缓冲层：尼龙带轴向螺旋式绕包缆芯，保护缆芯免受径向压力铠装层：光缆外的金属护套，免受强大的侧向压力外护套：PVC，聚乙烯等挤铸在光缆外，保护光缆，光缆分类缆芯结构层绞式按一定节距进行绞合，光纤没有活动余地，经受侧向压力能力弱，通常用松套光纤骨架式优良的机械性能和抗冲击性能，微弯损耗小，工艺复杂带状空间利用率高，可快速接续，工艺要求高束管式抗弯，抗压，纵向密封性好，工艺比较简单(根据缆芯结构不同)四种光缆结构图【课堂练习】假设某阶跃折射率分布的光纤，其包层折射率为1.445,芯子直径9um，要想使得该光纤对1250nm波长刚好满足单模条件，该光纤的数值孔径为多少？此时的芯子折射率为多少？解答：在1250nm处刚好满足单模条件，即得到数值孔径【课堂练习】已知某长度为13km的单模光纤的功率传输损耗为0.195dB/km，激光器耦合进入光纤输入端的功率为1mW，那么用功率计在光纤输出端检测出的最大光功率是多少？解答光纤上的传输损耗：0.195X13=2.535(dB)根据损耗的定义：得到输出功率：谢谢！
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