第3章光纤特性测量2选读.ppt

2.1 光波基础、光与介质的相互作用 2.1.1 光波基础 光的两种特性： 1、光的波动性： 光是一种电磁波，具有反射、折射、衍射、干扰、衰减等特性。单频光称为单色光。 光波用频率（波长）、传播速率来描述。 2、光的粒子性： 光可用粒子数来描述，单色光的最小单位是光子。可用能量方程来描述： 能量方程 E=hf （h=6.62*10-34) 光在不同的介质中有不同的传输速度，在真空中以最大的速度直线传输，光子能量可用爱因斯坦方程描述： E=mc2 2.1.2 光与介质的相互作用 1、反射定理： 2、折射定理： 3、全反射：但n1n2时，只有反射光，无折射光时，为全反射。 从射线光学的角度看，光纤是一种利用全反射原理进行光信号传递的导波介质。φ0被称为临界角。 4、光在两种均匀介质分界面上的行为如图2.1所示∶ 可见： 当入射角大于临界角时，光由两介质的界面全部反射回原介质，这种现象称为全反射。在全反射情况下，光能无损失地返回原介质。显然，只有当光从折射率大的介质进入折射率小的介质时n1n2 ，才能产生全反射。 光纤就是依据全反射原理构造的一种光波导，为了将光信号封闭在光纤中传输，根据全反射原理，光纤从纤芯到纤芯外部，折射率应有某种递减的规律，以保证全反射现象的出现。 上图为一种最基本的光纤结构，这种光纤称为阶跃光纤，其纤芯折射率n1大于包层折射率n2。光纤横截面上折射率分布如下式： 2.2.2光纤类型 分类： ? 折射率分类：阶跃型光纤（SI）；渐变型光纤（GI） ? 模式分类：多模光纤（MM）；单模光纤（SM） ? 材料分类：石英；塑料；液体 ? 波长分类：短波长和长波长（0.85，1.31or1.55?m） ? 特种光纤：EDF掺铒光纤；DCF色散补偿光纤；保偏光纤 重要组合（MM-GI）多模渐变和（SM-SI）单模阶跃 2.2.3 光纤材料及制造工艺 光纤材料 目前通信用光纤主要是用高纯度的玻璃材料制成的。按玻璃内所含化学元素组分的不同，大体上可分为以石英玻璃（SiO2）为主的石英系光纤和普通的多组分玻璃光纤两类。普通的多组分玻璃是在SiO2中含有较多成分的碱金属氧化物和硼、铝等氧化物。它的熔融温度比石英玻璃低得多，制造成光纤后的抗拉强度也低得多。因而目前通信中主要使用的是石英光纤。下面结合石英光纤介绍光纤的制造工艺。 制造工艺 包括预制棒和拉丝。 制造光纤时，一般先熔制出一根合适的玻璃棒。如图2.7所示。以制造阶跃光纤为例，玻璃棒的包层和纤芯的主体材料都是石英玻璃，即透明的SiO2。石英玻璃的折射率为1.458。欲使光在光纤纤芯中传输，必须使纤芯的折射率稍高于包层的折射率。为此，在制造纤芯玻璃时均匀地掺入少量的比石英折射率稍高的材料，而制造包层玻璃时均匀地掺入少量的比石英折射率稍低的材料，这样就制成了拉制纤维的原始棒体材料，通常把它叫做光纤的预制棒。 然后将预制棒放入高温拉丝炉中加温软化，以相似比例的尺寸拉成线径很小的又长又细的玻璃丝。这种玻璃丝中的芯和包层的厚度比例及折射率分布与原始的光纤预制棒的完全一样，这种玻璃丝就是我们所说的光纤。 1 ）光纤预制棒的制造工艺 主要有管内化学气相沉积法和管外化学气相沉积法。管内化学气相沉积法是目前制造高质量石英光纤比较稳定可靠的方法，通常被叫做改进的化学气相沉积法（MCVD法）。它的特点是在石英反应管内沉积内包层和芯层的玻璃，整个系统是处在封闭的超提纯状态下，所以用这种方法制得的预制棒可以生产高质量的单模和多模光纤。 MCVD法制造光纤预制棒的示意图如图2.8所示。制造过程分两步： 第一步，先熔制光纤的内包层玻璃，内包层玻璃的折射率要比石英折射率稍低。选用液态的四氯化硅（SiCl4）作为主体材料，选用氟利昂（CF2Cl2）、六氟化硫（SF6）、四氟化二碳（C2F4）等低折射率材料作为掺杂的试剂。把一根外径18~25mm，壁厚1.4~2mm的石英反应管夹在玻璃车床上。用超纯氧气（O2）和氩气（Ar）作为载运气体通过SiCl4和掺杂试剂的蒸发瓶后，含有SiCl4、CF2Cl2等物质的载运气体就一起导入石英反应管。 当玻璃车床旋转时，用1400~1600℃的高温氢氧火焰加热石英反应管的外壁，这时，管内的SiCl4和CF2Cl2等试剂在高温下起氧化反应： SiCl4+O2 SiO2+2Cl2↑