信息传输材料与器件

信息传输材料与器件第一页，共一百零五页，2022年，8月28日

光纤材料其它通信材料第二页，共一百零五页，2022年，8月28日光导纤维材料

光导纤维是指能导光的纤维，通常由折射率高的纤芯及折射率低的包层组成，这两部分对传输的光具有极高的透过率。目前应用的光纤是以SiO2为主要原料的纤维，其纤芯芯径为数µm到数百µm。光线进入光纤在纤芯与包层的界面发生多次全反射，将载带的信息从一端传到另一端，从而实现光纤通信。第三页，共一百零五页，2022年，8月28日

1870年，英国科学家丁达尔做了一个有趣的实验：让一股水流从玻璃容器的侧壁细口自由流出，以一束细光束沿水平方向从开口处的正对面射入水中。丁达尔发现，细光束不是穿出这股水流射向空气，而是顺从地沿着水流弯弯曲曲地传播。这是光的全反射造成的结果。第四页，共一百零五页，2022年，8月28日1966年，英籍华人高昆(K．C．Kao)提出低损耗光导纤维的概念。尽管他们所试验的光纤损耗高达1000dB／km，但他们指出如采用石英玻璃等作介质，可使其损耗降低到20dB／km。（光纤的损耗:损耗指光信号功率传输每单位长度衰减的程度,用分贝/公里(dB/km)表示）1.光纤的发展历程第五页，共一百零五页，2022年，8月28日1970年，美国康宁公司首次研制成功损耗为

20dB/km的石英光纤，它是一种理想的传输介质。同年，贝尔实验室研制成功室温下连续振荡的半导体激光器(LD)。从此，开始了光纤通信迅速发展的时代，因此人们把1970年称为光纤通信的元年。第六页，共一百零五页，2022年，8月28日1974年，贝尔实验室发明了制造低损耗光纤的方法，称作“改进的汽相沉积法(MCVD

)”，光纤损耗下降到

1dB/km。

1976年，日本电报电话公司研制出更低损耗光纤，损耗下降到

0.5dB/km

。

1976年，美国在亚特兰大成功地进行了

44.7Mbit/s的光纤通信系统试验。日本电报电话公司开始了

64km、32Mbit/s突变折射率光纤系统的室内试验，并研制成功

1.3微米波长的半导体激光器。第七页，共一百零五页，2022年，8月28日1979年，日本电报电话公司研制出

0.2dB/km的极低损耗石英光纤（1.5微米）。

1984年，实现了中继距离50km、速率为

1.7Gbit/s的实用化光纤传输系统。

1990年，使用了

1.55微米长波长单模光纤传输系统，实现了中继距离超过

100km、

速率为

2.4Gb/s的光纤传输。第八页，共一百零五页，2022年，8月28日1996年WDM技术取得突破，贝尔实验室发展了WDM技术，美国MCI公司在1997年开通了商用的WDM线路。光纤通信系统的速率从单波长的2.5Gb/s和10Gb/s爆炸性地发展到多波长的Tb/s(1Tb/s=1000Gb/s)传输。当今实验室光系统速率已达10Tb/s，几乎是用之不尽的，所以它的前景辉煌。第九页，共一百零五页，2022年，8月28日●载频为3×1014Hz，约为电视通信所用超高频的100000倍，从而使信息载带容量或带宽激增；在理论上，光纤可以传送107路电视或1010路电话，可以把一个特大图书馆储藏的全部图书信息在短时间内全部传送完毕，其容量比金属同轴电缆大5个数量级。●传输损耗很小，每单位传输距离只需要极少的放大器或中继站。与金属导线比起来，高频率下光纤损耗低得多，它可以传输几十公里乃至上百公里不必增加中继器，而金属同轴电缆没有中继器只能传输几公里。2.优点第十页，共一百零五页，2022年，8月28日●光纤是绝缘体，不受邻近其它系统和其它物体产生杂散电场的影响。因此不受干扰，基本上能防范电子间谍。●

尺寸小、重量轻，有利于铺设和运输。光纤的芯径仅为单管同轴电缆的百分之一。8芯光缆直径约10mm，而标准同轴电缆为47mm。这样可以解决地下管网由于通信电缆太多而造成的拥挤问题。●光纤材料主要是石英(SiO2)，它在地球上非常丰富。第十一页，共一百零五页，2022年，8月28日缺点质地脆,机械强度低光纤切断和接续需要一定的工具,设备和技术分路,耦合不灵活光纤，光缆弯曲半径不能过小(>20CM)在偏僻地区存在有供电困难问题第十二页，共一百零五页，2022年，8月28日纤芯包层保护套3.光纤的结构纤芯core：折射率较高，用来传送光；包层coating：折射率较低，与纤芯一起形成全反射条件；保护套jacket：强度大，能承受较大冲击，保护光纤。第十三页，共一百零五页，2022年，8月28日

纤芯的作用是传导光波，包层的作用是将光波封闭在光纤中传播。为了达到这一目的，需保证纤芯材料的折射率n1大于包层材料的折射率n2。目前通信应用的光纤主要是石英玻璃光纤。其纤芯由掺有折射率比石英高的杂质的石英材料作成，而包层则往往在石英中掺入比石英折射率低的杂质。刚拉制出来的光纤就像普通玻璃丝一样是很脆弱的。为了保护光纤，提高其机械强度，作为产品提供的光纤都在刚拉制后经过一道套塑工序，在其外表涂覆上一层甚至几层塑料层。通常光纤的套塑方式有松套和紧套两种。涂覆可以提高光纤的抗拉强度，同时改善其抗水性能。第十四页，共一百零五页，2022年，8月28日第十五页，共一百零五页，2022年，8月28日4.结构参数4.1光纤尺寸125105012562.5125第十六页，共一百零五页，2022年，8月28日4.2数值孔径NA（NumericAperture）表征光纤集光能力的一个参数。θ接收锥1-1第十七页，共一百零五页，2022年，8月28日输入输入输出输出低数值孔径NA高数值孔径NANANA数值孔径越大，光纤的集光能力就越强，能够进入光纤的光通量就越多NA越大，纤芯对光能量的束缚越强，光纤抗弯曲性能越好;但NA越大，经光纤传输后产生的信号畸变越大，因而限制了信息传输容量。所以要根据实际使用场合，选择适当的NA。第十八页，共一百零五页，2022年，8月28日4.3相对折射率差Δ表征纤芯和包层之间折射率差值的一个参数，其大小直接影响光纤的性能。表达式：通常情况下，纤芯和包层相对折射率差很小，Δ在0.001~0.01之间取值（Δ«1的情况称为弱波导）。1-2第十九页，共一百零五页，2022年，8月28日对于弱导光纤：1-31-4第二十页，共一百零五页，2022年，8月28日4.4折射率分布第二十一页，共一百零五页，2022年，8月28日阶跃光纤：纤芯折射率为常数渐变光纤：纤芯径向折射率呈渐变型分布渐变型光纤折射率分布可表示为：1-5n1为纤芯轴线处（r=0）折射率；r为纤芯内任意一点到芯轴的距离；a为光纤纤芯半径；Δ为相对折射率差；为折射率分布指数，通常分布曲线为抛物线（=2）第二十二页，共一百零五页，2022年，8月28日4.5归一化频率V表征光纤中所能传输的模式数目多少的一个特征参数表达式：1-6λ0为光波波长V≤2.405时，光纤中传输单一模式，称为单模光纤第二十三页，共一百零五页，2022年，8月28日4.6截止波长λc截止波长是单模光纤所特有的一个参数，通常用它可判断光纤中是否单模传输。与Vc=2.405相对应的波长λc定义为光纤的截止波长。1-7单模传输时，光纤的工作波长应大于截止波长，这样才能保证满足光纤的单模传输条件。第二十四页，共一百零五页，2022年，8月28日5.传输原理光纤中光波的传输原理-全反射原理n2当n1>n2

θ1>θc时发生全反射θc：临界角入射光反射光折射光折射率n1折射率n1>n2θ1第二十五页，共一百零五页，2022年，8月28日n1n2空气ABθMAX只要满足全内反射条件连续改变入射角的任何光线都能在光纤纤芯内传输。第二十六页，共一百零五页，2022年，8月28日光子晶体波导示意图第二十七页，共一百零五页，2022年，8月28日6.光纤的传输特性光纤特性有光学特性，传输特性，机械特性，温度特性等，其中传输特性有两个损耗特性损耗限制系统的传输距离色散特性色散则限制系统的传输容量和传输距离

信号畸变的主要原因是光纤中存在色散第二十八页，共一百零五页，2022年，8月28日6.1光纤色散(Dispersion)色散：光纤中的光信号由不同成分（如不同模式、不同频率）组成，在传输过程中，各种频率成分或各种模式成分的传播速度不同，引起信号脉冲展宽、波形失真的物理现象。光纤数字通信传输的是一系列脉冲码，脉冲展宽导致了脉冲与脉冲相重叠现象，即产生了码间干扰，从而形成传输码的失误，造成差错。为避免误码出现，就要拉长脉冲间距，导致传输速率降低，从而减少了通信容量。另一方面，光纤脉冲的展宽程度随着传输距离的增长而越来越严重。因此，为了避免误码，光纤的传输距离也要缩短。第二十九页，共一百零五页，2022年，8月28日色散的种类

模式色散又称模间色散材料色散波导色散极化色散模式色散只存在于多模光纤中。每一种模式到达光纤终端的时间先后不同，造成了脉冲的展宽，从而出现色散现象。单模光纤中只传输基模（HE11模），单模光纤中不存在模式色散。第三十页，共一百零五页，2022年，8月28日阶跃光纤的模式色散不同入射角的光线时延差

如n1＝1.5，＝0.01，L＝1km，＝50ns模式色散第三十一页，共一百零五页，2022年，8月28日影响模式色散造成的时延差的因素有两个：

芯－包层相对折射率差光纤的长度时延差与纤芯－包层相对折射率差成正比。越大，时延差就会越大，光脉冲展宽也越大。从减小光纤时延差的观点上看，希望小为好，这种小的光纤称为弱导光纤。通信用光纤都是弱导光纤。光纤越长，时延差也越大，模式色散也越大。第三十二页，共一百零五页，2022年，8月28日

材料色散

严格来说，对不同的传输波长石英的折射率有不同的值。这是光纤材料自身特性造成的。光纤通信用的光源，并不是只有理想的单一波长，而是有一定的波谱宽度。光的波长不同，折射率n不同，光传输的速度也就不同。因此，当把具有一定光谱宽度的光源发出的光脉冲射入光纤内传输时，光的传输速度将随光波长的不同而改变，到达终端时将产生时延差，从而引起脉冲波形展宽。材料色散和波导色散是由于光信号不是单一频率所引起。所以统称为波长色散，又称色度色散。第三十三页，共一百零五页，2022年，8月28日材料色散用表示为光源的谱线宽度，即光功率下降到峰值功率一半时所对应的波长范围L为光纤传播的长度Dm（λ）为材料色散系数例如：一光纤材料色散系数为3.5ps/(nm·km)，光谱的谱线宽度为4nm，在光纤上传输1km，则材料色散为1-8第三十四页，共一百零五页，2022年，8月28日

波导色散

由于光纤的纤芯与包层的折射率差很小，因此在交界面产生全反射时，就可能有一部分光进入包层之内。这部分光在包层内传输一定距离后，又可能回到纤芯中继续传输。

进入包层内的这部分光强的大小与光波长有关，这就相当于光传输路径长度随光波波长的不同而异。把有一定波谱宽度的光源发出的光脉冲射入光纤后，由于不同波长的光传输路径不完全相同，所以到达终点的时间也不相同，从而出现脉冲展宽。具体来说，入射光的波长越长，进入包层中的光强比例就越大，这部分光走过的距离就越长。这种色散是由光纤中的光波导引起的，由此产生的脉冲展宽现象叫做波导色散。第三十五页，共一百零五页，2022年，8月28日波导色散系数用表示波导色散又称结构色散，因为V和b都是光纤结构参数的函数纤芯越小，相对折射率差越大，波导色散也越小。1-9第三十六页，共一百零五页，2022年，8月28日第三十七页，共一百零五页，2022年，8月28日波导色散的大小和材料色散同一量级。SiO2在1.29m附近材料色散系数有个零值点，大于该波长，材料色散系数为正值。而在大于1.29m波长区域，波导色散为负值。阶跃单模光纤的色散特性材料色散总色散波导色散1.31m第三十八页，共一百零五页，2022年，8月28日改变光纤的折射率分布和剖面结构参数，可以改变波导色散的值，从而在所希望的波长上实现材料色散和波导色散的代数和为零。第三十九页，共一百零五页，2022年，8月28日三种光纤色散情况比较第四十页，共一百零五页，2022年，8月28日极化色散极化色散又称偏振模色散（PolarizationModeDispersion,简称PMD）单模光纤的基模实际上是由两个偏振方向相互正交的模场HE11x和HE11y所组成。这两种模式在理想的圆柱形对称结构的光纤中，具有相同的传播常数，不存在时延差——模式简并。第四十一页，共一百零五页，2022年，8月28日若单模光纤存在着不圆度、微弯力、应力等，会使HE11x和HE11y两种模式的传播常数不同，这种现象称为模式双折射。由于双折射，两模式存在时延差，从而会在光纤的输出端产生偏振色散。对长度为L的光纤，两个模式的时延差为nx和ny分别为x和y方向的折射率1-10第四十二页，共一百零五页，2022年，8月28日四种色散的比较一般来说，光纤四种色散的大小顺序是：模式色散>材料色散>波导色散>极化色散由于极化色散很小，一般忽略不计对于多模光纤，总色散等于前三者相加，起主导作用的是模式色散，其他两个色散影响很小。对于单模光纤，因只有一个传输模式，故不存在模式色散，其总色散为材料色散和波导色散之和。第四十三页，共一百零五页，2022年，8月28日对光纤用户来说，一般只关心光纤的总色散。光纤光缆在出厂时，也只标明光纤的总色散。光纤总色散多模光纤：单模光纤：为减小总的波长色散，要尽量选用窄谱线激光器作光源。LED、LD以及动态单频激光器（如DFB）的谱宽依次变窄，色散明显地减小。

第四十四页，共一百零五页，2022年，8月28日

6.2光纤损耗

损耗的存在光信号幅度减小限制系统的传输距离。光纤内传输的光功率P随距离z的变化，可以用下式表示习惯上的单位用dB/km，损耗系数

设长度为L(km)的光纤，输入光功率为Pi，输出光功率为Po式中，是损耗系数（或称衰减系数）。1-111-121-13第四十五页，共一百零五页，2022年，8月28日损耗的机理ìììïíïîïïïïíìïíïïîïïïïíîïìïíïîïìïíïïîî紫外吸收（电子跃迁）本征吸收红外吸收（分子振动）吸收损耗氢氧根吸收杂质吸收过渡金属离子吸收光纤损耗原子缺陷吸收瑞利散射损耗（折射率微观起伏）散射损耗结构不完善引起的散射损耗光纤弯曲损耗弯曲损耗光纤微弯损耗连接损耗耦合损耗第四十六页，共一百零五页，2022年，8月28日吸收损耗物质的吸收作用将传输的光能变成热能，从而造成光功率的损失。吸收损耗包括：

本征吸收杂质吸收原子缺陷吸收光纤材料的固有吸收叫做本征吸收。对于石英(SiO2)材料，本征吸收在红外区域和紫外区域。第四十七页，共一百零五页，2022年，8月28日红外吸收是分子振动引起的，对2μm以上的光波表现得特别强烈，石英系光纤的工作波长不能大于2μm。石英光纤在1.85μm波长的理论极限损耗为ldB／km。红外吸收对光纤通信波段影响不大。对于短波长不引起损耗，对于长波长光纤引起的损耗小于1dB/km。紫外区由电子跃迁引起，中心波长在0.16μm附近，尾部拖到lμm左右，已延伸到光纤通信波段(即0.8μm～1.7μm的波段)。在短波长范围内，引起的光纤损耗小于1dB／km。在长波长范围内，引起的光纤损耗小于0.1dB／km。红外吸收和紫外吸收第四十八页，共一百零五页，2022年，8月28日单模光纤损耗谱，各种损耗机理第四十九页，共一百零五页，2022年，8月28日杂质吸收光纤中含有过渡金属离子：铁、镍、铜、锰、铬、钒、铂等和水的氢氧根离子，这些杂质造成的附加吸收损耗称为杂质吸收。金属离子含量越多，造成的损耗就越大。降低光纤材料中过渡金属的含量可以使其影响减小到最小的程度。为了使由这些杂质引起的损耗小于1dB/km，必须将金属的含量减小到10-9以下。这样高纯度石英材料的生长技术已经实现。第五十页，共一百零五页，2022年，8月28日氢氧根离子吸收目前，光纤中杂质吸收主要由于水的氢氧根离子。存在三个主要的吸收峰，分别是0.95μm、1.24μm和1.38μm1.38μm波长的吸收损耗最为严重，对光纤的影响也最大。第五十一页，共一百零五页，2022年，8月28日散射损耗散射：由于介质的不均匀性使光线向四面八方散开的结果。通常情况下，散射引起光纤的损耗，因而是有害的。但是，这种现象也可以为我们所利用，因为如果我们在发送端对接收到的这部分光的强弱进行分析，可以检查出这根光纤的断点、缺陷和损耗大小。散射使光射向四面八方，其中一部分散射光沿着与光纤传播相反的方向反射回来使得一部分光能受到损失（瑞利背向散射）。第五十二页，共一百零五页，2022年，8月28日瑞利散射瑞利散射是光纤材料的本征损耗。它是由材料不均匀性所引起的。这些不均匀，象在均匀材料中加了许多小颗粒，尺寸很小，远小于波长。当光波通过时，有些光子就会受到它的散射。鉴于目前的光纤制造工艺，瑞利散射损耗是无法避免的。但是，由于瑞利散射损耗的大小与光波长的4次方成反比，所以光纤工作在长波长区时，瑞利散射损耗的影响可以大大减小。第五十三页，共一百零五页，2022年，8月28日结构不完善引起的散射损耗光纤结构不完善，如光纤中有气泡、粗细不均匀、芯-包层交界面不平滑等，光线传到这些地方时，就会有一部分光散射到各个方向，造成损耗。由射线光学理解，在正常情况下，导模光线以大于临界角入射到纤芯包层界面上并发生全反射，但在光纤结构不完善处，入射角将减小，甚至小于临界角，这样光线会退出纤芯外而造成损耗。在模式理论中，这相当于光纤边界条件的变化使光功率由波导模转入辐射模而引起，即部分模式能量被散射到包层中。这种损耗是可以想办法克服的，那就是要改善光纤制造的工艺。第五十四页，共一百零五页，2022年，8月28日光纤弯曲损耗光纤的弯曲有两种形式：

弯曲或宏弯：曲率半径比光纤的直径大得多的弯曲

微弯：微米级的弯曲宏观弯曲损耗光纤的弯曲损耗正比于：exp(-R/Rc)

（Rc为弯曲损耗临界曲率半径）对单模光纤，Rc的典型值为；如果弯曲半径R>5mm，则弯曲损耗<0.01dB/km。因此可以忽略。第五十五页，共一百零五页，2022年，8月28日微弯损耗光纤在使用过程中会由于种种原因

成缆时为了光缆卷到绕丝筒上对光纤施加的张力；对光纤进行不适当的塑料涂敷，涂敷后光纤受到较大的温度变化等等光纤侧面会受到不均匀的压力，致使光纤轴线发生周期性的微米级的弯曲。光纤的微弯会使损耗增加，因为光纤的周期性微弯也会引起光纤中传导模式和辐射模式之间光功率的反复耦合，致使传导模的部分光功率辐射到纤芯外面。为了尽量减少微弯损耗，可在光纤表面上模压一层可压缩的护套，作用于这种组合结构时，护套发生形变，但光纤基本保持平直状态。第五十六页，共一百零五页，2022年，8月28日

实用光纤的损耗谱根据以上分析和经验，光纤总损耗与波长λ的关系可以表示为=+B+CW(λ)+IR(λ)+UV(λ)式中，A为瑞利散射系数，

B为结构缺陷散射产生的损耗，

CW(λ)、IR(λ)和UV(λ)分别为杂质吸收、红外吸收和紫外吸收产生的损耗。1-14第五十七页，共一百零五页，2022年，8月28日

从多模阶跃型(SIF)、渐变型(GIF)光纤到单模(SMF)光纤，损耗依次减小。从多模SIF、GIF光纤到SMF光纤，色散依次减小(带宽依次增大)。正因为这些特性，使光纤通信从SIF、GIF光纤发展到SMF光纤，从短波长(0.85μm)“窗口”发展到长波长(1.31μm和1.55μm)“窗口”，使系统技术水平不断提高。第五十八页，共一百零五页，2022年，8月28日

光纤损耗谱(a)三种实用光纤；(b)优质单模光纤第五十九页，共一百零五页，2022年，8月28日损耗特性与光的工作波长有关，在三个工作窗口有相对小的损耗:

第一窗口光工作波长0.85μm,损耗稍大第二窗口光工作波长1.31μm,损耗中等第三窗口光工作波长1.55μm,损耗最小第六十页，共一百零五页，2022年，8月28日7.光纤的分类（1）纤芯折射率分布：均匀（或阶跃）折射率光纤非均匀（或渐变）折射率光纤（2）光纤传播的模式数量：单模光纤多模光纤（3）传输光的偏振态：非保偏光纤：不能传输偏振光保偏光纤：单偏振光纤：只能传输一种偏振模式双折射光纤：只能传输两个正交偏振模式（4）光纤的材料：高纯度熔石英光纤、多组分玻璃纤维、塑料光纤、红外光纤、液芯光纤、晶体光纤等第六十一页，共一百零五页，2022年，8月28日8、光纤材料石英光纤多组分玻璃光纤塑料光纤塑料包层光纤红外光纤第六十二页，共一百零五页，2022年，8月28日光纤的种类与材料光纤种类材料成分采用原料石英光纤芯线：SiO2GeO2P2O5

包层：SiO2B2O3SiCl4GeCl4POCl3SiCl4BCl3BBr3多组分玻璃光纤芯线：SiO2Na2OCaOGeO2

包层：SiO2Na2OCaOB2O5SiCl4NaNO3Ca(NO3)2Ge(C4H9O)4SiCl4NaNO3Ca(NO3)2BCl3石英芯线塑料包层光纤芯线；SiO2包层：有机硅SiCl4二甲基二氯硅烷塑料光纤芯线：PMMA包层：氟化聚合物聚甲基丙烯酸甲酯氟化PMMA晶体光纤Al2O3ZrO2AgBr等第六十三页，共一百零五页，2022年，8月28日石英光纤主要由SiO2构成，其特点是材料的光传输损耗低，有的波长可低到0.2dB／km，一般均小于ldB／km。

石英光纤生产原料多数为液态卤化物，如SiCl4、GeCl4、CF2Cl2（氟利昂）等。根据传播模式对折射指数断面分布的要求，可在制备预制件的过程中，加入挥发性氯化物作添加剂。用锗可提高折射率，用硼可降低折射率。新的动向是采用氟，例如加入CF4或CF2Cl2降低包层的折射率。加入磷(加POCl3)用来降低石英光纤的熔点。8.1石英光纤第六十四页，共一百零五页，2022年，8月28日8.1.1石英光纤制造普通的石英材料制成的光纤是不能用于通信的，通信光纤必须由纯度极高的材料组成。而且纤芯SiO2中需掺杂少量GeO2和P2O5，以提高折射率，使纤芯和包层的折射率略有不同。制造光纤的方法很多，目前主要有：管内CVD法，棒外CVD法，PCVD(等离子体化学汽相沉积)法和VAD(轴向汽相沉积)法。管内CVD法，又叫MCVD法(ModifiedChemicalVapourDeposition)，包层和芯层都是在一个石英管内部沉积不论用哪一种方法，都要先在高温下做成预制棒（直径1~3cm

，长30~100cm

），然后在高温炉中加温软化，拉成长丝，再进行涂覆、套塑。第六十五页，共一百零五页，2022年，8月28日光纤的制造要求每道工序都要相当精密，由计算机控制。在制造光纤的过程中，要注意：光纤原材料的纯度必须很高。必须防止杂质污染，以及气泡混入光纤。要正确控制折射率的分布；正确控制光纤的结构尺寸；尽量减小光纤表面的伤痕损害，提高光纤机械强度。第六十六页，共一百零五页，2022年，8月28日光纤制造的MCVD过程示意图第六十七页，共一百零五页，2022年，8月28日MCVD工艺流程第一步：送料用超纯氧气作为载体，将SiCl4等原料和GeCl4等掺杂试剂送入旋转的石英反应管。第二步：高温氧化生成粉尘状氧化物用高温氢氧火焰加热石英反应管外壁，管内的原料和掺杂剂在高温下发生氧化还原反应，形成粉末状氧化物，分别形成包层和芯层材料。第三步：往复运动氢氧焰加热反应后的粉末状氧化物经过往复移动的氢氧焰加热，形成透明的掺杂玻璃；火焰移动一次，就沉积一层厚度约为8~10μm的玻璃层，没反应完的材料从反应管尾端排出。第六十八页，共一百零五页，2022年，8月28日第二与第三步是交叉进行。

先在反应管内壁沉积、再通过往复移动的氢氧焰加热使氧化物粉末变成透明的掺杂玻璃（SiO2-B2O3），即形成包层玻璃。

后在包层玻璃上沉积、再通过往复移动的氢氧焰加热使氧化物粉末变成透明的掺杂玻璃（SiO2-GeO3），即在包层上形成芯层玻璃。

第四步，停料并高温软化

经过数小时的沉积后，石英反应管已沉积了相当厚度的玻璃层，初步形成玻璃棒体，只是中心还留下一个小孔。这时停止供料，然后，提高火焰温度到1800摄氏度左右加热石英管外壁，导致反应管在高温下软化收缩，使中心孔封闭，形成实心棒，即光纤预制棒。第六十九页，共一百零五页，2022年，8月28日包层反应方程式如下：

高温氧化SiCl4+O2————>SiO2+2Cl2

高温氧化4BCl3+3O2————>2B2O3+6Cl2

高温氧化4BBr3+3O2————>2B2O3+6Br2

生成：SiO2

--B2O3

芯层反应方程式：

高温氧化

SiCl4+O2————>SiO2+2Cl2

高温氧化

GeCl4+O2————>GeO2+2Cl2

高温氧化

4POCl3+3O2————>2P2O5+6Cl2

生成：SiO2--GeO2第七十页，共一百零五页，2022年，8月28日完成四步后的光纤预制棒有三层：

1、中心为光纤芯层玻璃

2、紧接芯层的是沉积的包层

3、最外面一层的石英管壁玻璃，即光纤的保护层。

保护层不起导光作用，但其几何尺寸与内在杂质含量直接影响光纤的机械强度和传输性能，所以，必须选取质量好的石英反应管。第七十一页，共一百零五页，2022年，8月28日MCVD法的特点MCVD特点是在石英反应管(也称衬底管)内沉积包层和芯层的玻璃，整个系统是处于封闭的超纯状态下，所以用这种方法制得的预制棒可以生产高质量的单模和多模光纤。

我国的光纤生产一般使用这种方法，利用MCVD法制备的多模光纤损耗可稳定在2~4dB/Km，单模光纤损耗可达到0.2~0.4dB/Km，且具有很好的重复性。第七十二页，共一百零五页，2022年，8月28日本征吸收来自石英玻璃中电子跃迁和分子振动产生的吸收。对于高纯度、均匀的石英玻璃，在可见和红外区域的本征损失很小。但是，一些外来的元素产生了重要的杂质吸收。除金属杂质外，OH-离子是另一个极重要的杂质。为了降低O-H基的吸收损耗，原材料的脱水技术十分重要。实验证明，在纯熔融石英中，要想得到4dB/km(0.85μm)的损耗，杂质的质量比应是：要想得到0.5dB/km以下的损耗，OH-的质量比要降低到百分之几ppm。ppm(partpermillion)的定义：百万分之一。8.1.2石英光纤的损耗特性第七十三页，共一百零五页，2022年，8月28日石英光纤的总损耗谱特性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损耗(dB/km)水峰值654321普通单模石英光纤损耗：0.35dB/km(1.3μm)0.2dB/km(1.55μm)第七十四页，共一百零五页，2022年，8月28日8.1.2石英光纤的色散特性现代光通信基本上都使用单模光纤，而单模光纤中无多模色散，主要是材料色散和波导色散。单模光纤的总色散：1-15第七十五页，共一百零五页，2022年，8月28日普通光纤：1310nm色散位移光纤：1550nm非零色散位移光纤：1530nm零色散波长第七十六页，共一百零五页，2022年，8月28日

石英光纤在1.3至1.5µm的区域内具有最低的损耗和色散，损耗已降低到0.15dB/km(1.55µm)，接近于0.1dB/km的理论极限。但其传输距离由于瑞利散射不会超过200km。利用散射损耗与波长四次幂成反比的关系，制造出适用于长波长的光纤【其特点是可透过近红外（1～5μm）或中红外（～10μm）】，使损耗进一步降低，就能延长传输距离。

5000km传输距离如用0.83µm的光纤传输系统，需333个中继站，而用1.5µm的系统有33个中继站就够了。各发达国家已着眼于2~30µm的新的传输波段，对卤化物、硫属化物和重金属氧化物等红外光纤做了大量开创性工作。8.2红外光纤第七十七页，共一百零五页，2022年，8月28日

A红外光纤－卤化物光纤

氟化物玻璃光纤理论损耗约为0.001dB/km（2.5μm）比石英光纤小l~2个数量级，有可能实现106km无中继通信。

卤化铊卤化铊有较好的延展性，已挤压出直径75~1000µm、长200m的多晶纤维。溴化铊或碘化铊多晶光纤在4.0~5.5µm时损耗最低，可达0.0ldB/km。

氟化铍

在红外区的本征损失为石英的l/6，可拉制透射2µm波段的光纤。该种光纤有可能将光信号无中继传输数百甚至上千公里。第七十八页，共一百零五页，2022年，8月28日氟化锆理论损耗达0.001dB/km(2.55µm)(比最好的石英光纤低两个数量级)，透过率高于氧化物玻璃，且受高能辐照不易黑化。氟化锆基玻璃的主成分为氟化锆(60~70mol％)，并以氟化钡(20~30mol％)为改性剂(降低熔点)，以少量其它氟化物作稳定剂(如AlF3、LaF3、PbF2作结晶化抑制剂)和指数改性剂(如PbF2)，借以获得合适的纤芯和包层组分。这种玻璃光纤的透射波长范围从7~8µm的红外区一直延伸到0.2~0.3µm的近紫外区。拉出的Zr－Ba－La－Al－Li－Pb(纤芯)／Zr－Ba－La－Al－Li(包层)氟化物光纤，在2.55µm下的最低损耗为6.8dB/km，纤维的“实用”强度高达3800MPa。如果氟化物玻璃光纤接近0.001dB/km的最低理论损耗，从而实现横跨大洋的通信。第七十九页，共一百零五页，2022年，8月28日B

红外光纤－硫属玻璃光纤

砷、锗、锑与硫属元素硫、硒构成的玻璃叫硫属玻璃，光学损耗高，主要用于短距离传能。目前己拉出在CO（5.2~5.6μm）和CO2激光波长下损耗为数百dB的纤维。在一根光纤上能传输数瓦的能量，这对拓宽CO2和CO大功率激光器的应用领域有重要意义。第八十页，共一百零五页，2022年，8月28日C红外光纤－重金属氧化物光纤

对此类纤维的研究，主要局限于GeO2系统。抽成丝后最小损耗约为4dB/km(2µm)。可用作红外光纤、非线性光学光纤，尤其是可用来实现光信号放大，有可能用于超长距离光学传输系统。在传能方面，80GeO2－10ZnO－10K2O空心纤维是供CO2激光器传能用的一种较好的包层材料。第八十一页，共一百零五页，2022年，8月28日SiO2约占百分之几十，此外还含有B2O3、GeO2、P2O3和As2O3等玻璃形成体及Na2O、K2O、CaO、MgO、BaO和PbO等改性剂，熔点低(＜1400℃)，可用传统的坩埚法拉丝。8.3多组分玻璃光纤特点：芯-皮折射率可在较大范围内变化，因而有利于制造大数值孔径的光纤，但材料损耗大，在可见光波段一般为:1dB／m第八十二页，共一百零五页，2022年，8月28日8.4晶体光纤晶体光纤纤芯由晶体材料制成，主要有YAG（Y3Al5O12）系、YAP（YAlO3）系、Al2O3系、LN（LiNb2O3）系、LBO（LiB3O5）系、BSO（Bi12SiO20）系和卤化物系等晶体光纤。优点：具有更宽的红外波段窗口，其组成的器件与普通光纤间的耦合性能好。用途：制造各种有源和无源器件。第八十三页，共一百零五页，2022年，8月28日纤芯为液体，可以很好的传输热量，具有良好的导热性，对光能量的吸收相当小，所以能传输高达数百瓦的大功率光能量，而不易被烧坏甚至烧毁的现象；普通传光光纤束都是多根单丝集束的光缆，单丝截面一般都是圆形，所以即使是紧密排列，填充率也只有80%左右。而液芯光纤的内部传光层是一个整体，其填充率是100%，不存在这种因填充率而引起的传输损耗；单丝集束而成的大口径光纤束，输出的光斑是由一个个的小光点构成，由于液芯光纤的传光部分是一个整体，所以它的输出是一个完整的光斑，其光强分布的均匀性要优于普通的传光光纤；液芯光纤被弯曲时，其外层软管发生弯曲，内部液体产生流动，使液芯光纤有良好的可挠性；相较于普通的大口径光纤束，液芯光纤的制作也很更加简单。8.5液芯光纤液芯光纤的内部为可以自由流动的液体，外层是柔性塑料软管优点：第八十四页，共一百零五页，2022年，8月28日5.8.6掺稀土元素光纤掺稀土元素光纤是采用某种工艺技术将钕、铒和钇等稀土元素离子单独或混合掺入光纤芯中而制成的。目前主要是掺杂到光纤纤芯中的，但亦有同时掺杂到光纤包层中去的。其掺杂浓度可从1PPm到0.25wt%的宽广范围内变化。

纤芯中掺杂稀土元素有

Er、Yb、Nd、Tm、Pr、Er/Yb、Ho等纤芯直径～4mm，NA0.1

包层直径～125mm，形状为圆形第八十五页，共一百零五页，2022年，8月28日

全塑料光纤主要由特制的高透明度有机玻璃、聚苯乙烯等塑料制成，已制成阶跃型和梯度型多模光纤，目前光纤损耗已降至数十dB/km。其特点是柔韧、加工方便、芯径和数值孔径大。

5.8.7塑料光纤塑料光纤的优点：质量轻、轻而柔软、抗挠曲、抗冲击强度高、价格便宜、抗辐照、易加工、并能制成大直径光纤(1～3毫米，以增大受光角度，扩大使用范围)。缺点：透光性差、光损耗较大、耐热性差、传输光带狭窄(限于可见光区)。第八十六页，共一百零五页，2022年，8月28日塑料光纤纤芯用聚合物材料第八十七页，共一百零五页，2022年，8月28日塑料光纤包层用聚合物材料第八十八页，共一百零五页，2022年，8月28日聚合物光纤损耗第八十九页，共一百零五页，2022年，8月28日塑料光纤的制造方法连续挤出法将单体、少量引发剂和链转移剂连续加入反应器中，在此聚合到一定转化率，形成浆液。经齿轮泵送入脱挥发分挤出机，除去单体后经机头挤出芯材。优点制成光纤前不与外界接触，减少了污染，生产效率也高，为较理想的工业方法。缺点设备复杂，聚合物接触金属太多，且易引起聚合物分解。第九十页，共一百零五页，2022年，8月28日连续挤出法工艺流程示意图第九十一页，共一百零五页，2022年，8月28日间歇挤出法从单体瓶中将单体蒸入反应器，再从另一个瓶中将引发剂或链转移剂升华或蒸入反应器，密封加热到180℃进行聚合。当转化率达100%时，温度升高到200℃，熔融聚合物在干燥氮气下加压，从反应器通过喷嘴压出，再用相似于连续挤压法的包覆而得光纤。优点设备简单，避免了降解，可以生产光损耗低至55dB/km（567nm）的PMMA光纤。缺点生产效率不高第九十二页，共一百零五页，2022年，8