第三章 光纤原材料
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第三章 光纤原材料. 第三节 光纤原材料 第四节 材料对光纤传输特性的影响. 第三节 光纤原材料. 目前制造通信光纤和光器件的光纤材料有:石英玻璃、塑料、光子晶体和掺稀土元素的石英玻璃。. 一、石英玻璃原材料 1 、材料种类与作用 石英玻璃光纤生产工艺过程包含有许多具体的工艺步骤:芯棒制造、外包层、拉丝和涂覆。 ( 不同的工艺阶段采用不同的材料,同一种材料在不同的工艺阶段要求也不同 ). 2 、主体原材料 (SiCl 4 ) 金属卤化物 + 氧 / 水→金属氧化物→构成玻璃成分。

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第三章 光纤原材料

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第三章 光纤原材料

第三节 光纤原材料

第四节 材料对光纤传输特性的影响


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第三节 光纤原材料

目前制造通信光纤和光器件的光纤材料有:石英玻璃、塑料、光子晶体和掺稀土元素的石英玻璃。

一、石英玻璃原材料

1、材料种类与作用

石英玻璃光纤生产工艺过程包含有许多具体的工艺步骤:芯棒制造、外包层、拉丝和涂覆。(不同的工艺阶段采用不同的材料,同一种材料在不同的工艺阶段要求也不同)


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2、主体原材料(SiCl4)

金属卤化物+氧/水→金属氧化物→构成玻璃成分。

高纯SiCl4→石英玻璃光纤预制棒→光纤(可见,SiCl4的纯度直接影响光纤的传输性能),为了降低光纤损耗,SiCl4必须经过严格的提纯,除去有害的过渡金属(Cu、Fe、Co等)离子、含氢化合物和碳氢化合物等有害物质。


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3、掺杂原材料(GeCl4、CCl3F3氟里昂、C2F6六氟乙烷)

(1)GeCl4的作用:提高纤芯的折射率

(2) CCl3F3、C2F6的作用:

①降低光纤包层的折射率;

②作为沉积反应管内表面的腐蚀抛光剂,使石英玻

璃管内表面光滑、清洁、干燥,有利于提高光纤

强度,降低损耗;

③在预制成棒时,作为腐蚀剂减小由于GeO2在成棒

时的高温挥发而造成的中心下陷。


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二、石英玻璃

1、来源

石英玻璃管主要早期是通过天然水晶熔制而成;目前,采用合成石英玻璃管(SiCl4高温水解制成坯体,在经过脱水烧结和拉管而成)。

2、生产

SiCl4+O2→SiO2+2Cl2(1700℃) 制的的二氧化硅极纯


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3、熔融石英玻璃的基本物理性能

胡克定律:在物体的弹性限度内,应力与应变

成正比,其比例系数称为杨氏模量

E = σ / ε

剪切应力与应变的比值

温度每变化1℃材料长度变化的百分率


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特点:

(1)耐高温性能:软化点与白金熔点相近;

(2)热膨胀系数小:相当于陶瓷的1/6,普通玻璃的1/20

(3)光谱特性极佳:在紫外、可见到红外有良好的透过性

(4)耐酸性材料;

(5)绝缘性能好、介电损耗小:高温电阻值相当于普通玻

璃的10000倍;

(6)可制得高纯的材料:金属离子总量为10-6。


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  • 4、性能计算

  • 已知熔融石英玻璃的密度为ρ=2.2g/cm3,杨氏模量E=72900N/mm2,线膨胀系数α=5.5×10-7,问:

  • 温度引起的光纤长度的变化量?光纤长度L=1km,温

  • 度变化范围由20℃升至40℃,即ΔT=20K;

解:ΔL=αΔTL=1.1cm

(2)光纤质量?直径d=125微米,长度L=1km的无涂覆层

的融融石英玻璃光纤;

解: =0.0123mm2;质量M=ρAL=27g


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(3)光纤的应力和应变?直径d=125微米,所加的张力F=424N;

胡克定律σ=Eε

解:应力σ=F/A=345N/mm2,应变ε=σ/E=4.73×10-3


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第四节 材料对光纤传输特性的影响

一、材料对光纤衰减的影响

通信光纤所用的材料是石英玻璃和掺杂石英玻璃。

通信光纤的四大特性:良好的几何特性、传输特性、机械特

性和环境特性。

传输衰减:本证损耗:多声子吸收、紫外吸收损耗;

非本征损耗:杂质吸收、光纤波导结构不够完善等。


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1、多声子吸收

玻璃是由硅氧四面体组成的三维无序结构,SiO2的声子吸收带与硅氧四面体分子的基本振动相对应。纯石英玻璃的强吸收带位于9.1微米、12.5微米、21微米。

纯SiO2的多声子吸收系数可由下式求得:

掺杂GeO2的石英玻璃中,吸收带并非SiO2和GeO2得吸收光谱的简单叠加,而吸收光谱更宽且更分散,掺杂10wt%的石英玻璃吸收光谱与非掺杂石英玻璃吸收光谱几乎完全相同,所不同的是掺杂GeO2的石英玻璃吸收光谱峰值向长波长方向偏移。


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2、紫外吸收和拖尾

拖尾:在吸收光谱中,峰尾需要很长时间才好回到基线,

导致峰的左右不对称。

在石英玻璃的紫外反射光谱中,10.2eV、11.7 eV、14.0 eV、17.3 eV四个吸收带。

掺杂石英玻璃的紫外吸收峰波长比石英玻璃的紫外吸收峰的波长要长,所以可以变换掺杂元素的种类和数量可改善掺杂石英玻璃的吸收拖尾。

GeO2含量的增加→拖尾向更长的波长区域迁移。

紫外系数:


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3、杂质吸收

(1)过渡金属

过渡金属:Fe、Cu、Ni、Mn、Co、Cr、V、Pt

过渡金属元素具有α电子结构→α电子跃迁→吸收损耗

来源:石英玻璃的原料中


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(2)氢氧根

表3 1×10-6水而引起的吸收损耗和波长的关系

增大


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由表可见:在0.95微米的吸收损耗为1.0dB/km;在1微米以上,氢氧根引起的吸收损耗急剧增加,1.38微米处为65 dB/km;对于波长为1.0~1.35微米和1.45~1.8微米两个波段的吸收损耗影响最大,所以工作波长为1.28~1.625微米低损耗的单模光纤,必除水分。


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二、折射率

1、色散

模式色散、材料色散、波导色散;

2、温度关系

在高温条件下,纯石英玻璃和掺杂石英玻璃折射率随波长的延长而呈现下降趋势。

(1)温度与折射率的关系

光脉冲通过长度为L的光纤的时延:

N—光线材料折射率 C—光速


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对T求导得:

(2)光纤温度时延漂移常数Kf:单位长度、单位温度的间隔

时延变化量


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作业:设玻璃光纤的热膨胀系数为5.5×10-7/℃,SiO2材

料在1310nm处的折射率为1.46,折射率随温度

的变化大约为1×10-5/℃,求Kf


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三、热膨胀系数α

构成光纤包层的石英玻璃的α较小;构成光纤纤芯的掺杂石英的α较大→在纤芯/包层界面处一定产生应力→光纤产生附近损耗→在光纤预制棒设计中应选用热膨胀系数比较接近的材料来制造光纤预制棒。


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