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氧化物光纖（氧化物光纖）

次瀏覽 | 更新時(shí)間：2023-05-20

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氧化物光纖

玻璃纖維中能以波導(dǎo)結(jié)構(gòu)傳輸光者稱為光學(xué)纖維。用于光通訊時(shí)則要求具有特別良好的透光性(低損耗),長(zhǎng)距離傳輸后仍能識(shí)別信號(hào)(低色散),滿足這些要求者則可稱為光通訊光纖,簡(jiǎn)稱光纖。光纖通訊的最大特點(diǎn)是中繼間距離長(zhǎng)和傳輸容量大。用于光纖的玻璃有鈉鈣系統(tǒng)和硼硅酸鈉系統(tǒng)。通過改變玻璃的成分可以容易地控制折射率，利用這個(gè)優(yōu)點(diǎn)，用雙坩堝法制造了階躍型光纖。其特點(diǎn)是除了熱膨脹系數(shù)和軟化溫度一致外，芯皮之間的折射率差大，適于制造大數(shù)值孔徑光纖。這就是氧化物光纖。

基本信息

應(yīng)用領(lǐng)域	陶瓷材料
特點(diǎn)	穩(wěn)定的玻璃態(tài)

光釬損耗

氧化物光纖

光纖通訊的最大特點(diǎn)是中繼間距離長(zhǎng)和傳輸容量大。為實(shí)現(xiàn)此目的，要求光纖具有低損耗、低色散。如右圖所示為光纖中損耗主要原因的示意。所有這些損耗均取決于光纖制造技術(shù)，盡量消除上述損耗在制造低損耗光纖中十分重要。

因此，制造低損耗、低色散光纖應(yīng)選擇最低本征損耗小的玻璃材料及適合于該材料的制造技術(shù)即通過高純度、均勻性優(yōu)優(yōu)越的玻璃的合成，以及折射率的精密控制制造波導(dǎo)結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。

氧化物玻璃在光纖中的優(yōu)點(diǎn)

氧化物玻璃具有穩(wěn)定的玻璃態(tài)，由多種氧化物構(gòu)成的多組分玻璃，透過波長(zhǎng)范圍取決于透過范圍最狹窄的組合，雖然本征吸收損耗比較大。但軟化點(diǎn)低使瑞利損耗(折射率變化引起)變小，且能比較容易地合成穩(wěn)定均勻的玻璃。

石英玻璃的本征損耗低，大約是0.2dB/km,玻璃態(tài)的石英是一種穩(wěn)定的材料，石英玻璃通常在高溫下制造，早已知道由于高溫下雜質(zhì)的揮發(fā)而能得到高的純度。正是這樣，使控制折射率所必需的摻雜物不容易引入，難于制造成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，但是應(yīng)用半導(dǎo)體工業(yè)中發(fā)展的化學(xué)氣相沉積法(CVD, Chemical Vapor Deposition),使摻雜石英玻璃的合成變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。用這種CVD法制造光纖，可實(shí)現(xiàn)超高強(qiáng)度和波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的精密控制，目前，石英系統(tǒng)玻璃在光纖材料中占主要地位。

石英系光纖的制造

石英系光纖的制造包括合成具有波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的高純度預(yù)制坯棒和將棒拉制成光纖。光纖的制造分為三個(gè)階段：預(yù)制棒的制造；拉絲和涂覆；成纜。

預(yù)制棒的制造

預(yù)制棒的制造有三種比較典型的制作方法，即管內(nèi)氣相沉積法、軸向氣相沉積法和外氣相沉積法。

1、管內(nèi)氣相沉積法( Inside Vapor Deposition)：是目前制作高質(zhì)量石英系玻璃光學(xué)纖維最通用的方法。又叫改進(jìn)的化學(xué)氣相沉積法( Modified Chemical Vapor Deposition),即MCVD法。

在石英管內(nèi)不斷通入各種超純的原料氣體(如四氯化硅、四氯化鍺、三氯氧磷、三溴化硼)以及反應(yīng)氣體氧氣。石英管的外徑通常為20mm,內(nèi)徑為17mm左右。石英管是夾在玻璃車床上的，一般以每分鐘幾十轉(zhuǎn)的速度轉(zhuǎn)動(dòng)。用氫氧噴燈以每分鐘十幾厘米的速度沿反應(yīng)管來回運(yùn)動(dòng)幾十次。由于管外氫氧焰燃燒溫度的高溫加熱，使管內(nèi)的氣體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)生成物便沉積在石英管的內(nèi)壁，形成多層玻璃狀物質(zhì)。采用電子計(jì)算機(jī)控制各種原料氣體的組分、流量以及氫氧焰噴燈的移動(dòng)速度，可以使石英系光纖的斷面折射率分布達(dá)到預(yù)先設(shè)計(jì)的要求。然后把石英管高溫?zé)鄢芍旅艿膶?shí)心棒，就得到了光纖的預(yù)制棒。

2 、軸向氣相沉積法(AVD法, Vapor Phase Axial Deposition)：是用

水解反應(yīng)

使高純?cè)?/span>

等氣化，再通過高溫氫氧焰生成玻璃微粒組成的所謂粉塵。噴燈上面有一根石英棒，玻璃粉塵就沉積在它的頂部，將石英棒不停地旋轉(zhuǎn)，并且向上提拉，在石英棒的下方就生成多孔的預(yù)制棒。然后將多孔棒置于爐中，通于氯化亞硫酰氣體，除去表面殘留的氫氧離子；最后再加熱到1500~1700℃,燒熔成透明的預(yù)制棒。軸向法中氧化物沉積速度比管內(nèi)法提高5~10倍。因此，適于制作大型棒材。

3、外氣相沉積法(OVD法, Outside Vapor Deposition)應(yīng)用水解反應(yīng)原理，將原料氣體輸入氫氧焰噴嘴，經(jīng)高溫分解合成得到玻璃粉塵，一層一層地沉積在耐火材料(一般使用碳一類的材料)心棒的表面，形成多孔的預(yù)制棒。拔去心棒之后，再放入高溫爐內(nèi)加熱熔縮，得到透明的預(yù)制棒。這種方法能制成大直徑的預(yù)制棒，一次拉幾十公里長(zhǎng)的光學(xué)纖維。

4、等離子體化學(xué)氣相沉積法(PCVD法, Plasma Chemical Vapor Deposition)基本上與MCVD法相同，只是加熱源采用等離子火焰。這種方法可制得大尺寸坯棒。

拉絲與涂覆

氧化物光纖

預(yù)制棒制成之后，下一工序就是拉絲和涂覆。如右圖所示，將預(yù)制棒裝夾在一個(gè)送棒機(jī)構(gòu)上，送入加熱爐(石墨爐)。在接近2000℃的高溫下，預(yù)制棒下端被加熱至近熔融狀態(tài)，拉制成外徑為100~150μm的光纖。外徑用激光束掃描法測(cè)量光纖的直徑，測(cè)量結(jié)果反饋到拉絲速度控制。目前可方便地將直徑波動(dòng)控制在土1μm以內(nèi)。

因?yàn)槭⒐饫w本身是比較脆的，經(jīng)不起彎曲和摩擦，因此在纖維成形后，要立即涂覆丙烯酸樹脂或硅樹脂，通過加熱或紫外光照射的方法使其固化，形成一層堅(jiān)固的涂層。一般在成纜前，要進(jìn)行二次涂覆。涂覆的目的是提高光纖機(jī)械強(qiáng)度和減少光纖傳輸損耗。

成纜

涂覆過的光纖組合起來可以制成各種光纜。光纜的結(jié)構(gòu)形式有層狀光纜、單元型光纜、襯架型光纜以及帶狀光纜。光纜的增強(qiáng)材料可以是金屬，也可以是非金屬。光纜與同軸電纜相比，具有不會(huì)產(chǎn)生串話、量輕、直徑小、施工比較簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。

光纖的結(jié)構(gòu)與分類

氧化物光纖

通訊用玻璃光纖是由折射率較高(n)的玻璃光纖芯和折射率較低(

)的玻璃包皮層所構(gòu)成。一般其結(jié)構(gòu)如右圖所示的三種。

如右圖所示是單一波型SM型，其波型數(shù)僅為一種，具有色散特性最性最優(yōu)優(yōu)的結(jié)構(gòu)，作為大容量傳輸媒介使用。而多波型光纖可以傳輸多種波型的光信號(hào)。階躍折射率型，是光在芯部與外皮界面上反復(fù)地全反射而傳輸，而芯部折射率以緩變梯度分布的GI型，光在其中的傳輸是以螺旋線方式行進(jìn)的。這兩種情況下，對(duì)于傳輸方向光線的角度小時(shí)得以全反射而無損失，但θ過大時(shí)，光就可能折射出芯部以外,θ值由下式計(jì)算:

式中,

為芯部折射率;

為皮料折射率。

光纖的主要性能

損耗

氧化物光纖

光纖的傳輸損耗大體上可以分為光纖本身的損耗和用于傳輸線路時(shí)由使用條件造成的損耗，如右圖所示。

光纖的散射損耗主要有瑞利散射和米氏散射。瑞利散射是由玻璃的不規(guī)則分子結(jié)構(gòu)引起的微觀折射率波動(dòng)(周期為1~10nm)造成的。在多組分的玻璃中，各個(gè)成分含量發(fā)生波動(dòng)就會(huì)引起折射率的變化。在單一成分的玻璃中，當(dāng)玻璃冷卻時(shí)，由于溫度波動(dòng)使它的折射率也不完全一樣。這樣極小的折射率波動(dòng)就會(huì)成為散射中心引起瑞利散射。米氏散射是當(dāng)材料的不均勻性尺寸和光波波長(zhǎng)差不多時(shí)產(chǎn)生的。它們可能是在光纖制造時(shí)形成的小晶粒、小氣泡等造成的。

光纖的吸收損耗有材料固有的吸收損耗和外加雜質(zhì)缺陷引起的吸收損耗。在玻璃材料中，硅-氧、磷-氧、硼-氧之間形成的鍵，在紅外區(qū)域會(huì)發(fā)生伸縮振動(dòng)，引起紅外光的吸收。這就是材料固有的吸收損耗。所以，選用哪種材料制造光纖，要認(rèn)真考慮。玻璃材料中所含的雜質(zhì)，特別鐵、銅、鉻、鎳等金屬離子及氫氧根離子，都會(huì)引起外加的吸收損耗。離子產(chǎn)生的吸收只出現(xiàn)在它的固有吸收波長(zhǎng)范圍內(nèi)。氫氧根離子在0.95μm、1.23μm、1.37μm處具有吸收峰；二價(jià)鐵離子的吸收常分布在0.7~1,3μm之間很寬的頻段內(nèi)。為了制作低損耗的光纖，要把氫氧根離子產(chǎn)生的吸收損耗降低到1dB/km(波長(zhǎng)在1.37μm處)以下，這就要求氫氧根含量應(yīng)該低于25ppb;要將二價(jià)鐵離子和二價(jià)銅離子的損耗減少到0.1dB/km,其濃度應(yīng)當(dāng)降低到0.3ppb(1ppb為十億分之一)。

光纖的幾何結(jié)構(gòu)不完整也造成損耗。光纖的芯徑、數(shù)值孔徑在長(zhǎng)度方向變化、光纖的不規(guī)則的微彎曲都是這種損耗的原因。上面講到的損耗單位是分貝dB,計(jì)算方法為:

損耗

（輸出位置大小/輸入位置大?。?/span>

傳輸模式

光波是一種電磁波。光在光纖中傳播時(shí)，由光纖的傳播模式載運(yùn)光能。傳播模式就是麥克斯韋方程的本征解，它的電磁場(chǎng)的截面形狀不隨傳播過程變化。如果人射光的模樣是圓光斑，在出射端仍能觀察到圓形的光斑，這就是其模傳輸，也稱為單模傳輸；如果出射的光斑分裂成許多小光斑，這就意味著出現(xiàn)了許多雜散的高次模。它們都是從有用的基模光波中轉(zhuǎn)換過來的。各個(gè)模的傳輸路徑不同，傳輸速度也不同，因而使傳輸?shù)男盘?hào)失真。

單模光纖就是根據(jù)芯徑小等特定條件只傳輸一種模式的光纖。對(duì)單模光纖來講，芯徑小，一般只有傳遞的光波波長(zhǎng)的幾倍，即只有幾微米直徑。光束進(jìn)入光纖中的角度也很小，光向前傳播的路徑也小。它形成的電磁場(chǎng)分布形式單純，只允許一種基本的模式(即基模)傳播，而其他雜散的高次模均被淘汰。

多模光纖可以允許很多模式同時(shí)存在的光纖。對(duì)多模光纖來說，芯徑很大(一般為40~100μm),由光源來的光束進(jìn)入芯中的角度不同，向前傳播的路徑也很多，在空間形成的電磁分布的模式也就很多，有時(shí)可以達(dá)到同時(shí)有幾千種模式在一根光纖中傳輸。

傳輸帶寬

傳輸帶寬也是表示光纖傳輸信號(hào)的能力，光信號(hào)是以光脈沖的形式輸人光纖的，如果輸入的光脈沖經(jīng)過光纖傳輸后脈沖嚴(yán)重變寬，則前后的脈沖就會(huì)重疊起來，以致分辨不清。

影響光纖傳輸帶寬的因素是色散。光纖的色散有三種：材料色散、結(jié)構(gòu)色散和模式色散。材料色散是由于光纖玻璃的折射率隨波長(zhǎng)變化，所以光源的光譜變寬時(shí)，光纖中傳輸?shù)拿}沖信號(hào)就變寬。

結(jié)構(gòu)色散是由光纖的幾何結(jié)構(gòu)決定的色散。由于包皮中光速比纖芯中快，電磁場(chǎng)進(jìn)入包皮使得光脈沖的傳播速度加快，從而脈沖就展寬。

模式色散是由于模式的不同，因而光傳播速度也不同所產(chǎn)生的色散。

數(shù)值孔徑

數(shù)值孔徑(NA)表示光纖的芯子能接受入射光的最大接受角的正弦值(

,),其大小與纖芯和包皮的折射率

、

的關(guān)系為：

對(duì)于大多數(shù)實(shí)際應(yīng)用來講，都希望數(shù)值孔徑大些，因?yàn)閭鬏敃r(shí)，玻璃中的吸收和散射損失是不可避免的，所以希望有較多的光進(jìn)入纖芯。但對(duì)于單模光纖來說，數(shù)值孔徑大會(huì)激起高次模，因此要選取適宜的數(shù)值孔徑。

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