光纤耦合器的发展与制作2012.9.3

光纤耦合器•光纤的发展•光纤无源器件的蓬勃发展•耦合器件种类及应用•熔锥型光纤耦合器的制作•新型熔锥型光纤耦合器件的展望新型熔锥型光纤耦合器研究一、光纤的发展1.光纤的诞生2.光纤的构造与分类3.光纤传光原理4.光纤光缆的制作1、光纤的诞生•在光纤出现之前，人们一直在追寻一种性能稳定的，廉价的，方便使用的介质来传输光信号。最初人们认识到光的直线传播，反射特性后除了利用大气做为波导，还开始采用各种介质利用作为光的传输介质。例如介质透镜、反射镜波导、气体透镜波导等，使光束限制在一定范围内并沿确定路线传播。在半导体激光器和集成光路中用到的平面型介质波导也被尝试作为光波导使用，由于制作成本高，工艺复杂，不适于大量铺设。能不能象电信号依靠铜缆传输一样，找到一种光波导来实现光信号廉价、低损耗的稳定传输呢？1、光纤的诞生•早在古希腊的玻璃制作工人就发现玻璃可以传输可见光，他们利用玻璃的这种性质，制作了各种流光异彩的玻璃工艺品。十九世纪中期英国的丁达尔(J.Tyndall)利用实验证明利用光的全反射原理，光线在水中可以实现弯曲传播。1、光纤的诞生•1927年英国的贝尔德(J.G.Baird)提出利用光的全反射现象制成石英光纤，从此以后人们把注意力集中到石英这种材料上。早期的光纤只有纤芯，利用空气－石英构成的界面实现光线的全反射，由于这种结构的开放性，经常引起光线的泄漏。为解决这一问题人们实验在玻璃纤维上涂覆塑料，以降低光线的泄漏同时对玻璃芯起一定的保护。这时初步形成了光纤纤芯－包层结构，但由于塑料包层难以做到均匀一致，而且塑料包层与玻璃纤芯之间界面不够平滑理想，光能量损失很大。1、光纤的诞生•1955年，美国人B.I.Hirschowitz(西斯乔威兹)把高折射率的玻璃棒插在低折射率的玻璃管中，将它们放在高温炉中拉制，得到玻璃(纤芯)－玻璃(包层)结构的光纤，解决了光纤的漏光问题，这一结构在后来被广泛采用，就是今天的光纤结构。但这时的光纤损耗是非常大高于1000dB/km，即使是利用优质的光学玻璃制作光纤也无法得到低损耗的光纤。人们曾经一度对玻璃这种材料产生怀疑，转向塑料光纤、液芯光纤的研制。1966年，英籍华裔学者高锟(C.K.Kao)和霍克哈姆(C.A.Hockham)发表了关于传输介质新概念的论文，指出了利用光纤(OpticalFiber)进行信息传输的可能性和技术途径，奠定了现代光通信——光纤通信的基础。指明通过“原材料的提纯制造出适合于长距离通信使用的低损耗光纤”这一发展方向光纤通信发明家高锟(左)1998年在英国接受IEE授予的奖章2、光纤标准•通信用光纤经过二十几年的发展形成了一系列标准。•ITU-T国际电信联盟目前将单模光纤分为G.652（G.652A、G.652B、G.652C和G.652D）、G.653（G.653A和G.653B）、G.654（G.654A、G.654B和G.654）、G.655（G.655A、G.655B和G.655C）以及用于S+C+L三波段传输的G.656光纤（标准名称为《宽带光传输用非零色散单模光纤和光缆特性》）按照零色散波长将单模光纤分为6种•非色散位移光纤：G.652•色散位移光纤：G.653•截止波长位移光纤：G.654•非零色散位移光纤：G.655•色散平坦光纤•色散补偿光纤3、光纤的构造纤芯，光信号的传输包层，限制光信号溢出一次涂敷层（预涂层），保护光纤增加韧性缓冲层，减少对光纤的压力二次涂敷层（套塑层），加强光纤的机械强度•纤芯：位于光纤中心部位，主要成分是高纯度的SiO2,纯度可达99.99999%，其余成份为掺入极少量掺杂剂，如P2O5和GeO2，掺杂剂的作用是提高纤芯的折射率。纤芯直径一般为2a＝3～100μm•包层：含有少量掺杂剂的高纯度SiO2,掺杂剂有氟或硼，其作用是降低包层折射率，包层直径2b＝125～140μm•一次涂层：厚度5～40μm，材料一般为环氧树脂或硅橡胶，可承受7kg拉力•缓冲层：厚度100μm•二次涂敷层：原料大都采用尼龙或聚乙烯•1层＋2层＝光纤•3＋4＋5层＝护层•5层大约0.9mm左右3、光纤的分类－1•从原材料分：–石英系光纤–多组份玻璃光纤–氟化物光纤–塑料光纤–液芯光纤–掺杂光纤，如掺铒光纤由于石英系光纤具有传输衰减小，通信频带宽，机械强度较高等特点，在通信系统中得到广泛应用。光纤分类－2•按照光纤横截面上折射率分布特征n(r)分：•阶跃型光纤，也称突变型光纤（常用SI表示—StepIndexfibber）纤芯与包层的折射率均为一常数，其界面处呈阶跃式变化。•渐变型光纤，也称梯度光纤或自聚焦光纤（常用GI表示—GradedIndexfibber）纤芯折射率连续变化，包层的折射率则为一常数。•W型光纤等ba0abba0abn(r)n(r)n1n1n2n2阶跃型光纤渐变型光纤n1r≤an1[1-2Δ(r/a)g]1/2r≤an2ar≤bn2[1-2Δ]1/2ar≤bn(r)=n(r)=Δ—相对折射率差，Δ＝（n1-n2)/n1a双包层b三角芯c椭圆芯典型特种单模光纤光纤分类－3•按光纤内的导模数分–多模光纤(MM—MultiModefiber)可传输多种模式，或允许多种场结构存在2a=50～75µm，2b=100-200µm（多模）–单模光纤(SM—SingleModefiber)只传输一种模式2a=4~10µm，2b=125µm(单模)光纤分类－4•按套塑的情况分–松套–紧套•按工作波长分–短波长光纤：0.8～0.9µm–长波长光纤：1.0～1.7µm–超长波长光纤：2µm短波长与长波长光纤为石英系光纤，而超长波长光纤为非石英系光纤，如重金属氧化物、硫硒碲化合物和卤化物光纤等3、光纤的传光原理分析光纤的传输原理有两种方法：•几何光学法：将光看成一条条的几何射线来分析，也称射线理论应用条件：光波的波长远小于光纤的几何尺寸，只适用于多模光纤•波动光学法：光波按电磁场理论，用麦克斯韦方程组求解，也称模式理论。它既可用于多模光纤，也可用于单模光纤4光纤光缆制造技术选材的准则：1.能拉长、拉细、具有一定的柔韧性、可卷绕2.在特定波长损耗低3.能使纤芯的折射率略高于包层，满足波导条件按材料分类：1.无源玻璃纤维；2.有源玻璃纤维；3.塑料纤维4.1光纤材料无源玻璃纤维玻璃纤维的主材：SiO2-物理和化学稳定性好-对通信光波段的透明性好折射率差的引入：通过在SiO2中掺入不同杂质增加非线性效应：通过掺入硫属元素GeO2-SiO2纤芯，SiO2包层P2O5-SiO2纤芯，SiO2包层SiO2纤芯，B2O3-SiO2包层在0.2~8mm具有极低损耗SiO2中掺GeO2或P2O5，折射率增加SiO2中掺氟或B2O3，折射率减小典型组合：1、GeO2-SiO2纤芯，SiO2包层2、P2O5-SiO2纤芯，SiO2包层3、SiO2纤芯，B2O3-SiO2包层4、GeO2-B2O3-SiO2纤芯，B2O3-SiO2包层卤化物玻璃纤维红外光纤（氟化物光纤）：低损耗范围：0.2~8mm，最低损耗窗口：2.55mm，理论最小损耗：0.01~0.001dB/km。缺点：不成熟，性能不稳定有源玻璃纤维掺稀土光纤：在SiO2中掺入稀土元素实现光放大（或吸收），如：掺铒光纤（EDF）、掺钕光纤。硫属化合物玻璃纤维非线性光纤：用作非线性光学器件。如：As40S58Se2纤芯－As2S3包层塑料光纤（POF）参数有机玻璃POFPMMAPOF加氟聚合物POFPFPPOF纤芯直径0.4mm0.125~0.3mm包层直径1mm0.25~0.6mm数值孔径0.250.2损耗150dB/km@650nm60~80dB/km@650~1300nm带宽2.5Gb/s,100km2.5Gb/s,300km特点：•更好的韧性、更耐用，可用于环境恶劣的场合•低成本、低续接成本•损耗比玻璃纤维高，一般用于短距离传输•使用范围还十分有限，主要用于接入网4.2光纤制造两种基本方法1.直接熔化法：按传统制造玻璃的工艺将处在熔融状态的石英玻璃的纯净组分直接制造成光纤2.汽相氧化过程：-高纯度金属卤化物(如SiCl4和GeCl4)与氧反应生成SiO2微粒-(通过四种不同的方法)将微粒收集在玻璃容器的表面-烧结(在尚未熔化的状态将SiO2转化成玻璃体)制成预制棒-拉丝成纤直接熔化法：双坩埚法纤芯坯料棒内坩埚包层坯料棒纤芯玻璃外坩埚熔炉拉制光纤(到拉丝机)包层玻璃直接熔化法：可用于制造石英光纤、卤化物光纤和硫属光纤具有可连续制造的优点但坯料棒熔化过程中容易带来杂质，它的最低损耗值为5dB/km光纤预制棒置备好之后进行光纤拉丝光纤拉丝机d=10~25mm;L=60~120cm精密输送机构夹具预制棒拉丝炉光纤粗细监测仪裸光纤涂覆机已涂覆光纤光纤卷绕汽相氧化法：外部汽相氧化法(OVPO)O2+SiCl4+GeCl4蒸汽饵棒(中心棒)粉层状预制棒喷嘴玻璃微粒粉层沉积粉状预制棒剖面芯包层粉状预制棒加热炉1400度玻璃预制棒预制棒烧结拉制光纤加热炉玻璃预制棒1970年康宁第一根损耗小于20dB/km的光纤汽相轴向沉积法(VAD)推进机马达马达输送杆透明预制棒容器环状加热器疏松的预制棒真空泵红外热成像仪玻璃微粒反应室喷灯口优点：1.预制棒不再具有空洞2.预制棒可以任意长3.沉积室和熔融室紧密相连，可以保证制作环境清洁4.单模光纤所含的OH-较低，因此损耗较低在0.2~0.4dB/km1977年日本开发改进的化学汽相沉积法(MCVD)反应物质金属卤化物蒸汽+氧气粉尘状生成物排气口饵管烧结后的玻璃粉层沉积物来回移动的喷灯贝尔实验室设计，用于制造低损耗梯度折射率光纤烧结后，纤芯由汽相沉积材料构成，包层由原始的石英管构成H-O2222442)()(ClGeOSiOOGeClSiCl化学反应:等离子体活性化学汽相沉积法(PCVD)熔融石英管SiCl4+O2+参杂物质反应物质排气口等离子体玻璃层快速来回移动的微波谐振腔(2.45GHz，8米/分钟)1000~1200度飞利浦提出1978年应用于量产直接玻璃沉积不需高温烧结反应管不易变形快速移动，使沉积厚度减少，有利于控制折射率分布沉积效率高、沉积速度快有利于消除包层沉积过程中的微观不均匀几点关键•为了防止石墨在高温下氧化，充入氩气等惰性气体加以保护。•送棒机构与牵引辊的速度要一致，以保持光纤外径的均匀性。•激光测径，紫外固化•外径的波动控制在0.5微米之内。•拉丝的速度可以调整，600m/min~1000m/m预制棒体积：Vpreform=D2L/4,D:mm,L:mm光纤体积：Vfiber=d2l/4,d=125um拉丝长度l：Vpreform=Vfiberl=6.410-5D2L(km)拉丝原理：保持芯/包层结构不变！4.3光纤的机械和温度特性1)光纤的抗拉强度很高，接近金属的抗拉强度2)光纤的延展性(1%)比金属差(20%)3)当光纤内存在裂纹、气泡或杂物，在一定张力下容易断裂4)包层中掺入二氧化钛可以增强机械可靠性5)光纤遇水容易断裂且损耗增大6)在低温下损耗随温度降低而增加光纤的机械特性主要包括耐侧压力、抗拉强度、弯曲以及扭绞性能等，使用者最关心的是抗拉强度。（1）光纤的抗拉强度光纤的抗拉强度很大程度上反映了光纤的制造水平。影响光纤抗拉强度的主要因素是光纤制造材料和制造工艺。①预制棒的质量。②拉丝炉的加温质量和环境污染。③涂覆技术对质量的影响。④机械损伤。光纤的机械特性（2）光纤断裂分析存在气泡、杂物的光纤，会在一定张力下断裂，如图所示。光纤断裂和应力关系示意图（3）光纤的寿命光纤的寿命，习惯称使用寿命，当光纤损耗加大以致系统开通困难时，称其已达到了使用寿命。从机械性能讲，寿命指断裂寿命。（4）光纤的机械可靠性一般来说，二氧化硅包层光纤的机械可靠性已经得到广泛的认可。为了提高光纤的机械可靠性，在光纤的外包层中掺入二氧化钛，从而增加网络的寿命。光纤的温度特性，是指在高、低温条件下对光纤损耗的影响，一般是损耗增大。如图所示。光纤低温特性曲线