第五章 光纤的材料与制造、光纤的分类、光缆—2

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1、第5章光纤的材料与制造、光纤的分类、光缆5.2光纤的分类进人20世纪以后，光纤种类的演变与发展始终是伴随着科学技术与通信等产业的需求而发展的。从20世纪50年代美国的物理学家和研究人员首先提出光纤“包层”的概念（1951年）和制造出第一根玻璃包层的光纤开始，多组分玻璃光纤首先在制造传光束、传像束与光纤面板等器件，实现光传输照明以及传输图像等应用领域得到了发展，并很快实用化；60年代末自聚焦光纤在日本研制成功；1970年美国康宁公司解决了降低光纤传输损耗的关键技术，研制成功传输损耗为20dB/km的石英系光纤，从而打开了通信

2、用低损耗光纤的发展道路，并与激光器相结合，促成了70年代以后30多年间光纤通信产业的飞速发展。其历程包括：光纤类型从石英系的阶跃多模光纤发展到渐变折射率多模光纤，进而发展到石英阶跃单模光纤。而且，随着通信对色散带宽、损耗要求的不断提高，又不断研制派生出多种新型的单模光纤。与此同时，通信与非通信应用领域的各种不同应用需求的特种光纤也陆续研发出来，从而形成了应用于通信、传感、传像、传光照明、高能传输与信号控制等多领域的多种类型与规格的数十种光纤。从不同的角度可对光纤进行不同的分类。例如，按制造材料可将光纤区分为：石英系光纤(s

3、ilica-basedopticalfiber)、多组分玻璃光纤(multi-componentglassopticalfiber)、塑料光纤(plasticopticalfiber)、卤素化合物光纤（如氟化物光纤）等；按光纤传输模式可将其分为：多模光纤(multimodefiber)、单模光纤(single-modefiber)；按光纤剖面折射率分布可将其分为：阶跃折射率型(step-Index)光纤、渐变折射率型(graded-index)光纤。折射率分布结构除此两种基本类型外，单模光纤根据对其色散与损耗要求的不同，还

4、有多种不同的折射率分布剖面结构（如W形光纤等）按应用领域和用途可将光纤区分为，通信光纤，非通信光纤。其中，非通信光纤中包括：传光照明光纤，传像光纤，大芯径石英光纤（强激光光纤），以及应用于其他特殊目的的特种光纤（如红外光纤、紫外光纤、保偏光纤、液芯光纤等）。此外，还有按照制造方法、机械性能强度等对光纤加以分类的。本节将以光纤的用途和应用领域为主要着眼点，依次介绍传光与传像光纤、作为最广泛大量应用的各种类型的通信光纤以及各种特殊用途的特种光纤。5.2.1传光与传像光纤1.多组分玻璃传光与传像光纤应用于传光照明与传像的光纤即制

5、造传光束与传像束的单元光纤，其纤芯材料一般均为折射率较高的多组分光学玻璃，而包层则为折射率较低的多组分光学玻璃。其剖面折射率分布结构与模式为阶跃多模光纤。如前所述，这类光纤是用双坩埚法或捧管法拉制而成。另外，其数值孔径较大，一般NA≥0.55〜0.64，其集光能力全接收角2amax>66°〜80°，因而与光源的耦合效率高。光纤的受光范围如图5.13所示。这类光纤的损耗较大，一般为0.5〜1dB/m量级（即每米的透过率约为>50%)，主要原因是多组分玻璃中杂质的吸收损耗很大。其光谱透过率曲线如图5.14所示，在可见光波长范围

6、内传输效率较高。一般制造照明用传光束的光纤直径在40〜70mm范围；而用于制造传像束的光纤直径一般在15〜30mm范围，传像光纤的包层通常很薄，以提高传光效率，其包层厚度约为纤芯直径的1/10。若取纤芯与包层折射率的配比为n1/n2=1.626/1.510，则其数值孔径约为0.60，相应的集光角度2amax约为74°。2.大芯径石英光纤大芯径石英光纤一般为阶跃折射率多模光纤，主要应用于高功率激光传输、激光医疗、激光焊接、传感与照明等。这种光纤一般采用纯石英材料作纤芯；而包层则采用具有更低折射率的掺杂石英、硬塑料或软塑料，具

7、有多种结构形式。这种大芯径石英光纤的制造工艺相对简单。其纤芯的直径一般在100〜1000mm数量级，包层相对于纤芯一般较薄，外面是具有保护性的50〜100mm厚的塑料涂覆层。大芯径阶跃折射率石英光纤由于芯径较大，易于耦合，且具有优良的光学性能，宽广的光谱范围，良好的机械与挠曲性能，适合于大的光功率传输，可以承受相当高的光功率，是传输He-Ne、Ar+离子、YAG等大功率激光的理想介质；但其弯曲性能稍差。例如，一类石英包层的光纤，当纤芯直径为200mm时，其额定的传输连续功率为0.2kW，但当纤芯直径为550mm时，则传输的

8、光功率可增加到1.5kW；同时额定的最小弯曲半径也增加了2.5倍。图5.15给出了部分不同包层的大芯径石英光纤衰减随波长变化的衰减谱。还应指出的是，尽管大部分大芯径石英光纤为阶跃型光纤；旦也有一部分传送高功率激光的大芯径石英光纤具有渐变折射率纤芯，外面有薄的石英包层，且一般采用塑料涂覆层，再外部还带有缓