1、復(fù)習(xí)思考題1什么是光纖 由玻璃、塑料和晶體等對某個波長范圍透明的材料制造的能傳輸光的纖維。由中心部份的纖芯和環(huán)繞在纖 芯外面的包層組成，芯的折射率比包層的高。光特性由光纖橫截面上折射率分布所決定，分布一般呈圓對 稱形，僅與徑向坐標(biāo)r有關(guān)，用符號表示。光纖呈圓柱狀直徑從幾pm到幾百pm。光從纖維端面進(jìn)入后即 束縛在纖維內(nèi)曲折地向前傳播其傳輸原理可用幾何光學(xué)或波動光學(xué)解釋。制造光纖時，一般先用原料做成 坯棒或塊材，然后拉制成細(xì)而長的纖維。光纖的特征和性能有以下幾方面：幾何和結(jié)構(gòu)參數(shù)，如芯徑、 外徑、數(shù)值孔徑、芯/包層相對折射率差、折射率分布、涂覆層厚度等；光傳輸特性，如工作波長，傳輸 損耗和帶寬、

2、色散以及偏振特性；環(huán)境特性，如高低溫特性、抗微彎和彎曲特性、輻射特性、氫效應(yīng)、 抗疲勞特性和機(jī)械篩選強(qiáng)度等。此外，單模光纖的參數(shù)還包括零色散波長和截止波長等。光纖的分類是一 個很復(fù)雜的問題，因為存在許多分類標(biāo)準(zhǔn)，例如工作波長、模式、折射率分布、材料及纖維形態(tài)和結(jié)構(gòu)均 可作為分類的標(biāo)準(zhǔn)。 )(rn 2什么是多模光纖 可傳播多種模式電磁波的光纖。根據(jù)橫截面折射率分布不同可分階躍型多模光纖和梯度(漸變)型多模光 纖。前者模間色散大，傳輸?shù)男畔⑷萘枯^??；后者模間色散小，可傳輸?shù)男畔⑷萘枯^大。多模光纖芯徑較 大，一般為50pm或62.5pm，其數(shù)值孔徑為0.275。與單模光纖相比，芯徑大得多，制造較容易

3、，使用較 方便，例如容易相互熔接，容易與無源器件、光源和光檢測器件配接使用。但色散大得多，傳輸容量較小 3什么是單模光纖 只能傳導(dǎo)單一基模的光纖。圓芯折射階躍分布的光纖維持單模傳輸出的條件是規(guī)一化頻率值小于等于 2.405，還有其他折射率分布。表征單模光纖除了用與多模光纖相同的一些傳輸性能指標(biāo)和結(jié)構(gòu)指標(biāo)外，還 應(yīng)包括截止波長、零色散波長和模斑尺寸。在實用中，單模光纖的抗彎曲和微彎特性是重要的，單模光纖 的制造工藝、熔接和耦合技術(shù)已經(jīng)成熟，其品種繁多，應(yīng)用廣泛，產(chǎn)量已超過多模光纖。除普通單模光纖 外，還有具有特殊色散特性和偏振特性的單模光纖。制造單模光纖的材料有以二氧化硅為基礎(chǔ)的玻璃及重 金屬氟

4、化物玻璃。各種單模光纖可分別在高速率通信系統(tǒng)、局部地區(qū)網(wǎng)線路和傳感器等器件中應(yīng)用。 4什么是塑料光纖 plastic optical fiber(POF) 一種由高折射率的透明塑料芯材與低折射率的透明塑料包層構(gòu)成的光纖。直徑小到幾十微米到幾毫米不等。 與無機(jī)玻璃質(zhì)光纖相比，它有重量輕，柔軟性好不易折斷，制造方便成本低等優(yōu)點，同時光纖上端面的損 耗較小，對可見光波段透光性好，并可與價廉的發(fā)光二極管配合使用，因此具有經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)越性。這類光 纖目前存在的缺點是傳輸損耗高，抗張強(qiáng)度低，耐溶劑侵蝕性差，容易老化且最高使用溫度低于80C,應(yīng) 用受到限制。主要用于傳輸距離100200m、頻帶寬度1020Mb

5、/s的閉路光通信系統(tǒng)。制造塑料光纖的主 要樹脂材料有兩大類，一類以聚甲基丙烯酸甲酯作纖芯，另一類以聚苯乙烯作纖芯。另外還有以聚碳酸酯 和含 25%克分子的間苯二酸的聚酯等為纖芯的塑料光纖。塑料光纖除單根纖維使用外還制成塑料傳光束使 用。5什么是氣相技術(shù) vapour technique 用氣相化學(xué)反應(yīng)把組成玻璃的二氧化硅和其他成份合成為石英基玻璃塊料和石英基光纖坯棒的技術(shù)。優(yōu)點 是：原料純度高，利用蒸氣壓的顯著差別提純原料，雜質(zhì)含量可減少到PPB級；無爐子和坩堝的污染； 四氯化硅、四氯化鍺等原料是半導(dǎo)體工業(yè)中常用原1料，有商品供應(yīng)；可制備光學(xué)上特別均勻的各種耐熔組份的石英基玻璃，而其他方法很難

6、做到；玻璃 成份可有較大幅度變化，能滿足光纖設(shè)計者提出的要求。氣相技術(shù)制備光纖坯棒主要以加熱氧化反應(yīng)、等 離子氧化反應(yīng)和火焰水解反應(yīng)為基礎(chǔ)，由此形成各種工藝方法。6什么是化學(xué)汽相沉積法 chemical vapor-phase deposition (CVD) 用高溫汽相氧化反應(yīng)獲得固相沉積物的工藝。原廣泛用于半導(dǎo)體工業(yè)，是一種在半導(dǎo)體器件產(chǎn)生二氧化硅 保護(hù)膜的加工方法，其原理是易氧化的與被惰性氣體高度稀釋的氧化劑相互作用。由于反應(yīng)在相當(dāng)?shù)偷臏?度下進(jìn)行，氧化反應(yīng)只有加熱的基體表面發(fā)生并且二氧化硅均勻沉積在基體上。同樣原理用于制造光纖坯 棒?；w是一根加熱的石英管的內(nèi)表面，在其上沉積各種組份的

7、玻璃狀膜，達(dá)到足夠厚度后再把管子縮成 棒。沉積層有幾種，一種是以為摻雜劑，經(jīng)過氧化反應(yīng)產(chǎn)生摻雜到中去從而提高玻璃的折光率而成為芯材， 石英管作為皮層；另一種是先沉積低折光率的硼硅酸鹽玻璃作為皮層，再沉積純玻璃作為芯材CVD法的 特點是，由于利用了形成玻璃元素的氣體化合物，純度高；反應(yīng)在管內(nèi)進(jìn)行，污染少；并且對環(huán)境要求不 必很嚴(yán)格；可以制成低損耗光纖。缺點是，由于反應(yīng)濃度和溫度均低，反應(yīng)僅發(fā)生在管壁附近，所以反應(yīng) 速度很慢；應(yīng)用氫化物作反應(yīng)劑，易燃燒不安全；并且反應(yīng)生成的玻璃材料中OH離子濃度較高，造成光 纖大的 OH 離子吸收。為此，在這基礎(chǔ)上發(fā)展了 MCVD、PCVD 等工藝。 4SiH44

8、HG2GeO2SiO2SiO 7什么是改良的化學(xué)汽相學(xué)積法 modified chemical vapor de-position (MCVD)又稱“內(nèi)部加熱氧化法”。在化學(xué)汽相學(xué)積法基礎(chǔ)上發(fā)展的一種制造光纖維坯棒的方法。與CVD不同，它的 起始反應(yīng)物是在一根旋轉(zhuǎn)的石英管內(nèi)加熱，溫度、濃度等條件促使大部份的反應(yīng)以同質(zhì)反應(yīng)進(jìn)行，即包含 一個相的反應(yīng)。汽相物質(zhì)在灼熱區(qū)反應(yīng)后生成顆粒狀材料落向下方遠(yuǎn)離灼熱區(qū)的管壁處，灼熱區(qū)沿管子長 度連續(xù)地、周期地往返移動，從而形成一層層顆粒層，同時顆粒層又成為透明的玻璃層，最后再燒縮成所 需的高度透明的玻璃質(zhì)坯棒。由于反應(yīng)劑濃度和溫度的提高，同質(zhì)反應(yīng)和異質(zhì)反應(yīng)同時

9、進(jìn)行，所以MCVD 法的沉積速度比CVD法提高了 100倍。高的反應(yīng)溫度允許使用鹵化物作反應(yīng)劑，因而消除了高濃度的OH 離子。由于玻璃形成無元素的鹵化物的揮發(fā)性比雜質(zhì)元素的鹵化物高，蒸氣壓差幾個數(shù)量級，因此原料純 度極高；并且在管內(nèi)密封條件下污染亦少，可制得損耗極低的光纖。沉積過程中調(diào)節(jié)每層摻雜劑濃度可得 到所需的任意折射率分布的坯棒。MCVD的工作原理如圖所示。什么是等離子體 CVD 法 plasma chemical vapour-phase deposition (PCVD) 又稱“內(nèi)等離子氧化法”、“側(cè)面橫向火焰水解法”。用微波等離子體使石英基管內(nèi)氣態(tài)鹵化物原料氧化生成玻 璃沉積膜層制

10、造光纖坯棒的過程。等離子體是由裝在石英管外可快速移動的環(huán)形微波腔發(fā)生的，這種微波 等離體發(fā)生器的功率一般為1000W左右，頻率2.45GHz,發(fā)生的等離子體屬于非等溫等離子體，即等離 子體內(nèi)電子溫度高于離子溫度和2氣體溫度。因而氣態(tài)原料的氧化反應(yīng)可在低溫(500r)進(jìn)行，但反應(yīng)沉積的玻璃內(nèi)氯含量較高。為避免 氯氣導(dǎo)致沉積層開裂和剝落，在石英管外還套一管式加熱爐，使反應(yīng)沉積在1000r以上進(jìn)行。PCVD法的 特點是在管壁處進(jìn)行異相反應(yīng)并直接在管壁上形成一層極薄而且均勻的玻璃膜層；為了提高同一膜層內(nèi)玻 璃成分的均勻性，等離了發(fā)生器以8cm/s的速度快速移動；調(diào)節(jié)形成每一層玻璃膜時氣態(tài)原料的組成，就

11、 可形成設(shè)計要求的折射率分布的坯棒；每一坯棒的形成一般要沉積 2000 層玻璃膜，因而折射率分布比較 理想。另外沉積效率高亦是PCVD法的優(yōu)點。什么是外汽相沉積法 outside vapor-phase deposition (OVD) 在靶棒外表面用汽相沉積技術(shù)制造光纖坯棒的方法。這種方法的工作過程如下，供料系統(tǒng)把一定組成的氣 態(tài)原料通到高溫火焰中，原料經(jīng)水解反應(yīng)產(chǎn)生的玻璃微珠噴涂到一根旋轉(zhuǎn)的靶棒表面，當(dāng)燃燒器平行靶棒 軸移動一個行程后，整個靶棒表面就粘附一層均勻的玻璃微珠層，燃燒器不斷地往復(fù)移動，同時不斷改變 每一層玻璃微珠的供料組成，就能形成橫斷面具有折射率分布的玻璃微珠堆積成的圓柱體，

12、冷卻后由于靶 棒與玻璃柱體的熱膨脹的不同可順利抽出靶棒，再經(jīng)脫水和透明化，就可制成各種優(yōu)質(zhì)光纖用的坯棒。 OVD 法的優(yōu)點是多孔玻璃空心柱體脫水比較容易、透明化溫度較低，摻入的、等組份的揮發(fā)較少以及容易制造 大尺寸坯棒。 GeO52OP什么是汽相軸向沉積法 vapour-phase axial deposition method (VAD) 又稱“縱向火焰水解法”。氣化的原料進(jìn)入火焰中水解形成的超細(xì)玻璃粉堆積在作為靶子的種棒的端面上， 形成軸向生長的光纖坯棒的方法。本方法所用的種棒一般是石英玻璃棒。用VAD法制備光纖坯棒可分四個 階段：多孔坯棒的制造、脫水和透明化過程、拔細(xì)和加外附管。前兩個階

13、段是利用附圖所示裝置連續(xù)進(jìn)行 拔細(xì)是把前階段做成的直徑為25mm的棒拉成直徑為10mm的棒。加外附管是用來調(diào)節(jié)芯和包層的相對尺 寸，外附管是石英管，這后兩個步驟是在玻璃車床上進(jìn)行的。用VAD法制造進(jìn)行光纖坯棒時，不同于與其 他工藝方法，關(guān)鍵問題是折射率分布的形成、脫水技術(shù)、沉積燃燒器的結(jié)構(gòu)以及摻氟途徑。VAD法的優(yōu)點： 不受底管尺寸的限制，因而便于制造大尺寸坯棒，產(chǎn)量高成本低；（2）有一個脫水過程，可使材料內(nèi)OH 根含量降得很低；（3）可用作原料，與相比價格便宜并且容易沉積。VAD工藝雖然步驟較多、裝置復(fù)雜、 控制難度較大，但它已用于大規(guī)模生產(chǎn)各種優(yōu)質(zhì)光纖和制造各種特殊結(jié)構(gòu)的光纖。 3SiHC

14、l4SiCl311什么是等離子體 plasma 一種電離狀態(tài)的導(dǎo)電氣體。氣態(tài)原子中在最外層運動的電子在外力作用，如加熱或在電場中受到高速粒子 的沖擊下脫離自己的軌道成為自由電子，中性的原子成了帶正電的離子。這種由自由電子、陽離子及中性 原子核子組成的集合體內(nèi)，正電量的總數(shù)與負(fù)電量的總數(shù)相等，因而稱為等離子體。溫度高達(dá)幾百萬攝氏 度的稱高溫等離子體。幾萬攝氏度的稱低溫等離子體。低溫等離子體又分為冷等離子體和熱等離子體兩種。 在石英基玻璃及光纖的制造中所采用的微波等離子體屬于冷等離子體，而高頻感應(yīng)等離子體則屬于熱等離 子體。12什么是光纖預(yù)預(yù)制棒的熔縮 collapseMCVD工藝中，把內(nèi)表面帶有

15、沉積層的石英管通過高溫收縮成實心預(yù)制棒的過程。熔縮的溫度一般為2000 到2300C,用火焰噴燈往返數(shù)次加熱石英管使其逐步收縮成實心預(yù)制棒。熔縮的原理是在高溫下玻璃表面 張力和玻璃管內(nèi)外壓力差驅(qū)使玻璃向管心處粘性流動逐步收縮成實心預(yù)制棒。一般玻璃的表面張是熔縮的 主要動力，但由火焰噴燈的滯流壓力引起的外壓力和由料流速度、管徑和出料端口狀態(tài)決定的內(nèi)壓力之間 的差值對熔縮的穩(wěn)定性起重要作用。熔縮是MCVD法制造光纖熔縮的主要階段，因為熔縮速度在很大程 度上影響預(yù)制棒制造的周期的長短；收棒質(zhì)量影響最終預(yù)制棒的尺寸精度；由于熔縮溫度較高，沉積 層內(nèi)某些組份如和容易揮發(fā)而造成中心處折射率下陷使光纖帶寬特

16、性惡化。 0PiP50OP2GeO 13什么是預(yù)預(yù)制棒 perform 徑向折射率分布符合光纖設(shè)計要求的玻璃棒。主要指用各種氣相沉積技術(shù)制成的石英基玻璃棒，有時也指 用燒鑄法和分子填充法等其他方法制成的具有芯和包層的其他方法制成的具有芯和包層結(jié)構(gòu)的其他種類的 玻璃棒。預(yù)制棒是制造光纖的原材料，它決定了光纖的質(zhì)4量，因此要求尺寸精確、化學(xué)成份分布嚴(yán)格和低的微裂紋密度等特性。14 為什么現(xiàn)代通信中的傳輸手段大量使用光纖光纜而不使用金屬電纜? 答:光纖光纜與金屬電纜相比具有如下優(yōu)點： 1損耗低 例如，如若使光線穿過數(shù)厘米厚的窗玻璃，就將損耗掉一半的能量；如若使光線通過諸如天體望遠(yuǎn)鏡之類 的光學(xué)透鏡，

17、則穿過數(shù)米后，其能量減少一半；然而，當(dāng)光波在光纖中傳輸時，假設(shè)光波長為1.55nm，那 未經(jīng)傳輸 15km 以后，輸入的光能量才減少一半?？梢姽饫w的損耗是很低的。2頻帶寬 金屬電纜中，除了有直流電阻損耗外，還有稱之為趨膚效應(yīng)的高頻損耗，以及介質(zhì)的漏電引起的介質(zhì)損耗， 致使金屬電纜工作頻帶不能很寬。以同軸電纜為例，當(dāng)傳輸?shù)男盘栴l率在10MHz左右時，每傳輸1km， 大約就要損失信號功率的一半（能量減半）?？梢姡饘匐娎|的頻率特性較差，頻帶較窄。對于光纖來說， 光纖的帶寬與光纖的折射率分布、纖芯直徑大小和光纖材料的不同種類而有較大的差異。例如，石英系單 模光纖（SM型光纖），其帶寬可達(dá)數(shù)十GHz.

18、km以上，可見頻帶是非常寬的。3線徑細(xì) 光纖只有發(fā)絲那樣的粗細(xì)，即便光纖成纜以后光纜也可以做得很細(xì)。無論在任何使用場合，與金屬電纜相 比光纜的占空可以得到大幅度的改善。4重量輕 光纖的主要材料為石英玻璃，其比重只為銅的14，成纜之后也很輕，便于敷設(shè)施工。 此外，由于光纖損耗低，頻帶寬，故使用光纜傳輸可以減少中繼器的數(shù)量，甚至可以完全不經(jīng)過中繼器即 可將大量信息長距離地傳輸?shù)綄Ψ?，從而可使傳輸成本顯著降低。隨著 ISDN 業(yè)務(wù)的逐漸普及，今后圖像、高速傳真、高速數(shù)據(jù)等這些高速、寬帶傳輸業(yè)務(wù)的需求勢必不斷 增加，光纖正是可以滿足這些要求的最為有效的傳輸手段。 另外，因為光纜比較細(xì)，重量比較輕，所以

19、在光纜的運輸和敷設(shè)等作業(yè)中，工作效率和經(jīng)濟(jì)效益均較高。 同時，由于容易實現(xiàn)長距離敷設(shè)，故鏈路中的每段光纜都比較長，從而減少了接續(xù)點的個數(shù)，進(jìn)一步提高 了系統(tǒng)的可靠性。由上可見，光纜必將代替以往使用的金屬電纜，并且目前就已廣泛地應(yīng)用于各種傳輸線路中。光纜是否可以完全代替金屬電纜?答 傳輸線路大體上可分為：連接市內(nèi)電話局之間，或市內(nèi)電話局 與長途局之間的市內(nèi)局間中繼線路，市 外長途通信線路，以及連接電話局和用戶間的用戶線路。其中，中繼線路、長途線路是局間接續(xù)，它使用 一條高速、大容量的傳輸線路，可以承載許多業(yè)務(wù)，有很高的經(jīng)濟(jì)效益。特別是對于連接大城市之間的長 途干線，其應(yīng)用性就更強(qiáng)。因此，早期的光

20、纖通信就是在局間中繼線路和長途線路方面積極引入了光纖傳 輸方式?？梢灶A(yù)測這種傾向今后一定更加突出，以至不久的將來，中繼線路、長途線路將全部被光纜所代 替。在用戶線系統(tǒng)方面，目前就大多數(shù)用戶來說，只需要一條電話線，而對于大的工廠、公司、銀行等單位來 說，除了需要提供容量較大的電話線路以外還要求傳輸高速、寬帶的通信業(yè)務(wù)，例如高速數(shù)據(jù)和活動圖像 等業(yè)務(wù)，因此，對于目前的用戶系統(tǒng)，光纖光纜的使用僅限于在大的工廠、機(jī)關(guān)單位、公司、銀行等內(nèi)部 以及它們與電話局間的連接。但是，今后隨 ISDN 業(yè)務(wù)的發(fā)展，光纖光纜正積極地向用戶系統(tǒng)更廣泛的方 面擴(kuò)展，必將進(jìn)入家庭用戶之中。可以預(yù)測，用戶線路也將會逐步被光纖

21、光纜所代替。5什么是介質(zhì)的折射率 答：根據(jù)光的折射性質(zhì)可知，當(dāng)光在空氣和水，空氣和玻璃等不同物質(zhì)中傳播時，在其交界面上，光將發(fā) 生折射而改變先進(jìn)方向。那么方向改變多少，有多大的折射比例，這要根據(jù)形成的介質(zhì)組合的不同而不同。 如何介質(zhì)確定了，則折射比例也就決定了，表示這個折射比例的尺度稱為折射率。通常是以光線從空氣入 射某種介質(zhì)時的折射比例來定義該介質(zhì)的折射率。折射現(xiàn)象是因光在不同介質(zhì)跌傳播速度不同而產(chǎn)生的。在空氣中，光的速度為3x108m/s。而在介質(zhì)中光 傳播速度降低。例如在水中，光速大約是空氣中光速的3/4，在玻璃中大約是2/3，在寶石中大約是2/5。 因此，介質(zhì)的折射率表示光在空氣中（嚴(yán)

22、格說應(yīng)在真空中）的傳播速度與光在某一介質(zhì)中的傳播速度之比， 即n某一介質(zhì)中的光速空氣中的光速=n什么是光的全反射現(xiàn)象答：如圖 1.6 所示，當(dāng)光從折射率的介質(zhì)向折射率低的介質(zhì)行進(jìn)時，折射光的前進(jìn)方向?qū)⑾蚩拷缑鎮(zhèn)绕D(zhuǎn)。因此，若增大入射角i0使入射角增大到某一值時，折射光將與界面相平行，此時的入射角稱之為臨 界角。當(dāng)入射角大于臨界角時，折射光消失，入射光在界面處全部被反射，這種現(xiàn)象叫作全反射。 關(guān)于光的全反射，是光從高折射率介質(zhì)向低折射率介質(zhì)入射時才發(fā)生的一種現(xiàn)象。光從折射率低的介質(zhì)向 折射率高的介質(zhì)入射時，絕對不會產(chǎn)生全反射的。圖1.6 光的全反射光在光纖中是怎樣傳播的答：光纖的結(jié)構(gòu)如圖1.7

23、 所示，為介質(zhì)圓柱體，由纖芯和包層兩部分組成。纖芯區(qū)域完成光信號的傳輸； 包層是為了將光封閉在纖芯內(nèi)并保護(hù)纖芯，增加光纖的機(jī)械強(qiáng)度。目前，通信光纖的纖芯與包層主體材料 都是石英，但兩區(qū)域中摻雜情況不同，因此折射率也不同。纖芯的折射率一般是1.4631.467（根據(jù)光纖的種類而異），包層的折射率是從1.451.46左右。也就是說 纖芯的折射率比包層的折射率稍微大一些。所以當(dāng)纖芯內(nèi)的光線入射到包層界面時，只要其入射角度大于 臨界角（能否產(chǎn)生全反射的臨界角度），就會在纖芯內(nèi)發(fā)生全反射，沒有光漏射到包層中，光將在纖芯內(nèi)不 斷傳播下去。 6圖1.7光纖的結(jié)構(gòu)為什么光可以傳送聲音 答：為了用光傳送聲音，首

24、先要像在普通電話通信中那樣，先把聲音信號（聲音的強(qiáng)弱）變?yōu)殡娦盘枺?壓或電流的強(qiáng)弱），然后將此信號不失真地進(jìn)行傳送。然而在光通信中，還要將這個電信號再變換成光信號 （光的強(qiáng)弱），并使用光纖作為傳輸媒質(zhì)將這個光信號傳送到遠(yuǎn)方。在光纖傳輸?shù)慕邮斩?，則把這個光信號 先轉(zhuǎn)變成電信號，然后再將電信號還原成聲音信號，這樣就實現(xiàn)了通話。 產(chǎn)生光載波，并把電信號變換成光信號的器件即為發(fā)光器件。光纖通信中使用的半導(dǎo)體發(fā)光器件有發(fā)光二 極管（LED ）和半導(dǎo)體激光二極管（LD）。把光信號變換成電信號的器件稱之為光電檢測器件。光纖通 信中使用的半導(dǎo)體光電檢測器有PIN光電二極管和雪崩光電二極管（APD）。 當(dāng)然實

25、際的光纖通信系統(tǒng)，并不是如上所述的簡單組合。數(shù)字通信中，是先將聲音轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號從而轉(zhuǎn) 變成電信號的0N（通）和OFF （斷），然后再將這個信號以光的有無形式，經(jīng)光纖傳送至接收端。為什么在光通信中使用激光 答：激光的發(fā)光波長近于單一，也就是說時間相干性很高的光。另一方面，光纖中光的損耗與光纖中所傳 輸光波的工作波長有關(guān)。因此，在光纖通信中可以選擇與光纖損耗小的工作波長范圍相適應(yīng)的激光光源。 另外，光波長不同，石英玻璃的折射率也不相同，所以光在石英玻璃纖維中傳輸時，光波傳輸速度也因光 波長的不同而異。因此對于一個包含有各種光波長的光脈沖來說，在光纖中傳輸時，由于傳輸速度的不同， 光脈沖必將產(chǎn)生時

26、間展寬，這樣在一定時間內(nèi)就不能傳輸更多的光脈沖。由此，高速率（或?qū)掝l帶）信息 的長距離傳輸就受到限制。以此觀點出發(fā)，具有時間相干性很高的激光更適合于大容量長距離的光纖通信。 另外，由于激光的空間相干性好，可以用透鏡將光聚集成一點，這樣可以使激光耦合到芯徑極細(xì)的光纖里 實現(xiàn)良好的耦合。再則，激光光束相位相同，具有很強(qiáng)的光強(qiáng)，可以增加無中繼傳輸距離。 由上可見，時間、空間相干性都高的激光自然是十分適合于光纖通信的。光纖具有哪些參數(shù) 答：光纖參數(shù)包括光學(xué)參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)。前者與光傳播中起重要作用的折射率有關(guān)，后者則表示光纖的結(jié) 構(gòu)尺寸。光學(xué)參數(shù)中包括表示纖芯和包層具有不同折射率的相對折射率差；表示光由

27、空氣朝向光纖耦合射入和光從 光纖射出狀態(tài)的受光角以及數(shù)值孔徑；此外還有表示纖芯折射率分布形狀的折射率分布系數(shù)等等。 結(jié)構(gòu)參數(shù)中包括：表示纖芯直徑的芯徑，表示光纖直徑的包層外徑，此外還有表示偏離理想同心結(jié)構(gòu)的偏 心率和不圓率等等。怎樣定義光纖的帶寬 7答：光纖帶寬就是用來表示光纖在1秒鐘所能傳輸信息量大小的一個標(biāo)度。怎樣來確定光纖的帶寬呢？如圖1.18-2（a）所示，把正弦信號對光源進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制的光入射到光纖內(nèi)，正弦 波的峰可以認(rèn)為是一個脈沖，則在光纖出射端波形發(fā)生時間展寬。觀察圖1.18-2（a ）所示的光波強(qiáng)度變化可 知，對于振幅為A1強(qiáng)度的光，在光纖出射端光強(qiáng)振幅減小，圖中用A0表示。這個

28、振幅減小的比例與調(diào)制 信號的頻率有關(guān)。如圖1.18-2（b）（c）所示，可見光強(qiáng)發(fā)生變化的正弦波頻率越咼，振幅衰減的比例越大。其 關(guān)系如圖 1.18-3中的曲線所示。通常把這條曲線叫作光纖的基帶頻率特性。不同的光纖有不同的基帶頻率 特性。圖 1.18-2 光的調(diào)制頻率和振幅衰減關(guān)系圖 1.18-3基帶頻率特性和帶寬 在光纖的基帶頻率特性中，把光纖出射端輸出光功率降低一半的頻率，稱為該光纖傳輸帶寬。它相應(yīng)于光 功率3dB的帶寬，或稱6dB （電）帶寬（指光功率轉(zhuǎn)變成電流的電功率帶寬）。 光纖的傳輸帶寬越寬，每秒鐘內(nèi)所能傳送的光脈沖數(shù)就可以越多，從而就能實現(xiàn)大容量的傳輸。圖 1.18-4中分別畫出

29、了脈沖的傳輸速度和頻率間的關(guān)系。由此不難理解，在基帶頻率特性中所應(yīng)用的頻率 （每秒內(nèi)傳送峰的個數(shù)）與數(shù)字傳輸中每秒內(nèi)傳送的脈沖個數(shù)相同。圖 1.18-4傳輸速率和頻率的關(guān)系什么是色散答：上問答中曾指出，入射到光纖的光脈沖經(jīng)光纖傳輸以后，出射端光脈沖將發(fā)生時間8 展寬，把這種波形展寬現(xiàn)象稱為色散。 光纖色散按產(chǎn)生的原因不同大致可分為三種：模式色散 、材料色散和波導(dǎo)色散。下面，就此進(jìn)行簡略說明。模式色散 在多模光纖中，由于各傳輸模式的傳輸路徑不同，各模式到達(dá)出射端的時間不同，從而引起光脈沖展寬， 由此產(chǎn)生的色散稱為模式色散。參看圖1.12-1所示的階躍折射率(SI型)多模光纖。假設(shè)這根光纖可以傳輸

30、三個模式。由圖可知對于高 次模，到達(dá)出射端所必須經(jīng)過的路程就要長，因而到達(dá)出射端的時間也隨之增長。結(jié)果是，入射到光纖的 窄脈沖，由于不同模式到達(dá)的時間不同，從而在出射端發(fā)生了脈沖展寬。材料色散 光纖材料石英玻璃的折射率，對不同的傳輸光波長有不同的值。這可用圖1.19來加以說明。包含有許多波 長的太陽光，通過棱鏡以后可分成七種不同顏色就是一個證明。由于上述原因，材料折射率隨光波長而變 化，從而引起脈沖展寬的現(xiàn)象稱為材料色散。由于光纖通信中實際使用的光源，其發(fā)出的光并不是理想的單一波長，而是具有一定的波譜線寬。這樣， 當(dāng)光在折射率為n的物質(zhì)中傳播時，因其速率與真空中的光速c之間的關(guān)系為：nvncv

31、n=因此，由于光波長不同，折射率S)不同，當(dāng)把具有一定波譜線寬的光源所發(fā)出的光脈沖射入到光纖內(nèi)傳 輸時，則光的傳輸速度將隨光波長的不同而改變，在到達(dá)出射端時將產(chǎn)生時間差，從而引起脈沖波形展寬。 圖 1.19波長不同引起折射率不同的舉例波導(dǎo)色散 由于光纖的纖芯與包層的折射率差別很小，因而在界面產(chǎn)生全反射現(xiàn)象時，有一部分光強(qiáng)進(jìn)入到包層之內(nèi)。 由于出現(xiàn)在包層內(nèi)的這部分光強(qiáng)大小與光波長有關(guān)，這就相當(dāng)于光傳輸路徑長度隨光波波長的不同而異。 因此，把具有一定波譜線寬的光源所發(fā)出光脈沖射入到光纖后，由于不同波長的光其傳輸路程不完全相同， 所以到達(dá)光纖出射端的時間也不相同，從而使脈沖展寬。具體說，入射光的波長

32、越長，進(jìn)入到包層的光強(qiáng) 比例就越大，傳輸路徑距離越長。由上述原因所形成的脈沖展寬現(xiàn)象叫作波導(dǎo)色散。 材料色散和波導(dǎo)色散都與光波長有關(guān)，所以又統(tǒng)稱為波長色散。模式色散僅在多模光纖中存在，在單模光纖中不產(chǎn)生模式色散，而只有材料色散和波導(dǎo)色散。通常，各種色散的大小順序是：模式色散 材料色散波導(dǎo)色散 因此，多模光纖的傳輸帶寬幾乎僅由模式色散所制約。在單模光纖中，由于沒有模式色散，所以它具有非 常寬的帶寬。 9產(chǎn)生光損耗的原因有哪些答：在光纖光纜中，存在著金屬電纜所沒有的特有損耗。產(chǎn)生光損耗的原因大部分為光纖具有的固有損耗 和光纖制造后的附加損耗。前者主要包括瑞利散射損耗、吸收損耗、波導(dǎo)結(jié)構(gòu)不完善引起的

33、損耗；后者包 括微彎損耗、彎曲損耗、接續(xù)損耗等。瑞利散射損耗 固有損耗 吸引損耗 光損耗 波導(dǎo)結(jié)構(gòu)不完善引起的損耗 微彎損耗附加損耗 彎曲損耗接續(xù)損耗 下面就此簡要地加以說明。瑞利散射損耗所謂瑞利散射是指光與微小粒子相遇時，光將向各個方向散射的現(xiàn)象。光纖在制造拉絲過程中，從2000C 的高溫迅速冷卻到 20C 左右的室溫。這樣，在 2000C 時產(chǎn)生的密度分布不均勻和成分組成的不規(guī)則將殘 留在光纖中。這種微小的密度分布不均勻和微小的組成不規(guī)則性將產(chǎn)生瑞利散射損耗。自然中，我們見到 白天天空呈藍(lán)色，早晚卻呈紅色的現(xiàn)象，就是由于光在大氣中瑞利散射的結(jié)果。（2）吸收損耗 所謂吸收損耗是由于光纖材料對

34、光能的固有吸收并轉(zhuǎn)換成熱能而產(chǎn)生的損耗。它包括組成光纖玻璃材料物 質(zhì)本身的吸收損耗，以及在玻璃材料中含有雜質(zhì)而引起的雜質(zhì)吸收損耗。其中影響最大的是，由于含有氫 氧根（OH）成分而引起的吸收損耗。（3）波導(dǎo)結(jié)構(gòu)不完善引起的損耗 實際的光纖，纖芯和包層的界面并不是理想的光滑圓柱面，存在著非常微小結(jié)構(gòu)的凸凹現(xiàn)象。如果存在著 這種不均勻表面，則傳輸模將變換成輻射模（即有一部分傳輸能量變換成泄漏到纖芯外面的模式），使光纖 損耗增加，這就是所謂的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)不完善引起的損耗。但是，這種損耗可以從制造技術(shù)的不斷提高中得到 改善。對于具有良好控制所制造的光纖，這種損耗可以降到0.020.2dB/km左右。（4）微

35、彎損耗 微彎損耗和波導(dǎo)結(jié)構(gòu)不完善引起的損耗一樣，是由于纖芯與包層界面有微小凸凹而產(chǎn)生的損耗。但前述的 波導(dǎo)結(jié)構(gòu)不完善引起的損耗是在光纖的制造過程上產(chǎn)生的，而微彎損耗則是在光纖制造出來后，由于光纖 側(cè)面受到不均勻的壓力，使得光纖在軸向上發(fā)生微米（10-6m ）級的彎曲而產(chǎn)生的損耗。例如，這種現(xiàn)象 發(fā)生在對光纖施加張力以便把它卷到繞線筒上，或者對光纖施加了不適當(dāng)?shù)乃芰贤扛矊樱蛟S是因涂覆層 后的光纖受到很大的溫度變化等影響，從而使光纖呈現(xiàn)顯示的微彎。（5）彎曲損耗 所謂彎曲損耗，顧名思義是光纖彎曲時所產(chǎn)生的損耗。對于彎曲的光纖，在彎曲的曲率半徑較小的情況下， 將使光纖內(nèi)的光在纖芯與包層界面上因入射

36、角余角大于臨界角，致使光泄漏到包層內(nèi)而產(chǎn)生損耗。因此， 在光纜敷設(shè)和接續(xù)作業(yè)時對此需充分加以注意。光纖光纜彎曲的曲率半徑不得小于允許的曲率半徑。（6）接續(xù)損耗 光纖接續(xù)時，兩纖芯相互間必須正確吻合，以達(dá)完善和均勻一致地進(jìn)行光纖接續(xù)。否則，從一根光纖纖芯 出射的光就不能完全入射到另一根光纖的纖芯中，部分光將進(jìn)入包層而形成輻射模損耗掉。產(chǎn)生接續(xù)損耗 的因素主要來自兩個方面，一是由于光纖參數(shù)不同，即光纖芯徑不同或相對折射率差不等引起的損耗，二 是由于接續(xù)操作不完善，例如光纖芯軸未對準(zhǔn)，10纖芯間有間隙、兩軸間有折彎、光纖端面不完整等引起的損耗。為什么必須進(jìn)行篩選試驗 答：在光纖的制造過程中，統(tǒng)觀光纖的制造全長，在光纖的表面和內(nèi)部會隨機(jī)性地存在傷痕、缺陷等現(xiàn)象 從而降低了光纖的機(jī)械強(qiáng)度。為了去除這種傷痕、缺陷，保證光纖的強(qiáng)度，通常要對產(chǎn)品進(jìn)行稱之為篩選 的加速劣化試驗。所謂篩選試驗是在光纖全長上施加一個張力，在這個張力的作用下，因存在傷痕、缺陷 使強(qiáng)度降低，導(dǎo)致光纖發(fā)生斷裂，或發(fā)現(xiàn)其上的隱患部位并去除以確保光纖強(qiáng)度。這種篩選試驗除了在制 造光纖時要進(jìn)行以外，還在使用MF-2S之類熔接機(jī)時的熔接接頭處也進(jìn)行強(qiáng)度篩選試驗。光纖的壽命由什么決定答：為了保證光纖的長期壽命，需要明確兩點：光纖材料的穩(wěn)定性及其對傳輸特性的影響，光纖的斷 裂概率。就而言，特別是心線材料的可靠性試驗需要多次進(jìn)