光纤导光原理和光纤材料ppt课件

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这是光纤导光原理和光纤材料ppt课件下载,主要介绍了光纤材料及光纤器件;光纤的优点;光纤通信的发展历程;光纤损耗;光纤通信的发展历程;光纤的材料及制造,欢迎点击下载。

光纤材料及光纤器件 光纤是光导纤维的简写,是一种利用光在玻璃或塑料制成的纤维中的全反射原理而达成的光传导工具。光纤实际是指由透明材料做成的纤芯和在它周围采用比纤芯的折射率稍低的材料做成的包层,并将射入纤芯的光纤的光信号,经包层界面反射,使光信号在纤芯中传播前进的媒体。光纤主要有两个特性:损耗和色散。光纤通信具有传输频带宽,容量大,传输距离远,质量高,保密性好等优点。光纤的优良特性,使之在光纤通信、传感、传像、传光照明与能量信号传输等多方面领域被广泛而大量应用,尤其在信息技术领域具有广阔的应用前景。 光纤的优点 与电缆或微波等电通信方式相比,光纤通信的优点如下: ①传输频带极宽,通信容量很大; ②由于光纤衰减小,无中继设备,故传输距离远; ③串扰小,信号传输质量高; ④光纤抗电磁干扰,保密性好; ⑤光纤尺寸小,重量轻,便于传输和铺设; ⑥耐化学腐蚀; ⑦光纤是石英玻璃拉制成形,原材料来源丰富,并节约了大量有色金属。 除以上特点之外,还有光纤径细、重量轻、柔软、易于铺设;光纤的原材料资源丰富,成本低;温度稳定性好、寿命长。由于光纤通信具有以上的独特优点,其不仅可以应用在通信的主干线路中,还可以应用在电力通信控制系统中,进行工业监测、控制,而且在军事领域的用途也越来越为广泛。 光纤通信的发展历程 从1876年发明电话到20世纪的60年代末,通信线路是铜制导线。我国采用的8管同轴电缆加上金属护套,质量达4吨/公里,有色金属的消耗实在是太大。 1929年和1930年,美国的哈纳尔和德国的拉姆先后拉制出石英光纤且用于光线和图像的短距离传输; 光纤通信的发展历程 世界光纤之父:高锟 1966年,高锟博士发表了著名的论文“光频介质纤维表面波导”,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。 光纤损耗 1970年,美国的康宁玻璃公司(Corning Glass Co.)率先将高锟博士的科学预言变为现实,研制出在0.6328um波长下损耗为20dB/km的石英光纤,取得了重要的技术突破。 光纤通信的发展历程 20世纪的80年代中期,全世界范围内的光纤通信开始走向实用化。石英玻璃光纤的质量为27克/公里。原料廉价,传输损耗小,不受外界电磁干扰,保密性强。 1993年后,全球范围信息高速公路的建设。 到2000年,世界光纤的年产量达到6000万公里以上,而已经铺设的光纤总长度到达2亿公里以上。正好印证了电子到光电子的跨越。 光纤的出现带动了集成光学的发展。 光纤技术的发展前景 对光纤通信而言,超高速度、超大容量和超长距离传输一直是人们追求的目标,而全光网络也是人们不懈追求的梦想。 所以我们应该努力像一下几个方面去发展: ①向超高速系统的发展。 ②向超大容量WDM系统的演进。 ③开发新代的光纤 ④全光网络。 未来的高速通信网将是全光网。全光网是光纤通信技术发展的最高阶段,也是理想阶段。 目前,全光网络的发展仍处于初期阶段,但它已显示出了良好的发展前景。从发展趋势上看,形成一个真正的、以 WDM技术与光交换技术为主的光网络层,建立纯粹的全光网络,消除电光瓶颈已成为未来光通信发展的必然趋势,更是未来信息网络的核心,也是通信技术发展的最高级别,更是理想级别。 一、光纤的基本概念 矩形波导 光纤的种类 光纤的种类有很多种,分类方法也各不相同,常见的有五种方法 ①按材料分为:石英光纤、多组分玻璃光纤、塑料光纤、液芯光纤。 ②按传输模式分:中心玻璃芯较粗、单模光纤。 ③按光纤折射率分布分:阶跃折射率光纤、渐变折射率光纤、W型光纤。 ④按照波长划分:目前所应用的光纤可以传输从紫外线到近红外波长,即0.3-1.6微米 ⑤按照用途划分:传输信息的光纤(光通信)和传输能量的光纤(导光纤维) 2、光导纤维的结构和导光原理 光纤导光条件:全反射 2-1、斯涅尔定理 2-2、光纤导光 2-2、光纤导光 光纤的基本概念 2-2、光纤导光 3、 影响光纤性能的主要因素 数值孔径(NA) 光纤模式 光纤损耗 3-1、数值孔径(NA) 结论1—物理意义: 数值孔径是反映纤芯接收光量的多少,标志光纤接收性能。 3-1、数值孔径(NA) 大的数值孔径:有利于耦合效率的提高。 数值孔径太大,光信号畸变也越严重。 按分布形式,模式可以分为以下几种类型: (1)横电波 纵轴方向只有磁场分量,没有电场分量;横截面上有电场分量的电磁波。下标m表示电场沿圆周方向的变化周数,n表示电场沿径向方向的变化周数。 (2)横磁波 纵轴方向只有电分量,没有磁场分量;横截面上有磁场分量的电磁波。下标m表示磁场沿圆周方向的变化周数,n表示磁场沿径向方向的变化周数。 (3)混合波 或 纵轴方向既有电分量又有磁场分量,是横电波和横磁波的混合。 无论哪种模式,当m和n的组合不同,表示的模式也不同。 光纤损耗的来源: (1)光纤材料的吸收与散射损耗; (2)光纤的弯曲辐射损耗; (3)光纤的连接; (4)耦合损耗。 (1)光纤材料的吸收与散射损耗; 本征吸收:光纤材料对光信号的吸收。 杂质吸收:杂质不是指光纤中的掺杂物,而是由于材料不纯净及工艺不完善而引入的杂质,如过渡金属离子和OH-离子。 原子缺陷吸收:由于材料受到热辐射或光辐射引起的。 散射损耗:在光纤材料中,由于某种远小于波长的不均匀性引起的光散射构成光纤的散射损耗。 (1)光纤材料的吸收与散射损耗; (2)光纤的弯曲辐射损耗 光纤实际应用中不可避免的要产生弯曲,这就伴随着产生光的弯曲辐射损耗。 (3)光纤的连接损耗 (4)耦合损耗。 光源与光纤的耦合损耗 光纤与光器件的耦合损耗 二、光纤的材料及制造 特殊的塑料光纤 1、闪烁塑料光纤是有源材料如荧光材料、激光染料掺杂的塑料光纤,主要用在高能辐射的测量。闪烁塑料光纤现在已经实际应用在核物理中监测核辐射和跟踪带电高能粒子。 2、电光塑料光纤是在纤芯中掺杂有很高的光学非线性并且响应速度非常快的有机物,使得塑料光纤具备很高的光学非线性。很多有机物都具备光学非线性高和响应速度快的特点,特别是塑料光纤有相对较低的加工制造温度,这使得有很大范围的功能材料可以掺人塑料光纤当中。电光塑料光纤在电压和电场传感器方面具有巨大的、潜在的应用前景。 3、微结构塑料光纤是近年来人们研究的一种新型的特殊塑料光纤,它是在纤芯中分布有规律的空气孔,具备新的传输特性。这些新的传输特性包括宽波长范围的单模工作,具有大的有效纤芯和模面积,在空气中而不是在光纤材料中导光等。这些新的传输特性对于光纤传感器的应用来说是非常有意义的。 POF的应用 1、塑料光纤以其所具有的柔软易弯曲、芯径大、易耦合、抗电磁干扰、电磁辐射 (EMI/ EMR) 制造工艺简单、成本低等优点,广泛地用于短距离、中小容量信息传输系统、传感器、CD 播放机、汽车、飞机信息传输网络、多媒体网络、军事网络、甚至可以用于宇航以及导弹的制导等。 2、起初,塑料光纤作为照明光传输媒质应用在汽车上,将光传输到那些狭小得不能安装标准白炽灯的位置或者传输到不同的显示牌。随着计算机控制在汽车中的应用越来越广泛,一辆汽车形成一个局域网(CAN),因此所要传输的实时信息量越来越大。为了避免电磁干扰、串音及这些不良现象所引起的数据延误、丢失,系统需要选择能承受高信息速率、保证安全的介质材料。光波既不会产生电磁辐射,也不会被其它辐射干扰,另外使用光纤时不用考虑地面回路及电位短路,因此光纤成为CAN首选材料。 3、POF 适用于气候恶劣的网络和传感器,能够高速传递大量的保密性强的信息,塑料光纤可引入战斗机、直升机和军舰内,作为战时的信息传输媒质。由于POF 塑料光纤超强的抗电磁干扰和电磁辐射的能力还可用于导弹,实现不受干扰的准确制导。所以塑料光纤在军事上和核工业上有重要的战略意义。 MCVD法(改进型化学气相沉积)的特点:在石英反应管(趁底管)内沉积内包层和芯层的玻璃,整个系统处于封闭的超提纯状态下。 第一步:熔制光纤的内包层玻璃。 主体材料:液态SiCl4;掺杂试剂:CF2Cl2, SF6, C2F4;载运气体:O2 SiCl4+O2→SiO2+2Cl2↑ 2 CF2Cl2+ SiCl4+2O2 → SiF4+2Cl2+2CO2 ↑ 石英管内壁上形成SiO2-SiF4玻璃层,作为光纤内包层。 第二步:熔制芯层玻璃。 主体材料:液态SiCl4;掺杂试剂:GeCl4;载运气体:O2 SiCl4+O2→SiO2+2Cl2↑ GeCl4+O2→GeO2+2Cl2↑ SiO2 - GeO2沉积在内包层玻璃上,成为芯层玻璃。 拉丝 预制棒由送料机构送入管状加热炉(石墨电阻炉)中,当预制棒尖端热到一定温度时,粘度变低,靠自身重量逐渐下垂变细形成纤维。纤维经由纤径测量仪监测并拉引到牵引辊绕到卷筒上。送料机构的速度必须与牵引辊收丝的速度相适应。拉丝速度一般为30~100米/秒。

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