什么是光纤光缆?

什么是光纤光缆?

[拼音]：guangxian guanglan

[外文]：optical fiber and cable

传送光波的介质波导。光纤是由成同心圆的双层透明介质构成的一种纤维（图1）。使用最广泛的介质材料是石英玻璃(SiO2)。内层介质称为纤芯，其折射率高于外层介质（称为包层）。通过在石英玻璃中掺锗、磷、氟、硼等杂质的方法调节纤芯或包层的折射率。通信用光纤的传输波长主要为0.8～1.7微米的近红外光。光纤的芯径因类型而异，通常为数微米到100微米，外径大多数约为 125微米。它的外面有塑料被覆层。光缆（图2）由单根或多根光纤组合并加以增强和保护制成。光缆可以在各种环境下使用。光缆的制造方法与电缆相似。

光纤通信是现代信息传输的重要方式之一。它具有容量大、中继距离长、保密性好、不受电磁干扰和节省铜材等优点。

发展概况

用玻璃纤维传光已有30多年。初期的光纤应用仅限于某些光学机械和医疗设备（如灯光导引及胃镜等），传输的是可见光，衰减高达1000分贝/公里。1966年，高锟首先提出用石英基玻璃纤维进行长距离光信息传输的设想。1970年在美国用化学气相沉积法制成了高纯石英光纤，其衰减降为20分贝/公里，从而使长距离传输成为现实。其后，光纤的衰减迅速下降，到70年代后期已降至0.2分贝/公里的理论极限水平。光纤的带宽不断增加，到80年代初带宽达到数百吉赫·公里的单模光纤已可供实用。已研制成中继距离超过100公里，容量达数百兆比/秒的光纤通信系统。光纤通信设备制造已经发展成为一个新兴的工业部门。光纤中光波强度和相位随温度、电场、磁场等物理量的改变而变化的特点，已被用于高灵敏的遥测传感器。

基本原理

光纤传输基于可用光在两种介质界面发生全反射的原理。图3为突变型光纤，n1为纤芯介质的折射率，n2为包层介质的折射率，n1大于n2，进入纤芯的光到达纤芯与包层交界面（简称芯-包界面）时的入射角大于全反射临界角θc时，就能发生全反射而无光能量透出纤芯，入射光就能在界面经无数次全反射向前传输。

当光纤弯曲时，界面法线转向，入射角度小，因此一部分光线的入射角度变得小于θ


而不能全反射。但原来入射角较大的那些光线仍可全反射，所以光纤弯曲时光仍能传输，但将引起能量损耗。通常，弯曲半径大于50～100毫米时，其损耗可忽略不计。微小的弯曲则将造成严重的“微弯损耗”。

人们常用电磁波理论进一步研究光纤传输的机制，由光纤介质波导的边界条件来求解波动方程。在光纤中传播的光包含有许多模式，每一个模式代表一种电磁场分布，并与几何光学中描述的某一光线相对应。光纤中存在的传导模式取决于光纤的归一化频率ν值

式中NA为数值孔径，它与纤芯和包层介质的折射率有关。ɑ为纤芯半径，λ为传输光的波长。光纤弯曲时，发生模式耦合，一部分能量由传导模转入辐射模，传到纤芯外损耗掉。

性能

光纤的主要参数有衰减、带宽等。

光纤衰减

造成光纤衰减的因素有散射损耗、吸收损耗和微弯损耗等。散射损耗主要由瑞利散射产生，它是由玻璃的不规则分子结构引起的微观折射率波动所造成的，是光纤的固有损耗，也是光纤衰减的最低限。它与λ4成反比。在波长小于0.8微米时，瑞利散射损耗迅速上升，限制了光纤的使用。光纤基质材料SiO2和掺杂氧化物分子的本征吸收损耗又使光纤的衰减，在波长大于1.7微米时，迅速增大。因此，这类光纤的使用波长就被限制在0.8～1.7微米范围内。在这一范围内，衰减主要是石英玻璃中所含的杂质Fe+ +、Cu+ + 等过渡金属离子和OH-。的吸收损耗造成的。随着纯化工艺的改进，杂质吸收损耗已被基本上消除，从而达到了瑞利散射损耗的极限。光纤的不规则微小弯曲引起模式耦合，造成微弯损耗，因此在加工和使用中应尽量避免光纤微弯。

光纤带宽

光纤传输的载波是光，虽然频带极宽，但并不能充分利用，这是由于光在光纤中传输有色散（模间色散、材料色散和波导色散）的缘故。它们在不同程度上影响光纤带宽。

模间色散是由于不同模式的光线在芯- 包界面上的全反射角不同，曲折前进的路程长短不一（图3）。因而，一束光脉冲入射光纤后，它所含的各模式经一定距离传输到达终点的时间会有先后，因而引起脉冲展宽。它可使一束窄脉冲展宽达20纳秒/公里左右，光纤的相应带宽约为20兆赫·公里。

材料色散是一种模内色散。光纤所传输的光即使是激光，也包含有一定谱宽的不同波长的光分量。例如，GaAlAs半导体激光器发出的激光谱宽约为 2纳米。光在介质中的传输速度与折射率 n有关，而石英介质的折射率随波长变化，因此当一束光脉冲入射光纤后，即使是同一模式，传输群速也会因光波长不同而有差异，致使到达终点后的脉冲展宽，这就是材料色散。在1.3微米附近，折射率随波长的变化极小，因此，材料色散很小（例如3皮秒/公里·纳米）。消除模间色散可使光纤带宽大大提高。纯石英在1.27微米波长上具有零色散特性。

波导色散也是一种模内色散，是由于模式传播常数随波长变化引起群速差异而造成的。波导色散更小。在1.3微米波长附近，材料色散显著减小，以致二者大致相同，并有可能相互抵消。

光纤的种类

按使用的材料分，有石英光纤、多组分玻璃光纤、塑料包层光纤和塑料光纤等几大类。其中石英光纤以高纯SiO2玻璃作光纤材料，具有衰减低、频带宽等优点，在研究及应用中占主要地位。如按纤芯折射率分类主要有突变型光纤和渐变型光纤。按传输光的模式分，有多模光纤和单模光纤。

突变型光纤

纤芯部分折射率不变，而在芯-包界面折射率突变（图3）。纤芯中光线轨迹呈锯齿形折线。这种光纤模间色散大，带宽只有几十兆赫·公里。常做成大芯径，大数值孔径（例如芯径为100微米，NA为0.30）光纤，以提高与光源的耦合效率，适用于短距离、小容量的通信系统。

渐变型光纤

纤芯折射率分布如图4。纤芯中心折射率最高，沿径向按下式渐变：

n(r)=n1[1-2墹(r/ɑ)α]1/2 (2)

式中 α为折射率分布指数。可以把这种光纤的纤芯分割成多层突变型光纤来分析其传输原理。在分析中可近似地认为各层内折射率均匀。当入射角为θ0的光线入射纤芯后，在各层界面依次折射。按折射定律，折射角θ1逐渐增大，直到大于全反射临界角θ


；发生全反射后，即折向纤芯中心。然后，经各层时折射角又逐渐减小，到达中心时仍为θ0。结果光线呈正弦形轨迹。高次模即入射角较大的光线处于靠近包层的区域，这里折射率较小，光速较大，因此虽然路程较长，传输时间仍有可能与处于中心区的低次模接近或一致，即各模式的光线轨迹可聚焦于一点，使模间色散大大减小。当折射率分布接近抛物线(α＝2)时，模间色散最小，带宽可达吉赫·公里的水平。

单模光纤

当光纤的归一化频率ν＜2.41时，光纤中只允许单一模式（基模）传输，就成为单模光纤。根据式(2)，这种光纤芯径和数值孔径必然很小，一般芯径只有数微米，因此连接耦合难度大。由于是单模传输，消除了模间色散，在波长1.3微米附近材料色散又趋近于零，因此带宽极大（可达数百吉赫·公里）。单模光纤被视为今后大容量长途干线通信的主要传输线。

多组分玻璃光纤

组成光纤的玻璃成分以SiO2为主，约占百分之几十，此外还含有碱金属、碱土金属、铅硼等的氧化物。它的特点是熔点低（1400


以下），可用传统的坩埚法拉丝，适于制做大芯径、大数值孔径光纤。这种光纤尚处于研制阶段，故应用不多。

塑料包层光纤

这是一种以高纯石英作纤芯、塑料（如有机硅）作包层的突变型多模光纤。芯径和数值孔径较大，例如芯径大于200微米，NA大于0.3。这种光纤便于连接和耦合，适于短距离小容量系统使用。

塑料光纤

光纤材料主要是特制的高透明度的有机玻璃、聚苯乙烯等塑料，可做成突变型或渐变型多模光纤，光纤衰减已从初期的500～1000分贝/公里降低到数十分贝/公里，但仍须进一步降低。它的特点是柔软、加工方便、芯径和数值孔径大。

被覆光纤

裸光纤脆而易断，这是因为玻璃光纤表面总是存在随机分布的微裂纹，在潮气、尘埃和应力作用下迅速增殖而导致破坏。在光纤拉丝的同时立即涂覆一层塑料护层，制成一次被覆光纤，可保证光纤的高强度和长寿命。但为了进一步提高其耐压和抗弯折等机械性能，便于成缆和使用，往往在表面上再挤覆一层较厚的塑料层，这就是二次被覆光纤，也称被覆光纤（图1）。它的外径一般为 1毫米左右。按照光纤在二次被覆护层中的松动状态，还可分为松包光纤和紧包光纤两类。

光缆结构

按照被覆光纤在光缆中所处的状态，光缆有紧结构与松结构两类。图2a的骨架型光缆是一种典型的松结构。光纤埋在骨架外周螺旋槽中，有活动余地。这种光缆隔离外力和防止微弯损耗的特性较好。图2b的绞合型光缆当使用紧包光纤时是一种典型的紧结构，被覆光纤被紧包于缆结构中，但绞合型光缆使用松包光纤时，由于光纤在二次被覆塑料管中可以活动，仍属松结构。绞合型光缆的成缆工艺较为简单，性能良好。此外，还有带状光缆、单芯光缆等结构类型。

各种光缆中都有增强件，用以承载拉力。它由具有高d性模量的高强度材料制成，常用的有钢丝、高强度玻璃纤维和高模量合成纤维芳纶等。增强件使光缆在使用应力下只产生极低的伸长形变（例如小于0.5％），以保护光纤免受应力或只承受极低的应力，以防光纤断裂。

光缆的护套结构和材料视使用环境和要求而定，与同样使用条件下的电缆基本相同。按照光缆的使用环境分，有架空光缆、直埋光缆、海底光缆、野战光缆等。

展望

由于瑞利散射损耗与λ4成反比，石英光纤在长波长（1.3～1.6微米）下具有更低的衰减，因此长波长光纤将获得最广泛的使用。目前 1.3微米的长波长光纤已取代0.85微米的短波长光纤。人们正在研制1.55微米波长的传输系统。以及工作波长更长、衰减更低的新型光纤材料。单模光纤具有更高的带宽，并能适应相干传输和外差接收新技术，可大大扩展中继距离和信息容量，已成为人们研究的重点，单模光纤可在长途干线及海底光缆中大量使用。工作在一个偏振状态的偏振维持型单模光纤适用于相干传输和相位调制型光纤传感器。

参考书目

大越孝敬编，刘时衡、梁民基译：《光学纤维基础》，人民邮电出版社，北京，1980。（大越孝敬編，《光ファィパの基礎》，東京大学出版会，東京，1977。）岛田祯晋编，赵灵基等译：《光通信技术读本》，人民邮电出版社，北京，1982。（島田禎晉編，《光通信技術本》，オ-ム社，東京，1980。）