第四章 光纤与光缆

第四章光纤与光缆关于光纤制造的基本要求，听起来简单得令人难以置信。需要的材料仅仅要满足：（1）透明；（2）能将其拉制成沿长度方向均匀分布的具有明显纤芯—包层结构的细小纤维；（3）能经受住所需要的工作环境。实践证明，满足以上条件并不容易，特别是在获取用于通信的极端透明的材料时。§4.1光纤的制造光纤是将透明材料拉伸为细丝制成的。多年以来，石英基玻璃和某些塑料被认为是制造光纤的最佳材料，尽管制造低损耗通信光纤需要特种玻璃和塑料。在可见区（0.4~0.7μm）和近红外区（0.7~2μm）的有限波长范围内，这些材料几乎是透明的。玻璃光纤的透明窗口为1.2~1.7μm，但它们不能用于其他波长。塑料光纤在0.65μm处有一个透明窗口，而且对其他可见光的透明性也比较好。如果要传输2μm以上波长的信号，就需要采用特殊的聚合物光纤。熔石英是现代通信的光纤的基础。熔石英所含SiO2的纯度极高，它是用合成的方法制成的，即在氢氧火焰中燃烧四氯化硅（SiCl4），产生氯化物蒸气和二氧化硅，然后沉淀成白色、蓬松的粉尘状物。这一过程能产生极高纯度的材料，因为SiCl4在室温下是液体，在58℃时就会沸腾。铁、铜等杂质的氯化物的沸点要比四氯化硅的高得多，因此当四氯化硅变成蒸气与氧气反应时，其他氯化物杂质仍是液态，结果可以将杂质降低至十亿分之一的水平，以满足生产极高透明玻璃光纤的需要。一、双坩埚法涂覆加热元件干燥卷筒测厚内坩埚外坩埚测厚纤芯玻璃（内坩埚）和包层玻璃熔化液从底部流出，熔合后冷却固化。光纤由炉底拉出后先通过一个非接触测厚仪。加热元件测厚外坩埚内坩埚双坩埚法工艺流程•非接触测厚仪和一个反馈系统来控制绕丝卷筒的转速以保持恒定外径。卷筒加热元件测厚反馈系统双坩埚法工艺流程•测厚后经过涂覆材料池进行涂层，并被干燥后连续缠在卷筒上。卷筒加热元件测厚反馈系统干燥涂覆双坩埚法的优劣•优点：可用来控制任意长度的连续光纤，批量生产。•缺点：•1、纤芯玻璃及包层玻璃必须在高温（~10０0℃）下加热，易使白金坩埚粒子扩散到纤芯中去，难以保证高纯度。•2、要求内外坩埚严格同心，否则厚度不均易造成扭曲（因厚度不均热膨胀率不同）。二、气相淀积法•由于低损耗玻璃材料的熔点高，不能用一般方法制作，目前采用的多为基于半导体工艺中常用的化学气相淀积法及高温下的气相氧化反应方法来制作。•原材料的蒸气在高温下经过氧化、淀积、烧结等过程成实心预制体，然后再从预制体中拉出光纤来，基本方法有三种：内淀积法、外淀积法、轴向淀积法。1、内淀积法（ＣＶＤ法）424SiClOGeCl1）用氧气作为载气把主要原料(如四氯化硅)和控制折射率的掺杂剂(如四氯化锗)携入石英管中，此石英管称“饵管”。饵管2）用一个可移动的氢氧喷灯加热管子外部424SiClOGeCl可移动氢氧喷灯加热区3）加热使蒸气氧化，生成SiO2、GeO2；加热区424SiClOGeCl2222ClOGeOSiO反应区4）在饵管壁上产生很细的玻璃微粒沉积物。抽气22ClO玻璃微粒沉积物玻璃微粒沉积物•5）饵管旋转并往复移动喷灯，使沉积物均匀分布在管子四周外壁上。•一般要往复50－100次，经历几小时才行.加热区424SiClOGeCl2222ClOGeOSiO反应区抽气22ClO5）饵管旋转并往复移动喷灯，使沉积物均匀分布在管子四周外壁上。一般要往复50－100次，经历几小时。加热区424SiClOGeCl2222ClOGeOSiO反应区抽气22ClO玻璃微粒沉积物玻璃微粒沉积物中心孔6）当包层和纤芯玻璃沉积后（或以饵管作包层），继续加热管子，在表面张力作用下，熔缩而除去中心孔（收棒）。7）（移去饵管）拉制光纤（预制件顶端加热炉）玻璃微粒沉积物玻璃微粒沉积物光纤预制件•这种方法是将氧化物微粒沉积在基管外表面，可得到大预制体，将混合气体经氢氧喷嘴送出，在火焰高温下氧化反应生成物沉积在石墨棒或Al2O3棒上。•由于石墨的膨胀系数比玻璃大，冷却后即可取出得到空心预制体，收棒后再拉制即可。此法可制宽棒但不能制长棒。氧＋金属卤化物蒸气2、外淀积法（VLD法）3、轴向淀积法（ＶＡＤ法）1）芯玻璃和涂层玻璃微粒通过喷灯同时沉积在母棒底端；形成多孔预制棒（粉笔状微结构）。2244OHGeClSiCl22324OHOBSiCl多孔预制棒22324OHOBSiCl2244OHGeClSiCl多孔预制棒加热环垂直向上提拉使多孔部分通过一个同心加热环熔缩烧结成透明玻璃棒。透明预制棒4、低损耗玻璃纤维的控制•一般是采用环形氢氧喷嘴来加热预制棒，但此法难以得到径向对称的热源，且热源的气流起伏较大，难以精确控制光纤直径。•一种新方法是采用CO2激光器拉制设备，其优点是干净，扰动小，且玻璃材料对CO2激光束（1.06μm）的吸收系数高，可加快拉丝速度。•通过偏心旋转透镜系统可将激光束很好地聚焦于预制体上得到完全对称的高温区。预制棒CO2激光器拉制设备激光束10.6μm反射镜偏心旋转透镜反射镜光纤三.几种常用单模光纤G.652常规（标准）单模光纤也被称为非色散位移光纤，其零色散位于1310nm窗口低损耗区，工作波长为1310nm（损耗为0．36dB／km）。•我国已敷设的光纤光缆绝大多数是这类光纤。随着光纤光缆工业和半导体激光技术的成功推进，光纤线路的工作波长可转移到更低损耗（0.22dB／km）的1550nm光纤窗口。G.653单模光纤常称色散位移光纤(DSFDispersionShiftedFiber）其零色散波长移位到损耗极低的1550nm处。这种光纤在有些国家，特别在日本被推广使用，我国京九干线上也有所采纳。美国AT＆T早期发现DSF的严重不足，在1550nm附近低色散区存在有害的四波混频等光纤非线性效应，阻碍光纤放大器在1550nm窗口的应用。常称非零色散位移光纤或NZDSF（＝NonZeroDispersionShiftedFiber）。属于色散位移光纤，不过在1550nm处色散不是零值，用以平衡四波混频等非线性效应。G.655单模光纤LEAF光纤•商品名为LEAF（＝LargeEffectiveAreaFiber）的单模非零色散位移光纤，工作在1550nm窗口；•与标准的非零色散位移光纤相比，具有较大的“有效面积”，因而较大的功率承受能力；•适于使用高输出功率掺铒光纤放大器，即EDFA和密集波分复用（DWDM）技术的网络之用。光纤的型号光纤的规格代号由光纤数目、光纤类别、光纤主要尺寸参数、传输特性（使用波长、损耗系数、模式带宽）及适用温度等5个部分组成，各组成部分均用代号或数字表示。1、光纤数目在光缆中用阿拉伯数字表示。2、光纤类别的代号及其意义J——二氧化硅多模渐变型光纤Z——二氧化硅多模准突变型光纤X——二氧化硅纤芯塑料包层光纤T——二氧化硅多模突变光纤D——二氧化硅单模光纤S——塑料光纤3、光纤主要尺寸参数用阿拉伯数字以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、传输性能这部分用三组数字分布表示使用波长、损耗系数及带宽距离积，第一组数字规定如下：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区域第二组数字表示损耗系数的个数和小数点后一位的值，单位为dB/km，第三组数字是带宽距离积的千位数和百位数，单位为MHz·km，单模光纤无此项。5、适用温度代号及意义A——适用于-40°C~+40°CB——适用于-30°C~+50°CC——适用于-20°C~+60°CD——适用于-5°C~+60°C例：J50/125(12008)C意义如下：J50/125(12008)C多模渐变型环境温度-20°C~+60°C芯径50µm包层125µm工作波长0.85µm衰减2.0dB/km带宽距离积800MHz·km4.2光纤的损耗特性光纤的发展和应用过程一直是围绕着降低损耗来进行的。从最初的100dB/km降到1970年的20dB/km，再到0.47dB/km（1976年）以至于0.2dB/km（1980年）。即使降的再低，由于光纤的衰减受光纤材料固有因素和制造工艺的影响，损耗是绝对不会消除的。入射进光纤中的光，由于各种原因被吸收、散射而造成光能损耗，对于一根均匀的光纤的损耗可定义单位长度的损耗为（单位分贝每千米，用dB/km表示）oippLlg10＝Pi：光纤入射端的光功率；Po：光纤出射端光功率；L：光纤长度损耗的描述以dB为单位计算衰减分贝看起来是一个相当奇特的单位,好象是对高损耗做了“淡化”处理。例如，3dB损耗表明原始光仅剩余一半，10dB损耗表明原始光剩余10%，20dB损耗表明原始光剩余1%。数值越大，“淡化”的越厉害。100dB损耗相当于仅留下10-10的原始光，1000dB损耗相当于仅剩余10-100的原始光。在计算信号功率和衰减时，以dB作单位非常方便。假设要计算两个连续的衰减效应，第一次衰减过程阻止了输入信号的80%，第二次阻止了30%，为了用百分比计算出总衰减，就必须将两次吸收数值转化成透射功率所占的百分比例，然后将两者相乘，最后由透射光所占的百分比得到衰减部分占的比例。如果采用dB为单位，仅将衰减相加就可得到总损耗。总损耗（dB）=损耗（dB）1+损耗（dB）2+……影响损耗的因素很多，从原理上讲，主要有吸收和辐射两大类。当光作用于物质时，一部分反射，一部分透射，还有一部分被物质吸收。反射和透射不改变物质的形态，但只有一部分到达终端，其余部分仍以光的形式辐射掉。被物质吸收的那一部分光，能的形态发生变化，一般变为热能，当然也可能变为其他形式能（如变为其他波长的光）。这两部分光都不能到达终端。因此，任何导致产生辐射与吸收的因素都可能产生损耗。除此之外，由于使用不当，也可导致损耗上升，这是每一个从事光纤通信的人必须切记的。学习目的是对造成光纤中光功率衰减的原因有一个清晰了解。这不仅对制造光纤是重要的，对使用者也是重要的。材料损耗包括：1、本征吸收损耗2、有害杂质吸收损耗3、散射损耗一、材料损耗1、本征吸收损耗1）纯SiO2的本征吸收构成物质的分子或原子受到某个特殊波长的光作用时，会产生共振，从而对这个特殊波长的光产生吸收，这就是本征吸收。本征吸收是物质的基本属性。纯SiO2的吸收发生在红外与紫外两个波段。2）掺杂光纤的本征吸收掺杂是形成光纤波导结构的主要方法，而掺杂又会带来杂质吸收损耗。•紫外区的吸收带是由电子跃迁造成的。这种跃迁一般发生在波长较短的区域。吸收带的范围是3nm~0.4μm。•近红外区的吸收带是由玻璃材料的晶格中的原子围绕它们的平衡点振动引起的，这种吸收带又被称为振动吸收带。吸收带的范围是8~12μm。•这两种损耗的吸收曲线在吸收峰值两端均按指数形式衰减。尾端延伸影响到光纤通信波段。紫外区的吸收带和近红外区的吸收带（1）金属离子的吸收在生产过程中残留于光纤中的铁、铜、铬和镍等杂质的电子吸收光能而跃迁，这在早期光纤中比较突出。（2）OH根离子吸收在光纤制造过程中，金属卤化物的氧化剂――氧气中残留的水份和碳氢化合物生成OH根离子；而且外界套管中含有的OH也会在高温下（制造纤维时）向纤芯扩散；OH会吸收光能量向氢氧离子的振动能级跃迁，并以热辐射形式进入分子晶格。只有使光纤中的OH根含量低于10-9以下，OH根的吸收损耗才可以忽略。因此，高度提纯光纤材料，是减小光纤损耗的重要途径。2、有害杂质吸收损耗•玻璃在固化过程中，由于热的作用而产生密度波动，这种波动随玻璃冷却被凝结在玻璃的分子结构中而表现为掺杂物浓度波动，此浓度波动又造成了折射率的波动，而折射率的波动即微观的折射率不均匀则会产生瑞利散射。kTp284338上式中ｐ为光弹系数，Ｔ为固化温度，η为等温压缩率。可见，与波长的四次方成反比，故在长波区这种损耗小。3、瑞利散射损耗•布里渊散射由于热声波产生的动态密度波动，这种传播的密度波动（热声子）会导致布里渊散射，是一种激光作用下而产生的非线性效应。•喇曼散射由于分子振动能级和转动能级的吸收和再发射引起的散射光。后