光纤的结构和类型

任务一　光纤的结构和类型

◆知识点

¤　光纤的基本结构与几何尺寸参数

¤　光纤的分类方式

¤　光纤相关参数的测量

◆任务目标

¤　熟悉光纤的结构和特点

¤　了解光纤的分类

¤　学会测量光纤的基本参数（几何参数、折射率分布）

任务导入：

为了满足光纤中光信号的传输要求，根据光的传输原理和传输特性，光信号在光纤内传输中要求全反射，以减少光信号在传输过程中的辐射损耗，因此光纤的结构和材料选择要满足一定的技术要求。

各种光纤成品如图1.2所示。

图1.2　各种光纤成品

相关知识：

1.光纤的结构和各部分的作用

光纤是一种由高度透明的石英（或其他材料）经复杂的工艺拉制而成的光波导材料。光纤的典型结构为多层同轴圆柱体，一般是由折射率较高的纤芯、折射率较低的包层以及涂覆层和护套构成的，其典型结构和实物模型如图1.3和图1.4所示。纤芯和包层作为光纤结构的主体，对光波的传播起着决定性作用。涂敷层与护套的作用则是隔离杂散光、提高光纤强度、保护光纤等。

图1.3　典型光纤结构

图1.4　光纤实物结构模型

光纤芯的折射率较高，是光波的传输介质，其材料的主要成分为含量高达99.999%的二氧化硅（SiO₂），其中掺杂极少量的其他材料，如掺入少量的二氧化锗（GeO₂）、五氧化二磷（P₂O₅）等，以提高纤芯的折射率。

包层为紧贴纤芯的材料层，与纤芯共同构成光波导。材料一般为纯二氧化硅（SiO₂），有时也掺杂微量的三氧化二硼（B₂O₃），以降低包层的折射率。包层的外径一般为125～140μm，主要起着限制光强在纤芯中传输的作用。包层折射率略小于纤芯材料的折射率。

为了增强光纤的柔韧性，提高机械强度，增加抗老化性能以及延长光纤的寿命，一般在包层的外面用环氧树脂或硅胶等高分子材料做一层涂覆层。该涂覆层用来保护光纤起到护套的功能，其外径一般为300μm左右。

（1）光纤的纤芯

光纤的纤芯是一种直径为8～100μm、柔软的、能够很好地传导光波的透明介质，它是光信号的传输路径，可由玻璃或塑料来制成。其中使用超高纯度石英玻璃（SiO₂）制作的光纤具有很低的线路传输损耗，各种技术性能都较好。光纤芯的折射率n₁通常在1.5左右，多模光纤的纤芯直径一般为50～100μm，单模光纤的纤芯直径为8～10μm，所以光纤是一种比电线、电缆直径小得多的信号传输介质，几乎与人的头发丝粗细相当。

（2）光纤的包层

在折射率n₁较高的单根纤芯外面再用折射率n₂稍低一些的材料制作成纤芯包层，将纤芯包住。纤芯与包层的交界面为在纤芯内传输的光线提供一个光滑的反射面，起到光隔离、防止光泄漏的作用。只有纤芯的折射率n₁大于包层的折射率n₂时，才能使光信号在传输过程中形成全反射，构成一条光通道。因为临界角θ_c＝arcsin（n₂／n₁），为了尽量扩大临界角θ_c，以便使光源的光信号能更容易耦合进光纤，所以包层折射率n₂应尽可能接近纤芯折射率n₁。当然n₂的增大也可减少光线在包层介质n₂中的穿透深度。通常多模光纤的包层直径为140μm，单模光纤的包层直径为125μm。从光的传输原理可知，为了满足光信号的传输，光纤的制造工艺要保证使纤芯和包层的不圆度和不同心度尽可能小。

（3）涂敷保护层

用环氧树脂或硅胶在光纤包层外面涂敷一层保护层，保护光纤不受水汽和各种有害物质的侵蚀、防止光纤被划伤，同时还可增强光纤的柔韧性，增加光纤的机械强度，提高抗老化性能。

（4）外保护套

在光纤涂敷层的外面再加一层保护套，即可构成一个完整的单根光纤。将多根光纤放在一个保护套内，按一定的结构排列就可构成光缆。加装外保护套除了可保护光纤不受损伤外，还可增加机械强度，为了提高光缆的抗拉性能，便于光缆的工程敷设，要在光缆内增设金属加强芯，特殊应用场合的光缆，如海底光缆，还要加装铠甲，做成铠装光缆，防止鱼类等海洋动物咬伤光缆，保证信息传输道路的正常顺通。

2.光纤的分类

光纤用来作为光信号传输的介质，根据传输特性、传输模式数量、制造光纤所用材料、纤芯折射率分布规律等，可将光纤按下列方式分类。

（1）根据制造光纤所使用的原材料分类

①石英光纤。该光纤的纤芯和包层都是由高纯度的SiO₂掺入适量杂质制成的，目前这种光纤的损耗最低，强度和可靠性最高，性能最优良，因此使用最广泛，但价格较高。石英光纤一般用GeO₂·SiO₂和P₂O₅做纤芯，用B₂O₃·SiO₂做包层。

②多组分玻璃纤维光纤。例如用钠玻璃（SiO₂·Na₂O·CaO）掺入适当杂质制成的光纤，该光纤的损耗虽然较低，但强度和可靠性等方面还存在一些问题，有些技术问题还有待于解决。

③塑料包层光纤。这种光纤的纤芯用石英玻璃材料制成，它的包层一般用硅树脂塑料材料来制作。

④全塑光纤。该光纤的纤芯和包层都是由塑料制成的，其价格较低，但传输损耗较大，且可靠性也存在一定程度的问题。

（2）按纤芯介质的折射率n的径向分布分类

目前通信用光纤根据纤芯横截面上折射率的径向分布情况，可粗略分为阶跃型（Step Index，SI）折射率分布光纤和渐变型（Graded Index，GI）折射率分布光纤两大类，这两类光纤不论是传输特性还是制造工艺，都有很大差异。阶跃型折射率光纤的制造工艺较为简单，但传输模间色散较大。渐变型折射率光纤的传输模间色散较小，但制造工艺较为复杂。

（3）按纤芯中传输模式数量分类

按纤芯中传输的模式数量分类，可分为能传输几百至上千个模式的多模光纤和只能传输一种模式的单模光纤。多模光纤的制造工艺成本较低，但存在模间色散。模间色散是造成波形失真的主要原因，所以多模光纤的传输速率不会太高。单模光纤因无模间色散，可用于高速传输系统。

3.几种常用的石英光纤的结构及特点

（1）多模光纤（Multimode，MM）

可以传播多种模式的光纤，称为多模光纤。根据折射率在纤芯和包层的径向分布情况，又可分为阶跃多模光纤和渐变多模光纤。它们的制造工艺、折射率的分布规律、传输特性是不同的。

①阶跃型多模光纤（Step Index Multimode，SIMM）。阶跃型多模光纤的折射率n₁在整个光纤芯内保持不变，在纤芯与包层交界面处突然发生变化，由n₁变成n₂，如图1.5所示。

图1.5　阶跃型多模光纤的结构及传输色散示意图

阶跃型多模光纤的折射率分布为：

式中，r是光纤的径向坐标（0≤r≤b），n₁和n₂分别是纤芯与包层的均匀折射率，n₁＞n₂，其折射率在纤芯与包层的分界处（r＝a处）产生了阶跃式变化。阶跃型多模光纤的纤芯直径

一般为d＝2a＝50～100μm。

光信号在这种多模阶跃型光纤中传输的特点是模间色散Δτ太大，脉冲展宽厉害。其原因是纤芯材料的折射率分布均匀，各种模式的光信号在纤芯中的传播速度是相等的，但不同模式的光线各自的传播路经不同，所以同时进入光纤入端不同模式的光信号，传输到达光纤出端时传播的路程长度各不相同，即到达光纤出端的时间不同，产生了时间延迟差，形成了模间色散。如图1.5所示。

最大延迟时间Δτ_max的计算方法如下：从图1.6中可以看出，传输距离最短的是最低次模（基模），它是沿光纤轴心传输（图中的中心虚线位置），设其传输距离为L，传输距离最长的是最高次模式的光信号，即纤包交界处当入射角为临界角θ_c的那种模式，其接收角为θ_max，传输距离为L／sinθ_c，最大群延迟时间Δτ_max为：

图1.6　阶跃型多模光纤中各种模式的传输路径

式中，ΔL是基模与最大模式光信号的传输光程差，v＝c／n₁是光在纤芯内的传播速度，c是真空中的光速。Δ＝（n₁-n₂）／n₁为光纤的相对折射率差，也是光纤的一个重要参数，n₁、n₂分别为纤芯材料的折射率，由于n₁与n₂近似相等，则n₁／n₂≈1。所以单位距离（L＝1km）的最大延时为

由上式可以看出，光纤的时延差与Δ成正比，Δ越大，时延差越大，从减小光纤时延差的观点上看，希望Δ较小为好。这种Δ小的光纤称为弱导光纤，通信用光纤都是弱导光纤。由于色散延时的存在，限制了阶跃型多模光纤的传输带宽，使它的传输带宽B与距离L的乘积，即带宽距离积BL一般小于200MHz·km，这是阶跃型多模光纤的主要缺点。因阶跃型多模光纤的传输带宽较窄，所以仅作为短距离通信网的传输介质。

②渐变型多模光纤（Graded Index Multimode，GIMM）。在渐变型多模光纤中，其纤芯的折射率沿径向不是均匀分布的，即纤芯材料的折射率不是一个常数n₁，纤芯中心的折射率最大，而沿纤芯半径方向其折射率逐渐减小，至芯包交界面处降为包层折射n₂，如图1.7所示。从图中还可看出，各阶模在渐变型多模光纤中的传输时，低次模的光线传输路程短，但靠近纤芯中心的材料折射率大，光传输的速度低；高次模的光线传输路程长，但偏离纤芯中心的材料折射率逐渐变小，光传输的速度逐渐变高，所以高模数的光线与低模数的光线通过光纤时的光程相同，其结果是高模数的光线传输所用时间基本与低模数的光线传输时间相同。合理设计光结的折射率分布，使沿轴心附近传输的低次模和沿纤芯周边附近传输的高次模在光纤中的传输时间相等，那么这种光纤中各模式传输的时延差就会大大减小。如渐变型折射率多模光纤的脉冲展宽可减小到仅有阶跃型折射率多模光纤的1／100左右。

图1.7　渐变型折射率多模光纤的结构及传输色散示意图

渐变型多模（GIMM）光纤的折射率分布为

式中，a是纤芯半径，r表示从纤芯（r＝0）到芯包交界面（r＝a）中任一点的距离（μm），Δ为光纤的纤芯包层相对折射率差，b是包层半径，g是折射率分布指数。当g＝∞时，即为阶跃型多模光纤，所以阶跃型多模光纤是渐变型多模光纤的特例。

渐变型光纤的最佳折射率分布要通过非常复杂的计算才能求得，但在工程上常常作简化处理。理论和实践都证明，当光纤折射率分由指数g≈2时，群延时差减至最小，这时纤芯的折射率分布接近为抛物线分布。光信号在渐变型多模光纤的纤芯中的传输过程，虽然光纤芯的折射率是连续变化的，但可以理解为光线在多层反射面的折射过程，如图1.8所示。

对于渐变型多模光纤，由于色散延时比阶跃型色散延时小得多，它的传输带宽距离乘积一般可达0.2～2GHz·km，传输比特速率距离乘积可达0.3～10Gbit／s·km，当传输比特速率为100Mbit／s时，传输距离可达100km，渐变型多模光纤信息的传输容量比阶跃型光纤的传输容量大100～200倍。尽管如此，在考虑多种因素的影响时，对于传输比特速率为620Mbit／s～2.5Gbit／s，中继距离为30km以上的干线通信系统，仍不能满足要求。长距离高速率传输系统，要采用带宽极大的单模光纤作为传输介质最为合适。

图1.8　渐变型多模光纤中光的传输模型

（2）单模光纤

在一根光纤中只能传输一种模式的光纤称为单模光纤，其材料折射率的分布为阶跃型，但其纤芯很细，通常纤芯直径d＝2a＝8～10μm。在单模光纤中只传输m＝0的基模，所以模间色散为零，其总的传输色散很小，带宽极大。

在单模传输光纤中，光信号沿光纤的轴线直线传播，图1.9是单模光纤的结构及传输色散示意图。为了调整通信系统的工作波长或改变色散特性，目前已经研制出各种结构复杂的单模光纤，如色散移位光纤、非零色散移位光纤、色散补偿光纤以及工作于1550nm的衰减最小的光纤等。

图1.9　单模光纤的结构及传输色散示意图

由于单模光纤的色散小，传输带宽很宽，衰减较小，所以单模光纤主要用于长距离传输的高速网。单模光纤的问题是纤芯直径很小，其制造工艺较复杂，将光发射机的光信号耦合进光纤也比较困难，光功率的耦合效率较低。

表1.1列出了阶跃型多模光纤、渐变型多模光纤和阶跃型单模光纤的一些传输特性参数。

表1.1　几种常用光纤的特性比较

4.光纤的几何尺寸参数

光纤的几何尺寸包括芯径、同心度和椭圆度。

通信用标准多模光纤的芯径为50μm，单模光纤芯径为7～10μm，而包层直径均为125μm。非标准光纤的芯径从几十微米到几百微米不等。塑料光纤的芯径甚至可达数毫米。

光纤的同心度是衡量纤芯和包层是否同心的参数，若两者中心相距为y，则包层相对于纤芯的非同心度可用CC0／C1表示为

其中DC0为纤芯直径。

光纤的椭圆度则是衡量纤芯及包层截面偏离圆形截面程度的参数，若测得纤芯截面长短轴直径分别为DC0max和DC0min，则纤芯的不圆度用NCO表示为

同理，对于包层，不圆度N_cl为

光纤的同心度和椭圆度对于光纤的连接与耦合是很重要的参数。为取得低的连接损耗，在选用光纤时要求光纤具有尽量低的非圆度与非同心度。在单模光纤自动焊接工艺中，对这两个参数的要求尤为苛刻。相关参数的测量：

1.光纤几何参数的测量

光纤几何形状的标准化对得到最小的耦合损耗是很重要的，严格地说，避免耦合损耗只要求纤芯的几何形状相同。但实际上大多数做接头和连接器时是用外（包层）表面作为纤芯对准的参考，因此也要求有均匀的外直径。光纤是规定为圆对称结构的，表征光纤几何特性的参数包括：纤芯直径、包层直径、纤芯不圆度、包层不圆度和纤芯／包层同心度误差。这些参数可以分项测量，也可以一起综合测量。常用的方法有：折射近场法、近场扫描法和四圆容差域法。

折射近场法是用折射近场法直接测量光纤横截面上的折射率分布曲线来确定几何尺寸参数；近场扫描法测量是以扫描被测光纤输出端的放大像面为基础的测量方法；四圆容差域法是把光纤样品横截面的纤芯区和包层区与四圆容差域样板作比较，以此来检验光纤几何参数是否符合规定的一种简单方法。

实际上，光纤的几何参数与标准值的偏差分别用单个参数来规定并不都是合适的。现场中光纤接续时，这些偏差可能是合成的，也可能是相互补偿的，所以接头损耗是所有单个参数偏差的综合结果。因此有人主张增加一个叫做“本征质量因数”（IQF-Intrinsic Quality Factor）的新参数使同时出现的所有参数的偏差得到认可，利用IQF来作为光纤几何参数和光学参数偏差总检验的方法。

2.光纤折射率分布的测量

多模光纤和单模光纤的光学特性主要取决于光纤剖面的折射率分布，了解和掌握折射率分布方法是光纤测量的一个重要内容。折射率分布的测量方法有干涉法、聚焦法、前向散射法、反射法、近场法、折射近场法等。精确度和重复性较好的折射近场法和近场扫描放大图像的方法分别被原CCITT接受为基准测试方法和替代测试方法。下面主要介绍这两种方法。

（1）折射近场法

折射近场（Refracted Near Field）法是根据光纤折射模（折射光）功率与折射率n（r）成正比而建立起来的测试方法。折射模是指通过光纤的边界辐射的模，而不是传导的模。折射近场法示意图如图1.10所示。测试时把光纤样品的一端浸入盛有折射率匹配液的盒子中，匹配液的折射率稍高于光纤包层折射率，这样，任何不为纤芯传导而逸出包层的光不致反射。一个数值孔径比光纤数值孔径大许多的透镜把激光束聚焦成一个非常小的光斑入射到光纤端面上，于是在光纤中激励起传导模、漏模和折射模。传导模和部分漏模沿光纤传输，而其余部分则从光纤辐射出去呈现一个似空心圆锥的输出光锥，光锥的内层包含有漏

图1.10　折射近场法示意图

模，而外层只有折射模。如果用一个遮光盘吸收光锥内层含有漏模的光，只收集外层的折射光并会聚到检测器，于是当注入光斑沿平整的光纤端面直径扫描，由于不同位置的局部折射率n（r）不同，检测到的折射模功率也就不同，因此由测绘出的折射模功率分布就直接得到折射率变化曲线。

（2）近场扫描法

近场扫描法又被称为近场图（Near Field Pattern）法。它基于下面一个事实：当非相干光入射到光纤端面时，假定在整个端面上的各单位立体角的入射功率都相等，即所有模都是均匀激励的，而且所有模都经受相同的衰减，同时模式变换达到平衡分布或稳态，那么光纤出射端面上的导模功率分布将取决于该点的数值孔径，即

式中，P（0）为光纤中轴线上探测到的光功率，n₂为包层折射率，n₁为光纤中心处的折射率，c（r，z）为考虑到泄漏模的影响而引入的修正因子。要求取修正因子c（r，z）的值十分繁琐，一般可根据对不同类型光纤的数值计算结果的图表查到。实际上光纤纤芯／包屋间的折射率差很小。因此设

　　　　　　n（r）＝n₂＋Δn（r）　　　　　　（1.9）

则上式可改写为

由上式可知P（r）的变化规律和n（r）的变化近似，P（r）与Δn（r）成正比。也就是说，在稳态模式功率分布的条件下，光纤输出端近场功率分布是与折射率差成正比的。所以在光纤输出端近场沿直径扫描测量近场功率分布，就得到了光纤沿直径的相对折射率变化曲线，也就能测得光纤的折射率剖面的a参量。根据这个原理建立起来的对光纤相对折射率分布进行测量的方法，就叫做近场扫描法。由于这个方法是测量传导模，与折射近场法测量折射模不同，所以也叫做传导近场法，这种方法测量光纤折射率分布的系统如图1.11所示。

图1.11　近场法测量装置图

从严格的定量精度来说，近场扫描法比折射近场法的精度要差些，所以近场法是替代方法，而折射近场法是基准方法。

知识应用：

由于光纤在通信中的重要应用，光纤的标准化问题一开始就受到世界各国普遍重视。为了统一光纤的标准，原国际电报电话咨询委员会（CCITT）确定了相应的建议，其关于光纤的类型和几何特性的要求如表1.2、表1.3和表1.4所示。

表1.2　多模光纤类型

表1.3　单模光纤类型

表1.4　光纤几何参数的特殊要求

思考题与习题

1.光纤的结构是怎样的？各部分有什么作用？

2.常用的光纤有哪几种？它们各有什么特点？

3.光纤的几何参数有哪些？如何测量？

4.简述光纤折射率分布的测量方法及其原理。