1、2.4 光學(xué)玻璃纖維2.4.1 2.4.1 概述概述 上世紀(jì)70年代，低損耗石英光學(xué)纖維的制造成功，使光信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳輸（光纖通信）進(jìn)入實(shí)用化階段。（被認(rèn)為是上世紀(jì)的最大發(fā)明之一）。與利用電流通過(guò)銅線進(jìn)行通信的方式相比，光纖通信的容量大（一根光纖可傳送銅線1001000倍的通信量）、無(wú)雜音（因電磁感應(yīng)而引起）、無(wú)短路現(xiàn)象，是一種廉價(jià)、輕便、保密的全新通信方式。 光通信簡(jiǎn)單地表示如下： 信息（聲音或圖像）電信號(hào)光信號(hào)電信號(hào)信息 用光纖傳送的光波主要是由GaAs或者GaAlP等半導(dǎo)體激光器發(fā)射出的0.85um，1.3um，以及1.6um等單色光，所以，半導(dǎo)體激光器的開(kāi)發(fā)也對(duì)光通信的發(fā)展起了重要作用

2、。 2.4.2 2.4.2 光學(xué)纖維的結(jié)構(gòu)和種類(lèi)光學(xué)纖維的結(jié)構(gòu)和種類(lèi)1、結(jié)構(gòu) 光學(xué)纖維一般都是由芯子與包層兩部分組成。芯子是由高折射率的石英玻璃或多組分光學(xué)玻璃制成的，包層是由低折射率的玻璃或塑料制成的。為了保護(hù)光學(xué)纖維不受損壞，最外面再加一層塑料套管。 從光學(xué)纖維內(nèi)部折射率的分布情況看，其結(jié)構(gòu)主要有兩種： 階躍型光纖：芯子與包層間折射率的變化是階梯狀的，入射光線進(jìn)入光纖后在芯子與包層的界面上產(chǎn)生全反射，呈鋸齒狀曲折前進(jìn)。 梯度型光纖：芯子的折射率從中心軸線開(kāi)始沿著徑向逐漸減小，因此，入射光線進(jìn)入光纖后，偏離中心軸線的光將呈曲線路徑向中心集束傳輸，故梯度型光纖又稱(chēng)聚焦型光纖。梯度型光纖中折射率

3、的分布大致以拋物線狀為最佳，光束傳輸時(shí)，形成周期性的會(huì)聚和發(fā)散，呈波浪式前進(jìn)。 3.光纖種類(lèi) 光纖的分類(lèi)光纖的分類(lèi) 用 途折射率分布折射率分布傳輸模式傳輸模式芯子材料芯子材料包層材料包層材料 通光波段通光波段 傳輸信息傳輸信息（光通信纖維）（光通信纖維）階躍型階躍型梯度型梯度型單模單模多模多模石英玻璃石英玻璃多組分玻璃多組分玻璃石英玻璃石英玻璃多 組 分 玻多 組 分 玻璃璃紫外（紫外（10001000埃）埃）近紅外近紅外傳輸能量傳輸能量（導(dǎo)光纖維）（導(dǎo)光纖維） 晶晶 體體 塑塑 料料0.85 0.85 1.55um1.55um全全 塑塑 料料 中紅外中紅外2 210.6um10.6um 在石

4、英系列玻璃中， 要制備比純SiO2玻璃折射率小的玻璃，一般通過(guò)在SiO2中加入B2O3或F， 而要獲得比純SiO2玻璃折射率大的玻璃則通過(guò)在SiO2中加入GeO2或P2O5。 2.4.3 2.4.3 光學(xué)纖維的傳輸特性光學(xué)纖維的傳輸特性1、光學(xué)纖維的傳輸模式 光學(xué)上把具有一定頻率、一定偏振狀態(tài)和傳播方向的光波叫做光波的一種模式（波型）。 若一種光纖只允許傳輸一個(gè)模式的光波，則稱(chēng)它為單模光纖；如果一種光纖允許同時(shí)傳輸多個(gè)模式的光波，就稱(chēng)它為多模光纖。 多模光纖直徑為幾十至上百微米，與光波的波長(zhǎng)相比大得多，因此，許多模式的光波進(jìn)入光纖后都能滿(mǎn)足全反射條件，在光纖中得到正常的傳輸。在光纖的輸出端可以

5、看到光強(qiáng)度分布的不同花樣，即在輸出端出現(xiàn)多個(gè)亮斑，一個(gè)亮斑就代表多模光纖所傳輸?shù)囊环N模式的光波。多模光纖的傳輸頻帶主要受到模式色散的限制，傳輸?shù)男畔⒘坎淮蟆＃Ｊ缴⒅覆煌Ｊ降墓饷}沖在光纖中傳播速度不同所產(chǎn)生的傳輸時(shí)間差，將造成光脈沖形狀的改變） 單模光纖的直徑非常細(xì)，只有310um，同光波的波長(zhǎng)相近。 在這樣細(xì)的光纖中，只有沿著光纖軸線方向傳播的一種模式的光波滿(mǎn)足全反射條件能得到正常傳輸，其余模式的光由于不滿(mǎn)足全反射條件而在光纖中傳輸一段距離后很快被淘汰。單模光纖不存在模式色散，傳輸頻帶比多模光纖寬，傳輸?shù)男畔⒘看螅诖笕萘俊㈤L(zhǎng)距離光纖通信中單模光纖具有很好的應(yīng)用前景。 但單模光纖直徑太細(xì)

6、，制造工藝要求高，使用還不普遍。 而多模光纖直徑較粗，制造工藝比單模光纖簡(jiǎn)單，使用中光纖的連接與耦合也容易得多，所以在光通信中廣泛使用的大多是多模光纖。 （現(xiàn)在，通過(guò)對(duì)多模光纖折射率斷面的設(shè)計(jì)，可以使其模式色散顯著降低，從而使其傳輸頻帶特性得到改善。） 2、光學(xué)纖維的損耗特性 光纖通信能夠成為現(xiàn)實(shí)，是與玻璃制造上的缺陷完全被除去使玻璃本身達(dá)到高純化，以致在通過(guò)數(shù)公里長(zhǎng)的光纖時(shí)，光能無(wú)損耗地傳送分不開(kāi)的。人們或許會(huì)想，玻璃本來(lái)就是透明的，很容易透過(guò)光線，只要將玻璃制成纖維就可以得到像電話線那樣使用的光纖。但是，玻璃為透明的常識(shí)只能適用于眼鏡片或窗玻璃等幾毫米厚的玻璃、或者是棱鏡等最大120cm厚

7、度的玻璃制品，而對(duì)于像電話線那樣以km為單位的長(zhǎng)距離來(lái)說(shuō)，通常所制造的玻璃是完全不透明的。 即使是沒(méi)有內(nèi)部缺陷的表面看起來(lái)非常透明的窗玻璃，在厚度達(dá)到30cm左右時(shí)，透過(guò)光的強(qiáng)度就要減小到入射光的一半，厚度達(dá)到10m時(shí)，則光強(qiáng)度減小到百億分之一。 質(zhì)量最高的光學(xué)玻璃在厚度達(dá)到10m時(shí)，透過(guò)光強(qiáng)度也要減小到1/4，厚度達(dá)到100m時(shí)，則減小到百萬(wàn)分之一。相對(duì)于這些普通玻璃制品，光纖的損耗卻非常小，在經(jīng)過(guò)1km長(zhǎng)的光纖后，光強(qiáng)度還可以剩下5090。 光學(xué)纖維的傳輸損耗以下面的dB（分貝）/km單位來(lái)表示。 10 損耗（dB/km） log10（ I0 / I ） L L是以km為單位的纖維長(zhǎng)度，強(qiáng)

8、度為I0的光在光纖中傳輸1km之后強(qiáng)度減小到I時(shí)，它們之比I0 / I的對(duì)數(shù)的10倍為1 dB/km。例如，損耗為2 dB/km時(shí)，利用上式計(jì)算，可知在傳輸1km之后光強(qiáng)度還剩下60，如果損耗為0.5dB/km時(shí)，則光強(qiáng)度還剩下90左右。 因?yàn)閷?shí)際的光纖中存在著各種損耗，使光強(qiáng)度逐漸衰減。光纖的損耗可歸納成兩種類(lèi)型：（1）吸收損耗。 包括本征吸收和雜質(zhì)吸收兩部分。 a.本征吸收是介質(zhì)的原子或離子中的電子躍遷引起的紫外吸收和分子振動(dòng)引起的紅外吸收。 b.雜質(zhì)吸收是由于介質(zhì)中存在雜質(zhì)（如OH、金屬離子等）引起的選擇吸收。氫氧根（OH）雜質(zhì)吸收是比較重要的，其基本吸收波長(zhǎng)為2.7um，二次諧波吸收波

9、長(zhǎng)為1.38um，三次諧波吸收波長(zhǎng)為0.94um。當(dāng)在光纖制造中混入的氫氧根量達(dá)到1ppm(10-6)時(shí)，在1.38um處的最大損耗將高達(dá)100dB/ km，在0.94um處為1dB/km。對(duì)超低損耗的光纖，氫氧根的含量要控制在幾十ppb(10-9)以下。 （2） 散射損耗（光從光纖中逃掉）,包括a.本征散射（即瑞利散射）、 本征散射是指在物質(zhì)中光的分子散射。介質(zhì)分子中的電子在光波電磁場(chǎng)作用下發(fā)生振動(dòng)，振動(dòng)電子又發(fā)出次波。這個(gè)次波就是散射光。瑞利指出，次波光的強(qiáng)度與波長(zhǎng)四次方成反比，即短波的散射占優(yōu)勢(shì)。b.光纖結(jié)構(gòu)不完善（如芯子與包層間界面不完善）引起的散射損耗c.由于材料中的條紋、氣泡、析晶

10、等引起的缺陷散射。 在高純光纖中，光損耗主要由 瑞利散射、 紅外吸收、 氫氧根雜質(zhì)吸收所引起。 2.4.4 光學(xué)纖維的制造方法1、石英玻璃光纖的制造 為了降低石英光纖的內(nèi)部損耗，目前都采用化學(xué)氣相沉積（CVD）法制取高純度的石英預(yù)制棒，再拉絲。 光纖預(yù)制棒生產(chǎn)方法是：用超純氧氣作載體，把超純?cè)蠚怏w四氯化硅（SiCl4）和摻雜劑四氯化鍺（GeCl4）、三溴化硼（BBr3）、三氯氧磷（POCl3）等氣體輸送到以氫氧焰作熱源的加熱區(qū)。混合氣體在加熱區(qū)發(fā)生氣相反應(yīng)，生成粉末狀二氧化硅及添加氧化物。繼續(xù)升溫加熱，使混合粉料熔融成玻璃態(tài)，制成超純玻璃預(yù)制棒。 光纖預(yù)制棒 然后，把預(yù)制棒從一端開(kāi)始加熱至1

11、600左右，（加熱方式可采用高頻感應(yīng)加熱、電阻加熱、氫氧焰加熱等）使料棒熔化，同時(shí)進(jìn)行拉絲。纖維的外徑由牽引機(jī)自動(dòng)調(diào)節(jié)控制，折射率可通過(guò)添加氧化物的濃度加以調(diào)節(jié)。 有三種生產(chǎn)方法：內(nèi)沉積法（預(yù)制棒純度高，是生產(chǎn)主要方法） b. 外沉積法 c. 軸向沉積法a. （后兩種方法易混入氫氧根雜質(zhì)使損耗增大，但光纖尺寸易控制、精度高，適合于大批量生產(chǎn)。） 2、多組分玻璃光纖的制造 多組分玻璃光纖的的成分除石英外，還有Na2O、K2O、CaO、B2O3等其它氧化物。 采用雙坩堝法制造：坩堝是尾部帶漏管的內(nèi)外兩層鉑坩堝同軸套在一起所組成。多組分玻璃料經(jīng)過(guò)仔細(xì)提純，芯料玻璃放在內(nèi)層坩堝里、包層玻璃放在外層坩堝

12、里。玻璃料經(jīng)加熱熔化后從漏 管中流出。 坩堝下方有一個(gè)高速旋轉(zhuǎn)的鼓輪，將熔融玻璃拉成一定直徑的細(xì)絲。漏孔的直徑大小和漏管的長(zhǎng)度，決定著芯子的直徑與包層厚度的比值。如果把漏管加長(zhǎng)，使芯子與包層材料在高溫下接觸，通過(guò)離子交換，能形成折射率呈梯度分布的結(jié)構(gòu)。通過(guò)調(diào)節(jié)爐溫及拉絲速度，可控制纖維的總直徑。 多組分光纖的 優(yōu)點(diǎn)是熔化溫度低、適合連續(xù)大批量生產(chǎn)； 缺點(diǎn)是生產(chǎn)過(guò)程中易混入過(guò)渡金屬離子和氫氧根等雜質(zhì)，故制成的光纖內(nèi)部損耗比較大（約幾dB/km）。 2.4.5 光纖的應(yīng)用1、信息傳輸（1）光纖通信的優(yōu)點(diǎn)：信息容量大、體積小、重量輕、抗干擾能力強(qiáng)、保密性好、價(jià)格低廉。（2）應(yīng)用：電話通信、軍事、數(shù)據(jù)

13、通信、共用天線電視、工業(yè)控制、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)連接等 2、能量傳輸 （稱(chēng)為導(dǎo)光纖維：將低損耗光纖作為一種光能的的傳輸介質(zhì)）：醫(yī)學(xué)方面光學(xué)內(nèi)窺鏡、激光手術(shù)刀和激光治療儀中的導(dǎo)光介質(zhì)；激光加工設(shè)備的導(dǎo)光介質(zhì)；將太陽(yáng)能通過(guò)光纖傳到太陽(yáng)照不到的地方，進(jìn)行植物光合作用的研究等等。 注意注意：對(duì)導(dǎo)光纖維與光通信纖維的要求有所不同。 導(dǎo)光纖維希望盡最大能力傳輸更多的能量，只要光能低損耗地通過(guò)光纖，對(duì)光的傳輸方向、傳輸時(shí)間上的差異等傳輸常數(shù)的變化由于不影響光能的傳輸，可以不加考慮，故其直徑較大（0.51mm）、損耗要求也低一些（如幾百至一千分貝/公里）。 光通信纖維除了要求光纖損耗極低外還要求傳輸常數(shù)的變化盡量小。 即用于光信息傳輸用的低損耗光纖，大多數(shù)都可直接用到光能輸出上去。 3、計(jì)量?jī)x器（光纖特點(diǎn)：安全、不受電磁場(chǎng)干擾、強(qiáng)度高、耐化學(xué)腐蝕）： 光纖溫度傳感計(jì)、 光纖液位傳感計(jì)、 光纖電流計(jì)等。 2.4.6 發(fā)展中的新型光纖紅外光纖 發(fā)展210.6um紅外光纖的意義：進(jìn)一步降低光纖的傳輸損耗，實(shí)現(xiàn)無(wú)中繼站的遠(yuǎn)距離通信；b. 配合高功率激光器（數(shù)千甚至上萬(wàn)千瓦）的能量輸出（要求10.6um波段能量傳輸）