第四章信息材料及器件

第四章信息材料及器件

第一節(jié)前言第二節(jié)光導(dǎo)纖維第三節(jié)信息存儲材料

2023/12/14第一節(jié)前言

一、信息材料的基本概念

現(xiàn)代信息技術(shù)是以微電子學(xué)和光電子學(xué)為基礎(chǔ)；以計算機(jī)與通信技術(shù)為核心；對各種信息進(jìn)行收集、存儲、處理、傳遞和顯示的高技術(shù)群。2023/12/14對各種信息的收集、存儲、處理、傳遞和顯示信息收集功能器件信息存儲功能器件信息處理功能器件信息傳輸功能器件信息顯示功能器件每種器件都是以信息材料為主構(gòu)成的。2023/12/14

①具有信息收集功能的器件主要有:

傳感器和探測器如對溫度變化有傳感作用的器件：熱敏電阻——PTC、NTC熱敏材料

對光有傳感作用的器件有：光敏電阻、光敏二極管、光電探測器、紅外探測器等——光敏電阻材料、半導(dǎo)體光電探測器材料

對氣體種類和含量有傳感作用的器件：氣敏傳感器——n型或p型金屬氧化物半導(dǎo)體氣敏材料

對濕度變化有傳感作用的器件：濕敏傳感器——濕敏陶瓷2023/12/14

②具有信息存儲功能的器件主要是一些存儲器。例如固定只讀存儲器（ROM）可編程只讀存儲器（PROM）磁帶各種磁盤光盤

相應(yīng)這些存儲器有對應(yīng)的信息存儲材料。

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③具有信息處理功能的器件分為

微電子信息處理器件光信息處理器件各種晶體管各種調(diào)制器二極管振蕩器集成電路放大器用于制作這些器件的材料有：硅、鍺等半導(dǎo)體材料、GaAs系列、InP系列等等。2023/12/14

④具有信息傳輸功能的器件主要是指：光通信、微波通信、移動電話通信等的器件。光纖通信系統(tǒng)微波通信移動通信光纖光纜手持式終端手機(jī)光纖連接器衛(wèi)星定位系統(tǒng)用戶身份識—光纖分路器有源陣天線別模塊—SIM卡用于這些器件的材料有：各種光纖材料、半導(dǎo)體激光器材料、微波鐵氧體材料、微波介質(zhì)陶瓷等等。

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⑤具有信息顯示功能的器件主要是：陰極射線管、液晶顯示、等離子體顯示、電致發(fā)光顯示、真空熒光顯示等各種平板顯示器。其材料有：用于液晶顯示的非晶硅、多晶硅用于等離子體顯示的紅、綠、藍(lán)三基色熒光粉用于電致發(fā)光顯示的摻Cu、Al、Mn的ZnS基質(zhì)發(fā)光粉等等。2023/12/14二、信息材料的發(fā)展歷程

信息材料的發(fā)展歷程也就是微電子技術(shù)和光電子技術(shù)的發(fā)展歷程。硅半導(dǎo)體晶體管硅集成電路技術(shù)微電子技術(shù)2023/12/14

20世紀(jì)初硅被用于無線電通信器件之一的礦石檢波器。

20世紀(jì)20~30年代量子力學(xué)理論和pn結(jié)概念的提出以及高純硅材料的研制成功促進(jìn)了硅材料的發(fā)展。

1941年鍺的載流子遷移率高，被成功用于制作二極管。2023/12/14

1947年貝爾實驗室研制成功全世界第一個鍺點接觸式三極管，把鍺材料的研究推向了新的高潮。

1950年第一顆鍺單晶拉制成功，推動了鍺生產(chǎn)技術(shù)的飛躍發(fā)展。

1952年第一顆硅單晶拉制成功，由于硅技術(shù)的突破晚于鍺，因此這一時期仍以鍺的研究為主。

這時，英國的達(dá)默率先提出了集成電路的概念，目的是把大量晶體管、電阻、電容等電子元件小型化、微型化并構(gòu)成盡可能小的電路。2023/12/14

1958年美國得克薩斯儀器公司終于實現(xiàn)了達(dá)默的設(shè)想，用鍺材料制成了世界上第一塊集成電路。

1959年美國仙童公司采用平面工藝和pn結(jié)隔離技術(shù)，制成了第一塊硅集成電路。其平面工藝為后來大規(guī)模集成電路發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。2023/12/14

由于集成電路平面工藝的出現(xiàn)，導(dǎo)致硅材料和鍺材料在半導(dǎo)體技術(shù)中的地位發(fā)生了逆轉(zhuǎn)。

主要因為硅材料除了載流子遷移率比鍺稍差之外，許多性能都優(yōu)于鍺。

①硅的禁帶寬度比鍺高，故硅的工作溫度高，更適于功率器件的制作；②硅在高溫下能氧化成二氧化硅薄膜，其薄膜兼有雜質(zhì)擴(kuò)散掩膜、絕緣膜和保護(hù)膜三重功能，故硅很適合集成電路平面工藝；③硅的受主和施主的擴(kuò)散系數(shù)幾乎相同，可為集成電路的工藝制作提供更大的自由度。硅的這些優(yōu)點使其至今在集成電路中仍然占有最重要的地位。

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1998年

IBM公司用SOI材料（稱為絕緣層上的硅材料，為新一代的硅材料）研制成功計算機(jī)用的高速、低功耗中央處理器芯片，這一成功，說明SOI技術(shù)可以用來取代傳統(tǒng)硅集成電路技術(shù)。

SOI材料的主要優(yōu)點是：寄生電容小、功耗低、集成度和電路速度高、抗輻照和耐高溫性能好。

SOI技術(shù)被國際公認(rèn)為是21世紀(jì)的微電子技術(shù)。2023/12/14

2000年

IBM已決定在0.18μm以下線寬的集成電路生產(chǎn)線中全部采用SOI材料。英特爾、摩托羅拉、德州儀器、三菱等集成電路巨頭紛紛投巨資開發(fā)SOI材料和相關(guān)的集成電路產(chǎn)品。2023/12/14光電子技術(shù)的發(fā)展

光電子技術(shù)半導(dǎo)體激光器技術(shù)光纖通信技術(shù)光存儲技術(shù)光顯示技術(shù)光電探測技術(shù)光信息處理技術(shù)光電子集成回路技術(shù)2023/12/14

激光是光通信、光存儲、光顯示和光電子集成回路的光源和信息載體。半導(dǎo)體激光材料是光電子技術(shù)的主導(dǎo)產(chǎn)品。作為激光器的半導(dǎo)體材料很多，但最主要可分為GaAs和InP兩個系列。

1962年第一個GaAs半導(dǎo)體激光器問世，但效率低，且只能在低溫工作，不能使用。2023/12/14

1963年有人提出了異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)激光器的概念。

1969年出現(xiàn)了第一個GaAs/AlGaAs異質(zhì)結(jié)激光器，可在室溫工作，工作電流已達(dá)到較低的水平。

20世紀(jì)80年代末研制成功了無Al的InGaAsP材料的半導(dǎo)體激光器。2023/12/14

早期半導(dǎo)體激光器的研發(fā)主要針對光通信方面的應(yīng)用。如適用于1.3μm波長和1.55μm波長的激光器材料：InGaAs、InGaAsP、AlGaInAs等。

20世紀(jì)80~90年代以光盤為代表的光存儲技術(shù)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，第一代CD系列光盤使用780~830nm的紅外激光光源，GaAs/AlGaAs和GaAs/InGaAsP半導(dǎo)體材料滿足這一要求。2023/12/14

由于對光盤存儲密度的要求越來越高，發(fā)展出了DVD光盤。

紅光波段（650nm）激光器用于目前的DVD光盤，對應(yīng)材料為InGaAlP。

藍(lán)光波段（405nm）激光器用于高密度DVD光盤，即藍(lán)光盤（BD），對應(yīng)材料為InGaN。2023/12/14

在半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)材料的開發(fā)過程中，為了降低域值電流、獲得大功率的激光輸出和提高光束質(zhì)量，半導(dǎo)體激光器后來都采用了量子阱結(jié)構(gòu)。

量子阱結(jié)構(gòu)：厚度僅為1~10nm的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。

在量子阱結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，人們又采用了應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)，通過控制外延層的厚度，解決了材料開發(fā)過程中出現(xiàn)的晶格失配問題。

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因此，半導(dǎo)體激光材料經(jīng)歷了同質(zhì)結(jié)構(gòu)、異質(zhì)結(jié)構(gòu)、量子阱結(jié)構(gòu)材料和應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)材料的發(fā)展歷程。

人們用這些材料制成了藍(lán)光、紅光、近紅外波段和2~3μm中紅外波段的各種半導(dǎo)體激光器。2023/12/142023/12/14氣體激光器

介質(zhì)是氣體的激光器，此種激光器通過放電得到激發(fā)。

氦氖激光器：最重要的紅光放射源（632.8nm）。

二氧化碳激光器：波長約10.6μm（紅外線），重要的工業(yè)激光。

一氧化碳激光器：波長約6-8μm（紅外線），只在冷卻的條件下工作。

氮氣激光器：337.1nm(紫外線)。

氬離子激光器:具有多個波長，457.9nm(8%)丶476.5nm(12%)丶488.0nm(20%)丶496.5nm(12%)丶501.7nm(5%)丶514.5nm(43%)（由藍(lán)光到綠光）。

氦鎘激光器：最重要的藍(lán)光（442nm）和近紫外激光源（325nm）。固體激光器

介質(zhì)是固體的激光器，此種工作物質(zhì)通過燈丶半導(dǎo)體激光器陣列丶其他激光器光照泵浦得到激發(fā)。

紅寶石激光器：世界上第一臺激光器，1960年7月7日，美國青年科學(xué)家梅曼宣布世界上第一臺激光器誕生，這臺激光器就是紅寶石激光器。

如Cr:Al2O3激光器工作波長：6943?。

Nd:YAG（摻釹釔鋁石榴石）：最常用的固體激光器，工作波長一般為1064nm，這一波長為四能級系統(tǒng)，還有其他能級可以輸出其他波長的激光。

Nd:YVO4（摻釹釩酸釔）：低功率應(yīng)用最廣泛的固體激光器，工作波長一般為1064nm，可以通過KTP,LBO非線性晶體倍頻後產(chǎn)生532nm綠光的激光器。

Yb:YAG（摻鐿釔鋁石榴石）：適用於高功率輸出，這種材料的碟片激光器在激光工業(yè)加工領(lǐng)域有很強(qiáng)優(yōu)勢。

鈦藍(lán)寶石激光器：具有較寬的波長調(diào)節(jié)范圍（670nm～1200nm）2023/12/14三、信息材料的應(yīng)用范圍

廣義上講，所有應(yīng)用信息技術(shù)的領(lǐng)域，都是信息材料的應(yīng)用范圍。它分為軍用和民用。

軍用：偵察、監(jiān)視、夜視、電子對抗、武器精確制導(dǎo)、飛機(jī)和導(dǎo)彈的慣性導(dǎo)航、火炮控制、軍事通信、模擬訓(xùn)練等；

民用：通信、廣播、辦公室自動化、工業(yè)生產(chǎn)自動化、醫(yī)學(xué)診斷和治療、遙感測繪、音像娛樂、科學(xué)研究等。2023/12/14第二節(jié)光導(dǎo)纖維及光器件一、光導(dǎo)纖維（光纖）的發(fā)展歷史

20世紀(jì)60年代中期，高錕等人提出了關(guān)于降低石英光纖損耗的設(shè)想，并預(yù)測光纖通訊的未來。從理論上推測出石英光纖的損耗可以降低到20dB/km。

1969年，日本首先研制出第一根通信用光纖，但損耗超過100dB/km。

2023/12/141970年，美國康寧公司采用所謂粉末法制出了損耗為20dB/km和4dB/km的光纖，從而極大地引起了各國學(xué)者的重視。1974年美國貝爾研究所采用化學(xué)氣相沉積法（MCVD）制得了0.2dB/km(1.55μm)的光纖，該值接近石英光纖的理論損耗值0.18dB/km(1.55μm)。2023/12/141977年，武漢郵電科學(xué)研究院研制出公里級低損耗的石英光纖，850nm波長衰耗為20dB/km，達(dá)到了較好的衰減水平，并成功進(jìn)行國內(nèi)首次彩色電視信號傳送試驗。2023/12/14

與之同時，日本茨城電氣通信研究所采用軸向氣相沉積法“VAD”法制造光纖預(yù)制棒，使光纖通信趨向?qū)嵱没?。這一技術(shù)從開發(fā)到實用前后不到10年，發(fā)展相當(dāng)迅速。目前光纖通信已成為信息高速公路的重要組成部分。2023/12/14圖4-1.早期和目前商品化石英光纖的損耗譜示意圖2023/12/14

由圖可見，位于1.38um處的OH-離子吸收峰將石英光纖的低損耗區(qū)域分割成1.31um波段和1.55um波段兩個窗口。目前的光纖制作工藝已經(jīng)完全消除水分所帶來的OH-離子吸收峰，使光纖在1.28~1.70um的廣闊區(qū)域內(nèi)均具有接近Rayleigh散射極限的極低傳輸損耗。2023/12/14二、光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展歷史1、早期的850nm光纖通信系統(tǒng)

在20世紀(jì)70年代中期，由于光纖制作工藝技術(shù)的限制，當(dāng)時制得的光纖最低損耗約為4dB/km，位于850nm處。其通信系統(tǒng)構(gòu)成為：GaAlAs/GaAs半導(dǎo)體激光器—光纖—Si光電探測器

系統(tǒng)的傳輸損耗小于100dB/km，中繼距離為10km。2023/12/142、1.31um光纖通信系統(tǒng)20世紀(jì)80年代，光纖制作技術(shù)的進(jìn)步顯著降低了OH-離子濃度，出現(xiàn)了兩個極低損耗窗口：1.31um----0.35dB/km1.55um---0.2dB/km第二代光纖通信構(gòu)成：InGaAsP/InP激光器—光纖—Si光電探測器特點：中繼距離為50km，傳輸速率為：1.7Gb/s。2023/12/143、1.55um光纖通信系統(tǒng)

特點：最低損耗，約0.2dB/km。

無中繼傳輸距離可達(dá)80—100km

一般采用摻鉺光纖放大器（EDFA）提升功率。2023/12/144、網(wǎng)絡(luò)全光化

最終用戶需求：

廉價而優(yōu)質(zhì)的各種語音、視頻和數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)。

兩大障礙：A、“電子瓶頸”問題

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點技術(shù)是基于電的數(shù)字處理技術(shù)。因此整個網(wǎng)絡(luò)的性能受到電子設(shè)備處理速度的制約。

2023/12/14B、用戶與中心局或遠(yuǎn)程終端間的網(wǎng)絡(luò)連接（接入網(wǎng)），所謂“最后一公里”問題

目前向最終用戶提供寬帶業(yè)務(wù)的用戶線主要采用雙絞線和同軸線等帶寬極其有限的電接入技術(shù)，無法實現(xiàn)與光纖傳輸網(wǎng)相適應(yīng)的寬帶接入。

因此必須降低最終用戶的光纖終端設(shè)備的價格，才能真正實現(xiàn)光纖到戶（fibertothehome,HTTH）和光纖到辦公桌（fibertothedesk,HTTD）。

2023/12/14電纜通信與光纖通信比較電纜通信：聲音變成電信號，通過銅導(dǎo)線把電信號傳輸?shù)綄Ψ?。光?dǎo)纖維（簡稱光纖）通信：記錄著聲音的電信號變成光信號，然后通過玻璃纖維把光信號傳輸?shù)綄Ψ?，最后又把光信號轉(zhuǎn)變成電信號。2023/12/14光纖通信具有電纜通信無法比擬的優(yōu)點

（1）損耗低，頻帶寬，容量大。（2）不受電磁場干擾，保密性能優(yōu)良。（3）重量輕，體積小。（4）節(jié)省銅資源等優(yōu)點。2023/12/14三、光纖構(gòu)成及分類

光纖一般分三部分構(gòu)成：芯部、包層、保護(hù)層。

圖4-2光纖的構(gòu)成2023/12/14各部分材料：芯部：用來導(dǎo)光。非晶態(tài)的SiO2、摻雜GeO2、P2O5等。包層：保證光全反射只發(fā)生在芯內(nèi)。一

般由高硅玻璃構(gòu)成，其折射率要

與芯部匹配，減少光的散射損失。

保護(hù)層：保護(hù)光纖不受外界作用和吸收

誘發(fā)微變的剪切應(yīng)力。由尼龍

材料作成。2023/12/14光纖的分類按芯部折射率變化來分類：突變（階躍）型光纖、漸變（梯度）型光纖。按光在光纖中傳播的模式分類：單模光纖、多模梯度型光纖、多模階躍型光纖。多模階躍型光纖多模梯度型光纖

單模光纖圖4-3光纖的種類2023/12/141、梯度型多模光纖

包括Ala、Alb、Alc和Ald類型。

它們可用多組分玻璃或摻雜石英玻璃制得。

特點：A、制備選用的材料純度比大多數(shù)階躍型多模光纖材料純度高得多，以保證降低光纖衰減。B、由于折射率呈梯度分布和更低的衰減，所以梯度型多模光纖的性能比階躍型多模光纖性能要好得多。C、一般在直徑（包括緩沖護(hù)套）相同的情況下，梯度型多模光纖的芯徑大大小于階躍型多模光纖，這就賦予梯度型多模光纖更好的抗彎曲性能。2023/12/14表4-1四種梯度型多模光纖的主要性能2023/12/14A1aA1bA1cA1d2、階躍型多模光纖

包括A2、A3和A4三類九個品種。

特點：A、具有大的纖芯和大的數(shù)值孔徑，所以它們

可更為有效地與非相干光源，例如發(fā)光二極管(LED)耦合。B、鏈路接續(xù)可通過價格低廉的注塑型連接器，從而降低整個網(wǎng)絡(luò)建設(shè)費用?？赡艿闹饕獞?yīng)用是在光纖到戶（FTTH）和光纖到辦公室（FTTD）技術(shù)中作為光纖用戶線使用。2023/12/143、單模光纖

特點：A、包層直徑要比芯徑大十多倍，以避免光損耗。B、衰減小、頻帶寬、容量大、成本低和易于擴(kuò)容等優(yōu)點，作為一種理想的光通信傳輸媒介，在全世界得到極為廣泛的應(yīng)用。2023/12/14單模光纖的主要類型和主要規(guī)范ITU-T關(guān)于單模光纖的產(chǎn)品規(guī)范有G.652，G.653，G.654，G.655等建議文件。G.652：光纖結(jié)構(gòu)簡單，技術(shù)成熟，是目

前實際使用量最多的單模光纖。

零色散波長位于1310nm，在1550nm處有色散。2023/12/14G.653：又稱色散位移光纖，在1550nm波段具有零色散值，其目的是使光纖的最低損耗和最小色散同時出現(xiàn)在1550nm波段，充分利用該窗口的低損耗特性。G.654：為了獲得超低損耗而設(shè)計的純石英芯和摻氟包層下陷型光纖。

G.655：又稱非零色散位移光纖。綜合考慮光纖損耗、EDFA工作波段、色散特性和非線性效應(yīng)。2023/12/14圖4-4單模光纖折射率剖面的主要類型2023/12/144、特種光纖A、稀土摻雜光纖

在石英玻璃中摻雜Er3+、Nd3+離子可以分別產(chǎn)生1.55um和1.3um波段的熒光輻射，對應(yīng)于石英光纖的兩個重要低損耗通信窗口。采用泵浦方式可使摻雜Er3+、Nd3+離子的石英光纖受激輻射，從而對兩個通信波段的光信號進(jìn)行相干功率放大。因此該光纖對光纖通信技術(shù)具有極端的重要性。2023/12/14B、光子晶體光纖

光子晶體：指折射率在空間呈波長級周期性分布的光學(xué)介質(zhì)結(jié)構(gòu)。由于光在周期性折射率結(jié)構(gòu)中的行為類似于電子在普通晶體內(nèi)周期勢場中的運動，因此稱為光子晶體。

特性：

（1）反常色散—折射率隨波長增加而增大。

（2）光子禁帶—某一頻率范圍的光無法在光子晶體中傳輸。

2023/12/14光子晶體光纖：指折射率分布在除光纖軸心外的

光纖橫截面上呈亞波長級二維周

期性或準(zhǔn)周期性分布的光纖結(jié)構(gòu)。為了獲得較大的折射率對比度，目前的光子晶體光纖主要由石英光纖橫截面上周期排列的空氣孔組成。如圖4-5。2023/12/14C、塑料光纖

指用聚合物或有機(jī)玻璃等材料制成的光纖。

常用材料有：聚甲基丙烯酸甲酯（有機(jī)玻璃）、聚碳酸酯、聚苯乙烯和氟塑料等。

特點：

重量輕、柔韌性好、抗繞曲、易于接續(xù)、低材料色散、廉價。2023/12/14

塑料光纖在近紅外至可見光波段具有最低損耗，傳輸損耗達(dá)9~1000dB/km。

表4-2塑料光纖的主要類型和標(biāo)準(zhǔn)2023/12/14四、光導(dǎo)原理光導(dǎo)纖維的波導(dǎo)構(gòu)造是由折射率高的芯和折射率低的包層組成的。

芯的作用：是將入射端的光線傳輸?shù)浇邮芏恕?/p>

芯和包層的交界面是折射率差的界面，該界面不使光線透過，構(gòu)成光壁，以保證芯的導(dǎo)光。要使光線在芯部正常導(dǎo)光，就必須使入射光線在芯和包層的界面（光壁）上產(chǎn)生全反射，其原理如圖4-3中的A所示。

2023/12/14圖4-5光纖接受與傳輸光線原理圖A-發(fā)生全反射

B-發(fā)生光的散射2023/12/14發(fā)生全反射的條件：

n1sinΦ1=n2sinΦ2Φ1Φ2當(dāng)Φ2為90度時，折射線將沿著界面?zhèn)鞑ァ４藭rΦ1為發(fā)生全反射的入射角；當(dāng)入射角大于Φ1時，只有全反射。n1>n22023/12/14五、光纖的損耗光在光纖中傳播是有損耗的，這是光纖通訊中最重要的問題。

下圖形象地表示一脈沖光信號在光纖中傳播的能量損耗。圖4-4光的能量損失2023/12/14光纖的損耗可概括如下：

光纖總損耗材料本征損耗材料非本征損耗本征吸收損耗本征散射損耗紫外吸收（電子躍遷）紅外吸收（分子振動）瑞利散射拉曼散射雜質(zhì)吸收結(jié)構(gòu)缺陷散射過渡金屬OH基（水）折射率分布不勻芯-包層界面不平整氣泡、結(jié)晶、彎曲等2023/12/14

從以上可看出,一旦確定了材料,材料的本征損耗就無法改變。人們只有在非本征損耗的降低上做出努力。光纖的損耗以dB/km為單位表示：1dB/km=-10×

（1/L）lg（I/I0）如果損耗是2dB/km,則光傳輸1km后約有60%的光保留下來。如果損耗是0.5dB/km,則光傳輸1km后約有90%的光保留下來。2023/12/14

光纖中雜質(zhì)的吸收：主要是Fe、Co、Ni等過渡金屬雜質(zhì)離子在可見和近紅外區(qū)有強(qiáng)的吸收,這要在原料的純化過程中通過除去過渡金屬雜質(zhì)離子而加以解決。而結(jié)構(gòu)缺陷則是在工藝上應(yīng)小心注意的。在目前的技術(shù)范圍內(nèi),與波長四次方成反比的瑞利散射和OH基的吸收是損耗的主要原因。OH基在2.73μm有一大的基本吸收峰,其高次諧波在0.94μm、1.24μm和1.38μm處也產(chǎn)生吸收。瑞利散射：因為玻璃是非晶態(tài)，原子排列是混亂的，單位體積原子數(shù)并不固定。這種結(jié)構(gòu)的電子與傳播的光子相互作用，常常引起光傳播的延遲，并離開光纖，造成能量損失。2023/12/14圖4-6為長波瑞利散射極限和損耗與波長的關(guān)系。

損耗最低處為1.55μm。盡量避免使用接近1.38μm的光源。超過1.6μm后，石英玻璃本身與光子作用很強(qiáng)，成為能量吸收者。因此，必須研究新的材料系統(tǒng)。如氟化物光纖。2023/12/14六、光纖的制造石英光纖的組成:

以SiO2為主,為使光纖的折射率分布不同,需要加入改變折射率的材料。在石英玻璃中作為調(diào)節(jié)折射率的物質(zhì)有GeO2、P2O5、B2O3、含F(xiàn)化合物等。使折射率增大使折射率減小2023/12/14光纖制備方法

目前國際上已研究開發(fā)出的光纖制備方法有兩大類技術(shù)十多種具體的工藝方法：2023/12/14光纖制備氣相沉積技術(shù)非氣相沉積技術(shù)外部化學(xué)氣相沉積法（OVD）軸向化學(xué)氣相沉積法（VAD）改進(jìn)的化學(xué)氣相沉積法（MCVD）等離子化學(xué)氣相沉積法（PCVD）等離子改良的化學(xué)氣相沉積法（PMCVD）軸向和橫向等離子化學(xué)氣相沉積法（ALPD）界面凝膠法（BSG）熔融法（DM）玻璃分相法（PSG）溶膠-凝膠法（SOL-GEL）機(jī)械擠壓成型法（MSP）1、氣相技術(shù)

氣相反應(yīng)沉積法是目前普遍采用的光纖制備工藝。

原理：

將液體的SiCl4和其它鹵化物轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w，在一定條件下進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)生成摻雜的高純石英玻璃。

★液態(tài)的鹵化物純度極高，當(dāng)用高純氧為載氣，將鹵化物氣體帶入反應(yīng)區(qū)（增加了一個“蒸餾”過程），從而進(jìn)一步提純反應(yīng)物達(dá)到嚴(yán)格控制過渡金屬離子的目的。

2023/12/142、氣相技術(shù)工藝流程制備光纖采用的是高純的液態(tài)鹵化物原料，如SiCl4、GeCl4等，經(jīng)氣體混合氣相沉積反應(yīng)，縮棒制成預(yù)制棒，再將預(yù)制棒置于高溫拉絲爐內(nèi)對棒加熱軟化拉制成符合外徑要求的光纖。圖4-7為其工藝流程圖。2023/12/14原料制備原料提純氣相沉積制棒拉絲爐拉絲預(yù)涂覆篩選合格光纖性能檢測純度分析質(zhì)量控制(1)原料制備與提純

采用氣相技術(shù)制備光纖預(yù)制棒，所用原料為液態(tài)鹵化物，即：SiCl4、GeCl4、POCl3、BBr3、AlCl3、BCl3等。其中SiCl4是制作光纖的主要原料，占光纖成份總量的85%~95%。下面介紹的SiCl4制備。2023/12/14

第一步：制備

用工業(yè)硅在高溫下氯化制得粗SiCl4，反應(yīng)如下：Si+2Cl2SiCl4

該反應(yīng)特點：放熱反應(yīng)。易反應(yīng)溫度過

高而生成Si2Cl6和Si3Cl8。

采取措施：控制氯氣流量。

反應(yīng)生成的SiCl4蒸氣流入冷凝器，即可制得SiCl4液體原料。2023/12/14

光纖原料的純度要求99.9999%，故需要進(jìn)一步提純。

第二步：提純

SiCl4中含有四類雜質(zhì)：

（1）金屬氧化物

（2）非金屬氧化物

（3）含氫化合物

（4）絡(luò)合物

經(jīng)過提純，可使的SiCl4金屬雜質(zhì)含量為5ppb左右，含氫化物SiHCl3<0.2ppm。2023/12/14遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于SiCl4的沸點（57.6°C）--精餾提純與SiCl4的沸點相近—吸附提純（2）預(yù)制棒制作

光纖預(yù)制棒的折射率分布是通過控制在純石英（SiO2）中各種微量摻雜材料的種類和濃度而實現(xiàn)的。

常用的摻雜元素有：

鍺、磷、鋁、硼、氟等。

提高折射率降低折射率2023/12/14

在微量摻雜時，材料的折射率與摻雜濃度成正比。

圖4-8為在1.55um處各種摻雜石英玻璃的折射率隨摻雜濃度的變化。

2023/12/14

折射率的調(diào)整：

根據(jù)摻雜劑的濃度可以逐漸地變化給出梯度折射率分布，或維持不變而給出階躍折射率分布。

沉積過程：

一般是在一個基靶表面上或在一根空心石英玻璃管內(nèi)，沉積以一層一層堆積方式而疊高的。當(dāng)用空心管沉積時，必須將管熔縮成一根供拉絲用的實心預(yù)制棒。2023/12/14氣相沉積法所涉及到的化學(xué)反應(yīng)SiCl4+O2SiO2+2Cl2GeCl4+O2GeO2+2Cl24POCl3+3O22P2O5+6Cl24BCl3+3O22B2O3+6Cl24SiCl3F+3O24SiO1.5F+6Cl2摻氟也可以是如下反應(yīng)：SiF4+3SiO24SiO1.5F2023/12/14高溫高溫高溫高溫高溫氣固平衡圖4-9給出了四種氣相沉積法工藝圖2023/12/14原料：SiCl4、GeCl4、SiF4

、POCl3、BCl3、O2等火焰水解氣相沉積軸向沉積（VAD）外部氣相沉積（OVD）改進(jìn)的氣相沉積（MCVD）等離子氣相沉積（PCVD）熔縮成棒預(yù)制棒拉絲（1）MCVD(ModifiedChemicalVaporDeposition)法,又叫管內(nèi)淀積法，改進(jìn)的化學(xué)氣相沉積法

1974年，由美國AT&T公司貝爾實驗室和英國南安普頓大學(xué)研究發(fā)明的。該法是在石英玻璃管內(nèi)壁淀積摻有P2O5和B2O3的SiO2。為此將SiCl4和POCl3和BBr3用O2作為載流氣體。當(dāng)含有原料的載流氣體通過高溫加熱旋轉(zhuǎn)的玻璃管時，鹵化物氣體與O2就發(fā)生氣相反應(yīng)生成氧化物微粒淀積在玻璃管內(nèi)壁。2023/12/143、四種氣相沉積法

當(dāng)沉積到一定的程度后，加熱玻璃管使內(nèi)部的多孔性氧化物微粒熔縮中實形成透明的玻璃棒。該玻璃棒通常稱作光纖預(yù)制棒。預(yù)制棒在徑向上使沉積的玻璃層成分逐層變化，由此形成折射率的分布層。VAD法2023/12/14圖4-10三種氣相沉積工藝示意圖（2）OVD(OutsideVaporDeposition)法，又叫外部氣相沉積法。

在1970年，由美國康寧公司發(fā)明的。

反應(yīng)機(jī)理：為火焰水解。即所需的玻璃組成是

通過氫氧焰或甲烷焰水解鹵化物氣

體產(chǎn)生“粉塵”逐漸沉積而獲得的，其反應(yīng)如下：

SiCl4+2H2OSiO2+4HCl2023/12/14

沉積順序：先沉積預(yù)制棒芯部，再沉積

包層。

沉積方法：在一根旋轉(zhuǎn)的芯棒上進(jìn)行。芯棒可以是氧化鋁陶瓷或高純石墨，在疏松的多層石英棒沉積完成后取出。最后通入脫水干燥氣體如Cl2，從1000度逐步升溫至1800度，進(jìn)行燒結(jié)和脫水處理，獲得透明的光纖預(yù)制棒。該法的優(yōu)點是可將預(yù)制棒制得粗些，而不受玻璃管大小的限制。2023/12/14VAD法2023/12/14

（3）VAD(Vapor—phaseAxialDeposition)法，又叫軸向沉積法。在1977年，由日本電報電話NTT公司茨城電氣通信研究所的伊澤立男等人發(fā)明的。其反應(yīng)機(jī)理與OVD法相同，也是火焰水解，只是沉積方向不同，是垂直方向。2023/12/14沉積方法：

先將一根靶棒垂直安放在反應(yīng)爐上方夾具上，并旋轉(zhuǎn)靶棒底端面為接受沉積部位，用高純氧載氣將形成玻璃的鹵化物氣體帶至氫氧焰噴燈嘴，在高溫水解反應(yīng)下生成玻璃氧化物粉塵，沉積在一邊旋轉(zhuǎn)一邊提升的靶棒的外表面上，生成具有一定強(qiáng)度和氣孔率圓柱狀的多孔預(yù)制棒。將其提升至上部石墨環(huán)形加熱室中，以氯氣噴吹多孔預(yù)制棒周圍，使其干燥熔縮成透明的玻璃預(yù)制棒。2023/12/14VAD法2023/12/14

該法的優(yōu)點是，沉積速率比MCVD快5~10倍，沉積效率可達(dá)80%；可采用多頭噴燈加快沉積速率，獲得大的預(yù)制棒，一次可拉制1600km的光纖。2023/12/14（4）等離子化學(xué)氣相沉積法（PCVD）

在1975年，由荷蘭菲利浦公司研究發(fā)明的。PCVD：Plasmachemicalvapourdeposition。

特點：a、管內(nèi)沉積，與MCVD類似。b、微波激活氣體產(chǎn)生等離子致

使氣體分離，氣體分離成帶

電離子。帶電離子重新結(jié)合

時，就釋放出可用來熔化高

熔點材料的熱能。2023/12/14PCVD沉積過程：

借助1kPa的低壓等離子使流進(jìn)石英玻璃管內(nèi)的氣態(tài)鹵化物和氧氣，在大約1000°C下直接沉積成一層設(shè)計組成的玻璃。

沉積好的石英玻璃管移至成棒車床上，利用氫氧焰的高溫作用將該管熔縮成實心光纖預(yù)制棒。2023/12/142023/12/14方法MCVDPCVDOVDVAD反應(yīng)機(jī)理熱源沉積方向沉積速率沉積工藝預(yù)制棒尺寸折射率分布控制原料純度要求使用廠家高溫氧化氫氧焰管內(nèi)表面中間歇小容易嚴(yán)格美國AT$T等低溫氧化等離子體管內(nèi)表面小間歇小極易嚴(yán)格荷蘭菲利浦，長飛火焰水解甲烷或氫氧焰靶棒外徑向大間歇大容易不嚴(yán)格美國康寧火焰水解氫氧焰靶棒軸向大連續(xù)大單模：容易多模：稍難不嚴(yán)格日本住友、古河等四種氣相沉積工藝的特點4、拉絲拉絲就是將前道工序制成的預(yù)制棒，通過高溫爐將預(yù)制棒加熱軟化，在牽引的作用下拉制成一定直徑的光纖的過程。光纖的直徑穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)；光纖保持有足夠原始強(qiáng)度，并盡可能地減少由拉絲工序?qū)饫w引入的附加損耗。2023/12/14圖4-11拉絲工藝及設(shè)備2023/12/14送棒系統(tǒng)光棒

高溫熔融系統(tǒng)激光測徑系統(tǒng)冷卻系統(tǒng)涂覆系統(tǒng)固化系統(tǒng)收絲系統(tǒng)（1）拉絲過程

拉絲步驟：

將預(yù)制棒放在拉絲塔上端的送棒裝置上送棒裝置將預(yù)制棒送入高溫爐內(nèi)加熱至2000度使玻璃預(yù)制棒軟化軟化的玻璃形成一帶絲小球從高溫爐內(nèi)滴落下來操作者將小球去掉，將絲通過拉絲塔各裝置粘至收絲筒上。2023/12/14

光纖直徑控制：

通過控制拉絲速度。通常速度為0.002~0.03cm/s。

激光測控儀測量光纖外徑。并將信號反饋到控制系統(tǒng)以控制拉絲速度。2023/12/142023/12/14（2）高溫爐要求

要求：氣流擾動小和十分清潔，不會釋放灰塵顆粒沾污預(yù)制棒和降低其強(qiáng)度。

兩種加熱高溫爐（2000℃）：

石墨電阻爐—石墨發(fā)熱體，高溫下必須用惰性保護(hù)氣體（氮氣或氬氣），以防石墨被氧化。

氧化鋯感應(yīng)爐—無需氣體保護(hù)。感應(yīng)線圈環(huán)繞在一個由氧化鋯組成的管子（或圈）上，無線電頻率振蕩器產(chǎn)生的3MHz,15kw的功率直接耦合到氧化鋯感應(yīng)管（或圈），在該管處能量直接轉(zhuǎn)換為熱。2023/12/142023/12/14（3）光纖涂料

作用：

保護(hù)和識別。

有兩種光纖涂料：

2023/12/14熱固化硅樹脂液體紫外光固化丙烯酸酯液體紫外光照射下，液體分子發(fā)生交聯(lián)。拉絲速度高拉絲速度低

光纖涂層一般為雙涂層，可以保護(hù)光纖免遭引起微彎損耗的外力作用。這些外力作用發(fā)生在光纖放入光纜中和溫度循環(huán)中光纖、涂層和光纜內(nèi)各組件的膨脹和收縮。

通常，雙層結(jié)構(gòu)是由兩種不同的紫外光固化丙烯酸酯組成的涂層。第一涂層是軟的（模量為幾百個Psi），第二涂層是硬的（模量為幾萬個Psi）。軟內(nèi)涂層能阻止光纖受由外部壓力而產(chǎn)生的微變，硬外涂層則能防止磨損和提供強(qiáng)度。2023/12/14（4）光纖成筒

光纖要卷繞到收絲筒上，繞好的光纖的筒再送去進(jìn)行幾何參數(shù)和傳輸性能的測試。

通常要將光纖從大筒子上重繞到小筒子上（復(fù)繞，至少2km/筒）。這些小筒放置在光纖庫待成纜用。2023/12/142023/12/145、非氣相技術(shù)

氣相技術(shù)優(yōu)點：可制備出優(yōu)質(zhì)的光纖

缺點：原料昂貴、工藝復(fù)雜、

玻璃組成范圍窄

非氣相技術(shù)：

直接熔融法、界面凝膠法、澆鑄

法、擠壓法

2023/12/14（1）直接熔融法

適合制造氧化物玻璃光纖，如：Na2O-Al2O3-SiO2、NaO-MgF2-SiO2

等。

工藝方法：

雙坩堝法，即將高折射率芯玻璃和低折射率包層玻璃分別置于加熱的同心雙坩堝的內(nèi)、外堝內(nèi)。

調(diào)整加熱溫度、拉絲速度、加料量等使光纖的芯、包層從坩堝底部流出的玻璃液量相平衡，從而制得芯、包層折射率漸變和恒定的光纖。2023/12/14（2）界面凝膠法界面凝膠法：利用高分子聚合中分子體積不同而發(fā)生的選擇擴(kuò)散原理制造梯度折射率分布的塑料光纖的方法。工藝：

2023/12/14包層：光學(xué)塑料-PMMA高折射率摻雜劑和單體混合物加熱加熱聚合過程中，PMMA管內(nèi)壁被單體混合液溶解形成凝膠相，由于單體分子體積小，因此更易于擴(kuò)散到凝膠中。隨著選擇性擴(kuò)散的進(jìn)行至聚合完畢，摻雜劑濃度會沿PMMA管中心呈現(xiàn)出一梯度折射率分布的光纖預(yù)制棒。最后將預(yù)制棒置于溫度為200℃左右拉絲爐內(nèi)拉制成塑料光纖。

方法特點：適合制備梯度折射率塑料光纖，該光纖芯徑大（980um），連接容易，成本低等，用于傳輸距離小于100m，帶寬為幾百MHz/s的高速數(shù)據(jù)傳輸。2023/12/14（3）澆注法適用于氟化物玻璃紅外光纖預(yù)制棒的拉絲。制備工藝：2023/12/14玻璃液預(yù)熱好的黃銅模具玻璃液倒入預(yù)熱好的模具內(nèi)，再迅速將模中心部位的熔體流出，將芯玻璃液澆入具有包層的同心圓管空心部位，冷卻便制成一根紅外光纖預(yù)制棒。外套一根聚四氟乙烯塑料管，置于拉絲爐內(nèi)加熱至350-400℃拉成光纖。

特點：適合制備氟化物玻璃紅外光纖。通信區(qū)域：2~4um波長

損耗：10-2~10-3dB/km，可望作為長距離

通信。2023/12/14（4）擠出法擠出法適合制造短距離傳輸?shù)木w光纖。工藝：

將混合組成由熔體生長成大的晶體錠，然后將大晶體擠成光纖的芯，再在芯外擠上一晶體包層，就構(gòu)成了一多晶芯、包光纖。

用途：

進(jìn)行激光的傳輸，熱輻射測量，獲取人體內(nèi)窺熱圖像和插入液體、固體或氣體來分析其組成與結(jié)構(gòu)。2023/12/14

在光纖制造中重要的是不混入過渡金屬雜質(zhì)，并從工藝上保證制成的光纖不析晶無氣泡。為了徹底消除水，采用了把多孔母材置于鹵化物氣氛中進(jìn)行熔縮中實的工藝。為此，使用了氯化亞硫酰，通過下式的反應(yīng)除掉由OH基所引起的光吸收。2023/12/14光纖中OH基的質(zhì)量分?jǐn)?shù)已降到10-9以下。由于技術(shù)的進(jìn)步，除掉了雜質(zhì)，石英光纖的損耗已降到接近理論值的水平。為了繼續(xù)降低損耗，必須尋找新的材料。2023/12/14七、光纜1、光纜的分類下面介紹幾種常見的光纜分類方法。（1）按光纖狀態(tài)按照光纖的二次被覆方式和光纖在光纜中的松緊自由狀態(tài)不同，可將光纜分為：緊結(jié)構(gòu)光纜松結(jié)構(gòu)光纜半松半緊結(jié)構(gòu)光纜2023/12/14A、緊結(jié)構(gòu)光纜由緊套光纖構(gòu)成的層絞式光纜、緊急搶修用光纜和單芯光纜等，屬于緊結(jié)構(gòu)光纜。特點：光纖在光纜中無自由移動空間。B、松結(jié)構(gòu)光纜由松套光纖構(gòu)成的層絞式光纜、中心管式光纜和由紫外光固化一次涂覆光纖構(gòu)成的骨架式光纜等，屬于松結(jié)構(gòu)光纜。

特點：光纖在光纜中有一定自由移動空間，這樣有利于減小外界機(jī)械應(yīng)力（或應(yīng)變）對一次涂覆光纖的影響。2023/12/14C、半松半緊結(jié)構(gòu)光纜光纖在光纜中的自由度介于上述兩者之間。

目前使用的光纜多為松結(jié)構(gòu)形式。2023/12/14（2）按纜芯結(jié)構(gòu)可分為中心管式、層絞式、骨架式三大類。A、中心管式光纜松套光纖（單纖芯或多纖芯）無絞合直放在光纜的中心位置。對光纜彎曲而言，光纖處于最有利的物理位置。

2023/12/14加強(qiáng)構(gòu)件可以是平行于中心管放置在外護(hù)套黑色聚乙烯中的兩根平行高碳鋼絲，也可以是螺旋絞繞在中心管上的多根低碳鋼絲。2023/12/14B、層絞式光纜緊套光纖或松套光纖螺旋絞合在中心加強(qiáng)構(gòu)件上，這種光纜稱為層絞式光纜。與中心管式光纜比較：中心管式光纜：

生產(chǎn)工藝設(shè)備簡單，纖芯數(shù)少（最多48芯），纜中光纖余長不易控制。層絞式光纜：

生產(chǎn)工藝設(shè)備相對復(fù)雜，纖芯數(shù)多（最多144芯），纜中光纖余長易控制。2023/12/14C、骨架式光纜一次涂覆光纖或二次被覆緊套光纖，輕輕放入骨架槽中構(gòu)成的光纜稱為骨架式光纜。它是三種結(jié)構(gòu)形式纜中最復(fù)雜的一種，多一條生產(chǎn)骨架的生產(chǎn)工藝線。最多纖芯數(shù)為12芯。2023/12/142023/12/14骨架式光纜（3）按敷設(shè)方式按光纜敷設(shè)方式，可分為架空光纜、管道光纜、直埋光纜和水底光纜。由于光纜的敷設(shè)方式不同，對光纜提出的機(jī)械特性就不同。下表列出了原郵電部對各種光纜的機(jī)械特性要求。2023/12/14敷設(shè)方式拉伸強(qiáng)度（N）抗側(cè)壓強(qiáng)度（N/10cm）工作時敷設(shè)時工作時敷設(shè)時架空、管道60015008001000直埋1000300010003000（4）按光纜使用環(huán)境

按光纜使用環(huán)境場合可將光纜分為室外光纜和室內(nèi)光纜。2023/12/142、光纜制造光纜的制造過程就好比給光纖“穿衣服”，讓光纖在“衣服”的包裹下感覺舒適，既要美觀，又要實用。主要生產(chǎn)工序:?著色并帶工序?松套工序?絞合工序?護(hù)套工序2023/12/14（一）著色并帶工序2023/12/14（1）著色工序設(shè)備設(shè)備特點：

自動尋邊、排絲系統(tǒng)的自動化程度較高，且操作方便，線速度高，光照強(qiáng)度與著色速度成正比。2023/12/142023/12/14（2）光纖著色的目的將光纖染上各種不同顏色，以便在多芯光纜中（同一套管或同一光纖帶中）通過不同色標(biāo)加以分辨。（3）著色常用原材料

UV固化油墨——主要由丙烯酸單體，光引發(fā)劑，有機(jī)顏料，無機(jī)顏料及添加劑等組成。2023/12/14（4）

著色時所用氣體著色時需用到氮氣和壓縮空氣。

①氮氣的作用：對于UV固化油墨，氧氣是一種阻化劑，阻礙光敏劑產(chǎn)生自由基，阻緩油墨的固化速度。因此，在光纖著色時向固化腔體內(nèi)充入足夠量的氮氣，在這種惰性氣氛（氮氣氣氛）中使UV固化油墨的固化速度加快。

②壓縮空氣的作用：a.清潔著色前的光纖。b.將光纖吹出固化爐。c.除去光纖帶的靜電。2023/12/14（5）著色工藝要點UV固化墨水使用前的處理：A、放置在以8轉(zhuǎn)/分的速度的滾料器上滾動4小時或用不銹鋼棒手動攪拌5分鐘，攪拌時盡量避免產(chǎn)生汽泡。（若用其它材料會催化墨水的反應(yīng)而引起膠化）B、在處理墨水時，不要使墨水暴露于光照下，不要長時間使容器敞開。2023/12/14?在著色過程中造成斷纖的幾種情況：A．光纖本身有質(zhì)量問題：如本色纖強(qiáng)度較差、有裂點等。B．清潔光纖的氣嘴內(nèi)臟物過多。C．人員操作失誤造成的；如光纖不在導(dǎo)線盤上、光纖的里端在盤具上未粘牢而甩出等。?對環(huán)境的要求：溫度、濕度、灰塵含量。?對排線和衰耗的要求：排線會造成光纖有拐。2023/12/142023/12/14（二）松套工序（1）松套生產(chǎn)線2023/12/14（2）松套的目的也叫光纖的二次被覆，給光纖加一層保護(hù)層，并充滿油膏作緩沖，光纖在松套管內(nèi)有一定的活動空間，產(chǎn)生一定的套管余長。2023/12/14（3）影響套管中光纖余長的因數(shù)?放纖張力和摩擦力；?油膏溫度；?第一節(jié)水溫與第二節(jié)水溫差；?牽引輪半徑和繞的圈數(shù)；?模具和針管；?收線張力；?生產(chǎn)線速度。2023/12/14（4）松套工序常用材料PBT（聚對苯二甲酸1，4丁二醇酯）特點：結(jié)晶材料尺寸穩(wěn)定，高強(qiáng)度，翹曲性好，耐水解，使用前需預(yù)烘干（900°C）。?光纖用填充油膏特點：保護(hù)光纖，阻止水分對光纖的影響，觸變型流體，能保證光纖長期使用時不結(jié)塊分油。2023/12/14（5）松套工序工藝要點套管中光纖的余長；?套管的幾何尺寸；?油膏填充度。2023/12/14（三）絞合工序2023/12/14（1）絞合設(shè)備2023/12/14扎紗2023/12/14扎紗及絞頭2023/12/14（2）絞合的目的圍繞加強(qiáng)件，將松套管有序的、緊湊的絞合在一起，形成光纜余長，增強(qiáng)光纖的機(jī)械性能和溫度特性。2023/12/14（3）絞合常用材料中心加強(qiáng)件：鋼絲、FRP（玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合塑料）、加墊層的多股鋼絲?光纜油膏?扎紗?阻水紗2023/12/14（4）絞合工藝要點松套管放線張力；套管排序方向；扎紗張力；絞合節(jié)距。2023/12/14（四）護(hù)套工序2023/12/14（1）護(hù)套生產(chǎn)線2023/12/14（2）護(hù)套的目的進(jìn)一步增強(qiáng)光纖的機(jī)械性能和溫度特性，并提高光纜的耐水蝕能力，穿上最后一件華麗的“衣裳”。2023/12/14（3）護(hù)套常規(guī)用料護(hù)套料光纜護(hù)套一般采用聚乙烯類材料，按是否阻燃可分為：普通護(hù)套料和阻燃護(hù)套料。普通護(hù)套料按密度大小可分為：低密、中密和高密；阻燃護(hù)套料可分為：含鹵阻燃料、低煙低鹵阻燃料和低煙無鹵阻燃料；此外有時為了光纜的特殊要求還使用尼龍、聚氨酯等護(hù)套料。光纜纜用油膏纜用油膏相對纖膏黏度大、含有顆粒較大的吸水樹脂，遇水迅速膨脹，阻止水沿光纜縱向滲流。纜用油膏主要填充在鋼絲與套管間的空隙、套管與外包復(fù)合金屬帶間的空隙。2023/12/14阻水帶阻水帶是由兩層纖維無紡布中間夾吸水樹脂組成，吸水樹脂遇水迅速膨脹，形成凝膠，填滿光纜截面的空隙，阻止水沿光纜縱向滲流。熱熔膠熱熔膠是一種熱塑彈性體，遇熱融化，冷卻后具有一定的粘性和強(qiáng)度，用于復(fù)合帶粘接重合邊，使復(fù)合金屬帶形成整體的環(huán)形，在彎曲或扭轉(zhuǎn)光纜時起一定的保護(hù)作用。2023/12/14復(fù)合金屬帶光纜用金屬復(fù)合帶主要有雙面覆膜鋁帶和雙面覆膜鋼帶，為光纜提供一定的機(jī)械強(qiáng)度和耐水蝕能力。此外，還有芳綸紗、鋼絞線、撕裂繩、玻璃紗等，這些用量不多，在這就不作一一介紹。2023/12/14（4）護(hù)套工藝要點光纜縱向阻水性能；護(hù)套外觀、印字的完整性；護(hù)套壁厚；鋼鋁帶搭接及搭接強(qiáng)度；鋼鋁帶與護(hù)套料的粘接強(qiáng)度。2023/12/14八、氟化物玻璃光纖

1、發(fā)展歷史早在20世紀(jì)20年代，人們就發(fā)現(xiàn)鹵化物如ZnCl2和BeF2等能形成玻璃，但由于這些玻璃極易潮解，鈹?shù)幕衔镉钟袆《?，在以后?0多年中，鹵化物玻璃并沒有引起人們足夠的重視。

70年代后期，通信用石英光纖制造技術(shù)的發(fā)展使光纖損耗接近其理論極限。2023/12/14

為尋找本征損耗更低的光纖材料，人們把注意力轉(zhuǎn)向到工作波長更長的氟化物玻璃光纖。與氧化物玻璃相比，鹵化物玻璃紫外電子躍遷的帶隙寬，多聲子吸收也在紅外更長的波段，其透光范圍可從紫外一直延至中紅外或中遠(yuǎn)紅外波段。2023/12/14

1978年，VanUitert和Wemple首先討論了鹵化物玻璃作為超低損耗玻璃的可能性，推算了BeF2玻璃和ZnCl2玻璃的本征損耗的最小值分別為10-2dB／km(1.05μm)和10-3dB／km(3.5—4.0μm)，較石英光纖低得多。在此以前，即1975年法國雷恩大學(xué)的Poulain和Lucas等人發(fā)現(xiàn)了以ZrF4為基礎(chǔ)的玻璃,即氟鋯酸鹽玻璃(FluorozirconateGlass)。2023/12/14

這種玻璃透光范圍從紫外0.2μm左右一直到中紅外7—8μm，無毒，不潮解。其他物理化學(xué)性質(zhì)也遠(yuǎn)優(yōu)于ZnCl2

和BeF2玻璃。因此，各國科學(xué)家以超低損耗通信光纖作為主要目標(biāo)，對以氟鋯酸鹽玻璃為代表的重金屬氟化物玻璃光纖為主要對象的鹵化物玻璃光纖開始了廣泛和深入的研究。后來日本三田地等人首先將氟化鋯系玻璃拉制成了玻璃纖維，80年代后半期氟化物玻璃光纖的損耗已降低到0.7dB/km(2.3um)。2023/12/142、氟化物玻璃光纖的化學(xué)組成

有以下幾個體系：A、以氟化鈹為主要組分的氟鈹酸鹽玻璃；B、以氟化鋯或氟化鉿為基礎(chǔ)的氟鋯酸鹽玻璃；C、以氟化鋁為基礎(chǔ)的氟鋁酸鹽玻璃；D、以氟化釷和稀土氟化物為主要組分的玻璃等等。2023/12/14

其中，氟鋯酸鹽玻璃是最有希望獲得超低損耗的光纖材料，也是研究得最深入的重金屬氟化物玻璃。

原因：大多數(shù)重金屬氟化物玻璃失透傾向大，在光纖制造過程中容易析晶或分相而產(chǎn)生附加的散射損耗。而氟鋯酸鹽玻璃的抗失透性能強(qiáng)。其缺點是經(jīng)受不了液態(tài)水的侵蝕，機(jī)械強(qiáng)度較低。2023/12/14

基本的氟鋯酸鹽玻璃體系為：

ZrF4-BaF2-LaF3三元體系玻璃網(wǎng)絡(luò)形成體玻璃網(wǎng)絡(luò)修飾體玻璃網(wǎng)絡(luò)中間體降低玻璃失透傾向

為了得到更好的成玻性能，通常加入一些摻雜物，如AlF3、YF3、HfF4及堿金屬氟化物NaF或LiF等。

2023/12/143、氟化物玻璃光纖的制備

與石英光纖相似，也分為光纖預(yù)制棒的制備和光纖拉制兩個階段。光纖預(yù)制棒的制備主要采用溶制-澆注法，可分為兩種：

A、以氧化物為原料，加入使氧化物轉(zhuǎn)化成氟化物的過量氟化劑NH4HF2。在惰性氣氛中熔融，并使之澄清和均化，然后將熔體冷卻到適當(dāng)溫度澆注成型。2023/12/14

B、以氟化物為原料，其中加入少量NH4HF2。在惰性氣氛中熔融原料，然后將熔體冷卻到適當(dāng)溫度澆注成型。

將光纖預(yù)制棒拉制成光纖過程中，應(yīng)采取必要的措施防止預(yù)制棒和光纖表面與大氣中的水汽發(fā)生反應(yīng)，也要避免玻璃在再加熱過程中出現(xiàn)析晶等新的散射源。2023/12/144、氟化物玻璃光纖的性質(zhì)①

、光纖的損耗氟鋯酸鹽玻璃光纖的損耗包括

本征損耗雜質(zhì)吸收損耗由光纖中缺陷引起的散射損耗2023/12/14

A、本征損耗材料的本征損耗αin

與λ

的關(guān)系為：

A，B1，B2，C1和C2均為常數(shù)。由密度起伏而引起的瑞利散射由紫外電子躍遷產(chǎn)生的吸收損耗紅外多聲子吸收損耗2023/12/14

氟鋯酸鹽玻璃的本征損耗，經(jīng)過多次理論估算和實驗測定，在最低損耗波長2.55μm處約為1.1×10-2dB/km，其中包括瑞利散射7.8×10-3dB/km和多聲子吸收3.1×10-3dB/km。2023/12/14

B、雜質(zhì)吸收損耗主要來自于3d過渡金屬、稀土和OH基團(tuán)等。引入的途徑：原料、操作工具、耐火材料、爐內(nèi)氣氛等帶入。

3d過渡金屬引起的吸收：位于光譜的近紫外到近紅外波段，當(dāng)波長大于2μm時，其吸收系數(shù)明顯下降。2023/12/14

OH基團(tuán)伸縮振動引起的主吸收帶位于2.87μm附近，與光纖最低損耗波長非常接近，對光纖損耗影響極大。

2023/12/14C、由缺陷引起的散射損耗

主要有兩種：

Mie散射大顆粒散射由尺寸與光波長相近的缺陷所引起，其值與光波長的平方成反比由尺寸更大的缺陷所引起，其值與波長無關(guān)。2023/12/14

這些缺陷主要是：微小的析晶、分相、未熔的固體夾雜物和氣泡等。在氟鋯酸鹽玻璃光纖中，常見的固體夾雜物有：LaF4、ZrF4、ZrO2等微小晶體及從坩堝浸蝕下來的鉑顆粒等。氟化物在高溫下容易與水汽反應(yīng)形成難溶的氧化物或氟氧化物，使現(xiàn)有氟化物玻璃光纖中非本征散射損耗比石英光纖大得多，已成為阻礙氟化物玻璃光纖損耗進(jìn)一步下降的主要原因。2023/12/14②折射率和色散

氟化物玻璃的折射率介于1.3~1.6之間，并可隨玻璃的化學(xué)組成進(jìn)行調(diào)整。

氟化物玻璃是無機(jī)玻璃中折射率最低、色散最小的玻璃。典型的氟鋯酸鹽玻璃的零色散波長位于1.6μm附近，低于其最低損耗波長約1μm，但在此波段內(nèi)，材料色散變化小，因此在其最低損耗波長仍可獲得較小的色散。2023/12/145、應(yīng)用（1）超低損耗通信光纖氟化物玻璃光纖的理論損耗低，為10-2

~10-3dB／km

，較石英光纖低1—2數(shù)量級。因此氟化物玻璃光纖被認(rèn)為是實現(xiàn)超長距離無中繼光通信最有希望的光纖。（2）高功率激光傳輸

氟化物玻璃光纖在許多高功率激光器的輸出波段有較低的損耗，撓屈性也良好。這就使氟化物玻璃光纖成為傳輸紅外波段高能激光較理想的介質(zhì)。2023/12/14

目前已用這些光纖和相應(yīng)的激光器制成各種各樣的樣機(jī)，在顯微外科，內(nèi)科診斷和工業(yè)材料加工等方面進(jìn)行試用。

（3）光纖傳感器

許多工業(yè)廢氣如CO、CO2

、SO2及CH4等和有機(jī)液體在中紅外波段均有較強(qiáng)的吸收帶，利用帶氟化物玻璃光纖的傅里葉轉(zhuǎn)換紅外光譜儀，可對這些氣體和液體的濃度進(jìn)行遠(yuǎn)距離的檢測。2023/12/14第三節(jié)信息存儲材料

定義：是指用于各種存儲器的一些能夠用來記錄和存儲信息的材料。

存儲機(jī)理：材料在一定強(qiáng)度的外場（如光、電、磁或熱等）作用下會發(fā)生從某種狀態(tài)到另一種狀態(tài)的突變，并能在變化后的狀態(tài)保持比較長的時間，而且材料的某些物理性質(zhì)在狀態(tài)變化前后有很大的差別。因此，通過測量存儲材料狀態(tài)變化前后的這些物理性質(zhì)，數(shù)字存儲系統(tǒng)就能區(qū)別材料的這兩種狀態(tài)并用“0”和“1”來表示它們，從而實現(xiàn)存儲。

2023/12/14

如果存儲材料在一定強(qiáng)度的外場作用下，能快速從變化后的狀態(tài)返回原先的狀態(tài)，那么這種存儲就是可逆的。2023/12/14

信息存儲材料的種類很多，主要有：

半導(dǎo)體存儲器材料磁存儲材料無機(jī)光盤存儲材料有機(jī)光盤存儲材料超高密度光存儲材料鐵電存儲材料

多鐵性材料

巨磁阻材料2023/12/14無機(jī)光盤存儲材料

發(fā)展歷程：

1972年

荷蘭飛利浦公司率先提出了一種利用激光束讀取信息的新型存儲媒體，它就是后來音樂愛好者所熟悉的稱為激光反射式視盤（LD），盤徑為300mm。

特點：模擬信號2023/12/14

1982年隨著數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)水平的提高，荷蘭飛利浦公司和日本索尼聯(lián)合推出了又一種稱為縮微光盤（CD）的數(shù)字化新型光盤，從而開創(chuàng)了激光數(shù)字光盤的新紀(jì)元。

光盤尺寸：直徑120mm，厚度1.2mm

光盤材料：聚碳酸酯為基材

光源：紅外半導(dǎo)體激光器

單面存儲容量：650MB2023/12/14

20世紀(jì)90年代隨著數(shù)字壓縮技術(shù)和編碼技術(shù)的提高，出現(xiàn)了單面存儲容量約為CD家族光盤7倍的DVD光盤。

尺寸：與CD相同，但由兩塊厚度為0.6mm的盤基粘合而成的。

LDDVD2023/12/14目前正在推廣更高存儲密度的光盤是以GaN藍(lán)光半導(dǎo)體激光器為光源的高密度DVD光盤，（單面單層容量為25GB）。2009年01月21日08:59:11來源：新聞晨報國內(nèi)首條雙面藍(lán)光光盤復(fù)制生產(chǎn)線昨在上海松江工業(yè)開發(fā)區(qū)建成投產(chǎn)，這也是目前世界上單線產(chǎn)能最高的藍(lán)光光盤復(fù)制生產(chǎn)線。目前每張藍(lán)光光盤價格約為175-230元，藍(lán)光光盤何時能與DVD價格接近？生產(chǎn)商昨天未給出一