光纤材料与光纤通信专用课件.ppt

光纤材料与光纤通信 机材学院A1041 11012020115 褚小菲 目录 简介 一 光纤定义及成分 二 工作原理 三 光纤种类 四 光纤优点 五 光纤结构 六 光纤通信的发展历史 七 光纤技术的发展前景 一 光纤定义及成分 光纤是光导纤维的简写，是一种利用光在玻璃或塑料制成的纤维中的全反射原理而达成的光传导工具。一般由纤芯、包层和涂敷层构成的多层介质结构的对称圆柱体。 目前通信用的光纤，主要是石英系光纤，其主要成分是高纯度的SiO2。 如果在石英中掺入某些杂质，使其折射率高于SiO2,即形成光纤的纤芯。同样如果在石英中掺入折射率低于石英的掺杂剂， 即成为包层。 纤芯中广泛应用的掺杂剂为二氧化锗（GeO2）、五氧化二磷(P2O5)等， 而包层中主要的掺杂剂为三氧化二硼（B2O3）、氟（F）等 ? 光导纤维的制造工艺简介 光纤是由圆柱形的预制棒拉制而成的，因而光纤的生产工艺主要包括制造圆柱形预制棒和拉丝工艺。 预制棒的制造方法主要有化学汽相沉积法，如改进的化学汽相沉积法MCVD (Modified Chemical VapoDeposition)。 MCVD是目前使用最广泛的预制棒生产工艺。 MCVD法生产光纤预制棒的基本原理是用氧气按特定的次序将SiO2、GeCl4、BCl3送入旋转的高纯硅管中，硅管维持较高的温度，使硅和掺杂元素(Ge、 B等)按受控方式产生化学反应。反应的产物均匀沉积在硅管的内壁，随着沉积不断产生，中空的硅管逐渐被封闭。 SiCl4+O2 → SiO2+2Cl2↑ 4BCl3+3O2→2B2O3+6Cl2↑ 最后沉积光纤的纤芯， 其氧化反应过程为： SiCl4+O2→ SiO2+2Cl2↑ GeCl4+O2→GeO2+2Cl2 二 工作原理 光导纤维是由两层折射率不同的玻璃组成。一般内芯玻璃的折射率比外层玻璃大1%，根据光的折射和全反射原理，当光线射到内芯和外层界面的角度大于产生全反射的临界角时，光线透不过界面，全部反射。这时光线在界面经过无数次全反射，以锯齿状路线在内芯向前传播，最后传至纤维的另一端。 光纤主要有两项特性：损耗和色散。 光纤每单位长度的损耗或者衰减，关系到光纤通信系统传输距离的长短和中继站间隔的距离的选择。 光纤的色散反应时延畸变或脉冲展宽，对于数字信号传输由为重要。每单位长度的脉冲展宽，影响到一定传输距离和信息传输容量 光纤通信基本理论：光在光线中的全反射 n1sinθ1=n2sinθ2若要实现全反射，则必须有n1n2， θ2=900 入射临界角θarcsin(n2/n1) 三 光纤种类 光纤的种类有很多种，分类方法也各不相同，常见的有三种方法 ①按材料分为：石英光纤、多组分玻璃光纤、塑料光纤、液芯光纤。 ②按传输模式分：中心玻璃芯较粗、单模光纤。 ③按光纤折射率分布分：阶跃折射率光纤、渐变折射率光纤、W型光纤。 四 光纤优点 与电缆或微波等电通信方式相比，光纤通信的优点如下 ①传输频带极宽，通信容量很大； ②由于光纤衰减小，无中继设备，故传输距离远； ③串扰小，信号传输质量高； ④光纤抗电磁干扰，保密性好； ⑤光纤尺寸小，重量轻，便于传输和铺设； ⑥耐化学腐蚀； ⑦光纤是石英玻璃拉制成形,原材料来源丰富，并节约了大量有色金属。 除以上特点之外,还有光纤径细、重量轻、柔软、易于铺设;光纤的原材料资源丰富,成本低;温度稳定性好、寿命长。由于光纤通信具有以上的独特优点,其不仅可以应用在通信的主干线路中,还可以应用在电力通信控制系统中,进行工业监测、控制,而且在军事领域的用途也越来越为广泛。 五 光纤结构 光纤的典型结构是一种细长多层同轴圆柱形实体复合纤维。 自内向外为：纤芯（芯层）-→包层-→涂覆层（被覆层）。核心部分为纤芯和包层，二者共同构成介质光波导，形成对光信号的传导和约束，实现光的传输，所以又将二者构成的光纤称为裸光纤。 涂覆层又称被覆层，主要对裸光纤提供机械保护，可分为一次涂层和二次涂层 纤芯（芯层）： 光纤的纤芯主要由具有高折射率（记为n1）的导光材料制成，如：SiO2光纤芯层材料多为SiO2--GeO2。它的作用是传导光，使光信号在芯层内部沿轴向向前传输； 包层： 光纤的包层由低折射率（记为n2）导光材料制成（折射率较纤芯低），如：SiO2光纤包层材料多为SiO2—B2O3或SiO2—P2O5。它的作用是约束光。由于纤芯和包层的折射率，满足n1n2光传导条件，光波在芯包界面上可发生全反射，使大部分的光能量被阻止在芯层中，从而导致光信号沿芯层