1、第三章第三章 光纤材料及光纤器件光纤材料及光纤器件 光纤是光导纤维的简写，是一种利用光在玻璃或塑料制成的纤维中的全反射原理而达成的光传导工具。光纤实际是指由透明材料做成的纤芯和在它周围采用比纤芯的折射率稍低的材料做成的包层，并将射入纤芯的光纤的光信号，经包层界面反射，使光信号在纤芯中传播前进的媒体。光纤主要有两个特性：损耗和色散。光纤通信具有传输频带宽，容量大，传输距离远，质量高，保密性好等优点。光纤的优良特性，使之在光纤通信、传感、传像、传光照明与能量信号传输等多方面领域被广泛而大量应用，尤其在信息技术领域具有广阔的应用前景。光纤的优点 与电缆或微波等电通信方式相比，光纤通信的优点如下： 传
2、输频带极宽，通信容量很大； 由于光纤衰减小，无中继设备，故传输距离远； 串扰小，信号传输质量高； 光纤抗电磁干扰，保密性好； 光纤尺寸小，重量轻，便于传输和铺设； 耐化学腐蚀； 光纤是石英玻璃拉制成形,原材料来源丰富，并节约了大量有色金属。 除以上特点之外,还有光纤径细、重量轻、柔软、易于铺设;光纤的原材料资源丰富,成本低;温度稳定性好、寿命长。由于光纤通信具有以上的独特优点,其不仅可以应用在通信的主干线路中,还可以应用在电力通信控制系统中,进行工业监测、控制,而且在军事领域的用途也越来越为广泛。 光纤通信的发展历程 从1876年发明电话到20世纪的60年代末，通信线路是铜制导线。我国采用的8
3、管同轴电缆加上金属护套，质量达4吨/公里，有色金属的消耗实在是太大。 1929年和1930年，美国的哈纳尔和德国的拉姆先后拉制出石英光纤且用于光线和图像的短距离传输； 此时的光纤波导的理论和应用技术进展相当缓慢，主要原因是当时光纤损耗太大，达到几百甚至一千多分贝/公里，这种光纤对通信是毫无用处的。4世界光纤之父：高锟 1966年，高锟博士发表了著名的论文“光频介质纤维表面波导”，明确提出通过改进制备工艺，减少原材料杂质，可使石英光纤的损耗大大下降，并有可能拉制出损耗低于20dB/km的光纤。光纤通信的发展历程51970年，美国的康宁玻璃公司（Corning Glass Co.）率先将高锟博士的
4、科学预言变为现实，研制出在0.6328um波长下损耗为20dB/km的石英光纤，取得了重要的技术突破。在短短几十年时间里，光纤的损耗已由1000dB/km下降到0.16dB/km，致使光纤通信在世界范围内形成一个充满活力的新兴产业。光纤损耗6 20世纪的80年代中期，全世界范围内的光纤通信开始走向实用化。石英玻璃光纤的质量为27克/公里。原料廉价，传输损耗小，不受外界电磁干扰，保密性强。 1993年后，全球范围信息高速公路的建设。 到2000年，世界光纤的年产量达到6000万公里以上，而已经铺设的光纤总长度到达2亿公里以上。正好印证了电子到光电子的跨越。 光纤的出现带动了集成光学的发展。光纤通
5、信的发展历程7光纤技术的发展前景光纤技术的发展前景 对光纤通信而言,超高速度、超大容量和超长距离传输一直是人们追求的目标,而全光网络也是人们不懈追求的梦想。所以我们应该努力向以下几个方面去发展： 向超高速系统的发展。 向超大容量WDM系统的演进。 开发新代的光纤 全光网络。 未来的高速通信网将是全光网。全光网是光纤通信技术发展的最高阶段,也是理想阶段。目前,全光网络的发展仍处于初期阶段,但它已显示出了良好的发展前景。从发展趋势上看,形成一个真正的、以 WDM技术与光交换技术为主的光网络层,建立纯粹的全光网络,消除电光瓶颈已成为未来光通信发展的必然趋势,更是未来信息网络的核心,也是通信技术发展的
6、最高级别,更是理想级别。 9一、光纤的基本概念101、介质光波导l空间传播光与导波光 空间传播光：在自由空间中(或均匀介质中)传播的光导波光：相对于空间传播的光，光被限制在与传播方向垂直的截面内，在密闭区传播的光。l光波导：约束导波光的介质平板波导矩形波导光导纤维(光纤)平板波导覆盖层 n3薄膜 n1衬底 n2介质平板波导结构：123nnn在横截面的一个方向限制光波传播11矩形波导脊型波导沟道波导平面掩埋沟道波导在横截面的两个方向限制光波传播1213光纤光纤尺寸芯径 单模光纤： n2低传输损耗n2n1n2n1n2n12a2arr = ar = 0单模阶跃折射率光纤多模阶跃折射率光纤多模梯度折射
7、率光纤剖面折射率分布222-2、光纤导光 结论：1. 光纤传光的原理是光的全反射；2. 只有当光线的入射角i arcsinNA，光线进入光纤后都不能传播而在包层消失；l i arcsinNA，光线可以进入光纤被全反射传播。253-1、数值孔径（NA） 大的数值孔径：有利于耦合效率的提高。大的数值孔径：有利于耦合效率的提高。 数值孔径太大，光信号畸变也越严重。数值孔径太大，光信号畸变也越严重。221212NAnnn121nnn u 结论2影响因素： 光纤的数值孔径（NA）仅取决于纤芯的折射率的大小及包层相对折射率差； NA与光纤的直径无关。 相对折射率差：263-2、光纤的模式 电磁波的传播遵从
8、麦克斯韦方程，而在光纤中传播的电磁场，还满足光纤这一传输介质的边界条件。因此根据由光纤结构决定的光纤的边界条件，可求出光纤中可能传播的模式。 麦克斯韦方程的一个解即对应一个模式，对应着电磁场在光纤中的一种分布形式。 模式：物理上理解就是一种基本场分布,数学上就是一个基本解。27按分布形式，模式可以分为以下几种类型：按分布形式，模式可以分为以下几种类型：（1 1）横电波）横电波 纵轴方向只有磁场分量，没有电场分量；横截面上有电场分量的纵轴方向只有磁场分量，没有电场分量；横截面上有电场分量的电磁波。电磁波。下标下标m表示电场沿圆周方向的变化周数，表示电场沿圆周方向的变化周数，n表示电场沿径表示电场
9、沿径向方向的变化周数。向方向的变化周数。（2）横磁波横磁波 纵轴方向只有电分量，没有磁场分量；横截面上有磁场分量的电纵轴方向只有电分量，没有磁场分量；横截面上有磁场分量的电磁波。磁波。下标下标m表示磁场沿圆周方向的变化周数，表示磁场沿圆周方向的变化周数，n表示磁场沿径向表示磁场沿径向方向的变化周数。方向的变化周数。（3）混合波）混合波 或或 纵轴方向既有电分量又有磁场分量，是横电波和横磁波的混合。纵轴方向既有电分量又有磁场分量，是横电波和横磁波的混合。 无论哪种模式，当无论哪种模式，当m m和和n n的组合不同，表示的模式也不同。的组合不同，表示的模式也不同。mnEHmnHEmnTMmnTE3
10、-2、光纤的模式28u单模光纤：只有最低阶模式HE11存在，它的光纤横向光斑图u多模光纤：可传输多种模式。3-2、光纤的模式低阶模能量集中在波导中心，而模式阶数越高横截面直径越大且能量分布越分散。293-2、光纤的模式30可传播模可传播模式式纤芯尺纤芯尺寸寸光耦合光耦合难度难度相对折射率差相对折射率差损耗损耗单模单模光纤光纤只可传输一种模式，最低价模式较小，约212um难小： (n1-n2)/n1 0.00050.01小多模多模光纤光纤可传输多种模式较粗，典型尺寸为50um易大： 0.010.02大3-2、光纤的模式31光纤损耗的来源：（1）光纤材料的吸收与散射损耗；（2）光纤的弯曲辐射损耗；
11、（3）光纤的连接；（4）耦合损耗。3-3、光纤损耗32（1）光纤材料的吸收与散射损耗； 本征吸收：光纤材料对光信号的吸收。 杂质吸收：杂质不是指光纤中的掺杂物，而是由于材料不纯净及工艺不完善而引入的杂质，如过渡金属离子和OH-离子。 原子缺陷吸收：由于材料受到热辐射或光辐射引起的。 散射损耗：在光纤材料中，由于某种远小于波长的不均匀性引起的光散射构成光纤的散射损耗。33（1）光纤材料的吸收与散射损耗；34（2）光纤的弯曲辐射损耗 光纤实际应用中不可避光纤实际应用中不可避免的要产生弯曲，这就免的要产生弯曲，这就伴随着产生光的弯曲辐伴随着产生光的弯曲辐射损耗。射损耗。535横向偏移纵向偏移角向偏移
12、（3）光纤的连接损耗36（4）耦合损耗光源与光纤的耦合损耗光源与光纤的耦合损耗光纤与光器件的耦合损耗光纤与光器件的耦合损耗3738二、光纤的材料及制造一、光纤材料 高纯度熔石英光纤传输损耗低多组分玻璃纤维纤芯包层折射率可在较大范围内变化，易于制造大数值孔径 的光纤。(2)、塑料光纤成本低、材料损耗大、温度性能差。(3)、晶体光纤纤芯为单晶，可用于制作有源和无源光纤器件。(1)、石英光纤39塑料光纤（POF）的优点简单、安全的连通测试：采用650nm的LED红光光源时，是对肉眼无害的可见光。快速安装：POF能够很容易地通过狭小的穿线管；容易连接：POF不用抛光液能达到很好的连接效果，也不用为了连
13、接而采用专用的设备；低廉成本：由于具备以上两个优点，所以采用POF做传输介质的网络接入系统，其造价要比石英光纤接入系统低；坚固耐用：POF光缆比石英光缆更加柔软耐用，弯曲半径也小；塑料光纤POF技术的发展（一）、阶跃型塑料光纤早期的塑料光纤都是大数值孔径阶跃型塑料光纤。由于这种光纤色散较大，带宽只能达到5MHZ*km，不能满足高速数据通信的要求，故一直以照明、汽车车灯监控等非通信应用为主。随后通过一系列技术是它的传输性能得到大幅度的改善。早期市场上的POF产品多为PMMA基质多模SIPOF，虽然与石英玻璃光纤相比在短距离通信应用中有低价、易处理的优势，但其窄带宽（5MHz*km）和高固有衰减(
14、150300dB/km),不能适应带宽逐渐增大的多媒体社会的需要。为了增加带宽，首先想到的解决方法是减小光纤的数值孔径，采用单模SIPOF方案。但POF的最主要特点是大芯径，因此不能期望将其发展成单模光纤以增加带宽，这样POF的低价格、易处理优势将失去。目前解决上述问题的较佳选择是渐变型塑料光纤（GIPOF）。GIPOF的开发为塑料光纤在宽带通信网中的应用开拓了广阔的前景。（二）、渐变型塑料光纤（GIPOF）的发展过程及现状塑料光纤的分类特殊塑料光纤包括所有具有特殊性能的塑料光纤，比如激光染料掺杂塑料光纤、闪烁塑料光纤、电光塑料光纤等，还有具有特殊设计结构的塑料光纤，比如微结构塑料光纤和双芯塑
15、料光纤等。塑料光纤普通塑料光纤特殊塑料光纤包括所有的阶跃型多模塑料光纤、渐变型多模塑料光纤以及单模塑料光纤。这类光纤与普通石英光纤类似，由纤芯和包层构成，不同的纤芯折射率分布构成了不同类型的光纤。多模光纤主要用在强度型传感器的系统中，被测量的物理量直接影响输出光信号的强度。渐变折射率多模塑料光纤可以解决带宽窄的问题。在单模光纤中，单模石英光纤的缺点是纤芯芯径非常细，只有510微米。而塑料单模光纤相对于石英光纤的特点就是芯径粗，是石英光纤的50100倍，对接容易、成本低，所以其在干涉型光纤传感器中具有更出众的特点。普通塑料光纤折射率分布应用的情况一类是阶跃型， 另一类是渐变型。多模光纤单模光纤特
16、殊的塑料光纤1、闪烁塑料光纤是有源材料如荧光材料、激光染料掺杂的塑料光纤，主要用在高能辐射的测量。闪烁塑料光纤现在已经实际应用在核物理中监测核辐射和跟踪带电高能粒子。2、电光塑料光纤是在纤芯中掺杂有很高的光学非线性并且响应速度非常快的有机物，使得塑料光纤具备很高的光学非线性。很多有机物都具备光学非线性高和响应速度快的特点，特别是塑料光纤有相对较低的加工制造温度，这使得有很大范围的功能材料可以掺人塑料光纤当中。电光塑料光纤在电压和电场传感器方面具有巨大的、潜在的应用前景。3、微结构塑料光纤是近年来人们研究的一种新型的特殊塑料光纤，它是在纤芯中分布有规律的空气孔，具备新的传输特性。这些新的传输特性
17、包括宽波长范围的单模工作，具有大的有效纤芯和模面积，在空气中而不是在光纤材料中导光等。这些新的传输特性对于光纤传感器的应用来说是非常有意义的。POF的应用的应用1、塑料光纤以其所具有的柔软易弯曲、芯径大、易耦合、抗电磁干扰、电磁辐射 (EMI/ EMR) 制造工艺简单、成本低等优点，广泛地用于短距离、中小容量信息传输系统、传感器、CD 播放机、汽车、飞机信息传输网络、多媒体网络、军事网络、甚至可以用于宇航以及导弹的制导等。2、起初，塑料光纤作为照明光传输媒质应用在汽车上，将光传输到那些狭小得不能安装标准白炽灯的位置或者传输到不同的显示牌。随着计算机控制在汽车中的应用越来越广泛，一辆汽车形成一个
18、局域网（CAN），因此所要传输的实时信息量越来越大。为了避免电磁干扰、串音及这些不良现象所引起的数据延误、丢失，系统需要选择能承受高信息速率、保证安全的介质材料。光波既不会产生电磁辐射，也不会被其它辐射干扰，另外使用光纤时不用考虑地面回路及电位短路，因此光纤成为CAN首选材料。3、POF 适用于气候恶劣的网络和传感器，能够高速传递大量的保密性强的信息，塑料光纤可引入战斗机、直升机和军舰内，作为战时的信息传输媒质。由于POF 塑料光纤超强的抗电磁干扰和电磁辐射的能力还可用于导弹，实现不受干扰的准确制导。所以塑料光纤在军事上和核工业上有重要的战略意义。结论：塑料光纤作为一种光传输介质，由于其独特的
19、性能而受到世界各国的关注。但是，塑料光纤损耗大的缺点却一直制约着它在各种领域的广泛应用。随着化工技术的不断提高及相关领域学者的不断努力，POF已经在LAN、CAN、OFS等领域实现了实用化。我国POF的研究及生产相对比较落后，目前国产POF多用于广告、装潢，而在工业、电子和通信领域中的应用几乎是空白。进一步提高化工技术，保持POF研究、开发的系统性和持续性是我们面临的迫切任务。材料的提纯预制棒的制作拉丝成缆9个9(ppb)用气相沉积法制作具有所需折射率分布的预制棒使用精密馈送机构将预制棒以合适的速度送入炉中加热二、光纤光缆制造49 典型预制棒长1m,直径2cm50 MCVD法(改进型化学气相沉
20、积)的特点：在石英反应管（趁底管）内沉积内包层和芯层的玻璃，整个系统处于封闭的超提纯状态下。 MCVD法制备光纤预制棒示意图掺杂试剂预制棒的制作51第一步：熔制光纤的内包层玻璃。主体材料：液态SiCl4；掺杂试剂：CF2Cl2, SF6, C2F4；载运气体：O2 SiCl4+O2SiO2+2Cl2 2 CF2Cl2+ SiCl4+2O2 SiF4+2Cl2+2CO2 石英管内壁上形成SiO2SiF4玻璃层，作为光纤内包层。掺杂试剂第二步：熔制芯层玻璃。主体材料：液态SiCl4；掺杂试剂：GeCl4；载运气体：O2 SiCl4+O2SiO2+2Cl2 GeCl4+O2GeO2+2Cl2SiO2 GeO2沉积在内包层玻璃上，成为芯层玻璃。掺杂试剂拉丝54 预制棒由送料机构送入管状加热炉（石墨电阻炉）中，当预制棒尖端热到一定温度时，粘度变低，靠自身重量逐渐下垂变细形成纤维。纤维经由纤径测量仪监测并拉引到牵引辊绕到卷筒上。送料机构的速度必须与牵引辊收丝的速度相适应。拉丝速度一般为30100米/秒。预制棒拉丝示意图缆芯护套5657Thanks!
