《光纖與光纜技術(shù)》ppt課件

1、第三章第三章 光纖原資料光纖原資料 第三節(jié)第三節(jié) 光纖原資料光纖原資料 第四節(jié)第四節(jié) 資料對(duì)光纖傳輸特性的影響資料對(duì)光纖傳輸特性的影響 目前制造通訊光纖和光器件的光纖資料有：石英玻璃、目前制造通訊光纖和光器件的光纖資料有：石英玻璃、 塑料、光子晶體和摻稀土元素的石英玻璃。塑料、光子晶體和摻稀土元素的石英玻璃。 第三節(jié)第三節(jié) 光纖原資料光纖原資料 一、石英玻璃原資料一、石英玻璃原資料 1、資料種類與作用、資料種類與作用 石英玻璃光纖消費(fèi)工藝過程包含有許多詳細(xì)的工藝步驟：石英玻璃光纖消費(fèi)工藝過程包含有許多詳細(xì)的工藝步驟： 芯棒制造、外包層、拉絲和涂覆。芯棒制造、外包層、拉絲和涂覆。(不同的工藝階段

2、采用不不同的工藝階段采用不 同的資料，同一種資料在不同的工藝階段要求也不同同的資料，同一種資料在不同的工藝階段要求也不同) 2、主體原資料、主體原資料(SiCl4) 金屬鹵化物金屬鹵化物+氧氧/水水金屬氧化物金屬氧化物構(gòu)成玻璃成分。構(gòu)成玻璃成分。 高純高純SiCl4石英玻璃光纖預(yù)制棒石英玻璃光纖預(yù)制棒光纖光纖(可見，可見，SiCl4的的 純度直接影響光纖的傳輸性能純度直接影響光纖的傳輸性能)，為了降低光纖損耗，為了降低光纖損耗，SiCl4 必需經(jīng)過嚴(yán)厲的提純，除去有害的過渡金屬必需經(jīng)過嚴(yán)厲的提純，除去有害的過渡金屬(Cu、Fe、Co 等等)離子、含氫化合物和碳?xì)浠衔锏扔泻ξ镔|(zhì)。離子、含氫化合

3、物和碳?xì)浠衔锏扔泻ξ镔|(zhì)。 3、摻雜原資料、摻雜原資料(GeCl4、CCl3F3氟里昂、氟里昂、C2F6六氟乙烷六氟乙烷) (1)GeCl4的作用：提高纖芯的折射率的作用：提高纖芯的折射率 (2) CCl3F3、C2F6的作用：的作用： 降低光纖包層的折射率；降低光纖包層的折射率； 作為堆積反響管內(nèi)外表的腐蝕拋光劑，使石英玻作為堆積反響管內(nèi)外表的腐蝕拋光劑，使石英玻 璃管內(nèi)外表光滑、清潔、枯燥，有利于提高光纖璃管內(nèi)外表光滑、清潔、枯燥，有利于提高光纖 強(qiáng)度，降低損耗；強(qiáng)度，降低損耗； 在預(yù)制成棒時(shí)，作為腐蝕劑減小由于在預(yù)制成棒時(shí)，作為腐蝕劑減小由于GeO2在成棒在成棒 時(shí)的高溫?fù)]發(fā)而呵斥的中心

4、下陷。時(shí)的高溫?fù)]發(fā)而呵斥的中心下陷。 二、石英玻璃二、石英玻璃 1、來源、來源 石英玻璃管主要早期是經(jīng)過天然水晶熔制而成；目前，石英玻璃管主要早期是經(jīng)過天然水晶熔制而成；目前， 采用合成石英玻璃管采用合成石英玻璃管(SiCl4高溫水解制成坯體，在經(jīng)過脫水高溫水解制成坯體，在經(jīng)過脫水 燒結(jié)和拉管而成燒結(jié)和拉管而成)。 2、消費(fèi)、消費(fèi) SiCl4+O2SiO2+2Cl2(1700) 制的的二氧化硅極制的的二氧化硅極 純純 3、熔融石英玻璃的根本物理性能、熔融石英玻璃的根本物理性能 性能性能單位單位數(shù)值數(shù)值 密度密度g/cm32.2 軟化點(diǎn)軟化點(diǎn)1730 抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度MPa50 彎曲強(qiáng)度彎曲強(qiáng)度

5、MPa66.6 抗扭強(qiáng)度抗扭強(qiáng)度MPa29.4 楊氏模量楊氏模量EN/mm272900 剪切模量剪切模量GN/mm233000 線性膨脹系數(shù)線性膨脹系數(shù)K-15.510-7 溫度每變化溫度每變化1資料長(zhǎng)度變化的百分率資料長(zhǎng)度變化的百分率 胡克定律：在物體的彈性限制內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變胡克定律：在物體的彈性限制內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變 成正比，其比例系數(shù)稱為楊氏模量成正比，其比例系數(shù)稱為楊氏模量 E = / 剪切應(yīng)力與應(yīng)變的比值剪切應(yīng)力與應(yīng)變的比值 特點(diǎn)：特點(diǎn)： (1)耐高溫性能：軟化點(diǎn)與白金熔點(diǎn)相近；耐高溫性能：軟化點(diǎn)與白金熔點(diǎn)相近； (2)熱膨脹系數(shù)小：相當(dāng)于陶瓷的熱膨脹系數(shù)?。合喈?dāng)于陶瓷的1/6，普通玻璃

6、的，普通玻璃的1/20 (3)光譜特性極佳：在紫外、可見到紅外有良好的透過性光譜特性極佳：在紫外、可見到紅外有良好的透過性 (4)耐酸性資料；耐酸性資料； (5)絕緣性能好、介電損耗?。焊邷仉娮柚迪喈?dāng)于普通玻絕緣性能好、介電損耗?。焊邷仉娮柚迪喈?dāng)于普通玻 璃的璃的10000倍；倍； (6)可制得高純的資料：金屬離子總量為可制得高純的資料：金屬離子總量為10-6。 4、性能計(jì)算、性能計(jì)算 知熔融石英玻璃的密度為知熔融石英玻璃的密度為=2.2g/cm3，楊氏模量，楊氏模量 E=72900N/mm2，線膨脹系數(shù)，線膨脹系數(shù)=5.510-7，問：，問： 溫度引起的光纖長(zhǎng)度的變化量？光纖長(zhǎng)度溫度引起的光

7、纖長(zhǎng)度的變化量？光纖長(zhǎng)度L=1km，溫，溫 度變化范圍由度變化范圍由20升至升至40，即，即T=20K； 解：解：L=TL=1.1cm (2)光纖質(zhì)量？直徑光纖質(zhì)量？直徑d=125微米，長(zhǎng)度微米，長(zhǎng)度L=1km的無涂覆層的無涂覆層 的融融石英玻璃光纖；的融融石英玻璃光纖； 4 2 d A解：解： =0.0123mm2；質(zhì)量；質(zhì)量M=AL=27g (3)光纖的應(yīng)力和應(yīng)變？直徑光纖的應(yīng)力和應(yīng)變？直徑d=125微米，所加的張力微米，所加的張力F=424N； 胡克定律胡克定律=E 解：應(yīng)力解：應(yīng)力=F/A=345N/mm2，應(yīng)變，應(yīng)變=/E=4.7310-3 第四節(jié)第四節(jié) 資料對(duì)光纖傳輸特性的影響資料

8、對(duì)光纖傳輸特性的影響 一、資料對(duì)光纖衰減的影響一、資料對(duì)光纖衰減的影響 通訊光纖所用的資料是石英玻璃和摻雜石英玻璃。通訊光纖所用的資料是石英玻璃和摻雜石英玻璃。 通訊光纖的四大特性：良好的幾何特性、傳輸特性、機(jī)械特通訊光纖的四大特性：良好的幾何特性、傳輸特性、機(jī)械特 性和環(huán)境特性。性和環(huán)境特性。 傳輸衰減：本證損耗：多聲子吸收、紫外吸收損耗；傳輸衰減：本證損耗：多聲子吸收、紫外吸收損耗； 非本征損耗：雜質(zhì)吸收、光纖波導(dǎo)構(gòu)造不夠完善等。非本征損耗：雜質(zhì)吸收、光纖波導(dǎo)構(gòu)造不夠完善等。 1、多聲子吸收、多聲子吸收 玻璃是由硅氧四面體組成的三維無序構(gòu)造，玻璃是由硅氧四面體組成的三維無序構(gòu)造，SiO2的

9、的 聲子吸收帶與硅氧四面體分子的根本振動(dòng)相對(duì)應(yīng)。純石英聲子吸收帶與硅氧四面體分子的根本振動(dòng)相對(duì)應(yīng)。純石英 玻璃的強(qiáng)吸收帶位于玻璃的強(qiáng)吸收帶位于9.1微米、微米、12.5微米、微米、21微米。微米。 純純SiO2的多聲子吸收系數(shù)可由下式求得：的多聲子吸收系數(shù)可由下式求得： /48.48exp1081. 7 11 MP A 摻雜摻雜GeO2的石英玻璃中，吸收帶并非的石英玻璃中，吸收帶并非SiO2和和GeO2 得吸收光譜的簡(jiǎn)單疊加，而吸收光譜更寬且更分散，摻雜得吸收光譜的簡(jiǎn)單疊加，而吸收光譜更寬且更分散，摻雜 10wt%的石英玻璃吸收光譜與非摻雜石英玻璃吸收光譜的石英玻璃吸收光譜與非摻雜石英玻璃吸收

10、光譜 幾乎完全一樣，所不同的是摻雜幾乎完全一樣，所不同的是摻雜GeO2的石英玻璃吸收光的石英玻璃吸收光 譜峰值向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向偏移。譜峰值向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向偏移。 2、紫外吸收和拖尾、紫外吸收和拖尾 拖尾：在吸收光譜中，峰尾需求很長(zhǎng)時(shí)間才好回到基線，拖尾：在吸收光譜中，峰尾需求很長(zhǎng)時(shí)間才好回到基線， 導(dǎo)致峰的左右不對(duì)稱。導(dǎo)致峰的左右不對(duì)稱。 在石英玻璃的紫外反射光譜中，在石英玻璃的紫外反射光譜中，10.2eV、11.7 eV、 14.0 eV、17.3 eV四個(gè)吸收帶。四個(gè)吸收帶。 摻雜石英玻璃的紫外吸收峰波長(zhǎng)比石英玻璃的紫外吸收摻雜石英玻璃的紫外吸收峰波長(zhǎng)比石英玻璃的紫外吸收 峰的波長(zhǎng)要長(zhǎng)，所以可以變

11、換摻雜元素的種類和數(shù)量可改峰的波長(zhǎng)要長(zhǎng)，所以可以變換摻雜元素的種類和數(shù)量可改 善摻雜石英玻璃的吸收拖尾。善摻雜石英玻璃的吸收拖尾。 GeO2含量的添加含量的添加拖尾向更長(zhǎng)的波長(zhǎng)區(qū)域遷移。拖尾向更長(zhǎng)的波長(zhǎng)區(qū)域遷移。 紫外系數(shù)：紫外系數(shù)： /63. 4exp1060004461542 2 UV A 3、雜質(zhì)吸收、雜質(zhì)吸收 (1)過渡金屬過渡金屬 過渡金屬：過渡金屬：Fe、Cu、Ni、Mn、Co、Cr、V、Pt 過渡金屬元素具有過渡金屬元素具有電子構(gòu)造電子構(gòu)造電子躍遷電子躍遷吸收損耗吸收損耗 來源：石英玻璃的原料中來源：石英玻璃的原料中 (2)氫氧根氫氧根 表表3 110-6水而引起的吸收損耗和波長(zhǎng)

12、的關(guān)系水而引起的吸收損耗和波長(zhǎng)的關(guān)系 波長(zhǎng)波長(zhǎng)/微米微米衰減衰減/(dB/km) 0.680.004 0.720.07 0.820.04 0.880.09 0.951.0 1.130.11 1.242.8 1.3866.3 1.9010.3 2.22260 2.7210000 增大增大 由表可見：在0.95微米的吸收損耗為1.0dB/km；在1微米以 上，氫氧根引起的吸收損耗急劇添加，1.38微米處為65 dB/km；對(duì)于波長(zhǎng)為1.01.35微米和1.451.8微米兩個(gè)波段 的吸收損耗影響最大，所以任務(wù)波長(zhǎng)為1.281.625微米低損 耗的單模光纖，必除水分。 二、折射率二、折射率 1、色散、

13、色散 方式色散、資料色散、波導(dǎo)色散；方式色散、資料色散、波導(dǎo)色散； 2、溫度關(guān)系、溫度關(guān)系 在高溫條件下，純石英玻璃和摻雜石英玻璃折射率隨波在高溫條件下，純石英玻璃和摻雜石英玻璃折射率隨波 長(zhǎng)的延伸而呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。長(zhǎng)的延伸而呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。 (1)溫度與折射率的關(guān)系溫度與折射率的關(guān)系 光脈沖經(jīng)過長(zhǎng)度為光脈沖經(jīng)過長(zhǎng)度為L(zhǎng)的光纖的時(shí)延：的光纖的時(shí)延： C LN N光線資料折射率光線資料折射率 C光速光速 對(duì)對(duì)T求導(dǎo)得：求導(dǎo)得： C LN dT dL N dT dN L CdT d1 (2)光纖溫度時(shí)延漂移常數(shù)光纖溫度時(shí)延漂移常數(shù)Kf：?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度、單位溫度的間隔：?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度、單位溫度的間隔 時(shí)延變化量時(shí)延變化量 dT dLN dT dN CLdT d K f L 11 作業(yè)：設(shè)玻璃光纖的熱膨脹系數(shù)為作業(yè)：設(shè)玻璃光纖的熱膨脹系數(shù)為5.510-7/，SiO2材材 料在料在1310nm處的折射率為處的折射率為1.46，折射率隨溫度，折射率隨溫度 的變化大約為的變化大約為110-5/，求，求Kf dT d