第二章2.1光纤玻璃.pptx

1 第2章光功能玻璃 2 1光学玻璃纤维2 2激光玻璃2 3光致变色玻璃2 4非线性光学玻璃2 5光伏玻璃 2 光学纤维 玻璃纤维中能以波导结构传输光者 光通讯光纤 具有特别良好透光性 低损耗 长距离传输后仍能识别信号 低色散 的光学纤维 2 1光学玻璃纤维 概念 光纤通讯的特点 中继间距离长 传输容量大 要求光纤低损耗 低色散 3 光纤结构 光纤 OpticalFiber 是由中心的纤芯和外围的包层同轴组成的圆柱形细丝 纤芯的折射率比包层稍高 损耗比包层更低 光能量主要在纤芯内传输 包层为光的传输提供反射面和光隔离 并起一定的机械保护作用 设纤芯和包层的折射率分别为n1和n2 光能量在光纤中传输的必要条件是n1 n2 纤芯和包层的相对折射率差 n1 n2 n1的典型值 越大 把光能量束缚在纤芯的能力越强 但信息传输容量却越小 4 纤芯1 位置 光纤的中心部位 2 尺寸 直径d1 4mm 50mm 3 材料 高纯度SiO2 掺有极少量的掺杂剂 GeO2 P2O5 作用是提高纤芯对光的折射率 n1 以传输光信号 包层位置 位于纤芯的周围 尺寸 直径d2 125mm 材料 其成分也是含有极少量掺杂剂的高纯度SiO2 而掺杂剂 如B2O3 的作用则是适当降低包层对光的折射率 n2 使之略低于纤芯的折射率 即n1 n2 它使得光信号能约束在纤芯中传输 5 涂覆层1 位置 位于光纤的最外层 2 尺寸 涂覆后的光纤外径约为1 5mm 3 结构和材料 包括一次涂覆层 缓冲层和二次涂覆层a 一次涂覆层一般使用丙烯酸酯 有机硅或硅橡胶材料b 缓冲层一般为性能良好的填充油膏 防水 c 二次涂覆层一般多用聚丙烯或尼龙等高聚物4 作用 保护光纤不受水汽侵蚀和机械擦伤 同时又增加了光纤的机械强度与可弯曲性 起着延长光纤寿命的作用 6 光纤根据传输模式的不同分为单模光纤和多模光纤按折射率的变化分阶跃光纤和梯度光纤 光纤分类 光纤特点单模光纤 具有色散特性最优的结构 其衰减小 频带宽 容量大 成本低和易于扩容等优点 多模光纤 可以传输多种波型的光信号 当传输方向光线的角度小时得以全反射而无损失 当角度过大时 光就可能折射出芯部以外 计算公式 其中n1为芯部折射率 n2为皮部折射率 7 传输模式传输带宽光纤损耗 光纤性能 传输模式 是光在光纤中传播时载运光能的传播模式 在光纤的受光角内 以某一角度射入光纤端面 并能在光纤纤芯 包层交界面上产生全反射的传播光线 就可以称为入射光的一个传播模式 主要包括单模光纤和多模光纤 单模光纤 由于其芯径小 只有几微米 是光波波长的几倍 电磁场分布形式单一 所以只允许一种基本模式的光纤传输 多模光纤 其芯径较大 40 100 m 光束进入芯中的角度不同 向前传播的路径也不同 形成较多电磁分布模式 允许多种模式同时传输 8 一根光纤是不是单模传输 与 1 光纤自身的结构参数和 2 光纤中传输的光波长有关 当光纤芯径的几何尺寸远大于光波波长时 光纤传输的过程中会存在着几十种乃至几百种传输模式 即多模传输 反之 当光纤的几何尺寸较小 与光波长在同一数量级时 光纤只允许一种模式在其中传播 即单模传输 因此 对于给定波长 单模光纤的芯径要比多模光纤小 例如 对于常用的通信波长 1550nm 单模光纤芯径为8 12 m 而多模光纤芯径 50 m 9 多模光缆 人的头发 10 光纤性能 传输带宽 表示光纤传输信号的能力 影响因素主要为色散 材料色散 结构色散和模式色散 材料色散 由于光纤玻璃的折射率随波长变化 所以光源的光谱变宽时 光纤中传输的脉冲信号就变宽 波导色散 由光纤的几何结构决定的色散 由于包层中光速大于纤芯中光速 在包层中光脉冲传播速度加快 从而脉冲就展宽 模间色散 由于传输模式不同引起的色散 光纤色散的影响 色散使信号不同的成分传播速度不同 使信号在目的端产生码间干扰 给信号的最后判决造成困难 l1 l2 l3 l1 l2 l3 材料色散 光纤材料对不同的频率成份折射率 传播速率 不同 单模光纤中传播模80 能量在纤芯20 能量在包层 波导色散 信号光处于纤芯的部分和处于包层的部分具有不同的传播速度 模间色散 多模光纤中不同模式具有不同的传播路径导致了模间色散 对于子午光线 经过长度L后模间色散可能产生的最大脉冲展宽为 DL为两种模式的光程差 15 光纤性能 光纤损耗 主要是由于传输过程中外部原因及玻璃光纤本身的缺陷等造成的光纤能量的衰减 包括本身损耗和线路损耗 线路损耗 由于在使用过程中 使用条件的限制和不当造成的 本身损耗 散射损耗 吸收损耗 弯曲损耗 瑞利散射 米氏散射 固有吸收 杂质吸收 结构不完整 光纤弯曲 16 散射损耗 主要是由光纤制备过程中杂质缺陷及结构缺陷等引起的折射率的变化 主要包括瑞利散射和米氏散射等 瑞利散射 不规则分子结构引起的微观折射率的波动造成 多组分玻璃 成分变化会引起折射率的变化 单组分玻璃 冷却温度波动会引起折射率变化 米氏散射 材料的不均匀性尺寸和光波波长相近时造成 如小晶粒 小气泡等 17 吸收损耗 主要是由光纤本身具有的基础吸收 电子跃迁和离子跃迁 以及制备过程中引起的结构缺陷 羟基 色中心 等对光波的吸收引起的 主要包括固有吸收损耗和杂质吸收损耗等 固有吸收损耗 Si O P O键等在红外区发生伸缩振动 引起红外吸收 杂质吸收损耗 铁 铜 铬等金属离子及氢氧根离子在其吸收波长范围内引起的吸收 18 弯曲损耗 由光纤与包层之间结合的不均匀性及光纤本身弯曲引起的能量衰减 主要包括几何结构不完整和光纤弯曲损耗等 几何结构不完整损耗 光纤芯与包层之间的不均匀引起的损耗 光纤弯曲损耗 光纤的自然或使用弯曲造成的损耗 19 选材的准则 1 能拉长 拉细 具有一定的柔韧性 可卷绕2 在特定波长损耗低3 能使纤芯的折射率略高于包层 满足波导条件按材料分类 1 无源玻璃纤维 2 有源玻璃纤维 3 塑料纤维 20 1 无源玻璃纤维玻璃纤维的主材 SiO2 物理和化学稳定性好 对通信光波段的透明性好折射率差的引入 通过在SiO2中掺入不同杂质增加非线性效应 通过掺入硫属元素 21 2 有源玻璃纤维和塑料光纤 有源光纤 在SiO2中掺入稀土元素 如 铒 光纤放大器 如 掺铒光纤放大器 塑料光纤 更好的韧性 更耐用 可用于环境恶劣的场合 损耗比玻璃纤维高 一般用于短距离传输 使用范围还十分有限 22 光纤的制备 两种基本方法1 直接熔化法 按传统制造玻璃的工艺将处在熔融状态的石英玻璃的纯净组分直接制造成光纤 2 汽相氧化过程 高纯度金属卤化物 如SiCl4和GeCl4 与氧反应生成SiO2微粒 通过四种不同的方法 将微粒收集在玻璃容器的表面 烧结 在尚未熔化的状态将SiO2转化成玻璃体 制成预制棒 拉丝成纤 23 以氧化物光纤为例 光纤的制备 氧化物玻璃光纤 多为石英系 石英玻璃具有稳定的玻璃态 由多种氧化物构成的多组分玻璃 主要有纳钙硅系统和硼硅酸盐系统 石英玻璃特点 本征损耗低 大约0 2dB km 折射率易于控制 热膨胀系数和软化温度一致 且能容易地形成稳定均匀的玻璃 24 光纤制备工艺 光纤制备 预制棒的制备 拉丝和涂覆 成缆 管内气相沉积法 IVD 轴向气相沉积法 AVD 外气相沉积法 OVD 等离子体化学气相沉积法 直接溶化法 气相法 玻璃光纤 直接熔化法 可用于制造石英光纤 卤化物光纤和硫属光纤 具有产量大 可连续制造的优点 但坯料棒熔化过程中容易带来杂质 它的最低损耗值为5dB km 26 汽相氧化法 外部汽相氧化法 OVPO 1970年康宁第一根损耗小于20dB km的光纤 27 汽相轴向沉积法 VAD 28 贝尔实验室设计 可用于制造低损耗梯度折射率光纤 改进的化学汽相沉积法 MCVD 玻璃粉层沉积 初步烧结 加强热成实心棒烧结后 纤芯由汽相沉积材料构成 包层由原始的石英管构成 等离子体活性化学汽相沉积法 PCVD 30 光纤拉丝机 31 光缆特性及分类 光纤成缆之后要求光缆 1 抗拉力特性光缆能承受的最大拉力取决于加强构件的材料和横截面积 一般要求大于1km光缆的重量 100 400kg 2 抗压特性光缆能承受的最大侧压力取决于护套的材料和结构 多数在100 400kg 10cm3 改善温度特性 隔离潮气 32 层绞式 33 骨架式 34 束管式 35 带状式 36 光纤应用 我国电信网呈现了飞速发