光纤制备原理和应用

关于光纤制备原理和应用光纤的发展历史光纤的结构原理石英光纤的制备光纤的应用第2页,共25页，2024年2月25日，星期天光纤的来源

光纤的发展历史1966年，英籍华裔学者高锟（C.K.Kao）发表了关于传输介质新概念的论文，指出了利用光纤进行信息传输的可能性和技术途径，奠定了现代光通信——光纤通信的基础。当时的主要障碍就是如何获得超纯净玻璃材料以降低衰减损耗。四年后的1970年，美国的康宁公司率先研制出了世界上第一根衰减损耗低于20dB/km的石英玻璃光纤。同年第一台室温运行半导体激光器的研制成功，使光源和传输介质的问题得到了解决。1981年第一个光纤系统成功问世，自此以后，光纤通信发展异常迅速，应用范围不断扩大。第3页,共25页，2024年2月25日，星期天石英光纤的损耗进展:

1966,高锟1000dB/km

1970,康宁公司→20dB/km 1972,康宁公司→7dB/km 1973,贝尔实验室→2.5dB/km 1976,日本→0.5dB/km@1.55µm

1979,→0.2dB/km@1.55µm

now

→0.16dB/km@1.55µm

受到瑞利散射和本征吸收的限制，石英光纤的理论损耗极限为0.15dB/km@1.55µm光纤的来源

光纤的发展历史第4页,共25页，2024年2月25日，星期天光纤的来源

光纤的发展历史第5页,共25页，2024年2月25日，星期天光纤的结构

光纤是高透明电介质材料制成的非常细(外径约为125μm---2ooμm)的低损耗导光纤维．具有束缚和传输从红外到可见光区域内光的功能．也具有传感功能。一般通信用光纤的横截面的结构如图2所示。光纤本身由纤芯和包层构成，纤芯是由高透明固体材料(如高二氧化硅玻璃、多组分玻璃、塑料等)制成，纤芯的外面是包层．用折射率相对纤芯较低的石英玻璃、多组分玻璃或塑料制成,外面一般还有起保护作用的涂覆层。光纤的导光能力取决于纤芯和包层的性质。光纤的来源

光纤的结构第6页,共25页，2024年2月25日，星期天在光纤中．光传输就是利用光的全反射原理．当入射到光纤芯子中的光与光轴线的交角小于一定值时，光线在界面上发生全反射。这时，光将在光纤的芯子中沿锯齿状路径曲折前进，但不会穿出包层，这样就避免了光在传输过程中的折射损耗。光纤的来源

光纤传输的基本原理第7页,共25页，2024年2月25日，星期天光纤有多种分类方法1）按折射率可分为阶跃型（SI）光纤和渐变型（GI）光纤。SI光纤的纤芯和包层部分折射率均保持不变，而在纤芯与包层的界面处折射率发生突变。这类光纤只适用于短距离、小容量的通讯系统。GI光纤包层折射率不变，纤芯部分折射率沿径向逐渐变小，可使高次模的光按正弦形式传播，这能减少模间色散，提高光纤带宽，增加传输距离，但成本较高，现在多模光纤多为GI光纤。

2）按传播波长的长短可将光纤分为短波长光纤（传输波长为0.8~0.9μm）、长波长光纤（传输波长为1.3~1.6μm）。

光纤的来源

光纤的分类第8页,共25页，2024年2月25日，星期天3）按传输模式，可将光纤分为多模光纤和单模光纤。在光纤芯径大（50~100μm）或数值孔径大的光纤中，允许多个具有不同入射角的光线进入光纤传播，即光纤中有多个传输模式，称为多模光纤。由于模间色散较大，因此多模光纤传输的距离比较近，一般只有几公里。当光纤芯径较小（8~10μm）或数值孔径小时，将只允许与光纤轴一致的光线进入光纤传播，这种光纤称为单模光纤。单模光纤模间色散较小，适用于远程通讯。4）按纤芯材料组成，可将光纤分为石英光纤、多组分玻璃光纤和塑料光纤。此外还有一些特种光纤，如掺稀土光纤、光子晶体光纤、红外光纤、发光光纤等。

光纤的来源

光纤的分类第9页,共25页，2024年2月25日，星期天原料制备原料提纯制棒拉丝涂敷筛选合格光纤纯度分析质量控制性能测量制造光纤的工艺流程光纤的来源

石英光纤的制备过程第10页,共25页，2024年2月25日，星期天低损耗的单模和多模石英光纤大多采用“预制棒拉丝工艺”，光纤预制棒工艺是光纤光缆制造中最重要的环节。目前，用于制备光纤预制棒的方法主要采用以下四种方法：外部气相沉积法（OVD）；气相轴向沉积法（VAD）；等离子体化学气相沉积法（PCVD）；改进化学气相沉积法（MCVD）。光纤预制棒制备工艺第11页,共25页，2024年2月25日，星期天OVD法：又为“管外气相氧化法”或“粉尘法”，其原料在氢氧焰中水解生成SiO2微粉，然后经喷灯喷出，沉积在由石英石墨制成的基棒外表面，经过多次沉积，去掉母棒，再将中空的预制棒在高温下脱水，烧结成透明的实心玻璃棒，即为光纤预制棒。光纤预制棒制备工艺第12页,共25页，2024年2月25日，星期天VAD法：日本1977年开发出来的，其工作原理与OVD相同，不同之处在于它不是在母棒的外表面沉积，而是在其端部（轴向）沉积。VAD的重要特点是可以连续生产，适合制造大型预制棒，从而可以拉制较长的连续光纤。光纤预制棒制备工艺第13页,共25页，2024年2月25日，星期天MCVD法：采用的SiCl4、GeCl4等液态原材料在高温下发生氧化反应生成SiO2、B2O3、GeO2、P2O5微粉，沉积在石英反应管的内壁上。在沉积过程中需要精密地控制掺杂剂的流量，从而获得所设计的折射率分布。光纤预制棒制备工艺第14页,共25页，2024年2月25日，星期天PCVD法于1978年应用于批量生产。它与MCVD的工作原理基本相同，只是不用氢氧焰进行管外加热，而是改用微波腔体产生的等离子体加热。PCVD工艺的沉积温度低于MCVD工艺的沉积温度，因此反应管不易变形；微波加热腔体可以沿着反应管轴向作快速往复移动，目前的移动速度在8m/min，这允许在管内沉积数千个薄层，从而使每层的沉积厚度减小，因此折射率分布的控制更为精确，可以获得更宽的带宽。而且，PCVD的沉积效率高，沉积速度快，有利于消除SiO2层沉积过程中的微观不均匀性，从而大大降低光纤中散射造成的本征损耗，适合制备复杂折射率剖面的光纤，可批量生产，有利于降低成本。光纤预制棒制备工艺第15页,共25页，2024年2月25日，星期天光纤预制棒制备工艺第16页,共25页，2024年2月25日，星期天玻璃中的分子扩散要比晶体中的难得多，即使在2000oC，已掺入棒体中的掺杂剂也不会扩散，保持原预制棒中折射率分布。拉丝的拉制速度决定光纤的粗细2、拉丝第17页,共25页，2024年2月25日，星期天涂敷在光纤拉丝过程中进行，当光纤向下拉制时，光纤通过（压力）涂敷器，就可在裸纤表面均匀涂上30~150µm厚的热固化硅树脂或紫外光固化丙烯酸酯。两次涂敷：一次涂敷（变形硅酮树脂），形成缓冲层，保护光纤免遭引起微弯损耗的外力作用。二次涂敷（普通硅酮树脂），提高光纤的低温性能和机械强度。3、涂敷、塑封和成筒第18页,共25页，2024年2月25日，星期天

塑封，便于操作和提高光纤成缆时的抗张力，增加光纤的机械强度。在涂敷的基础上再套上尼龙、聚乙烯或聚酯等塑料。塑封分为：紧套和松套。成筒：将光纤绕到收丝筒上成筒。4、塑封和成筒第19页,共25页，2024年2月25日，星期天最广泛的应用是在通信领域即光导通信。自2O世纪6O年代以来，由于在光源和光纤方面取得了重大的突破，使光通信获得异常迅速的发展。作为光源的激光，方向性强、频率高．是进行光通信的理想光源；光波频带宽，与电波通信相比，能提供更多的通信通路，可满足大容量通信系统的要求。因此，光纤通信与卫星通信一并成为通信领域里最活跃的两种通信方式。光纤的应用第20页,共25页，2024年2月25日，星期天光纤的应用医学上

光导纤维可以用作食道、直肠、膀胱、子宫、胃等深部探查内窥镜(胃镜、血管镜等)的光学元件，而且不必切开皮肉就可直接插入身体内部进行手术。切除癌瘤组织的外科手术激光刀即由光导纤维将激光传递至手术部位。第21页,共25页，2024年2月25日，星期天在照明和光能传送方面利用光导纤维短距离可以实现一个光源多点照明。光缆照明，可利用塑料光纤光缆传输太阳光作为水下、地下照明。由于光导纤维柔软易弯曲变形，可做成任何形状，而且耗电少、光质稳定、光泽柔和、色彩广泛，因此，它是未来的最佳灯具，如与太阳能的利用结合起来将成为最经济实用的光源。光纤的应用第22页,共25页，2024年2月25日，星期天在工业方面

可传输激光进行机械加工，