光纤拉制及成缆技术.ppt

《光纤拉制及成缆技术.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《光纤拉制及成缆技术.ppt（81页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、第第 2 2 章章 光纤拉制及成缆光纤拉制及成缆 2.1 光纤的分类光纤的分类 2.2 光光 纤材纤材 料料2.3 光纤的拉制光纤的拉制 2.4 光纤成缆技术光纤成缆技术 思考与练习思考与练习 随着通信技术的进一步发展随着通信技术的进一步发展,光纤光纤光缆已逐步取代电缆成为国家通信光缆已逐步取代电缆成为国家通信的主干线。的主干线。内容：光纤的种类、材料和制作方内容：光纤的种类、材料和制作方式式,以及光缆的类型、设计要求和以及光缆的类型、设计要求和制造工艺、拉制和成缆。制造工艺、拉制和成缆。2.12.1光纤的分类光纤的分类u光纤的基本结构十分简单光纤的基本结构十分简单,是由是由光折射率较高的光折

2、射率较高的纤芯和折射率较低的包层纤芯和折射率较低的包层所组成。纤芯和包层的所组成。纤芯和包层的折射率差异导致光在纤芯发生全内反射折射率差异导致光在纤芯发生全内反射,从而使从而使光在纤芯内传播。光在纤芯内传播。u为了保护光纤不受外力和环境的影响为了保护光纤不受外力和环境的影响,在包层的在包层的外面一般都加有涂敷层。外面一般都加有涂敷层。u典型的通信用光纤截面图典型的通信用光纤截面图,对于单模光纤对于单模光纤,其标其标 准包层直径是准包层直径是125m,125m,加上涂敷层后加上涂敷层后,光纤直径约光纤直径约为为250m250m。u不同类型的光纤虽然由不同类型的光纤虽然由纤芯、包层、涂敷层纤芯、包

3、层、涂敷层三个三个基本部分组成基本部分组成,各自的几何尺寸差异却很大各自的几何尺寸差异却很大。阶跃光纤与渐变光纤的横截面和折射率分布阶跃光纤与渐变光纤的横截面和折射率分布光纤的分类光纤的分类u光纤的分类方式光纤的分类方式多种多样多种多样,一般按照光纤内一般按照光纤内部光能传输的部光能传输的稳定模式数稳定模式数来确定。来确定。u多模光纤：能以多模光纤：能以多种模式多种模式传光的光纤即为多传光的光纤即为多模光纤。模光纤。u单模光纤：而单模光纤：而只能传输单一模式只能传输单一模式的光纤则称的光纤则称为单模光纤。为单模光纤。多模光纤多模光纤阶跃多模光纤阶跃多模光纤是一种具有是一种具有大的芯径大的芯径和

4、和大的数值孔大的数值孔径径的光纤的光纤,纤芯与包层界面上纤芯与包层界面上折射率呈阶跃分布折射率呈阶跃分布,即纤芯和包层的折射率各自即纤芯和包层的折射率各自保持常数保持常数,纤芯折射纤芯折射率较高率较高,包层折射率较低包层折射率较低,一般由一般由多组分多组分玻璃玻璃化化合物合物或或掺杂石英玻璃掺杂石英玻璃制成。制成。大芯径和大的数值孔径大芯径和大的数值孔径有利于提高光纤有利于提高光纤收集光功收集光功率率的效率的效率,在图像传输和照明中使用广泛在图像传输和照明中使用广泛;但但芯径和数值孔径的增大芯径和数值孔径的增大也使光纤的也使光纤的模式色散模式色散增加增加,不利于不利于长途通信长途通信。阶跃多模

5、光纤和渐变光纤阶跃多模光纤和渐变光纤渐变光纤的渐变光纤的横截面折射率横截面折射率则是则是渐变渐变的的,芯径相芯径相对较小对较小,具有更好的具有更好的抗弯曲性能抗弯曲性能。制备这种光纤选用的材料纯度比大多数制备这种光纤选用的材料纯度比大多数阶跃阶跃光纤材料纯度高光纤材料纯度高,加上折射率梯度分布加上折射率梯度分布,使得使得这种光纤具有小的这种光纤具有小的色散色散和和低的衰减低的衰减,其性能特其性能特征比阶跃型多模光纤要好。征比阶跃型多模光纤要好。但和光波长有关的折射率微小变化会引起但和光波长有关的折射率微小变化会引起残残余色散余色散,不同模式间相互干扰还会产生不同模式间相互干扰还会产生模噪声模噪

6、声,从而从而限制了渐变光纤限制了渐变光纤的性能的性能,使这种光纤同样使这种光纤同样不适合于长距离通信。不适合于长距离通信。单模光纤单模光纤w w单模光纤单模光纤单模光纤单模光纤以其以其以其以其损耗低损耗低损耗低损耗低、频带宽频带宽频带宽频带宽、容量大容量大容量大容量大、成本低成本低成本低成本低、易易易易于扩容于扩容于扩容于扩容等优点等优点等优点等优点,成为一种理想的长距离通信介质得到成为一种理想的长距离通信介质得到成为一种理想的长距离通信介质得到成为一种理想的长距离通信介质得到广泛的应用。广泛的应用。广泛的应用。广泛的应用。w w随着光纤放大器、时分复用技术、波分复用技术和频随着光纤放大器、时

7、分复用技术、波分复用技术和频随着光纤放大器、时分复用技术、波分复用技术和频随着光纤放大器、时分复用技术、波分复用技术和频分复用技术的发展分复用技术的发展分复用技术的发展分复用技术的发展,单模光纤的单模光纤的单模光纤的单模光纤的传输距离传输距离传输距离传输距离、通信容量通信容量通信容量通信容量和和和和传输速率传输速率传输速率传输速率都得到了很大的都得到了很大的都得到了很大的都得到了很大的提高提高提高提高。w w但但但但复用技术复用技术复用技术复用技术也使光纤的也使光纤的也使光纤的也使光纤的色散和非线性效应色散和非线性效应色散和非线性效应色散和非线性效应更为显著更为显著更为显著更为显著,为解决光纤

8、的色散问题为解决光纤的色散问题为解决光纤的色散问题为解决光纤的色散问题,研究人员开发出了几种折射研究人员开发出了几种折射研究人员开发出了几种折射研究人员开发出了几种折射率率率率特殊分布的单模光纤特殊分布的单模光纤特殊分布的单模光纤特殊分布的单模光纤:非色散位移光纤非色散位移光纤非色散位移光纤非色散位移光纤、色散位色散位色散位色散位 移光纤移光纤移光纤移光纤、截止波长位移光纤截止波长位移光纤截止波长位移光纤截止波长位移光纤、非零色散位移光纤非零色散位移光纤非零色散位移光纤非零色散位移光纤、色色色色散平坦光纤散平坦光纤散平坦光纤散平坦光纤、色散补偿光纤色散补偿光纤色散补偿光纤色散补偿光纤。光纤其他

9、分类光纤其他分类光纤按其本身的材料组成不同光纤按其本身的材料组成不同,可分为石英光可分为石英光纤、多组分玻璃光纤、液芯光纤、塑料光纤、纤、多组分玻璃光纤、液芯光纤、塑料光纤、氟化物光纤、硫硒碲化合物光纤。氟化物光纤、硫硒碲化合物光纤。按按光纤横截面上折射率分布状况光纤横截面上折射率分布状况,可分为可分为阶跃阶跃光纤、梯度光纤、光纤、梯度光纤、W型光纤、三角形光纤型光纤、三角形光纤等。等。按传输光的按传输光的工作波长工作波长可分为可分为短波长光纤、长波短波长光纤、长波长光纤和超长波长光纤长光纤和超长波长光纤。按光纤用途不同按光纤用途不同,除除通信用的光纤外通信用的光纤外,还有军还有军事上的高强度

10、导弹用的光纤、医学上激光手术事上的高强度导弹用的光纤、医学上激光手术 刀用的传能光纤、内窥镜用的传像光纤、特刀用的传能光纤、内窥镜用的传像光纤、特 种传感器用的偏振光纤种传感器用的偏振光纤。表表 2.1 大芯径阶跃折射率石英光纤的特性大芯径阶跃折射率石英光纤的特性*光光光光纤类纤类纤类纤类型型型型纤纤纤纤芯包芯包芯包芯包层层层层直直直直径径径径/mm0.820.82mm处处处处的衰的衰的衰的衰减减减减/(dB/km)/(dB/km)0.820.82mm处处处处的的的的带带带带宽宽宽宽/MHz/MHzkmkm数数数数值值值值孔孔孔孔径径径径NANA石英包石英包石英包石英包层层层层100/1201

11、00/1205 5 5 520200.220.22硬包硬包硬包硬包层层层层125/140125/14020202020202020200.480.480.480.48塑料包塑料包塑料包塑料包层层层层,低低低低OHOH200/380200/3806 6 6 6202020200.400.400.400.40塑料包塑料包塑料包塑料包层层层层,高高高高OHOH200/380200/38012121212202020200.400.400.400.40石英包石英包石英包石英包层层层层400/500400/500121212120.160.160.160.16硬包硬包硬包硬包层层层层550/600550

12、/600121212120.220.220.220.22石英包石英包石英包石英包层层层层1000/12501000/1250141414140.160.160.160.16塑料包塑料包塑料包塑料包层层层层,低低低低OHOH1000/14001000/14008 8 8 80.400.400.400.40*芯径超过芯径超过200m 的光纤的带宽未给出额定值的光纤的带宽未给出额定值,因为它们很少用于通信。因为它们很少用于通信。2.2 光纤材料光纤材料 uu材料材料材料材料是光纤的核心是光纤的核心是光纤的核心是光纤的核心,如果如果如果如果没有高度透明的材料没有高度透明的材料没有高度透明的材料没有高度

13、透明的材料,光纤光纤光纤光纤通信是不现实的。通信是不现实的。通信是不现实的。通信是不现实的。uu在选择制造光纤的材料时主要考虑的因素有在选择制造光纤的材料时主要考虑的因素有在选择制造光纤的材料时主要考虑的因素有在选择制造光纤的材料时主要考虑的因素有:纯度纯度纯度纯度高、透明度高、折射率径向分布易于精确控制高、透明度高、折射率径向分布易于精确控制高、透明度高、折射率径向分布易于精确控制高、透明度高、折射率径向分布易于精确控制等等等等,同时要注意材料自身的同时要注意材料自身的同时要注意材料自身的同时要注意材料自身的机械强度机械强度机械强度机械强度和和和和化学稳定性化学稳定性化学稳定性化学稳定性。u

14、u气体材料在可见光和近红外区域光衰减很小气体材料在可见光和近红外区域光衰减很小气体材料在可见光和近红外区域光衰减很小气体材料在可见光和近红外区域光衰减很小,但但但但折折折折射率射率射率射率难以控制。难以控制。难以控制。难以控制。uu一些液体材料的一些液体材料的一些液体材料的一些液体材料的光衰减也很小光衰减也很小光衰减也很小光衰减也很小,但但但但液体的折射率随液体的折射率随液体的折射率随液体的折射率随温度变化明显温度变化明显温度变化明显温度变化明显,同样难以对同样难以对同样难以对同样难以对折射率实现精确控制折射率实现精确控制折射率实现精确控制折射率实现精确控制。1.1.光纤材料的选择光纤材料的选

15、择u固体材料的固体材料的光衰减光衰减虽然虽然较大较大,但但光学特性稳定光学特性稳定,也容易实现也容易实现对折射率的控制对折射率的控制。u固体材料可分为固体材料可分为非晶体材料非晶体材料和和晶体材料晶体材料。u晶体材料晶体材料(如如石英石英、蓝宝石蓝宝石、碱金属卤化物晶体碱金属卤化物晶体)的光衰减比非晶体材料低的光衰减比非晶体材料低,但但晶体材料晶体材料的的大规大规模生产模生产极为极为困难困难,而且晶体材料的而且晶体材料的折射率也不折射率也不易控制易控制。u非晶体材料中非晶体材料中的的玻璃玻璃是理想的光纤材料是理想的光纤材料,因为因为某些氧化物玻璃和氟化物玻璃在可见光和红外某些氧化物玻璃和氟化物

16、玻璃在可见光和红外区域具有很小的光衰减区域具有很小的光衰减,这些玻璃极易制成纤这些玻璃极易制成纤维维,并且可通过改变这些玻璃的组成比例很容并且可通过改变这些玻璃的组成比例很容易地控制其折射率分布。易地控制其折射率分布。u由由 SiO2 组成的石英玻璃对组成的石英玻璃对可见光可见光和和近近红外光红外光有很高的有很高的透光能力透光能力,并且这种玻并且这种玻璃具有良好的璃具有良好的化学稳定性化学稳定性和和较高的机械较高的机械强度强度,通过添加不同的掺杂剂通过添加不同的掺杂剂,也很容也很容易改变石英玻璃的折射率。易改变石英玻璃的折射率。u石英玻璃来源充足、价格低廉石英玻璃来源充足、价格低廉,是制作是制

17、作光纤的首选材料。光纤的首选材料。u石英光纤的主要原料是石英光纤的主要原料是高纯度卤化物高纯度卤化物,如四氯如四氯化硅化硅(SiCl4)、四氯化锗、四氯化锗(GeCl4)、三氯化、三氯化磷磷(PCl3)、三氯化硼、三氯化硼(BCl3)、三氯化铝、三氯化铝(AlCl3)等。等。u液态试剂沸点低、易汽化液态试剂沸点低、易汽化,常含有一些金属氧常含有一些金属氧化物、非金属化合物、含氢化物和络合物等。化物、非金属化合物、含氢化物和络合物等。u其中其中金属杂质金属杂质的的吸收峰值波长吸收峰值波长区域从区域从紫外波段紫外波段0.2m 起起,经过可见光波段经过可见光波段,一直到红外的一直到红外的1.1m 附

18、近附近,它们将严重影响光纤它们将严重影响光纤0.85m 短波短波长波段的衰减。长波段的衰减。2.光纤材料的提纯光纤材料的提纯u而而 OH-有很大的变形性有很大的变形性,容易产生振动吸容易产生振动吸收收,其影响程度和范围都很大其影响程度和范围都很大,OH吸收衰吸收衰减是影响光纤波长波段减是影响光纤波长波段(1.01.8m)衰衰减的主要因素减的主要因素。u得到低损耗光纤得到低损耗光纤,必须降低试剂中金属杂必须降低试剂中金属杂质的总浓度质的总浓度,尽量消除尽量消除OH-离子的影响离子的影响,因此必须对卤化物原料进行严格的提纯。因此必须对卤化物原料进行严格的提纯。u分类分类:精馏法、吸附法或精馏吸附混

19、合等方精馏法、吸附法或精馏吸附混合等方法。法。u过程过程:在氢氧火焰中燃烧在氢氧火焰中燃烧SiCl4,产生氯化物产生氯化物蒸气和二氧化硅蒸气和二氧化硅,然后沉淀成白色、蓬松的然后沉淀成白色、蓬松的粉尘状物。粉尘状物。u由于由于SiCl4的沸点为的沸点为 57.6,SiCl4变成蒸气变成蒸气与氧气反应与氧气反应,而其他铁、铜等金属氯化物而其他铁、铜等金属氯化物 沸沸点比点比SiCl4高得多高得多,在在 57.6时仍然是液态。时仍然是液态。目前广泛采用的提纯技术目前广泛采用的提纯技术u优点优点:用精馏法得到的熔石英可将杂质降低至十用精馏法得到的熔石英可将杂质降低至十亿分之一的水平亿分之一的水平,能

20、满足生产光纤的需要。能满足生产光纤的需要。u缺点缺点:精馏法不能有效地除去沸点与精馏法不能有效地除去沸点与SiCl4相近相近的杂质和某些极性杂质的杂质和某些极性杂质,SiCl4中的中的OH-对光纤对光纤的损耗影响最大。的损耗影响最大。u原因原因:它主要来源于它主要来源于SiHCl4和其他含氢化合物和其他含氢化合物,这些物质大多有极性这些物质大多有极性,容易形成化学键被吸附容易形成化学键被吸附剂吸收。而剂吸收。而SiCl4是非极性分子是非极性分子,有稳定的电子有稳定的电子结构结构,不易形成化学键不易形成化学键,不易被吸附剂吸收。不易被吸附剂吸收。u解决办法解决办法:可利用被提纯物和杂质的化学键极

21、性可利用被提纯物和杂质的化学键极性不同不同,选择适当的吸附剂选择适当的吸附剂,用吸附方法实现提纯用吸附方法实现提纯的目的。的目的。图图2.1 2.1 精馏吸附混合法提纯流程图精馏吸附混合法提纯流程图对于气态原料对于气态原料,采用吸附法除去杂质。采用吸附法除去杂质。当气体原料通当气体原料通过一过一 级或多级净化器后级或多级净化器后,可以达到要求的纯度。可以达到要求的纯度。目前通过蒸馏、吸附提纯方法目前通过蒸馏、吸附提纯方法,可以将原料中的绝大可以将原料中的绝大部分过渡金属杂质浓度减少至部分过渡金属杂质浓度减少至10-9 以下以下,从而可以忽从而可以忽略过渡金属离子对损耗的影响。略过渡金属离子对损

22、耗的影响。通过改进工艺通过改进工艺,基本上可消除基本上可消除OH离子的影响离子的影响,实现实现长波长长波长“低衰减窗口低衰减窗口”(1.30m、1.55m),使得光使得光纤的损耗谱实现了纤的损耗谱实现了“全窗口全窗口”谱线。谱线。3.3.光纤材料的折射率控制光纤材料的折射率控制u提纯后的石英是制造光纤的基本材料提纯后的石英是制造光纤的基本材料,但也不能但也不能用纯石英来制造光纤。用纯石英来制造光纤。u 原因原因：光纤需要光纤需要高折射率的纤芯高折射率的纤芯和和低折射率的低折射率的包层包层,而所有纯石英具有单一的折射率而所有纯石英具有单一的折射率,从从0.55m处的处的1.46 减小到减小到1.

23、81m处的处的1.444。u解决方法解决方法：需要对石英掺杂需要对石英掺杂,以改变它的折射率以改变它的折射率,但掺杂必须选择但掺杂必须选择,以以避免吸收光或对光纤质量和避免吸收光或对光纤质量和透明性产生透明性产生其他有害影响。其他有害影响。u图图2.2 是常用的各种掺杂剂对石英玻璃是常用的各种掺杂剂对石英玻璃折射率变化的作用示意图。折射率变化的作用示意图。u大部分掺杂剂大部分掺杂剂能使石英的能使石英的折射率增加折射率增加,可用于光纤的可用于光纤的高折射率纤芯高折射率纤芯,而而纯石英纯石英用作较低折射率的包层用作较低折射率的包层。u最常见的最常见的纤芯掺杂剂是锗纤芯掺杂剂是锗,它在化学上它在化学

24、上与硅相似与硅相似,锗对光的吸收相当低锗对光的吸收相当低,二氧二氧化锗化锗(GeO2)与石英一样与石英一样,也能用于制造也能用于制造玻璃。玻璃。u从图从图2.2可知可知,仅有几种材料能降低石英的折仅有几种材料能降低石英的折射率射率,其中其中最常用的是氟最常用的是氟,它它降低石英的折射降低石英的折射率率后可用作光纤的底折射率包层后可用作光纤的底折射率包层,从而使采从而使采用纯石英纤芯成为可能。用纯石英纤芯成为可能。硼硼也可以也可以降低纯石降低纯石英的折射率英的折射率,但不像氟那样明显。但不像氟那样明显。目前常见的匹配包层、凹陷包层、塑料包层阶跃折射目前常见的匹配包层、凹陷包层、塑料包层阶跃折射目

25、前常见的匹配包层、凹陷包层、塑料包层阶跃折射目前常见的匹配包层、凹陷包层、塑料包层阶跃折射率石英光纤都是通过在纯石英中添加不同掺杂剂来实率石英光纤都是通过在纯石英中添加不同掺杂剂来实率石英光纤都是通过在纯石英中添加不同掺杂剂来实率石英光纤都是通过在纯石英中添加不同掺杂剂来实现的。现的。现的。现的。图图图图2.3 2.3 三种阶跃光纤三种阶跃光纤三种阶跃光纤三种阶跃光纤掺杂方式和折射率曲掺杂方式和折射率曲掺杂方式和折射率曲掺杂方式和折射率曲线。线。线。线。u匹配包层光纤匹配包层光纤是对是对光纤纤芯掺杂光纤纤芯掺杂,使其折射率使其折射率高于纯石英的折射率高于纯石英的折射率,而纯石英可用于整个包而纯

26、石英可用于整个包层层;u凹陷包层光纤以更少的掺杂使光纤纤芯的折凹陷包层光纤以更少的掺杂使光纤纤芯的折射率射率增加较小增加较小,同时对包层掺杂同时对包层掺杂(通常用通常用氟氟),以以降低包层的折射率降低包层的折射率;u塑料包层光纤以纯石英作纤芯塑料包层光纤以纯石英作纤芯,折射率低于石折射率低于石英的塑料作包层。英的塑料作包层。u前两种设计通常用来制造前两种设计通常用来制造单模阶跃光纤单模阶跃光纤,后一后一种设计可制造种设计可制造多模阶跃光纤多模阶跃光纤。2.3 光纤的拉制光纤的拉制 u作为一种特殊的传光物质作为一种特殊的传光物质,除对光纤结构、除对光纤结构、材料有特殊要求外材料有特殊要求外,其制

27、作工艺也相当重要。其制作工艺也相当重要。u光纤制造要经过如图光纤制造要经过如图2.4 所示的流程。所有所示的流程。所有这些工艺是这些工艺是全自动全自动且且高效高效的。在获得折射率的。在获得折射率分布图和所需尺寸特性方面分布图和所需尺寸特性方面,每种方法都可每种方法都可达到达到高级高级别的别的精度精度。图图2.4 制造光纤的工艺流程制造光纤的工艺流程 1.制棒把原材料通过提纯使之符合光纤制作要求后把原材料通过提纯使之符合光纤制作要求后,就可以开始制纤了。就可以开始制纤了。首先是首先是制棒制棒,即制作预制棒。制作出的预制即制作预制棒。制作出的预制棒一般是直径棒一般是直径1020cm,长长 50 1

28、00cm 的的圆柱形硅化合物圆柱形硅化合物。预制棒结构是由外部折射率较低的包层和具预制棒结构是由外部折射率较低的包层和具有特定折射率分布图、损耗和其他特性的纤有特定折射率分布图、损耗和其他特性的纤芯组成芯组成,简单地说这就是简单地说这就是一根加粗加大的光一根加粗加大的光纤纤。光纤预制棒的工艺光纤预制棒的工艺u制作光纤预制棒的工艺很多制作光纤预制棒的工艺很多,大体可分为大体可分为气气相沉积法和非气相沉积法相沉积法和非气相沉积法。u过程过程：气相沉积法是预制棒制备最常采用的气相沉积法是预制棒制备最常采用的方法。它是方法。它是将液态的将液态的SiCl4、掺杂剂和氧气、掺杂剂和氧气混合混合,在在反应室

29、内反应室内发生氧化反应生成发生氧化反应生成氧化物氧化物的的粉尘粉尘,这些粉尘这些粉尘沉积沉积在在基底棒基底棒或或管管上形成上形成预制棒。预制棒。u控制控制：由于粉尘是由于粉尘是层层覆盖层层覆盖堆积堆积升高升高的的,通通过过控制掺杂剂浓度控制掺杂剂浓度,精确地控制精确地控制各层粉尘各层粉尘的的折射率分布折射率分布,得到梯度折射率或阶跃折射率得到梯度折射率或阶跃折射率分布。分布。气相沉积法气相沉积法u气相沉积法根据气相沉积法根据粉尘状物沉积粉尘状物沉积方式和最终方式和最终熔熔化化为预制棒方式的不同：为预制棒方式的不同：u可分为棒外气相沉积法、改进的气相沉积法、可分为棒外气相沉积法、改进的气相沉积法

30、、等离子气相沉积法、轴相气相沉积法。等离子气相沉积法、轴相气相沉积法。u优点：优点：气相沉积法可以制造优质光纤气相沉积法可以制造优质光纤,u缺点缺点：但该方法所需原料昂贵、工艺复杂、但该方法所需原料昂贵、工艺复杂、光纤材料品种单一。光纤材料品种单一。1)化学气相沉积法化学气相沉积法(CVD)u美国康宁公司美国康宁公司1970 年首先得到年首先得到 20dB/km 的低损耗光纤所采用的方法的低损耗光纤所采用的方法 化化学气相沉积法学气相沉积法,它是光纤制造采用的基本它是光纤制造采用的基本工艺。工艺。u这种工艺必须满足两个要求这种工艺必须满足两个要求,即即高纯度高纯度和和精确控制折射率分布精确控制

31、折射率分布。u为形成具有光学质量的玻璃为形成具有光学质量的玻璃,还必须将还必须将沉积产生的高纯度石英玻璃粉末进行沉积产生的高纯度石英玻璃粉末进行烧烧结结处理。处理。2)改进的化学气相沉积法改进的化学气相沉积法(MCVD)u这一工艺由贝尔实验室在这一工艺由贝尔实验室在 1974 年开发出来年开发出来,被广泛用于被广泛用于渐变折射率光纤渐变折射率光纤的生产。的生产。uMCVD 法的法的特点特点是在石英反应管内沉积内包是在石英反应管内沉积内包层和芯层的玻璃层和芯层的玻璃,整个系统处于封闭的超提整个系统处于封闭的超提纯状态下纯状态下,所以用这种方法可以生产高质量所以用这种方法可以生产高质量的的单模和多

32、模光纤单模和多模光纤。u这一工艺中这一工艺中,预制棒分两步制造预制棒分两步制造,即沉积和成即沉积和成棒。棒。沉积时先将一根空心的石英玻璃管安装在沉积时先将一根空心的石英玻璃管安装在同轴同轴旋转的车床上旋转的车床上,将将 SiCl4、掺杂剂气体、掺杂剂气体和氧气输入石英玻璃管和氧气输入石英玻璃管,用氢氧焰喷灯用氢氧焰喷灯沿轴沿轴向匀速移动向匀速移动,加热石英玻璃管外表面。加热石英玻璃管外表面。图图2.5 改进的化学气相沉积法制造预制棒改进的化学气相沉积法制造预制棒 3)等离子气相沉积法等离子气相沉积法(PCV D)这是由这是由菲利浦菲利浦公司、公司、荷兰消费电子荷兰消费电子和和电信公电信公司司在

33、在 1975 年联合开发出来的。年联合开发出来的。它它不同不同于于MCVD 的的地方地方在于在于加热反应区加热反应区的方的方法不是法不是 通过燃烧灯通过燃烧灯把把热量从外部传输进去热量从外部传输进去,而是利用而是利用微波激活气体微波激活气体,使使气体电离成为气体电离成为等等离子离子,即即离子化气体离子化气体,简称等简称等离子体离子体。带电离子重新结合时带电离子重新结合时,释放出的热量可用于释放出的热量可用于熔化高熔点制纤材料熔化高熔点制纤材料。PCVD 法工艺流程如图法工艺流程如图2.6 所示。所示。图图2.6 2.6 等离子气相沉积法制造预制棒等离子气相沉积法制造预制棒在沉积阶段在沉积阶段,

34、当炉体内的实际温度为当炉体内的实际温度为1200时时,离子离子区内的粉尘电子可获得约区内的粉尘电子可获得约60000的能量。的能量。电子以电子以非常高的速度移动非常高的速度移动,当它们与离子重新组合时当它们与离子重新组合时,相当可观的能量将以热能形式释放出来。相当可观的能量将以热能形式释放出来。借助低压等离子产生的热量使流进空心石英玻璃管借助低压等离子产生的热量使流进空心石英玻璃管内的内的SiCl4、掺杂剂气体和氧气发生反应、掺杂剂气体和氧气发生反应,使所需的使所需的氧化物直接沉积在基底硅管上氧化物直接沉积在基底硅管上,而不形成粉尘。而不形成粉尘。在这一工艺中在这一工艺中并不需要固化阶段并不需

35、要固化阶段。因为不受粉粒子。因为不受粉粒子(0.1m)尺寸的限制尺寸的限制,PCVD法得到的沉积层厚度很法得到的沉积层厚度很薄薄,大约大约1m,在石英管内可沉积高达在石英管内可沉积高达上千层上千层的氧化的氧化物。物。该方法适用于该方法适用于制造精密、复杂折射率分布制造精密、复杂折射率分布的光纤。的光纤。这就是这就是 PCVD方法的关键方法的关键优点优点。4)棒外气相沉积法棒外气相沉积法(OV D)这是由康宁公司这是由康宁公司(Corning)在在 1972 年研发出年研发出来的第一个批量光纤制作工艺。来的第一个批量光纤制作工艺。OVD 法通过沉积和固化两个步骤完成预制棒法通过沉积和固化两个步骤

36、完成预制棒的制作。的制作。在沉积阶段在沉积阶段,用用高纯度氧高纯度氧作载体将作载体将 SiCl4 气体气体送进送进火焰喷灯嘴火焰喷灯嘴,在在高温高温下发生下发生水解反应水解反应,生生成构成成构成纤芯和包层材料的玻璃氧化物粉尘纤芯和包层材料的玻璃氧化物粉尘,用用氢氧焰喷灯局部氢氧焰喷灯局部加热加热旋转棒外表面旋转棒外表面,使这些氧使这些氧化物粉尘化物粉尘沉积于旋转棒的周围沉积于旋转棒的周围,如图如图2.7 所示。所示。图图2.7 2.7 棒外气相沉积法制造预制棒棒外气相沉积法制造预制棒在沉积过程中在沉积过程中,通过改变每层的掺杂剂种类和通过改变每层的掺杂剂种类和掺杂浓度可以制成不同折射率分布的光

37、纤预制掺杂浓度可以制成不同折射率分布的光纤预制棒。棒。旋转棒并不是光纤旋转棒并不是光纤的一部分的一部分,仅仅起着衬底的仅仅起着衬底的作用。作用。率先沉积的玻璃粉尘将形成光纤的纤芯率先沉积的玻璃粉尘将形成光纤的纤芯,随后随后沉积的玻璃粉尘形成光纤的包层。沉积的玻璃粉尘形成光纤的包层。旋转棒的热旋转棒的热膨胀系数与沉积在其上面的玻璃层的不同膨胀系数与沉积在其上面的玻璃层的不同,因因此在玻璃熔结成预制棒之前此在玻璃熔结成预制棒之前,可以容易地将旋可以容易地将旋转棒取出。转棒取出。该阶段结果是产生一个粉尘预制棒。该阶段结果是产生一个粉尘预制棒。日本科学家在日本科学家在1977年开年开发出了发出了VA

38、D 法。法。VAD法是把法是把SiCl4、掺掺杂剂气体送入氢氧火杂剂气体送入氢氧火焰喷灯焰喷灯,使之在氢氧使之在氢氧火焰中水解火焰中水解,生成氧生成氧化物粉尘化物粉尘,即即石英玻石英玻璃微粒璃微粒。这些粉尘沉。这些粉尘沉积在基底棒或种子棒积在基底棒或种子棒的下端部的下端部,而不是表而不是表面面,如图如图2.8 所示。所示。5)轴向气相沉积法轴向气相沉积法(VAD)图图2.8 轴轴向向气气相相沉沉积积法法制制造造预预制制棒棒 非气相沉积法非气相沉积法6)6)多组分玻璃法多组分玻璃法多组分玻璃法多组分玻璃法多组分玻璃的成分是以重量占百分之几十的多组分玻璃的成分是以重量占百分之几十的SiO2为主为主

39、,还包含还包含有碱金属、碱土金属、铝、硼有碱金属、碱土金属、铝、硼的氧化物的氧化物等玻璃的总称。等玻璃的总称。特点是特点是:折射率一般比石英玻璃高折射率一般比石英玻璃高,n=1.49 1.54,可用来制作大数值孔径可用来制作大数值孔径(NA=0.20.6)的光纤的光纤;熔融温度比石英系玻璃要低一些熔融温度比石英系玻璃要低一些,在在1400以以下下;抗压抗拉强度抗压抗拉强度也低于石英玻璃也低于石英玻璃。7)凝胶法凝胶法是一种生产塑料光纤预制棒的方凝胶法是一种生产塑料光纤预制棒的方法。法。它利用高分子聚合物中分子体积不同而它利用高分子聚合物中分子体积不同而发生选择性扩散来制造梯度折射率分布发生选择

40、性扩散来制造梯度折射率分布的塑料光纤预制棒。的塑料光纤预制棒。8)机械成形光纤预制棒法机械成形光纤预制棒法(MSP)机械成形预制棒工艺机械成形预制棒工艺-低成本的光纤生产工艺。低成本的光纤生产工艺。生产过程生产过程:采用预先制好的、掺杂不同的纯石英粉采用预先制好的、掺杂不同的纯石英粉,分分别用在纤芯和包层区别用在纤芯和包层区,并用填充机将这些纯粉料填充并用填充机将这些纯粉料填充到石英管中到石英管中,利用高温工艺使粉料坯块稳定为一疏松利用高温工艺使粉料坯块稳定为一疏松的预制棒。放入高温中的预制棒。放入高温中,氯化脱水处理氯化脱水处理,最后烧结成玻最后烧结成玻璃预制棒。璃预制棒。为了生产单模光纤为

41、了生产单模光纤,可以将此预制棒再拉伸为细棒。可以将此预制棒再拉伸为细棒。然后再用原先的石英粉料外包该细棒然后再用原先的石英粉料外包该细棒,再把这疏松包再把这疏松包层烧结处理后就可形成为具有单模几何结构的预制棒。层烧结处理后就可形成为具有单模几何结构的预制棒。该工艺可拉制该工艺可拉制 出出1.30m 处衰处衰 减为减为 0.49dB/km、1.55m 处处 衰衰 减为减为 0.27dB/km 的单的单 模模 光纤。光纤。OH在在 1.38m 处吸水峰已降到了处吸水峰已降到了1dB/km。2.拉丝拉丝以上提及的预制棒相当以上提及的预制棒相当 于一根大于一根大 尺寸的光纤尺寸的光纤,必须拉丝必须拉丝

42、 将制得的预制棒直径缩小才能得到将制得的预制棒直径缩小才能得到真正的光纤。真正的光纤。这一过程是在称为这一过程是在称为“拉丝塔拉丝塔”的机械内完成的。的机械内完成的。拉丝塔一般是一对高楼拉丝塔一般是一对高楼,比光纤制造工厂地面比光纤制造工厂地面上的其他建筑要高。上的其他建筑要高。在拉制过程中在拉制过程中,一般都能一般都能保持芯包比和折射率保持芯包比和折射率分布不变分布不变。这是。这是因为玻璃中的分子扩散要比晶因为玻璃中的分子扩散要比晶体中的难得多体中的难得多,即使加热到即使加热到2000的高温去熔的高温去熔融预制棒融预制棒,已掺入棒体中的掺杂剂也已掺入棒体中的掺杂剂也不会扩散不会扩散,保持原预

43、制棒中折射率分布。保持原预制棒中折射率分布。典型的拉丝工艺是管棒法拉制典型的拉丝工艺是管棒法拉制如图如图2.10 所示。所示。预制棒由送料机构预制棒由送料机构以一定的速度均匀以一定的速度均匀地地 送往管状加热炉送往管状加热炉中中,预制棒尖端热预制棒尖端热到一到一 定温度时定温度时,棒棒体尖端的黏度变低体尖端的黏度变低,靠自身重量逐渐下靠自身重量逐渐下垂变细而成纤维。垂变细而成纤维。这一工艺的关键是拉伸速率。这一工艺的关键是拉伸速率。拉伸越慢拉伸越慢,制造商控制光纤制造商控制光纤质量越好质量越好。拉伸越快拉伸越快,给定时间内可生产的光纤给定时间内可生产的光纤越越多多。一般可以从一般可以从200m

44、/min 到到 2000m/min。拉伸机械的所有旋转部分必须达到极高拉伸机械的所有旋转部分必须达到极高的的耐受度和张力级别耐受度和张力级别,以使光纤能被以使光纤能被高高度精确地控制度精确地控制。双坩埚拉丝法双坩埚拉丝法 双坩埚是由一双坩埚是由一套两个同心套套两个同心套装的铂合金坩装的铂合金坩埚组成埚组成,如图如图2.11 所示。所示。坩埚中央底部有喷嘴。坩埚中央底部有喷嘴。内坩埚装有折射率较高的纤芯玻璃内坩埚装有折射率较高的纤芯玻璃,外坩埚装有外坩埚装有折射率较低的包层玻璃。折射率较低的包层玻璃。通过调节坩埚喷嘴的尺寸来控制光纤芯和包层外通过调节坩埚喷嘴的尺寸来控制光纤芯和包层外径径,用调配

45、玻璃组分的方法来改变纤芯和包层的用调配玻璃组分的方法来改变纤芯和包层的折射率差。折射率差。拉丝的温度一般在拉丝的温度一般在 1000以下。拉丝速度以下。拉丝速度每分每分钟可达几百米钟可达几百米。双坩埚的加热一般用直流电流加。双坩埚的加热一般用直流电流加热、感应加热等方式。热、感应加热等方式。这种这种双坩埚工艺今天已非常少见双坩埚工艺今天已非常少见,可与一些特殊可与一些特殊材料结合使用。材料结合使用。3.涂敷、塑封和成筒涂敷、塑封和成筒预制棒拉制成光纤后预制棒拉制成光纤后,如果将如果将裸光纤裸光纤直接裸露直接裸露在空气中在空气中,光纤表面的缺陷扩大光纤表面的缺陷扩大,使局部应力集使局部应力集中到

46、这里中到这里,就造成裸光纤机械强度极低。就造成裸光纤机械强度极低。为了保证光纤的机械强度为了保证光纤的机械强度,隔绝因外界污染隔绝因外界污染而而产生产生微小裂纹微小裂纹,必须立即对光纤进行必须立即对光纤进行涂敷涂敷、固固化化后才可与其他表面接触。后才可与其他表面接触。涂敷通常涂敷通常是在拉丝过程中进行时是在拉丝过程中进行时,当光纤向下当光纤向下拉制时拉制时,光纤通过涂敷器光纤通过涂敷器,就可在光纤表面上均就可在光纤表面上均匀地涂上匀地涂上 30 150m 厚的厚的热固化硅树脂热固化硅树脂或或紫紫外光固化丙烯酸酯外光固化丙烯酸酯。u开口杯：开口杯涂敷器不能进行均匀涂敷。开口杯：开口杯涂敷器不能进

47、行均匀涂敷。u压力涂敷器可以克服这一缺点。目前光纤涂压力涂敷器可以克服这一缺点。目前光纤涂敷工艺中已普遍采用压力涂敷器涂敷方法。敷工艺中已普遍采用压力涂敷器涂敷方法。u这种方法适用于高速拉丝这种方法适用于高速拉丝,且不会在涂料中且不会在涂料中搅起气泡。图搅起气泡。图2.12 两种涂敷器的结构图。两种涂敷器的结构图。图图2.12 涂敷器结构图涂敷器结构图有时为加强对光纤的保护有时为加强对光纤的保护,通常涂层都采用通常涂层都采用两两次以上次以上的涂敷的涂敷,即对光纤涂敷即对光纤涂敷一层缓冲层一层缓冲层。缓缓冲层可以保护光纤免遭引起微弯损耗冲层可以保护光纤免遭引起微弯损耗的外力作的外力作用。用。里面

48、的里面的一层用折射率比石英玻璃偏大的变性硅一层用折射率比石英玻璃偏大的变性硅酮树脂酮树脂,可以用来可以用来吸收透过包层的多余的光吸收透过包层的多余的光。有利于提高光纤的有利于提高光纤的低温性能和抗微弯性能低温性能和抗微弯性能。一般光纤涂层厚度在一般光纤涂层厚度在 50100m。两层涂层中。两层涂层中第一层是软的第一层是软的,模量为几千克每平方米模量为几千克每平方米,能阻止能阻止光纤受外部压力而产生的微弯光纤受外部压力而产生的微弯;第二层是硬的第二层是硬的,模量为几百千克每平方米模量为几百千克每平方米,能防止磨损和提供能防止磨损和提供机械强度。机械强度。为了便于为了便于操作和提高光纤成缆时的抗张

49、力操作和提高光纤成缆时的抗张力,增加光纤的机械强度增加光纤的机械强度,要在涂敷的基础上再要在涂敷的基础上再套上套上尼龙尼龙、聚乙烯或聚酯聚乙烯或聚酯等塑料等塑料,这就是对这就是对光纤的光纤的塑封塑封。塑封有紧套和松套两种塑封有紧套和松套两种紧套管紧套管是在涂敷的光纤上再是在涂敷的光纤上再紧紧地套上紧紧地套上一层一层尼龙尼龙或或聚乙烯或聚酯等塑料聚乙烯或聚酯等塑料,光纤不能光纤不能自由活自由活动动。紧套塑封后。紧套塑封后,由于冷却固化由于冷却固化,尼龙、聚乙尼龙、聚乙烯等塑料会收缩烯等塑料会收缩,光纤会产生微弯光纤会产生微弯,使使传输损传输损耗增大耗增大。为减少这种因套塑引起的附加损耗。为减少这

50、种因套塑引起的附加损耗,应该使尼龙的应该使尼龙的冷却速度冷却速度、挤压速度挤压速度和和光纤的光纤的拉伸速度之比达到最佳值拉伸速度之比达到最佳值,同时要注意避免套同时要注意避免套塑时光纤的塑时光纤的振动振动。松套松套就是在涂敷层的外面再包上塑料套管就是在涂敷层的外面再包上塑料套管,光光纤可以在套管中自由活动纤可以在套管中自由活动。使光纤在低温下。使光纤在低温下塑料管收缩时也可在管内滑动自如塑料管收缩时也可在管内滑动自如,从而改善从而改善了光纤的低温特性。了光纤的低温特性。2.4 光纤成缆技术光纤成缆技术 u涂敷、塑封后的成品光纤虽然机械强度比涂敷、塑封后的成品光纤虽然机械强度比裸裸光纤光纤有很大