氧化物光纖

玻璃纖維中能以波導結構傳輸光者稱為光學纖維。用於光通訊時則要求具有特別良好的透光性(低損耗),長距離傳輸後仍能識別信號(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。氧化物玻璃具有穩定的玻璃態,由多種氧化物構成的多組分玻璃,透過波長範圍取決於透過範圍最狹窄的組合,雖然本徵吸收損耗比較大。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定均勻的玻璃。用於光纖的玻璃有鈉鈣系統和硼矽酸鈉系統。通過改變玻璃的成分可以容易地控制折射率,利用這個優點,用雙坩堝法製造了階躍型光纖。其特點是除了熱膨脹係數和軟化溫度一致外,芯皮之間的折射率差大,適於製造大數值孔徑光纖。這就是氧化物光纖。

基本介紹

• 中文名：氧化物光纖
• 套用領域：陶瓷材料
• 特點：穩定的玻璃態

光釺損耗

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於光纖製造技術,儘量消除上述損耗在製造低損耗光纖中十分重要。

因此,製造低損耗、低色散光纖應選擇最低本徵損耗小的玻璃材料及適合於該材料的製造技術即通過高純度、均勻性優優越的玻璃的合成，以及折射率的精密控制製造波導結構來實現。

氧化物玻璃在光纖中的優點

氧化物玻璃具有穩定的玻璃態,由多種氧化物構成的多組分玻璃,透過波長範圍取決於透過範圍最狹窄的組合,雖然本徵吸收損耗比較大。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定均勻的玻璃。

石英玻璃的本徵損耗低,大約是0.2dB/km,玻璃態的石英是一種穩定的材料,石英玻璃通常在高溫下製造,早已知道由於高溫下雜質的揮發而能得到高的純度。正是這樣,使控制折射率所必需的摻雜物不容易引入,難於製造成波導結構,但是套用半導體工業中發展的化學氣相沉積法(CVD, Chemical Vapor Deposition),使摻雜石英玻璃的合成變為現實。用這種CVD法製造光纖,可實現超高強度和波導結構的精密控制,目前,石英系統玻璃在光纖材料中占主要地位。

石英系光纖的製造

石英系光纖的製造包括合成具有波導結構的高純度預製坯棒和將棒拉製成光纖。光纖的製造分為三個階段：預製棒的製造；拉絲和塗覆；成纜。

預製棒的製造

預製棒的製造有三種比較典型的製作方法,即管內氣相沉積法、軸向氣相沉積法和外氣相沉積法。

1、管內氣相沉積法( Inside Vapor Deposition)：是目前製作高質量石英系玻璃光學纖維最通用的方法。又叫改進的化學氣相沉積法( Modified Chemical Vapor Deposition),即MCVD法。

在石英管內不斷通入各種超純的原料氣體(如四氯化矽、四氯化鍺、三氯氧磷、三溴化硼)以及反應氣體氧氣。石英管的外徑通常為20mm,內徑為17mm左右。石英管是夾在玻璃車床上的,一般以每分鐘幾十轉的速度轉動。用氫氧噴燈以每分鐘十幾厘米的速度沿反應管來回運動幾十次。由於管外氫氧焰燃燒溫度的高溫加熱,使管內的氣體發生化學反應,反應生成物便沉積在石英管的內壁,形成多層玻璃狀物質。採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到預先設計的要求。然後把石英管高溫燒熔成緻密的實心棒,就得到了光纖的預製棒。

2 、軸向氣相沉積法(AVD法, Vapor Phase Axial Deposition)：是用SiCl₄水解反應

SiCl₄+2H₂O===SiO₂ +4 HCI

使高純原料SiCl₄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,並且向上提拉,在石英棒的下方就生成多孔的預製棒。然後將多孔棒置於爐中,通於氯化亞硫醯氣體,除去表面殘留的氫氧離子;最後再加熱到1500~1700℃,燒熔成透明的預製棒。軸向法中氧化物沉積速度比管內法提高5~10倍。因此,適於製作大型棒材。

3、外氣相沉積法(OVD法, Outside Vapor Deposition)套用水解反應原理,將原料氣體輸入氫氧焰噴嘴,經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,形成多孔的預製棒。拔去心棒之後,再放入高溫爐內加熱熔縮,得到透明的預製棒。這種方法能製成大直徑的預製棒,一次拉幾十公里長的光學纖維。

4、電漿化學氣相沉積法(PCVD法, Plasma Chemical Vapor Deposition)基本上與MCVD法相同,只是加熱源採用等離子火焰。這種方法可製得大尺寸坯棒。

拉絲與塗覆

預製棒製成之後,下一工序就是拉絲和塗覆。如右圖所示,將預製棒裝夾在一個送棒機構上,送入加熱爐(石墨爐)。在接近2000℃的高溫下,預製棒下端被加熱至近熔融狀態,拉製成外徑為100~150μm的光纖。外徑用雷射束掃描法測量光纖的直徑,測量結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。

因為石英光纖本身是比較脆的,經不起彎曲和摩擦,因此在纖維成形後,要立即塗覆丙烯酸樹脂或矽樹脂,通過加熱或紫外光照射的方法使其固化,形成一層堅固的塗層。一般在成纜前,要進行二次塗覆。塗覆的目的是提高光纖機械強度和減少光纖傳輸損耗。

成纜

塗覆過的光纖組合起來可以製成各種光纜。光纜的結構形式有層狀光纜、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,具有不會產生串話、量輕、直徑小、施工比較簡單的特點。

光纖的結構與分類

通訊用玻璃光纖是由折射率較高(n₁)的玻璃光纖芯和折射率較低(n₂<n₁)的玻璃包皮層所構成。一般其結構如右圖所示的三種。

如右圖所示是單一波型SM型，其波型數僅為一種，具有色散特性最性最優優的結構,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覆地全反射而傳輸,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的。這兩種情況下,對於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,n₁為芯部折射率;n₂為皮料折射率。

光纖的主要性能

損耗

光纖的傳輸損耗大體上可以分為光纖本身的損耗和用於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則分子結構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,各個成分含量發生波動就會引起折射率的變化。在單一成分的玻璃中,當玻璃冷卻時,由於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。米氏散射是當材料的不均勻性尺寸和光波波長差不多時產生的。它們可能是在光纖製造時形成的小晶粒、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缺陷引起的吸收損耗。在玻璃材料中,矽-氧、磷-氧、硼-氧之間形成的鍵,在紅外區域會發生伸縮振動,引起紅外光的吸收。這就是材料固有的吸收損耗。所以,選用哪種材料製造光纖,要認真考慮。玻璃材料中所含的雜質,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。離子產生的吸收只出現在它的固有吸收波長範圍內。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。為了製作低損耗的光纖,要把氫氧根離子產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該低於25ppb;要將二價鐵離子和二價銅離子的損耗減少到0.1dB/km,其濃度應當降低到0.3ppb(1ppb為十億分之一)。

光纖的幾何結構不完整也造成損耗。光纖的芯徑、數值孔徑在長度方向變化、光纖的不規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（dB）=-101g（輸出位置大小/輸入位置大小）

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徵解,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,這就意味著出現了許多雜散的高次模。它們都是從有用的基模光波中轉換過來的。各個模的傳輸路徑不同,傳輸速度也不同,因而使傳輸的信號失真。

單模光纖就是根據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,有時可以達到同時有幾千種模式在一根光纖中傳輸。

傳輸頻寬

傳輸頻寬也是表示光纖傳輸信號的能力,光信號是以光脈衝的形式輸人光纖的,如果輸入的光脈衝經過光纖傳輸後脈衝嚴重變寬,則前後的脈衝就會重疊起來,以致分辨不清。

影響光纖傳輸頻寬的因素是色散。光纖的色散有三種:材料色散、結構色散和模式色散。材料色散是由於光纖玻璃的折射率隨波長變化,所以光源的光譜變寬時,光纖中傳輸的脈衝信號就變寬。

結構色散是由光纖的幾何結構決定的色散。由於包皮中光速比纖芯中快,電磁場進入包皮使得光脈衝的傳播速度加快,從而脈衝就展寬。

模式色散是由於模式的不同,因而光傳播速度也不同所產生的色散。

數值孔徑

數值孔徑(NA)表示光纖的芯子能接受入射光的最大接受角的正弦值(sinθ_max,),其大小與纖芯和包皮的折射率n₁、n₂的關係為：

對於大多數實際套用來講,都希望數值孔徑大些,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入纖芯。但對於單模光纖來說,數值孔徑大會激起高次模,因此要選取適宜的數值孔徑。