光学材料和基础.ppt

光纤材料 20世纪60年代发现了激光，这是人们期待已久的信号载体。要实现光通讯，还必须有光元件、组件及信号加工技术和光信号的传输介质。 1966年英国标准电信实验室(STL)的中国科学家高锟(K．C．Kao)发表论文，论证了把光纤的光学损耗降低到20dB／km以下的可能性（当时光纤的传输损耗约为1000dB／km），预测光纤通讯的未来，被誉为光纤通讯的先驱。 1970年，美国康宁玻璃公司拉制出世界第一根低损耗光纤，这是一根高二氧化硅玻璃光纤，长数百米，损耗低于20dB／km(降低为1966年光纤损耗的1/50)。十多年后，高二氧化硅玻璃光纤的损耗又降低了两个数量级，约为0.2dB／km，几乎达到了材料的本征光学损耗。 然而，多组分玻璃光纤因其材料难以提纯，以及此类玻璃的均匀性差，而使光纤的最低损耗仍相当大，约为4dB／km。近20年，各种各样的光纤层出不穷，除了通信用多模、单模光纤外，近年来又出现各种结构不同高双折射偏振保持光纤、单偏振光纤，以及各种光纤传感器用的功能光纤、塑料光纤等。光纤的最初应用是制作医用内窥镜，但其大量地应用仍在通信方面，现在已成为通讯的重要网络。许多国家建造了光纤通信系统，横跨大西洋、太平洋的海底光缆已投入使用，使全世界进入信息时代。 图6-1为为光纤通讯过程示意图。 图6-1 光纤通讯过程示意图 光纤通讯发展如此之快的原因是由于它具有一些优点，如传输损耗低，频带宽；小的尺寸和弯曲半径及重量轻等，使它在飞机、轮船、拥挤的城市地下管道的应用都具有优越性。由于是介电波导，可以避免许多问题，如辐射干涉等。因为光纤损耗恒定，所以可以很容易满足系统高参量传输的需要，特别是对传送声、数据和图象信号。另外，光纤不只是作为通讯载体介质，还可以作为传感器材料，在各学科领域都得到应用。有人估计飞机上的测试设备及自动驾驶系统都可实现光控过程，以减轻重量、小型化，并使信息传递必威体育官网网址性更好，比电控更具优越性。 6.1.1 光纤构成及分类 光纤是用高透明电介质材料制成的非常细(外径约为125~200 μm)的低损耗导光纤维，它不仅具有束缚和传输从红外到可见光区域内的光的功能，而且也具有传感功能。一般通信用光纤的横截面的结构如图6-2所示。 图6-2 光纤横截面结构示意图 （a）光纤 （b）三层结构心线 光纤本身由纤芯和包层构成，见图6-2(a)，纤芯是由高透明固体材料(如高二氧化硅玻璃，多组分玻璃、塑料等)制成，纤芯的外面是包层，用折射率较低(相对于纤芯材料而言)的有损耗(每公里几百分贝)的石英玻璃、多组分玻璃或塑料制成。这样就构成了能导光的玻璃纤维—光纤，光纤的导光能力取决于纤芯和包层的性质。 上述光纤是很脆的，还不能付诸实际应用。要使它具有实用性，还必须使它具有一定的强度和柔性，采用图6-2(b)所示的三层芯线结构。在光纤的外面是一次被覆层，主要目的是防止玻璃光纤的玻璃表面受损伤，井保持光纤的强度。因此，在选用材料和制造技术上，必须防止光纤产生微弯或受损伤。 通常采用连续挤压法把热可塑硅树脂被覆在光纤外而制成，此层的厚度约为100~150μm，在一次被覆层之外是缓冲层，外径为400μm，目的在于防止光纤因一次被覆层不均匀或受侧压力作用而产生微弯，带来额外损耗。因此，必须用缓冲效果良好的低杨氏系数材料作缓冲层，为了保护一次被覆层和缓冲层，在缓冲层之外加上二次被覆层。二次被覆层材料的杨氏系数应比一次被覆层的大，而且要求具有小的温度系数，常采用尼龙，这一层外径常为0.9mm。 光纤芯部的材料一般是非晶态的SiO2、掺杂GeO2、P2O5等。根据设计变化成分取得必要的折射率。包覆层的折射率要与芯部材料匹配，以改善强度，降低污染，减少光的散射损失。 光纤按芯部折射率变化来分类，有突变(阶跃)光纤和渐变(梯度)光纤两大类，见图6-3。 图6-3 光纤的种类和光的传播 （a）阶跃型多模光纤（SI光纤） （b）度型多模光纤（GI光纤） （c）单模光纤（SM光纤） 阶跃型多模光纤和单模光纤的区别仅在于，后者的芯径和折射率差都比前者小。设计时，适当地选取这两个参数，以使得光纤中只能传播最低模式的光，这就构成了单模光纤。阶跃型多模光纤和单模光纤的折射率分布都是突变的，纤芯折射率均匀分布具有恒定值nl，而包层折射率则为稍小于n1的常数n2，n (r)可表示为： 其中，r为离纤芯纵轴的径向坐标，a为纤芯半径。 在梯度光纤中，纤芯折射率的分布是径向坐标的递减函数，而包层折射率分布则是均匀的，可用下式表示 ： 其中g为幂指数，一般取2。 按材料种类分，可以有玻璃光纤、