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光纖光纜基本原理

1.定義:光纖是光導纖維的簡稱。狹義的說,光纖是一種約束光并傳導光的多層同軸圓柱實體介質光波導,又稱光介質傳輸線。 2. 作用:光纖的主要作用是傳導光,將傳輸的光信號從一地如實地傳到另一地,實現光信號的長距離異地傳輸。 3.光纖典型結構 光纖的典型結構是一種細長多層同軸圓柱形實體復合纖維。自內向外為:纖芯(芯層)-→包層-→涂覆層(被覆層)。核心部分為纖芯和包層,二者共同構成介質光波導,形成對光信號的傳導和約束,實現光的傳輸,所以又將二者構成的光纖稱為裸光纖。涂覆層又稱被覆層,主要對裸光纖提供機械保護,可分為一次涂層和二次涂層,圖1-1-1。 纖芯(芯層): 光纖的纖芯主要由具有高折射率(記為n1)的導光材料制成,如:SiO2光纖芯層材料多為SiO2--GeO2。它的作用是傳導光,使光信號在芯層內部沿軸向向前傳輸; 包層: 光纖的包層由低折射率(記為n2)導光材料制成(折射率較纖芯低),如:SiO2光纖包層材料多為SiO2—B2O3或SiO2—P2O5。它的作用是約束光。由于纖芯和包層的折射率,滿足n1>n2光傳導條件,光波在芯包界面上可發生全反射,使大部分的光能量被阻止在芯層中,從而導致光信號沿芯層軸向向前傳輸。 涂覆層(被覆層): 光纖涂覆層是為保護裸光纖、提高光纖機械強度和抗微彎強度并降低衰減而涂覆的高分子材料層。一般情況下涂覆層有二層,內層為低模量高分子材料,稱為一次涂層;外層為高模量高分子材料,稱為二次涂層: 一次涂層:又分預涂層和緩沖層兩層,常用材料有硅酮樹脂、紫外固化炳烯酸酯UV等; 二次涂層:其結構有三種,它們是緊套結構、松套結構、帶狀結構。常用材料有尼龍PA12、聚乙烯PE、硅橡膠、聚酰胺塑料、聚對苯二甲酸丁二醇酯PBT,聚丙烯,聚脂等。 裸光纖涂覆高分子材料的原因: (1)裸光纖的主要成分為二氧化硅,它是一種脆性易碎材料,抗彎曲性能差,韌性差,為提高光纖的微彎性能,涂覆一層高分子涂層。 (2)光纖拉絲成形時,表面存在缺陷微裂紋的幾率很小,但如遇到空氣中的水,將會發生水合反應使Si-O鍵斷裂,產生Si-OH基,會引起光纖出現裂紋,如本身已存在微裂紋,則使裂紋發生擴展,最終使光纖強度降低或斷裂??朔姆椒ㄊ窃诼愎饫w表面涂一層高分子材料阻止水分子與Si—O鍵接觸。 O ╱╲ H H ≡Si—O—Si≡→≡Si- -O-Si≡────→≡Si-OH+ O-Si≡→≡Si—OH ∣ H (1-1-3) (3)裸光纖與空氣中的水分子發生反應生成羥基,羥基是光纖固有吸收衰減的主要成因。為降低光纖的吸收衰減必須涂高分子材料阻止水份的侵入。 (4)二氧化硅是一種脆性易碎材料,如將若干根這樣的裸光纖集束成一捆,相互間極易產生磨損,導致光纖表面損傷而影響光纖的傳輸性能。為防止這種損傷采取的有效措施就是在裸光纖表面涂一層高分子材料。 4.光纖的基本結構 光纖的基本結構主要根據一次涂層與二次涂層的相對位置劃分。通常有三種:緊套結構、 松套結構、帶狀結構。 緊套光纖: 緊套光纖基本結構為二次涂層與一次涂層緊密相貼,兩層間無空隙,一次涂覆光纖在二次涂層內不能自由移動,二層擠在一起且各層同心。 緊套光纖具有體積小和較好的機械強度特點,但外界環境變化時,易受影響,即溫度特 性差。這種結構的光纖使用場合較少。常用涂覆材料有硅酮樹脂,紫外固化炳烯酸酯UV等; 松套光纖(光纖松套緩沖管): 松套光纖基本結構為二次涂層與一次涂層間有一定的空隙,一次涂覆光纖在充有光纖防水油膏的二次涂層內可自由移動。二次涂層為一松套塑料管,常用涂覆材料:PBT聚對苯二甲酸丁二醇酯,聚乙烯等。光纖松套管內含有2-12根一次涂覆光纖,松套緩沖管隔離外部應力及溫度變化對光纖的作用,松套管內填充的光纖防水油膏對光纖起機構保護和阻水兩方面的作用,松套光纖具有更好的機械特性和溫度特性,但直徑較粗,其所占空間相對較大,光纖光纜原料使用量增加。 帶狀光纖(光纖帶): 將若干根一次涂覆光纖(4-24)有規則的平行排列并用聚乙烯或聚酯等高分子樹脂涂覆成二次涂層,粘接成帶狀后疊帶而成的光纖,這種光纖稱之為帶狀光纖。 帶狀光纖有二種結構:包封型和邊緣粘結型,圖1-1-2。適合作高密度光纜的纜芯,可減小纜芯尺寸,又增加纖芯數,是用戶光纜首選結構。 包封型光纖帶的結構特點 包封型結構采用楊氏模量較低的樹脂作內層,模量較高的樹脂作外層,因此它具有較好的抗微彎作用和抗側壓作用,二者可兼顧,機械性能優越,但疊帶后,占據的體積大,對下道工序有一定的要求,套塑時松套管的外徑增大,高分子原材料用料增加,使產品成本有所增長。 邊緣粘結型光纖帶結構特點 這種結構的光纖帶高分子原料用料少,疊帶后體積小,套塑松套管外徑相應減小,節約用料,降低光纜的生產成本。 1.1.2光纜 1.定義: 光纜是由若干根這樣的光纖經一定方式絞合、成纜并外擠保護層構成的實用導光線纜制品。 2.作用:光纜內的加強件及外保護層等附屬材料的作用主要是保護光纖并提供承纜、敷設、儲存、運輸和使用要求的機械強度、防止潮氣及水的侵入及環境、化學的侵蝕和生物體啃咬等。 3. 光纜的基本組成 光纜主要由二部分構成:纜芯和護套。 纜芯: 由涂覆光纖和加強件構成,有時加強件分布在護套中,這時纜芯只有涂覆光纖。涂覆光纖又稱芯線,主要有緊套光纖,松套光纖,帶狀光纖三種。它們是光纜的核心部分,決定著光纜的傳輸特性。加強件的作用是承受光纜所受的張力載荷,一般采用楊氏模量大的鍍鋅或鍍磷鋼絲或芳綸纖維,或經處理的復合玻璃纖維棒等材料。 護套: 護套的作用是保護纜芯、防止機械損傷和有害物質的侵蝕,對抗側壓能力、防潮密封、耐腐蝕等性能有嚴格要求。其結構一般為:內護套→鎧裝層→外護層三層。 內護套:位于鎧裝層與纜芯之間的同心層,起機構保護與鎧裝襯墊作用。常用的內護套有PE、PVC護套; 鎧裝層:在內護套與外護層之間的同心層,主要起抗壓或抗張的機構保護作用。鎧裝層通常由鋼絲或鋼帶構成。鋼帶鎧裝層的主要作用是抗壓,適用于地下埋設的場合。鋼絲鎧裝層的主要作用是抗拉,主要用于水下或垂直敷設的場合。在海底光纜中,為防止漁具及魚類對光纜的損傷,也有采用鋼帶和鋼絲聯合構成鎧裝層的情況。常用鋼帶和鋼絲的材料都是由低碳鋼冷軋制成。為防止腐蝕,要求鎧裝鋼帶必須有防蝕措施,如預涂防蝕漆或鍍鋅或鍍磷等,而鎧裝鋼絲則使用鍍鋅或鍍磷鋼絲、涂塑鋼絲、擠塑鋼絲等。 外護層:在鎧裝層外面的同心層,主要對鎧裝層起防蝕保護作用。常用的外護層有PE、PVC和硅橡膠護套。 護套的類型有四種:金屬護套,橡塑護套,綜合護套(組合護套)及特種護套。 (1).金屬護套:鉛、鋁、鋼絲、鋼帶護套。具有完全不透水性,可以防止水份及其他有害物質進入纜芯。 (2).橡塑護套:具有一定的透水性,但具有較好的柔軟性,特別適合敷設在移動頻繁的場合,常用材料有橡膠、聚乙烯、聚氯乙稀等。 (3).組合護套:是由金屬護套和橡塑護套組合而成,兼有二者的優點,不透水性最佳,一般由鋁帶或鋼帶粘結聚乙烯材料制成。 (4).特種護套:為滿足某種特殊要求而設計,如耐輻射,防生物,阻燃,防鼠咬,防白蟻等特殊功能護套,常用材料有PE、XLPE、PVC與各種添加劑混合物。 光纜常用七種護套類型: (1)PE護套;(2)PVC護套;(3)鋁/聚乙烯綜合護套(LAP);(4)皺紋鋼帶縱包護套;(5)LAP+鋼帶繞包護套;(6)LAP+鋼帶鎧裝護套;(7)LAP+鋼絲鎧裝護套。 4.光纜的基本結構 按照光纜纜芯結構的不同可將光纜分為三種: (1)層絞式光纜 將松套光纖繞在中心加強件周圍絞合而成纜芯并外擠護套構成的光纜被稱為層絞式光纜, 圖1-1-3。這種結構光纜的優點是采用松套光纖可以增加光纖的抗拉,抗壓強度,并可改善光 纜的溫度特性。且光纜制造設備簡單,工藝成熟,應用最為廣泛。 (2)骨架式光纜 將緊套光纖或一次被覆(著色)光纖或光纖帶置入中心加強件周圍的螺旋形塑料V型骨架 凹槽內且外擠護套而成的光纜稱為骨架式光纜,圖1--3。這種結構的光纜具有非常好的抗側壓 性能,特別利于對光纖的保護,當光纜受外力作用時,光纖在骨架凹槽內可徑向移動,減輕外 力對光纖的作用,同時,槽內充有光纖防水油膏,具有很好的吸水和緩沖作用。 (3)中心管式光纜 將一次被覆光纖或光纖束,或光纖帶放入中心大套管中,加強件分布在套管周圍,套管內充有光纖防水油膏且外擠制護套,這種結構的光纜稱為中心管式光纜,圖1-1-3。在這種結構中,加強件同時起到護套的作用,最大的特點是可以減輕光纜的重量。
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