第五章 光纖的材料與制造、光纖的分類、光纜—2

1、第第5 5章章 光纖的材料與制造、光纖光纖的材料與制造、光纖的分類、光纜的分類、光纜5.25.2 光纖的分類光纖的分類 進人20世紀(jì)以后，光纖種類的演變與發(fā)展始終是伴隨著科學(xué)技術(shù)與通信等產(chǎn)業(yè)的需求而發(fā)展的。從20世紀(jì)50年代美國的物理學(xué)家和研究人員首先提出光纖“包層”的概念（1951年）和制造出第一根玻璃包層的光纖開始，多組分玻璃光纖首先在制造傳光束、傳像束與光纖面板等器件，實現(xiàn)光傳輸照明以及傳輸圖像等應(yīng)用領(lǐng)域得到了發(fā)展，并很快實用化；60年代末自聚焦光纖在日本研制成功；1970年美國康寧公司解決了降低光纖傳輸損耗的關(guān)鍵技術(shù)，研制成功傳輸損耗為20 dB/km的石英系光纖，從而打開了通信用低損

2、耗光纖的發(fā)展道路，并與激光器相結(jié)合，促成了70年代以后30多年間光纖通信產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展。 其歷程包括：光纖類型從石英系的階躍多模光纖發(fā)展到漸變折射率多模光纖，進而發(fā)展到石英階躍單模光纖。 而且，隨著 通信對色散帶寬、損耗要求的不斷提高，又不斷研制派生出多種新型的單模光纖。與此同時，通信與非通信應(yīng)用領(lǐng)域的各種不同應(yīng)用需求的特種光纖也陸續(xù)研發(fā)出來，從而形成了應(yīng)用于通信、傳感、傳像、傳光照明、高能傳輸與信號控制等多領(lǐng)域的多種類型與規(guī)格的數(shù)十種光纖。 從不同的角度可對光纖進行不同的分類。例如，按制造材料可將光纖區(qū)分為：石英系光纖(silica-based optical fiber)、多組分玻璃光纖(

3、multi-component glass optical fiber)、塑料光纖(plastic optical fiber)、鹵素化合物光纖（如氟化物光纖）等；按光纖傳輸模式可將其分為：多模光纖(multimode fiber)、單模光纖(single-mode fiber)；按光纖剖面折射率分布可將其分為：階躍折射率型(step-Index)光纖、漸變折射率型(graded-index)光纖。折射率分布結(jié)構(gòu)除此兩種基本類型外，單模光纖根據(jù)對其色散與損耗要求的不同，還有多種不同的折射率分布剖面結(jié)構(gòu)（如W形光纖等）按應(yīng)用領(lǐng)域和用途可將光纖區(qū)分為，通信光纖，非通信光纖。 其中，非通信光纖中包括

4、：傳光照明光纖，傳像光纖，大芯徑石英光纖（強激光光纖），以及應(yīng)用于其他特殊目的的特種光纖（如紅外光纖、紫外光纖、保偏光纖、液芯光纖等）。此外，還有按照制造方法、機械性能強度等對光纖加以分類的。 本節(jié)將以光纖的用途和應(yīng)用領(lǐng)域為主要著眼點，依次介紹傳光與傳像光纖、作為最廣泛 大量應(yīng)用的各種類型的通信光纖以及各種特殊用途的特種光纖。5.2.1 5.2.1 傳光與傳像光纖傳光與傳像光纖1. 1. 多組分玻璃傳光與傳像光纖多組分玻璃傳光與傳像光纖 應(yīng)用于傳光照明與傳像的光纖即制造傳光束與傳像束的單元光纖，其纖芯材料一般均為折射率較高的多組分光學(xué)玻璃，而包層則為折射率較低的多組分光學(xué)玻璃。其剖面折射率分布

5、結(jié)構(gòu)與模式為階躍多模光纖。如前所述，這類光纖是用雙坩堝法或捧管法拉制而成。另外，其數(shù)值孔徑較大，一般NA0. 550. 64，其集光能力全接收角2amax6680，因而與光源的耦合效率高。光纖的受光范圍如圖5. 13所示。這類光纖的損耗較大，一般為0. 51 dB/m量級（即每米的透過率約為50% )，主要原因是多組分玻璃中雜質(zhì)的吸收損耗很大。其光譜透過率曲線如圖5.14所示，在可見光波長范圍內(nèi)傳輸效率較高。 一般制造照明用傳光束的光纖直徑在4070mm范圍；而用于制造傳像束的光纖直徑一般在1530mm范圍，傳像光纖的包層通常很薄，以提高傳光效率，其包層厚度約為纖芯直徑的1/10。若取纖芯與包

6、層折射率的配比為n1/n2 = 1. 626/1. 510，則其數(shù)值孔徑約為0.60，相應(yīng)的集光角度2amax約為74。2. 2. 大芯徑石英光纖大芯徑石英光纖 大芯徑石英光纖一般為階躍折射率多模光纖，主要應(yīng)用于高功率激光傳輸、激光醫(yī)療、激光焊接、傳感與照明等。這種光纖一般采用純石英材料作纖芯；而包層則采用具有更低折射率的摻雜石英、硬塑料或軟塑料，具有多種結(jié)構(gòu)形式。這種大芯徑石英光纖的制造工藝相對簡單。其纖芯的直徑一般在1001000mm數(shù)量級，包層相對于纖芯一般較薄，外面是具有保護性的50100mm厚的塑料涂覆層。 大芯徑階躍折射率石英光纖由于芯徑較大，易于耦合，且具有優(yōu)良的光學(xué)性 能，寬廣

7、的光譜范圍，良好的機械與撓曲性能，適合于大的光功率傳輸，可以承受相當(dāng)高的光功率，是傳輸He-Ne、Ar+離子、YAG等大功率激光的理想介質(zhì)；但其彎曲性能稍差。例如，一類石英包層的光纖，當(dāng)纖芯直徑為200mm時，其額定的傳輸連續(xù)功率為0.2kW，但當(dāng)纖芯直徑為550mm時，則傳輸?shù)墓夤β士稍黾拥?.5kW；同時額定的最小彎曲半徑也增加了2.5倍。 圖5. 15給出了部分不同包層的大芯徑石英光纖衰減隨波長變化的衰減譜。 還應(yīng)指出的是，盡管大部分大芯徑石英光纖為階躍型光纖；旦也有一部分傳送高功率激光的大芯徑石英光纖具有漸變折射率纖芯，外面有薄的石英包層，且一般采用塑料涂覆層，再外部還帶有緩沖層。圖圖

8、5.15 5.15 各種大芯徑石英光纖的衰減譜各種大芯徑石英光纖的衰減譜 表5.7給出了由南京春輝科技公司生產(chǎn)的大芯徑硬包層石英光纖(HCS)的部分性能與 結(jié)構(gòu)參數(shù)的參考數(shù)據(jù)。表表5.75.7大芯徑石英光纖的部分性能與結(jié)構(gòu)參數(shù)大芯徑石英光纖的部分性能與結(jié)構(gòu)參數(shù)石英纖維芯徑/mm 0.10.20.30.40.50.60.650.80.9有機硅包層直徑/mm0.20.30.40.60.70.80.91.20.12最小彎曲半徑/mm2345810二次套塑外徑/mm1.22.0數(shù)值孔徑(NA)0.210.24表表5.75.7大芯徑石英光纖的部分性能與結(jié)構(gòu)參數(shù)（續(xù)表）大芯徑石英光纖的部分性能與結(jié)構(gòu)參數(shù)（

9、續(xù)表）每米透過率%紫外光(波長0.250.4mm)8598可見光(波長0.40.7mm)9799近紅外(波長0.761.6mm)9099He-Ne(波長0.6328mm)99YAG(波長1.06mm)98Ar+(波長0.5145mm)98傳輸功率/(W/cm2)800(D=0.5mm)(連續(xù)Nd:YAG激光）5.2.2 5.2.2 通信光纖通信光纖 光纖應(yīng)用中最廣泛大量的品種，始終是通信用石英光纖。20世紀(jì)70年代光纖通信開始起步，所使用的通信光纖為階躍多模石英光纖，1974年光纖在0. 85mm波段的傳輸損耗巳 下降到1.2 dB/km左右；隨著對帶寬需求的增加，為解決階躍多模光纖中的多模色

10、散問題， 20世紀(jì)70年代中期研制成功漸變（梯度）折射率多模光纖，1976年第一條速率為44. 7Mb/s的光纖通信系統(tǒng)在美國亞特蘭大建成，應(yīng)用于市話中繼，采用0.85mm短波長窗口。 20世紀(jì)80年代初期漸變折射率多模光纖曾廣泛應(yīng)用于電信（電話等）領(lǐng)域，當(dāng)時WDM （波分復(fù) 用）技術(shù)尚未問世，傳輸速率較低，大芯徑（62. 5/150)的漸變多模石英光纖曾是當(dāng)時的最佳選擇；20世紀(jì)80年代是光纖通信大發(fā)展的年代，為了進一步提高傳輸速率與擴展帶寬，必須克服漸變折射率多模光纖的殘余色散與模噪聲的制約，并使傳輸損耗降到更低的值。 為此，單模光纖應(yīng)運而生，1983年單模光纖正式進人商用光纖網(wǎng)，光纖通信

11、的技術(shù)體制出現(xiàn)了從0.85mm波段轉(zhuǎn)向1.3mm波段和從多模光纖轉(zhuǎn)向單模光纖技術(shù)體制的重大發(fā)展變化。 而且，由于石英光纖在1.31mm波段色度色散為零，因而促進了1.3mm波段單模光纖通信系統(tǒng)的迅速發(fā)展。在常規(guī)單模光纖推出后的20多年中，為克服常規(guī)單模光纖的局限性，又不斷推出了一系列單模光纖的新品種。主要原因是，常規(guī)單模光纖的最小色散值在1.31mm波長處，而最小損耗值卻在1. 55 mm波長處，兩者并不重合，因而影響單模光纖的傳輸性能。 另外，隨著20世紀(jì)90年代初摻鉺光纖放大器（EDFA，工作波段1525 1620nm)的研制成功以及波分復(fù)用與密集波分復(fù)用(DWDM)技術(shù)的快速發(fā)展，從90

12、年代起，光纖產(chǎn)品（系統(tǒng)） 的設(shè)計再次轉(zhuǎn)人重點考慮色散特性影響與調(diào)整的新階段，即利用改變纖芯-包層界面的設(shè)計結(jié)構(gòu)，達(dá)到調(diào)整光纖的波導(dǎo)色散，使零色散點移動到設(shè)計所要求的波長處，從而實現(xiàn)研制出各種新型優(yōu)化光纖的目的。 由此繼常規(guī)單模光纖之后，又派生出了多種性能各異的新型單模光纖。如今，石英單模光纖已占有90%以上的光纖產(chǎn)品市場，成為通信光纖的主流產(chǎn)品。 縱觀整個通信光纖30多年的發(fā)展歷程，其最本質(zhì)、最有代表性的三類光纖依次是：階躍折射率多模石英光纖，漸變折射率多模石英光纖和單模石英光纖。圖5. 16給出了階躍多模石英光纖的基本構(gòu)造示意圖；圖5. 17則給出了階躍折射率多模光纖、漸變折射率多模光纖、階

13、躍折射率單模光纖的折射率分布與結(jié)構(gòu)示意圖。圖圖5.16 5.16 階躍多模石英光纖的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)階躍多模石英光纖的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu) 以下將逐次介紹上述三類通信光纖，其中重點介紹單模光纖演變的各種類型。1. 1. 階躍折射率多模光纖階躍折射率多模光纖 20世紀(jì)70年代階躍折射率多模光纖首先應(yīng)用于通信中，其標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)如圖5. 16所示，其芯徑(2a)與包層直徑(2b)的典型值為2a/2b = 50mm/125mm（美國的典型數(shù)據(jù)為100mm/140 mm）。階躍折射率多模光纖芯包最大相對折射率差值D0.01，其數(shù)值孔徑一般在0.20.3以上。由于階躍折射率多模光纖存在嚴(yán)重的模間色散，成為脈沖展寬的主要部分， 嚴(yán)

14、重影響其傳輸速率，因而它主要應(yīng)用在短距離的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中。2. 2. 漸變折射率多模光纖漸變折射率多模光纖 為減小階躍多模光纖模間色散對光纖傳輸容量的不利影響，從既要基本消除直徑達(dá)數(shù)十微米的模間色散，又要能保證有足夠的光能量耦合至光纖中的考慮出發(fā)，20世紀(jì)70年代中期漸變折射率多模光纖研制成功，它成為階躍多模光纖與20世紀(jì)80年代初期問世的單模光纖之間的一種過渡性選擇。 1998年2月由ITU-T建議的G. 651規(guī)范，給出漸變折射率多模光纖的兩種標(biāo)準(zhǔn)芯徑分別為50mm和62.5mm，其包層直徑均為125mm。漸變多模光纖的剖面折射率分布已如前述。ITU-T對G. 651光纖的主要參數(shù)（芯徑、

15、包層直徑、同心度誤差等）作了嚴(yán)格規(guī)定。表表5.8 Ala5.8 Ala與與AlbAlb漸變光纖在兩窗口傳輸?shù)淖畲笏p漸變光纖在兩窗口傳輸?shù)淖畲笏p與最小帶寬數(shù)據(jù)與最小帶寬數(shù)據(jù) 類型性能 光 參數(shù) 源AlaAlb850nm1310nm850nm1310nm最大衰減/(dBkm-1)2.43.50.751.52.83.50.71.5最小帶寬/(MHzkm)20080020012001008002001000 這兩類漸變多模光纖分別稱為Ala(50mm/125mm)和Alb(62.5mm/125mm)類多模光纖。兩類光纖在850nm和1310nm兩個窗口傳輸?shù)淖畲笏p與最小帶寬的參考數(shù)據(jù)(據(jù)2001

16、年數(shù)據(jù))參見表5.8。 20世紀(jì)80年代中期，漸變折射率多模光纖在國際上曾廣泛地應(yīng)用于電信領(lǐng)域，但以后在電話系統(tǒng)中逐漸被性能更優(yōu)良的單模光纖取代；但數(shù)據(jù)通信局域網(wǎng)LAN（即將一定地域范圍內(nèi)的計算機與通信設(shè)備互聯(lián)起來的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，可以充分實現(xiàn)資源共享與信息交換）則正大量地用漸變多模光纖取代銅纜，并獲得迅速發(fā)展；另外，接人網(wǎng)的引入光纜和室內(nèi)軟光纜，也為其帶來較大的市場。漸變多模光纖具有易于連接耦合、可以使用低成本光源、在12 km的短距離通信范圍能提供足夠的帶寬(110 Gb/s)等優(yōu)點。 因此，它在局域網(wǎng)等方面仍有很大的市場應(yīng)用潛力，近10年來全球的年增長率在20%以上，越來越多的LAN選用漸

17、變多模光纖取代銅線，新一代漸變多模光纖將納入10Gbit以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。我國在20世紀(jì)80年代采用Ala類漸變多模光纖較多，在90年代則采用Alb類光纖較多，爾后采用Ala類光纖勢頭又有上升。 應(yīng)該指出的是，盡管漸變多模光纖在短距離通信的局域網(wǎng)及接入網(wǎng)等方面尚有較大的應(yīng)用潛力與市場空間，但它自身存在的一些嚴(yán)重制約因素，使其不能在長距離、高性能的通 信系統(tǒng)中得到應(yīng)用。 主要問題是兩方面：首先，除基本消除模色散外，材料色散、波導(dǎo)色散等其他影響因素所造成的剩余色散以及模噪聲仍限制漸變折射率多模光纖的性能；另外，理想的折射率梯度分布實際上很難實現(xiàn)，整個制造工藝流程必須精確控制，成本昂貴是一般單模光纖單價的

18、數(shù)倍。因而漸變折射率多模光纖的應(yīng)用范圍還是受到很大局限。還應(yīng)指出的是，現(xiàn)今所說的多模光纖一般皆指漸變折射率多模光纖。3. 3. 單模光纖單模光纖 20世紀(jì)80年代單模光纖與單模激光器同時問世，爾后被廣泛應(yīng)用到光纖通信中，并占有通信光纖90%以上的市場，其主要原因就是，單模光纖避免了模色散、模噪聲和多模傳輸附帶的其他效應(yīng)，提高了脈沖開關(guān)的速度，因而單模光纖傳輸信號的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于多模光纖，能實現(xiàn)高速率大容量的信息傳輸，是絕大部分電信系統(tǒng)的最佳選擇。而且，近20多年來，隨著現(xiàn)代信息社會對光纖傳輸距離與通信容量進一步提高的要求，單模光纖也從常規(guī)單模光纖發(fā)展到進一步減小色散的各種新型單模光纖結(jié)構(gòu)。以下具

19、體介紹單模光纖的各種類型及演變。（1 1）常規(guī)單模光纖（）常規(guī)單模光纖（G. 652G. 652光纖）光纖） 具有階躍折射率分布的最簡單的單模光纖，即為常規(guī)單模光纖或稱之為標(biāo)準(zhǔn)單模光纖，ITU-T定義其為G. 652光纖，其縮略表示為SMF。 常規(guī)單模光纖為階躍型折射率分布，其相對折射率差值(D) 一般為0.36%，低于其他標(biāo)準(zhǔn)類型的1%。由于其材料固有色散與波導(dǎo)結(jié)構(gòu)色散符號相反，在1310nm附近恰好抵消，即其零色散波長在1310nm附近，因而稱之為1310nm波長性能最佳的單模光纖，又稱為色散未移位單模光纖；但由于其最低損耗在1550nm附近，而在該波長處有一較高的正色散值約為17ps/n

20、mkm。因此，它是一種可供雙窗口工作的單模光纖。 但由于其在1310nm附近色散最低，因而更適合于在1310nm窗口應(yīng)用，故其工作波長定為1310nm。其主要參數(shù)的典型數(shù)據(jù)為：零色散波長在13001324 nm，零色散斜率為S00. 093 ps/(nm2km)，最大色散系數(shù)D(l)3.5ps/(nmkm)，兩窗口的損耗分別為0.30.4dB/km和0.150.25dB/km。其折射率剖面結(jié)構(gòu)如前所述有匹配包層型和下凹內(nèi)包層型。 從1983年起，單模光纖正式進人商用光纖網(wǎng)，同時制訂出G.652單模光纖的標(biāo)準(zhǔn)。20世紀(jì)80年代中、后期，無論是國外還是國內(nèi)，G.652光纖均得到大量應(yīng)用和敷設(shè)。初期

21、的G.652單模光纖由于制造工藝水平的局限，殘存較大的偏振模色散PMD值。 為滿足高速率系統(tǒng)的要求，2000年10月修訂G.652光纖標(biāo)準(zhǔn)（G.652-2000版本），將G.652光纖細(xì)分為G.652A、G.652B、G.652C三種類型（其中G.652C為波長段擴展的新型非色散位移單模光纖），分別支持不同速率高速系統(tǒng)的要求；2003年1月再次修改的G.652光纖標(biāo)準(zhǔn)，希望全面反映單模光纖的技術(shù)進步，提高G.652光纖的特性，使各類光纖至少都應(yīng)支持10Gb/s的長途應(yīng)用。調(diào)整后的三類G.652光纖的傳輸特性如下： G.652A型光纖支持10Gb/s系統(tǒng)傳輸距離可達(dá)400km,支持10Gb/s以

22、太網(wǎng)的傳輸距離達(dá)40km，支持40Gb/s系統(tǒng)的傳輸距離為2km； G.652B型光纖應(yīng)支持10Gb/s系統(tǒng)的傳輸距離達(dá)3000km以上，支持40Gb/s系統(tǒng)的傳輸距離為80km; G.652C型光纖的基本屬性與G.652A相同，但在1550 nm波長處的衰減系數(shù)更低。非常重要的是，通過改進脫水工藝，C類光纖盡可能地消除了OH離子在1380nm附近比較嚴(yán)重的“水吸收峰”，使光纖的損耗完全由玻璃的本征損耗決定，在該吸收峰處的損耗亦能低于0.4dB/km，從而使系統(tǒng)可以工作在13601530nm波段。1998年美國朗訊公司首先推出了這種新型的單模光纖。這種光纖由于大大拓展了單模光纖的工作波長范圍，

23、使光纖的全部可用波長范圍從大約200nm增加到300nm，可用波長范圍增加了100nm，實現(xiàn)了光纖從1260nm到1625nm的完整波段傳輸。 為此，稱其為“全波光纖”(All-Wave Fiber)， 也稱作“低水峰光纖”(LWPF)或“零水峰光纖”(ZWPF)。它是近年來最先進的城域網(wǎng)用非色散位移光纖。 與此同時，在定義G.652上述三類光纖的基礎(chǔ)上，為使消除水吸收峰的光纖也能支持G.652B型光纖所支持的應(yīng)用范圍，必須對消除水吸收峰光纖的PMDQ值提出更嚴(yán)格的要求。為此，ITU-T于2003年1月在G.652系列中又增加定義了一種新的低水峰光纖類型，即G.652D型光纖。這種光纖的特性與

24、G. 652B光纖基本相同，而衰減系數(shù)與G.652C光纖相同，系統(tǒng)可以工作在13601530nm波段。 例如，由江蘇普天法爾勝光通信公司生產(chǎn)的G.652D低水峰非色散位移單模光纖，即消除了常規(guī)單模光纖在1383nm波長附近由于氫氧根離子引起的吸收水峰，將工作窗口擴大到E波段(13801480nm)從而適用于12601625nm的全波段的傳輸系統(tǒng)，使光纖在全波段上的色散和衰減得到優(yōu)化，滿足在單根光纖上多信道、高速率傳輸?shù)囊蟆?綜上所述，常規(guī)單模光纖G.652經(jīng)過了近20年的發(fā)展，從前期的非色散位移單模光纖G.652A、G.652B，發(fā)展到了20世紀(jì)末以后性能更優(yōu)良的、波長段擴展的、非色散位移單

25、模光纖G.652C和G.652D。 全波光纖的出現(xiàn)使多種光通信業(yè)務(wù)有了更大的靈活性，也大大提高了G.652光纖的市場競爭力。從我國光纖通信業(yè)務(wù)已往發(fā)展的具體情況看，實際已應(yīng)用較多的是G.652B光纖。（2 2）色散位移光纖（）色散位移光纖（G.653G.653光纖）光纖） 為解決標(biāo)準(zhǔn)階躍折射率單模光纖其零色散波長在1310nm附近而其最低損耗波長在1550nm附近兩者不重合的矛盾。研發(fā)了使光纖-包層界面的結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，以調(diào)整波導(dǎo)色散，使零色散點移動到1550nm附近，從而使光纖的零色散窗口與最低損耗窗口兩者均統(tǒng)一在1550nm波長上的光纖。 稱這種光纖為色散位移光纖(Dispersion-Shi

26、fted Fiber , DSF)，它也是1550nm波長性能最佳的單模光纖，ITU-T定義其為G.653光纖。 G.653光纖色散位移平衡原理如圖5.18所示；圖5.19則是可能實現(xiàn)色散位移的剖面折射率分布的部分設(shè)計結(jié)構(gòu)。G.653光纖的工作波長定為1550nm，其部分主要參數(shù)的典型數(shù)據(jù)為：零色散波長范圍為15001600nm，色散斜率S00.085ps/(nm2km)，在15251575nm范圍內(nèi)最大色散系數(shù)D(l)lc時，才能保證單模傳輸；而對于光子晶體光纖，V參數(shù)同樣可以用來判斷PCF中的模式。(3.173)405. 2202221式參見nnaVl圖圖5.28 5.28 折射率引導(dǎo)型折射率引導(dǎo)型PCFPCF的端面結(jié)構(gòu)與傳光機理的端面結(jié)構(gòu)與傳光機理 但不同的是，通過適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計，如調(diào)節(jié)占空比、孔徑大小、等可以使包層的有效折射率neff在一個很大的變化范圍內(nèi)得到改變，而不再是常數(shù)。例如，可以獲得較大的相對折射率差D，其值甚至可超過常規(guī)光纖（約為0.01）一個數(shù)量級以上。另一方面隨著波長的減小，光場越來越集中在折射率高(n1)的纖芯中，這相當(dāng)于等效地提高了包層的折射率neff，從而有效地減小了纖芯與包層之間的折射率差D使得歸一化頻率V趨于恒定值，因而使之能在更大的波長范圍內(nèi)滿足單模傳輸條件，如圖