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1、光纤几何性能及光学性能第一篇：光纤几何性能及光学性能光纤的几何及光学性能1. 光纤概述光纤是光波传输的介质，是由介质材料构成的圆柱体，分为芯子和包层两部分。光波沿芯子传播。在实际工程应用中，光纤是指由预制棒拉制出纤丝经过简单被复后的纤芯，纤芯再经过被复，加强和防护，成为能够适应各种工程应用的光缆。光波在光纤中的传播过程是一个复杂的电磁场的边界问题，一般来说，光纤芯子的直径要比传播光的波长高几十倍以上，因此利用几何光学的方法定性分析是足够的，而且对问题的理解也很简明、直观。当一束光纤投射到两个不同折射率的介质交界面上时，发生折射和反射现象。对于多层介质形成的一系列界面，若折射率n1n2n3nm，
2、则入射光线在每个界面的入射角逐渐加大，直到形成全反射。由于折射率的变化，入射光线受到偏转的作用，传播方向改变。光纤由芯子、包层和套层组成。套层的作用是保护光纤，对光的传播没有什么作用。芯子和包层的折射率不同，其折射率的分布主要有两种形式：连续分布型（又称梯度分布型）和间断分布型（又称阶跃分布型）。当入射光经过光纤端面的折射后进入光纤，除了与轴向方向一致的光沿直线传播外，其余的光线则投射到芯子和包层的交界面：一种在界面形成全反射，这些光线将与光轴保持不变的夹角，呈锯齿状无损耗地在光纤芯子内向前传播，称之为传播光；另外一种在界面处只有一部分形成反射，还有一部分折射进入包层，最后被套层吸收，反射的光
3、线再次到达界面时又会有一部分损耗，因而不能传播，称为非传播光。因此，光纤芯子和包层的折射率及折射率的分布与光纤的转播特性有密切关系。2. 光纤几何尺寸参数光纤的尺寸参数是光纤的最基本的标准化参数。尺寸参数除了对光纤的光传输、机械等性能有影响外，它们还对光纤的连接损耗的大小起着至关重要的作用。例如，单纤接续则要求被接光纤纤芯尺寸参数相同，但是光纤带的接续则要用光1 纤外径作为纤芯对准的参数，故要求光纤的外径应均匀一致。光纤的尺寸参数标准既是光纤制造的几何尺寸依据，又是光纤制造中严格控制的指标，还是判别光纤产品合格与否的质量标准。众所周知，光纤玻璃几何尺寸规定为圆对称结构。因此，2022年10月国
4、际电信联盟电信标准化部（ITU-T）最新推荐的用来表征光纤尺寸的特征参数是：包层、包层中心、包层直径、包层直径偏差、包层容差范围、包层不圆度、芯中心、预涂覆层直径、缓冲层直径和光纤长度变化等。光纤尺寸参数的测量方法有：近场图像法、折射近场法、俯视法、传输近场法等。借助这些几何尺寸参数测量方法，可对光纤玻璃的几何尺寸参数进行单个几何尺寸参数测量，也可进行多个几何参数测量。工程应用中通常只测量其中几项主要参数。3. 光纤传输特性和光学特性光纤的传输特性和光学特性对光纤通信系统的工作波长、传输速率、传输距离和信息质量等都有着至关重要的作用。光纤的传输特性和光学特性具体涉及到的适用特性有：衰减、色散、
5、截止波长、模场直径、基带响应、数值孔径、有效面积、光学连续性和微弯敏感性等等。其中主要特性包括： 1）衰减特性衰减是光纤中光功率减少量的一种度量，它取决于光纤的工作（波长）类型和长度，并受测量条件的影响。通常，对于均匀光纤来说，可用单位长度的衰减，既衰减系数反映光纤的衰减性能的好坏。在鉴别光纤性能和系统设计等实际应用中，人们最感兴趣的是光纤在工作波长下的衰减系数，如在工作波长850nm、1310nm和1550nm等处的衰减系数。衰减系数随波长变化的曲线被称为衰减谱，其能直观且形象地反映出在一定波长范围内整个光纤长度上的衰减信息。2）色散光纤中色散主要是指集中的光能，例如光脉冲经过光纤传输后在光
6、纤输出端发生能量分散，导致传输信号畸变。在光纤数字通信系统中，由于信号的各频率2 成分或各模式成分的传输速率不同，信号在光纤中传输一段距离后，将互相散开，脉冲展宽。严重时，前后脉冲将互相重叠，形成码间干扰，增加误码率，影响了光纤的带宽，限制了光纤的传输容量和传输距离。色散是单模光纤的重要参数之一。研究光纤的色散特性，对合理地设计光纤折射率剖面结构，改善光纤的传输特性是极为重要的。值得指出的是：G.653、G.655单模光纤都是由优化光纤工作波长处的材料色散和波导色散的方法，即通过改变光纤波导结构研制出来的新型光纤。单模光纤的色散决定着光纤所能传输的速率、距离、容量，对于超常距离、超大容量、超高
7、速率的通信系统有着极为重要的意义。色散和衰减是系统设计的光中继段受限距离的两个重要参数。3）偏振模色散偏振模色散（PMD，Polarization Mode Dispersion）是指单模光纤中的两个正交偏振模之间的差分群时延，它在数字系统中使脉冲展宽产生误码。4）截止波长当光纤的结构参数（折射率与芯径）确定后，光纤是否工作于单模状态完全决定于其中传播光的波长。由于最临近其模LP01的高阶模是LP11。因此我们定义使LP11模截止（完全不能传输）的波长为单模光纤的截止波长c。c定义为总功率，包括注入的高阶模与基模光功率之比减小到小于0.1dB时所对应的更长波长。按照这个定义，当各次模基本上受到
8、均匀激励时，二阶模LP11比基模Lp10衰减大的波长就是截止波长。通常，人们所指的截止波长是实际测得的截止波长。实际测量研究表明，光纤的截止波长与光纤的长度和光纤所处的状态，如弯曲和受到的应力作用等有关。为了使实际测得的截止波长更具工程实用价值，国际电信联盟标准化部门在ITUT G.650（2022）中将实际测量的截止波长分为三类：光缆截止波长、光纤截止波长和跳线光缆截止波长。5）模场直径模场直径是单模光纤所特有的一个重要参数。它的标称值和容差大小与光纤的连接损耗和抗弯性有着密切的关系，而且可以从模场直径随波长的变化谱估算单模光纤的色散值、单模光纤连接损耗、弯曲损耗和单模光纤有效面积等。因此，
9、3 在单模光纤生产光缆、施工接续和实际使用中，人们非常重视模场直径这一参数。第二篇：碳化硅性能碳化硅在自然界几乎不存在，工业上应用的碳化硅是一种人造材料。工业方法生产碳化硅，通常是由SiO2粉和碳粉在高温下还原反应生成。碳化硅分子式为SiC，碳化硅是典型的共价键结合的化合物，它有和两种晶型，即立方型和六方型。立方型称为SiC，它是在18002022形成，属低温产物，主要用于微型轴承的超精研磨。六方型称为SiC，它是在2022以上形成的。碳化硅在一个大气压下的分解温度为2400，无熔点。SiC的理论密度是3.18g/cm3，其莫氏硬度在9.29.3之间，显微硬度3300kg/cm2。碳化硅耐高温
10、，与强酸、强碱均不起反应，导电导热性好，具有很强的抗辐射能力。用碳化硅粉直接升华法可制得大体积和大面积碳化硅单晶。用碳化硅单晶可生产绿色或蓝色发光二极管、场效应晶体管，双极型晶体管。用碳化硅纤维可制成雷达吸波材料，在军事工业中前景广阔。碳化硅超精细微粉是生产碳化硅陶瓷的理想材料。碳化硅陶瓷具有优良的常温力学性能，如高的抗弯强度，优良的抗氧化性，耐腐蚀性，非常高的抗磨损以及低的磨擦系数，而且高温力学性能（强度、抗蠕变性等）是已知陶瓷材料中最好的材料，如晶须补强可改善碳化硅的韧性和强度。由于碳化硅优异的理化性能，使其在石油、化工、微电子、汽车、航天航空、激光、原子能、机械、冶金行业中广泛得到应用。
11、如砂轮、喷咀、轴承、密封件、燃气轮机动静叶片，反射屏基片，发动机部件，耐火材料等。碳化硅虽然是一种优良的磨料及优异的功能材料，但冶炼碳化硅耗电量大，平均每吨耗电9000度，占生产成本的30%以上。超细粉体技术是近几年发展起来的一门新技术，涉及到材料、化工、军工、航天、电子、机械、控制、力学、物理、化学、光学、电磁学、机械力化学、理论力学、流体力学、空气动力学等多种学科和多领域，其综合性高，涉及面广，是典型的多学科交叉新领域。高纯碳化硅粉体材料中的超精细碳化硅微粉，由于粒度细，分布窄，质量均匀，因而具有比表面积大，表面活性高，化学反应快，溶解度大，烧结温度低且烧结强度高，填充补强性能好等特性，以
12、及独特的电性、磁性、光学性能等，广泛应用于国防建设、高技术陶瓷、微电子及信息材料产业，市场前景看好。国防建设是国家经济稳定发展的柱石，国防建设提出的材料性能问题往往不但有一定的科学深度，而且有显著的经济、社会效益，能带动和促进企业的发展，特别是能拓宽市场和研究领域，促进科技与经济的结合，促进企业与研究院所和大专院校的结合。防卫和进攻是国防建设的两大主题，超精细碳化硅粉在这两个领域有着举足轻重的作用。用超精细碳化硅复合材料制造成坦克和装甲车复合板，这种复合板较普通坦克钢板重量轻30%50%，而抗冲击力可较之提高13倍，是一种极好的复合材料。在电子对抗干扰试验中，将各种金属超细化与碳化硅粉体材料制
13、成混合物，用于干扰弹中，对敌方电磁波的屏蔽与干扰效果良好。隐形、隐身飞机、舰船、坦克、装甲车辆为了躲避雷达及卫星的电磁信号，通常采用超精细碳化硅等非金属材料为制造材料。最新研究发现，采用粒径小于5微米的碳化硅超精细微粉制成的涂层涂覆在舰船外表面上可防止海水对其表面的电化学腐蚀，因为碳化硅超精细微粉既具有良好的防腐性能，又具有良好的导电性能。具有特殊功能（电、磁、声、光、热、化学、力学、生物学等）的高技术陶瓷是近2022速发展的新材料，被称之为继金属材料和高分子材料后的第三大材料。在制备高性能陶瓷材料时，原料越纯、粒度越细，材料的烧结温度越低，强度和韧性越高。一般要求原料的粒度小于1微米甚至更细
14、，如果原料的细度达到纳米级，则制备的陶瓷称之为纳米陶瓷，性能更加优异，是当今陶瓷材料发展的最高境界。高纯碳化硅粉体材料是高技术陶瓷材料的重要组成部分，用碳化硅微粉制成的喷咀、轴承、测温保护管、密封件活跃在国民经济各个领域。一旦我公司纳米级碳化硅超精细微粉工业化生产研制成功，陶瓷发动机的制造将不再是梦想。现代微电子和电子信息产业最近几年发展很快，推动了社会的进步，是朝阳产业，可以说二十一世纪是电子信息的时代，信息离不开传输媒体电脑，硅晶片是电脑最基本的组成元件，碳化硅粉体材料是切割硅晶片的主要原料，所以说，现代微电子和电子信息产业与碳化硅粉体材料的发展息息相关。随着全球电子信息及太阳能光伏产业对
15、硅晶片需求量的快速增长，硅晶片线切割用碳化硅微粉的需求量也正在迅速增加。以碳化硅（SiC）及GaN为代表的宽禁带材料，是继Si和GaAs之后的第三代半导体。与Si及GaAs相比，SiC具有宽禁带、高热导率、高击穿场强、高饱和电子漂移速率、化学性能稳定等优点。所以，SiC特别适合于制造高温、高频、高功率、抗辐射、抗腐蚀的电子器件。此外，六方SiC与GaN晶格和热膨胀相匹配，也是制造高亮度GaN发光和激光二极管的理想衬底材料。SiC晶体目前主要应用于光电器件如蓝绿光发光二极管以及紫外光激光二极管和功率器件包括大功率肖托基二极管，MES晶体管微波器件等。与硅（Si）和砷化镓（GaAs）为代表的传统半
16、导体材料相比，碳化硅（SiC）半导体在工作度、抗辐射、耐高击穿电压性能等方面具有很大优势。 碳化硅（SiC）作为目前发展最成熟的宽带隙半导体材料，具有高热导率、高击穿场强、高饱和电子漂移速率和高键合能等优点，其优异的性能可以满足现代电子技术对高温、高频、高功率、高压以及抗辐射的新要求，因而是半导体材料领域最有前景的材料之一。碳化硅（SiC）半导体器件在航空、航天探测、核能开发、卫星、石油和地热钻井勘探、汽车发动机等高温（350500oC）和抗辐射领域具有重要应用；高频、高功率的碳化硅（SiC）器件在雷达、通信和广播电视领域具有重要的应用前景；（目前航天和军工下属的四家院所已有两家开始使用，订货1亿/年，另两家还在进行测试，在航天宇航碳化硅器件是不可取代的，可以抵御太空中强大的射线辐射及巨大的差，在核战或强电磁干扰作用的时候，碳化硅电子器件的耐受能
