1、第三章第三章 光纤原材料光纤原材料第三节第三节 光纤原材料光纤原材料 第四节第四节 材料对光纤传输特性的影响材料对光纤传输特性的影响 目前制造通信光纤和光器件的光纤材料有：石英玻璃、目前制造通信光纤和光器件的光纤材料有：石英玻璃、塑料、光子晶体和掺稀土元素的石英玻璃。塑料、光子晶体和掺稀土元素的石英玻璃。第三节第三节 光纤原材料光纤原材料一、石英玻璃原材料一、石英玻璃原材料1、材料种类与作用、材料种类与作用石英玻璃光纤生产工艺过程包含有许多具体的工艺步骤：石英玻璃光纤生产工艺过程包含有许多具体的工艺步骤：芯棒制造、外包层、拉丝和涂覆。芯棒制造、外包层、拉丝和涂覆。(不同的工艺阶段采用不不同的工
2、艺阶段采用不同的材料，同一种材料在不同的工艺阶段要求也不同同的材料，同一种材料在不同的工艺阶段要求也不同)2、主体原材料、主体原材料(SiCl4)金属卤化物金属卤化物+氧氧/水水金属氧化物金属氧化物构成玻璃成分。构成玻璃成分。高纯高纯SiCl4石英玻璃光纤预制棒石英玻璃光纤预制棒光纤光纤(可见，可见，SiCl4的纯的纯度直接影响光纤的传输性能度直接影响光纤的传输性能)，为了降低光纤损耗，为了降低光纤损耗，SiCl4必必须经过严格的提纯，除去有害的过渡金属须经过严格的提纯，除去有害的过渡金属(Cu、Fe、Co等等)离子、含氢化合物和碳氢化合物等有害物质。离子、含氢化合物和碳氢化合物等有害物质。3
3、、掺杂原材料、掺杂原材料(GeCl4、CCl3F3氟里昂、氟里昂、C2F6六氟乙烷六氟乙烷)(1)GeCl4的作用：提高纤芯的折射率的作用：提高纤芯的折射率(2)CCl3F3、C2F6的作用：的作用：降低光纤包层的折射率；降低光纤包层的折射率；作为沉积反应管内表面的腐蚀抛光剂，使石英玻作为沉积反应管内表面的腐蚀抛光剂，使石英玻 璃管内表面光滑、清洁、干燥，有利于提高光纤璃管内表面光滑、清洁、干燥，有利于提高光纤 强度，降低损耗；强度，降低损耗；在预制成棒时，作为腐蚀剂减小由于在预制成棒时，作为腐蚀剂减小由于GeO2在成棒在成棒 时的高温挥发而造成的中心下陷。时的高温挥发而造成的中心下陷。二、石
4、英玻璃二、石英玻璃1、来源、来源 石英玻璃管主要早期是通过天然水晶熔制而成；目前，石英玻璃管主要早期是通过天然水晶熔制而成；目前，采用合成石英玻璃管采用合成石英玻璃管(SiCl4高温水解制成坯体，在经过脱水高温水解制成坯体，在经过脱水烧结和拉管而成烧结和拉管而成)。2、生产、生产 SiCl4+O2SiO2+2Cl2(1700)制的的二氧化硅极纯制的的二氧化硅极纯 3、熔融石英玻璃的基本物理性能、熔融石英玻璃的基本物理性能 性能性能单位单位数值数值密度密度g/cm32.2软化点软化点1730抗拉强度抗拉强度MPa50弯曲强度弯曲强度MPa66.6抗扭强度抗扭强度MPa29.4杨氏模量杨氏模量EN
5、/mm272900剪切模量剪切模量GN/mm233000线性膨胀系数线性膨胀系数K-15.510-7温度每变化温度每变化1材料长度变化的百分率材料长度变化的百分率 胡克定律：在物体的弹性限度内，应力与应变胡克定律：在物体的弹性限度内，应力与应变 成正比，其比例系数称为杨氏模量成正比，其比例系数称为杨氏模量 E=/剪切应力与应变的比值剪切应力与应变的比值 特点：特点：(1)耐高温性能：软化点与白金熔点相近；耐高温性能：软化点与白金熔点相近；(2)热膨胀系数小：相当于陶瓷的热膨胀系数小：相当于陶瓷的1/6，普通玻璃的，普通玻璃的1/20(3)光谱特性极佳：在紫外、可见到红外有良好的透过性光谱特性极
6、佳：在紫外、可见到红外有良好的透过性(4)耐酸性材料；耐酸性材料；(5)绝缘性能好、介电损耗小：高温电阻值相当于普通玻绝缘性能好、介电损耗小：高温电阻值相当于普通玻 璃的璃的10000倍；倍；(6)可制得高纯的材料：金属离子总量为可制得高纯的材料：金属离子总量为10-6。4、性能计算、性能计算 已知熔融石英玻璃的密度为已知熔融石英玻璃的密度为=2.2g/cm3，杨氏模量，杨氏模量E=72900N/mm2，线膨胀系数，线膨胀系数=5.510-7，问：，问：(1)温度引起的光纤长度的变化量？光纤长度温度引起的光纤长度的变化量？光纤长度L=1km，温，温 度变化范围由度变化范围由20升至升至40，即
7、，即T=20K；解：解：L=TL=1.1cm(2)光纤质量？直径光纤质量？直径d=125微米，长度微米，长度L=1km的无涂覆层的无涂覆层 的融融石英玻璃光纤；的融融石英玻璃光纤；42dA解：解：=0.0123mm2；质量；质量M=AL=27g(3)光纤的应力和应变？直径光纤的应力和应变？直径d=125微米，所加的张力微米，所加的张力F=424N；胡克定律胡克定律=E解：应力解：应力=F/A=345N/mm2，应变，应变=/E=4.7310-3 第四节第四节 材料对光纤传输特性的影响材料对光纤传输特性的影响 一、材料对光纤衰减的影响一、材料对光纤衰减的影响 通信光纤所用的材料是通信光纤所用的材
8、料是石英玻璃石英玻璃和和掺杂石英玻璃掺杂石英玻璃。通信光纤的四大特性：良好的几何特性、传输特性、机械特通信光纤的四大特性：良好的几何特性、传输特性、机械特 性和环境特性。性和环境特性。传输衰减：传输衰减：本证损耗：多声子吸收、紫外吸收损耗；本证损耗：多声子吸收、紫外吸收损耗；非本征损耗：杂质吸收、光纤波导结构不够完善等。非本征损耗：杂质吸收、光纤波导结构不够完善等。1、多声子吸收、多声子吸收 玻璃是由硅氧四面体组成的三维无序结构，玻璃是由硅氧四面体组成的三维无序结构，SiO2的的声子吸收带与硅氧四面体分子的基本振动相对应。纯石英声子吸收带与硅氧四面体分子的基本振动相对应。纯石英玻璃的强吸收带位
9、于玻璃的强吸收带位于9.1微米、微米、12.5微米、微米、21微米。微米。纯纯SiO2的多声子吸收系数可由下式求得：的多声子吸收系数可由下式求得：/48.48exp1081.711MPA 掺杂掺杂GeO2的石英玻璃中，吸收带并非的石英玻璃中，吸收带并非SiO2和和GeO2得得吸收光谱的简单叠加，而吸收光谱更宽且更分散，掺杂吸收光谱的简单叠加，而吸收光谱更宽且更分散，掺杂10wt%的石英玻璃吸收光谱与非掺杂石英玻璃吸收光谱的石英玻璃吸收光谱与非掺杂石英玻璃吸收光谱几乎完全相同，所不同的是掺杂几乎完全相同，所不同的是掺杂GeO2的石英玻璃吸收光的石英玻璃吸收光谱峰值向长波长方向偏移。谱峰值向长波长
10、方向偏移。2、紫外吸收和拖尾、紫外吸收和拖尾 拖尾：拖尾：在吸收光谱中，峰尾需要很长时间才好回到基线，在吸收光谱中，峰尾需要很长时间才好回到基线，导致峰的左右不对称。导致峰的左右不对称。在石英玻璃的紫外反射光谱中，在石英玻璃的紫外反射光谱中，10.2eV、11.7 eV、14.0 eV、17.3 eV四个吸收带。四个吸收带。掺杂石英玻璃的紫外吸收峰波长比石英玻璃的紫外吸收掺杂石英玻璃的紫外吸收峰波长比石英玻璃的紫外吸收峰的波长要长，所以可以变换掺杂元素的种类和数量可改峰的波长要长，所以可以变换掺杂元素的种类和数量可改善掺杂石英玻璃的吸收拖尾。善掺杂石英玻璃的吸收拖尾。GeO2含量的增加含量的增
11、加拖尾向更长的波长区域迁移。拖尾向更长的波长区域迁移。紫外系数：紫外系数：/63.4exp10600044615422UVA3、杂质吸收、杂质吸收(1)过渡金属过渡金属 过渡金属：过渡金属：Fe、Cu、Ni、Mn、Co、Cr、V、Pt 过渡金属元素具有过渡金属元素具有电子结构电子结构电子跃迁电子跃迁吸收损耗吸收损耗 来源：石英玻璃的原料中来源：石英玻璃的原料中(2)氢氧根氢氧根表表3 110-6水而引起的吸收损耗和波长的关系水而引起的吸收损耗和波长的关系 波长波长/微米微米衰减衰减/(dB/km)0.680.0040.720.070.820.040.880.090.951.01.130.111
12、.242.81.3866.31.9010.32.222602.7210000增大增大 由表可见：在由表可见：在0.95微米的吸收损耗为微米的吸收损耗为1.0dB/km；在；在1微米微米以上，氢氧根引起的吸收损耗急剧增加，以上，氢氧根引起的吸收损耗急剧增加，1.38微米处为微米处为65 dB/km；对于波长为；对于波长为1.01.35微米和微米和1.451.8微米两个微米两个波段的吸收损耗影响最大，所以工作波长为波段的吸收损耗影响最大，所以工作波长为1.281.625微微米低损耗的单模光纤，必除水分。米低损耗的单模光纤，必除水分。二、折射率二、折射率1、色散、色散模式色散、材料色散、波导色散；模
13、式色散、材料色散、波导色散；2、温度关系、温度关系 在高温条件下，纯石英玻璃和掺杂石英玻璃折射率随波在高温条件下，纯石英玻璃和掺杂石英玻璃折射率随波长的延长而呈现下降趋势。长的延长而呈现下降趋势。(1)温度与折射率的关系温度与折射率的关系光脉冲通过长度为光脉冲通过长度为L的光纤的时延：的光纤的时延：CLNN光线材料折射率光线材料折射率 C光速光速对对T求导得：求导得：CLNdTdLNdTdNLCdTd1(2)光纤光纤温度时延漂移常数温度时延漂移常数Kf：单位长度、单位温度的间隔：单位长度、单位温度的间隔 时延变化量时延变化量dTdLNdTdNCLdTdKfL11作业：设玻璃光纤的热膨胀系数为作业：设玻璃光纤的热膨胀系数为5.510-7/，SiO2材材 料在料在1310nm处的折射率为处的折射率为1.46，折射率随温度，折射率随温度 的变化大约为的变化大约为110-5/，求，求Kf dTdLNdTdNCLdTdKfL11三、热膨胀系数三、热膨胀系数 构成光纤包层的石英玻璃的构成光纤包层的石英玻璃的较小；构成光纤纤芯的较小；构成光纤纤芯的掺杂石英的掺杂石英的较大较大在纤芯在纤芯/包层界面处一定产生应力包层界面处一定产生应力光纤产生附近损耗光纤产生附近损耗在光纤预制棒设计中应选用热膨胀在光纤预制棒设计中应选用热膨胀系数比较接近的材料来制造光纤预制棒。系数比较接近的材料来制造光纤预制棒。
