光纖與光纜技術(shù)

光纖與光纜技術(shù)第一頁(yè)，共十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日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。第三節(jié)光纖原材料一、石英玻璃原材料1、材料種類(lèi)與作用石英玻璃光纖生產(chǎn)工藝過(guò)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。(不同的工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)第二頁(yè)，共十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日2、主體原材料(SiCl4)金屬鹵化物+氧/水→金屬氧化物→構(gòu)成玻璃成分。高純SiCl4→石英玻璃光纖預(yù)制棒→光纖(可見(jiàn)，SiCl4的純度直接影響光纖的傳輸性能)，為了降低光纖損耗，SiCl4必須經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的提純，除去有害的過(guò)渡金屬(Cu、Fe、Co等)離子、含氫化合物和碳?xì)浠衔锏扔泻ξ镔|(zhì)。第三頁(yè)，共十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日3、摻雜原材料(GeCl4、CCl3F3氟里昂、C2F6六氟乙烷)(1)GeCl4的作用：提高纖芯的折射率(2)CCl3F3、C2F6的作用：①降低光纖包層的折射率；

②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，有利于提高光纖強(qiáng)度，降低損耗；③在預(yù)制成棒時(shí)，作為腐蝕劑減小由于GeO2在成棒時(shí)的高溫?fù)]發(fā)而造成的中心下陷。第四頁(yè)，共十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日二、石英玻璃1、來(lái)源石英玻璃管主要早期是通過(guò)天然水晶熔制而成；目前，采用合成石英玻璃管(SiCl4高溫水解制成坯體，在經(jīng)過(guò)脫水燒結(jié)和拉管而成)。2、生產(chǎn)

SiCl4+O2→SiO2+2Cl2(1700℃)制的的二氧化硅極純

第五頁(yè)，共十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日3、熔融石英玻璃的基本物理性能

性能單位數(shù)值密度g/cm32.2軟化點(diǎn)℃1730抗拉強(qiáng)度MPa50彎曲強(qiáng)度MPa66.6抗扭強(qiáng)度MPa29.4楊氏模量EN/mm272900剪切模量GN/mm233000線(xiàn)性膨脹系數(shù)αK-15.5×10-7溫度每變化1℃材料長(zhǎng)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)變成正比，其比例系數(shù)稱(chēng)為楊氏模量

E=σ/ε

剪切應(yīng)力與應(yīng)變的比值

第六頁(yè)，共十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日特點(diǎn)：(1)耐高溫性能：軟化點(diǎn)與白金熔點(diǎn)相近；(2)熱膨脹系數(shù)?。合喈?dāng)于陶瓷的1/6，普通玻璃的1/20(3)光譜特性極佳：在紫外、可見(jiàn)到紅外有良好的透過(guò)性(4)耐酸性材料；(5)絕緣性能好、介電損耗?。焊邷仉娮柚迪喈?dāng)于普通玻璃的10000倍；(6)可制得高純的材料：金屬離子總量為10-6。

第七頁(yè)，共十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日4、性能計(jì)算已知熔融石英玻璃的密度為ρ=2.2g/cm3，楊氏模量E=72900N/mm2，線(xiàn)膨脹系數(shù)α=5.5×10-7，問(wèn)：溫度引起的光纖長(zhǎng)度的變化量？光纖長(zhǎng)度L=1km，溫度變化范圍由20℃升至40℃，即ΔT=20K；解：ΔL=αΔTL=1.1cm(2)光纖質(zhì)量？直徑d=125微米，長(zhǎng)度L=1km的無(wú)涂覆層的融融石英玻璃光纖；

解：=0.0123mm2；質(zhì)量M=ρAL=27g

第八頁(yè)，共十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日(3)光纖的應(yīng)力和應(yīng)變？直徑d=125微米，所加的張力F=424N；胡克定律σ=Eε解：應(yīng)力σ=F/A=345N/mm2，應(yīng)變?chǔ)?σ/E=4.73×10-3

第九頁(yè)，共十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日第四節(jié)材料對(duì)光纖傳輸特性的影響

一、材料對(duì)光纖衰減的影響通信光纖所用的材料是石英玻璃和摻雜石英玻璃。通信光纖的四大特性：良好的幾何特性、傳輸特性、機(jī)械特性和環(huán)境特性。傳輸衰減：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。第十頁(yè)，共十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日1、多聲子吸收玻璃是由硅氧四面體組成的三維無(wú)序結(jié)構(gòu)，SiO2的聲子吸收帶與硅氧四面體分子的基本振動(dòng)相對(duì)應(yīng)。純石英玻璃的強(qiáng)吸收帶位于9.1微米、12.5微米、21微米。純SiO2的多聲子吸收系數(shù)可由下式求得：摻雜GeO2的石英玻璃中，吸收帶并非SiO2和GeO2得吸收光譜的簡(jiǎn)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幾乎完全相同，所不同的是摻雜GeO2的石英玻璃吸收光譜峰值向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向偏移。

第十一頁(yè)，共十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日2、紫外吸收和拖尾

拖尾：在吸收光譜中，峰尾需要很長(zhǎng)時(shí)間才好回到基線(xiàn)，導(dǎo)致峰的左右不對(duì)稱(chēng)。在石英玻璃的紫外反射光譜中，10.2eV、11.7eV、14.0eV、17.3eV四個(gè)吸收帶。摻雜石英玻璃的紫外吸收峰波長(zhǎng)比石英玻璃的紫外吸收峰的波長(zhǎng)要長(zhǎng)，所以可以變換摻雜元素的種類(lèi)和數(shù)量可改善摻雜石英玻璃的吸收拖尾。GeO2含量的增加→拖尾向更長(zhǎng)的波長(zhǎng)區(qū)域遷移。紫外系數(shù)：

第十二頁(yè)，共十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日3、雜質(zhì)吸收(1)過(guò)渡金屬過(guò)渡金屬：Fe、Cu、Ni、Mn、Co、Cr、V、Pt

過(guò)渡金屬元素具有α電子結(jié)構(gòu)→α電子躍遷→吸收損耗來(lái)源：石英玻璃的原料中第十三頁(yè)，共十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日(2)氫氧根表31×10-6水而引起的吸收損耗和波長(zhǎng)的關(guān)系波長(zhǎng)/微米衰減/(dB/km)0.680.0040.720.070.820.040.880.090.951.01.130.111.242.81.3866.31.9010.32.222602.7210000增大第十四頁(yè)，共十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日

由表可見(jiàn)：在0.95微米的吸收損耗為1.0dB/km；在1微米以上，氫氧根引起的吸收損耗急劇增加，1.38微米處為65dB/km；對(duì)于波長(zhǎng)為1.0～1.35微米和1.45～1.8微米兩個(gè)波段的吸收損耗影響最大，所以工作波長(zhǎng)為1.28～1.625微米低損耗的單模光纖，必除水分。

第十五頁(yè)，共十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日二、折射率1、色散模式色散、材料色散、波導(dǎo)色散；2、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長(zhǎng)的延長(zhǎng)而呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。(1)溫度與折射率的關(guān)系光脈沖通過(guò)長(zhǎng)度為L(zhǎng)的光纖的時(shí)延：

N—光線(xiàn)材料折射率C—光速第十六頁(yè)，共十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日對(duì)T求導(dǎo)得：

(2)光纖溫度時(shí)延漂移常數(shù)Kf：?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度、單位溫度的間隔時(shí)延變化量第十七頁(yè)，共十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日作業(yè)：設(shè)玻璃光纖的熱膨脹系數(shù)為5.5×10-7/℃，SiO2材料在1310nm處的折射率為1.46，折射率隨溫度的變化大約為1×10-