第五章光纖的材料與制造、光纖的分類、光纜-1

第5章光纖的材料與制造、光纖的分類、光纜5.1光纖的材料與制造

材料是光纖的核心問(wèn)題，對(duì)光纖制造材料的三個(gè)基本要求是：①高透明性，這是為實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離光通信而對(duì)光纖材料提出的最重要的質(zhì)量要求；②能將這種材料拉制成沿長(zhǎng)度方向均勻分布、具有明晰的纖芯包層界面結(jié)構(gòu)的細(xì)長(zhǎng)纖維；③能適應(yīng)所需要的工作環(huán)境，如高低溫、電磁、潮濕等環(huán)境。總之，光纖是由高度透明介質(zhì)材料拉伸為細(xì)絲而制成的。

實(shí)際應(yīng)用中的光纖材料，依據(jù)其所含化學(xué)元素區(qū)分，主要有三大類型：應(yīng)用于傳像與傳光的“多組分玻璃”(multi-componentglass)光纖；大量應(yīng)用于光通信的石英光纖，又稱為“高硅玻璃”(high-silicacontentglass)光纖；以及“塑料光纖”(plasticopticalfiber)。光纖的制造工藝方法也因材料類型與應(yīng)用要求的不同而不同，以下分別簡(jiǎn)要介紹。5.1.1玻璃光纖（多組分玻璃光纖）

玻璃是一種非晶固體，普通玻璃是石英和其他氧化物所組成的非晶化合物，它是制造光纖最常用的一類材料。普通窗玻璃看似透明，實(shí)際上由于雜質(zhì)大量存在，光在其中衰減嚴(yán)重，透過(guò)率很低；18世紀(jì)以后，由于光學(xué)儀器工業(yè)發(fā)展的需求，材料更純、損耗降低而透明度更高、缺陷更少的各類光學(xué)玻璃大量出現(xiàn)。通過(guò)摻雜不同的化合物，可以獲得具有不同折射率的各種規(guī)格光學(xué)玻璃。標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)玻璃在可見(jiàn)波長(zhǎng)區(qū)的折射率分布在1.44~1.80的范圍內(nèi)。其中，純二氧化硅的折射率最低。

利用光學(xué)玻璃制造的玻璃光纖，其纖芯材料為具有高折射率的多組分光學(xué)玻璃，而包層材料為具有低折射率的光學(xué)玻璃。常用的多組分玻璃配方成分有鈉-硼硅酸鹽玻璃(Na-B-Si)、鉀-硼硅酸鹽玻璃(K-B-Si)、鈉-鋅-鋁-硼硅酸鹽玻璃(Na-Zn-Al-B-Si)等。

由光學(xué)玻璃制成的玻璃光纖雖然比普通窗玻璃的透明度大為提高，但仍具有較高的衰減值，一般約為1dB/m(或1000dB/km)。其原因在于，生產(chǎn)光纖的原料(SiO2)中不可避免地含有鐵、銅、鈷、鎳、鎂、鉻等過(guò)渡族微量金屬元素雜質(zhì)，它們對(duì)0.6~1.6mm的可見(jiàn)光及近紅外光具有較強(qiáng)的吸收，因而，不適合于制作通信光纖。

但是，對(duì)于制造傳輸照明光能或圖像的各類傳光束、傳像束、光纖面板等光纖器件，這樣的衰減與透過(guò)率值可以滿足使用要求。表5.1給出了現(xiàn)行生產(chǎn)的多組分玻璃光纖的一些主要性能參數(shù)與技術(shù)指標(biāo)。性能參數(shù)單絲直徑（mm）數(shù)值孔徑孔徑角透過(guò)率（每米）光纖強(qiáng)度一般溫度（℃）光譜范圍（nm）技術(shù)指標(biāo)15~550.56，0.60，0.64，0.8370°，75°，80°，120°≧56%﹥150㎏/m㎡-40~150380~1300表5.1多組分玻璃光纖的主要性能參數(shù)與技術(shù)指標(biāo)

制造玻璃光纖采用直接拉絲工藝，即直接采用纖芯和包層材料拉制光纖。具體有兩種方法：棒管法與雙坩堝法。1.棒管法

“棒管法”(rod-in-tubemethod)是最簡(jiǎn)單的光纖拉制工藝，方法是將具有較高折射率的芯玻璃棒插人較低折射率的玻璃管中，然后通過(guò)電爐將其加熱，使玻璃管熔化到棒上，形成一個(gè)更粗的固體棒，稱為“預(yù)制棒”。隨后將預(yù)制棒由送料機(jī)構(gòu)以一定的均勻速度向管狀電爐中輸送，即將棒的一端高溫加熱，則從預(yù)制棒熔融的另一端就能拉出細(xì)絲狀的玻璃光纖。

其過(guò)程如圖5.1所示。其中，拉絲速度v2可按如下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：

式中，f1、f2分別為玻璃管的外徑與內(nèi)徑，f為預(yù)制棒直徑，d為要求拉成光纖的直徑，v2

為預(yù)制棒的送料速度。

為了減少由于光纖芯與包層界面的反射不完全而造成的傳輸損失，要求芯-包層界面對(duì)于傳輸?shù)墓獠ǘ伪仨毞浅８蓛簟⒐饣?。為此，要求插人到管中的棒表面必須?jīng)過(guò)火焰拋光，而非機(jī)械拋光。因?yàn)楹笳咭自谛?包層界面產(chǎn)生散射光的損失；另外，拉絲溫度必須得到嚴(yán)格控制。對(duì)于制造傳像束與傳光束的光纖，為減少成束后照射到包層界面上的光能損失，以提高成束后的積分透過(guò)率，光纖的包層通常很?。ɡ?，一般包層厚度約為芯徑的1/10量級(jí)）。棒管法的優(yōu)點(diǎn)是，控制溫度較低，操作工藝簡(jiǎn)單方便。其缺點(diǎn)是，拉絲效率低，不能連續(xù)生產(chǎn)，損耗較大，可以高達(dá)400dB/km。2.雙坩堝法

另一種制造玻璃光纖的方法是“雙坩堝法[Double-Crucible(DC)method]”。這種方法出現(xiàn)于20世紀(jì)60年代，它是利用一對(duì)底部開(kāi)有小孔、內(nèi)坩堝與外嵌套坩堝嚴(yán)格同軸的鉑制雙層坩堝拉絲（將折射率高低不同的芯玻璃與包層玻璃從坩堝頂部分別放人內(nèi)外雙層坩堝中，然后將其在高溫下熔化。芯、包層玻璃經(jīng)熔融后通過(guò)同軸漏咀流出，并被連續(xù)拉制成光纖。雙坩堝拉絲裝置示意圖如圖5.2所示。雙坩堝法拉制光纖的優(yōu)點(diǎn)是:節(jié)約材料，降低成本，制造工藝簡(jiǎn)單，可以一道工序完成拉絲，并可連續(xù)大長(zhǎng)度拉絲，溫控要求簡(jiǎn)單方便；存在的缺點(diǎn)是，雜質(zhì)污染的控制較難，因而制出的光纖損耗較大。

這種方法主要適用于制造多組分玻璃光纖及光纖朿。我國(guó)南京玻璃纖維研究設(shè)計(jì)院在20世紀(jì)70年代設(shè)計(jì)研制出雙坩堝同軸內(nèi)外漏嘴的整體配合結(jié)構(gòu)；進(jìn)而于1990年研制成功20孔雙坩堝多組分玻璃光纖拉制工藝設(shè)備，大大提高了生產(chǎn)效率與質(zhì)量；2003年更研制成功具有國(guó)際領(lǐng)先水不的56孔雙坩堝拉制玻璃光纖工藝設(shè)備，具備了拉制6千克/小時(shí)高質(zhì)量光纖的生產(chǎn)能力。該56孔雙坩堝拉制的光纖絲達(dá)到的主要技術(shù)指標(biāo)如表5.2所示。雙坩堝漏嘴數(shù)絲徑規(guī)格/μm56根光纖絲徑一致性單纖絲徑均勻性/μmNA包層厚度/μm傳輸光譜/nm56孔15~55≤±4％（±2μm）≤±10.621~1.5350~1300表5.256孔雙坩堝拉絲設(shè)備達(dá)到的主要技術(shù)指標(biāo)

目前，多組分玻璃光纖通常都是用雙坩堝法制造的。

利用棒管法與雙坩堝法制造的常規(guī)多組分玻璃光纖，具有大的數(shù)值孔徑，主要用于傳光與傳像器件制造方面。但是，由于光纖材料中金屬元素雜質(zhì)的吸收以及制造工藝過(guò)程中的氣泡、結(jié)石、條紋等散射所造成的嚴(yán)重?fù)p耗影響，使其無(wú)法成為通信用光纖。

為了獲得具有低損耗、高透明度的單模與多模石英系通信用光纖，必須將光纖材料中的金屬雜質(zhì)含量降至十億分之一以下的水平，即得到高純度的二氧化硅。因?yàn)檫@種材料在可見(jiàn)光到1.6mm的近紅外波長(zhǎng)范圍實(shí)際上沒(méi)有吸收。5.1.2熔石英光纖（石英系光纖）1.材料與提純目前通信用的光纖主要是石英系光纖即熔石英光纖，其主要成分是高純度的SiO2玻璃。熔石英是現(xiàn)代通信光纖的基礎(chǔ)材料，它是用合成方法制成的，即在氫氧焰中燃燒高純度液態(tài)的四氯化硅(SiCl4)或其他鹵化物化學(xué)試劑(如GeCl4)，產(chǎn)生氯化物蒸氣和二氧化硅，然后沉淀成為白色蓬松的粉塵狀物。由于制作熔石英光纖的試劑材料的純度直接影響光纖的損耗特性，為保證光纖的低損耗、高透明性，要求試劑材料的雜質(zhì)含量不超過(guò)ppb(partperbillion，十億分之一，即1×10-9)的量級(jí)。

由于大部分鹵化物試劑材料中的雜質(zhì)含量均不符合要求，為此需進(jìn)行提純。利用被提純物質(zhì)與雜質(zhì)沸點(diǎn)的不同，可以清除雜質(zhì)即提純，此即精餾法。四氯化硅在室溫下是液體，在58℃時(shí)即可沸騰；而鐵、鈷、鎳、錳、鉻、銅等雜質(zhì)氯化物的沸點(diǎn)比四氯化硅的沸點(diǎn)高得多。因而當(dāng)四氯化硅變成蒸氧與氧氣反應(yīng)時(shí)，這些雜質(zhì)的氧化物仍為液態(tài)。利用精餾法可清除過(guò)渡金屬雜質(zhì)；配合以“吸附法”清除OH-。這種“精餾-吸附-精餾”交替進(jìn)行的綜合提純法，比用濕化學(xué)方法可得到更高純度的SiCl4，將雜質(zhì)降低至10億分之一量級(jí)的水平(例如有害金屬雜質(zhì)的總含量降低至5×10-9以下，產(chǎn)生OH-的含氧化合物含量小于0.2×10-9)，從而生產(chǎn)出透明度極高的石英光纖。精餾-吸附綜合提純法的工藝流程示意圖如圖5.3所示。圖5.3精餾一吸附綜合提純法工藝流程

在解決石英系光纖上述提純關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)二十余年的不斷改進(jìn)，已形成從原材料提純、預(yù)制棒制備到拉絲、涂覆、光纖成纜嚴(yán)格的完整成熟的工藝流程，如圖5.4所示。

圖5.4光纖、光纜制備工藝流程

制造以單模光纖為代表的通信用石英系光纖，其基本的步驟分為兩步，即制備光纖預(yù)制棒和拉絲。2.光纖預(yù)制棒制造工藝

制備光纖預(yù)制棒，即是將經(jīng)過(guò)提純的原材料制成一根其內(nèi)芯與外包層折射指數(shù)分布與最終拉出光纖芯、包層折射指數(shù)分布相同的圓柱棒，通常稱為“預(yù)制棒”或“光棒”。預(yù)制棒的制造是光纖制造的核心技術(shù)，因而其制造技術(shù)的水平也就代表了光纖制造技術(shù)的水平。

純的熔石英具有單一的折射率，其光譜折射率的分布是從0.55mm處的1.460到1.81mm處的1.444。為了制備具有高折射率棒芯(n1)和低折射率包層(n2)的預(yù)制棒，必須通過(guò)“摻雜”，即在石英中摻以適當(dāng)?shù)碾s質(zhì)，來(lái)造成棒芯與包層的折射率差值。

最常見(jiàn)的做法是，在石英中摻人折射率高于石英的摻雜劑，如二氧化鍺(GeO2)或五氧化二磷(P2O5)，制成高折射率的棒芯，而以純石英材料為低折射率的包層；也可以在石英中摻人折射率低于石英的摻雜劑如氟(F)、三氧化二硼(B2O3)，構(gòu)成低折射率的包層，同時(shí)以石英材料作棒芯或在石英中摻人少量鍺以稍微提高棒芯折射率。

兩種棒芯與包層折射率差設(shè)計(jì)的方案如圖5.5所示。其中，圖5.5(a)稱為匹配包層光纖，圖5.5(b)稱為凹陷包層光纖。

光纖預(yù)制棒的基本制備方法是采用化學(xué)氣相沉積工藝，具體過(guò)程采用“兩步法”第一步是制造芯棒，同時(shí)制造部分包層；第二步是在芯棒上附加外包層（俗稱外包技術(shù)），制成預(yù)制棒。

預(yù)制棒的光學(xué)特性主要取決于芯棒制造質(zhì)量，而預(yù)制棒的制造成本則主要取決于外包技術(shù)。因此，芯棒制造技術(shù)加上外包技術(shù)才能全面反映光纖預(yù)制棒制造工藝的特征和水平。光纖產(chǎn)業(yè)傳統(tǒng)上都是用光纖預(yù)制棒的制造技術(shù)來(lái)命名光纖制造工藝。

經(jīng)過(guò)近二十多的發(fā)展，制備光纖預(yù)制棒的方法在不同歷史階段先后出現(xiàn)過(guò)數(shù)十種。但是演變至今，目前并存流行的、能制造出優(yōu)質(zhì)光纖的制棒方法的共性都是，四氯化硅（摻雜時(shí)同時(shí)有四氯化鍺等）與氧氣在高溫下反應(yīng)生成蓬松狀的熔石英(SiO2)粉塵狀物；而區(qū)別則主要在于粉塵狀物如何沉積，以及如何熔化為最終的預(yù)制棒。（1）芯棒的制造作為制造光纖預(yù)制棒的第一步，現(xiàn)行制造芯棒（以及部分包層）的主要工藝方法可以分為如下三大類：第一大類是管內(nèi)化學(xué)氣相沉積法，它是將粉塵沉積在熔石英管的內(nèi)壁上，即石英管成為外包層，沉積在管內(nèi)的是芯與包層材料。

根據(jù)其對(duì)反應(yīng)區(qū)加熱方法的不同，又可細(xì)分為兩種工藝方法，即“改進(jìn)的化學(xué)氣相沉積法”(ModifiedChemicalVapourDeposition,MCVD)，“微波等離子體化學(xué)氣相沉積法”(PlasmaChemicalVapourDeposition,PCVD)；第二大類是“管外（外部）化學(xué)氣相沉積法”(OVD法），或稱粉塵法；第三大類稱為“軸向化學(xué)氣相沉積法”（VAD法）。以下依次介紹由這三大類化學(xué)氣相沉積法所演變形成的4類制棒工藝。①M(fèi)CVD法。MCVD法是目前制作高質(zhì)量石英光纖比較穩(wěn)定可靠和廣泛使用的光纖預(yù)制棒芯棒的生產(chǎn)工藝。它是1974年由美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的經(jīng)典工藝，并為朗訊公司所采用。

MCVD管內(nèi)化學(xué)氣相沉積法的工藝原理如圖5.6所示。以超純氧氣為載體將SiCl4等原料和GeCl4等摻雜劑送入旋轉(zhuǎn)的熔石英管（轉(zhuǎn)速為幾十轉(zhuǎn)/分），用1400℃~1600℃的高溫氫氧焰加熱石英管，使各種化學(xué)物質(zhì)發(fā)生氧化反應(yīng)，則SiO2、B2O3、GeO2等在管壁上沉積成精細(xì)的包層與芯層玻璃粉塵，反應(yīng)后的廢氣被抽送到排氣裝置里。為使玻璃粉塵沿石英管長(zhǎng)度方向均勻沉積，加熱反應(yīng)區(qū)應(yīng)沿管軸方向左右移動(dòng)，通過(guò)加熱使玻璃粉塵熔化，然后冷凝成透明的SiO2-B2O3

（包層）和SiO2-CeO2（芯層）玻璃。火焰每移動(dòng)一次，管壁上就沉積一層厚度8~10mm的玻璃膜層。

隨著沉積不斷產(chǎn)生，硅管中間的空腔逐漸縮小，管壁上沉積了相當(dāng)厚度的玻璃層，并形成玻璃棒體的雛形，此時(shí)停止供料。然后，提高火焰加熱溫度，使石英管外壁溫度達(dá)到1800℃左右，從而使石英管在高溫下軟化收縮，使中心孔封閉，形成實(shí)心棒，此即為原始的光纖預(yù)制棒。

在高溫下管內(nèi)依次發(fā)生的氧化反應(yīng)與沉積順序如下。首先氧化沉積的是預(yù)制棒的包層，其氧化反應(yīng)的化學(xué)過(guò)程為最后氧化沉積的為棒芯，其氧化反應(yīng)的化學(xué)過(guò)程為

原始的光纖預(yù)制棒實(shí)際上有三層：中心為芯層玻璃；緊鄰芯層的是包層玻璃；最外面的是熔石英管壁玻璃，稱為外包層，它是保護(hù)層，并不起導(dǎo)光作用。

總之，MCVD制棒工藝是一種以氫氧焰為熱源、高溫氧化為化學(xué)反應(yīng)機(jī)理、在高純度石英管內(nèi)進(jìn)行的氣相沉積過(guò)程。②PCVD法（PlasmaCVD)。PCVD法是由荷蘭菲利浦研究實(shí)驗(yàn)室于1975年提出的工藝方法，它是一種管內(nèi)低溫等離子體的化學(xué)氣相沉積法。它與MCVD法的工藝原理基本相同，只是不再用氫氧焰進(jìn)行管外加熱，而是改用微波諧振腔體產(chǎn)生的等離子體加熱。其反應(yīng)機(jī)理是，用高頻功率(2.46GHz)微波激活（電離）石英管內(nèi)的低壓氣體，產(chǎn)生帶電的等離子體，使其能量大大增加，并在低壓下快速擴(kuò)散到管內(nèi)壁周?chē)l(fā)生反應(yīng)，帶電離子重新結(jié)合時(shí)釋放出的熱能熔化氣態(tài)反應(yīng)物，形成透明的玻璃態(tài)沉積薄層。

PCVD法制備芯棒工藝有兩步，即沉積和成棒。沉積是借助低壓等離子體使流進(jìn)高純石英管內(nèi)的氣態(tài)鹵化物SiCl4、氧氣和少量摻雜劑(GeCl4、F6C2)在大約1000℃的高溫下直接沉積成設(shè)計(jì)要求的芯玻璃；成棒則是將沉積好的石英玻璃管在玻璃車(chē)床上用氫氧焰高溫作用，使之熔縮成實(shí)心的芯棒。

PCVD法由于高頻功率易于耦合進(jìn)石英沉積管內(nèi)，且微波諧振腔經(jīng)過(guò)四代改進(jìn)演變，效率大大提高，諧振腔可快速移動(dòng)等，因而可實(shí)現(xiàn)高的沉積速率與效率，以及穩(wěn)定的沉積狀態(tài)?，F(xiàn)在單臺(tái)PCVD沉積設(shè)備的生產(chǎn)能力巳達(dá)百萬(wàn)千米/年以上。③OVD法（Outside VapourDeposition)。OVD工藝是1970年由美國(guó)康寧公司Kapron研發(fā)的20dB/km管外化學(xué)氣相沉積光纖制棒工藝。其工藝機(jī)理是，通過(guò)火焰加水分解，即將氣態(tài)鹵化物等原料與摻雜劑送人氫氧焰噴燈，使之在氫氧焰中水解，生成石英(SiO2)玻璃微粒粉塵，并經(jīng)噴燈噴出，沉積在由石英、石墨或陶瓷（氧化鋁）制成的旋轉(zhuǎn)的“母棒”外表面上，經(jīng)多次沉積形成一定尺寸的多孔粉塵預(yù)制棒芯棒?！澳赴簟辈⒎切景舻囊徊糠郑捎谄錈崤蛎浵禂?shù)與沉積在其上的芯棒材料不同，因此在玻璃熔結(jié)成預(yù)制棒之前，可以較容易地將“母棒”取出。爾后再將中空的預(yù)制棒芯棒在高溫下進(jìn)行燒結(jié)脫水處理，使之成為透明無(wú)水的實(shí)心芯棒。OVD法的原理如圖5.7所示。利用OVD法制造芯棒的化學(xué)反應(yīng)式為

這種工藝方法的優(yōu)點(diǎn)是：沉積速度快，適合批量生產(chǎn)；缺點(diǎn)是：環(huán)境清潔度要求高，要進(jìn)行嚴(yán)格的脫水處理。圖5.7管外化學(xué)氣相沉積法制造預(yù)制棒(OVD法）④VAD法(VapourAxialDeposition)。VAD法即軸向化學(xué)氣相沉積法。這種工藝是1977年由日本電報(bào)電話公司(NTT)研發(fā)的一種連續(xù)制棒工藝。其工作原理與OVD法完全相同，也是火焰水解；區(qū)別在于：沉積不是發(fā)生在母棒(又稱“種子石英棒”）的外表面（徑向），而是發(fā)生在母棒的端部（軸向），如圖5.8所示。由化學(xué)反應(yīng)生成的石英(SiO2)玻璃粉塵微粒經(jīng)噴燈噴出，沉積于種子石英棒的一端，沿軸向形成多孔粉塵預(yù)制棒。軸向化學(xué)氣相沉積法不形成中間孔，在種子石英棒不斷旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，通過(guò)提升桿沿軸向牽引預(yù)制棒慢速移動(dòng)，并通過(guò)一環(huán)形加熱器進(jìn)行燒結(jié)處理，使之熔縮成透明的光纖預(yù)制棒。

VAD法的重要特點(diǎn)是可連續(xù)生長(zhǎng)，適于制成大型預(yù)制棒，從而可拉制長(zhǎng)的連續(xù)光纖，例如100km以上的單模光纖。VAD工藝隨著時(shí)間而不斷發(fā)展，20世紀(jì)70年代的軸向沉積工藝為芯、包材料同時(shí)沉積燒結(jié)，80年代則演變?yōu)橄瘸练e芯棒再套管的兩步法工藝，90年代工藝則以粉塵的外包層代替套管制成光纖預(yù)制棒。

上述四種制棒工藝的設(shè)備通常包括：原料供給、反應(yīng)沉積和監(jiān)測(cè)控制三大部分。

四種制棒工藝各有所長(zhǎng)，應(yīng)根據(jù)沉積速率、沉積效率、光纖類型等不同的要求加以具體選擇。分析近20多年來(lái)的四種制棒工藝的發(fā)展歷程與趨勢(shì)，可以看出：MCVD是最早成熟的工藝，早期的多模光纖主要是該工藝生產(chǎn)的；20世紀(jì)80年代以后，伴隨著常規(guī)單模光纖(SMF)的成熟，OVD、VAD在光纖市場(chǎng)的份額迅速增加，美國(guó)康寧和日本各公司均停止使用MCVD工藝，MCVD的市場(chǎng)份額迅速下降，而OVD、VAD工藝的份額迅速增加；但是，隨著MCVD工藝不斷改進(jìn)與納入多項(xiàng)新技術(shù)，迄今仍占約1/3的市場(chǎng)份額。表5.3列出芯棒的4種化學(xué)汽相沉積工藝從1980-2000年所占市場(chǎng)份額的變化（不考慮其外包工藝）。表5.3各種化學(xué)汽相沉積工藝所占市場(chǎng)份額（％)的變化（1980—2000年）年份19801985199019952000MCVD7656444034PCVD＜11224OVD828343636VAD1515202226（2）外包技術(shù)——在芯棒上附加外包層

制造光纖預(yù)制棒的第二步，即在芯棒上附加外包層，制成最終的光纖預(yù)制棒。隨著全球光纖通信業(yè)務(wù)的迅速發(fā)展，以及大幅度降低光纖制造成本的迫切需求，解決制造大預(yù)制棒的高效、低成本外包關(guān)鍵技術(shù)成為重要而迫切的問(wèn)題。近20多年來(lái)先后發(fā)展起來(lái)的外包技術(shù)有如下四種：①套管法。即將由化學(xué)氣相沉積法制成的芯棒置入用作光纖外包層的高純石英管內(nèi)制造大預(yù)制棒的方法；②SOOT法。SOOT法在國(guó)外文獻(xiàn)中常以“SOOT process”或“SOOTtechnique”即粉塵法，來(lái)泛指OVD、VAD等方法的火焰水解外沉積工藝在芯棒上的外包技術(shù)；③等離子噴涂法（Plasma Spray)。是指用高頻等離子焰將石英粉末熔制于芯棒上制成大預(yù)制棒的技術(shù)，由阿爾卡特發(fā)明并應(yīng)用；④溶膠-凝膠法(Sol-gelprocess)。由美國(guó)朗訊公司發(fā)明，是指由玻璃組成元素的有機(jī)化合物溶膠，經(jīng)水解成凝膠，再脫水燒結(jié)成玻璃的方法。溶膠-凝膠法用作外包技術(shù)，包括兩種技術(shù)途徑：一種是，先用溶膠-凝膠法制成合成石英管作為套管，再用套管法制成大預(yù)制棒；另一種是，先用溶膠-凝膠法制成合成石英粉末，再用高頻等離子焰將合成石英粉末熔制于芯棒上制成大預(yù)制棒。從本質(zhì)上說(shuō)，這種方法應(yīng)屬于SOOT法或等離子噴涂法。

比較分析外包技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)可以看出，從1980-2000年的20年間，20世紀(jì)80年代初國(guó)際上開(kāi)始用套管法制作大預(yù)制棒，對(duì)于MCVD和PCVD芯棒，這是采用最普遍的外包方法。同時(shí)，VAD工藝也采用了套管法，開(kāi)始了SMF的商業(yè)化生產(chǎn)。這標(biāo)志著預(yù)制棒制造工藝向“兩步法”的轉(zhuǎn)變；稍后，康寧公司將SOOT外包技術(shù)用于工業(yè)化生產(chǎn)。接著，用VAD生產(chǎn)光纖的廠家也用SOOT外包技術(shù)代替了套管法。在整個(gè)20世紀(jì)80年代，套管法的份額逐年下降；20世紀(jì)90年代，阿爾卡特用等離子噴涂技術(shù)取代了套管法；朗訊公司開(kāi)發(fā)了溶膠-凝膠外包技術(shù)，幾乎所有用VAD、OVD制造光纖芯棒的生產(chǎn)廠家都用了SOOT外包技術(shù)。

這些都使套管法的份額繼續(xù)下降。套管法份額下降的根本原因在于，合成石英管的價(jià)格高，且制造大預(yù)制棒的套管困難。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，2000年采用SOOT法外包工藝技術(shù)的比例已達(dá)到62%，特別對(duì)采用OVD和VAD制棒技術(shù)的廠家十分方便；套管法所占的份額約為28%。

綜上所述，可以用圖5.9來(lái)全面概括兩步法的光纖預(yù)制棒制造工藝的技術(shù)特征。但不同生產(chǎn)廠家所選擇的具體工藝技術(shù)路線將隨具體情況與條件的不同而不同。

例如，江蘇普天法爾勝光通信有限公司的全火焰水解法光纖預(yù)制棒制造技術(shù)即是首先采用MCVD法沉積光棒芯層，然后采用OVD法（即SOOT法火焰水解外部氣相沉積工藝）進(jìn)行光棒外包層的沉積，最后經(jīng)過(guò)燒結(jié)制成光纖預(yù)制棒，該工藝為國(guó)內(nèi)首創(chuàng)，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。采用該工藝生產(chǎn)的光棒，具有精確的折射率分布和優(yōu)良的尺寸參數(shù)，可拉制出400?500km長(zhǎng)度的低損耗、無(wú)水峰、高強(qiáng)度優(yōu)質(zhì)光纖。該廠生產(chǎn)單模光纖的光纖預(yù)制棒其主要參數(shù)如表5.4所示。技術(shù)參數(shù)折射率差D/%截止波長(zhǎng)lc/nm芯/包同心度誤差/nm包層不圓度/%預(yù)制棒長(zhǎng)度/mm預(yù)制棒直徑/mm典型值0.0511150~1330≤0.3≤1800/1500/200085/120/150表5.4單模光纖預(yù)制棒部分技術(shù)參數(shù)典型值3.拉絲、涂覆與套塑拉絲是將預(yù)制棒拉制成符合標(biāo)準(zhǔn)要求光纖的工藝；涂覆與套塑則是對(duì)光纖絲進(jìn)行結(jié)構(gòu)保護(hù)的工藝，以保證光纖應(yīng)有的機(jī)械強(qiáng)度與性能。（1）拉絲利用光纖預(yù)制棒拉制石英光纖的基本設(shè)備與工藝過(guò)程如圖5.10所示。位于拉絲塔頂垂直放置的光纖預(yù)制棒，由送料機(jī)構(gòu)以一定的速度（v送）均勻地送往加熱拉伸爐中（拉絲塔熔爐）加熱，預(yù)制棒下端受熱軟化（溫度在1900℃?2200℃

），借助于重力下垂變細(xì)而成為光纖絲。圖5.10利用預(yù)制棒拉制石英光纖

在拉絲機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)后，要利用光纖直徑監(jiān)控設(shè)備（激光測(cè)徑儀）動(dòng)態(tài)地實(shí)時(shí)測(cè)出光纖外徑，并將數(shù)據(jù)信號(hào)送給電子控制裝置，與設(shè)定要求的標(biāo)準(zhǔn)尺寸進(jìn)行比較，發(fā)出控制指令，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)卷繞鼓的收絲牽引速度v收與預(yù)制棒的饋送速度v送，以保持光纖外徑恒定地符合要求。收絲速度v收與預(yù)制棒饋送速度v送之間的關(guān)系由下式?jīng)Q定：

式中，D和d分別為預(yù)制棒與光纖的外徑。質(zhì)量好的拉絲設(shè)備可控制光纖外徑的波動(dòng)在±0.5mm以內(nèi)，拉絲速度(v收)一般在60?100m/min。

由光纖預(yù)制棒拉成的光纖可保持原有要求的折射率分布形式以及芯與包層的外徑比。（2）涂覆

在預(yù)制棒拉成光纖后，就立即對(duì)光纖進(jìn)行一次涂覆，以保證其機(jī)械強(qiáng)度。涂覆材料有硅樹(shù)脂、聚氨基甲酸、乙酯、環(huán)氧樹(shù)脂和丙烯酸樹(shù)脂等幾種，厚度一般為30?150mm。一次涂覆一般采用兩層結(jié)構(gòu)，里面較薄的一層，稱為預(yù)涂層，其折射率高于包層折射率，以吸收透過(guò)包層的多余的光；外面較厚的一層，稱為緩沖層，是普通的硅酮樹(shù)脂，用以提高光纖的低溫性能與抗微彎性能。在每一層涂覆之后，均要在樹(shù)脂烘干爐中用數(shù)百攝氏度的溫度固化樹(shù)脂。樹(shù)脂固化后的光纖強(qiáng)度可承受幾千克的拉力。（3）套塑

為進(jìn)一步增大光纖的機(jī)械強(qiáng)度與直徑，加強(qiáng)保護(hù)性能，還要在光纖涂覆的基礎(chǔ)上再加套一層塑料層，這一工藝叫套塑。套塑的方式有松套和緊套兩種：松套是在一次涂覆層的外面套上一層塑料套管，光纖在套管中可以自由活動(dòng)；緊套是在一次涂覆的光纖上緊套上一層尼龍或聚乙烯塑料，套層與一次涂覆層緊貼在一起，光纖不能自由活動(dòng)。套塑時(shí)要合理地設(shè)計(jì)塑料擠壓速度、光纖拉伸速度與冷卻速度，以盡可能減小由于塑套冷卻收縮產(chǎn)生微彎效應(yīng)而引起的附加損耗。

以上所討論的，主要是針對(duì)通信用的石英系光纖的制造工藝方法。5.1.3塑料光纖

塑料光纖(PlasticOpticalFiber,POF)是以聚合物或有機(jī)物等光學(xué)塑料為材料的一類重要光學(xué)纖維，具有廣泛用途。1.塑料光纖的材料

塑料光纖材料的選取，主要考慮透過(guò)性能和折射率，因而其芯料應(yīng)選取光學(xué)均勻性好、折射率較高、透過(guò)性能較好的光學(xué)塑料。

光學(xué)塑料的折射率與塑料的化學(xué)組成成分有關(guān)。一般，塑料組成基質(zhì)成分中具有的極性大的官能團(tuán)越多，折射率就越大。對(duì)大多數(shù)塑料纖芯其折射率均在1.4?1.6。

除考慮折射率外，尚應(yīng)考慮的其他一些重要性能與因素包括：透過(guò)性能（衰減）、熱性能、機(jī)械性能以及成本等。

綜合考慮，適用作塑料光纖的光學(xué)塑料主要有聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA，俗稱有機(jī)玻璃）、聚苯乙烯(PS)、聚碳酸酯(PC)等。其中，應(yīng)用最多的聚甲基丙烯酸甲酯是一種特殊的合成樹(shù)脂，其性能穩(wěn)定，具有很強(qiáng)的透明性（透過(guò)率高達(dá)90%以上），適用于可見(jiàn)、紅外和紫外波段；其軟化點(diǎn)較高，抗張強(qiáng)度好，比重小，對(duì)日光性能十分穩(wěn)定，熱性能也很穩(wěn)定，易機(jī)械加工。

目前，標(biāo)準(zhǔn)階躍折射率塑料光纖主要選取的纖芯材料聚甲基丙烯酸甲酯，其折射率為1.492；包層材料一般選取折射率更低的含氟聚合物，其折射率為1.402。由上述纖芯與包層材料折射率差值（比玻璃光纖或石英光纖要大）所決定的數(shù)值孔徑NA=0.47;如果纖芯材料選取折射率為1.58的聚苯乙烯，則包層可以采用聚甲基丙烯酸甲酯。這兩類塑料光纖中，聚苯乙烯瑞利散射較嚴(yán)重，損耗較大；相比較，纖芯為聚甲基丙烯酸甲酯材料，則損耗較低。2.塑料光纖的主要特性與優(yōu)缺點(diǎn)

塑料光纖在性能等方面主要具有如下突出的優(yōu)點(diǎn)。

①重量輕。光學(xué)塑料的比重在1g/cm3左右（比重范圍一般在0.83?1.50g/cm3)，為玻璃比重的1/2?1/3。

②柔軟、韌性好，具有優(yōu)良的機(jī)械性能。直徑為1mm的塑料光纖，按曲率半徑為6mm做180°反復(fù)彎曲數(shù)百次，對(duì)光纖毫無(wú)損害；即使直徑達(dá)到2mm，仍可自由彎曲而不斷裂；且抗沖擊強(qiáng)度好。

③不可見(jiàn)光波段的透過(guò)性能好。塑料光纖在可見(jiàn)光和近紅外波段的透過(guò)性能接近光學(xué)玻璃。但在紫外和遠(yuǎn)紅外波段其透過(guò)率大于50%，優(yōu)于玻璃光纖。

④成本低，經(jīng)濟(jì)性好，工藝操作簡(jiǎn)便。塑料光纖的原材料比玻璃光纖的原材料便宜得多，因而經(jīng)濟(jì)性好；另外，塑料光纖的工藝操作溫度通常在300℃以下，而玻璃和石英光纖的制作溫度需要1000℃以上的高溫，因而塑料光纖的工藝操作簡(jiǎn)單。

但塑料光纖在性能方面也存在如下顯著的缺點(diǎn)和問(wèn)題，影響其應(yīng)用的領(lǐng)域與范圍。

①光學(xué)特性傳輸損耗大。塑料光纖是一種纖維狀的長(zhǎng)鏈分子，隨著拉絲過(guò)程，長(zhǎng)鏈分子的宏觀取向?qū)⒑凸饫w的軸向一致。由于塑料光纖是由單體聚合而成，很難得到密度均勻的材料，因而光學(xué)均勻性不能得到很好的保證；深人的研究表明，塑料光纖存在高損耗的重要原因在于，塑料光纖材料原子間存在的碳-氫鍵和碳-氧鍵對(duì)可見(jiàn)光和近紅外波長(zhǎng)具有吸收作用。

目前，一般商用塑料(PMMA)階躍折射率光纖的損耗約為數(shù)百至1000dB/km；較好的情況，商用塑料光纖在利用紅色LED通信的650nm波長(zhǎng)處，損耗可降低至150dB/km左右；在實(shí)驗(yàn)室中獲取的最佳塑料光纖的損耗可減小至50?20dB/km。圖5.11給出了一種塑料(PMMA)階躍折射率光纖的光譜衰減曲線。圖示表明，與玻璃光纖不同，塑料光纖的損耗在紫外短波長(zhǎng)一側(cè)有一定的下降；最小損耗在500nm附近，損耗值約為70dB/km；但在近紅外區(qū)則損耗高得多。

②耐熱及高低溫性能差。由于塑料本身熔點(diǎn)低，因而其耐熱性能差，一般只能在-40℃?80℃的溫度范圍內(nèi)使用，只有少數(shù)塑料光纖可以在200℃的溫度下工作。另外，當(dāng)溫度低于-40℃時(shí)，塑料光纖將變硬、變脆?？傊?，耐高低溫等惡劣環(huán)境的性能比玻璃光纖差。

③抗化學(xué)腐蝕和表面磨損的性能比玻璃光纖差，在丙酮、醋酸乙酯或者苯的作用下，其光學(xué)性能會(huì)受到很大影響，硬度差，易老化。表5.5塑料光學(xué)纖維與玻璃光學(xué)纖維的性能比較纖維塑料光學(xué)纖維玻璃光學(xué)纖維光學(xué)性能光吸收系數(shù)一般為0.008?0.0018cm-1、實(shí)驗(yàn)室公認(rèn)最低損耗為20dB/km（650?680nm波段），接近一般玻璃的光吸收紫外和遠(yuǎn)紅外透過(guò)性能好光吸收系數(shù)一般為0.00002?0.00001/cm-1、實(shí)驗(yàn)室中熔融硅的最低損耗≤0.2dB/km(在1.5mm)，相應(yīng)的吸收系數(shù)<10-6cm-1

近紅外波段透過(guò)性能好熱學(xué)性能使用溫度一般小于100℃，個(gè)別可短時(shí)間在200℃下工作多組分光纖可用于300℃，石英光纖波導(dǎo)可用于400℃，塑料涂層玻璃光纖可用于150℃以下

表5.5給出了塑料光纖與玻璃光纖的部分性