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光纖,是光導纖維的簡寫,是一種利用光在玻璃或塑料製成的纖維中的全反射原理而達成的光傳導工具。光導纖維由前香港中文大學校長高錕發明。微細的光纖封裝在塑料護套中,使得它能夠彎曲而不至於斷裂。通常,光纖的一端的發射裝置使用發光二極體(light emitting diode,LED)或一束激光將光脈衝傳送至光纖,光纖的另一端的接收裝置使用光敏元件檢測脈衝。在日常生活中,由於光在光導纖維的傳導損耗比電在電線傳導的損耗低得多,光纖被用作長距離的信息傳遞

1 光纖 -概述

光纖光纖

光纖的完整名稱叫做光導纖維,用純石英以特別的工藝拉成細絲,其直徑比頭髮絲還要細。光束在玻璃纖維內傳輸,信號不受電磁的干擾,傳輸穩定。具有性能可靠,質量高,速度快,線路損耗低、傳輸距離遠等特點,適高速網路和骨幹網。

光纖是一種傳輸介質,是依照光的全反射的原理製造的。光纖是一種將訊息從一端傳送到另一端的媒介,是一條以玻璃或塑膠纖維作為讓訊息通過的傳輸媒介。通常光纖與光纜兩個名詞會被混淆。多數光纖在使用前必須由幾層保護結構包覆,包覆后的纜線即被稱為光纜。光纖外層的保護結構可防止周遭環境對光纖的傷害,如水,火,電擊等。光纜分為:光纖、緩衝層及披覆。光纖和同軸電纜相似,只是沒有網狀屏蔽層。中心是光傳播的玻璃芯。在多模光纖中,芯的直徑是15mm~50mm, 大致與人的頭髮的粗細相當。而單模光纖芯的直徑為8mm~10mm。芯外面包圍著一層折射率比芯低的玻璃封套, 以使光纖保持在芯內。再外面的是一層薄的塑料外套,用來保護封套。光纖通常被紮成束,外面有外殼保護。 纖芯通常是由石英玻璃製成的橫截面積很小的雙層同心圓柱體,它質地脆,易斷裂,因此需要外加一保護層。

2 光纖 -原理

光纖實際是指由透明材料做成的纖芯和在它周圍採用比纖芯的折射率稍低的材料做成的包層,並將射入纖芯的光信號,經包層界面反射,使光信號在纖芯中傳播前進的媒體。一般是由纖芯、包層和塗敷層構成的多層介質結構的對稱圓柱體。光纖有兩項主要特性:即損耗和色散。

光纖每單位長度的損耗或者衰減(dB/km),關係到光纖通信系統傳輸距離的長短和中繼站間隔的距離的選擇。光纖的色散反應時延畸變或脈衝展寬,對於數字信號傳輸尤為重要。每單位長度的脈衝展寬(ns/km),影響到一定傳輸距離和信息傳輸容量。

3 光纖 -結構

光纖光纖的結構

纖芯材料的主體是二氧化硅,裡面摻極微量的其他材料,例如二氧化鍺、五氧化二磷等。摻雜的作用是提高材料的光折射率。纖芯直徑約5~~75μm。光纖外面有包層,包層有一層、二層(內包層、外包層)或多層(稱為多層結構),但是總直徑在100~200μm上下。包層的材料一般用純二氧化硅,也有摻極微量的三氧化二硼,最新的方法是摻微量的氟,就是在純二氧化硅里摻極少量的四氟化硅。摻雜的作用是降低材料的光折射率。

這樣,光纖纖芯的折射率略高於包層的折射率。兩者席位的區別,保證光主要限制在纖芯里進行傳輸。包層外面還要塗一種塗料,可用硅銅或丙烯酸鹽。塗料的作用是保護光纖不受外來的損害,增加光纖的機械強度。光纖的最外層是套層,它是一種塑料管,也是起保護作用的,不同顏色的塑料管還可以用來區別各條光纖。

光纖的折射率:光纖的結構一般用折射率沿光纖徑向的分佈函數來表徵,這種分佈函數成為光纖的折射率刨面。在圓柱坐標系(λ、Φ、z)中n(λ)來表示。在理論分析中,折射率剖面n(r)就是光纖的數學模型:對於單包層光纖,纖芯直徑為d,設纖芯軸心處的折射率n(0)=n1,包層折射率為n2,為了簡略地表示的剖面特徵,引入纖芯包層相對摺射率差作為剖面參數Δ,其中定義為:
       n1 2 ─ n22              n1 ─ n2
Δ =  ────── ≈  ─────
         2 n1 2                        n1

射線理論認為,光在光纖中傳播主要是依據全反射原理。因此,典型的階越光纖是由折射率(n1)稍高的纖芯和折射率(n2)稍低的包層構成。纖芯和包層之間有良好的光學界面。  若光線以某一角度進入光線端面時,入射光線與光線軸線之間的夾角θ0稱為光線端面入射角;光線進入光纖后又射到纖芯和包層之間的界面上,形成包層界面入射角Φ,光線垂直光線端面射入,並與光纖軸心線重合時,光線1沿軸心線向前傳播。

由於n1〉n2,所以包層界面有一個全反射的臨界角Φc,與其相對應的光線端面有一個臨界入射角Φa。如果端面入射角θ0≤θa,光線進入光纖后,當射到光纖的內包層界面時,入射角Φ≥Φc,滿足全反射條件,光線將在纖芯和包層的界面上不斷的產生全反射而向前傳播。一般,這種光線在光纖內需經過幾千、幾萬、甚至更多次的全反射,(全反射次數與光纖長度、直徑有關),才能從光纖的一段傳到另一端。光線1、2的特點是光在光纖中傳播路徑始終在同一平面內,這種光線稱為受到光線;在纖維光學中又稱為子午光線。子無光的是平面曲線,包含子午光線的面稱為子無面。

另一種光線不在一個平面內,不經過光的軸心線。當入射光纖后碰到邊界時,作內部全反射。這類光線運動範圍是在邊界和有虛線所示的焦散面之間。光線在斷面上的投影為折線。這樣的光纖稱為斜光線,它是一空間曲線,除子午線和斜光線外,還有一種不受到光線,它不能在光纖中傳播,射線理論無法解釋這種光線。

4 光纖 -分類

光纖光纖
光纖種類不斷增多,而且千變萬化。近年來用於感測器的特殊光纖發展尤迅速。目前一般分類方法如下:

1. 按製作材料分:
(1) 高純度石英玻璃光纖。這種材料損耗低,在波長時,最低達0。47db/km。用鍺硅材料作芯子,硼硅材料作包層的多模光纖,損耗最低為0.5db/km和類似的損耗-波譜曲線。採用三元化合材料,可能獲得最好的損耗-波譜曲線。
(2) 多組分玻璃光纖。通常用更常規的玻璃製成,損耗也很低,如Sodium-borosilica-te玻璃光纖在=0.84微米最低損耗為3.4db/km。
(3) 塑料光纖。它與石英光纖相比具有重量輕,成本低,柔軟性好,加工方便等特點,但損耗在r=0.63微米到100-200db/km。

2. 按傳輸模分:
(1) 單模光纖。單模光纖纖芯直徑僅幾個微米,加包層和塗敷層后也僅幾十個微米到125微米。纖芯直徑接近波長。
(2) 多模光纖。多模光纖纖芯直徑有50微米,加包層和塗敷層有50微米。纖芯直徑遠遠大于波長。根據光纖的折射率沿徑向分佈函數不同又進一步分為多模階躍光纖,單模階躍光纖和多模梯度光纖

3. 按用途分:
(1) 通信光纖。
(2) 非通信光纖----特殊光纖。有低雙折射光纖,高雙折射光纖,塗層光纖,液芯光纖,激光光纖和紅外光纖等。

4. 按製作方法分:
(1) 化學氣相沉積法(CVD)或改進化學氣相沉積法(MCVD)。用來製作高純度石英玻璃光纖。
(2) 雙坩堝法或三坩堝法。用來製作多組分玻璃光纖。



5 光纖 -生產方法


  目前通信中所用的光纖一般是石英光纖。石英的化學名稱叫二氧化硅(SiO2),它和我們日常用來建房子所用的砂子的主要成分是相同的。但是普通的石英材料製成的光纖是不能用於通信的。通信光纖必須由純度極高的材料組成;不過,在主體材料里摻入微量的摻雜劑,可以使纖芯和包層的折射率略有不同,這是有利於通信的。
  VAD法制光纖預製棒  製造光纖的方法很多,目前主要有:管內CVD(化學汽相沉積)法,棒內CVD法,PCVD(等離子體化學汽相沉積)法和VAD(軸向汽相沉積)法。但不論用哪一種方法,都要先在高溫下做成預製棒,然後在高溫爐中加溫軟化,拉成長絲,再進行塗覆、套塑,成為光纖芯線。光纖的製造要求每道工序都要相稱精密,由計算機控制。在製造光纖的過程中,要注重:
  ①光纖原材料的純度必須很高。
  ②必須防止雜質污染,以及氣泡混入光纖。
  ③要準確控制折射率的分佈;
  ④正確控制光纖的結構尺寸;
  ⑤盡量減小光纖表面的傷痕損害,提高光纖機械強度。
管棒法
  將內芯玻璃棒插入外層玻璃管中(盡量緊密),熔融拉絲;
雙坩堝法
  在兩個同心鉑坩堝內,將內芯和外層玻璃料分別放入內、外坩堝中;
分子填充法
  將微孔石英玻璃棒浸入高折射率的添加劑溶液中,得所需折射率分佈的斷面結構,再進行拉絲操作,它的工藝比較複雜。在光導纖維通信中還可用內外氣相沉積法等,以保證能製造出光損耗率低的光導纖維。

6 光纖 -光纖通訊發展歷史

1880年,貝爾發明了一種利用光波作載波傳遞話音信息的"光電話",它證明了利用光波作載波傳遞信息的可能性,是光通信歷史上的第一步。1960年,美國科學家梅曼(Meiman)發明了第一個紅寶石激光器。

激光(LASER: Light Amplification by Stimulated Emissiion of Radiation)與普通光相比,譜線很窄,方向性極好,是一種頻率和相位都一致的相干光,特性與無線電波相似,是一種理想的光載波。因此,激光器的出現使光波通信進入了一個嶄新的階段。

1966年,英籍華人高錕(K.C.Kao)博士首次利用無線電波導通信的原理,提出了低損耗的光導纖維(簡稱光纖)的概念。1970年,美國康寧公司首次研製成功損耗為 20db/km(光波沿光纖傳輸1km后,光的損耗為原有的1%)的石英光纖,它是一種理想的傳輸介質。同年,貝爾實驗室研製成功室溫下連續振蕩的半導體激光器(LD)。從此,開始了光纖通信迅速發展的時代,因此人們把1970年稱為光纖通信的元年。

1974年,貝爾實驗室發明了製造低損耗光纖的方法,稱作"改進的汽相沉積法(MCVD)",光纖損耗下降到 1db/km。1976年,日本電報電話公司研製出更低損耗光纖,損耗下降到 0.5db/km 。1976年,美國在亞特蘭大成功地進行了 44.7Mbit/s的光纖通信系統試驗。日本電報電話公司開始了 64km、32Mbit/s突變折射率光纖系統的室內試驗,並研製成功 1.3微米波長的半導體激光器。

1979年,日本電報電話公司研製出 0.2db/km的極低損耗石英光纖(1.5微米)。1984年,實現了中繼距離50km、速率為 1.7Gbit/s的實用化光纖傳輸系統。1990年,使用了 1.55微米長波長單模光纖傳輸系統,實現了中繼距離超過 100km、速率為 2.4Gb/s的光纖傳輸。

90年代以來,第四代光纖通信系統以頻分復用增加速率和使用光放大器增加中繼距離為標誌,可以使用(也可以不使用)相干接收方式,使系統的通信容量以成數量級地增加,已經實現了在 2.5Gb/s速率上傳輸 4500km和 10Gb/s的速率上傳輸 1500km的試驗。

目前,正在研究開發光弧子通信系統。光弧子,即由於光纖的非線性效應與光纖色散相互抵消,使光脈衝在無損耗的光纖中保持其形狀不變地傳輸的現象。光弧子通信系統將使超長距離的光纖傳輸成為可能,試驗證明,在2.5Gb/s的碼率下光弧子沿環路可傳輸 14000km的距離。

7 光纖 -應用

光纖光纖液面探測器工作原理
光纖感測技術是伴隨著光通訊技術和半導體技術發展而衍生的一種新的感測技術,是光感測、光通訊、電子技術互相交叉、互相滲透的高科技技術,是國家「十五」重點支持發展的信息產業的重要組成部分。因此光纖技術在很多方面都有很大的應用,現簡單介紹如下:

一、光纖液位感測器:在中國石油化工、冶金以及國防等部門,對油品和化工產品等易燃易爆液體類物質的儲存、檢測和安全管理一直是個難題。長期以來,大多企業是採用人工對其進行檢測和管理,勞動強度大,又有危險性,儲罐爆炸事件和人員傷亡事故時有發生。光纖液位感測器某檢測湘度高,使用方便、穩定可靠,特別是採用光纖光纜採集和傳輸信號,做到現場無電檢側,本質安全防爆,特別適於易燃易爆場所的儲罐檢測。即將投產的光纖液位感測器價調查和分析表明,目前全國年需求量應在1萬台以上,而1日市場需求仍在快鵬長如。

二、接入網技術:所謂光接入網(OAN)就是採用光纖傳輸技術的接入網,泛指本地交換機或遠端模塊與用戶之間採用光纖通信或部分採用光纖通信的系統。通常,OAN指採用基帶數字傳輸技術並以傳輸雙向互動式業務為目的的接入傳輸系統,將來應能以數字或模擬技術升級傳輸寬頻廣播式和互動式業務。

光纖的應用還有:光纖高溫測量儀、光纖閥位回訊器等。

8 光纖 -光纖內容的補充

基於虛擬儀器的光纖電流感測系統的設計 

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