光纤

光纤,是光导纤维的简写,是一种利用光在玻璃或塑料制成的纤维中的全反射原理而达成的光传导工具。光导纤维由前香港中文大学校长高锟发明。微细的光纤封装在塑料护套中,使得它能够弯曲而不至于断裂。通常,光纤的一端的发射装置使用发光二极管(light emitting diode,LED)或一束激光将光脉冲传送至光纤,光纤的另一端的接收装置使用光敏元件检测脉冲。在日常生活中,由于光在光导纤维的传导损耗比电在电线传导的损耗低得多,光纤被用作长距离的信息传递。
概述
光纤是一种传输介质,是依照光的全反射的原理制造的。光纤是一种将讯息从一端传送到另一端的媒介,是一条以玻璃或塑胶纤维作为让讯息通过的传输媒介。通常光纤与光缆两个名词会被混淆。多数光纤在使用前必须由几层保护结构包覆,包覆后的缆线即被称为光缆。光纤外层的保护结构可防止周遭环境对光纤的伤害,如水,火,电击等。光缆分为:光纤、缓冲层及披覆。光纤和同轴电缆相似,只是没有网状屏蔽层。中心是光传播的玻璃芯。在多模光纤中,芯的直径是15mm~50mm, 大致与人的头发的粗细相当。而单模光纤芯的直径为8mm~10mm。芯外面包围着一层折射率比芯低的玻璃封套, 以使光纤保持在芯内。再外面的是一层薄的塑料外套,用来保护封套。光纤通常被扎成束,外面有外壳保护。 纤芯通常是由石英玻璃制成的横截面积很小的双层同心圆柱体,它质地脆,易断裂,因此需要外加一保护层。
原理
光纤实际是指由透明材料做成的纤芯和在它周围采用比纤芯的折射率稍低的材料做成的包层,并将射入纤芯的光信号,经包层界面反射,使光信号在纤芯中传播前进的媒体。一般是由纤芯、包层和涂敷层构成的多层介质结构的对称圆柱体。光纤有两项主要特性:即损耗和色散。
光纤每单位长度的损耗或者衰减(dB/km),关系到光纤通信系统传输距离的长短和中继站间隔的距离的选择。光纤的色散反应时延畸变或脉冲展宽,对于数字信号传输尤为重要。每单位长度的脉冲展宽(ns/km),影响到一定传输距离和信息传输容量。
结构
纤芯材料的主体是二氧化硅,里面掺极微量的其他材料,例如二氧化锗、五氧化二磷等。掺杂的作用是提高材料的光折射率。纤芯直径约5~~75μm。光纤外面有包层,包层有一层、二层(内包层、外包层)或多层(称为多层结构),但是总直径在100~200μm上下。包层的材料一般用纯二氧化硅,也有掺极微量的三氧化二硼,最新的方法是掺微量的氟,就是在纯二氧化硅里掺极少量的四氟化硅。掺杂的作用是降低材料的光折射率。
这样,光纤纤芯的折射率略高于包层的折射率。两者席位的区别,保证光主要限制在纤芯里进行传输。包层外面还要涂一种涂料,可用硅铜或丙烯酸盐。涂料的作用是保护光纤不受外来的损害,增加光纤的机械强度。光纤的最外层是套层,它是一种塑料管,也是起保护作用的,不同颜色的塑料管还可以用来区别各条光纤。
光纤的折射率:光纤的结构一般用折射率沿光纤径向的分布函数来表征,这种分布函数成为光纤的折射率刨面。在圆柱坐标系(λ、Φ、z)中n(λ)来表示。在理论分析中,折射率剖面n(r)就是光纤的数学模型:对于单包层光纤,纤芯直径为d,设纤芯轴心处的折射率n(0)=n1,包层折射率为n2,为了简略地表示的剖面特征,引入纤芯包层相对折射率差作为剖面参数Δ,其中定义为:
n1 2 ─ n22 n1 ─ n2
Δ = ────── ≈ ─────
2 n1 2 n1
射线理论认为,光在光纤中传播主要是依据全反射原理。因此,典型的阶越光纤是由折射率(n1)稍高的纤芯和折射率(n2)稍低的包层构成。纤芯和包层之间有良好的光学界面。? 若光线以某一角度进入光线端面时,入射光线与光线轴线之间的夹角θ0称为光线端面入射角;光线进入光纤后又射到纤芯和包层之间的界面上,形成包层界面入射角Φ,光线垂直光线端面射入,并与光纤轴心线重合时,光线1沿轴心线向前传播。
由于n1〉n2,所以包层界面有一个全反射的临界角Φc,与其相对应的光线端面有一个临界入射角Φa。如果端面入射角θ0≤θa,光线进入光纤后,当射到光纤的内包层界面时,入射角Φ≥Φc,满足全反射条件,光线将在纤芯和包层的界面上不断的产生全反射而向前传播。一般,这种光线在光纤内需经过几千、几万、甚至更多次的全反射,(全反射次数与光纤长度、直径有关),才能从光纤的一段传到另一端。光线1、2的特点是光在光纤中传播路径始终在同一平面内,这种光线称为受到光线;在纤维光学中又称为子午光线。子无光的是平面曲线,包含子午光线的面称为子无面。
另一种光线不在一个平面内,不经过光的轴心线。当入射光纤后碰到边界时,作内部全反射。这类光线运动范围是在边界和有虚线所示的焦散面之间。光线在断面上的投影为折线。这样的光纤称为斜光线,它是一空间曲线,除子午线和斜光线外,还有一种不受到光线,它不能在光纤中传播,射线理论无法解释这种光线。
分类
光纤正处在新产品的不断涌现的发展时期,种类不断增多,而且千变万化。近年来用于传感器的特殊光纤发展尤迅速。目前一般分类方法如下:
1. 按制作材料分:
(1) 高纯度石英玻璃光纤。这种材料损耗低,在波长时,最低达0。47db/km。用锗硅材料作芯子,硼硅材料作包层的多模光纤,损耗最低为0.5db/km和类似的损耗-波谱曲线。采用三元化合材料,可能获得最好的损耗-波谱曲线。
(2) 多组分玻璃光纤。通常用更常规的玻璃制成,损耗也很低,如Sodium-borosilica-te玻璃光纤在?=0.84微米最低损耗为3.4db/km。
(3) 塑料光纤。它与石英光纤相比具有重量轻,成本低,柔软性好,加工方便等特点,但损耗在r=0.63微米到100-200db/km。
2. 按传输模分:
(1) 单模光纤。单模光纤纤芯直径仅几个厘米,加包层和涂敷层后也仅几十个微米到125微米。纤芯直径接近波长。
(2) 多模光纤。多模光纤纤芯直径有50微米,加包层和涂敷层有50微米。纤芯直径远远大于波长。根据光纤的折射率沿径向分布函数不同又进一步分为多模阶跃光纤,单模阶跃光纤和多模梯度光纤
3. 按用途分:
(1) 通信光纤。
(2) 非通信光纤----特殊光纤。有低双折射光纤,高双折射光纤,涂层光纤,液芯光纤,激光光纤和红外光纤等。
4. 按制作方法分:
(1) 化学气相沉积法(CVD)或改进化学气相沉积法(MCVD)。用来制作高纯度石英玻璃光纤。
(2) 双坩埚法或三坩埚法。用来制作多组分玻璃光纤。
光纤通讯的发展历史
1880年,贝尔发明了一种利用光波作载波传递话音信息的"光电话",它证明了利用光波作载波传递信息的可能性,是光通信历史上的第一步。1960年,美国科学家梅曼(Meiman)发明了第一个红宝石激光器。
激光(LASER:　Light Amplification by Stimulated Emissiion of Radiation)与普通光相比,谱线很窄,方向性极好,是一种频率和相位都一致的相干光,特性与无线电波相似,是一种理想的光载波。因此,激光器的出现使光波通信进入了一个崭新的阶段。
1966年,英籍华人高锟(K.C.Kao)博士首次利用无线电波导通信的原理,提出了低损耗的光导纤维(简称光纤)的概念。1970年,美国康宁公司首次研制成功损耗为 20db/km(光波沿光纤传输1km后,光的损耗为原有的1%)的石英光纤,它是一种理想的传输介质。同年,贝尔实验室研制成功室温下连续振荡的半导体激光器(LD)。从此,开始了光纤通信迅速发展的时代,因此人们把1970年称为光纤通信的元年。
1974年,贝尔实验室发明了制造低损耗光纤的方法,称作"改进的汽相沉积法(MCVD)",光纤损耗下降到 1db/km。1976年,日本电报电话公司研制出更低损耗光纤,损耗下降到 0.5db/km 。1976年,美国在亚特兰大成功地进行了 44.7Mbit/s的光纤通信系统试验。日本电报电话公司开始了 64km、32Mbit/s突变折射率光纤系统的室内试验,并研制成功 1.3微米波长的半导体激光器。
1979年,日本电报电话公司研制出 0.2db/km的极低损耗石英光纤(1.5微米)。1984年,实现了中继距离50km、速率为 1.7Gbit/s的实用化光纤传输系统。1990年,使用了 1.55微米长波长单模光纤传输系统,实现了中继距离超过 100km、速率为 2.4Gb/s的光纤传输。
90年代以来,第四代光纤通信系统以频分复用增加速率和使用光放大器增加中继距离为标志,可以使用(也可以不使用)相干接收方式,使系统的通信容量以成数量级地增加,已经实现了在 2.5Gb/s速率上传输 4500km和 10Gb/s的速率上传输 1500km的试验。
目前,正在研究开发光弧子通信系统。光弧子,即由于光纤的非线性效应与光纤色散相互抵消,使光脉冲在无损耗的光纤中保持其形状不变地传输的现象。光弧子通信系统将使超长距离的光纤传输成为可能,试验证明,在2.5Gb/s的码率下光弧子沿环路可传输 14000km的距离。
应用
光纤传感技术是伴随着光通讯技术和半导体技术发展而衍生的一种新的传感技术,是光传感、光通讯、电子技术互相交叉、互相渗透的高科技技术,是国家“十五”重点支持发展的信息产业的重要组成部分。因此光纤技术在很多方面都有很大的应用,现简单介绍如下:
一、光纤液位传感器:在我国石油化工、冶金以及国防等部门,对油品和化工产品等易燃易爆液体类物质的储存、检测和安全管理一直是个难题。长期以来,大多企业是采用人工对其进行检测和管理,劳动强度大,又有危险性,储罐爆炸事件和人员伤亡事故时有发生。光纤液位传感器某检测湘度高,使用方便、稳定可靠,特别是采用光纤光缆采集和传输信号,做到现场无电检侧,本质安全防爆,特别适于易燃易爆场所的储罐检测。即将投产的光纤液位传感器价调查和分析表明,目前全国年需求量应在1万台以上,而1日市场需求仍在快鹏长如。
二、接入网技术:所谓光接入网(OAN)就是采用光纤传输技术的接入网,泛指本地交换机或远端模块与用户之间采用光纤通信或部分采用光纤通信的系统。通常,OAN指采用基带数字传输技术并以传输双向交互式业务为目的的接入传输系统,将来应能以数字或模拟技术升级传输宽带广播式和交互式业务。
光纤的应用还有:光纤高温测量仪、光纤阀位回讯器等

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