光纤知识（十分完整）...

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jking · 发表于 2008-4-6 21:41:00

复习思考题 1．什么是光纤 由玻璃、塑料和晶体等对某个波长范围透明的材料制造的能传输光的纤维。由中心部份的纤芯和环绕在纤芯外面的包层组成，芯的折射率比包层的高。光特性由光纤横截面上折射率分布所决定，分布一般呈圆对称形，仅与径向坐标r有关，用符号表示。光纤呈圆柱状直径从几μm到几百μm。光从纤维端面进入后即束缚在纤维内曲折地向前传播其传输原理可用几何光学或波动光学解释。制造光纤时，一般先用原料做成坯棒或块材，然后拉制成细而长的纤维。光纤的特征和性能有以下几方面：①几何和结构参数，如芯径、外径、数值孔径、芯/包层相对折射率差、折射率分布、涂覆层厚度等；②光传输特性，如工作波长，传输损耗和带宽、色散以及偏振特性；③环境特性，如高低温特性、抗微弯和弯曲特性、辐射特性、氢效应、抗疲劳特性和机械筛选强度等。此外，单模光纤的参数还包括零色散波长和截止波长等。光纤的分类是一个很复杂的问题，因为存在许多分类标准，例如工作波长、模式、折射率分布、材料及纤维形态和结构均可作为分类的标准。 )(rn 2．什么是多模光纤 可传播多种模式电磁波的光纤。根据横截面折射率分布不同可分阶跃型多模光纤和梯度（渐变）型多模光纤。前者模间色散大，传输的信息容量较小；后者模间色散小，可传输的信息容量较大。多模光纤芯径较大，一般为50μm或62.5μm，其数值孔径为0.275。与单模光纤相比，芯径大得多，制造较容易，使用较方便，例如容易相互熔接，容易与无源器件、光源和光检测器件配接使用。但色散大得多，传输容量较小。 3．什么是单模光纤 只能传导单一基模的光纤。圆芯折射阶跃分布的光纤维持单模传输出的条件是规一化频率值小于等于2.405，还有其他折射率分布。表征单模光纤除了用与多模光纤相同的一些传输性能指标和结构指标外，还应包括截止波长、零色散波长和模斑尺寸。在实用中，单模光纤的抗弯曲和微弯特性是重要的，单模光纤的制造工艺、熔接和耦合技术已经成熟，其品种繁多，应用广泛，产量已超过多模光纤。除普通单模光纤外，还有具有特殊色散特性和偏振特性的单模光纤。制造单模光纤的材料有以二氧化硅为基础的玻璃及重金属氟化物玻璃。各种单模光纤可分别在高速率通信系统、局部地区网线路和传感器等器件中应用。 4．什么是塑料光纤plastic optical fiber(POF) 一种由高折射率的透明塑料芯材与低折射率的透明塑料包层构成的光纤。直径小到几十微米到几毫米不等。与无机玻璃质光纤相比，它有重量轻，柔软性好不易折断，制造方便成本低等优点，同时光纤上端面的损耗较小，对可见光波段透光性好，并可与价廉的发光二极管配合使用，因此具有经济上的优越性。这类光纤目前存在的缺点是传输损耗高，抗张强度低，耐溶剂侵蚀性差，容易老化且最高使用温度低于80℃，应用受到限制。主要用于传输距离100~200m、频带宽度10~20Mb/s的闭路光通信系统。制造塑料光纤的主要树脂材料有两大类，一类以聚甲基丙烯酸甲酯作纤芯，另一类以聚苯乙烯作纤芯。另外还有以聚碳酸酯和含25%克分子的间苯二酸的聚酯等为纤芯的塑料光纤。塑料光纤除单根纤维使用外还制成塑料传光束使用。 5．什么是气相技术vapour technique 用气相化学反应把组成玻璃的二氧化硅和其他成份合成为石英基玻璃块料和石英基光纤坯棒的技术。优点是：①原料纯度高，利用蒸气压的显著差别提纯原料，杂质含量可减少到PPB级；②无炉子和坩埚的污染；③四氯化硅、四氯化锗等原料是半导体工业中常用原 1 料，有商品供应；④可制备光学上特别均匀的各种耐熔组份的石英基玻璃，而其他方法很难做到；⑤玻璃成份可有较大幅度变化，能满足光纤设计者提出的要求。气相技术制备光纤坯棒主要以加热氧化反应、等离子氧化反应和火焰水解反应为基础，由此形成各种工艺方法。 6．什么是化学汽相沉积法chemical vapor-phase deposition (CVD) 用高温汽相氧化反应获得固相沉积物的工艺。原广泛用于半导体工业，是一种在半导体器件产生二氧化硅保护膜的加工方法，其原理是易氧化的与被惰性气体高度稀释的氧化剂相互作用。由于反应在相当低的温度下进行，氧化反应只有加热的基体表面发生并且二氧化硅均匀沉积在基体上。同样原理用于制造光纤坯棒。基体是一根加热的石英管的内表面，在其上沉积各种组份的玻璃状膜，达到足够厚度后再把管子缩成棒。沉积层有几种，一种是以为掺杂剂，经过氧化反应产生掺杂到中去从而提高玻璃的折光率而成为芯材，石英管作为皮层；另一种是先沉积低折光率的硼硅酸盐玻璃作为皮层，再沉积纯玻璃作为芯材。CVD法的特点是，由于利用了形成玻璃元素的气体化合物，纯度高；反应在管内进行，污染少；并且对环境要求不必很严格；可以制成低损耗光纤。缺点是，由于反应浓度和温度均低，反应仅发生在管壁附近，所以反应速度很慢；应用氢化物作反应剂，易燃烧不安全；并且反应生成的玻璃材料中OH离子浓度较高，造成光纤大的OH离子吸收。为此，在这基础上发展了MCVD、PCVD等工艺。 4SiH44HG2GeO2SiO2SiO 7．什么是改良的化学汽相学积法modified chemical vapor de-position (MCVD) 又称“内部加热氧化法”。在化学汽相学积法基础上发展的一种制造光纤维坯棒的方法。与CVD不同，它的起始反应物是在一根旋转的石英管内加热，温度、浓度等条件促使大部份的反应以同质反应进行，即包含一个相的反应。汽相物质在灼热区反应后生成颗粒状材料落向下方远离灼热区的管壁处，灼热区沿管子长度连续地、周期地往返移动，从而形成一层层颗粒层，同时颗粒层又成为透明的玻璃层，最后再烧缩成所需的高度透明的玻璃质坯棒。由于反应剂浓度和温度的提高，同质反应和异质反应同时进行，所以MCVD法的沉积速度比CVD法提高了100倍。高的反应温度允许使用卤化物作反应剂，因而消除了高浓度的OH离子。由于玻璃形成无元素的卤化物的挥发性比杂质元素的卤化物高，蒸气压差几个数量级，因此原料纯度极高；并且在管内密封条件下污染亦少，可制得损耗极低的光纤。沉积过程中调节每层掺杂剂浓度可得到所需的任意折射率分布的坯棒。MCVD的工作原理如图所示。 8．什么是等离子体CVD法plasma chemical vapour-phase deposition (PCVD) 又称“内等离子氧化法”、“侧面横向火焰水解法”。用微波等离子体使石英基管内气态卤化物原料氧化生成玻璃沉积膜层制造光纤坯棒的过程。等离子体是由装在石英管外可快速移动的环形微波腔发生的，这种微波等离体发生器的功率一般为1000W左右，频率2.45GHz，发生的等离子体属于非等温等离子体，即等离子体内电子温度高于离子温度和 2 气体温度。因而气态原料的氧化反应可在低温（500℃）进行，但反应沉积的玻璃内氯含量较高。为避免氯气导致沉积层开裂和剥落，在石英管外还套一管式加热炉，使反应沉积在1000℃以上进行。PCVD法的特点是在管壁处进行异相反应并直接在管壁上形成一层极薄而且均匀的玻璃膜层；为了提高同一膜层内玻璃成分的均匀性，等离了发生器以8cm/s的速度快速移动；调节形成每一层玻璃膜时气态原料的组成，就可形成设计要求的折射率分布的坯棒；每一坯棒的形成一般要沉积2000层玻璃膜，因而折射率分布比较理想。另外沉积效率高亦是PCVD法的优点。 9．什么是外汽相沉积法outside vapor-phase deposition (OVD) 在靶棒外表面用汽相沉积技术制造光纤坯棒的方法。这种方法的工作过程如下，供料系统把一定组成的气态原料通到高温火焰中，原料经水解反应产生的玻璃微珠喷涂到一根旋转的靶棒表面，当燃烧器平行靶棒轴移动一个行程后，整个靶棒表面就粘附一层均匀的玻璃微珠层，燃烧器不断地往复移动，同时不断改变每一层玻璃微珠的供料组成，就能形成横断面具有折射率分布的玻璃微珠堆积成的圆柱体，冷却后由于靶棒与玻璃柱体的热膨胀的不同可顺利抽出靶棒，再经脱水和透明化，就可制成各种优质光纤用的坯棒。OVD法的优点是多孔玻璃空心柱体脱水比较容易、透明化温度较低，掺入的、等组份的挥发较少以及容易制造大尺寸坯棒。 GeO52OP 10．什么是汽相轴向沉积法vapour-phase axial deposition method (VAD) 又称“纵向火焰水解法”。气化的原料进入火焰中水解形成的超细玻璃粉堆积在作为靶子的种棒的端面上，形成轴向生长的光纤坯棒的方法。本方法所用的种棒一般是石英玻璃棒。用VAD法制备光纤坯棒可分四个阶段：多孔坯棒的制造、脱水和透明化过程、拔细和加外附管。前两个阶段是利用附图所示装置连续进行。拔细是把前阶段做成的直径为25mm的棒拉成直径为10mm的棒。加外附管是用来调节芯和包层的相对尺寸，外附管是石英管，这后两个步骤是在玻璃车床上进行的。用VAD法制造进行光纤坯棒时，不同于与其他工艺方法，关键问题是折射率分布的形成、脱水技术、沉积燃烧器的结构以及掺氟途径。VAD法的优点：⑴不受底管尺寸的限制，因而便于制造大尺寸坯棒，产量高成本低；（2）有一个脱水过程，可使材料内OH根含量降得很低；（3）可用作原料，与相比价格便宜并且容易沉积。VAD工艺虽然步骤较多、装置复杂、控制难度较大，但它已用于大规模生产各种优质光纤和制造各种特殊结构的光纤。 3SiHCl4SiCl 3 11．什么是等离子体plasma 一种电离状态的导电气体。气态原子中在最外层运动的电子在外力作用，如加热或在电场中受到高速粒子的冲击下脱离自己的轨道成为自由电子，中性的原子成了带正电的离子。这种由自由电子、阳离子及中性原子核子组成的集合体内，正电量的总数与负电量的总数相等，因而称为等离子体。温度高达几百万摄氏度的称高温等离子体。几万摄氏度的称低温等离子体。低温等离子体又分为冷等离子体和热等离子体两种。在石英基玻璃及光纤的制造中所采用的微波等离子体属于冷等离子体，而高频感应等离子体则属于热等离子体。 12．什么是光纤预预制棒的熔缩collapse MCVD工艺中，把内表面带有沉积层的石英管通过高温收缩成实心预制棒的过程。熔缩的温度一般为2000到2300℃，用火焰喷灯往返数次加热石英管使其逐步收缩成实心预制棒。熔缩的原理是在高温下玻璃表面张力和玻璃管内外压力差驱使玻璃向管心处粘性流动逐步收缩成实心预制棒。一般玻璃的表面张是熔缩的主要动力，但由火焰喷灯的滞流压力引起的外压力和由料流速度、管径和出料端口状态决定的内压力之间的差值对熔缩的稳定性起重要作用。熔缩是MCVD法制造光纤熔缩的主要阶段，因为①熔缩速度在很大程度上影响预制棒制造的周期的长短；②收棒质量影响最终预制棒的尺寸精度；③由于熔缩温度较高，沉积层内某些组份如和容易挥发而造成中心处折射率下陷使光纤带宽特性恶化。 0PiP50OP2GeO 13．什么是预预制棒perform 径向折射率分布符合光纤设计要求的玻璃棒。主要指用各种气相沉积技术制成的石英基玻璃棒，有时也指用烧铸法和分子填充法等其他方法制成的具有芯和包层的其他方法制成的具有芯和包层结构的其他种类的玻璃棒。预制棒是制造光纤的原材料，它决定了光纤的质 4 量，因此要求尺寸精确、化学成份分布严格和低的微裂纹密度等特性。 14．为什么现代通信中的传输手段大量使用光纤光缆而不使用金属电缆? 答:光纤光缆与金属电缆相比具有如下优点： 1．损耗低 例如，如若使光线穿过数厘米厚的窗玻璃，就将损耗掉一半的能量；如若使光线通过诸如天体望远镜之类的光学透镜，则穿过数米后，其能量减少一半；然而，当光波在光纤中传输时，假设光波长为1.55nm，那未经传输15km以后，输入的光能量才减少一半。可见光纤的损耗是很低的。 2．频带宽 金属电缆中，除了有直流电阻损耗外，还有称之为趋肤效应的高频损耗，以及介质的漏电引起的介质损耗，致使金属电缆工作频带不能很宽。以同轴电缆为例，当传输的信号频率在10MHz左右时，每传输1km，大约就要损失信号功率的一半(能量减半)。可见，金属电缆的频率特性较差，频带较窄。对于光纤来说，光纤的带宽与光纤的折射率分布、纤芯直径大小和光纤材料的不同种类而有较大的差异。例如，石英系单模光纤(SM型光纤)，其带宽可达数十GHz.km以上，可见频带是非常宽的。 3．线径细 光纤只有发丝那样的粗细，即便光纤成缆以后光缆也可以做得很细。无论在任何使用场合，与金属电缆相比光缆的占空可以得到大幅度的改善。 4．重量轻 光纤的主要材料为石英玻璃，其比重只为铜的1／4，成缆之后也很轻，便于敷设施工。 此外，由于光纤损耗低，频带宽，故使用光缆传输可以减少中继器的数量，甚至可以完全不经过中继器即可将大量信息长距离地传输到对方，从而可使传输成本显著降低。 随着 ISDN业务的逐渐普及，今后图像、高速传真、高速数据等这些高速、宽带传输业务的需求势必不断增加，光纤正是可以满足这些要求的最为有效的传输手段。 另外，因为光缆比较细，重量比较轻，所以在光缆的运输和敷设等作业中，工作效率和经济效益均较高。同时，由于容易实现长距离敷设，故链路中的每段光缆都比较长，从而减少了接续点的个数，进一步提高了系统的可靠性。 由上可见，光缆必将代替以往使用的金属电缆，并且目前就已广泛地应用于各种传输线路中。 15 光缆是否可以完全代替金属电缆? 答传输线路大体上可分为：连接市内电话局之间，或市内电话局与长途局之间的市内局间中继线路，市外长途通信线路，以及连接电话局和用户间的用户线路。其中，中继线路、长途线路是局间接续，它使用一条高速、大容量的传输线路，可以承载许多业务，有很高的经济效益。特别是对于连接大城市之间的长途干线，其应用性就更强。因此，早期的光纤通信就是在局间中继线路和长途线路方面积极引入了光纤传输方式。可以预测这种倾向今后一定更加突出，以至不久的将来，中继线路、长途线路将全部被光缆所代替。 在用户线系统方面，目前就大多数用户来说，只需要一条电话线，而对于大的工厂、公司、银行等单位来说，除了需要提供容量较大的电话线路以外还要求传输高速、宽带的通信业务，例如高速数据和活动图像等业务，因此，对于目前的用户系统，光纤光缆的使用仅限于在大的工厂、机关单位、公司、银行等内部以及它们与电话局间的连接。但是，今后随 ISDN业务的发展，光纤光缆正积极地向用户系统更广泛的方面扩展，必将进入家庭用户之中。可以预测，用户线路也将会逐步被光纤光缆所代替。 5 16 什么是介质的折射率 答：根据光的折射性质可知，当光在空气和水，空气和玻璃等不同物质中传播时，在其交界面上，光将发生折射而改变先进方向。那么方向改变多少，有多大的折射比例，这要根据形成的介质组合的不同而不同。如何介质确定了，则折射比例也就决定了，表示这个折射比例的尺度称为折射率。通常是以光线从空气入射某种介质时的折射比例来定义该介质的折射率。 折射现象是因光在不同介质跌传播速度不同而产生的。在空气中，光的速度为3×108m/s。而在介质中光传播速度降低。例如在水中，光速大约是空气中光速的3/4，在玻璃中大约是2/3，在宝石中大约是2/5。 因此，介质的折射率表示光在空气中（严格说应在真空中）的传播速度与光在某一介质中的传播速度之比，即 n某一介质中的光速空气中的光速=n 17 什么是光的全反射现象 答：如图1.6所示，当光从折射率的介质向折射率低的介质行进时，折射光的前进方向将向靠近界面侧偏转。因此，若增大入射角iθ，使入射角增大到某一值时，折射光将与界面相平行，此时的入射角称之为临界角。当入射角大于临界角时，折射光消失，入射光在界面处全部被反射，这种现象叫作全反射。 关于光的全反射，是光从高折射率介质向低折射率介质入射时才发生的一种现象。光从折射率低的介质向折射率高的介质入射时，绝对不会产生全反射的。 图1.6 光的全反射 18 光在光纤中是怎样传播的 答：光纤的结构如图1.7所示，为介质圆柱体，由纤芯和包层两部分组成。纤芯区域完成光信号的传输；包层是为了将光封闭在纤芯内并保护纤芯，增加光纤的机械强度。目前，通信光纤的纤芯与包层主体材料都是石英，但两区域中掺杂情况不同，因此折射率也不同。 纤芯的折射率一般是1.463~1.467（根据光纤的种类而异），包层的折射率是从1.45~1.46左右。也就是说纤芯的折射率比包层的折射率稍微大一些。所以当纤芯内的光线入射到包层界面时，只要其入射角度大于临界角（能否产生全反射的临界角度），就会在纤芯内发生全反射，没有光漏射到包层中，光将在纤芯内不断传播下去。 6 图1.7光纤的结构 19 为什么光可以传送声音 答：为了用光传送声音，首先要像在普通电话通信中那样，先把声音信号（声音的强弱）变为电信号（电压或电流的强弱），然后将此信号不失真地进行传送。然而在光通信中，还要将这个电信号再变换成光信号（光的强弱），并使用光纤作为传输媒质将这个光信号传送到远方。在光纤传输的接收端，则把这个光信号先转变成电信号，然后再将电信号还原成声音信号，这样就实现了通话。 产生光载波，并把电信号变换成光信号的器件即为发光器件。光纤通信中使用的半导体发光器件有发光二极管（ＬＥＤ）和半导体激光二极管（ＬＤ）。把光信号变换成电信号的器件称之为光电检测器件。光纤通信中使用的半导体光电检测器有ＰＩＮ光电二极管和雪崩光电二极管（ＡＰＤ）。 当然实际的光纤通信系统，并不是如上所述的简单组合。数字通信中，是先将声音转变为数字信号从而转变成电信号的ＯＮ（通）和ＯＦＦ（断），然后再将这个信号以光的有无形式，经光纤传送至接收端。 20 为什么在光通信中使用激光 答：激光的发光波长近于单一，也就是说时间相干性很高的光。另一方面，光纤中光的损耗与光纤中所传输光波的工作波长有关。因此，在光纤通信中可以选择与光纤损耗小的工作波长范围相适应的激光光源。 另外，光波长不同，石英玻璃的折射率也不相同，所以光在石英玻璃纤维中传输时，光波传输速度也因光波长的不同而异。因此对于一个包含有各种光波长的光脉冲来说，在光纤中传输时，由于传输速度的不同，光脉冲必将产生时间展宽，这样在一定时间内就不能传输更多的光脉冲。由此，高速率（或宽频带）信息的长距离传输就受到限制。以此观点出发，具有时间相干性很高的激光更适合于大容量长距离的光纤通信。另外，由于激光的空间相干性好，可以用透镜将光聚集成一点，这样可以使激光耦合到芯径极细的光纤里实现良好的耦合。再则，激光光束相位相同，具有很强的光强，可以增加无中继传输距离。 由上可见，时间、空间相干性都高的激光自然是十分适合于光纤通信的。 21 光纤具有哪些参数 答：光纤参数包括光学参数和结构参数。前者与光传播中起重要作用的折射率有关，后者则表示光纤的结构尺寸。 光学参数中包括表示纤芯和包层具有不同折射率的相对折射率差；表示光由空气朝向光纤耦合射入和光从光纤射出状态的受光角以及数值孔径；此外还有表示纤芯折射率分布形状的折射率分布系数等等。 结构参数中包括：表示纤芯直径的芯径，表示光纤直径的包层外径，此外还有表示偏离理想同心结构的偏心率和不圆率等等。 22 怎样定义光纤的带宽 7 答：光纤带宽就是用来表示光纤在１秒钟所能传输信息量大小的一个标度。 怎样来确定光纤的带宽呢？如图1.18-2(a)所示，把正弦信号对光源进行强度调制的光入射到光纤内，正弦波的峰可以认为是一个脉冲，则在光纤出射端波形发生时间展宽。观察图1.18-2(a)所示的光波强度变化可知，对于振幅为A1强度的光，在光纤出射端光强振幅减小，图中用Ａ0表示。这个振幅减小的比例与调制信号的频率有关。如图1.18-2(b)(c)所示，可见光强发生变化的正弦波频率越高，振幅衰减的比例越大。其关系如图1.18-3中的曲线所示。通常把这条曲线叫作光纤的基带频率特性。不同的光纤有不同的基带频率特性。 图1.18-2光的调制频率和振幅衰减关系 图1.18-3基带频率特性和带宽 在光纤的基带频率特性中，把光纤出射端输出光功率降低一半的频率，称为该光纤传输带宽。它相应于光功率3dB的带宽，或称6dB（电）带宽（指光功率转变成电流的电功率带宽）。 光纤的传输带宽越宽，每秒钟内所能传送的光脉冲数就可以越多，从而就能实现大容量的传输。 图1.18-4中分别画出了脉冲的传输速度和频率间的关系。由此不难理解，在基带频率特性中所应用的频率（每秒内传送峰的个数）与数字传输中每秒内传送的脉冲个数相同。 图1.18-4传输速率和频率的关系 23 什么是色散 答：上问答中曾指出，入射到光纤的光脉冲经光纤传输以后，出射端光脉冲将发生时间 8 展宽，把这种波形展宽现象称为色散。 光纤色散按产生的原因不同大致可分为三种：模式色散、材料色散和波导色散。下面，就此进行简略说明。 （１）模式色散 在多模光纤中，由于各传输模式的传输路径不同，各模式到达出射端的时间不同，从而引起光脉冲展宽，由此产生的色散称为模式色散。 参看图1.12-1所示的阶跃折射率（ＳＩ型）多模光纤。假设这根光纤可以传输三个模式。由图可知对于高次模，到达出射端所必须经过的路程就要长，因而到达出射端的时间也随之增长。结果是，入射到光纤的窄脉冲，由于不同模式到达的时间不同，从而在出射端发生了脉冲展宽。 （２）材料色散 光纤材料石英玻璃的折射率，对不同的传输光波长有不同的值。这可用图1.19来加以说明。包含有许多波长的太阳光，通过棱镜以后可分成七种不同颜色就是一个证明。由于上述原因，材料折射率随光波长而变化，从而引起脉冲展宽的现象称为材料色散。 由于光纤通信中实际使用的光源，其发出的光并不是理想的单一波长，而是具有一定的波谱线宽。这样，当光在折射率为n的物质中传播时，因其速率与真空中的光速c之间的关系为： nv ncvn= 因此，由于光波长不同，折射率（n）不同，当把具有一定波谱线宽的光源所发出的光脉冲射入到光纤内传输时，则光的传输速度将随光波长的不同而改变，在到达出射端时将产生时间差，从而引起脉冲波形展宽。 图1.19波长不同引起折射率不同的举例 （３）波导色散 由于光纤的纤芯与包层的折射率差别很小，因而在界面产生全反射现象时，有一部分光强进入到包层之内。由于出现在包层内的这部分光强大小与光波长有关，这就相当于光传输路径长度随光波波长的不同而异。因此，把具有一定波谱线宽的光源所发出光脉冲射入到光纤后，由于不同波长的光其传输路程不完全相同，所以到达光纤出射端的时间也不相同，从而使脉冲展宽。具体说，入射光的波长越长，进入到包层的光强比例就越大，传输路径距离越长。由上述原因所形成的脉冲展宽现象叫作波导色散。 材料色散和波导色散都与光波长有关，所以又统称为波长色散。 模式色散仅在多模光纤中存在，在单模光纤中不产生模式色散，而只有材料色散和波导色散。 通常，各种色散的大小顺序是：模式色散>>材料色散＞波导色散 因此，多模光纤的传输带宽几乎仅由模式色散所制约。在单模光纤中，由于没有模式色散，所以它具有非常宽的带宽。 9 24 产生光损耗的原因有哪些 答：在光纤光缆中，存在着金属电缆所没有的特有损耗。产生光损耗的原因大部分为光纤具有的固有损耗和光纤制造后的附加损耗。前者主要包括瑞利散射损耗、吸收损耗、波导结构不完善引起的损耗；后者包括微弯损耗、弯曲损耗、接续损耗等。 瑞利散射损耗 固有损耗吸引损耗 光损耗波导结构不完善引起的损耗 微弯损耗 附加损耗弯曲损耗 接续损耗 下面就此简要地加以说明。 （１）瑞利散射损耗 所谓瑞利散射是指光与微小粒子相遇时，光将向各个方向散射的现象。光纤在制造拉丝过程中，从2000°C的高温迅速冷却到20°C左右的室温。这样，在2000°C时产生的密度分布不均匀和成分组成的不规则将残留在光纤中。这种微小的密度分布不均匀和微小的组成不规则性将产生瑞利散射损耗。自然中，我们见到白天天空呈蓝色，早晚却呈红色的现象，就是由于光在大气中瑞利散射的结果。 （２）吸收损耗 所谓吸收损耗是由于光纤材料对光能的固有吸收并转换成热能而产生的损耗。它包括组成光纤玻璃材料物质本身的吸收损耗，以及在玻璃材料中含有杂质而引起的杂质吸收损耗。其中影响最大的是，由于含有氢氧根（OH）成分而引起的吸收损耗。 （３）波导结构不完善引起的损耗 实际的光纤，纤芯和包层的界面并不是理想的光滑圆柱面，存在着非常微小结构的凸凹现象。如果存在着这种不均匀表面，则传输模将变换成辐射模（即有一部分传输能量变换成泄漏到纤芯外面的模式），使光纤损耗增加，这就是所谓的波导结构不完善引起的损耗。但是，这种损耗可以从制造技术的不断提高中得到改善。对于具有良好控制所制造的光纤，这种损耗可以降到0.02~0.2dB/km左右。 （４）微弯损耗 微弯损耗和波导结构不完善引起的损耗一样，是由于纤芯与包层界面有微小凸凹而产生的损耗。但前述的波导结构不完善引起的损耗是在光纤的制造过程上产生的，而微弯损耗则是在光纤制造出来后，由于光纤侧面受到不均匀的压力，使得光纤在轴向上发生微米（10-6m）级的弯曲而产生的损耗。例如，这种现象发生在对光纤施加张力以便把它卷到绕线筒上，或者对光纤施加了不适当的塑料涂覆层，或许是因涂覆层后的光纤受到很大的温度变化等影响，从而使光纤呈现显示的微弯。 （５）弯曲损耗 所谓弯曲损耗，顾名思义是光纤弯曲时所产生的损耗。对于弯曲的光纤，在弯曲的曲率半径较小的情况下，将使光纤内的光在纤芯与包层界面上因入射角余角大于临界角，致使光泄漏到包层内而产生损耗。因此，在光缆敷设和接续作业时对此需充分加以注意。光纤光缆弯曲的曲率半径不得小于允许的曲率半径。 （６）接续损耗 光纤接续时，两纤芯相互间必须正确吻合，以达完善和均匀一致地进行光纤接续。否则，从一根光纤纤芯出射的光就不能完全入射到另一根光纤的纤芯中，部分光将进入包层而形成辐射模损耗掉。产生接续损耗的因素主要来自两个方面，一是由于光纤参数不同，即光纤芯径不同或相对折射率差不等引起的损耗，二是由于接续操作不完善，例如光纤芯轴未对准， 10 纤芯间有间隙、两轴间有折弯、光纤端面不完整等引起的损耗。 25 为什么必须进行筛选试验 答：在光纤的制造过程中，统观光纤的制造全长，在光纤的表面和内部会随机性地存在伤痕、缺陷等现象，从而降低了光纤的机械强度。为了去除这种伤痕、缺陷，保证光纤的强度，通常要对产品进行称之为筛选的加速劣化试验。所谓筛选试验是在光纤全长上施加一个张力，在这个张力的作用下，因存在伤痕、缺陷使强度降低，导致光纤发生断裂，或发现其上的隐患部位并去除以确保光纤强度。这种筛选试验除了在制造光纤时要进行以外，还在使用MF-2S之类熔接机时的熔接接头处也进行强度筛选试验。 26 光纤的寿命由什么决定 答：为了保证光纤的长期寿命，需要明确两点：①光纤材料的稳定性及其对传输特性的影响，②光纤的断裂概率。就①而言，特别是心线材料的可靠性试验需要多次进行。基于试验结果，日本通常使用尼龙或者UV（紫外线固化）材料作为二次涂敷材料。关于②，开展了与拉丝时所进行的筛选试验有关的理论研究，在现阶段可以进行某种程度的预测。 光纤的抗拉强度可用图1.42-1的韦伯尔分布来表示。在低强度一侧，一般来说断裂概率不太大，分布的倾斜也有较缓的趋势。但是，对于一条在实际使用的非常长的光缆传输线路中，必然存在着低张力作用下光纤就断裂的地方。所以必须对光纤施加一定张力进行筛选试验，把在某一强度下发生断裂的地方预先淘汰掉，这一点特别重要。 图1.42-1光纤断裂概率韦伯尔分布图 图1.42-2断裂寿命推定曲线 这样，就筛选试验后的光纤而论，原则上可以决定在筛选张力附近及其以下部分的强度 11 分布。依据残留应力或使用中的外加应力可以求得长期的破断概率。 在实际应用中，为筛选强度采用的筛选应变为0.5%（陆地用光纤），这可保证在20年中断裂概率为1.0×10-5/km。 27 光纤怕水吗 答：光纤的抗张强度，主要取决于光纤表面上的损伤。如果对光纤施加一定强度的拉伸张力，则这个应力将集中于损伤处，导致裂纹不断扩大直至断裂。 产生损伤的原因主要有： （１）采用管内CVD法制造时，初始石英管本身有损伤。 （２）拉丝加热炉内的尘埃，温度变化的环境条件。 （３）光纤表面与其它物体相接触。 光纤表面存在的损伤随着时间推移将逐渐扩大这也是光纤断裂的原因。 使光纤损伤扩大的主要因素包括：应力、水、温度等等。如图1.43-1所示石英系的光纤，在水中和空气中相比基本断裂时间及其负荷应力这二项性能都将下降。而且从图1.43-2可知，不可忽视在水中无负荷状态时的光纤强度的下降；而在80ºC下有负荷应力时，光纤强度明显下降。 关于光纤表面损伤的增长机理，从微观角度可以认为是普通玻璃材料情况不同，制造时在Si-O结合键处要产生变形，这种变形的Si-O结合键由于水的作用而断裂。有关这种现象的报告已经发表。 因此，在实际使用环境中要注意不可把光纤浸于水里。 28 什么是氢损？ 答：氢损是指光纤光缆在使用的过程中由于在氢分氛中使H峰或OH峰显著增加、而整个衰减谱也随之整体上移。 氢损有两种情况：一是H2分子由于扩散作用而进入光纤产生氢损，是可逆的，当光纤光缆周围的氢气氛消失时，产生的氢损会自动消失；另一种是氢生成的氢氧根OH-1与光纤中的SiO2分子网络相结合产生氢损，不可逆。 由H或OH与SiO2形成的结构不同会在不同的波长处产生损耗峰值，可以根据光纤的损耗谱来判断是否产生氢损、产生何种氢损。下图是两种氢损衰减谱特性曲线。 氢损一般不会影响光纤的寿命，只不过使光纤的衰减增加，光就传不远了。 光纤光缆的材料对产生氢损有直接影响，如钢丝等金属材料被腐蚀后会产生H或OH，将使光纤产生很严重的氢损，另外塑料材料如析H也会有氢损。因此，在选用光缆材料时应选择耐腐蚀性好的，不易析氢的原材料。 12 光缆Q&A