最新-第五章-光纤的制造工艺和光器件-PPT课件.ppt
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1、第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件2022-7-22 光纤通信器件光纤通信器件11.光纤的制造工艺光纤的制造工艺光纤的制作要求光纤的制作要求(1)透明;)透明;(2)能将其拉制成沿长度方向均匀分布)能将其拉制成沿长度方向均匀分布的具有纤芯的具有纤芯-包层结构的细小纤维;包层结构的细小纤维;(3)能经受住所需要的工作环境。)能经受住所需要的工作环境。所以,简单地说,光纤是将透明材料拉伸为细所以,简单地说,光纤是将透明材料拉伸为细丝制成的。丝制成的。制造光纤的材料制造光纤的材料应满足应满足第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件2022-7-22 光纤通信
2、器件光纤通信器件2光纤的制造工艺光纤的制造工艺原料原料(SiO2和掺杂物质和掺杂物质)制作预制棒制作预制棒对检验合格的预制棒进行拉丝对检验合格的预制棒进行拉丝原料检验原料检验成品预制棒检验成品预制棒检验第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件2022-7-22 光纤通信器件光纤通信器件3光纤预制棒的制作光纤预制棒的制作 光纤预制棒简称光棒,是一种在横截面上有一光纤预制棒简称光棒,是一种在横截面上有一定折射率分布和芯定折射率分布和芯/包比的的透明的石英玻璃棒。根包比的的透明的石英玻璃棒。根据折射率的不同光棒可从结构上分为芯层和包层两据折射率的不同光棒可从结构上分为芯层和包层两个
3、部分,其芯层的折射率较高,是由高纯个部分,其芯层的折射率较高,是由高纯SiO2材料材料掺杂折射率较高的高纯掺杂折射率较高的高纯GeO2材料构成的,包层由高材料构成的,包层由高纯纯SiO2材料构成。材料构成。光纤预制棒制造技术是光纤制作工艺的核心,光纤预制棒制造技术是光纤制作工艺的核心,光纤的制作方法取名于预制棒的制造方法。光纤的制作方法取名于预制棒的制造方法。第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件2022-7-22 光纤通信器件光纤通信器件4光纤预制棒的制作光纤预制棒的制作制作方法制作方法 四十年来,发展出很多种光纤制造工艺,经淘汰四十年来,发展出很多种光纤制造工艺,经淘汰
4、选择,目前比较流行且保持批量生产的有四种。选择,目前比较流行且保持批量生产的有四种。OVD VADMCVD PCVD外部气相沉积法;外部气相沉积法;气相轴相沉积法;气相轴相沉积法;改进的化学气相沉积法;改进的化学气相沉积法;等离子化学气相沉积法。等离子化学气相沉积法。外包技术。外包技术。第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件2022-7-22 光纤通信器件光纤通信器件5拉丝拉丝第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件2022-7-22 光纤通信器件光纤通信器件6拉丝拉丝 拉伸炉使预制棒在高温下拉伸炉使预制棒在高温下(200022000C)熔融,熔融,在重力
5、的作用下往下垂,并形成细丝,经直径监控设在重力的作用下往下垂,并形成细丝,经直径监控设备检测达到标准后,备检测达到标准后,(最初的一滴熔融热玻璃从预制最初的一滴熔融热玻璃从预制棒的底部拉出,延展成光纤的起点,一般情况这一起棒的底部拉出,延展成光纤的起点,一般情况这一起始段都是废品始段都是废品),就可以穿过涂覆器,这样光纤表面就,就可以穿过涂覆器,这样光纤表面就涂上了保护层。再经过紫外固化炉的固化,涂层就紧涂上了保护层。再经过紫外固化炉的固化,涂层就紧密结合在光纤表面,涂覆后的光纤由牵引轮牵引收到密结合在光纤表面,涂覆后的光纤由牵引轮牵引收到线轴上。线轴上。正确地控制拉丝温度、收丝速度是至关重要
6、的。正确地控制拉丝温度、收丝速度是至关重要的。第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件2022-7-22 光纤通信器件光纤通信器件7成品光纤的测试:成品光纤的测试:性能测试:带宽、损耗、拉力强度等。性能测试:带宽、损耗、拉力强度等。光纤的外径为光纤的外径为1251m,涂覆后的直径为,涂覆后的直径为25010m。单模光纤的波段划分单模光纤的波段划分(单位:单位:nm)O(原始原始)波段波段:1260-1360E(扩展扩展)波段波段:1360-1460S(短短)波段波段:1460-1530C(常规常规)波段波段:1530-1560L(长长)波段波段:1560-1625U(超长超长
7、)波段波段:1625-1675第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件2022-7-22 光纤通信器件光纤通信器件8其他材料制作的光纤其他材料制作的光纤(1)多组分玻璃光纤:特点是纤芯多组分玻璃光纤:特点是纤芯-包层折射率变化包层折射率变化范围大,范围大,NA大,但材料损耗大;大,但材料损耗大;(2)塑料光纤:成本低,但损耗很大,温度性能差;塑料光纤:成本低,但损耗很大,温度性能差;(3)中红外光纤:大于中红外光纤:大于1.55um散射损耗低;散射损耗低;(4)液芯光纤:纤芯为液体,可以满足特殊需要;液芯光纤:纤芯为液体,可以满足特殊需要;(5)晶体光纤:纤芯为晶体,可用于制
8、造各种有源和晶体光纤:纤芯为晶体,可用于制造各种有源和无源光器件。无源光器件。第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件2022-7-22 光纤通信器件光纤通信器件9*自聚焦透镜(自聚焦透镜(渐变折射率材料有渐变折射率材料有径向渐变径向渐变和和轴向渐变轴向渐变折射率材料,自聚焦折射率材料,自聚焦透镜是使用径向渐变折射率材料制成的透镜,其透镜是使用径向渐变折射率材料制成的透镜,其折射率分布式沿折射率分布式沿径向渐变的柱状光学透镜径向渐变的柱状光学透镜。具有。具有准直、聚焦和成像准直、聚焦和成像功能。功能。光线在空气中传播当遇到不同介质时,由于介质的折射率不光线在空气中传播当遇到不
9、同介质时,由于介质的折射率不同会改变其传播方向。同会改变其传播方向。传统的透镜成像是通过控制透镜表面的曲传统的透镜成像是通过控制透镜表面的曲率率,从而完成聚焦和成像功能的。,从而完成聚焦和成像功能的。自聚焦透镜同普通透镜自聚焦透镜同普通透镜(球透镜球透镜)的区别在于,自聚焦透镜材料的区别在于,自聚焦透镜材料不仅能够使沿径向传输的光产生折射,而且其沿径向逐渐减小的不仅能够使沿径向传输的光产生折射,而且其沿径向逐渐减小的折射率分布,折射率分布,能够实现出射光线被平滑且连续的汇聚到一点能够实现出射光线被平滑且连续的汇聚到一点。第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件2022-7-2
10、2 光纤通信器件光纤通信器件101、均匀折射率分布材料、均匀折射率分布材料2 2、依靠弯曲的光学界面、依靠弯曲的光学界面 实现光学成像实现光学成像3 3、通过非球面来克服像差,、通过非球面来克服像差,提高成像质量提高成像质量1、渐变折射率分布材料、渐变折射率分布材料2 2、依靠光线轨迹的弯曲、依靠光线轨迹的弯曲 实现光学成像实现光学成像3 3、通过优化折射率分布,、通过优化折射率分布,提高成像质量提高成像质量第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件2022-7-22 光纤通信器件光纤通信器件11自聚焦光纤:折射率按平方分布的光纤光纤自聚焦光纤:折射率按平方分布的光纤光纤的传播
11、轨迹为正弦曲线经一周期后又会聚到的传播轨迹为正弦曲线经一周期后又会聚到另一点。另一点。自聚焦透镜原理上就是一段自聚焦光纤自聚焦透镜原理上就是一段自聚焦光纤。不同点:不同点:芯径大芯径大(2mm或更大或更大),长度短,长度短(仅仅12个个周期周期),数值孔径大,数值孔径大(0.20.6,可由长短决定大小,可由长短决定大小);制作工艺也不同,采用离子交换工艺。;制作工艺也不同,采用离子交换工艺。第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件2022-7-22 光纤通信器件光纤通信器件12优点:优点:1、直径小,体积微型化,焦距超短;、直径小,体积微型化,焦距超短;2、端面平面,便于光学
12、加工、系统调节;、端面平面,便于光学加工、系统调节;3、长度和折射率改变可引起透镜焦距和成像特、长度和折射率改变可引起透镜焦距和成像特 性的变化,可以起几个普通透镜的作用;性的变化,可以起几个普通透镜的作用;4、像差可通过改变透镜材料组分和离子交换工、像差可通过改变透镜材料组分和离子交换工 艺来控制;艺来控制;5、还可用于弯曲传像、还可用于弯曲传像;6、光线轨迹为、光线轨迹为sin或或cos曲线,可形成曲线,可形成“自聚焦自聚焦”。主要应用:主要应用:光纤通信中的光无源器件、复印传真机、摄光纤通信中的光无源器件、复印传真机、摄影物镜、显微物镜和医用内窥镜等。影物镜、显微物镜和医用内窥镜等。第五
13、章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件2022-7-22 光纤通信器件光纤通信器件13 自聚焦透镜利用了梯度变折射率分布沿径向逐自聚焦透镜利用了梯度变折射率分布沿径向逐渐减小的变化特征,其渐减小的变化特征,其折射率变化折射率变化由下式表述。由下式表述。N0 表示自聚焦透镜的中心折射率表示自聚焦透镜的中心折射率A 表示自聚焦透镜的折射率沿径向分布的常数表示自聚焦透镜的折射率沿径向分布的常数(聚焦参数聚焦参数),可以是,可以是A或或 。)21()(2rANrNO 折射率分布的简化表示:折射率分布的简化表示:AA第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件2022-7-
14、22 光纤通信器件光纤通信器件14自聚焦透镜的重要特性:自聚焦透镜的重要特性:重要性能参数:重要性能参数:q焦距:焦距:f=-1/n0A1/2sin(A1/2L)q聚焦参数:聚焦参数:A=2D/a2q数值孔径:数值孔径:NA=n0(2D)1/2q自聚焦透镜的直径:自聚焦透镜的直径:Dq节距:节距:P=2p/A1/2,沿正弦轨迹传播,完成一个正弦波周期的长度沿正弦轨迹传播,完成一个正弦波周期的长度即成为即成为一个截距一个截距P;q长度长度Z自聚焦透镜的长度为透镜两端面轴心间的距离自聚焦透镜的长度为透镜两端面轴心间的距离。成像特性:与透镜长度有关:成像特性:与透镜长度有关:q1/4 节距透镜节距透
15、镜q1/2 节距透镜节距透镜q0.23节距透镜节距透镜q0.29 节距透镜节距透镜第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件2022-7-22 光纤通信器件光纤通信器件15第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件2022-7-22 光纤通信器件光纤通信器件16双光纤准直器双光纤准直器,波分复用器件波分复用器件第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件2022-7-22 光纤通信器件光纤通信器件17第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件2022-7-22 光纤通信器件光纤通信器件180.29P lens:facula comp
16、ress第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件2022-7-22 光纤通信器件光纤通信器件19自聚焦透镜的应用:自聚焦透镜的应用:(1)聚焦与准直聚焦与准直 透镜在聚焦时存在着结构尺寸大,结构复杂,聚焦光斑透镜在聚焦时存在着结构尺寸大,结构复杂,聚焦光斑大,不能再端面聚焦的缺点,但自聚焦透镜在聚焦时克服了大,不能再端面聚焦的缺点,但自聚焦透镜在聚焦时克服了这些缺点。根据自聚焦透镜的传光原理,对于这些缺点。根据自聚焦透镜的传光原理,对于Z=1/4P节距的节距的自聚焦透镜,当从一端面输入是一束平行光时,经过自聚焦自聚焦透镜,当从一端面输入是一束平行光时,经过自聚焦透镜后光线汇聚
17、在另一端面上,由球差理论可得自聚焦透镜透镜后光线汇聚在另一端面上,由球差理论可得自聚焦透镜聚焦点光斑的尺寸公式为:聚焦点光斑的尺寸公式为:)(1220NAfNRR为焦点处光斑的半径为焦点处光斑的半径,NA为数值孔径为数值孔径,f为焦距为焦距,N0为轴上的为轴上的折射率。准直是聚焦功能的逆向运用,根据自聚焦透镜的传折射率。准直是聚焦功能的逆向运用,根据自聚焦透镜的传光原理,对于光原理,对于Z=1/4P节距的自聚焦透镜,当汇聚光从自聚焦节距的自聚焦透镜,当汇聚光从自聚焦透镜一端面输入时,经过自聚焦透镜后会转变成平行光线透镜一端面输入时,经过自聚焦透镜后会转变成平行光线。第五章第五章 光纤的制造工艺
18、和光器件光纤的制造工艺和光器件2022-7-22 光纤通信器件光纤通信器件20(2)光耦合光耦合 由于自聚焦透镜可以通过水平端面完成聚焦功能,加之由于自聚焦透镜可以通过水平端面完成聚焦功能,加之其简单圆柱外形,使得其在进行光能量链接及转换中有着很其简单圆柱外形,使得其在进行光能量链接及转换中有着很广泛的用途,自聚焦透镜的这种聚焦功能使其能够应用于多广泛的用途,自聚焦透镜的这种聚焦功能使其能够应用于多种光耦合场所,从而种光耦合场所,从而改善普通透镜的光耦合效果改善普通透镜的光耦合效果。第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件2022-7-22 光纤通信器件光纤通信器件21 为了
19、达到更好的聚焦效果,会在平端面透镜一为了达到更好的聚焦效果,会在平端面透镜一端面加工一个端面加工一个13mm的曲面,此曲面与使得透镜弥的曲面,此曲面与使得透镜弥散斑小,因此球面自聚焦透镜可减小聚焦光斑尺寸。散斑小,因此球面自聚焦透镜可减小聚焦光斑尺寸。第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件2022-7-22 光纤通信器件光纤通信器件22 L1为光源或光纤到自聚焦透镜端面的距离,为光源或光纤到自聚焦透镜端面的距离,Z为为自聚焦透镜的长度,自聚焦透镜的长度,L2为自聚焦透镜端面到光纤的为自聚焦透镜端面到光纤的距离。为了使光源或光纤发出的光经过自聚焦透镜距离。为了使光源或光纤发出
20、的光经过自聚焦透镜聚焦后能够有效地耦合进光纤,需要调节聚焦后能够有效地耦合进光纤,需要调节L1 和和L2的的距离来达到最佳耦合效率。距离来达到最佳耦合效率。第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件2022-7-22 光纤通信器件光纤通信器件23准直透镜:准直透镜:许多应用中需要将光纤发出的发散光束变换为平许多应用中需要将光纤发出的发散光束变换为平行光束,可通过在光纤输出端加一准直透镜来实现。行光束,可通过在光纤输出端加一准直透镜来实现。准直透镜是将光纤置于自聚焦透镜的焦点上。准直透镜是将光纤置于自聚焦透镜的焦点上。经自聚焦透镜后,输出端光束的半径和发散角为经自聚焦透镜后,输出
21、端光束的半径和发散角为00cossinarcsinsinbfbfNAAZnAAZAZ nA其中为光纤纤芯半径,为数值孔径;其中为光纤纤芯半径,为数值孔径;Z Z为自聚焦透为自聚焦透镜的长度,称为透镜的聚焦常数。镜的长度,称为透镜的聚焦常数。fNAA第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件2022-7-22 光纤通信器件光纤通信器件24上式中,若透镜长度上式中,若透镜长度Z取为节距的取为节距的1/4时,时,上式,上式成为成为2AZ000arcsinbbffNAnAnAnA 这表明,光束的束宽这表明,光束的束宽(半径半径)正比于光纤的数值孔径,而正比于光纤的数值孔径,而发散角正比
22、于光纤纤芯半径。发散角正比于光纤纤芯半径。单模光纤单模光纤(芯径芯径10m,数值孔径数值孔径0.1):光束直径为:光束直径为0.67mm,光,光束发散角为束发散角为1.5mrad,是很好的平行光束。是很好的平行光束。多模光纤多模光纤(芯径芯径50m,数值孔径数值孔径0.2):光束直径为:光束直径为1.33mm,光,光束发散角为束发散角为7.5mrad,光束平行度稍差些。光束平行度稍差些。第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件2022-7-22 光纤通信器件光纤通信器件25耦合透镜:耦合透镜:将光源将光源(LD或另一光纤输出光或另一光纤输出光)的功率有效地耦合进入光纤时,可利
23、的功率有效地耦合进入光纤时,可利用自聚焦透镜作为耦合透镜,将光纤置于自聚焦透镜端面上,也可将多个用自聚焦透镜作为耦合透镜,将光纤置于自聚焦透镜端面上,也可将多个自聚焦透镜级联。自聚焦透镜级联。这时有000coscossinarcsinsincossinoutssoutssAZAZNAlAZnANAlnAAZAZnAAZ式中,式中,l是光源到透镜前端面的距离;是经透镜输出光是光源到透镜前端面的距离;是经透镜输出光光斑最大半径;是经透镜输出光束的张角;是光源光斑最大半径;是经透镜输出光束的张角;是光源半径;是光源输出光张角对应的数值孔径。半径;是光源输出光张角对应的数值孔径。可以看到,选择合适的物
24、距可以看到,选择合适的物距l值与透镜长度值与透镜长度Z,与接收光,与接收光纤参数匹配,可以使与尽可能地小,可取得最纤参数匹配,可以使与尽可能地小,可取得最良好的耦合效果良好的耦合效果。outoutssNAoutout第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件2022-7-22 光纤通信器件光纤通信器件26(3)自聚焦透镜成像自聚焦透镜成像 自聚焦透镜除了具备一般曲面透镜的成像功能自聚焦透镜除了具备一般曲面透镜的成像功能还具备端面成像的特性。对于还具备端面成像的特性。对于P/2及及1P截距的自聚焦截距的自聚焦透镜其端面成像机理如图透镜其端面成像机理如图2.5所示。所示。P/2截距
25、的自聚焦截距的自聚焦透镜其端面成等大倒像,而透镜其端面成等大倒像,而1P截距的自聚焦透镜其截距的自聚焦透镜其端面成等大正像。对于端面成等大正像。对于P/4截距的自聚焦透镜物在无截距的自聚焦透镜物在无穷远处时象在其后端面(只要物距远远大于透镜长穷远处时象在其后端面(只要物距远远大于透镜长度时可理解为无穷远)。度时可理解为无穷远)。第五章第五章 光纤的制造工艺和光器件光纤的制造工艺和光器件2022-7-22 光纤通信器件光纤通信器件27等高成像透镜:等高成像透镜:在复印机、传真机、印刷机等成像光学系统中需要在复印机、传真机、印刷机等成像光学系统中需要采用采用1:1成像系统。这时采用自聚焦透镜最为简
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