《光纖光纜制備》課件第1章

學(xué)習(xí)情境一：石英光纖原材料的選擇與制備1.1學(xué)習(xí)目標(biāo)1.2學(xué)習(xí)內(nèi)容

★掌握光纖的分類；

★了解光纖的各種原材料；

★了解原材料的物理與化學(xué)性能及檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)；

★了解原材料制備與檢測(cè)的相關(guān)設(shè)備，如精餾塔等；

★掌握安全操作規(guī)程。1.1學(xué)習(xí)目標(biāo)

1.2.1光纖的分類

1.按照材料不同進(jìn)行的分類

按照制造光纖的基質(zhì)材料的不同，光纖可分為石英基光纖、復(fù)合光纖、塑料光纖。1.2學(xué)習(xí)內(nèi)容

1)石英基光纖

石英基光纖(行業(yè)簡(jiǎn)稱石英光纖)是一種以高折射率的石英玻璃(SiO2)材料為芯，以有機(jī)或無(wú)機(jī)材料(石英)為包層的光學(xué)纖維。由于石英基光纖傳輸波長(zhǎng)范圍寬(從紫外線到紅外線，波長(zhǎng)從0.38μm到2.0μm)，所以它適用于從紫外線到紅外線各波長(zhǎng)信號(hào)及能量的傳輸。另外，石英基光纖數(shù)值孔徑較大，光纖芯徑較大，機(jī)械強(qiáng)度較高，彎曲性能較好，且比較容易與光源耦合，故在傳感、光譜分析、過(guò)程控制、激光傳輸、激光醫(yī)療、測(cè)量技術(shù)、刑偵、信息傳輸和照明等領(lǐng)域有著極為廣泛的應(yīng)用，這是其他種類的光纖無(wú)法比擬的。

石英基光纖通常采用高純度的玻璃材料制成。依據(jù)光纖材料所含的化學(xué)元素，石英基光纖可分為高硅玻璃光纖和多組分玻璃光纖兩個(gè)大類。高硅玻璃光纖采用高純度的熔融石英(SiO2)作纖芯；多組分玻璃光纖采用普通的多組分玻璃作為纖芯，常用的配方成分有納-硼酸鹽玻璃、鉀-硼酸鹽玻璃、鈉-鈣酸鹽玻璃、釷-硼酸鹽玻璃以及鈉-鋅-鋁-硼酸鹽玻璃等。石英基光纖一般包含以下光纖：

(1)塑料包層石英光纖。塑料包層石英光纖是用高純度的石英玻璃制作成纖芯，將折射率比石英稍低的塑料作為包層的階躍型光纖。它具有纖芯粗、數(shù)值孔徑大的特點(diǎn)，易與發(fā)光二極管(LED)光源結(jié)合，損耗也較小，所以，非常適用于局域網(wǎng)(LAN)和近距離通信。

(2)氟化物光纖(FluorideFiber)。氟化物光纖是由氟化物玻璃做成的光纖。這種光纖的原料簡(jiǎn)稱ZBLAN(即氟化鋯(ZrF4)、氟化鋇(BaF2)、氟化鑭(LaF3)、氟化鋁(AlF2)、氟化鈉(NaF)等氟化物玻璃原料簡(jiǎn)化成的縮略語(yǔ))。氟化物光纖主要用于波長(zhǎng)為2～10pm的光傳輸業(yè)務(wù)。其特點(diǎn)是采用氟化物作涂覆層，耐腐蝕。

(3)碳涂層光纖(CCF，CarbonCoatedFiber)。碳涂層光纖是在石英光纖的表面涂覆碳膜的光纖。其機(jī)理是利用碳的致密膜層，使光纖表面與外界隔離，以改善光纖的機(jī)械疲勞損耗和氫分子的損耗。

(4)金屬涂層光纖(MetalCoatedFiber)。金屬涂層光纖是在光纖的表面涂上Ni、Cu、Al等金屬層的光纖。它是抗惡劣環(huán)境光纖中的一種，也可作為電子電路的部件使用。金屬涂層光纖的早期產(chǎn)品是在拉絲過(guò)程中，涂上熔解的金屬制作而成的。由于玻璃與金屬的膨脹系數(shù)差異太大，會(huì)增加彎曲造成的損耗，因此實(shí)用性不高。近期，在玻璃光纖的表面采用低損耗的非電解鍍膜法可使金屬涂層光纖的性能大為改善。

(5)摻稀土光纖(RareEarthDopedFiber)。摻稀土光纖是在光纖的纖芯中摻雜鉺(Er)、釹(Nd)、鐠(Pr)等稀土族元素的光纖。1985年英國(guó)Southampton大學(xué)的Payne等首先發(fā)現(xiàn)摻雜稀土元素的光纖有激光振蕩和光放大的現(xiàn)象?，F(xiàn)在使用的1.55pm摻鉺光纖放大器(EDFA)就使用了摻鉺的單模光纖，它利用1.47pm的激光進(jìn)行激勵(lì)，得到1.55pm的光放大信號(hào)。另外，摻鐠光纖放大器(PDFA)正在開發(fā)之中。

(6)熒光光纖(LuminescentFiber)。熒光光纖(也稱發(fā)光光纖)是采用熒光物質(zhì)制造的光纖。它在受到輻射線、紫外線等光波照射時(shí)將產(chǎn)生熒光，部分熒光可經(jīng)光纖進(jìn)行傳輸。熒光光纖可以用于檢測(cè)輻射線和紫外線，還可進(jìn)行波長(zhǎng)變換，或用作溫度敏感器、化學(xué)敏感器。在輻射線的檢測(cè)中，熒光光纖也稱做閃光光纖(ScintillationFiber)。

2)復(fù)合光纖

復(fù)合光纖(CompoundFiber)是在SiO2原料中再適當(dāng)混合諸如氧化鈉(Na2O)、氧化硼(B2O3)、氧化鉀(K2O)、碲酸鹽玻璃、磷酸鹽玻璃等做成的光纖。其特點(diǎn)是軟化點(diǎn)較低，纖芯與包層折射率相差很大。這種光纖主要用于醫(yī)療業(yè)務(wù)的光纖內(nèi)窺鏡中。

3)塑料光纖

塑料光纖是纖芯和包層都用塑料(聚合物)制成的光纖。塑料光纖的早期產(chǎn)品主要用于裝飾和導(dǎo)光照明及近距離光鏈路的光通信中。其原料主要是聚甲基丙烯酸甲酯(也稱有機(jī)玻璃，PMMA)、聚苯乙烯(PS)和聚碳酸酯(PC)。這種光纖的損耗受塑料固有的C-H結(jié)構(gòu)的影響，一般每千米可達(dá)幾十分貝。為了降低損耗，很多公司正在開發(fā)應(yīng)用氟化物塑料光纖。由于塑料光纖的纖芯直徑為1000μm甚至更大，是單模石英光纖的100倍以上，接續(xù)簡(jiǎn)單，而且易于彎曲，施工容易，因此近年來(lái)，加上寬帶化的進(jìn)度，作為漸變型(GI)折射率的多模塑料光纖的發(fā)展受到了重視。最近，塑料光纖在汽車內(nèi)部LAN中應(yīng)用較快，未來(lái)在家庭LAN中也可能得到應(yīng)用。

2.按照傳輸模式不同進(jìn)行的分類

按光在光纖中的傳輸模式不同，光纖可分為單模光纖和多模光纖。

1)單模光纖

單模光纖(SingleModeFiber)的中心玻璃芯很細(xì)(芯徑一般為2～12μm)，只能傳輸一種模式的光，因此，其模間色散很小，適用于遠(yuǎn)程通信。但單模光纖也存在著材料色散和波導(dǎo)色散，這樣它對(duì)光源的譜寬和穩(wěn)定性就有較高的要求，即譜寬要窄，穩(wěn)定性要好。后來(lái)人們又發(fā)現(xiàn)在1.31μm波長(zhǎng)處，單模光纖的材料色散和波導(dǎo)色散一為正、一為負(fù)，大小也正好相等，即在1.31μm波長(zhǎng)處單模光纖的總色散為零。從光纖的損耗特性來(lái)看，1.31μm處正好是光纖的一個(gè)低損耗窗口。這樣，1.31μm波長(zhǎng)處就成了光纖通信的一個(gè)很理想的工作窗口，也是現(xiàn)在實(shí)用光纖通信系統(tǒng)的主要工作波段。1.31μm常規(guī)單模光纖的主要參數(shù)是由國(guó)際電信聯(lián)盟ITU-T在G652建議中確定的，因此這種光纖又稱為G652光纖。典型單模光纖結(jié)構(gòu)圖如圖1-1所示。圖1-1典型單模光纖結(jié)構(gòu)圖

2)多模光纖

多模光纖(Multi-ModeFiber)的中心玻璃芯較粗(50μm或62.5μm)，可傳輸多種模式的光，但其模間色散較大，這就限制了傳輸數(shù)字信號(hào)的頻率，而且其色散隨距離的增加會(huì)更加嚴(yán)重。因此，多模光纖傳輸?shù)木嚯x比較近，一般只有幾千米。

圖1-2光纖中的光傳輸示意圖

3.按照性能和用途不同進(jìn)行的分類

按照性能和用途不同，光纖可分為通信光纖和特種用途光纖(如照明光纖)。1.2.2石英光纖的選材要求和原料

石英光纖的選材要求如下：

(1)必須能夠拉制成很長(zhǎng)、很細(xì)、可卷繞的纖維。

(2)對(duì)特定的光波必須是透明的，以便光纖可以有效地導(dǎo)光。

(3)物理性能合適，使得拉制成的光纖纖芯與包層折射率僅有稍許差異。

制備石英光纖的原料是一些高純度的鹵化物化學(xué)試劑，常見(jiàn)的有液態(tài)四氯化硅(SiCl4)、四氯化鍺(GeCl4)、三氯氧磷(POCl3)、三氯化硼(BCl3)、三氯化鋁(AlCl3)、三溴化硼(BBr3)以及氣態(tài)六氟化硫(SF6)、四氟化碳(C2F4)等。表1-1所示為這些原料的常用參數(shù)。

表1-1石英光纖材料的常用參數(shù)1.2.3摻雜劑對(duì)光纖性能的影響

制作光纖時(shí)，采用特殊工藝在光纖芯層中摻入濃度極低的稀土元素，如鉺、鐠或銣等，可制作出相應(yīng)的摻鉺、摻鐠或摻銣光纖。光纖中的摻雜離子在受到泵浦光激勵(lì)后會(huì)躍遷到亞穩(wěn)定的高激發(fā)態(tài)，在信號(hào)光的誘導(dǎo)下，將產(chǎn)生受激輻射，形成對(duì)信號(hào)光的相干放大。

摻稀土元素的光纖放大器是利用光纖中摻雜稀土元素(如鉺、鐠等)引起增益而實(shí)現(xiàn)光放大的。其優(yōu)點(diǎn)是工作波長(zhǎng)恰好落在光纖通信的最佳波長(zhǎng)區(qū)(1.3～1.6μm)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，與線路的耦合損耗很小，噪聲低，增益高，頻帶寬，與光纖偏振狀態(tài)無(wú)關(guān)，所需泵浦功率也較低。1.2.4摻雜離子對(duì)光纖性能的影響

鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)、銅(Cu)、錳(Mn)、鉻(Cr)、釩(V)以及氫氧根(OH-)的含量超限會(huì)引起光纖吸收損耗。所以一般要求銅、鐵、鈷、鎳、錳、鉻、釩等過(guò)渡金屬離子雜質(zhì)含量低于10

×

10-9，OH-離子含量也要求低于10

×

10-9。

氫氧根在普通材料制的光纖其工作波段上有三個(gè)吸收峰，它們分別是0.95μm、1.24μm和1.38μm。其中，1.38μm波長(zhǎng)的吸收損耗最為嚴(yán)重，對(duì)光纖的影響也最大。在1.38μm波長(zhǎng)，含量?jī)H占0.0001的氫氧根產(chǎn)生的吸收峰損耗就高達(dá)33dB/km。1.2.5光學(xué)玻璃材料的特性指標(biāo)

表1-2所示為幾種光學(xué)玻璃材料的特性指標(biāo)。

表1-2幾種光學(xué)玻璃材料的特性指標(biāo)1.2.6不同類型原材料的特點(diǎn)與摻雜技術(shù)指標(biāo)

1.石英玻璃

石英玻璃大致可分為以下幾種：透明石英玻璃(外徑為1.5～300mm)、濾紫外線石英玻璃、彩色石英玻璃等。圖1-3所示為常見(jiàn)的石英玻璃管。

圖1-3常見(jiàn)的石英玻璃管石英玻璃是用二氧化硅制造的特種工業(yè)技術(shù)玻璃，是一種非常優(yōu)良的基礎(chǔ)材料，具有以下優(yōu)良性能：

(1)耐高溫。石英玻璃的軟化點(diǎn)溫度約為1730℃，可在1100℃下長(zhǎng)時(shí)間使用，短時(shí)間最高使用溫度可達(dá)1450℃。

(2)耐腐蝕。除氫氟酸外，石英玻璃幾乎不與其他酸類物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，其耐酸能力是陶瓷的30倍，是不銹鋼的150倍，尤其是它在高溫下的化學(xué)穩(wěn)定性，是其他任何工程材料都無(wú)法比擬的。

(3)熱穩(wěn)定性好。石英玻璃的熱膨脹系數(shù)極小，能承受劇烈的溫度變化，將石英玻璃加熱至1100℃左右，放入常溫水中也不會(huì)炸裂。

(4)透光性能好。石英玻璃在紫外線到紅外線的整個(gè)光譜波段都有較好的透光性能，可見(jiàn)光透過(guò)率在93%以上，在紫外光譜區(qū)，最大透過(guò)率可達(dá)80%以上。

(5)電絕緣性能好。石英玻璃的電阻值相當(dāng)于普通玻璃的一萬(wàn)倍，是極好的電絕緣材料，即使在高溫下也具有良好的電絕緣性能。

2.

SiCl4

四氯化硅的工業(yè)制法主要是將工業(yè)硅在400～500℃下氯化，再經(jīng)冷凝。粗制四氯化硅(98%～99%)中常含有硼、磷、鈦、銅、碳、鐵、錫、銻等多種雜質(zhì)化合物。對(duì)光纖原料純度的控制是光纖產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵，因?yàn)樗苯佑绊懝饫w的損耗特性。為保證光纖具有低損耗，理論上要求原料中雜質(zhì)含量不超過(guò)10-9量級(jí)，實(shí)際中純度要求9個(gè)9以上。

3.

GeCl4

光纖用GeCl4除了要求其過(guò)渡金屬雜質(zhì)含量很低外，還對(duì)其含有的氫雜質(zhì)(OH-、含C-H鍵的化合物、HCl)有嚴(yán)格的要求。光纖損耗包括吸收損耗和色散損耗，金屬離子(Fe、Co、Cr、Mn等)和含氫雜質(zhì)的存在是產(chǎn)生吸收損耗的主要原因。為了使吸收損耗小于1dB/km，光纖中的雜質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)不應(yīng)超過(guò)10-8%～10-7%。在研究OH-對(duì)摻雜GeCl4光纖吸附的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，在紅外光譜中存在許多吸收峰：0.725μm、0.825μm、0.875μm、0.950μm、1.24μm、1.38μm，尤其在1.24μm和1.38μm處有強(qiáng)的吸收峰。當(dāng)光纖中OH-的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10-4%時(shí)，其在1.38μm處的吸收損耗相當(dāng)于55dB/km。有人證明，在PCVD工藝中，原料中每80個(gè)氫原子中就有一個(gè)在光纖中形成OH-。為了使OH-不對(duì)1.2～1.6μm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光纖損耗產(chǎn)生影響，光纖中OH-的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不應(yīng)超過(guò)10-7%。

4.光纖涂料

1)光纖涂料的主要應(yīng)用方面

光纖涂料主要應(yīng)用于光纖制棒后的拉絲工藝中。預(yù)制棒是光纖的原料，對(duì)光纖的性能、質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用，其制備是光纖生產(chǎn)的核心技術(shù)。拉絲工藝通常是指將用氣相沉積法工藝和外包層技術(shù)結(jié)合制成的大預(yù)制棒直徑縮小且保持芯包比和折射率分布恒定的操作。在拉絲工藝中，將預(yù)制棒拉成光纖的同時(shí)，由特定的化學(xué)工藝(比如熱固化和紫外固化)將光纖涂料直接涂到光纖上。通俗地講，可以將光纖涂料比作光纖的貼身內(nèi)衣，而光纜外護(hù)套則相當(dāng)于光纖的外衣。

2)光纖涂料的主要作用

光纖涂料是當(dāng)今高速光纖網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，有助于防止信號(hào)流失，延長(zhǎng)光纖的使用壽命，提升性能。影響光纖質(zhì)量的因素主要有兩個(gè)：預(yù)制棒有氣孔，這跟光纖的生產(chǎn)工藝和技術(shù)密切相關(guān)；另外一點(diǎn)，也是最容易被忽視的一點(diǎn)便是光纖涂料。實(shí)際上，光纖涂料有兩個(gè)主要的作用。首先，確保光纖正常工作，這是光纖涂料最重要的作用。光纖是一種十分脆弱的產(chǎn)品，它需要通過(guò)涂料充分保證高速有效的信號(hào)傳輸。其次，光纖涂料對(duì)光纖的機(jī)械性能有決定性影響，并且涂料成本占光纖成本的8%。1.2.7檢測(cè)儀器與檢測(cè)指標(biāo)要求

1.精餾塔

精餾塔實(shí)物圖如圖1-4