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氧化物光纖（氧化物光纖）

次瀏覽 | 更新時間：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。用于光通訊時則要求具有特別良好的透光性(低損耗),長距離傳輸后仍能識別信號(低色散),滿足這些要求者則可稱為光通訊光纖,簡稱光纖。光纖通訊的最大特點是中繼間距離長和傳輸容量大。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，利用這個優(yōu)點，用雙坩堝法制造了階躍型光纖。其特點是除了熱膨脹系數(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	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是中繼間距離長和傳輸容量大。為實現(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)來實現(xiàn)。

氧化物玻璃在光纖中的優(yōu)點

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。用這種CVD法制造光纖，可實現(xiàn)超高強度和波導(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。用氫氧噴燈以每分鐘十幾厘米的速度沿反應(yīng)管來回運動幾十次。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)。采用電子計算機控制各種原料氣體的組分、流量以及氫氧焰噴燈的移動速度，可以使石英系光纖的斷面折射率分布達(dá)到預(yù)先設(shè)計的要求。然后把石英管高溫?zé)鄢芍旅艿膶嵭陌?，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)

使高純原料

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)制棒裝夾在一個送棒機構(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量光纖的直徑，測量結(jié)果反饋到拉絲速度控制。目前可方便地將直徑波動控制在土1μm以內(nèi)。

因為石英光纖本身是比較脆的，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械強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，具有不會產(chǎn)生串話、量輕、直徑小、施工比較簡單的特點。

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。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，對于傳輸方向光線的角度小時得以全反射而無損失，但θ過大時，光就可能折射出芯部以外,θ值由下式計算:

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(周期為1~10nm)造成的。在多組分的玻璃中，各個成分含量發(fā)生波動就會引起折射率的變化。在單一成分的玻璃中，當(dāng)玻璃冷卻時，由于溫度波動使它的折射率也不完全一樣。這樣極小的折射率波動就會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差不多時產(chǎn)生的。它們可能是在光纖制造時形成的小晶粒、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)域會發(fā)生伸縮振動，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范圍內(nèi)。氫氧根離子在0.95μm、1.23μm、1.37μm處具有吸收峰；二價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;要將二價鐵離子和二價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，由光纖的傳播模式載運光能。傳播模式就是麥克斯韋方程的本征解，它的電磁場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。各個模的傳輸路徑不同，傳輸速度也不同，因而使傳輸?shù)男盘柺д妗?/span>

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。對單模光纖來講，芯徑小，一般只有傳遞的光波波長的幾倍，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存在的光纖。對多模光纖來說，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，有時可以達(dá)到同時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的能力，光信號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變化，所以光源的光譜變寬時，光纖中傳輸?shù)拿}沖信號就變寬。

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：

對于大多數(shù)實際應(yīng)用來講，都希望數(shù)值孔徑大些，因為傳輸時，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。但對于單模光纖來說，數(shù)值孔徑大會激起高次模，因此要選取適宜的數(shù)值孔徑。

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