光电子材料-3光纤材料及光纤器件ppt课件.ppt

第第3章章 光纤材料及光光纤材料及光纤器件纤器件光纤通信的发展历程光纤通信的发展历程从从1876年发明电话到年发明电话到20世纪的世纪的60年代末，通信线年代末，通信线路是铜制导线。我国采用的路是铜制导线。我国采用的8管同轴电缆加上金管同轴电缆加上金属护套，质量达属护套，质量达4吨吨/公里，有色金属的消耗实在公里，有色金属的消耗实在是太大。是太大。1929年和年和1930年，美国的哈纳尔和德国的拉姆先年，美国的哈纳尔和德国的拉姆先后拉制出石英光纤且用于光线和图像的短距离传后拉制出石英光纤且用于光线和图像的短距离传输；输； 此时的光纤波导的理论和应用技术进展相当缓慢，主要原因是当时光纤损耗太大，达到几百甚至一千多分贝/公里，这种光纤对通信是毫无用处的。2世界光纤之父：高锟世界光纤之父：高锟 1966年，高锟博士发表了著名的年，高锟博士发表了著名的论文论文“光频介质纤维表面波导光频介质纤维表面波导”，明，明确提出通过改进制备工艺，减少原材确提出通过改进制备工艺，减少原材料杂质，可使石英光纤的损耗大大下料杂质，可使石英光纤的损耗大大下降，并有可能拉制出损耗低于降，并有可能拉制出损耗低于20dB/km的光纤。的光纤。31970年，美国的康宁玻璃公司（年，美国的康宁玻璃公司（Corning Glass Co.）率先将高锟博士的科学预言变为现实，研制出在率先将高锟博士的科学预言变为现实，研制出在0.6328um波长下损耗为波长下损耗为20dB/km的石英光纤，取得了的石英光纤，取得了重要的技术突破。重要的技术突破。在短短几十年时间里，光纤的损耗已由在短短几十年时间里，光纤的损耗已由1000dB/km下降到下降到0.16dB/km，致使光纤通信在世界范围内形，致使光纤通信在世界范围内形成一个充满活力的新兴产业。成一个充满活力的新兴产业。4n20世纪的世纪的80年代中期，全世界范围内的光纤通信年代中期，全世界范围内的光纤通信开始走向实用化。开始走向实用化。石英玻璃光纤的质量为石英玻璃光纤的质量为27克克/公公里。原料廉价，传输损耗小，不受外界电磁干扰里。原料廉价，传输损耗小，不受外界电磁干扰，保密性强。，保密性强。n1993年后，全球范围信息高速公路的建设。年后，全球范围信息高速公路的建设。n到到2000年，世界光纤的年产量达到年，世界光纤的年产量达到6000万公里以万公里以上，而已经铺设的光纤总长度到达上，而已经铺设的光纤总长度到达2亿公里以上。亿公里以上。正好印证了电子到光电子的跨越。正好印证了电子到光电子的跨越。n光纤的出现带动了集成光学的发展。光纤的出现带动了集成光学的发展。光纤的优点光纤的优点n与电缆或微波等电通信方式相比，光纤通信的优点与电缆或微波等电通信方式相比，光纤通信的优点如下如下：n 传输频带极宽，通信容量很大；传输频带极宽，通信容量很大； 由于光纤衰减小，无中继设备，故传输距离远；由于光纤衰减小，无中继设备，故传输距离远； 串扰小，信号传输质量高；串扰小，信号传输质量高； 光纤抗电磁干扰，保密性好；光纤抗电磁干扰，保密性好； 光纤尺寸小，重量轻，便于传输和铺设；光纤尺寸小，重量轻，便于传输和铺设； 耐化学腐蚀；耐化学腐蚀； 光纤是石英玻璃拉制成形光纤是石英玻璃拉制成形,原材料来源丰富，并节原材料来源丰富，并节约了大量有色金属。约了大量有色金属。 光纤技术的发展前景光纤技术的发展前景 n对光纤通信而言,超高速度、超大容量和超长距离传输一直是人们追求的目标,而全光网络也是人们不懈追求的梦想。所以我们应该努力向以下几个方面去发展： 向超高速系统的发展。 向超大容量WDM系统的演进。 开发新代的光纤 全光网络。n未来的高速通信网将是全光网。全光网是光纤通信技术发展的最高阶段,也是理想阶段。目前,全光网络的发展仍处于初期阶段,但它已显示出了良好的发展前景。从发展趋势上看,形成一个真正的、以 WDM技术与光交换技术为主的光网络层,建立纯粹的全光网络,消除电光瓶颈已成为未来光通信发展的必然趋势,更是未来信息网络的核心,也是通信技术发展的最高级别,更是理想级别。 光纤定义：光纤定义：利用的光学现象：利用的光学现象：全反射全反射结构上的特点：结构上的特点：圆柱形，由圆柱形，由纤芯纤芯和和包层包层组成，外加组成，外加涂覆层涂覆层和和套塑套塑改善机械特性；改善机械特性；折射率变化，折射率变化，纤芯折射率略高于包层纤芯折射率略高于包层。 引导光沿特定方向传播的圆柱状导波组织。引导光沿特定方向传播的圆柱状导波组织。能能约束光能量，以尽量小的损失将光能量传导到接约束光能量，以尽量小的损失将光能量传导到接收端。收端。3.1 光纤导光原理光纤导光原理3.1.1光纤结构与分类光纤结构与分类光纤的结构光纤的结构n1n2n0n1n2n0光纤的分类光纤的分类n纤芯折射率分布纤芯折射率分布阶跃折射率光纤、梯度折射率光纤。阶跃折射率光纤、梯度折射率光纤。可传播模可传播模式式纤芯尺纤芯尺寸寸光耦合光耦合难度难度相对折射率差相对折射率差损耗损耗单模单模光纤光纤只可传输一种模式，最低价模式较小，约212um难小： (n1-n2)/n1 0.00050.01小多模多模光纤光纤可传输多种模式较粗，典型尺寸为50um易大： 0.010.02大传输模式传输模式多模光纤、单模光纤。多模光纤、单模光纤。n子午光线子午光线：传播路径为光纤纵剖面内的平面折传播路径为光纤纵剖面内的平面折线，与光纤轴相交，在横截面投影为一条直径。线，与光纤轴相交，在横截面投影为一条直径。由于光纤的结构为圆柱体，可将光线分成两类：由于光纤的结构为圆柱体，可将光线分成两类：子午光线子午光线和和斜光线斜光线。PQn1n2PQ(a)子午光线3.1.2、约束与导光原理、约束与导光原理121111100sin1cossinsin nnnn2221001sinnnn 纤芯斯涅尔定律斯涅尔定律90jkn2n10 1 1 空气包层发生全反射，发生全反射， 1c一般情况下，一般情况下，n0=1，允许的最大入射角为，允许的最大入射角为2sin12221m0nnn 121nnn 结论：结论：1. 光纤传光的原理是光的光纤传光的原理是光的全反射全反射；2. 只有当光线的入射角只有当光线的入射角 时，光线才能被耦合进入时，光线才能被耦合进入光纤传播光纤传播；3. 无论光源发射功率有多大，只有无论光源发射功率有多大，只有 张角之内的光功率张角之内的光功率能被光纤接受传播。能被光纤接受传播。1400m0m2 0m n2n1PQPQ偏射光线偏射光线：传播路径为空间折线，不与光纤轴传播路径为空间折线，不与光纤轴相交，在横截面内的投影为非封闭多边形。相交，在横截面内的投影为非封闭多边形。1 1、数值孔径、数值孔径n定义定义光纤端面上入射光线形成导波光线的最大入光纤端面上入射光线形成导波光线的最大入射角的正弦与入射区折射率的乘积，记作射角的正弦与入射区折射率的乘积，记作NANA。220m121sin2NAnnn 3.1.3、 光纤的特性参数光纤的特性参数n2n10 1 1 空气包层121nnn 接收锥接收锥纤芯纤芯包层包层NANA的物理意义的物理意义n光纤捕捉光线能力的大小，光纤的光纤捕捉光线能力的大小，光纤的NANA越大，越能将更越大，越能将更多的光线保持在其中传播。多的光线保持在其中传播。n决定了光纤与光源的耦合效率（决定了光纤与光源的耦合效率（(NA)NA)2 2），），NANA越越大，就可能有更多来自通信光源的光进入光纤大，就可能有更多来自通信光源的光进入光纤。221212NAnnn121nnn 光纤的数值孔径（光纤的数值孔径（NA）仅取决于纤芯的折射率）仅取决于纤芯的折射率的大小及包层相对折射率差；的大小及包层相对折射率差； NA与光纤的直径无关。与光纤的直径无关。 相对折射率差：18NANA的影响因素的影响因素例 题：设有一均匀多模光纤n1=1.5， 0.01，光纤芯径 2a100 m，光线由空气入射 n0=1， 求光纤的数值孔径 NA NA 是多少？NAn1(2 )1/2=0.21220.04 NA2 2、相对折射率、相对折射率121nnn 单模光纤单模光纤=0.3%，多模光纤，多模光纤=1%。3 3、归一化频率、归一化频率表示在光纤中传播模式多少的参数表示在光纤中传播模式多少的参数2201202aVNAk annV2.405时多模传输时多模传输4 4、折射率分布、折射率分布纤芯折射率分布通式为：纤芯折射率分布通式为：1 2( )(0) 1 2 ( )rn rna =时，折射率为阶跃型分布；时，折射率为阶跃型分布；=2时，折射率为平方律分布（渐变型分布的一种）；时，折射率为平方律分布（渐变型分布的一种）；=1时，折射率为三角形分布。时，折射率为三角形分布。5 5、截止波长、截止波长由于由于0V2.405时，光纤中只能传输一种模式的光波，时，光纤中只能传输一种模式的光波，单模光纤的截止波长：单模光纤的截止波长：1 21c222.405na 3.2、光纤材料 高纯度熔石英光纤传输损耗低多组分玻璃纤维纤芯包层折射率可在较大范围内变化，易于制造大数值孔径 的光纤。(2)塑料光纤成本低、材料损耗大、温度性能差。(3)晶体光纤可用于制作有源和无源光纤器件。(1)石英光纤22 一、石英玻璃光纤一、石英玻璃光纤1.1.基本结构基本结构n组成组成: : 纤芯：纤芯：SiOSiO2 2+Ge(+Ge(提高折射率提高折射率) ) 包层：包层：SiOSiO2 2+B(+B(降低折射率降低折射率)(+CF)(+CF2 2CClCCl2 2F F2 2有同效有同效) ) 涂覆层：涂覆层：碳涂覆层碳涂覆层( (高分子涂覆层高分子涂覆层) ) ，增强光纤，增强光纤 的柔韧性和机械强度的柔韧性和机械强度 n应用应用: :主要用于通讯，也用于传感器主要用于通讯，也用于传感器n 工作温度：工作温度：-40-40o oC C5050o oC Cn 使用寿命：预期使用寿命：预期1010年以上年以上3.2.1玻璃光纤玻璃光纤 光在光纤中传播时光功率的衰减，也称为光纤光在光纤中传播时光功率的衰减，也称为光纤损耗。光功率损耗。光功率P P在光纤中随传播的深度变化。在光纤中随传播的深度变化。，PdzdP ，aziePP0常用衰减常数常用衰减常数 来表示，其定义为来表示，其定义为 010lgiPzP(dB/km)2.2.石英光纤的损耗特性石英光纤的损耗特性 的物理意义：的物理意义： 表示表示光纤单位长度上光功率的变光纤单位长度上光功率的变化化，它影响光纤传光距离的远近。，它影响光纤传光距离的远近。ITU-T规定：规定： 取值范围为取值范围为多模光纤多模光纤：(2.04)dB/km(0.85 m) , (0.52)dB/km(1.31 m) 单模光纤单模光纤：(0.31.0)dB/km(1.31 m) , (0.250.5)dB/km(1.55 m) (dB/km)inout10lgPLP光纤损耗的来源：光纤损耗的来源：（1）光纤材料的吸收与散射损耗；）光纤材料的吸收与散射损耗；（2）光纤的弯曲辐射损耗；）光纤的弯曲辐射损耗；（3）光纤的连接；）光纤的连接；（4）耦合损耗。）耦合损耗。26（1 1）光纤材料的吸收与散射损耗）光纤材料的吸收与散射损耗本征吸收本征吸收：光纤材料对光信号的吸收。：光纤材料对光信号的吸收。杂质吸收杂质吸收：杂质不是指光纤中的掺杂物，而是由于材料：杂质不是指光纤中的掺杂物，而是由于材料不纯净及工艺不完善而引入的杂质，如过渡金属离子和不纯净及工艺不完善而引入的杂质，如过渡金属离子和OH-离子。离子。原子缺陷吸收原子缺陷吸收：由于材料受到热辐射或光辐射引起的。：由于材料受到热辐射或光辐射引起的。散射损耗散射损耗：在光纤材料中，由于某种远小于波长的不均：在光纤材料中，由于某种远小于波长的不均匀性引起的光散射构成光纤的散射损耗。匀性引起的光散射构成光纤的散射损耗。散射损耗散射损耗: : 瑞利散射瑞利散射: :密度不均匀和折射率不均匀引起的对密度不均匀和折射率不均匀引起的对光散射造成的光功率的损失光散射造成的光功率的损失, ,与光波波长的四次方成与光波波长的四次方成反比反比( (目前光通讯向长波长发展的原因目前光通讯向长波长发展的原因) )。 波导散射波导散射: :波导结构不规则导致模式间耦合波导结构不规则导致模式间耦合, ,或或耦合成高阶模进入包层耦合成高阶模进入包层, ,或耦合成辐射模辐射出光纤或耦合成辐射模辐射出光纤, ,从而造成损耗。从而造成损耗。 非线性损耗非线性损耗: :功率较大时功率较大时, ,因诱发喇曼散射和受因诱发喇曼散射和受激布里渊散射所致。激布里渊散射所致。（2 2）光纤的弯曲辐射损耗）光纤的弯曲辐射损耗光纤实际应用中不可避免的要光纤实际应用中不可避免的要产生弯曲，产生弯曲，全反射条件破坏，全反射条件破坏，这就伴随着产生光的弯曲辐射这就伴随着产生光的弯曲辐射损耗。损耗。530横向偏移横向偏移纵向偏移纵向偏移角向偏移角向偏移（3 3）光纤的连接损耗）光纤的连接损耗31（4 4）耦合损耗）耦合损耗光源与光纤的耦合损耗光源与光纤的耦合损耗光纤与光器件的耦合损耗光纤与光器件的耦合损耗32色散：由于光纤中所传信号的不同频率成分，色散：由于光纤中所传信号的不同频率成分， 或信号或信号能量的各种模式成分，在传输过程中，因能量的各种模式成分，在传输过程中，因群速度群速度不同不同互相散开，引起传输信号波形失真，脉冲展宽的物理互相散开，引起传输信号波形失真，脉冲展宽的物理现象称为现象称为色散色散. .色散对光信号包络传播的影响色散对光信号包络传播的影响: :包络（光脉冲）展宽包络（光脉冲）展宽. .3.3.色散特性色散特性n相速度是波的相位传播速度；相速度是波的相位传播速度；n群速度是表征光信号包络传播速度量的。群速度是表征光信号包络传播速度量的。群速度：相速度：相速度和群速度相速度和群速度wv ddwv （1 1）模间色散：）模间色散：多模光纤中各个模式的光传播的多模光纤中各个模式的光传播的路径和速度不同，使得在光纤出射端各模式的到达路径和速度不同，使得在光纤出射端各模式的到达时间不一致，产生时延差，引起光脉冲展宽。时间不一致，产生时延差，引起光脉冲展宽。（2 2）材料色散：是光纤材料的折射率随频率（波长）材料色散：是光纤材料的折射率随频率（波长) )而变，可使信号的各频率（波长而变，可使信号的各频率（波长) )群速度不同引起群速度不同引起色散。色散。（3）波导色散：是模式本身的色散。即指光纤中某）波导色散：是模式本身的色散。即指光纤中某一种导波模式在不同的频率下，相位常数不同，群一种导波模式在不同的频率下，相位常数不同，群速度不同而引起的色散。速度不同而引起的色散。t二、卤化物玻璃光纤二、卤化物玻璃光纤制作超低损耗光纤制作超低损耗光纤三、硫系玻璃光纤三、硫系玻璃光纤拓宽拓宽CO（5.3和和CO2（10.6大功率激光大功率激光应用领域有重要意义。应用领域有重要意义。氟化铍：剧毒，玻璃的化学稳定性差氟化铍：剧毒，玻璃的化学稳定性差氟锆酸盐：最有希望获得超低损耗的光纤材料氟锆酸盐：最有希望获得超低损耗的光纤材料（2.59），化学稳定性差。），化学稳定性差。3.2.2 3.2.2 塑料光纤塑料光纤 塑料光纤塑料光纤(Plastic Optical Fiber, POF)是以聚合是以聚合物或有机物等光学塑料为材料的一类重要光学纤维，物或有机物等光学塑料为材料的一类重要光学纤维，具有广泛用途。具有广泛用途。1. 1. 塑料光纤的材料塑料光纤的材料 主要考虑透过性能和折射率，因而其芯料应选取主要考虑透过性能和折射率，因而其芯料应选取光学均匀性好、折射率较高、透过性能较好的光学塑光学均匀性好、折射率较高、透过性能较好的光学塑料。料。 光学塑料的折射率与塑料的化学组成成分有关。光学塑料的折射率与塑料的化学组成成分有关。一般，塑料组成基质成分中具有的极性大的官能团越一般，塑料组成基质成分中具有的极性大的官能团越多，折射率就越大。对大多数塑料纤芯其折射率均在多，折射率就越大。对大多数塑料纤芯其折射率均在1.41. 6。 其他一些重要性能与因素包括：热性能、机械其他一些重要性能与因素包括：热性能、机械性能以及成本等。性能以及成本等。 适用作塑料光纤的光学塑料主要有：适用作塑料光纤的光学塑料主要有：（1）甲基丙烯酸甲酯（）甲基丙烯酸甲酯（PMMA，俗称有机玻璃），俗称有机玻璃）（2）聚苯乙烯）聚苯乙烯(PS)（3）氘化聚甲基丙烯酸甲酯（）氘化聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA-ds） PMMA是一种特殊的合成树脂，其性能稳定，是一种特殊的合成树脂，其性能稳定，具有很强的透明性（透过率高达具有很强的透明性（透过率高达90%以上），适用以上），适用于可见、红外和紫外波段；其软化点较高，抗张强于可见、红外和紫外波段；其软化点较高，抗张强度好，比重小，对日光性能十分稳定，热性能也很度好，比重小，对日光性能十分稳定，热性能也很稳定，易机械加工。稳定，易机械加工。 标准阶跃折射率塑料光纤主要选取的纤芯材料标准阶跃折射率塑料光纤主要选取的纤芯材料聚甲基丙烯酸甲酯，其折射率为聚甲基丙烯酸甲酯，其折射率为1.492；包层材料；包层材料一般选取折射率更低的含氟聚合物，其折射率为一般选取折射率更低的含氟聚合物，其折射率为1.402。由上述纤芯与包层材料折射率差值（比玻。由上述纤芯与包层材料折射率差值（比玻璃光纤或石英光纤要大）所决定的数值孔径璃光纤或石英光纤要大）所决定的数值孔径NA=0.47，损耗较低。，损耗较低。2. 2. 塑料光纤的主要特性与优缺点塑料光纤的主要特性与优缺点 塑料光纤在性能等方面主要具有如下突出的塑料光纤在性能等方面主要具有如下突出的优点。优点。 重量轻。光学塑料的比重在重量轻。光学塑料的比重在1g/cm3左右左右（比重范围一般在（比重范围一般在0.831.50 g/cm3 )，为玻璃，为玻璃比重的比重的1/21/3。 柔软、韧性好，具有优良的机械性能。直柔软、韧性好，具有优良的机械性能。直径为径为1mm的塑料光纤，按曲率半径为的塑料光纤，按曲率半径为6mm做做180反复弯曲数百次，对光纤毫无损害；即使反复弯曲数百次，对光纤毫无损害；即使直径达到直径达到2mm，仍可自由弯曲而不断裂；且抗冲，仍可自由弯曲而不断裂；且抗冲击强度好。击强度好。 不可见光波段的透过性能好。塑料光纤不可见光波段的透过性能好。塑料光纤在可见光和近红外波段的透过性能接近光学玻在可见光和近红外波段的透过性能接近光学玻璃。但在紫外和远红外波段其透过率大于璃。但在紫外和远红外波段其透过率大于50%，优于玻璃光纤。优于玻璃光纤。 成本低，经济性好，工艺操作简便。塑成本低，经济性好，工艺操作简便。塑料光纤的原材料比玻璃光纤的原材料便宜得多，料光纤的原材料比玻璃光纤的原材料便宜得多，因而经济性好；另外，塑料光纤的工艺操作温因而经济性好；另外，塑料光纤的工艺操作温度通常在度通常在300以下，而玻璃和石英光纤的制作以下，而玻璃和石英光纤的制作温度需要温度需要1000以上的高温，因而塑料光纤的以上的高温，因而塑料光纤的工艺操作简单。工艺操作简单。 但塑料光纤在性能方面也存在如下显著的缺点但塑料光纤在性能方面也存在如下显著的缺点和问题，影响其应用的领域与范围。和问题，影响其应用的领域与范围。 光学特性传输损耗大。塑料光纤是一种纤维光学特性传输损耗大。塑料光纤是一种纤维状的长链分子，随着拉丝过程，长链分子的宏观取状的长链分子，随着拉丝过程，长链分子的宏观取向将和光纤的轴向一致。由于塑料光纤是由单体聚向将和光纤的轴向一致。由于塑料光纤是由单体聚合而成，很难得到密度均匀的材料，因而光学均匀合而成，很难得到密度均匀的材料，因而光学均匀性不能得到很好的保证；深人的研究表明，塑料光性不能得到很好的保证；深人的研究表明，塑料光纤存在高损耗的重要原因在于，塑料光纤材料原子纤存在高损耗的重要原因在于，塑料光纤材料原子间存在的间存在的碳碳-氢键和碳氢键和碳-氧键氧键对可见光和近红外波长对可见光和近红外波长具有吸收作用。具有吸收作用。 耐热及高低温性能差。由于塑料本身熔点低，耐热及高低温性能差。由于塑料本身熔点低，因而其耐热性能差，一般只能在因而其耐热性能差，一般只能在-40 80的温的温度范围内使用，只有少数塑料光纤可以在度范围内使用，只有少数塑料光纤可以在200的温的温度下工作。另外，当温度低于度下工作。另外，当温度低于-40时，塑料光纤将时，塑料光纤将变硬、变脆。总之，耐高低温等恶劣环境的性能比变硬、变脆。总之，耐高低温等恶劣环境的性能比玻璃光纤差。玻璃光纤差。 抗化学腐蚀和表面磨损的性能比玻璃光纤差，抗化学腐蚀和表面磨损的性能比玻璃光纤差，在丙酮、醋酸乙酯或者苯的作用下，其光学性能会在丙酮、醋酸乙酯或者苯的作用下，其光学性能会受到很大影响，硬度差，易老化。受到很大影响，硬度差，易老化。塑料光学纤维与玻璃光学纤维的性能比较塑料光学纤维与玻璃光学纤维的性能比较纤维塑料光学纤维玻璃光学纤维光学性能光吸收系数一般为0. 0080. 0018 cm-1、实验室公认最低损耗为20 dB/km（650680 nm 波段），接近一般玻璃的光吸收紫外和远红外透过性能好光吸收系数一般为0. 000020. 00001/cm-1、实验室中熔融硅的最低损耗0. 2 dB/km(在1. 5 m)，相应的吸收系数10-6 cm-1 近红外波段透过性能好热学性能使用温度一般小于100，个别可短时间在200下工作多组分光纤可用于300，石英光纤波导可用于400 ，塑料涂层玻璃光纤可用于150以下3. 3. 塑料光纤的应用与发展塑料光纤的应用与发展 塑料光纤由于它所具有的轻便、柔软、价廉塑料光纤由于它所具有的轻便、柔软、价廉及便于处理等一些独特优点，因而在短距离的光及便于处理等一些独特优点，因而在短距离的光纤照明（工程照明、室外装饰照明、室内照明）、纤照明（工程照明、室外装饰照明、室内照明）、光纤工艺制品、低分辨的传像束与图像传输、数光纤工艺制品、低分辨的传像束与图像传输、数据信号传输控制与光纤传感以及短距离通信链接据信号传输控制与光纤传感以及短距离通信链接系统（如办公楼或汽车内部）等多方面都有广泛系统（如办公楼或汽车内部）等多方面都有广泛的应用，而且在很多方面正在形成对玻璃光纤的的应用，而且在很多方面正在形成对玻璃光纤的竞争与挑战。竞争与挑战。 为降低损耗设法改变塑料光纤原料的化学成分，为降低损耗设法改变塑料光纤原料的化学成分，例如：使用氟化的塑料代替常规的碳氢化合物塑料，例如：使用氟化的塑料代替常规的碳氢化合物塑料，因碳因碳-氟键的衰减要更小一些。氟键的衰减要更小一些。3.2.3 3.2.3 晶体光纤晶体光纤可用于制作有源和无源光纤器件。可用于制作有源和无源光纤器件。1.YAG系列晶体光纤：晶体激光器、晶体光纤光放大器系列晶体光纤：晶体激光器、晶体光纤光放大器2.YAP系列晶体光纤：激光晶体、快速闪烁晶体系列晶体光纤：激光晶体、快速闪烁晶体3.Al2O3系列晶体光纤：传光光纤和光纤高温传感器系列晶体光纤：传光光纤和光纤高温传感器4.LiNbO3系列晶体光纤：激光倍频器系列晶体光纤：激光倍频器5.卤化物晶体光纤：传光光纤卤化物晶体光纤：传光光纤材料的提纯预制棒的制作拉丝成缆9个9(ppb)用气相沉积法制作具有所需折射率分布的预制棒使用精密馈送机构将预制棒以合适的速度送入炉中加热光纤光缆制造51 典型预制棒长1m,直径2cm52光纤拉丝塔光纤拉丝塔 3.3.1光纤无源器件光纤无源器件n光无源器件在光纤通信系统中发挥着重要作用光无源器件在光纤通信系统中发挥着重要作用n完成光波的接续、耦合、复用与解复用、衰减、隔完成光波的接续、耦合、复用与解复用、衰减、隔离等信号与信息处理离等信号与信息处理n已成为光纤通信系统与光网络不可或缺的重要组成已成为光纤通信系统与光网络不可或缺的重要组成部分部分n光无源器件种类繁多、功能各异，从功能上讲，主光无源器件种类繁多、功能各异，从功能上讲，主要有光纤连接器、光纤耦合器、光波分复用解复要有光纤连接器、光纤耦合器、光波分复用解复用器、光衰减器、光隔离器、光环行器等用器、光衰减器、光隔离器、光环行器等 3.3 3.3 光纤器件光纤器件一一 、光纤连接器、光纤连接器n光纤连接器（光纤连接器（Optical Linker），又称光纤活动连），又称光纤活动连接器，俗称活接头接器，俗称活接头n常用于光纤与光端机的连接，光纤线路与光测试仪常用于光纤与光端机的连接，光纤线路与光测试仪器仪表的连接，光纤与光无源器件的连接器仪表的连接，光纤与光无源器件的连接n是一种可拆卸重复使用的光无源器件是一种可拆卸重复使用的光无源器件n在光纤通信系统、光信息处理系统、光学仪器仪表在光纤通信系统、光信息处理系统、光学仪器仪表中，广泛大量使用中，广泛大量使用 n针对不同的用途，现在已经开发出种类繁多的光纤针对不同的用途，现在已经开发出种类繁多的光纤连接器，一个好的光纤连接器设计的主要要求是：连接器，一个好的光纤连接器设计的主要要求是： 插入损耗低插入损耗低 互换性好互换性好 易于装配易于装配 环境敏感性好环境敏感性好 成本低和可靠的结构成本低和可靠的结构 易于连接易于连接1、光纤连接器的种类、光纤连接器的种类n光纤连接器基本上采用某种机械和光学结构，将光光纤连接器基本上采用某种机械和光学结构，将光纤的两个端面精密对接起来纤的两个端面精密对接起来n最重要的就是要使两根光纤的最重要的就是要使两根光纤的轴心对准轴心对准，使发射光，使发射光纤输出的光能量最大限度地耦合进接收光纤纤输出的光能量最大限度地耦合进接收光纤n并使其介入光路后对系统造成的影响降至最小并使其介入光路后对系统造成的影响降至最小n常见的结构有螺丝卡口、卡销固定、推拉式三种结常见的结构有螺丝卡口、卡销固定、推拉式三种结构构n对准设计常采用有直套筒和锥形套筒结构对准设计常采用有直套筒和锥形套筒结构 n光纤连接器的结构种类很多光纤连接器的结构种类很多nFC型连接器是在我国使用最多的光纤连接器，它型连接器是在我国使用最多的光纤连接器，它是干线系统中采用的常见型号是干线系统中采用的常见型号nSC型连接器是光纤局域网、型连接器是光纤局域网、CATV和光纤接入网的和光纤接入网的主要型号主要型号n此外，此外，ST型连接器和型连接器和LC型连接器也有一定量的应型连接器也有一定量的应用用 （1）FC型光纤连接器型光纤连接器nFC连接器最早由日本连接器最早由日本NTT公司研制，是一种螺纹连公司研制，是一种螺纹连接式光纤连接器接式光纤连接器 n外部加强方式是采用金属套，紧固方式为螺丝扣外部加强方式是采用金属套，紧固方式为螺丝扣n插针体采用外径插针体采用外径2.5 mm的精密陶瓷插针的精密陶瓷插针 n根据其插针端面形状的不同，它可分为球面接触的根据其插针端面形状的不同，它可分为球面接触的FC/PC和斜球面接触的和斜球面接触的FC/APC两种结构两种结构nFC连接器的制作材料陶瓷具有极大的耐磨性和一连接器的制作材料陶瓷具有极大的耐磨性和一定的韧性及稳定的尺寸，可保证定的韧性及稳定的尺寸，可保证FC连接器的使用连接器的使用寿命在寿命在1000次以上次以上 （2）SC型光纤连接器型光纤连接器nSC型连接器是日本型连接器是日本NTT公司开发的光纤连接器公司开发的光纤连接器n是一种矩型插拔式光纤连接器，其外壳呈矩形是一种矩型插拔式光纤连接器，其外壳呈矩形n所采用的插针与耦合套筒的结构尺寸与所采用的插针与耦合套筒的结构尺寸与FC型完全型完全相同，其插针的端面多采用球面接触的相同，其插针的端面多采用球面接触的PC或斜球或斜球面接触的面接触的APC型研磨方式型研磨方式n紧固方式是采用插拔销闩式，不需旋转紧固方式是采用插拔销闩式，不需旋转 n此类连接器价格低廉，插拔操作方便，插入损耗波此类连接器价格低廉，插拔操作方便，插入损耗波动小，抗压强度较高，安装密度高动小，抗压强度较高，安装密度高nSC型连接器广泛用于光纤用户网中型连接器广泛用于光纤用户网中（3）ST型光纤连接器型光纤连接器nST型连接器是由型连接器是由AT&T公司设计开发的圆形卡口式公司设计开发的圆形卡口式连接器连接器n采用带键的卡口式锁紧结构采用带键的卡口式锁紧结构n插针体为外径插针体为外径2.5 mm的精密陶瓷插针，插针的端的精密陶瓷插针，插针的端面形状通常为面形状通常为PC面面 （4）LC型光纤连接器型光纤连接器nLC型光纤连接器由型光纤连接器由Bell lab开发，采用操作方便的开发，采用操作方便的模块化插孔闩锁机理制模块化插孔闩锁机理制nLC型连接器所采用的插针和套筒的尺寸是普通型连接器所采用的插针和套筒的尺寸是普通SC、FC等所用尺寸的一半，为等所用尺寸的一半，为1.25 mm，提高了光，提高了光配线架中连接器的密度配线架中连接器的密度n目前，在单模光纤方面，目前，在单模光纤方面，LC类型的连接器实际已类型的连接器实际已经占据了主导地位经占据了主导地位 2、光纤连接器的性能指标、光纤连接器的性能指标n不同结构的光纤连接器的性能有很大差异不同结构的光纤连接器的性能有很大差异n不同应用场合下，应选用适当的光纤连接器不同应用场合下，应选用适当的光纤连接器n衡量光纤连接器的主要性能指标有衡量光纤连接器的主要性能指标有插入损耗插入损耗回波损耗回波损耗互换性和重复性等互换性和重复性等 （1）插入损耗（）插入损耗（Insertion Loss） n所谓插入损耗，是指光信号通过光纤连接器时，光所谓插入损耗，是指光信号通过光纤连接器时，光纤连接器的输出光功率纤连接器的输出光功率Po与输入光功率与输入光功率Pi之比的分之比的分贝数的负数贝数的负数n插入损耗是光纤连接器的主要性能指标，其值越小插入损耗是光纤连接器的主要性能指标，其值越小性能越好性能越好n目前，单模光纤连接器的插入损耗一般低于目前，单模光纤连接器的插入损耗一般低于1 dBiocPPlg10（2）回波损耗（）回波损耗（Reflection Loss）n回波损耗又称为后向反射损耗，是指光纤连接处，回波损耗又称为后向反射损耗，是指光纤连接处，输入光功率输入光功率Pi与后向发射光功率与后向发射光功率Pr之比的分贝数的之比的分贝数的负数负数n是度量光纤连接器对链路光功率反射的抑制能力是度量光纤连接器对链路光功率反射的抑制能力n回波损耗越大，对光源和光放大器等设备的影响越回波损耗越大，对光源和光放大器等设备的影响越小，系统性能越好小，系统性能越好 irrPPlg10n不同端面的光纤连接器的回波损耗存在很大差异不同端面的光纤连接器的回波损耗存在很大差异面对面连接面对面连接FC型连接器的回波损耗较小，为型连接器的回波损耗较小，为25 dB左右左右 物理接触连接物理接触连接PC型连接器的回波损耗较大，一型连接器的回波损耗较大，一般为般为35 dB左右左右 改进的物理接触连接改进的物理接触连接APC连接器，两光纤端面的连接器，两光纤端面的倾斜角设计在倾斜角设计在8左右，其回波损耗可达到左右，其回波损耗可达到50 dB左右左右 （3）重复性和互换性）重复性和互换性n重复性是指光纤连接器多次插拔后插入损耗的变化重复性是指光纤连接器多次插拔后插入损耗的变化量，一般为量，一般为0.1 dBn互换性是指光纤连接器部件更换时，插入损耗的变互换性是指光纤连接器部件更换时，插入损耗的变化量，一般也为化量，一般也为0.1 dBn这两项指标用来考核光纤连接器结构设计和加工工这两项指标用来考核光纤连接器结构设计和加工工艺的合理性，是表征其实用化的重要指标艺的合理性，是表征其实用化的重要指标 二、二、 光纤耦合器光纤耦合器n与同轴电缆传输系统一样，光纤通信系统或光纤测与同轴电缆传输系统一样，光纤通信系统或光纤测试系统也需将光信号进行分路（分配）与合路，这试系统也需将光信号进行分路（分配）与合路，这需要光耦合器来实现需要光耦合器来实现 n光纤耦合器（光纤耦合器（Optical Coupler）的功能是）的功能是将一个端口输入的光信号分配给多个端口输出（将一个端口输入的光信号分配给多个端口输出（光分路）光分路）或把多个输入的光信号组合成一个输出（光合路或把多个输入的光信号组合成一个输出（光合路）n是具有多个输入端和多个输出端的光纤汇接器件是具有多个输入端和多个输出端的光纤汇接器件 n是光纤链路中最重要的无源器件之一是光纤链路中最重要的无源器件之一 光纤耦合器在电信网、有线光纤耦合器在电信网、有线电视网、用户接入网、区域电视网、用户接入网、区域网络中大量应用网络中大量应用对光纤链路的影响主要是附对光纤链路的影响主要是附加损耗，还有一定的反射和加损耗，还有一定的反射和串扰噪声串扰噪声光耦合器大多与波长无关，光耦合器大多与波长无关，与波长有关的耦合器，专称与波长有关的耦合器，专称为波分复用解复用器为波分复用解复用器1、光纤耦合器的主要性能指标、光纤耦合器的主要性能指标n衡量光纤耦合器的性能指标很多，包括插入损耗、衡量光纤耦合器的性能指标很多，包括插入损耗、附加损耗、分光比、隔离度等附加损耗、分光比、隔离度等（1）插入损耗）插入损耗n插入损耗是指光信号经过光纤耦合器后，每一路光插入损耗是指光信号经过光纤耦合器后，每一路光信号输出相对于输入光信号光功率损失的分贝数的信号输出相对于输入光信号光功率损失的分贝数的负值负值n如从端口如从端口1输入，端口输入，端口3输出，则它们之间的插入损输出，则它们之间的插入损耗为耗为ioiPPLlg1013lg10PPLin插入损耗所表示的是各个输出端口的输出功率状况插入损耗所表示的是各个输出端口的输出功率状况n不仅有固有损耗的因素，更考虑了分光比的影响不仅有固有损耗的因素，更考虑了分光比的影响n因此不同的光纤耦合器，插入损耗的差异并不能反因此不同的光纤耦合器，插入损耗的差异并不能反映器件制作质量的优劣映器件制作质量的优劣 （2）附加损耗）附加损耗n附加损耗附加损耗EL是指所有输出端口的光功率总和相对于是指所有输出端口的光功率总和相对于输入总光功率的比值：输入总光功率的比值：n22型光纤耦合器光功率从端口型光纤耦合器光功率从端口1输入输入P1，端口，端口2、3输出，则附加损耗等于：输出，则附加损耗等于： ijjPPELlg10132lg10PPPELn在理想状态下，输出功率之和应该等于输入功率在理想状态下，输出功率之和应该等于输入功率n附加损耗定量给出了实际情况和理想状态的差别附加损耗定量给出了实际情况和理想状态的差别n附加损耗是体现器件制造工艺质量的指标，反映的附加损耗是体现器件制造工艺质量的指标，反映的是是器件制作过程的固有损耗器件制作过程的固有损耗n光耦合器附加损耗越小越好，是制作质量优劣的考光耦合器附加损耗越小越好，是制作质量优劣的考核指标核指标 （3）分光比）分光比n分光比是指光纤耦合器各输出端口的输出功率的比分光比是指光纤耦合器各输出端口的输出功率的比值值n在应用中，分光比是根据实际系统光节点所需的光在应用中，分光比是根据实际系统光节点所需的光功率的多少而确定合适的分光比（平均分配的除外功率的多少而确定合适的分光比（平均分配的除外）n光分路器的分光比与传输光的波长有关光分路器的分光比与传输光的波长有关 （4）方向性）方向性n是指光分路器的一个输入端的光功率和由分路器反是指光分路器的一个输入端的光功率和由分路器反射到其它端的光功率的比值的分贝数射到其它端的光功率的比值的分贝数IN1IN2(out)lg10PPDL IN1PIN2(out)Pn是指光纤耦合器件的某一光路对其他光路中光信号是指光纤耦合器件的某一光路对其他光路中光信号的隔离能力，是衡量通道串扰特性的参数。的隔离能力，是衡量通道串扰特性的参数。n通常某一端口的输出光功率本应为零时，在其端口通常某一端口的输出光功率本应为零时，在其端口检测到其他输出端口的光功率耦合到该输出端，从检测到其他输出端口的光功率耦合到该输出端，从而使其输出功率不为零。而使其输出功率不为零。（5）隔离度）隔离度inioutiPPIlg10n以上各个指