光纤通讯第2章.ppt

2.1　光纤的结构和分类2.1.1　光纤的结构　　光纤是用玻璃预制棒拉制成的玻璃丝，由纤芯和包层组成，其形状为圆柱体，如图2.1所示。图中中心部分为纤芯，其直径为5～75μm；纤芯外面的部分为包层，包层的直径为100～150μm。纤芯和包层的主要材料都是石英玻璃，即二氧化硅（SiO2）。纤芯的作用是传输光波，包层的作用是将光波封闭在纤芯中。为了只让光波在纤芯中传输，需要使纤芯材料的折射率n1大于包层材料的折射率n2。为此，在纤芯中掺入了少量的比石英折射率稍高的材料，如二氧化锗（GeO2），五氧化二磷（P2O5）；在包层中掺入了少量的比石英折射率稍低的材料，如三氧化二硼（B2O3）、氟（F）。 图2.1　光纤的结构 　　由纤芯和包层组成的光纤称为裸光纤。由于裸光纤较脆、易断，为了保护光纤表面，提高光纤的抗拉强度以及便于使用，一般需在裸光纤外面进行二次涂抹覆盖而形成光纤芯线，光纤芯线的横断面如图2.2所示。图中，包层外面很薄一层的涂覆层称为一次涂覆，其厚度一般为30～150μm，所用材料为硅树脂或聚氨基甲酸乙脂；一次涂覆的外面为套塑，套塑称为“二次涂覆”或“被覆”，套塑的材料多为聚乙烯或聚丙烯塑料、尼龙等。 图2.2　光纤芯线的横断面 2.1.2　光纤的种类　　光纤的种类很多，可以用不同的方法进行分类。　　1.按照制成光纤的材料分类　　按照制成光纤的材料不同来划分有石英光纤、多组分玻璃光纤、液态光纤和塑料光纤。目前使用最普遍的是石英系列光纤。 　　2.按照光纤纤芯的折射率分布分类　　按照光纤纤芯的折射率分布来划分，光纤分为突变型光纤、渐变型光纤和W型光纤。　　突变型光纤的纤芯折射率n1是均匀不变的，包层的折射率为n2，在纤芯和包层的界面上折射率发生突变，如图2.3（a）所示，图中，2a、2b分别为纤芯和包层的直径。突变型光纤又可形象地称为“阶跃型光纤”。　　渐变型光纤的纤芯折射率在轴心处最大，而在光纤的横截面内沿半径方向折射率逐渐减小，到了纤芯和包层的截面降至包层的折射率n2，其折射率分布如图2.3（b）所示。渐变型光纤由于制造上的特点，又可称为“梯度型光纤”。 　　W型光纤的折射率分布如图2.3（c）所示，它是在纤芯与包层之间设一缓冲层，纤芯的折射率最高为n1，缓冲层的折射率最低为n3，而包层的折射率n2介于二者之间。　　目前广泛使用的是突变型光纤和渐变型光纤。 图2.3　光纤的折射率剖面分布（a）突变型光纤；（b）渐变型光纤；（c）W型光纤 　　3.按用途分类　　按照光纤用途划分为传输光纤和有源光纤。有源光纤是光纤放大器和光纤激光器的激光介质，它与作为光通信的传输光纤（又称光导纤维）的主要区别是有源光纤的纤芯中掺入了数百个10-6单位的稀土元素Er3++（铒）。Er3++在合适的泵浦作用下受激跃迁，使光信号获得放大。传输光纤芯层中掺有少量的Ge+4则是为了提高芯层的折射率。 　　4.按照光纤传输模式分类　　按照光纤中传输的模式数划分，光纤分为单模光纤和多模光纤。所谓模式，简单说来就是电磁场在光纤中的分布方式，模式不同，其分布不同。　　当光纤纤芯中只有一种模式传输时，这种光纤叫做单模光纤。单模光纤的纤芯直径较小，一般在10μm以下。　　当光纤纤芯中有多个模式传输时，这种光纤叫做多模光纤。多模光纤的纤芯直径较大，约为50～75μm。 　　5.按照波长分类　　按照波长分类则可分为短波长光纤、长波长光纤和超长波长光纤。目前主要使用1.55μm的长波长光纤。　　目前在通信上使用的光纤主要有：突变型多模光纤（SIF）、渐变型多模光纤（GIF）和单模光纤（SMF）三种，如图2.4所示。三种光纤的主要区别如表2.1所示。 图2.4　三种常用光纤(a)SIF光纤；(b)GIF光纤；(c)SMF光纤 表2.1　三种光纤的主要区别 2.1.3　光纤的结构参数　　光纤是由纤芯和包层组成的，理想的光纤其纤芯和包层为同轴心的均匀圆柱体，其横断面如图2.5（a）所示，在这种情况下，光纤的纤芯直径（芯径）和包层直径（外径）可用其横断面圆的直径来表示。由于实际的光纤并不理想，总存在一点偏差，如纤芯与包层不同心、不是均匀的圆柱体等，因此对于实际的光纤，除芯径、外径之外，有必要再确定结构参数，如非圆率、偏心率等，这些参数对估算和评价光纤接续损耗都有着重要的作用。 图2.5　光纤的横断面（a）理想光纤；（b）实际光纤 　　如图2.5（b）所示，光纤的芯径一般用纤芯的最小直径dmin和最大直径dmax的平均值表示，即　　平均芯径 　　由于实际光纤的纤芯与包层并不是理想的圆柱体，故将纤芯非圆率定义为纤芯的最大直径和最小直径之差与芯径的比值，即 　　纤芯非圆率 　　偏心率是表示纤芯与包层两圆心