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氧化物光纤（氧化物光纤）

次浏览 | 更新时间：2023-05-20

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氧化物光纤

玻璃纤维中能以波导结构传输光者称为光学纤维。用于光通讯时则要求具有特别良好的透光性(低损耗),长距离传输后仍能识别信号(低色散),满足这些要求者则可称为光通讯光纤,简称光纤。光纤通讯的最大特点是中继间距离长和传输容量大。用于光纤的玻璃有钠钙系统和硼硅酸钠系统。通过改变玻璃的成分可以容易地控制折射率，利用这个优点，用双坩埚法制造了阶跃型光纤。其特点是除了热膨胀系数和软化温度一致外，芯皮之间的折射率差大，适于制造大数值孔径光纤。这就是氧化物光纤。

基本信息

应用领域	陶瓷材料
特点	稳定的玻璃态

光钎损耗

氧化物光纤

光纤通讯的最大特点是中继间距离长和传输容量大。为实现此目的，要求光纤具有低损耗、低色散。如右图所示为光纤中损耗主要原因的示意。所有这些损耗均取决于光纤制造技术，尽量消除上述损耗在制造低损耗光纤中十分重要。

因此，制造低损耗、低色散光纤应选择最低本征损耗小的玻璃材料及适合于该材料的制造技术即通过高纯度、均匀性优优越的玻璃的合成，以及折射率的精密控制制造波导结构来实现。

氧化物玻璃在光纤中的优点

氧化物玻璃具有稳定的玻璃态，由多种氧化物构成的多组分玻璃，透过波长范围取决于透过范围最狭窄的组合，虽然本征吸收损耗比较大。但软化点低使瑞利损耗(折射率变化引起)变小，且能比较容易地合成稳定均匀的玻璃。

石英玻璃的本征损耗低，大约是0.2dB/km,玻璃态的石英是一种稳定的材料，石英玻璃通常在高温下制造，早已知道由于高温下杂质的挥发而能得到高的纯度。正是这样，使控制折射率所必需的掺杂物不容易引入，难于制造成波导结构，但是应用半导体工业中发展的化学气相沉积法(CVD, Chemical Vapor Deposition),使掺杂石英玻璃的合成变为现实。用这种CVD法制造光纤，可实现超高强度和波导结构的精密控制，目前，石英系统玻璃在光纤材料中占主要地位。

石英系光纤的制造

石英系光纤的制造包括合成具有波导结构的高纯度预制坯棒和将棒拉制成光纤。光纤的制造分为三个阶段：预制棒的制造；拉丝和涂覆；成缆。

预制棒的制造

预制棒的制造有三种比较典型的制作方法，即管内气相沉积法、轴向气相沉积法和外气相沉积法。

1、管内气相沉积法( Inside Vapor Deposition)：是目前制作高质量石英系玻璃光学纤维最通用的方法。又叫改进的化学气相沉积法( Modified Chemical Vapor Deposition),即MCVD法。

在石英管内不断通入各种超纯的原料气体(如四氯化硅、四氯化锗、三氯氧磷、三溴化硼)以及反应气体氧气。石英管的外径通常为20mm,内径为17mm左右。石英管是夹在玻璃车床上的，一般以每分钟几十转的速度转动。用氢氧喷灯以每分钟十几厘米的速度沿反应管来回运动几十次。由于管外氢氧焰燃烧温度的高温加热，使管内的气体发生化学反应，反应生成物便沉积在石英管的内壁，形成多层玻璃状物质。采用电子计算机控制各种原料气体的组分、流量以及氢氧焰喷灯的移动速度，可以使石英系光纤的断面折射率分布达到预先设计的要求。然后把石英管高温烧熔成致密的实心棒，就得到了光纤的预制棒。

2 、轴向气相沉积法(AVD法, Vapor Phase Axial Deposition)：是用

水解反应

使高纯原料

等气化，再通过高温氢氧焰生成玻璃微粒组成的所谓粉尘。喷灯上面有一根石英棒，玻璃粉尘就沉积在它的顶部，将石英棒不停地旋转，并且向上提拉，在石英棒的下方就生成多孔的预制棒。然后将多孔棒置于炉中，通于氯化亚硫酰气体，除去表面残留的氢氧离子；最后再加热到1500~1700℃,烧熔成透明的预制棒。轴向法中氧化物沉积速度比管内法提高5~10倍。因此，适于制作大型棒材。

3、外气相沉积法(OVD法, Outside Vapor Deposition)应用水解反应原理，将原料气体输入氢氧焰喷嘴，经高温分解合成得到玻璃粉尘，一层一层地沉积在耐火材料(一般使用碳一类的材料)心棒的表面，形成多孔的预制棒。拔去心棒之后，再放入高温炉内加热熔缩，得到透明的预制棒。这种方法能制成大直径的预制棒，一次拉几十公里长的光学纤维。

4、等离子体化学气相沉积法(PCVD法, Plasma Chemical Vapor Deposition)基本上与MCVD法相同，只是加热源采用等离子火焰。这种方法可制得大尺寸坯棒。

拉丝与涂覆

氧化物光纤

预制棒制成之后，下一工序就是拉丝和涂覆。如右图所示，将预制棒装夹在一个送棒机构上，送入加热炉(石墨炉)。在接近2000℃的高温下，预制棒下端被加热至近熔融状态，拉制成外径为100~150μm的光纤。外径用激光束扫描法测量光纤的直径，测量结果反馈到拉丝速度控制。目前可方便地将直径波动控制在土1μm以内。

因为石英光纤本身是比较脆的，经不起弯曲和摩擦，因此在纤维成形后，要立即涂覆丙烯酸树脂或硅树脂，通过加热或紫外光照射的方法使其固化，形成一层坚固的涂层。一般在成缆前，要进行二次涂覆。涂覆的目的是提高光纤机械强度和减少光纤传输损耗。

成缆

涂覆过的光纤组合起来可以制成各种光缆。光缆的结构形式有层状光缆、单元型光缆、衬架型光缆以及带状光缆。光缆的增强材料可以是金属，也可以是非金属。光缆与同轴电缆相比，具有不会产生串话、量轻、直径小、施工比较简单的特点。

光纤的结构与分类

氧化物光纤

通讯用玻璃光纤是由折射率较高(n)的玻璃光纤芯和折射率较低(

)的玻璃包皮层所构成。一般其结构如右图所示的三种。

如右图所示是单一波型SM型，其波型数仅为一种，具有色散特性最性最优优的结构，作为大容量传输媒介使用。而多波型光纤可以传输多种波型的光信号。阶跃折射率型，是光在芯部与外皮界面上反复地全反射而传输，而芯部折射率以缓变梯度分布的GI型，光在其中的传输是以螺旋线方式行进的。这两种情况下，对于传输方向光线的角度小时得以全反射而无损失，但θ过大时，光就可能折射出芯部以外,θ值由下式计算:

式中,

为芯部折射率;

为皮料折射率。

光纤的主要性能

损耗

氧化物光纤

光纤的传输损耗大体上可以分为光纤本身的损耗和用于传输线路时由使用条件造成的损耗，如右图所示。

光纤的散射损耗主要有瑞利散射和米氏散射。瑞利散射是由玻璃的不规则分子结构引起的微观折射率波动(周期为1~10nm)造成的。在多组分的玻璃中，各个成分含量发生波动就会引起折射率的变化。在单一成分的玻璃中，当玻璃冷却时，由于温度波动使它的折射率也不完全一样。这样极小的折射率波动就会成为散射中心引起瑞利散射。米氏散射是当材料的不均匀性尺寸和光波波长差不多时产生的。它们可能是在光纤制造时形成的小晶粒、小气泡等造成的。

光纤的吸收损耗有材料固有的吸收损耗和外加杂质缺陷引起的吸收损耗。在玻璃材料中，硅-氧、磷-氧、硼-氧之间形成的键，在红外区域会发生伸缩振动，引起红外光的吸收。这就是材料固有的吸收损耗。所以，选用哪种材料制造光纤，要认真考虑。玻璃材料中所含的杂质，特别铁、铜、铬、镍等金属离子及氢氧根离子，都会引起外加的吸收损耗。离子产生的吸收只出现在它的固有吸收波长范围内。氢氧根离子在0.95μm、1.23μm、1.37μm处具有吸收峰；二价铁离子的吸收常分布在0.7~1,3μm之间很宽的频段内。为了制作低损耗的光纤，要把氢氧根离子产生的吸收损耗降低到1dB/km(波长在1.37μm处)以下，这就要求氢氧根含量应该低于25ppb;要将二价铁离子和二价铜离子的损耗减少到0.1dB/km,其浓度应当降低到0.3ppb(1ppb为十亿分之一)。

光纤的几何结构不完整也造成损耗。光纤的芯径、数值孔径在长度方向变化、光纤的不规则的微弯曲都是这种损耗的原因。上面讲到的损耗单位是分贝dB,计算方法为:

损耗

（输出位置大小/输入位置大小）

传输模式

光波是一种电磁波。光在光纤中传播时，由光纤的传播模式载运光能。传播模式就是麦克斯韦方程的本征解，它的电磁场的截面形状不随传播过程变化。如果人射光的模样是圆光斑，在出射端仍能观察到圆形的光斑，这就是其模传输，也称为单模传输；如果出射的光斑分裂成许多小光斑，这就意味着出现了许多杂散的高次模。它们都是从有用的基模光波中转换过来的。各个模的传输路径不同，传输速度也不同，因而使传输的信号失真。

单模光纤就是根据芯径小等特定条件只传输一种模式的光纤。对单模光纤来讲，芯径小，一般只有传递的光波波长的几倍，即只有几微米直径。光束进入光纤中的角度也很小，光向前传播的路径也小。它形成的电磁场分布形式单纯，只允许一种基本的模式(即基模)传播，而其他杂散的高次模均被淘汰。

多模光纤可以允许很多模式同时存在的光纤。对多模光纤来说，芯径很大(一般为40~100μm),由光源来的光束进入芯中的角度不同，向前传播的路径也很多，在空间形成的电磁分布的模式也就很多，有时可以达到同时有几千种模式在一根光纤中传输。

传输带宽

传输带宽也是表示光纤传输信号的能力，光信号是以光脉冲的形式输人光纤的，如果输入的光脉冲经过光纤传输后脉冲严重变宽，则前后的脉冲就会重叠起来，以致分辨不清。

影响光纤传输带宽的因素是色散。光纤的色散有三种：材料色散、结构色散和模式色散。材料色散是由于光纤玻璃的折射率随波长变化，所以光源的光谱变宽时，光纤中传输的脉冲信号就变宽。

结构色散是由光纤的几何结构决定的色散。由于包皮中光速比纤芯中快，电磁场进入包皮使得光脉冲的传播速度加快，从而脉冲就展宽。

模式色散是由于模式的不同，因而光传播速度也不同所产生的色散。

数值孔径

数值孔径(NA)表示光纤的芯子能接受入射光的最大接受角的正弦值(

,),其大小与纤芯和包皮的折射率

、

的关系为：

对于大多数实际应用来讲，都希望数值孔径大些，因为传输时，玻璃中的吸收和散射损失是不可避免的，所以希望有较多的光进入纤芯。但对于单模光纤来说，数值孔径大会激起高次模，因此要选取适宜的数值孔径。

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