光纤技术的研究03.pdf

由式（1.1.4）可知，减小芯径或减小纤芯和包层间的相对折射率之差都可减 小光纤的归一化频率。随着归一化频率的减小，传播的模数也逐渐变少。当 1 V 2 .405 ⎛ 1 + 2 ⎞ 2 时，最后一个高次模截止，光纤只能传播主模 HE11，。这种光 c ⎜ ⎟ ⎝ α ⎠ 纤称为单模光纤。一般，单模光纤均是纤芯光学尺寸极小(直径仅几微米) 的阶跃 光纤。因此，有时也称这种光纤为单孔型光纤，如图 1—3(c)所示。 实际设计与使用的光纤，其性能也各不相同。单模光纤频带极宽，而渐变折 射率光纤的信息容量较大，且处理简便。当需要从光源处收集尽可能多的光能时， 则使用粗芯阶跃折射率多模光纤比较合适。因此，通常在短距离、低数据率通信 系统中使用多模阶跃光纤；在长距离、高数据率通信系统中使用单模光纤或渐变 折射率多模光纤。在光纤传感应用中，光强度调制型或传光型光纤传感器绝大多 数采用多模(阶跃或渐变折射率)光纤。相位调制型和偏振态调制型光纤传感器采 用单模光纤，例如，满足特殊要求的保偏光纤、低双折射光纤、高双折射光纤等。 另一方面，由于光纤是由玻璃材料制成的，芯径很细、应用于微米级波长等 原因，所以也具有一些弱点，如:光纤连接器及其它光学部件的制造，都要求精密 加工；光缆的故障处理比金属电缆的故障处理要复杂等[2] 。 光纤的主要参数包括：纤芯和包层的粗细及折射率、数值孔径及主要波长处 的损耗等，不同的应用对光纤参数要求也不同。在光通信中，光纤传输的是带信 息的光能，所以对光纤的损耗、色散、模式数等有严格的要求。而对于光纤传导 光能这样的应用，主要考虑的应是光纤的损耗及其他一些与能量有着密切关系的 参数。也就是适于能量传输的光纤和适于信息传输的光纤其参数要求大不一样。 首先，能量传输光纤希望在最大范围内、尽最大能力来传输更多的能量，所以像 多模光纤那样，即使在传输途中由于光纤弯曲等造成传输方向改变，及引起模式 改变时，光也基本上不会泄漏到外面去，仍能正常传输。另外，只要光能够低损 耗的通过，既使由于色散的缘故造成光纤中的不同波长的光传输时间有些差异也 没什么影响。但是对于传输信息的光纤来说，就是波长范围分散的光，也要尽最 大可能来传输更多的信息。所以要像单模光纤那样，即使把除了各波长光的基模 4 以外的光全部泄漏到外面去，也比在光纤中产生传输时间差异的情况要好得多。 另外，从其它角度来说，两者的不同之处还在于设定用光纤传输光的波长范围的 侧重点不一样。严格地讲，信息传输时无论什么波长的光，只要光纤能更多的传 输信息就可以，因为在这里光是承载信息的载体，但也不是说光纤传输光的波长 与发光元件或受光元件无关。从光通信的本质来看可以这样说。而在光纤传输能 量时，其所用的光纤要根据实际需要最大限度地传输光能，它传输的光能即为研 究和应用的对象。而且，利用光纤传输能量，具有灵活、方便、可以把光源和接 受部分开等优点。 §1.2 光纤技术的发展及应用 1.2.1 光纤的发展历程 早在 19 世纪人们就知道在光纤中利用全反射原理可以传光，并在 19 世纪 20 年代就制成了无包层的玻璃光纤。但直到 20 世纪 50 年代，才知道包层的使用能 够改善光纤的光学特性。当时制作的光纤的损耗约为 1000dB/km[3]，人们主要是 利用光纤束传输图像。到 20 世纪 60 年代，人们认识到通过降低光纤材料中的杂 质，可以大大降低光纤的损耗，使人们看到了利用光纤进行通信的可能性。 1966 年，英籍华人高锟（C.K.Kao ）和Hockham 指出，利用玻璃可以制成衰 减为 20dB/km 的光导纤维，这是一个非常大胆和科学的预见，它引发了对光纤通 信技术的研究，是光纤历史上的一个重大事件。因为当时最好的光学玻璃的衰减 约为 1000dB/km 左右，这一预见引起了极大的争议，只有少数有远见卓识的科学 家支持这一预见，并支持开展光纤技术的研究。1970 年，美国康宁玻璃公司的 [4] Maurer 等在世界上首先制出衰减为 20dB/km 的光纤 ，取得了重大突破。 在光纤制造技术方面，1970 年制造出衰减为 20dB/km 的光纤后，为实现长距 离大容量的通信，一方面设法降低衰减，另一