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光纤光缆基本原理

1.定义:光纤是光导纤维的简称。狭义的说,光纤是一种约束光并传导光的多层同轴圆柱实体介质光波导,又称光介质传输线。 2. 作用:光纤的主要作用是传导光,将传输的光信号从一地如实地传到另一地,实现光信号的长距离异地传输。 3.光纤典型结构 光纤的典型结构是一种细长多层同轴圆柱形实体复合纤维。自内向外为:纤芯(芯层)-→包层-→涂覆层(被覆层)。核心部分为纤芯和包层,二者共同构成介质光波导,形成对光信号的传导和约束,实现光的传输,所以又将二者构成的光纤称为裸光纤。涂覆层又称被覆层,主要对裸光纤提供机械保护,可分为一次涂层和二次涂层,图1-1-1。 纤芯(芯层): 光纤的纤芯主要由具有高折射率(记为n1)的导光材料制成,如:SiO2光纤芯层材料多为SiO2--GeO2。它的作用是传导光,使光信号在芯层内部沿轴向向前传输; 包层: 光纤的包层由低折射率(记为n2)导光材料制成(折射率较纤芯低),如:SiO2光纤包层材料多为SiO2—B2O3或SiO2—P2O5。它的作用是约束光。由于纤芯和包层的折射率,满足n1>n2光传导条件,光波在芯包界面上可发生全反射,使大部分的光能量被阻止在芯层中,从而导致光信号沿芯层轴向向前传输。 涂覆层(被覆层): 光纤涂覆层是为保护裸光纤、提高光纤机械强度和抗微弯强度并降低衰减而涂覆的高分子材料层。一般情况下涂覆层有二层,内层为低模量高分子材料,称为一次涂层;外层为高模量高分子材料,称为二次涂层: 一次涂层:又分预涂层和缓冲层两层,常用材料有硅酮树脂、紫外固化炳烯酸酯UV等; 二次涂层:其结构有三种,它们是紧套结构、松套结构、带状结构。常用材料有尼龙PA12、聚乙烯PE、硅橡胶、聚酰胺塑料、聚对苯二甲酸丁二醇酯PBT,聚丙烯,聚脂等。 裸光纤涂覆高分子材料的原因: (1)裸光纤的主要成分为二氧化硅,它是一种脆性易碎材料,抗弯曲性能差,韧性差,为提高光纤的微弯性能,涂覆一层高分子涂层。 (2)光纤拉丝成形时,表面存在缺陷微裂纹的几率很小,但如遇到空气中的水,将会发生水合反应使Si-O键断裂,产生Si-OH基,会引起光纤出现裂纹,如本身已存在微裂纹,则使裂纹发生扩展,最终使光纤强度降低或断裂。克服的方法是在裸光纤表面涂一层高分子材料阻止水分子与Si—O键接触。 O ╱╲ H H ≡Si—O—Si≡→≡Si- -O-Si≡────→≡Si-OH+ O-Si≡→≡Si—OH ∣ H (1-1-3) (3)裸光纤与空气中的水分子发生反应生成羟基,羟基是光纤固有吸收衰减的主要成因。为降低光纤的吸收衰减必须涂高分子材料阻止水份的侵入。 (4)二氧化硅是一种脆性易碎材料,如将若干根这样的裸光纤集束成一捆,相互间极易产生磨损,导致光纤表面损伤而影响光纤的传输性能。为防止这种损伤采取的有效措施就是在裸光纤表面涂一层高分子材料。 4.光纤的基本结构 光纤的基本结构主要根据一次涂层与二次涂层的相对位置划分。通常有三种:紧套结构、 松套结构、带状结构。 紧套光纤: 紧套光纤基本结构为二次涂层与一次涂层紧密相贴,两层间无空隙,一次涂覆光纤在二次涂层内不能自由移动,二层挤在一起且各层同心。 紧套光纤具有体积小和较好的机械强度特点,但外界环境变化时,易受影响,即温度特 性差。这种结构的光纤使用场合较少。常用涂覆材料有硅酮树脂,紫外固化炳烯酸酯UV等; 松套光纤(光纤松套缓冲管): 松套光纤基本结构为二次涂层与一次涂层间有一定的空隙,一次涂覆光纤在充有光纤防水油膏的二次涂层内可自由移动。二次涂层为一松套塑料管,常用涂覆材料:PBT聚对苯二甲酸丁二醇酯,聚乙烯等。光纤松套管内含有2-12根一次涂覆光纤,松套缓冲管隔离外部应力及温度变化对光纤的作用,松套管内填充的光纤防水油膏对光纤起机构保护和阻水两方面的作用,松套光纤具有更好的机械特性和温度特性,但直径较粗,其所占空间相对较大,光纤光缆原料使用量增加。 带状光纤(光纤带): 将若干根一次涂覆光纤(4-24)有规则的平行排列并用聚乙烯或聚酯等高分子树脂涂覆成二次涂层,粘接成带状后叠带而成的光纤,这种光纤称之为带状光纤。 带状光纤有二种结构:包封型和边缘粘结型,图1-1-2。适合作高密度光缆的缆芯,可减小缆芯尺寸,又增加纤芯数,是用户光缆首选结构。 包封型光纤带的结构特点 包封型结构采用杨氏模量较低的树脂作内层,模量较高的树脂作外层,因此它具有较好的抗微弯作用和抗侧压作用,二者可兼顾,机械性能优越,但叠带后,占据的体积大,对下道工序有一定的要求,套塑时松套管的外径增大,高分子原材料用料增加,使产品成本有所增长。 边缘粘结型光纤带结构特点 这种结构的光纤带高分子原料用料少,叠带后体积小,套塑松套管外径相应减小,节约用料,降低光缆的生产成本。 1.1.2光缆 1.定义: 光缆是由若干根这样的光纤经一定方式绞合、成缆并外挤保护层构成的实用导光线缆制品。 2.作用:光缆内的加强件及外保护层等附属材料的作用主要是保护光纤并提供承缆、敷设、储存、运输和使用要求的机械强度、防止潮气及水的侵入及环境、化学的侵蚀和生物体啃咬等。 3. 光缆的基本组成 光缆主要由二部分构成:缆芯和护套。 缆芯: 由涂覆光纤和加强件构成,有时加强件分布在护套中,这时缆芯只有涂覆光纤。涂覆光纤又称芯线,主要有紧套光纤,松套光纤,带状光纤三种。它们是光缆的核心部分,决定着光缆的传输特性。加强件的作用是承受光缆所受的张力载荷,一般采用杨氏模量大的镀锌或镀磷钢絲或芳纶纤维,或经处理的复合玻璃纤维棒等材料。 护套: 护套的作用是保护缆芯、防止机械损伤和有害物质的侵蚀,对抗侧压能力、防潮密封、耐腐蚀等性能有严格要求。其结构一般为:内护套→铠装层→外护层三层。 内护套:位于铠装层与缆芯之间的同心层,起机构保护与铠装衬垫作用。常用的内护套有PE、PVC护套; 铠装层:在内护套与外护层之间的同心层,主要起抗压或抗张的机构保护作用。铠装层通常由钢絲或钢带构成。钢带铠装层的主要作用是抗压,适用于地下埋设的场合。钢絲铠装层的主要作用是抗拉,主要用于水下或垂直敷设的场合。在海底光缆中,为防止渔具及鱼类对光缆的损伤,也有采用钢带和钢丝联合构成铠装层的情况。常用钢带和钢丝的材料都是由低碳钢冷轧制成。为防止腐蚀,要求铠装钢带必须有防蚀措施,如预涂防蚀漆或镀锌或镀磷等,而铠装钢丝则使用镀锌或镀磷钢丝、涂塑钢丝、挤塑钢丝等。 外护层:在铠装层外面的同心层,主要对铠装层起防蚀保护作用。常用的外护层有PE、PVC和硅橡胶护套。 护套的类型有四种:金属护套,橡塑护套,综合护套(组合护套)及特种护套。 (1).金属护套:铅、铝、钢絲、钢带护套。具有完全不透水性,可以防止水份及其他有害物质进入缆芯。 (2).橡塑护套:具有一定的透水性,但具有较好的柔软性,特别适合敷设在移动频繁的场合,常用材料有橡胶、聚乙烯、聚氯乙稀等。 (3).组合护套:是由金属护套和橡塑护套组合而成,兼有二者的优点,不透水性最佳,一般由铝带或钢带粘结聚乙烯材料制成。 (4).特种护套:为满足某种特殊要求而设计,如耐辐射,防生物,阻燃,防鼠咬,防白蚁等特殊功能护套,常用材料有PE、XLPE、PVC与各种添加剂混合物。 光缆常用七种护套类型: (1)PE护套;(2)PVC护套;(3)铝/聚乙烯综合护套(LAP);(4)皱纹钢带纵包护套;(5)LAP+钢带绕包护套;(6)LAP+钢带铠装护套;(7)LAP+钢絲铠装护套。 4.光缆的基本结构 按照光缆缆芯结构的不同可将光缆分为三种: (1)层绞式光缆 将松套光纤绕在中心加强件周围绞合而成缆芯并外挤护套构成的光缆被称为层绞式光缆, 图1-1-3。这种结构光缆的优点是采用松套光纤可以增加光纤的抗拉,抗压强度,并可改善光 缆的温度特性。且光缆制造设备简单,工艺成熟,应用最为广泛。 (2)骨架式光缆 将紧套光纤或一次被覆(着色)光纤或光纤带置入中心加强件周围的螺旋形塑料V型骨架 凹槽内且外挤护套而成的光缆称为骨架式光缆,图1--3。这种结构的光缆具有非常好的抗侧压 性能,特别利于对光纤的保护,当光缆受外力作用时,光纤在骨架凹槽内可径向移动,减轻外 力对光纤的作用,同时,槽内充有光纤防水油膏,具有很好的吸水和缓冲作用。 (3)中心管式光缆 将一次被覆光纤或光纤束,或光纤带放入中心大套管中,加强件分布在套管周围,套管内充有光纤防水油膏且外挤制护套,这种结构的光缆称为中心管式光缆,图1-1-3。在这种结构中,加强件同时起到护套的作用,最大的特点是可以减轻光缆的重量。
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