光纖制備原理和應(yīng)用

關(guān)于光纖制備原理和應(yīng)用光纖的發(fā)展歷史光纖的結(jié)構(gòu)原理石英光纖的制備光纖的應(yīng)用第2頁(yè),共25頁(yè)，2024年2月25日，星期天光纖的來(lái)源

光纖的發(fā)展歷史1966年，英籍華裔學(xué)者高錕（C.K.Kao）發(fā)表了關(guān)于傳輸介質(zhì)新概念的論文，指出了利用光纖進(jìn)行信息傳輸?shù)目赡苄院图夹g(shù)途徑，奠定了現(xiàn)代光通信——光纖通信的基礎(chǔ)。當(dāng)時(shí)的主要障礙就是如何獲得超純凈玻璃材料以降低衰減損耗。四年后的1970年，美國(guó)的康寧公司率先研制出了世界上第一根衰減損耗低于20dB/km的石英玻璃光纖。同年第一臺(tái)室溫運(yùn)行半導(dǎo)體激光器的研制成功，使光源和傳輸介質(zhì)的問(wèn)題得到了解決。1981年第一個(gè)光纖系統(tǒng)成功問(wèn)世，自此以后，光纖通信發(fā)展異常迅速，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。第3頁(yè),共25頁(yè)，2024年2月25日，星期天石英光纖的損耗進(jìn)展:

1966,高錕1000dB/km

1970,康寧公司→20dB/km 1972,康寧公司→7dB/km 1973,貝爾實(shí)驗(yàn)室→2.5dB/km 1976,日本→0.5dB/km@1.55μm

1979,→0.2dB/km@1.55μm

now

→0.16dB/km@1.55μm

受到瑞利散射和本征吸收的限制，石英光纖的理論損耗極限為0.15dB/km@1.55μm光纖的來(lái)源

光纖的發(fā)展歷史第4頁(yè),共25頁(yè)，2024年2月25日，星期天光纖的來(lái)源

光纖的發(fā)展歷史第5頁(yè),共25頁(yè)，2024年2月25日，星期天光纖的結(jié)構(gòu)

光纖是高透明電介質(zhì)材料制成的非常細(xì)(外徑約為125μm---2ooμm)的低損耗導(dǎo)光纖維．具有束縛和傳輸從紅外到可見(jiàn)光區(qū)域內(nèi)光的功能．也具有傳感功能。一般通信用光纖的橫截面的結(jié)構(gòu)如圖2所示。光纖本身由纖芯和包層構(gòu)成，纖芯是由高透明固體材料(如高二氧化硅玻璃、多組分玻璃、塑料等)制成，纖芯的外面是包層．用折射率相對(duì)纖芯較低的石英玻璃、多組分玻璃或塑料制成,外面一般還有起保護(hù)作用的涂覆層。光纖的導(dǎo)光能力取決于纖芯和包層的性質(zhì)。光纖的來(lái)源

光纖的結(jié)構(gòu)第6頁(yè),共25頁(yè)，2024年2月25日，星期天在光纖中．光傳輸就是利用光的全反射原理．當(dāng)入射到光纖芯子中的光與光軸線(xiàn)的交角小于一定值時(shí)，光線(xiàn)在界面上發(fā)生全反射。這時(shí)，光將在光纖的芯子中沿鋸齒狀路徑曲折前進(jìn)，但不會(huì)穿出包層，這樣就避免了光在傳輸過(guò)程中的折射損耗。光纖的來(lái)源

光纖傳輸?shù)幕驹淼?頁(yè),共25頁(yè)，2024年2月25日，星期天光纖有多種分類(lèi)方法1）按折射率可分為階躍型（SI）光纖和漸變型（GI）光纖。SI光纖的纖芯和包層部分折射率均保持不變，而在纖芯與包層的界面處折射率發(fā)生突變。這類(lèi)光纖只適用于短距離、小容量的通訊系統(tǒng)。GI光纖包層折射率不變，纖芯部分折射率沿徑向逐漸變小，可使高次模的光按正弦形式傳播，這能減少模間色散，提高光纖帶寬，增加傳輸距離，但成本較高，現(xiàn)在多模光纖多為GI光纖。

2）按傳播波長(zhǎng)的長(zhǎng)短可將光纖分為短波長(zhǎng)光纖（傳輸波長(zhǎng)為0.8~0.9μm）、長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖（傳輸波長(zhǎng)為1.3~1.6μm）。

光纖的來(lái)源

光纖的分類(lèi)第8頁(yè),共25頁(yè)，2024年2月25日，星期天3）按傳輸模式，可將光纖分為多模光纖和單模光纖。在光纖芯徑大（50~100μm）或數(shù)值孔徑大的光纖中，允許多個(gè)具有不同入射角的光線(xiàn)進(jìn)入光纖傳播，即光纖中有多個(gè)傳輸模式，稱(chēng)為多模光纖。由于模間色散較大，因此多模光纖傳輸?shù)木嚯x比較近，一般只有幾公里。當(dāng)光纖芯徑較?。?~10μm）或數(shù)值孔徑小時(shí)，將只允許與光纖軸一致的光線(xiàn)進(jìn)入光纖傳播，這種光纖稱(chēng)為單模光纖。單模光纖模間色散較小，適用于遠(yuǎn)程通訊。4）按纖芯材料組成，可將光纖分為石英光纖、多組分玻璃光纖和塑料光纖。此外還有一些特種光纖，如摻稀土光纖、光子晶體光纖、紅外光纖、發(fā)光光纖等。

光纖的來(lái)源

光纖的分類(lèi)第9頁(yè),共25頁(yè)，2024年2月25日，星期天原料制備原料提純制棒拉絲涂敷篩選合格光纖純度分析質(zhì)量控制性能測(cè)量制造光纖的工藝流程光纖的來(lái)源

石英光纖的制備過(guò)程第10頁(yè),共25頁(yè)，2024年2月25日，星期天低損耗的單模和多模石英光纖大多采用“預(yù)制棒拉絲工藝”，光纖預(yù)制棒工藝是光纖光纜制造中最重要的環(huán)節(jié)。目前，用于制備光纖預(yù)制棒的方法主要采用以下四種方法：外部氣相沉積法（OVD）；氣相軸向沉積法（VAD）；等離子體化學(xué)氣相沉積法（PCVD）；改進(jìn)化學(xué)氣相沉積法（MCVD）。光纖預(yù)制棒制備工藝第11頁(yè),共25頁(yè)，2024年2月25日，星期天OVD法：又為“管外氣相氧化法”或“粉塵法”，其原料在氫氧焰中水解生成SiO2微粉，然后經(jīng)噴燈噴出，沉積在由石英石墨制成的基棒外表面，經(jīng)過(guò)多次沉積，去掉母棒，再將中空的預(yù)制棒在高溫下脫水，燒結(jié)成透明的實(shí)心玻璃棒，即為光纖預(yù)制棒。光纖預(yù)制棒制備工藝第12頁(yè),共25頁(yè)，2024年2月25日，星期天VAD法：日本1977年開(kāi)發(fā)出來(lái)的，其工作原理與OVD相同，不同之處在于它不是在母棒的外表面沉積，而是在其端部（軸向）沉積。VAD的重要特點(diǎn)是可以連續(xù)生產(chǎn)，適合制造大型預(yù)制棒，從而可以拉制較長(zhǎng)的連續(xù)光纖。光纖預(yù)制棒制備工藝第13頁(yè),共25頁(yè)，2024年2月25日，星期天MCVD法：采用的SiCl4、GeCl4等液態(tài)原材料在高溫下發(fā)生氧化反應(yīng)生成SiO2、B2O3、GeO2、P2O5微粉，沉積在石英反應(yīng)管的內(nèi)壁上。在沉積過(guò)程中需要精密地控制摻雜劑的流量，從而獲得所設(shè)計(jì)的折射率分布。光纖預(yù)制棒制備工藝第14頁(yè),共25頁(yè)，2024年2月25日，星期天PCVD法于1978年應(yīng)用于批量生產(chǎn)。它與MCVD的工作原理基本相同，只是不用氫氧焰進(jìn)行管外加熱，而是改用微波腔體產(chǎn)生的等離子體加熱。PCVD工藝的沉積溫度低于MCVD工藝的沉積溫度，因此反應(yīng)管不易變形；微波加熱腔體可以沿著反應(yīng)管軸向作快速往復(fù)移動(dòng)，目前的移動(dòng)速度在8m/min，這允許在管內(nèi)沉積數(shù)千個(gè)薄層，從而使每層的沉積厚度減小，因此折射率分布的控制更為精確，可以獲得更寬的帶寬。而且，PCVD的沉積效率高，沉積速度快，有利于消除SiO2層沉積過(guò)程中的微觀不均勻性，從而大大降低光纖中散射造成的本征損耗，適合制備復(fù)雜折射率剖面的光纖，可批量生產(chǎn)，有利于降低成本。光纖預(yù)制棒制備工藝第15頁(yè),共25頁(yè)，2024年2月25日，星期天光纖預(yù)制棒制備工藝第16頁(yè),共25頁(yè)，2024年2月25日，星期天玻璃中的分子擴(kuò)散要比晶體中的難得多，即使在2000oC，已摻入棒體中的摻雜劑也不會(huì)擴(kuò)散，保持原預(yù)制棒中折射率分布。拉絲的拉制速度決定光纖的粗細(xì)2、拉絲第17頁(yè),共25頁(yè)，2024年2月25日，星期天涂敷在光纖拉絲過(guò)程中進(jìn)行，當(dāng)光纖向下拉制時(shí)，光纖通過(guò)（壓力）涂敷器，就可在裸纖表面均勻涂上30~150μm厚的熱固化硅樹(shù)脂或紫外光固化丙烯酸酯。兩次涂敷：一次涂敷（變形硅酮樹(shù)脂），形成緩沖層，保護(hù)光纖免遭引起微彎損耗的外力作用。二次涂敷（普通硅酮樹(shù)脂），提高光纖的低溫性能和機(jī)械強(qiáng)度。3、涂敷、塑封和成筒第18頁(yè),共25頁(yè)，2024年2月25日，星期天

塑封，便于操作和提高光纖成纜時(shí)的抗張力，增加光纖的機(jī)械強(qiáng)度。在涂敷的基礎(chǔ)上再套上尼龍、聚乙烯或聚酯等塑料。塑封分為：緊套和松套。成筒：將光纖繞到收絲筒上成筒。4、塑封和成筒第19頁(yè),共25頁(yè)，2024年2月25日，星期天最廣泛的應(yīng)用是在通信領(lǐng)域即光導(dǎo)通信。自2O世紀(jì)6O年代以來(lái)，由于在光源和光纖方面取得了重大的突破，使光通信獲得異常迅速的發(fā)展。作為光源的激光，方向性強(qiáng)、頻率高．是進(jìn)行光通信的理想光源；光波頻帶寬，與電波通信相比，能提供更多的通信通路，可滿(mǎn)足大容量通信系統(tǒng)的要求。因此，光纖通信與衛(wèi)星通信一并成為通信領(lǐng)域里最活躍的兩種通信方式。光纖的應(yīng)用第20頁(yè),共25頁(yè)，2024年2月25日，星期天光纖的應(yīng)用醫(yī)學(xué)上

光導(dǎo)纖維可以用作食道、直腸、膀胱、子宮、胃等深部探查內(nèi)窺鏡(胃鏡、血管鏡等)的光學(xué)元件，而且不必切開(kāi)皮肉就可直接插入身體內(nèi)部進(jìn)行手術(shù)。切除癌瘤組織的外科手術(shù)激光刀即由光導(dǎo)纖維將激光傳遞至手術(shù)部位。第21頁(yè),共25頁(yè)，2024年2月25日，星期天在照明和光能傳送方面利用光導(dǎo)纖維短距離可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)光源多點(diǎn)照明。光纜照明，可利用塑料光纖光纜傳輸太陽(yáng)光作為水下、地下照明。由于光導(dǎo)纖維柔軟易彎曲變形，可做成任何形狀，而且耗電少、光質(zhì)穩(wěn)定、光澤柔和、色彩廣泛，因此，它是未來(lái)的最佳燈具，如與太陽(yáng)能的利用結(jié)合起來(lái)將成為最經(jīng)濟(jì)實(shí)用的光源。光纖的應(yīng)用第22頁(yè),共25頁(yè)，2024年2月25日，星期天在工業(yè)方面

可傳輸激光進(jìn)行機(jī)械加工，