光纖的結構

纖芯

    1)  位置：光纖的中心部位

    2)  材料：高純度SiO2，摻有極少量的摻雜劑(GeO2，P2O5)，作用是提高纖芯折射率(n1)，以傳輸光信號

包層

    1) 位置：位于纖芯的周圍

    2) 材料：高純度SiO2，極少量摻雜劑(如B2O3)的作用則是適當降低包層折射率(n2)，使之略低于纖芯折射率，使得光信號能約束在纖芯中傳輸

涂覆層

    1)  位置：位于光纖的最外層

    2)  結構和材料：包括一次涂覆層，緩沖層和二次涂覆層

           a) 一次涂覆層一般使用丙烯酸酯、有機硅或硅橡膠材料

           b) 緩沖層一般為性能良好的填充油膏 (防水)

           c) 二次涂覆層一般多用聚丙烯或尼龍等高聚物

    3) 作用：保護光纖不受水汽侵蝕和機械擦傷，同時又增加光纖的機械強度與可彎曲性，起著延長光纖壽命的作用

光纖的分類主要是從工作波長、折射率分布、傳輸模式、原材料和制造方法上作一歸納的，各種分類如下。

    （1）工作波長：紫外光纖、可觀光纖、近、紅外光纖（0.85μm、1.3μm、1.55μm）。

    （2）折射率分布：階躍（SI）型光纖、近階躍型光纖、漸變（GI）型光纖、其它（如三角型、W型、凹陷型等）。

    （3）傳輸模式：單模光纖（含偏振保持光纖、非偏振保持光纖）、多模光纖。

    （4）原材料：石英光纖、多成分玻璃光纖、塑料光纖、復合材料光纖（如塑料包層、液體纖芯等）、紅外材料等。按被覆材料還可分為（碳等）、金屬材料（銅、鎳等）和塑料等。

    （5）制造方法：預塑有汽相軸向沉積（VAD）、化學汽相沉積（CVD）等，拉絲法有管律法（Rod intube）和雙坩鍋法等。

階躍（SI）型光纖與漸變（GI）型光纖

階躍型光纖（SIF）：

    纖芯折射率呈均勻分布，纖芯和包層相對折射率差Δ為1%～2%。

階躍光纖的導光原理：

    光在均勻介質中是沿直線傳播的，階躍光纖就是靠光波在芯包界面發生全反射將光波限制在纖芯中向前傳播的。

    階躍型的光纖，纖芯折射率為n1 ，包層的折射率為n2，且n1>n2，空氣折射率為n0。在光纖內傳輸的子午光線，簡稱內光線，遇到纖芯與包層的分界面的入射角大于θc時，才能保證光線在纖芯內產生多次全反射，使光線沿光纖傳輸。

漸變型光纖（GIF）：

    纖芯折射率呈非均勻分布，在軸心處，而在光纖橫截面內沿半徑方向逐漸減小，在纖芯與包層的界面上降至包層折射率n2。

    在漸變光纖中，光線傳播的軌跡近似于正弦波。若光以一定的入射角從軸心處層射向與第二層的交界面時，由于是從光密介質射向光疏介質，折射接角大于入射角，光線將折射進第二層射向與第

    三層的交界面，并再次發生折射進入第三層，依次第推。因此，當纖芯分層數無限多，其厚度趨于零時，漸變型光纖纖芯折射率呈連續變化，光線在其中的傳播軌跡不再是折線，而是一條近似于正弦型的曲線。

漸變光纖的導光原理：

    依據折射原理,光線最遲在芯包界面發生全反射，將子午射線限制在纖芯中向前傳播的。

漸變光纖的導光示意圖

    當r=0時光線的軌跡。可以看出，從光纖端面上同一點發出的近軸子午光線經過適當的距離后又重新匯集到一點。也就是說，它們有相同的傳輸時延，有自聚焦性質。

對比圖：

    光纖的損耗決定了光信號在光纖中被增強之前可傳輸的距離。

光纖損耗的來源：

    （1）光纖材料的吸收與散射損耗；

    （2）光纖的彎曲輻射損耗；

    （3）光纖的連接；

    （4）耦合損耗。

1）光纖材料的吸收與散射損耗；

    本征吸收：光纖材料對光信號的吸收。

    雜質吸收：雜質不是指光纖中的摻雜物，而是由于材料不純凈及工藝不完善而引入的雜質，如過渡金屬離子和OH-離子。

    原子缺陷吸收：由于材料受到熱輻射或光輻射引起的。

    散射損耗：在光纖材料中，由于某種遠小于波長的不均勻性引起的光散射構成光纖的散射損耗。

損耗主要機理：材料吸收、瑞利散射和輻射損耗

（2）光纖的彎曲輻射損耗

    光纖實際應用中不可避免的要產生彎曲，這就伴隨著產生光的彎曲輻射損耗。

（3）光纖的連接損耗

（4）耦合損耗

    光源與光纖的耦合損耗

    光纖與光器件的耦合損耗

  光纖傳輸特性和光學特性

    光纖的傳輸特性和光學特性對光纖通信系統的工作波長、傳輸速率、傳輸距離和信息質量等都有著至關重要的作用。

    光纖的傳輸特性和光學特性具體涉及到的適用特性有：衰減、色散、截止波長、模場直徑、基帶響應、數值孔徑、有效面積、光學連續性和微彎敏感性等等。

其中主要特性包括：

1.數值孔徑NA

    入射到光纖端面的光并不能全部被光纖所傳輸，只是在某個角度范圍內的入射光才可以。這個角度就稱為光纖的數值孔徑。

對于階躍型光纖，當光線在纖芯與包層界面上發生全反射時，光波在纖芯中傳播軌跡為折線，相應的端面入射角記為光纖波導的孔徑角（或端面臨界角）。即只有光纖端面入射角大于的光線才能在光纖中傳播，故光纖的受光區域是一個圓錐形區域，圓錐半錐角的值就等于。為表示光纖的集光能力大小，定義光纖波導孔徑角的正弦值為光纖的數值孔徑（NA），即：

    在光學中，數值孔徑是表示光學透鏡性能的參數之一。用放大鏡把太陽光匯聚起來，能點燃紙張就是一個典型例子。若平行光線照射在透鏡上，并經過透鏡聚焦于焦點處時，假設從焦點到透鏡邊緣的仰角為θ，則取其正弦值，稱之為該透鏡的數值孔徑， 　 光纖的數值孔徑大小與纖芯折射率，及纖芯－包層相對折射率差有關。從物理上看，光纖的數值孔徑表示光纖接收入射光的能力。NA越大，則光纖接收光的能力也越強。從增加進入光纖的光功率的觀點來看，NA越大越好，因為光纖的數值孔徑大些對于光纖的對接是有利的。但是NA太大時，光纖的模畸變加大，會影響光纖的帶寬。因此，在光纖通信系統中，對光纖的數值孔徑有一定的要求。通常為了地把光射入到光纖中去，應采用其數值孔徑與光纖數值孔徑相同的透鏡進行集光。 數值孔徑是多模光纖的重要參數，它表征光纖端面接收光的能力，其取值的大小要兼顧光纖接收光的能力和對模式色散的影響。

2.模場直徑d

    模場直徑表征單模光纖集中光能量的程度。 由于單模光纖中只有基模在進行傳輸，因此粗略地講，模場直徑就是在單模光纖的接收端面上基模光斑的直徑（實際上基模光斑并沒有明顯的邊界）。 可以極其粗略地認為（很不嚴格的說法），模場直徑d 和單模光纖的纖芯直徑相近。

3.截止波長λc

    我們知道，當光纖的歸一化頻率V小于其歸一化截止頻率Vc時，才能實現單模傳輸，即在光纖中僅有基模在傳輸，其余的高次模全部截止。 也就是說，除了光纖的參量如纖芯半徑，數值孔徑必須滿足一定條件外，要實現單模傳輸還必須使光波波長大于某個數值，即λ≥λc，這個數值就叫做單模光纖的截止波長。 因此，截止波長λc的含義是，能使光纖實現單模傳輸的最小工作光波波長。也就是說，盡管其它條件皆滿足，但如果光波波長不大于單模光纖的截止波長，仍不可能實現單模傳輸。

4.回波損耗---Return Loss

    回波損耗又稱為反射損耗，它是指出光端，后向反射光相對輸入光的比率的分貝數，回波損耗愈大愈好，以減少反射光對光源和系統的影響.

5.接收靈敏度(Receiver Sensitivity)

    衡量接收端為保證一定誤碼率(1×10exp(-12))所需接收的最小平均光功率,單位為 dBm.

6.誤碼率

    誤碼率是指在較長一段時間內,經過接收端的光電轉換后收到的誤碼碼元數與誤碼儀輸出端給出碼元數的比率.

7.瑞利散射

    光纖在加熱制造過程中，熱騷動使原子產生壓縮性的不均勻，造成材料密度不均勻，進一步造成折射率的不均勻。這種不均勻在冷卻過程中固定下來，引起光的散射，稱為瑞利散射。

8. 鬼影

    它是由于光在較短的光纖中，到達光纖末端B產生反射，反射光功率仍然很強，在回程中遇到個活動接頭A，一部分光重新反射回B，這部分光到達B點以后，在B點再次反射回OTDR，這樣在OTDR形成的軌跡圖中會發現在噪聲區域出現了一個反射現象。

9. 死區

死區的產生是由于反射淹沒散射并且使得接收器飽和引起，通常分為衰減死區和事件死區兩種情況。

     1)、衰減死區：從反射點開始到接收點回復到后向散射電平約0.5db范圍內的這段距離。這 是OTDR能夠再次測試衰減和損耗的點。

     2)、 事件死區：從OTDR接收到的反射點開始到OTDR恢復的反射點1.5db一下的這段距離，這里可以看到是否存在第二個反射點，但是不能測試衰減和損耗。

10.后向散射系數

    如果連接的兩條光纖的后向散射系數不同，就很有可能在OTDR上出現被測光纖是一個增益器的現象，這是由于連接點的后端散射系數大于前端散射系數，導致連接點后端反射回來的光功率反而高于前面反射回的光功率的緣故。遇到這種情況，建議大家用雙向測試平均趣值的辦法來對該光纖進行測量。

11. 動態范圍

    它表示后向散射開始與噪聲峰值間的功率損耗比。它決定了OTDR所能測得的最長光纖距離。如果OTDR的動態范圍較小，而待測光纖具有較高的損耗，則遠端可能會消失在噪聲中.

12.吸收

    在光纖傳輸中，如果光（光子流）所擁有的頻率具有的能量等于材料的能級距離，這種光會被材料吸收。這種吸收導致光功率的損耗，而減少損耗可以通過改變光的頻率或改善材料。材料的主要吸收波峰在945nm、1240nm、1380nm處。在實際應用中，改善材料的方法已經達到極限，我們只能通過改變光的頻率。符合需求的光波長有三個吸收較小的區域，分別位于850nm附近，1300nm附近和1500nm附近，這三個區域被稱為透明窗口。

光纖連接器的原理

連接器基本結構

    連接器基本上是采用某種機械和光學結構，使兩根光纖的纖芯對準．保證80%以上的光能夠通過。目前有代表性并且正在使的有以下幾種：

    1.套管結構

    2.雙錐結構

    3.V槽結構

    4.透鏡結構

套管結構

    這種連接器由插針和套筒組成．插針為一精密套管，光纖固定在插針里面。套筒也是一個加工精密的套管(有開口和不開口兩種)，兩個插針在套筒中對接并保證兩根光纖的對準．

    原理：以插針的外圓柱面為基準面，插針與套筒之間為緊配合。當光纖纖芯對外圓柱面的同軸度、插針的外圓柱面和端面以及套筒的內孔加工得非常精密時，兩根插針在套筒中對接，就實現了兩根光纖的對準。

雙錐結構

    這種連接器的特點是利用錐面定位。插針的外端面加工成圓錐面．基座的內孔也加工成雙圓錐面．兩個插針插入基座的內孔實現纖芯的對接。插針和基座的加工精度，錐面與錐面的結合既要保證纖芯的對中，還要保證光纖端面間的間距恰好符合要求。它的插針和基座來用聚合物模壓成型．精度和一致性都很好。

V槽結構

    它的對中原理是將兩個插針放入V形槽基座中，再用蓋板將插針壓緊，使纖芯對準。這種結構可以達到較高的精度。其缺點是結構復雜，零件數量偏多。

透鏡耦合結構

    透鏡耦合又稱遠場耦合，它分為球透鏡耦合和自聚焦透鏡耦合兩種。其結構分別見下圖。

    這種結構通過透鏡來實現光纖的對中。用透鏡將一根光纖的出射光變成平行光，再有另一透鏡將平行光聚焦并導入另一光纖中。

    優點是降低了對機械加工的精度要求．使耦合更容易實現。

    缺點是結構復雜、體積大、調整元件多、接續損耗大。在某些特殊的場合，如在野戰通信中這種結構仍有應用。因為野戰通訊距離較短，環境塵土較大，可以容許損耗大一些．但要求快速接通透鏡能將光斑變大，接通更容易，正好滿足了這種需要．

    透鏡在各種耦臺中的作用更不能忽視．它是光纖與其它無源器件和光電器件進行耦合的橋梁。

FC(Ferrule Connector)型光纖連接器

    Ferrule Connector是由日本NTT研制，緊固方式為螺絲扣

ST(Straight Tip)型光纖連接器 

    Straight Tip是由AT&T貝爾實驗室研制。

    ST接頭：刺入及旋轉就是它的連接方法(將線插入插座，然后旋轉外面的卡口將之鎖住)

LC（Lucent Connector）型光纖連接器

    Lucent Connector是由美國朗訊貝爾實驗室研制，

    采用操作方便的模塊化插孔（RJ）閂鎖機理制成。

    其所采用的插針和套筒的尺寸是普通 SC、FC等所用尺寸的一半，為1.25mm。

插針

    插針是一個帶有微孔的精密圓柱體，其結構和主要尺寸如圖所示

實用的插針材料采用氧化鋯陶瓷

 一般陶瓷插芯的主要參數：

       外徑：2.499 ±0.0005

       外徑不圓度：小于等于0.2um

       微孔偏心量（同心度）小于等于1.0um

       外圓柱面光潔度：?14

2.5mm

1.25mm 

一般陶瓷套筒的主要參數：

       外徑：3.2 +0/-0.02mm

       內徑：2.5 -0.002/-0.007mm

       內表面光潔度：?14

       插芯插入或拔出力：3.92~5.88N

       開口套筒彈性形變： 小于等于0.5um

研磨角度類型：

    PC型（ Physical Contact ） ------插芯端面為球面 ，RL>40dB

    UPC型（Ultra  PC） ---插芯端面為微球面, RL>50dB

    APC型(Angled  PC） ---插芯端面為斜球面（常見的為8度角）， RL>60dB

PC端面

UPC端面

APC端面

SMA905光纖連接器

D80光纖連接器

QBH光纖連接器

普通單模光纖(G652)

特點：

     1.光纖中只傳導基模 ；

     2.芯徑小，傳輸帶寬高；

     3.熔接和耦合困難，對光源要求高；

     4.制造工藝簡單。

多模光纖(GIMM)的折射率分布

折射率分布公式

    n2(r)=n2[1-2Δ(r/a)g]

    g＝1     三角形分布；

    g＝2    拋物線型分布；

    g＝∞  階躍型分布

漸變型多模光纖（GIMM）

特點：

     1.光纖中傳導多個模式 ；

     2.芯徑大，模間色散大；

     3.易于耦合，對光源要求低；

     4.制造工藝復雜。

光纖制造基本過程

預制棒材料要求

    1）.高純度：光纖材料要達到高純度 99.9999%。

    2）.高精度：精確控制光纖折射率分布和幾何尺寸。

2.制造方法

    1）工藝步驟：先制棒，后拉絲。

    2）制棒方法：精確控制光纖折射率分布。

    管外汽相沉積法：OVD 內部氣相沉積法 : MCVD、PCVD 軸向氣相沉積法：VAD

管外汽相沉積法（OVD）

    優點：沉積速率高、預制棒體積大、原料純度要求較低、生產率高 

    不足：折射率剖面粗糙、原料利用率低 

    結論：擅長制造包層

汽相軸向沉積法（VAD）

    優點：沉積速率高、預制棒體積大、原料純度要求較低、生產率高

    不足：折射率剖面粗糙、原料利用率低 

    結論：擅長制造包層

改進的管內化學氣相沉積法（MCVD）

    優點：投資少、操作運行較容易、工藝控制性好 

    不足：原料利用率低、折射率剖面不夠精確 

    結論：擅長制造包層、纖芯制造僅次于PCVD 

等離子體管內化學氣相沉積法（PCVD）

    優點：沉積層薄、工藝控制性強、折射率剖面精確原材料利用率高 

    不足：原料要求純度高、沉積速率低 

    結論：擅長制造纖芯 

光纖拉絲技術及涂覆工藝

    拉絲工藝要點：棒變為絲，保護光纖強度（預涂覆），提高拉絲速度。

    光纖拉絲：將制備好的光纖預制棒，利用某種加熱設備加熱熔融后拉制成直徑符合要求的細小光纖纖維，并保證光纖的芯/包直徑比和折射率分布形式不變的工藝操作過程。 

    在拉絲操作過程中，最重要的技術：如何保證不使光纖表面受到損傷并正確控制芯/包層外徑尺寸及折射率分布形式。

    如果光纖表面受到損傷，將會影響光纖機械強度與使用壽命，而外徑發生波動，由于結構不完善不僅會引起光纖波導散射損耗，而且在光纖接續時，連接損耗也會增大，因此在控制光纖拉絲工藝流程時，必須使各種工藝參數與條件保持穩定。  

一、拉絲工藝

1、拉絲裝置組成

    光纖預制棒的拉絲機由五個基本部分構成：(1)光纖預制棒饋送系統；(2)加熱系統；(3)拉絲機構；(4)各參數控制系統；(5)水冷卻和氣氛保護及控制系統。五者之間精確的配合構成完整拉絲工藝。

    具體的機械和電氣設備系統包括：機械系統拉絲塔架、送棒及調心系統、加熱爐、激光測徑儀、牽引裝置、水氣管路系統，電氣部分送棒控制及調心控制系統、加熱爐控制系統、外徑測控系統、牽引控制系統、冷卻水及保護氣氛控制系統、人機界面、PLC信號處理系統等。 

2、操作工藝

    將已制備好的預制棒安放在拉絲塔（機）上部的預制棒饋送機構的卡盤上。饋送機構緩慢地將預制棒送入高溫加熱爐內。在Ar氣氛保護下，高溫加熱爐將預制棒加熱至2000oC，在此溫度下，足以使玻璃預制棒軟化，軟化的熔融態玻璃從高溫加熱爐底部的噴嘴處滴落出來并凝聚形成一帶小球細絲，靠自身重量下垂變細而成纖維，即我們所說的裸光纖。將有小球段纖維稱為“滴流頭"，操作者應及時將滴流頭去除，并預先采用手工方式將已涂覆一次涂層的光纖頭端繞過拉絲塔上的張力輪、導輪、牽引輪后，最后繞在收線盤上。然后再啟動自動收線裝置收線。

3、關鍵技術：

(1)饋送速度

    預制棒送入高溫加熱爐內的饋送速度主要取決于高溫爐的結構、預制棒的直徑、光纖的外徑尺寸和拉絲機的拉絲速度，一般約為0.002～ 0.003cm/s。

(2)外徑控制

    在拉絲工藝中不需要模具控制光纖的外徑，因為模具會在光纖表面留下損傷的痕跡，降低光纖的強度。絕大多數光纖制造者是將高溫加熱爐溫度和送棒速度保持不變，通過改變光纖拉絲速度的方法來達到控制光纖外徑尺寸的目的。

    在正常狀態，若預制棒的饋送速度為V，光纖的拉絲速度為Vf，預制棒的外徑為D，裸光纖的外徑為d。根據熔化前的棒體容積等于熔化拉絲后光纖的容積的特點，可知，前三者與光纖的外徑有如下關系：   

VD2=Vfd2

    因此，光纖的外徑可由上式給出：d2=VD2/Vf  

(3)加熱裝置

    熱源不僅要提供足以熔融石英玻璃的2000oC以上高溫，還必須在拉制區域能夠非常精確的控制溫度，因為在軟化范圍內，玻璃光纖的精度隨溫度而變化，在此區域內，任何溫度梯度的波動都可能引起不穩定性而影響光纖直徑的控制。同時，由于2000oC的高溫已超過一般材料的熔點，因而加熱爐的設計是拉絲技術的又一關鍵技術。常用的拉絲熱源有：(1)氣體噴燈；(2)各種電阻及感應加熱爐；(3)大功率CO2激光器。

涂覆

    一次涂覆工藝：將拉制成的裸光纖表面涂覆上一層彈性模量比較高的涂覆材料。

    作用：保護拉制出的光纖表面不受損傷，并提高其機械強度，降低衰減。

    在工藝上，一次涂覆與拉絲是相互獨立的兩個工藝步驟，而在實際生產中，一次涂覆與拉絲是在一條生產線上一次完成的。 

    通過測徑儀后光纖要經過足夠的冷卻時間才可進行涂覆。

    光纖一次涂覆工藝之所以稱為“一次涂覆"是相對二次涂覆而言。一次涂覆是對光纖最直接的保護，所以顯得尤為重要。

    SiO2玻璃是一種脆性易斷裂材料，在不加涂覆材料時，由于光纖在空氣中裸露，致使表面缺陷擴大，局部應力集中，易造成光纖強度極低，為保護光纖表面，提高抗拉強度和抗彎曲強度，實現實用化，需要給裸光纖涂覆一層或多層高分子材料， 

1、涂覆層的作用(雙層)：

      ①內層：選擇折射率比石英玻璃偏大且彈性模量較低的聚合物涂層→吸收透過包層得多余光和保護光纖表面損傷、使用中緩沖外界應力；  

      ②外層：硬、彈性模量高→防止磨損和提供強度

2、涂料：

    紫外光固化丙烯酸酯液體

涂覆裝置：

    1)無外部加壓開口杯式

    2)壓力涂覆器 

    采用簡單的無外部加壓開口杯式涂覆器，移動中的光纖會粘附一些液體涂料，并穿過一個使涂料在光纖上自對中可調模具口，涂層厚度由模具口大小和光纖直徑決定。但這種結構涂覆器，在高速拉絲時（V>1000m/s）得不到均勻涂敷層。因此，現在實際應用更普遍的是壓力涂敷器。這種結構涂覆器用于高速拉絲，而且不會在涂料中攪起氣泡。 

涂層厚度

    如果僅從機械強度考慮，涂層越厚越好，若綜合考慮光纖的傳輸特性，涂層太厚，不僅在彎曲、拉伸及溫度變化時會產生微彎，同時還會成為光纖損耗增加的主要原因，此外，涂層材料的機械特點，也嚴重影響光纖的傳輸特性。絕大多數光纖的涂層厚度控制在125-250微米 ，但特殊光纖的涂層直徑高達1000微米 ，調節涂覆器端頭的小孔直徑、錐體角度和高分子材料的粘度，可以得到規定厚度的涂覆層材料。

固化工藝：

    ①熱固化

    ②紫外光燈固化

    紫外固化工藝主要設備是紫外固化爐，它是由一組對放的半橢圓形紫外燈組成，一般有3-7個紫外燈。基本固化原理是采用紫外光照固化，以特定頻率的紫外燈光（簡稱UV）照射對該頻段UV有敏感的涂料(如丙烯酸酯) ，且滿足一定時間和強度要求，使涂層固化。

三、收絲

1、一般采用涂有橡膠的牽引輪和牽引裝置、張力控制輪、收排線盤等設備完成。牽引拉絲輪的速度在10～20m/s間，要求保證光纖所受拉力為“零"。

2、卷繞方式： 

①大卷裝

    排線質量直接影響光纖的衰減，要求排線平整、無壓線、夾線現象。控制好排線質量的關鍵是層光纖的排線質量，首先，要調整好排線節距的大小，其次要控制制好光纖與收線圓盤邊緣距離(7-8μm)，否則，將會出現夾線、斷線等現象。

排線方式有三種：

    矩形排線、梯形排線和倒梯形排線。