光纖導(dǎo)光原理和光纖材料課件

光纖材料及光纖器件光纖是光導(dǎo)纖維的簡寫，是一種利用光在玻璃或塑料制成的纖維中的全反射原理而達成的光傳導(dǎo)工具。光纖實際是指由透明材料做成的纖芯和在它周圍采用比纖芯的折射率稍低的材料做成的包層，并將射入纖芯的光纖的光信號，經(jīng)包層界面反射，使光信號在纖芯中傳播前進的媒體。光纖主要有兩個特性：損耗和色散。光纖通信具有傳輸頻帶寬，容量大，傳輸距離遠，質(zhì)量高，保密性好等優(yōu)點。光纖的優(yōu)良特性，使之在光纖通信、傳感、傳像、傳光照明與能量信號傳輸?shù)榷喾矫骖I(lǐng)域被廣泛而大量應(yīng)用，尤其在信息技術(shù)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。光纖導(dǎo)光原理和光纖材料光纖的優(yōu)點與電纜或微波等電通信方式相比，光纖通信的優(yōu)點如下：①傳輸頻帶極寬，通信容量很大；②由于光纖衰減小，無中繼設(shè)備，故傳輸距離遠；③串?dāng)_小，信號傳輸質(zhì)量高；④光纖抗電磁干擾，保密性好；⑤光纖尺寸小，重量輕，便于傳輸和鋪設(shè)；⑥耐化學(xué)腐蝕；⑦光纖是石英玻璃拉制成形,原材料來源豐富，并節(jié)約了大量有色金屬。除以上特點之外,還有光纖徑細(xì)、重量輕、柔軟、易于鋪設(shè);光纖的原材料資源豐富,成本低;溫度穩(wěn)定性好、壽命長。由于光纖通信具有以上的獨特優(yōu)點,其不僅可以應(yīng)用在通信的主干線路中,還可以應(yīng)用在電力通信控制系統(tǒng)中,進行工業(yè)監(jiān)測、控制,而且在軍事領(lǐng)域的用途也越來越為廣泛。光纖導(dǎo)光原理和光纖材料光纖通信的發(fā)展歷程從1876年發(fā)明電話到20世紀(jì)的60年代末，通信線路是銅制導(dǎo)線。我國采用的8管同軸電纜加上金屬護套，質(zhì)量達4噸/公里，有色金屬的消耗實在是太大。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)進展相當(dāng)緩慢，主要原因是當(dāng)時光纖損耗太大，達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。光纖導(dǎo)光原理和光纖材料世界光纖之父：高錕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。光纖通信的發(fā)展歷程光纖導(dǎo)光原理和光纖材料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，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)。光纖損耗光纖導(dǎo)光原理和光纖材料20世紀(jì)的80年代中期，全世界范圍內(nèi)的光纖通信開始走向?qū)嵱没Ｊ⒉ＡЧ饫w的質(zhì)量為27克/公里。原料廉價，傳輸損耗小，不受外界電磁干擾，保密性強。1993年后，全球范圍信息高速公路的建設(shè)。到2000年，世界光纖的年產(chǎn)量達到6000萬公里以上，而已經(jīng)鋪設(shè)的光纖總長度到達2億公里以上。正好印證了電子到光電子的跨越。光纖的出現(xiàn)帶動了集成光學(xué)的發(fā)展。光纖通信的發(fā)展歷程光纖導(dǎo)光原理和光纖材料光纖技術(shù)的發(fā)展前景

對光纖通信而言,超高速度、超大容量和超長距離傳輸一直是人們追求的目標(biāo),而全光網(wǎng)絡(luò)也是人們不懈追求的夢想。所以我們應(yīng)該努力像一下幾個方面去發(fā)展：

①向超高速系統(tǒng)的發(fā)展。②向超大容量WDM系統(tǒng)的演進。③開發(fā)新代的光纖④全光網(wǎng)絡(luò)。未來的高速通信網(wǎng)將是全光網(wǎng)。全光網(wǎng)是光纖通信技術(shù)發(fā)展的最高階段,也是理想階段。目前,全光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展仍處于初期階段,但它已顯示出了良好的發(fā)展前景。從發(fā)展趨勢上看,形成一個真正的、以WDM技術(shù)與光交換技術(shù)為主的光網(wǎng)絡(luò)層,建立純粹的全光網(wǎng)絡(luò),消除電光瓶頸已成為未來光通信發(fā)展的必然趨勢,更是未來信息網(wǎng)絡(luò)的核心,也是通信技術(shù)發(fā)展的最高級別,更是理想級別。光纖導(dǎo)光原理和光纖材料一、光纖的基本概念光纖導(dǎo)光原理和光纖材料1、介質(zhì)光波導(dǎo)空間傳播光與導(dǎo)波光

空間傳播光：在自由空間中(或均勻介質(zhì)中)傳播的光導(dǎo)波光：相對于空間傳播的光，光被限制在與傳播方向垂直的截面內(nèi)，在密閉區(qū)傳播的光。光波導(dǎo)：約束導(dǎo)波光的介質(zhì)平板波導(dǎo)矩形波導(dǎo)光導(dǎo)纖維(光纖)9光纖導(dǎo)光原理和光纖材料平板波導(dǎo)覆蓋層n3薄膜n1襯底n2介質(zhì)平板波導(dǎo)結(jié)構(gòu)：在橫截面的一個方向限制光波傳播光纖導(dǎo)光原理和光纖材料矩形波導(dǎo)脊型波導(dǎo)溝道波導(dǎo)平面掩埋溝道波導(dǎo)在橫截面的兩個方向限制光波傳播光纖導(dǎo)光原理和光纖材料光纖12光纖導(dǎo)光原理和光纖材料光纖的種類光纖的種類有很多種，分類方法也各不相同，常見的有五種方法①按材料分為：石英光纖、多組分玻璃光纖、塑料光纖、液芯光纖。②按傳輸模式分：中心玻璃芯較粗、單模光纖。③按光纖折射率分布分：階躍折射率光纖、漸變折射率光纖、W型光纖。④按照波長劃分：目前所應(yīng)用的光纖可以傳輸從紫外線到近紅外波長，即0.3-1.6微米⑤按照用途劃分：傳輸信息的光纖（光通信）和傳輸能量的光纖（導(dǎo)光纖維）光纖導(dǎo)光原理和光纖材料2、光導(dǎo)纖維的結(jié)構(gòu)和導(dǎo)光原理光纖導(dǎo)光條件：全反射光纖導(dǎo)光原理和光纖材料2-1、斯涅爾定理當(dāng)光由光密介質(zhì)出射至光疏介質(zhì)時（a）折射角大于入射角：（b）臨界狀態(tài)：（c）全反射：光纖導(dǎo)光原理和光纖材料2-2、光纖導(dǎo)光空氣纖芯包層斯涅爾定律光纖導(dǎo)光原理和光纖材料2-2、光纖導(dǎo)光空氣纖芯包層發(fā)生全反射，光線可在光纖中傳播光纖導(dǎo)光原理和光纖材料光纖的基本概念介質(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n2n1n2n1n2n12a2arr=ar=0單模階躍折射率光纖多模階躍折射率光纖多模梯度折射率光纖剖面折射率分布18光纖導(dǎo)光原理和光纖材料2-2、光纖導(dǎo)光結(jié)論：光纖傳光的原理是光的全反射；只有當(dāng)光線的入射角θi<θi0時，光線才能被耦合進入光纖傳播；無論光源發(fā)射功率有多大，只有2θi0張角之內(nèi)的光功率能被光纖接受傳播。θi光纖導(dǎo)光原理和光纖材料3、

影響光纖性能的主要因素

數(shù)值孔徑（NA）

光纖模式

光纖損耗光纖導(dǎo)光原理和光纖材料3-1、數(shù)值孔徑（NA）結(jié)論1—物理意義：數(shù)值孔徑是反映纖芯接收光量的多少，標(biāo)志光纖接收性能。

數(shù)值孔徑：NA（NumericalAperture）為臨界角的正弦θi>arcsinNA，光線進入光纖后都不能傳播而在包層消失；θi<arcsinNA，光線可以進入光纖被全反射傳播。光纖導(dǎo)光原理和光纖材料3-1、數(shù)值孔徑（NA）

大的數(shù)值孔徑：有利于耦合效率的提高。 數(shù)值孔徑太大，光信號畸變也越嚴(yán)重。結(jié)論2—影響因素：光纖的數(shù)值孔徑（NA）僅取決于纖芯的折射率的大小及包層相對折射率差；NA與光纖的直徑無關(guān)。

相對折射率差：光纖導(dǎo)光原理和光纖材料3-2、光纖的模式電磁波的傳播遵從麥克斯韋方程，而在光纖中傳播的電磁場，還滿足光纖這一傳輸介質(zhì)的邊界條件。因此根據(jù)由光纖結(jié)構(gòu)決定的光纖的邊界條件，可求出光纖中可能傳播的模式。麥克斯韋方程的一個解即對應(yīng)一個模式，對應(yīng)著電磁場在光纖中的一種分布形式。

模式：物理上理解就是一種基本場分布,數(shù)學(xué)上就是一個基本解。光纖導(dǎo)光原理和光纖材料按分布形式，模式可以分為以下幾種類型：（1）橫電波縱軸方向只有磁場分量，沒有電場分量；橫截面上有電場分量的電磁波。下標(biāo)m表示電場沿圓周方向的變化周數(shù)，n表示電場沿徑向方向的變化周數(shù)。（2）橫磁波縱軸方向只有電分量，沒有磁場分量；橫截面上有磁場分量的電磁波。下標(biāo)m表示磁場沿圓周方向的變化周數(shù)，n表示磁場沿徑向方向的變化周數(shù)。（3）混合波或縱軸方向既有電分量又有磁場分量，是橫電波和橫磁波的混合。無論哪種模式，當(dāng)m和n的組合不同，表示的模式也不同。3-2、光纖的模式光纖導(dǎo)光原理和光纖材料單模光纖：只有最低階模式HE11存在，它的光纖橫向光斑圖多模光纖：可傳輸多種模式。3-2、光纖的模式低階模能量集中在波導(dǎo)中心，而模式階數(shù)越高橫截面直徑越大且能量分布越分散。光纖導(dǎo)光原理和光纖材料3-2、光纖的模式光纖導(dǎo)光原理和光纖材料可傳播模式纖芯尺寸光耦合難度相對折射率差損耗單模光纖只可傳輸一種模式，最低價模式較小，約2~12um難?。海?n1-n2)/n1

＝0.0005~0.01小多模光纖可傳輸多種模式較粗，典型尺寸為50um易大：＝0.01~0.02大3-2、光纖的模式光纖導(dǎo)光原理和光纖材料光纖損耗的來源：（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。3-3、光纖損耗光纖導(dǎo)光原理和光纖材料（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。光纖導(dǎo)光原理和光纖材料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損耗主要機理：材料吸收、瑞利散射和輻射損耗（1）光纖材料的吸收與散射損耗；光纖導(dǎo)光原理和光纖材料（2）光纖的彎曲輻射損耗光纖實際應(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。<5°光纖導(dǎo)光原理和光纖材料橫向偏移縱向偏移角向偏移（3）光纖的連接損耗光纖導(dǎo)光原理和光纖材料（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光纖導(dǎo)光原理和光纖材料二、光纖的材料及制造光纖導(dǎo)光原理和光纖材料一、光纖材料

高純度熔石英光纖傳輸損耗低多組分玻璃纖維纖芯－包層折射率可在較大范圍內(nèi)變化，易于制造大數(shù)值孔徑的光纖。(2)、塑料光纖成本低、材料損耗大、溫度性能差。(3)、晶體光纖纖芯為單晶，可用于制作有源和無源光纖器件。(1)、石英光纖光纖導(dǎo)光原理和光纖材料塑料光纖（POF）的優(yōu)點簡單、安全的連通測試：采用650nm的LED紅光光源時，是對肉眼無害的可見光?？焖侔惭b：POF能夠很容易地通過狹小的穿線管；容易連接：POF不用拋光液能達到很好的連接效果，也不用為了連接而采用專用的設(shè)備；低廉成本：由于具備以上兩個優(yōu)點，所以采用POF做傳輸介質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)接入系統(tǒng)，其造價要比石英光纖接入系統(tǒng)低；堅固耐用：POF光纜比石英光纜更加柔軟耐用，彎曲半徑也??；塑料光纖光纖導(dǎo)光原理和光纖材料光纖導(dǎo)光原理和光纖材料POF技術(shù)的發(fā)展（一）、階躍型塑料光纖早期的塑料光纖都是大數(shù)值孔徑階躍型塑料光纖。由于這種光纖色散較大，帶寬只能達到5MHZ*km，不能滿足高速數(shù)據(jù)通信的要求，故一直以照明、汽車車燈監(jiān)控等非通信應(yīng)用為主。隨后通過一系列技術(shù)是它的傳輸性能得到大幅度的改善。光纖導(dǎo)光原理和光纖材料早期市場上的POF產(chǎn)品多為PMMA基質(zhì)多模SIPOF，雖然與石英玻璃光纖相比在短距離通信應(yīng)用中有低價、易處理的優(yōu)勢，但其窄帶寬（5MHz*km）和高固有衰減(150~300dB/km),不能適應(yīng)帶寬逐漸增大的多媒體社會的需要。為了增加帶寬，首先想到的解決方法是減小光纖的數(shù)值孔徑，采用單模SIPOF方案。但POF的最主要特點是大芯徑，因此不能期望將其發(fā)展成單模光纖以增加帶寬，這樣POF的低價格、易處理優(yōu)勢將失去。目前解決上述問題的較佳選擇是漸變型塑料光纖（GIPOF）。GIPOF的開發(fā)為塑料光纖在寬帶通信網(wǎng)中的應(yīng)用開拓了廣闊的前景。（二）、漸變型塑料光纖（GIPOF）的發(fā)展過程及現(xiàn)狀光纖導(dǎo)光原理和光纖材料塑料光纖的分類特殊塑料光纖包括所有具有特殊性能的塑料光纖，比如激光染料摻雜塑料光纖、閃爍塑料光纖、電光塑料光纖等，還有具有特殊設(shè)計結(jié)構(gòu)的塑料光纖，比如微結(jié)構(gòu)塑料光纖和雙芯塑料光纖等。塑料光纖普通塑料光纖特殊塑料光纖包括所有的階躍型多模塑料光纖、漸變型多模塑料光纖以及單模塑料光纖。這類光纖與普通石英光纖類似，由纖芯和包層構(gòu)成，不同的纖芯折射率分布構(gòu)成了不同類型的光纖。光纖導(dǎo)光原理和光纖材料多模光纖主要用在強度型傳感器的系統(tǒng)中，被測量的物理量直接影響輸出光信號的強度。漸變折射率多模塑料光纖可以解決帶寬窄的問題。在單模光纖中，單模石英光纖的缺點是纖芯芯徑非常細(xì)，只有5~10微米。而塑料單模光纖相對于石英光纖的特點就是芯徑粗，是石英光纖的50~100倍，對接容易、成本低，所以其在干涉型光纖傳感器中具有更出眾的特點。普通塑料光纖折射率分布應(yīng)用的情況一類是階躍型，另一類是漸變型。多模光纖單模光纖光纖導(dǎo)光原理和光纖材料特殊的塑料光纖1、閃爍塑料光纖是有源材料如熒光材料、激光染料摻雜的塑料光纖，主要用在高能輻射的測量。閃爍塑料光纖現(xiàn)在已經(jīng)實際應(yīng)用在核物理中監(jiān)測核輻射和跟蹤帶電高能粒子。2、電光塑料光纖是在纖芯中摻雜有很高的光學(xué)非線性并且響應(yīng)速度非?？斓挠袡C物，使得塑料光纖具備很高的光學(xué)非線性。很多有機物都具備光學(xué)非線性高和響應(yīng)速度快的特點，特別是塑料光纖有相對較低的加工制造溫度，這使得有很大范圍的功能材料可以摻人塑料光纖當(dāng)中。電光塑料光纖在電壓和電場傳感器方面具有巨大的、潛在的應(yīng)用前景。3、微結(jié)構(gòu)塑料光纖是近年來人們研究的一種新型的特殊塑料光纖，它是在纖芯中分布有規(guī)律的空氣孔，具備新的傳輸特性。這些新的傳輸特性包括寬波長范圍的單模工作，具有大的有效纖芯和模面積，在空氣中而不是在光纖材料中導(dǎo)光等。這些新的傳輸特性對于光纖傳感器的應(yīng)用來說是非常有意義的。光纖導(dǎo)光原理和光纖材料POF的應(yīng)用

1、塑料光纖以其所具有的柔軟易彎曲、芯徑大、易耦合、抗電磁干擾、電磁輻射(EMI/EMR)制造工藝簡單、成本低等優(yōu)點，廣泛地用于短距離、中小容量信息傳輸系統(tǒng)、傳感器、CD播放機、汽車、飛機信息傳輸網(wǎng)絡(luò)、多媒體網(wǎng)絡(luò)、軍事網(wǎng)絡(luò)、甚至可以用于宇航以及導(dǎo)彈的制導(dǎo)等。2、起初，塑料光纖作為照明光傳輸媒質(zhì)應(yīng)用在汽車上，將光傳輸?shù)侥切┆M小得不能安裝標(biāo)準(zhǔn)白熾燈的位置或者傳輸?shù)讲煌娘@示牌。隨著計算機控制在汽車中的應(yīng)用越來越廣泛，一輛汽車形成一個局域網(wǎng)（CAN），因此所要傳輸?shù)膶崟r信息量越來越大。為了避免電磁干擾、串音及這些不良現(xiàn)象所引起的數(shù)據(jù)延誤、丟失，系統(tǒng)需要選擇能承受高信息速率、保證安全的介質(zhì)材料。光波既不會產(chǎn)生電磁輻射，也不會被其它輻射干擾，另外使用光纖時不用考慮地面回路及電位短路，因此光纖成為CAN首選材料。3、POF適用于氣候惡劣的網(wǎng)絡(luò)和傳感器，能夠高速傳遞大量的保密性強的信息，塑料光纖可引入戰(zhàn)斗機、直升機和軍艦內(nèi)，作為戰(zhàn)時的信息傳輸媒質(zhì)。由于POF塑料光纖超強的抗電磁干擾和電磁輻射的能力還可用于導(dǎo)彈，實現(xiàn)不受干擾的準(zhǔn)確制導(dǎo)。所以塑料光纖在軍事上和核工業(yè)上有重要的戰(zhàn)略意義。光纖導(dǎo)光原理和光纖材料結(jié)論：塑料光纖作為一種光傳輸介質(zhì)，由于其獨特的性能而受到世界各國的關(guān)注。但是，塑料光纖損耗大的缺點卻一直制約著它在各種領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。隨著化工技術(shù)的不斷提高及相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者的不斷努力，POF已經(jīng)在LAN、CAN、OFS等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了實用化。我國POF的研究及生產(chǎn)相對比較落后，目前國產(chǎn)POF多用于廣告、裝潢，而在工業(yè)、電子和通信領(lǐng)域中的應(yīng)用幾乎是空白。進一步提高化工技術(shù)，保持POF研究、開發(fā)的系統(tǒng)性和持續(xù)性是我們面臨的迫切任務(wù)。光纖導(dǎo)光原理和光纖材料材料的提純預(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構(gòu)將預(yù)制棒以合適的速度送入爐中加熱二、光纖光纜制造光纖導(dǎo)光原理和光纖材料典型預(yù)制棒長1m,直徑2cm光纖導(dǎo)光原理和光纖材料

MCVD法