第三章光纖原材料

1、第三章第三章 光纖原材料光纖原材料第三節(jié)第三節(jié) 光纖原材料光纖原材料 第四節(jié)第四節(jié) 材料對光纖傳輸特性的影響材料對光纖傳輸特性的影響 目前制造通信光纖和光器件的光纖材料有：石英玻璃、目前制造通信光纖和光器件的光纖材料有：石英玻璃、塑料、光子晶體和摻稀土元素的石英玻璃。塑料、光子晶體和摻稀土元素的石英玻璃。第三節(jié)第三節(jié) 光纖原材料光纖原材料一、石英玻璃原材料一、石英玻璃原材料1、材料種類與作用、材料種類與作用石英玻璃光纖生產(chǎn)工藝過程包含有許多具體的工藝步驟：石英玻璃光纖生產(chǎn)工藝過程包含有許多具體的工藝步驟：芯棒制造、外包層、拉絲和涂覆。芯棒制造、外包層、拉絲和涂覆。(不同的工藝階段采用不不同的工

2、藝階段采用不同的材料，同一種材料在不同的工藝階段要求也不同同的材料，同一種材料在不同的工藝階段要求也不同)2、主體原材料、主體原材料(SiCl4)金屬鹵化物金屬鹵化物+氧氧/水水金屬氧化物金屬氧化物構(gòu)成玻璃成分。構(gòu)成玻璃成分。高純高純SiCl4石英玻璃光纖預(yù)制棒石英玻璃光纖預(yù)制棒光纖光纖(可見，可見，SiCl4的純的純度直接影響光纖的傳輸性能度直接影響光纖的傳輸性能)，為了降低光纖損耗，為了降低光纖損耗，SiCl4必必須經(jīng)過嚴格的提純，除去有害的過渡金屬須經(jīng)過嚴格的提純，除去有害的過渡金屬(Cu、Fe、Co等等)離子、含氫化合物和碳氫化合物等有害物質(zhì)。離子、含氫化合物和碳氫化合物等有害物質(zhì)。3

3、、摻雜原材料、摻雜原材料(GeCl4、CCl3F3氟里昂、氟里昂、C2F6六氟乙烷六氟乙烷)(1)GeCl4的作用：提高纖芯的折射率的作用：提高纖芯的折射率(2) CCl3F3、C2F6的作用：的作用： 降低光纖包層的折射率；降低光纖包層的折射率； 作為沉積反應(yīng)管內(nèi)表面的腐蝕拋光劑，使石英玻作為沉積反應(yīng)管內(nèi)表面的腐蝕拋光劑，使石英玻 璃管內(nèi)表面光滑、清潔、干燥，有利于提高光纖璃管內(nèi)表面光滑、清潔、干燥，有利于提高光纖 強度，降低損耗；強度，降低損耗； 在預(yù)制成棒時，作為腐蝕劑減小由于在預(yù)制成棒時，作為腐蝕劑減小由于GeO2在成棒在成棒 時的高溫揮發(fā)而造成的中心下陷。時的高溫揮發(fā)而造成的中心下陷

4、。二、石英玻璃二、石英玻璃1、來源、來源 石英玻璃管主要早期是通過天然水晶熔制而成；目前，石英玻璃管主要早期是通過天然水晶熔制而成；目前，采用合成石英玻璃管采用合成石英玻璃管(SiCl4高溫水解制成坯體，在經(jīng)過脫水高溫水解制成坯體，在經(jīng)過脫水燒結(jié)和拉管而成燒結(jié)和拉管而成)。2、生產(chǎn)、生產(chǎn) SiCl4+O2SiO2+2Cl2(1700) 制的的二氧化硅極純制的的二氧化硅極純 3、熔融石英玻璃的基本物理性能、熔融石英玻璃的基本物理性能 性能性能單位單位數(shù)值數(shù)值密度密度g/cm32.2軟化點軟化點1730抗拉強度抗拉強度MPa50彎曲強度彎曲強度MPa66.6抗扭強度抗扭強度MPa29.4楊氏模量楊

5、氏模量EN/mm272900剪切模量剪切模量GN/mm233000線性膨脹系數(shù)線性膨脹系數(shù)K-15.510-7溫度每變化溫度每變化1材料長度變化的百分率材料長度變化的百分率 胡克定律：在物體的彈性限度內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變胡克定律：在物體的彈性限度內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變 成正比，其比例系數(shù)稱為楊氏模量成正比，其比例系數(shù)稱為楊氏模量 E = / 剪切應(yīng)力與應(yīng)變的比值剪切應(yīng)力與應(yīng)變的比值 特點：特點：(1)耐高溫性能：軟化點與白金熔點相近；耐高溫性能：軟化點與白金熔點相近；(2)熱膨脹系數(shù)?。合喈斢谔沾傻臒崤蛎浵禂?shù)?。合喈斢谔沾傻?/6，普通玻璃的，普通玻璃的1/20(3)光譜特性極佳：在紫外、可見到紅外有良好的

6、透過性光譜特性極佳：在紫外、可見到紅外有良好的透過性(4)耐酸性材料；耐酸性材料；(5)絕緣性能好、介電損耗?。焊邷仉娮柚迪喈斢谄胀ú＝^緣性能好、介電損耗小：高溫電阻值相當于普通玻 璃的璃的10000倍；倍；(6)可制得高純的材料：金屬離子總量為可制得高純的材料：金屬離子總量為10-6。 4、性能計算、性能計算 已知熔融石英玻璃的密度為已知熔融石英玻璃的密度為=2.2g/cm3，楊氏模量，楊氏模量E=72900N/mm2，線膨脹系數(shù)，線膨脹系數(shù)=5.510-7，問：，問：(1)溫度引起的光纖長度的變化量？光纖長度溫度引起的光纖長度的變化量？光纖長度L=1km，溫，溫 度變化范圍由度變化范圍由2

7、0升至升至40，即，即T=20K；解：解：L=TL=1.1cm(2)光纖質(zhì)量？直徑光纖質(zhì)量？直徑d=125微米，長度微米，長度L=1km的無涂覆層的無涂覆層 的融融石英玻璃光纖；的融融石英玻璃光纖； 42dA解：解： =0.0123mm2；質(zhì)量；質(zhì)量M=AL=27g (3)光纖的應(yīng)力和應(yīng)變？直徑光纖的應(yīng)力和應(yīng)變？直徑d=125微米，所加的張力微米，所加的張力F=424N； 胡克定律胡克定律=E解：應(yīng)力解：應(yīng)力=F/A=345N/mm2，應(yīng)變，應(yīng)變=/E=4.7310-3 第四節(jié)第四節(jié) 材料對光纖傳輸特性的影響材料對光纖傳輸特性的影響 一、材料對光纖衰減的影響一、材料對光纖衰減的影響 通信光纖所

8、用的材料是通信光纖所用的材料是石英玻璃石英玻璃和和摻雜石英玻璃摻雜石英玻璃。 通信光纖的四大特性：良好的幾何特性、傳輸特性、機械特通信光纖的四大特性：良好的幾何特性、傳輸特性、機械特 性和環(huán)境特性。性和環(huán)境特性。 傳輸衰減：傳輸衰減：本證損耗：多聲子吸收、紫外吸收損耗；本證損耗：多聲子吸收、紫外吸收損耗； 非本征損耗：雜質(zhì)吸收、光纖波導(dǎo)結(jié)構(gòu)不夠完善等。非本征損耗：雜質(zhì)吸收、光纖波導(dǎo)結(jié)構(gòu)不夠完善等。1、多聲子吸收、多聲子吸收 玻璃是由硅氧四面體組成的三維無序結(jié)構(gòu)，玻璃是由硅氧四面體組成的三維無序結(jié)構(gòu)，SiO2的的聲子吸收帶與硅氧四面體分子的基本振動相對應(yīng)。純石英聲子吸收帶與硅氧四面體分子的基本振

9、動相對應(yīng)。純石英玻璃的強吸收帶位于玻璃的強吸收帶位于9.1微米、微米、12.5微米、微米、21微米。微米。純純SiO2的多聲子吸收系數(shù)可由下式求得：的多聲子吸收系數(shù)可由下式求得：/48.48exp1081. 711MPA 摻雜摻雜GeO2的石英玻璃中，吸收帶并非的石英玻璃中，吸收帶并非SiO2和和GeO2得得吸收光譜的簡單疊加，而吸收光譜更寬且更分散，摻雜吸收光譜的簡單疊加，而吸收光譜更寬且更分散，摻雜10wt%的石英玻璃吸收光譜與非摻雜石英玻璃吸收光譜的石英玻璃吸收光譜與非摻雜石英玻璃吸收光譜幾乎完全相同，所不同的是摻雜幾乎完全相同，所不同的是摻雜GeO2的石英玻璃吸收光的石英玻璃吸收光譜峰

10、值向長波長方向偏移。譜峰值向長波長方向偏移。 2、紫外吸收和拖尾、紫外吸收和拖尾 拖尾：拖尾：在吸收光譜中，峰尾需要很長時間才好回到基線，在吸收光譜中，峰尾需要很長時間才好回到基線， 導(dǎo)致峰的左右不對稱。導(dǎo)致峰的左右不對稱。 在石英玻璃的紫外反射光譜中，在石英玻璃的紫外反射光譜中，10.2eV、11.7 eV、14.0 eV、17.3 eV四個吸收帶。四個吸收帶。 摻雜石英玻璃的紫外吸收峰波長比石英玻璃的紫外吸收摻雜石英玻璃的紫外吸收峰波長比石英玻璃的紫外吸收峰的波長要長，所以可以變換摻雜元素的種類和數(shù)量可改峰的波長要長，所以可以變換摻雜元素的種類和數(shù)量可改善摻雜石英玻璃的吸收拖尾。善摻雜石英

11、玻璃的吸收拖尾。GeO2含量的增加含量的增加拖尾向更長的波長區(qū)域遷移。拖尾向更長的波長區(qū)域遷移。紫外系數(shù)：紫外系數(shù)： /63. 4exp10600044615422UVA3、雜質(zhì)吸收、雜質(zhì)吸收(1)過渡金屬過渡金屬 過渡金屬：過渡金屬：Fe、Cu、Ni、Mn、Co、Cr、V、Pt 過渡金屬元素具有過渡金屬元素具有電子結(jié)構(gòu)電子結(jié)構(gòu)電子躍遷電子躍遷吸收損耗吸收損耗 來源：石英玻璃的原料中來源：石英玻璃的原料中(2)氫氧根氫氧根表表3 110-6水而引起的吸收損耗和波長的關(guān)系水而引起的吸收損耗和波長的關(guān)系 波長波長/微米微米衰減衰減/(dB/km)0.680.0040.720.070.820.040

12、.880.090.951.01.130.111.242.81.3866.31.9010.32.222602.7210000增大增大 由表可見：在由表可見：在0.95微米的吸收損耗為微米的吸收損耗為1.0dB/km；在；在1微米微米以上，氫氧根引起的吸收損耗急劇增加，以上，氫氧根引起的吸收損耗急劇增加，1.38微米處為微米處為65 dB/km；對于波長為；對于波長為1.01.35微米和微米和1.451.8微米兩個微米兩個波段的吸收損耗影響最大，所以工作波長為波段的吸收損耗影響最大，所以工作波長為1.281.625微微米低損耗的單模光纖，必除水分。米低損耗的單模光纖，必除水分。 二、折射率二、折射

13、率1、色散、色散模式色散、材料色散、波導(dǎo)色散；模式色散、材料色散、波導(dǎo)色散；2、溫度關(guān)系、溫度關(guān)系 在高溫條件下，純石英玻璃和摻雜石英玻璃折射率隨波在高溫條件下，純石英玻璃和摻雜石英玻璃折射率隨波長的延長而呈現(xiàn)下降趨勢。長的延長而呈現(xiàn)下降趨勢。(1)溫度與折射率的關(guān)系溫度與折射率的關(guān)系光脈沖通過長度為光脈沖通過長度為L的光纖的時延：的光纖的時延： CLNN光線材料折射率光線材料折射率 C光速光速對對T求導(dǎo)得：求導(dǎo)得： CLNdTdLNdTdNLCdTd1(2)光纖光纖溫度時延漂移常數(shù)溫度時延漂移常數(shù)Kf：單位長度、單位溫度的間隔：單位長度、單位溫度的間隔 時延變化量時延變化量dTdLNdTdNCLdTdKfL11作業(yè)：設(shè)玻璃光纖的熱膨脹系數(shù)為作業(yè)：設(shè)玻璃光纖的熱膨脹系數(shù)為5.510-7/，SiO2材材 料在料在1310nm處的折射率為處的折射率為1.46，折射率隨溫度，折射率隨溫度 的變化大約為的變化大約為110-5