光导纤维论文PPT下载

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光导纤维简介方中元 / 微电子 / 12307130135 汇报要点概述历史分类原理应用优势材料工艺概述光导纤维（光纤），是一种利用光在玻璃或塑料制成的纤维中的全反射原理传输的光传导工具 光纤主要分2类：渐变光纤， 突变光纤。前者折射率是渐变的， 后者折射率是突变的。按光在光纤中的传输方式还分为：单模光纤， 多模光纤。单模采用激光二极管LD作光源，多模采用发光二极管LED为光源。多模光纤: 芯线粗， 传输速率低、距离短， 传输性能差， 但成本低， 一般用于建筑物内或相邻环境中单模光纤: 纤芯较细， 传输频带宽、容量大、距离长， 但需激光源， 成本较高近年又有光子晶体光纤问世。 光纤是圆柱形的介质波导，应用全反射原理来传导光线。光纤结构大致分为：里面的核心部分，外面的包覆部分。为了局限光信号于核心，包覆的折射率须小于核心的折射率。渐变光纤的折射率：从轴心到包覆，逐渐地减小；突变光纤的折射率：在核心-包覆边界区域急剧改变。 在真空，光线传播速度最快，约为 3 亿米/秒物质的折射率: 真空光速除以光线在该物质传播的速度根据定义，真空折射率是 1 折射率越大，光线传播的速度越慢通常，光纤核心的折射率是 1.48， 包覆的折射率 1.46 。所以，光纤传导信号的速度大约为 2 亿米/秒。 当移动于较高介质密度的光线，以大角度入射于核心-包覆边界时，若入射角（光线与边界面的法线之间夹角）大于临界角，则这光线会被完全反射回去光纤就是应用这种效应来局限传导光线于核心，在光纤内传播的光线会被边界反射过来，反射过去只有在某一角度范围内射入光纤的光线，才能够通过整个光纤，不会泄漏损失。这角度范围称为光纤的受光锥角，是光纤核心折射率与包覆折射率的差值的函数简单地说，光线射入光纤角度必须小于受光角的角度，才能够传导于光纤核心 多模光纤光纤核心直径较大（>10微米），其物理性质可用几何光学理论分析，称为多模光纤；用于通信用途时，线材以橘色外皮做辨识。在多模突变光纤内，当光线遇到核心-包覆边界时，若入射角>临界角，则光线被完全反射；若入射角<临界角，则光线折射入包覆，无法继续传导于核心。临界角又决定光纤的受光角，通常以数值孔径来表示大小。较高的数值孔径会允许光线，以较近轴心和较宽松的角度传导于核心，造成光线和光纤更有效率的耦合。但由于不同角度的光线会有不同的光程，较高的数值孔径也增加色散。有时较低的数值孔径更适当。渐变光纤，会使朝着包覆传导的光线，平滑缓慢地改变方向，而不是急剧地反射过去。这样，大角度光线会花更多时间，传导于低折射率区，而不是高折射率区。因此，所形成的曲线路径，会减低多重路径色散。可精心设计渐变光纤的折射率分布，使各种光 线在光纤内的轴传导速度差值极小化。 单模光纤核心直径小于传播光波长约十倍的光纤，不能用几何光学理论来分析其物理性质，须用麦克斯韦方程组分析，导出相关的电磁波方程。视为光学波导，光纤可传播多于一个横模的光波。只允许一种横模传导的光纤称为单模光纤。波导分析显示，在光纤内光波的能量，并不是全部局限于核心。令人惊讶地，特别在单模光纤里，有很大一部分能量以衰减波的形式传导于包覆。最常见的一种单模光纤（如下图），核心直径大约为 7.5–9.5 微米，专用于传导近红外线。大直径核心、多横模的光纤的物理性质，也可以用电磁波波动方程分析。所得结果，与几何光学的解析结果大致相同。多模光纤核心直径可小至 50 微米，或大至几百微米。 图示：1. 核心：直径 8 µm 2. 包覆：直径 125 µm 3. 缓冲层：直径 250 µm 4. 外套：直径 400 µm 在介质内，光纤的衰减，又称为传输损失，是指随着传输距离增加，光束（或信号）强度减低。由于现代光传输介质的高质量透明度，光纤的衰减系数的单位通常是 dB/km （每公里介质的分贝）。硅石玻纤能满足严格的规定，局限光束于内部。阻碍数字信号远距离传输的一个重要因素是衰减。光纤光学实验结果显示，光散射和吸收是光纤衰减的主要原因之一。 粗糙、不规则的表面，甚至在分子层次，也会使光线往随机方向反射，称为漫反射或光散射，其特征是多种不同的反射角。大多数物体表面的光散射，可被人类视觉侦测到。光散射跟入射光波长有关。可见光波长约 1 微米。人类视觉无法侦测到小于该尺寸的物体。光波入射于内部的边界面时，会因为不同调散射而衰减。对于结晶或多晶材料，像金属或陶瓷，除细孔外，大部分内部接口的形式乃晶界，分隔了晶粒尺寸的微小区域。材料学家发现，若能将散射中心（或晶界）的尺寸减小到低于入射光波长，则光散射的影响会减小很多。该发现引起更多有关透明陶瓷材料的研究。在光学光纤内，光散射是由分子层次的不规则玻璃结构造成。 除光散射外，光纤材料会选择性吸收特定波长的光波，造成衰减。吸收光波机制类似颜色显现机制。在电子层次，光纤材料的每种原子，其不同电子轨域的能级差，决定了光纤材料能否吸收某特定频率或频率带的光子。这些光子多属于紫外线或可见光频区。在原子或分子层次，振动频率、堆积结构、化学键强度等，共同决定了材料传输红外线、远红外线、微波等长波的能力。在设计透明光学组件前，必须知道材料的性质和限制，才能选择适当材料。材料在低频率区的晶格吸收特性，也赋予这材料对于低频率光波的透明限制。这是组成的原子或分子的热感应振动和入射光波间相互耦合的结果。因此，在红外线频区（＞ 1 微米），每种材料都要避开这些吸收区域。光波频率不匹配光纤材料的自然振动频率，会造成光波的反射或透射。当红外线光波入射于不匹配的光纤材料，部分能量会被反射或透射。 用于通信中的光纤主要是玻璃纤维，其外径约为250微米，中心通光部分为10~60微米。在医学上，光纤用于内视镜；娱乐方面，常用于音响的信号线。 频带宽损耗低重量轻抗干扰能力强，保真度高工作性能可靠成本不断下降 光纤是双重构造，核心是高折射率玻璃，表层是低折射率玻璃或塑料，光在核心部分沿“之”字形向前传输。这种纤维比头发稍粗，是一个非常惊人的技术。各国科学家创造了PCVD、MVCD、VAD法等，制成超高纯石英玻璃，特制光纤传输光的效率有非常明显的提高。较好光纤，光传输损失每公里仅0.2db。 先制做光纤预制棒，预制棒直径为几毫米至几十毫米（光棒），是光纤工艺中最重要部分。光纤内部结构就在预制棒中形成。制作光棒有多种方法，常用工艺是气相氧化法。高纯度金属卤化物的蒸汽和氧气发生反应，形成一些氧化物微粒，这些氧化物微粒沉积在玻璃或石英体表面（或管状体内壁），然后烧结形成透明玻璃棒（管状还要收缩使其成棒状）。光棒已具备光纤的基本结构，通过拉丝机拉出的裸纤就包括纤芯和包层。有些光纤品种为保护裸玻纤，使其不受光、水汽等物质污染，在光纤拉制的同时，涂上弹性涂料（被覆层）。光纤由纤芯、包层和被覆层组成，导光部分是处于轴线上的实心纤芯，包层的作用是提供一个圆柱形界面，把光线束缚在纤芯之中。 光纤拉丝：在无尘室，将光纤预制棒固定在拉丝机顶端，并逐渐加热至2000℃。光纤预制棒受热后便逐渐融化，并在底部累积液体，待其自然垂下，形成光纤。关键在于均匀加热、拉制速度的控制等。拉制技术无误时，拉出的光纤结构会与光纤预制棒的结构相同（只不过缩小很多）。光纤的直径和结构等质量参数多 与拉制速度有关，自动化的测量 监控会随时调节拉丝速度。 预制棒生产方法：国际上有10多种普遍使用、并制作优质光纤的主要4种：改进的化学汽相沉积法(MCVD)， 轴向汽相沉积法（VAD），棒外化学汽相沉积法(OVD)， 等离子体激活化学汽相沉积法 (PCVD) 商业生产的汽相沉积工艺已发展为“两步法”，其中，MCVD等名称仅表示第1步，即芯棒工艺生产芯棒，不仅制造芯、也制造部分包层，这确保光纤的光学质量第2步，在芯棒上附加外包层预制棒的光学特性主要取决于芯棒预制棒的成本主要取决于外包技术 最初在一台车床上进行包层沉积、芯沉积、熔缩成预制棒 -- “一步法” 目前，阿尔卡特将沉积与熔缩分开。沉积后，用另一台专用车床熔缩成棒，并用石墨感应炉代替氢氧焰做熔缩热源。采用大直径合成石英管代替天然水晶粉熔制的小直径石英管做衬底管，目前合成石英衬底管外直径约40mm，沉积长度1.2~1.5m。最重要的是，用各种外沉积技术取代套管法制作大预棒，如用火焰水解外包、等离子外包技术在芯棒上制作外包层，形成MCVD与外沉积工艺相结合的混合工艺。弥补传统MCVD工艺沉积速率低、几何精度差的缺点，降低成本、提高质量。 70年代，芯和包层同时沉积、烧结 80年代，先做出大直径芯棒，再拉细成多根小芯棒，再用套管法制成预制棒 --“二步法” 90年代，改用SOOT外包代替套管法，制成光纤预制棒 90年代以来， 使用VAD的厂家增多， 除日本古河、滕仓外， 信越、日立、三菱、昭和等公司从日本NTT获得使用VAD工艺许可， 并实施再开发；朗讯也从住友公司购得许可， 还与住友在美国建立VAD法合资光纤厂， 此后， 将VAD工艺引进到亚特兰大光纤厂 从单喷灯沉积到多喷机同时沉积， 沉积速率成倍提高从一台设备一次沉积一根棒，发展到一台设备同时沉积多根棒从依次沉积芯、包层连续制成预制棒的“一步法”到“二步法”， 即先用陶瓷棒或石墨棒为靶棒， 只沉积芯材料（含少量包层），做出大直径芯棒; 经去水烧结后， 拉细成多根小直径芯棒， 再用小直径芯棒沉积包层， 制成预制棒。大大提高生产率、降低成本。新型材料：光子晶体光子晶体光纤光子晶体光纤 (Photonic Crystal Fibers， PCF)，又称微结构光纤（Micro-Structured Fibers， MSF)，近年引起广泛关注，它的横截面上有较复杂的折射率分布，通常含有不同排列形式的气孔，这些气孔的尺度与光波波长大致在同一量级、且贯穿器件的整个长度，光波可被限制在低折射率的光纤芯区传播。 优点： 1. 低弯曲损耗 2. 易耦合 3. 无菲涅尔反射Qh5红软基地