第四讲光导纤维基础知识课件.ppt

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1、第四讲光导纤维基础知识第1页，此课件共53页哦光纤通信系统的基本组成光纤光纤光源、发射机、接收机光源、发射机、接收机中继器、再生器和放大器中继器、再生器和放大器连接器和接头、耦合器、衰减器、光隔离器、光环行器连接器和接头、耦合器、衰减器、光隔离器、光环行器 n 系统的基本组成：系统的基本组成：第2页，此课件共53页哦光纤系统基础知识一、基本光纤系统的构架及其功能介绍：一、基本光纤系统的构架及其功能介绍：1.1.发送单元：把电信号转换成光信号；发送单元：把电信号转换成光信号；2.2.传输单元：载送光信号的介质；传输单元：载送光信号的介质；3.3.接收单元：接收光信号并转换成电信号；接收单元：接收

2、光信号并转换成电信号；4.4.连接器件：连接光纤到光源、光检测以及连接器件：连接光纤到光源、光检测以及其它光纤其它光纤。第3页，此课件共53页哦光纤的结构第4页，此课件共53页哦光纤的结构纤芯纤芯包层包层涂层涂层图图1-1 1-1 光纤典型结构光纤典型结构第5页，此课件共53页哦光纤的结构n纤芯纤芯 core：折射率较高，用来传送光；：折射率较高，用来传送光；n包层包层 Clab：折射率较低，与纤芯一起：折射率较低，与纤芯一起形成全反射条件；形成全反射条件；n涂敷层涂敷层coating：第6页，此课件共53页哦1.1 概述（光纤光缆的结构）概述（光纤光缆的结构）1.1.1 1.1.1 光纤光纤

3、裸光纤涂覆高分子材料的原因：裸光纤涂覆高分子材料的原因：（1 1）裸裸光光纤纤的的主主要要成成分分为为二二氧氧化化硅硅，它它是是一一种种脆脆性性易易碎碎材材料料，抗抗弯弯曲曲性性能能差差，韧韧性性差差，为为提提高高光光纤纤的的微微弯弯性性能能，涂涂覆覆一一层层高高分分子子涂层。涂层。7第7页，此课件共53页哦1.1 概述（光纤光缆的结构）概述（光纤光缆的结构）1.1.1 1.1.1 光纤光纤裸光纤涂覆高分子材料的原因：裸光纤涂覆高分子材料的原因：（2 2）阻止水分子与）阻止水分子与SiOSiO键接触键接触8第8页，此课件共53页哦1.1 概述（光纤光缆的结构）概述（光纤光缆的结构）1.1.1

4、1.1.1 光纤光纤裸光纤涂覆高分子材料的原因：裸光纤涂覆高分子材料的原因：（3 3）裸裸光光纤纤与与空空气气中中的的水水分分子子发发生生反反应应生生成成羟羟基基，羟羟基基是是光光纤纤固固有有吸吸收收衰衰减减的的主主要要成成因因。为为降降低低光光纤纤的的吸吸收收衰衰减减必必须须涂涂高高分子材料阻止水份的侵入。分子材料阻止水份的侵入。9第9页，此课件共53页哦1.1 概述（光纤光缆的结构）概述（光纤光缆的结构）1.1.1 1.1.1 光纤光纤裸光纤涂覆高分子材料的原因：裸光纤涂覆高分子材料的原因：（4 4）二二氧氧化化硅硅是是一一种种脆脆性性易易碎碎材材料料，如如将将若若干干根根这这样样的的裸裸

5、光光纤纤集集束束成成一一捆捆，相相互互间间极极易易产产生生磨磨损损，导导致致光光纤纤表表面面损损伤伤而而影影响响光光纤纤的的传传输输性性能能。为为防防止止这这种种损损伤伤采采取取的的有有效效措措施施就就是是在在裸裸光光纤纤表表面涂一层高分子材料。面涂一层高分子材料。10第10页，此课件共53页哦按折射率分类n阶越光纤芯子直径为2a,包层为2b,芯子折射率为n1,包层为n2n渐变折射率光纤 折射率在包层中为n2,是均匀的，而在芯子中则随着半径的加大而减小，是非均匀的光纤的分类第11页，此课件共53页哦n按照光纤的模式分类n单模（Single-Mode）当光纤中只传输一种模式时，叫单模光纤，芯子直

6、径极小，约在2a=410um，包层2b=125um.n多模（Multi-Mode）光纤中传输的模式不止一个，则叫多模光纤，渐变多模光纤芯子中的折射率指数要求按一定的规律变化，多模光纤的截面尺寸较大，2a=50um,2b=125um.光纤的分类第12页，此课件共53页哦光纤的分类n按材料分类：n玻璃光纤（主要）：纤芯与包层都是玻璃，玻璃光纤（主要）：纤芯与包层都是玻璃，损耗小，传输距离长，成本高；损耗小，传输距离长，成本高；为了改变折射率，中间掺与合适的杂质，锗为了改变折射率，中间掺与合适的杂质，锗和磷使折射率增加，硼和氟使折射率降低。和磷使折射率增加，硼和氟使折射率降低。n胶套硅光纤：纤芯是玻

7、璃，包层为塑料，特胶套硅光纤：纤芯是玻璃，包层为塑料，特性同玻璃光纤差不多，成本较低；性同玻璃光纤差不多，成本较低；n塑料光纤：纤芯与包层都是塑料，损耗大，塑料光纤：纤芯与包层都是塑料，损耗大，传输距离很短，价格很低。多用于家电、音传输距离很短，价格很低。多用于家电、音响，以及短距的图像传输。响，以及短距的图像传输。第13页，此课件共53页哦光纤的分类n按工作波长分类按工作波长分类：短波长光纤短波长光纤在光纤通信发展的初期，人们使用的光波之波长在在光纤通信发展的初期，人们使用的光波之波长在0.60.9 微米范微米范围内（典型值为围内（典型值为0.83 微米），此波长范围内呈现低衰耗的光纤称微米

8、），此波长范围内呈现低衰耗的光纤称作短波长光纤。目前很少采用。作短波长光纤。目前很少采用。长波长光纤长波长光纤后来人们发现在波长后来人们发现在波长1.31 微米和微米和1.55 微米附近，石英光纤的衰微米附近，石英光纤的衰耗急剧下降如图耗急剧下降如图2.4 所示。而且在此波长范围内石英光纤的材所示。而且在此波长范围内石英光纤的材料色散也大大减小。因此人们的研究工作又迅速转移，并研料色散也大大减小。因此人们的研究工作又迅速转移，并研制出在此波长范围衰耗更低，带宽更宽的光纤，工作在制出在此波长范围衰耗更低，带宽更宽的光纤，工作在1.02.0 微米波长范围的光纤称为长波长光纤。微米波长范围的光纤称为

9、长波长光纤。长波长光纤因具有衰耗低、带宽宽等优点，特别适用于长距离、长波长光纤因具有衰耗低、带宽宽等优点，特别适用于长距离、大容量的光纤通信。大容量的光纤通信。第14页，此课件共53页哦第15页，此课件共53页哦第16页，此课件共53页哦第17页，此课件共53页哦光纤制造光纤制造第一步采用四种气相沉积工艺，即：改进的化学气相沉积第一步采用四种气相沉积工艺，即：改进的化学气相沉积（Modified Chemical Vapour Deposition-MCVDModified Chemical Vapour Deposition-MCVD）、等离）、等离子化学气相沉积（子化学气相沉积（Plasm

10、a Chemical Vapour Deposition-Plasma Chemical Vapour Deposition-PCVDPCVD）、轴向气相沉积（）、轴向气相沉积（Vapour Axial Deposition-Vapour Axial Deposition-VADVAD）、外气相沉积（）、外气相沉积（Outside Vapour Deposition-Outside Vapour Deposition-OVDOVD）中的任一工艺来生产光纤预制棒的芯棒；）中的任一工艺来生产光纤预制棒的芯棒；通信用光纤大多数是由石英玻璃材料组成的。光纤的制造通信用光纤大多数是由石英玻璃材料组成的。

11、光纤的制造要经历材料制备与提纯、熔炼、拉丝和套塑等要经历材料制备与提纯、熔炼、拉丝和套塑等4 4个具体过程，个具体过程，最常用的工艺是两步法最常用的工艺是两步法第18页，此课件共53页哦光纤制造光纤制造第第二二步步是是在在气气相相沉沉积积获获得得的的芯芯棒棒上施加外包层制成大光纤预制棒。上施加外包层制成大光纤预制棒。值值得得强强调调的的是是，光光纤纤预预制制棒棒的的光光学学特特性性主主要要取取决决于于芯芯棒棒的的制制造造技技术，光光纤纤预预制制棒棒的的成成本本主主要要取取决决于于外包外包技技术。第19页，此课件共53页哦第20页，此课件共53页哦第21页，此课件共53页哦第22页，此课件共53

12、页哦第23页，此课件共53页哦芯棒制造芯棒制造芯棒制造芯棒制造技技术普遍采用气相沉积工艺，普遍采用气相沉积工艺，第24页，此课件共53页哦芯棒制造芯棒制造芯棒制造芯棒制造技技术普遍采用气相沉积工艺，普遍采用气相沉积工艺，如如MCVD MCVD、PCVD PCVD、OVD OVD 、VAD VAD。第25页，此课件共53页哦MCVDMCVD改进的化学气相沉积法改进的化学气相沉积法nMCVD工艺是工艺是1974年由美国年由美国AT&T公司贝尔实公司贝尔实验室的验室的Machesney等人开发的经典工艺。等人开发的经典工艺。MCVD工艺为朗讯等公司所采用的方法。工艺为朗讯等公司所采用的方法。MCVD

13、工艺是一种以氢氧焰热源，发生在高纯工艺是一种以氢氧焰热源，发生在高纯度石英玻璃管内进行的气相沉积。度石英玻璃管内进行的气相沉积。第26页，此课件共53页哦第27页，此课件共53页哦MCVDMCVD改进的化学气相沉积法改进的化学气相沉积法nMCVD工艺的化学反应机理为高温氧化工艺的化学反应机理为高温氧化(SiCL4,GeCL4)。MCVD工艺是由沉积和成棒两个工工艺是由沉积和成棒两个工艺步骤组成。沉积是获得设计要求的光纤芯折艺步骤组成。沉积是获得设计要求的光纤芯折射率分布，成棒是将巳沉积好的空心高纯石英射率分布，成棒是将巳沉积好的空心高纯石英玻璃管熔缩成一根实心的光纤预制棒芯棒玻璃管熔缩成一根实

14、心的光纤预制棒芯棒n硅和锗与氧发生反应，生成(SiO2)和(GeO2)。n二氧化硅和二氧化锗在管内堆积熔合，形成玻璃第28页，此课件共53页哦第29页，此课件共53页哦第30页，此课件共53页哦PCVDPCVD等离子化学气相沉积法等离子化学气相沉积法nPCVDPCVD工艺由荷兰飞利浦公司的提出的微波工艺。长飞公司采工艺由荷兰飞利浦公司的提出的微波工艺。长飞公司采用的就是这种工艺。用的就是这种工艺。nPCVDPCVD与与MCVDMCVD的工艺相似，都是在高纯石英玻璃管管内进的工艺相似，都是在高纯石英玻璃管管内进行气相沉积和高温氧化反应。所不同的是热源和反应机行气相沉积和高温氧化反应。所不同的是热

15、源和反应机理，理，PCVDPCVD的热源是微波，反应机理为微波激活气体产生等离的热源是微波，反应机理为微波激活气体产生等离子使反应气体电离，电离的反应气体呈带电离子。带电离子子使反应气体电离，电离的反应气体呈带电离子。带电离子重新结合时释放出的热能熔化气态反应物形成透明的石英玻重新结合时释放出的热能熔化气态反应物形成透明的石英玻璃沉积薄层。璃沉积薄层。nPCVDPCVD工艺的最新发展是采用大直径合成石英玻璃管为沉工艺的最新发展是采用大直径合成石英玻璃管为沉积衬底管，沉积速率提高到了积衬底管，沉积速率提高到了23g/min23g/min，沉积长度达到，沉积长度达到1.21.5m1.21.5m。第

16、31页，此课件共53页哦第32页，此课件共53页哦OVDOVD外汽相沉积法外汽相沉积法第33页，此课件共53页哦第34页，此课件共53页哦第35页，此课件共53页哦第36页，此课件共53页哦第37页，此课件共53页哦第38页，此课件共53页哦VAD VAD 轴向汽相沉积法轴向汽相沉积法VADVAD工艺是工艺是19771977年由日本电报电话公司提出，年由日本电报电话公司提出，为避免与康宁公司的为避免与康宁公司的OVDOVD专利的纠纷所发专利的纠纷所发明的连续工艺。明的连续工艺。VADVAD工艺的化学反应机理工艺的化学反应机理与与OVDOVD工艺相同，也是火焰水解。工艺相同，也是火焰水解。与与O

17、VDOVD工艺不同的是，工艺不同的是，VADVAD工艺沉积获得的工艺沉积获得的预制棒的生长方向是由下向上垂直轴向预制棒的生长方向是由下向上垂直轴向生长的。烧结和沉积是在同一台设备中生长的。烧结和沉积是在同一台设备中不同空间同时完成的，即预制棒连续制不同空间同时完成的，即预制棒连续制造。造。第39页，此课件共53页哦第40页，此课件共53页哦第41页，此课件共53页哦第42页，此课件共53页哦拉丝通常，将气相沉积法工艺的大预制棒直通常，将气相沉积法工艺的大预制棒直径缩小，且保持芯包比和折射率分布恒径缩小，且保持芯包比和折射率分布恒定的操作称为光纤拉丝。定的操作称为光纤拉丝。拉丝过程中要对裸光纤施

18、加预涂覆层保拉丝过程中要对裸光纤施加预涂覆层保护。涂覆层既可以保护光纤的机械强度、护。涂覆层既可以保护光纤的机械强度、隔离外界潮湿，又可以避免外应力引起隔离外界潮湿，又可以避免外应力引起光纤的微弯损耗。光纤的微弯损耗。此外，高速拉丝还应注意光纤的充分冷此外，高速拉丝还应注意光纤的充分冷却，消除光纤中的残余内应力，以求确却，消除光纤中的残余内应力，以求确保光纤的翘曲度指标最优。保光纤的翘曲度指标最优。第43页，此课件共53页哦光纤拉丝过程光纤拉丝过程将光纤预制棒固定在拉丝机顶端，并将光纤预制棒固定在拉丝机顶端，并逐渐加热至逐渐加热至20002000摄氏度。光纤预制摄氏度。光纤预制棒受热后便逐渐融

19、化并在底部累积棒受热后便逐渐融化并在底部累积液体，待其自然垂下，就形成光纤。液体，待其自然垂下，就形成光纤。这里的关键在于均匀加热、拉制速度这里的关键在于均匀加热、拉制速度的控制等。拉制技术无误时，拉出的的控制等。拉制技术无误时，拉出的光纤结构会与光纤预制棒的结构相同光纤结构会与光纤预制棒的结构相同（只不过是缩小了很多）。（只不过是缩小了很多）。涂覆材料也在拉丝机上及时涂敷，涂覆材料也在拉丝机上及时涂敷，以保护光纤免受潮气、磨损的伤以保护光纤免受潮气、磨损的伤害。拉丝的过程中，光纤直径的害。拉丝的过程中，光纤直径的测量及控制非常重要测量及控制非常重要第44页，此课件共53页哦n将预成形模具下部

20、放入石墨炉（摄氏将预成形模具下部放入石墨炉（摄氏1900到到2200度），从末端开始熔化，熔化的液珠因重力落度），从末端开始熔化，熔化的液珠因重力落下。落下后，即冷却并形成细丝。下。落下后，即冷却并形成细丝。n将这些细丝穿过一系列涂层容器（涂层）和紫外固化将这些细丝穿过一系列涂层容器（涂层）和紫外固化炉，最后固定到牵引机控制的转轴上。炉，最后固定到牵引机控制的转轴上。n牵引机从加热的预成形模具中缓缓拉出细丝，通牵引机从加热的预成形模具中缓缓拉出细丝，通过激光测微计测量细丝的直径，并将测量信息反过激光测微计测量细丝的直径，并将测量信息反馈给牵引机，从而来精确地控制此过程。馈给牵引机，从而来精确地

21、控制此过程。n拉丝速度为拉丝速度为1020米米/秒，缠绕在线轴上。线轴通秒，缠绕在线轴上。线轴通常能承载长度超过常能承载长度超过2.2公里的光纤公里的光纤第45页，此课件共53页哦光纤套塑光纤套塑n为进一步增大光纤的强度，提高光纤的抗张力，再套上一为进一步增大光纤的强度，提高光纤的抗张力，再套上一层塑料层即套塑。层塑料层即套塑。n套塑有紧套和松套两种。紧套是在一次涂层的光纤上再紧套塑有紧套和松套两种。紧套是在一次涂层的光纤上再紧紧地套上一层尼龙或聚乙烯等塑料，使光纤不能自由活动。紧地套上一层尼龙或聚乙烯等塑料，使光纤不能自由活动。松套则是在一次涂覆层的外面，再包上塑料套管松套则是在一次涂覆层的

22、外面，再包上塑料套管第46页，此课件共53页哦光纤光缆的结构光纤光缆的结构1.1.2 1.1.2 光缆光缆定定义义:光光缆缆是是由由若若干干根根这这样样的的光光纤纤经经一一定定方方式式绞绞合合、成成缆缆并并外挤保护层构成的实用导光线缆制品。外挤保护层构成的实用导光线缆制品。作作用用:光光缆缆内内的的加加强强件件及及外外保保护护层层等等附附属属材材料料的的作作用用主主要要是是保保护护光光纤纤并并提提供供承承缆缆、敷敷设设、储储存存、运运输输和和使使用用要要求求的的机机械械强强度度、防止潮气及水的侵入及环境、化学的侵蚀和生物体啃咬等。防止潮气及水的侵入及环境、化学的侵蚀和生物体啃咬等。第47页，此

23、课件共53页哦光缆简介光缆简介n光缆的制造光缆的制造技术技术与电缆是不一样的。与电缆是不一样的。n光纤虽有一定的强度和抗张能力，但经不起过大的侧光纤虽有一定的强度和抗张能力，但经不起过大的侧压力与拉伸力；压力与拉伸力；n光纤在短期内接触水是没有问题的，但若长期处在多光纤在短期内接触水是没有问题的，但若长期处在多水的环境下会使光纤内的氢氧根离子增多，会增大光水的环境下会使光纤内的氢氧根离子增多，会增大光纤的衰耗。纤的衰耗。n因此制造光缆不仅要保证光纤在长期使用过程因此制造光缆不仅要保证光纤在长期使用过程中机械物理性能，而且还要注意其防水防潮性中机械物理性能，而且还要注意其防水防潮性能。能。第48

24、页，此课件共53页哦1.1 概述（光纤光缆的结构）概述（光纤光缆的结构）1.1.2 1.1.2 光缆光缆光缆的基本组成：光缆的基本组成：缆芯缆芯 护套护套内护套内护套铠装层铠装层外护层外护层49第49页，此课件共53页哦1.1 概述（光纤光缆的结构）概述（光纤光缆的结构）护套的类型有四种：护套的类型有四种：（1 1）.金属护套金属护套（2 2）.橡塑护套橡塑护套（3 3）.组合护套组合护套（4 4）.特种护套特种护套50第50页，此课件共53页哦1.1 概述（光纤光缆的结构）概述（光纤光缆的结构）1.1.2 1.1.2 光缆光缆光缆的基本结构：光缆的基本结构：按照光缆缆芯结构的不同可将光缆分为

25、四种：按照光缆缆芯结构的不同可将光缆分为四种：（1 1）层绞式光缆）层绞式光缆（2 2）骨架式光缆）骨架式光缆（3 3）中心管式光缆）中心管式光缆（4 4）带状式光缆）带状式光缆51第51页，此课件共53页哦光缆简介光缆简介 光纤通信初期，多采光纤通信初期，多采用紧套光纤的用紧套光纤的层绞式层绞式结构结构，它是从电缆的，它是从电缆的结构演变而来。结构演变而来。由于光纤直接绕在由于光纤直接绕在光缆中的加强芯上，所光缆中的加强芯上，所以难以保证在其施工与以难以保证在其施工与使用过程中不受外部侧使用过程中不受外部侧压力与内部应力的影响。压力与内部应力的影响。第52页，此课件共53页哦光缆简介光缆简介 后来光缆发展后来光缆发展到到骨架式结构光缆骨架式结构光缆，即把紧套光纤绕在即把紧套光纤绕在处光缆中心部位的处光缆中心部位的骨架上。骨架上。由于具有骨架由于具有骨架的保证使光纤的环的保证使光纤的环境优于层绞式结构境优于层绞式结构光缆。光缆。第53页，此课件共53页哦