光导纤维与激光材料PPT课件
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光导纤维
1.光导纤维工作原理 2 .光导纤维种类 3.光导纤维性能
NEXT
机械
光导纤维
NEXT
光导纤维，简称光纤，是一种达致光在玻 璃或塑料制成的纤维中的全反射原理传输 的光传导工具。微细的光纤封装在塑料护 套中，使得它能够弯曲而不至于断裂。通 常光纤的一端的发设备使用发光二极管或 一束激光将光脉冲传送至光纤，光纤的另 一端的接收设备使用光敏组件检测脉冲。 包含光纤的线缆称为光缆。
横模传导的光纤称为单模光纤。大直
径核心、多横模的光纤的物理性质，
也可以用电磁波波动方程分析。这种
光纤允许多于一个横模的光波。
在光纤内的光波的能量，并不是全部
局限于核心里。在单模光纤里，有很
单模光纤内部结构：
大一部分的能量是以衰减波的形式传 导于包覆。
1. 核心：直径 8 µm 2. 包覆：直径 125 µm
BACK
氟化物玻璃光纤
氟化物玻璃光纤是一种新型超低损耗远红外光纤，它是以ZrF4-BaF2.HfF4-BaF2两 系统为基本材料的多分组玻璃光纤，其最低损耗在2.5微米附近处为0.01dB/km,无中 继距离可大10万km以上。89年日本研制成功的2.5微米氟化物玻璃光纤损耗仅有 0.01dB/km.目前正在研究的ZrF4玻璃光纤对于未来开辟超长波长的童心常口具有深 远意义。
NEXT
BACK
特用光纤 有些特用光纤的核心或包覆会特别地制作成非圆柱形，通 常像椭圆形或长方形。这包括维护偏极化光纤： polarization-maintaining fiber）。
光子晶体光纤是一种新型的光纤，其折射率以规律性的模 式变化（通常沿着光纤的轴向会有圆柱空洞）。光子晶体 光纤应用衍射效应（单独的或加上全反射效应）来局限光 波于光纤核心。
BACK
石英光纤
这里所讲的主要是指高纯石英光纤，其主要原料是经过精制的石英，它由SiCl4水解 得到。
SiCl4+2H2O===SiO2+4HCl 工业上通常采用天然石英砂在电炉中以碳还原得到粗硅或结晶硅，其质量分数可达 95%-99%，然后再结晶炉中用氯气和粗硅合成四氯化硅。 SiO2+C====Si+CO2（电炉） Si+2Cl2===SiCl4（450-500度） 其化学性能稳定，除氢氟酸外，对各种化学试剂有强的耐腐蚀性及优异的长期可靠 性，而且生产技术先进。
在一个多模突变光纤内，光线靠着全反射传导于核心。当光线遇到核心-包覆边界时， 假若入射角大于临界角，则光线会被完全反射。临界角的角度是由核心折射率与包覆 折射率共同决定。假若入射角小于临界角，则光线会折射入包覆，无法继续传导于核 心。临界角又决定了光纤的受光角，通常以数值孔径来表示其大小。 渐变光纤的核心的折射率，从轴心到包覆，逐渐地减低。这会使朝着包覆传导的光线 ，平滑缓慢地改变方向，而不是急剧地从核心-包覆边界反射过去。这样，大角度光线 会花更多的时间，传导于低折射率区域，而不是高折射率区域。因此，所形成的曲线 路径，会减低多重路径色散。这理想折射率分布应该会非常接近于抛物线分布。
硫化物玻璃光纤
硫化物玻璃光纤具有较宽的红外透明区域（1.2-12微米),有利于多信道的复用， 具有较宽光学间隙，自由电子跃迁造成的能量吸收较少，而且温度对损耗的影响 较小，是非常有前途的新型光纤。而且，硫化物玻璃光纤具有很大的非线性系数 ，可用来制作非线性器件，这种期间的光开关速度可达数百Gbit/s以上。
NEXT
1.光纤特性 2.光纤材料
光纤材料
BACK
NEXT
1.石英光纤 2.氟化物玻璃光纤 3.硫化物玻璃光纤 4.重金属氧化物玻璃光纤 5.聚合物光纤
1.光纤传输频带宽、容量大
光纤传输是以光波作为载波，而光的频率极宽，大约从10^12﹏10^16Hz.
2.传输损耗低
目前实际应用中的光纤一般是石英玻璃制成的，其传输损耗可低于0.5dB/km,比任何
在核心-包覆边界区域的折射率是
急剧改变的。
各种各样的光纤。
NEXT
光纤的种类 1.单模纤维 2.多模纤维 3.特用纤维
核心直径小于传播光波波长约十倍的
光纤，不能用几何光学理论来分析其
物理性质。替而代之，必须改用麦克
斯韦方程组来分析，导出相关的电磁
波方程。视为光学波导：光纤可以传
播多于一个横模的光波。只允许一种
。
4.抗干扰和化学腐蚀
光线不导电，也不会受高压线、无线电波和雷电等电磁干扰，不需要采用以往铜线
电缆中所用的铅屏蔽等措施。同时光纤中传输的光波也不会干扰外界，不会像金属线那
样发生火花放电现象。另外，石英光缆可抗化学腐蚀，在有腐蚀的地方可以敷设光缆。
5.资源丰富 石英光缆的主要原料是SiO2，它是地壳中含量最丰富的物质。
传 输介质的损耗都要低。
3.直径小、重量轻。富于擾性
普通光纤成缆后，6-12芯缆外径约12mm，重量约为150kg/km，而标准同轴电缆外
径为47mm，18管同轴电缆质量约为11t/km。
光纤虽细，但抗强性好，理论表明断裂强度可达7kg/m.若用面积上的强度，这相当于铜
的10多倍。
光纤柔细，可弯曲，弯成直径为2mm左右的圆形也不会断裂，但不能进行锐角弯曲
BACK
重金属氧化物玻璃光纤
其主要代表有用VAD宫遗址的的GeO2—Sb2O3系统光 纤，这种光纤一般可经过进一步脱OH-的工艺处理， 使损耗降到最低，一般约0.1dB/km。
它还具有优良的化学性能和机械物理性能，但红外性 质不如卤化物玻璃光纤好，区域可偷性差，散射也大 。因此目前光线领域正在大力发展卤-重金属盐化物 玻璃光纤。
最常见的一种单模光纤，核心直径大 约为 7.5–9.5 微米，专门用于传导近
3. 缓冲层：直径 250 µm 4. 外套：直径 400 µ m
ຫໍສະໝຸດ Baidu
红外线。多模光纤的核心直径可以小
至 50 微米，或者大至几百微米。
BACK
核心直径较大的光纤（大于 10 微米）的物理性质， 可以用几何光学的理论来分析，这种光纤称为多模光 纤
光导纤维工作原理
光纤是圆柱形的介质波导，
应用全反射原理来传导光线。
光纤的结构大致分为里面
的核心部分与外面的包覆部分
。为了要局限光信号于核心，
包覆的折射率必须小于核心的
折射率。
BA
渐变光纤：graded-index fiber）
的折射率是缓慢改变的，
从轴心到包覆，逐渐地减小；
而突变光纤：step-index profile）
1.光导纤维工作原理 2 .光导纤维种类 3.光导纤维性能
NEXT
机械
光导纤维
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光导纤维，简称光纤，是一种达致光在玻 璃或塑料制成的纤维中的全反射原理传输 的光传导工具。微细的光纤封装在塑料护 套中，使得它能够弯曲而不至于断裂。通 常光纤的一端的发设备使用发光二极管或 一束激光将光脉冲传送至光纤，光纤的另 一端的接收设备使用光敏组件检测脉冲。 包含光纤的线缆称为光缆。
横模传导的光纤称为单模光纤。大直
径核心、多横模的光纤的物理性质，
也可以用电磁波波动方程分析。这种
光纤允许多于一个横模的光波。
在光纤内的光波的能量，并不是全部
局限于核心里。在单模光纤里，有很
单模光纤内部结构：
大一部分的能量是以衰减波的形式传 导于包覆。
1. 核心：直径 8 µm 2. 包覆：直径 125 µm
BACK
氟化物玻璃光纤
氟化物玻璃光纤是一种新型超低损耗远红外光纤，它是以ZrF4-BaF2.HfF4-BaF2两 系统为基本材料的多分组玻璃光纤，其最低损耗在2.5微米附近处为0.01dB/km,无中 继距离可大10万km以上。89年日本研制成功的2.5微米氟化物玻璃光纤损耗仅有 0.01dB/km.目前正在研究的ZrF4玻璃光纤对于未来开辟超长波长的童心常口具有深 远意义。
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特用光纤 有些特用光纤的核心或包覆会特别地制作成非圆柱形，通 常像椭圆形或长方形。这包括维护偏极化光纤： polarization-maintaining fiber）。
光子晶体光纤是一种新型的光纤，其折射率以规律性的模 式变化（通常沿着光纤的轴向会有圆柱空洞）。光子晶体 光纤应用衍射效应（单独的或加上全反射效应）来局限光 波于光纤核心。
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石英光纤
这里所讲的主要是指高纯石英光纤，其主要原料是经过精制的石英，它由SiCl4水解 得到。
SiCl4+2H2O===SiO2+4HCl 工业上通常采用天然石英砂在电炉中以碳还原得到粗硅或结晶硅，其质量分数可达 95%-99%，然后再结晶炉中用氯气和粗硅合成四氯化硅。 SiO2+C====Si+CO2（电炉） Si+2Cl2===SiCl4（450-500度） 其化学性能稳定，除氢氟酸外，对各种化学试剂有强的耐腐蚀性及优异的长期可靠 性，而且生产技术先进。
在一个多模突变光纤内，光线靠着全反射传导于核心。当光线遇到核心-包覆边界时， 假若入射角大于临界角，则光线会被完全反射。临界角的角度是由核心折射率与包覆 折射率共同决定。假若入射角小于临界角，则光线会折射入包覆，无法继续传导于核 心。临界角又决定了光纤的受光角，通常以数值孔径来表示其大小。 渐变光纤的核心的折射率，从轴心到包覆，逐渐地减低。这会使朝着包覆传导的光线 ，平滑缓慢地改变方向，而不是急剧地从核心-包覆边界反射过去。这样，大角度光线 会花更多的时间，传导于低折射率区域，而不是高折射率区域。因此，所形成的曲线 路径，会减低多重路径色散。这理想折射率分布应该会非常接近于抛物线分布。
硫化物玻璃光纤
硫化物玻璃光纤具有较宽的红外透明区域（1.2-12微米),有利于多信道的复用， 具有较宽光学间隙，自由电子跃迁造成的能量吸收较少，而且温度对损耗的影响 较小，是非常有前途的新型光纤。而且，硫化物玻璃光纤具有很大的非线性系数 ，可用来制作非线性器件，这种期间的光开关速度可达数百Gbit/s以上。
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1.光纤特性 2.光纤材料
光纤材料
BACK
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1.石英光纤 2.氟化物玻璃光纤 3.硫化物玻璃光纤 4.重金属氧化物玻璃光纤 5.聚合物光纤
1.光纤传输频带宽、容量大
光纤传输是以光波作为载波，而光的频率极宽，大约从10^12﹏10^16Hz.
2.传输损耗低
目前实际应用中的光纤一般是石英玻璃制成的，其传输损耗可低于0.5dB/km,比任何
在核心-包覆边界区域的折射率是
急剧改变的。
各种各样的光纤。
NEXT
光纤的种类 1.单模纤维 2.多模纤维 3.特用纤维
核心直径小于传播光波波长约十倍的
光纤，不能用几何光学理论来分析其
物理性质。替而代之，必须改用麦克
斯韦方程组来分析，导出相关的电磁
波方程。视为光学波导：光纤可以传
播多于一个横模的光波。只允许一种
。
4.抗干扰和化学腐蚀
光线不导电，也不会受高压线、无线电波和雷电等电磁干扰，不需要采用以往铜线
电缆中所用的铅屏蔽等措施。同时光纤中传输的光波也不会干扰外界，不会像金属线那
样发生火花放电现象。另外，石英光缆可抗化学腐蚀，在有腐蚀的地方可以敷设光缆。
5.资源丰富 石英光缆的主要原料是SiO2，它是地壳中含量最丰富的物质。
传 输介质的损耗都要低。
3.直径小、重量轻。富于擾性
普通光纤成缆后，6-12芯缆外径约12mm，重量约为150kg/km，而标准同轴电缆外
径为47mm，18管同轴电缆质量约为11t/km。
光纤虽细，但抗强性好，理论表明断裂强度可达7kg/m.若用面积上的强度，这相当于铜
的10多倍。
光纤柔细，可弯曲，弯成直径为2mm左右的圆形也不会断裂，但不能进行锐角弯曲
BACK
重金属氧化物玻璃光纤
其主要代表有用VAD宫遗址的的GeO2—Sb2O3系统光 纤，这种光纤一般可经过进一步脱OH-的工艺处理， 使损耗降到最低，一般约0.1dB/km。
它还具有优良的化学性能和机械物理性能，但红外性 质不如卤化物玻璃光纤好，区域可偷性差，散射也大 。因此目前光线领域正在大力发展卤-重金属盐化物 玻璃光纤。
最常见的一种单模光纤，核心直径大 约为 7.5–9.5 微米，专门用于传导近
3. 缓冲层：直径 250 µm 4. 外套：直径 400 µ m
ຫໍສະໝຸດ Baidu
红外线。多模光纤的核心直径可以小
至 50 微米，或者大至几百微米。
BACK
核心直径较大的光纤（大于 10 微米）的物理性质， 可以用几何光学的理论来分析，这种光纤称为多模光 纤
光导纤维工作原理
光纤是圆柱形的介质波导，
应用全反射原理来传导光线。
光纤的结构大致分为里面
的核心部分与外面的包覆部分
。为了要局限光信号于核心，
包覆的折射率必须小于核心的
折射率。
BA
渐变光纤：graded-index fiber）
的折射率是缓慢改变的，
从轴心到包覆，逐渐地减小；
而突变光纤：step-index profile）