光纤原材料光纤与光缆技术.ppt

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第三章 光纤原材料 第三节 光纤原材料 第四节 材料对光纤传输特性的影响 * * 目前制造通信光纤和光器件的光纤材料有:石英玻璃、塑料、光子晶体和掺稀土元素的石英玻璃。 第三节 光纤原材料 一、石英玻璃原材料 1、材料种类与作用 石英玻璃光纤生产工艺过程包含有许多具体的工艺步骤:芯棒制造、外包层、拉丝和涂覆。(不同的工艺阶段采用不同的材料,同一种材料在不同的工艺阶段要求也不同) 2、主体原材料(SiCl4) 金属卤化物+氧/水→金属氧化物→构成玻璃成分。 高纯SiCl4→石英玻璃光纤预制棒→光纤(可见,SiCl4的纯度直接影响光纤的传输性能),为了降低光纤损耗,SiCl4必须经过严格的提纯,除去有害的过渡金属(Cu、Fe、Co等)离子、含氢化合物和碳氢化合物等有害物质。 3、掺杂原材料(GeCl4、CCl3F3氟里昂、C2F6六氟乙烷) (1)GeCl4的作用:提高纤芯的折射率 (2) CCl3F3、C2F6的作用: ①降低光纤包层的折射率; ②作为沉积反应管内表面的腐蚀抛光剂,使石英玻 璃管内表面光滑、清洁、干燥,有利于提高光纤 强度,降低损耗; ③在预制成棒时,作为腐蚀剂减小由于GeO2在成棒 时的高温挥发而造成的中心下陷。 二、石英玻璃 1、来源 石英玻璃管主要早期是通过天然水晶熔制而成;目前,采用合成石英玻璃管(SiCl4高温水解制成坯体,在经过脱水烧结和拉管而成)。 2、生产 SiCl4+O2→SiO2+2Cl2(1700℃) 制的的二氧化硅极纯 3、熔融石英玻璃的基本物理性能 5.5×10-7 K-1 线性膨胀系数α 33000 N/mm2 剪切模量G 72900 N/mm2 杨氏模量E 29.4 MPa 抗扭强度 66.6 MPa 弯曲强度 50 MPa 抗拉强度 1730 ℃ 软化点 2.2 g/cm3 密度 数值 单位 性能 温度每变化1℃材料长度变化的百分率 胡克定律:在物体的弹性限度内,应力与应变 成正比,其比例系数称为杨氏模量 E = σ / ε 剪切应力与应变的比值 特点: (1)耐高温性能:软化点与白金熔点相近; (2)热膨胀系数小:相当于陶瓷的1/6,普通玻璃的1/20 (3)光谱特性极佳:在紫外、可见到红外有良好的透过性 (4)耐酸性材料; (5)绝缘性能好、介电损耗小:高温电阻值相当于普通玻 璃的10000倍; (6)可制得高纯的材料:金属离子总量为10-6。 4、性能计算 已知熔融石英玻璃的密度为ρ=2.2g/cm3,杨氏模量E=72900N/mm2,线膨胀系数α=5.5×10-7,问: 温度引起的光纤长度的变化量?光纤长度L=1km,温 度变化范围由20℃升至40℃,即ΔT=20K; 解:ΔL=αΔTL=1.1cm (2)光纤质量?直径d=125微米,长度L=1km的无涂覆层 的融融石英玻璃光纤; 解: =0.0123mm2;质量M=ρAL=27g (3)光纤的应力和应变?直径d=125微米,所加的张力F=424N; 胡克定律σ=Eε 解:应力σ=F/A=345N/mm2,应变ε=σ/E=4.73×10-3 第四节 材料对光纤传输特性的影响 一、材料对光纤衰减的影响 通信光纤所用的材料是石英玻璃和掺杂石英玻璃。 通信光纤的四大特性:良好的几何特性、传输特性、机械特 性和环境特性。 传输衰减:本证损耗:多声子吸收、紫外吸收损耗; 非本征损耗:杂质吸收、光纤波导结构不够完善等。 1、多声子吸收 玻璃是由硅氧四面体组成的三维无序结构,SiO2的声子吸收带与硅氧四面体分子的基本振动相对应。纯石英玻璃的强吸收带位于9.1微米、12.5微米、21微米。 纯SiO2的多声子吸收系数可由下式求得: 掺杂GeO2的石英玻璃中,吸收带并非SiO2和GeO2得吸收光谱的简单叠加,而吸收光谱更宽且更分散,掺杂10wt%的石英玻璃吸收光谱与非掺杂石英玻璃吸收光谱几乎完全相同,所不同的是掺杂GeO2的石英玻璃吸收光谱峰值向长波长方向偏移。 2、紫外吸收和拖尾 拖尾:在吸收光谱中,峰尾需要很长时间才好回到基线, 导致峰的左右不对称。 在石英玻璃的紫外反射光谱中,10.2eV、11.7 eV、14.0 eV、17.3 eV四个吸收带。 掺杂

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