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傳送光波的介質波導。光纖是由成同心圓的雙層透明介質構成的一種纖維

  光纖光纜

 

。使用最廣泛的介質材料是石英玻璃(SiO2)。內層介質稱為纖芯，其折射率高于外層介質（稱為包層）。通過在石英玻璃中摻鍺、磷、氟、硼等雜質的方法調節纖芯或包層的折射率。通信用光纖的傳輸波長主要為0.8～1.7微米的近紅外光。光纖的芯徑因類型而異,通常為數微米到100微米，外徑大多數約為 125微米。它的外面有塑料被覆層。光纜（圖2）由單根或多根光纖組合并加以增強和保護制成。光纜可以在各種環境下使用。光纜的制造方法與電纜相似。

　　光纖光纜

　　光纖通信是現代信息傳輸的重要方式之一。它具有容量大、中繼距離長、保密性好、不受電磁干擾和節省銅材等優點。

發展概況

　　用玻璃纖維傳光已有30多年。初期的光纖應用僅限于某些光學機械和醫療設備（如燈光導引及胃鏡等），傳輸的是可見光，衰減高達1000分貝/公里。1966年，高錕首先提出用石英基玻璃纖維進行長距離光信息傳輸的設想。1970年在美國用化學氣相沉積法制成了高純石英光纖,其衰減降為20分貝/公里，從而使長距離傳輸成為現實。其后，光纖的衰減迅速下降，到70年代后期已降至0.2分貝/公里的理論極限水平。光纖的帶寬不斷增加，到80年代初帶寬達到數百吉赫·公里的單模光纖已可供實用。已研制成中繼距離超過100公里,容量達數百兆比/秒的光纖通信系統。光纖通信設備制造已經發展成為一個新興的工業部門。光纖中光波強度和相位隨溫度、電場、磁場等物理量的改變而變化的特點，已被用于高靈敏的遙測傳感器。

基本原理

　　光纖傳輸基于可用光在兩種介質界面發生全反射的原理。圖3為突變型光纖,n1為纖芯介質的折射率，n2為包層介質的折射率,n1大于n2，進入纖芯的光到達纖芯與包層交界面（簡稱芯-包界面）時的入射角大于全反射臨界角θc時,就能發生全反射而無光能量透出纖芯，入射光就能在界面經無數次全反射向前傳輸。

光纖光纜

　　當光纖彎曲時，界面法線轉向，入射角度小，因此一部分光線的入射角度變得小于θc而不能全反射。但原來入射角較大的那些光線仍可全反射，所以光纖彎曲時光仍能傳輸，但將引起能量損耗。通常，彎曲半徑大于50～100毫米時,其損耗可忽略不計。微小的彎曲則將造成嚴重的“微彎損耗”。

　　人們常用電磁波理論進一步研究光纖傳輸的機制，由光纖介質波導的邊界條件來求解波動方程。在光纖中傳播的光包含有許多模式，每一個模式代表一種電磁場分布，并與幾何光學中描述的某一光線相對應。光纖中存在的傳導模式取決于光纖的歸一化頻率ν值

  公式

 

　　式中NA為數值孔徑，它與纖芯和包層介質的折射率有關。ɑ為纖芯半徑，λ為傳輸光的波長。光纖彎曲時，發生模式耦合，一部分能量由傳導模轉入輻射模，傳到纖芯外損耗掉。

　　性能 光纖的主要參數有衰減、帶寬等。

光纖衰減

　　造成光纖衰減的因素有散射損耗、吸收損耗和微彎損耗等。散射損耗主要由瑞利散射產生，它是由玻璃的不規則分子結構引起的微觀折射率波動所造成的，是光纖的固有損耗，也是光纖衰減的最低限。它與λ4成反比。在波長小于0.8微米時,瑞利散射損耗迅速上升，限制了光纖的使用。光纖基質材料SiO2和摻雜氧化物分子的本征吸收損耗又使光纖的衰減，在波長大于1.7微米時，迅速增大。因此,這類光纖的使用波長就被限制在0.8～1.7微米范圍內。在這一范圍內，衰減主要是石英玻璃中所含的雜質Fe+ +、Cu+ + 等過渡金屬離子和OH-。的吸收損耗造成的。隨著純化工藝的改進,雜質吸收損耗已被基本上消除，從而達到了瑞利散射損耗的極限。光纖的不規則微小彎曲引起模式耦合,造成微彎損耗,因此在加工和使用中應盡量避免光纖微彎。

光纖帶寬

　　光纖傳輸的載波是光,雖然頻帶極寬,但并不能充分利用，這是由于光在光纖中傳輸有色散（模間色散、材料色散和波導色散）的緣故。它們在不同程度上影響光纖帶寬。

　　模間色散是由于不同模式的光線在芯- 包界面上的全反射角不同，曲折前

  光纖光纜

 

進的路程長短不一。因而,一束光脈沖入射光纖后,它所含的各模式經一定距離傳輸到達終點的時間會有先后，因而引起脈沖展寬。它可使一束窄脈沖展寬達20納秒/公里左右，光纖的相應帶寬約為20兆赫·公里。

　　材料色散是一種模內色散。光纖所傳輸的光即使是激光，也包含有一定譜寬的不同波長的光分量。例如，GaAlAs半導體激光器發出的激光譜寬約為 2納米。光在介質中的傳輸速度與折射率 n有關，而石英介質的折射率隨波長變化，因此當一束光脈沖入射光纖后，即使是同一模式，傳輸群速也會因光波長不同而有差異，致使到達終點后的脈沖展寬,這就是材料色散。在1.3微米附近，折射率隨波長的變化極小,因此,材料色散很小（例如3皮秒/公里·納米）。消除模間色散可使光纖帶寬大大提高。純石英在1.27微米波長上具有零色散特性。

　　波導色散也是一種模內色散，是由于模式傳播常數隨波長變化引起群速差異而造成的。波導色散更小。在1.3微米波長附近,材料色散顯著減小，以致二者大致相同，并有可能相互抵消。 光纖的種類 按使用的材料分，有石英光纖、多組分玻璃光纖、塑料包層光纖和塑料光纖等幾大類。其中石英光纖以高純SiO2玻璃作光纖材料，具有衰減低、頻帶寬等優點，在研究及應用中占主要地位。如按纖芯折射率分類主要有突變型光纖和漸變型光纖。按傳輸光的模式分，有多模光纖和單模光纖。

突變型光纖

　　纖芯部分折射率不變,而在芯-包界面折射率突變。纖芯中光線軌跡呈鋸齒形折線。這種光纖模間色散大，帶寬只有幾十兆赫·公里。常做成大芯徑，大數值孔徑（例如芯徑為100微米，NA為0.30）光纖,以提高與光源的耦合效率，適用于短距離、小容量的通信系統。

漸變型光纖

　　纖芯折射率分布如圖4。纖芯中心折射率最高，沿徑向按下式漸變：

n(r)=n1【1-2墹(r/ɑ)α】1/2　(2)

　　式中α為折射率分布指數。可以把這種光纖的纖芯分割成多層突變型光纖來分析

  光纖光纜

 

其傳輸原理。在分析中可近似地認為各層內折射率均勻。當入射角為θ0的光線入射纖芯后，在各層界面依次折射。按折射定律，折射角θ1逐漸增大，直到大于全反射臨界角θc；發生全反射后，即折向纖芯中心。然后，經各層時折射角又逐漸減小，到達中心時仍為θ0。結果光線呈正弦形軌跡。高次模即入射角較大的光線處于靠近包層的區域，這里折射率較小，光速較大，因此雖然路程較長，傳輸時間仍有可能與處于中心區的低次模接近或一致，即各模式的光線軌跡可聚焦于一點，使模間色散大大減小。當折射率分布接近拋物線(α＝2)時，模間色散最小，帶寬可達吉赫·公里的水平。

　　光纖光纜

單模光纖

　　當光纖的歸一化頻率ν＜2.41時,光纖中只允許單一模式（基模）傳輸，就成為單模光纖。根據式(2)，這種光纖芯徑和數值孔徑必然很小,一般芯徑只有數微米，因此連接耦合難度大。由于是單模傳輸，消除了模間色散,在波長1.3微米附近材料色散又趨近于零，因此帶寬極大（可達數百吉赫·公里）。單模光纖被視為今后大容量長途干線通信的主要傳輸線。

多組分玻璃光纖

　　組成光纖的玻璃成分以SiO2為主，約占百分之幾十，此外還含有堿金

  光纖光纜

 

屬、堿土金屬、鉛硼等的氧化物。它的特點是熔點低（1400攝氏度以下），可用傳統的坩堝法拉絲，適于制做大芯徑、大數值孔徑光纖。這種光纖尚處于研制階段，故應用不多。

塑料包層光纖

　　這是一種以高純石英作纖芯、塑料（如有機硅）作包層的突變型多模光纖。芯徑和數值孔徑較大，例如芯徑大于200微米，NA大于0.3。這種光纖便于連接和耦合，適于短距離小容量系統使用。

塑料光纖

　　光纖材料主要是特制的高透明度的有機玻璃、聚苯乙烯等塑料，可做成突變型或漸變型多模光纖，光纖衰減已從初期的500～1000分貝/公里降低到數十分貝/公里,但仍須進一步降低。它的特點是柔軟、加工方便、芯徑和數值孔徑大。

被覆光纖

　　裸光纖脆而易斷，這是因為玻璃光纖表面總是存在隨機分布的微裂紋，在潮氣、塵

  光纖光纜

 

埃和應力作用下迅速增殖而導致破壞。在光纖拉絲的同時立即涂覆一層塑料護層，制成一次被覆光纖，可保證光纖的高強度和長壽命。但為了進一步提高其耐壓和抗彎折等機械性能，便于成纜和使用，往往在表面上再擠覆一層較厚的塑料層，這就是二次被覆光纖,也稱被覆光纖。它的外徑一般為 1毫米左右。按照光纖在二次被覆護層中的松動狀態，還可分為松包光纖和緊包光纖兩類。

光纜結構

　　按照被覆光纖在光纜中所處的狀態，光纜有緊結構與松結構兩類。骨架型光纜是一種

  光纖光纜

 

典型的松結構。光纖埋在骨架外周螺旋槽中，有活動余地。這種光纜隔離外力和防止微彎損耗的特性較好。圖2b的絞合型光纜當使用緊包光纖時是一種典型的緊結構，被覆光纖被緊包于纜結構中，但絞合型光纜使用松包光纖時，由于光纖在二次被覆塑料管中可以活動，仍屬松結構。絞合型光纜的成纜工藝較為簡單，性能良好。此外，還有帶狀光纜、單芯光纜等結構類型。

　　各種光纜中都有增強件，用以承載拉力。它由具有高彈性模量的高強度材料制成，常用的有鋼絲、高強度玻璃纖維和高模量合成纖維芳綸等。增強件使光纜在使用應力下只產生極低的伸長形變（例如小于0.5％）,以保護光纖免受應力或只承受極低的應力，以防光纖斷裂。

　　光纜的護套結構和材料視使用環境和要求而定，與同樣使用條件下的電纜基本相同。按照光纜的使用環境分，有架空光纜、直埋光纜、海底光纜、野戰光纜等。

編輯本段展望

　　由于瑞利散射損耗與λ4成反比，石英光纖在長波長（1.3～1.6微米）下具有更低

  光纖光纜

 

的衰減，因此長波長光纖將獲得最廣泛的使用。目前 1.3微米的長波長光纖已取代0.85微米的短波長光纖。人們正在研制1.55微米波長的傳輸系統。以及工作波長更長、衰減更低的新型光纖材料。單模光纖具有更高的帶寬，并能適應相干傳輸和外差接收新技術，可大大擴展中繼距離和信息容量，已成為人們研究的重點，單模光纖可在長途干線及海底光纜中大量使用。工作在一個偏振狀態的偏振維持型單模光纖適用于相干傳輸和相位調制型光

纖傳感器。