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光纤的结构及分类解析

2023-06-26 理论教育版权反馈

【摘要】：光纤由纤芯、包层和涂覆层构成。图9.3光纤的横截面结构图目前使用的光纤大多为石英光纤。光纤依据不同的原则可有以下不同的分类方法。图9.4两种光纤的折射率分布此外，还有三角型折射率光纤、双包层光纤、四包层光纤等，如图9.5所示。图9.5单模光纤的折射率分布形式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。紧套光纤的结构简单，使用和测试都比较方便。

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9.3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再套一层热塑性材料，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）。

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图9.3　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。掺锗和磷使折射率增加，掺硼和氟使折射率降低。

光纤依据不同的原则可有以下不同的分类方法。

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9.4所示。其中图9.4（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9.4（b）为阶跃光纤横截面的折射率分布，纤芯折射率为n1，包层折射率为n2。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9.4（c）为渐变光纤横截面的折射率分布，包层的折射率为n2，是均匀的，而在纤芯中折射率则随着纤芯半径的加大而减小，是非均匀且连续变化的。

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图9.4　两种光纤的折射率分布

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9.5所示。

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图9.5　单模光纤的折射率分布形式

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式。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，范围为4～10μm，包层直径为125μm。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50μm 或62.5μm，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。

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，如用GeO2·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。