浅谈光导纤维

浅谈光导纤维第1页，共15页，2023年，2月20日，星期一一、光纤通信的发展史：

光纤通信是七十年代，发展起来的一门新兴技术。光纤是光导纤维的简称。它是由玻璃材料(SiO2)，抽丝而成的一种光传输媒体。以光波传送资讯，以光纤为传输介质的通信方式，称为光纤通信。1880年，贝尔继发明电话之后，又发明了“光话”。以日光为光源，大气为传输介质，在200米的距离內，实现了语音信号的传递。但是这种通信，所能传送的资讯是十分有限的。有两个方面的问题：1、普通光源或日光成份复杂、振动方面杂乱而无法调变（可靠的高强度光源）；2、利用大气为介质，进行光通信损耗大，受气候影响严重（稳定的低损耗介质）。

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1960年，美国的Maimen，发明了红宝石镭射二极体。由此，人们得到了良好的同调光。此时，最好的光学玻璃的传输损耗，仍高达1000dB/km（。这意味著，如果要在一公里长的光纤末端，检测到一个波长为1μm的光子(其能量hυ＝2×10-19焦耳)，则在其入端，要输入的光的能量，为2×1081焦耳。

dB=10lg(Pout/Pin)Pout:输出功率;Pin:输入功率1966年英籍华人高锟(C.K.Kao)博士提出，如果利用帶有包层材料的石英玻璃光学纤维(光纤)来进行光通信，其损耗可能低20dB/km。1970年，美国的康宁公司果然制造出，损耗为20dB/km的光导纤维(所使用光源的波长，約为0.8μm)。同时，贝尔研究所林严雄博士制造出在室温下可连续工作的半导体激光器。至此，光通信技术中的两大难题都得到了解決，使光纤通信技术，受到了空前的重视。第3页，共15页，2023年，2月20日，星期一二、光纤的结构纤芯core：折射率较高，用来传送光信号；包层coating：覆盖在纤芯外圈的部分，为形成全反射，其折射率较纤芯低。保护套jacket：强度大，能承受较大冲击，保护光纤。纤芯包层保护套第4页，共15页，2023年，2月20日，星期一三、光纤通信的原理光纤通信是先把声音转换成能代表声音变化的电信号，然后把它放大，再用经过放大的电信号来控制激光器发光，使激光器发出来的激光的亮度也随着代表声音的电信号来变化，这样，激光器就把代表声音的电信号转换成相应的光信号。通过光导纤维传送到接受的一端后，由于接收设备里有一个对光非常敏感的光电管，可以把接收来的光信号转换成电信号，这样代表声音的光信号就被转换回来，再放大以便送到听筒引起膜振动，就能听到与发送端一样的声音了。第5页，共15页，2023年，2月20日，星期一光纤与传输参数单信道全光中继数字通信光--电--光中继的数字通信电信号光发送机光接受机电信号光纤通信网络架构第6页，共15页，2023年，2月20日，星期一四、光纤产生损耗的原因材料的吸收损耗：

由于光纤內含有过度金属元素(如Sc、Ti、V、Cr、Mn......等)。这类金属在光谱范围，有广大的吸收帶。另外所含的OH及材料的缺陷（如光纤抽丝，所引起的核心及外壳介面构造的微小变化），也会产生损耗。

材料的散射损耗：

由于材料的密度或组成不均，都会产生“瑞利散射”散射，其损失值与波长成反比。因此波长越长，损失越小，除了“瑞利散射”外，尚有其他的散射行为，但其影响，不如“瑞利散射”损耗大。

机械变形所引起的损耗：

當机械变形，所引起的微曲及弯曲，都会造成光纤传送信号的损失。所谓弯曲损失，則是指在某处的入射角，比临界角小时，光向外面折射，而造成的损失。第7页，共15页，2023年，2月20日，星期一五、光纤的分类按照光纤的模式分类单模（Single-Mode）中心玻璃芯教细(芯径一般为9或10μm)，只能传一种模式的光。适用于远程。多模（Multi-Mode）中心玻璃芯教粗(50或62.5μm)，可传多种模式的光。传输距离较近。12595012562.5125第8页，共15页，2023年，2月20日，星期一按折射率分类阶越光纤：光纤中心芯到玻璃包层的折射率是突变的。最早为多模光纤，通常沿其中心轴平行前进的光线，与弯曲前进的光线，在到达时间上会有差异，因此无法传输测量信号中相位的信息。现主要使用在单模光纤上。

渐变折射率光纤：光纤中心芯到玻璃包层的折射率是逐渐变小，使光信号按正弦形式传播，能减少模间色散，现在的多模光纤多为渐变型光纤。

第9页，共15页，2023年，2月20日，星期一按材料成分分类玻璃类1、石英光纤（SiO2＋GeO2＋P3O4）2、硫系光纤3、氟系光纤晶体类1、氯化物单晶和多晶光纤2、塑料光纤第10页，共15页，2023年，2月20日，星期一六、研究动向一般我们所指的光纤，都是指石英玻璃光纤(Silica-basedglasses)。事实上，光纤材料，可分为无机材料、及有机材料两种。无机材料中，目前以石英玻璃的损耗为最低，并且具有高強度及良好的安定性，其主要成份为二氧化硅(SiO2)。当为了增大其折射率，而添加二氧化锗、氧化铝、氧化磷等材料，当为了減少其折射率时，则加入三氧化二硼及氟等材料。1、塑料光纤

与石英玻璃光纤相比，塑料光纤（POF,PlasticOpticalFiber）以其芯径大、制造简单、连接方便、可用便宜光源等优点正在受到宽带局域网建设者的青睐。正是宽带局域网的迅速发展带来了POF技术的革命性进步，特别是以全氟化的聚合物（如商用产品名称为CYTOP）为基本组成的氟化塑料光纤（PF-POF）在局域网的逐步使用，从而标志着PF-POF正在由试验室步入局域网工程应用。最早POF是用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）材料制成的。由于PMMA材料中存在着大量的C-H键谐振会引起很大的光吸收，所以PMMA-POF在650nm的衰减系数高达160dB/km以上。研究人员采用全氟化的聚合物材料为基本成份制造出了在850nm和1300nm的衰减系数小于20dB/km的PF-POF。究其原因是氟化的聚合物中的C-F键大大减小了光吸收，故全氟化的聚合物PF-POF的衰减系数十分小。

第11页，共15页，2023年，2月20日，星期一在生产工艺上，POF的生产采用的是1982年由日本庆应大学发明的“界面凝胶”工艺。该工艺利用作为包层的塑料管与塑料管内作为纤芯的混合液体之间发生的“界面凝胶”作用来形成POF的梯度折射率分布结构的。但是，“界面凝胶”工艺生产PF-POF的“界面凝胶”反应需要很长的时间，所以该工艺的生产成本比较高。为了进一步降低POF的制造成本，美国OFS公司试验室的WhitneyR.White等人开发出了一种简单挤塑工艺来生产PF-POF。这种挤塑工艺是借助两台挤塑机分别挤出芯和包层材料熔体，然后两种材料熔体在挤塑机头处合为一体形成一个同心的熔体流，掺杂材料位于熔体的中心。在挤塑机头后，这些熔体材料流过一个长加热扩散管，从而允许来自熔体的中心的小分子掺杂剂扩散到包层材料熔体中。通过控制温度、停留时间和芯/包层材料的相对流速，人们就可以制造出各种折射率分布结构和芯/尺寸的PF-POF。第12页，共15页，2023年，2月20日，星期一2、光子晶体光纤

1991年，Russell根据光子晶体传光原理又提出了光子晶体光纤的概念。最近，人们又利用石英玻璃管和石英玻璃棒研究出了光子晶体光纤。光子晶体光纤（PCF）是一种由单一介质（通常为石英玻璃，也可以为塑料）构成、并且在二维方向上呈现周期性紧密排列（周期性六角形）、而在三维空间（光纤轴向）基本保持不变的波长量级空气孔构成的微结构包层的新型光纤。与常规光纤不同，PCF是由石英玻璃—空气孔微小结构组成的光纤，其又可以分为实芯光纤和空芯光纤，即前者是由石英玻璃棒和石英玻璃毛细管加热拉制成的，而后者则是由石英玻璃管和石英玻璃毛细管加热拉制成的。正是通过前按照设计出的PCF的基本结构:按照预先设计的形状（六角形）将石英玻璃毛细管紧密地排列在作为纤芯的石英玻璃棒或一圈石英玻璃毛细管的周围，即集束成棒，再通过加热拉制就可以制成所需要的性能的PCF。表征PCF性能的3个特征参数是纤芯直径、包层空气孔直径、包层空气孔之间距离。在PCF的拉制过程中，改变拉制温度和速度就可以调整PCF的结构和性能，使得PCF作为光传输介质和光器件具有许多诱人之处。随着PCF的导光理论、制造工艺和应用技术的成熟，PCF有望成为下一代光纤维通信用的光传输介质。

第13页，共15页，2023年，2月20日，星期一七、光纤产品第14页，共15页，2023年，2月20日，星期一

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