光纤耦合器的发展与制作2012.9.3

等离子体
1000~1200度
玻璃层
快速移动，使沉积厚度减少， 有利于控制折射率分布
快速来回移动的微波谐振腔 (2.45 GHz，8米/分钟)
几点关键
• 为了防止石墨在高温下氧化，充入氩气等惰性气体加 以保护。 • 送棒机构与牵引辊的速度要一致，以保持光纤外径的 均匀性。 • 激光测径，紫外固化 • 外径的波动控制在0.5微米之内。 • 拉丝的速度可以调整，600m/min~1000m/m
a 双包层
b 三角芯
c 椭圆芯
典型特种单模光纤
光纤分类－3
• 按光纤内的导模数分
– 多模光纤(MM—Multi Mode fiber) 可传输多种模式，或允许多种场结构存在 2a=50～75µm ，2b=100-200 µm （多模） – 单模光纤(SM—Single Mode fiber) 只传输一种模式
选材的准则： 1. 能拉长、拉细、具有一定的柔韧性、可卷绕 2. 在特定波长损耗低 3. 能使纤芯的折射率略高于包层，满足波导条件
按材料分类： 1. 无源玻璃纤维； 2. 有源玻璃纤维； 3. 塑料纤维
无源玻璃纤维
玻璃纤维的主材：SiO2 - 物理和化学稳定性好 - 对通信光波段的透明性好 折射率差的引入：通过在SiO2中掺入不同杂质 SiO2中掺GeO2或P2O5，折射率增加 SiO2中掺氟或B2O3，折射率减小 增加非线性效应：通过掺入硫属元素
1、光纤的诞生
• 1955年，美国人B. I. Hirschowitz (西斯 乔威兹) 把高折射率的玻璃棒插在低折射 率的玻璃管中，将它们放在高温炉中拉 制，得到玻璃(纤芯)－玻璃(包层)结构的 光纤，解决了光纤的漏光问题，这一结 构在后来被广泛采用，就是今天的光纤 结构。但这时的光纤损耗是非常大高于 1000 dB/km，即使是利用优质的光学玻 璃制作光纤也无法得到低损耗的光纤。 人们曾经一度对玻璃这种材料产生怀疑， 转向塑料光纤、液芯光纤的研制。
光纤分类－2
• 按照光纤横截面上折射率分布特征n(r) 分： • 阶跃型光纤，也称突变型光纤（常用SI 表示—Step Index fibber） 纤芯与包层的折射率均为一常数，其界 面处呈阶跃式变化。 • 渐变型光纤，也称梯度光纤或自聚焦光 纤（常用GI表示—Graded Index fibber ）纤芯折射率连续变化，包层的 折射率则为一常数。 • W型光纤 等
烧结后，纤芯由汽相沉积材料构成，包层由原始的石英管构成
等离子体活性化学汽相沉积法 (PCVD)
飞利浦提出 1978年应用于量产 熔融石英管 直接玻璃沉积 不需高温烧结 反应管不易变形
沉积效率高、沉积 速度快有利于消除 反应物质 包层沉积过程中的 微观不均匀 SiCl4 + O2 + 参杂物质
排气口
卤化物玻璃纤维
红外光纤（氟化物光纤）： 低损耗范围：0.2~8mm，最低损耗窗口：2.55 mm， 理论最小损耗：0.01~0.001dB/km。 缺点：不成熟，性能不稳定
有源玻璃纤维
掺稀土光纤：在SiO2中掺入稀土元素实现光放大（或吸收）， 如：掺铒光纤（EDF）、掺钕光纤。
硫属化合物玻璃纤维
非线性光纤：用作非线性光学器件。如：As40S58Se2 纤芯－As2S3包层
3、 光纤的传光原理
分析光纤的传输原理有两种方法： • 几何光学法：将光看成一条条的几 何射线来分析，也称射线理论 应用条件：光波的波长远小于光纤 的几何尺寸，只适用于多模光纤 • 波动光学法：光波按电磁场理论， 用麦克斯韦方程组求解，也称模式 理论。 它既可用于多模光纤，也可 用于单模光纤
4 光纤光缆制造技术 4.1 光纤材料
环状加热器
真空泵
红外热成像仪
疏松的预制棒
喷灯口
玻璃微粒 反应室
改进的化学汽相沉积法 (MCVD)
贝尔实验室设计，用于制造低损耗梯度折射率光纤
反应物质 金属卤化物蒸汽+氧气
粉尘状生成物
排气口
饵管
烧结后的 玻璃
粉层沉积物
来回移动的喷灯
H-O
化学反应: SiCl4 (GeCl4 ) O2 SiO2 (GeO2 ) 2Cl2
• 早在古希腊的玻璃制作工人就发现玻璃可以传输可见光，他们利 用玻璃的这种性质，制作了各种流光异彩的玻璃工艺品。十九世 纪中期英国的丁达尔(J. Tyndall)利用实验证明利用光的全反射原 理，光线在水中可以实现弯曲传播。
1、光纤的诞生
1、光纤的诞生
• 1927年英国的贝尔德(J. G.Baird)提出利用光 的全反射现象制成石英光纤，从此以后人们把 注意力集中到石英这种材料上。早期的光纤只 有纤芯，利用空气－石英构成的界面实现光线 的全反射，由于这种结构的开放性，经常引起 光线的泄漏。为解决这一问题人们实验在玻璃 纤维上涂覆塑料，以降低光线的泄漏同时对玻 璃芯起一定的保护。这时初步形成了光纤纤芯 －包层结构，但由于塑料包层难以做到均匀一 致，而且塑料包层与玻璃纤芯之间界面不够平 滑理想，光能量损失很大。
按照零色散波长将单模光纤分为6种
• • • • • • 非色散位移光纤：G.652 色散位移光纤：G.653 截止波长位移光纤： G.654 非零色散位移光纤：G.655 色散平坦光纤 色散补偿光纤
3、光纤的构造
纤芯，光信号的传输 包层，限制光信号溢出 一次涂敷层（预涂层）， 保护光纤增加韧性 缓冲层，减少对光纤的压 力 二次涂敷层（套塑层）， 加强光纤的机械强度
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
• 1层＋2层＝光纤 • 3＋4＋5层＝护层 • 5层大约0.9mm左右
3、光纤的分类－1
• 从原材料分：
– 石英系光纤 – 多组份玻璃光纤 – 氟化物光纤 – 塑料光纤 – 液芯光纤 – 掺杂光纤，如掺铒光纤
由于石英系光纤具有传输衰减小， 通信频带宽，机械强度较高等特点， 在通信系统中得到广泛应用。
夹具 预制棒 拉丝炉 裸光纤 光纤粗细监测仪 涂覆机 已涂覆光纤 光纤卷绕
汽相氧化法：外部汽相氧化法 (OVPO)
饵棒(中心棒) 粉层状 预制棒 喷 嘴 O2+SiCl4+GeCl4蒸汽 玻璃微粒
粉层沉积 粉状预制棒 玻璃预制棒 加热炉
加热炉 1400度
芯 包层 粉状预制棒 剖面 玻璃预制棒 预制棒烧结
1966年，英籍华裔学者高锟(C.K.Kao)和霍克哈姆
(C.A.Hockham)发表了关于传输介质新概念的论文，指出
了利用光纤(Optical Fiber)进行信息传输的可能性和技术 途径，奠定了现代光通信——光纤通信的基础。
指明通过“原材料的提纯制造出适合于 长距离通信使用的低损耗光纤”这一发展方 向
• 纤芯：位于光纤中心部位，主要成分是高纯度 的SiO2,纯度可达99.99999%，其余成份为掺 入极少量掺杂剂，如P2O5和GeO2，掺杂剂的 作用是提高纤芯的折射率。纤芯直径一般为2a ＝3～100μm • 包层：含有少量掺杂剂的高纯度SiO2,掺杂剂 有氟或硼，其作用是降低包层折射率，包层直 径2b＝125～140μm • 一次涂层：厚度5～40μm，材料一般为环氧树 脂或硅橡胶，可承受7kg拉力 • 缓冲层：厚度100μm • 二次涂敷层：原料大都采用尼龙或聚乙烯
拉丝原理：保持芯/包层结构不变！ 预制棒体积： Vpreform=D2L/4, D: mm, L: mm 光纤体积： Vfiber= d2l/4, d=125 um 拉丝长度l： Vpreform = Vfiber l = 6.4 10-5D2L (km)
4.3 光纤的机械和温度特性
1) 光纤的抗拉强度很高，接近金属的抗拉强度 2) 光纤的延展性(1%)比金属差(20%) 3) 当光纤内存在裂纹、气泡或杂物，在一定张力下容易断裂 4) 包层中掺入二氧化钛可以增强机械可靠性 5) 光纤遇水容易断裂且损耗增大 6) 在低温下损耗随温度降低而增加
光纤耦合器
• • • • • 光纤的发展 光纤无源器件的蓬勃发展 耦合器件种类及应用 熔锥型光纤耦合器的制作 新型熔锥型光纤耦合器件的展望新型熔锥 型光纤耦合器研究
一、光纤的发展
1. 2. 3. 4. 光纤的诞生 光纤的构造与分类 光纤传光原理 光纤光缆的制作
1、光纤的诞生
• 在光纤出现之前，人们一直在追寻一种性能稳 定的，廉价的，方便使用的介质来传输光信号。 最初人们认识到光的直线传播，反射特性后除 了利用大气做为波导，还开始采用各种介质利 用作为光的传输介质。例如介质透镜、反射镜 波导、气体透镜波导等，使光束限制在一定范 围内并沿确定路线传播。在半导体激光器和集 成光路中用到的平面型介质波导也被尝试作为 光波导使用，由于制作成本高，工艺复杂，不 适于大量铺设。能不能象电信号依靠铜缆传输 一样，找到一种光波导来实现光信号廉价、低 损耗的稳定传输呢？
光纤通信发明家高锟(左) 1998年在英国接受IEE授予的奖章
2、光纤标准
• 通信用光纤经过二十几年的发展形成了 一系列标准。 • ITU-T国际电信联盟目前将单模光纤分为 G.652（G.652A、G.652B、G.652C和 G.652D）、G.653（G.653A和 G.653B）、G.654（G.654A、G.654B 和G.654）、G.655（G.655A、G.655B 和G.655C）以及用于S+C+L三波段传输 的G.656光纤（标准名称为《宽带光传 输用非零色散单模光纤和光缆特性》）
GeO2-SiO2纤芯，SiO2包层
典型组合：
1、GeO2-SiO2纤芯，SiO2包层 2、P2O5-SiO2纤芯，SiO2包层 3、SiO2纤芯，B2O3-SiO2包层 4、GeO2- B2O3-SiO2纤芯， B2O3-SiO2包层
P2O5-SiO2纤芯，SiO2包层
在0.2~8mm具有极低损耗 SiO 纤芯，B O -SiO 包层 2 2 3 2
塑料光纤（POF）
参数 有机玻璃POF PMMA POF 加氟聚合物POF PFP POF
纤芯直径 包层直径 数值孔径
损耗 带宽
0.4mm 1mm 0.25
150dB/km @650nm 2.5Gb/s, 100km
0.125~0.3mm 0.25~0.6mm 0.2
60~80dB/km @650~1300nm 2.5Gb/s, 300km
2a=4~10 µm ，2b=125 µm (单模)
光纤分类－4 • 按套塑的情况分
– 松套 – 紧套
• 按工作波长分
– 短波长光纤：0.8～0.9µm – 长波长光纤： 1.0～1.7µm – 超长波长光纤： > 2µm 短波长与长波长光纤为石英系光纤，而 超长波长光纤为非石英系光纤，如重金 属氧化物、硫硒碲化合物和卤化物光纤
直接熔化法：双坩埚法
纤芯坯料棒 内坩埚 包层坯料棒 直接熔化法： 可用于制造石英 光纤、卤化物光 纤和硫属光纤 具有可连续制造 的优点 熔炉 但坯料棒熔化过 程中容易带来杂 质，它的最低损 耗值为5 dB/km
纤芯 玻璃
外坩埚
包层玻 璃
拉制光纤 (到拉丝机)
光纤拉丝机
光纤预制棒置备好之后进行光纤拉丝 精密输送机构 d = 10~25 mm; L = 60~120 cm
b n(r) a n(r)
b a
0 n1
n2 a b
0 n1
a n2 b
阶跃型光纤
n(r)=
渐变型光纤
n1 r≤ a
n2 a < r ≤ b
n(r)=
n1 [ 1 - 2Δ ( r/a ) g ]1/2 r ≤ a
n2 [ 1 - 2Δ ]1/2 a<r≤b
Δ—相对折射率差， Δ ＝（ n1 - n2 ) / n1
特点： • 更好的韧性、更耐用，可用于环境恶劣的场合 • 低成本、低续接成本 • 损耗比玻璃纤维高，一般用于短距离传输 • 使用范围还十分有限，主要用于接入网
4.2 光纤制造
两种基本方法 1. 直接熔化法： 按传统制造玻璃的工艺将处在熔融状态的石英玻璃的纯净 组分直接制造成光纤 2. 汽相氧化过程： - 高纯度金属卤化物(如SiCl4和GeCl4)与氧反应生成SiO2微粒 - (通过四种不同的方法)将微粒收集在玻璃容器的表面 - 烧结 (在尚未熔化的状态将SiO2转化成玻璃体) 制成预制棒 - 拉丝成纤
拉制光纤
1970年 康宁 第一根损耗小于20 dB/km的光纤
汽相轴向沉积法 (VAD)
推进机 1977年 日本开发 马达 输送杆 马达 透明预制棒 容器
优点： 1. 预制棒不再具有空洞 2. 预制棒可以任意长 3. 沉积室和熔融室紧密 相连，可以保证制作 环境清洁
4. 单模光纤所含的OH较低，因此损耗较低 在0.2~0.4 dB/km