第7章 光纖和光纖技術(shù)

1、第第7章章 光纖和光纖技術(shù)光纖和光纖技術(shù)7.4 突變光纖的光線理論分析突變光纖的光線理論分析7.3 光纖的制作技術(shù)光纖的制作技術(shù)7.1 光纖產(chǎn)生和應(yīng)用光纖產(chǎn)生和應(yīng)用7.2 光纖的種類和結(jié)構(gòu)光纖的種類和結(jié)構(gòu)長春理工大學長春理工大學7.8 光纖傳感技術(shù)光纖傳感技術(shù)7.7 光纖的色散光纖的色散7.9 光纖通信技術(shù)光纖通信技術(shù)7.5 漸變光纖的光線理論分析漸變光纖的光線理論分析7.6 光纖的損耗光纖的損耗長春理工大學長春理工大學第第7章章 光纖和光纖技術(shù)光纖和光纖技術(shù)7.1 光纖產(chǎn)生和應(yīng)用光纖產(chǎn)生和應(yīng)用7.1.1光纖初始階段光纖初始階段7.1.2光纖實用階段光纖實用階段光纖光纖是光導纖維的簡稱，是目前

2、應(yīng)用最廣泛的光波是光導纖維的簡稱，是目前應(yīng)用最廣泛的光波導。它是利用全反射的原理將光波的能量約束在界導。它是利用全反射的原理將光波的能量約束在界面內(nèi)，并引導光波沿著光纖的軸線方向前進。面內(nèi)，并引導光波沿著光纖的軸線方向前進。 長春理工大學長春理工大學長春理工大學長春理工大學第第7章章 光纖和光纖技術(shù)光纖和光纖技術(shù)7.1.1光纖初始階段光纖初始階段l1854年，英國的廷達爾年，英國的廷達爾(Tyndall)就觀察到就觀察到光在水與空氣分界面上作全反射以致光隨水光在水與空氣分界面上作全反射以致光隨水流而彎曲的現(xiàn)象。流而彎曲的現(xiàn)象。l1870年的一天，他到皇家學會的演講廳講年的一天，他到皇家學會的演

3、講廳講光的全反射原理，演示放光的水從水桶的小光的全反射原理，演示放光的水從水桶的小孔里流了出來，水流彎曲，光線也跟著彎曲，孔里流了出來，水流彎曲，光線也跟著彎曲，光居然被彎彎曲曲的水俘獲了。光居然被彎彎曲曲的水俘獲了。l1929-1930年，美國的哈納爾年，美國的哈納爾(Hanael)和德和德國的拉姆國的拉姆(Lamm)先后拉制出石英細絲并用于先后拉制出石英細絲并用于光線和圖象的短距離傳輸。光線和圖象的短距離傳輸。 長春理工大學長春理工大學長春理工大學長春理工大學第第7章章 光纖和光纖技術(shù)光纖和光纖技術(shù)20世紀世紀60年代，最好的玻璃纖維的衰減損耗仍年代，最好的玻璃纖維的衰減損耗仍在每公里在每

4、公里1000分貝以上。分貝以上。 1970年，美國康寧玻璃公司的三名科研人員年，美國康寧玻璃公司的三名科研人員馬瑞爾、卡普隆、凱克成功地制成了傳輸損耗馬瑞爾、卡普隆、凱克成功地制成了傳輸損耗每千米只有每千米只有20分貝的光纖，這是世界上第一根分貝的光纖，這是世界上第一根低損耗的石英光纖。低損耗的石英光纖。 1966年年7月，高錕在月，高錕在PIEE 雜志上就光纖傳輸?shù)碾s志上就光纖傳輸?shù)那熬鞍l(fā)表了具有重大歷史意義的論文前景發(fā)表了具有重大歷史意義的論文光頻率光頻率的介質(zhì)纖維表面波導的介質(zhì)纖維表面波導 長春理工大學長春理工大學長春理工大學長春理工大學第第7章章 光纖和光纖技術(shù)光纖和光纖技術(shù)1974年

5、美國貝爾研究所發(fā)明了低損耗光纖制年美國貝爾研究所發(fā)明了低損耗光纖制作法作法CVD法（汽相沉積法），使光纖損耗法（汽相沉積法），使光纖損耗降低到每千米降低到每千米1分貝。分貝。 1977年，貝爾研究所和日本電報電話公司幾年，貝爾研究所和日本電報電話公司幾乎同時研制成功壽命達乎同時研制成功壽命達100萬小時的半導體激萬小時的半導體激光器，從而有了真正實用的激光器光器，從而有了真正實用的激光器 。7.1.2光纖實用階段光纖實用階段長春理工大學長春理工大學長春理工大學長春理工大學第第7章章 光纖和光纖技術(shù)光纖和光纖技術(shù)u1977年，世界上第一條光纖通信系統(tǒng)在美國芝年，世界上第一條光纖通信系統(tǒng)在美國芝加

6、哥市投入商用，速率為加哥市投入商用，速率為45Mbs。u70年代的光纖通信系統(tǒng)主要是用多模光纖，應(yīng)年代的光纖通信系統(tǒng)主要是用多模光纖，應(yīng)用光纖的短波長（用光纖的短波長（850納米）波段，納米）波段，u80年代以后逐漸改用長波長（年代以后逐漸改用長波長（1310納米），光納米），光纖逐漸采用單模光纖，纖逐漸采用單模光纖，u90年代初，通信容量擴大了年代初，通信容量擴大了50倍，達到倍，達到2.5Gbs。u90年代以后，傳輸波長又從年代以后，傳輸波長又從1310納米轉(zhuǎn)向更長納米轉(zhuǎn)向更長的的1550納米波長，并且開始使用光纖放大器、波納米波長，并且開始使用光纖放大器、波分復用（分復用（WDM）技術(shù)等

7、新技術(shù)。）技術(shù)等新技術(shù)。 長春理工大學長春理工大學長春理工大學長春理工大學第第7章章 光纖和光纖技術(shù)光纖和光纖技術(shù)要點與習題要點與習題光纖發(fā)展歷程？光纖發(fā)展歷程？光纖的作用？光纖的作用？光纖傳光原理？光纖傳光原理？長春理工大學長春理工大學長春理工大學長春理工大學第第7章章 光纖和光纖技術(shù)光纖和光纖技術(shù)第第7章章 光纖和光纖技術(shù)光纖和光纖技術(shù)7.4 突變光纖的光線理論分析突變光纖的光線理論分析7.3 光纖的制作技術(shù)光纖的制作技術(shù)7.1 光纖產(chǎn)生和應(yīng)用光纖產(chǎn)生和應(yīng)用7.2 光纖的種類和結(jié)構(gòu)光纖的種類和結(jié)構(gòu)長春理工大學長春理工大學長春理工大學長春理工大學第第7章章 光纖和光纖技術(shù)光纖和光纖技術(shù)7.2

8、 光纖的種類和結(jié)構(gòu)光纖的種類和結(jié)構(gòu)7.2.1光纖的種類光纖的種類7.2.2 光纖的結(jié)構(gòu)光纖的結(jié)構(gòu)長春理工大學長春理工大學第第7章章 光纖和光纖技術(shù)光纖和光纖技術(shù)通常光纖的分類可以從工作波長、折射率分布、通常光纖的分類可以從工作波長、折射率分布、傳輸模式和制作材料上進行歸納。傳輸模式和制作材料上進行歸納。 7.2.1光纖的種類光纖的種類p按照制造光纖所用的材料分：石英系光纖、多按照制造光纖所用的材料分：石英系光纖、多組分玻璃光纖、塑料包層石英芯光纖、全塑料光組分玻璃光纖、塑料包層石英芯光纖、全塑料光纖和氟化物光纖。纖和氟化物光纖。p按光在光纖中的傳輸模式分：單模光纖和多模按光在光纖中的傳輸模式分

9、：單模光纖和多模光纖。光纖。p按折射率分布情況分：階躍型和漸變型光纖。按折射率分布情況分：階躍型和漸變型光纖。 長春理工大學長春理工大學第第7章章 光纖和光纖技術(shù)光纖和光纖技術(shù)1、工作波長、工作波長 按照工作波長光纖可分為紫外光纖、可見光纖和紅按照工作波長光纖可分為紫外光纖、可見光纖和紅外光纖。外光纖。 2、折射率分布、折射率分布 按照折射率分布光纖可分為按照折射率分布光纖可分為階躍型和漸變型階躍型和漸變型。 階躍型階躍型光纖纖芯的折射率和包層的折射率都是一個光纖纖芯的折射率和包層的折射率都是一個常數(shù)。常數(shù)。漸變型漸變型光纖纖芯的折射率隨著半徑的增加按一定光纖纖芯的折射率隨著半徑的增加按一定規(guī)

10、律減小規(guī)律減小, 在纖芯與包層交界處減小為包層的折射在纖芯與包層交界處減小為包層的折射率。率。長春理工大學長春理工大學第第7章章 光纖和光纖技術(shù)光纖和光纖技術(shù)3、傳輸模式、傳輸模式 按照傳輸模式光纖可分為單模光纖和多模光纖。按照傳輸模式光纖可分為單模光纖和多模光纖。單模光纖：單模光纖：中心玻璃芯較細中心玻璃芯較細(芯徑一般為芯徑一般為1-10m),只能只能傳一種模式的光。傳一種模式的光。多模光纖：多模光纖：中心玻璃芯較粗中心玻璃芯較粗(芯徑一般為芯徑一般為50-100m)，可傳多種模式的光?？蓚鞫喾N模式的光。4、制作材料、制作材料 按照制作材料可分為石英光纖、復合光纖（多成分按照制作材料可分為

11、石英光纖、復合光纖（多成分玻璃光纖）、氟化物光纖和塑料光纖等。玻璃光纖）、氟化物光纖和塑料光纖等。長春理工大學長春理工大學第第7章章 光纖和光纖技術(shù)光纖和光纖技術(shù)石英光纖石英光纖是以二氧化硅（是以二氧化硅（SiO2）為主要原料，并）為主要原料，并按不同的摻雜量來控制纖芯和包層的折射率分布按不同的摻雜量來控制纖芯和包層的折射率分布的光纖。的光纖。 纖芯一般為纖芯一般為SiO2+GeO2增大折射率增大折射率: 包層一般為包層一般為SiO2+B2O3降低折射率降低折射率: 纖芯和包層一般均加纖芯和包層一般均加P2O5 降低熔融溫度降低熔融溫度:長春理工大學長春理工大學第第7章章 光纖和光纖技術(shù)光纖和

12、光纖技術(shù)復合光纖復合光纖（Compound Fiber）是在）是在SiO2原料中再原料中再適當混合諸如氧化鈉（適當混合諸如氧化鈉（Na2O）、氧化硼（）、氧化硼（B2O2）、）、氧化鉀（氧化鉀（K2O2）等氧化物的多成分玻璃做成的光）等氧化物的多成分玻璃做成的光纖，特點是多成分玻璃比石英的軟化點低，并且纖纖，特點是多成分玻璃比石英的軟化點低，并且纖芯與包層的折射率差很大。主要用在醫(yī)療業(yè)務(wù)的光芯與包層的折射率差很大。主要用在醫(yī)療業(yè)務(wù)的光纖內(nèi)窺鏡。纖內(nèi)窺鏡。氟化物光纖氟化物光纖（Fluoride Fiber）是由做氟化物玻璃）是由做氟化物玻璃成的光纖。這種光纖原料又簡稱成的光纖。這種光纖原料又簡稱

13、 ZBLAN，由于它，由于它具有制作超低損耗光纖的可能性，人們正在進行著具有制作超低損耗光纖的可能性，人們正在進行著用于長距離通信光纖的可行性開發(fā)。用于長距離通信光纖的可行性開發(fā)。 長春理工大學長春理工大學第第7章章 光纖和光纖技術(shù)光纖和光纖技術(shù)塑包光纖塑包光纖（Plastic Clad Fiber）是將高純度的石英）是將高純度的石英玻璃作成纖芯，而將折射率比石英稍低的硅膠等塑玻璃作成纖芯，而將折射率比石英稍低的硅膠等塑料作為包層的階躍型光纖。它與石英光纖相比較，料作為包層的階躍型光纖。它與石英光纖相比較，具有纖芯粗、數(shù)值孔徑（具有纖芯粗、數(shù)值孔徑（NA）高的特點。因此，易）高的特點。因此，易

14、與發(fā)光二極管與發(fā)光二極管LED光源結(jié)合，損耗也較小。所以，光源結(jié)合，損耗也較小。所以，非常適用于局域網(wǎng)（非常適用于局域網(wǎng)（LAN）和近距離通信。）和近距離通信。 塑料光纖塑料光纖（Plastic Optical fiber）是將纖芯和包層）是將纖芯和包層都用塑料（聚合物）做成的光纖。早期產(chǎn)品主要用都用塑料（聚合物）做成的光纖。早期產(chǎn)品主要用于裝飾和導光照明及近距離光鏈路的光通信中。最于裝飾和導光照明及近距離光鏈路的光通信中。最近，在汽車內(nèi)部近，在汽車內(nèi)部LAN中應(yīng)用較快，未來在家庭中應(yīng)用較快，未來在家庭LAN中也可能得到應(yīng)用。中也可能得到應(yīng)用。 長春理工大學長春理工大學第第7章章 光纖和光纖技

15、術(shù)光纖和光纖技術(shù)7.2.2 光纖的結(jié)構(gòu)光纖的結(jié)構(gòu)光纖的典型結(jié)構(gòu)光纖的典型結(jié)構(gòu)是一種細長多層同軸圓柱形實體復是一種細長多層同軸圓柱形實體復合纖維。自內(nèi)向外分別稱為纖芯（芯層）、包層和合纖維。自內(nèi)向外分別稱為纖芯（芯層）、包層和涂覆層（被覆層），如圖涂覆層（被覆層），如圖7.1所示。所示。 長春理工大學長春理工大學第第7章章 光纖和光纖技術(shù)光纖和光纖技術(shù)n核心部分為纖芯和包層，二者共同構(gòu)成介質(zhì)光波導，核心部分為纖芯和包層，二者共同構(gòu)成介質(zhì)光波導，形成對光信號的傳導和約束，實現(xiàn)光的傳輸。形成對光信號的傳導和約束，實現(xiàn)光的傳輸。n涂覆層又稱被覆層，是一層高分子涂層，主要對裸涂覆層又稱被覆層，是一層高分

16、子涂層，主要對裸光纖提供機械保護，因裸光纖的主要成分為二氧化硅，光纖提供機械保護，因裸光纖的主要成分為二氧化硅，它是一種脆性易碎材料，抗彎曲性能差，韌性差，為它是一種脆性易碎材料，抗彎曲性能差，韌性差，為提高光纖的微彎性能，涂覆一層高分子涂層。提高光纖的微彎性能，涂覆一層高分子涂層。n如將若干根這樣的裸光纖集束成一捆，相互間極易如將若干根這樣的裸光纖集束成一捆，相互間極易產(chǎn)生磨損，導致光纖表面損傷而影響光纖的傳輸性能。產(chǎn)生磨損，導致光纖表面損傷而影響光纖的傳輸性能。為防止這種損傷采取的有效措施就是在裸光纖表面涂為防止這種損傷采取的有效措施就是在裸光纖表面涂一層高分子。一層高分子。 長春理工大學

17、長春理工大學第第7章章 光纖和光纖技術(shù)光纖和光纖技術(shù)要點與習題要點與習題光纖的種類？光纖的種類？光纖的結(jié)構(gòu)？光纖的結(jié)構(gòu)？光纖傳光原理？光纖傳光原理？長春理工大學長春理工大學第第7章章 光纖和光纖技術(shù)光纖和光纖技術(shù)第第7章章 光纖和光纖技術(shù)光纖和光纖技術(shù)7.4 突變光纖的光線理論分析突變光纖的光線理論分析7.3 光纖的制作技術(shù)光纖的制作技術(shù)7.1 光纖產(chǎn)生和應(yīng)用光纖產(chǎn)生和應(yīng)用7.2 光纖的種類和結(jié)構(gòu)光纖的種類和結(jié)構(gòu)長春理工大學長春理工大學第第7章章 光纖和光纖技術(shù)光纖和光纖技術(shù)7.3 光纖的制作技術(shù)光纖的制作技術(shù)7.3.1 光纖材料光纖材料7.3.2 光纖預制棒制備光纖預制棒制備 7.3.3 光

18、纖拉絲光纖拉絲7.3.4 光纖涂覆光纖涂覆長春理工大學長春理工大學第第7章章 光纖和光纖技術(shù)光纖和光纖技術(shù)7.3.1 光纖材料光纖材料制備制備SiO2 石英系光纖的主要原料多數(shù)采用一些高純石英系光纖的主要原料多數(shù)采用一些高純度的液態(tài)鹵化物化學試劑，如四氯化硅（度的液態(tài)鹵化物化學試劑，如四氯化硅（SiCl4）, 四四氯化鍺（氯化鍺（GeCl4），三氯氧磷（），三氯氧磷（POCl3）, 三氯化硼三氯化硼（BCl3）, 三氯化鋁（三氯化鋁（AlCl3）等。）等。 長春理工大學長春理工大學第第7章章 光纖和光纖技術(shù)光纖和光纖技術(shù)以以SiCl4 為例，它的水解化學反應(yīng)式如下：為例，它的水解化學反應(yīng)式如下

19、：SiCl4+2H2O4HCl+SiO2(7.3-1)SiCl4+4H2OH4SiO4+4HCl(7.3-2)長春理工大學長春理工大學第第7章章 光纖和光纖技術(shù)光纖和光纖技術(shù)SiCl4 的制備可采用多種方法，最常用的方法是的制備可采用多種方法，最常用的方法是采用工業(yè)硅在高溫下氯化制得粗采用工業(yè)硅在高溫下氯化制得粗SiCl4，化學反，化學反應(yīng)如下：應(yīng)如下： Si+2Cl2SiCl4 (7.3-3)該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，反應(yīng)爐內(nèi)溫度隨著反應(yīng)加劇而該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，反應(yīng)爐內(nèi)溫度隨著反應(yīng)加劇而升高，所以要控制氯氣流量，防止反應(yīng)溫度過高，升高，所以要控制氯氣流量，防止反應(yīng)溫度過高，生成生成Si2Cl6 和和

20、Si3Cl8。反應(yīng)生成的。反應(yīng)生成的SiCl4 蒸氣流入冷蒸氣流入冷凝器，這樣制得凝器，這樣制得SiCl4 液體原料。液體原料。長春理工大學長春理工大學第第7章章 光纖和光纖技術(shù)光纖和光纖技術(shù)在制備在制備SiO2 光纖時，除需要光纖時，除需要SiCl4 鹵化物試劑外，鹵化物試劑外，還需要一些高純度的摻雜劑和某些有助反應(yīng)的輔還需要一些高純度的摻雜劑和某些有助反應(yīng)的輔助試劑或氣體。在沉積包層時，需摻入少量的低助試劑或氣體。在沉積包層時，需摻入少量的低折射率的摻雜劑。如折射率的摻雜劑。如B2O3，F(xiàn)，SiF4 等；在沉積等；在沉積芯層時，需要摻雜少量的高折射率的摻雜劑，如芯層時，需要摻雜少量的高折射

21、率的摻雜劑，如GeO2、P2O5、TiO2、ZrO2、Al2O3 等。如采用四等。如采用四氯化鍺與純氧氣反應(yīng)得到高摻雜物質(zhì)氯化鍺與純氧氣反應(yīng)得到高摻雜物質(zhì)GeO2，而利，而利用氟里昂與用氟里昂與SiCl4 加純加純O2反應(yīng)得到低摻雜物質(zhì)反應(yīng)得到低摻雜物質(zhì)SiF4 等。等。長春理工大學長春理工大學第第7章章 光纖和光纖技術(shù)光纖和光纖技術(shù)光纖預制棒是控制光纖折射率分布的原始棒體材料，光纖預制棒是控制光纖折射率分布的原始棒體材料，其結(jié)構(gòu)為多層圓柱體，它的內(nèi)層為高折射率的纖芯其結(jié)構(gòu)為多層圓柱體，它的內(nèi)層為高折射率的纖芯層，外層為低折射率的包層，它應(yīng)具有符合要求的層，外層為低折射率的包層，它應(yīng)具有符合要

22、求的折射率分布形式和幾何尺寸。折射率分布形式和幾何尺寸。7.3.2 光纖預制棒制備光纖預制棒制備 長春理工大學長春理工大學第第7章章 光纖和光纖技術(shù)光纖和光纖技術(shù) 美國康寧公司在美國康寧公司在1974 年開發(fā)成功，年開發(fā)成功，1980 年全面投年全面投入使用的管外氣相沉積法，簡稱入使用的管外氣相沉積法，簡稱OVD法；美國阿爾卡法；美國阿爾卡特公司在特公司在1974 年開發(fā)的管內(nèi)化學氣相沉積法，簡稱年開發(fā)的管內(nèi)化學氣相沉積法，簡稱MCVD 法法1、光纖預制棒的制造工藝、光纖預制棒的制造工藝 日本日本NTT 公司在公司在1977 年開發(fā)的軸向氣相沉積法，年開發(fā)的軸向氣相沉積法，簡稱簡稱VAD 法；

23、荷蘭菲利浦公司開發(fā)的微波等離子體法；荷蘭菲利浦公司開發(fā)的微波等離子體化學氣相沉積法，簡稱化學氣相沉積法，簡稱PCVD 法。法。 近年來又開發(fā)了等離子改良的化學氣相沉積法近年來又開發(fā)了等離子改良的化學氣相沉積法（PMCVD）、軸向和橫向等離子化學氣相沉積法）、軸向和橫向等離子化學氣相沉積法（ALPD）、）、MCVD 大棒法、大棒法、MCVD/OVD 混合法及混合法及混合氣相沉積法（混合氣相沉積法（HVD）等多種工藝。）等多種工藝。長春理工大學長春理工大學第第7章章 光纖和光纖技術(shù)光纖和光纖技術(shù)2、典型預制棒制作過程、典型預制棒制作過程長春理工大學長春理工大學第第7章章 光纖和光纖技術(shù)光纖和光纖技

24、術(shù)在內(nèi)包層沉積過程中，可以使用的低折射率摻雜劑有在內(nèi)包層沉積過程中，可以使用的低折射率摻雜劑有CF2Cl2、SF6 、C2F4、B2O3 等，其氧化原理與化學等，其氧化原理與化學反應(yīng)方程式如下：反應(yīng)方程式如下：SiCl4O2 =SiO22Cl2 （7.3-4）SiCl42O22CF2Cl2 =SiF42Cl2 2CO2 （7.3-5）3SiCl42O22SF6 =3SiF43Cl2 2SO2 （7.3-6）3O24BBr3 =2B2O36Br2 （7.3-7）長春理工大學長春理工大學第第7章章 光纖和光纖技術(shù)光纖和光纖技術(shù)SiCl4 O2 =SiO22Cl2 （7.3-8）GeCl4O2 =G

25、eO22Cl2 （7.3-9）2POCl34O2 =2P2O53Cl2 （7.3-10）GeO2、P2O5,沉積在氣流下漩的內(nèi)壁上，氫氧火焰經(jīng)沉積在氣流下漩的內(nèi)壁上，氫氧火焰經(jīng)過的地方，就會在包皮管內(nèi)形成一層均勻透明的氧化過的地方，就會在包皮管內(nèi)形成一層均勻透明的氧化物物SiO2-GeO2（或（或SiO2-P2O5）沉積在內(nèi)包層）沉積在內(nèi)包層SiO2-SiF4玻璃表面上。沉積芯層過程中，高溫氧化的原理與化玻璃表面上。沉積芯層過程中，高溫氧化的原理與化學反應(yīng)方程式如下：學反應(yīng)方程式如下：長春理工大學長春理工大學第第7章章 光纖和光纖技術(shù)光纖和光纖技術(shù)7.3.3 光纖拉絲光纖拉絲 光纖拉絲是指將制

26、備好的光纖預制棒，利用某種光纖拉絲是指將制備好的光纖預制棒，利用某種加熱設(shè)備加熱熔融后拉制成直徑符合要求的細小光纖加熱設(shè)備加熱熔融后拉制成直徑符合要求的細小光纖纖維，并保證光纖的芯、包層直徑比和折射率分布形纖維，并保證光纖的芯、包層直徑比和折射率分布形式不變的工藝操作過程。式不變的工藝操作過程。 在拉絲操作過程中，最重要的技術(shù)是如何保證在拉絲操作過程中，最重要的技術(shù)是如何保證不使光纖表面受到損傷并正確控制芯、包層外徑尺不使光纖表面受到損傷并正確控制芯、包層外徑尺寸及折射率分布形式。寸及折射率分布形式。 在工藝上，拉絲與一次涂覆是相互獨立的兩個在工藝上，拉絲與一次涂覆是相互獨立的兩個工藝步驟，而

27、在實際生產(chǎn)中，拉絲與一次涂覆是工藝步驟，而在實際生產(chǎn)中，拉絲與一次涂覆是在一條生產(chǎn)線上一次完成的，如圖在一條生產(chǎn)線上一次完成的，如圖7.3所示。所示。長春理工大學長春理工大學第第7章章 光纖和光纖技術(shù)光纖和光纖技術(shù)1、拉絲方法、拉絲方法 長春理工大學長春理工大學第第7章章 光纖和光纖技術(shù)光纖和光纖技術(shù)光纖預制棒的拉絲機由五個基本部分構(gòu)成：光纖預制棒的拉絲機由五個基本部分構(gòu)成： 1）光纖預制棒饋送系統(tǒng)）光纖預制棒饋送系統(tǒng) 2）加熱系統(tǒng)）加熱系統(tǒng) 3）拉絲機構(gòu)）拉絲機構(gòu)4）各參數(shù)控制系統(tǒng)）各參數(shù)控制系統(tǒng)5）冷卻和纏繞系統(tǒng)）冷卻和纏繞系統(tǒng)2、拉絲過程、拉絲過程 具體的機械和電氣設(shè)備與系統(tǒng)包括：具體的

28、機械和電氣設(shè)備與系統(tǒng)包括： 機械系統(tǒng)拉絲塔架、電氣部分送棒控制及調(diào)心控制機械系統(tǒng)拉絲塔架、電氣部分送棒控制及調(diào)心控制系統(tǒng)、加熱爐控制系統(tǒng)、外徑測控系統(tǒng)、牽引控制系統(tǒng)、加熱爐控制系統(tǒng)、外徑測控系統(tǒng)、牽引控制系統(tǒng)、冷卻及保護控制系統(tǒng)、人機界面、系統(tǒng)、冷卻及保護控制系統(tǒng)、人機界面、PLC 信號信號處理系統(tǒng)等。處理系統(tǒng)等。長春理工大學長春理工大學第第7章章 光纖和光纖技術(shù)光纖和光纖技術(shù)在正常狀態(tài)，若預制棒的饋送速度為在正常狀態(tài)，若預制棒的饋送速度為V，光纖的拉，光纖的拉絲速度為絲速度為Vf，預制棒的外徑為，預制棒的外徑為D，裸光纖的外徑為，裸光纖的外徑為d。根據(jù)熔化前的棒體容積等于熔化拉絲后光纖的容積

29、根據(jù)熔化前的棒體容積等于熔化拉絲后光纖的容積的特點，可知，的特點，可知，22fVDV d(7.3-11)因此，光纖的外徑：因此，光纖的外徑：22/fdVDV(7.3-12)長春理工大學長春理工大學第第7章章 光纖和光纖技術(shù)光纖和光纖技術(shù) 拉絲操作對加熱源的要求是十分苛刻的。熱拉絲操作對加熱源的要求是十分苛刻的。熱源不僅要提供足以熔融石英玻璃的源不僅要提供足以熔融石英玻璃的2000C 以上以上高溫，還必須在拉制區(qū)域能夠非常精確的控制溫高溫，還必須在拉制區(qū)域能夠非常精確的控制溫度，因而加熱爐的設(shè)計是拉絲技術(shù)的又一關(guān)鍵技度，因而加熱爐的設(shè)計是拉絲技術(shù)的又一關(guān)鍵技術(shù)。術(shù)。 常用的拉絲熱源有：氣體噴燈；

30、各種電阻及感常用的拉絲熱源有：氣體噴燈；各種電阻及感應(yīng)加熱爐和大功率應(yīng)加熱爐和大功率CO2 激光器。激光器。3、加熱源、加熱源 長春理工大學長春理工大學第第7章章 光纖和光纖技術(shù)光纖和光纖技術(shù) 光纖拉絲工藝中的直徑控制技術(shù)是關(guān)鍵。為此，光纖拉絲工藝中的直徑控制技術(shù)是關(guān)鍵。為此，在加熱爐及預制棒下端拉錐部位要求有相當平靜在加熱爐及預制棒下端拉錐部位要求有相當平靜的氣氛，任何氣流的攪動都會造成光纖直徑的高的氣氛，任何氣流的攪動都會造成光纖直徑的高頻波動。為保證光纖直徑的精度要求，必須采取頻波動。為保證光纖直徑的精度要求，必須采取下列措施：下列措施：4、直徑控制措施、直徑控制措施 長春理工大學長春理

31、工大學第第7章章 光纖和光纖技術(shù)光纖和光纖技術(shù) 首先，要求拉絲塔的底座應(yīng)與周圍建筑物的地基首先，要求拉絲塔的底座應(yīng)與周圍建筑物的地基 隔離，單獨設(shè)置地基，以防止廠房周圍車輛、機械隔離，單獨設(shè)置地基，以防止廠房周圍車輛、機械振動產(chǎn)生影響，引起拉制的光纖直徑波動；振動產(chǎn)生影響，引起拉制的光纖直徑波動； 第二要求預制棒的拉絲牽引輪的速度要非常均第二要求預制棒的拉絲牽引輪的速度要非常均勻平穩(wěn)；牽引輪，收線盤，電機的傳動部分不能勻平穩(wěn)；牽引輪，收線盤，電機的傳動部分不能出現(xiàn)任何的偏心，否則都會導致光纖直徑的變化；出現(xiàn)任何的偏心，否則都會導致光纖直徑的變化；長春理工大學長春理工大學第第7章章 光纖和光纖技

32、術(shù)光纖和光纖技術(shù) 第三光纖直徑要有一個十分精密的測量與反饋控制系第三光纖直徑要有一個十分精密的測量與反饋控制系統(tǒng)。一般選用非接觸法之一的激光散射法對剛出爐的裸統(tǒng)。一般選用非接觸法之一的激光散射法對剛出爐的裸光纖同步進行遙測?；緶y量方法有二種：一是通過光光纖同步進行遙測?；緶y量方法有二種：一是通過光纖的干涉圖形來測定直徑；二是采用掃描激光束產(chǎn)生的纖的干涉圖形來測定直徑；二是采用掃描激光束產(chǎn)生的光纖的影象來確定直徑。光纖的影象來確定直徑。 在拉絲設(shè)備中拉絲和卷繞系統(tǒng)是重要組成部分。一般在拉絲設(shè)備中拉絲和卷繞系統(tǒng)是重要組成部分。一般采用涂有橡膠的牽引輪和牽引裝置、張力控制輪、收排采用涂有橡膠的牽

33、引輪和牽引裝置、張力控制輪、收排線盤等設(shè)備完成。牽引拉絲輪的速度在線盤等設(shè)備完成。牽引拉絲輪的速度在1020m/s 間，間，要求保證光纖所受拉力為要求保證光纖所受拉力為“零零”。牽引裝置一般采用輪。牽引裝置一般采用輪式牽引機，牽引光纖在牽引輪上移動，牽引速度即為拉式牽引機，牽引光纖在牽引輪上移動，牽引速度即為拉絲生產(chǎn)線的拉絲速度。絲生產(chǎn)線的拉絲速度。長春理工大學長春理工大學第第7章章 光纖和光纖技術(shù)光纖和光纖技術(shù) 控制系統(tǒng)在拉絲設(shè)備中是最重要的組成部分。當控制系統(tǒng)在拉絲設(shè)備中是最重要的組成部分。當拉制光纖的直徑、溫度、氣氛等參數(shù)發(fā)生微小變化拉制光纖的直徑、溫度、氣氛等參數(shù)發(fā)生微小變化時，控制系

34、統(tǒng)自動反饋一個信息，并使變化自動得時，控制系統(tǒng)自動反饋一個信息，并使變化自動得到補償，這一作用系統(tǒng)稱為控制系統(tǒng)。到補償，這一作用系統(tǒng)稱為控制系統(tǒng)。 主要構(gòu)成部分有：位于加熱爐出口的激光測徑儀主要構(gòu)成部分有：位于加熱爐出口的激光測徑儀及涂覆后位于張力輪前端的涂層測徑儀控制系統(tǒng)，及涂覆后位于張力輪前端的涂層測徑儀控制系統(tǒng)，Ar氣液面、壓力和流量控制系統(tǒng)，爐內(nèi)溫度控制系氣液面、壓力和流量控制系統(tǒng)，爐內(nèi)溫度控制系統(tǒng)以及各自相應(yīng)的誤差信號處理系統(tǒng)及控制拉絲速統(tǒng)以及各自相應(yīng)的誤差信號處理系統(tǒng)及控制拉絲速度的控制機構(gòu)。度的控制機構(gòu)。長春理工大學長春理工大學第第7章章 光纖和光纖技術(shù)光纖和光纖技術(shù)7.3.4

35、光纖涂覆光纖涂覆 一次涂覆工藝是將拉制成的裸光纖表面涂覆上一一次涂覆工藝是將拉制成的裸光纖表面涂覆上一層彈性模量比較高的涂覆材料，從而保護拉制出層彈性模量比較高的涂覆材料，從而保護拉制出的光纖表面不受損傷，并提高其機械強度，降低的光纖表面不受損傷，并提高其機械強度，降低衰減。衰減。 一次涂覆是對光纖最直接的保護，所以顯得尤為一次涂覆是對光纖最直接的保護，所以顯得尤為重要。重要。長春理工大學長春理工大學第第7章章 光纖和光纖技術(shù)光纖和光纖技術(shù) 為保護光纖表面，提高抗拉強度和抗彎曲強度，為保護光纖表面，提高抗拉強度和抗彎曲強度，實現(xiàn)實用化，需要給裸光纖涂覆一層或多層高分子材實現(xiàn)實用化，需要給裸光纖

36、涂覆一層或多層高分子材料，例如：硅酮樹脂，聚氨基甲酸乙酯，紫外固化丙料，例如：硅酮樹脂，聚氨基甲酸乙酯，紫外固化丙烯酸酯等。烯酸酯等。 涂覆層可有效地保護光纖表面，提高光纖的機械涂覆層可有效地保護光纖表面，提高光纖的機械強度并隔絕引起微變損耗的外應(yīng)力，對新拉制出的光強度并隔絕引起微變損耗的外應(yīng)力，對新拉制出的光纖進行完善的機械保護，避免損傷裸光纖表面，增加纖進行完善的機械保護，避免損傷裸光纖表面，增加光纖的耐磨性，只有涂覆后方可允許光纖與其它表面光纖的耐磨性，只有涂覆后方可允許光纖與其它表面接觸。接觸。1、涂層作用、涂層作用 涂層的作用是使拉制好的光纖表面不受機械損涂層的作用是使拉制好的光纖表

37、面不受機械損傷，防止裸光纖斷裂。傷，防止裸光纖斷裂。 長春理工大學長春理工大學第第7章章 光纖和光纖技術(shù)光纖和光纖技術(shù) 一次涂層的層數(shù)一般為二層：預涂層和緩沖層。一次涂層的層數(shù)一般為二層：預涂層和緩沖層。極特殊的情況下可有五層結(jié)構(gòu)。涂層數(shù)主要由制造極特殊的情況下可有五層結(jié)構(gòu)。涂層數(shù)主要由制造者根據(jù)具體的使用環(huán)境和光纖結(jié)構(gòu)決定。者根據(jù)具體的使用環(huán)境和光纖結(jié)構(gòu)決定。2、涂層厚度、涂層厚度 如果僅從機械強度考慮，涂層越厚越好，若綜合如果僅從機械強度考慮，涂層越厚越好，若綜合考慮光纖的傳輸特性，涂層太厚，不僅在彎曲、拉伸考慮光纖的傳輸特性，涂層太厚，不僅在彎曲、拉伸及溫度變化時會產(chǎn)生微彎，同時還會成為

38、光纖損耗增及溫度變化時會產(chǎn)生微彎，同時還會成為光纖損耗增加的主要原因，此外，涂層材料的機械特點，也嚴重加的主要原因，此外，涂層材料的機械特點，也嚴重影響光纖的傳輸特性。絕大多數(shù)光纖的涂層厚度控制影響光纖的傳輸特性。絕大多數(shù)光纖的涂層厚度控制在在121-210m，但特殊光纖的涂層直徑高達，但特殊光纖的涂層直徑高達1mm。長春理工大學長春理工大學第第7章章 光纖和光纖技術(shù)光纖和光纖技術(shù)一次涂覆根據(jù)所使用的涂覆設(shè)備的不同，可以有三一次涂覆根據(jù)所使用的涂覆設(shè)備的不同，可以有三種不同的選擇工藝種不同的選擇工藝1）燈芯涂覆）燈芯涂覆2）有引導管涂覆器涂覆）有引導管涂覆器涂覆3）自動定心涂覆器涂覆）自動定心

39、涂覆器涂覆目前，最常用的是第三種工藝。目前，最常用的是第三種工藝。3、涂覆工藝、涂覆工藝 長春理工大學長春理工大學第第7章章 光纖和光纖技術(shù)光纖和光纖技術(shù) 燈芯涂覆工藝是美國貝爾實驗室在光纖涂覆燈芯涂覆工藝是美國貝爾實驗室在光纖涂覆工藝研究的早期研制的一種涂覆工藝，它的基本工藝研究的早期研制的一種涂覆工藝，它的基本操作原理是：用操作原理是：用Kynar7021 液將燈芯沾濕后，使液將燈芯沾濕后，使裸光纖穿過沾濕的燈芯中心，涂覆上裸光纖穿過沾濕的燈芯中心，涂覆上Kynar7021 涂層，并用此溶液與六甲基二硅化氧混合做表面涂層，并用此溶液與六甲基二硅化氧混合做表面處理液，對涂覆后的光纖進行表面處

40、理。這種方處理液，對涂覆后的光纖進行表面處理。這種方法在一定程度上可以起到防磨損的作用。燈芯由法在一定程度上可以起到防磨損的作用。燈芯由氈墊疊層而成，中間留有中心孔，并浸漬上主要氈墊疊層而成，中間留有中心孔，并浸漬上主要成分為丙酮的成分為丙酮的Kynar7021 液，可涂層厚度在液，可涂層厚度在12m左右。左右。長春理工大學長春理工大學第第7章章 光纖和光纖技術(shù)光纖和光纖技術(shù)n有引導管涂覆器它主要由盛裝涂覆液的容器、有引導管涂覆器它主要由盛裝涂覆液的容器、無壓力作用不銹鋼模具、引導管、涂覆液封套無壓力作用不銹鋼模具、引導管、涂覆液封套等組成。等組成。n模具位于涂覆器的底部，當光纖穿過涂覆器模具

41、位于涂覆器的底部，當光纖穿過涂覆器時，光纖的表面粘附一層涂覆液，這層涂覆液時，光纖的表面粘附一層涂覆液，這層涂覆液凝固后即成固體涂層，光纖必須定位于模具中凝固后即成固體涂層，光纖必須定位于模具中心，模具決定了涂層的幾何形狀及光纖在涂層心，模具決定了涂層的幾何形狀及光纖在涂層中最終的中心定位。中最終的中心定位。n為保證光纖在模具中易于定位，再涂覆器中為保證光纖在模具中易于定位，再涂覆器中靠近模具的地方放置一根引導管，內(nèi)充滿涂覆靠近模具的地方放置一根引導管，內(nèi)充滿涂覆液。這種結(jié)構(gòu)的涂覆器有三個優(yōu)點：液。這種結(jié)構(gòu)的涂覆器有三個優(yōu)點：長春理工大學長春理工大學第第7章章 光纖和光纖技術(shù)光纖和光纖技術(shù)（1

42、）光纖中心定位容易；）光纖中心定位容易；（2）涂覆液通過引導管時，本身可起到潤滑作用，）涂覆液通過引導管時，本身可起到潤滑作用，保護光纖不受損傷；保護光纖不受損傷；（3）因為這種模具無壓力特性，避免了在有壓力）因為這種模具無壓力特性，避免了在有壓力存在的擠壓過程中出現(xiàn)的橫向壓力差問題。存在的擠壓過程中出現(xiàn)的橫向壓力差問題。長春理工大學長春理工大學第第7章章 光纖和光纖技術(shù)光纖和光纖技術(shù)自動定心涂覆器利用涂覆液的液體動力的作用，當自動定心涂覆器利用涂覆液的液體動力的作用，當光纖穿過模具時，依靠涂覆液流體動力使光纖移向光纖穿過模具時，依靠涂覆液流體動力使光纖移向模具中心，位移量的大小取決于所設(shè)計的

43、模具結(jié)構(gòu)模具中心，位移量的大小取決于所設(shè)計的模具結(jié)構(gòu)和流體的特性。但是由于一般的涂覆液的流體動力和流體的特性。但是由于一般的涂覆液的流體動力都是非常小的，只要模具對光纖的自由路徑稍不對都是非常小的，只要模具對光纖的自由路徑稍不對準，就會使定心破壞，導致涂層出現(xiàn)很大的偏心，準，就會使定心破壞，導致涂層出現(xiàn)很大的偏心，影響光纖傳輸?shù)馁|(zhì)量。影響光纖傳輸?shù)馁|(zhì)量。為解決偏心問題可以采取兩種方法：（為解決偏心問題可以采取兩種方法：（1）設(shè)計具有）設(shè)計具有最大流體定心動力的模具；（最大流體定心動力的模具；（2）使涂覆模具保持精）使涂覆模具保持精確的對準。確的對準。長春理工大學長春理工大學第第7章章 光纖和光

44、纖技術(shù)光纖和光纖技術(shù)u自動定心涂覆器最常用的涂覆結(jié)構(gòu)有二種：無外部自動定心涂覆器最常用的涂覆結(jié)構(gòu)有二種：無外部加壓開口杯式和壓力涂覆器。加壓開口杯式和壓力涂覆器。u采用簡單的無外部加壓開口杯式涂覆器，移動中的采用簡單的無外部加壓開口杯式涂覆器，移動中的光纖會粘附一些液體涂料，并穿過一個使涂料在光纖光纖會粘附一些液體涂料，并穿過一個使涂料在光纖上自對中可調(diào)模具口，涂層厚度由模具口大小和光纖上自對中可調(diào)模具口，涂層厚度由模具口大小和光纖直徑?jīng)Q定。但這種結(jié)構(gòu)涂覆器，在高速拉絲時得不到直徑?jīng)Q定。但這種結(jié)構(gòu)涂覆器，在高速拉絲時得不到均勻涂敷層。均勻涂敷層。u現(xiàn)在實際應(yīng)用更普遍的是壓力涂敷器。這種結(jié)構(gòu)涂現(xiàn)

45、在實際應(yīng)用更普遍的是壓力涂敷器。這種結(jié)構(gòu)涂覆器最適合用于高速拉絲，而且不會在涂料中攪起氣覆器最適合用于高速拉絲，而且不會在涂料中攪起氣泡。壓力涂敷器樹脂涂敷速度與下列因素有關(guān)：液體泡。壓力涂敷器樹脂涂敷速度與下列因素有關(guān)：液體的粘度；涂層厚度；烘干速度；光纖離開加熱區(qū)的冷的粘度；涂層厚度；烘干速度；光纖離開加熱區(qū)的冷卻速度。卻速度。長春理工大學長春理工大學第第7章章 光纖和光纖技術(shù)光纖和光纖技術(shù)要點與習題要點與習題1、 制備光纖的材料都有哪些？制備光纖的材料都有哪些？2 、簡述光纖預制棒制備過程、簡述光纖預制棒制備過程 3 、簡述光纖拉絲過程、簡述光纖拉絲過程4 、光纖涂覆的作用和方法、光纖涂

46、覆的作用和方法長春理工大學長春理工大學第第7章章 光纖和光纖技術(shù)光纖和光纖技術(shù)第第7章章 光纖和光纖技術(shù)光纖和光纖技術(shù)7.4 突變光纖的光線理論分析突變光纖的光線理論分析7.3 光纖的制作技術(shù)光纖的制作技術(shù)7.1 光纖產(chǎn)生和應(yīng)用光纖產(chǎn)生和應(yīng)用7.2 光纖的種類和結(jié)構(gòu)光纖的種類和結(jié)構(gòu)長春理工大學長春理工大學7.4 突變光纖的光線理論分析突變光纖的光線理論分析7.4.1 光纖當中的光線光纖當中的光線7.4.2 光纖的數(shù)值孔徑光纖的數(shù)值孔徑7.4.3 子午光線的時延差子午光線的時延差 長春理工大學長春理工大學第第7章章 光纖和光纖技術(shù)光纖和光纖技術(shù) 在突變介質(zhì)平面波導中，光線是通過波導的中在突變介質(zhì)

47、平面波導中，光線是通過波導的中心軸線，在上下兩個邊界之間來回反射的鋸齒形光心軸線，在上下兩個邊界之間來回反射的鋸齒形光線，與之不同，在突變光纖中有兩種光線，一種稱線，與之不同，在突變光纖中有兩種光線，一種稱為子午光線，另一種稱為斜射光線。為子午光線，另一種稱為斜射光線。 本節(jié)在介紹兩種光線之后，討論光纖的數(shù)值孔本節(jié)在介紹兩種光線之后，討論光纖的數(shù)值孔徑、時延差和焦散面。徑、時延差和焦散面。7.4.1光纖當中的光線光纖當中的光線長春理工大學長春理工大學第第7章章 光纖和光纖技術(shù)光纖和光纖技術(shù) 子午光線子午光線是在一個通過光纖軸線的平面（稱為子是在一個通過光纖軸線的平面（稱為子午面）內(nèi)以在午面）內(nèi)

48、以在z字形行進的光線，它在一個周期內(nèi)與字形行進的光線，它在一個周期內(nèi)與光纖的中心軸線相交兩次，如圖光纖的中心軸線相交兩次，如圖7.4a)所示。所示。長春理工大學長春理工大學第第7章章 光纖和光纖技術(shù)光纖和光纖技術(shù) 光纖中不在子午面內(nèi)的光線都是光纖中不在子午面內(nèi)的光線都是斜射光線斜射光線。它和光。它和光纖的軸線既不平行也不相交，其光路軌跡是空間螺纖的軸線既不平行也不相交，其光路軌跡是空間螺旋折線。此折線可為左旋，也可為右旋，但它和光旋折線。此折線可為左旋，也可為右旋，但它和光纖的中心軸是等距的。纖的中心軸是等距的。斜射光線是一種不通過光纖的中心軸線而且不在斜射光線是一種不通過光纖的中心軸線而且不

49、在一個平面內(nèi)的光線，這類光線是在內(nèi)半徑小于纖芯一個平面內(nèi)的光線，這類光線是在內(nèi)半徑小于纖芯半徑、外半徑等于纖芯半徑的圓柱形空間中繞中心半徑、外半徑等于纖芯半徑的圓柱形空間中繞中心軸線彎曲前進的光線，其運動范圍是在纖芯包層軸線彎曲前進的光線，其運動范圍是在纖芯包層邊界這一圓柱面與一個半徑比光纖半徑小的圓柱面邊界這一圓柱面與一個半徑比光纖半徑小的圓柱面之間，后一圓柱面常稱為焦散面，如圖之間，后一圓柱面常稱為焦散面，如圖7.4b)所示。所示。長春理工大學長春理工大學第第7章章 光纖和光纖技術(shù)光纖和光纖技術(shù)長春理工大學長春理工大學第第7章章 光纖和光纖技術(shù)光纖和光纖技術(shù)7.4.2光纖的數(shù)值孔徑光纖的數(shù)

50、值孔徑1、子午光線入射時光纖的數(shù)值孔徑。、子午光線入射時光纖的數(shù)值孔徑。入射的子午入射的子午光線從折射率為的介質(zhì)（一般是空氣，光線從折射率為的介質(zhì)（一般是空氣， ）射入光纖端面，入射角為光線在光纖中以與光纖射入光纖端面，入射角為光線在光纖中以與光纖中心軸線成的角度方向前進，是光線和纖中心軸線成的角度方向前進，是光線和纖芯包層界面法線的夾角，如圖芯包層界面法線的夾角，如圖7.5所示。所示。 0n10n90長春理工大學長春理工大學第第7章章 光纖和光纖技術(shù)光纖和光纖技術(shù)21sinnn(7.4-1)01sinsin 90nn (7.4-2)根據(jù)全反射條件，根據(jù)全反射條件， 應(yīng)大于應(yīng)大于臨界角臨界角

51、21arcsincnn故應(yīng)有故應(yīng)有 另一方面，在光纖端面的入射角另一方面，在光纖端面的入射角 應(yīng)滿足斯涅應(yīng)滿足斯涅耳耳( Snell)定律，故有定律，故有 即，即，222220111121sincos1 sin1nnnnnnnn長春理工大學長春理工大學由此得到由此得到22012sinnnn(7.4-3)只有滿足這一條件的入射光線，才能發(fā)生全反射，只有滿足這一條件的入射光線，才能發(fā)生全反射，并在光纖中傳播。并在光纖中傳播。在通常情況下在通常情況下 10n，入射角的最大，入射角的最大值記作值記作 max，則，則 22max12sinnn（7.4-4） 這樣，如果入射到光纖端面的光錐的半角小于這樣，

52、如果入射到光纖端面的光錐的半角小于 max則光纖被激發(fā)，光束將進入光纖成為光導波。則光纖被激發(fā)，光束將進入光纖成為光導波。 長春理工大學長春理工大學第第7章章 光纖和光纖技術(shù)光纖和光纖技術(shù)角度角度2 max稱為入射光線的稱為入射光線的孔徑角孔徑角。 定義子午光線入射時光纖的定義子午光線入射時光纖的數(shù)值孔徑數(shù)值孔徑為為 2212NAnn子 (7.4-5)習慣上把習慣上把 2221nn稱為稱為“光纖的數(shù)值孔徑光纖的數(shù)值孔徑”。 長春理工大學長春理工大學第第7章章 光纖和光纖技術(shù)光纖和光纖技術(shù)2、斜射光線入射時光纖的數(shù)值孔徑。、斜射光線入射時光纖的數(shù)值孔徑。圖圖7.6是斜射光是斜射光線在光纖中的全反

53、射示意圖。圖中線在光纖中的全反射示意圖。圖中PQ為入射在光纖為入射在光纖中的斜光線，它與光纖軸不共面；中的斜光線，它與光纖軸不共面；M為為Q在光纖橫截在光纖橫截面上的投影；面上的投影；MN PN，OH PM。 為入射面與子午為入射面與子午面的夾角，面的夾角， 為折射角，為折射角， 為入射角。為入射角。 長春理工大學長春理工大學第第7章章 光纖和光纖技術(shù)光纖和光纖技術(shù)由圖中幾何關(guān)系得斜光線的全反射條件為，由圖中幾何關(guān)系得斜光線的全反射條件為，221cos sin1nn再利用折射定律再利用折射定律 01sinsinnn，可得，可得22120sincosnnn因此，斜光線的數(shù)值孔徑則為因此，斜光線的

54、數(shù)值孔徑則為22120sincosnnNAn斜由于由于cos1，因而斜光線的數(shù)值孔徑要大一些。，因而斜光線的數(shù)值孔徑要大一些。(7.4-6)(7.4-7)(7.4-8)長春理工大學長春理工大學第第7章章 光纖和光纖技術(shù)光纖和光纖技術(shù)7.4.3子午光線的時延差子午光線的時延差 如圖如圖7.7所示，入射角不同，光線沿光纖軸線所示，入射角不同，光線沿光纖軸線的速度也不同：設(shè)光纖芯子中的光速為則光線的速度也不同：設(shè)光纖芯子中的光速為則光線的軸線（取為的軸線（取為z軸）方向分速顯然，軸）方向分速顯然， sinz90時，時， z最大，最大， 為臨界角，即為臨界角，即 21sin/nn時，時， z最小。最小

55、。 長春理工大學長春理工大學第第7章章 光纖和光纖技術(shù)光纖和光纖技術(shù)1minmaxzLnLLtc(7.4-9)21max22min1zLnLLtcnnn(7.4-10)若用若用 maxz和和 minz分別表示分別表示 z的最大值和最小值，的最大值和最小值，mint和最長時間和最長時間 maxt各為。各為。 并設(shè)并設(shè)L為傳播距離，則光線傳播所用的最短時間為傳播距離，則光線傳播所用的最短時間 長春理工大學長春理工大學第第7章章 光纖和光纖技術(shù)光纖和光纖技術(shù)其中其中c為真空中的光速，所以，時延差（即為真空中的光速，所以，時延差（即 ）為）為 mt112maxminmin2mLnnnttttcn(7.

56、4-11)其中其中 122/nnn 為折射率差的相對值。為折射率差的相對值。1212122212nnnnnn(7.4-12) 由此可見，時延差由此可見，時延差 與與 成正比。成正比。mt長春理工大學長春理工大學第第7章章 光纖和光纖技術(shù)光纖和光纖技術(shù)要點與習題要點與習題1、光纖當中有哪些光線？、光纖當中有哪些光線？2、簡述光纖的數(shù)值孔徑、簡述光纖的數(shù)值孔徑3、計算子午光線的時延差、計算子午光線的時延差長春理工大學長春理工大學第第7章章 光纖和光纖技術(shù)光纖和光纖技術(shù)7.8 光纖傳感技術(shù)光纖傳感技術(shù)7.7 光纖的色散光纖的色散7.9 光纖通信技術(shù)光纖通信技術(shù)7.5 漸變光纖的光線理論分析漸變光纖的

57、光線理論分析7.6 光纖的損耗光纖的損耗第第7章章 光纖和光纖技術(shù)光纖和光纖技術(shù)長春理工大學長春理工大學第第7章章 光纖和光纖技術(shù)光纖和光纖技術(shù)7.5 漸變光纖的光線理論分析漸變光纖的光線理論分析7.5.1 平方律光纖平方律光纖(自聚焦光纖自聚焦光纖)7.5.2 光線在光纖當中的傳播軌跡光線在光纖當中的傳播軌跡 l采用漸變折射率平板波導，使光線在芯層內(nèi)沿采用漸變折射率平板波導，使光線在芯層內(nèi)沿“蛇形曲線蛇形曲線”或或“弧形曲線弧形曲線”前進，以避免散射損前進，以避免散射損耗。耗。l為了減小多模光纖的這種模間色散，常采用芯層為了減小多模光纖的這種模間色散，常采用芯層中折射率沿徑向按平方律漸減的漸

58、變折射率光纖。中折射率沿徑向按平方律漸減的漸變折射率光纖。長春理工大學長春理工大學第第7章章 光纖和光纖技術(shù)光纖和光纖技術(shù)7.5.1 平方律光纖平方律光纖(自聚焦光纖自聚焦光纖)在折射率漸變光纖當中，折射率分布隨著離軸距離在折射率漸變光纖當中，折射率分布隨著離軸距離的增加而不斷改變，其一般形式為的增加而不斷改變，其一般形式為22( )(0) 12mrnrna (7.5-1)為纖芯半徑，為纖芯半徑， 2220/20nn rnm,為正數(shù)，為正數(shù)， a 0n為光纖軸上的折射率，為光纖軸上的折射率， n r為光纖軸距離為為光纖軸距離為 r處的折射率。處的折射率。長春理工大學長春理工大學第第7章章 光纖

59、和光纖技術(shù)光纖和光纖技術(shù)根據(jù)式根據(jù)式(7.5-1)得到的得到的 n r和和 r如圖如圖7.8所示。所示。 的關(guān)系曲線的關(guān)系曲線長春理工大學長春理工大學第第7章章 光纖和光纖技術(shù)光纖和光纖技術(shù)在理想情況下，漸變折射率光纖中的折射率分布為軸在理想情況下，漸變折射率光纖中的折射率分布為軸對稱。為此用柱坐標對稱。為此用柱坐標(r，z)，取光纖軸為，取光纖軸為z軸。這軸。這時光線方程式時光線方程式 ddrn rn rdsds (7.5-2)2ddrddnnnrdsdsdsdr(7.5-3)式中，式中， r為徑向坐標，為徑向坐標， s是光線的幾何徑。由式是光線的幾何徑。由式(7.5-2)得到光線方程的徑向

60、分量為得到光線方程的徑向分量為7.5.2 光線在光纖當中的傳播軌跡光線在光纖當中的傳播軌跡 長春理工大學長春理工大學第第7章章 光纖和光纖技術(shù)光纖和光纖技術(shù)軸向分量和圓周分量分別是軸向分量和圓周分量分別是0dr dddnnrds dsdsds為求解上述光線方程，首先應(yīng)確定初始條件。如圖為求解上述光線方程，首先應(yīng)確定初始條件。如圖7.9所示。所示。(7.5-4)z0ddndsds(7.5-5)長春理工大學長春理工大學第第7章章 光纖和光纖技術(shù)光纖和光纖技術(shù)長春理工大學長春理工大學第第7章章 光纖和光纖技術(shù)光纖和光纖技術(shù)由折射定律有由折射定律有 00sinsinsinn rn(7.5-6)由圖由圖