光纖與光纜技術(shù)課件

1、第三章 光纖原材料第三節(jié) 光纖原材料 第四節(jié) 材料對光纖傳輸特性的影響 第三章 光纖原材料第三節(jié) 光纖原材料 目前制造通信光纖和光器件的光纖材料有：石英玻璃、塑料、光子晶體和摻稀土元素的石英玻璃。第三節(jié) 光纖原材料一、石英玻璃原材料1、材料種類與作用石英玻璃光纖生產(chǎn)工藝過程包含有許多具體的工藝步驟：芯棒制造、外包層、拉絲和涂覆。(不同的工藝階段采用不同的材料，同一種材料在不同的工藝階段要求也不同)目前制造通信光纖和光器件的光纖材料有：石英玻璃、塑料、光子晶2、主體原材料(SiCl4)金屬鹵化物+氧/水金屬氧化物構(gòu)成玻璃成分。高純SiCl4石英玻璃光纖預(yù)制棒光纖(可見，SiCl4的純度直接影響光

2、纖的傳輸性能)，為了降低光纖損耗，SiCl4必須經(jīng)過嚴(yán)格的提純，除去有害的過渡金屬(Cu、Fe、Co等)離子、含氫化合物和碳?xì)浠衔锏扔泻ξ镔|(zhì)。2、主體原材料(SiCl4)3、摻雜原材料(GeCl4、CCl3F3氟里昂、C2F6六氟乙烷)(1)GeCl4的作用：提高纖芯的折射率(2) CCl3F3、C2F6的作用： 降低光纖包層的折射率； 作為沉積反應(yīng)管內(nèi)表面的腐蝕拋光劑，使石英玻 璃管內(nèi)表面光滑、清潔、干燥，有利于提高光纖 強(qiáng)度，降低損耗； 在預(yù)制成棒時(shí)，作為腐蝕劑減小由于GeO2在成棒 時(shí)的高溫?fù)]發(fā)而造成的中心下陷。3、摻雜原材料(GeCl4、CCl3F3氟里昂、C2F6六氟二、石英玻璃1

3、、來源 石英玻璃管主要早期是通過天然水晶熔制而成；目前，采用合成石英玻璃管(SiCl4高溫水解制成坯體，在經(jīng)過脫水燒結(jié)和拉管而成)。2、生產(chǎn) SiCl4+O2SiO2+2Cl2(1700) 制的的二氧化硅極純 二、石英玻璃3、熔融石英玻璃的基本物理性能 性能單位數(shù)值密度g/cm32.2軟化點(diǎn)1730抗拉強(qiáng)度MPa50彎曲強(qiáng)度MPa66.6抗扭強(qiáng)度MPa29.4楊氏模量EN/mm272900剪切模量GN/mm233000線性膨脹系數(shù)K-15.510-7溫度每變化1材料長度變化的百分率 胡克定律：在物體的彈性限度內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變 成正比，其比例系數(shù)稱為楊氏模量 E = / 剪切應(yīng)力與應(yīng)變的比值 3、

4、熔融石英玻璃的基本物理性能 性能單位數(shù)值密度g/cm特點(diǎn)：(1)耐高溫性能：軟化點(diǎn)與白金熔點(diǎn)相近；(2)熱膨脹系數(shù)?。合喈?dāng)于陶瓷的1/6，普通玻璃的1/20(3)光譜特性極佳：在紫外、可見到紅外有良好的透過性(4)耐酸性材料；(5)絕緣性能好、介電損耗?。焊邷仉娮柚迪喈?dāng)于普通玻 璃的10000倍；(6)可制得高純的材料：金屬離子總量為10-6。 特點(diǎn)：4、性能計(jì)算 已知熔融石英玻璃的密度為=2.2g/cm3，楊氏模量E=72900N/mm2，線膨脹系數(shù)=5.510-7，問：溫度引起的光纖長度的變化量？光纖長度L=1km，溫 度變化范圍由20升至40，即T=20K；解：L=TL=1.1cm(2)

5、光纖質(zhì)量？直徑d=125微米，長度L=1km的無涂覆層 的融融石英玻璃光纖； 解： =0.0123mm2；質(zhì)量M=AL=27g 4、性能計(jì)算解：L=TL=1.1cm(2)光纖質(zhì)量？直(3)光纖的應(yīng)力和應(yīng)變？直徑d=125微米，所加的張力F=424N； 胡克定律=E解：應(yīng)力=F/A=345N/mm2，應(yīng)變=/E=4.7310-3 (3)光纖的應(yīng)力和應(yīng)變？直徑d=125微米，所加的張力F=4第四節(jié) 材料對光纖傳輸特性的影響 一、材料對光纖衰減的影響 通信光纖所用的材料是石英玻璃和摻雜石英玻璃。 通信光纖的四大特性：良好的幾何特性、傳輸特性、機(jī)械特 性和環(huán)境特性。 傳輸衰減：本證損耗：多聲子吸收、紫

6、外吸收損耗； 非本征損耗：雜質(zhì)吸收、光纖波導(dǎo)結(jié)構(gòu)不夠完善等。第四節(jié) 材料對光纖傳輸特性的影響 一、材料對光纖衰減的影響1、多聲子吸收 玻璃是由硅氧四面體組成的三維無序結(jié)構(gòu)，SiO2的聲子吸收帶與硅氧四面體分子的基本振動(dòng)相對應(yīng)。純石英玻璃的強(qiáng)吸收帶位于9.1微米、12.5微米、21微米。純SiO2的多聲子吸收系數(shù)可由下式求得： 摻雜GeO2的石英玻璃中，吸收帶并非SiO2和GeO2得吸收光譜的簡單疊加，而吸收光譜更寬且更分散，摻雜10wt%的石英玻璃吸收光譜與非摻雜石英玻璃吸收光譜幾乎完全相同，所不同的是摻雜GeO2的石英玻璃吸收光譜峰值向長波長方向偏移。 1、多聲子吸收 摻雜GeO2的石英玻璃

7、中，吸收帶并2、紫外吸收和拖尾 拖尾：在吸收光譜中，峰尾需要很長時(shí)間才好回到基線， 導(dǎo)致峰的左右不對稱。 在石英玻璃的紫外反射光譜中，10.2eV、11.7 eV、14.0 eV、17.3 eV四個(gè)吸收帶。 摻雜石英玻璃的紫外吸收峰波長比石英玻璃的紫外吸收峰的波長要長，所以可以變換摻雜元素的種類和數(shù)量可改善摻雜石英玻璃的吸收拖尾。GeO2含量的增加拖尾向更長的波長區(qū)域遷移。紫外系數(shù)： 2、紫外吸收和拖尾 拖尾：在吸收光譜中，峰尾需要很長時(shí)間才好3、雜質(zhì)吸收(1)過渡金屬 過渡金屬：Fe、Cu、Ni、Mn、Co、Cr、V、Pt 過渡金屬元素具有電子結(jié)構(gòu)電子躍遷吸收損耗 來源：石英玻璃的原料中3、

8、雜質(zhì)吸收(2)氫氧根表3 110-6水而引起的吸收損耗和波長的關(guān)系 波長/微米衰減/(dB/km)0.680.0040.720.070.820.040.880.090.951.01.130.111.242.81.3866.31.9010.32.222602.7210000增大(2)氫氧根波長/微米衰減/(dB/km)0.680.004 由表可見：在0.95微米的吸收損耗為1.0dB/km；在1微米以上，氫氧根引起的吸收損耗急劇增加，1.38微米處為65 dB/km；對于波長為1.01.35微米和1.451.8微米兩個(gè)波段的吸收損耗影響最大，所以工作波長為1.281.625微米低損耗的單模光纖，必除水分。 由表可見：在0.95微米的吸收損耗為1.0dB/km；在1二、折射率1、色散模式色散、材料色散、波導(dǎo)色散；2、溫度關(guān)系 在高溫條件下，純石英玻璃和摻雜石英玻璃折射率隨波長的延長而呈現(xiàn)下降趨勢。(1)溫度與折射率的關(guān)系光脈沖通過長度為L的光纖的時(shí)延： N光線材料折射率 C光速二、折射率2、溫度關(guān)系N光線材料折射率 C光速對T求導(dǎo)得： (2)光纖溫度時(shí)延漂移常數(shù)Kf：單位長度、單位溫度的間隔 時(shí)延變化量對T求導(dǎo)得： (2)光纖溫度時(shí)延漂移常數(shù)Kf：單位長度、單位作業(yè)：設(shè)玻璃光纖的熱膨脹系數(shù)為5.510-7/，SiO2材 料在1310nm處的折射率為1.46，折射率隨溫度 的變化大