淺談光導(dǎo)纖維課件

1、一、光纖通信的發(fā)展史：一、光纖通信的發(fā)展史： 光纖通信是七十年代，發(fā)展起來的一門新興技術(shù)。光纖是光導(dǎo)纖維的簡稱。它是由玻璃材料(SiO2)，抽絲而成的一種光傳輸媒體。以光波傳送資訊，以光纖為傳輸介質(zhì)的通信方式，稱為光纖通信。 1880年，貝爾繼發(fā)明電話之后，又發(fā)明了“光話”。以日光為光源，大氣為傳輸介質(zhì)，在200米的距離內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了語音信號(hào)的傳遞。但是這種通信，所能傳送的資訊是十分有限的。有兩個(gè)方面的問題： 1、普通光源或日光成份復(fù)雜、振動(dòng)方面雜亂而無法調(diào)變（可靠的高強(qiáng)度光源）； 2、利用大氣為介質(zhì)，進(jìn)行光通信損耗大，受氣候影響嚴(yán)重（穩(wěn)定的低損耗介質(zhì)）。 1960年，美國的Maimen，發(fā)明了紅

2、寶石鐳射二極體。由此，人們得到了良好的同調(diào)光。此時(shí)，最好的光學(xué)玻璃的傳輸損耗，仍高達(dá)1000dB/km（。這意味著，如果要在一公里長的光纖末端，檢測(cè)到一個(gè)波長為1m的光子 (其能量h210-19焦耳)，則在其入端，要輸入的光的能量，為21081焦耳。 dB = 10 lg ( Pout / Pin ) Pout :輸出功率 ; Pin :輸入功率 1966年英籍華人高錕(C. K. Kao)博士提出，如果利用帶有包層材料的石英玻璃光學(xué)纖維(光纖)來進(jìn)行光通信，其損耗可能低20dB/km。1970年，美國的康寧公司果然制造出，損耗為20dB/km的光導(dǎo)纖維(所使用光源的波長，約為 0.8m)。同

3、時(shí)，貝爾研究所林嚴(yán)雄博士制造出在室溫下可連續(xù)工作的半導(dǎo)體激光器。 至此，光通信技術(shù)中的兩大難題都得到了解決，使光纖通信技術(shù)，受到了空前的重視。 二、光纖的結(jié)構(gòu)n纖芯 core：折射率較高，用來傳送光信號(hào)；n包層 coating：覆蓋在纖芯外圈的部分，為形成全反射，其折射率較纖芯低。n保護(hù)套 jacket：強(qiáng)度大，能承受較大沖擊，保護(hù)光纖。纖芯纖芯包層包層保護(hù)套保護(hù)套三、光纖通信的原理 n光纖通信是先把聲音轉(zhuǎn)換成能代表聲音變化的電信號(hào)，然后把它放大，再用經(jīng)過放大的電信號(hào)來控制激光器發(fā)光，使激光器發(fā)出來的激光的亮度也隨著代表聲音的電信號(hào)來變化，這樣，激光器就把代表聲音的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的光信號(hào)。通

4、過光導(dǎo)纖維傳送到接受的一端后，由于接收設(shè)備里有一個(gè)對(duì)光非常敏感的光電管，可以把接收來的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，這樣代表聲音的光信號(hào)就被轉(zhuǎn)換回來，再放大以便送到聽筒引起膜振動(dòng)，就能聽到與發(fā)送端一樣的聲音了。 光纖與傳輸參數(shù)單信道全光中繼數(shù)字通單信道全光中繼數(shù)字通信信光光-電電-光中繼的數(shù)字通信光中繼的數(shù)字通信電信電信號(hào)號(hào)光 發(fā) 送光 發(fā) 送機(jī)機(jī)光 接 受光 接 受機(jī)機(jī)電信電信號(hào)號(hào) 光纖通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)光纖通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu) 四、光纖產(chǎn)生損耗的原因 n材料的吸收損耗：由于光纖內(nèi)含有過度金屬元素(如Sc、Ti、V、Cr、Mn.等)。這類金屬在光譜范圍，有廣大的吸收帶。另外所含的OH及材料的缺陷（如光纖抽絲，所引起

5、的核心及外殼介面構(gòu)造的微小變化），也會(huì)產(chǎn)生損耗。n材料的散射損耗：由于材料的密度或組成不均，都會(huì)產(chǎn)生“瑞利散射”散射，其損失值與波長成反比。因此波長越長，損失越小，除了“瑞利散射”外，尚有其他的散射行為，但其影響，不如“瑞利散射”損耗大。n機(jī)械變形所引起的損耗：當(dāng)機(jī)械變形，所引起的微曲及彎曲，都會(huì)造成光纖傳送信號(hào)的損失。所謂彎曲損失，則是指在某處的入射角，比臨界角小時(shí)，光向外面折射，而造成的損失。 五、光纖的分類n按照光纖的模式分類q單模（Single-Mode）中心玻璃芯教細(xì)(芯徑一般為9或10m)，只能傳一種模式的光。適用于遠(yuǎn)程。q多模（Multi-Mode）中心玻璃芯教粗(50或62.5

6、m)，可傳多種模式的光。傳輸距離較近。12595012562.5125n按折射率分類q階越光纖：光纖中心芯到玻璃包層的折射率是突變的。最早為多模光纖，通常沿其中心軸平行前進(jìn)的光線，與彎曲前進(jìn)的光線，在到達(dá)時(shí)間上會(huì)有差異，因此無法傳輸測(cè)量信號(hào)中相位的信息?，F(xiàn)主要使用在單模光纖上。 q漸變折射率光纖：光纖中心芯到玻璃包層的折射率是逐漸變小，使光信號(hào)按正弦形式傳播，能減少模間色散，現(xiàn)在的多模光纖多為漸變型光纖。 n按材料成分分類玻璃類1、石英光纖（SiO2GeO2P3O4）2、硫系光纖3、氟系光纖晶體類1、氯化物單晶和多晶光纖2、塑料光纖六、研究動(dòng)向 一般我們所指的光纖，都是指石英玻璃光纖(Sili

7、ca-based glasses)。事實(shí)上，光纖材料，可分為無機(jī)材料、及有機(jī)材料兩種。 無機(jī)材料中，目前以石英玻璃的損耗為最低，并且具有高強(qiáng)度及良好的安定性，其主要成份為二氧化硅(SiO2)。當(dāng)為了增大其折射率，而添加二氧化鍺、氧化鋁、氧化磷等材料，當(dāng)為了減少其折射率時(shí)，則加入三氧化二硼及氟等材料。1、塑料光纖 與石英玻璃光纖相比，塑料光纖（POF, Plastic Optical Fiber）以其芯徑大、制造簡單、連接方便、可用便宜光源等優(yōu)點(diǎn)正在受到寬帶局域網(wǎng)建設(shè)者的青睞。正是寬帶局域網(wǎng)的迅速發(fā)展帶來了POF 技術(shù)的革命性進(jìn)步，特別是以全氟化的聚合物（如商用產(chǎn)品名稱為CYTOP）為基本組成的

8、氟化塑料光纖（PF-POF）在局域網(wǎng)的逐步使用，從而標(biāo)志著PF-POF 正在由試驗(yàn)室步入局域網(wǎng)工程應(yīng)用。最早POF 是用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）材料制成的。由于PMMA材料中存在著大量的C-H鍵諧振會(huì)引起很大的光吸收，所以PMMA-POF 在650nm的衰減系數(shù)高達(dá)160dB/km以上。研究人員采用全氟化的聚合物材料為基本成份制造出了在850nm和1300nm的衰減系數(shù)小于20dB/km 的PF-POF。究其原因是氟化的聚合物中的C-F 鍵大大減小了光吸收，故全氟化的聚合物PF-POF 的衰減系數(shù)十分小。 在生產(chǎn)工藝上，POF的生產(chǎn)采用的是1982年由日本慶應(yīng)大學(xué)發(fā)明的“界面凝膠”工藝。該

9、工藝?yán)米鳛榘鼘拥乃芰瞎芘c塑料管內(nèi)作為纖芯的混合液體之間發(fā)生的“界面凝膠”作用來形成POF的梯度折射率分布結(jié)構(gòu)的。但是，“界面凝膠”工藝生產(chǎn)PF-POF 的“界面凝膠”反應(yīng)需要很長的時(shí)間，所以該工藝的生產(chǎn)成本比較高。為了進(jìn)一步降低POF的制造成本，美國OFS公司試驗(yàn)室的Whitney R.White 等人開發(fā)出了一種簡單擠塑工藝來生產(chǎn)PF-POF。這種擠塑工藝是借助兩臺(tái)擠塑機(jī)分別擠出芯和包層材料熔體，然后兩種材料熔體在擠塑機(jī)頭處合為一體形成一個(gè)同心的熔體流，摻雜材料位于熔體的中心。在擠塑機(jī)頭后，這些熔體材料流過一個(gè)長加熱擴(kuò)散管，從而允許來自熔體的中心的小分子摻雜劑擴(kuò)散到包層材料熔體中。通過控制

10、溫度、停留時(shí)間和芯/包層材料的相對(duì)流速，人們就可以制造出各種折射率分布結(jié)構(gòu)和芯/尺寸的PF-POF。2、光子晶體光纖 1991 年，Russell 根據(jù)光子晶體傳光原理又提出了光子晶體光纖的概念。最近，人們又利用石英玻璃管和石英玻璃棒研究出了光子晶體光纖。光子晶體光纖（PCF）是一種由單一介質(zhì)（通常為石英玻璃，也可以為塑料）構(gòu)成、并且在二維方向上呈現(xiàn)周期性緊密排列（周期性六角形）、而在三維空間（光纖軸向）基本保持不變的波長量級(jí)空氣孔構(gòu)成的微結(jié)構(gòu)包層的新型光纖。與常規(guī)光纖不同，PCF是由石英玻璃空氣孔微小結(jié)構(gòu)組成的光纖，其又可以分為實(shí)芯光纖和空芯光纖，即前者是由石英玻璃棒和石英玻璃毛細(xì)管加熱拉制成的，而后者則是由石英玻璃管和石英玻璃毛細(xì)管加熱拉制成的。正是通過前按照設(shè)計(jì)出的PCF 的基本結(jié)構(gòu): 按照預(yù)先設(shè)計(jì)的形狀（六角形）將石英玻璃毛細(xì)管緊密地排列在作為纖芯的石英玻璃棒或一圈石英玻璃毛細(xì)管的周圍，即集束成棒，再通過加熱拉制就可以制成所需要的性能的PCF。表征PCF 性能的3 個(gè)特征參數(shù)是纖芯直徑、包層空氣孔直徑、包層空氣孔之間距離。在PCF的拉制過程中，改變拉制