第2章光纤的特性 (2)优秀课件.ppt

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1、第2章光纤的特性(2)2023/5/19第1页，本讲稿共65页2.22.2光纤的损耗光纤的损耗损损耗耗吸收损耗吸收损耗散射损耗本征吸收本征吸收杂质离子吸收杂质离子吸收过渡族金属离子OH-紫外吸收红外吸收本征散射及其他本征散射及其他制作缺陷制作缺陷芯-包层界面不理想喇曼散射瑞利散射折射率分布不均匀气泡、条纹、结石布里渊散射与波长四次方成反比2023/5/19第2页，本讲稿共65页2.2.1光纤的损耗特性n吸收损耗吸收损耗 吸吸收收损损耗耗是是由由制制造造光光纤纤材材料料本本身身以以及及其其中中的的过过渡渡金金属属离离子子和和氢氢氧氧根根离离子子(OH)等等杂杂质质对对光光的的吸吸收收而而产产生生

2、的的损损耗耗，前前者者是是由由光光纤纤材材料料本本身身的的特特性性所所决决定定的的，称称为为本本征征吸吸收损耗。收损耗。2023/5/19第3页，本讲稿共65页1.本征吸收损耗本征吸收损耗 本征吸收损耗在光学波长及其附近本征吸收损耗在光学波长及其附近有两种基本的吸收方式。有两种基本的吸收方式。(1)紫外吸收损耗紫外吸收损耗 紫外吸收损耗是由光纤中传输的光紫外吸收损耗是由光纤中传输的光子流将光纤材料中的电子从低能级激发子流将光纤材料中的电子从低能级激发到高能级时，光子流中的能量将被电子到高能级时，光子流中的能量将被电子吸收，从而引起的损耗。吸收，从而引起的损耗。2023/5/19第4页，本讲稿共

3、65页(2)红外吸收损耗红外吸收损耗红红外外吸吸收收损损耗耗是是由由于于光光纤纤中中传传播播的的光光波波与与晶晶格格相相互互作作用用时时，一一部部分分光光波波能能量量传传递递给给晶晶格格，使使其其振振动动加加剧剧，从从而而引引起起的的损损耗。耗。2.杂质吸收损耗杂质吸收损耗光光纤纤中中的的有有害害杂杂质质主主要要有有过过渡渡金金属属离离子，如铁、钴、镍、铜、锰、铬等和子，如铁、钴、镍、铜、锰、铬等和OH。2023/5/19第5页，本讲稿共65页3.原子缺陷吸收损耗原子缺陷吸收损耗 通通常常在在光光纤纤的的制制造造过过程程中中，光光纤纤材材料料受受到到某某种种热热激激励励或或光光辐辐射射时时将将

4、会会发发生生某某个个共共价价键键断断裂裂而而产产生生原原子子缺缺陷陷，此此时时晶晶格格很很容容易易在在光光场场的的作作用用下下产产生生振振动动，从从而而吸吸收收光光能能，引引起起损损耗耗，其其峰峰值值吸吸收收波波长约为长约为630nm左右。左右。2023/5/19第6页，本讲稿共65页n散射损耗散射损耗1.线性散射损耗线性散射损耗 任任何何光光纤纤波波导导都都不不可可能能是是完完美美无无缺缺的的，无无论论是是材材料料、尺尺寸寸、形形状状和和折折射射率率分分布布等等等等，均均可可能能有有缺缺陷陷或或不不均均匀匀，这这将将引引起起光光纤纤传传播播模模式式散散射射性性的的损损耗耗，由由于于这这类类损

5、损耗耗所所引引起起的的损损耗耗功功率率与与传传播播模模式式的的功功率率成成线线性性关关系系，所所以以称称为为线线性性散散射射损损耗。耗。2023/5/19第7页，本讲稿共65页(1)瑞利散射瑞利散射瑞利散射是一种最基本的散射过程，瑞利散射是一种最基本的散射过程，属于固有散射。属于固有散射。对于短波长光纤，损耗主要取决于瑞对于短波长光纤，损耗主要取决于瑞利散射损耗。值得强调的是：瑞利散射损利散射损耗。值得强调的是：瑞利散射损耗也是一种本征损耗，它和本征吸收损耗耗也是一种本征损耗，它和本征吸收损耗一起构成光纤损耗的理论极限值。一起构成光纤损耗的理论极限值。2023/5/19第8页，本讲稿共65页(

6、2)光纤结构不完善引起的散射损耗光纤结构不完善引起的散射损耗(波导散射损耗波导散射损耗)在在光纤制造过程中，由于工艺、技术问题以及一些随机因素，光纤制造过程中，由于工艺、技术问题以及一些随机因素，可能造成光纤结构上的缺陷，如光纤的纤芯和包层的界面可能造成光纤结构上的缺陷，如光纤的纤芯和包层的界面不完整、芯径变化、圆度不均匀、光纤中残留气泡和裂痕不完整、芯径变化、圆度不均匀、光纤中残留气泡和裂痕等等。等等。2023/5/19第9页，本讲稿共65页2.非线性散射损耗非线性散射损耗 光纤中存在两种非线性散射，它们都光纤中存在两种非线性散射，它们都与石英光纤的振动激发态有关，分别为与石英光纤的振动激发

7、态有关，分别为受激喇曼散射受激喇曼散射和和受激布里渊散射受激布里渊散射。2023/5/19第10页，本讲稿共65页n弯曲损耗 光纤的弯曲有两种形式：一种是曲率半径比光纤的直径大得多的弯曲，我们习惯称为弯曲或宏弯；另一种是光纤轴线产生微米级的弯曲，这种高频弯曲习惯称为微弯。2023/5/19第11页，本讲稿共65页n在光缆的生产、接续和施工过程中，不可避免地出现弯曲。n微弯是由于光纤受到侧压力和套塑光纤遇到温度变化时，光纤的纤芯、包层和套塑的热膨胀系数不一致而引起的，其损耗机理和弯曲一致，也是由模式变换引起的。2023/5/19第12页，本讲稿共65页n光纤损耗系数n为了衡量一根光纤损耗特性的好

8、坏，在此引入损耗系数(或称为衰减系数)的概念，即传输单位长度(1km)光纤所引起的光功率减小的分贝数，一般用表示损耗系数，单位是dB/km。用数学表达式表示为：2023/5/19第13页，本讲稿共65页n式中：L为光纤长度，以km为单位；P1和P2分别为光纤的输入和输出光功率，以mW或W为单位。2023/5/19第14页，本讲稿共65页光纤损耗的来源(1)(2)水峰2023/5/19第15页，本讲稿共65页2.3 光纤色散光纤色散是光纤最重要特性参量之一。它在很大程度上决定了信号传输质量2023/5/19第16页，本讲稿共65页 2.3.1引言n光纤色散光纤色散：在光纤中传输的光脉冲，受到由光

9、纤的在光纤中传输的光脉冲，受到由光纤的折折射率分布射率分布、光纤材料光纤材料的色散特性、光纤中的的色散特性、光纤中的模式分布模式分布以以及及光源的光谱宽度光源的光谱宽度等因素决定的等因素决定的“延迟畸变延迟畸变”，使该，使该脉冲波形在通过光纤后发生展宽。脉冲波形在通过光纤后发生展宽。（1）多模色散多模色散（2）波导色散波导色散（3）材料色散材料色散（4）偏振色散）偏振色散波长色散2023/5/19第17页，本讲稿共65页脉冲与脉冲线宽脉冲与脉冲线宽=为光源的线宽，为脉冲的脉宽2023/5/19第18页，本讲稿共65页群延时t2023/5/19第19页，本讲稿共65页群速与群延时群速与群延时群速

10、 的表示：群延时：群速Vg行进单位长度所花费的时间，即2023/5/19第20页，本讲稿共65页光纤内的群延时光纤内的群延时ps/nm2023/5/19第21页，本讲稿共65页 多模光纤色散多模光纤色散SI光纤的模式色散GRIN(=2)光纤的的模式色散，单位长度脉冲展宽为2023/5/19第22页，本讲稿共65页材料色散参量材料色散参量(ps/nm/km)材料色散参量材料色散参量2023/5/19第23页，本讲稿共65页波导色散波导色散短波长短波长=0.82 m处处 材料色散材料色散M=110：波导色散波导色散M=2 ps/nm/km材料色散材料色散：难调整难调整波导色散波导色散：比较容易调整

11、比较容易调整2023/5/19第24页，本讲稿共65页 偏振模弥散偏振模弥散水水平平偏偏振振基基模模与与垂垂直直偏偏振振基基模模的的群速不同造成的脉冲群速不同造成的脉冲即即 x y2023/5/19第25页，本讲稿共65页举例n1=1.48,，n2=1.473；L0.3km=0.00472023/5/19第26页，本讲稿共65页 材料色散、波导色散是由于光脉冲由同一模式材料色散、波导色散是由于光脉冲由同一模式运载，因光源有线宽，而不同波长光的群速不同运载，因光源有线宽，而不同波长光的群速不同导致的脉冲展宽。导致的脉冲展宽。模式色散是由于光脉冲由同一波长光的不同模模式色散是由于光脉冲由同一波长光

12、的不同模式运载，因不同模式的群速不同导致的脉冲展宽。式运载，因不同模式的群速不同导致的脉冲展宽。偏振模色散是由于光脉冲由同一波长光的同一模偏振模色散是由于光脉冲由同一波长光的同一模式运载，因不同偏振态光的群速不同导致的脉冲展式运载，因不同偏振态光的群速不同导致的脉冲展宽。宽。各种色散导致脉冲展宽的特点各种色散导致脉冲展宽的特点2023/5/19第27页，本讲稿共65页各种光纤的综合性能和用途各种光纤的综合性能和用途2023/5/19第28页，本讲稿共65页2.4单模光纤的设计单模光纤的设计n2.4.1引言n多模光纤色散多模光纤色散2023/5/19第29页，本讲稿共65页单模光纤的色散图2.4

13、.1石英玻璃的材料色散DMDW图2.4.2单模光纤的波导色散2023/5/19第30页，本讲稿共65页常规SI单模光纤(SMF-SingleModeFiber)ZMD：零色散点ZMD1.3m0=1.55mD17ps/nm/km0.2dB/km2023/5/19第31页，本讲稿共65页零色散位移光纤零色散位移光纤(DSF-Zero Dispersion Shifted Fiber)ZMD1.55m2023/5/19第32页，本讲稿共65页非零色散位移光纤非零色散位移光纤(Nonzero Dispersion Shifted Fiber)2023/5/19第33页，本讲稿共65页单模光纤色散比较单

14、模光纤色散比较2023/5/19第34页，本讲稿共65页2.4.2截止条件截止条件2023/5/19第35页，本讲稿共65页2.4.3色散特性2023/5/19第36页，本讲稿共65页2.5偏振保持光纤简介偏振保持光纤简介 2.5.1引言引言n轴对称单模光纤：两个轴对称单模光纤：两个线偏振线偏振正交模式或两个正交模式或两个圆偏振圆偏振正交模式正交模式n n偏振模色散偏振模色散偏振模色散偏振模色散：实际光纤不可避免地存在一定缺陷，如：实际光纤不可避免地存在一定缺陷，如纤芯椭圆度和内部残余应力，使两个偏振模的传输常纤芯椭圆度和内部残余应力，使两个偏振模的传输常数不同，这样产生的时间延迟差称为数不同

15、，这样产生的时间延迟差称为偏振模色散或双偏振模色散或双偏振模色散或双偏振模色散或双折射色散折射色散折射色散折射色散。偏振态改变偏振态改变 发生偏振色散发生偏振色散n保偏光纤：维持光波偏振态的偏振保持光纤保偏光纤：维持光波偏振态的偏振保持光纤2023/5/19第37页，本讲稿共65页n n偏振模色散偏振模色散取决于光纤的取决于光纤的双折射双折射，由，由=x-ynxk-nyk得到得到2023/5/19第38页，本讲稿共65页双折射参量的定义 保偏光纤(PMF)传输相位差2023/5/19第39页，本讲稿共65页拍长LB高双折射率(HB)保偏光纤:BF10-5低双折射率(LB)保偏光纤:BF10-6

16、保偏光纤(PMF)2023/5/19第40页，本讲稿共65页2.5.2保偏光纤结构类型(PolarizationMaintainingFiber)2023/5/19第41页，本讲稿共65页2.5.3高双折色光纤的制作方法高双折色光纤的制作方法n石英管或预制棒研磨法（石英管或预制棒研磨法（MCVD法法:改进的改进的化学汽相淀积化学汽相淀积）n管套棒法管套棒法n光刻腐蚀法光刻腐蚀法n气相腐蚀法气相腐蚀法2023/5/19第42页，本讲稿共65页通信用光纤大多数是由通信用光纤大多数是由石英玻璃石英玻璃材料组材料组成的。成的。光纤的制造要经历光纤光纤的制造要经历光纤预制棒制备预制棒制备、光光纤拉丝纤拉

17、丝等工艺步骤。等工艺步骤。光纤制作工艺流程概述2023/5/19第43页，本讲稿共65页预制棒的生产预制棒的生产q主要预制棒生产厂家有康宁、主要预制棒生产厂家有康宁、朗讯朗讯、阿尔卡特及日本藤仓、古河等阿尔卡特及日本藤仓、古河等q主要有四种工艺：主要有四种工艺：MCVD(Modified Chemical Vapor Deposition)OVD(Outside Vapor Deposition)VAD(Vapor Axial Deposition)汽相沿轴汽相沿轴沉淀积法沉淀积法 PCVD(Plasma Chemical Vapor Deposition)等离子体化学汽相淀积等离子体化学汽相

18、淀积 2023/5/19第44页，本讲稿共65页q工业界大多采用工业界大多采用MCVDMCVD制作多模光纤。在石英管制作多模光纤。在石英管中加氧气及高纯度的卤化物，加热形成多层折中加氧气及高纯度的卤化物，加热形成多层折射率不同的玻璃，玻璃再收缩变成实心棒，即射率不同的玻璃，玻璃再收缩变成实心棒，即为预制棒，此法很容易控制预制棒的形状及大为预制棒，此法很容易控制预制棒的形状及大小。小。q预制棒成形后，先作量测，再移到石墨炉预制棒成形后，先作量测，再移到石墨炉中加热抽丝成为光纤中加热抽丝成为光纤2023/5/19第45页，本讲稿共65页q为保护其强度，避免受潮及污染，必须在裸光纤表面镀上保护层，整

19、个生产流程须45天（预制棒2天）。纤芯包层一次涂覆二次涂覆2023/5/19第46页，本讲稿共65页该工艺由该工艺由AT&T贝尔实验室于贝尔实验室于1974年开发。年开发。利用利用SiCl4与与GeCl4等气态原料导入旋转石英玻璃管等气态原料导入旋转石英玻璃管中，并在石英管外侧进行加热使管内物质进行氧化反中，并在石英管外侧进行加热使管内物质进行氧化反应，产生应，产生SiO2、GeO2在石英管内壁形成在石英管内壁形成30100层层之层积状态而构成光纤之主要成分。之层积状态而构成光纤之主要成分。若针对制造需有折射率变化规格的光纤产品而言，若针对制造需有折射率变化规格的光纤产品而言，可透过气态添加物

20、的成分浓度加以控制来完成。可透过气态添加物的成分浓度加以控制来完成。返回MCVD2023/5/19第47页，本讲稿共65页SiO2、GeO2SiCl4、GeCl4、O22023/5/19第48页，本讲稿共65页2023/5/19第49页，本讲稿共65页2023/5/19第50页，本讲稿共65页qAlcatel目前已针对MCVD进行制程上的更新设计，称为AdvancedPlasma&VaporDeposition(APVD法)。主要不同于MCVD法之处在于气态物质沉积之后，利用另外一专用车床机台来熔合沉积物质以构成预制棒，并以石墨感应炉替代原氢氧焰热源进行熔合。2023/5/19第51页，本讲稿

21、共65页q外部气象沉积法是由康宁公司开发，外部气象沉积法是由康宁公司开发，OVD与与MCVD最大不同在于沉积物质形成于最大不同在于沉积物质形成于由石英、石由石英、石墨或氧化铝材料制成的墨或氧化铝材料制成的“母棒母棒”外表面外表面，意即混，意即混合材料的玻璃蒸气物质透过氢氧焰的直接燃烧，合材料的玻璃蒸气物质透过氢氧焰的直接燃烧，使气体材料因热分解以形成使气体材料因热分解以形成SiO2、GeO2之多孔之多孔状物质沉积，经过多层累积后形成预型体。状物质沉积，经过多层累积后形成预型体。返回OVD2023/5/19第52页，本讲稿共65页qOVD工艺有沉积和烧结两个具体工艺步骤：工艺有沉积和烧结两个具体

22、工艺步骤：先按所设计的光纤折射分布要求进行多孔玻先按所设计的光纤折射分布要求进行多孔玻璃预制棒芯棒的沉积（预制棒生长方向是径璃预制棒芯棒的沉积（预制棒生长方向是径向由里向外），向由里向外），再将沉积好的预制棒芯棒进行烧结处理，除去残再将沉积好的预制棒芯棒进行烧结处理，除去残留水份，以求制得一根透明无水份的光纤预制棒留水份，以求制得一根透明无水份的光纤预制棒芯棒，芯棒，OVD工艺最新的发展经历从单喷灯沉积工艺最新的发展经历从单喷灯沉积到多喷灯同时沉积，由一台设备一次沉积一根棒到多喷灯同时沉积，由一台设备一次沉积一根棒到一台设备一次沉积多根棒到一台设备一次沉积多根棒2023/5/19第53页，本讲

23、稿共65页2023/5/19第54页，本讲稿共65页 VAD工艺是工艺是1977年由日本电报电话公司为避免与康宁年由日本电报电话公司为避免与康宁公司的公司的OVD专利的纠纷所发明的连续工艺。专利的纠纷所发明的连续工艺。VAD工工艺的化学反应机理与艺的化学反应机理与OVD工艺相同，也是火焰水解。工艺相同，也是火焰水解。与与OVD工艺不同的是，工艺不同的是，VAD工艺沉积获得的预制棒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生长的。烧结和沉积是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不同空间同时完成的，即预制棒连续在同一台设备中不同空间同时完成的，即预制棒连续制造。制造

24、。VAD2023/5/19第55页，本讲稿共65页qVAD工艺的最新发展由70年代的芯、包同时沉积烧结，到80年代先沉积芯棒再套管的两步法，再到90年代的粉尘外包层代替套管制成光纤预制棒。qVAD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。2023/5/19第56页，本讲稿共65页qPCVD是由是由Philips研究实验室开发类似于研究实验室开发类似于MCVD的一种技术，的一种技术，但不用氢氧焰进行管外加热，而是改用微波腔体产生的等但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。离子体加热。PCVDPCVD工艺的沉积温度低于工艺的沉积温度低于MCVD

25、MCVD工艺的沉积温工艺的沉积温度，因此反应管不易变形；由于气体电离不受反应管热容度，因此反应管不易变形；由于气体电离不受反应管热容量的限制，所以微波加热腔体可以沿着反应管轴向作快速量的限制，所以微波加热腔体可以沿着反应管轴向作快速往复移动，这样允许在管内沉积数千个薄层，从而使每层往复移动，这样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。获得更宽的带宽。PCVD2023/5/19第57页，本讲稿共65页qPCVD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

26、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，可以批量生产，有利于降低成本。目前，荷兰的等离子光纤公司占据世界领先水平。2023/5/19第58页，本讲稿共65页qVAD工艺的化学反应机理与工艺的化学反应机理与OVD工艺相同，也是火工艺相同，也是火焰水解。与焰水解。与OVD工艺不同的是，工艺不同的是，VAD工艺沉积获得工艺沉积获得的预制棒的生长方向是由下向上垂直轴向生长的。的预制棒的生长方向是由下向上垂直轴向生长的。q单模光纤以单模光纤以OVD、VAD技术为主；而多模光纤则技术为主；而多模光纤则以以MCVD或或PCVD为主。为主。几种制作工艺的比较2023/5/19第59页，

27、本讲稿共65页qPCVD与MCVD的工艺相似之处是，它们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。所不同之处是热源和反应机理，PCVD工艺用的热源是微波，其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。2023/5/19第60页，本讲稿共65页光纤制造技术新工艺qSol-gel工艺是80年代初提出的一种新型的材料制造技术，于80年代中期开始应用于光纤制造。和传统的制造方法比较，Sol-gel工艺有以下的优点：液相反应，可极大改善材料的均匀性；易掺杂，掺杂浓度高；所得材料纯度高；可精确控

28、制材料的折射率；较低的处理温度。2023/5/19第61页，本讲稿共65页qPOVD（等离子外沉积技术），最初用来制造合成的石英管，最近Fibercore公司拟将其开发成新一代光纤预制棒制造工艺。该工艺以高频等离子体作热源，SiCl4等原料在等离子体火焰中高温水解，水解颗粒在高温下玻璃化，直接喷在芯棒或耙棒上。和APVD工艺相比，其所采用的原材料为SiCl4而非石英粉；和OVD或VAD相比，它沉积后直接为透明玻璃，无需经过烧结过程。同时POVD工艺除了应用于外包层外，也可用于制造芯棒。从理论上分析，POVD工艺制造预制棒在成本上要比现有的外包层技术更有潜在的优势。2023/5/19第62页，本讲稿共65页光纤的制造预制棒法光纤的制造预制棒法相似折射率分布的直径2cm左右，长1m预制棒，再拉成长度10km，0.125mm细直径的光纤。特点是可制造折射率分布复杂的光纤。2023/5/19第63页，本讲稿共65页光纤的制造预制棒法2023/5/19第64页，本讲稿共65页2.6弹光效应n弹光效应：由机械应力引起的折射率变化称弹光效应：由机械应力引起的折射率变化称为弹光效应。为弹光效应。2023/5/19第65页，本讲稿共65页