张伟刚-光纤光学原理与应用--第一章

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Dep o si ted Ge d o p ed SiO 2
Ro tat e man d rel
(a)
(b)
Cl ear so l id g las s p refo rm
(c)
Draw n fi ber
Schematic illustration of OVD and the p reform preparation for fiber drawing. (a) Reaction of gases in the burner flame produces glass soot that deposits on to the outside surface of the mandrel. (b) The mandrel is removed and the hollow porous soot preform is consolidated; the soot particles are sintered, fused, together to form a clear glass rod. (c) The consolidated glass rod is used as a preform in fiber drawing.
I/O rates = optical wavelength capacity
10 Gb/s Ethernet
3 2 140Mb/s
565Mቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ/s
Gbit Ethernet Fast Ethernet
T3
STM1
1
Ethernet
E1
Transport capacity Ethernet Standards Internet backbone 2000
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光纤技术的应用领域
光纤技术
信息获取
信息传输
信息处理
其它应用
位移、振动 温度、压力 应变、应力 电流、电压 电场、磁场 流量、浓度 可以测量70 多 个物理化学量
有源无源器件 光纤通信干线 光交换接入网 AON DWDM OADM OTDM FTTC,B,O,H
光子集成 光电子集成 集成光路 光收发模块 光接入模块 光开关模块 光放大模块
1985
1990
1995
Year
8
武汉-中国光谷

光纤通信技术产业 激光技术产业 光纤传感技术产业 光存储技术产业 照明与显示技术产业 IC技术产业
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“光通信的第二个春天”



4G的启动。 村村通工程的全面铺开也需要大量的光纤光缆及 相关通信用产品。 随着用户对带宽需求的提高,技术的突破和新标准 的确定以及光纤光缆及相关元器件价格的大幅度 下降,FTTH 出现迅速发展的势头。 铜价的迅速飙升进一步加速了“光进铜退”的步 伐和F T T x接入的浪潮汹涌。
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Dry in g g ases Vap ors : Si Cl4 + GeCl4 + O 2 Fu el : H2 Bu rn er Dep o si ted s o ot P o ro u s s o ot p refo rm wi th h o l e Fu rn ace P reform Fu rn ace
光纤光学
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“导光”的古老历史
中国古代烽火台 1854年：英国的廷达尔(Tyndall)就观察 到光在水与空气分界面上作全反射以致 光随水流而弯曲的现象 1929-1930年：美国的哈纳尔(Hanael)和 德国的拉姆(Lamm)先后拉制出石英光纤 并用于光线和图象的短距离传输
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“光纤之父”----高锟博士

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光纤通信系统的发展

76年，美国在亚特兰大开通了世界上第一个实用化光纤通 信系统。码率为45Mb/s，中继距离为10km。80年，多模 光纤通信系统商用化（140Mb/s），并着手单模光纤通信 系统的现场试验工作。 90年，单模光纤通信系统进入商用化阶段（565Mb/s）， 并着手进行零色散位移光纤和波分复用及相干通信的现场 试验，而且陆续制定同步数字体系（SDH）的技术标准。 93年，SDH产品开始商用化（622Mb/s 以下）。 95年，2.5Gb/s 的SDH产品进入商用化阶段。 96年，10Gb/s 的SDH产品进入商用化阶段。 97年，采用波分复用技术（WDM）的20Gb/s 和40Gb/s 的SDH产品试验取得重大突破。 此外，在光孤子通信、超长波长通信和相干光通信方面也 正在取得巨大进展。
?1999 S.O. Kasap, Optoelectronics (Prentice Hall)
2015-5-20
VAD
VAD工艺是1977年由日本电报电话公司为避
免与康宁公司的OVD专利的纠纷所发明的连续工
艺。 VAD工艺的化学反应机理与OVD工艺相同， 也是火焰水解。与OVD工艺不同的是，VAD工艺
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FTTH is not only just a broadband access solution but also means to enhance our quality of life!
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光纤光学: 是一门研究光波在光纤中传播特性的科学 光纤: 是一种介质园柱光波导,它能够约束并导引光波 在其内部或其表面附近沿其轴线方向向前传播

光波导：约束光波传输的媒介 导波光：受到约束的光波 光波导三要素： –“芯 / 包”结构 –凸形折射率分布，n1>n2 –低传输损耗
7
2000: “光通信的第一个春天”
System capacity (Mbps)
10 10 10 10 10 10
6 STM64, 32l STM64, 16l STM64, 8l
5
4
Important Threshold!
1.7Gb/s
STM16
STM64, 4l STM64, 2l
STM64c STM16 STM4
4
光纤通信系统基本结构
光发送 端机
光中继 放大
光接收 端机
电发送 端机
电发送 端机
5
光纤通信：21世纪的“信息高速公路”
以光信号作为载波，以光纤为传输媒介 光纤带宽极宽、通信容量极大 光纤重量轻、韧性好、易于敷设 光纤损耗极低, 使无中继通信距离更长 保密性好、绝缘性好 抗干扰、抗辐射、抗腐蚀 成本低、节约金属线材
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预制棒的生产 主要预制棒生产厂家有康宁、朗讯、 阿尔卡特及日本藤仓、古河等 主要有四种工艺：


MCVD (Modified Chemical Vapor Deposition ) OVD (Outside Vapor Deposition) VAD (Vapor Axial Deposition)汽相沿轴 沉淀积法 PCVD (Plasma Chemical Vapor Deposition)等离子体化学汽相淀积
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OVD

外部气象沉积法是由康宁公司开发，OVD与
MCVD最大不同在于沉积物质形成于由石英、
石墨或氧化铝材料制成的“母棒”外表面， 意即混合材料的玻璃蒸气物质透过氢氧焰的 直接燃烧，使气体材料因热分解以形成SiO2、 GeO2之多孔状物质沉积，经过多层累积后形
成预型体。
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纤芯 包层 一次涂覆


二次涂覆
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MCVD


该工艺由AT&T贝尔实验室于1974年开发。 利用SiCl4与GeCl4等气态原料导入旋转石英玻 璃管中，并在石英管外侧进行加热使管内物质进 行氧化反应，产生SiO2、GeO2在石英管内壁形 成30~100层之层积状态而构成光纤之主要成分。 若针对制造需有折射率变化规格的光纤产品而言， 可透过气态添加物的成分浓度加以控制来完成。
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工业界大多采用MCVD制作多模光纤。在石 英管中加氧气及高纯度的卤化物，加热形 成多层折射率不同的玻璃，玻璃再收缩变 成实心棒，即为预制棒，此法很容易控制 预制棒的形状及大小。 预制棒成形后，先作量测，再移到石墨炉 中加热抽丝成为光纤

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为保护其强度， 避免受潮及污 染，必须在裸 光纤表面镀上 保护层，整个 生产流程须 4～5天（预制 棒～2天）。
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光纤(光缆)
纤芯 包层 涂覆层 护套层
单模：8 ~10mm 多模：50mm
125mm
外护层
À强度元件
内护层 光纤 À缆芯
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光纤的分类
通信光纤 非通信光纤

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光纤的进一步分类
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光纤的进一步分类
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光纤的进一步分类
按材料分： 石英、塑料、红外光纤 特种光纤： 保偏(单偏振)光纤；有源光纤；晶体光纤 零/非零色散位移光纤；负色散光纤； 特殊涂层光纤；耐辐射光纤；发光光纤
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OVD工艺有沉积和烧结两个具体工艺步骤： 先按所设计的光纤折射分布要求进行多孔
玻璃预制棒芯棒的沉积（预制棒生长方向
是径向由里向外），
再将沉积好的预制棒芯棒进行烧结处理，
除去残留水份，以求制得一根透明无水份 的光纤预制棒芯棒， OVD工艺最新的发展
经历从单喷灯沉积到多喷灯同时沉积，由
一台设备一次沉积一根棒到一台设备一次 沉积多根棒
3
爆炸性发展


自一九七０年以后，世界各发达国家对光纤通信的研究倾 注了大量的人力与物力，其来势之凶，规模之大、速度之 快远远超出了人们的意料之外，从而使光纤通信技术取得 了极其惊人的进展。 从光纤的衰耗看： 七O年：20dB/km 七二年： 4 dB/km 七四年：1.1dB/km 七六年：0.5dB/km 七九年：0.2dB/km 九O年：0.14dB/km 光纤的损耗已由1000dB/km下降到已经接近石英光纤的 理论衰耗极限值0.1dB/km。 致使光纤通信在世界范围内 形成了一个充满活力的新兴产业。
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FTTH光纤到户
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(Modified Chemical Vapore Deposition)
光纤预制棒工艺：MCVD
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SiCl4、GeCl4 、O2
SiO2、GeO2
2015-5-20
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2015-5-20
Alcatel目前已针对MCVD进行制程上的更新
设计，称为Advanced Plasma & Vapor Deposition(APVD法)。主要不同于MCVD法 之处在于气态物质沉积之后，利用另外一专 用车床机台来熔合沉积物质以构成预制棒， 并以石墨感应炉替代原氢氧焰热源进行熔合。
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光纤预制棒工艺：(OVD) (Outside Vapour Deposition)
美国Corning
公司开发的。 其后OVD 工艺又有不断改进. 目前已开发出第七代工艺, 使 生产效率提高和降低了生产 成本大幅度; OVD 法又为“管外汽相氧化 法”或“粉尘法”, 其原料在 氢氧焰中水解生成SiO2 微粉, 然后经喷灯喷出, 沉积在由石 英、石墨或氧化铝材料制成 的“母棒”外表面, 经过多次 沉积,去掉母棒, 再将中空的 预制棒在高温下脱水,烧结成 透明的实心玻璃棒, 即为光纤 预制棒。


1966年：高锟博士发表他的著名论文“光频介 质纤维表面波导”首次明确提出,通过改进制 备工艺,减少原材料杂质 , 可使石英光纤的损 耗大大下降 , 并有可能拉制出损耗低于 20dB/km的光纤,从而使光纤可用于通信之中。 1970年,康宁玻璃公司率先研制成功损耗为 20dB/km的石英光纤,取得了重要的技术突破。