光导纤维简介

材料收集：PPT制作：演示：200911413120091141302009114110•在光通信电话网中，利用送话器的微音器把声音变为电信号，再由发光元件把电信号变成光信号，光信号传播到目的地后在转变成电信号，使受话器鸣叫。这就是电话的简单原理，可是大家知道如此虚无缥缈的光信号是如何传播的吗？•这就涉及到我们今天要讲的一类特殊材料——光导纤维所谓光导纤维是细如毛发并可自由弯曲的导光材料。光导纤维的曲折发展•光通讯是人类最早应用的通讯方式之一。从烽火传递信号，到信号灯﹑旗语等通讯方式，都是光通讯的范畴。但由于受到视距﹑大气衰减﹑地形阻挡等诸多因素的限制，光通讯的发展缓慢。•1870年的一天，英国物理学家丁达尔到皇家学会的演讲厅讲光的全反射原理，他做了一个简单的实验：在装满水的木桶上钻个孔，然后用灯从桶上边把水照亮。结果使观众们大吃一惊。人们看到，放光的水从水桶的小孔里流了出来，水流弯曲，光线也跟着弯曲，光居然被弯弯曲曲的水俘获了。这些现象引起了丁达尔的注意，经过他的研究，发现这是全反射的作用，即光从水中射向空气，当入射角大于某一角度时，折射光线消失，全部光线都反射回水中。表面上看，光好像在水流中弯曲前进。实际上，在弯曲的水流里，光仍沿直线传播，只不过在内表面上发生了多次全反射，光线经过多次全反射向前传播。这为光导纤维的产生奠定了理论基础。人们曾经发现，光能沿着从酒桶中喷出的细酒流传输；人们还发现，光能顺着弯曲的玻璃棒前进。这是为什么呢？难道光线不再直进了吗？光导纤维于上个世纪20年代就研制出来了，是用超纯石英玻璃在高温下拉制而成的，有很好的导光能力。但是由于传输过程中光波衰减太大，因此没有实用价值。当时光导纤维每千米哀减100分贝，所以如果用来通信，就要每隔20m设一个中继站，未能在实际通信中应用。1966年，一位英籍华人高琨博士发表一篇著名的论文，首次提出，解决玻璃纯度和成分问题，就能够得到光传输衰减很小的玻璃纤维。光导纤维沉寂了近50年后终于迎来了它的曙光。光导纤维的研制步入高速发展阶段。光纤之父高锟博士1970年，美国康宁玻璃公司首先拉制成功第一根每千米只衰减20分贝的石英玻璃光导纤维。此后，光导纤维的衰减率不断下降：1974年，每千米2分贝，1976年，每千米1分贝，1979年，每千米0.2分贝，80年代达到每千米0.16分贝，90年代研制的氟化物玻璃纤维衰减更低，已降低到每千米0.03分贝。这种高纯度氟化物玻璃光导纤维的传输能力，十分高强，一次传送距离长达4800km，可以在无中继站的情况下进行洲际光通信。今天可以说，光导纤维是经过艰辛的历程，才取得辉煌的成绩的。光纤的构造及其原理•光导纤维：细如毛发并可自由弯曲的导光材料。•光导纤维由中心部位折射率高的芯纤和包敷此芯纤的低折射率护套构成。光纤纤芯•一般的光纤纤芯材料有石英玻璃与塑料，塑料光纤的价格约石英光纤的十分之一，石英光纤的核心口径较小，石英单模光纤约5~12μm，石英多模光纤约50~150μm，而塑料光纤的核心口径约1000μm。护套•护套即为外壳部分，光线入射二种不同介质时发生反射及折射现象，利用全反射，我们可很轻易的使用光纤来改变光的行进方向，且在过程中，光的损耗最小。为使光线能在核心中传送，因此光线需依全反射方式行进，所以核心部份之折射率须比外壳之折射率大。除此之外，如果我们希望光线能在核心入射外壳介质时发生全反射现象，那么光线在入射进光纤时其入射角亦不能太大。•如图，假设在界面一光线入射光纤入射角θm时，在入射外壳介质时发生全反射之临界现象，亦即在界面二光线折射角为90度，而在界面二光线入射角为θc，而在界面一光线入射角如大于θm时，光线将无法在在核心中传送。设核心之折射率n1在界面一，依折射定律可得n1sinθ2=sinθm在界面二，依折射定律可得n2sin90°=n1sinθc又，θ2=90°-θc可得n2=n1cosθ2，•cosθ2=n2/n1sinθ2=(1-cos2θ2)1/2=(n12-n22)1/2/n1sinθm=n1sinθ2=(n12-n22)1/2光纤的损耗•光纤的损耗分为材料固有的光损耗和由杂质及加工过程引起的外因性光损耗。•材料固有的光损耗分为以下三类：•短波部分的瑞利散射，由于保持热平衡的光波长数量级不同而引起直射率起伏•紫外吸收是由电子在能带间跃迁引起的•红外吸收则是由组成离子共振引起的，由重离子构成的材料，离子间的结合力弱，较容易吸收波长较长的红外光•外因引起的光损耗有-OH基及铁等杂质的吸收、由各种内部缺陷所引起的吸收及散射和由在纤维化过程中发生在芯线与护套界面处的微小起伏等因结构不规整而引起的散射。这些外因是由于原料中的杂质和制作过程不够精良造成的，可以通过提高原料纯度，改善制造工艺来降低其光损耗。光纤的特点•损耗低在同轴电缆组成的系统中，最好的电缆在传输800MHz信号时，每公里的损耗都在40dB以上。相比之下，光导纤维的损耗则要小得多，传输1.31μm的光，每公里损耗在0．35dB以下若传输1．55μm的光，每公里损耗更小，可达0．2dB以下。这就比同轴电缆的功率损耗要小一亿倍，使其能传输的距离要远得多。此外，光纤传输损耗还有两个特点，一是在全部有线电视频道内具有相同的损耗，不需要像电缆干线那样必须引人均衡器进行均衡；二是其损耗几乎不随温度而变，不用担心因环境温度变化而造成干线电平的波动。•重量轻因为光纤非常细，单模光纤芯线直径一般为4um～10um，外径也只有125um，加上防水层、加强筋、护套等，用4～48根光纤组成的光缆直径还不到13mm，比标准同轴电缆的直径47mm要小得多，加上光纤是玻璃纤维，比重小，使它具有直径小、重量轻的特点，安装十分方便.•抗干扰能力强因为光纤的基本成分是石英，只传光，不导电，不受电磁场的作用，在其中传输的光信号不受电磁场的影响，故光纤传输对电磁干扰、工业干扰有很强的抵御能力。也正因为如此，在光纤中传输的信号不易被窃听，因而利于保密。•保真度高因为光纤传输一般不需要中继放大，不会因为放大引来新的非线性失真。只要激光器的线性好，就可高保真地传输电视信号。实际测试表明，好的调幅光纤系统的载波组合三次差拍比C/CTB在70dB以上，交调指标cM也在60dB以上，远高于一般电缆干线系统的非线性失真指标。•工作性能可靠我们知道，一个系统的可靠性与组成该系统的设备数量有关。设备越多，发生故障的机会越大。因为光纤系统包含的设备数量少(不像电缆系统那样需要几十个放大器)，可靠性自然也就高，加上光纤设备的寿命都很长，无故障工作时间达50万～75万小时，其中寿命最短的是光发射机中的激光器，最低寿命也在10万小时以上。故一个设计良好、正确安装调试的光纤系统的工作性能是非常可靠的。•成本不断下降目前，有人提出了新摩尔定律，也叫做光学定律（OpticalLaw）。该定律指出，光纤传输信息的带宽，每6个月增加1倍，而价格降低1倍。光通信技术的发展，为Internet宽带技术的发展奠定了非常好的基础。这就为大型有线电视系统采用光纤传输方式扫清了最后一个障碍。由于制作光纤的材料(石英)来源十分丰富，随着技术的进步，成本还会进一步降低；而电缆所需的铜原料有限，价格会越来越高。显然，今后光纤传输将占绝对优势，成为建立全省、以至全国有线电视网的最主要传输手段。光纤通信同时具有以下缺点：•(1)光纤弯曲半径不宜过小；•(2)光纤的切断和连接操作技术复杂；•(3)分路、耦合麻烦。光纤的种类从制造光纤的主要材料可分为以下几类。一、石英光纤石英光纤的组成以SiO2为主，添加少量的GeO2，P2O5，及F等以控制光纤的折射率。他具有资源丰富、化学性能稳定、膨胀系数小、容易在高温下加工且光纤的性能不随温度而改变等优点，二、非氧化物光纤非氧化物光纤有氟化物玻璃、硫族化合物玻璃，和卤化物晶体三类，与氧化物光纤相比，非氧化物光纤由重离子组成，熔点较低，离子间结合力弱，可吸收红外长波，这是此类材料固有的光损耗。•三、聚合物光纤聚合物光纤由高折射率的均匀熟料芯和低折射率的塑料涂层组成，其特点是质量轻、韧性好、接受光的能力强，但耐温较低，一般不超过100℃，特殊处理后不超过200℃，化学稳定性较差。一般用于制作聚合物光纤的材料有聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲脂、聚碳酸酯等。当波长为0.3到0.6微米时，聚合物光纤的损耗是很低的。它在汽车、飞机、通讯等部门应用，尤其是大量应用于仪器间连接等短距离通讯，其使用方便抗震耐用。还有一类兼具成像作用的聚合物光纤，称为聚焦导光纤维，其焦距、相距、放大率和色差都是纤维长度的周期函数，只要截取适当的长度就能得到放大和缩小，正立或倒立的实相和虚像。按光在光纤中的传输模式分：•多模光纤(MultiModeFiber)：中心玻璃芯较粗(50或62.5μm)，可传多种模式的光。但其模间色散较大，这就限制了传输数字信号的频率，而且随距离的增加会更加严重。因此，多模光纤传输的距离就比较近，一般只有几公里。•单模光纤(SingleModeFiber)：中心玻璃芯很细(芯径一般为9或10μm)，只能传一种模式的光。因此，其模间色散很小，适用于远程通讯，但还存在着材料色散和波导色散，这样单模光纤对光源的谱宽和稳定性有较高的要求，即谱宽要窄，稳定性要好。按光纤的工作波长分：短波长光纤、长波长光纤和超长波长光纤。•短波长光纤是指0.8～0.9μm的光纤；•长波长光纤是指1.0～1.7μm的光纤；•而超长波长光纤则是指2μm以上的光纤。按最佳传输频率窗口分：•常规型：光纤生产长家将光纤传输频率最佳化在单一波长的光上，如1300μm。•色散位移型：光纤生产厂家将光纤传输频率最佳化在两个波长的光上，如：1300μm和1550μm。•我们知道单模光纤没有模式色散所以具有很高的带宽，那么如果让单模光纤工作在1.55μm波长区，不就可以实现高带宽、低损耗传输了吗？但是实际上并不是这么简单。常规单模光纤在1.31μm处的色散比在1.55μm处色散小得多。这种光纤如工作在1.55μm波长区，虽然损耗较低，但由于色散较大，仍会给高速光通信系统造成严重影响。因此，这种光纤仍然不是理想的传输媒介。•为了使光纤较好地工作在1.55μm处，人们设计出一种新的光纤，叫做色散位移光纤（DSF）。这种光纤可以对色散进行补偿，使光纤的零色散点从1.31μm处移到1.55μm附近。这种光纤又称为1.55μm零色散单模光纤，代号为G653。光纤的应用•光纤的优良特性，使之在光纤通信、传感、传像、传光照明与能量信号传输等多方面的领域被广泛而大量应用，并已成为当今世界的新兴支柱产业，需求非常旺盛。近50年来光纤技术在光纤传感、光纤传像、传光照明、能量传输与信号控制、特别是在光纤通信等民用与军工的广泛领域获得了重要而大量的应用，尤其在信息技术领域正表现出越来越强大的生命力以及广阔的应用前景，因而也必然是21世纪最有发展前景的技术与产业。一、光纤传光照明与能量信号传输•利用光纤的传光功能，将光纤与可见光光源或激光光源相结合，可以实现照明、装饰以及光信号与高功率能量的传输，这是光纤应用的一个重要分支领域，而且随着建筑业新型照明装饰等潜在的巨大需求被开发，光纤在照明装饰、能量与信号传输这一领域将呈快速增长趋势。•能实现上述全部或部分功能的材料有：玻璃光纤、石英光纤、液芯光纤和塑料光纤。不同的材料由于其性能的差异，各有其适合的应用领域和场合。•具体用途和应用领域主要有：•仪器、设备、兵器装备与汽车内部仪表盘照明；•利用传导太阳能的室内绿色照明；•大量彩色光纤工艺制品；•各种建筑物室内外光纤照明装饰工程；•医疗用人体内照明；•大功率激光传输治疗•工业用光信号传输和控制二、光纤传像器件、系统与应用•利用光纤传输图像有三种技术途径：•第一种是利用光纤通信技术进行图像传输，即光纤视频通信技术；•第二种是无源光纤传像技术，作为其核心传像器件的机理，是基于传像器件两端的各光纤像元做相关排列。无源光纤传像技术经历五十多年的发展，技术已经比较成熟，应用领域也在逐渐拓宽，如光纤望远系统