光电子技术——光纤与光纤技术

1、1光纤与光纤制造工艺2 光纤简介光纤简介 光纤制造工艺光纤制造工艺 主要光纤产品介绍主要光纤产品介绍 光纤技术发展概况光纤技术发展概况内内 容容31. 1. 光光 纤纤 简简 介介41. 光光 纤纤 简简 介介什么是光纤（什么是光纤（optical fiber)optical fiber)？ 光纤是光纤是光导纤维光导纤维的简称。光纤是以的简称。光纤是以光脉冲光脉冲的的形式来传输信号，材质以形式来传输信号，材质以玻璃或有机玻璃玻璃或有机玻璃为主的为主的网络传输介质网络传输介质。 电 信电 信号号光光 发发送送 机机光光 接接受受 机机电 信电 信号号光纤光纤5光纤结构光纤结构 光纤由三部分组成：

2、光纤由三部分组成：芯层（芯层（corecore）包层（包层（claddingcladding）涂覆层（涂覆层（coatingcoating） 内层（内层（buffer layer） 外层（外层（top layertop layer） 芯层芯层: SiO2+Ge+F : SiO2+Ge+F 包层包层: SiO2+F: SiO2+F内涂覆层内涂覆层: :丙烯酸树脂丙烯酸树脂 外涂敷层外涂敷层: :丙烯酸树脂丙烯酸树脂1. 光光 纤纤 简简 介介6光纤分类光纤分类光纤信号处理光纤信号处理光纤光纤通通 信用信用光纤光纤非非 通信通信用光纤用光纤单模光纤（单模光纤（SM）多模光纤（多模光纤（MM）特种光

3、纤特种光纤光纤传感光纤传感光纤测量光纤测量其它光学系统其它光学系统1. 光光 纤纤 简简 介介71. 光光 纤纤 简简 介介模式（模式（mode）概念）概念 模式是指光的在模式是指光的在光纤中光纤中的的传输方式传输方式（电磁场分（电磁场分布形式）。布形式）。 光纤中能够传导的模式是由光纤中能够传导的模式是由光纤结构参数光纤结构参数所决所决定的。外界激励只能激励起光纤中定的。外界激励只能激励起光纤中允许存在的模式允许存在的模式而不会改变模式的固有性质。而不会改变模式的固有性质。 模式是光模式是光波动方程的解波动方程的解。它对应于波动方程某。它对应于波动方程某一本征值并满足全部边界条件。每一个模式

4、对应于一本征值并满足全部边界条件。每一个模式对应于沿光纤轴向传播的一种电磁波。沿光纤轴向传播的一种电磁波。8单模与多模光纤单模与多模光纤阶跃型多模单模光纤1. 光光 纤纤 简简 介介9光纤几何尺寸光纤几何尺寸 芯径芯径 单模光纤：单模光纤： 10um;10um; 多模光纤：多模光纤： 50um/62.5um50um/62.5um包层直径包层直径 普通光纤：普通光纤： 125um涂覆层直径涂覆层直径 普通光纤普通光纤 内层内层 170200um 外层外层 245um1. 光光 纤纤 简简 介介125um245um10光纤工作原理光纤工作原理 光纤利用光在光纤利用光在界面上的全反射原界面上的全反射

5、原理进行工作。理进行工作。1. 光光 纤纤 简简 介介11多模多模芯层芯层包层包层芯层芯层包层包层G.652G.6551. 光光 纤纤 简简 介介12光纤通信原理光纤通信原理 光纤通信采用数字通信原理。光纤通信采用数字通信原理。 0 1 0 0 1 1 0 1 0 模拟信号模拟信号 数字信号数字信号 模拟信号模拟信号编编 码码解解 码码1. 光光 纤纤 简简 介介13单信道全光中继数字通信单信道全光中继数字通信光光-电电-光中继的数字通信光中继的数字通信1. 光光 纤纤 简简 介介14光纤通信特点光纤通信特点1. 光光 纤纤 简简 介介优点：优点： 信号损耗小，中继距离长；信号损耗小，中继距离

6、长； 光纤为绝缘体不受电磁干扰；光纤为绝缘体不受电磁干扰； 玻璃光纤不产生电磁场，保密性高；玻璃光纤不产生电磁场，保密性高； 重量轻，易于施工和运输；重量轻，易于施工和运输；缺点：缺点： 光纤制造工艺复杂，生产成本较高；光纤制造工艺复杂，生产成本较高； 光纤连接复杂；光纤连接复杂； 配套光器件价格较高配套光器件价格较高152. 2. 光光 纤纤 制制 造造 工工 艺艺162. 光纤制造工艺光纤制造工艺光纤制造基本过程光纤制造基本过程制制 棒棒 拉拉 丝丝 性能测试性能测试 玻璃加工玻璃加工 清清 洗洗 包装入库包装入库 172. 光纤制造工艺光纤制造工艺预制棒介绍预制棒介绍预制棒尺寸：预制棒尺

7、寸：直径：直径：60mm，80mm，150mm长度：长度： 1m2m制棒方法：制棒方法：玻璃分相法玻璃分相法溶胶凝胶法溶胶凝胶法气相沉积法气相沉积法预制棒要求：预制棒要求：高纯度；高纯度；准确的折射率分布准确的折射率分布182. 光纤制造工艺光纤制造工艺预制棒制造工艺预制棒制造工艺气相气相沉积沉积法法管外法管外法管内法管内法管外汽相沉积法（管外汽相沉积法（OVDOVD）汽相轴向沉积法（汽相轴向沉积法（VADVAD）改进的管内化学气相沉改进的管内化学气相沉积法（积法（MCVDMCVD）等离子体管内化学气相等离子体管内化学气相沉积法（沉积法（PCVDPCVD）192. 光纤制造工艺光纤制造工艺四种

8、工艺在全球的大体市场份额四种工艺在全球的大体市场份额10%28%32%30% VAD OVD MCVD PCVD 20管外汽相沉积法（管外汽相沉积法（OVDOVD）优点优点：沉积速率高、预制棒体积大、原料纯度要求 较低、生产率高 不足不足：折射率剖面粗糙、原料利用率低 结论结论：擅长制造包层2. 光纤制造工艺光纤制造工艺21汽相轴向沉积法（汽相轴向沉积法（VADVAD）优点优点：沉积速率高、预制棒体积大、原料纯度要求 较低、生产率高不足不足：折射率剖面粗糙、原料利用率低 结论结论：擅长制造包层2. 光纤制造工艺光纤制造工艺22 改进的管内化学气相沉积法（改进的管内化学气相沉积法（MCVDMCV

9、D）优点优点：投资少、操作运行较容易、工艺控制性好 不足不足：原料利用率低、折射率剖面不够精确 结论结论：擅长制造包层、纤芯制造仅次于PCVD 2. 光纤制造工艺光纤制造工艺23等离子体管内化学气相沉积法（等离子体管内化学气相沉积法（PCVDPCVD）优点优点：沉积层薄、工艺控制性强、折射率剖面精确 原材料利用率高 不足不足：原料要求纯度高、沉积速率低 结论结论：擅长制造纤芯 2. 光纤制造工艺光纤制造工艺24 原材料利用率高原材料利用率高 四氯化硅四氯化硅SiClSiCl4 4 100%100% 四氯化锗四氯化锗GeClGeCl4 4 8585 氟氟C C2 2F F6 6 90%90% -

10、 - 节约原材料，降低成本，有利环保节约原材料，降低成本，有利环保 沉积层数高达沉积层数高达30003000层，可精确控制折射率的分层，可精确控制折射率的分 布，可良好地对各类光纤的色散进行控制生产布，可良好地对各类光纤的色散进行控制生产 出世界一流水平的高带宽多模光纤以及复杂结出世界一流水平的高带宽多模光纤以及复杂结 构的单模光纤构的单模光纤 不需不需P P2 2O O5 5掺杂，有利于掺杂，有利于1550 nm1550 nm的衰减的衰减 对氢损的影响不敏感对氢损的影响不敏感2. 光纤制造工艺光纤制造工艺25涂覆层涂覆层石英套管石英套管石英衬管石英衬管芯层芯层包层包层包层包层沉积层沉积层石英

11、管石英管PCVDPCVD沉积沉积 芯棒测试芯棒测试套棒套棒筛选筛选成品包装成品包装光纤测试光纤测试拉丝拉丝熔缩熔缩2. 光纤制造工艺光纤制造工艺26反应机理反应机理SiCl4+O2 SiO2+2Cl2GeCl4+O2GeO2+2Cl2优点优点* 沉积层非常薄沉积层非常薄* 工艺控制性强工艺控制性强* 折射率剖面精确折射率剖面精确* 原材料利用率高原材料利用率高2. 光纤制造工艺光纤制造工艺谐振腔谐振腔等离子体等离子体SiCl4+GeCl4+C2F6+O2石英管石英管真空泵真空泵磁控管磁控管PCVD炉体炉体27经经PCVDPCVD沉积好的管子在熔缩车床上熔缩成一实沉积好的管子在熔缩车床上熔缩成一

12、实心预制棒。心预制棒。2. 光纤制造工艺光纤制造工艺28芯棒测试芯棒测试套套 棒棒 熔缩好的芯棒经熔缩好的芯棒经设备测试确定芯设备测试确定芯棒质量棒质量 2. 光纤制造工艺光纤制造工艺29Fusion group 1Fusion group 2Furnace2. 光纤制造工艺光纤制造工艺RITCoating 1stCoating 2ndFeederCapstanTake-up unitMeasurement 1Measurement 2PLC 302. 光纤制造工艺光纤制造工艺拉拉 丝丝31为保证成品光纤有足够的强度，光纤在筛选机上被施为保证成品光纤有足够的强度，光纤在筛选机上被施以一定的张力

13、进行强度筛选。以一定的张力进行强度筛选。2. 光纤制造工艺光纤制造工艺筛筛 选选32 经过强度试验后，经过强度试验后，合格光纤将进行传合格光纤将进行传输性能和几何性能输性能和几何性能的测试。的测试。2. 光纤制造工艺光纤制造工艺测试与包装测试与包装33343. 主要光纤产品主要光纤产品DCF光纤光纤光纤光纤 普普 通通 光光 纤纤 特特 种种 光光 纤纤单模光纤单模光纤多模光纤多模光纤保偏光纤保偏光纤大芯径光纤大芯径光纤光子晶体光纤光子晶体光纤产品分类产品分类353. 主要光纤产品主要光纤产品普通单模光纤普通单模光纤(G652A/B)特点：特点：q 光纤中只传导基模光纤中只传导基模 ；q 芯径

14、小，传输带宽高；芯径小，传输带宽高；q 熔接和耦合困难，对光源要求高；熔接和耦合困难，对光源要求高；q 制造工艺简单。制造工艺简单。单模光纤单模光纤LP00CladdingCore363. 主要光纤产品主要光纤产品多模光纤多模光纤(GIMM)的折射率分布（的折射率分布（G651)折射率分布公式折射率分布公式n2(r)=n21-2(r/a)gg1 三角形分布；三角形分布；g2 抛物线型分布；抛物线型分布；g 阶跃型分布阶跃型分布corecladding37多模光纤多模光纤12CladdingCore3. 主要光纤产品主要光纤产品渐变型多模光纤（渐变型多模光纤（GIMMGIMM）特点：特点：q 光

15、纤中传导多个模式光纤中传导多个模式 ；q 芯径大，模间色散大；芯径大，模间色散大；q 易于耦合，对光源要求低；易于耦合，对光源要求低；q 制造工艺复杂。制造工艺复杂。38精确的折射率剖面精确的折射率剖面控制控制消除中心凹陷消除中心凹陷消除芯层消除芯层/ /包层界面包层界面缺陷缺陷3. 主要光纤产品主要光纤产品PCVDPCVD工艺在制造多模光纤中的优势工艺在制造多模光纤中的优势PCVDNONPCVD393. 主要光纤产品主要光纤产品各种光纤的用途各种光纤的用途单模光纤：单模光纤：q普通单模：高速率、长距离传输通信主干网。普通单模：高速率、长距离传输通信主干网。多模光纤：多模光纤：q50um50u

16、m多模：局域网通信、音多模：局域网通信、音/ /视频信号传输和数据传输。视频信号传输和数据传输。q62.5um62.5um多模：多模：局域网通信（北美地区使用较多）。局域网通信（北美地区使用较多）。403. 主要光纤产品主要光纤产品特种光纤简介特种光纤简介保偏光纤特点：保偏光纤特点：q 双折射率高，保双折射率高，保偏性能好偏性能好 ；q 衰耗低；衰耗低；q 弯曲稳定性好；弯曲稳定性好；保偏光纤应用：保偏光纤应用：q 光纤陀螺光纤陀螺 ；q 偏振敏感器件；偏振敏感器件；q 偏振传感器；偏振传感器；熊猫型保偏光纤熊猫型保偏光纤413. 主要光纤产品主要光纤产品特种光纤简介特种光纤简介DCFDCF光

17、纤特点：光纤特点：q 负色散值（反色负色散值（反色散光纤）散光纤） ；q 高色散斜率；高色散斜率；q 芯径小，相对折芯径小，相对折射率高；射率高；17DispersionWavelength-130SM fiberDCF fiber1550nm1310nm423. 主要光纤产品主要光纤产品DCFDCF光纤应用光纤应用433. 主要光纤产品主要光纤产品特种光纤简介特种光纤简介大芯径光纤特点：大芯径光纤特点：q 光纤芯径大（可达到光纤芯径大（可达到190um190um以上），以上），NANA值大值大 ；q 与光源间的光耦合效率高；与光源间的光耦合效率高；q 允许更高的光源密度；允许更高的光源密度；

18、大芯径光纤应用：大芯径光纤应用：q 工业局域网工业局域网 ；q 光纤传感；光纤传感；q 激光能量传输；激光能量传输；443. 主要光纤产品主要光纤产品特种光纤简介特种光纤简介光子晶体光纤（光子晶体光纤（PCFPCF）：）：454. 4. 光纤技术发展概况光纤技术发展概况461980-20101980-2010年中国电话用户和电话普及率年中国电话用户和电话普及率0.43%0.60%1.11%4.66%13%38%0501001502002503003504004505001980198519901995200020100.00%5.00%10.00%15.00%20.00%25.00%30.00

19、%35.00%40.00%电话用户电话普及率语音业务的发展语音业务的发展47中中国国19951996199719982000上上网网计计算算机机数数70003600016000074 万万上上网网用用户户62 万万210 万万1000 万万美美国国 19951998上上网网人人数数1350 万万6000 万万全全球球到到2000 年年上上网网计计算算机机数数1 1 亿亿 上上网网用用户户 5 5 亿亿因特网业务量以每年翻两番的速度急剧增长因特网业务量以每年翻两番的速度急剧增长 48 人均敷设光纤人均敷设光纤 4. 4.5 5 米米 人均敷设光纤人均敷设光纤 8080 米米 至至 1991999

20、 9 年底年底 中国人均光纤拥有量中国人均光纤拥有量 2 20 0 米米 美国人均光纤拥有量美国人均光纤拥有量300300 米米 全球光纤正以全球光纤正以1000m/s1000m/s铺设铺设人均光纤拥有量，正成为判断一个国家信息化程度的标志 1999年年49100M单信道传输速率向单信道传输速率向40G40G更高发展更高发展External Mod.MQW速 率10M1G10G80909520002005F-32M78F-100M78C-140M81F-400M82F-1.6G85FTM-2.4G90C-565M86C-34M8045M7890M80D-135M83D-405M83D-560M85D-1.12G87ITS-60091ITS-240092FTM-600M89FA-10G95 s-in10G92SMS-250094PDH实验室设备商 用100GW896W1697W3298SONETPD