第二講光纖技術(shù)演示文稿

第二講光纖技術(shù)演示文稿目前一頁\總數(shù)五十九頁\編于十七點(diǎn)（優(yōu)選）第二講光纖技術(shù)目前二頁\總數(shù)五十九頁\編于十七點(diǎn)一、光纖基本知識1、光纖的基本概念2、光纖的傳輸特性（損耗）3、光纖光纜的制造目前三頁\總數(shù)五十九頁\編于十七點(diǎn)1光纖的基本概念一、光波導(dǎo)(OpticalWaveguide)導(dǎo)波光：受到約束的光波光波導(dǎo)：約束光波傳輸?shù)拿浇榻橘|(zhì)光波導(dǎo)三要素：“芯/包”結(jié)構(gòu)凸形折射率分布，n1>n2低傳輸損耗目前四頁\總數(shù)五十九頁\編于十七點(diǎn)

介質(zhì)光波導(dǎo)“波導(dǎo)”:交通：公路，鐵路，高速公路 電：電線，平面電路 光：光纖，平面光波導(dǎo)目前五頁\總數(shù)五十九頁\編于十七點(diǎn)光波導(dǎo)的分類薄膜波導(dǎo)（平板波導(dǎo)）矩形波導(dǎo)（條形波導(dǎo)）對稱與非對稱波導(dǎo)園柱波導(dǎo)（光纖）目前六頁\總數(shù)五十九頁\編于十七點(diǎn)平板波導(dǎo)目前七頁\總數(shù)五十九頁\編于十七點(diǎn)矩形波導(dǎo)脊型波導(dǎo)溝道波導(dǎo)平面掩埋溝道波導(dǎo)目前八頁\總數(shù)五十九頁\編于十七點(diǎn)對稱/非對稱波導(dǎo)對稱波導(dǎo)：芯區(qū)周圍的介質(zhì)折射率相同非對稱波導(dǎo)：芯區(qū)周圍的介質(zhì)折射率不同目前九頁\總數(shù)五十九頁\編于十七點(diǎn)光波導(dǎo)技術(shù)的廣闊應(yīng)用領(lǐng)域目前十頁\總數(shù)五十九頁\編于十七點(diǎn)研究方法目前十一頁\總數(shù)五十九頁\編于十七點(diǎn)1光纖的基本概念光纖是一種高度透明的玻璃絲，由純石英經(jīng)復(fù)雜的工藝?yán)贫?。光纖是一種介質(zhì)圓柱光波導(dǎo)，它能夠約束并導(dǎo)引光波在其內(nèi)部或其表面附近沿其軸線方向向前傳播光纖中心部分(芯Core)＋同心圓狀包裹層(包層Clad)＋涂覆層目前十二頁\總數(shù)五十九頁\編于十七點(diǎn)光導(dǎo)纖維(fiber)提高玻璃纖維抗拉強(qiáng)度滿足成纜需要，增加光纖機(jī)械強(qiáng)度目前十三頁\總數(shù)五十九頁\編于十七點(diǎn)特點(diǎn)：ncore>nclad光在芯和包層之間的界面上反復(fù)進(jìn)行全反射，并在光纖中傳遞下去。目前十四頁\總數(shù)五十九頁\編于十七點(diǎn)按照截面折射率分布分：階躍折射率分布光纖漸變折射率分布光纖ITU-T標(biāo)準(zhǔn)光纖G.652：普通單模光纖（SMF）G.653：色散位移光纖(DSF)G.655：非零色散位移光纖(NZ-DSF)按照傳輸模式的多少分：單模光纖（SMF）多模光纖（MMF）特種光纖:保偏光纖（PMF）色散補(bǔ)償光纖（DCF）摻鉺光纖（EDF）等光纖的分類目前十五頁\總數(shù)五十九頁\編于十七點(diǎn)目前十六頁\總數(shù)五十九頁\編于十七點(diǎn)（1）根據(jù)芯區(qū)折射率徑向分布的不同分類階躍折射率分布光纖（SIOF）

Step-indexopticalfiber漸變折射率分布光纖（GIOF）

Gradual-indexopticalfiber不同的折射率分布，傳輸特性完全不同目前十七頁\總數(shù)五十九頁\編于十七點(diǎn)（2）根據(jù)傳播模式數(shù)量的不同分類光纖的芯徑、折射率差（）、所使用波長可傳播的模的數(shù)量不同多模光纖2a=50m單模光纖2a=4~10mMMFSMF目前十八頁\總數(shù)五十九頁\編于十七點(diǎn)保偏光纖(PolarizationMaintainingFiberorPolarization)偏振目前十九頁\總數(shù)五十九頁\編于十七點(diǎn)摻鉺光纖摻鐿光纖

摻鐿光纖目前二十頁\總數(shù)五十九頁\編于十七點(diǎn)塑料光纖目前二十一頁\總數(shù)五十九頁\編于十七點(diǎn)光子晶體光纖New目前二十二頁\總數(shù)五十九頁\編于十七點(diǎn)光纖的導(dǎo)光原理階躍折射率光纖（SIOF）目前二十三頁\總數(shù)五十九頁\編于十七點(diǎn)典型光線傳播軌跡目前二十四頁\總數(shù)五十九頁\編于十七點(diǎn)光纖基本參數(shù)相對折射率差 相對折射率差是表示纖芯和包層折射率差異程度的參數(shù)，其物理含義是表示把光封閉在光纖中的難易程度。

目前二十五頁\總數(shù)五十九頁\編于十七點(diǎn)數(shù)值孔徑(NA--NumericalAperture)目前二十六頁\總數(shù)五十九頁\編于十七點(diǎn)數(shù)值孔徑n2n1n0OC目前二十七頁\總數(shù)五十九頁\編于十七點(diǎn)2光纖的損耗1854年，英國的廷達(dá)爾觀察到光在水和空氣的界面上做全反射以致光隨水流而彎曲的現(xiàn)象；目前二十八頁\總數(shù)五十九頁\編于十七點(diǎn)瑞士，物理學(xué)家科拉登第一次應(yīng)用：噴泉（歌?。?；水幕電影20世紀(jì)，玻璃棒導(dǎo)光－牙醫(yī)；1929年和1930年，美國的哈納爾和德國的拉姆先后拉制出石英光纖且用于光線和圖像的短距離傳輸；此時的光纖波導(dǎo)的理論和應(yīng)用技術(shù)進(jìn)展相當(dāng)緩慢，主要原因是當(dāng)時光纖損耗太大，達(dá)到幾百甚至一千多分貝/公里，這種光纖對通信是毫無用處的。目前二十九頁\總數(shù)五十九頁\編于十七點(diǎn)1966年，高錕博士發(fā)表了著名的論文“光頻介質(zhì)纖維表面波導(dǎo)”，明確提出通過改進(jìn)制備工藝，減少原材料雜質(zhì)，可使石英光纖的損耗大大下降，并有可能拉制出損耗低于20dB/km的光纖。這是一個富有創(chuàng)造性的科學(xué)論斷，激勵了全世界許多重要實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家從事進(jìn)一步研究；目前三十頁\總數(shù)五十九頁\編于十七點(diǎn)“光纖之父”－－高錕博士高錕1933年生于上海；1948年，他們舉家遷往香港就讀了倫敦大學(xué)。畢業(yè)后，他加入英國國際電話電報(bào)公司ITT任工程師，因表現(xiàn)出色被聘為研究實(shí)驗(yàn)室的研究員，同時攻讀倫敦大學(xué)的博士學(xué)位，１９６７年畢業(yè)。目前三十一頁\總數(shù)五十九頁\編于十七點(diǎn)1970年，美國的康寧玻璃公司（CorningGlassCo.）率先將高錕博士的科學(xué)預(yù)言變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，研制出在0.6328um波長下?lián)p耗為20dB/km的石英光纖，取得了重要的技術(shù)突破。在短短幾十年時間里，光纖的損耗已由1000dB/km下降到0.16dB/km，致使光纖通信在世界范圍內(nèi)形成一個充滿活力的新興產(chǎn)業(yè)。目前三十二頁\總數(shù)五十九頁\編于十七點(diǎn)“中國光纖之父”－－趙梓森

院士趙梓森，廣東中山人，1932年生，1953年大學(xué)畢業(yè)后一直在武漢工作，1995年當(dāng)選為中國工程院院士。目前三十三頁\總數(shù)五十九頁\編于十七點(diǎn)他所在的武漢郵科院于1973年開始研究光纖通信，當(dāng)時困難很多，不僅有技術(shù)方面的，還有環(huán)境方面的。環(huán)境就是處在“文化大革命”當(dāng)中，工作條件很差，研究室只剩下幾個人，實(shí)驗(yàn)室也就只有一個過去用來洗化學(xué)瓶子的房子。那時候沒有什么雜志，沒有看過光導(dǎo)纖維，也不知道應(yīng)該怎么研制。于是，他們就自己摸索著搞，用四氯化硅加氧氣，氧氣取代了氯氣，就變成了二氧化硅；二氧化硅就是光導(dǎo)纖維的材料——石英。目前三十四頁\總數(shù)五十九頁\編于十七點(diǎn)做光導(dǎo)纖維，它的原料純度要達(dá)到0.999999999，九個9，沒有這個純度，光導(dǎo)纖維傳輸損失很大，就不能用。他們搞化學(xué)是外行，這個純度搞不了。于是請北京建材學(xué)院幫忙，對方說搞光導(dǎo)纖維，沒有上千萬元是搞不出來的，他們一下子被嚇住了，再也不敢去問了。后來，與武漢大學(xué)化學(xué)系合作，最終搞出了九個9。目前三十五頁\總數(shù)五十九頁\編于十七點(diǎn)材料搞出來了，還要把它變成玻璃。開始在試管里做，但后來發(fā)現(xiàn)溫度不夠高，一定要高到1500℃以上。但在這個溫度下白金坩堝也早就化了，所以改在石英管里煉。他們跟玻璃技師一起研究，用電爐加熱到1400℃，結(jié)果什么也沒有。于是又加高溫度，得到一些白粉，很高興，但經(jīng)化驗(yàn)卻是硅膠。又經(jīng)過幾十次的試驗(yàn)，并設(shè)計(jì)制作了專門煉玻璃的熔煉車床后，才做出了超純石英。目前三十六頁\總數(shù)五十九頁\編于十七點(diǎn)要把超純石英做成光導(dǎo)纖維，就先要拉成絲，同樣十分困難。絲的半徑是125微米，誤差不能超過3微米。沒有拉絲的設(shè)備，自己做。做自動控制設(shè)備，用激光來測量，最后拉出了光導(dǎo)纖維；還要測量它的傳輸損失多大、帶寬多少，全套東西都是自己動手。就這樣，到1976年上半年，熔煉拉出了200米石英光纖，從此，結(jié)束了我國無光纖的歷史。目前三十七頁\總數(shù)五十九頁\編于十七點(diǎn)1976年在郵電部工業(yè)學(xué)大慶展覽會上，趙梓森帶著“新成果”去演示時，還是用的橡皮泥、螺絲釘?shù)耐赁k法將光纖對準(zhǔn)接收器。演示引起了郵電部長很大興趣，甚至親自參與演示過程，并說“光纖通信要作重點(diǎn)”。此后，我國光纖通信產(chǎn)業(yè)蓬蓬勃勃發(fā)展起來。目前三十八頁\總數(shù)五十九頁\編于十七點(diǎn)目前三十九頁\總數(shù)五十九頁\編于十七點(diǎn)3、光纖損耗的來源光信號在光纖中傳輸過程中的損耗主要來自于一下幾個方面：（1）光纖材料的吸收與散射損耗；（2）光纖的彎曲輻射損耗；（3）光纖的連接（4）耦合損耗。目前四十頁\總數(shù)五十九頁\編于十七點(diǎn)（1）光纖材料的吸收與散射損耗；本征吸收：光纖材料對光信號的吸收。雜質(zhì)吸收：雜質(zhì)不是指光纖中的摻雜物，而是由于材料不純凈及工藝不完善而引入的雜質(zhì)，如過渡金屬離子和OH-離子。原子缺陷吸收：由于材料受到熱輻射或光輻射引起的。散射損耗：在光纖材料中，由于某種遠(yuǎn)小于波長的不均勻性引起的光散射構(gòu)成光纖的散射損耗。目前四十一頁\總數(shù)五十九頁\編于十七點(diǎn)3、光纖損耗特性第二傳輸窗口第一傳輸窗外吸收紅外吸收瑞利散射0.22.5損耗(dB/km)波長(nm)OH離子吸收峰第三傳輸窗口在1.55m處最小損耗約為0.2dB/km損耗主要機(jī)理：材料吸收、瑞利散射和輻射損耗目前四十二頁\總數(shù)五十九頁\編于十七點(diǎn)（2）光纖的彎曲輻射損耗光纖實(shí)際應(yīng)用中不可避免的要產(chǎn)生彎曲，這就伴隨著產(chǎn)生光的彎曲輻射損耗。這種損耗的原因是：當(dāng)光纖彎曲時，全反射條件破壞，約束能力下降，原來在纖芯中以導(dǎo)模形式傳播的功率將部分地轉(zhuǎn)化為輻射模功率并逸出纖芯而形成損耗。目前四十三頁\總數(shù)五十九頁\編于十七點(diǎn)（3）光纖的連接損耗光纖與光纖的連接損耗由被連接光纖纖芯結(jié)構(gòu)參數(shù)的差異（內(nèi)部損耗因子）及光纖連接的質(zhì)量（外部損耗因子）引起的。內(nèi)部損耗因子：包括纖芯半徑、相對折射率差、折射率分布參數(shù)；外部損耗因子：包括光纖端面質(zhì)量、光纖的橫向、角向與縱向偏移以及端面間折射率匹配和光纖焊接中的纖芯軸畸變。目前四十四頁\總數(shù)五十九頁\編于十七點(diǎn)橫向偏移縱向偏移角向偏移目前四十五頁\總數(shù)五十九頁\編于十七點(diǎn)（4）耦合損耗。光源與光纖的耦合損耗光纖與光器件的耦合損耗目前四十六頁\總數(shù)五十九頁\編于十七點(diǎn)3、光纖光纜的制作各種不同的結(jié)構(gòu)、特性參數(shù)和折射率分布的光纖，可分別用于不同的場合。纖芯和包層都用石英作為基本材料，折射率差通過在纖芯和包層進(jìn)行不同的摻雜來實(shí)現(xiàn)。纖芯摻入Ge和P折射率包層摻入硼

B折射率目前四十七頁\總數(shù)五十九頁\編于十七點(diǎn)材料的提純預(yù)制棒的制作拉絲成纜9個9(ppb)用氣相沉積法制作具有所需折射率分布的預(yù)制棒使用精密饋送機(jī)構(gòu)將預(yù)制棒以合適的速度送入爐中加熱目前四十八頁\總數(shù)五十九頁\編于十七點(diǎn)典型預(yù)制棒長1m,直徑2cm目前四十九頁\總數(shù)五十九頁\編于十七點(diǎn)(1)制作預(yù)制棒

MCVD—改進(jìn)的化學(xué)汽相沉積法

PVCD－等離子體激活化學(xué)汽相沉積法（主要區(qū)別：將MCVD中的氫氧焰噴燈改用微波腔體加熱）目前五十頁\總數(shù)五十九頁\編于十七點(diǎn)

MCVD法的特點(diǎn)：在石英反應(yīng)管（趁底管）內(nèi)沉積內(nèi)包層和芯層的玻璃，整個系統(tǒng)處于封閉的超提純狀態(tài)下。MCVD法制備光纖預(yù)制棒示意圖摻雜試劑目前五十一頁\總數(shù)五十九頁\編于十七點(diǎn)第一步：熔制光纖的內(nèi)包層玻璃。主體材料：液態(tài)SiCl4；摻雜試劑：CF2Cl2,SF6,C2F4；載運(yùn)氣體：O2SiCl4+O2→SiO2+2Cl2↑2CF2Cl2+SiCl4+2O2→SiF4+2Cl2+2CO2↑石英管內(nèi)壁上形成SiO2－SiF4玻璃層，作為光纖內(nèi)包層。摻雜試劑目前五十二頁\總數(shù)五十九頁\編于十七點(diǎn)第二步：熔制芯層玻璃。主體材料：液態(tài)SiCl4；摻雜試劑：GeCl4；載運(yùn)氣體：O2SiCl4+O2→SiO