电子科大光纤拉制及成缆.ppt

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第2章光纤拉制及成缆光纤是如何拉制的，又是如何成缆的？

本章内容：

光纤种类、材料、制作方式及光缆的类型等方面,2.1光纤的分类光纤基本结构：

折射率较高的纤芯+折射率较低的包层原理：

在纤芯和包层率差异引起光在纤芯发生全内反射，光在纤芯内传播。

为保护光纤和免受环境影响，有涂敷层。

涂覆层直径195250um；包层直径一般125um；纤芯直径根据光纤类型而不同，一般通信用单模光纤直径为8um10um,q,1.光纤的种类,光纤分类方式多

（1）按照光纤芯内传输的模式数，分为多模和单模光纤。

模式：

在光纤轴向不同位置，有稳定的场（电场和磁场）分布，一种分布为一个模式（解）单模光纤：

光纤芯只传输一个模式（基模HE11）的光纤。

条件：

V2.405；特点：

模式色散大，不利于长途通信；适合传能和图象,

（2）据折射率沿径向的分布，分为阶跃光纤和渐变（梯度）光纤,阶跃折射率：

多模光纤、单模光纤渐变折射率：

多模光纤；特点：

光纤芯较小，抗弯曲性好，色散小，衰减低，其性能比阶跃型好。

不足：

与光波长有关的折射率微小变化引起残余色散，不同模式间产生模噪声，不适长距离通信。

在通信复用技术中，光纤的色散和非线性效应影响大。

为此，有几种折射率特殊分布的单模光纤：

色散位移光纤、截止波长位移光纤、色散平坦光纤、色散补偿光纤。

（3）按材料组成不同，分为石英光纤、多组分玻璃光纤、液芯光纤、塑料光纤、氟化物光纤等。

（4）按横截面上折射率分布状况，可分为阶跃光纤、梯度光纤、W型光纤、三角形光纤等。

（5）按传输光的工作波长可分为短波长光纤、长波长光纤和超长波长光纤。

（6）按光纤用途不同，通信用光纤，军事上的高强度导弹用光纤，医学上激光手术刀用的传能光纤，内窥镜用的传像光纤，特种传感器用的偏振光纤等。

2.2光纤材料,1.光纤材料的选择材料是光纤制作的核心。

选择光纤材料的因素：

纯度高、透明度高、折射率径向分布易于精确控制等，同时要注意材料自身的机械强度和化学稳定性。

气体材料：

可见和近红外区光衰减小，但折射率难控制。

液体材料：

光衰减小，但折射率随温度变化大，折射率难精确控制。

固体材料：

光衰减较大，但光学特性稳定，易控制折射率，使用最多。

固体材料中，SiO2为主的石英对可见光和近红外光的透光性好，且有好的化学稳定性和机械强度。

通过掺杂（锗、硼、氟、磷等），也易改变石英折射率，来源充足，价格低，是光纤的首选材料,2.光纤材料的提纯,制备石英光纤的主要原料是一些卤化物，如SiCl4、GeCl4、PCl2、BCl3、AlCl3等。

该试剂是液态、沸点低、易气化，常含一些金属氧化物、含氢化物和络合物等杂质。

杂质（主要是金属和OH-）严重影响光纤衰减（吸收+散射）。

为降低损耗，须提纯（去除金属杂质和OH-）。

0H-吸收,提纯技术：

精馏法（去金属）、吸附法（去OH-）或精馏吸附混合。

常用精馏吸附混合法：

（1）氢氧焰燃烧SiCl4，产生氯化物气体和二氧化硅（粉尘状）。

因温度上升在57.6时，SiCl4变成蒸气与氧气反应，而其它铁、铜等金属氯化物沸点高（液态）。

该法将杂质降至十亿分之一的水平。

（2）精馏不能除去某些极性杂质。

例如：

SiCl4溶液的OH有极性，源于含氢化合物，对损耗影响大。

但它易形成化学键被吸附剂吸收。

而SiCl4是非极性分子，不易被吸附剂吸收。

因此，选择适当吸附剂，用吸附法可提纯。

精馏+吸附混合法的流程如下图所示。

对于气态原料，采用吸附法除去杂质（净化器，如：

钯管、分子筛等）。

通过一级或多级净化可达要求纯度。

目前通过蒸馏、吸附方法，可将过渡金属杂质减少至10-9以下，可忽略金属离子对损耗的影响。

通过改进工艺，基本可消除OH-离子的影响。

3.光纤材料的折射率控制,光纤需高折纤芯和低折包层，同时有好的透明性，石英及其掺杂可实现此特性。

通过石英掺杂改变折射率。

纤芯（包层可为纯石英）:

掺杂剂（锗）增加石英折射率，且锗对光的吸低，二氧化锗（GeO2）与石英相似;包层（芯可用纯石英）:

掺杂剂（氟,硼）降低折射率最常用:

氟；硼不如氟明显。

目前匹配包层、凹陷包层、塑料包层阶跃等石英光纤的掺杂（如图2.3）匹配包层光纤:

纤芯掺杂（锗）后折射率高于纯石英，纯石英用于包层；（常制造单模阶跃光纤）凹陷包层光纤:

以少量掺杂（锗）使纤芯折射率约增加，同时包层掺杂（氟）降低包层的折射率；（常制造单模阶跃光纤）塑料包层光纤:

以纯石英作纤芯，折射率低于石英的塑料作包层。

（可制造多模阶跃光纤）复杂折射率分布（色散位移光纤、渐变折射率多模光纤）的折射率控制方法与简单阶跃光纤相同（掺杂）。

2.3光纤的拉制,光纤制造流程如图2.4。

主要流程是制棒、拉丝、涂敷,1.制棒,原材料提纯后，首先是制棒（预制棒或石英棒的方法相似）。

预制棒：

其折射率分布与所要制成的光纤分布一致。

是加粗加大的光纤，直径10-20cm，长50-100cm的硅化物圆柱，制作预制棒的工艺：

可分为气相沉积法和非气相沉积法（多组分玻璃法、凝胶法、机械成形光纤预制棒法等）气相沉积法:

最常用,

（1）液态的SiCl4、掺杂剂气化，

（2）与氧生成氧化物粉尘，沉积并烧结在基底或管壁，（3）层层堆积成预制棒。

沉积时，控制掺杂浓度，控制折射率分布，得到所需分布的预制棒。

优点：

可制造优质光纤（纯度高）；不足：

原料昂贵、工艺复杂、材料品种单一。

根据粉尘沉积方式和最终熔化为预制棒的方式，气相沉积法可分为棒外气相沉积法、改进气相沉积法、等离子气相沉积法、轴相气相沉积法。

改进气相沉积法和等离子体气相沉积法更受关注。

CVD/MCVD的化学反应,SiCl4+O2-SiO2+2Cl2（氧化）或SiCl4+2H2OSiO2+HCl（水解）GeCl4+O2-GeO2+2Cl24POCl3+3O2-2P2O5+6Cl2SiCl4+O2-SiO2+2Cl2或SiCl4+2H2OSiO2+HCl4BBr3+3O2-2B2O3+6Br2,

（1）化学气相沉积法（CVD）、改进化学气相沉积法（MCVD）CVD是康宁1970年20db/km低损耗光纤所采用的方法（基本工艺），MCVD是贝尔实验室1974年开发的（渐变折射率光纤）。

MCVD是在石英反应管内沉积包层和芯层，整个系统是处于封闭的超提纯状态下，可生产高质量的单模和多模光纤。

（成棒：

加热2000，冷凝后基底管塌缩成实心的预制棒）,

（2）等离子气相沉积法（PCVD）荷兰菲利浦公司、消费电子和电信公司在1975年开发。

与MCVD的区别是加热反应区的方法。

过程：

喷灯预热气体（更易离子化），在微波（射频）区激活气体（气体电离为等离子），带电离子重新结合时释放热量（高温），使原料反应，光纤材料直接沉积熔化在基管上。

炉体温度1200时，离子重新组合时释放热能，等离子的热量（高温）使SiCl4、掺杂和氧反应，氧化物沉积在基底硅（非粉尘）。

优点：

适于精密、复杂折射率分布的光纤。

PCVD最后跟MCVD相似：

基底管塌缩形成玻璃预制棒。

（3）棒外气相沉积法（OVD）康宁（Corning）1972年研发第一个批量光纤制作工艺。

OVD法包括沉积和固化，A.沉积:

高纯氧+SiCl4气体送进喷灯，在高温水解成氧化物粉尘（纤芯和包层材料），粉尘沉积于旋转棒周围（图2.7）成多孔预制棒。

改变掺杂种类和浓度,先芯后包层制成预制棒。

B.固化:

取出旋转棒的预制棒，在14000-16000，烧缩成透明、无泡和中心孔的预制棒。

（氯气作干燥剂脱水）,1977年日本开发VAD法，与OVD相似。

VAD法:

（A）SiCl4、掺杂送入氢氧喷灯，石英微粒沉积在种子棒的轴端部（OVD是侧面）如图2.8。

（B）先沉积纤芯，沿轴向移动并再沉积包层，同时形成新纤芯。

（C）多孔预制棒经石墨环形加热干燥和熔缩，并喷吹氯器得预制棒VAD无中心孔，一般通过喷灯结构、喷灯与棒的距离、反应炉温和多个喷灯等实现。

（4）轴向气相沉积法（VAD）,非CVD法:

（5）多组分玻璃法按比例（SiO2为主+碱金属、碱土金属、铝、硼的氧化物等）配料，均匀装填到坩埚，加温熔融成玻璃坯，再拉制成棒（芯棒和包层棒）。

适于双坩埚法熔融拉丝。

特点：

折射率比石英高，可制作大孔径光纤；熔融温度比石英低（1400以下）；抗压抗拉强度低。

（6）凝胶法凝胶法主要生产塑料光纤预制棒。

工艺（A）在包层塑料PMMA（polymethylmethacrylate）空管，置入高折掺杂和聚苯乙烯（塑料材料）的混合物；（B）加热聚合（聚苯乙烯混合液）成凝胶；（C）高折掺杂剂分子比聚苯乙烯大，不易扩散,聚合完成时，掺杂浓度沿径向呈梯度折射率分布（梯度塑料光纤预制棒）。

（7）机械成形光纤预制棒法（MSP）MSP是低成本工艺。

过程：

用填充机将高掺杂石英粉填入石英管中，高温稳定为疏松的预制棒；再放入高温并氯化脱水处理，烧结成棒或再拉为细棒（芯）；再用石英粉外包该棒（包层），并烧结疏松包层，即可成预制棒。

此外，还有其它制棒法：

如将高折的棒插入低折的管中，加热后使管熔到棒上，形成预制棒如图2.9。

主要用于图像传输和照明用光纤的制作。

光纤预制棒实物照片,单模/多模光纤预制棒,光子晶体光纤预制棒,2.拉丝预制棒类似大尺寸光纤，在“拉丝塔”内拉丝后才得真正的光纤。

因掺杂剂在玻璃中扩散困难，在高温加热（2000）时，预制棒的芯包比和折射率分布不变。

（1）典型的拉丝是管棒（预制棒）拉制法，预制棒以一定的速度送往加热炉，预制棒尖在高温时的粘度变低，靠自身重量下垂变细而成纤维。

其关键是拉伸速率（慢的质量好），速度与光纤直径有关，通过牵引线可改变拉伸速率（200到2000m/min）预制棒加热方法:

一般石墨电阻炉（防石墨高温氧化，充以氩、氦气等惰性气体，气体流量稳定），还有石墨高频感应加热法、氧化锆加热法、大功率二氧化碳气体激光器加热法等。

光纤拉丝塔设备照片,

（2）双坩埚拉丝法双坩埚是同心套装的铂金坩埚，图2.11。

中央底部有喷嘴，内坩埚装高折纤芯玻璃，外坩埚装低折包层玻璃。

坩埚喷嘴尺寸控制光纤芯和包层外径，调配玻璃组分可改变芯包折射率差；双坩埚喷嘴流出的纤芯和包层间的掺杂离子交换和扩散可控制纤芯折射率分布。

拉丝温度一般在1000以下，速度几百米/min，加热方式一般用直流电流加热、感应加热等方式（双坩锅法已少见）,3.涂敷、塑封和成筒拉丝的局部应力集中在表面，裸光纤强度低，一般须光纤涂敷涂敷常在拉丝过程中由涂敷器完成。

材料：

热固化硅树脂或紫外光固化丙烯酸酯涂敷器：

（1）无压的开口形式。

光纤通过模口时粘附涂料后固化（厚度由模口和纤径决定,高速时不均匀）。

（2）压力涂敷器。

常用，适于高速拉丝，涂料中不搅起气泡。

各种光纤：

普通石英光纤,塑料光纤,卤化物光纤,紫外光纤,为加强保护，涂层常两次以上涂敷（涂敷固化涂敷固化或涂敷涂敷固化）。

内层用折射率比石英大的变性硅酮树脂（吸收包层光），较软（免遭外力引起微弯）。

外层是普通硅酮树脂，较厚（约100mm，由测径仪和涂敷液浓度、压力等控制），较硬（防磨损和高强度），有利于低温和抗微弯性。

固化方式：

据材料种类，可分为热固化和紫外灯固化。

塑封：

为便于操作和提高光纤的抗张力、强度，在涂敷层上再套尼龙、聚乙烯或聚酯等塑料（塑封）。

过程：

光纤穿过模具导向管，在出口处涂敷上熔化的尼龙，再经冷却水槽而被冷却固化，再到收丝的转轮上。

塑封有紧套和松套两种。

紧套型是塑料紧贴涂敷层，光纤不活动。

松套型是在涂敷层外包上塑料套管，光纤可活动。

光纤经涂敷、塑封后，并经强度筛选后可绕到收丝筒上成筒，成筒光纤经性能测试合格后，入库待成缆用。

2.4光纤成缆技术2.4.1光缆概述涂敷、塑封后的光纤，强度还不够大，受外部环境影响大。

为保护、安全和方便使用光纤，光纤需成缆为光缆后才可直接用于通信工程线路。

下面简介成缆原因、材料、结构、制作以及敷设等。

1.成缆目的

（1）使光纤操作容易。

有涂层的光纤外径很小，约250900m，不易操作；光纤透明，难以发现和直接辨认光纤种类。

大部分通信系统需要多根（甚至数百根）光纤，无颜色编号层的光纤难以辨认。

（2）保护光纤免受破坏：

（A）免受外力：

拉制时的微裂纹使抗拉强度降低，同时外力会使微裂纹逐