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光纤的结构和分类

 光纤通信中所使用的光纤是截面很小的可绕透明长丝,它在长距离内具有束缚和传输光的作用。   
       光纤是圆截面介质波导。图3是光纤的横截面结构图。光纤由纤芯、包层和涂覆层构成。纤芯由高度透明的材料构成;包层的折射率略小于纤芯,从而可以形成光波导效应,使大部分的光被束缚在纤芯中传输;涂覆层的作用是增强光纤的柔韧性。此外为了进一步保护光纤.提高光纤的机械强度,一般在带有涂覆层的光纤外面在套一层热塑性材料,成为套塑层(或二次涂覆层)。在涂覆层和套塑层之间还需填充一些缓冲材料,成为缓冲层(或称垫层)。
光纤横截面结构图
图3  光纤的横截面结构图
        目前使用的光纤大多为石英光纤。它以纯净的二氧化硅材料为主,为了改变折射率,中间掺以合适的杂质。掺緒和磷使折射率增加,掺硼和氟使折射率降低。
        光纤依据不同的原则可有不同的分类方法。
1. 按光纤横截面的折射率分布分类
        根据光纤横截面折射率分布的不同,常用光纤可以分成阶跃折射率分布光纤(简称阶跃光纤)和渐变折射率分布光纤(简称渐变光纤)两种类型,其折射率分布如图4所示。图(a)是光纤的横截面图,其纤芯直径为2a,包层直径为2b.
(1) 阶跃光纤
       图(b)为阶跃光纤横截面的折射率分布,纤芯折射率为ni,包层折射率为”八纤芯和包层的折射率都是均匀分布,折射率在纤芯和包层的界面上发生突变。
2) 渐变光纤
       图(c)为渐变光纤横截面的折射率分布,包层的折射率为"Z,是均匀的,而在纤芯中折射率则随着纤芯的半径的加大而减小,是非均匀的、且连续变化。
       此外,还有三角型折射率光纤,其纤芯折射率分布曲线为三角形;双包层光纤、四包层光纤等,如图5所示。
2种光纤折射率分布
单模光纤折射率分布形式
图5  单模光纤折射率分布形式
2. 按光纤中的传导模式数量分类
       光是一种电磁波,它沿光纤传输时可能存在多种不同的电磁场分布形式(即传播模式)。能够在光纤中远距离传输的传播模式称为传导模。根据传导模式数量的不同,光纤可以分为单模光纤和多模光纤两类。
(1)单模光纤
       光纤中只传输一种模式,即基模(最低阶模式)。单模光纤的纤芯直径极小,约为4〜10fan范围,包层直径为125 单模光纤适用于长距离、大容量的光纤通信系统。
(2)多模光纤
       光纤中传输的模式不止一个,即在光纤中存在多个传导模式。多模光纤的纤芯直径较大,多模光纤的纤芯一般为50或62.5其横截面的折射率分布为渐变型,包层的外径125µm。多模光纤适用于中距离、中容量的光纤通信系统。
       需要指出的是,单模光纤和多模光纤只是一个相对概念。光纤中可以传输的模式数量的多少取决于光纤的光纤的工作波长、光纤横截面折射率的分布和结构参数。对于一根确定的光纤,当工作波长大于光纤的截止波长时,光纤只能传输基模,为单模光纤,否则为多模光纤。
多模光纤
3. 按光纤构成的原材料分类
(1) 石英系光纤
       它主要是由高纯度的SiO2并掺有适当的杂质制成,例如用GeOz•SiO2和P2O5-SiO2作芯子,用B2O3•SiO2作包层。目前这种光纤损耗最低、强度和可靠性最高、应用最广泛。
(2) 多组分玻璃光纤
      例如用钠玻璃掺有适当杂质制成。这种光纤的损耗较低,但可靠性不高。
(3) 塑料包层光纤
      光纤的芯子是用石英制成,包层是硅树脂。
(4) 全塑光纤
       光纤的芯子和包层均由塑料制成。其损耗较大,可靠性也不高。
       目前光纤通信中主要使用石英光纤。
4. 按光纤的套塑层分类
(1) 紧套光纤
       典型的紧套光纤各层之间都是紧贴的,光纤被套管紧紧箍住,不能在其中松动。在光纤与套管之间放置了一个缓冲层,以减小外面应力对光纤的作用。紧套光纤的结构简单,使用和测试都比较方便。
(2) 松套光纤
       光纤的护套为松套管,光纤能在其中松动。管内空间填充油膏,以防水分渗入。松套光纤的机械性能、防水性能都比较好,便于成缆。若一根管内放入2〜20根光纤,可制成光纤束,称为松套光纤束。