淺談光導纖維課件

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。光纖是光導纖維的簡稱。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，在200米的距離內，實現了語音信號的傳遞。但是這種通信，所能傳送的資訊是十分有限的。有兩個方面的問題： 1、普通光源或日光成份復雜、振動方面雜亂而無法調變（可靠的高強度光源）； 2、利用大氣為介質，進行光通信損耗大，受氣候影響嚴重（穩(wěn)定的低損耗介質）。 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光。此時，最好的光學玻璃的傳輸損耗，仍高達1000dB/km（。這意味著，如果要在一公里長的光纖末端，檢測到一個波長為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纖維(光纖)來進行光通信，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的光導纖維(所使用光源的波長，約為 0.8m)。同

3、時，貝爾研究所林嚴雄博士制造出在室溫下可連續(xù)工作的半導體激光器。 至此，光通信技術中的兩大難題都得到了解決，使光纖通信技術，受到了空前的重視。 二、光纖的結構n纖芯 core：折射率較高，用來傳送光信號；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保護套 jacket：強度大，能承受較大沖擊，保護光纖。纖芯纖芯包層包層保護套保護套三、光纖通信的原理 n光纖通信是先把聲音轉換成能代表聲音變化的電信號，然后把它放大，再用經過放大的電信號來控制激光器發(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來變化，這樣，激光器就把代表聲音的電信號轉換成相應的光信號。通

4、過光導纖維傳送到接受的一端后，由于接收設備里有一個對光非常敏感的光電管，可以把接收來的光信號轉換成電信號，這樣代表聲音的光信號就被轉換回來，再放大以便送到聽筒引起膜振動，就能聽到與發(fā)送端一樣的聲音了。 光纖與傳輸參數單信道全光中繼數字通單信道全光中繼數字通信信光光-電電-光中繼的數字通信光中繼的數字通信電信電信號號光 發(fā) 送光 發(fā) 送機機光 接 受光 接 受機機電信電信號號 光纖通信網絡架構光纖通信網絡架構 四、光纖產生損耗的原因 n材料的吸收損耗：由于光纖內含有過度金屬元素(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造的微小變化），也會產生損耗。n材料的散射損耗：由于材料的密度或組成不均，都會產生“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機械變形所引起的損耗：當機械變形，所引起的微曲及彎曲，都會造成光纖傳送信號的損失。所謂彎曲損失，則是指在某處的入射角，比臨界角小時，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(芯徑一般為9或10m)，只能傳一種模式的光。適用于遠程。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的光線，與彎曲前進的光線，在到達時間上會有差異，因此無法傳輸測量信號中相位的信息?，F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，使光信號按正弦形式傳播，能減少模間色散，現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)。事實上，光纖材料，可分為無機材料、及有機材料兩種。 無機材料中，目前以石英玻璃的損耗為最低，并且具有高強度及良好的安定性，其主要成份為二氧化硅(SiO2)。當為了增大其折射率，而添加二氧化鍺、氧化鋁、氧化磷等材料，當為了減少其折射率時，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)點正在受到寬帶局域網建設者的青睞。正是寬帶局域網的迅速發(fā)展帶來了POF 技術的革命性進步，特別是以全氟化的聚合物（如商用產品名稱為CYTOP）為基本組成的

8、氟化塑料光纖（PF-POF）在局域網的逐步使用，從而標志著PF-POF 正在由試驗室步入局域網工程應用。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鍵諧振會引起很大的光吸收，所以PMMA-POF 在650nm的衰減系數高達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 的衰減系數十分小。 在生產工藝上，POF的生產采用的是1982年由日本慶應大學發(fā)明的“界面凝膠”工藝。該

9、工藝利用作為包層的塑料管與塑料管內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構的。但是，“界面凝膠”工藝生產PF-POF 的“界面凝膠”反應需要很長的時間，所以該工藝的生產成本比較高。為了進一步降低POF的制造成本，美國OFS公司試驗室的Whitney R.White 等人開發(fā)出了一種簡單擠塑工藝來生產PF-POF。這種擠塑工藝是借助兩臺擠塑機分別擠出芯和包層材料熔體，然后兩種材料熔體在擠塑機頭處合為一體形成一個同心的熔體流，摻雜材料位于熔體的中心。在擠塑機頭后，這些熔體材料流過一個長加熱擴散管，從而允許來自熔體的中心的小分子摻雜劑擴散到包層材料熔體中。通過控制

10、溫度、停留時間和芯/包層材料的相對流速，人們就可以制造出各種折射率分布結構和芯/尺寸的PF-POF。2、光子晶體光纖 1991 年，Russell 根據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（通常為石英玻璃，也可以為塑料）構成、并且在二維方向上呈現周期性緊密排列（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空氣孔構成的微結構包層的新型光纖。與常規(guī)光纖不同，PCF是由石英玻璃空氣孔微小結構組成的光纖，其又可以分為實芯光纖和空芯光纖，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管加熱拉制成的。正是通過前按照設計出的PCF 的基本結構: 按照預先設計的形狀（六角形）將石英玻璃毛細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 個特征參數是纖芯直徑、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