光纖制備原理以及應用

1、關(guān)于光纖制備原理和應用第1頁，共25頁，2022年，5月20日，9點42分，星期四光纖的發(fā)展歷史光纖的結(jié)構(gòu)原理石英光纖的制備光纖的應用第2頁，共25頁，2022年，5月20日，9點42分，星期四光纖的來源光纖的發(fā)展歷史1966年，英籍華裔學者高錕（C.K.Kao）發(fā)表了關(guān)于傳輸介質(zhì)新概念的論文，指出了利用光纖進行信息傳輸?shù)目赡苄院图夹g(shù)途徑，奠定了現(xiàn)代光通信光纖通信的基礎(chǔ)。當時的主要障礙就是如何獲得超純凈玻璃材料以降低衰減損耗。四年后的1970年，美國的康寧公司率先研制出了世界上第一根衰減損耗低于20dB/km的石英玻璃光纖。同年第一臺室溫運行半導體激光器的研制成功，使光源和傳輸介質(zhì)的問題得到了

2、解決。1981年第一個光纖系統(tǒng)成功問世，自此以后，光纖通信發(fā)展異常迅速，應用范圍不斷擴大。第3頁，共25頁，2022年，5月20日，9點42分，星期四石英光纖的損耗進展: 1966, 高錕 1000 dB/km 1970, 康寧公司 20 dB/km 1972, 康寧公司 7dB/km 1973, 貝爾實驗室 2.5dB/km 1976, 日本 0.5dB/km1.55m 1979, 0.2dB/km1.55m now 0.16dB/km1.55m 受到瑞利散射和本征吸收的限制，石英光纖的理論損耗極限為0.15dB/km1.55m光纖的來源光纖的發(fā)展歷史第4頁，共25頁，2022年，5月20日

3、，9點42分，星期四光纖的來源光纖的發(fā)展歷史第5頁，共25頁，2022年，5月20日，9點42分，星期四光纖的結(jié)構(gòu)光纖是高透明電介質(zhì)材料制成的非常細(外徑約為125m-2oom)的低損耗導光纖維具有束縛和傳輸從紅外到可見光區(qū)域內(nèi)光的功能也具有傳感功能。一般通信用光纖的橫截面的結(jié)構(gòu)如圖2所示。光纖本身由纖芯和包層構(gòu)成，纖芯是由高透明固體材料(如高二氧化硅玻璃、多組分玻璃、塑料等)制成，纖芯的外面是包層用折射率相對纖芯較低的石英玻璃、多組分玻璃或塑料制成,外面一般還有起保護作用的涂覆層。光纖的導光能力取決于纖芯和包層的性質(zhì)。光纖的來源光纖的結(jié)構(gòu)第6頁，共25頁，2022年，5月20日，9點42分，

4、星期四在光纖中光傳輸就是利用光的全反射原理當入射到光纖芯子中的光與光軸線的交角小于一定值時，光線在界面上發(fā)生全反射。這時，光將在光纖的芯子中沿鋸齒狀路徑曲折前進，但不會穿出包層，這樣就避免了光在傳輸過程中的折射損耗。光纖的來源光纖傳輸?shù)幕驹淼?頁，共25頁，2022年，5月20日，9點42分，星期四光纖有多種分類方法1）按折射率可分為階躍型（SI）光纖和漸變型（GI）光纖。SI光纖的纖芯和包層部分折射率均保持不變，而在纖芯與包層的界面處折射率發(fā)生突變。這類光纖只適用于短距離、小容量的通訊系統(tǒng)。GI光纖包層折射率不變，纖芯部分折射率沿徑向逐漸變小，可使高次模的光按正弦形式傳播，這能減少模間色

5、散，提高光纖帶寬，增加傳輸距離，但成本較高，現(xiàn)在多模光纖多為GI光纖。 2）按傳播波長的長短可將光纖分為短波長光纖（傳輸波長為0.80.9m）、長波長光纖（傳輸波長為1.31.6m）。 光纖的來源光纖的分類第8頁，共25頁，2022年，5月20日，9點42分，星期四3）按傳輸模式，可將光纖分為多模光纖和單模光纖。在光纖芯徑大（50100m）或數(shù)值孔徑大的光纖中，允許多個具有不同入射角的光線進入光纖傳播，即光纖中有多個傳輸模式，稱為多模光纖。由于模間色散較大，因此多模光纖傳輸?shù)木嚯x比較近，一般只有幾公里。當光纖芯徑較?。?10m）或數(shù)值孔徑小時，將只允許與光纖軸一致的光線進入光纖傳播，這種光纖稱

6、為單模光纖。單模光纖模間色散較小，適用于遠程通訊。4） 按纖芯材料組成，可將光纖分為石英光纖、多組分玻璃光纖和塑料光纖。此外還有一些特種光纖，如摻稀土光纖、光子晶體光纖、紅外光纖、發(fā)光光纖等。 光纖的來源光纖的分類第9頁，共25頁，2022年，5月20日，9點42分，星期四原料制備原料提純制棒拉絲涂敷篩選合格光纖純度分析質(zhì)量控制性能測量制造光纖的工藝流程光纖的來源石英光纖的制備過程第10頁，共25頁，2022年，5月20日，9點42分，星期四低損耗的單模和多模石英光纖大多采用“預制棒拉絲工藝”，光纖預制棒工藝是光纖光纜制造中最重要的環(huán)節(jié)。目前，用于制備光纖預制棒的方法主要采用以下四種方法：外部

7、氣相沉積法（OVD）； 氣相軸向沉積法（VAD）； 等離子體化學氣相沉積法（PCVD）； 改進化學氣相沉積法（MCVD）。 光纖預制棒制備工藝第11頁，共25頁，2022年，5月20日，9點42分，星期四OVD法：又為“管外氣相氧化法”或“粉塵法”，其原料在氫氧焰中水解生成SiO2微粉，然后經(jīng)噴燈噴出，沉積在由石英石墨制成的基棒外表面，經(jīng)過多次沉積，去掉母棒，再將中空的預制棒在高溫下脫水，燒結(jié)成透明的實心玻璃棒，即為光纖預制棒。光纖預制棒制備工藝第12頁，共25頁，2022年，5月20日，9點42分，星期四VAD法：日本1977年開發(fā)出來的，其工作原理與OVD相同，不同之處在于它不是在母棒的外

8、表面沉積，而是在其端部（軸向）沉積。VAD的重要特點是可以連續(xù)生產(chǎn)，適合制造大型預制棒，從而可以拉制較長的連續(xù)光纖。光纖預制棒制備工藝第13頁，共25頁，2022年，5月20日，9點42分，星期四MCVD法：采用的SiCl4、GeCl4等液態(tài)原材料在高溫下發(fā)生氧化反應生成SiO2、B2O3、GeO2、P2O5微粉，沉積在石英反應管的內(nèi)壁上。在沉積過程中需要精密地控制摻雜劑的流量，從而獲得所設計的折射率分布。光纖預制棒制備工藝第14頁，共25頁，2022年，5月20日，9點42分，星期四PCVD法于1978年應用于批量生產(chǎn)。它與MCVD的工作原理基本相同，只是不用氫氧焰進行管外加熱，而是改用微波

9、腔體產(chǎn)生的等離子體加熱。 PCVD工藝的沉積溫度低于MCVD工藝的沉積溫度，因此反應管不易變形；微波加熱腔體可以沿著反應管軸向作快速往復移動，目前的移動速度在8m/min，這允許在管內(nèi)沉積數(shù)千個薄層，從而使每層的沉積厚度減小，因此折射率分布的控制更為精確，可以獲得更寬的帶寬。而且，PCVD的沉積效率高，沉積速度快，有利于消除SiO2層沉積過程中的微觀不均勻性，從而大大降低光纖中散射造成的本征損耗，適合制備復雜折射率剖面的光纖，可批量生產(chǎn)，有利于降低成本。 光纖預制棒制備工藝第15頁，共25頁，2022年，5月20日，9點42分，星期四光纖預制棒制備工藝第16頁，共25頁，2022年，5月20日

10、，9點42分，星期四玻璃中的分子擴散要比晶體中的難得多，即使在2000oC，已摻入棒體中的摻雜劑也不會擴散，保持原預制棒中折射率分布。拉絲的拉制速度決定光纖的粗細2、拉絲第17頁，共25頁，2022年，5月20日，9點42分，星期四 涂敷在光纖拉絲過程中進行，當光纖向下拉制時，光纖通過（壓力）涂敷器，就可在裸纖表面均勻涂上30150m厚的熱固化硅樹脂或紫外光固化丙烯酸酯。兩次涂敷：一次涂敷（變形硅酮樹脂），形成緩沖層，保護光纖免遭引起微彎損耗的外力作用。 二次涂敷（普通硅酮樹脂），提高光纖的低溫性能和機械強度。 3、涂敷、塑封和成筒第18頁，共25頁，2022年，5月20日，9點42分，星期四

11、 塑封，便于操作和提高光纖成纜時的抗張力，增加光纖的機械強度。在涂敷的基礎(chǔ)上再套上尼龍、聚乙烯或聚酯等塑料。塑封分為：緊套和松套。成筒：將光纖繞到收絲筒上成筒。4、塑封和成筒第19頁，共25頁，2022年，5月20日，9點42分，星期四最廣泛的應用是在通信領(lǐng)域 即光導通信。自2O世紀6O年代以來，由于在光源和光纖方面取得了重大的突破，使光通信獲得異常迅速的發(fā)展。作為光源的激光，方向性強、頻率高是進行光通信的理想光源；光波頻帶寬，與電波通信相比，能提供更多的通信通路，可滿足大容量通信系統(tǒng)的要求。因此，光纖通信與衛(wèi)星通信一并成為通信領(lǐng)域里最活躍的兩種通信方式。 光纖的應用第20頁，共25頁，202

12、2年，5月20日，9點42分，星期四光纖的應用醫(yī)學上 光導纖維可以用作食道、直腸、膀胱、子宮、胃等深部探查內(nèi)窺鏡(胃鏡、血管鏡等)的光學元件，而且不必切開皮肉就可直接插入身體內(nèi)部進行手術(shù)。切除癌瘤組織的外科手術(shù)激光刀即由光導纖維將激光傳遞至手術(shù)部位。第21頁，共25頁，2022年，5月20日，9點42分，星期四在照明和光能傳送方面 利用光導纖維短距離可以實現(xiàn)一個光源多點照明。光纜照明，可利用塑料光纖光纜傳輸太陽光作為水下、地下照明。由于光導纖維柔軟易彎曲變形，可做成任何形狀，而且耗電少、光質(zhì)穩(wěn)定、光澤柔和、色彩廣泛，因此，它是未來的最佳燈具，如與太陽能的利用結(jié)合起來將成為最經(jīng)濟實用的光源。光纖的應用第22頁，共25頁，2022年，5月20日，9點42分，星期四在工業(yè)方面 可傳輸激光進行機械加工，制成各種傳