第 8章 光导纤维材料.ppt

第8章光导纤维材料 光纤通讯 现代通讯最重要的主力军 信息高速公路的基石 载体 光导纤维材料光导纤维材料 用于通讯 电子光学 光学仪器 医疗器件 传感器等领域本章内容 简要回顾光纤通讯历史 介绍光导纤维基本原理 着重讲述光导纤维材料类别和光纤的制备工艺技术 8 1概述 古希腊 人们在制作玻璃器皿的过程中 发现玻璃棒能发光19世纪 英国科学家观察到光沿细小水流传播的现象1930年 德国人做了光在玻璃纤维中传播的第一个实验20世纪50年代 不少研究所开展了光纤及其原形设想 但光纤并未引起足够重视1966年 英国标准电讯研究所的英籍华人工程师高琨论证了把光纤的光学损耗降低到20dB km的可能性 当时光纤的传输损耗约为1000dB km 并指出其对未来光通讯的作用 从此 光纤开始引起世界工业发达国家科学界 实业界及政府部门的普遍重视 1970年 美国康宁玻璃公司采用二氧化硅拉制出世界上第一根低损耗光纤 长度数百米 在波长630nm处损耗低于20dB km 同年 美国贝尔实验室的Hayashi等人研制出室温下连续工作的GaAlAs双异质注入式激光器 从此 拉开了光纤通讯的序幕 1972年 随着原材料提纯 制棒和拉丝技术水平的不断提高 制备出衰减系数降至4dB km的多模光纤 1976年 在设法降低玻璃中OH含量中发现光纤的衰减在长波长区有1 31和1 55 m两个窗口 同年 美国西屋电器公司在亚特兰大成功地进行了世界上第一个44 736Mbits s传输110km的光纤通讯系统的现场试验 使光纤通讯向实用化迈出第一步 1980年 原料提纯和光纤制备工艺的完善 加快了光纤的传输窗口由0 85 m移至1 31和1 55 m的进程 制造出衰减系数为0 2dB km的低衰减光纤 接近了理论值 1981年以后 世界各发达国家的光纤通讯技术大规模地商业化 1988年 全长为6680km的世界上第一条海底电缆 由美国新泽西州开始横跨大西洋至英国的光缆铺设完毕 其容量达4万话路 是当时大西洋海底电缆总话路的2 5倍 1989年 横跨太平洋全长15927km的海底光缆 从美国旧金山以北阿利那角通至日本 关岛 菲律宾等国家和地区 1975 1976年以前为第一阶段 短波长 0 85um 多模光纤阶段 传输速率为45Mbits s 1982 长波长多模光纤时代80年代后半期 长波长单模光纤时代 传输速率达600Mbits 无中继距离达30km 90年代 全光传输系统 10 40Gbits s以上 8 2光纤通讯原理及特点 光导纤维指导光的纤维 通常由折射率高的纤芯及折射率低的包层组成 这两部分对被传输的光居右极高透射率 利用介质中的麦克斯韦方程来描写光纤中光波的电磁场 求出波动方程在纤芯 包层界面的边界条件下的解 就知道光纤中光波的电场或磁场是许多独立解的叠加 每个独立解代表一种场的分布 通常把这种场的分布称之为场模 当V 2 406时 光纤中只允许一个模式存在 称之为单模光纤 光纤中传播光波的模及模数 什么是单模光纤 单模光纤具备10micron的芯直径 可容许单模光束传输 可减除频宽及振模色散 Modaldispersion 的限制 但由于单模光纤芯径太小 较难控制光束传输 故需要极为昂贵的激光作为光源体 而单模光缆的主要限制在于材料色散 Materialdispersion 单模光缆主要利用激光才能获得高频宽 而由于LED会发放大量不同频宽的光源 所以材料色散要求非常重要 单模光纤相比于多模光纤可支持更长传输距离 在100MBPS的以太网以至这行的1G千兆网 单模光纤都可支持超过5000m的传输距离 什么是多模光纤 多模光纤电缆容许不同光束于一条电缆上传输 由于多模光缆的芯径较大 故可使用较为廉宜的偶合器及接线器 多模光缆的光纤直径为50 m至100 m 基本上有两种多模光缆 一种是梯度型 graded 另一种是引导型 stepped 对于梯度型 graded 光缆来说 芯的折光系数 refractionindex 于芯的外围最小而逐渐向中心点不断增加 从而减少讯号的振模色散 而对引导型 SteppedInder 光缆来说 折光系数基本上是平均不变 而只有在色层 cladding 表面上才会突然降低引导型 stepped 光缆一般较梯度型 graded 光缆的频宽为低 在网络应用上 最受欢迎的多模光缆为62 5 125 62 5 125意指光缆芯径为62 5 m而色层 cladding 直径为125 m 其他较为普通的为50 125及100 140 相对于双绞线 多模光纤能够支持较长的传输距离 在10mbps及100mbps的以太网中 多模光纤最长可支持2000米的传输距离 而于1GpS千兆网中 多模光纤最高可支持550米的传输距离 业界一般认为当传输距离超过295尺 电磁干扰非常严重 或频宽需要超过350MHz 那便应考虑采用多模光纤代替双绞线作为传输载体 单模光纤 纤芯直径很小 8 10 m 光信号仅与光纤轴成单个可分辨角度的单光线传输 只以单一模式传输 避免了模态色散 使得传达室输频带宽 传输容量大 光信号损耗小 离散小 适用于大容量 长距离通信 多模光纤 光信号与光纤轴成多个可分辨角多光线传输 以多个模式同时传输 其直径在50 200 m 比单模光纤传输性能差 可分为多模突变型光纤和多模渐变型光纤 前者纤芯较大 传输模态较多 带宽窄 转输容量小 光纤通讯系统的组成 光纤通讯系统由发送设备 传输线路 接收设备三部分组成 电信号 光发送机 光源 中继器 检测器 光接受机 电信号 E O变换 O E变换 光纤通讯的特点 传输频带宽 通讯容量大 传输损耗小 传输距离远 每单位传输距离只需很少的放大器或中继站 抗干扰能力强 传输质量高 保密性好 成本低廉 耐化学腐蚀 适应于特殊环境 光纤弯曲半径不宜过小 光纤的切断和连接操作技术要求十分娴熟 分路 耦合操作比较繁琐 光纤的种类 光纤 按传输原理 按光纤折射率分布 按传输模数 按传输功能 按光纤材质 芯包型光纤 自聚焦型光纤 阶跃式光纤 梯度式光纤 单模光纤 多模光纤 传光光纤 传像光纤 石英玻璃光纤 多组分光纤 塑料光纤 红外光纤 石英玻璃光纤 多模石英光纤用于短距离通讯 单模石英光纤用于远距离通讯 光功率损失这一通用于光纤领域的术语代表了光纤通信链路的衰减 衰减是光纤通信链路的一个重要的传输参数 它的单位是分贝 dB 它表明了光纤通信链路对光能的传输损耗 传导特性 其对光纤质量的评定和确定光纤通信系统的中继距离起到决定性的作用 光信号在光纤中传播时 平均光功率延光纤长度方向成指数规律减少 在一根光纤网线中 从发送端到接收端之间存在的衰减越大 两者间可能传输的最大距离就越短 衰减对所有种类的网线系统在传输速度和传输距离上都产生负面的影响 但因为光纤传输中不存在串扰 EMI RFI等问题 所以光纤传输对衰减的反应特别敏感 一般采用SiCl4或硅烷等挥发性化合物进行氧化或水解 通过气相沉积获得低损耗石英光纤预制件 再进行拉丝 用锗提高折射指数 用硼降低折射指数 用CF4和CCl2F2可降低包层的折射指数 加入磷来降低石英光纤的熔点 多组分玻璃光纤 主要成分为SiO2 此外还有B2O3 GeO2 P2O5 Na2O K2O PbO等熔点低 适于制作大芯径 大数值孔径光纤 损耗较大 通讯上极少采用 塑料光纤 聚合物光纤即由聚甲基丙烯酸甲酯 PMMA 聚苯乙烯 SP 聚碳酸酯 PC 氚化PMMA等高分子聚合物材料分别构成芯 包层的全塑料光纤 柔韧 制造简单 芯径和孔径容易做大 耦合容易 损耗较大 光的散射光通过不均匀介质时部分光偏离原方向传播的现象 偏离原方向的光称散射光 散射光一般为偏振光 散射光的波长不发生变化的有廷德耳散射 分子散射等 散射光波长发生改变的有拉曼散射 布里渊散射和康普顿散射等 介质中存在大量不均匀小区域是产生光散射的原因 有光入射时 每个小区域成为散射中心 向四面八方发出同频率的次波 这些次波间无固定相位关系 它们在某方向上的非相干叠加形成了该方向上的散射光 J W S 瑞利研究了线度比波长要小的微粒所引起的散射 并于1871年提出了瑞利散射定律 特定方向上的散射光强度与波长 的四次方成反比 一定波长的散射光强与 1 cos 成正比 为散射光与入射光间的夹角 称散射角 凡遵守上述规律的散射称为瑞利散射 根据瑞利散射定律可解释天空和大海的蔚蓝色和夕阳的橙红色 对线度比波长大的微粒 散射规律不再遵守瑞利定律 散射光强与微粒大小和形状有复杂的关系 红外光纤 卤化物晶体光纤卤化铊 TlBr TlCl玻璃态红外光纤氟化物玻璃 氟化铍 氟化锆 受高能辐射不易黑化 硫属玻璃光纤 拓宽CO和CO2大功率激光器应用领域有重要意义 重金属氧化物光纤 GeO2 光纤的制备工艺 包括原料的制备与提纯 预制棒或晶锭的制作与拉丝等工艺步骤 光纤预制棒或晶锭制备工艺 气相沉积技术 非气相沉积技术 外部化学气相沉积法 OVD 轴向化学气相沉积法 VAD 改进的化学气相沉积法 MCVA 等离子化学气相沉积法 PCVD 等离子改良化学气相沉积法 PMCVD 轴向和横向等离子化学气相沉积法 ALPD 界面凝胶法 BSG 熔融法 DM 玻璃分相法 PSG 溶胶 凝胶法 sol gel 机械挤压成型法 MSP 气相沉积技术 原材料制备及提纯 Si 2Cl2SiCl4用精馏 吸附或精馏吸附混合提纯预制棒的制备 将提纯后的卤化物 掺杂剂和氧气的气体混合物在气相氧化反应中实现化合 以产生氧化物的沉积 沉积是在一个基靶表面上或在一根空心石英玻璃管内 以一层一层堆积方式而叠高 外气相沉积法 OVD 轴向气相沉积法 VAD 改进的化学气相沉积法 MCVA 等离子体激活化学气相沉积法 PCVD 拉丝 从制得的预制棒拉出一定直径细丝的过程 其中关键是要保持芯包比和折射率分布不变 非气相沉积技术 直接熔融法 用来制造Na2O MgO SiO2 Na2O Al2O3 SiO2 Na2O MgF2 SiO2等氧化物系玻璃光纤的方法 将高折射率芯玻璃和低折射率包层玻璃分别置于加热的同轴双坩锅的内 外坩锅内 界面熔融法 利用高分子聚合中分子体积不同而发生的选择扩散性原理制造梯度折射率分布的塑料光纤的方法 首先将高折射率掺杂剂置于芯单体中制成芯混合溶液 其次把控制聚合速度 聚合物分子量大小的引发剂和链转移剂放入芯混合溶液中 再将该溶液投入一根选作包层材料聚甲基丙烯甲酯 PMMA 的空心管内 最后将装有芯混合溶液PMMA管子放入一烘箱内 在一定的温度和时间条件聚合 在聚合过程中 PMMA管内逐渐被混合溶液溶胀 从而在PMMA管内壁形成凝胶相 在凝胶相中分子运动速度减慢 聚合反应由于 凝胶作用 而加速 聚合物的厚度逐渐增厚 聚合终止于PMMA管子中心 从而获得一根折射率沿径向呈梯度分布的光纤预制律 最后再将塑料光纤预制棒送入加热炉内加温拉制成梯度型塑料光纤 浇铸法 用来制造远距离传输用氟化物玻璃红外光纤预制棒 挤出法 用来制造短距离传输用晶体光纤的方法 光导纤维的种类和特性 概况光导纤维 opticalfibre 简称光纤 定义能够以光信号而非电信号的形式传递信息 光束和图像 的具有特殊光学性能的玻璃或塑料纤维 分类 按功能可分为传光纤维与传像纤维 按传输模式可分为多模 multiplemodel MM 光纤和单模 singlemodel SM 光纤 多模光纤能够同时传播多种光波模式 单模光纤只能传输一种光波模式 后者可传输更多的信号 按光纤的材料成分可分为石英类 多组分玻璃类及有机高分子塑料光纤 表20 5光纤的种类与材料 对通信石英光纤的要求作为光通信媒介物的光导纤维应具有三个特性 1 传输衰耗小常以每公里损失的分贝数 dB km 表示 2 传输频带宽现多用单模光纤 3 机械性能好为保护光纤拉丝后的强度 光纤拉出后 必须立即被覆一层或二层保护性的涂膜 以提高使用寿命 20 3 2光导纤维的制备 石英光纤制备的要求光纤制备必须严格控制 杂质的含量 尤其是金属离子和羟基离子二者的存在会引起传输衰耗大辐度地上升 一般金属离子的浓度应在10 9级范围 羟基离子浓度一般为10 4 10 7 光纤的尺寸和形状纤芯直径的波动会产生大的传输衰耗甚至不能使用 形状对称性的改变会严重影响光纤之间的连接 化学组成组成的微小变化 会影响纤芯的折射率 增加传输衰耗 光纤的制备工艺最常用的一种是MCVD modifiedchemicalvapordeposition 改进的化学气相沉积法 1 预制棒的制造 概述 主反应在 玻璃车床 上用超纯的SiCl4与O2和H2在1400 1600 下反应SiCl4 g O2 g 2H2 g SiO2 g 4HCl g 掺杂反应生成GeO2 P205 B203等4POCl3十302 2P2O5十6C12 MCVD法的评价 制造光纤预制棒的常用方法 能制备优质的光纤预制棒 不足如所用原料昂贵 特别是纯化各原料的费用高昂 技术要求高 光纤维化学组成受到限制 其它技术全合成 富通公司 2 光纤的拉制石墨炉预制棒裸光纤涂覆杯UV灯保护气体 光纤的结构着色层芯层5 m包层125 m内涂层外涂层 光纤带的结构 光缆的结构 束管式纤膏加强芯缆膏 固架式光纤带 UV固化的原理 组成UV固化材料主要由光引发剂 预聚物 活性稀释单体和各种添加剂组成 光引发剂吸收UV辐射后 分裂成自由基或阳离子 随即引发带有双键的预聚物和活性稀释单体的链式聚合反应 当条件合适时可在极短的时间内交连 固化 例 二苯甲酮 活性稀释单体既可起到降低系统粘度的作用 又可参与固化反应 成为固化材料的一部分 例 1 6 已二醇二丙烯酸酯 CH2 CHCOOCH2 CH2