光電子技術(shù)——光纖與光纖技術(shù)簡介

1、1光纖與光纖制造工藝2 光纖簡介光纖簡介 光纖制造工藝光纖制造工藝 主要光纖產(chǎn)品介紹主要光纖產(chǎn)品介紹 光纖技術(shù)發(fā)展概況光纖技術(shù)發(fā)展概況內(nèi)內(nèi) 容容31. 1. 光光 纖纖 簡簡 介介41. 光光 纖纖 簡簡 介介什么是光纖（什么是光纖（optical fiber)optical fiber)？ 光纖是光纖是光導纖維光導纖維的簡稱。光纖是以的簡稱。光纖是以光脈沖光脈沖的的形式來傳輸信號，材質(zhì)以形式來傳輸信號，材質(zhì)以玻璃或有機玻璃玻璃或有機玻璃為主的為主的網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)。 電 信電 信號號光光 發(fā)發(fā)送送 機機光光 接接受受 機機電 信電 信號號光纖光纖5光纖結(jié)構(gòu)光纖結(jié)構(gòu) 光纖由三部分組成：

2、光纖由三部分組成：芯層（芯層（corecore）包層（包層（claddingcladding）涂覆層（涂覆層（coatingcoating） 內(nèi)層（內(nèi)層（buffer layer） 外層（外層（top layertop layer） 芯層芯層: SiO2+Ge+F : SiO2+Ge+F 包層包層: SiO2+F: SiO2+F內(nèi)涂覆層內(nèi)涂覆層: :丙烯酸樹脂丙烯酸樹脂 外涂敷層外涂敷層: :丙烯酸樹脂丙烯酸樹脂1. 光光 纖纖 簡簡 介介6光纖分類光纖分類光纖信號處理光纖信號處理光纖光纖通通 信用信用光纖光纖非非 通信通信用光纖用光纖單模光纖（單模光纖（SM）多模光纖（多模光纖（MM）特種光

3、纖特種光纖光纖傳感光纖傳感光纖測量光纖測量其它光學系統(tǒng)其它光學系統(tǒng)1. 光光 纖纖 簡簡 介介71. 光光 纖纖 簡簡 介介模式（模式（mode）概念）概念 模式是指光的在模式是指光的在光纖中光纖中的的傳輸方式傳輸方式（電磁場分（電磁場分布形式）。布形式）。 光纖中能夠傳導的模式是由光纖中能夠傳導的模式是由光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)所決所決定的。外界激勵只能激勵起光纖中定的。外界激勵只能激勵起光纖中允許存在的模式允許存在的模式而不會改變模式的固有性質(zhì)。而不會改變模式的固有性質(zhì)。 模式是光模式是光波動方程的解波動方程的解。它對應于波動方程某。它對應于波動方程某一本征值并滿足全部邊界條件。每一個模式

4、對應于一本征值并滿足全部邊界條件。每一個模式對應于沿光纖軸向傳播的一種電磁波。沿光纖軸向傳播的一種電磁波。8單模與多模光纖單模與多模光纖階躍型多模單模光纖1. 光光 纖纖 簡簡 介介9光纖幾何尺寸光纖幾何尺寸 芯徑芯徑 單模光纖：單模光纖： 10um;10um; 多模光纖：多模光纖： 50um/62.5um50um/62.5um包層直徑包層直徑 普通光纖：普通光纖： 125um涂覆層直徑涂覆層直徑 普通光纖普通光纖 內(nèi)層內(nèi)層 170200um 外層外層 245um1. 光光 纖纖 簡簡 介介125um245um10光纖工作原理光纖工作原理 光纖利用光在光纖利用光在界面上的全反射原界面上的全反射

5、原理進行工作。理進行工作。1. 光光 纖纖 簡簡 介介11多模多模芯層芯層包層包層芯層芯層包層包層G.652G.6551. 光光 纖纖 簡簡 介介12光纖通信原理光纖通信原理 光纖通信采用數(shù)字通信原理。光纖通信采用數(shù)字通信原理。 0 1 0 0 1 1 0 1 0 模擬信號模擬信號 數(shù)字信號數(shù)字信號 模擬信號模擬信號編編 碼碼解解 碼碼1. 光光 纖纖 簡簡 介介13單信道全光中繼數(shù)字通信單信道全光中繼數(shù)字通信光光-電電-光中繼的數(shù)字通信光中繼的數(shù)字通信1. 光光 纖纖 簡簡 介介14光纖通信特點光纖通信特點1. 光光 纖纖 簡簡 介介優(yōu)點：優(yōu)點： 信號損耗小，中繼距離長；信號損耗小，中繼距離

6、長； 光纖為絕緣體不受電磁干擾；光纖為絕緣體不受電磁干擾； 玻璃光纖不產(chǎn)生電磁場，保密性高；玻璃光纖不產(chǎn)生電磁場，保密性高； 重量輕，易于施工和運輸；重量輕，易于施工和運輸；缺點：缺點： 光纖制造工藝復雜，生產(chǎn)成本較高；光纖制造工藝復雜，生產(chǎn)成本較高； 光纖連接復雜；光纖連接復雜； 配套光器件價格較高配套光器件價格較高152. 2. 光光 纖纖 制制 造造 工工 藝藝162. 光纖制造工藝光纖制造工藝光纖制造基本過程光纖制造基本過程制制 棒棒 拉拉 絲絲 性能測試性能測試 玻璃加工玻璃加工 清清 洗洗 包裝入庫包裝入庫 172. 光纖制造工藝光纖制造工藝預制棒介紹預制棒介紹預制棒尺寸：預制棒尺

7、寸：直徑：直徑：60mm，80mm，150mm長度：長度： 1m2m制棒方法：制棒方法：玻璃分相法玻璃分相法溶膠凝膠法溶膠凝膠法氣相沉積法氣相沉積法預制棒要求：預制棒要求：高純度；高純度；準確的折射率分布準確的折射率分布182. 光纖制造工藝光纖制造工藝預制棒制造工藝預制棒制造工藝氣相氣相沉積沉積法法管外法管外法管內(nèi)法管內(nèi)法管外汽相沉積法（管外汽相沉積法（OVDOVD）汽相軸向沉積法（汽相軸向沉積法（VADVAD）改進的管內(nèi)化學氣相沉改進的管內(nèi)化學氣相沉積法（積法（MCVDMCVD）等離子體管內(nèi)化學氣相等離子體管內(nèi)化學氣相沉積法（沉積法（PCVDPCVD）192. 光纖制造工藝光纖制造工藝四種

8、工藝在全球的大體市場份額四種工藝在全球的大體市場份額10%28%32%30% VAD OVD MCVD PCVD 20管外汽相沉積法（管外汽相沉積法（OVDOVD）優(yōu)點優(yōu)點：沉積速率高、預制棒體積大、原料純度要求 較低、生產(chǎn)率高 不足不足：折射率剖面粗糙、原料利用率低 結(jié)論結(jié)論：擅長制造包層2. 光纖制造工藝光纖制造工藝21汽相軸向沉積法（汽相軸向沉積法（VADVAD）優(yōu)點優(yōu)點：沉積速率高、預制棒體積大、原料純度要求 較低、生產(chǎn)率高不足不足：折射率剖面粗糙、原料利用率低 結(jié)論結(jié)論：擅長制造包層2. 光纖制造工藝光纖制造工藝22 改進的管內(nèi)化學氣相沉積法（改進的管內(nèi)化學氣相沉積法（MCVDMCV

9、D）優(yōu)點優(yōu)點：投資少、操作運行較容易、工藝控制性好 不足不足：原料利用率低、折射率剖面不夠精確 結(jié)論結(jié)論：擅長制造包層、纖芯制造僅次于PCVD 2. 光纖制造工藝光纖制造工藝23等離子體管內(nèi)化學氣相沉積法（等離子體管內(nèi)化學氣相沉積法（PCVDPCVD）優(yōu)點優(yōu)點：沉積層薄、工藝控制性強、折射率剖面精確 原材料利用率高 不足不足：原料要求純度高、沉積速率低 結(jié)論結(jié)論：擅長制造纖芯 2. 光纖制造工藝光纖制造工藝24 原材料利用率高原材料利用率高 四氯化硅四氯化硅SiClSiCl4 4 100%100% 四氯化鍺四氯化鍺GeClGeCl4 4 8585 氟氟C C2 2F F6 6 90%90% -

10、 - 節(jié)約原材料，降低成本，有利環(huán)保節(jié)約原材料，降低成本，有利環(huán)保 沉積層數(shù)高達沉積層數(shù)高達30003000層，可精確控制折射率的分層，可精確控制折射率的分 布，可良好地對各類光纖的色散進行控制生產(chǎn)布，可良好地對各類光纖的色散進行控制生產(chǎn) 出世界一流水平的高帶寬多模光纖以及復雜結(jié)出世界一流水平的高帶寬多模光纖以及復雜結(jié) 構(gòu)的單模光纖構(gòu)的單模光纖 不需不需P P2 2O O5 5摻雜，有利于摻雜，有利于1550 nm1550 nm的衰減的衰減 對氫損的影響不敏感對氫損的影響不敏感2. 光纖制造工藝光纖制造工藝25涂覆層涂覆層石英套管石英套管石英襯管石英襯管芯層芯層包層包層包層包層沉積層沉積層石英

11、管石英管PCVDPCVD沉積沉積 芯棒測試芯棒測試套棒套棒篩選篩選成品包裝成品包裝光纖測試光纖測試拉絲拉絲熔縮熔縮2. 光纖制造工藝光纖制造工藝26反應機理反應機理SiCl4+O2 SiO2+2Cl2GeCl4+O2GeO2+2Cl2優(yōu)點優(yōu)點* 沉積層非常薄沉積層非常薄* 工藝控制性強工藝控制性強* 折射率剖面精確折射率剖面精確* 原材料利用率高原材料利用率高2. 光纖制造工藝光纖制造工藝諧振腔諧振腔等離子體等離子體SiCl4+GeCl4+C2F6+O2石英管石英管真空泵真空泵磁控管磁控管PCVD爐體爐體27經(jīng)經(jīng)PCVDPCVD沉積好的管子在熔縮車床上熔縮成一實沉積好的管子在熔縮車床上熔縮成一

12、實心預制棒。心預制棒。2. 光纖制造工藝光纖制造工藝28芯棒測試芯棒測試套套 棒棒 熔縮好的芯棒經(jīng)熔縮好的芯棒經(jīng)設(shè)備測試確定芯設(shè)備測試確定芯棒質(zhì)量棒質(zhì)量 2. 光纖制造工藝光纖制造工藝29Fusion group 1Fusion group 2Furnace2. 光纖制造工藝光纖制造工藝RITCoating 1stCoating 2ndFeederCapstanTake-up unitMeasurement 1Measurement 2PLC 302. 光纖制造工藝光纖制造工藝拉拉 絲絲31為保證成品光纖有足夠的強度，光纖在篩選機上被施為保證成品光纖有足夠的強度，光纖在篩選機上被施以一定的張力

13、進行強度篩選。以一定的張力進行強度篩選。2. 光纖制造工藝光纖制造工藝篩篩 選選32 經(jīng)過強度試驗后，經(jīng)過強度試驗后，合格光纖將進行傳合格光纖將進行傳輸性能和幾何性能輸性能和幾何性能的測試。的測試。2. 光纖制造工藝光纖制造工藝測試與包裝測試與包裝33343. 主要光纖產(chǎn)品主要光纖產(chǎn)品DCF光纖光纖光纖光纖 普普 通通 光光 纖纖 特特 種種 光光 纖纖單模光纖單模光纖多模光纖多模光纖保偏光纖保偏光纖大芯徑光纖大芯徑光纖光子晶體光纖光子晶體光纖產(chǎn)品分類產(chǎn)品分類353. 主要光纖產(chǎn)品主要光纖產(chǎn)品普通單模光纖普通單模光纖(G652A/B)特點：特點：q 光纖中只傳導基模光纖中只傳導基模 ；q 芯徑

14、小，傳輸帶寬高；芯徑小，傳輸帶寬高；q 熔接和耦合困難，對光源要求高；熔接和耦合困難，對光源要求高；q 制造工藝簡單。制造工藝簡單。單模光纖單模光纖LP00CladdingCore363. 主要光纖產(chǎn)品主要光纖產(chǎn)品多模光纖多模光纖(GIMM)的折射率分布（的折射率分布（G651)折射率分布公式折射率分布公式n2(r)=n21-2(r/a)gg1 三角形分布；三角形分布；g2 拋物線型分布；拋物線型分布；g 階躍型分布階躍型分布corecladding37多模光纖多模光纖12CladdingCore3. 主要光纖產(chǎn)品主要光纖產(chǎn)品漸變型多模光纖（漸變型多模光纖（GIMMGIMM）特點：特點：q 光

15、纖中傳導多個模式光纖中傳導多個模式 ；q 芯徑大，模間色散大；芯徑大，模間色散大；q 易于耦合，對光源要求低；易于耦合，對光源要求低；q 制造工藝復雜。制造工藝復雜。38精確的折射率剖面精確的折射率剖面控制控制消除中心凹陷消除中心凹陷消除芯層消除芯層/ /包層界面包層界面缺陷缺陷3. 主要光纖產(chǎn)品主要光纖產(chǎn)品PCVDPCVD工藝在制造多模光纖中的優(yōu)勢工藝在制造多模光纖中的優(yōu)勢PCVDNONPCVD393. 主要光纖產(chǎn)品主要光纖產(chǎn)品各種光纖的用途各種光纖的用途單模光纖：單模光纖：q普通單模：高速率、長距離傳輸通信主干網(wǎng)。普通單模：高速率、長距離傳輸通信主干網(wǎng)。多模光纖：多模光纖：q50um50u

16、m多模：局域網(wǎng)通信、音多模：局域網(wǎng)通信、音/ /視頻信號傳輸和數(shù)據(jù)傳輸。視頻信號傳輸和數(shù)據(jù)傳輸。q62.5um62.5um多模：多模：局域網(wǎng)通信（北美地區(qū)使用較多）。局域網(wǎng)通信（北美地區(qū)使用較多）。403. 主要光纖產(chǎn)品主要光纖產(chǎn)品特種光纖簡介特種光纖簡介保偏光纖特點：保偏光纖特點：q 雙折射率高，保雙折射率高，保偏性能好偏性能好 ；q 衰耗低；衰耗低；q 彎曲穩(wěn)定性好；彎曲穩(wěn)定性好；保偏光纖應用：保偏光纖應用：q 光纖陀螺光纖陀螺 ；q 偏振敏感器件；偏振敏感器件；q 偏振傳感器；偏振傳感器；熊貓型保偏光纖熊貓型保偏光纖413. 主要光纖產(chǎn)品主要光纖產(chǎn)品特種光纖簡介特種光纖簡介DCFDCF光

17、纖特點：光纖特點：q 負色散值（反色負色散值（反色散光纖）散光纖） ；q 高色散斜率；高色散斜率；q 芯徑小，相對折芯徑小，相對折射率高；射率高；17DispersionWavelength-130SM fiberDCF fiber1550nm1310nm423. 主要光纖產(chǎn)品主要光纖產(chǎn)品DCFDCF光纖應用光纖應用433. 主要光纖產(chǎn)品主要光纖產(chǎn)品特種光纖簡介特種光纖簡介大芯徑光纖特點：大芯徑光纖特點：q 光纖芯徑大（可達到光纖芯徑大（可達到190um190um以上），以上），NANA值大值大 ；q 與光源間的光耦合效率高；與光源間的光耦合效率高；q 允許更高的光源密度；允許更高的光源密度；

18、大芯徑光纖應用：大芯徑光纖應用：q 工業(yè)局域網(wǎng)工業(yè)局域網(wǎng) ；q 光纖傳感；光纖傳感；q 激光能量傳輸；激光能量傳輸；443. 主要光纖產(chǎn)品主要光纖產(chǎn)品特種光纖簡介特種光纖簡介光子晶體光纖（光子晶體光纖（PCFPCF）：）：454. 4. 光纖技術(shù)發(fā)展概況光纖技術(shù)發(fā)展概況461980-20101980-2010年中國電話用戶和電話普及率年中國電話用戶和電話普及率0.43%0.60%1.11%4.66%13%38%0501001502002503003504004505001980198519901995200020100.00%5.00%10.00%15.00%20.00%25.00%30.00

19、%35.00%40.00%電話用戶電話普及率語音業(yè)務的發(fā)展語音業(yè)務的發(fā)展47中中國國19951996199719982000上上網(wǎng)網(wǎng)計計算算機機數(shù)數(shù)70003600016000074 萬萬上上網(wǎng)網(wǎng)用用戶戶62 萬萬210 萬萬1000 萬萬美美國國 19951998上上網(wǎng)網(wǎng)人人數(shù)數(shù)1350 萬萬6000 萬萬全全球球到到2000 年年上上網(wǎng)網(wǎng)計計算算機機數(shù)數(shù)1 1 億億 上上網(wǎng)網(wǎng)用用戶戶 5 5 億億因特網(wǎng)業(yè)務量以每年翻兩番的速度急劇增長因特網(wǎng)業(yè)務量以每年翻兩番的速度急劇增長 48 人均敷設(shè)光纖人均敷設(shè)光纖 4. 4.5 5 米米 人均敷設(shè)光纖人均敷設(shè)光纖 8080 米米 至至 1991999

20、 9 年底年底 中國人均光纖擁有量中國人均光纖擁有量 2 20 0 米米 美國人均光纖擁有量美國人均光纖擁有量300300 米米 全球光纖正以全球光纖正以1000m/s1000m/s鋪設(shè)鋪設(shè)人均光纖擁有量，正成為判斷一個國家信息化程度的標志 1999年年49100M單信道傳輸速率向單信道傳輸速率向40G40G更高發(fā)展更高發(fā)展External Mod.MQW速 率10M1G10G80909520002005F-32M78F-100M78C-140M81F-400M82F-1.6G85FTM-2.4G90C-565M86C-34M8045M7890M80D-135M83D-405M83D-560M85D-1.12G87ITS-60091ITS-240092FTM-600M89FA-10G95 s-in10G92SMS-250094PDH實驗室設(shè)備商 用100GW896W1697W3298SONETPD