信息傳輸材料與器件

信息傳輸材料與器件第一頁，共一百零五頁，2022年，8月28日

光纖材料其它通信材料第二頁，共一百零五頁，2022年，8月28日光導(dǎo)纖維材料

光導(dǎo)纖維是指能導(dǎo)光的纖維，通常由折射率高的纖芯及折射率低的包層組成，這兩部分對(duì)傳輸?shù)墓饩哂袠O高的透過率。目前應(yīng)用的光纖是以SiO2為主要原料的纖維，其纖芯芯徑為數(shù)μm到數(shù)百μm。光線進(jìn)入光纖在纖芯與包層的界面發(fā)生多次全反射，將載帶的信息從一端傳到另一端，從而實(shí)現(xiàn)光纖通信。第三頁，共一百零五頁，2022年，8月28日

1870年，英國(guó)科學(xué)家丁達(dá)爾做了一個(gè)有趣的實(shí)驗(yàn)：讓一股水流從玻璃容器的側(cè)壁細(xì)口自由流出，以一束細(xì)光束沿水平方向從開口處的正對(duì)面射入水中。丁達(dá)爾發(fā)現(xiàn)，細(xì)光束不是穿出這股水流射向空氣，而是順從地沿著水流彎彎曲曲地傳播。這是光的全反射造成的結(jié)果。第四頁，共一百零五頁，2022年，8月28日1966年，英籍華人高昆(K．C．Kao)提出低損耗光導(dǎo)纖維的概念。盡管他們所試驗(yàn)的光纖損耗高達(dá)1000dB／km，但他們指出如采用石英玻璃等作介質(zhì)，可使其損耗降低到20dB／km。（光纖的損耗:損耗指光信號(hào)功率傳輸每單位長(zhǎng)度衰減的程度,用分貝/公里(dB/km)表示）1.光纖的發(fā)展歷程第五頁，共一百零五頁，2022年，8月28日1970年，美國(guó)康寧公司首次研制成功損耗為

20dB/km的石英光纖，它是一種理想的傳輸介質(zhì)。同年，貝爾實(shí)驗(yàn)室研制成功室溫下連續(xù)振蕩的半導(dǎo)體激光器(LD)。從此，開始了光纖通信迅速發(fā)展的時(shí)代，因此人們把1970年稱為光纖通信的元年。第六頁，共一百零五頁，2022年，8月28日1974年，貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了制造低損耗光纖的方法，稱作“改進(jìn)的汽相沉積法(MCVD

)”，光纖損耗下降到

1dB/km。

1976年，日本電報(bào)電話公司研制出更低損耗光纖，損耗下降到

0.5dB/km

。

1976年，美國(guó)在亞特蘭大成功地進(jìn)行了

44.7Mbit/s的光纖通信系統(tǒng)試驗(yàn)。日本電報(bào)電話公司開始了

64km、32Mbit/s突變折射率光纖系統(tǒng)的室內(nèi)試驗(yàn)，并研制成功

1.3微米波長(zhǎng)的半導(dǎo)體激光器。第七頁，共一百零五頁，2022年，8月28日1979年，日本電報(bào)電話公司研制出

0.2dB/km的極低損耗石英光纖（1.5微米）。

1984年，實(shí)現(xiàn)了中繼距離50km、速率為

1.7Gbit/s的實(shí)用化光纖傳輸系統(tǒng)。

1990年，使用了

1.55微米長(zhǎng)波長(zhǎng)單模光纖傳輸系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了中繼距離超過

100km、

速率為

2.4Gb/s的光纖傳輸。第八頁，共一百零五頁，2022年，8月28日1996年WDM技術(shù)取得突破，貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)展了WDM技術(shù)，美國(guó)MCI公司在1997年開通了商用的WDM線路。光纖通信系統(tǒng)的速率從單波長(zhǎng)的2.5Gb/s和10Gb/s爆炸性地發(fā)展到多波長(zhǎng)的Tb/s(1Tb/s=1000Gb/s)傳輸。當(dāng)今實(shí)驗(yàn)室光系統(tǒng)速率已達(dá)10Tb/s，幾乎是用之不盡的，所以它的前景輝煌。第九頁，共一百零五頁，2022年，8月28日●載頻為3×1014Hz，約為電視通信所用超高頻的100000倍，從而使信息載帶容量或帶寬激增；在理論上，光纖可以傳送107路電視或1010路電話，可以把一個(gè)特大圖書館儲(chǔ)藏的全部圖書信息在短時(shí)間內(nèi)全部傳送完畢，其容量比金屬同軸電纜大5個(gè)數(shù)量級(jí)?！駛鬏敁p耗很小，每單位傳輸距離只需要極少的放大器或中繼站。與金屬導(dǎo)線比起來，高頻率下光纖損耗低得多，它可以傳輸幾十公里乃至上百公里不必增加中繼器，而金屬同軸電纜沒有中繼器只能傳輸幾公里。2.優(yōu)點(diǎn)第十頁，共一百零五頁，2022年，8月28日●光纖是絕緣體，不受鄰近其它系統(tǒng)和其它物體產(chǎn)生雜散電場(chǎng)的影響。因此不受干擾，基本上能防范電子間諜?！?/p>

尺寸小、重量輕，有利于鋪設(shè)和運(yùn)輸。光纖的芯徑僅為單管同軸電纜的百分之一。8芯光纜直徑約10mm，而標(biāo)準(zhǔn)同軸電纜為47mm。這樣可以解決地下管網(wǎng)由于通信電纜太多而造成的擁擠問題?！窆饫w材料主要是石英(SiO2)，它在地球上非常豐富。第十一頁，共一百零五頁，2022年，8月28日缺點(diǎn)質(zhì)地脆,機(jī)械強(qiáng)度低光纖切斷和接續(xù)需要一定的工具,設(shè)備和技術(shù)分路,耦合不靈活光纖，光纜彎曲半徑不能過小(>20CM)在偏僻地區(qū)存在有供電困難問題第十二頁，共一百零五頁，2022年，8月28日纖芯包層保護(hù)套3.光纖的結(jié)構(gòu)纖芯core：折射率較高，用來傳送光；包層coating：折射率較低，與纖芯一起形成全反射條件；保護(hù)套jacket：強(qiáng)度大，能承受較大沖擊，保護(hù)光纖。第十三頁，共一百零五頁，2022年，8月28日

纖芯的作用是傳導(dǎo)光波，包層的作用是將光波封閉在光纖中傳播。為了達(dá)到這一目的，需保證纖芯材料的折射率n1大于包層材料的折射率n2。目前通信應(yīng)用的光纖主要是石英玻璃光纖。其纖芯由摻有折射率比石英高的雜質(zhì)的石英材料作成，而包層則往往在石英中摻入比石英折射率低的雜質(zhì)。剛拉制出來的光纖就像普通玻璃絲一樣是很脆弱的。為了保護(hù)光纖，提高其機(jī)械強(qiáng)度，作為產(chǎn)品提供的光纖都在剛拉制后經(jīng)過一道套塑工序，在其外表涂覆上一層甚至幾層塑料層。通常光纖的套塑方式有松套和緊套兩種。涂覆可以提高光纖的抗拉強(qiáng)度，同時(shí)改善其抗水性能。第十四頁，共一百零五頁，2022年，8月28日第十五頁，共一百零五頁，2022年，8月28日4.結(jié)構(gòu)參數(shù)4.1光纖尺寸125105012562.5125第十六頁，共一百零五頁，2022年，8月28日4.2數(shù)值孔徑NA（NumericAperture）表征光纖集光能力的一個(gè)參數(shù)。θ接收錐1-1第十七頁，共一百零五頁，2022年，8月28日輸入輸入輸出輸出低數(shù)值孔徑NA高數(shù)值孔徑NANANA數(shù)值孔徑越大，光纖的集光能力就越強(qiáng)，能夠進(jìn)入光纖的光通量就越多NA越大，纖芯對(duì)光能量的束縛越強(qiáng)，光纖抗彎曲性能越好;但NA越大，經(jīng)光纖傳輸后產(chǎn)生的信號(hào)畸變?cè)酱?，因而限制了信息傳輸容量。所以要根?jù)實(shí)際使用場(chǎng)合，選擇適當(dāng)?shù)腘A。第十八頁，共一百零五頁，2022年，8月28日4.3相對(duì)折射率差Δ表征纖芯和包層之間折射率差值的一個(gè)參數(shù)，其大小直接影響光纖的性能。表達(dá)式：通常情況下，纖芯和包層相對(duì)折射率差很小，Δ在0.001~0.01之間取值（Δ?1的情況稱為弱波導(dǎo)）。1-2第十九頁，共一百零五頁，2022年，8月28日對(duì)于弱導(dǎo)光纖：1-31-4第二十頁，共一百零五頁，2022年，8月28日4.4折射率分布第二十一頁，共一百零五頁，2022年，8月28日階躍光纖：纖芯折射率為常數(shù)漸變光纖：纖芯徑向折射率呈漸變型分布漸變型光纖折射率分布可表示為：1-5n1為纖芯軸線處（r=0）折射率；r為纖芯內(nèi)任意一點(diǎn)到芯軸的距離；a為光纖纖芯半徑；Δ為相對(duì)折射率差；為折射率分布指數(shù)，通常分布曲線為拋物線（=2）第二十二頁，共一百零五頁，2022年，8月28日4.5歸一化頻率V表征光纖中所能傳輸?shù)哪Ｊ綌?shù)目多少的一個(gè)特征參數(shù)表達(dá)式：1-6λ0為光波波長(zhǎng)V≤2.405時(shí)，光纖中傳輸單一模式，稱為單模光纖第二十三頁，共一百零五頁，2022年，8月28日4.6截止波長(zhǎng)λc截止波長(zhǎng)是單模光纖所特有的一個(gè)參數(shù)，通常用它可判斷光纖中是否單模傳輸。與Vc=2.405相對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)λc定義為光纖的截止波長(zhǎng)。1-7單模傳輸時(shí)，光纖的工作波長(zhǎng)應(yīng)大于截止波長(zhǎng)，這樣才能保證滿足光纖的單模傳輸條件。第二十四頁，共一百零五頁，2022年，8月28日5.傳輸原理光纖中光波的傳輸原理-全反射原理n2當(dāng)n1>n2

θ1>θc時(shí)發(fā)生全反射θc：臨界角入射光反射光折射光折射率n1折射率n1>n2θ1第二十五頁，共一百零五頁，2022年，8月28日n1n2空氣ABθMAX只要滿足全內(nèi)反射條件連續(xù)改變?nèi)肷浣堑娜魏喂饩€都能在光纖纖芯內(nèi)傳輸。第二十六頁，共一百零五頁，2022年，8月28日光子晶體波導(dǎo)示意圖第二十七頁，共一百零五頁，2022年，8月28日6.光纖的傳輸特性光纖特性有光學(xué)特性，傳輸特性，機(jī)械特性，溫度特性等，其中傳輸特性有兩個(gè)損耗特性損耗限制系統(tǒng)的傳輸距離色散特性色散則限制系統(tǒng)的傳輸容量和傳輸距離

信號(hào)畸變的主要原因是光纖中存在色散第二十八頁，共一百零五頁，2022年，8月28日6.1光纖色散(Dispersion)色散：光纖中的光信號(hào)由不同成分（如不同模式、不同頻率）組成，在傳輸過程中，各種頻率成分或各種模式成分的傳播速度不同，引起信號(hào)脈沖展寬、波形失真的物理現(xiàn)象。光纖數(shù)字通信傳輸?shù)氖且幌盗忻}沖碼，脈沖展寬導(dǎo)致了脈沖與脈沖相重疊現(xiàn)象，即產(chǎn)生了碼間干擾，從而形成傳輸碼的失誤，造成差錯(cuò)。為避免誤碼出現(xiàn)，就要拉長(zhǎng)脈沖間距，導(dǎo)致傳輸速率降低，從而減少了通信容量。另一方面，光纖脈沖的展寬程度隨著傳輸距離的增長(zhǎng)而越來越嚴(yán)重。因此，為了避免誤碼，光纖的傳輸距離也要縮短。第二十九頁，共一百零五頁，2022年，8月28日色散的種類

模式色散又稱模間色散材料色散波導(dǎo)色散極化色散模式色散只存在于多模光纖中。每一種模式到達(dá)光纖終端的時(shí)間先后不同，造成了脈沖的展寬，從而出現(xiàn)色散現(xiàn)象。單模光纖中只傳輸基模（HE11模），單模光纖中不存在模式色散。第三十頁，共一百零五頁，2022年，8月28日階躍光纖的模式色散不同入射角的光線時(shí)延差

如n1＝1.5，＝0.01，L＝1km，＝50ns模式色散第三十一頁，共一百零五頁，2022年，8月28日影響模式色散造成的時(shí)延差的因素有兩個(gè)：

芯－包層相對(duì)折射率差光纖的長(zhǎng)度時(shí)延差與纖芯－包層相對(duì)折射率差成正比。越大，時(shí)延差就會(huì)越大，光脈沖展寬也越大。從減小光纖時(shí)延差的觀點(diǎn)上看，希望小為好，這種小的光纖稱為弱導(dǎo)光纖。通信用光纖都是弱導(dǎo)光纖。光纖越長(zhǎng)，時(shí)延差也越大，模式色散也越大。第三十二頁，共一百零五頁，2022年，8月28日

材料色散

嚴(yán)格來說，對(duì)不同的傳輸波長(zhǎng)石英的折射率有不同的值。這是光纖材料自身特性造成的。光纖通信用的光源，并不是只有理想的單一波長(zhǎng)，而是有一定的波譜寬度。光的波長(zhǎng)不同，折射率n不同，光傳輸?shù)乃俣纫簿筒煌?。因此，?dāng)把具有一定光譜寬度的光源發(fā)出的光脈沖射入光纖內(nèi)傳輸時(shí)，光的傳輸速度將隨光波長(zhǎng)的不同而改變，到達(dá)終端時(shí)將產(chǎn)生時(shí)延差，從而引起脈沖波形展寬。材料色散和波導(dǎo)色散是由于光信號(hào)不是單一頻率所引起。所以統(tǒng)稱為波長(zhǎng)色散，又稱色度色散。第三十三頁，共一百零五頁，2022年，8月28日材料色散用表示為光源的譜線寬度，即光功率下降到峰值功率一半時(shí)所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)范圍L為光纖傳播的長(zhǎng)度Dm（λ）為材料色散系數(shù)例如：一光纖材料色散系數(shù)為3.5ps/(nm·km)，光譜的譜線寬度為4nm，在光纖上傳輸1km，則材料色散為1-8第三十四頁，共一百零五頁，2022年，8月28日

波導(dǎo)色散

由于光纖的纖芯與包層的折射率差很小，因此在交界面產(chǎn)生全反射時(shí)，就可能有一部分光進(jìn)入包層之內(nèi)。這部分光在包層內(nèi)傳輸一定距離后，又可能回到纖芯中繼續(xù)傳輸。

進(jìn)入包層內(nèi)的這部分光強(qiáng)的大小與光波長(zhǎng)有關(guān)，這就相當(dāng)于光傳輸路徑長(zhǎng)度隨光波波長(zhǎng)的不同而異。把有一定波譜寬度的光源發(fā)出的光脈沖射入光纖后，由于不同波長(zhǎng)的光傳輸路徑不完全相同，所以到達(dá)終點(diǎn)的時(shí)間也不相同，從而出現(xiàn)脈沖展寬。具體來說，入射光的波長(zhǎng)越長(zhǎng)，進(jìn)入包層中的光強(qiáng)比例就越大，這部分光走過的距離就越長(zhǎng)。這種色散是由光纖中的光波導(dǎo)引起的，由此產(chǎn)生的脈沖展寬現(xiàn)象叫做波導(dǎo)色散。第三十五頁，共一百零五頁，2022年，8月28日波導(dǎo)色散系數(shù)用表示波導(dǎo)色散又稱結(jié)構(gòu)色散，因?yàn)閂和b都是光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)的函數(shù)纖芯越小，相對(duì)折射率差越大，波導(dǎo)色散也越小。1-9第三十六頁，共一百零五頁，2022年，8月28日第三十七頁，共一百零五頁，2022年，8月28日波導(dǎo)色散的大小和材料色散同一量級(jí)。SiO2在1.29m附近材料色散系數(shù)有個(gè)零值點(diǎn)，大于該波長(zhǎng)，材料色散系數(shù)為正值。而在大于1.29m波長(zhǎng)區(qū)域，波導(dǎo)色散為負(fù)值。階躍單模光纖的色散特性材料色散總色散波導(dǎo)色散1.31m第三十八頁，共一百零五頁，2022年，8月28日改變光纖的折射率分布和剖面結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以改變波導(dǎo)色散的值，從而在所希望的波長(zhǎng)上實(shí)現(xiàn)材料色散和波導(dǎo)色散的代數(shù)和為零。第三十九頁，共一百零五頁，2022年，8月28日三種光纖色散情況比較第四十頁，共一百零五頁，2022年，8月28日極化色散極化色散又稱偏振模色散（PolarizationModeDispersion,簡(jiǎn)稱PMD）單模光纖的基模實(shí)際上是由兩個(gè)偏振方向相互正交的模場(chǎng)HE11x和HE11y所組成。這兩種模式在理想的圓柱形對(duì)稱結(jié)構(gòu)的光纖中，具有相同的傳播常數(shù)，不存在時(shí)延差——模式簡(jiǎn)并。第四十一頁，共一百零五頁，2022年，8月28日若單模光纖存在著不圓度、微彎力、應(yīng)力等，會(huì)使HE11x和HE11y兩種模式的傳播常數(shù)不同，這種現(xiàn)象稱為模式雙折射。由于雙折射，兩模式存在時(shí)延差，從而會(huì)在光纖的輸出端產(chǎn)生偏振色散。對(duì)長(zhǎng)度為L(zhǎng)的光纖，兩個(gè)模式的時(shí)延差為nx和ny分別為x和y方向的折射率1-10第四十二頁，共一百零五頁，2022年，8月28日四種色散的比較一般來說，光纖四種色散的大小順序是：模式色散>材料色散>波導(dǎo)色散>極化色散由于極化色散很小，一般忽略不計(jì)對(duì)于多模光纖，總色散等于前三者相加，起主導(dǎo)作用的是模式色散，其他兩個(gè)色散影響很小。對(duì)于單模光纖，因只有一個(gè)傳輸模式，故不存在模式色散，其總色散為材料色散和波導(dǎo)色散之和。第四十三頁，共一百零五頁，2022年，8月28日對(duì)光纖用戶來說，一般只關(guān)心光纖的總色散。光纖光纜在出廠時(shí)，也只標(biāo)明光纖的總色散。光纖總色散多模光纖：?jiǎn)文９饫w：為減小總的波長(zhǎng)色散，要盡量選用窄譜線激光器作光源。LED、LD以及動(dòng)態(tài)單頻激光器（如DFB）的譜寬依次變窄，色散明顯地減小。

第四十四頁，共一百零五頁，2022年，8月28日

6.2光纖損耗

損耗的存在光信號(hào)幅度減小限制系統(tǒng)的傳輸距離。光纖內(nèi)傳輸?shù)墓夤β蔖隨距離z的變化，可以用下式表示習(xí)慣上的單位用dB/km，損耗系數(shù)

設(shè)長(zhǎng)度為L(zhǎng)(km)的光纖，輸入光功率為Pi，輸出光功率為Po式中，是損耗系數(shù)（或稱衰減系數(shù)）。1-111-121-13第四十五頁，共一百零五頁，2022年，8月28日損耗的機(jī)理ììì?í??????íì?í???????í??ì?í???ì?í????紫外吸收（電子躍遷）本征吸收紅外吸收（分子振動(dòng)）吸收損耗氫氧根吸收雜質(zhì)吸收過渡金屬離子吸收光纖損耗原子缺陷吸收瑞利散射損耗（折射率微觀起伏）散射損耗結(jié)構(gòu)不完善引起的散射損耗光纖彎曲損耗彎曲損耗光纖微彎損耗連接損耗耦合損耗第四十六頁，共一百零五頁，2022年，8月28日吸收損耗物質(zhì)的吸收作用將傳輸?shù)墓饽茏兂蔁崮埽瑥亩斐晒夤β实膿p失。吸收損耗包括：

本征吸收雜質(zhì)吸收原子缺陷吸收光纖材料的固有吸收叫做本征吸收。對(duì)于石英(SiO2)材料，本征吸收在紅外區(qū)域和紫外區(qū)域。第四十七頁，共一百零五頁，2022年，8月28日紅外吸收是分子振動(dòng)引起的，對(duì)2μm以上的光波表現(xiàn)得特別強(qiáng)烈，石英系光纖的工作波長(zhǎng)不能大于2μm。石英光纖在1.85μm波長(zhǎng)的理論極限損耗為ldB／km。紅外吸收對(duì)光纖通信波段影響不大。對(duì)于短波長(zhǎng)不引起損耗，對(duì)于長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖引起的損耗小于1dB/km。紫外區(qū)由電子躍遷引起，中心波長(zhǎng)在0.16μm附近，尾部拖到lμm左右，已延伸到光纖通信波段(即0.8μm～1.7μm的波段)。在短波長(zhǎng)范圍內(nèi)，引起的光纖損耗小于1dB／km。在長(zhǎng)波長(zhǎng)范圍內(nèi)，引起的光纖損耗小于0.1dB／km。紅外吸收和紫外吸收第四十八頁，共一百零五頁，2022年，8月28日單模光纖損耗譜，各種損耗機(jī)理第四十九頁，共一百零五頁，2022年，8月28日雜質(zhì)吸收光纖中含有過渡金屬離子：鐵、鎳、銅、錳、鉻、釩、鉑等和水的氫氧根離子，這些雜質(zhì)造成的附加吸收損耗稱為雜質(zhì)吸收。金屬離子含量越多，造成的損耗就越大。降低光纖材料中過渡金屬的含量可以使其影響減小到最小的程度。為了使由這些雜質(zhì)引起的損耗小于1dB/km，必須將金屬的含量減小到10-9以下。這樣高純度石英材料的生長(zhǎng)技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。第五十頁，共一百零五頁，2022年，8月28日氫氧根離子吸收目前，光纖中雜質(zhì)吸收主要由于水的氫氧根離子。存在三個(gè)主要的吸收峰，分別是0.95μm、1.24μm和1.38μm1.38μm波長(zhǎng)的吸收損耗最為嚴(yán)重，對(duì)光纖的影響也最大。第五十一頁，共一百零五頁，2022年，8月28日散射損耗散射：由于介質(zhì)的不均勻性使光線向四面八方散開的結(jié)果。通常情況下，散射引起光纖的損耗，因而是有害的。但是，這種現(xiàn)象也可以為我們所利用，因?yàn)槿绻覀冊(cè)诎l(fā)送端對(duì)接收到的這部分光的強(qiáng)弱進(jìn)行分析，可以檢查出這根光纖的斷點(diǎn)、缺陷和損耗大小。散射使光射向四面八方，其中一部分散射光沿著與光纖傳播相反的方向反射回來使得一部分光能受到損失（瑞利背向散射）。第五十二頁，共一百零五頁，2022年，8月28日瑞利散射瑞利散射是光纖材料的本征損耗。它是由材料不均勻性所引起的。這些不均勻，象在均勻材料中加了許多小顆粒，尺寸很小，遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)。當(dāng)光波通過時(shí)，有些光子就會(huì)受到它的散射。鑒于目前的光纖制造工藝，瑞利散射損耗是無法避免的。但是，由于瑞利散射損耗的大小與光波長(zhǎng)的4次方成反比，所以光纖工作在長(zhǎng)波長(zhǎng)區(qū)時(shí)，瑞利散射損耗的影響可以大大減小。第五十三頁，共一百零五頁，2022年，8月28日結(jié)構(gòu)不完善引起的散射損耗光纖結(jié)構(gòu)不完善，如光纖中有氣泡、粗細(xì)不均勻、芯-包層交界面不平滑等，光線傳到這些地方時(shí)，就會(huì)有一部分光散射到各個(gè)方向，造成損耗。由射線光學(xué)理解，在正常情況下，導(dǎo)模光線以大于臨界角入射到纖芯包層界面上并發(fā)生全反射，但在光纖結(jié)構(gòu)不完善處，入射角將減小，甚至小于臨界角，這樣光線會(huì)退出纖芯外而造成損耗。在模式理論中，這相當(dāng)于光纖邊界條件的變化使光功率由波導(dǎo)模轉(zhuǎn)入輻射模而引起，即部分模式能量被散射到包層中。這種損耗是可以想辦法克服的，那就是要改善光纖制造的工藝。第五十四頁，共一百零五頁，2022年，8月28日光纖彎曲損耗光纖的彎曲有兩種形式：

彎曲或宏彎：曲率半徑比光纖的直徑大得多的彎曲

微彎：微米級(jí)的彎曲宏觀彎曲損耗光纖的彎曲損耗正比于：exp(-R/Rc)

（Rc為彎曲損耗臨界曲率半徑）對(duì)單模光纖，Rc的典型值為；如果彎曲半徑R>5mm，則彎曲損耗<0.01dB/km。因此可以忽略。第五十五頁，共一百零五頁，2022年，8月28日微彎損耗光纖在使用過程中會(huì)由于種種原因

成纜時(shí)為了光纜卷到繞絲筒上對(duì)光纖施加的張力；對(duì)光纖進(jìn)行不適當(dāng)?shù)乃芰贤糠螅糠蠛蠊饫w受到較大的溫度變化等等光纖側(cè)面會(huì)受到不均勻的壓力，致使光纖軸線發(fā)生周期性的微米級(jí)的彎曲。光纖的微彎會(huì)使損耗增加，因?yàn)楣饫w的周期性微彎也會(huì)引起光纖中傳導(dǎo)模式和輻射模式之間光功率的反復(fù)耦合，致使傳導(dǎo)模的部分光功率輻射到纖芯外面。為了盡量減少微彎損耗，可在光纖表面上模壓一層可壓縮的護(hù)套，作用于這種組合結(jié)構(gòu)時(shí)，護(hù)套發(fā)生形變，但光纖基本保持平直狀態(tài)。第五十六頁，共一百零五頁，2022年，8月28日

實(shí)用光纖的損耗譜根據(jù)以上分析和經(jīng)驗(yàn)，光纖總損耗與波長(zhǎng)λ的關(guān)系可以表示為=+B+CW(λ)+IR(λ)+UV(λ)式中，A為瑞利散射系數(shù)，

B為結(jié)構(gòu)缺陷散射產(chǎn)生的損耗，

CW(λ)、IR(λ)和UV(λ)分別為雜質(zhì)吸收、紅外吸收和紫外吸收產(chǎn)生的損耗。1-14第五十七頁，共一百零五頁，2022年，8月28日

從多模階躍型(SIF)、漸變型(GIF)光纖到單模(SMF)光纖，損耗依次減小。從多模SIF、GIF光纖到SMF光纖，色散依次減小(帶寬依次增大)。正因?yàn)檫@些特性，使光纖通信從SIF、GIF光纖發(fā)展到SMF光纖，從短波長(zhǎng)(0.85μm)“窗口”發(fā)展到長(zhǎng)波長(zhǎng)(1.31μm和1.55μm)“窗口”，使系統(tǒng)技術(shù)水平不斷提高。第五十八頁，共一百零五頁，2022年，8月28日

光纖損耗譜(a)三種實(shí)用光纖；(b)優(yōu)質(zhì)單模光纖第五十九頁，共一百零五頁，2022年，8月28日損耗特性與光的工作波長(zhǎng)有關(guān)，在三個(gè)工作窗口有相對(duì)小的損耗:

第一窗口光工作波長(zhǎng)0.85μm,損耗稍大第二窗口光工作波長(zhǎng)1.31μm,損耗中等第三窗口光工作波長(zhǎng)1.55μm,損耗最小第六十頁，共一百零五頁，2022年，8月28日7.光纖的分類（1）纖芯折射率分布：均勻（或階躍）折射率光纖非均勻（或漸變）折射率光纖（2）光纖傳播的模式數(shù)量：?jiǎn)文９饫w多模光纖（3）傳輸光的偏振態(tài)：非保偏光纖：不能傳輸偏振光保偏光纖：?jiǎn)纹窆饫w：只能傳輸一種偏振模式雙折射光纖：只能傳輸兩個(gè)正交偏振模式（4）光纖的材料：高純度熔石英光纖、多組分玻璃纖維、塑料光纖、紅外光纖、液芯光纖、晶體光纖等第六十一頁，共一百零五頁，2022年，8月28日8、光纖材料石英光纖多組分玻璃光纖塑料光纖塑料包層光纖紅外光纖第六十二頁，共一百零五頁，2022年，8月28日光纖的種類與材料光纖種類材料成分采用原料石英光纖芯線：SiO2GeO2P2O5

包層：SiO2B2O3SiCl4GeCl4POCl3SiCl4BCl3BBr3多組分玻璃光纖芯線：SiO2Na2OCaOGeO2

包層：SiO2Na2OCaOB2O5SiCl4NaNO3Ca(NO3)2Ge(C4H9O)4SiCl4NaNO3Ca(NO3)2BCl3石英芯線塑料包層光纖芯線；SiO2包層：有機(jī)硅SiCl4二甲基二氯硅烷塑料光纖芯線：PMMA包層：氟化聚合物聚甲基丙烯酸甲酯氟化PMMA晶體光纖Al2O3ZrO2AgBr等第六十三頁，共一百零五頁，2022年，8月28日石英光纖主要由SiO2構(gòu)成，其特點(diǎn)是材料的光傳輸損耗低，有的波長(zhǎng)可低到0.2dB／km，一般均小于ldB／km。

石英光纖生產(chǎn)原料多數(shù)為液態(tài)鹵化物，如SiCl4、GeCl4、CF2Cl2（氟利昂）等。根據(jù)傳播模式對(duì)折射指數(shù)斷面分布的要求，可在制備預(yù)制件的過程中，加入揮發(fā)性氯化物作添加劑。用鍺可提高折射率，用硼可降低折射率。新的動(dòng)向是采用氟，例如加入CF4或CF2Cl2降低包層的折射率。加入磷(加POCl3)用來降低石英光纖的熔點(diǎn)。8.1石英光纖第六十四頁，共一百零五頁，2022年，8月28日8.1.1石英光纖制造普通的石英材料制成的光纖是不能用于通信的，通信光纖必須由純度極高的材料組成。而且纖芯SiO2中需摻雜少量GeO2和P2O5，以提高折射率，使纖芯和包層的折射率略有不同。制造光纖的方法很多，目前主要有：管內(nèi)CVD法，棒外CVD法，PCVD(等離子體化學(xué)汽相沉積)法和VAD(軸向汽相沉積)法。管內(nèi)CVD法，又叫MCVD法(ModifiedChemicalVapourDeposition)，包層和芯層都是在一個(gè)石英管內(nèi)部沉積不論用哪一種方法，都要先在高溫下做成預(yù)制棒（直徑1~3cm

，長(zhǎng)30~100cm

），然后在高溫爐中加溫軟化，拉成長(zhǎng)絲，再進(jìn)行涂覆、套塑。第六十五頁，共一百零五頁，2022年，8月28日光纖的制造要求每道工序都要相當(dāng)精密，由計(jì)算機(jī)控制。在制造光纖的過程中，要注意：光纖原材料的純度必須很高。必須防止雜質(zhì)污染，以及氣泡混入光纖。要正確控制折射率的分布；正確控制光纖的結(jié)構(gòu)尺寸；盡量減小光纖表面的傷痕損害，提高光纖機(jī)械強(qiáng)度。第六十六頁，共一百零五頁，2022年，8月28日光纖制造的MCVD過程示意圖第六十七頁，共一百零五頁，2022年，8月28日MCVD工藝流程第一步：送料用超純氧氣作為載體，將SiCl4等原料和GeCl4等摻雜試劑送入旋轉(zhuǎn)的石英反應(yīng)管。第二步：高溫氧化生成粉塵狀氧化物用高溫氫氧火焰加熱石英反應(yīng)管外壁，管內(nèi)的原料和摻雜劑在高溫下發(fā)生氧化還原反應(yīng)，形成粉末狀氧化物，分別形成包層和芯層材料。第三步：往復(fù)運(yùn)動(dòng)氫氧焰加熱反應(yīng)后的粉末狀氧化物經(jīng)過往復(fù)移動(dòng)的氫氧焰加熱，形成透明的摻雜玻璃；火焰移動(dòng)一次，就沉積一層厚度約為8~10μm的玻璃層，沒反應(yīng)完的材料從反應(yīng)管尾端排出。第六十八頁，共一百零五頁，2022年，8月28日第二與第三步是交叉進(jìn)行。

先在反應(yīng)管內(nèi)壁沉積、再通過往復(fù)移動(dòng)的氫氧焰加熱使氧化物粉末變成透明的摻雜玻璃（SiO2-B2O3），即形成包層玻璃。

后在包層玻璃上沉積、再通過往復(fù)移動(dòng)的氫氧焰加熱使氧化物粉末變成透明的摻雜玻璃（SiO2-GeO3），即在包層上形成芯層玻璃。

第四步，停料并高溫軟化

經(jīng)過數(shù)小時(shí)的沉積后，石英反應(yīng)管已沉積了相當(dāng)厚度的玻璃層，初步形成玻璃棒體，只是中心還留下一個(gè)小孔。這時(shí)停止供料，然后，提高火焰溫度到1800攝氏度左右加熱石英管外壁，導(dǎo)致反應(yīng)管在高溫下軟化收縮，使中心孔封閉，形成實(shí)心棒，即光纖預(yù)制棒。第六十九頁，共一百零五頁，2022年，8月28日包層反應(yīng)方程式如下：

高溫氧化SiCl4+O2————>SiO2+2Cl2

高溫氧化4BCl3+3O2————>2B2O3+6Cl2

高溫氧化4BBr3+3O2————>2B2O3+6Br2

生成：SiO2

--B2O3

芯層反應(yīng)方程式：

高溫氧化

SiCl4+O2————>SiO2+2Cl2

高溫氧化

GeCl4+O2————>GeO2+2Cl2

高溫氧化

4POCl3+3O2————>2P2O5+6Cl2

生成：SiO2--GeO2第七十頁，共一百零五頁，2022年，8月28日完成四步后的光纖預(yù)制棒有三層：

1、中心為光纖芯層玻璃

2、緊接芯層的是沉積的包層

3、最外面一層的石英管壁玻璃，即光纖的保護(hù)層。

保護(hù)層不起導(dǎo)光作用，但其幾何尺寸與內(nèi)在雜質(zhì)含量直接影響光纖的機(jī)械強(qiáng)度和傳輸性能，所以，必須選取質(zhì)量好的石英反應(yīng)管。第七十一頁，共一百零五頁，2022年，8月28日MCVD法的特點(diǎn)MCVD特點(diǎn)是在石英反應(yīng)管(也稱襯底管)內(nèi)沉積包層和芯層的玻璃，整個(gè)系統(tǒng)是處于封閉的超純狀態(tài)下，所以用這種方法制得的預(yù)制棒可以生產(chǎn)高質(zhì)量的單模和多模光纖。

我國(guó)的光纖生產(chǎn)一般使用這種方法，利用MCVD法制備的多模光纖損耗可穩(wěn)定在2~4dB/Km，單模光纖損耗可達(dá)到0.2~0.4dB/Km，且具有很好的重復(fù)性。第七十二頁，共一百零五頁，2022年，8月28日本征吸收來自石英玻璃中電子躍遷和分子振動(dòng)產(chǎn)生的吸收。對(duì)于高純度、均勻的石英玻璃，在可見和紅外區(qū)域的本征損失很小。但是，一些外來的元素產(chǎn)生了重要的雜質(zhì)吸收。除金屬雜質(zhì)外，OH-離子是另一個(gè)極重要的雜質(zhì)。為了降低O-H基的吸收損耗，原材料的脫水技術(shù)十分重要。實(shí)驗(yàn)證明，在純?nèi)廴谑⒅?，要想得?dB/km(0.85μm)的損耗，雜質(zhì)的質(zhì)量比應(yīng)是：要想得到0.5dB/km以下的損耗，OH-的質(zhì)量比要降低到百分之幾ppm。ppm(partpermillion)的定義：百萬分之一。8.1.2石英光纖的損耗特性第七十三頁，共一百零五頁，2022年，8月28日石英光纖的總損耗譜特性0.70.80.91.01.11.21.31.41.51.6λnm

OH-OH-OH-第一窗口第二窗口第三窗口損耗(dB/km)水峰值654321普通單模石英光纖損耗：0.35dB/km(1.3μm)0.2dB/km(1.55μm)第七十四頁，共一百零五頁，2022年，8月28日8.1.2石英光纖的色散特性現(xiàn)代光通信基本上都使用單模光纖，而單模光纖中無多模色散，主要是材料色散和波導(dǎo)色散。單模光纖的總色散：1-15第七十五頁，共一百零五頁，2022年，8月28日普通光纖：1310nm色散位移光纖：1550nm非零色散位移光纖：1530nm零色散波長(zhǎng)第七十六頁，共一百零五頁，2022年，8月28日

石英光纖在1.3至1.5μm的區(qū)域內(nèi)具有最低的損耗和色散，損耗已降低到0.15dB/km(1.55μm)，接近于0.1dB/km的理論極限。但其傳輸距離由于瑞利散射不會(huì)超過200km。利用散射損耗與波長(zhǎng)四次冪成反比的關(guān)系，制造出適用于長(zhǎng)波長(zhǎng)的光纖【其特點(diǎn)是可透過近紅外（1～5μm）或中紅外（～10μm）】，使損耗進(jìn)一步降低，就能延長(zhǎng)傳輸距離。

5000km傳輸距離如用0.83μm的光纖傳輸系統(tǒng)，需333個(gè)中繼站，而用1.5μm的系統(tǒng)有33個(gè)中繼站就夠了。各發(fā)達(dá)國(guó)家已著眼于2~30μm的新的傳輸波段，對(duì)鹵化物、硫?qū)倩锖椭亟饘傺趸锏燃t外光纖做了大量開創(chuàng)性工作。8.2紅外光纖第七十七頁，共一百零五頁，2022年，8月28日

A紅外光纖－鹵化物光纖

氟化物玻璃光纖理論損耗約為0.001dB/km（2.5μm）比石英光纖小l~2個(gè)數(shù)量級(jí)，有可能實(shí)現(xiàn)106km無中繼通信。

鹵化鉈鹵化鉈有較好的延展性，已擠壓出直徑75~1000μm、長(zhǎng)200m的多晶纖維。溴化鉈或碘化鉈多晶光纖在4.0~5.5μm時(shí)損耗最低，可達(dá)0.0ldB/km。

氟化鈹

在紅外區(qū)的本征損失為石英的l/6，可拉制透射2μm波段的光纖。該種光纖有可能將光信號(hào)無中繼傳輸數(shù)百甚至上千公里。第七十八頁，共一百零五頁，2022年，8月28日氟化鋯理論損耗達(dá)0.001dB/km(2.55μm)(比最好的石英光纖低兩個(gè)數(shù)量級(jí))，透過率高于氧化物玻璃，且受高能輻照不易黑化。氟化鋯基玻璃的主成分為氟化鋯(60~70mol％)，并以氟化鋇(20~30mol％)為改性劑(降低熔點(diǎn))，以少量其它氟化物作穩(wěn)定劑(如AlF3、LaF3、PbF2作結(jié)晶化抑制劑)和指數(shù)改性劑(如PbF2)，借以獲得合適的纖芯和包層組分。這種玻璃光纖的透射波長(zhǎng)范圍從7~8μm的紅外區(qū)一直延伸到0.2~0.3μm的近紫外區(qū)。拉出的Zr－Ba－La－Al－Li－Pb(纖芯)／Zr－Ba－La－Al－Li(包層)氟化物光纖，在2.55μm下的最低損耗為6.8dB/km，纖維的“實(shí)用”強(qiáng)度高達(dá)3800MPa。如果氟化物玻璃光纖接近0.001dB/km的最低理論損耗，從而實(shí)現(xiàn)橫跨大洋的通信。第七十九頁，共一百零五頁，2022年，8月28日B

紅外光纖－硫?qū)俨ＡЧ饫w

砷、鍺、銻與硫?qū)僭亓?、硒?gòu)成的玻璃叫硫?qū)俨Ａ?，光學(xué)損耗高，主要用于短距離傳能。目前己拉出在CO（5.2~5.6μm）和CO2激光波長(zhǎng)下?lián)p耗為數(shù)百dB的纖維。在一根光纖上能傳輸數(shù)瓦的能量，這對(duì)拓寬CO2和CO大功率激光器的應(yīng)用領(lǐng)域有重要意義。第八十頁，共一百零五頁，2022年，8月28日C紅外光纖－重金屬氧化物光纖

對(duì)此類纖維的研究，主要局限于GeO2系統(tǒng)。抽成絲后最小損耗約為4dB/km(2μm)?？捎米骷t外光纖、非線性光學(xué)光纖，尤其是可用來實(shí)現(xiàn)光信號(hào)放大，有可能用于超長(zhǎng)距離光學(xué)傳輸系統(tǒng)。在傳能方面，80GeO2－10ZnO－10K2O空心纖維是供CO2激光器傳能用的一種較好的包層材料。第八十一頁，共一百零五頁，2022年，8月28日SiO2約占百分之幾十，此外還含有B2O3、GeO2、P2O3和As2O3等玻璃形成體及Na2O、K2O、CaO、MgO、BaO和PbO等改性劑，熔點(diǎn)低(＜1400℃)，可用傳統(tǒng)的坩堝法拉絲。8.3多組分玻璃光纖特點(diǎn)：芯-皮折射率可在較大范圍內(nèi)變化，因而有利于制造大數(shù)值孔徑的光纖，但材料損耗大，在可見光波段一般為:1dB／m第八十二頁，共一百零五頁，2022年，8月28日8.4晶體光纖晶體光纖纖芯由晶體材料制成，主要有YAG（Y3Al5O12）系、YAP（YAlO3）系、Al2O3系、LN（LiNb2O3）系、LBO（LiB3O5）系、BSO（Bi12SiO20）系和鹵化物系等晶體光纖。優(yōu)點(diǎn)：具有更寬的紅外波段窗口，其組成的器件與普通光纖間的耦合性能好。用途：制造各種有源和無源器件。第八十三頁，共一百零五頁，2022年，8月28日纖芯為液體，可以很好的傳輸熱量，具有良好的導(dǎo)熱性，對(duì)光能量的吸收相當(dāng)小，所以能傳輸高達(dá)數(shù)百瓦的大功率光能量，而不易被燒壞甚至燒毀的現(xiàn)象；普通傳光光纖束都是多根單絲集束的光纜，單絲截面一般都是圓形，所以即使是緊密排列，填充率也只有80%左右。而液芯光纖的內(nèi)部傳光層是一個(gè)整體，其填充率是100%，不存在這種因填充率而引起的傳輸損耗；單絲集束而成的大口徑光纖束，輸出的光斑是由一個(gè)個(gè)的小光點(diǎn)構(gòu)成，由于液芯光纖的傳光部分是一個(gè)整體，所以它的輸出是一個(gè)完整的光斑，其光強(qiáng)分布的均勻性要優(yōu)于普通的傳光光纖；液芯光纖被彎曲時(shí)，其外層軟管發(fā)生彎曲，內(nèi)部液體產(chǎn)生流動(dòng)，使液芯光纖有良好的可撓性；相較于普通的大口徑光纖束，液芯光纖的制作也很更加簡(jiǎn)單。8.5液芯光纖液芯光纖的內(nèi)部為可以自由流動(dòng)的液體，外層是柔性塑料軟管優(yōu)點(diǎn)：第八十四頁，共一百零五頁，2022年，8月28日5.8.6摻稀土元素光纖摻稀土元素光纖是采用某種工藝技術(shù)將釹、鉺和釔等稀土元素離子單獨(dú)或混合摻入光纖芯中而制成的。目前主要是摻雜到光纖纖芯中的，但亦有同時(shí)摻雜到光纖包層中去的。其摻雜濃度可從1PPm到0.25wt%的寬廣范圍內(nèi)變化。

纖芯中摻雜稀土元素有

Er、Yb、Nd、Tm、Pr、Er/Yb、Ho等纖芯直徑～4mm，NA0.1

包層直徑～125mm，形狀為圓形第八十五頁，共一百零五頁，2022年，8月28日

全塑料光纖主要由特制的高透明度有機(jī)玻璃、聚苯乙烯等塑料制成，已制成階躍型和梯度型多模光纖，目前光纖損耗已降至數(shù)十dB/km。其特點(diǎn)是柔韌、加工方便、芯徑和數(shù)值孔徑大。

5.8.7塑料光纖塑料光纖的優(yōu)點(diǎn)：質(zhì)量輕、輕而柔軟、抗撓曲、抗沖擊強(qiáng)度高、價(jià)格便宜、抗輻照、易加工、并能制成大直徑光纖(1～3毫米，以增大受光角度，擴(kuò)大使用范圍)。缺點(diǎn)：透光性差、光損耗較大、耐熱性差、傳輸光帶狹窄(限于可見光區(qū))。第八十六頁，共一百零五頁，2022年，8月28日塑料光纖纖芯用聚合物材料第八十七頁，共一百零五頁，2022年，8月28日塑料光纖包層用聚合物材料第八十八頁，共一百零五頁，2022年，8月28日聚合物光纖損耗第八十九頁，共一百零五頁，2022年，8月28日塑料光纖的制造方法連續(xù)擠出法將單體、少量引發(fā)劑和鏈轉(zhuǎn)移劑連續(xù)加入反應(yīng)器中，在此聚合到一定轉(zhuǎn)化率，形成漿液。經(jīng)齒輪泵送入脫揮發(fā)分?jǐn)D出機(jī)，除去單體后經(jīng)機(jī)頭擠出芯材。優(yōu)點(diǎn)制成光纖前不與外界接觸，減少了污染，生產(chǎn)效率也高，為較理想的工業(yè)方法。缺點(diǎn)設(shè)備復(fù)雜，聚合物接觸金屬太多，且易引起聚合物分解。第九十頁，共一百零五頁，2022年，8月28日連續(xù)擠出法工藝流程示意圖第九十一頁，共一百零五頁，2022年，8月28日間歇擠出法從單體瓶中將單體蒸入反應(yīng)器，再從另一個(gè)瓶中將引發(fā)劑或鏈轉(zhuǎn)移劑升華或蒸入反應(yīng)器，密封加熱到180℃進(jìn)行聚合。當(dāng)轉(zhuǎn)化率達(dá)100%時(shí)，溫度升高到200℃，熔融聚合物在干燥氮?dú)庀录訅海瑥姆磻?yīng)器通過噴嘴壓出，再用相似于連續(xù)擠壓法的包覆而得光纖。優(yōu)點(diǎn)設(shè)備簡(jiǎn)單，避免了降解，可以生產(chǎn)光損耗低至55dB/km（567nm）的PMMA光纖。缺點(diǎn)生產(chǎn)效率不高第九十二頁，共一百零五頁，2022年，8