1、应化 0801 苏艳新 31光纤通信技术原理及其通信光纤的材料加工工艺及进展中文摘要：本文从光纤通信的重要性出发，详细解释光纤通信的基本原理和特点及各种光纤通信材料的加工，论述光纤通信的材质改进，根据光纤通信技术的应用和发展方向，促进光纤通信技术的普及。English Abstract：This departure from the importance of optical fiber communication, optical fiber communication to explain in detail the basic principles and characteristics
2、 and a variety of optical fiber communication materials processing, and discusses the material to improve optical fiber communication, optical fiber communication technology based on the application and development, to promote the popularity of optical fiber communication technology。关键词：光纤通信技术原理及特点、
3、光纤结构、光纤材料及制造、光纤材料种类、发展方向一、引言：目前，在实际运用中相当有前途的一种通信技术之一，即光纤通信技术已成为现代化通信非常重要的支柱。作为全球新一代信息技术革命的重要标志之一，光纤通信技术已经变为当今信息社会中各种多样且复杂的信息的主要传输媒介，并深刻的、广泛的改变了信息网架构的整体面貌，以现代信息社会最坚实的通信基础的身份，向世人展现了其无限美好的发展前景。自上世纪光纤通信技术在全球问世以来，整个的信息通讯领域发生了本质的、革命性的变革，光纤通信技术以光波作为信息传输的载体，以光纤硬件作为信息传输媒介，因为信息传输频带比较宽，所以它的主要特点是: 通信达到了高速率和大容量，
4、且损耗低、体积小、重量轻，还有抗电磁干扰和不易串音等一系列优点，从而备受通信领域专业人士青睐，发展也异常迅猛。二、 光纤通信技术的原理及特点：1、 光纤通信的原理：1.1、光纤通信是激光通信中的一种，众所周知，光是一种电磁波，早已被用于通信行业。利用光通信的方式有两种，其一为激光大气通信，即以激光为光源，采用光调制器将信息转化成光信号，借助光学天线，以大气为传播媒介发送出去以供相关设备接收的通信方式。这种通信方式易受气候的影响，而且传输质量不高。于是人们为了避开大气干扰，让激光在限定的区域内更加有效地传播，经过反复实验终于找到了光纤通信这种优良手段。光纤通信是以使用玻璃挖制的导光纤维作为传输媒
5、介的一种通信方式。那么光是如何在石英玻璃中传播呢? 如果有一束光投射到折射率分别为n1和n2的两种界面上时(设n 1n2)，投射光将分为反射光和入射光。入射角 1与折射角 2之间服从折射定律:sin 1sin 2=n1/n2，当人射角 1逐渐增大时，折射角 2也相应增大，增大到90度时，入射光线全部返回到原来的介质中，这种现象叫光的全反射。此时的入射角 1=sin-1(n2/n1)叫临界角。在光纤中，光传输就是利用光的全反射原理，当人射到光纤芯子中的光与光轴线的交角小于一定值时，光线在界面上发生全反射。这时，光将在光纤的芯子中沿锯齿状路径曲折前进，但不会穿出包层，这样就避免了光在传输过程中的折
6、射损耗。如图l所示：1.2、光纤通信系统包括发射、传输、接收等基本功能模块。信息源将用户信息（话音、图像、数据等）转化为原始电信号，这种信号称为基带信号。电发射机把基带信号转换为适合信道传输的信号。 输入到光发射机带有信息的电信号，都是通过调制转换为光信号的。光载波经光纤传输到远方接收端，再经过适当的解调从载波中取出用户需要的信息。电信 光 电 信电电 光光光2、光纤通信的特点：（1)光纤通信和有线电缆通信相似。光线通信和有线电缆通信过程相似，只是携带信息的载体，也就是载波是激光而不是电。例如一部电话机，通话时由电话机变成的电信号，经过改变激光器电流，把电信号转换成光信号，再由光纤把光信号传导
7、出去，经过传导过程中设置的中继站时，中继站通过收信端的光检测器把光信号转换为电信号，通过电话机供人接收。(2)通信容量大。由于激光的频率很高，据初步统计，一根只有头发丝那么细的光纤，足可传导一百万路高质量的电视信息或者一百亿路电话信息。如果把成十上百根光线集合在成一条光缆，其传输的信息量将是不可估量的。(3)通信质量好，不受电磁干扰，损耗小。由电绝缘材料石英制成的光纤传导系统，可以抵抗外界电磁场的干扰和闪电雷击等自然损害的影响。尤其适用于存在高强度电磁场干扰的强电压电力线路周围, 另外也适合应用在油田、煤矿等易燃易爆环境当中。(4)节省材料，铺设方便。制造金属电缆需要的铜、铝、铅等矿物质元素，
8、在地球上的存储量是极其有限的，而可以通过合成技术制造的石英材料则可以说是取之不尽。lkm的同轴电缆，需要120kg铜和80kg铅，而相同规格的光导纤维，却只需要40g石英。(5)重量轻，体积小。在芯数相同的情况下，光导纤维比金属电缆的重量和体积都要小很多。这种高新技术材料不仅可以广泛应用在军事航天等科技领域，还大大降低了通信成本。(6)泄露小，安全保密性好。在光导纤维传输过程中，发生的窃听几率非常之小，即使在弯曲薄弱的地段也不可能。不借助特殊专用T具和精密的技术，光导纤维根本无法分接，因此光导纤维中的信息传输非常安全，这一点在军事、政治等领域中的应用具有重大意义。三、 光纤通信材料的加工工艺：
9、1、 光纤结构：光纤是高透明电介质材料制成的非常细(外径约为125um200 um)的低损耗导光纤维。具有束缚和传输从红外到可见光区域内光的功能，也具有传感功能。一般通信用光纤的横截面的结构如图2所示,光纤本身由纤芯和包层构成，见图2(a),纤芯是由高透明固体材料(如高二氧化硅玻璃、多组分玻璃、塑料等)制成,纤芯的外面是包层，用折射率相对纤芯较低的石英玻璃、多组分玻璃或塑料制成。光纤的导光能力取决于纤芯和包层的性质。图2(b)是具有实用性的三层芯线结构。在光纤的外面是一次被覆层，其目的是防止光纤表面受损并保持光纤强度。它由可塑硅树脂制成，厚度为100 um150 um。一次被覆层之外是缓冲层，
10、外径400 um，目的在于防止光纤因一次被覆层不均匀或受侧压力作用而产生微弯，带来额外损耗。为了保护一次被覆层和缓冲层，在缓冲层之外加上二次被覆层，其材料的杨氏系数应比一次被覆层大，且要具有小的温度系数，常采用尼龙，这一层外径为0.9 mm。2、光纤材料种类及加工：2.1、石英玻璃光纤石英玻璃光纤以二氧化硅为主要原料，并按不同的掺杂量来控制纤芯和多组分玻璃光纤的折射率。包层中掺加氟素来降低折射率，纤芯中掺加二氧化锗提高折射率。为降低石英光纤的内部损耗，现都采用化学气相反应淀积法制取高纯度的石英预制棒，再拉丝。制成低损耗石英光纤。CVD法是根据半导体气相生长法发展起来的，这种方法用超纯氧气作载气
11、把超纯原料气体四氯化硅和掺杂剂四氯化锗、三溴化硼、三氯氧磷等气体输送到以氢氧焰作热源的加热区。混合气体在加热区发生气相反应，生成粉末状二氧化硅及添加氧化物。继续升温加热，使混合粉料熔融成玻璃态，制成超纯玻璃预制棒，然后经加热(高频感应加热、电阻加热、氢氧焰加热)使料棒融化、拉丝。折射率通过添加氧化物的浓度加以调节。石英光纤与其它原料的光纤相比，还具有从紫外线光到近红外线光的透光广谱，除通信用途之外，还可用于导光和传导图像等领域。2.2、多组分玻璃纤维多组分玻璃光纤的成分除石英外还含有氧化钠、氧化钾、氧化钙、氧化硼等其他氧化物。特点是多成分玻璃比石英的软化点低且纤芯与包层的折射率差很大。主要用在
12、医疗业务的光纤内窥镜。多组分玻璃光纤采用双坩埚法制造。坩埚由尾部带漏管的内外两层铂坩埚同轴套在一起所组成。多组分玻璃科经过仔细提纯，芯料玻璃放在内层坩埚里，包层玻璃放在外层坩埚里。玻璃料经加热熔化后从漏管中流出。在坩埚下方有一个高速旋转的鼓轮，将熔融状态的玻璃拉成一定直径的细纱。漏孔的直径大小和漏管的长度决定芯子的直径与包层厚度的比值。2.3、红外光纤红外光纤作为光通信领域所开发的石英系列光纤的工作波长，尽管用在较短的传输距离，也只能用于2 pm，为能在更长的红外波长领域工作所开发的光纤称为红外光纤。红外光纤主要用于光能传送，例如：温度计量、热图像传输、激光手术刀医疗、热能加工等，普及率尚低。
13、目前正在研究的有重金属氧化物玻璃、卤化物玻璃、硫系玻璃和卤化物晶体等。重金属氧化物玻璃主要是指比重较石英玻璃大的氧化物玻璃，如Ge0 2、Ge02-Sb0 3、CaO-A1 2O3；卤化物玻璃有BeF 2、CaF 2-YF3-AIF3、GdF 3-BaF2-ZrF4等；硫系玻璃主要指以s、Se、Te等元素为主体的单元或多元玻璃化合物。24塑料光纤它是纤芯和包层都用塑料(聚合物)做成的光纤。早期产品主要用于装饰和导光照明及近距离光线路的光通信中，原料主要是有机玻璃(PMMA)、聚苯乙烯(PS)和聚碳酸酯(PC)。损耗受到塑料固有的CH结合结构制约，一般每千米可达几十分贝。为了降低损耗，目前正在开
14、发应用氟素系列塑料。当芯材的折光指数n 1越大，鞘材的折光指数n 2越小，受光角就越大，有利于光的传输。目前POF存在的问题主要有两个方面：透射损耗高和耐热性低。POF的损耗因素主要包括内在因素和外在因素两个方面，内在因素包括：CH键高谐波振动吸收、电子跃迁吸收、Rayleigh散射；而外在因素主要有：过渡金属、散射灰尘和微孔、纤芯与鞘层界面的不完美、纤芯半径不均匀以及定向双折射等。氟原子取代是降低由于CH键振动吸收导致损耗的一种有效方法。氟取代后，可降低Rayleigh散射所导致的损耗。氟代PMMA具有无定型性，并且聚合度较大。另外由于折射率降低，又可进一步降低Rayleigh散射,氟代光纤
15、(PFGI POF)近红外区且易于加工，其制造和可操作性都得到提高，成为一种很重要的光纤制造法。氟代光纤的损耗近来已经大大减少，实验室已经研制出超过500m长，带宽达到2.5GB的PFGIPOF。2.5金属涂层光纤金属涂层光纤是在光纤的表面涂布Ni、Cu、AI等金属层的光纤。也有在金属层外被覆塑料的，目的在于提高抗热性和可供通电及焊接。它是抗恶环境性光纤之一，也可作为电子电路的部件用。2.6掺稀土光纤在光纤的纤芯中，掺杂饵(Er)、钕(Nd)、镨(Pr)等稀土族元素的光纤为掺稀土光纤。1985年英国的索斯安普顿(Sourthampton)大学的佩恩(Payne)等首先发现掺杂稀土元素的光纤有激
16、光振荡和光放大的现象。现在已经实用的155 pm EDFA就是利用掺饵的单模光纤。用14 7 pm的激光进行激励可得到1.55 pm的光信号。另外。掺镨的氟化物光纤放大器(PDFA)正在开发中。2.7发光光纤发光光纤是采用含有荧光物质制造的光纤。它是在受到辐射线、紫外线等光波照射时，产生的一部分荧光，可以用于检测辐射线和紫外线，以及进行波长变换或用作温度敏感器、化学敏感器。从荧光材料和掺杂的角度上，目前正在开发塑料发光光纤。四、光纤通信技术的发展及现状 光纤通信的诞生与发展是电信史上的一次重要革命。光纤从提出理论到技术实现和今天的高速光纤通信也不过几十年的时间。从国外的发展历程我们可以看出，2
17、0 世纪 60 年代中期，所研制的最好的光纤损耗在 400 分贝以上，1966 年英国标准电信研究所高锟及Hockham 从理论上预言光纤损耗可降至 20 分贝/千米以下，日本于1969 年研制出第一根通信用光纤损耗为 100 分贝/千米，1970 年康宁公司(Corning)采用“粉末法”先后获得了损耗低于 20 分贝千米和 4 分贝/千米的低损耗石英光纤，1974 年贝尔实验室(Bell)采用改进的化学汽相沉积法制出性能优于康宁公司的光纤产品。到1979 年，掺锗石英光纤在 1.55 千米处的损耗已经降到 0.2 分贝/千米，这一数值已经十分接近由 Rayleigh 散射所决定的石英光纤理
18、论损耗极限。 目前国内光纤光缆的生产能力过剩，供大于求。特种光纤如FTTH 用光纤仍需进口，但总量不大，国内生产光纤光缆价格与国际市场没有差别，成本无法再降，已经是零利润，在国际市场没有太强竞争力，出口量很小。二十年来的光技术的两个主要发展，WDM和 PON，这两个已经相对比较成熟。多业务传输发展平台两个方面，一方面是更有效承载以太网业务、数据业务，另一方面是向业务方面发展。AS0N 的现状是目前的系统只是在设备中，或是在网络中实现了一些功能，但是一些核心作用还没有达到。 五、光纤通信技术的趋势及展望 目前在光通信领域有几个发展热点即超高速传输系统、超大容量 WDM 系统、光传送联网技术、新一
19、代的光纤、IPoverOptical 以及光接入网技术。 5.1 向超高速系统的发展 目前 10Gbps 系统已开始大批量装备网络，主要在北美，在欧洲、日本和澳大利亚也已开始大量应用。但是，10Gbps 系统对于光缆极化模色散比较敏感，而已经铺设的光缆并不一定都能满足开通和使用 10Gbps 系统的要求，需要实际测试，验证合格后才能安装开通。它的比较现实的出路是转向光的复用方式。光复用方式有很多种，但目前只有波分复用(WDM)方式进入了大规模商用阶段，而其它方式尚处于试验研究阶段。 5.2 向超大容量 WDM 系统的演进 采用电的时分复用系统的扩容潜力已尽，然而光纤的 200nm 可用带宽资源
20、仅仅利用率低于 1，还有 99的资源尚待发掘。如果将多个发送波长适当错开的光源信号同时在一级光纤上传送，则可大大增加光纤的信息传输容量，这就是波分复用(WDM)的基本思路。基于 WDM 应用的巨大好处及近几年来技术上的重大突破和市场的驱动，波分复用系统发展十分迅速。目前全球实际铺设的 WDM 系统已超过 3000 个，而实用化系统的最大容量已达320Gbps(21610Gbps)，美国朗讯公司已宣布将推出 80 个波长的WDM 系统，其总容量可达 200Gbps(802.5Gbps)或400Gbps(4010Gbps)。实验室的最高水平则已达到2.6Tbps(1320Gbps)。预计不久的将来
21、，实用化系统的容量即可达到 1Tbps 的水平。5.3 实现光联网 上述实用化的波分复用系统技术尽管具有巨大的传输容量，但基本上是以点到点通信为基础的系统，其灵活性和可靠性还不够理想。如果在光路上也能实现类似 SDH 在电路上的分插功能和交叉连接功能的话，无疑将增加新一层的威力。根据这一基本思路，光光联网既可以实现超大容量光网络和网络扩展性、重构性、透明性，又允许网络的节点数和业务量的不断增长、互连任何系统和不同制式的信号。 由于光联网具有潜在的巨大优势，美欧日等发达国家投入了大量的人力、物力和财力进行预研，特别是美国国防部预研局(DARPA)资助了一系列光联网项目。光联网已经成为继 SDH
22、电联网以后的又一新的光通信发展高潮。建设一个最大透明的、高度灵活的和超大容量的国家骨干光网络，不仅可以为未来的国家信息基础设施(NJJ)奠定一个坚实的物理基础，而且也对我国下一世纪的信息产业和国民经济的腾飞以及国家的安全有极其重要的战略意义。 5.4 开发新代的光纤 传统的 G.652 单模光纤在适应上述超高速长距离传送网络的发展需要方面已暴露出力不从心的态势，开发新型光纤已成为开发下一代网络基础设施的重要组成部分。目前，为了适应干线网和城域网的不同发展需要，已出现了两种不同的新型光纤，即非零色散光(G.655 光纤)和无水吸收峰光纤(全波光纤)。其中，全波光纤将是以后开发的重点，也是现在研究
23、的热点。从长远来看，BPON 技术无可争议地将是未来宽带接入技术的发展方向，但从当前技术发展、成本及应用需求的实际状况看，它距离实现广泛应用于电信接入网络这一最终目标还会有一个较长的发展过程。 5.5IPoverSDH 与 IPover0ptical 以 IP 业务为主的数据业务是当前世界信息业发展的主要推动力，因而能否有效地支持 JP 业务已成为新技术能否有长远技术寿命的标志。目前，ATM 和 SDH 均能支持 lP，分别称为 IPoverATM 和IPoverSDH 两者各有千秋。但从长远看，当 IP 业务量逐渐增加，需要高于 2.4 吉位每秒的链路容量时，则有可能最终会省掉中间的SDH
24、层，IP 直接在光路上跑，形成十分简单统一的 IP 网结构(IPover0ptical)。三种 IP 传送技术都将在电信网发展的不同时期和网络的不同部分发挥自己应有的历史作用。但从面向未来的视角看。IPover0ptical 将是最具长远生命力的技术。特别是随着 IP 业务逐渐成为网络的主导业务后，这种对 JP 业务最理想的传送技术将会成为未来网络特别是骨干网的主导传送技术。 5.6 解决全网瓶颈的手段-光接入网 近几年，网络的核心部分发生了翻天覆地的变化，无论是交换，还是传输都己更新了好几代。不久，网络的这一部分将成为全数字化的、软件主宰和控制的、高度集成和智能化的网络，而另一方面，现存的接
25、入网仍然是被双绞线铜线主宰的(90以上)、原始落后的模拟系统。两者在技术上存在巨大的反差，制约全网的进一步发展。为了能从根本上彻底解决这一问题，必须大力发展光接入网技术。因为光接入网有以下几个优点：（1）减少维护管理费用和故障率；（2）配合本地网络结构的调整，减少节点，扩大覆盖；（3）充分利用光纤化所带来的一系列好处；（4）建设透明光网络，迎接多媒体时代。参考文献：1、唐宏亮浅议光纤通信原理及其发展趋势【J】科技风，2010(14)。2、张国鸿浅谈光纤设备通信原理及其布线技术J1港口科技，2008(5)。 3、吴沅光纤刊时代的发明【J】科学24小时，2010，1(1)4、林森;刘玉珍;杨会玉S
26、imulink在通信原理课程教学中的应用探讨期刊论文-大众科技 2009(09)5、吴沅光纤-划时代的发明 2010(01)6、张国鸿浅谈光纤设备通信原理及其布线技术期刊论文-港口科技 2008(05)7、期刊论文 电信科学 ISTIC PKU -2006年8 期毛谦，Mao Qian 8、期刊论文 实验技术与管理 ISTIC PKU -2011 年 2 期李进，黄德生，封敏娟，严国红，姚忠委，Li Jin，Huang Desheng，Feng Minjuan，Yan Guohong，Yao Zhongwei 9、 期刊论文 光电子激光 ISTIC EI PKU -2002 年 3 期于荣金10、 期刊论文 山西化工 -2003 年 4 期李江 11、 期刊论文 塑料 ISTIC PKU -2003 年 6 期曾方，周南桥
