什么是光纤_光纤的分类和作用

一、光纤的分类

根据不同光纤的分类标准的分类方法,同一根光纤将会有不同的名称。

⒈ 按光纤的材料分

可以将光纤的种类分为石英光纤和全塑光纤。

石英光纤一般是指由掺杂石英芯和掺杂石英包层组成的光纤。这种光纤有很低的损耗和中等程度的色散。目前通信用光纤绝大多数是石英光纤。

全塑光纤是一种通信用新型光纤,尚在研制、试用阶段。全塑光纤具有损耗大、纤芯粗(直径100~600μm)、数值孔径大(一般为0.3~0.5,可与光斑较大的光源耦合使用)及制造成本较低等特点。目前,全塑光纤适合于较短长度的应用,如室内计算机联网和船舶内的通信等。

⒉ 按光纤剖面折射率分布分

可以将光纤的种类分为阶跃型光纤和渐变型光纤。

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⒊ 按传输模式分

可以将光纤的种类分为多模光纤和单模光纤。

单模光纤是只能传输一种模式的光纤。单模光纤只能传输基模(最低阶模),不存在模间时延差,具有比多模光纤大得多的带宽,这对于高码速传输是非常重要的。单模光纤的模场直径仅几微米,其带宽一般比渐变型多模光纤的带宽高一两个数量级。因此,它适用于大容量、长距离通信。

⒋ 按材质分

有无机光导纤维和高分子光导纤维,目前在工业上大量应用的是前者。

无机光导纤维材料又分为单组分和多组分两类。单组分即石英,主要原料为四氯化硅、三氯氧磷和三溴化硼等。其纯度要求铜、铁、钴、镍、锰、铬、钒等过渡金属离子杂质含量低于10ppb。除此之外,OH-离子要求低于10ppb。多组分的原料较多,主要有二氧化硅、三氧化二硼、硝酸钠、氧化铊等。

高分子光导纤维是以透明聚合物制得的光导纤维,由纤维芯材和包皮鞘材组成。芯材为高纯度高透光性的聚甲基丙烯酸甲酯或聚苯乙烯抽丝制得的纤维,外层为含氟聚合物或有机硅聚合物等。

高分子光导纤维的光损耗较高,但高分子光导纤维的特点是能制大尺寸,大数值孔径的光导纤维,光源耦合效率高,挠曲性好,微弯曲不影响导光能力,配列、粘接容易,便于使用,成本低廉。但光损耗大,只能短距离应用。光损耗在10~100dB/km的光导纤维,可传输几百米。

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二、光纤的种类

⒈ 石英光纤

是以二氧化硅(SiO2)为主要原料,并按不同的掺杂量,来控制纤芯和包层的折射率分布的光纤。石英(玻璃)系列光纤,具有低耗、宽带的特点,当光波长为1.0~1.7μm(约1.4μm附近),损耗只有1dB/km,在1.55μm处最低,只有0.2dB/km。

石英玻璃光导纤维还具有从紫外线光到近红外线光的透光光谱,除有线电视和通信用途之外,还可用于导光和图像传导等领域。

⒉ 掺氟光纤

掺氟光纤的纤芯,大多使用SiO2,而在包层中却是掺入氟素的。由于瑞利散射损耗是因折射率的变动而引起的光散射现象。所以,希望形成折射率变动因素的掺杂物,以少为佳。氟素的作用主要是可以降低SiO2的折射率。因而常用于包层的掺杂。

⒊ 红外光纤

红外光纤主要用于光能传送。例如有:温度计量、热图像传输、激光手术刀医疗、热能加工等等,普及率尚低。

⒋ 复合光纤

是在SiO2原料中,再适当混合诸如氧化钠(Na2O)、氧化硼(B2O3)、氧化钾(K2O)等氧化物制作成多组分玻璃光纤,特点是多组分玻璃比石英玻璃的软化点低且纤芯与包层的折射率差很大。主要用在医疗业务的光纤内窥镜。

⒌ 氟氯化物光纤

由氟化物玻璃作成的光纤。这种光纤原料又简称 ZBLAN(即将氟化诰(ZrF2)、氟化钡(BaF2)、氟化镧(LaF3)、氟化铝(AlF3)、氟化钠(NaF)等氯化物玻璃原料简化成的缩语。主要工作在2~10μm波长的光传输业务。由于ZBLAN具有超低损耗光纤的可能性,正在进行着用于长距离通信光纤的可行性开发。

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⒍ 塑包光纤

将高纯度的石英玻璃作成纤芯,而将折射率比石英稍低的如硅胶等塑料作为包层的阶跃型光纤。它与石英光纤相比较,具有纤芯租、数值孔径高的特点。因此,易与发光二极管LED光源结合,损耗也较小。所以,非常适用于局域网(LAN)和近距离通信。

⒎ 塑料光纤

纤芯和包层都用塑料做成的光纤。早期产品主要用于装饰和导光照明及近距离光键路的光通信中。原料主要是有机玻璃、聚苯乙烯和聚碳酸酯。损耗受到塑料固有的C-H结合结构制约,一般每km可达几十dB。由于塑料光纤的纤芯直径为1000μm,比单模石英光纤大100倍,接续简单,而且易于弯曲施工容易。

⒏ 单模光纤

指在工作波长中,只能传输一个传播模式的光纤,通常简称为单模光纤。目前,在有线电视和光通信中,是应用最广泛的光纤。由于光纤的纤芯很细(约10μm)而且折射率呈阶跃状分布,当归一化频率V参数<2.4时,理论上,只能形成单模传输。另外,SMF没有多模色散,不仅传输频带较多模光纤更宽,再加上SMF的材料色散和结构色散的相加抵消,其合成特性恰好形成零色散的特性,使传输频带更加拓宽。

⒐ 多模光纤

将光纤按工作波长以其传播可能的模式为多个模式的光纤称作多模光纤。纤芯直径为50μm,传输模式可达几百个。由于MMF较SMF的芯径大且与LED等光源结合容易,在众多LAN中更有优势。所以,在短距离通信领域中MMF仍在重新受到重视。

⒑ 色散位移光纤

单模光纤的工作波长在1.3Pm时,模场直径约9Pm,其传输损耗约0.3dB/km。此时,零色散波长恰好在1.3pm处。由于现在已经使用的掺铒光纤放大器(EDFA)是工作在1.55pm波段的,如果在此波段也能实现零色散,就更有利于应用1.55Pm波段的长距离传输。于是,巧妙地利用光纤材料中的石英材料色散与纤芯结构色散的合成抵消特性,就可使原在1.3Pm波段的零色散,移位到1.55pm段也构成零色散。因此,被命名为色散位移光纤。在光通信的长距离传输中,光纤色散为零是重要的,但不是唯一的。其它性能还有损耗小、接续容易、成缆化或工作中的特性变化小(包括弯曲、拉伸和环境变化影响)。

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⒒ 色散平坦光纤

色散平坦光纤是将从1.3Pm到1.55pm的较宽波段的色散,都能做到很低,几乎达到零色散的光纤称作DFF。由于DFF要做到1.3pm~1.55pm范围的色散都减少。就需要对光纤的折射率分布进行复杂的设计。不过这种光纤对于波分复用(WDM)的线路却是很适宜的。

⒓ 色散补偿光纤

对于采用单模光纤的干线系统,由于多数是利用1.3pm波段色散为零的光纤构成的。可是,现在损耗最小的1.55pm,如果能在1.3pm零色散的光纤上也能令1.55pm波长工作,将是非常有益的。因为在1.3Pm零色散的光纤中,1.55Pm波段的色散约有16ps/km/nm之多。如果在此光纤线路中,插入一段与此色散符号相反的光纤,就可使整个光线路的色散为零。为此目的所用的光纤则称作色散补偿光纤。DCF与标准的1.3pm零色散光纤相比,纤芯直径更细,而且折射率差也较大。DCF也是WDM光线路的重要组成部分。

⒔ 偏振保持光纤

凡要求偏振波保持恒定的情况下,对光纤经过改进使偏振状态不变的光纤称作偏振保持光纤,或称其为固定偏振光纤。

在光纤中传播的光波,因为具有电磁波的性质,所以,除了基本的光波单一模式之外,实质上还存在着电磁场(TE、TM)分布的两个正交模式。通常,由于光纤截面的结构是圆对称的,这两个偏振模式的传播常数相等,两束偏振光互不干涉,但实际上,光纤不是完全的圆对称,例如有着弯曲部分,就会出现两个偏振模式之间的结合因素,在光轴上呈不规则分布。偏振光的这种变化造成的色散,称之偏振模式色散(PMD)。对于现在以分配图像为主的有线电视,影响尚不太大。

⒕ 双折射光纤

指在单模光纤中,可以传输相互正交的两个固有偏振模式的光纤。折射率随偏报方向变异的现象称为双折射,即偏振保持与吸收减少光纤。它是在纤芯的横向两则,设置热膨胀系数大、截面是圆形的玻璃部分。在高温的光纤拉丝过程中,这些部分收缩,其结果在纤芯y方向产生拉伸,同时又在x方向呈现压缩应力。致使纤材出现光弹性效应,使折射率在X方向和y方向出现差异。依此原理达到偏振保持恒定的效果。

⒖ 抗恶环境光纤

通信用光纤通常的工作环境温度可在-40~+60℃之间,设计时也是以不受大量辐射线照射为前提的。相比之下,对于更低温或更高温以及能在遭受高压或外力影响、曝晒辐射线的恶劣环境下,也能工作的光纤则称作抗恶环境光纤。如果改用抗热性塑料,如聚四氟乙稀(Teflon)等树脂,即可工作在300℃环境。也有在石英玻璃表面涂覆镍(Ni)和铝(Al)等金属的。这种光纤则称为耐热光纤。改用掺杂OH或F素的石英玻璃,就能抑制因辐射线造成的损耗缺陷。这种光纤则称作抗辐射光纤,多用于核发电站的监测用光纤维镜等。

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⒗ 密封涂层光纤

为了保持光纤的机械强度和损耗的长时间稳定,而在玻璃表面涂装碳化硅(SiC)、碳化钛(TiC)、碳(C)等无机材料,用来防止从外部来的水和氢的扩散所制造的光纤。这种碳涂覆光纤(CCF)能有效地截断光纤与外界氢分子的侵入。它在室温的氢气环境中可维持20年不增加损耗。当然,它在防止水分侵入,延缓机械强度的疲劳进程中,其疲劳系数可达200以上。所以,HCF被应用于严酷环境中要求可靠性高的系统,例如海底光缆就是一例。

⒘ 碳涂层光纤

在石英光纤的表面涂敷碳膜的光纤,称之为碳涂层光纤。其机理是利用碳素的致密膜层,使光纤表面与外界隔离,以改善光纤的机械疲劳损耗和氢分子的损耗增加。CCF是密封涂层光纤(HCF)的一种。

⒙ 金属涂层光纤

金属涂层光纤是在光纤的表面涂布Ni、Cu、Al等金属层的光纤。也有再在金属层外被覆塑料的,目的在于提高抗热性和可供通电及焊接。它是抗恶环境性光纤之一,也可作为电子电路的部件用。由于此法因玻璃与金属的膨胀系数差异太大,会增微小弯曲损耗,实用化率不高。近期,由于在玻璃光纤的表面采用低损耗的非电解镀膜法的成功,使性能大有改善。

⒚ 掺稀土光纤

在光纤的纤芯中,掺杂如何(Er)、钦(Nd)、谱(Pr)等稀土族元素的光纤。1985年英国的索斯安普顿大学的佩思(Payne)等首先发现掺杂稀土元素的光纤有激光振荡和光放大的现象。于是,从此揭开了惨饵等光放大的面纱,现在已经使用的1.55pmEDFA就是利用掺饵的单模光纤,利用1.47pm的激光进行激励,得到1.55pm光信号放大的。

⒛ 偏心光纤

标准光纤的纤芯是设置在包层中心的,纤芯与包层的截面形状为同心圆型。但因用途不同,也有将纤芯位置和纤芯形状、包层形状,作成不同状态或将包层穿孔形成异型结构的。相对于标准光纤,称这些光纤叫异型光纤。 偏心光纤,它是异型光纤的一种。其纤芯设置在偏离中心且接近包层外线的偏心位置。由于纤芯靠近外表,部分光场会溢出包层传播(称此为渐消彼,利用这一现象,就可检测有无附着物质以及折射率的变化。偏心光纤(ECF)主要用作检测物质的光纤敏感器。与光时域反射计(OTDR)的测试法组合一起,还可作分布敏感器用。

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21.发光光纤

采用含有荧光物质制造的光纤。它是在受到辐射线、紫外线等光波照射时,产生的荧光一部分,可经光纤闭合进行传输的光纤。发光光纤可以用于检测辐射线和紫外线,以及进行波长变换,或用作温度敏感器、化学敏感器。在辐射线的检测中也称作闪光光纤。发光光纤从荧光材料和掺杂的角度上,正在开发塑料光纤。

22.多芯光纤

通常的光纤是由一个纤芯区和围绕它的包层区构成的。但多芯光纤却是一个共同的包层区中存在多个纤芯。由于纤芯的相互接近程度,可有两种功能。

其一是纤芯间隔大,即不产生光耦会的结构。这种光纤,由于能提高传输线路的单位面积的集成密度。在光通信中,可以作成具有多个纤芯的带状光缆,而在非通信领域,作为光纤传像束,有将纤芯作成成千上万个的。

其二是使纤芯之间的距离靠近,能产生光波耦合作用。利用此原理正在开发双纤芯的敏感器或光回路器件。

23.空心光纤

将光纤作成空心,形成圆筒状空间,用于光传输的光纤,称作空心光纤。 空心光纤主要用于能量传送,可供X射线、紫外线和远红外线光能传输。空心光纤结构有两种:

一是将玻璃作成圆筒状,其纤芯与包层原理与阶跃型相同。利用光在空气与玻璃之间的全反射传播。由于光的大部分可在无损耗的空气中传播,具有一定距离的传播功能。

二是使圆筒内面的反射率接近1,以减少反射损耗。为了提高反射率,有在简内设置电介质,使工作波长段损耗减少的。例如可以做到波长10.6pm损耗达几dB/m的。

24.保偏光纤

保偏光纤传输线偏振光,广泛用于航天、航空、航海、工业制造技术及通信等国民经济的各个领域。在以光学相干检测为基础的干涉型光纤传感器中,使用保偏光纤能够保证线偏振方向不变,提高相干信噪比,以实现对物理量的高精度测量。保偏光纤作为一种特种光纤,主要应用于光纤陀螺,光纤水听器等传感器和DWDM、EDFA等光纤通信系统。由于光纤陀螺及光纤水听器等可用于军用惯导和声呐,属于高新科技产品,而保偏光纤又是其核心部件,因而保偏光纤一直被西方发达国家列入对我禁运的清单。保偏光纤中,双折射效应越强,波长越短,保持传输光偏振态越好。

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