第 8章 光導(dǎo)纖維材料

1、第 8章 光導(dǎo)纖維材料光纖通訊現(xiàn)代通訊最重要的主力軍，信息高速公路的基石。載體光導(dǎo)纖維材料光導(dǎo)纖維材料用于通訊、電子光學(xué)、光 學(xué)儀器、醫(yī)療器件、傳感器等領(lǐng)域本章內(nèi)容簡(jiǎn)要回顧光纖通訊歷史、介紹光導(dǎo)纖維基本原理，著重講述光導(dǎo)纖維材料類別和光纖的制備工藝技術(shù)8.1 概述p古希臘人們?cè)谥谱鞑Ａ髅蟮倪^程中，發(fā)現(xiàn)玻璃棒能發(fā)光p19世紀(jì)英國(guó)科學(xué)家觀察到光沿細(xì)小水流傳播的現(xiàn)象p1930年德國(guó)人做了光在玻璃纖維中傳播的第一個(gè)實(shí)驗(yàn)p20世紀(jì)50年代不少研究所開展了光纖及其原形設(shè)想，但光纖并未引起足夠重視p1966年英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)電訊研究所的英籍華人工程師高琨論證了把光纖的光學(xué)損耗降低到20dB/km的可能性（當(dāng)時(shí)光纖

2、的傳輸損耗約為1000dB/km），并指出其對(duì)未來光通訊的作用。從此，光纖開始引起世界工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家科學(xué)界、實(shí)業(yè)界及政府部門的普遍重視。p1970年美國(guó)康寧玻璃公司采用二氧化硅拉制出世界上第一根低損耗光纖，長(zhǎng)度數(shù)百米，在波長(zhǎng)630nm處損耗低于20dB/km。同年，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的Hayashi等人研制出室溫下連續(xù)工作的GaAlAs雙異質(zhì)注入式激光器。從此，拉開了光纖通訊的序幕。p1972年隨著原材料提純、制棒和拉絲技術(shù)水平的不斷提高，制備出衰減系數(shù)降至4dB/km的多模光纖。p1976年在設(shè)法降低玻璃中OH含量中發(fā)現(xiàn)光纖的衰減在長(zhǎng)波長(zhǎng)區(qū)有1.31和1.55m兩個(gè)窗口。同年，美國(guó)西屋電器公司在亞

3、特蘭大成功地進(jìn)行了世界上第一個(gè)44.736Mbits/s傳輸110km的光纖通訊系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),使光纖通訊向?qū)嵱没~出第一步。p1980年原料提純和光纖制備工藝的完善，加快了光纖的傳輸窗口由0.85m移至1.31和1.55m的進(jìn)程，制造出衰減系數(shù)為0.2dB/km的低衰減光纖，接近了理論值。p1981年以后世界各發(fā)達(dá)國(guó)家的光纖通訊技術(shù)大規(guī)模地商業(yè)化。p1988年全長(zhǎng)為6680km的世界上第一條海底電纜由美國(guó)新澤西州開始橫跨大西洋至英國(guó)的光纜鋪設(shè)完畢，其容量達(dá)4萬話路，是當(dāng)時(shí)大西洋海底電纜總話路的2.5倍。p1989年，橫跨太平洋全長(zhǎng)15927km的海底光纜，從美國(guó)舊金山以北阿利那角通至日本、關(guān)

4、島、菲律賓等國(guó)家和地區(qū)。p1975-1976年以前為第一階段，短波長(zhǎng)(0.85um)多模光纖階段，傳輸速率為45Mbits/s.p1982- 長(zhǎng)波長(zhǎng)多模光纖時(shí)代p80年代后半期，長(zhǎng)波長(zhǎng)單模光纖時(shí)代，傳輸速率達(dá)600Mbits，無中繼距離達(dá)30km.p90年代，全光傳輸系統(tǒng)，10-40Gbits/s以上。8.2 光纖通訊原理及特點(diǎn)p光導(dǎo)纖維指導(dǎo)光的纖維，通常由折射率高的纖芯及折射率低的包層組成，這兩部分對(duì)被傳輸?shù)墓饩佑覙O高透射率。p利用介質(zhì)中的麥克斯韋方程來描寫光纖中光波的電磁場(chǎng)，求出波動(dòng)方程在纖芯包層界面的邊界條件下的解，就知道光纖中光波的電場(chǎng)或磁場(chǎng)是許多獨(dú)立解的疊加，每個(gè)獨(dú)立解代表一種場(chǎng)的分

5、布。通常把這種場(chǎng)的分布稱之為場(chǎng)模。p當(dāng)V2.406時(shí)，光纖中只允許一個(gè)模式存在，稱之為單模光纖。光纖中傳播光波的模及模數(shù)光纖中傳播光波的模及模數(shù)什么是單模光纖？什么是單模光纖？p單模光纖具備10micron的芯直徑，可容許單模光束傳輸，可減除頻寬及振模色散(Modaldispersion)的限制，但由于單模光纖芯徑太小，較難控制光束傳輸，故需要極為昂貴的激光作為光源體，而單模光纜的主要限制在于材料色散(Materialdispersion)，單模光纜主要利用激光才能獲得高頻寬，而由于LED會(huì)發(fā)放大量不同頻寬的光源，所以材料色散要求非常重要。p單模光纖相比于多模光纖可支持更長(zhǎng)傳輸距離，在100M

6、BPS的以太網(wǎng)以至這行的1G千兆網(wǎng)，單模光纖都可支持超過5000m的傳輸距離。什么是多模光纖什么是多模光纖p多模光纖電纜容許不同光束于一條電纜上傳輸，由于多模光纜的芯徑較大，故可使用較為廉宜的偶合器及接線器，多模光纜的光纖直徑為50m至100m?；旧嫌袃煞N多模光纜，一種是梯度型（graded）另一種是引導(dǎo)型（stepped），對(duì)于梯度型（graded）光纜來說，芯的折光系數(shù)（refractionindex)于芯的外圍最小而逐漸向中心點(diǎn)不斷增加，從而減少訊號(hào)的振模色散，而對(duì)引導(dǎo)型（SteppedInder）光纜來說，折光系數(shù)基本上是平均不變，而只有在色層（cladding）表面上才會(huì)突然降低引

7、導(dǎo)型（stepped）光纜一般較梯度型（graded）光纜的頻寬為低。在網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用上，最受歡迎的多模光纜為62.5/125，62.5/125意指光纜芯徑為62.5m而色層（cladding）直徑為125m，其他較為普通的為50/125及100/140。p相對(duì)于雙絞線，多模光纖能夠支持較長(zhǎng)的傳輸距離，在10mbps及100mbps的以太網(wǎng)中，多模光纖最長(zhǎng)可支持2000米的傳輸距離，而于1GpS千兆網(wǎng)中，多模光纖最高可支持550米的傳輸距離。p業(yè)界一般認(rèn)為當(dāng)傳輸距離超過295尺，電磁干擾非常嚴(yán)重，或頻寬需要超過350MHz，那便應(yīng)考慮采用多模光纖代替雙絞線作為傳輸載體。p單模光纖，纖芯直徑很?。?-

8、10m)，光信號(hào)僅與光纖軸成單個(gè)可分辨角度的單光線傳輸，只以單一模式傳輸，避免了模態(tài)色散，使得傳達(dá)室輸頻帶寬，傳輸容量大，光信號(hào)損耗小，離散小，適用于大容量、長(zhǎng)距離通信。p多模光纖，光信號(hào)與光纖軸成多個(gè)可分辨角多光線傳輸，以多個(gè)模式同時(shí)傳輸，其直徑在50-200m，比單模光纖傳輸性能差。可分為多模突變型光纖和多模漸變型光纖，前者纖芯較大，傳輸模態(tài)較多，帶寬窄，轉(zhuǎn)輸容量小。光纖通訊系統(tǒng)的組成p光纖通訊系統(tǒng)由發(fā)送設(shè)備、傳輸線路、接收設(shè)備三部分組成。電信號(hào)光發(fā)送機(jī)光源中繼器檢測(cè)器光接受機(jī)電信號(hào)E/O變換O/E變換光纖通訊的特點(diǎn)p傳輸頻帶寬，通訊容量大。p傳輸損耗小，傳輸距離遠(yuǎn)，每單位傳輸距離只需很少

9、的放大器或中繼站。p抗干擾能力強(qiáng)、傳輸質(zhì)量高、保密性好。p成本低廉。p耐化學(xué)腐蝕、適應(yīng)于特殊環(huán)境。p光纖彎曲半徑不宜過小，光纖的切斷和連接操作技術(shù)要求十分嫻熟，分路、耦合操作比較繁瑣。光纖的種類光纖光纖按傳輸原理按光纖折射率分布按傳輸模數(shù)按傳輸功能按光纖材質(zhì)芯包型光纖自聚焦型光纖階躍式光纖梯度式光纖單模光纖多模光纖傳光光纖傳像光纖石英玻璃光纖多組分光纖塑料光纖紅外光纖石英玻璃光纖p多模石英光纖用于短距離通訊，單模石英光纖用于遠(yuǎn)距離通訊。光功率損失這一通用于光功率損失這一通用于光纖光纖領(lǐng)域的術(shù)語代表了領(lǐng)域的術(shù)語代表了光纖光纖通信鏈路的通信鏈路的衰減。衰減是衰減。衰減是光纖光纖通信鏈路的一個(gè)重要的

10、傳輸參數(shù)通信鏈路的一個(gè)重要的傳輸參數(shù),它的它的單位單位是是分貝分貝(dB)。它表明了它表明了光纖光纖通信鏈路對(duì)光能的傳輸損耗（傳導(dǎo)特通信鏈路對(duì)光能的傳輸損耗（傳導(dǎo)特性），其對(duì)性），其對(duì)光纖光纖質(zhì)量的評(píng)定和確定質(zhì)量的評(píng)定和確定光纖光纖通信系統(tǒng)的中繼距離起通信系統(tǒng)的中繼距離起到?jīng)Q定性的作用。光信號(hào)在到?jīng)Q定性的作用。光信號(hào)在光纖光纖中傳播時(shí)，平均光功率延中傳播時(shí)，平均光功率延光纖光纖長(zhǎng)度方向成指數(shù)規(guī)律減少。在一根長(zhǎng)度方向成指數(shù)規(guī)律減少。在一根光纖光纖網(wǎng)線中網(wǎng)線中,從發(fā)送端到接收從發(fā)送端到接收端之間存在的衰減越大，兩者間可能傳輸?shù)淖畲缶嚯x就越短。端之間存在的衰減越大，兩者間可能傳輸?shù)淖畲缶嚯x就越短。衰

11、減對(duì)所有種類的網(wǎng)線系統(tǒng)在傳輸速度和傳輸距離上都產(chǎn)生負(fù)衰減對(duì)所有種類的網(wǎng)線系統(tǒng)在傳輸速度和傳輸距離上都產(chǎn)生負(fù)面的影響，但因?yàn)槊娴挠绊懀驗(yàn)楣饫w光纖傳輸中不存在串?dāng)_、傳輸中不存在串?dāng)_、EMI、RFI等問題，等問題，所以所以光纖光纖傳輸對(duì)衰減的反應(yīng)特別敏感。傳輸對(duì)衰減的反應(yīng)特別敏感。p一般采用SiCl4或硅烷等揮發(fā)性化合物進(jìn)行氧化或水解，通過氣相沉積獲得低損耗石英光纖預(yù)制件，再進(jìn)行拉絲。p用鍺提高折射指數(shù)，用硼降低折射指數(shù)。p用CF4和CCl2F2可降低包層的折射指數(shù)。p加入磷來降低石英光纖的熔點(diǎn)。多組分玻璃光纖p主要成分為SiO2，此外還有B2O3、GeO2、P2O5、Na2O、K2O、PbO等

12、p熔點(diǎn)低，適于制作大芯徑、大數(shù)值孔徑光纖。p損耗較大，通訊上極少采用。塑料光纖p聚合物光纖即由聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚苯乙烯(SP)、聚碳酸酯(PC)、氚化PMMA等高分子聚合物材料分別構(gòu)成芯、包層的全塑料光纖。p柔韌、制造簡(jiǎn)單、芯徑和孔徑容易做大、耦合容易。p損耗較大。p光的散射光的散射p光通過不均勻介質(zhì)時(shí)部分光偏離原方向傳播的現(xiàn)象。偏離原方向的光稱散射光，光通過不均勻介質(zhì)時(shí)部分光偏離原方向傳播的現(xiàn)象。偏離原方向的光稱散射光，散射光一般為偏振光。散射光的波長(zhǎng)不發(fā)生變化的有廷德耳散射、分子散射等，散射光一般為偏振光。散射光的波長(zhǎng)不發(fā)生變化的有廷德耳散射、分子散射等，散射光波長(zhǎng)發(fā)生改變的

13、有拉曼散射、布里淵散射和康普頓散射等。散射光波長(zhǎng)發(fā)生改變的有拉曼散射、布里淵散射和康普頓散射等。p介質(zhì)中存在大量不均勻小區(qū)域是產(chǎn)生光散射的原因，有光入射時(shí)，每個(gè)小區(qū)域介質(zhì)中存在大量不均勻小區(qū)域是產(chǎn)生光散射的原因，有光入射時(shí)，每個(gè)小區(qū)域成為散射中心，向四面八方發(fā)出同頻率的次波，這些次波間無固定相位關(guān)系，成為散射中心，向四面八方發(fā)出同頻率的次波，這些次波間無固定相位關(guān)系，它們?cè)谀撤较蛏系姆窍喔莎B加形成了該方向上的散射光。它們?cè)谀撤较蛏系姆窍喔莎B加形成了該方向上的散射光。J.W.S.瑞利研究了線瑞利研究了線度比波長(zhǎng)要小的微粒所引起的散射，并于度比波長(zhǎng)要小的微粒所引起的散射，并于1871年提出了年提出

14、了瑞利散射定律瑞利散射定律：特定方：特定方向上的散射光強(qiáng)度與波長(zhǎng)向上的散射光強(qiáng)度與波長(zhǎng)的四次方成反比；一定波長(zhǎng)的散射光強(qiáng)與的四次方成反比；一定波長(zhǎng)的散射光強(qiáng)與(1cos)成正比，成正比，為散射光與入射光間的夾角，稱散射角。凡遵守上述規(guī)律的散射稱為為散射光與入射光間的夾角，稱散射角。凡遵守上述規(guī)律的散射稱為瑞利散射。根據(jù)瑞利散射。根據(jù)瑞利散射定律瑞利散射定律可解釋天空和大海的蔚藍(lán)色和夕陽的橙紅色?？山忉屘炜蘸痛蠛５奈邓{(lán)色和夕陽的橙紅色。p對(duì)線度比波長(zhǎng)大的微粒，散射規(guī)律不再遵守瑞利定律，散射光強(qiáng)與微粒大小和對(duì)線度比波長(zhǎng)大的微粒，散射規(guī)律不再遵守瑞利定律，散射光強(qiáng)與微粒大小和形狀有復(fù)雜的關(guān)系。形狀有

15、復(fù)雜的關(guān)系。紅外光纖p鹵化物晶體光纖鹵化物晶體光纖鹵化鉈：TlBr、TlClp玻璃態(tài)紅外光纖玻璃態(tài)紅外光纖氟化物玻璃：氟化鈹，氟化鋯（受高能輻射不易黑化）硫?qū)俨ＡЧ饫w：拓寬CO和CO2大功率激光器應(yīng)用領(lǐng)域有重要意義。重金屬氧化物光纖：GeO2光纖的制備工藝p包括原料的制備與提純、預(yù)制棒或晶錠的制作與拉絲等工藝步驟。光纖預(yù)制棒或晶錠制備工藝氣相沉積技術(shù)非氣相沉積技術(shù)外部化學(xué)氣相沉積法(OVD)軸向化學(xué)氣相沉積法(VAD)改進(jìn)的化學(xué)氣相沉積法(MCVA)等離子化學(xué)氣相沉積法(PCVD)等離子改良化學(xué)氣相沉積法(PMCVD)軸向和橫向等離子化學(xué)氣相沉積法(ALPD)界面凝膠法(BSG)熔融法(DM)

16、玻璃分相法(PSG)溶膠凝膠法(sol-gel)機(jī)械擠壓成型法(MSP)氣相沉積技術(shù)p原材料制備及提純：Si+2Cl2 SiCl4 用精餾、吸附或精餾吸附混合提純p預(yù)制棒的制備：將提純后的鹵化物、摻雜劑和氧氣的氣體混合物在氣相氧化反應(yīng)中實(shí)現(xiàn)化合，以產(chǎn)生氧化物的沉積。 沉積是在一個(gè)基靶表面上或在一根空心石英玻璃管內(nèi)，以一層一層堆積方式而疊高。外氣相沉積法(OVD)，軸向氣相沉積法(VAD)，改進(jìn)的化學(xué)氣相沉積法(MCVA)，等離子體激活化學(xué)氣相沉積法(PCVD)。p拉絲：從制得的預(yù)制棒拉出一定直徑細(xì)絲的過程，其中關(guān)鍵是要保持芯包比和折射率分布不變。非氣相沉積技術(shù)p直接熔融法；用來制造Na2O-M

17、gO-SiO2、 Na2O-Al2O3-SiO2、 Na2O-MgF2-SiO2等氧化物系玻璃光纖的方法。將高折射率芯玻璃和低折射率包層玻璃分別置于加熱的同軸雙坩鍋的內(nèi)、外坩鍋內(nèi)。p界面熔融法：利用高分子聚合中分子體積不同而發(fā)生的選擇擴(kuò)散性原理制造梯度折射率分布的塑料光纖的方法。p首先將高折射率摻雜劑置于芯單體中制成芯混合溶液，其次把控制聚合速度、聚合物分子量大小的引發(fā)劑和鏈轉(zhuǎn)移劑放入芯混合溶液中，再將該溶液投入一根選作包層材料聚甲基丙烯甲酯（PMMA）的空心管內(nèi)，最后將裝有芯混合溶液PMMA管子放入一烘箱內(nèi)，在一定的溫度和時(shí)間條件聚合。在聚合過程中，PMMA管內(nèi)逐漸被混合溶液溶脹，從而在PM

18、MA管內(nèi)壁形成凝膠相。在凝膠相中分子運(yùn)動(dòng)速度減慢，聚合反應(yīng)由于“凝膠作用”而加速，聚合物的厚度逐漸增厚，聚合終止于PMMA管子中心，從而獲得一根折射率沿徑向呈梯度分布的光纖預(yù)制律，最后再將塑料光纖預(yù)制棒送入加熱爐內(nèi)加溫拉制成梯度型塑料光纖。p澆鑄法：用來制造遠(yuǎn)距離傳輸用氟化物玻璃紅外光纖預(yù)制棒。p擠出法：用來制造短距離傳輸用晶體光纖的方法光導(dǎo)纖維的種類和特性光導(dǎo)纖維的種類和特性 概況概況光導(dǎo)纖維(optical fibre，簡(jiǎn)稱光纖)定義能夠以光信號(hào)而非電信號(hào)的形式傳遞信息(光束和圖像)的具有特殊光學(xué)性能的玻璃或塑料纖維分類 按功能可分為傳光纖維與傳像纖維 按傳輸模式可分為多模(multipl

19、e model，MM)光纖和單模(single model，SM)光纖，多模光纖能夠同時(shí)傳播多種光波模式，單模光纖只能傳輸一種光波模式。后者可傳輸更多的信號(hào) 按光纖的材料成分可分為石英類、多組分玻璃類及有機(jī)高分子塑料光纖光纖種類光纖種類材材 料料 成成 分分采采 用用 原原 料料石英光纖芯線：SiO2 GeO2 P2O5 包層：SiO2 B2O3SiCl4 GeCl4 POCl3SiCl4 BCl3 BBr3多 組 分 光纖芯線：SiO2 Na2O CaO GeO2 包層：SiO2 Na2O CaO B2O5：S i C l4 N a N O3 C a ( N O3)2 Ge(C4H9O)4S

20、iCl4 NaNO3 Ca(NO3)2 BCl3石英芯線塑 料 包 層光纖芯線；SiO2包層：有機(jī)硅SiCl4二甲基二氯硅烷 塑料光纖芯線：PMMA包層：氯化MAP聚甲基丙烯酸甲酯氟化甲酯表表20.5 20.5 光纖的種類與材料光纖的種類與材料 對(duì)通信對(duì)通信石英光纖的要求石英光纖的要求作為光通信媒介物的光導(dǎo)纖維應(yīng)具有三個(gè)特性(1)傳輸衰耗小 常以每公里損失的分貝數(shù)(dBkm)表示(2)傳輸頻帶寬現(xiàn)多用單模光纖(3)機(jī)械性能好為保護(hù)光纖拉絲后的強(qiáng)度，光纖拉出后，必須立即被覆一層或二層保護(hù)性的涂膜。以提高使用壽命20203 32 2 光導(dǎo)纖維的制備光導(dǎo)纖維的制備 石英光纖制備的要求石英光纖制備的要

21、求光纖制備必須嚴(yán)格控制雜質(zhì)的含量，尤其是金屬離子和羥基離子二者的存在會(huì)引起傳輸衰耗大輻度地上升。一般金屬離子的濃度應(yīng)在10-9級(jí)范圍，羥基離子濃度一般為10-410-7光纖的尺寸和形狀纖芯直徑的波動(dòng)會(huì)產(chǎn)生大的傳輸衰耗甚至不能使用，形狀對(duì)稱性的改變會(huì)嚴(yán)重影響光纖之間的連接化學(xué)組成組成的微小變化，會(huì)影響纖芯的折射率，增加傳輸衰耗 光纖的制備工藝光纖的制備工藝最常用的一種是MCVD（modified chemical vapor deposition，改進(jìn)的化學(xué)氣相沉積法）1. 預(yù)制棒的制造預(yù)制棒的制造 概述概述主反應(yīng)在“玻璃車床”上用超純的SiCl4與O2和H2在14001600下反應(yīng)SiCl4(

22、g)+O2(g)+2H2(g)=SiO2(g)+4HCl(g) 摻雜反應(yīng)生成GeO2、P205、B203等4POCl3十302=2P2O5十6C12 MCVD法的評(píng)價(jià) 制造光纖預(yù)制棒的常用方法。能制備優(yōu)質(zhì)的光纖預(yù)制棒 不足如所用原料昂貴（特別是純化各原料的費(fèi)用高昂，技術(shù)要求高），光纖維化學(xué)組成受到限制 其它技術(shù)全合成（富通公司） 2. 2. 光纖的拉制光纖的拉制石墨爐預(yù)制棒裸光纖涂覆杯UV燈保護(hù)氣體 光纖的結(jié)構(gòu)光纖的結(jié)構(gòu)著色層芯層 5m 包層125m內(nèi)涂層外涂層 光纖帶的結(jié)構(gòu)光纖帶的結(jié)構(gòu) 光纜的結(jié)構(gòu)光纜的結(jié)構(gòu)束管式纖膏加強(qiáng)芯纜膏固架式光纖帶 UV固化的原理固化的原理組成UV固化材料主要由光引發(fā)劑、預(yù)聚物、活性稀釋單體和各種添加劑組成光引發(fā)劑吸收UV輻射后，分裂成自由基或陽離子，隨即引發(fā)帶有雙鍵的預(yù)聚物和活性稀釋單體的鏈?zhǔn)骄酆戏磻?yīng)，當(dāng)條件合適時(shí)可在極短的時(shí)間內(nèi)交連、固化。例，二苯甲