第第 11 章 章 光纤导波原理与基本特性光纤导波原理与基本特性

课程网站： http://kczx.suda.edu.cn/G2S/ShowSystem/Index.aspx

1 、光纤的结构－ Fiber Construction

光纤 (Optical Fiber) 就是用来导光的透明介质纤维

单模： 8 ~10m多模：50~100m

125m

2a

250m

纤芯涂敷层

包层

纤芯：折射率 n1 较高，用来传送光；包层：折射率 n2 较低，与纤芯一起形成全反射条件；涂敷层：光纤拉出后 , 必须立即被覆一层保护性的涂膜，以保护光纤拉丝后的强度 .

n1

n2

(core) (cladding) (coating)

按照光纤传输模式的多少分类单模（ Single-Mode）多模（ Multi-Mode）

3 、光纤的分类

单模光纤单模光纤 (Single Mode Fiber， SMF): 单模光纤是只能传输一种模式的光纤，单模光纤只

能传输基模 ( 最低阶模 ) ，不存在模间时延差，具有比多模光纤大得多的带宽，这对于高码速传输是非常重要的。

多模光纤多模光纤 (Multi-Mode Fiber，MMF): 能同时传输多个模式在光纤称为多模光纤。

按照光纤截面折射率分布分类： 阶跃型光纤 渐变型光纤 双包层（ W 型） 三角分布 -- 色散位移光纤 (DSF G.653),

非零色散位移光纤 (NZ-DSF G.655)

阶跃分布光纤（ Step-index fiber ）渐变分布光纤（ Graded-index fiber ）

阶跃和渐变光纤折射率分布

阶跃光纤 渐变折射率光纤

r2n

1n

r

1n2n

2/11 ])(21[ g

a

rn

2nn

ar 0

ar

g 2g平方律分布或抛物线分布

分布指数。为折射率为相对折射率差，为纤芯半径，其中： ga

当 <0.01 时，上式简化为 ：

1

21

n

nn

这即为光纤波导的弱导条件。弱导的基本含义是指很小的折射率差就能构成良好的光纤波导结构，而且为制造提供了很大的方便。

21

22

21

2

)(

n

nn

相对折射率差：

NZ-NZ-DSFDSF

DFFDFFDSFDSF

色散平坦光纤

G.655G.655

其它几种光纤的折射率分布

色散位移光纤

G.653G.653

非零色散位移光纤

按光纤材料分类玻璃光纤：纤芯与包层都是玻璃，损耗小，传输距离长，成本高；胶套硅光纤：纤芯是玻璃，包层为塑料，特性同玻璃光纤差不多，成本较低；塑料光纤：纤芯与包层都是塑料，损耗大，传输距离很短，价格很低。多用于家电、音响，以及短距的图像传输。

特种光纤 : 保偏光纤 掺稀土元素 倏逝场光纤 红外光纤 双包层光纤 掺铒光纤（ EDF ）

ITU-T( 国际电信联盟 ) 标准光纤 G.651 ：渐变型多模光纤（ MMF ） G.652 ：普通单模光纤（ SMF ） G.653 ：色散位移光纤 (DSF)

G.654 ：衰减最小光纤 G.655 ：非零色散位移光纤 (NZ-DSF)

G.651光纤 : 渐变多模光纤，工作波长为 1.31μm和 1.55μm，在 1.31μm处光纤有最小色散，而在 1.55μm处光纤有最小损耗，主要用于计算机局域网或接入网。G.652 光纤：常规单模光纤，其零色散波长为1.31μm ，在 1.55μm 处有最小损耗，是目前应用最广的光纤。G.653 光纤：色散位移光纤，在 1.55μm处实现最低损耗与零色散波长一致，但由于在 1.55μm处存在四波混频等非线性效应，阻碍了其应用。G.654 光纤：衰减最小单模光纤，在 1.55μm处具有极低损耗（大约 0.18dB/km）且弯曲性能好。 G.655 光纤：非零色散位移单模光纤，在 1.55μm ～1.65μm处色散值为 0.1 ～ 6.0ps/ （ nm.km ），用以平衡四波混频等非线性效应，适用于高速（ 10Gb/s以上）、大容量、 DWDM系统。

4 、光纤导波原理研究方法

光线理论 波动理论

适用条件 d d

研究对象 光线 模式

基本方程 射线方程 波导场方程

研究方法 折射/反射定理 边值问题

主要特点 约束光线 模式

（ 1 ）光线理论

在光线理论中，近似认为光波波长 00 ，从而将光波近似看成为光线。当光波从折射率较大的介质入射到折射率较小的介质时，在边界发生反射和折射，当入射角超过临界角时，将发生全反射。其临界角 0 由下式决定。

1

210 sin

n

n

n1

n2

n1 > n2

n1

n2900

临界角

n1

n2

全反射

θ1 θ2

θ1 θ0

n1sin1=n2sin2

θ2

光在光波导中传播的基本原理就是界面全反射，光线在芯层内部来回反射，沿着锯齿形路径向前传播。

n1> n2

阶跃型光纤的光线理论分析

n1> n2

称为光纤孔径角 )1

arcsin( 22

21

00 nn

n

凡是入射角小于 0 的入射光，都将通过多次全反射从一端传向另一端；入射角大于 0 的光线，将透过内壁进入外层，不能继续传送。

0

n2

n1

00 sinn 称为光学纤维的数值孔经 NA ，它决定了可经光学纤维传递的光束的最大入射角，反映了光纤的集光本领。

ΔnnnnNA 2sin 122

2100

1

2121

22

21

2

)(

n

nn

n

nn

其中：

n0=1 （空气）

0

接收锥

称为相对折射率差。

渐变型光纤的光线理论分析 由于纤芯的折射率是随 r 而变化的，所以光线不是直线而是曲线，光线是按光的折射定律而发生弯曲的。光纤的折射率自纤芯轴向外递减。由于在分层的折射率中，内层折射率大于外层折射率，故光在各分层入射时，折射角越来越大，光线就越来越向纤芯轴弯曲，在某一点处发生全反射，然后光线折回光纤轴线。

nr1

nr2

1r

2r

1

2

2

1

sin

sin

r

r

r

r

n

n

在光线理论中，通常认为一个传播方向的光线对应一种模式，有时也称之为射线模式。光源在光纤中激励出所有模式中的一部分（满足全反射条件的光线）能由光纤的一端传到另一端，这种能在光纤中长距离传播的模式称之为传导模 ( 简称导模 ) 。光纤中可以传导的模式数取决于光纤的结构和折射率沿径向分布。

光线理论中模式的概念

单模光纤单模光纤 (Single Mode Fiber， SMF):

只能传输一种模式

多模光纤多模光纤 (Multi-Mode Fiber， MMF):能同时传输多个模式

n1> n2n2

n1

光源

透镜

光线在单模和多模光纤中传输

（ 2 ）波动理论（模式理论）

光波是一种电磁波，光波在光纤中的传播，实际上是电磁场在光纤中的传播。电磁场的传播遵从麦克斯韦方程组，而在光纤中传播的电磁场，还必须满足光纤这样一种传输介质的边界条件。因此，要知道光在光纤中可能的传播方式，就必须求解满足光纤特定边界条件的麦克斯韦方程组，而光纤特定的边界条件，是由光纤结构所决定的。

式中： E 为电场强度矢量； D 为电位移矢量；H 为磁场强度矢量； B为磁感应强度矢量。

kz

jy

ix

麦克斯韦方程

麦克斯韦方程只给出场和场源之间的关系，为了求出光波在光纤中的传播规律，应进一步求出每—个量随时间和空间的变化规律．也就是要从麦克斯韦方程组中求解 E 、 H 随时、空的变化关系。

这就是最简单的波动方程波动方程

02

22

t

EE

02

22

t

HH

麦克斯韦方程组写为 :

在均匀光纤中，介质材料一般是线性和各向同性的，并且不存在电流和自由电荷，因此在无源区域，均匀、无损耗时有： j ＝ 0 ，＝ 0, ＝ 0, = 常数， =常数 .

光纤中麦克斯韦方程 :

波导场方程：是波动光学方法的最基本方程。它是一个典型的本征方程 , 当给定波导的边界条件时 , 求解波导场方程可得本征解及相应的本征值。方程的一个解即对应一个模式（即电磁场在光纤中的一种分布形式），对应的本征值，则表征该模式的传播常数。

02

22

t

EE

02

22

t

HH

02

22

t

EE

02

22

t

EE x

x

02

22

t

EE y

y

02

22

t

EE z

z

波导场方程直角坐标表示

2

2

2

2

2

22

zyx

02

22

t

EE x

x

02

2

2

2

2

2

2

2

t

E

z

E

y

E

x

E xxxx

柱坐标下的波导方程

)(0 ),( ztjer EE

)(0 ),( ztjer HH

式中为轴向传播常数。

)(

ˆ),(),(

ˆ),(),(

),,,(

),,,( ztj

zt

zt ezrHrH

zrErE

tzrH

tzrE

将 E 和 H 分解为横向和纵向分量：

纵向场分量满足：贝塞尔方程

2,1,

0)()()()(

20

20

22

2

222

2

2

iknk

rFr

krdr

rdF

dr

rFd

iii

i

贝塞尔方程的解：第一类和第二类贝塞尔函数： Jm, Nn

第一类和第二类汉克尔函数： Hn(1) , Hn (2)

第一类和第二类变态汉克尔函数： In , Kn

00

2

k

整数阶 BESSEL 函数（ 0 ， 1 ， 2 ）

-20 -18 -16 -14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20-0.6

-0.4

-0.2

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

J -2,-

1,0,

1,2(

x)

X

J0(x)

y=0 J

1(x)

J2(x)

J-1(x)

J-2(x)

0 阶 BESSEL 函数

1阶 BESSEL 函数

2 整数阶 BESSEL函数

本征解的确定

包层 (r>a) ：

jmmI

z

Iz e

a

UrJ

B

A

H

E)(

在不同区域，方程的解将取不同的形式。在不同区域，方程的解将取不同的形式。

纤芯 (0<r<a) ：

220

21 knaU

jmmII

z

IIz e

a

WrK

D

C

H

E)(

20

22

2 knaW

其中其中

其中其中

a

纤芯 (0<r<a) ：

jmmI

z

Iz e

a

UrJ

B

A

H

E)(

220

21 knaU

根据贝塞尔函数 Jm(Ur/a) 的性质， U 必须是实数，否则 Jm(Ur/a) 为衰减波。因此，必须有：

n1k0 >

n1

n2

n2

r = a

包层 (r>a) ：

jmmII

z

IIz e

a

WrK

D

C

H

E)(

20

22

2 knaW 其中其中

同样，若场为沿 r方向衰减波，应有

n2k0 <

n2

r

某个模式成为导波模的条件是，它的传播常数满足下列条件： n2k0 < < n1k0

导波模截止条件为： = n2k0

如何判断某个模式是否是导波模呢？

220

21 knaU将将 = n2k0 带入

22

210 nnakU

称为规一化频率。称为规一化频率。22

210 nnakV

与截止条件相对应的重要参数是归一化频率 V 。对于某一频率的光，光纤中传输的模式数由光纤的归一化频率 V 决定：

光纤的规一化频率

2

22

20

10

10 NAaanankV

＝

1

2121

22

21

2

)(

n

nn

n

nn

其中：

(1)、 (2) 式给出了纤芯和包层光波电磁场表达式， ABCD 为四个待定系数，可利用 r=a 处电磁场的边界条件得到 ABCD 满足的方程组，仅当系数矩阵的行列式为零时有非全零解，这个条件提供了确定传播常数的本征值方程 :

包层 (r>a) ：

jmmI

z

Iz e

a

UrJ

B

A

H

E)(

纤芯 (0<r<a) ：

jmmII

z

IIz e

a

WrK

D

C

H

E)(

222

22'2

2'2

1''

)11

())((WU

mWK

Kk

UJ

Jk

WK

K

UJ

J

m

m

m

m

m

m

m

m

（ 1）

（ 2）

222

22'2

2'2

1''

)11

())((WU

mWK

Kk

UJ

Jk

WK

K

UJ

J

m

m

m

m

m

m

m

m

上式称特征方程，或色散方程，它实际是关于 β 的一个超越方程。当 n1、 n2、 a和 0 给定时 , 对于不同的 m值 , 可求得相应的 β 值。由于贝塞尔函数及其导数具有周期振荡性质, 所以本征值方程可以有多个不同的解 βmn (m=0,1,2,3... n=1,2,3...), 每一个βmn 都对应于一个导模。

220

21 knaU 2

022

2 knaW

5 、圆波导的模式命名

光 纤 中 的 传 输 模 式 按 照 场 分 布 中纵向 场 分 量(Ez 、 Hz) 的 特 性 ， 可 以 分 为TElm、 TMlm、 HElm、 EHlm 几种模。 TElm 模的 Ez＝ 0， Hz0 ，称为横电模； TMlm 模的 Ez0， Hz＝ 0 ，称为横磁模； HElm 模和 EHlm 模的 Ez及 Hz均不为零，称为混合模， HE (Hz >Ez) 相反 EH (Ez >Hz ) ，这里的角标l 和 m 分别是模式的角向标号和径向标号，不同的（ l,m ）标识不同的模式。

模式命名

(1) 横电磁模 (TEM): Ez＝ Hz＝ 0;

(2) 横电模 (TE): Ez＝ 0, Hz≠0;

(3) 横磁模 (TM): Ez≠0,Hz＝ 0;

(4) 混和模 (HE或 EH):Ez≠0, Hz≠0 。

光纤中不存在 TEM 波，光纤中存在的模式多数为 HE(EH)模 , 有时也出现 TE(TM) 模。

结构参数给定的光纤中 , 模式分布是固定的。可根据本征值方程式利用数值计算得到各导模传播常数 β 与光纤归一化频率 V 值的关系曲线 , 称之为色散曲线。

222

22'2

2'2

1''

)11

())((WU

mWK

Kk

UJ

Jk

WK

K

UJ

J

m

m

m

m

m

m

m

m

色散曲线

220

21 knaU 2

022

2 knaW

210 ankV

归一化传播常数 β/k0 与归一化频率 V 的关系曲线

22

1na

Vc

0 1 2 3 4 5 6

β/k0

HE11

TE01

HE12

HE41

HE31

TE01

HE21

HE22

EH11

TM01

TM02

EH21

色散曲线

归一化频率 V 越大，能够传播的模式数就越多。V值较高的光纤可以支持较多的模式，称为多模光纤。模式数目随 V 的减小快速减少。当 V 小于 2.405 时，除HE11 模式外，所有模式被截止。只支持一个模式（基模 HE11 ）的光纤被称作单模光纤 让 V 变小的一个途径就是减小光纤半径 a 的值。故单模光纤半径比多模光纤小。

色散曲线分析

光纤的归一化频率 V 决定了光纤可支持的模式总数。如图所示，当 V < 2.405 时，只支持一个模式（基模 HE11 ）的光纤被称作单模光纤。

0 1 2 3 4 5 6

β/k0

HE11

TE01

HE12

HE41

HE31

TE01

HE21

HE22

EH11

TM01

TM02

EH21

2.405

22

10

anV

阶跃折射率分布光纤单模传输条件 :

阶跃折射率分布光纤传输特性 :

0 1 2 3 4 5 6

β/k0

HE11

TE01

HE12

HE41

HE31

TE01

HE21

HE22

EH11

TM01

TM02

EH21

① 只传输 HE11 模式的光纤称为单模光纤。② 光纤的归一化频率 V 决定了光纤传输的模式数 M ，各

模式的截止条件决定于 V 。③ HE11 模称为光纤的基模。基模不会截止——即使 V 值

再小，基模仍然存在。

光纤传输的模式数

22

2 10

10 anankV

在一个给定结构参数的光纤中，允许存在的导模数目可由下式估算：

式中 g 是光纤折射率分布指数。

)2(22

g

gVM

)2(22

g

gVM

对于平方律分布光纤 g＝ 2，M=V2/4 ； 对于阶跃折射率分布光纤 g ＝，M=V 2/2 。 改变光纤的物理参数，将影响光纤中传输模的数量，例如增加纤芯半径 a 或者折射率 n1 ，可以增加传输模式数目；而增加波长或者包层折射率 n2 可以减少模式数。

光纤传输的模式数

22

10

anV

某平方律分布光纤： NA＝ 0.275 ，纤芯直径 50 μm ，求当工作在 1310 nm窗口时，光纤可支持的模式数。

例

截止波长单模传输光纤的最大芯径取决于波长，对于特定的芯径，存在一个波长值，波长必须大于此值时，才能单模传输，这个波长称为截止波长。

2.4 22

10

anV

截止波长： 2 61.2 2405.2

211 ananc ＝

2405.2

210 an

单模传输条件：

光纤的芯径（ 2a ）、折射率差（）、光波长可传播的模的数量不同多模光纤 2a=50～ 100 m单模光纤 2a=4~10 m

外径： 2b=125m

多模光纤和单模光纤的直径

22

10

anV

波动理论中模式的概念

模式是波动理论的概念。光纤中的模式是指光纤中的光在传播过程中，所呈现出的电磁场的空间分布形式。一种分布称之为一个模式。

模式的基本特征 每一个模式对应于满足全部边界条件的，能在光纤中沿光波导轴向传播的光场的一种空间分布，这种分布在传播过程中形状不变。 模式具有确定的相速、群速和场分布 .

模式是波导结构的固有电磁共振属性的表征。给定的波导中能够存在的模式及其性质是已确定了的 , 外界激励源只能激励起光波导中允许存在的模式而不会改变模式的固有性质。 在光纤参数一定时，激励模式只由入射光的角度和频率（或波长）确定。不同模式的光在空间交叠的情况下，在受到扰动时，它们会发生耦合（能量交换）和分布形式发生变化。

n1> n2n2

n1

值得注意的是：纤芯并不能约束所有的光，一部分传值得注意的是：纤芯并不能约束所有的光，一部分传到的光会延伸到包层中，但深度很小，并会在某处返到的光会延伸到包层中，但深度很小，并会在某处返回纤芯，这个反射处和光轴的距离称为回纤芯，这个反射处和光轴的距离称为模场直径。。

几个低阶横电模式的场分布特点：(1) 模场的强度在纤芯区域简谐变化，在包层按指数衰减。(2) 模式的阶数等于波导横向场零点的个数。光的入射角越小，激发的模式阶数越低。

(3) 模场并不完全局限在纤芯，而是部分进入包层。

强度简谐变化

指数衰减

指数衰减

纤芯 n1

包层 n2

包层 n2

导模是光功率限制在纤芯内沿轴线 z 方向传播的光波场。导模存在的条件是 n2k0<< n1k0 ；漏模是在纤芯内及距纤壁一定距离的包层中传播的光波场，又称包层模。在纤芯中的模场能量可通过一定厚度的“隧道”泄漏到包层中形成振荡形式，但其振幅很小，传输损耗也很小。辐射模在纤芯和包层中均为传输场，光纤失去对光波场功率的限制作用，波场能量向包层外逸出。

光纤中的 3 种模式：导模、漏模和辐射模

导模条件：

漏模条件：

辐射模条件：

0102 knkn

02222

022 / knalkn

2220

22 /0 alkn

几个低阶模的场型( 实线为电力线，虚线为磁力线）

HE11 TE01

TM01 HE21

EH11HE31

单模光纤中只有最低阶模式 HE11

存在，它的光纤横向光斑图类似于左上角的截面图：

圆柱空心波导中的模式

低阶模能量集中在波导中心，而模式阶数越高横截面直径越大且能量

分布越分散

弱导光的特点：光线与纤轴的夹角小；芯区对光场的限制较弱；消逝场在包层中延伸较远；HEl+1,m 模式与 EHl-1,m 色散曲线相近；场的横向分量线偏振，且远大于纵向分量；可以在直角坐标系中讨论问题。

弱导光纤中的模式特点：弱导条件： n1n2 n

弱导光纤中的模式命名方法

在弱导条件下解特征方程，可以从中解出 U （或W ），进而确定 W （或 U ）和相位常数 β ，从而决定光纤中的场及其特性。对于一对确定的 m， n值，有一确定的 U值，从而有确定的 W及 β值，对应着一确定的场分布和传播特性。这个独立的场就叫做光纤中的一个模式，称为标量模，在弱导条件下记作 LPmn 模。

LP(Linearly Polarization) 是线偏振的意思，它表示弱导波光纤中的模式基本上是线偏振波。下标 m，n 是模指数。

弱导光纤中的线偏振模式

V 模式 导模总数

0--2.405

2.405--3.832

3.832--5.136

5.136--5.520

5.520--6.380

.

.

LP01

LP11

LP02, LP21

LP31

LP12

.

2

2+4=6

6+6=12

12+4=16

16+4=20

.

.

1

21

n

nn

2122

21 nnnNA

22

1naNAakV

相对折射率差 数值孔径 归一化频率

单模光纤： V<2.405 ；普通单模光纤直径： 2a=4~10m多模光纤直径： 2a=50~100m

光纤的最基本参数普通单模光纤： 0.3%~0.6% 多模光纤： 1%~2% 。

截止波长： 2 61.2 2405.2

211 ananc ＝

群速度 : 光脉冲或包络的中心或光能量沿z轴的传播速度：

gv

gv

gv

kg dd

时延是指信号传输单位长度所需的时间，用表示。脉冲时延或群时延则为脉冲传输单位长度所需的时间。

群时延群时延

光纤通信系统的基本要求是能将任何信息无失真地从发送端传送到用户端，这首先要求作为传输媒质的光纤应具有均匀、透明的理想传输特性，任何信号均能以相同速度无损无畸变地传输。但实际光纤通信系统中所用的光纤都存在损耗和色散。

光纤传输特性决定着传输系统的中继距离，损耗的降低依赖于工艺的提高和对光纤材料的研究。

66 、光纤的损耗（衰减）、光纤的损耗（衰减）

光纤损耗系数的概念

为了衡量一根光纤损耗特性的好坏，引入损耗系数(或称为衰减系数 ) ，即传输单位长度 (1km) 光纤所引起的光功率减小的分贝数，一般用 α 表示损耗系数。数学表达式为：

out

in

P

Plg

10

L＝ （ dB/km ）

第二传输窗口第二传输窗口

第一传输窗口第一传输窗口

13001300 15501550850850

紫外吸收紫外吸收

红外吸收红外吸收瑞利散射瑞利散射

0.20.2

2.52.5

损 耗

损

耗 (

dB

/km

)(d

B/k

m)

波 长 波 长 (nm)(nm)

OHOH 离子吸收峰离子吸收峰

光纤损耗谱特性光纤损耗谱特性

损耗主要机理：材料吸收、瑞利散射和辐射损耗损耗主要机理：材料吸收、瑞利散射和辐射损耗

第三传输窗口第三传输窗口

在在 1.551.55mm处最小损处最小损耗约为耗约为

0.20.2dB/kmdB/km

在在 1.551.55mm处最小损处最小损耗约为耗约为

0.20.2dB/kmdB/km

光纤的损耗典型值

850 nm : 2.3 ~ 3.4 dB/km

1310 nm : 0.35 ~ 0.5 dB/km

1550 nm : 0.2 ~ 0.3dB/km

损耗主要有三种：• 吸收损耗• 散射损耗• 微扰损耗

光纤的损耗分类

（（ 11 ）吸收损耗）吸收损耗

吸收损耗包括固有吸收损耗和非固有吸收损耗 固有吸收损耗是由制造光纤材料本身对光的吸收而产生的损耗； 非固有吸收损耗是光纤中的过渡金属离子和氢氧根离子 (OH－ )等杂质对光的吸收而产生的损耗。

(a) 固有吸收损耗固有吸收损耗

固有吸收损耗有两种基本的吸收方式。红外吸收损耗红外吸收损耗

红外吸收损耗是由于光纤中传播的光波与晶格相互作用时，一部分光波能量传递给晶格，使其振动加剧，从而引起的损耗。吸收带的范围是 8～12m

紫外吸收损耗紫外吸收损耗

紫外吸收损耗是由光纤中传输的光子流将光纤材料中的电子从低能级激发到高能级时，光子流中的能量将被电子吸收，从而引起的损耗。吸收带的范围是 3nm~0.4m

(b)(b) 非固有吸收损耗非固有吸收损耗

这种损耗是由光纤制造工艺引起的。在拉制光纤过程中会产生铜、铁、镍、钒、铬和锰和 OH －。等过渡金属离子。由于这些金属离子的跃迁吸收，在可见光到红外区都会带来极大的吸收损失。

(2)(2) 散射损耗散射损耗散射损耗主要是由光纤的非结晶材料在微观空间的颗粒状结构和玻璃中存在的像气泡这种不均匀结构引起的。

(3) (3) 微扰损耗微扰损耗

微扰损耗是指由光纤的几何不均匀件引起的损耗。其中包括由内部因素和外部干扰引起的不均匀性，如宏观结构上折射率和直径的不均匀性、微弯曲等。

典型的光纤衰减曲线

衰减系数

（ dB/km ） 波长（ m ）

光纤色散的起因

77 、光纤的色散、光纤的色散 (Dispersion)

首先，送进光纤中的光不是单色光；其次，光纤中的信号能量不是以一种模式传输的，它们有不同的传播速度，从而引起复杂的色散现象。

光纤色散是信号能量中不同成分（不同频率、不同模式、不同偏振）的光在光纤中传输时，因群速度（或或时延）时延）不同引起的脉冲展宽。

光纤的色散概念

色散是光纤的一个重要参数。色散引起传输信号的畸变，使通信质量下降，限制了通信容量和通信距离。

光纤色散的类型光纤色散的类型

模间色散：不同模式对应有不同的传播常数， 导致群速度不同（仅多模光纤有）波导色散 () ：传播常数随频率变化材料色散 n() ：折射率随频率变化偏振模色散：传播常数随偏振变化

材料色散

由于光纤材料的折射率随入射光频率变化而产生的色散，它使得不同波长的光行进速度不同。材料色散系数为：

2

2)(

d

nd

cd

d cc

波导色散的起因是由于光纤的纤芯与包层的折射率差很小，因此在交界面产生全反射时，就有一部分光进入包层之内。这部分光在包层内传输一定距离后，又回到纤芯中继续传输。进入包层内的这部分光强的大小与光波长有关，这就相当于光传输路径长度随光波波长的不同而异。具体来说，入射光的波长越长，进入包层中的光强比例就越大，这部分光走过的距离就越长。这使得同一模式下 , 不同波长光的传播速度不同而产生色散，这种色散是由光波导引起的，由此称为波导色散（亦称为结构色散） 。

波导色散

模式色散

所谓模式色散，用光的射线理论来说，就是由于轨迹不同的各光线沿轴向的平均速度不同所造成的时延差。不同导波模的群时延不相同。当一个光脉冲进入光纤后，它的能量分散到许多种导波模上，这些不同的模式以各自的群时延在不同的时刻到达光纤的另一端，从而使光脉冲发生展宽。

（ 1 ） 阶跃型光纤中的模式色散

在阶跃型光纤中，传播最快的和最慢的两条光线分别是沿轴线方向传播的光线①和以临界角 θc入射的光线②，如图所示。因此，在阶跃型光纤中最大色散是光线①和光线②到达终端的时延差。

阶跃型多模光纤

光源

透镜

光在多模阶跃光纤中的传播光在多模阶跃光纤中的传播

在阶跃折射率光纤中，与光轴成不同倾角的光线，在通过同样的轴向距离时，光程是不同的。倾角大的光线光程长，倾角小的光线光程短。人们自然会想到，若使折射率随离轴的距离增加而减小，那么偏离光轴大的光线虽然走过的路程长，但由于途经的折射率小，这就会使大倾角光线的光程能得到某种程度的补偿，从而减小最大迟延差。

（ 2 ） 渐变型光纤中的模式色散

平方律折射率分布：2/12

1 ])(21[a

rn

2nn

ar 0

ar 可以证明，当光纤的折射率分布为平方律时，从光纤端面上同一点发出的不同入射角度的（近轴）子午光线在传播一个周期长度之后又重新汇集到一点，如图所示。也就是说，它们有相同的传输时延。这种会聚类似于一个正透镜的聚焦作用，故称这类光纤为“自聚焦光纤”。

因此，折射率是平方律分布的光纤极为重要，这种分布接近于最佳（最佳分布是双曲正割）折射率分布，它基本上消除了模式色散。它的重要性还在于，在无源光元件中一种常用的元件——自聚焦棒透镜，其折射率的剖面分布即是平方律分布型的。自聚焦透镜的特点是尺寸很小，可获得超短焦距，可弯曲成像等。这些都是一般透镜很难或根本不能做到的。

自聚焦光纤

在理想的单模光纤中，基模是由两个相互垂直的简并偏振模 HE11

x和 HE11y 组成。如果由于某种因素使

这两个偏振模有不同的群速度，出纤后两偏振模的迭加使得信号脉冲展宽，从而形成偏振模色散。

偏振模色散偏振模色散 (PMD)(PMD)

单模光纤中的偏振模色散

单模光纤中可能同时存在 HE11x和 HE11

y两种基模，它们的电场各沿 x,y 方向偏振。在完善光纤中，该两模式有相同的传播常数。

当光纤不是圆对称时，两个极化正交的 HE11x和HE11y 模 传 播 常 数 βx和 βy不相等。 对 于弱导 光纤， βy和 βx 之差可以近似地表示为：

式中： nx和 ny 分别为 x 方向和 y 方向的折射率。

)( yxyx nnC

近似认为两个偏振态把单模光纤中传输的光脉冲分解成两束沿两个正交方向偏振的脉冲，它们以稍不同的速度传播，到达终端时出现时延差

模式双折射的概念实际单模光纤形状略偏离圆柱形以及材料各向异性，使得模传播常数对于 X,Y 方向偏振模稍有不同，光纤的这种性质称为模式双折射。双折射程度 B:

yxyx nnkB 0

对于典型的单模光纤： 保偏光纤：710B 410B

在常规单模光纤中， B 沿轴并不是常量，而是随机变化的，这会使注入到光纤的线偏振光很快成为任意偏振光。 偏振的不确定性，对于采用直接检测接收技术的光波系统一般影响不大，但对于相干探测系统将产生影响，因而在相干检测系统中必须使用特别设计的偏振保持光纤，即保偏光纤。

yxyx nnkB 0双折射程度

Polarisation Maintaining Fiber

设计中故意引入大双折射：快轴、慢轴若入射光的偏振方向与光纤的快轴或慢轴一致，则光在传输过程中其偏振态保持不变。若入射光的偏振轴与光纤的快慢轴成一夹角，则在传输过程中将以“拍长”为周期，连续地周期性地改变其偏振态。

光纤色散将引起光脉冲展宽，引起码间串扰，最终影响通信距离和容量。

色散的影响色散的影响

色散引起的脉冲展宽色散引起的脉冲展宽

色散引起的脉冲展宽色散引起的脉冲展宽

色散引起的脉冲展宽色散引起的脉冲展宽

色散引起的脉冲展宽色散引起的脉冲展宽

色散引起的脉冲展宽色散引起的脉冲展宽

色散引起的脉冲展宽色散引起的脉冲展宽

各种色散大小的比较

对于多模光纤，既有波导色散和材料色散（模内色散），又有模式色散。由于模式色散比模内色散大得多，主要以模式色散为主。单模光纤不存在模式色散，只有材料色散和波导色散，由于波导色散比材料色散小很多，通常可以忽略。

模式色散 > 材料色散 > 波导色散

单模光纤比多模光纤色散小，远距离光纤通信大多采用单模光纤

光纤色散表示方法光纤色散表示方法

光纤色散的表示方法有多种，常用的有最大时延差 t ，脉冲展宽 和光纤 3dB带宽B 三种。 最大时延差描述光纤中速度最快和最慢的光波成分的时延之差。脉冲展宽和光纤带宽描述光纤色散对传输信号的影响。 将一段光纤看作一个网络，可用时域法和频域法分析其色散特性。当在时域分析时，色散影响用脉冲展宽表示，而在频域分析时，则采用光纤带宽。

从光纤的时域特性看，色散使光脉冲沿着光纤行进一段距离后脉冲变宽。

时域描述时域描述

从光纤的频域描述 , 是把光纤看作一个有一定带宽 B

的传输“网络”．通常把调制信号经过光纤传播后，光功率下降一半 ( 即 3dB) 时的频率 (fc) 的大小，定义为光纤的带宽 (B) 。

光纤的频域描述光纤的频域描述

光纤频率传递函数

H()

)(iP

0

)(oP

0Po() ＝ Pi()H()

Ho

H( f )

- f N f N0

f

H()

c c

H()X() Y()

色散的频域描述色散的频域描述

当一个光脉冲通过光纤这个“网络”时，这个光脉冲的频率成分就受这个“网络”的限制，在这个“网络”带宽以外的频率成分将被抑制掉，从而光脉冲出现了失真

或 H() ＝ Po() /Pi()

88 、光纤的色散和带宽的关系、光纤的色散和带宽的关系 光纤的色散（即脉冲展宽）和带宽描述的是光纤的同一特性。 其中色散特性是在时域中的表现形式，即光脉冲经过光纤传输后脉冲在时间坐标轴上展宽了多少； 而带宽特性是色散在频域中的表现形式，在频域中对于调制信号而言，光纤可以看作是一个低通滤波器，当调制信号通过光纤时，其高频分量就会受到严重衰减。 由于高频分量的衰减，引起脉冲的展宽。带宽就越窄，光纤色散越严重，脉冲展宽的就越多。

光纤色散、带宽和脉冲展宽参量间的关系光纤色散、带宽和脉冲展宽参量间的关系

光纤的色散会使脉冲信号展宽。传输距离 L 时，单模光纤的脉冲展宽与色散系数有下列关系：

)ps( L

式中，是色散系数，单位谱宽传输单位长度所造成的脉冲展宽， ps/nm·km； L 是光纤长度；是光信号的谱线宽度， nm ； 是脉冲展宽 ,ps 。2

122

（（ 11 ）光纤色散和脉冲展宽）光纤色散和脉冲展宽的关系的关系

色散系数 [ps/(nm. km)] 定义为：

）（

L

1

代表两个波长间隔为 1nm 的光波传输 1km 距离后的时延 . 光波传输 L距离后的时延 .

从光纤的时域特性看，色散使光脉冲沿着光纤行进一段距离后脉冲变宽。

时域描述时域描述

光纤带宽和脉冲展宽二者有下面的关系：

单位为 ps ][441

GHzB

（（ 22 ）光纤带宽和脉冲展宽）光纤带宽和脉冲展宽的关系的关系

9 、单模光纤色散特性的改变

材料色散 DM ，纤芯材料的折射率随波长变化导致了这种色散，这样即使不同波长的光经历过完全相同的路径，也会发生脉冲展宽。波导色散 DW ，由于单模光纤中只有约 80％的光功率在纤芯中传播， 20％的光功率在包层中传播，其速率要更大一些，这样就出现了色散。波导色散的大小取决于光纤的设计，因为模式传播常数是 a/ 的函数 (a 纤芯半径， a/ 是光纤相当于波长的尺度 ) 。

普通单模光纤的色散普通单模光纤（ G.652）波导色散 DDMM 和材料色散 DDWW

在 1.31m 处附近恰好互相抵消。

色散

材料色散

波导色散

总色散

零色散波长 1.31μm

1.2μm 1.4μm 1.6μm

D=DD=DMM+D+DWW

17ps/17ps/nm.km@15nm.km@15

50nm50nm

17ps/17ps/nm.km@15nm.km@15

50nm50nm

普通单模光纤零色散波长在 1.31m ，而石英玻璃光纤 的 最 小损耗在 1.55m ，并且光 纤放大器（ EDFAEDFA ））也工作在这个波段。波导色散 DW依赖于光纤设计参数，如纤芯半径和芯－包层折射率差。根据光纤的这种特性，可改变光纤的色散情况，进行色散位移。

问题：是否可以将零色散波长移到1550nm？

色散位移单模光纤（ DSF， Dis persion － Shifted Fiber ）

20世纪 80年代中期，人们通过改变纤芯 - 包层界面的折射率分布来改变波导色散，成功开发了一种把零色散波长从 1.3μm 移到 1.55μm 的色散位移光纤。国际电信联盟把这种光纤定义为 G.653 。

色散

材料色散

波导色散

总色散零色散波长1.55μm

1.2μm 1.4μm 1.6μm

折射率

光纤轴

纤芯 -包层折射率分布

色散位移单模光纤的折射率分布

G.653G.653 色散位移光纤的衰减和色散色散位移光纤的衰减和色散

EDFAEDFA频带频带

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

衰减

衰

减 (

dB

/km

)(d

B/k

m)

1600 1700140013001200 15001100

波长波长 (nm)(nm)

20

10

0

-10

-20

色散

色散

(ps/

nm

.km

)(p

s/n

m.k

m)

G.653

17ps/nm.km

G.652

G.653G.653 色散位移光纤出现的新问题色散位移光纤出现的新问题

EDFAEDFA频带频带

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

衰减

衰

减 (

dB

/km

)(d

B/k

m)

1600 1700140013001200 15001100

波长波长 (nm)(nm)

20

10

0

-10

-20

色散

色散

(ps/

nm

.km

)(p

s/n

m.k

m)

G.653

17ps/nm.km

G.652

非线性大

色散非常小 @1550nm窗口不同波长信号传输速度相近四波混频严重

非线性大

色散非常小 @1550nm窗口不同波长信号传输速度相近四波混频严重

ProblemProblemProblemProblem

折射率

折射率分布

1600 1700140013001200 15001100

波长波长 (nm)(nm)

20

10

0

-10

-20

色散

色散

(ps/

nm

.km

)(p

s/n

m.k

m)

G.653

G.655G.655

非零色散位移光纤（（ G.655G.655 ））

色散的波长特性

G.655G.655 非零色散位移光纤的色散特性非零色散位移光纤的色散特性

17ps/nm.km

EDFAEDFA频带频带

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

衰减

衰

减 (

dB

/km

)(d

B/k

m)

1600 1700140013001200 15001100

波长波长 (nm)(nm)

20

10

0

-10

-20

色散

色散

(ps/

nm

.km

)(p

s/n

m.k

m)

G.653

G.652

G.655G.655

折射率

折射率分布 1600 1700140013001200 15001100

波长波长 (nm)(nm)

20

10

0

-10

-20

色散

色散

(ps/

nm

.km

)(p

s/n

m.k

m)

G.655G.655

小色散斜率光纤

0.08/(nm2.km)

0.05/(nm2.km)

非色散位移光纤

小色散斜率光纤

斜率小色散斜率光纤

色散

普通单模光纤

非零色散位移光纤

1.3μm 1.4μm 1.6μm

零色散位移光纤

非零色散位移光纤

1.5μm

色散平坦光纤

不同结构单模光纤的色散特性

n2n1多模

阶跃光纤

nr多模 梯度光纤

n2

n1单模 梯度光纤

单模光纤和多模光纤的性能比较

类型 折射率分布 输入脉冲 光线轨迹 输出脉冲

G.652 光纤 (普通单模光纤 )

在 1310 nm 工作时，理论色散值为零 在 1550

nm 工作时，传输损耗最低，色散系数 17ps/(nm·km)

G.653 光纤 ( 色散位移光纤 )

零色散点从 1310 nm 移至 1550 nm ，同时 1550 nm 处损耗最低G.654 光纤 ( 衰减最小光纤 )

纤芯纯石英制造，在 1550 nm 处衰减最小 (0.185

dB/km)

用于长距离海底传输G.655 光纤 ( 非零色散位移光纤 )

零色散点移至 1570nm 或 1510…1520nm附近，使1550nm 处具 有一定的色散值。可以有效的减少波分复用系统的非线性效应

几种常用光纤的特性：

全波光纤

全波光纤也可称作无水峰光纤，它几乎完全消除了内部的氢氧根 (OH-)离子，从而可以比较彻底地消除由之引起的附加水峰衰减。在 1385nm 处的衰减可低至 0.31dB/km 。由于内部已清除了氢氧根，因而光纤即便暴露在氢气环境下也不会形成水峰衰减，具有长期的衰减稳定性。

随着应用需求的变化，各种新型光纤层出不穷，光纤性能不断提高，无所谓好坏，应根据实际应用情况选择最合适的光纤。

•SMF, G.652, 普通（标准）单模光纤•DSF, G.653, 色散位移光纤•NZ-DSF, G.655, 非零色散位移光纤•DFF, 色散平坦光纤•LEAF, 大有效面积光纤•DCF, 色散补偿光纤•NDF, 负色散光纤

光纤类型及主要特性

G.652 普通单模光纤(SMF)

性能 模场直径(μm)

零色散波长(nm)

工作波长(nm)

最大衰减系数(dB/km)

最大色散系数ps/(nm·km)

要求值1310nm8.6～9.5±0.7

13101310或1550

1310nm＜0.401550nm＜0.25

1310nm ～ 01550nm ～ 17

几种常用于光纤通信系统的光纤

最早实用化的光纤，零色散波长在 1310nm ，曾大量敷设，在光纤通信中扮演者重要的角色。

缺点：工作波长为 1550nm 时色散系数高达 17ps/(nm·km)阻碍了高速率、远距离通信的发展。

DSF(G.653 光纤 ) 将零色散波长从 1310nm移到 1550nm 。 光纤在 1550nm窗口损耗更低，可以低于 0.2dB/km ，几乎接近光纤本

征损耗的极限。如果零色散移到 1550nm ，则可以实现零色散和最低损耗传输的性能

优点：在 1550nm 工作波长衰减系数和色散系数均很小。它最适用于单信道几千公里海底系统和长距离陆地通信干线。

弱点：工作区内的零色散点导致非线性四波混频效应

G.653 色散位移单模光纤 (DSF)

性能 模场直径(μm)

零色散波长(nm)

工作波长(nm)

最大衰减系数(dB/km)

最大色散系数ps/(nm·km)

要求值 1310nm:8.3

1550 1550 1550nm≤0.251525～1575nm ： 3.5

NZ-DSF在 1530~1565nm(EDFA 的工作波长 ) 区具有小的但非零的色散，既适应高速系统的需要，又使 FWM效率不高。使得其能用在 EDFA 和波分复用结合的传输速率在 10Gbit/s 以上的 WDM和 DWDM 的高速传输系统中。

优点：在 1550nm 处有一低的色散，保证抑制 FWM等非线性效应，使得其能用在 EDFA 和波分复用结合的传输速率在 10Gbit/s 以上的 WDM和DWDM 的高速传输系统中。

缺点：模场直径小，容易加剧非线性效应的影响，为此人们又研究了大有效面积 NZ-DSF 光纤

G.655 非零色散位移单模光纤 (NZ-DSF)

101.0 D1550nm:0.251625nm:0.30

1530～1565

1530～1565

1550nm：8 ～ 11±0.7

要求值

最大色散系数ps/(nm·km)

最大衰减系数(dB/km)

工作波长(nm)

零色散波长(nm)

模场直径(μm)

性能

1

21

n

nn

2122

21 nnnNA

22

1naNAakV

普通单模光纤： a=2~5m ；多模光纤： a=25~50m

光纤的最基本参数

普通单模光纤： 0.3%~0.6%

多模光纤： 1%~2% 。

)2(22

g

gVM

相对折射率差

数值孔径

归一化频率

光纤传导模式数：

单模传输条件

仅当 λ＞ λc 时方可在光纤中实现单模传输 .这时 ,在光纤中传输的是 HE11模 , 称为基模或主模。紧邻 HE11 模的高阶模是 TE01 、 TM01 模和 HE21

模 , 其截止值均为 Vc＝ 2.405 。

10 、光纤光缆的设计和制造

1) 光纤材料2 ) 光纤的设计3 ）制做光纤工艺流程4 ）光缆结构

返回

1) 光纤材料

选材的准则：1 、纯度高、透明度高、折射率径向分布易于控制2 、能拉长、拉细、具有一定的柔韧性、可卷绕3 、化学稳定性好 主要光纤材料主要有塑料和玻璃纤维两大类；塑料纤维损耗大，机械强度大，主要用于短距离传输玻璃纤维分为高硅玻璃和多组分玻璃纤维两大类。高硅玻璃光纤采用高纯度石英（ SiO2 ）做纤芯，又称为石英玻璃光纤

①高纯度熔石英光纤，其特点是材料的光传输损耗低，有的波长可低到 0.2dB／ km②多组分玻璃光纤，其特点是芯 - 皮折射率可在较大范围内变化，因而有利于制造大数值孔径的光纤，但材料损耗大，在可见光波段一般为 :1dB ／m③塑料光纤，其优点是成本低，韧性好、更为耐用、直径大；缺点是材料损耗大，温度性能较差；④ 红外光纤，其特点是可透过近红外（ 1 ～ 5μ

m ）或中红外（～ 10μm）的光波；⑤液芯光纤，特点是纤芯为液体，可满足特殊需要 .

不同材料光纤及特性：不同材料光纤及特性：

石英玻璃（ SiO2 ）－－制造光纤首选材料- 物理和化学稳定性好- 对通信光波段的透明性好

折射率差的引入：通过在 SiO2 中掺入不同杂质改变 折射率

掺杂种类和浓度对折射率的影响

各种不同的结构、特性参数和折射率分布的光纤，可分别用于不同的场合。纤芯和包层都用石英作为基本材料，折射率差通过在纤芯和包层进行不同的掺杂来实现。

纤芯掺入 Ge和 P 折射率

包层掺入 B 折射率

单模光纤的设计 匹配包层阶跃型：纤芯掺锗（ Ge ）。损耗、色散性能好。 压低包层阶跃型：纤芯掺锗减少，包层掺氟（ F ）和磷（ P ）。损耗、色散性能好，弯曲损耗低。 纯石英纤芯型：包层掺氟。损耗最低。

d纤芯

涂敷层

D

22 ）制做光纤工艺流程）制做光纤工艺流程

原料制备、提纯原料制备、提纯 制棒制棒 拉丝拉丝

涂敷涂敷性能测量性能测量产品产品

高纯原料的制备是制造高品质光纤最重要的环节。制备石英光纤的主要原料是一些高纯度的卤化物化学试剂 , 常见的有 :液态的四氯化硅 (SiCl4),四氯化锗 (GeCl4), 三氯氧磷 (POCl3), 三氯化硼 (BCl3), 三氯化铝 (AlCl3), 三溴化硼 (BBr3) 以及气态的六氟化硫(SF6),四氟化碳 (C2F4)等

特点 :液态试剂在常温下是无色的透明液体 , 有刺鼻气味 ,易水解 , 在潮湿空气中强烈发烟 , 有一定的毒性和腐蚀性 .

① 材料制备与提纯

制备石英光纤所需的原材料常含有金属氧化物，非金属氧化物和氢氧化物（产生大量的 OH － 1 ）等，对光产生吸收。为了得到低损耗的光纤，必须对卤化物原材料进行严格的提纯 , 降低几种有害过渡金属杂质 ,如铁 (Fe),钴 (Co),镍 (Ni),铜 (Cu),锰 (Mn),铬(Cr),钒 (V)等 , 以及氢氧根 (OH-) 的含量 .

一般金属离子的浓度应在 10-9级范围， OH － 1浓度一般为 10-410-7

目前广泛采用的提纯方法是 "精馏 -吸附 - 精馏综合提纯法 ".

① 材料制备与提纯

②制棒制造光纤时，须先将提纯过的原材料制成一根满足一定 要 求 的玻璃棒， 称 为“光 纤预制棒（ fiber preform rod ）”，它是拉制光纤的原始棒体材料，其内层为高折射率（ n1 ）的芯层 ，外层为低折射率（ n2 ）的包层。应有符合要求的折射率分布和尺寸。典型 的预制棒直 径 为 10 ～ 20cm ， 长 度 为 50 ～100cm 。

就是一根加粗加大的光纤。

国际上生产石英光纤预制棒的方法有十多种，其中普遍使用的制棒方法主要有以下四种：

改进的化学汽相沉积法 (MCVD-Modified Chemical Vapour Deposition)

棒 外 化 学 汽 相 沉 积 法 (OVD-Outside Chemical Vapour Deposition)

轴 向 汽 相 沉 积 法 (VAD-Vapour phase Axial Deposition)

微波等离子体激活化学汽相沉积法 (PCVD- Plasma activated Chemical Vapour Deposition )

制棒方法：

（ i ）改进的化学汽相沉积法MCVD

MCVD 生产工艺是 1974年贝尔实验室开发出来的，整个制棒系统处于封闭超提纯状态下，可以生产高质量的单模和多模光纤，广泛用于低损耗渐变折射率光纤的生产，预制棒制备过程分为两步：沉积和成棒。

空心石英反应管

沉积时先将一根空心石英反应管安装在同轴旋转的车床上，以超纯氧气作为载体，将 SiCl4等原材料和 GeCl4等掺杂剂送入石英管。管是旋转的（转速为几十转 / 分），下面有来回移动的喷灯，用 16000C0火焰加热石英管外臂，使管内的原材料和掺杂剂发生氧化还原反应，反应生成的粉尘物就沉积在石英反应管内臂上，经过喷灯烧结成一层纯净的掺杂玻璃薄层，喷灯每移动一次就沉积一层厚度约 8～ 10m 的玻璃膜层。

在沉积过程中，通过严格控制掺杂剂的流量，以获得所设计的折射率分布。经过数小时的沉积后，玻璃管子内壁的玻璃沉积层达到一定厚度，初步形成预制棒，只是中间还有一个小孔，这时停止加料，然后提高火焰温度到 20000C0 ，导致玻璃管高温下软化收缩，中心孔封闭，形成一个实棒，即光纤预制棒。

光纤预制棒有三层：1 ）中心为光纤芯层玻璃2 ）紧接芯层的是沉积的包层3 ）最外面一层的石英反应管壁玻璃 ,即光纤的保护层 .(保护层不起导光作用 , 但其几何尺寸与内在杂质含量直接影响光纤的机械强度和传输性能 ,所以 ,必须选取质量好的石英反应管 )

在沉积过程中，对料温、反应温度、石英管管径和转速、喷灯的移动速度进行精密的测量和控制。目前利用 MCVD 技术制造的多模光纤的损耗可以稳定在 2 ～ 4dB/km ，单模光纤可以达到 0.2 ～ 0.4dB/km ，具有很好的重复性。

制造光纤预制棒的 MCVD流程示意图

以超纯氧气作为载体将原料送入旋转的石英反应管

第一步：熔制光纤的内包层玻璃。主体材料：液态 SiCl4 ；掺杂试剂： CF2Cl2 （或 SF6, C2F4

等）；载运气体： O2

SiCl4+O2→SiO2+2Cl2↑

2 CF2Cl2+ SiCl4+2O2 → SiF4+2Cl2 ↑ +2CO2 ↑

石英管内壁上形成 SiO2－ SiF4玻璃层，作为光纤内包层。

SiCl4

CF2Cl2

O2

SiCl4

O2

第二步：熔制芯层玻璃。主体材料：液态 SiCl4 ；掺杂试剂： GeCl4 ；载运气体： O2

SiCl4+O2→SiO2+2Cl2↑

GeCl4+O2→GeO2+2Cl2↑

SiO2 － GeO2沉积在内包层玻璃上，成为芯层玻璃。

GeCl4

光纤制棒设备光纤制棒设备

③ 拉丝与涂覆

将预制棒经拉丝才得到真正光纤，这一过程是在“拉丝塔”内完成的。

光纤拉丝塔

预制棒由送料机构送入管状加热炉中 ， 当预制棒尖端热到20000Co 时，粘度变低，靠自身重量逐渐下垂变细形成纤维。纤维经由纤径测量仪监测并拉引到牵引辊绕到卷筒上。卷绕轴的转速决定光纤的拉制速度，而拉制速度又决定了光纤的粗细，所以卷绕轴的转速必须精确控制并保持不变。光纤直径监测仪通过反馈实现对于拉丝速度的调整。拉丝速度一般为30～ 100米 /秒。

拉丝流程

在拉丝过程中，由预制棒拉成的光纤基本上能够保持原有的折射率分布形式与芯—包层外径比，这是因为玻璃中的分子扩散速度极慢，即使加热到 2000℃ 的高温，预制棒中的 GeO2 等掺杂剂也不会扩散，因此可以保持原有的折射率分布不变。

涂覆裸露在空气中的光纤，表面缺陷扩大，造成裸光纤容易断裂，为了提高光纤强度，光纤拉成以后，将被立即涂覆上一层有弹性 的 保 护 层 （厚度约为50~150m ），又称为“一次涂覆” 。一次涂敷一般采用两层结构：预涂层和缓冲层预涂层采用变性硅酮树酯；缓冲层采用普通硅酮树酯。

④ 套塑为了增大光纤机械强度，再在经一次涂敷光纤上套上一层塑料层（如尼龙或聚乙烯塑料），这一工艺叫做套塑。套塑又称为“二次涂覆”。

光纤套塑机原理结构

光纤芯线的剖面构造

紧套和松套光纤结构示意图

(a) 紧套光纤结构示意图； (b) 松套光纤结构示意图

4 ）光纤成缆 缆芯结构：套塑后的光纤称为光纤心线，套塑后要进行筛选，选出机械强度满足要求的心线进行成缆。光缆的结构包括缆芯、护层和加强元件组成。

强度元件

内护层

光纤

加强芯

外护层

护层主要是对已成缆的光纤芯线起保护作用，避免受外界机械力和环境损坏。护层可分为内护层（多用聚乙烯或聚氯乙烯等）和外护层（多用铝带和聚乙烯组成的 LAP 外护套加钢丝铠装等）。加强芯主要承受敷设安装时所加的外力。

强度元件

内护层

光纤

加强芯

外护层