光纖的原理種類
作者:管理員    發布於:2019-03-28 01:55:56    文字:【】【】【
光纖的原理種類:
光及其特性:
1.光是一種電磁波
可見光部分波長範圍是:390~760nm(納米)。大於760nm部分是紅外光,小於390nm部分是紫外光。光纖中應用的是:850nm,1310nm,1550nm三種。
2.光的折射,反射和全反射。
因光在不同物質中的傳播速度是不同的,所以光從一種物質射向另一種物質時,在兩種物質的交界麵處會產生折射和反射。而且,折射光的角度會隨入射光的角度變化而變化。當入射光的角度達到或超過某一角度時,折射光會消失,入射光全部被反射回來,這就是光的全反射。不同的物質對相同波長光的折射角度是不同的(即不同的物質有不同的光折射率),相同的物質對不同波長光的折射角度也是不同。光纖通訊就是基於以上原理而形成的。
1.光纖裸纖一般分為三層:中心高折射率玻璃芯(芯徑一般為50或62.5μm),中間為低折射率矽玻璃包層(直徑一般為125μm),最外是加強用的樹脂塗層。光線在纖芯傳送,當光纖射到纖芯和外層界麵的角度大於產生全反射的臨界角時,光線透不過界麵,會全部反射回來,繼續在纖芯內向前傳送,而包層主要起到保護的作用。
2.數值孔徑:
入射到光纖端麵的光並不能全部被光纖所傳輸,隻是在某個角度範圍內的入射光才可以。這個角度就稱為光纖的數值孔徑。光纖的數值孔徑大些對於光纖的對接是有利的。不同廠家生產的光纖的數值孔徑不同(AT&T CORNING)。
3.光纖的種類:
光纖的種類很多,根據用途不同,所需要的功能和性能也有所差異。但對於有線電視和通信用的光纖,其設計和製造的原則基本相同,諸如:
①損耗小;
②有一定帶寬且色散小;
③接線容易;
④易於成統;
⑤可靠性高;
⑥製造比較簡單;
⑦價廉等。光纖的分類主要是從工作波長、折射率分布、傳輸模式、原材料和製造方法上作一歸納的,茲將各種分類舉例如下。
(1)工作波長:紫外光纖、可觀光纖、近紅外光纖、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、複合材料光纖(如塑料包層、液體纖芯等)、紅外材料等。按被覆材料還可分為無機材料(碳等)、金屬材料(銅、鎳等)和塑料等。
(5)製造方法: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。
石英光纖
石英光纖(Silica Fiber)是以二氧化矽(SiO2)為主要原料,並按不同的摻雜量,來控製纖芯和包層的折射率分布的光纖。石英(玻璃)係列光纖,具有低耗、寬帶的特點,已廣泛應用於有線電視和通信係統。
石英玻璃光導纖維的優點是損耗低,當光波長為1.0~1.7μm(約1.4μm附近),損耗隻有1dB/km,在1.55μm處最低,隻有0.2dB/km。
摻氟光纖
摻氟光纖(Fluorine Doped Fiber)為石英光纖的典型產品之一。通常,作為1.3μm波域的通信用光纖中,控製纖芯的摻雜物為二氧化鍺(GeO2),包層是用SiO2作成的。但接氟光纖的纖芯,大多使用SiO2,而在包層中卻是摻入氟素的。由於,瑞利散射損耗是因折射率的變動而引起的光散射現象。所以,希望形成折射率變動因素的摻雜物,以少為佳。氟素的作用主要是可以降低SIO2的折射率。因而,常用於包層的摻雜。
石英光纖與其它原料的光纖相比,還具有從紫外線光到近紅外線光的透光廣譜,除通信用途之外,還可用於導光和圖像傳導等領域。
紅外光纖
作為光通信領域所開發的石英係列光纖的工作波長,盡管用在較短的傳輸距離,也隻能用於2μm。為此,能在更長的紅外波長領域工作,所開發的光纖稱為紅外光纖。紅外光纖(Infrared Optical Fiber)主要用於光能傳送。例如有:溫度計量、熱圖像傳輸、激光手術刀醫療、熱能加工等等,普及率尚低。
複合光纖
複合光纖(Compound Fiber)是在SiO2原料中,再適當混合諸如氧化鈉(Na2O)、氧化硼(B2O3)、氧化鉀(K2O)等氧化物製作成多組分玻璃光纖,特點是多組分玻璃比石英玻璃的軟化點低且纖芯與包層的折射率差很大。主要用在醫療業務的光纖內窺鏡。
氟氯化物光纖
氟化物光纖氯化物光纖(Fluoride Fiber)是由氟化物玻璃作成的光纖。這種光纖原料又簡稱 ZBLAN(即將氟化鋯(ZrF2)、氟化鋇(BaF2)、氟化鑭(LaF3)、氟化鋁(AlF3)、氟化鈉(NaF)等氯化物玻璃原料簡化成的縮語。主要工作在2~10μm波長的光傳輸業務。由於ZBLAN具有超低損耗光纖的可能性,正在進行著用於長距離通信光纖的可行性開發,例如:其理論上的最低損耗,在3μm波長時可達10.2~10.3dB/km,而石英光纖在1.55μm時卻在0.15~0.16dB/Km之間。ZBLAN光纖由於難於降低散射損耗,隻能用在2.4~2.7μm的溫敏器和熱圖像傳輸,尚未廣泛實用。最近,為了利用ZBLAN進行長距離傳輸,正在研製1.3μm的摻鐠光纖放大器(PDFA)。
塑包光纖
塑包光纖(Plastic Clad Fiber)是將高純度的石英玻璃作成纖芯,而將折射率比石英稍低的如矽膠等塑料作為包層的階躍型光纖。它與石英光纖相比較,具有纖芯粗、數值孔徑(NA)高的特點。因此,易與發光二極管LED光源結合,損耗也較小。所以,非常適用於局域網(LAN)和近距離通信。
塑料光纖
這是將纖芯和包層都用塑料(聚合物)作成的光纖。早期產品主要用於裝飾和導光照明及近距離光鍵路的光通信中。原料主要是有機玻璃(PMMA)、聚苯乙稀(PS)和聚碳酸酯(PC)。損耗受到塑料固有的C-H結合結構製約,一般每km可達幾十dB。為了降低損耗正在開發應用氟索係列塑料。由於塑料光纖(Plastic Optical fiber)的纖芯直徑為1000μm,比單模石英光纖大100倍,接續簡單,而且易於彎曲施工容易。近年來,加上寬帶化的進度,作為漸變型(GI)折射率的多模塑料光纖的發展受到了社會的重視。最近,在汽車內部LAN中應用較快,未來在家庭LAN中也可能得到應用。

單模光纖
單模光纖這是指在工作波長中,隻能傳輸一個傳播模式的光纖,通常簡稱為單模光纖(SMF:Single ModeFiber)。目前,在有線電視和光通信中,是應用最廣泛的光纖。由於,光纖的纖芯很細(約10μm)而且折射率呈階躍狀分布,當歸一化頻率V參數<2.4時,理論上,隻能形成單模傳輸。另外,SMF沒有多模色散,不僅傳輸頻帶較多模光纖更寬,再加上SMF的材料色散和結構色散的相加抵消,其合成特性恰好形成零色散的特性,使傳輸頻帶更加拓寬。SMF中,因摻雜物不同與製造方式的差別有許多類型。凹陷型包層光纖(DePr-essed Clad Fiber),其包層形成兩重結構,鄰近纖芯的包層,較外倒包層的折射率還低。
多模光纖
多模光纖將光纖按工作波長以其傳播可能的模式為多個模式的光纖稱作多模光纖(MMF:MUlti ModeFiber)。纖芯直徑為50μm,由於傳輸模式可達幾百個,與SMF相比傳輸帶寬主要受模式色散支配。在曆史上曾用於有線電視和通信係統的短距離傳輸。自從出現SMF光纖後,似乎形成曆史產品。但實際上,由於MMF較SMF的芯徑大且與LED等光源結合容易,在眾多LAN中更有優勢。所以,在短距離通信領域中MMF仍在重新受到重視。MMF按折射率分布進行分類時,有:漸變(GI)型和階躍(SI)型兩種。GI型的折射率以纖芯中心為最高,沿向包層徐徐降低。由於SI型光波在光纖中的反射前進過程中,產生各個光路徑的時差,致使射出光波失真,色激較大。其結果是傳輸帶寬變窄,目前SI型MMF應用較少。
色散位移光纖
單模光纖的工作波長在1.3Pm時,模場直徑約9Pm,其傳輸損耗約0.3dB/km。此時,零色散波長恰好在1.3pm處。石英光纖中,從原材料上看1.55pm段的傳輸損耗最小(約0.2dB/km)。由於現在已經實用的摻鉺光纖放大器(EDFA)是工作在1.55pm波段的,如果在此波段也能實現零色散,就更有利於應用1.55Pm波段的長距離傳輸。於是,巧妙地利用光纖材料中的石英材料色散與纖芯結構色散的合成抵消特性,就可使原在1.3Pm段的零色散,移位到1.55pm段也構成零色散。因此,被命名為色散位移光纖(DSF:DispersionShifted Fiber)。加大結構色散的方法,主要是在纖芯的折射率分布性能進行改善。在光通信的長距離傳輸中,光纖色散為零是重要的,但不是唯一的。其它性能還有損耗小、接續容易、成纜化或工作中的特性變化小(包括彎曲、拉伸和環境變化影響)。DSF就是在設計中,綜合考慮這些因素。
色散平坦光纖
色散移位光纖(DSF)是將單模光纖設計零色散位於1.55pm波段的光纖。而色散平坦光纖(DFF:Dispersion Flattened Fiber)卻是將從1.3Pm到1.55pm的較寬波段的色散,都能作到很低,幾乎達到零色散的光纖稱作DFF。由於DFF要作到1.3pm~1.55pm範圍的色散都減少。就需要對光纖的折射率分布進行複雜的設計。不過這種光纖對於波分複用(WDM)的線路卻是很適宜的。由於DFF光纖的工藝比較複雜,費用較貴。今後隨著產量的增加,價格也會降低。
色散補償光纖
對於采用單模光纖的幹線係統,由於多數是利用1.3pm波段色散為零的光纖構成的。可是,現在損耗最小的1.55pm,由於EDFA的實用化,如果能在1.3pm零色散的光纖上也能令1.55pm波長工作,將是非常有益的。因為,在1.3Pm零色散的光纖中,1.55Pm波段的色散約有16ps/km/nm之多。如果在此光纖線路中,插入一段與此色散符號相反的光纖,就可使整個光線路的色散為零。為此目的所用的是光纖則稱作色散補償光纖(DCF:DisPersion Compe-nsation Fiber)。DCF與標準的1.3pm零色散光纖相比,纖芯直徑更細,而且折射率差也較大。DCF也是WDM光線路的重要組成部分。
偏振保持光纖
在光纖中傳播的光波,因為具有電磁波的性質,所以,除了基本的光波單一模式之外,實質上還存在著電磁場(TE、TM)分布的兩個正交模式。通常,由於光纖截麵的結構是圓對稱的,這兩個偏振模式的傳播常數相等,兩束偏振光互不幹涉,但實際上,光纖不是完全地圓對稱,例如有著彎曲部分,就會出現兩個偏振模式之間的結合因素,在光軸上呈不規則分布。偏振光的這種變化造成的色散,稱之偏振模式色散(PMD)。對於現在以分配圖像為主的有線電視,影響尚不太大,但對於一些未來超寬帶有特殊要求的業務,如:
①相幹通信中采用外差檢波,要求光波偏振更穩定時;
②光機器等對輸入輸出特性要求與偏振相關時;
③在製作偏振保持光耦合器和偏振器或去偏振器等時;
④製作利用光幹涉的光纖敏感器等,
凡要求偏振波保持恒定的情況下,對光纖經過改進使偏振狀態不變的光纖稱作偏振保持光纖(PMF:Polarization Maintaining fiber),或稱其為固定偏振光纖。
雙折射光纖
雙折射光纖是指在單模光纖中,可以傳輸相互正交的兩個固有偏振模式的光纖。折射率隨偏振方向變異的現象稱為雙折射。它又稱作PANDA光纖,即偏振保持與吸收減少光纖(Polarization-maintai-ning AND Absorption- reducing fiber)。它是在纖芯的橫向兩則,設置熱膨脹係數大、截麵是圓形的玻璃部分。在高溫的光纖拉絲過程中,這些部分收縮,其結果在纖芯y方向產生拉伸,同時又在x方向呈現壓縮應力。致使纖材出現光彈性效應,使折射率在X方向和y方向出現差異。依此原理達到偏振保持恒定的效果。 [3] 
抗惡環境光纖
通信用光纖通常的工作環境溫度可在-40~+60℃之間,設計時也是以不受大量輻射線照射為前提的。相比之下,對於更低溫或更高溫以及能在遭受高壓或外力影響、曝曬輻射線的惡劣環境下,也能工作的光纖則稱作抗惡環境光纖(Hard Condition Resistant Fiber)。一般為了對光纖表麵進行機械保護,多塗覆一層塑料。可是隨著溫度升高,塑料保護功能有所下降,致使使用溫度也有所限製。如果改用抗熱性塑料,如聚四氟乙稀(Teflon)等樹脂,即可工作在300℃環境。也有在石英玻璃表麵塗覆鎳(Ni)和鋁(Al)等金屬的。這種光纖則稱為耐熱光纖(Heat Resistant Fiber)。另外,當光纖受到輻射線的照射時,光損耗會增加。這是因為石英玻璃遇到輻射線照射時,玻璃中會出現結構缺陷(也稱作色心:Colour Center),尤在0.4~0.7pm波長時損耗增大。防止辦法是改用摻雜OH或F素的石英玻璃,就能抑製因輻射線造成的損耗缺陷。這種光纖則稱作抗輻射光纖(Radiation Resistant Fiber),多用於核發電站的監測用光纖維鏡等。
密封塗層光纖
為了保持光纖的機械強度和損耗的長時間穩定,而在玻璃表麵塗裝碳化矽(SiC)、碳化鈦(TiC)、碳(C)等無機材料,用來防止從外部來的水和氫的擴散所製造的光纖(HCFHermeticallyCoated Fiber)。目前,通用的是在化學氣相沉積(CVD)法生產過程中,用碳層高速堆積來實現充分密封效應。這種 碳塗覆光纖(CCF)能有效地截斷光纖與外界氫分子的侵入。據報道它在室溫的氫氣環境中可維持20年不增加損耗。當然,它在防止水分侵入,延緩機械強度的疲勞進程中,其疲勞係數(Fatigue Parameter)可達200以上。所以,HCF被應用於嚴酷環境中要求可靠性高的係統,例如海底光纜就是一例。
碳塗層光纖
在石英光纖的表麵塗敷碳膜的光纖,稱之碳塗層光纖(CCF:Carbon CoatedFiber)。其機理是利用碳素的致密膜層,使光纖表麵與外界隔離,以改善光纖的機械疲勞損耗和氫分子的損耗增加。CCF是密封塗層光纖(HCF)的一種。
金屬塗層光纖
金屬塗層光纖(Metal Coated Fiber)是在光纖的表麵塗布Ni、Cu、Al等金屬層的光纖。也有再在金屬層外被覆塑料的,目的在於提高抗熱性和可供通電及焊接。它是抗惡環境性光纖之一,也可作為電子電路的部件用。 早期產品是在拉絲過程中,塗布熔解的金屬作成的。由於此法因被玻璃與金屬的膨脹係數差異太大,會增微小彎曲損耗,實用化率不高。近期,由於在玻璃光纖的表麵采用低損耗的非電解鍍膜法的成功,使性能大有改善。
摻稀土光纖
在光纖的纖芯中,摻雜如鉺(Er)、欽(Nd)、鐠(Pr)等稀土族元素的光纖。1985年英國的索斯安普頓(Sourthampton)大學的佩思(Payne)等首先發現摻雜稀土元素的光纖(Rare Earth DoPed Fiber)有激光振蕩和光放大的現象。於是,從此揭開了慘餌等光放大的麵紗,現在已經實用的1.55pmEDFA就是利用摻餌的單模光纖,利用1.47pm的激光進行激勵,得到1.55pm光信號放大的。另外,摻鐠的氟化物光纖放大器(PDFA)正在開發中。
喇曼光纖
喇曼效應是指往某物質中射人頻率f的單色光時,在散射光中會出現頻率f之外的f±fR, f±2fR等頻率的散射光,對此現象稱喇曼效應。由於它是物質的分子運動與格子運動之間的能量交換所產生的。當物質吸收能量時,光的振動數變小,對此散射光稱斯托克斯(stokes)線。反之,從物質得到能量,而振動數變大的散射光,則稱反斯托克斯線。於是振動數的偏差FR,反映了能級,可顯示物質中固有的數值。 利用這種非線性媒體做成的光纖,稱作喇曼光纖(RF:Raman Fiber)。為了將光封閉在細小的纖芯中,進行長距離傳播,就會出現光與物質的相互作用效應,能使信號波形不畸變,實現長距離傳輸。 當輸入光增強時,就會獲得相幹的感應散射光。應用感應喇曼散射光的設備有喇曼光纖激光器,可供作分光測量電源和光纖色散測試用電源。另外,感應喇曼散射,在光纖的長距離通信中,正在研討作為光放大器的應用。
偏心光纖
標準光纖的纖芯是設置在包層中心的,纖芯與包層的截麵形狀為同心圓型。但因用途不同,也有將纖芯位置和纖芯形狀、包層形狀,作成不同狀態或將包層穿孔形成異型結構的。相對於標準光纖,稱這些光纖叫異型光纖。 偏心光纖(Excentric Core Fiber),它是異型光纖的一種。其纖芯設置在偏離中心且接近包層外線的偏心位置。由於纖芯靠近外表,部分光場會溢出包層傳播(稱此為漸消彼,Evanescent Wave)。利用這一現象,就可檢測有無附著物質以及折射率的變化。 偏心光纖(ECF)主要用作檢測物質的光纖敏感器。與光時域反射計(OTDR)的測試法組合一起,還可作分布敏感器用。
發光光纖
采用含有熒光物質製造的光纖。它是在受到輻射線、紫外線等光波照射時,產生的熒光一部分,可經光纖閉合進行傳輸的光纖。 發光光纖(Luminescent Fiber)可以用於檢測輻射線和紫外線,以及進行波長變換,或用作溫度敏感器、化學敏感器。在輻射線的檢測中也稱作閃光光纖(Scintillation Fiber)。 發光光纖從熒光材料和摻雜的角度上,正在開發著塑料光纖。
多芯光纖
通常的光纖是由一個纖芯區和圍繞它的包層區構成的。但多芯光纖(Multi Core Fiber)卻是一個共同的包層區中存在多個纖芯的。由於纖芯的相互接近程度,可有兩種功能。 其一是纖芯間隔大,即不產生光耦會的結構。這種光纖,由於能提高傳輸線路的單位麵積的集成密度。在光通信中,可以作成具有多個纖芯的帶狀光纜,而在非通信領域,作為光纖傳像束,有將纖芯作成成千上萬個的。 其二是使纖芯之間的距離靠近,能產生光波耦合作用。利用此原理正在開發雙纖芯的敏感器或光回路器件。
空心光纖
將光纖作成空心,形成圓筒狀空間,用於光傳輸的光纖,稱作空心光纖(Hollow Fiber)。 空心光纖主要用於能量傳送,可供X射線、紫外線和遠紅外線光能傳輸。
空心光纖結構有兩種:
一是將玻璃作成圓筒狀,其纖芯與包層原理與階躍型相同。利用光在空氣與玻璃之間的全反射傳播。由於,光的大部分可在無損耗的空氣中傳播,具有一定距離的傳播功能。
二是使圓筒內麵的反射率接近1,以減少反射損耗。為了提高反射率,有在簡內設置電介質,使工作波長段損耗減少的。例如可以作到波長10.6pm損耗達幾dB/m的。
高分子光導
按材質分,有無機光導纖維和高分子光導纖維,目前在工業上大量應用的是前者。無機光導纖維材料又分為單組分和多組分兩類。單組分即石英,主要原料為四氯化矽、三氯氧磷和三溴化硼等。其純度要求銅、鐵、鈷、鎳、錳、鉻、釩等過渡金屬離子雜質含量低於10ppb。除此之外,OH 離子要求低於10ppb。石英纖維已被廣泛使用。多組分的原料較多,主要有二氧化矽、三氧化二硼、硝酸鈉、氧化鉈等。這種材料尚未普及。高分子光導纖維是以透明聚合物製得的光導纖維,由纖維芯材和包皮鞘材組成。芯材為高純度高透光性的聚甲基丙烯酸甲酯或聚苯乙烯抽絲製得的纖維,外層為含氟聚合物或有機矽聚合物等。
高分子光導纖維的光損耗較高,1982年,日本電信電報公司利用氘化甲基丙烯酸甲酯聚合抽絲作芯材,光損耗率降低到20dB/km。但高分子光導纖維的特點是能製大尺寸,大數值孔徑的光導纖維,光源耦合效率高,撓曲性好,微彎曲不影響導光能力,配列、粘接容易,便於使用,成本低廉。但光損耗大,隻能短距離應用。光損耗在10~100dB/km的光導纖維,可傳輸幾百米。
保偏光纖
保偏光纖:保偏光纖傳輸線偏振光,廣泛用於航天、航空、航海、工業製造技術及通信等國民經濟的各個領域。在以光學相幹檢測為基礎的幹涉型光纖傳感器中,使用保偏光纖能夠保證線偏振方向不變,提高相幹信躁比,以實現對物理量的高精度測量。保偏光纖作為一種特種光纖,主要應用於光纖陀螺,光纖水聽器等傳感器和DWDM、EDFA等光纖通信係統。由於光纖陀螺及光纖水聽器等可用於軍用慣導和聲呐,屬於新型科技產品,而保偏光纖又是其核心部件,因而保偏光纖一直被西方發達國家列入對我禁運的清單。保偏光纖在拉製過程中,由於光纖內部產生的結構缺陷會造成保偏性能的下降,即當線偏振光沿光纖的一個特征軸傳輸時,部分光信號會耦合進入另一個與之垂直的特征軸,最終造成出射偏振光信號偏振消光比的下降。這種缺陷就是影響光纖內的雙折射效應。保偏光纖中,雙折射效應越強,波長越短,保持傳輸光偏振態越好。
保偏光纖的應用及未來發展方向
保偏光纖在今後幾年內將有較大的市場需求。隨著世界新技術的飛速發展和新產品的不斷開發 ,保偏光纖將沿著以下幾個方向發展:
(1)采用光子晶體光纖新技術製造新型的高性能保偏光纖 ;
(2)開發溫度適應性保偏光纖 ,以適應航空航天等領域環境的要求;
(3)開發出各種摻稀土保偏光纖 ,滿足光放大器等器件應用的需求;
(4)開發氟化物保偏光纖 ,促進纖維光學幹涉技術在紅外天文學技術領域的發展;
(5)低衰減保偏光纖 :隨著單模光纖技術的不斷完善 ,損耗、 材料色散和波導 色散已經不再是影響光纖通信的主要因素 ,單模光纖的偏振模色散( PMD) 逐漸成為限製光纖通信質量的最嚴重的瓶頸 ,在10 Gbit / s及以上的高 速光纖通信係統中表現尤為突出。
(6)利用克爾效應和法拉第旋光效應製造偏振光器件。
另外根據光纖頭不一樣還有:C-Lens. G-Lens.格林透鏡
4.常用光纖規格:
單模:8/125μm,9/125μm,10/125μm
多模:50/125μm,歐洲標準
62.5/125μm,美國標準
工業,醫療和低速網絡:100/140μm,200/230μm
塑料:98/1000μm,用於汽車控製

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