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1、光纤材料与光纤通信机材学院A104111012020115 褚小菲简介自3O年前高锟博士预示石 英玻璃总衰耗降至20 dBkm 以下有望作为光通信介质之日 起，人们对光纤的各种应用及 相应制造材料一直进行着艰辛 的 探索。今天光纤已被广泛应 用于通信、广播电视及各种传 感领域。目录简介 一 光纤定义及成分 二 工作原理 三 光纤种类 四 光纤优点 五 光纤结构 六 光纤通信的发展历史 七 光纤技术的发展前景一 光纤定义及成分光纤是光导纤维的简写，是一种利用光在玻璃或 塑料制成的纤维中的全反射原理而达成的光传导 工具。一般由纤芯、包层和涂敷层构成的多层介 质结构的对称圆柱体。 目前通信用的光纤，
2、主要是石英系光纤，其主要 成分是高纯度的SiO2。 如果在石英中掺入某些杂 质，使其折射率高于SiO2,即形成光纤的纤芯。同 样如果在石英中掺入折射率低于石英的掺杂剂， 即成为包层。 纤芯中广泛应用的掺杂剂为二氧化 锗（GeO2）、五氧化二磷(P2O5)等， 而包层中主 要的掺杂剂为三氧化二硼（B2O3）、氟（F）等 光导纤维的制造工艺简介光纤是由圆柱形的预制棒拉制而成的，因而光纤的生产 工艺主要包括制造圆柱形预制棒和拉丝工艺。 预制棒的制造方法主要有化学汽相沉积法，如改进的化 学汽相沉积法MCVD (Modified Chemical VapoDeposition)。 MCVD是目前使用最广
3、泛的预制棒生产工艺。 MCVD法生产 光纤预制棒的基本原理是用氧气按特定的次序将SiO2、 GeCl4、BCl3送入旋转的高纯硅管中，硅管维持较高的温度 ，使硅和掺杂元素(Ge、 B等)按受控方式产生化学反应。反 应的产物均匀沉积在硅管的内壁，随着沉积不断产生，中空 的硅管逐渐被封闭。 SiCl4+O2 SiO2+2Cl2 4BCl3+3O22B2O3+6Cl2 最 后沉积光纤的纤芯， 其氧化反应过程为： SiCl4+O2 SiO2+2Cl2 GeCl4+O2GeO2+2Cl2光纤通信示意图50 m100 m皮心子（石英）光导纤维光缆 光放大器光 缆九江传导原理：全反射北京二 工作原理光导纤维
4、是由两层折射率不同的玻璃组成。一般内芯玻璃 的折射率比外层玻璃大1%，根据光的折射和全反射原理 ，当光线射到内芯和外层界面的角度大于产生全反射的临 界角时，光线透不过界面，全部反射。这时光线在界面经 过无数次全反射，以锯齿状路线在内芯向前传播，最后传 至纤维的另一端。 光纤主要有两项特性：损耗和色散。 光纤每单位长度的损耗或者衰减，关系到光纤通信系统传 输距离的长短和中继站间隔的距离的选择。 光纤的色散 反应时延畸变或脉冲展宽，对于数字信号传输由为重要。 每单位长度的脉冲展宽，影响到一定传输距离和信息传输 容量光纤通信基本理论：光在光线中的全反射n1sin1=n2sin2 若要实现全反射，则必
5、须有 n1n2， 2=900 入射临界角arcsin(n2/n1)n1n2n1 n2n1n2临界角900临界角n1n2全反射入射角=反射角12激光沿着锯齿状曲折前进三 光纤种类光纤的种类有很多种，分类方法也各不相 同，常见的有三种方法 按材料分为：石 英光纤、多组分玻璃光纤、塑料光纤、液 芯光纤。 按传输模式分：中心玻璃芯较 粗、单模光纤。 按光纤折射率分布分： 阶跃折射率光纤、渐变折射率光纤、W型光 纤。四 光纤优点 与电缆或微波等电通信方式相比，光纤通信的优点如 下 传输频带极宽，通信容量很大； 由于光纤衰 减小，无中继设备，故传输距离远； 串扰小，信号 传输质量高； 光纤抗电磁干扰，保密
6、性好； 光 纤尺寸小，重量轻，便于传输和铺设； 耐化学腐蚀 ； 光纤是石英玻璃拉制成形,原材料来源丰富，并节约 了大量有色金属。 除以上特点之外,还有光纤径细、重量轻、柔软、易于 铺设;光纤的原材料资源丰富,成本低;温度稳定性好、寿命 长。由于光纤通信具有以上的独特优点,其不仅可以应用 在通信的主干线路中,还可以应用在电力通信控制系统中, 进行工业监测、控制,而且在军事领域的用途也越来越为 广泛。五 光纤结构纤 芯包 层涂敷层护 套单模光纤内径：9m多模光纤内径：50m外径125m尺寸规格：光纤的典型结构是一种细长多层同轴圆柱形实体 复合纤维。 自内向外为：纤芯（芯层）-包层-涂覆层（ 被覆层
7、）。核心部分为纤芯和包层，二者共同构 成介质光波导，形成对光信号的传导和约束，实 现光的传输，所以又将二者构成的光纤称为裸光 纤。 涂覆层又称被覆层，主要对裸光纤提供机械保护 ，可分为一次涂层和二次涂层纤芯（芯层）： 光纤的纤芯主要由具有高折射率（记为n1）的导光材料制 成，如：SiO2光纤芯层材料多为SiO2-GeO2。它的作用 是传导光，使光信号在芯层内部沿轴向向前传输； 包层： 光纤的包层由低折射率（记为n2）导光材料制成（折射率 较纤芯低），如：SiO2光纤包层材料多为SiO2B2O3或 SiO2P2O5。它的作用是约束光。由于纤芯和包层的折射 率，满足n1n2光传导条件，光波在芯包界
8、面上可发生全 反射，使大部分的光能量被阻止在芯层中，从而导致光信号 沿芯层轴向向前传输。 涂覆层（被覆层）： 光纤涂覆层是为保护裸光纤、提高光纤机械强度和抗微弯强 度并降低衰减而涂覆的高分子材料层。一般情况下涂覆层有 二层，内层为低模量高分子材料，称为一次涂层；外层为高 模量高分子材料，称为二次涂层：一次涂层：又分预涂层和缓冲层两层，常 用材料有硅酮树脂、紫外固化炳烯酸酯UV 等； 二次涂层：其结构有三种，它们是紧套结 构、松套结构、带状结构。常用材料有尼 龙PA12、聚乙烯PE、硅橡胶、聚酰胺塑料 、聚对苯二甲酸丁二醇酯PBT，聚丙烯， 聚脂等。光缆1.定义: 光缆是由若干根这样的光纤经一定
9、方式绞合、 成缆并外挤保护层构成的实用导光线制品。 2.作用: 光缆内的加强件及外保护层等附属材料的作用 主要是保护光纤并提供承缆、敷设、储存、运 输和使用要求的机械强度、防止潮气及水的侵 入及环境、化学的侵蚀和生物体啃咬等。六 光纤通信的发展历史四大里程碑 1960年，世界上第一台相干振荡光源红宝石激光器 问世。 1970年，美国康宁玻璃公司的卡普隆（Kapron）博 士等 拉制出损耗仅为20 dB/km的光纤 1985年，南安普敦大学的Mears等人制成了掺铒光纤 放大器（erbium-doped fiber amplifier, EDFA） 90年代，光纤光栅、全光纤光子器件、平面波导器
10、件 及其集成的出现 1962年第一只半导体激光器诞生，随后 半导体光检测器也研究成功。 1966年英籍华人科学家高锟与Hockham 提出用玻璃可以制成衰减为20dB/km的 通信光导纤维. 1970年美国康宁公司首先制出了 20dB/km的光纤，这标志着光纤通信系 统的实际研究条件得以具备。七 光纤技术的发展前景对光纤通信而言,超高速度、超大容量和超长距离传输一直 是人们追求的目标,而全光网络也是人们不懈追求的梦想。 所以我们应该努力像一下几个方面去发展： 向超高速系统的发展。 向超大容量WDM系统的演进。 开发新代的光纤 全光网络。 未来的高速通信网将是全光网。全光网是光纤通信技术发 展的最高阶段,也是理想阶段。 目前,全光网络的发展仍 处于初期阶段,但它已显示出了良好的发展前景。从发展趋 势上看,形成一个真正的、以 WDM技术与光交换技术为主 的光网络层,建立纯粹的全光网络,消除电光瓶颈已成为未 来光通信发展的必然趋势,更是未来信息网络的核心,也是 通信技术发展的最高级别,更是理想级别现 代 通 信 用 光 缆光 学 纤 维 胃 镜用光导纤维做手术 ，不用开刀
