1、第7章 光纖和光纖技術(shù),7.4 突變光纖的光線理論分析,7.3 光纖的制作技術(shù),7.1 光纖產(chǎn)生和應(yīng)用,7.2 光纖的種類和結(jié)構(gòu),長春理工大學(xué),7.8 光纖傳感技術(shù),7.7 光纖的色散,7.9 光纖通信技術(shù),7.5 漸變光纖的光線理論分析,7.6 光纖的損耗,長春理工大學(xué),第7章 光纖和光纖技術(shù),7.1 光纖產(chǎn)生和應(yīng)用,7.1.1光纖初始階段,7.1.2光纖實(shí)用階段,光纖是光導(dǎo)纖維的簡稱，是目前應(yīng)用最廣泛的光波導(dǎo)。它是利用全反射的原理將光波的能量約束在界面內(nèi)，并引導(dǎo)光波沿著光纖的軸線方向前進(jìn)。,長春理工大學(xué),長春理工大學(xué),第7章 光纖和光纖技術(shù),7.1.1光纖初始階段,1854年，英國的廷達(dá)爾

2、(Tyndall)就觀察到光在水與空氣分界面上作全反射以致光隨水流而彎曲的現(xiàn)象。 1870年的一天，他到皇家學(xué)會的演講廳講光的全反射原理，演示放光的水從水桶的小孔里流了出來，水流彎曲，光線也跟著彎曲，光居然被彎彎曲曲的水俘獲了。 1929-1930年，美國的哈納爾(Hanael)和德國的拉姆(Lamm)先后拉制出石英細(xì)絲并用于光線和圖象的短距離傳輸。,長春理工大學(xué),長春理工大學(xué),第7章 光纖和光纖技術(shù),20世紀(jì)60年代，最好的玻璃纖維的衰減損耗仍在每公里1000分貝以上。,1970年，美國康寧玻璃公司的三名科研人員馬瑞爾、卡普隆、凱克成功地制成了傳輸損耗每千米只有20分貝的光纖，這是世界上第一

3、根低損耗的石英光纖。,1966年7月，高錕在PIEE 雜志上就光纖傳輸?shù)那熬鞍l(fā)表了具有重大歷史意義的論文光頻率的介質(zhì)纖維表面波導(dǎo),長春理工大學(xué),長春理工大學(xué),第7章 光纖和光纖技術(shù),1974年美國貝爾研究所發(fā)明了低損耗光纖制作法CVD法（汽相沉積法），使光纖損耗降低到每千米1分貝。,1977年，貝爾研究所和日本電報(bào)電話公司幾乎同時(shí)研制成功壽命達(dá)100萬小時(shí)的半導(dǎo)體激光器，從而有了真正實(shí)用的激光器 。,7.1.2光纖實(shí)用階段,長春理工大學(xué),長春理工大學(xué),第7章 光纖和光纖技術(shù),1977年，世界上第一條光纖通信系統(tǒng)在美國芝加哥市投入商用，速率為45Mbs。 70年代的光纖通信系統(tǒng)主要是用多模光纖，

4、應(yīng)用光纖的短波長（850納米）波段， 80年代以后逐漸改用長波長（1310納米），光纖逐漸采用單模光纖， 90年代初，通信容量擴(kuò)大了50倍，達(dá)到2.5Gbs。 90年代以后，傳輸波長又從1310納米轉(zhuǎn)向更長的1550納米波長，并且開始使用光纖放大器、波分復(fù)用（WDM）技術(shù)等新技術(shù)。,長春理工大學(xué),長春理工大學(xué),第7章 光纖和光纖技術(shù),要點(diǎn)與習(xí)題,光纖發(fā)展歷程？,光纖的作用？,光纖傳光原理？,長春理工大學(xué),長春理工大學(xué),第7章 光纖和光纖技術(shù),第7章 光纖和光纖技術(shù),7.4 突變光纖的光線理論分析,7.3 光纖的制作技術(shù),7.1 光纖產(chǎn)生和應(yīng)用,7.2 光纖的種類和結(jié)構(gòu),長春理工大學(xué),長春理工大

5、學(xué),第7章 光纖和光纖技術(shù),7.2 光纖的種類和結(jié)構(gòu),7.2.1光纖的種類,7.2.2 光纖的結(jié)構(gòu),長春理工大學(xué),第7章 光纖和光纖技術(shù),通常光纖的分類可以從工作波長、折射率分布、傳輸模式和制作材料上進(jìn)行歸納。,7.2.1光纖的種類,按照制造光纖所用的材料分：石英系光纖、多組分玻璃光纖、塑料包層石英芯光纖、全塑料光纖和氟化物光纖。 按光在光纖中的傳輸模式分：單模光纖和多模光纖。 按折射率分布情況分：階躍型和漸變型光纖。,長春理工大學(xué),第7章 光纖和光纖技術(shù),1、工作波長,按照工作波長光纖可分為紫外光纖、可見光纖和紅外光纖。,2、折射率分布,按照折射率分布光纖可分為階躍型和漸變型。,階躍型光纖纖

6、芯的折射率和包層的折射率都是一個(gè)常數(shù)。,漸變型光纖纖芯的折射率隨著半徑的增加按一定規(guī)律減小, 在纖芯與包層交界處減小為包層的折射率。,長春理工大學(xué),第7章 光纖和光纖技術(shù),3、傳輸模式,按照傳輸模式光纖可分為單模光纖和多模光纖。 單模光纖：中心玻璃芯較細(xì)(芯徑一般為1-10m),只能傳一種模式的光。 多模光纖：中心玻璃芯較粗(芯徑一般為50-100m)，可傳多種模式的光。,4、制作材料,按照制作材料可分為石英光纖、復(fù)合光纖（多成分玻璃光纖）、氟化物光纖和塑料光纖等。,長春理工大學(xué),第7章 光纖和光纖技術(shù),石英光纖是以二氧化硅（SiO2）為主要原料，并按不同的摻雜量來控制纖芯和包層的折射率分布的

7、光纖。,纖芯一般為SiO2+GeO2,增大折射率:,包層一般為SiO2+B2O3,降低折射率:,纖芯和包層一般均加P2O5,降低熔融溫度:,長春理工大學(xué),第7章 光纖和光纖技術(shù),復(fù)合光纖（Compound Fiber）是在SiO2原料中再適當(dāng)混合諸如氧化鈉（Na2O）、氧化硼（B2O2）、氧化鉀（K2O2）等氧化物的多成分玻璃做成的光纖，特點(diǎn)是多成分玻璃比石英的軟化點(diǎn)低，并且纖芯與包層的折射率差很大。主要用在醫(yī)療業(yè)務(wù)的光纖內(nèi)窺鏡。,氟化物光纖（Fluoride Fiber）是由做氟化物玻璃成的光纖。這種光纖原料又簡稱 ZBLAN，由于它具有制作超低損耗光纖的可能性，人們正在進(jìn)行著用于長距離通信

8、光纖的可行性開發(fā)。,長春理工大學(xué),第7章 光纖和光纖技術(shù),塑包光纖（Plastic Clad Fiber）是將高純度的石英玻璃作成纖芯，而將折射率比石英稍低的硅膠等塑料作為包層的階躍型光纖。它與石英光纖相比較，具有纖芯粗、數(shù)值孔徑（NA）高的特點(diǎn)。因此，易與發(fā)光二極管LED光源結(jié)合，損耗也較小。所以，非常適用于局域網(wǎng)（LAN）和近距離通信。,塑料光纖（Plastic Optical fiber）是將纖芯和包層都用塑料（聚合物）做成的光纖。早期產(chǎn)品主要用于裝飾和導(dǎo)光照明及近距離光鏈路的光通信中。最近，在汽車內(nèi)部LAN中應(yīng)用較快，未來在家庭LAN中也可能得到應(yīng)用。,長春理工大學(xué),第7章 光纖和光纖

9、技術(shù),7.2.2 光纖的結(jié)構(gòu),光纖的典型結(jié)構(gòu)是一種細(xì)長多層同軸圓柱形實(shí)體復(fù)合纖維。自內(nèi)向外分別稱為纖芯（芯層）、包層和涂覆層（被覆層），如圖7.1所示。,長春理工大學(xué),第7章 光纖和光纖技術(shù),核心部分為纖芯和包層，二者共同構(gòu)成介質(zhì)光波導(dǎo)，形成對光信號的傳導(dǎo)和約束，實(shí)現(xiàn)光的傳輸。 涂覆層又稱被覆層，是一層高分子涂層，主要對裸光纖提供機(jī)械保護(hù)，因裸光纖的主要成分為二氧化硅，它是一種脆性易碎材料，抗彎曲性能差，韌性差，為提高光纖的微彎性能，涂覆一層高分子涂層。 如將若干根這樣的裸光纖集束成一捆，相互間極易產(chǎn)生磨損，導(dǎo)致光纖表面損傷而影響光纖的傳輸性能。為防止這種損傷采取的有效措施就是在裸光纖表面涂一

10、層高分子。,長春理工大學(xué),第7章 光纖和光纖技術(shù),要點(diǎn)與習(xí)題,光纖的種類？,光纖的結(jié)構(gòu)？,光纖傳光原理？,長春理工大學(xué),第7章 光纖和光纖技術(shù),第7章 光纖和光纖技術(shù),7.4 突變光纖的光線理論分析,7.3 光纖的制作技術(shù),7.1 光纖產(chǎn)生和應(yīng)用,7.2 光纖的種類和結(jié)構(gòu),長春理工大學(xué),第7章 光纖和光纖技術(shù),7.3 光纖的制作技術(shù),7.3.1 光纖材料,7.3.2 光纖預(yù)制棒制備,7.3.3 光纖拉絲,7.3.4 光纖涂覆,長春理工大學(xué),第7章 光纖和光纖技術(shù),7.3.1 光纖材料,制備SiO2 石英系光纖的主要原料多數(shù)采用一些高純度的液態(tài)鹵化物化學(xué)試劑，如四氯化硅（SiCl4）, 四氯化鍺

11、（GeCl4），三氯氧磷（POCl3）, 三氯化硼（BCl3）, 三氯化鋁（AlCl3）等。,長春理工大學(xué),第7章 光纖和光纖技術(shù),以SiCl4 為例，它的水解化學(xué)反應(yīng)式如下：,SiCl4+2H2O4HCl+SiO2,(7.3-1),SiCl4+4H2OH4SiO4+4HCl,(7.3-2),長春理工大學(xué),第7章 光纖和光纖技術(shù),SiCl4 的制備可采用多種方法，最常用的方法是采用工業(yè)硅在高溫下氯化制得粗SiCl4，化學(xué)反應(yīng)如下：,Si+2Cl2SiCl4,(7.3-3),該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，反應(yīng)爐內(nèi)溫度隨著反應(yīng)加劇而升高，所以要控制氯氣流量，防止反應(yīng)溫度過高，生成Si2Cl6 和Si3Cl8。

12、反應(yīng)生成的SiCl4 蒸氣流入冷凝器，這樣制得SiCl4 液體原料。,長春理工大學(xué),第7章 光纖和光纖技術(shù),在制備SiO2 光纖時(shí)，除需要SiCl4 鹵化物試劑外，還需要一些高純度的摻雜劑和某些有助反應(yīng)的輔助試劑或氣體。在沉積包層時(shí)，需摻入少量的低折射率的摻雜劑。如B2O3，F(xiàn)，SiF4 等；在沉積芯層時(shí)，需要摻雜少量的高折射率的摻雜劑，如GeO2、P2O5、TiO2、ZrO2、Al2O3 等。如采用四氯化鍺與純氧氣反應(yīng)得到高摻雜物質(zhì)GeO2，而利用氟里昂與SiCl4 加純O2反應(yīng)得到低摻雜物質(zhì)SiF4 等。,長春理工大學(xué),第7章 光纖和光纖技術(shù),光纖預(yù)制棒是控制光纖折射率分布的原始棒體材料，

13、其結(jié)構(gòu)為多層圓柱體，它的內(nèi)層為高折射率的纖芯層，外層為低折射率的包層，它應(yīng)具有符合要求的折射率分布形式和幾何尺寸。,7.3.2 光纖預(yù)制棒制備,長春理工大學(xué),第7章 光纖和光纖技術(shù),美國康寧公司在1974 年開發(fā)成功，1980 年全面投入使用的管外氣相沉積法，簡稱OVD法；美國阿爾卡特公司在1974 年開發(fā)的管內(nèi)化學(xué)氣相沉積法，簡稱MCVD 法,1、光纖預(yù)制棒的制造工藝,日本NTT 公司在1977 年開發(fā)的軸向氣相沉積法，簡稱VAD 法；荷蘭菲利浦公司開發(fā)的微波等離子體化學(xué)氣相沉積法，簡稱PCVD 法。,近年來又開發(fā)了等離子改良的化學(xué)氣相沉積法（PMCVD）、軸向和橫向等離子化學(xué)氣相沉積法（A

14、LPD）、MCVD 大棒法、MCVD/OVD 混合法及混合氣相沉積法（HVD）等多種工藝。,長春理工大學(xué),第7章 光纖和光纖技術(shù),2、典型預(yù)制棒制作過程,長春理工大學(xué),第7章 光纖和光纖技術(shù),在內(nèi)包層沉積過程中，可以使用的低折射率摻雜劑有CF2Cl2、SF6 、C2F4、B2O3 等，其氧化原理與化學(xué)反應(yīng)方程式如下：,SiCl4O2 =SiO22Cl2,（7.3-4）,SiCl42O22CF2Cl2 =SiF42Cl2 2CO2,（7.3-5）,3SiCl42O22SF6 =3SiF43Cl2 2SO2,（7.3-6）,3O24BBr3 =2B2O36Br2,（7.3-7）,長春理工大學(xué),第7

15、章 光纖和光纖技術(shù),SiCl4 O2 =SiO22Cl2,（7.3-8）,GeCl4O2 =GeO22Cl2,（7.3-9）,2POCl34O2 =2P2O53Cl2,（7.3-10）,GeO2、P2O5,沉積在氣流下漩的內(nèi)壁上，氫氧火焰經(jīng)過的地方，就會在包皮管內(nèi)形成一層均勻透明的氧化物SiO2-GeO2（或SiO2-P2O5）沉積在內(nèi)包層SiO2-SiF4玻璃表面上。沉積芯層過程中，高溫氧化的原理與化學(xué)反應(yīng)方程式如下：,長春理工大學(xué),第7章 光纖和光纖技術(shù),7.3.3 光纖拉絲,光纖拉絲是指將制備好的光纖預(yù)制棒，利用某種加熱設(shè)備加熱熔融后拉制成直徑符合要求的細(xì)小光纖纖維，并保證光纖的芯、包層

16、直徑比和折射率分布形式不變的工藝操作過程。,在拉絲操作過程中，最重要的技術(shù)是如何保證不使光纖表面受到損傷并正確控制芯、包層外徑尺寸及折射率分布形式。,在工藝上，拉絲與一次涂覆是相互獨(dú)立的兩個(gè)工藝步驟，而在實(shí)際生產(chǎn)中，拉絲與一次涂覆是在一條生產(chǎn)線上一次完成的，如圖7.3所示。,長春理工大學(xué),第7章 光纖和光纖技術(shù),1、拉絲方法,長春理工大學(xué),第7章 光纖和光纖技術(shù),光纖預(yù)制棒的拉絲機(jī)由五個(gè)基本部分構(gòu)成：,1）光纖預(yù)制棒饋送系統(tǒng),2）加熱系統(tǒng),3）拉絲機(jī)構(gòu),4）各參數(shù)控制系統(tǒng),5）冷卻和纏繞系統(tǒng),2、拉絲過程,具體的機(jī)械和電氣設(shè)備與系統(tǒng)包括：,機(jī)械系統(tǒng)拉絲塔架、電氣部分送棒控制及調(diào)心控制系統(tǒng)、加熱

17、爐控制系統(tǒng)、外徑測控系統(tǒng)、牽引控制系統(tǒng)、冷卻及保護(hù)控制系統(tǒng)、人機(jī)界面、PLC 信號處理系統(tǒng)等。,長春理工大學(xué),第7章 光纖和光纖技術(shù),在正常狀態(tài)，若預(yù)制棒的饋送速度為V，光纖的拉絲速度為Vf，預(yù)制棒的外徑為D，裸光纖的外徑為d。根據(jù)熔化前的棒體容積等于熔化拉絲后光纖的容積的特點(diǎn)，可知，,(7.3-11),因此，光纖的外徑：,(7.3-12),長春理工大學(xué),第7章 光纖和光纖技術(shù),拉絲操作對加熱源的要求是十分苛刻的。熱源不僅要提供足以熔融石英玻璃的2000C 以上高溫，還必須在拉制區(qū)域能夠非常精確的控制溫度，因而加熱爐的設(shè)計(jì)是拉絲技術(shù)的又一關(guān)鍵技術(shù)。 常用的拉絲熱源有：氣體噴燈；各種電阻及感應(yīng)加

18、熱爐和大功率CO2 激光器。,3、加熱源,長春理工大學(xué),第7章 光纖和光纖技術(shù),光纖拉絲工藝中的直徑控制技術(shù)是關(guān)鍵。為此，在加熱爐及預(yù)制棒下端拉錐部位要求有相當(dāng)平靜的氣氛，任何氣流的攪動(dòng)都會造成光纖直徑的高頻波動(dòng)。為保證光纖直徑的精度要求，必須采取下列措施：,4、直徑控制措施,長春理工大學(xué),第7章 光纖和光纖技術(shù),首先，要求拉絲塔的底座應(yīng)與周圍建筑物的地基 隔離，單獨(dú)設(shè)置地基，以防止廠房周圍車輛、機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生影響，引起拉制的光纖直徑波動(dòng)；,第二要求預(yù)制棒的拉絲牽引輪的速度要非常均勻平穩(wěn)；牽引輪，收線盤，電機(jī)的傳動(dòng)部分不能出現(xiàn)任何的偏心，否則都會導(dǎo)致光纖直徑的變化；,長春理工大學(xué),第7章 光纖和光纖技術(shù),第三光纖直徑要有