光线材料综述.doc

光纤材料的综述前言：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。 微细的光纤封装在塑料护套中，使得它能够弯曲而不至于断裂。通常，光纤的一端的发射装置使用发光二极管（light emitting diode,LED）或一束激光将光脉冲传送至光纤，光纤的另一端的接收装置使用光敏元件检测脉冲。在日常生活中，由于光在光导纤维的传导损耗比电在电线传导的损耗低得多，光纤被用作长距离的信息传递。通常光纤与光缆两个名词会被混淆.多数光纤在使用前必须由几层保护结构包覆,包覆后的缆线即被称为光缆.光纤外层的保护结构可防止周围环境对光纤的伤害,如水,火,电击等.光缆分为:光纤,缓冲层及披覆.光纤和同轴电缆相似，只是没有网状屏蔽层。中心是光传播的玻璃芯。在多模光纤中，芯的直径是15m50m， 大致与人的头发的粗细相当。而单模光纤芯的直径为8m10m。芯外面包围着一层折射率比芯低的玻璃封套， 以使光纤保持在芯内。再外面的是一层薄的塑料外套，用来保护封套。光纤通常被扎成束，外面有外壳保护。 纤芯通常是由石英玻璃制成的横截面积很小的双层同心圆柱体，它质地脆,易断裂,因此需要外加一保护层。关键词：光纤 结构 分类 使用 优点 生产方法1光纤的发明和使用 1870年的一天，英国物理学家丁达尔到皇家学会的演讲厅讲光的全反射原理，他做了一个简单的实验：在装满水的木桶上钻个孔，然后用灯从桶上边把水照亮。结果使观众们大吃一惊。人们看到，放光的水从水桶的小孔里流了出来，水流弯曲，光线也跟着弯曲，光居然被弯弯曲曲的水俘获了。人们曾经发现，光能沿着从酒桶中喷出的细酒流传输；人们还发现，光能顺着弯曲的玻璃棒前进。这是为什么呢？难道光线不再直进了吗？这些现象引起了丁达尔的注意，经过他的研究，发现这是全反射的作用，即光从水中射向空气，当入射角大于某一角度时，折射光线消失，全部光线都反射回水中。表面上看，光好像在水流中弯曲前进。实际上，在弯曲的水流里，光仍沿直线传播，只不过在内表面上发生了多次全反射，光线经过多次全反射向前传播。后来人们造出一种透明度很高、粗细像蜘蛛丝一样的玻璃丝玻璃纤维，当光线以合适的角度射入玻璃纤维时，光就沿着弯弯曲曲的玻璃纤维前进。由于这种纤维能够用来传输光线，所以称它为光导纤维。光导纤维可以用在通信技术里。1979年9月，一条33公里的120路光缆通信系统在北京建成，几年后上海、天津、武汉等地也相继铺设了光缆线路，利用光导纤维进行通信。 利用光导纤维进行的通信叫光纤通信。一对金属电话线至多只能同时传送一千多路电话，而根据理论计算，一对细如蛛丝的光导纤维可以同时通一百亿路电话！铺设1000公里的同轴电缆大约需要500吨铜，改用光纤通信只需几公斤石英就可以了。沙石中就含有石英，几乎是取之不尽的。发现光可以在“光纤”中传输的这一特性后，最初利用这一特性的实际应用出现在1920年左右，但那时科学家们的主要研究方向是通过光纤进行图象传输。具体的应用比如医学窥镜，用于军事的可弯曲潜望镜，甚至应用于早期的电视中，但最初的玻璃纤维在光纤传输方面的表现确实难以让人感到满意。比如每当光纤“对接”或光纤界面受损时，光纤中的光就“消失”了，另外，光在传输中的损失也很严重。随着时间的推移，在光纤发展史上的一个重大突破出现在1950年左右，那时，H.H. Hopkins 和 N.S. Kapany展示了带有包层的光纤，这使得图像在光纤中的传导表现大大提升。N.S. Kapany所展示的光纤与我们今天使用的光纤在结构上可以说是一样的。当今的光纤其核心部分有两层结构，最中心部分是纤芯，是一根极细的且折光率稍高的玻璃，在纤芯周围的是包层，覆盖着的也是一层玻璃，只不过这层玻璃的折光率要略低于纤芯。正如我们前面所说的，这一结构在“全内反射”效应的作用下，光线的传输就这样实现了。应该也正是因为这一突破性的成就，N.S. Kapany被人们称为是“光纤之父”。即使历史发展到此时，人们似乎依然没有打算把光纤应用于通信领域的想法，科学家们始终在致力于提升光纤传输图像的表现。1956年，又一个标志性的产品诞生了可弯曲的光纤内窥镜。在研制内窥镜的过程中，同是这个研究组的成员Lawrence E. Curtiss，他制造出了第一根采用玻璃为包层的光纤。光纤发展至此，无论在结构上还是在材质构造上，与当今我们使用的光纤基本上已经完全一样了。 终于在1963年，日本科学家西泽润一提出了使用光纤进行通信的概念，此外，他发明的一些技术，例如激光二极管（laser diode ），对光纤通信的发展起到了非常大的推进作用。在1964年他发明了渐变折射率光学纤维（graded-index optical fiber），这种光纤使用半导体激光器在一个通道中可实现低损耗的长距离传输。 在1966年，高锟先生首次提出当玻璃纤维的衰减率低于20dB/km时，光纤通信即可成功。但是当时的光纤制造技术对于衰减率的控制仅能达到1000dB/km。在接下来的研究中，高锟指出，高纯度的石英玻璃是制造可用于实现光通信的光纤的首选材料。后来人们认识到，高锟的这些观点对未来整个通信产业所起到的影响是革命性的。 在光通信发展的历史中，高锟先生扮演过很多重要的角色，为了能让更多人认识到光通信技术的重要性，他不仅奔走于工程界，甚至还奔走于商业领域，他拜访过著名的贝尔实验室，也去过单纯的玻璃加工厂，为了改进光纤加工工艺，他与不同的人们包括工程师，科学家，商人等进行探讨。1970年，康宁公司最先生产出了衰减率低于20dB/km光纤成品，成品达到了17dB/km的衰减率。几年后，他们就生产出了衰减率仅为4dB/km的光纤，如此低损耗的光纤被应用于电信领域，同是也使互联网（INTERNET）的发展与普及成为可能。光纤从最初的理论概念到真正可实现光通信的产品前前后后经历了100多年的时间。当100多年前的科学家们发现并论述光的种种特性时，也许很难想到就是这些特性在近代使人类的沟通方式发生了革命性的改变，以至于深远地影响了整个人类社会的发展进程。我们再来看一下今年获得诺贝尔物理学奖的三位科学家，没有高锟先生的研究成就也许就不会有我们今天人人都在使用的互联网，光纤通信所解决的问题其实非常简单远距离高速传输海量数据，但没有它，长途通信和互联网（Internet）将只会是个空想。如果CCD没有被发明，那我们的生活中可能将只有文字，我们还将生活的胶片时代，数码相机，手机的拍照功能也将只会是空想。想知道什么是光的“全内反射”现象？如果您感兴趣，请点击下一页，笔者将用最直白的方式向您描述这一光学现象。2光纤主要分以下两大类:1）传输点模数类传输点模数类分单模光纤(Single Mode Fiber)和多模光纤(Multi Mode Fiber)。单模光纤的纤芯直径很小, 在给定的工作波长上只能以单一模式传输,传输频带宽,传输容量大。多模光纤是在给定的工作波长上,能以多个模式同时传输的光纤。 与单模光纤相比,多模光纤的传输性能较差。2)折射率分布类折射率分布类光纤可分为跳变式光纤和渐变式光纤。跳变式光纤纤芯的折射率和保护层的折射率都是一个常数。 在纤芯和保护层的交界面,折射率呈阶梯型变化。渐变式光纤纤芯的折射率随着半径的增加按一定规律减小, 在纤芯与保护层交界处减小为保护层的折射率。纤芯的折射率的变化近似于抛物线。 3光纤传输有许多突出的优点： 3.1频带宽 频带的宽窄代表传输容量的大小。载波的频率越高，可以传输信号的频带宽度就越大。在VHF频段，载波频率为485MHz300Mhz。带宽约250MHz，只能传输27套电视和几十套调频广播。可见光的频率达100000GHz，比VHF频段高出一百多万倍。尽管由于光纤对不同频率的光有不同的损耗，使频带宽度受到影响，但在最低损耗区的频带宽度也可达30000GHz。目前单个光源的带宽只占了其中很小的一部分(多模光纤的频带约几百兆赫，好的单模光纤可达10GHz以上)，采用先进的相干光通信可以在30000GHz范围内安排2000个光载波，进行波分复用，可以容纳上百万个频道。 3.2损耗低 在同轴电缆组成的系统中，最好的电缆在传输800MHz信号时，每公里的损耗都在40dB以上。相比之下，光导纤维的损耗则要小得多，传输1、31um的光，每公里损耗在035dB以下若传输155um的光，每公里损耗更小，可达02dB以下。这就比同轴电缆的功率损耗要小一亿倍，使其能传输的距离要远得多。此外，光纤传输损耗还有两个特点，一是在全部有线电视频道内具有相同的损耗，不需要像电缆干线那样必须引人均衡器进行均衡；二是其损耗几乎不随温度而变，不用担心因环境温度变化而造成干线电平的波动。 3.3重量轻 因为光纤非常细，单模光纤芯线直径一般为4um10um，外径也只有125um，加上防水层、加强筋、护套等，用448根光纤组成的光缆直径还不到13mm，比标准同轴电缆的直径47mm要小得多，加上光纤是玻璃纤维，比重小，使它具有直径小、重量轻的特点，安装十分方便。 3.4抗干扰能力强 因为光纤的基本成分是石英，只传光，不导电，不受电磁场的作用，在其中传输的光信号不受电磁场的影响，故光纤传输对电磁干扰、工业干扰有很强的抵御能力。也正因为如此，在光纤中传输的信号不易被窃听，因而利于保密。 3.5保真度高 因为光纤传输一般不需要中继放大，不会因为放大引人新的非线性失真。只要激光器的线性好，就可高保真地传输电视信号。实际测试表明，好的调幅光纤系统的载波组合三次差拍比CCTB在70dB以上，交调指标cM也在60dB以上，远高于一般电缆干线系统的非线性失真指标。 3.6工作性能可靠 我们知道，一个系统的可靠性与组成该系统的设备数量有关。设备越多，发生故障的机会越大。因为光纤系统包含的设备数量少(不像电缆系统那样需要几十个放大器)，可靠性自然也就高，加上光纤设备的寿命都很长，无故障工作时间达50万75万小时，其中寿命最短的是光发射机中的激光器，最低寿命也在10万小时以上。故一个设计良好、正确安装调试的光纤系统的工作性能是非常可靠的。 3.7成本不断下降 ：目前，有人提出了新摩尔定律，也叫做光学定律（Optical Law）。该定律指出，光纤传输信息的带宽，每6个月增加1倍，而价格降低1倍。光通信技术的发展，为Internet宽带技术的发展奠定了非常好的基础。这就为大型有线电视系统采用光纤传输方式扫清了最后一个障碍。由于制作光纤的材料(石英)来源十分丰富，随着技术的进步，成本还会进一步降低；而电缆所需的铜原料有限，价格会越来越高。显然，今后光纤传输将占绝对优势，成为建立全省、以至全国有线电视网的最主要传输手段。结构原理 光导纤维是由两层折射率不同的玻璃组成。内层为光内芯，直径在几微米至几十微米，外层的直径0.10.2mm。一般内芯玻璃的折射率比外层玻璃大1。根据光的折射和全反射原理,当光线射到内芯和外层界面的角度大于产生全反射的临界角时，光线透不过界面，全部反射。这时光线在界面经过无数次的全反射，以锯齿状路线在内芯向前传播，最后传至纤维的另一端。这种光导纤维属皮芯型结构。若内芯玻璃折射率是均匀的，在界面突然变化降低至外层玻璃的折射率，称为阶跃型结构。如内芯玻璃断面折射率从中心向外变化到低折射率的外层玻璃，称为梯度型结构。外层玻璃具有光绝缘性和防止内芯玻璃受污染。另一类光导纤维称自聚焦型结构，它好似由许多微双凸透镜组合而成，迫使入射光线逐渐自动地向中心方向会聚，这类纤维中心的折射率最高，向四周连续均匀地减少，至边缘为最低。 4生产方