【正文】 光纖的物理機(jī)械特性 光纖斷裂的機(jī)理 由前表知，硅玻璃的拉伸強(qiáng)度是鐵的 4倍多，與銅、鋁相比，差不多高出一個(gè)數(shù)量級(jí)，但當(dāng)光纖表面出現(xiàn)裂痕時(shí)，由于張應(yīng)力集中于裂痕末梢，當(dāng)應(yīng)變能量的攝取率大于表面能的增長(zhǎng)率時(shí)，裂痕就會(huì)擴(kuò)展，若超過允許值，光纖就會(huì)立即斷裂。 光纖的物理機(jī)械特性 光纖表面產(chǎn)生裂痕的原因： ①光纖預(yù)制棒的質(zhì)量不佳； ②從預(yù)制棒拉制光纖時(shí)，吸附了灰塵，水分子以及其它雜質(zhì)； ③在不潔凈的車間里快速拉絲時(shí)，受到 “ 粒子 ” 的摩擦； ④拉絲時(shí)與收線盤或其它物體碰撞。 光纖斷裂和應(yīng)力關(guān)系示意圖 光纖的物理機(jī)械特性 處理辦法： ①采取多種措施，使預(yù)制棒和光纖在“超凈”的環(huán)境中進(jìn)行； ②對(duì)預(yù)制棒表面進(jìn)行處理，并在拉絲前從嚴(yán)篩選； ③在拉絲過程中對(duì)裸光纖加添一涂覆層，既使光纖不直接和其它物體接觸，又可改善其機(jī)械強(qiáng)度（斷裂強(qiáng)度可提高 10倍左右，約 67kg，而一般工程中所產(chǎn)生的張力約 1kg）； ④成纜前對(duì)所有光纖從嚴(yán)篩選。常見的方法有：張力放線法，雙絞盤法，彎曲應(yīng)變法。目的是剔除不合格的光纖，確保成纜后的質(zhì)量； ⑤使用氣密涂層光纖。 光纖的物理機(jī)械特性 （ 1）疲勞 疲勞： 玻璃所受的力低于臨界應(yīng)力，但因裂痕緩慢擴(kuò)大而導(dǎo)致斷裂的現(xiàn)象。 施加給玻璃的力是恒定的 —— 靜態(tài)疲勞。 施加的應(yīng)力隨時(shí)間而遞增 —— 動(dòng)態(tài)疲勞。 產(chǎn)生原因： 光纖在機(jī)械力、溫度或放射性輻射的作用下，機(jī)械性能會(huì)發(fā)生變化。 采用措施： 通過篩選測(cè)試剔除不合格產(chǎn)品。 光纖的物理機(jī)械特性 （ 2） H2影響 1982年，英國和日本在日常測(cè)試中相繼發(fā)現(xiàn)： 1980年敷設(shè)的光纜，在 ～ ，損耗值增加了 10％，這是一種用GeO2和 P2O5摻雜，外覆硅銅和尼龍的光纖。 針對(duì)這一發(fā)現(xiàn)，電纜工程師們對(duì)此光纖作了高溫和浸水試驗(yàn)： ①把光纖加熱到 200℃ ， 1小時(shí)后發(fā)現(xiàn)，在 ～ ，損耗值增大，在 ； ②在室溫下，把光纖浸在水中，數(shù)月后發(fā)現(xiàn)， 峰，但在 181。m處又出現(xiàn)一個(gè)衰減值更大的新的吸收峰； ③把水注入光纜，再通電，幾天后，在 181。m處發(fā)現(xiàn)一個(gè)新的吸收峰，原因是水被電解產(chǎn)生了氫和氧，而 181。m正好是 SiOH產(chǎn)生吸收峰的位置。 結(jié)論： 之所以出現(xiàn)衰減增大，是因?yàn)槌霈F(xiàn)了 H2。 機(jī)理： H2一旦進(jìn)入光纖，幾十小時(shí)便會(huì)擴(kuò)散到纖芯， H與 SiO2的原子作用，造成了吸收峰。 目前傾向性作法： 在裸光纖外表面加覆氣密涂層 光纖的物理機(jī)械特性 （ 3） H2O的影響 水對(duì)光纖的危害： ①玻璃表面易吸附水氣，從而會(huì)因 SiO鍵的破壞而使裂痕擴(kuò)展； ②純水對(duì)玻璃有浸蝕作用。如果玻璃纖維含有堿離子，則將因玻璃的被溶蝕而龜裂，在遇有外力時(shí)導(dǎo)致斷裂； ③吸附在玻璃表面上的 OH與玻璃中的堿離子產(chǎn)生反應(yīng)的結(jié)果，使 SiO2的分子健斷裂。 措施： 成纜時(shí)設(shè)法采取防水措施 光纖的物理機(jī)械特性 ? SiO2在 1000℃ 高溫下也不會(huì)軟化，且可長(zhǎng)期連續(xù)使用，但光纖外面的塑料涂層不能承受如此高的溫度，因此，使用溫度的上限一般規(guī)定為 100～ 150℃ 。 ? 裸光纖外面涂覆以氟塑硅樹脂，聚酰亞胺和鋁之后，最高溫度分別提高到： 200℃ ， 300℃ 和600℃ 。前二者已實(shí)用。由于鋁的熱膨脹系數(shù)遠(yuǎn)高于玻璃，所以在溫度稍低時(shí)會(huì)因微彎曲而實(shí)光纖的傳輸衰減上升。 光纖低溫特性曲線 光纖的物理機(jī)械特性 成纜對(duì)光纖特性的影響 纜芯： 一般來說，纜芯結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足以下基本要求：光纖在纜芯內(nèi)處于最佳位置和狀態(tài)，保證光纖傳輸性能穩(wěn)定，在光纜受到一定的拉力、側(cè)壓力等外力時(shí)，光纖不應(yīng)承受外力影響；其次纜芯內(nèi)的金屬線對(duì)也應(yīng)得到妥善安排，并保證其電氣性能；另外纜芯截面應(yīng)盡可能小，以降低成本和敷設(shè)空間。 護(hù)層： 其作用是進(jìn)一步保護(hù)光纖，使光纖能適應(yīng)在各種場(chǎng)地敷設(shè)，如架空、管道、直埋、室內(nèi)、過河、跨海等。對(duì)于采用外周加強(qiáng)元件的光纜結(jié)構(gòu)，護(hù)層還需提供足夠的抗拉、抗壓、抗彎曲等機(jī)械特性方面的能力。 光纖的物理機(jī)械特性 （ 1）改善光纖的溫度特性 虛線：光纖自身的特性曲線； 實(shí)線：成纜后的特性曲線 （ 2）增加機(jī)械強(qiáng)度 由于光纜結(jié)構(gòu)中加入了加強(qiáng)構(gòu)件、護(hù)套、甚至鎧裝層等，因此其斷點(diǎn)強(qiáng)度遠(yuǎn)大于光纖；不僅如此，光纜的抗側(cè)壓、抗沖擊和抗扭曲性能都有明顯增強(qiáng) （ 3） 成纜的附加損耗 不良的成纜工藝，把光纖制成光纜后，會(huì)帶來附加損耗， (比如說不良應(yīng)力造成微彎 ) 稱之為成纜損耗 思考題 一、填空 ____和 ___特性。引起光纖衰減的主要原因是 ___、 ___、 ____和連接損耗。 ，按照不同的分類方式，可以將光纖分為不同的種類。按光纖折射率分布形式，可將光纖分為 與 ____。按光纖的不同材料分，可將光纖分為 、 、多組份玻璃光纖及氟化物光纖。按傳輸模式分，可將光纖分為單模光纖和 。按光波長(zhǎng)分，可將光纖分為 、 及超長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖。 ，這種起伏要引起散射，當(dāng)起伏的限度小于光波長(zhǎng)時(shí)引起的散射稱為 。 。 和 。 理論，即光纖的實(shí)際強(qiáng)度取決于其表面的 ，當(dāng)光纖受力時(shí)，在此處產(chǎn)生應(yīng)力集中，此集中應(yīng)力值達(dá)到 SiO鍵鍵能時(shí)，光纖斷裂。 ，摻入 或 ，為降低包層折射率，摻入 。 ，自內(nèi)向外為 、 及涂覆層。 ______。 A、纖芯折射率大于包層折射率；芯包界面上滿足全反射條件；光纖入射端面上入射角小于纖芯的孔徑角。 B、纖芯折射率小于包層折射率；芯包界面上滿足全反射條件；光纖入射端面上入射角小于纖芯的孔徑角。 C、纖芯折射率大于包層折射率；芯包界面上不滿足全反射條件；光纖入射端面上入射角小于纖芯的孔徑角 。 二、計(jì)算 多模漸變型光纖（折射率分布指數(shù) g=2），其光纖尺寸為50/125μ m，纖芯折射率 n１＝ ，包層折射率 n２＝ . 求：（ 1）其最大數(shù)值孔徑及孔徑角； （ 2）若該光纖傳輸?shù)墓獠ㄩL(zhǎng) λ ＝ m,求其所能傳輸?shù)哪Ｊ綌?shù)為多少？ 三、簡(jiǎn)答 解釋光纖中色散的概念，簡(jiǎn)述產(chǎn)生色散的原因有哪些？ 簡(jiǎn)述光纖中傳輸模式及模變換的概念，分析模變換對(duì)光纖傳輸有什么影響。 四、名詞解釋