光纖基本結構

由纖芯和包層構成的同心玻璃體，呈柱狀。在石英系光纖中纖芯是由高純度二氧化矽SiO2（石英玻璃）和少量摻雜劑如五氧化二磷和二氧化鍺構成，摻雜劑用來提高纖芯的折射率（n1）。纖芯的直徑（2a）一般為2～50μm。

基本介紹

• 中文名：光纖基本結構
• 外文名：basic structure of optical fiber
• 套用學科：光纖通信技術
• 領域：信息科學

基本概念介紹

實用的光纖是比人的頭髮絲稍粗的玻璃絲，通信用光纖的外徑一般為125~140 μm。一般所說的光纖是由纖芯和包層組成，纖芯完成信號的傳輸，包層與纖芯的折射率不同，將光信號封閉在纖芯中傳輸並起到保護纖芯的作用。工程中一般將多條光纖固定在一起構成光纜。圖2、圖3給出了光纖和光纜的一般結構。

圖2 光纖的一般結構

圖3 四芯光纜剖面示意圖

光纖的分類

（1）根據光纖橫截面上折射率的不同，可以分為階躍型光纖和漸變型光纖，階躍型光纖的纖芯和包層間的折射率分別是一個常數，在纖芯和包層的交界面，折射率呈階梯型突變。漸變式光纖纖芯的折射率隨著半徑的增加按一定規律減小，在纖芯與包層交界處減小為包層的折射率。纖芯的折射率的變化近似於拋物線；

（2）按傳輸模式分：分為單模光纖（Single Mode Fiber）和多模光纖（Multi Mode Fiber）。光以一特定的入射角度射入光纖，在光纖和包層間發生全反射，從而可以在光纖中傳播，即稱為一個模式。當光纖直徑較大時，可以允許光以多個入射角射入並傳播，此時就稱為多模光纖；當直徑較小時，只允許一個方向的光通過，就稱單模光纖。由於多模光纖會產生干擾、干涉等複雜問題，因此在頻寬、容量上均不如單模光纖。實際通信中套用的光纖絕大多數是單模光纖。二者的區別如圖4所示。

其中，單模光纖又可以按照最佳傳輸頻率視窗分為：常規型單模光纖和色散位移型單模光纖。常規型單模光纖是將光纖傳輸頻率最佳化在單一波長的光上，如1.31 μm，相關國際標準為ITU-T G.652。色散位移型單模光纖是將光纖傳輸頻率最佳化在兩個波長的光上，如：1.31 μm和1.55 μm，相關國際標準為ITU-T G .653。

圖4 單模光纖與多模光纖

設計色散位移型單模光纖的目的是使光纖較好地工作在1.55 μm處，這種光纖可以對色散進行補償，使光纖的零色散點從1.31μm處移到1.55 μm附近。這種光纖也稱為1.55 μm零色散單模光纖，是單信道、超高速傳輸的較好的傳輸媒介。這種光纖已用於通信幹線網，特別是用於海纜通信類的超高速率、長中繼距離的光纖通信系統中。色散位移光纖雖然用於單信道、超高速傳輸是很理想的傳輸媒介，但當它用於波分復用多信道傳輸時，又會由於光纖的非線性效應而對傳輸的信號產生干擾。特別是在色散為零的波長附近，干擾尤為嚴重。因此，又出現了一種非零色散位移光纖，這種光纖將零色散點移到1.55 μm 工作區以外的1.60 μm以後或在1.53 μm以前，但在1.55 μm波長區內仍保持很低的色散，相關國際標準為ITU-T G.655。這種非零色散位移光纖不僅可用於單信道、超高速傳輸，而且還可適應於將來用波分復用來擴容，是一種既滿足當前需要，又兼顧將來發展的理想傳輸媒介；

（3）按照製造光纖所用的材料分：可以分為石英系光纖、多組分玻璃光纖、塑膠包層石英芯光纖、全塑膠光纖和氟化物光纖。其中，塑膠光纖是用高度透明的聚苯乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯（有機玻璃）製成的。它的特點是製造成本低廉，相對來說芯徑較大，與光源的耦合效率高，耦合進光纖的光功率大，使用方便。但由於損耗較大，頻寬較小，這種光纖只適用於短距離低速率通信，如短距離計算機區域網路鏈路、船舶內通信等。通信中普遍使用的是石英系光纖。

包層成分

包層的主要成份也是高純度二氧化矽和少量摻雜氟或硼，摻雜用來降低包層的折射率（n2）。光纖的外徑（2b）為125μm。實用的光纖中為增加光纖的機械強度，在包層之外還要加塗覆層。在塗覆層外就是塑膠護套。

按折射率分類

按橫截面上折射率分布，光纖分為突變型和漸變型，見圖5。

圖5 光纖中光波的傳輸形式

突變型折射率光纖 纖芯和包層的折射率都為一常數，纖芯折射率略高於包層，在兩者界面處折射率有一個突變界面的光纖。突變型又稱階躍型或階梯型。光在突變型光纖里傳輸呈直線鋸齒形軌跡。其芯徑為5μm，見圖5（a），製造較容易，使用較方便，色散大，頻寬低於100MHz·km，適合在短距離和信息容量小的通信系統中使用。

漸變型折射率光纖 折射率沿芯徑從中心向外逐漸變小，包層為一常數的光纖。漸變型又稱梯度型。光在光纖里是沿著連續彎曲途徑前進的。漸變型光纖中有代表性的是折射率沿徑向按拋物線變化的光纖，這種光纖的色散小，頻寬比突變型光纖大1～2個數量級，適合於中距離的光纖通信系統使用，見圖5（b），

光纖幾何特性參數有直徑，直徑偏差，不圓度，同心度誤差和偏心率等。

纖芯直徑：確定纖芯中心的圓的直徑，纖芯中心是指能包含整個纖芯在內的最小圓的圓心。

包層直徑：確定包層中心的圓的直徑。包層中心是指能包含整個包層在內的最小圓的圓心。

平均纖芯直徑：兩條通過纖芯中心的弦長的平均值。它們分別是連線纖芯和包層分界面上兩相對點的最長和最短直線。

平均包層直徑：兩條通過包層中心的弦長的平均值。它們分別是連線包層外表面上兩相對點的最長和最短直線。

纖芯直徑偏差：實際芯徑同推薦標稱芯徑之比和1的差值的百分率。

包層表面直徑偏差：包層表面直徑同推薦標稱包層表面直徑之比和1的差值的百分率。

纖芯不圓度：兩條通過纖芯中心的最長和最短弦長之差除以纖芯直徑所得之商。

包層不圓度：兩條通過包層中心的最長和最短弦長之差除以包層表面直徑所得之商。

纖芯/包層同心度誤差：纖芯中心與包層中心之間的距離除以纖芯直徑所得之商 。

包層偏心率：最小包層厚度與最大包層厚度之比值。

光纖基本結構模型

光纖基本結構模型是指光纖層狀的構造形式。由纖芯、包層和塗覆層構成。呈同心圓柱形。常用石英系光纖的纖芯和包層均由高純度石英玻璃和少量摻雜劑構成。摻雜劑用以使纖芯的折射率稍高於包層的折射率。塗覆層用以保護光纖免受機械損傷。

按光纖橫截面上折射率分布，可分為突變型(階躍型)光纖和漸變型光纖-前者的纖芯和包層折射率分布均為常數，而在其界面處發生折射率突變。後者的纖芯折射率沿徑向由內向外逐漸變小，一般呈拋物線分布，包層折射率仍為常數。常用光纖幾何特性參數表示光纖結構的幾何特性。這些參數和標稱尺寸在光纖通信的標準中均有明確規定。