Chapter 8 光導纖維

1. Chapter 8光導纖維 本章大綱 8.1導波光學原理 8.2光學纖維結構傳輸特性 8.3光學纖維的製備方法 8.4玻璃光纖 8.5塑料光纖與晶體光纖 8.6光學纖維的應用

2. 光導纖維 • 20世紀70年代，世界上幹線通信使用的標準同軸管，每管質量達200kg/km。有色金屬和其他材料的消耗很大，每話路公里成本相當高。 • 1966年，英籍華人高琨博士發表了改進材料的純度可將氧化物光學纖維(Oxide Glass Fibers)損耗減少到20dB/km左右的論文。 • 美國康寧公司首先在1970年用氣象沉積法拉製出長200m，損耗為20dB/km的石英纖維，這是世界上製成的第一根有實用價值的單模光纖。 • 作為信息傳輸媒體的二氧化矽系玻璃製成的光纖，每公里質量才27g，減輕到中同軸管的數千分之一。以二氧化矽系材料製成的光纖不僅不需消耗任何有色金屬，而且質量極輕、傳輸損耗小、不受外界電磁干擾、保密性強。

3. 8.1導波光學原理8.1.1光在兩種介質界面上的折射與反射8.1導波光學原理8.1.1光在兩種介質界面上的折射與反射 • 有一束光投射到折射率(refractive index)分別為n1和n2的兩種介質的介面上時(設n1>n2)，入射光將分為反射光和折射光。入射光θ1與折射角θ2之間服從光的折射定律 • (8-1) • 由上式可知，當入射角θ1逐漸增大時，折射角θ2也相應增大。當時，折射角，這時入射光線全部返回到原來的介質中去，這種現象叫做光的全反射(total reflection)。此時的入射角叫做臨界角(critical angle) 圖8-1　光的全反射

4. 8.1.2光學纖維中光的傳送 • 在光學纖維中，光的傳送就是利用光的全反射原理。光學纖維通常都是由高折射率的芯子和低折射率的包層所組成。當入射進光纖芯子中的光與光纖軸線的交角小於一定值時，光線在界面上發生全反射。這時，光將在光纖的芯子中沿鋸齒狀路徑曲折前進，但不會穿出包層。這樣就完全避免了光在傳輸過程中的折射損耗，如圖8-2所示。 圖8-2　光在光學纖維中的傳輸路徑

5. 8.1.3數值孔徑與歸一化頻率V • 數值孔徑(numerical aperture，NA)是表示光纖接收來自光纖端面的入射光能力的參數。數值孔徑用光纖能夠接受的光線的最大角度θmax的正弦來表示 • 相對折射率差 • 歸一化頻率(normalization frequency)V是確定光纖傳輸模式的參數，是由纖芯半徑α，光波長λ及纖芯材料的折射率n1來決定的: • 對於梯度折射率型光纖來說，事中的n1用n0代替。多模光纖能夠傳輸的模式總數N，在V值較大時，近似地有: • 例如將光纖的半徑α相對折射率差Δ不斷減小，則在某一波長以下，只有基模存在，這樣的光纖稱為單模光纖。

6. 圖8-3　光纖的進光特性

7. 折射率分佈 傳輸模式 芯子材料 包層材料 通光波段 傳輸信息 階躍型 單模 石英玻璃 石英玻璃 紫外(1000Å) （光通信纖維） 梯度型 多模 多組分玻璃 多組分玻璃 近紅外 傳輸能量 晶體 塑料 0.85~1.55m （導光纖維） 全塑料 中紅外 2~10.6m 8.1.4光學纖維的種類 • 光纖中的傳輸光的應用的目的、光纖的折射率分佈、傳輸模式、芯子材料、包層材料等項目進行分類可列成表8-1。 用途 表8-1　光纖的分類

8. 石英系 多組分玻璃 石英芯子塑料包層 晶體 全塑料 損耗(0.85m)dB/km 0.2~4 6~10 4~10 250~3001） 20~10002） 芯徑(m) 6~100 30~100 100~150 100~1 000 100~500 8.1.4光學纖維的種類 • 表8-2列出了按芯子材料分類的幾種主要光學纖維的技術現狀。 表8-2　幾種光學纖維的技術現狀 1)波長為10.6m，2)波長為0.67m。

9. 8.2光學纖維結構傳輸特性8.2.1光學纖維的結構 • 光學纖維一般都由芯子與包層兩部分組成。芯子是由高折射率的石英玻璃或多組分光學玻璃製成的，包層是由低折射率的玻璃或塑料製成的。為了保護光學纖維不受損壞，最外面再加一層塑料套管。 • 光學纖維內部折射率的分布情況來看，其結構主要有階躍(折射率)型和梯度(折射率)型兩種。階躍型光纖芯子與包層間折射的變化是階梯狀的(圖8-4(a))。入射光線進入光纖後芯子與包層的界面上產生全反射，呈鋸齒狀曲折前進。梯度型光纖芯子的折射率從中心軸線開始沿著徑向逐漸減小 • 梯度型光纖又稱聚焦型光纖。光束在梯度型光纖中傳輸時，形成週期性的會聚和發散。 • 圖8-4(b)示出梯度型光纖折射率分佈及光束在其中的傳播路徑。

10. 圖8-4　階躍型與梯度型光纖中光的傳輸路徑(a)階躍型（多模）；(b)梯度型（多模）圖8-4　階躍型與梯度型光纖中光的傳輸路徑(a)階躍型（多模）；(b)梯度型（多模）

11. 8.2.3光學纖維的損耗(loss)特性 • 光在纖維中是按全反射(或自聚焦)方式傳輸的。這是否意味著通過光學纖維可以將光傳輸至無限遠呢?不行！因為實際的光學纖維中存在著各種損耗，使光強度逐漸衰減。 • 光學纖維的損耗可歸納成兩種類型: • 第一種:吸收損耗，它包括本徵吸收和雜質吸收兩個部分。 • 第二種:散射(scattering)損耗，它包括本徵散射及瑞利散色(Rayleigh scattering)、光纖結構不完善(如芯子與包層間界面不完善)引起的散射損耗和由於材料中的條紋、氣泡、析晶等引起的缺陷散射。

12. 8.2.4光學纖維的頻帶特性 • 在光學纖維中，影響信息傳輸能力的因素除了損耗特性外另一個重要因素是光學纖維的頻帶特性 • 在光通信中，載波光是信息要求調製成一個個光脈衝。光脈衝的調製頻率愈高，它所能傳輸的信息容量也愈大。因為光學纖維的傳輸頻帶受到材料色散、模式色散和構造色散的限制。它們使被輸送的光脈衝發生畸變和展寬。使光脈衝波形重疊現象加劇，完全不能分辨每個脈衝到達的時間，這樣，即使接收到了光信號，也無法從中取出所攜帶的信息。 • 材料色散(dispersion)是只不同波長的光在介質中的折射率不一樣 • 模式色散是指不同模式的光脈衝在光學纖維中傳播速度不同所產生的傳輸時間差。

13. 8.3光學纖維的製備方法8.3.1石英玻璃光纖的製造 8.3光學纖維的製備方法8.3.1石英玻璃光纖的製造 • 生產石英光纖的原料是液態鹵素物，有四氯化矽(SiCl4)、四氯化鍺(GeCl4)和氟里昂(CFCl4)等。 • 製造時應光纖主要包括兩個過程，即制棒和拉絲。為了獲得低損耗的光纖，這兩個過程都要超淨環境中進行。 • 現在製貝光纖預制棒的製程很多，主要有改進的化學氣相沉積法(Modified Chemical Vapor phase Deposition，MCVD)、等離子體激活化學氣相沉積法(Plasma Activated Chemical Vapor phase Deposition，PVCD)、管外化學氣相沉積法(Outside Vapor phase Deposition，OVD)、軸向氣相沉積法(Vapor phase Axial Deposition) 。

14. (a)內沉積CVD法 圖8-5　光纖的CVD制法

15. (b)外沉積法 圖8-5　光纖的CVD制法

16. (c)軸向沉積法圖8-5　光纖的CVD製法（續）

17. 8.3.1石英玻璃光纖的製造 • 化學氣相沉積法中發生的反應主要為 • 為了降低時應光學纖維的內部損耗，現在大都採用化學氣相反應沉積法制取高純度的石英預製棒，再拉絲，製程低耗損石英光學纖維。 • 混合氣體原料受熱後發生的氣相反應，是在密閉的石英管中進行的，故稱內氣相反應沉積法。另一種是直接在氫氧焰中進行的，稱外氣相反應沉積法。第三種氣象反應方式也是在氫氧焰中直接進行，但粉料沉積沉積是沿著垂直旋轉的石英支承棒狀進行的，故稱軸向反應沉積法。

18. 8.3.4塑料光纖的製造 • 塑料光纖具有彎曲特性好、不易破斷、重量輕、色散小、成本低等許多優點。但因傳輸損耗較大，目前的應用範圍主要集中在較短距離的能量傳輸和圖像信息傳輸方面 • 為了減少塑料光纖的吸收和散射損耗，合成纖芯聚合物所用的單體必須是高純度的。一般採用鹼性氧化鋁過濾法和蒸餾法去除單體中的雜質，如塵埃，過渡金屬等，有時也通過滲透模進行純化 • 塑料光纖的製造製成，介紹階躍型和梯度型兩種塑料光纖的製造方法

19. 8.3.4塑料光纖的製造 • 塑料光纖的製造製成，介紹階躍型和梯度型兩種塑料光纖的製造方法 • 一、階躍型塑料光纖的製造 • 階躍型塑料光纖由精製的芯料和表面塗層兩部分組成，常採用管棒法、塗覆法、複合拉絲法三種成型方法 • 形成纖芯-包層結構的纖維，這種方法簡易，但易粘染塵埃，且製程餐較難控制，穩定性較差；複合拉絲法是將芯層聚合物與包層聚合物分別在兩台擠出機中同時熔融擠出到一個同心圓口模中，芯層聚合物從中心擠出，包層聚合物從外環己出，在模口處兩種粘合成包覆式纖維，該法製程簡單，生產效率高，但要求機頭設計合理 • 二、梯度型塑料光纖的製造 • 梯度型光纖是利用數種具有不同折射率和聚合反應速度的單體注入一垂直的聚合管中，在旋轉情況下，通光激發或加熱使之發生共聚，聚合物從管壁向軸中心逐漸析出，最後進行熱拉伸得到自聚焦的光纖。 • 梯度型光纖沒有傳輸分散，但透光性較差，其吸收損失和散射損失均比一般光纖大得多。梯度型塑料光纖的製備過程可分四個階段

20. 圖8-6　雙重坩鍋法制光纖示意圖

21. 圖8-7　導模法生長晶體光纖示意圖

22. 圖8-8　雷射區熔法生長紅寶石單晶示意圖

23. 圖8-9　熱擠壓法製備多晶光纖示意圖

24. 8.3.4塑料光纖的製造 • 塑料光纖的製造製成，介紹階躍型和梯度型兩種塑料光纖的製造方法 • 一、階躍型塑料光纖的製造 • 階躍型塑料光纖由精製的芯料和表面塗層兩部分組成，常採用管棒法、塗覆法、複合拉絲法三種成型方法 • 形成纖芯-包層結構的纖維，這種方法簡易，但易粘染塵埃，且製程餐較難控制，穩定性較差；複合拉絲法是將芯層聚合物與包層聚合物分別在兩台擠出機中同時熔融擠出到一個同心圓口模中，芯層聚合物從中心擠出，包層聚合物從外環己出，在模口處兩種粘合成包覆式纖維，該法製程簡單，生產效率高，但要求機頭設計合理 • 二、梯度型塑料光纖的製造 • 梯度型光纖是利用數種具有不同折射率和聚合反應速度的單體注入一垂直的聚合管中，在旋轉情況下，通光激發或加熱使之發生共聚，聚合物從管壁向軸中心逐漸析出，最後進行熱拉伸得到自聚焦的光纖。 • 梯度型光纖沒有傳輸分散，但透光性較差，其吸收損失和散射損失均比一般光纖大得多。梯度型塑料光纖的製備過程可分四個階段

25. 圖8-10　製造聚苯乙烯芯料的壺狀玻璃管

26. 圖8-11　梯度型塑料光纖制法示意圖

27. 8.3.4塑料光纖的製造 • 梯度型塑料光纖的製備過程可分四個階段 • 保證光纖表面不受損傷和不被雜質汙染，保持光纖的強度不出現明顯的下降，通常在拉成絲後的光纖上包覆一層塑料成為光纖單絲。然後再把光纖單絲以一定形式組合起來，中間加入由不銹鋼絲或其他非金屬材料作的補強材料，圖8-12中示出了單芯光纜,四芯和六芯光纜的內部結構圖。 • 光纖的連接方式有永久性連接(對接)和可拆卸的連接器連接兩種。 • 套管法.V型溝槽法和熔接三種方式,套管法是把光纖單絲從玻璃毛細管的兩側插入，對接後燒注粘接劑;V形法是在V形溝槽上把光纖對接，上方再用壓板固定;熔接法是把光纖對接的兩個端面通過高溫加熱進行熔接。 • 無論哪種光纖連接方法，在接頭處都會造成光的傳輸損耗。

28. 圖8-12　幾種光纜的結構

29. 圖8-13　光纜永久性連接方法

30. 圖8-14　一種無調節單芯光纖連接器結構

31. 電話通話路數（估計） 平衡電纜 3,000 微波無線電 50,000 同軸電纜 100,000 毫米波波導管 300,000 光　纜 2,000,000 8.4玻璃光纖 • 光纖通信具有信息容量大，體積小，重量輕，抗干擾能力強，保密性好和價格低廉等優點，表8-3中列出了各種傳輸線路的電話通話數，從中可見光纖的優點。 表8-3　主要傳輸線路的電話通話路數 傳輸線路

32. 8.4.1石英系玻璃光纖 • 一，石英玻璃光纖的基本構造 • 石英玻璃光纖的纖芯的主要成分是高純度的二氧化矽。 • 密度約為2.2g∕cm3，熔點約為1700℃。二氧化矽的純度要達到99.9999%。 • 石英本身是一種硬度很高的無延展性的易碎材料，強度及限是由材料結構內的Si-O鍵的鍵合力決定的。 • 為保護光纖而加的塗覆層降低了光纖的耐熱性，一般僅能工作在-40℃~50℃之間。

33. 8.4.1石英系玻璃光纖 • 二，石英玻璃光纖的損耗特性 • 光在光纖中傳輸時，光功率隨傳輸距離作指數衰敗。一般用”分貝(dB)"表示光纖的損耗，記為。 • 示中:z為光纖長度；P為光功率；P 0為Z=0時的P值；P z為z=z時的P值。產生光纖損耗的因素有很多。任何導致輻射和吸收的因素都可能產生損耗。及吸收損耗、散射損耗和彎曲損耗等。

34. 8.4.1石英系玻璃光纖石英玻璃光纖中的吸收損耗8.4.1石英系玻璃光纖石英玻璃光纖中的吸收損耗 1. 石英光纖吸收損失產生的原因主要有材料本徵吸收損耗、雜質吸收損耗和原子缺陷損耗等 • (1)本徵吸收損失: • 1.Si-O鍵的紅外線吸收損耗: • Si-O鍵在波長9μm、12.5μm和21μm有分子振動吸收現象損耗值已遠小0.1dB/km • 2、石英材料電子轉移的紫外吸收損耗: • 石英光纖材料低能及太的電子吸收電磁能量而躍遷到高能狀態 • (2)雜質吸收損耗:金屬離子和OH-離子的吸收損耗 • (3)OH-離子的吸收損耗:這主要指石英材料受到熱輻射或光輻射激勵時引起的吸收損耗

35. 8.4.1石英系玻璃光纖石英玻璃光纖中的吸收損耗8.4.1石英系玻璃光纖石英玻璃光纖中的吸收損耗 • 2. 光纖中的散射損耗 • 光纖中的散射損耗主要包括瑞利散射、波導結構散射和非線性損耗 • 瑞利散射損耗:石英材料的密度不均勻和折射率不均勻引起的對光的散射造成的光功率損失 • 波導結構散射損耗:由於波導結構不規則導致模式間互相耦合，或耦合成高階模進入包層或耦合成輻射模輻射出光纖，從而形成損耗 • 非線性效應損耗:當光纖中功率較大時，還會誘發受激喇曼散射和受激布理淵散射引起非線性損耗 • 3. 彎曲損耗和塗覆層造成的損耗: • 彎曲損耗包括宏彎損耗和微彎損耗，宏彎損耗是指由於光纖放置時彎曲，不再滿足全反射條件，引起損耗。微彎損耗指由於光纖材料與套塑層溫度數不一致，而造成高階模和輻射磨損耗。 • 4 光纖損耗譜特性: • 由於光纖存在許多種損耗，使它的總損耗特性呈圖8-15形狀。

36. 圖8-15　石英材料光纖的損耗譜

37. 圖8-16　石英材料光纖的折射率及群折射率隨波長的變化關係圖8-16　石英材料光纖的折射率及群折射率隨波長的變化關係

38. 圖8-17　普通單模光纖、真波光纖和色散偏移光纖色散曲線1-SMF；2-True wave；3—DSF

39. 化學組成 (mol%) 57ZrF4 34BaF2 5LaF3 4AlF3 35AlF3 15YF3 10MgF2 20CaF2 10SrF2 10BaF2 28.3ThF4 28.3YbF3 28.3ZnF2 15BaF2 BeF2 SiO2 透光範圍(m) 0.2～7.5 0.2～7.0 0.3～9 0.2～4 0.2～3.5 密度(g/cm3) 4.62 3.87 6.43 1.99 2.20 折射率n 1.519 1.427 1.54 1.275 1.459 轉變溫度(℃) 300 425 344 250 1100 熔點(℃) 520 730 665 545 1710 熱膨脹係數107(℃–1) 157 149 151 40 5.5 零色散波長(m) 1.7 1.6 1.8 1.1 1.3 化學穩定性 好 更好 更好 差 極好 8.4.2鹵素物玻璃光纖 • 一、氟化物玻璃光纖的化學組成 表8-4　氟化物玻璃的物理化學性質

40. 玻璃 ZBGA ZBLYAL Z(H)BLYAN ZB(P)LAN Z(H)BLAN 芯料 皮料 芯料 皮料 芯料 皮料 芯料 皮料 芯料 皮料 ZrF4 61 59.6 49 47.5 49 23.7 51 53 53 39.7 HfF4 23.8 13.3 BaF2 32 31.2 25 23.5 25 23.5 16 19 20 18 PbF2 5 GdF3 4 3.8 LaF3 3.5 2.5 3.5 2.5 5 5 4 4 YF3 2 2 2 2 AlF3 3 5.4 2.5 4.5 2.5 4.5 3 3 3 3 LiF 18 20 20 NaF 20 18 20 20 20 折射率n 芯料 1.5162 1.5095 1.5009 1.5224 1.4991 皮料 1.5132 1.4952 1.4890 1.5086 1.4925 表8-5　氟鋯酸鹽玻璃光纖的化學組成　　　　　(mol%)

41. 圖8-18　氟鋯酸鹽玻璃光纖的損耗譜

42. 8.5塑料光纖與晶體光纖8.5.1塑料光纖 • 塑料光纖由於具有柔軟性、加工性好、價格便宜等特點，因而在短距離通信、傳感器及顯示等方面獲得實用，發展很快。 • 塑料光纖材料 • 常用的塑料光纖芯材有三種: • (1)巨甲基丙烯酸甲酯及其共聚物系列 • (2)聚苯乙烯系列； • (3)氘化聚甲機丙烯酸甲酯系列

43. 8.5.2晶體光纖 • 晶體光學纖維(Crystal Optical Fiber)是用晶體材料製成的光學纖維。按纖維中晶體的的結構可分為 • 多晶纖維(Polycrystal Fiber) • 和單體纖維(Single Crystal Fiber，SCF)。 • 晶體光纖有近於完美的晶體結構，集晶體與纖維的特性於一身，可廣泛用於製作各種光通性器件，如晶體光纖倍頻器、晶體光纖光參量振盪器、晶體光纖光隔離器、晶體光纖溫度計、晶體光纖光傳輸線等。

44. 8.5.2晶體光纖 • 一、YAG系列晶體光纖 • Nd:YAG晶體是目前雷射性能最好的晶體之一，已經得到廣泛的應用。YAG晶體光纖有多種，主要用於製作晶體雷射器、晶纖光放大器等 • YAG晶體屬於立方晶系，熔點是1970℃，是Al2O3和Y2O3的二元複合物 • 二­、YAP系列晶體光纖 • YAP(YAlO3)系列晶體屬於斜方晶系，熔體是1875℃，是Al2O3和Y2O3的二元混合物。YAP系列晶體和快速閃爍晶體 • 三、Al2O3系列晶體光纖 • Al2O3晶體屬於六方體晶系，熔體是2045℃，可用氣相凝結法、EFG法、LHPG法等方法生長

45. 8.6光學纖維的應用 • 8.6.1光纖在通信中的應用 • 光纖與金屬導體構成的傳輸線路相比有許多優點。能同時傳送100億路電話或一千萬套電視節目。他比普通金屬導線傳輸線路的容量高出10億倍！ • 8.6.2光纖在能量傳輸方面的應用 • 光和電一樣可以作為能源，直接用於多種用途，其中最為常見就是照明。把光能從一處傳到藺另一種的光學纖維稱為導光纖維

46. 雜質離子 2.25m處比吸收係數10–3dB/km 期望濃度 (ppb) 相應損耗 (10–3dB/km) OH- < 1.1 2.0 < 1.0 Fe2+ 15.0 0.1 1.5 Cu2+ 3.0 2.0 6.0 Co2+ 17.0 0.1 1.7 表8-6　各主要雜質離子在2.55m處產生的損耗及允許濃度

47. 2.25m處比吸收係數10–3dB/km 期望濃度 (ppb) 相應損耗 (10–3dB/km) Ni2+ 2.4 0.3 0.7 Ce3+ 5.0 Pr3+ 0.01 0.3 0.3 Nd3+ 22.0 0.3 6.6 Sm3+ 3.3 0.3 1.0 Eu3+ 2.5 0.3 0.7 Tb3+ 0.2 0.3 Dy3+ 1.6 0.3 0.5 瑞利散射 7.9 紅外吸收邊 3.1 總損耗 31.0 表8-6　各主要雜質離子在2.55m處產生的損耗及允許濃度（續） 雜質離子

48. 圖8-19 氟化物折射率(a)和材料色散(b)與波長的關係 1-63ZrF4•33BaF2•4GdF3玻璃；2-40AlF3•22BaF2•22CaF2•16YF3玻璃；3-石英玻璃

49. As2S3 GeS3 密度(g/cm3) 3.20 265 折射率 2.41 2.113 透光範圍(m) 0.6～11 0.5～11 轉變溫度(℃) 182 260 軟化溫度(℃) 205 340 晶化溫度(℃) 500 熱膨脹係數(℃–1) 210–6 2510–6 表8-7　硫化物玻璃的物理性質 玻璃組成

50. 圖8-20Ge-As-Se系統成玻璃區(A)和成纖範圍(B)