第二讲光纤技术演示文稿

第二讲光纤技术演示文稿目前一页\总数五十九页\编于十七点（优选）第二讲光纤技术目前二页\总数五十九页\编于十七点一、光纤基本知识1、光纤的基本概念2、光纤的传输特性（损耗）3、光纤光缆的制造目前三页\总数五十九页\编于十七点1光纤的基本概念一、光波导(OpticalWaveguide)导波光：受到约束的光波光波导：约束光波传输的媒介介质光波导三要素：“芯/包”结构凸形折射率分布，n1>n2低传输损耗目前四页\总数五十九页\编于十七点

介质光波导“波导”:交通：公路，铁路，高速公路 电：电线，平面电路 光：光纤，平面光波导目前五页\总数五十九页\编于十七点光波导的分类薄膜波导（平板波导）矩形波导（条形波导）对称与非对称波导园柱波导（光纤）目前六页\总数五十九页\编于十七点平板波导目前七页\总数五十九页\编于十七点矩形波导脊型波导沟道波导平面掩埋沟道波导目前八页\总数五十九页\编于十七点对称/非对称波导对称波导：芯区周围的介质折射率相同非对称波导：芯区周围的介质折射率不同目前九页\总数五十九页\编于十七点光波导技术的广阔应用领域目前十页\总数五十九页\编于十七点研究方法目前十一页\总数五十九页\编于十七点1光纤的基本概念光纤是一种高度透明的玻璃丝，由纯石英经复杂的工艺拉制而成。光纤是一种介质圆柱光波导，它能够约束并导引光波在其内部或其表面附近沿其轴线方向向前传播光纤中心部分(芯Core)＋同心圆状包裹层(包层Clad)＋涂覆层目前十二页\总数五十九页\编于十七点光导纤维(fiber)提高玻璃纤维抗拉强度满足成缆需要，增加光纤机械强度目前十三页\总数五十九页\编于十七点特点：ncore>nclad光在芯和包层之间的界面上反复进行全反射，并在光纤中传递下去。目前十四页\总数五十九页\编于十七点按照截面折射率分布分：阶跃折射率分布光纤渐变折射率分布光纤ITU-T标准光纤G.652：普通单模光纤（SMF）G.653：色散位移光纤(DSF)G.655：非零色散位移光纤(NZ-DSF)按照传输模式的多少分：单模光纤（SMF）多模光纤（MMF）特种光纤:保偏光纤（PMF）色散补偿光纤（DCF）掺铒光纤（EDF）等光纤的分类目前十五页\总数五十九页\编于十七点目前十六页\总数五十九页\编于十七点（1）根据芯区折射率径向分布的不同分类阶跃折射率分布光纤（SIOF）

Step-indexopticalfiber渐变折射率分布光纤（GIOF）

Gradual-indexopticalfiber不同的折射率分布，传输特性完全不同目前十七页\总数五十九页\编于十七点（2）根据传播模式数量的不同分类光纤的芯径、折射率差（）、所使用波长可传播的模的数量不同多模光纤2a=50m单模光纤2a=4~10mMMFSMF目前十八页\总数五十九页\编于十七点保偏光纤(PolarizationMaintainingFiberorPolarization)偏振目前十九页\总数五十九页\编于十七点掺铒光纤掺镱光纤

掺镱光纤目前二十页\总数五十九页\编于十七点塑料光纤目前二十一页\总数五十九页\编于十七点光子晶体光纤New目前二十二页\总数五十九页\编于十七点光纤的导光原理阶跃折射率光纤（SIOF）目前二十三页\总数五十九页\编于十七点典型光线传播轨迹目前二十四页\总数五十九页\编于十七点光纤基本参数相对折射率差 相对折射率差是表示纤芯和包层折射率差异程度的参数，其物理含义是表示把光封闭在光纤中的难易程度。

目前二十五页\总数五十九页\编于十七点数值孔径(NA--NumericalAperture)目前二十六页\总数五十九页\编于十七点数值孔径n2n1n0OC目前二十七页\总数五十九页\编于十七点2光纤的损耗1854年，英国的廷达尔观察到光在水和空气的界面上做全反射以致光随水流而弯曲的现象；目前二十八页\总数五十九页\编于十七点瑞士，物理学家科拉登第一次应用：喷泉（歌剧）；水幕电影20世纪，玻璃棒导光－牙医；1929年和1930年，美国的哈纳尔和德国的拉姆先后拉制出石英光纤且用于光线和图像的短距离传输；此时的光纤波导的理论和应用技术进展相当缓慢，主要原因是当时光纤损耗太大，达到几百甚至一千多分贝/公里，这种光纤对通信是毫无用处的。目前二十九页\总数五十九页\编于十七点1966年，高锟博士发表了著名的论文“光频介质纤维表面波导”，明确提出通过改进制备工艺，减少原材料杂质，可使石英光纤的损耗大大下降，并有可能拉制出损耗低于20dB/km的光纤。这是一个富有创造性的科学论断，激励了全世界许多重要实验室的科学家从事进一步研究；目前三十页\总数五十九页\编于十七点“光纤之父”－－高锟博士高锟1933年生于上海；1948年，他们举家迁往香港就读了伦敦大学。毕业后，他加入英国国际电话电报公司ITT任工程师，因表现出色被聘为研究实验室的研究员，同时攻读伦敦大学的博士学位，１９６７年毕业。目前三十一页\总数五十九页\编于十七点1970年，美国的康宁玻璃公司（CorningGlassCo.）率先将高锟博士的科学预言变为现实，研制出在0.6328um波长下损耗为20dB/km的石英光纤，取得了重要的技术突破。在短短几十年时间里，光纤的损耗已由1000dB/km下降到0.16dB/km，致使光纤通信在世界范围内形成一个充满活力的新兴产业。目前三十二页\总数五十九页\编于十七点“中国光纤之父”－－赵梓森

院士赵梓森，广东中山人，1932年生，1953年大学毕业后一直在武汉工作，1995年当选为中国工程院院士。目前三十三页\总数五十九页\编于十七点他所在的武汉邮科院于1973年开始研究光纤通信，当时困难很多，不仅有技术方面的，还有环境方面的。环境就是处在“文化大革命”当中，工作条件很差，研究室只剩下几个人，实验室也就只有一个过去用来洗化学瓶子的房子。那时候没有什么杂志，没有看过光导纤维，也不知道应该怎么研制。于是，他们就自己摸索着搞，用四氯化硅加氧气，氧气取代了氯气，就变成了二氧化硅；二氧化硅就是光导纤维的材料——石英。目前三十四页\总数五十九页\编于十七点做光导纤维，它的原料纯度要达到0.999999999，九个9，没有这个纯度，光导纤维传输损失很大，就不能用。他们搞化学是外行，这个纯度搞不了。于是请北京建材学院帮忙，对方说搞光导纤维，没有上千万元是搞不出来的，他们一下子被吓住了，再也不敢去问了。后来，与武汉大学化学系合作，最终搞出了九个9。目前三十五页\总数五十九页\编于十七点材料搞出来了，还要把它变成玻璃。开始在试管里做，但后来发现温度不够高，一定要高到1500℃以上。但在这个温度下白金坩埚也早就化了，所以改在石英管里炼。他们跟玻璃技师一起研究，用电炉加热到1400℃，结果什么也没有。于是又加高温度，得到一些白粉，很高兴，但经化验却是硅胶。又经过几十次的试验，并设计制作了专门炼玻璃的熔炼车床后，才做出了超纯石英。目前三十六页\总数五十九页\编于十七点要把超纯石英做成光导纤维，就先要拉成丝，同样十分困难。丝的半径是125微米，误差不能超过3微米。没有拉丝的设备，自己做。做自动控制设备，用激光来测量，最后拉出了光导纤维；还要测量它的传输损失多大、带宽多少，全套东西都是自己动手。就这样，到1976年上半年，熔炼拉出了200米石英光纤，从此，结束了我国无光纤的历史。目前三十七页\总数五十九页\编于十七点1976年在邮电部工业学大庆展览会上，赵梓森带着“新成果”去演示时，还是用的橡皮泥、螺丝钉的土办法将光纤对准接收器。演示引起了邮电部长很大兴趣，甚至亲自参与演示过程，并说“光纤通信要作重点”。此后，我国光纤通信产业蓬蓬勃勃发展起来。目前三十八页\总数五十九页\编于十七点目前三十九页\总数五十九页\编于十七点3、光纤损耗的来源光信号在光纤中传输过程中的损耗主要来自于一下几个方面：（1）光纤材料的吸收与散射损耗；（2）光纤的弯曲辐射损耗；（3）光纤的连接（4）耦合损耗。目前四十页\总数五十九页\编于十七点（1）光纤材料的吸收与散射损耗；本征吸收：光纤材料对光信号的吸收。杂质吸收：杂质不是指光纤中的掺杂物，而是由于材料不纯净及工艺不完善而引入的杂质，如过渡金属离子和OH-离子。原子缺陷吸收：由于材料受到热辐射或光辐射引起的。散射损耗：在光纤材料中，由于某种远小于波长的不均匀性引起的光散射构成光纤的散射损耗。目前四十一页\总数五十九页\编于十七点3、光纤损耗特性第二传输窗口第一传输窗外吸收红外吸收瑞利散射0.22.5损耗(dB/km)波长(nm)OH离子吸收峰第三传输窗口在1.55m处最小损耗约为0.2dB/km损耗主要机理：材料吸收、瑞利散射和辐射损耗目前四十二页\总数五十九页\编于十七点（2）光纤的弯曲辐射损耗光纤实际应用中不可避免的要产生弯曲，这就伴随着产生光的弯曲辐射损耗。这种损耗的原因是：当光纤弯曲时，全反射条件破坏，约束能力下降，原来在纤芯中以导模形式传播的功率将部分地转化为辐射模功率并逸出纤芯而形成损耗。目前四十三页\总数五十九页\编于十七点（3）光纤的连接损耗光纤与光纤的连接损耗由被连接光纤纤芯结构参数的差异（内部损耗因子）及光纤连接的质量（外部损耗因子）引起的。内部损耗因子：包括纤芯半径、相对折射率差、折射率分布参数；外部损耗因子：包括光纤端面质量、光纤的横向、角向与纵向偏移以及端面间折射率匹配和光纤焊接中的纤芯轴畸变。目前四十四页\总数五十九页\编于十七点横向偏移纵向偏移角向偏移目前四十五页\总数五十九页\编于十七点（4）耦合损耗。光源与光纤的耦合损耗光纤与光器件的耦合损耗目前四十六页\总数五十九页\编于十七点3、光纤光缆的制作各种不同的结构、特性参数和折射率分布的光纤，可分别用于不同的场合。纤芯和包层都用石英作为基本材料，折射率差通过在纤芯和包层进行不同的掺杂来实现。纤芯掺入Ge和P折射率包层掺入硼

B折射率目前四十七页\总数五十九页\编于十七点材料的提纯预制棒的制作拉丝成缆9个9(ppb)用气相沉积法制作具有所需折射率分布的预制棒使用精密馈送机构将预制棒以合适的速度送入炉中加热目前四十八页\总数五十九页\编于十七点典型预制棒长1m,直径2cm目前四十九页\总数五十九页\编于十七点(1)制作预制棒

MCVD—改进的化学汽相沉积法

PVCD－等离子体激活化学汽相沉积法（主要区别：将MCVD中的氢氧焰喷灯改用微波腔体加热）目前五十页\总数五十九页\编于十七点

MCVD法的特点：在石英反应管（趁底管）内沉积内包层和芯层的玻璃，整个系统处于封闭的超提纯状态下。MCVD法制备光纤预制棒示意图掺杂试剂目前五十一页\总数五十九页\编于十七点第一步：熔制光纤的内包层玻璃。主体材料：液态SiCl4；掺杂试剂：CF2Cl2,SF6,C2F4；载运气体：O2SiCl4+O2→SiO2+2Cl2↑2CF2Cl2+SiCl4+2O2→SiF4+2Cl2+2CO2↑石英管内壁上形成SiO2－SiF4玻璃层，作为光纤内包层。掺杂试剂目前五十二页\总数五十九页\编于十七点第二步：熔制芯层玻璃。主体材料：液态SiCl4；掺杂试剂：GeCl4；载运气体：O2SiCl4+O2→SiO