第二講光纖技術(shù)演示文稿

第二講光纖技術(shù)演示文稿現(xiàn)在是1頁(yè)\一共有59頁(yè)\編輯于星期五（優(yōu)選）第二講光纖技術(shù)現(xiàn)在是2頁(yè)\一共有59頁(yè)\編輯于星期五一、光纖基本知識(shí)1、光纖的基本概念2、光纖的傳輸特性（損耗）3、光纖光纜的制造現(xiàn)在是3頁(yè)\一共有59頁(yè)\編輯于星期五1光纖的基本概念一、光波導(dǎo)(OpticalWaveguide)導(dǎo)波光：受到約束的光波光波導(dǎo)：約束光波傳輸?shù)拿浇榻橘|(zhì)光波導(dǎo)三要素：“芯/包”結(jié)構(gòu)凸形折射率分布，n1>n2低傳輸損耗現(xiàn)在是4頁(yè)\一共有59頁(yè)\編輯于星期五

介質(zhì)光波導(dǎo)“波導(dǎo)”:交通：公路，鐵路，高速公路 電：電線，平面電路 光：光纖，平面光波導(dǎo)現(xiàn)在是5頁(yè)\一共有59頁(yè)\編輯于星期五光波導(dǎo)的分類薄膜波導(dǎo)（平板波導(dǎo)）矩形波導(dǎo)（條形波導(dǎo)）對(duì)稱與非對(duì)稱波導(dǎo)園柱波導(dǎo)（光纖）現(xiàn)在是6頁(yè)\一共有59頁(yè)\編輯于星期五平板波導(dǎo)現(xiàn)在是7頁(yè)\一共有59頁(yè)\編輯于星期五矩形波導(dǎo)脊型波導(dǎo)溝道波導(dǎo)平面掩埋溝道波導(dǎo)現(xiàn)在是8頁(yè)\一共有59頁(yè)\編輯于星期五對(duì)稱/非對(duì)稱波導(dǎo)對(duì)稱波導(dǎo)：芯區(qū)周?chē)慕橘|(zhì)折射率相同非對(duì)稱波導(dǎo)：芯區(qū)周?chē)慕橘|(zhì)折射率不同現(xiàn)在是9頁(yè)\一共有59頁(yè)\編輯于星期五光波導(dǎo)技術(shù)的廣闊應(yīng)用領(lǐng)域現(xiàn)在是10頁(yè)\一共有59頁(yè)\編輯于星期五研究方法現(xiàn)在是11頁(yè)\一共有59頁(yè)\編輯于星期五1光纖的基本概念光纖是一種高度透明的玻璃絲，由純石英經(jīng)復(fù)雜的工藝?yán)贫?。光纖是一種介質(zhì)圓柱光波導(dǎo)，它能夠約束并導(dǎo)引光波在其內(nèi)部或其表面附近沿其軸線方向向前傳播光纖中心部分(芯Core)＋同心圓狀包裹層(包層Clad)＋涂覆層現(xiàn)在是12頁(yè)\一共有59頁(yè)\編輯于星期五光導(dǎo)纖維(fiber)提高玻璃纖維抗拉強(qiáng)度滿足成纜需要，增加光纖機(jī)械強(qiáng)度現(xiàn)在是13頁(yè)\一共有59頁(yè)\編輯于星期五特點(diǎn)：ncore>nclad光在芯和包層之間的界面上反復(fù)進(jìn)行全反射，并在光纖中傳遞下去?，F(xiàn)在是14頁(yè)\一共有59頁(yè)\編輯于星期五按照截面折射率分布分：階躍折射率分布光纖漸變折射率分布光纖ITU-T標(biāo)準(zhǔn)光纖G.652：普通單模光纖（SMF）G.653：色散位移光纖(DSF)G.655：非零色散位移光纖(NZ-DSF)按照傳輸模式的多少分：?jiǎn)文９饫w（SMF）多模光纖（MMF）特種光纖:保偏光纖（PMF）色散補(bǔ)償光纖（DCF）摻鉺光纖（EDF）等光纖的分類現(xiàn)在是15頁(yè)\一共有59頁(yè)\編輯于星期五現(xiàn)在是16頁(yè)\一共有59頁(yè)\編輯于星期五（1）根據(jù)芯區(qū)折射率徑向分布的不同分類階躍折射率分布光纖（SIOF）

Step-indexopticalfiber漸變折射率分布光纖（GIOF）

Gradual-indexopticalfiber不同的折射率分布，傳輸特性完全不同現(xiàn)在是17頁(yè)\一共有59頁(yè)\編輯于星期五（2）根據(jù)傳播模式數(shù)量的不同分類光纖的芯徑、折射率差（）、所使用波長(zhǎng)可傳播的模的數(shù)量不同多模光纖2a=50m單模光纖2a=4~10mMMFSMF現(xiàn)在是18頁(yè)\一共有59頁(yè)\編輯于星期五保偏光纖(PolarizationMaintainingFiberorPolarization)偏振現(xiàn)在是19頁(yè)\一共有59頁(yè)\編輯于星期五摻鉺光纖摻鐿光纖

摻鐿光纖現(xiàn)在是20頁(yè)\一共有59頁(yè)\編輯于星期五塑料光纖現(xiàn)在是21頁(yè)\一共有59頁(yè)\編輯于星期五光子晶體光纖New現(xiàn)在是22頁(yè)\一共有59頁(yè)\編輯于星期五光纖的導(dǎo)光原理階躍折射率光纖（SIOF）現(xiàn)在是23頁(yè)\一共有59頁(yè)\編輯于星期五典型光線傳播軌跡現(xiàn)在是24頁(yè)\一共有59頁(yè)\編輯于星期五光纖基本參數(shù)相對(duì)折射率差 相對(duì)折射率差是表示纖芯和包層折射率差異程度的參數(shù)，其物理含義是表示把光封閉在光纖中的難易程度。

現(xiàn)在是25頁(yè)\一共有59頁(yè)\編輯于星期五數(shù)值孔徑(NA--NumericalAperture)現(xiàn)在是26頁(yè)\一共有59頁(yè)\編輯于星期五數(shù)值孔徑n2n1n0OC現(xiàn)在是27頁(yè)\一共有59頁(yè)\編輯于星期五2光纖的損耗1854年，英國(guó)的廷達(dá)爾觀察到光在水和空氣的界面上做全反射以致光隨水流而彎曲的現(xiàn)象；現(xiàn)在是28頁(yè)\一共有59頁(yè)\編輯于星期五瑞士，物理學(xué)家科拉登第一次應(yīng)用：噴泉（歌?。凰浑娪?0世紀(jì)，玻璃棒導(dǎo)光－牙醫(yī)；1929年和1930年，美國(guó)的哈納爾和德國(guó)的拉姆先后拉制出石英光纖且用于光線和圖像的短距離傳輸；此時(shí)的光纖波導(dǎo)的理論和應(yīng)用技術(shù)進(jìn)展相當(dāng)緩慢，主要原因是當(dāng)時(shí)光纖損耗太大，達(dá)到幾百甚至一千多分貝/公里，這種光纖對(duì)通信是毫無(wú)用處的?，F(xiàn)在是29頁(yè)\一共有59頁(yè)\編輯于星期五1966年，高錕博士發(fā)表了著名的論文“光頻介質(zhì)纖維表面波導(dǎo)”，明確提出通過(guò)改進(jìn)制備工藝，減少原材料雜質(zhì)，可使石英光纖的損耗大大下降，并有可能拉制出損耗低于20dB/km的光纖。這是一個(gè)富有創(chuàng)造性的科學(xué)論斷，激勵(lì)了全世界許多重要實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家從事進(jìn)一步研究；現(xiàn)在是30頁(yè)\一共有59頁(yè)\編輯于星期五“光纖之父”－－高錕博士高錕1933年生于上海；1948年，他們舉家遷往香港就讀了倫敦大學(xué)。畢業(yè)后，他加入英國(guó)國(guó)際電話電報(bào)公司ITT任工程師，因表現(xiàn)出色被聘為研究實(shí)驗(yàn)室的研究員，同時(shí)攻讀倫敦大學(xué)的博士學(xué)位，１９６７年畢業(yè)?，F(xiàn)在是31頁(yè)\一共有59頁(yè)\編輯于星期五1970年，美國(guó)的康寧玻璃公司（CorningGlassCo.）率先將高錕博士的科學(xué)預(yù)言變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，研制出在0.6328um波長(zhǎng)下?lián)p耗為20dB/km的石英光纖，取得了重要的技術(shù)突破。在短短幾十年時(shí)間里，光纖的損耗已由1000dB/km下降到0.16dB/km，致使光纖通信在世界范圍內(nèi)形成一個(gè)充滿活力的新興產(chǎn)業(yè)?，F(xiàn)在是32頁(yè)\一共有59頁(yè)\編輯于星期五“中國(guó)光纖之父”－－趙梓森

院士趙梓森，廣東中山人，1932年生，1953年大學(xué)畢業(yè)后一直在武漢工作，1995年當(dāng)選為中國(guó)工程院院士?，F(xiàn)在是33頁(yè)\一共有59頁(yè)\編輯于星期五他所在的武漢郵科院于1973年開(kāi)始研究光纖通信，當(dāng)時(shí)困難很多，不僅有技術(shù)方面的，還有環(huán)境方面的。環(huán)境就是處在“文化大革命”當(dāng)中，工作條件很差，研究室只剩下幾個(gè)人，實(shí)驗(yàn)室也就只有一個(gè)過(guò)去用來(lái)洗化學(xué)瓶子的房子。那時(shí)候沒(méi)有什么雜志，沒(méi)有看過(guò)光導(dǎo)纖維，也不知道應(yīng)該怎么研制。于是，他們就自己摸索著搞，用四氯化硅加氧氣，氧氣取代了氯氣，就變成了二氧化硅；二氧化硅就是光導(dǎo)纖維的材料——石英。現(xiàn)在是34頁(yè)\一共有59頁(yè)\編輯于星期五做光導(dǎo)纖維，它的原料純度要達(dá)到0.999999999，九個(gè)9，沒(méi)有這個(gè)純度，光導(dǎo)纖維傳輸損失很大，就不能用。他們搞化學(xué)是外行，這個(gè)純度搞不了。于是請(qǐng)北京建材學(xué)院幫忙，對(duì)方說(shuō)搞光導(dǎo)纖維，沒(méi)有上千萬(wàn)元是搞不出來(lái)的，他們一下子被嚇住了，再也不敢去問(wèn)了。后來(lái)，與武漢大學(xué)化學(xué)系合作，最終搞出了九個(gè)9?，F(xiàn)在是35頁(yè)\一共有59頁(yè)\編輯于星期五材料搞出來(lái)了，還要把它變成玻璃。開(kāi)始在試管里做，但后來(lái)發(fā)現(xiàn)溫度不夠高，一定要高到1500℃以上。但在這個(gè)溫度下白金坩堝也早就化了，所以改在石英管里煉。他們跟玻璃技師一起研究，用電爐加熱到1400℃，結(jié)果什么也沒(méi)有。于是又加高溫度，得到一些白粉，很高興，但經(jīng)化驗(yàn)卻是硅膠。又經(jīng)過(guò)幾十次的試驗(yàn)，并設(shè)計(jì)制作了專門(mén)煉玻璃的熔煉車(chē)床后，才做出了超純石英?，F(xiàn)在是36頁(yè)\一共有59頁(yè)\編輯于星期五要把超純石英做成光導(dǎo)纖維，就先要拉成絲，同樣十分困難。絲的半徑是125微米，誤差不能超過(guò)3微米。沒(méi)有拉絲的設(shè)備，自己做。做自動(dòng)控制設(shè)備，用激光來(lái)測(cè)量，最后拉出了光導(dǎo)纖維；還要測(cè)量它的傳輸損失多大、帶寬多少，全套東西都是自己動(dòng)手。就這樣，到1976年上半年，熔煉拉出了200米石英光纖，從此，結(jié)束了我國(guó)無(wú)光纖的歷史?，F(xiàn)在是37頁(yè)\一共有59頁(yè)\編輯于星期五1976年在郵電部工業(yè)學(xué)大慶展覽會(huì)上，趙梓森帶著“新成果”去演示時(shí)，還是用的橡皮泥、螺絲釘?shù)耐赁k法將光纖對(duì)準(zhǔn)接收器。演示引起了郵電部長(zhǎng)很大興趣，甚至親自參與演示過(guò)程，并說(shuō)“光纖通信要作重點(diǎn)”。此后，我國(guó)光纖通信產(chǎn)業(yè)蓬蓬勃勃發(fā)展起來(lái)?，F(xiàn)在是38頁(yè)\一共有59頁(yè)\編輯于星期五現(xiàn)在是39頁(yè)\一共有59頁(yè)\編輯于星期五3、光纖損耗的來(lái)源光信號(hào)在光纖中傳輸過(guò)程中的損耗主要來(lái)自于一下幾個(gè)方面：（1）光纖材料的吸收與散射損耗；（2）光纖的彎曲輻射損耗；（3）光纖的連接（4）耦合損耗。現(xiàn)在是40頁(yè)\一共有59頁(yè)\編輯于星期五（1）光纖材料的吸收與散射損耗；本征吸收：光纖材料對(duì)光信號(hào)的吸收。雜質(zhì)吸收：雜質(zhì)不是指光纖中的摻雜物，而是由于材料不純凈及工藝不完善而引入的雜質(zhì)，如過(guò)渡金屬離子和OH-離子。原子缺陷吸收：由于材料受到熱輻射或光輻射引起的。散射損耗：在光纖材料中，由于某種遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)的不均勻性引起的光散射構(gòu)成光纖的散射損耗?，F(xiàn)在是41頁(yè)\一共有59頁(yè)\編輯于星期五3、光纖損耗特性第二傳輸窗口第一傳輸窗外吸收紅外吸收瑞利散射0.22.5損耗(dB/km)波長(zhǎng)(nm)OH離子吸收峰第三傳輸窗口在1.55m處最小損耗約為0.2dB/km損耗主要機(jī)理：材料吸收、瑞利散射和輻射損耗現(xiàn)在是42頁(yè)\一共有59頁(yè)\編輯于星期五（2）光纖的彎曲輻射損耗光纖實(shí)際應(yīng)用中不可避免的要產(chǎn)生彎曲，這就伴隨著產(chǎn)生光的彎曲輻射損耗。這種損耗的原因是：當(dāng)光纖彎曲時(shí)，全反射條件破壞，約束能力下降，原來(lái)在纖芯中以導(dǎo)模形式傳播的功率將部分地轉(zhuǎn)化為輻射模功率并逸出纖芯而形成損耗?，F(xiàn)在是43頁(yè)\一共有59頁(yè)\編輯于星期五（3）光纖的連接損耗光纖與光纖的連接損耗由被連接光纖纖芯結(jié)構(gòu)參數(shù)的差異（內(nèi)部損耗因子）及光纖連接的質(zhì)量（外部損耗因子）引起的。內(nèi)部損耗因子：包括纖芯半徑、相對(duì)折射率差、折射率分布參數(shù)；外部損耗因子：包括光纖端面質(zhì)量、光纖的橫向、角向與縱向偏移以及端面間折射率匹配和光纖焊接中的纖芯軸畸變?，F(xiàn)在是44頁(yè)\一共有59頁(yè)\編輯于星期五橫向偏移縱向偏移角向偏移現(xiàn)在是45頁(yè)\一共有59頁(yè)\編輯于星期五（4）耦合損耗。光源與光纖的耦合損耗光纖與光器件的耦合損耗現(xiàn)在是46頁(yè)\一共有59頁(yè)\編輯于星期五3、光纖光纜的制作各種不同的結(jié)構(gòu)、特性參數(shù)和折射率分布的光纖，可分別用于不同的場(chǎng)合。纖芯和包層都用石英作為基本材料，折射率差通過(guò)在纖芯和包層進(jìn)行不同的摻雜來(lái)實(shí)現(xiàn)。纖芯摻入Ge和P折射率包層摻入硼

B折射率現(xiàn)在是47頁(yè)\一共有59頁(yè)\編輯于星期五材料的提純預(yù)制棒的制作拉絲成纜9個(gè)9(ppb)用氣相沉積法制作具有所需折射率分布的預(yù)制棒使用精密饋送機(jī)構(gòu)將預(yù)制棒以合適的速度送入爐中加熱現(xiàn)在是48頁(yè)\一共有59頁(yè)\編輯于星期五典型預(yù)制棒長(zhǎng)1m,直徑2cm現(xiàn)在是49頁(yè)\一共有59頁(yè)\編輯于星期五(1)制作預(yù)制棒

MCVD—改進(jìn)的化學(xué)汽相沉積法

PVCD－等離子體激活化學(xué)汽相沉積法（主要區(qū)別：將MCVD中的氫氧焰噴燈改用微波腔體加熱）現(xiàn)在是50頁(yè)\一共有59頁(yè)\編輯于星期五

MCVD法的特點(diǎn)：在石英反應(yīng)管（趁底管）內(nèi)沉積內(nèi)包層和芯層的玻璃，整個(gè)系統(tǒng)處于封閉的超提純狀態(tài)下。MCVD法制備光纖預(yù)制棒示意圖摻雜試劑現(xiàn)在是51頁(yè)\一共有59頁(yè)\編輯于星期五第一步：熔制光纖的內(nèi)包層玻璃。主體材料：液態(tài)SiCl4；摻雜試劑：CF2Cl2,SF6,C2F4；載運(yùn)氣體：O2SiCl4+O2→SiO2+2Cl2↑2CF2Cl2+SiCl4+2O2→SiF4+2Cl2+2CO2↑石英管內(nèi)壁上形成SiO2－SiF4玻璃層，作為光纖內(nèi)包層。摻雜試劑現(xiàn)在是52頁(yè)\一共有59頁(yè)\編輯于星期五第二步：熔制芯層玻璃。主體材料：液態(tài)SiCl4；摻雜試劑：GeCl4；載運(yùn)氣體：O2SiCl4+O2→SiO2+