新編第2章光纖的特性1課件

1、第二章 光纖的特性 2.1引言 光纖傳輸損耗、色散和偏振是光纖最重要特性參量。它在很大程度上決定了中繼站之間的距離。2022/8/72.2光纖的損耗損耗吸收損耗散射損耗本征吸收雜質離子吸收過渡族金屬離子OH-紫外吸收紅外吸收本征散射及其他制作缺陷芯-包層界面不理想喇曼散射瑞利散射折射率分布不均勻氣泡、條紋、結石布里淵散射與波長四次方成反比2022/8/72.2.1光纖的損耗特性吸收損耗 吸收損耗是由制造光纖材料本身以及其中的過渡金屬離子和氫氧根離子(OH)等雜質對光的吸收而產(chǎn)生的損耗，前者是由光纖材料本身的特性所決定的，稱為本征吸收損耗。2022/8/71. 本征吸收損耗本征吸收損耗在光學波長

2、及其附近有兩種基本的吸收方式。(1) 紫外吸收損耗紫外吸收損耗是由光纖中傳輸?shù)墓庾恿鲗⒐饫w材料中的電子從低能級激發(fā)到高能級時，光子流中的能量將被電子吸收，從而引起的損耗。2022/8/7(2) 紅外吸收損耗紅外吸收損耗是由于光纖中傳播的光波與晶格相互作用時，一部分光波能量傳遞給晶格，使其振動加劇，從而引起的損耗。2. 雜質吸收損耗光纖中的有害雜質主要有過渡金屬離子，如鐵、鈷、鎳、銅、錳、鉻等和OH。2022/8/73. 原子缺陷吸收損耗通常在光纖的制造過程中，光纖材料受到某種熱激勵或光輻射時將會發(fā)生某個共價鍵斷裂而產(chǎn)生原子缺陷，此時晶格很容易在光場的作用下產(chǎn)生振動，從而吸收光能，引起損耗，其峰

3、值吸收波長約為630nm左右。2022/8/7散射損耗1. 線性散射損耗任何光纖波導都不可能是完美無缺的，無論是材料、尺寸、形狀和折射率分布等等，均可能有缺陷或不均勻，這將引起光纖傳播模式散射性的損耗，由于這類損耗所引起的損耗功率與傳播模式的功率成線性關系，所以稱為線性散射損耗。2022/8/7(1) 瑞利散射瑞利散射是一種最基本的散射過程，屬于固有散射。對于短波長光纖，損耗主要取決于瑞利散射損耗。值得強調(diào)的是：瑞利散射損耗也是一種本征損耗，它和本征吸收損耗一起構成光纖損耗的理論極限值。2022/8/7(2) 光纖結構不完善引起的散射損耗(波導散射損耗)在光纖制造過程中，由于工藝、技術問題以及

4、一些隨機因素，可能造成光纖結構上的缺陷，如光纖的纖芯和包層的界面不完整、芯徑變化、圓度不均勻、光纖中殘留氣泡和裂痕等等。2022/8/72. 非線性散射損耗光纖中存在兩種非線性散射，它們都與石英光纖的振動激發(fā)態(tài)有關，分別為受激喇曼散射和受激布里淵散射。2022/8/7彎曲損耗光纖的彎曲有兩種形式：一種是曲率半徑比光纖的直徑大得多的彎曲，我們習慣稱為彎曲或宏彎；另一種是光纖軸線產(chǎn)生微米級的彎曲，這種高頻彎曲習慣稱為微彎。2022/8/7在光纜的生產(chǎn)、接續(xù)和施工過程中，不可避免地出現(xiàn)彎曲。微彎是由于光纖受到側壓力和套塑光纖遇到溫度變化時，光纖的纖芯、包層和套塑的熱膨脹系數(shù)不一致而引起的，其損耗機理

5、和彎曲一致，也是由模式變換引起的。2022/8/7光纖損耗系數(shù)為了衡量一根光纖損耗特性的好壞，在此引入損耗系數(shù)(或稱為衰減系數(shù))的概念，即傳輸單位長度(1km)光纖所引起的光功率減小的分貝數(shù)，一般用表示損耗系數(shù)，單位是dB/km。用數(shù)學表達式表示為：2022/8/7式中：L為光纖長度，以km為單位；P1和P2分別為光纖的輸入和輸出光功率，以mW或W為單位。2022/8/7光纖損耗的來源(1)(2) 水峰2022/8/72.3 光纖色散光纖色散是光纖最重要特性參量之一。它在很大程度上決定了信號傳輸質量2022/8/7 2.3.1引言光纖色散：在光纖中傳輸?shù)墓饷}沖，受到由光纖的折射率分布、光纖材料

6、的色散特性、光纖中的模式分布以及光源的光譜寬度等因素決定的“延遲畸變”，使該脈沖波形在通過光纖后發(fā)生展寬。（1）多模色散（2）波導色散（3）材料色散（4）偏振色散波長色散2022/8/7脈沖與脈沖線寬=為光源的線寬，為脈沖的脈寬2022/8/7群延時t2022/8/7 色散對光纖傳輸系統(tǒng)的影響，在時域和頻域的表示方法不同。 如果信號是模擬調(diào)制的，色散限制帶寬(Bandwith)； 如果信號是數(shù)字脈沖，色散產(chǎn)生脈沖展寬(Pulse broadening)。 所以， 色散通常用3 dB光帶寬f3dB或脈沖展寬表示。 用脈沖展寬表示時， 光纖色散可以寫成 =(2n+2m+2w)1/2 n 模式色散；

7、 m材料色散； w 波導色散 所引起的脈沖展寬的均方根值。 2022/8/7群速與群延時群速 的表示：群延時：群速Vg行進單位長度所花費的時間，即2022/8/7光纖內(nèi)的群延時ps/nm2022/8/7材料色散參量(ps/nm/km)材料色散參量2022/8/7波導色散短波長=0.82m處 材料色散M=110：波導色散M=2 ps/nm/km材料色散：難調(diào)整波導色散： 比較容易調(diào)整2022/8/7 偏振模彌散水平偏振基模與垂直偏振基模的群速不同造成的脈沖即xy2022/8/7 多模光纖色散SI光纖的模式色散 GRIN (=2)光纖的的模式色散，單位長度脈沖展寬為2022/8/7舉例n1=1.4

8、8,，n2=1.473；L0.3km= 0.00472022/8/7 材料色散、波導色散是由于光脈沖由同一模式運載，因光源有線寬，而不同波長光的群速不同導致的脈沖展寬。 模式色散是由于光脈沖由同一波長光的不同模式運載，因不同模式的群速不同導致的脈沖展寬。 偏振模色散是由于光脈沖由同一波長光的同一模式運載，因不同偏振態(tài)光的群速不同導致的脈沖展寬。各種色散導致脈沖展寬的特點2022/8/7各種光纖的綜合性能和用途2022/8/72.4單模光纖的設計2.4.1引言多模光纖色散2022/8/7單模光纖的色散圖2.4.1石英玻璃的材料色散DMDW圖2.4.2單模光纖的波導色散2022/8/7常規(guī)SI單模

9、光纖(SMF-Single Mode Fiber)ZMD：零色散點ZMD1.3m0=1.55m D17ps/nm/km0.2dB/km 2022/8/7零色散位移光纖(DSF-Zero Dispersion Shifted Fiber)ZMD1.55m2022/8/7非零色散位移光纖 (Nonzero Dispersion Shifted Fiber)2022/8/7單模光纖色散比較2022/8/72.4.2截止條件2022/8/72.4.3色散特性2022/8/72.5偏振保持光纖簡介2.5.1引言軸對稱單模光纖：兩個線偏振正交模式或兩個圓偏振正交模式偏振模色散：實際光纖不可避免地存在一定缺

10、陷，如纖芯橢圓度和內(nèi)部殘余應力，使兩個偏振模的傳輸常數(shù)不同，這樣產(chǎn)生的時間延遲差稱為偏振模色散或雙折射色散。 偏振態(tài)改變 發(fā)生偏振色散保偏光纖：維持光波偏振態(tài)的偏振保持光纖2022/8/7偏振模色散取決于光纖的雙折射，由=x-ynxk-nyk得到2022/8/7雙折射參量的定義 保偏光纖(PMF)傳輸相位差2022/8/7拍長LB高雙折射率(HB)保偏光纖: BF10-5低雙折射率(LB)保偏光纖: BF10-6保偏光纖(PMF)2022/8/72.5.2保偏光纖結構類型(Polarization Maintaining Fiber )2022/8/72.5.3高雙折色光纖的制作方法石英管或預

11、制棒研磨法（MCVD法:改進的化學汽相淀積 ）管套棒法光刻腐蝕法氣相腐蝕法2022/8/7通信用光纖大多數(shù)是由石英玻璃材料組成的。光纖的制造要經(jīng)歷光纖預制棒制備、光纖拉絲等工藝步驟。 光纖制作工藝流程概述2022/8/7預制棒的生產(chǎn)主要預制棒生產(chǎn)廠家有康寧、朗訊、阿爾卡特及日本藤倉、古河等主要有四種工藝：MCVD (Modified Chemical Vapor Deposition )OVD (Outside Vapor Deposition) VAD (Vapor Axial Deposition)汽相沿軸沉淀積法 PCVD (Plasma Chemical Vapor Depositio

12、n)等離子體化學汽相淀積 2022/8/7工業(yè)界大多采用MCVD制作多模光纖。在石英管中加氧氣及高純度的鹵化物，加熱形成多層折射率不同的玻璃，玻璃再收縮變成實心棒，即為預制棒，此法很容易控制預制棒的形狀及大小。預制棒成形后，先作量測，再移到石墨爐中加熱抽絲成為光纖2022/8/7為保護其強度，避免受潮及污染，必須在裸光纖表面鍍上保護層，整個生產(chǎn)流程須45天（預制棒2天）。纖芯包層一次涂覆二次涂覆2022/8/7該工藝由AT&T貝爾實驗室于1974年開發(fā)。利用SiCl4與GeCl4等氣態(tài)原料導入旋轉石英玻璃管中，并在石英管外側進行加熱使管內(nèi)物質進行氧化反應，產(chǎn)生SiO2、GeO2在石英管內(nèi)壁形成

13、30100層之層積狀態(tài)而構成光纖之主要成分。若針對制造需有折射率變化規(guī)格的光纖產(chǎn)品而言，可透過氣態(tài)添加物的成分濃度加以控制來完成。返回MCVD2022/8/7SiO2、GeO2SiCl4、GeCl4 、O22022/8/72022/8/72022/8/7Alcatel目前已針對MCVD進行制程上的更新設計，稱為Advanced Plasma & Vapor Deposition(APVD法)。主要不同于MCVD法之處在于氣態(tài)物質沉積之后，利用另外一專用車床機臺來熔合沉積物質以構成預制棒，并以石墨感應爐替代原氫氧焰熱源進行熔合。 2022/8/7外部氣象沉積法是由康寧公司開發(fā)，OVD與MCVD最

14、大不同在于沉積物質形成于由石英、石墨或氧化鋁材料制成的“母棒”外表面，意即混合材料的玻璃蒸氣物質透過氫氧焰的直接燃燒，使氣體材料因熱分解以形成SiO2、GeO2之多孔狀物質沉積，經(jīng)過多層累積后形成預型體。返回OVD2022/8/7OVD工藝有沉積和燒結兩個具體工藝步驟：先按所設計的光纖折射分布要求進行多孔玻璃預制棒芯棒的沉積（預制棒生長方向是徑向由里向外），再將沉積好的預制棒芯棒進行燒結處理，除去殘留水份，以求制得一根透明無水份的光纖預制棒芯棒， OVD工藝最新的發(fā)展經(jīng)歷從單噴燈沉積到多噴燈同時沉積，由一臺設備一次沉積一根棒到一臺設備一次沉積多根棒2022/8/72022/8/7VAD工藝是1

15、977年由日本電報電話公司為避免與康寧公司的OVD專利的糾紛所發(fā)明的連續(xù)工藝。 VAD工藝的化學反應機理與OVD工藝相同，也是火焰水解。與OVD工藝不同的是，VAD工藝沉積獲得的預制棒的生長方向是由下向上垂直軸向生長的。燒結和沉積是在同一臺設備中不同空間同時完成的，即預制棒連續(xù)制造。VAD2022/8/7 VAD工藝的最新發(fā)展由70年代的芯、包同時沉積燒結，到80年代先沉積芯棒再套管的兩步法，再到90年代的粉塵外包層代替套管制成光纖預制棒。VAD的重要特點是可以連續(xù)生產(chǎn)，適合制造大型預制棒，從而可以拉制較長的連續(xù)光纖。2022/8/7PCVD是由Philips研究實驗室開發(fā)類似于MCVD的一種

16、技術，但不用氫氧焰進行管外加熱，而是改用微波腔體產(chǎn)生的等離子體加熱。 PCVD工藝的沉積溫度低于MCVD工藝的沉積溫度，因此反應管不易變形；由于氣體電離不受反應管熱容量的限制，所以微波加熱腔體可以沿著反應管軸向作快速往復移動，這樣允許在管內(nèi)沉積數(shù)千個薄層，從而使每層的沉積厚度減小，因此折射率分布的控制更為精確，可以獲得更寬的帶寬。PCVD2022/8/7PCVD的沉積效率高，沉積速度快，有利于消除SiO2層沉積過程中的微觀不均勻性，從而大大降低光纖中散射造成的本征損耗，適合制備復雜折射率剖面的光纖，可以批量生產(chǎn)，有利于降低成本。目前，荷蘭的等離子光纖公司占據(jù)世界領先水平。 2022/8/7VA

17、D工藝的化學反應機理與OVD工藝相同，也是火焰水解。與OVD工藝不同的是，VAD工藝沉積獲得的預制棒的生長方向是由下向上垂直軸向生長的。 單模光纖以OVD、VAD技術為主；而多模光纖則以MCVD或PCVD為主。 幾種制作工藝的比較2022/8/7PCVD與MCVD的工藝相似之處是，它們都是在高純石英玻璃管管內(nèi)進行氣相沉積和高溫氧化反應。所不同之處是熱源和反應機理，PCVD工藝用的熱源是微波，其反應機理為微波激活氣體產(chǎn)生等離子使反應氣體電離，電離的反應氣體呈帶電離子。帶電離子重新結合時釋放出的熱能熔化氣態(tài)反應物形成透明的石英玻璃沉積薄層。 2022/8/7光纖制造技術新工藝Sol-gel工藝是80年代初提出的一種新型的材料制造技術，于80年代中期開始應用于光纖制造。和傳統(tǒng)的制造方法比較，Sol-gel工藝有以下的優(yōu)點：液相反應，可極大改善材料的均勻性；易摻雜，摻雜濃度高；所得材料純度高；可精確控制材料的折射率；較低的處理溫度。2022/8/7POVD（等離子外沉積技術 ），最初用來制造合成的石英管，最近Fibercore公司擬將其開發(fā)成新一代光纖預制棒制造工藝。該工藝以高頻等離子體作熱源，SiCl4等原料在等離子體火焰中高溫水解，水解顆粒在高溫下玻璃化，直接噴在芯棒或