光纖的特性第二周PPT課件

1、各層的材料構(gòu)成纖芯: SiO2以及少量GeO2、P2O5摻雜包層：高純度SiO2涂敷層：環(huán)氧樹脂等高分子材料護套：尼龍或其他有機材料提高纖芯的折射率第2頁/共73頁第1頁/共73頁傳光基本條件：傳光基本條件：n1n2包層n2纖芯n1第3頁/共73頁第2頁/共73頁折射率剖面折射率剖面(Refraction index profile)階躍型階躍型(step)漸變型漸變型(grading)n1n2abn1n2abn=n(r)第4頁/共73頁第3頁/共73頁2121 , ,nnbranarnn光纖折射率分布表達式 11 , ,21212211farfnnbranararfnn第5頁/共73頁第4頁

2、/共73頁光射線 階躍光纖 漸變光纖n1n2n0 i zoidzrirmp纖芯 n(r)r*zr0dr第6頁/共73頁第5頁/共73頁光纖分類 階躍光纖與漸變光纖按照折射率剖面分 單模光纖與多模光纖按照模式分 第7頁/共73頁第6頁/共73頁 圖 2.2三種基本類型的光纖(a) 突變型多模光纖； (b) 漸變型多模光纖； （c） 單模光纖 橫截面2a2brn折射率分布纖芯包層AitAot(a)輸入脈沖光線傳播路徑輸出脈沖50 m125mrnAitAot(b) 10 m125mrnAitAot(c)第8頁/共73頁第7頁/共73頁2 光纖傳光原理分析光纖傳輸原理的常用方法： （1） （2） 第9

3、頁/共73頁第8頁/共73頁2.1 光纖數(shù)值孔徑的概念 研究對象：階躍型光線中的光射線（子午光線） 研究目標(biāo)：數(shù)值孔徑 思路：光纖中的光射線應(yīng)滿足全反射條件階躍型多模光纖的中的光射線(子午光線)321y1lLxoc23纖芯n1包層n2zc1第10頁/共73頁第9頁/共73頁2.1 光纖數(shù)值孔徑的概念 已知條件： 設(shè)設(shè)和和折射率分別為折射率分別為n1和和n2，空氣的折射，空氣的折射率率n0=1， 纖芯中心軸線與纖芯中心軸線與z軸一致。第一束光線在軸一致。第一束光線在光纖端面以小角度光纖端面以小角度從空氣入射到纖芯，從空氣入射到纖芯，為為1，折射后的光線在纖芯直線傳播，并在，折射后的光線在纖芯直線

4、傳播，并在與與交界面以角度交界面以角度1入射到入射到。 階躍型多模光纖的中的光射線(子午光線)321y1lLxoc23纖芯n1包層n2zc1第11頁/共73頁第10頁/共73頁2.1 光纖數(shù)值孔徑的概念階躍型多模光纖的中的光射線(子午光線)321y1lLxoc23纖芯n1包層n2zc1分析 改變角度，不同相應(yīng)的光線將在與交界面發(fā)生反射或折射。根據(jù)全反射原理， 存在一個臨界角c。(1)當(dāng)c時，相應(yīng)的光線有一部分將在交界面折射進入并逐漸消失，如光線3。由此可見，只有在半錐角為c的圓錐內(nèi)入射的光束才能在光纖中傳播。 第12頁/共73頁第11頁/共73頁因此，定義臨界角c的正弦為(Numerical

5、Aperture)： NA=n0sinc=n1cosc ， n1sinc =n2sin90 n0=1，經(jīng)簡單計算得到 ，NA越大，光纖接收光的能力越強，越大，光纖接收光的能力越強，從光源到光纖的從光源到光纖的越高。越高。 對于無損耗光纖，在對于無損耗光纖，在c內(nèi)的入射光能在光纖中傳輸。內(nèi)的入射光能在光纖中傳輸。 NA越大，纖芯對光能量的束縛越強，光纖抗彎曲性能越好越大，纖芯對光能量的束縛越強，光纖抗彎曲性能越好221212NAnnn2212122112nnnnnn 其中為與。2.1 光纖數(shù)值孔徑的概念第13頁/共73頁第12頁/共73頁2.2 光纖模式的理解【疑問】 是不是滿足c的光射線都可以

6、在光纖中穩(wěn)定傳輸？答案是答案是否定否定的。的。能夠在光纖中傳導(dǎo)的電磁波能夠在光纖中傳導(dǎo)的電磁波模式模式不僅滿足芯不僅滿足芯/包界面上的包界面上的全反射全反射條件，條件，而且滿足傳輸過程中的而且滿足傳輸過程中的相干加強相干加強條件條件只有這一系列特定的電磁波才能在光纖中存在！只有這一系列特定的電磁波才能在光纖中存在！從電磁波動理論來看，從電磁波動理論來看，模式模式是光纖中電磁場是光纖中電磁場傳播的一種傳播的一種穩(wěn)定穩(wěn)定的分布形態(tài)。的分布形態(tài)。第14頁/共73頁第13頁/共73頁2.2 光纖模式的理解【分析】 近似地，認為光纖中傳播的光波是均勻平面電磁波均勻平面電磁波，光射線方向就是波矢波矢量量k

7、方向。 通常將光纖中所傳輸?shù)牟ㄊ噶縦在其波導(dǎo)傳輸方向(z方向)上的分量稱為光波的傳播常數(shù)傳播常數(shù)：=kz=k0*n1*sin;其中為光射線方向與光纖橫截面的夾角。k0=2/為真空中的波數(shù)真空中的波數(shù)。 根據(jù)全內(nèi)反射全內(nèi)反射條件，sin=n2/n1。 只有傳播常數(shù)滿足k k0 0* *n n2 2 kk0 0* *n n1 1的光波才能在光纖中傳播。 垂直于波傳播方向的由相同相位的點構(gòu)成的平面稱為波陣面波陣面。第15頁/共73頁第14頁/共73頁2.2 光纖模式的理解 考慮在光纖中傳播的一列光波，上圖給出了兩條光線(紅線和藍線)，I-I和II-II是兩個波陣面。點A和點B屬于波陣面I-I，點C和

8、點D屬于波陣面II-II。 屬于同一波陣面的各點的振動情況應(yīng)當(dāng)完全同步，及其振動相位必須相同或相差2的整數(shù)倍,因此有第16頁/共73頁第15頁/共73頁2.2 光纖模式的理解【結(jié)論結(jié)論】 相干加強條件說明，在相干加強條件說明，在滿足全反射條件情況下，滿足全反射條件情況下，只有某些以特定角度入只有某些以特定角度入射的光線才能在光纖中射的光線才能在光纖中穩(wěn)定傳播。每一種可以穩(wěn)定傳播。每一種可以傳到的電磁波稱為光纖傳到的電磁波稱為光纖的一個的一個模式模式。即。即一個模一個模式對應(yīng)一種平面波的入式對應(yīng)一種平面波的入射角度射角度。 在光纖中的光波應(yīng)該同在光纖中的光波應(yīng)該同時滿足時滿足全反射條件全反射條件

9、（k0k0* *n2 n2 k0k0* *n1 n1 ）和相干加強條件和相干加強條件。0123(2 cos )2,0,1,2,.hk nmm0123(AD-BC)2,0,1,2,.k nmm相干加強條件，模式特征方程相干加強條件，模式特征方程第17頁/共73頁第16頁/共73頁2.2 光纖模式的理解【討論】 引入概念：階躍光纖歸一化頻率 模式數(shù)量：由光纖結(jié)構(gòu)、折射率分布以及光波長共同決定。 模式數(shù) V2/2什么情況下光纖中只有一種模式傳輸？單模條件：0V25年年光纖的物理化學(xué)特性光纖的物理化學(xué)特性SiO2的軟化溫度在1700度左右，摻雜后的軟化溫度降低。石英光纖熱膨脹系數(shù)：3.410-7/oC

10、； 涂覆層：5 10-7/ oC因此，限制一定的工作溫度范圍。因此，限制一定的工作溫度范圍。溫溫度度特特性性表表第44頁/共73頁第43頁/共73頁(2)光纜光纜(1)光纖制造光纖制造技術(shù)技術(shù)5.5.光纖制造技術(shù)和光纜光纖制造技術(shù)和光纜第45頁/共73頁第44頁/共73頁原料原料預(yù)制棒預(yù)制棒光纖光纖第46頁/共73頁第45頁/共73頁光纖制造的關(guān)鍵原料：原料：SiCl4, GeCl4, POCl3, BBr3, O2, He, 提純：過渡提純：過渡金屬離子，金屬離子，OH-，.要求達到要求達到ppb量級量級原料提純原料提純光纖絲徑控光纖絲徑控制，溫度控制，溫度控制制拉制光纖制作中對各制作中對各

11、種參數(shù)的精種參數(shù)的精確控制確控制預(yù)制棒制預(yù)制棒制備第47頁/共73頁第46頁/共73頁光纖制造技術(shù)光纖制造技術(shù)制備光纖預(yù)制棒制備光纖預(yù)制棒 與光纖有相同物理結(jié)構(gòu)和材料結(jié)構(gòu)，尺寸大的實心石英棒拉絲拉絲光纖預(yù)制棒高溫下，拉制成光纖原料原料：SiCl4, GeCl4, CF2Cl2, O2, Ar, H2, He, 提純提純：過渡金屬離子，OH-，.預(yù)制棒制備工藝：非氣相工藝非氣相工藝，氣相工藝氣相工藝非氣相工藝非氣相工藝：雙坩堝法，溶膠凝膠法，管棒法，粉末機械成形法，.第48頁/共73頁第47頁/共73頁 MCVD法: 美國AT&T公司 PCVD法: 荷蘭飛利浦公司 OVD法: 美國康寧公

12、司 VAD法: 日本住友、古河、騰倉等公司重點介紹第49頁/共73頁第48頁/共73頁氣相工藝：氣相工藝：MCVD，PCVD，OVD，VAD，.MCVD:改良的化學(xué)氣相沉積法- AT&T, USA2222442)()(ClGeOSiOOGeClSiCl化學(xué)反應(yīng)化學(xué)反應(yīng)熱泳現(xiàn)象熱泳現(xiàn)象處于溫度場中的懸浮顆粒，受力的作用而向低溫區(qū)運動，附著在石英管壁上。第50頁/共73頁第49頁/共73頁MCVD方法簡圖第51頁/共73頁第50頁/共73頁第52頁/共73頁第51頁/共73頁PCVD （ 1976年，荷蘭Philips ） 使用微波在石英管內(nèi)產(chǎn)生高溫等離子代替MCVD法中的氫氧焰進行加熱，

13、使得原料發(fā)生反應(yīng)。第53頁/共73頁第52頁/共73頁第54頁/共73頁第53頁/共73頁OVD: Outside Vapor Deposition- Corning, USARadial Flamous Hydrolization圖 1.2.1 OVD工藝沉積過程示意圖燃氣氧氣+鹵化物原料煙塵預(yù)制棒模棒燃燒器（噴燈）SiO2和摻雜物干燥氣體燒結(jié)爐疏松多孔預(yù)制棒透明預(yù)制棒圖 1.2.2 OVD工藝燒結(jié)過程示意圖第55頁/共73頁第54頁/共73頁VAD: Vapor Axial Deposition- NTT, JapanTV監(jiān)測干燥氣體控制系統(tǒng)引棒透明預(yù)制棒疏松預(yù)制棒反應(yīng)腔干燥燒結(jié)爐熔融燒結(jié)

14、爐排氣系統(tǒng)噴燈系統(tǒng)SiO 微粒He Cl22流量控制系統(tǒng)圖 1.4.1 VAD工藝示意圖第56頁/共73頁第55頁/共73頁222122OHClSiOSiClOHSi gsgvgsgvClSiOOSiClHClSiOOHSiCl2224224242 gsgvClGeOOGeCl22242化學(xué)反應(yīng)化學(xué)反應(yīng)水解反應(yīng)水解反應(yīng)氧化反應(yīng)氧化反應(yīng)脫水反應(yīng)脫水反應(yīng)第57頁/共73頁第56頁/共73頁原料原料預(yù)制棒預(yù)制棒光纖光纖第58頁/共73頁第57頁/共73頁2、拉絲工藝、拉絲工藝?yán)z拉絲工藝工藝流程流程拉絲拉絲控制控制系統(tǒng)系統(tǒng)收絲控收絲控制設(shè)備制設(shè)備預(yù)制棒裸光纖光纖拉絲塔結(jié)構(gòu)示意圖光纖拉絲塔結(jié)構(gòu)示意圖第

15、59頁/共73頁第58頁/共73頁第60頁/共73頁第59頁/共73頁拉絲工藝簡介光纖拉絲工藝包括以下幾個方面：一 拉絲將處理好的預(yù)制棒送入拉絲爐中，在高溫下，將預(yù)制棒的一端熔化以形成石英玻璃絲，再以一定的張力及速度對其進行牽引，以保持光纖直徑穩(wěn)定在125m范圍內(nèi)二 涂覆在光纖冷卻后，對光纖表面涂UV材料進行UV固化，以保護光纖表面精確控制外徑在2455m，形成標(biāo)準(zhǔn)的商用光纖。涂覆層有機材料第61頁/共73頁第60頁/共73頁拉絲長度拉絲長度l 預(yù)制棒體積 Vpreform=D2L/4, D: mm, L: mm 光纖體積 Vfiber= d2l/4, d=125 umVpreform = V

16、fiber l = 6.4 10-5D2L (km)拉絲原理拉絲原理保持芯保持芯/包層結(jié)構(gòu)不變！包層結(jié)構(gòu)不變！第62頁/共73頁第61頁/共73頁光纜光纜光纖成纜工藝光纜使用技術(shù)要求技術(shù)要求保護光纖免受外力作用（切斷、微彎、側(cè)應(yīng)力等）保護光纖免受外力作用（切斷、微彎、側(cè)應(yīng)力等）便于施工、維護、接續(xù)便于施工、維護、接續(xù)要有一定的余長，光纖盡量靠近光纜中心要有一定的余長，光纖盡量靠近光纜中心保護材料的熱膨脹系數(shù)與光纖盡量接近，避免應(yīng)力和微彎保護材料的熱膨脹系數(shù)與光纖盡量接近，避免應(yīng)力和微彎尺寸小，重量輕尺寸小，重量輕防水，防潮，抗腐蝕，防蟲叮鼠咬防水，防潮，抗腐蝕，防蟲叮鼠咬第63頁/共73頁第6

17、2頁/共73頁光纜結(jié)構(gòu)光纜結(jié)構(gòu)纜芯、加強元件、護層纜芯、加強元件、護層纜芯纜芯作用作用：妥善安置光纖的位置，使光纖在各種外力影響下仍能保持優(yōu)良的傳輸性能套塑方法套塑方法緊套緊套：無活動空間，易受外力影響；外徑小，性能穩(wěn)定松套松套：外徑較大，須填充油膏來提高縱向密封性；溫度性能好，易于緩沖外力，是發(fā)展方向*光纜中必須有防潮層防潮層，并填充油膏！第64頁/共73頁第63頁/共73頁加強元件加強元件中心加強、外層加強中心加強、外層加強要求要求高楊氏模量，高彈性范圍，高比強度（強度/重量），低線膨脹系數(shù)，抗腐蝕性，柔軟性材料材料鋼絲，鋼絞線，鋼管強電磁干擾區(qū)域、雷區(qū)高強度非金屬材料，芳綸纖維第65頁/

18、共73頁第64頁/共73頁護層護層是是由護套構(gòu)成的多層組合體由護套構(gòu)成的多層組合體作用作用保持光纜在各種敷設(shè)條件下都能為纜芯提供足夠機械強度不同敷設(shè)方式不同要求不同敷設(shè)方式不同要求管道：較強的抗拉、抗側(cè)壓、抗彎曲能力直埋：鎧裝抗側(cè)壓，同時考慮地面的振動與蟲咬架空：環(huán)境的影響，防彈層水底：更高的抗拉、抗水壓、防水能力護層結(jié)構(gòu)護層結(jié)構(gòu)填充層：PVC填充物，固定各單元位置內(nèi)護層：纜芯外一層聚脂薄膜，扎緊纜芯，隔熱，緩沖防水層：密封的鋁管，防水進入，特別是水下光纜緩沖層：尼龍帶軸向螺旋式繞包纜芯，保護纜芯免受徑向壓力鎧裝層：光纜外的金屬護套，免受強大的側(cè)向壓力外護套：PVC，聚乙烯等擠鑄在光纜外，保護光纜，第66頁/共73頁第65頁/共73頁光纜分類光纜分類纜纜芯芯結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)層絞式層絞式按一定節(jié)距進行絞合，光纖沒有活動余地，經(jīng)受側(cè)向壓力能力弱，通常用松套光纖骨架式骨架式優(yōu)良的機械性能和抗沖擊性能，微彎損耗小，工藝復(fù)雜帶狀帶狀空間利用率高，可快速接續(xù)，工藝要求高束管式束管式抗彎，抗