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1、上海弘鹰光纤器件有限公司产品深圳恒尔科技有限公司 Commscope SYSTIMAX光纤产品 深圳恒尔科技有限公司 长飞光缆 第十一章 光纤材料 11.1 概述 一光导纤维的发展过程:1930年: 德国进行了光在玻璃纤维中传播 的第一个实验;1970年: 美国康宁玻璃公司采用高纯二氧 化硅拉制出世界上第一根低损耗光纤;1976年: 美国西屋电气公司成功进行了世 界上第一个44.736Mbits/s传输110km的 光纤维通讯系统的现场试验；1981年: 大规模产业化二四个重要的阶段:短波长(0.85m)多模光纤阶段(75-76年): 45Mbits/s;长波长(1.3m)多模光纤阶段(82年
2、): 传输 速率和距离大幅度提高;长波长(1.3m)单模光纤阶段(80年代后半 期): 600Mbits/s，无中断线距离达30km;全光传输通讯系统(1.55m)(90年代): 1040Gbits/s;三我国发展情况: 90年代开始研究光纤通讯技术 1977年：武汉邮电科学院研制出中国第一根阶 跃进折射率式多模光纤; 1979年: 第一个采用短波长多模光纤进行的 8.0Mbits/s、5.7km的室内通讯试验系统; 1987年:第一个国产长途通讯系统建成，全长 250km，由武汉到荆州，34Mbits/s 1988年：国内光纤通讯系统的应用由多模光纤 向单模光纤过渡 1991年：第一条国产化
3、140Mbits/s的单模光纤 光缆线路，150km，跨越长江(合肥到芜湖) 1999年: 覆盖全国的8横8纵光缆线路贯通11.2 导波光学原理 一光纤中光线的传播从端面入射的光线分为:子午线(过光轴平面),斜光线光纤的基本构成:光是一种电磁波,一般采用波动理论来分析导光的基 本原理。然而根据光学理论指出：在尺寸远大于波长而 折射率变化缓慢的空间,可以用“光线”即几何光学的方 法来分析光波的传播现象,这对于光纤中的多模光纤是完 全适用的。为此, 采用几何光学的方法来分析。 1、斯乃尔定理（Snells Law） 当光由光密物质(折射率大)入射至光疏物质时发生折射， 如图(a)，其折射角大于入射
4、角，即n1n2时，ri。 n1n2ri(a)光的折射示意图 可见，入射角i增大时，折射角 r也随之增大，且始终ri。n1、n2、r、i之间的数学关系为n1sini=n2sinr 当ii0并继续增大时，r90，这时便发生全反射 现象，如图(c) ，其出射光不再折射而全部反射回来。式中：i0临界角i0=arcsin(n2/n1)sini0=n2/n1 sinrsin901n1n2ri(c)光全反射示意图n1n2ri(b)临界状态示意图 当r=90时，i仍90，此时 ，出射光线沿界面传播如图（b ），称为临界状态。这时有1.子午线 由上可以导出: 所有与光纤轴的夹角小于临界角的光线碰到纤 芯与包层的
5、界面时,都将发生全内反射,因而光 可从光纤的一端传到另一端(传输模); 那些与光纤轴的夹角大于临界角的光线碰到 纤芯与包层的界面时,都将产生折射,即有部分 光进入包层,很快衰减完(泄模) 当纤芯直径仅几倍于光波波长时,光纤中只有接 近平行于轴的光线传播,称为单模传播 若纤芯直径为波长的几十倍时可传播多种光线, 称为多模传播 多模光纤中不同角度光线到达接收端的时延不 同,将产生脉冲展宽,此即色散. 2.斜射光线 不在一个平面内 限制在两个共轴圆柱面(散焦面)之间,其中一个为 纤芯与包层的边界面(外散焦面),内散焦面位置由 1和1决定. 1=90时,两散焦面重合斜射光线满足全反射条件时的最大入射角
6、为: 二.光纤的特性参数 1.相对折射率差(表聚光能力):2.数值孔径(接收入射光能力)阶跃光纤中的子午线: 阶跃光纤中的斜射线: 渐变光纤3.归一化频率(接收多种入射光能力)弱波导条件下: 4.截止波长: 三光纤通讯系统的组成光发送机与光源:将电信号加在电光材料上,使该材料的光 学性质(n)按电信号的规律变化,再使光源( 激光器或发光二极管)发出的光通过加上 电信号的电光材料,使光携带上信号(光信 号)检测器和光接收机:光电二极管将光信号还原成电信号,并经 放大、整形和再生恢复处理，成为电信 号输出。四. 光纤通讯的特点优点： 频带宽，容量大； 损耗小； 抗干扰能力强，质量高，保密性好； 成
7、本低廉； 化学性质稳定。缺点： 弯曲半径不宜过小； 切断与连接操作要求高； 分路和耦合要求高。11.3 光纤的种类 一.分类1.石英玻璃光纤 组成: SiO2+Ge(提高折射率)+B(降低折射率)(+CF2CCl2F2有同 效)+P(POCl3)(降低熔点) 应用:主要用于通讯，也用于传感器 基本构造:纤芯/包层/碳涂覆层(高分子涂覆层) 损耗特性: a. 吸收损耗:来源于本征吸收损耗,杂质吸收 损耗和原子缺陷损耗(受热或光辐射激励 引起的吸收)等b. 散射损耗:瑞利散射:密度不均匀和折射率不均匀引 起的对光散射造成的光功率的损失,与光 波波长的四次方成反比(目前光通讯向长 波长发展的原因)波
8、导散射:波导结构不规则导致模式间耦 合,或耦合成高阶模进入包层,或耦合成辐 射模辐射出光纤,从而造成损耗非线性损耗:功率较大时,因诱发喇曼散射 和受激布里渊散射所致 c. 弯曲损耗和涂覆层损耗光纤的损耗谱: 三个窗口: 0.85m 1.3 m 1.55 m色散特性: 材料色散:材料对不同波长的光的折射率不 同所致; 波导色散:由于波导结构不同,使同一模式的 肪冲因频率不同而产生延时. 调节光纤参数可使波导色散在1.55 m处 抵消材料色散,此即色散位移光纤(DSF) 、真波光纤等的设计原理。 2. 塑料光纤优点：柔韧，制造简单，纤芯和数值孔 径较易做大，耦合容易缺点：损耗大3. 多组分玻璃光纤
9、SiO2(主组分)+B2O3,GeO2,P2O5,As2O3等玻璃 形成体+Na2O,K2O,CaO,MgO,BaO,PbO等改性 剂主要用于传感器领域二.红外光纤 引子在5000km的传输距离上：用1.5m的光纤传输系统，需33个中继 站用3.0 m的光纤传输系统，需1个中继 站在此新波段传输的损耗小 卤化物晶体光纤(单晶体与多晶体)A. 特点： 制造难度比氧化物光纤大，且需涂保护 涂层 传输损耗低，理论值比石英光纤小12个 数量级(几千km无中继站)B.材料：卤化铊: KRS-5(TlBrI)KRS-6(TlClI) 3. 玻璃态红外光纤A. 氟化物玻璃氟化铍：无中继传输距离可达数百至数千
10、km；氟化锆： 理论损耗：0.001dB/km(2.55m) 有望实现横跨大洋的无中继通讯 组成：氟化锆(6070%)+氟化钡(20 30%) (网 络改性剂降低熔点)+玻璃稳定剂 (AlF3,LaF3,ThF4,PbF2晶化抑制剂)+PbF2(指 数改进剂)B. 硫属玻璃光纤：As,Ge,Sb与硫属元素 S,Se构成，主要用于短距离传能C. 重金属氧化物光纤GeO2：主要用于传输80GeO2-10ZnO-10K2O空心纤维可供用 于CO2激光器传能用的一种较好的包层材 料 11.4 光纤的制备工艺分两步进行：光纤预制棒或晶锭的制备抽丝一. 光纤预制棒的制备方法概述1. 气相沉积技术 原材料的
11、制备(工业)Si+2Cl2SiCl4提纯：精馏+吸附+精馏吸附混 合 预制棒的制备： A.OVD-Outside Vapour Deposition(外部化学汽相沉积):氢氧焰或甲烷焰水解生成卤化物，沉积 形成多孔层，再烧结而成SiCl4(g)+2H2O(g)SiO2(s)+4HCl(g)B. VAD-Vapor Axial Deposition(轴向化学汽相沉积)可制出大型的预制件，可采用低纯原料，上方 烧结C. MCVD-Modified Chemical Vapor Deposition(改进的化学汽相沉积)分为沉积和成棒两个步骤：沉积：空心石英管内通入卤化物气体和氧气， 氢氧焰灯在管外沿轴向均匀移动加热石 英玻璃管的外表面，促进管内反应，生 成微粉沉积在管内壁，再在喷灯高温作 用下熔融形成超薄纯玻璃层 。SiCl4(g)+2O2(g)SiO2(s)+2Cl2(g)成棒：将空心石英玻璃管沿轴向逐段加热到 2000oC,熔融成实心预制棒。D. PCVD-Plasma Chemical Vapor Deposition(等离子体化学汽相沉积)沉积：与MCVD工艺相似，机理不同，热 能来源于：微波激活气体产生等离子体 ，使气体电离，电离形成的带电离子重 新复合，释放出反应所需的热量。成棒：氢氧焰高温下熔缩成实心预制棒2. 拉丝 关键：保持芯包比和折射率分布不变
