现代电子材料与元器件6教学教材.ppt

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1、现代电子材料与元器件66.1概述光源传输转运探测显示非线性光学效应：开关、调制、隔离、偏转、变频等光学功能器件6.2光纤由于激光在大气中传播时，会受到雨、雪、灰尘和云雾等的吸收、散射而衰减。因此，需要一种设备引导光束的传播，使光束的能量在横截面上受限，并使损耗最小，这种设备称为介质光波导。光波导主要有三种：平板波导、矩形波导和光导纤维（光纤）。光纤通信已经无可争辩的成为现代通信最重要的主力军，成为信息高度公路的基石，在现代信息社会发挥着越来越大的作用。目前石英光纤在0.85μm，1.3μm，和1.5

2、5μm波长时，衰减特性已接近理论上的极限值。6.2光纤光导纤维经历了四个重要阶段短波多模光纤时代，0.85um，最低损耗为2.5dB/km，传输速率为45Mbits/s；长波长多模光纤时代，1.31um，传输速率有很大提高长波长单模光纤时代，1.31um，最低损耗为0.27dB/km，传输速率为600Mbits/s，无中继距离可以达到30km；高速光传输时代，1.55um，最低损耗为0.16dB/km，传输速率达到10~40Gbits/s以上6.2光纤光导纤维除了用于通信之外，还在电子光学、光学仪器

3、、医疗器件、传感器等诸多方面获得应用比如光纤内镜，胃镜比如光纤耦合激光二极管便携式脑外伤检测仪比如柔性激光手术刀本节主要介绍光纤的结构与工作原理、种类、制备工艺及应用6.2光纤1光纤的结构图6.1光纤结构示意图一般可以分为三部分：纤芯、包层和涂覆层。纤芯是由高透明度的材料制成的，一般为玻璃，位于光纤中心部分，其折射率较高；包层位于纤芯外面，其折射率略低于纤芯；最外面的是涂覆层。在涂覆层往往还加有塑料外套。光纤的基本结构一般是双层或多层的同心圆柱体。6.2光纤2光纤的工作原理光在均匀的介质中沿直线传播

4、，但传播速度依介质不同而不同。光密介质和光疏介质6.2光纤2光纤的工作原理光纤由折射率较高的纤芯和折射率较低的包层组成。光束就是借助纤芯和包层之间多次全反射，而沿光纤传输的。ψc6.2光纤2光纤的工作原理ψc其中θ’c称为孔径角，当光纤端口的入射角小于该角时，光在光纤内满足全反射条件，即光能在光纤内传输。6.2光纤2光纤的工作原理数值孔径是光纤可接收光辐射角度，表征光纤和光源、光检测器及其它光纤耦合时的耦合效率的重要参数，对连接损耗、弯曲损耗以及温度特定、带宽都有影响。NA越大，光纤接收光的能力越强

5、。但NA太大，在光纤的模畸变越大，会影响光纤的带宽。所以在光纤通信中，NA不能太大。对于单模光纤，△大约为0.3~0.6%；对于多模光纤，△大约为1~2%。6.2光纤包层为光的传输提供反射面和光隔离，并起到一定机械保护的作用。由纤芯和包层组成的光纤称为裸光纤，如果直接使用这种光纤，由于裸露在环境中，容易受到外界温度、压力、水汽等的侵蚀。为了增强裸光纤的柔韧性、机械强度和老化特性，保护其不受水汽的侵蚀和机械擦伤，在包层外面增加了涂覆层。由于不同的导光要求，包层有的是单层，有的是多层。涂覆层一般分为一次

6、涂覆层和二次涂覆层，二次涂覆层是在一次涂覆层的外面涂上热塑材料，又称套塑。光纤的套塑又分为紧套和松套两种。经过涂覆并经过检切合格的光纤称为缆芯。2光纤的工作原理6.2光纤3光纤的种类单模阶跃式光纤多模阶跃式光纤多模梯度式光纤6.2光纤3光纤的种类按照折射率分布图6.2光纤的种类及折射率分布阶跃型多模光纤和单模光纤的折射率分布都是突变的，纤芯折射率分布均匀，而且具有恒定值n1，而包层折射率则为小于n1的常数n2。二者的区别仅在于，后者的芯径和折射率差都比前者小。梯度型光纤的纤芯折射率是随着半径的增大而

7、逐渐减小，而包层的折射率分布则是均匀的。6.2光纤3光纤的种类按照材料分1)石英玻璃光纤2)多组分玻璃光纤3)塑料光纤4)红外光纤石英光纤的纤芯和包层都由高纯度的SiO2掺有适当的杂质制成。这种光纤的损耗低，强度和可靠性较高，应用最为广泛。多组分玻璃光纤的主要成分为SiO2，约占百分之几十，此外还有其它玻璃形成体及改性剂。其特点是熔点低，适于制作大芯径、大数值孔径光纤。因其损耗较大，通信上极少采用。但此类光纤易做到大的数值孔径，与光源或检测器的耦合效率高，可用于对损耗要求不太苛刻的传感器等领域。纤芯

8、、包层均由高分子聚合物材料构成。优点是柔韧、制造简单、芯径和数值孔径较易做大(可分别达到0.8~1.0mm和0.4~0.6mm)、耦合容易；缺点是损耗较大。因此适于短距离小容量通信系统应用。非硅基质的玻璃材料，加重金属氧化物玻璃等红外材料构成。光学损耗本约为石英玻璃的十分之一至千分之一，可实现几千甚至上万公里无中继通信。6.2光纤4光纤的制备主要包括原料的制备与提纯、预制棒或晶锭的制作与拉丝拉丝即从制得的预制棒拉出一定直径细丝的过程，其中关键是要保持芯包比和折射率分布