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(shí)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(duì)稱與非對(duì)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(duì)稱/非對(duì)稱波導(dǎo)對(duì)稱波導(dǎo)：芯區(qū)周圍的介質(zhì)折射率相同非對(duì)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：?jiǎn)文９饫w（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(zhǎng)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(duì)折射率差 相對(duì)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(guó)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(guó)的哈納爾和德國(guó)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(shí)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(shí)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(duì)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(gè)富有創(chuàng)造性的科學(xué)論斷，激勵(lì)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(guó)國(guó)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(shí)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(guó)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(zhǎng)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(shí)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(gè)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(guó)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(guó)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(shí)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(gè)人，實(shí)驗(yàn)室也就只有一個(gè)過去用來洗化學(xué)瓶子的房子。那時(shí)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(gè)9，沒有這個(gè)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(gè)純度搞不了。于是請(qǐng)北京建材學(xué)院幫忙，對(duì)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(gè)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(gè)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(dòng)控制設(shè)備，用激光來測(cè)量，最后拉出了光導(dǎo)纖維；還要測(cè)量它的傳輸損失多大、帶寬多少，全套東西都是自己動(dòng)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(guó)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(huì)上，趙梓森帶著“新成果”去演示時(shí)，還是用的橡皮泥、螺絲釘?shù)耐赁k法將光纖對(duì)準(zhǔn)接收器。演示引起了郵電部長(zhǎng)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(guó)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(hào)在光纖中傳輸過程中的損耗主要來自于一下幾個(gè)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(duì)光信號(hào)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(zhǎng)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(zhǎng)(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(shí)，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(duì)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(chǎng)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(gè)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(zhǎng)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(gè)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