材料物理与力学性能光学.ppt

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1、任何形式的能量，激发电子从价带进入导带，当其返回到价带时便发射出光子。如果这些光子的波长在可见光范围内，便产生了发光现象。发光是辐射能量以可见光的形式出现。上述机制所发出的光称为冷光。,荧光和磷光,4.3 材料的发光,发光和热辐射,荧光和磷光,荧光：当激发去除后10-8s内发出的光称为荧光。,光子,激发,导带,价带,磷光,发光强度：,发磷光的材料往往含有杂质并在能隙附近建立了施主能级。,光子发射时间延迟。当陷阱中的电子逐渐逸出时，跳回价带发射光子。,1568年，Cellini，第一位观察到自然磷光现象,1600年，人工合成磷光材料,1853年，确定发荧光的时间为100s，现在定为10ns。,发

2、光时间很短、仅为10ns 的光叫荧光。,荧光和磷光区别,激发停止后的一段时间内仍能发光的复杂晶体无机物质叫磷光体。,根据发光时间区分：,高的发光效率；发光色彩；适当的余辉时间(afterglow time)；余辉时间，就是发光后其强度降到原强度1/10时所需要的时间。材料与基体结合力强等。,对磷光体材料的要求,磷光体,ZnS CdS,Ag Cu Mn,=基体,+激活剂,ZnS：Ag 蓝光Zn，CdS：Cu，Al 黄光Zn2SiO4：Mn 绿光,荧光灯的组成：灯头、阴极、内壁涂有荧光粉的玻璃灯管。灯管内封有气压很低的汞蒸气和惰性气体。,发光原理：高电压使得灯管内的汞蒸气发生气体放电，此时产生大量

3、的紫外线，波长为254nm，紫外线激发灯管内壁上的荧光粉，从而发出可见光。,荧光灯,4.2.1.2 LED（发光二极管）,当pn结二极管加上一正向电压时，其正向电流是所加电压的函数。该正向电流造成结面的载流子过剩。构成p区少数载流子的注入，虽然扩散使其离开界面，但它们可能跨过带隙产生复合，则,GaAs：Eg=1.44eV，g=0.86mGaP：Eg=2.26eV，g=0.55m,发光强度i 正比于通过界面注入的少子数，或者正比于电流I：,二极管发光强度与所加正向偏压具有指数的关 系。,发光二极管的特点：,能源利用率高。半导体灯几乎完全用于发光，而白炽灯只有5%用于发光，95%的能量消耗于发热。

4、荧光灯的能源利用率也只有20%30%；节省能源。同样发光效果的二极管所耗的能量只有白炽灯的1/10。长寿命。同样功率的发光二极管的使用寿命是白炽灯的100倍。,4.2.1.3 热辐射,温度增加,电子激发,跃迁回正常态,光子发射,由温度所决定的电磁辐射称为热辐射。任何物体在任何温度下都不断向周围空间发射电磁波，其波谱是连续的。,微观机制,室温下，物体在单位时间内辐射的能量很少，辐射能大多分布在波长较长的区域。,电磁辐射与温度的关系,温度升高，单位时间内辐射的能量迅速增加，辐射能中短波部分所占比例也逐渐增大。,温度继续升高，辐射能中短波部分所占比例更高，可见光波段比例增加，物体由暗红色，逐渐变为赤

5、红、黄、蓝、最后白色。,4.2.2 激光,激光（Laser）是受激辐射光放大的简称，是一种单色性好,亮度高、相干性强、方向性好的相干光束。激光技术是20世纪60年代后发展起来的一门技术，它带动了傅里叶光学、全息术、光学信息处理、光纤通信、非线性光学和激光光谱学等学科的发展，形成了现代光学。,电子跃迁(荧光与磷光)、热辐射所发射的光子都是随机、独立的，即产生的光波不具有相干性。,激光的特点,激光是在外来光子的激发下诱发电子能态的转变，从而发射出与外来光子的频率、相位、传输方向以及偏振态均相同的相干光波。,1、激光工作原理,泵浦。在外界能源(电源或光源)的激励下，基态上的粒子被抽运到激发态上。,粒

6、子数反转。当亚稳态上的粒子数多于基态上的粒子数时，实现了粒子数的反转。,受激辐射。当由于某种原因使粒子从激发态跃迁到基态时，激光产生。,亚稳态能级更好地为粒子数反转创造条件。,不受外界能量的影响，只是由于原子内部运动规律导致从受激高能态返回基态，同时发出光子的跃迁，叫做自发辐射跃迁。由此产生的光不是激光，没有相干性。,自发辐射,受激辐射,由于入射光子的感应或激励，导致激发原子从高能级跃迁到低能级去，这个过程称为受激跃迁或感应跃迁。这种跃迁辐射叫做“受激辐射”。,受激辐射出来的光子与入射光子有着同样的特征，如频率、相位、振辐以及传播方向等完全一样。,激光器的组成三要素,工作物质,激励能源又称泵浦

7、实现粒子数反转。,光学谐振腔两个高度平行的镀银面之间形成的空间。,4.2.2.2 激光工作物质,工作物质又称激光晶体，由基质晶体与激活离子组成。基质晶体决定激光晶体的物理化学性质。激活离子的能级结构决定激光晶体的光谱特性。离子受基质的影响会导致光谱特性变化。离子对基质的影响会导致物理化学性质变化。,工作物质按激活离子的能级特点分为：三能级系统(红宝石激光器)四能级系统(YAG激光器),四能级系统的工作效率高。,红宝石激光器 三能级系统,工作物质：Cr3+:Al2O3(0.05%Cr3+)Cr3+离子提供了产生激光的所必要的电子能态。,将红宝石制成柱状，两端为高度抛光互相平行的平面；一个端面部分

8、镀银，能部分透光；另一端面充分镀银，使之对光波有完全反射作用；在激光管内，用氙气闪光灯辐照红宝石。,红宝石被辐照之前Cr3+都处于基态，在氙气闪光灯(波长560 nm)照射下，Cr3+离子中的电子受激转变为高能态，造成粒子数反转。当有几个电子自发地从亚稳态返回基态时，带动更多电子以“雪崩”形式返回基态，从而发射出愈来愈多的光子。氙灯在绿色和蓝色的光谱波段有较强的光束输出，正好与红宝石的吸收光谱对应起来。闪光灯的大部分输入能量耗散为热，只有一部分变成光能为红宝石所吸收。,钇铝石榴石激光器 四能级系统,钇铝石榴石激光器的工作物质：Nd3+-Y3Al5O12(Nd3+:YAG)(0.5%2%),激光

9、工作物质有固体、液体和气体。固体激光器是最重要的一种。激活离子密度大；振荡频带宽；能产生谱线窄的光脉冲；具有良好的机械性能和稳定的化学性能。,固体激光器分类,掺杂型激光晶体 掺杂稀土激活离子(Nd3+:YAG)；掺杂过渡族激活离子(Cr3+:Al2O3),高辐射效率、长辐射寿命，且与闪光灯光谱匹配。,激活离子浓度增加到一定程度时，就产生浓度猝灭效应，使激光寿命下降。,自激活激光晶体 激活离子做为晶体一种组分而存在。,激活浓度高，很薄的晶体可得到足够大的增益，有利于高效、小型化。,可调谐激光晶体 利用过渡金属d-d 跃迁易受晶格影响的特点使激光波长在一定范围内可调谐。,半导体激光器 特点：体积小

10、、效率较高、运行简单、便宜。缺点：单色性差,4.2.2.3 半导体激光器,（1）工作原理,Eg,空导带,满价带,T=0K,单色性差,设定半导体温度处于0K，电子受某种激发从价带跃迁到导带，使导带和价带间发生粒子数反转。,当导带电子和空穴复合时，形成受激辐射。,条件：为满足粒子数反转的条件，必须使倒带的费米分布函数fc大于价带的费米分布函数fv。,可以证明，只要电子和空穴的准费米能级差大于入射光子的能量，作为激光工作物质的半导体就可以实现粒子数反转。,构成激光器的半导体材料一定是直接带隙半导体。,谐振腔,激活层厚度约2m。激光波长837nm（4.24K）。,（2）半导体激光材料,双外延注入激光器

11、（DH）,Al的引入提高能隙，降低折射指数，界面应变小,GaAs InP InAs,电流,近紫外,红外,半导体量子阱激光器作为泵浦光源，光谱匹配度好，转换效率高，热效应低。,全息照相,全息术（holography）是利用光的干涉和衍射原理，将携带物质信息的光波以干涉图的形式记录下来，并且在一定的条件下使其再现，形成原物体逼真的立体象。由于记录了物体的全部信息，包括振幅和相位因此称为全息术。,为了提高电子显微镜的分辨本领，伽伯（D.Gabor，19001979）在1948年提出了全息术原理，并开始了全息照相（holography）的早期研究工作。那时的主要问题是再现的原始象与其共轭象不能分离，以

12、及没有好的相干光源。1960年出现了激光以后，1962年莱特（E.Leith）和乌帕特尼克斯（J.Upatnieks）在全息术中利用了激光，并提出了离轴全息术，使全息技术迅速发展成为科学技术的一个新领域。激光记录和白光再现的全息术，例如反射全息、象全息、彩虹全息以及合成全息等，使全息术在显示方面展现出了它的优越性，并逐步深入到了社会的各个领域中。而且，声全息术和微波全息术等也已经开始发展，但进展远不如光学全息术。,全息照片的获得光的干涉,由激光器发出的激光束，通过分光镜分成两束。,全息照片的拍摄,分光镜,干涉条纹的间距：d=/2sin(/2),一束称物光，它是经过透镜扩束后射向物体，再由物体反

13、射后投向全息干版；,另一束光经反射镜反射和透镜扩束后直接照到全息干版上，称为参考光。,在干版上相遇后，发生干涉，形成干涉条纹。它是无数组干涉条纹的集合，最终形成一肉眼不能识别的全息图。,全息照片的再现光的衍射,感光以后的全息底片经显影、定影等处理得到的全息照片上，记录了无数干涉条纹，相当于一个“衍射光栅”，一般是用相同于拍摄时的激光作为照明光，照明光经全息照片（即“光栅”）便发生衍射，得到一列沿照射方向传播的零级衍射光波和二列一级衍射波。,4.4耦合光学效应(电光效应、光折变效应、非线性光学效应),自然光：一般光源发出的光中，包含着各个方向的光矢量在所有可能的方向上的振幅都相等（轴对称）这样的

14、光叫自然光.,自然光以两互相垂直的互为独立的（无确定的相位关系）振幅相等的光振动表示,并各具有一半的振动能量.,各光矢量间无固定的相位关系.,二互相垂直方向是任选的.,4.4.1 相关预备知识,偏振光,偏振光（线偏振光）,部分偏振光：某一方向的光振动比与之垂直方向上的光振动占优势的光为部分偏振光.,光振动只沿某一固定方向的光.,椭圆偏振光可用两列沿同一方向传播的频率相等、振动方向相互垂直的线偏振光叠加得到。这两列线偏振光的相位差不等于0、；如果二线偏振光的振幅相等，它们的相位差应不等于0、/2、。,布儒斯特角和马吕斯定律,入射面 入射光线和法线所成的平面.,反射光 部分偏振光，垂直于入射面的振

15、动大于平行于入射面的振动.,折射光 部分偏振光，平行于入射面的振动大于垂直于入射面的振动.,理论和实验证明：反射光的偏振化程度与入射角有关.,马吕斯定律（1880 年）,马吕斯定律 强度为 的偏振光通过检偏振器后,出射光的强度为,某些各向异性晶体（如方解石和石英等）具有双折射现象。当一束自然光射到这些晶体上时，晶体内会有两束折射光，它们均为平面偏振光，且偏振方向垂直。,其中一束满足折射定律，称为寻常光（或O光）,另一束不满足折射定律，称为非常光（或e光）。,干涉,4.4.1.3 双折射和光折射率椭球体,对晶体而言，有一特定方向,当光线沿此方向入射时，不会产生双折射现象，该方向称为晶体的光轴。如

16、图所示，一单色平面偏振光垂直入射在各向异性的晶体平板上，其光轴平行于晶体表面。当入射平面偏振光的偏振化方向与晶体光轴夹角为，则光轴方向上产生e光，垂直光轴方向产生o光，在晶体内，两光束虽沿同一方向传播，但有不同的速度。透过晶体板后，o光和e光之间产生一定的相位差。对于给定的波长，如果晶体板的厚度恰好使o光和e光的相位差为，即相位差为,则出射光线的电矢量由两个垂直的、相位差为 的o光和e光振动的合成。,能够产生双折射的晶体。都是具有各向异性结构的。,晶体的光轴：光沿此方向入射时无双折射。,方解石晶体，亦称冰洲石晶体，即CaCO3，碳酸钙的六角晶系，就是一种典型的负单轴双折射晶体。石英（水晶）、红

17、宝石、冰等正单轴双折射晶体。云母、蓝宝石、橄榄石、硫黄等是双轴双折射晶体,o光：振动方向垂直于主平面，即电矢量垂直于光轴。e光：振动方向平行于主平面，即电矢量在e光主平面内。,折射率椭球,光频范围内,主折射率：nx ny nz,由光的电磁理论可知：电感应在晶体内的传播可用以椭球体表示，他的三个半轴长分别与主折射率成正比，故称此球为折射率椭球。,折射率椭球的物理意义,（1）根据入射光的方向可以判断偏振光振动方向和折射率。,（2）直观解释光轴、单轴和双轴晶体的意义。,光各向同性体,4.4.2 电光效应,由于外加电场所引起的材料折射率变化的效应,线性电光效应（Pockels电光效应）,没有对称中心的

18、晶体，外加电场与n的折射关系具有一次电光效应。,旋转椭球体,单轴晶体,三轴椭球光折射率体,对于电光陶瓷,电光系数,二次电光效应（Kerr电光效应）,具有对称中心或结构任意混乱的介质，不具有一次电光效应，只具有二次电光效应。,对于光各向同性材料,K：电光克尔常数：入射光真空波长,电光材料与应用：（1）纵向KDP光调制器,偏振片1,偏振片2,KDP（磷酸二氢钾）是一种无对称中心的晶体，沿某一特定方向施加电场后，在晶体内能对某种方向的入射光产生双折射,（2）电光陶瓷快门,偏振片1,偏振片2,在装有平行板电容器的透明盒内，充以某种特定的液体（如硝基苯）,（2）电光陶瓷快门,4.5 光导纤维,4.4.1

19、 概述,光纤通讯优点：损耗低、频带宽、尺寸小、质量轻，抗干扰,光纤分类：普通光纤 特种光纤,4.5.2 通讯光纤的构成与分类,结构,芯部+包覆层+保护层,非晶SiO2+高硅玻璃+尼龙增强材料,纤芯n1,50m,125m,分类：,按折射率变化分类,突变光纤、渐变光纤,按传播模式分类,单模光纤、多模光纤,按材料分类,玻璃光纤、塑料光纤,4.5.3 光纤的传输模式、损耗、色散,光纤传输几何模型,假设有三种不同情况的电磁波在材料中传播：一是在芯部并向界面传播 第二种情况是电磁波从界面反射并在芯部传播 第三种情况是电磁波从界面离去并在包覆层内传播,n2/n1=0.99，临=0.142,传播损耗：,（1）

20、散射损耗 散射损耗是由于光纤材料密度的微观变化、成分的起伏、结构上的不完善以及制造过程中产生的缺陷造成的。光在不均匀的介质中传播将被散射，散射效应破坏了在纤芯包层边界保持全反射的条件，部分光会穿出纤芯，造成功率损耗。这种散射也称为瑞利散射。它与波长的四次方成反比，在为1550nm时，瑞利散射损耗为0.154dB/km。,（2）吸收损耗 在光纤制造过程，光纤中的氧与氢相结合会形成OH离子时，会对1390nm和940nm的光造成大量的吸收。为了降低光纤的吸收损耗，已经研制出全波长光纤，它可在1200nm1650nm范围内将损耗做得很低。OH离子也可以是因为氢气进入光纤内部形成的，在含有很多氢气的环

21、境中使用光纤，或者光缆的金属部分在水中因腐蚀产生氢气时，有可能出现光纤损耗大量增加的现象。我们将OH离子引起的衰减称为杂质吸收损耗。除此之外，还有光纤石英材料（SiO2）固有的吸收，称之为内部吸收。当波长大于2m时，石英材料会产生谐振吸收光能，吸收带延伸到1500nm1700nm波段，形成了光纤工作波长的上限。常用的石英光纤，内部吸收损耗在1550nm时，约为0.02dB/km，但当波长为1700nm时，损耗增至0.32dB/km，所以将1650nm看作为石英光纤工作波长的上限。,(3)弯曲损耗 由于光纤的敷设中，不可避免地会遇到需要弯曲的场所，光线从光纤的平直部分进入弯曲部位时，原来的束缚光

22、线在弯曲部位的入射角减小，使得光纤纤芯和包层界面上的全反射条件遇到破坏，光束的一部分就从光纤的纤芯中逃离出去，造成到达目地的光功率比从光源发出的进入光纤时的光功率小，这就是弯曲损耗，如图所示。,弯曲损耗是光信息传输所受衰减的主要原因之一，它与光纤敷设的弯曲半径有关，最小弯曲半径常作为光纤的一项参数给出。关于最小弯曲半径的经验数据是，对于长期应用，弯曲半径应超出光纤包层直径的150倍；对短期应用，应超过包层直径的100倍。如果包层直径为125m的话，这两个数值分别19mm和13mm。弯曲损耗的另一种形式是微弯损耗，它是由光纤受到侧向应力而产生微小形变而引起的，同样因不满足全反射条件而造成能量的漏

23、泄。利用光纤的弯曲损耗特性，可以在光纤链路上引入一些可控的衰减。在需要对光进行可控衰减时，通过将光纤绕上几圈就可以实现，所绕圈数和半径均可控制衰减量。,延时失真,当光脉冲在光纤中传播时，脉冲可能扩展，这种现象称为延时失真。也称为色散。,1.模式色散 在多模光纤中，纤芯的直径比较大，光源入射到纤芯中的光以一组独立的光线传播，这组光线以不同的入射角传播，入射角的范围从零度（直线）到临界传播角，如图，我们将这些不同传播角传输的光线称为不同的模式。在多模光纤中可以传播数百个模式的光波，显然，以临界传播角入射的光线经历的路程最长，所以它的轴向传播速度最慢；而与光纤横截面垂直入射的光线传播速度最快。不同入

24、射角的光线代表不同的模式,对于入射的光脉冲（在数字信号中表示1），它可以分解成各个模式所携带一组脉冲，如图，由于它们各自在光纤中传输的时间不同，到光纤的输出端，各个模式的光脉冲组合起来，就形成了一个脉宽增加的光脉冲。脉冲因多个模式而起的展宽-模式色散,我们将因多个不同模式的存在而引起脉冲展宽称为模式色散或模间色散。脉冲展宽的计算如下：设光纤的长度为L，最低模式（也称为零级模式）沿中心轴线到达光纤输出端所需时间为,习惯上记,式中，为光在折射率为n1的纤芯中传输的速度，c为真空中的光速传输，最高模式（以临界角传播的光线）所需时间,式中，C为临界传播角，,脉冲展宽时间,显然，如果光纤中传输的光只有零

25、级模式，就可以消除模间色散；如果减小纤芯直径的尺寸，就可以减少模式数量；另外，减小相对折射率，也可以有效地控制模间色散，这些就是单模光纤设计的基本思路。典型的单模光纤的纤芯直径和相对折射率分别是8.3m和0.37%，而渐变折射率光纤这两者的数值分别是50m和2%。,2.波导色散 引起波导色散的原因是：进入单模光纤中的光信号功率大约只有80%在纤芯中传播，另外20%在包层传输，由于纤芯和包层有着不同的折射率，所以这两部分的传输速度不同，在包层中传播的光功率速度要更大一些，因而在光纤输出端，脉冲会展宽。波导色散引起的单位长度脉冲展宽可由下式计算：式中 是波导色散系数，单位为,它与光纤的设计参数有关

26、，为光源的线宽，即光源辐射光的波长范围，L为光纤长度。,3.材料色散 材料色散是由于纤芯材料的折射率随波长变化，使得各个模式的群速率（光脉冲包络线速度）都会随着波长的变化而造成的。在单模光纤内，即使光经过完全相同的路径，也会发生脉冲的展宽，因为光源发出的光不是单一波长的，而是存在一定的波长范围。,孔径数,光源与光纤端面之间存在着空气缝隙，入射到光纤端面上的光，一部分是不能进入光纤的，而能进入光纤端面内的光也不一定能在光纤中传输，只有符合特定条件的光才能在光纤中发生全内反射而传播到远方。由图可知，只有从空气缝隙到光纤端面光的入射角小于o，入射到光纤里的光线才能传播。实际上o是个空间角，也就是说如

27、果光从一个限制在2o的锥形区域中入射到光纤端面上，则光可被光纤捕捉。设空气的折射率为no，在空气与光纤端面上运用斯涅尔定律，有,式中C与临界入射角C之间的关系为,对空气，有n01，故有,显然，0越大，即纤芯与包层的折射率之差越大，光纤捕捉光线的能力越强，而参数sin0直接反映了这种能力，我们称为光纤的孔径数NA(Numerical Aperture)。,光纤制作工艺,光纤的制作工艺包括两个主要阶段，第一是制作预制棒，第二是拉丝。,1.预制棒的制作,预制棒是制作光纤的原料，它的径向折射率按照芯层和包层的折射率要求而分布，但尺寸则要大的多，典型的预制棒直径约为1025mm，长度约为60120cm。

28、目前，生产预制棒的工艺采用两步法，先制造预制棒的棒芯，然后在芯棒外采用不同技术制造包层。芯棒的制造决定了光纤的传输性能，而包层的则决定了光纤的制造成本。,预制棒制造工艺流程,由图可见，芯棒的制作有四种工艺，它们分别是改进的化学汽相沉积法MCVD(Modified Chemical Vapor Deposition)，外部气相沉积法OVD(Outside Vapor Deposition)，汽相轴向沉积法VAD(Vapor Axial Deposition)和等离子体化学汽相沉积法PCVD(Plasma Chemical Vapor Deposition)，其基本化学反应是用两种气体SiCl4和

29、O2在高温下进行混合,生成二氧化硅SiO2，为了控制折射率,往往还要加入一些掺杂物。,（1）外部汽相沉积法OVD这种方法如图所示。基棒由石墨石英或氧化铅做成，从喷管出来的SiO2粉尘在旋转并移动的基棒上形成一层沉积层，沉积层较为松散，沉积过程完成后抽走基棒，将粉尘预制棒置于固化炉中,在高温(大约1400)环境下将其脱水固化，制成洁净的玻璃基棒，这种管状芯棒的中心空洞在拉丝过程中会消失。OVD法要求环境清洁，严格脱水，可以制得0.16dB/km，的单模光纤，几乎接近于石英光纤在1.55窗口的理论损耗0.15dB/km。,（2）改进的化学汽相沉积法MCVD MCVD广泛用于低损耗渐变折射率光纤的生

30、产，下图给出了其过程，反应气体(O2、SiCl4、CeCl4等)由基管(合成石英管)的左侧流进基管，基管是旋转的，下面有来回移动的喷灯，这样SiO2、GeO2和其它掺杂物将形成粉尘并沉积在基管内的表面，经过喷灯烧结成一层纯净的玻璃薄层，其工作温度大约有1600。当管子内壁的玻璃沉积层达到一定厚度时，停止反应气体的供给，将基管加热至2000，使之成为实心棒。MCVD时是目前制备高质量石英光纤比较稳定可靠的方法。该法备制的单模光纤性能可达0.20.3dB/lm。MCVD属于内沉积工艺。内沉积技术的优点在于可精确地控制径向折射率的分布，而芯棒的外沉积技术（如OVD）的优势在于不用价格很昂贵的合成石英

31、管，沉积速率、沉积层数不会受到基管直径的限制，特别有利于以高沉积速率制造大型预制棒。,（3）汽相轴向沉积法VAD这种方法是在反应室里放置一根基棒石英玻璃棒，基棒可以旋转并向反应室外移动，如图所示。当反应气体送入反应室之后，就在基棒上沉积，基棒的旋转运动保证了芯棒的轴对称性，疏松的预制棒在向上移动的过程中经过一环形加热器，从而生成玻璃预制棒。玻璃预制棒沉积预制棒环形加热器反应气体入孔反应室,（4）等离子体化学汽相沉积法PCVD 该方法与MCVD有些相似，它用微波加热腔代替喷灯，在合成石英管内形成离子化气体等离子体。等离子体激发的化学反应可直接将一层纯净玻璃直接沉积在管壁上，而不形成粉尘，当达到所

32、需的厚度的玻璃以后，再将管子制成实心预制棒。目前微波加热腔的移动速度在8m/min，这允许管内沉积数千个薄层，从而使每层的沉积厚度减小，因此折射率分布的控制更为精确，可以获得更高的带宽。,2.拉丝 预制棒被放在拉丝加热炉，其底部受热熔化，受热熔化的部分开始下降，置于底部的拉线塔上卷绕轴的转速决定光纤的拉制速度，而拉制速度又决定了光纤的粗细，所以卷绕轴的转速必须精确控制并保持不变。光纤直径监测仪通过反馈实现对于拉丝速度的调整，光纤拉成以后，将被立即涂覆上一层有弹性的覆盖物。夹具预制棒拉丝加热炉直径监测仪涂覆设备硬化设备（紫外灯或热源）卷线轴,光纤的使用特性光纤的使用特性包括传输特性，几何特性，机

33、械特性，环境特性等，下面分别介绍。传输特性:内容主要有衰减，数值孔径，色散，反向散射特性，群折射率(渐变折射率光纤的等效折射率)。2.几何特性几何特性有纤芯直径，包层直径和涂覆盖层直径，纤芯非圆性，包层非圆性和涂敷层非圆性，纤芯/包层和涂敷层同心性误差，标准长度。其中非圆性的计算公式为：纤芯/包层和涂敷层同心性误差是指纤芯与包层或包层与涂敷层的几何中心间的最大可能距离。,3.机械特性 机械特性对光纤的使用特别重要。光纤必须能够经受住成缆和光纤敷设过程中的压力和张力，其参数有抗拉强度，静态、动态稳定疲劳，光纤翘曲半径，涂敷层剥离力等。,纯净玻璃光纤的纵向拉伸张力是可以与金属丝相比拟的，其最大抗拉

34、强度为14Gpa，钢丝为20Gpa。但由于光纤在生产过程中，玻璃基体存在小的不均匀性，高温熔融骤冷拉丝形成应力不均匀及环境尘埃、机械损伤使光纤中有许多裂纹，从而造成一定长度的光纤拉伸张力大为降低。,光纤翘曲半径是指涂敷层剥除后石英玻璃光纤自然弯曲的曲率半径。它是由于光纤制造过程中的高速拉制和骤然冷却使光纤产生内应力的结果，对光纤的连接损耗影响较大，特别是对多模光纤构成的光纤带的连接影响较大，因为各根光纤的翘曲方向使随机的。,4.环境特性 环境特性有温度特性，水浸性能和湿热性能，这部分说明因为环境条件的变化导致衰减会增加多少，比如因为石英和光纤涂敷层的热膨胀系数不同,两者的长度的变化量相差非常大

35、，于是产生的张力会使光纤发生弯曲，增加损耗。,筛选应变是筛选试验结果的表示方法，筛选试验的目的是将整根光纤长度上强度低于筛选应力的点去除，保证光纤的机械可靠性。采用的方法是纵向张力法，即施加张力荷载至拉丝涂敷层的整根光纤上，被测的初始光纤会断成几段，可以认为每段光纤通过了筛选试验。,光纤产品介绍国际电信联盟电信标准部ITU-T(Telecommunication Standardization Sector of International Telecommunication Union)公布的几种光纤标准如下：,G.651光纤（渐变多模光纤）G.651光纤的工作波长有两种：1310nm和15

36、50nm。在1310nm处具有最小色散值，在1550nm处具有最小衰减系数。按照纤芯/包层尺寸，G.651进一步分为4种，它们的纤芯/包层直径/数值孔径分别为50/125/0.200，62.5/125/0.275，85/125/0.275 和 100/140/0.316。,G.652光纤（标准单模光纤）G.652是零色散波长在1310nm处的单模光纤，它的传输距离一般只受光纤衰减的限制。在1310nm处，该光纤的衰减率达到0.30.4dB/km。目前已经铺设的光缆线路绝大部分都采用这种光纤，该光纤也可用于1.55波段、2.5Gb/s的干线传输，虽然在1550nm处的色散较大，为20 ps/(n

37、m.Km)，但如果采用高性能的电吸收调制器，传输距离可达600公里。但如果传输的数据速率达10Gb/s，只能传输50公里。G.652光纤的新产品还有G.652B、C和D，其中G.625B光纤具有低PMD值，成缆光纤的最大PMD为。可支持数据速率10GBb/s，达3000公里，如数据速率为40Gb/s，则可传输80km。G.652C光纤为无水峰光纤，原水峰处13833nm处的衰减可做到不大于1310nm处的值，所以系统可工作在E波段和S波段，见表2.5。同时，水峰的消除使在1550nm处的损耗更低，从而可传输速率为10Gb/s的数据。G.652D光纤在波长和带宽上与G.652C光纤类似，支持CW

38、DM和O/E/S/C/L/U波段应用，在数据速率上与G.652B光纤类似。,G.653光纤（色散位移光纤）G.652光纤由于零色散与低衰减不在同一波长上，使工程应用受到很大限制，而G.653则把零色散点从1.31处移到了1.55处，所以也称G.653为色散移位光纤DSF(dispersion-shifter fiber)。它是单波长传输的最佳选择，但是对多信道应用而言，由于各信道光波之间的相位匹配很好，四波混频效应较强，会产生非常严重的干扰产物，所以不适合于WDM系统，目前已不再铺设。G.654光纤（衰减最小光纤）这种光纤是为了满足海底光缆长距离通信的需求而研制的，其特点是在1.55的衰减很小

39、，仅为0.185dB/km，但在该波长处的色散较大，约为1720 ps/(nm.Km)。其零色散点在1.31m处。,G.655光纤（非零色散光纤）G.655光纤是一种改进型的色散移位光纤，与G.653相比，其零色散点不在1.55um处，而是在1.525um或者1.585um处，1.55um处有适当的微量色散。G.655光纤适用于密集波分复用DWDM系统中，光纤中存在少量色散，四波混频反而减少。G.655光纤目前可划分为A,B,C三个子类。G.655A光纤在C波段支持10Gb/s的波长速率、200GHz及以上间隔的DWDM系统应用，C波段最大色散为6 ps/(nm.Km)G.655B光纤在C和L

40、波段支持10Gb/s波长速率、100GHz及以下间隔的DWDM应用。C波段最大色散为10 ps/(nm.Km)；G.655C光纤在G.655B的基础上将PMD降低到0.2 ps/(nm.Km)，可支持10Gb/s波长速率DWDM系统传输距离达3000km以上。G.656光纤这种光纤零色散点在S波段的短波侧。在1460至1565nm波长范围内，色散系数D有2、8.11和15 ps/(nm.Km)三个待定值，并且在S、C及L三个波段都有DWDM适应的色散。,色散补偿光纤色散补偿光纤DCF是具有负色散系数的光纤，为了便于现已铺设的1310nm系统采用波分复用和掺铒光纤放大器技术，就必须将光纤的工作波

41、长从1310nm处移至1550nm处。标准单模光纤在1550nm处的色散为(1720)，并且具有正的色散斜率，常在其中加接具有负色散的色散补偿光纤，进行色散补偿。,除以上介绍的品种外，还有各种通用型光纤，如适用于小型器件和家庭布线使用的光纤，这种光纤对弯曲不敏感，数值孔径较大，可以承受较小的弯曲半径；多模单模光纤，与单模光纤接续表现为单模光纤，与多模光纤接续则表现为多模光纤。,光纤的型号光纤的规格代号由光纤数目、光纤类别、光纤主要尺寸参数、传输特性（使用波长、损耗系数、模式带宽）及适用温度等5个部分组成，各组成部分均用代号或数字表示。1.光纤数目 光纤数目在光缆中用阿拉伯数字表示。2.光纤类别

42、的代号及其意义 J二氧化硅多模渐变型光纤 Z二氧化硅多模准突变型光纤 X二氧化硅纤芯塑料包层光纤 T二氧化硅系多模突变光纤 D二氧化硅系单模光纤 S塑料光纤,3.光纤主要尺寸参数 用阿拉伯数字以微米为单位表示多模光纤的芯径/包层直径或单模光纤的模场直径/包层直径。4.传输性能 这部分用三组数字分布表示使用波长、损耗系数及带宽距离积，第一组数字规定如下：1使用波长在0.85m区域 2使用波长在1.31m区域 3使用波长在1.55m区域第二组数字表示损耗系统的个数和小数点后一位的值，单位为dB/km，第三组数字是带宽距离积的千位数和百位数，单位为MHzkm，单模光纤无此项。5.适用温度代号及意义 A适用于4040 B适用于3050 C适用于2060 D适用于560,