2.2-光学玻璃纤维

2.4光学玻璃纤维2.4.1概述上世纪70年代，低损耗石英光学纤维的制造成功，使光信号的远距离传输（光纤通信）进入实用化阶段。（被认为是上世纪的最大发明之一）。与利用电流通过铜线进行通信的方式相比，光纤通信的容量大（一根光纤可传送铜线100～1000倍的通信量）、无杂音（因电磁感应而引起）、无短路现象，是一种廉价、轻便、保密的全新通信方式。光通信简单地表示如下：信息（声音或图像）→电信号→光信号→电信号→信息用光纤传送的光波主要是由GaAs或者GaAlP等半导体激光器发射出的0.85um，1.3um，以及1.6um等单色光，所以，半导体激光器的开发也对光通信的发展起了重要作用。2.4.2光学纤维的结构和种类1、结构光学纤维一般都是由芯子与包层两部分组成。芯子是由高折射率的石英玻璃或多组分光学玻璃制成的，包层是由低折射率的玻璃或塑料制成的。为了保护光学纤维不受损坏，最外面再加一层塑料套管。从光学纤维内部折射率的分布情况看，其结构主要有两种：阶跃型光纤：芯子与包层间折射率的变化是阶梯状的，入射光线进入光纤后在芯子与包层的界面上产生全反射，呈锯齿状曲折前进。梯度型光纤：芯子的折射率从中心轴线开始沿着径向逐渐减小，因此，入射光线进入光纤后，偏离中心轴线的光将呈曲线路径向中心集束传输，故梯度型光纤又称聚焦型光纤。梯度型光纤中折射率的分布大致以抛物线状为最佳，光束传输时，形成周期性的会聚和发散，呈波浪式前进。3.光纤种类光纤的分类用途折射率分布传输模式芯子材料包层材料通光波段传输信息（光通信纤维）阶跃型梯度型单模多模石英玻璃多组分玻璃石英玻璃多组分玻璃紫外（1000埃）近红外传输能量（导光纤维）晶体塑料0.85－1.55um全塑料中红外2－10.6um在石英系列玻璃中，要制备比纯SiO2玻璃折射率小的玻璃，一般通过在SiO2中加入B2O3或F，而要获得比纯SiO2玻璃折射率大的玻璃则通过在SiO2中加入GeO2或P2O5。2.4.3光学纤维的传输特性1、光学纤维的传输模式光学上把具有一定频率、一定偏振状态和传播方向的光波叫做光波的一种模式（波型）。若一种光纤只允许传输一个模式的光波，则称它为单模光纤；如果一种光纤允许同时传输多个模式的光波，就称它为多模光纤。多模光纤直径为几十至上百微米，与光波的波长相比大得多，因此，许多模式的光波进入光纤后都能满足全反射条件，在光纤中得到正常的传输。在光纤的输出端可以看到光强度分布的不同花样，即在输出端出现多个亮斑，一个亮斑就代表多模光纤所传输的一种模式的光波。多模光纤的传输频带主要受到模式色散的限制，传输的信息量不大。（模式色散指不同模式的光脉冲在光纤中传播速度不同所产生的传输时间差，将造成光脉冲形状的改变）单模光纤的直径非常细，只有3～10um，同光波的波长相近。在这样细的光纤中，只有沿着光纤轴线方向传播的一种模式的光波满足全反射条件能得到正常传输，其余模式的光由于不满足全反射条件而在光纤中传输一段距离后很快被淘汰。单模光纤不存在模式色散，传输频带比多模光纤宽，传输的信息量大，在大容量、长距离光纤通信中单模光纤具有很好的应用前景。但单模光纤直径太细，制造工艺要求高，使用还不普遍。而多模光纤直径较粗，制造工艺比单模光纤简单，使用中光纤的连接与耦合也容易得多，所以在光通信中广泛使用的大多是多模光纤。（现在，通过对多模光纤折射率断面的设计，可以使其模式色散显著降低，从而使其传输频带特性得到改善。）2、光学纤维的损耗特性光纤通信能够成为现实，是与玻璃制造上的缺陷完全被除去使玻璃本身达到高纯化，以致在通过数公里长的光纤时，光能无损耗地传送分不开的。人们或许会想，玻璃本来就是透明的，很容易透过光线，只要将玻璃制成纤维就可以得到像电话线那样使用的光纤。但是，玻璃为透明的常识只能适用于眼镜片或窗玻璃等几毫米厚的玻璃、或者是棱镜等最大1～20cm厚度的玻璃制品，而对于像电话线那样以km为单位的长距离来说，通常所制造的玻璃是完全不透明的。即使是没有内部缺陷的表面看起来非常透明的窗玻璃，在厚度达到30cm左右时，透过光的强度就要减小到入射光的一半，厚度达到10m时，则光强度减小到百亿分之一。质量最高的光学玻璃在厚度达到10m时，透过光强度也要减小到1/4，厚度达到100m时，则减小到百万分之一。相对于这些普通玻璃制品，光纤的损耗却非常小，在经过1km长的光纤后，光强度还可以剩下50～90％。光学纤维的传输损耗以下面的dB（分贝）/km单位来表示。10损耗（dB/km）＝——log10（I0/I）LL是以km为单位的纤维长度，强度为I0的光在光纤中传输1km之后强度减小到I时，它们之比I0/I的对数的10倍为1dB/km。例如，损耗为2dB/km时，利用上式计算，可知在传输1km之后光强度还剩下60％，如果损耗为0.5dB/km时，则光强度还剩下90％左右。因为实际的光纤中存在着各种损耗，使光强度逐渐衰减。光纤的损耗可归纳成两种类型：（1）吸收损耗。包括本征吸收和杂质吸收两部分。a.本征吸收是介质的原子或离子中的电子跃迁引起的紫外吸收和分子振动引起的红外吸收。b.杂质吸收是由于介质中存在杂质（如OH－、金属离子等）引起的选择吸收。氢氧根（OH－）杂质吸收是比较重要的，其基本吸收波长为2.7um，二次谐波吸收波长为1.38um，三次谐波吸收波长为0.94um。当在光纤制造中混入的氢氧根量达到1ppm(10-6)时，在1.38um处的最大损耗将高达100dB/km，在0.94um处为1dB/km。对超低损耗的光纤，氢氧根的含量要控制在几十ppb(10-9)以下。（2）散射损耗（光从光纤中逃掉）,包括a.本征散射（即瑞利散射）、本征散射是指在物质中光的分子散射。介质分子中的电子在光波电磁场作用下发生振动，振动电子又发出次波。这个次波就是散射光。瑞利指出，次波光的强度与波长四次方成反比，即短波的散射占优势。b.光纤结构不完善（如芯子与包层间界面不完善）引起的散射损耗c.由于材料中的条纹、气泡、析晶等引起的缺陷散射。在高纯光纤中，光损耗主要由瑞利散射、红外吸收、氢氧根杂质吸收所引起。2.4.4光学纤维的制造方法1、石英玻璃光纤的制造为了降低石英光纤的内部损耗，目前都采用化学气相沉积（CVD）法制取高纯度的石英预制棒，再拉丝。光纤预制棒生产方法是：用超纯氧气作载体，把超纯原料气体四氯化硅（SiCl4）和掺杂剂四氯化锗（GeCl4）、三溴化硼（BBr3）、三氯氧磷（POCl3）等气体输送到以氢氧焰作热源的加热区。混合气体在加热区发生气相反应，生成粉末状二氧化硅及添加氧化物。继续升温加热，使混合粉料熔融成玻璃态，制成超纯玻璃预制棒。光纤预制棒然后，把预制棒从一端开始加热至1600℃左右，（加热方式可采用高频感应加热、电阻加热、氢氧焰加热等）使料棒熔化，同时进行拉丝。纤维的外径由牵引机自动调节控制，折射率可通过添加氧化物的浓度加以调节。有三种生产方法：a.内沉积法（预制棒纯度高，是生产主要方法）b.外沉积法c.轴向沉积法（后两种方法易混入氢氧根杂质使损耗增大，但光纤尺寸易控制、精度高，适合于大批量生产。）2、多组分玻璃光纤的制造多组分玻璃光纤的的成分除石英外，还有Na2O、K2O、CaO、B2O3等其它氧化物。采用双坩埚法制造：坩埚是尾部带漏管的内外两层铂坩埚同轴套在一起所组成。多组分玻璃料经过仔细提纯，芯料玻璃放在内层坩埚里、包层玻璃放在外层坩埚里。玻璃料经加热熔化后从漏管中流出。坩埚下方有一个高速旋转的鼓轮，将熔融玻璃拉成一定直径的细丝。漏孔的直径大小和漏管的长度，决定着芯子的直径与包层厚度的比值。如果把漏管加长，使芯子与包层材料在高温下接触，通过离子交换，能形成折射率呈梯度分布的结构。通过调节炉温及拉丝速度，可控制纤维的总直径。多组分光纤的优点是熔化温度低、适合连续大批量生产；缺点是生产过程中易混入过渡金属离子和氢氧根等杂质，故制成的光纤内部损耗比较大（约几dB/km）。2.4.5光纤的应用1、信息传输（1）光纤通信的优点：信息容量大、体积小、重量轻、抗干扰能力强、保密性好、价格低廉。（2）应用：电话通信、军事、数据通信、共用天线电视、工业控制、计算机网络连接等2、能量传输（称为导光纤维：将低损耗光纤作为一种光能的的传输介质）：医学方面光学内窥镜、激光手术刀和激光治疗仪中的导光介质；激光加工设备的导光介质；将太阳能通过光纤传到太阳照不到的地方，进行植物光合作用的研究等等。注意：对导光纤维与光通信纤维的要求有所不同。导光纤维希望尽最大能力传输更多的能量，只要光能低损耗地通过光纤，对光的传输方向、传输时间上的差异等传输常数的变化由于不影响光能的传输，可以不加考虑，故其直径较大（0.5～1mm）、损耗要求也低一些（如几百至一千分贝/公里）。光通信纤维除了要求光纤损耗极低外还要求传输常数的变化尽量小。即用于光信息传输用的低损耗光纤，大多数都可直接用到光能输出上去。3、计量仪器（光纤特点：安全、不受电磁场干扰、强度高、耐化学腐蚀）：光纤温度传感计、光纤液位传感计、光纤电流计等。2.4.6发展中的新型光纤――红外光纤发展2～10.6um红外光纤的意义：a.进一步降低光纤的传输损耗，实现无中继站的远距离通信；b.配合高功率激光器（数千甚至上万千瓦）的能量输出（要求10.6um波段能量传输）。1、重金属氧化物玻璃光纤GeO2GeO-Sb2O3TeO2-(WO3/BaO)-(TaO,Bi2O3/ZnO,PbO)等2、卤化物玻璃光纤BeF2BeF2-CaF2-YF3-AlF3ZnCl2等3、硫系玻璃光纤指以S、Se、Te等元素为主体的单元或多元玻璃态化合物。As-SGeS3Se55Ge30As15GeSe3等。本章思考题1、激光器对激光玻璃有哪些基本要求？2、光纤的光损耗是由哪些因素引起的？