第-8章-光导纤维材料

1、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p古希腊人们在制作玻璃器皿的过程中，发现玻璃棒能发光p19世纪英国科学家观察到光沿细小水流传播的现象p1930年德国人做了光在玻璃纤维中传播的第一个实验p20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p1966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

2、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。p1970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。p1972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。p1976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1.55m两个窗口。同年，美国西屋电器公司在亚

3、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。p1980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0.85m移至1.31和1.55m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。p1981年以后世界各发达国家的光纤通讯技术大规模地商业化。p1988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。p1989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

4、岛、菲律宾等国家和地区。p1975-1976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.p1982- 长波长多模光纤时代p80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.p90年代，全光传输系统，10-40Gbits/s以上。8.2 光纤通讯原理及特点p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。p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

5、布。通常把这种场的分布称之为场模。p当V2.406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光纤中传播光波的模及模数什么是单模光纤？什么是单模光纤？p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。p单模光纤相比于多模光纤可支持更长传输距离，在100M

6、BPS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。什么是多模光纤什么是多模光纤p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50m至100m。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

7、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62.5m而色层（cladding）直径为125m，其他较为普通的为50/125及100/140。p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。p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。p单模光纤，纤芯直径很小（8-

8、10m)，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。p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50-200m，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p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p传输频带宽，通讯容量大。p传输损耗小，传输距离远，每单位传输距离只需很少

9、的放大器或中继站。p抗干扰能力强、传输质量高、保密性好。p成本低廉。p耐化学腐蚀、适应于特殊环境。p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p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功率损失这一通用于光纤光纤领域的术语代表了领域的术语代表了光纤光纤通信链路的通信链路的衰减。衰减是衰减。衰减是光纤光纤通信链路的一个重要的

10、传输参数通信链路的一个重要的传输参数,它的它的单位单位是是分贝分贝(dB)。它表明了它表明了光纤光纤通信链路对光能的传输损耗（传导特通信链路对光能的传输损耗（传导特性），其对性），其对光纤光纤质量的评定和确定质量的评定和确定光纤光纤通信系统的中继距离起通信系统的中继距离起到决定性的作用。光信号在到决定性的作用。光信号在光纤光纤中传播时，平均光功率延中传播时，平均光功率延光纤光纤长度方向成指数规律减少。在一根长度方向成指数规律减少。在一根光纤光纤网线中网线中,从发送端到接收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。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

11、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，但因为面的影响，但因为光纤光纤传输中不存在串扰、传输中不存在串扰、EMI、RFI等问题，等问题，所以所以光纤光纤传输对衰减的反应特别敏感。传输对衰减的反应特别敏感。p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。p用锗提高折射指数，用硼降低折射指数。p用CF4和CCl2F2可降低包层的折射指数。p加入磷来降低石英光纤的熔点。多组分玻璃光纤p主要成分为SiO2，此外还有B2O3、GeO2、P2O5、Na2O、K2O、PbO等

12、p熔点低，适于制作大芯径、大数值孔径光纤。p损耗较大，通讯上极少采用。塑料光纤p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。p柔韧、制造简单、芯径和孔径容易做大、耦合容易。p损耗较大。p光的散射光的散射p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，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

13、有拉曼散射、布里渊散射和康普顿散射等。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。p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，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。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.瑞利研究了线瑞利研究了线度比波长要小的微粒所引起的散射，并于度比波长要小的微粒所引起的散射，并于1871年提出了年提出

14、了瑞利散射定律瑞利散射定律：特定方：特定方向上的散射光强度与波长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的四次方成反比；一定波长的散射光强与(1cos)成正比，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。根据瑞利散射定律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。可解释天空和大海的蔚蓝色和夕阳的橙红色。p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。形状有

15、复杂的关系。红外光纤p卤化物晶体光纤卤化物晶体光纤卤化铊：TlBr、TlClp玻璃态红外光纤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p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)

16、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p原材料制备及提纯：Si+2Cl2 SiCl4 用精馏、吸附或精馏吸附混合提纯p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)。p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p直接熔融法；用来制造Na2O-M

17、gO-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。p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。p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PM

18、MA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。p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。p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光导纤维的种类和特性 概况概况光导纤维(optical fibre，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(multipl

19、e model，MM)光纤和单模(single model，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光纤种类光纤种类材材 料料 成成 分分采采 用用 原原 料料石英光纤芯线：SiO2 GeO2 P2O5 包层：SiO2 B2O3SiCl4 GeCl4 POCl3SiCl4 BCl3 BBr3多 组 分 光纤芯线：SiO2 Na2O CaO GeO2 包层：SiO2 Na2O CaO B2O5：S i C l4 N a N O3 C a ( N O3)2 Ge(C4H9O)4S

20、iCl4 NaNO3 Ca(NO3)2 BCl3石英芯线塑 料 包 层光纤芯线；SiO2包层：有机硅SiCl4二甲基二氯硅烷 塑料光纤芯线：PMMA包层：氯化MAP聚甲基丙烯酸甲酯氟化甲酯表表20.5 20.5 光纤的种类与材料光纤的种类与材料 对通信对通信石英光纤的要求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(dBkm)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20203 32 2 光导纤维的制备光导纤维的制备 石英光纤制备的要求石英光纤制备的要

21、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10-410-7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 光纤的制备工艺光纤的制备工艺最常用的一种是MCVD（modified chemical vapor deposition，改进的化学气相沉积法）1. 预制棒的制造预制棒的制造 概述概述主反应在“玻璃车床”上用超纯的SiCl4与O2和H2在14001600下反应SiCl4(

22、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. 2. 光纤的拉制光纤的拉制石墨炉预制棒裸光纤涂覆杯UV灯保护气体 光纤的结构光纤的结构着色层芯层 5m 包层125m内涂层外涂层 光纤带的结构光纤带的结构 光缆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