光纖與光纜知識—技術培訓(編輯修改稿)
2025-07-15 21:31 本頁面
【文章內容簡介】 圖24，這時光以j1角全反射回去，從能量角度看，折射光能量越來越小，反射光能量逐漸增大，直到折射光消失。 這種情況下：即：光在階躍型光纖中的傳播如圖25，纖芯的折射率n1＞包層的折射率n2，其折射率分布的數(shù)學式如下：光線①以光纖的軸心線平行射入，則直線向前傳播。若光線以光纖端面入射角θ進入光纖，則在包層產(chǎn)生包層界面入射角j。因為n1＞n2，包層界面入射角的臨界角jM，與臨界端面入射角θa的關系為：當θ≥θa時，則j＜jM（如圖中光線②），光線有一部分射到包層；當θ≤θa時，則j≥jM（如圖中光線③），光現(xiàn)在纖芯和包層的界面不斷全反射，在允許的彎曲程度內，只要光纖是圓柱體，光就能在光纖中轉彎，產(chǎn)生億萬次以上的全反射（與光纖的長度、直徑有關）。光纖端面的數(shù)值孔徑：光纖端面的臨界角θa稱為光纖的孔徑角。可知2θa大小為光纖可接收光的角度范圍，實際上為圓錐角，因此，θa越大，可接收的光越多，光纖與光源的耦合越方便。設jM為光纖芯與包層的臨界角，則有：設光由折射率為 n0的空氣射入的，令n0=1，則有：由上式得：用n0=1和臨界角公式代入得：由于n1和n2相差很小，所以n1+n2≈2 n1+，并定義Δ= 為相對折射率差，則有：其中，(Numerical Aperture)為數(shù)值孔徑，當Δ越大，孔徑角也越大。但實際上大的數(shù)值孔徑會在傳輸中激起高次模式，使傳輸帶寬變窄，一般多模光纖Δ=1%，jM= rad≈8176。,當n1≈，=。光在聚焦型光纖中的傳播聚焦型光纖又稱折射率分布漸變型光纖，光纖折射率分布如圖26所示，數(shù)學表示如下：上式中當a=2時：聚焦型光纖的折射率，從軸心沿半徑方向以平方律拋物線形狀連續(xù)下降，軸心線上最大，邊緣最小，因此光傳播時，速度不一樣，軸心線上最慢，如上圖，平行入射的光，一般形成近似于正弦曲線的傳播途徑，其中3等點為自聚焦點，各平行光線同時到達。這意味著光纖具有很寬的傳輸帶寬，可以傳送圖像，此外，聚焦型光纖沒有全反射損耗。自聚焦型光纖的折射率實現(xiàn)平方律拋物線分布很難，如圖27所示，一般采用梯度型分布曲線，稱梯度型光纖，利用這種技術可制造多模梯度型光纖，其數(shù)值孔徑如下：其中：n（0）為纖芯中心折射率，n（a）為芯層邊緣的折射率l 光纖種類光纖由折射率較高的纖芯（core）和折射率較低的包層（cladding）組成，在包層外面加上塑料護套，如圖28所示。光纖按材料分為：石英光纖：石英玻璃（SiO2）；多種組份玻璃光纖；液芯光纖：細管內采用傳光液體；塑料光纖：塑料為材料的傳光傳圖像光纖；高強度光纖：以石英為纖芯和包層，外涂炭素材料。按折射率分布分： 突變型光纖； 漸變型光纖； W型光纖等。按光纖內部能傳輸?shù)碾姶艌龅目偰?shù)（可激勵的總模數(shù)）分： 單模光纖； 多模光纖。按工作波長分： 1μm以下的短波長光纖（）； 1μm以上的長波長光纖（第一長波長：，）。當今用于通信的光纖，一般為石英光纖，外徑為125μm，傳輸帶寬極寬，通信容量巨大。%，折射率分布十分精確，這樣光纖的傳輸帶寬才能達到10KHz/km~100KHz/km以上，以實現(xiàn)大容量通信。一般以康寧光纖的標準： ：； ：； ：； ：； ：。l 光纖衰減光纖傳輸中會產(chǎn)生衰減（率耗或損耗），公式如下：其中P出P入為輸入和輸出端的光功率。光纖的衰減來源主要分為： 材料吸收衰減吸收衰減是光纖材料中的某些粒子吸收光能而產(chǎn)生振動，并以熱的形式而散失掉。原因是材料中存在不需要的雜質離子，特別是過渡金屬離子通（Cu2+）、鐵（Fe2+）、鉻（Cr3+）、鈷（Co2+）、錳（Mn2+）、鎳（Ni2+）、釩（V）等和氫氧根負離子（OH，又稱氫基）。其中，金屬離子的吸收波峰（吸收帶）~，。材料吸收的衰減要最低，必須對原材料嚴格化學提純，金屬離子含量降到ppb級，氫氧化合物的雜質含量在1ppm以下。材料的本征吸收是固有的。 光纖的散射衰減散射就是在光纖中傳輸遇到不均勻或不連續(xù)的情況時，會有一部分光散射到各個方向上去，不能到傳輸終點，從而造成散射衰減。① 材料散射制造中造成的缺陷如，氣泡雜志、不溶解粒子及折晶等，引起材料散射。其次，材料密度的不均勻造成折射率不均勻，引起瑞利散射，瑞利散射與波長有關，與光波的長的4次方（λ4）成反比，波長越長，散射衰減越小，因此，長波長（~）的衰減小于短波長（~）的衰減。降低材料散射衰減的辦法是在熔煉光纖預制棒和拉絲時，要選擇合適的工藝，清潔的環(huán)境。② 光纖波導結構的不完善引起的散射㈠光波導散射：光纖粗細不均勻，截面形狀改變，導致光傳輸時一部分能量輻射出去。要求拉絲工藝保證質量，借助熱狀態(tài)下的玻璃表面張力，控制光纖截面的均勻。㈡包層與纖芯間的界面凹凸不平滑引起的衰減光遇到不平滑的包層界面，一部分光透過包層出去，引起光的衰減，還引起模式變換?？傊饫w衰減除了材料吸收和材料散射外，其它由工藝技術造成，衰減很大時（＞10dB/km），屬于材料吸收為主，而通信中的衰減主要來自波導散射和材料散射。如圖29所示，光衰減與波長有關，從曲線可知，石英光纖由三個衰減區(qū)（又稱作低率耗“窗口”），~，為短波長低率耗區(qū)。~~，為長波長低衰耗區(qū)。 光纖彎曲衰減、微彎衰減和接頭衰減㈠彎曲衰減：光纖可彎曲，如果曲率半徑過小，光就會從包層泄漏，因此在光纖制成纜、現(xiàn)場鋪設（管道轉彎）、光纜接頭盒等場合可能出現(xiàn)彎曲衰減，描述為：其中，R為彎曲半徑，A、B與光纖參數(shù)（纖芯半徑a，光纖外徑2b，相對折射率差Δ）有關的待定常數(shù)。㈡微彎衰減微彎是隨機的，其曲率半徑與光纖橫截面尺寸相比擬的畸變。常發(fā)生在套塑、成藍、周圍溫度變化。微彎衰減是光纖隨機畸變的高次模與輻射模之間的耦合模所引起的光功率損耗。大小表示為：其中：N是隨機微彎的個數(shù)；h是微彎凸起的高度；〈〉表示統(tǒng)計平均符號；E是涂層料的楊氏模量；Ef是光纖的楊氏模量；a為纖芯半徑；b為光纖外半徑；Δ微光纖的相對折射率差。㈢接頭衰減
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