第五章 光纤的材料与制造、光纤的分类、光缆—1

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1、第第5 5章章 光纤的材料与制造、光纤光纤的材料与制造、光纤的分类、光缆的分类、光缆5.1 5.1 光纤的材料与制造光纤的材料与制造 材料是光纤的核心问题，对光纤制造材料的三个基本要求是： 高透明性，这是为实现长距离光通信而对光纤材料提出的最重要的质量要求；能将这种材料拉制成沿长度方向均匀分布、具有明晰的纤芯包层界面结构的细长纤维；能适应所需要的工作环境，如高低温、电磁、潮湿等环境。总之，光纤是由高度透明介质材料拉伸为细丝而制成的。 实际应用中的光纤材料，依据其所含化学元素区分，主要有三大类型：应用于传像与传光的“多组分玻璃”(multi-component glass)光纤；大量应用于光通信

2、的石英光纤，又称为“高硅玻璃”(high-silica content glass)光纤；以及“塑料光纤”(plastic optical fiber)。光纤的制造工艺方法也因材料类型与应用要求的不同而不同，以下分别简要介绍。5.1.1 5.1.1 玻璃光纤（多组分玻璃光纤）玻璃光纤（多组分玻璃光纤） 玻璃是一种非晶固体，普通玻璃是石英和其他氧化物所组成的非晶化合物，它是制造光 纤最常用的一类材料。普通窗玻璃看似透明，实际上由于杂质大量存在，光在其中衰减严重，透过率很低；18世纪以后，由于光学仪器工业发展的需求，材料更纯、损耗降低而透明度更高、缺陷更少的各类光学玻璃大量出现。通过掺杂不同的化合

3、物，可以获得具有不同折射率的各种规格光学玻璃。标准光学玻璃在可见波长区的折射率分布在1.441.80的范围内。其中，纯二氧化硅的折射率最低。 利用光学玻璃制造的玻璃光纤，其纤芯材料为具有高折射率的多组分光学玻璃，而包层材料为具有低折射率的光学玻璃。常用的多组分玻璃配方成分有钠-硼硅酸盐玻璃(Na-B-Si)、钾-硼硅酸盐玻璃(K-B-Si)、钠-锌-铝-硼硅酸盐玻璃(Na-Zn-Al-B-Si)等。 由光学玻璃制成的玻璃光纤虽然比普通窗玻璃的透明度大为提高，但仍具有较高的衰减值，一般约为1dB/m(或1000dB/km)。其原因在于，生产光纤的原料(SiO2)中不可避免地含有铁、铜、钴、镍、镁

4、、铬等过渡族微量金属元素杂质，它们对0.61.6mm的可见光及近红外光具有较强的吸收，因而，不适合于制作通信光纤。 但是，对于制造传输照明光能或图像的各类传光束、传 像束、光纤面板等光纤器件，这样的衰减与透过率值可以满足使用要求。表5.1给出了现行生 产的多组分玻璃光纤的一些主要性能参数与技术指标。性能参数单丝直径（mm）数值孔径孔径角透过率（每米）光纤强度一般温度（）光谱范围（nm）技术指标15550.56，0.60，0.64，0.8370，75，80，12056%150/m-40 1503801300表表5.1 5.1 多组分玻璃光纤的主要性能参数与技术指标多组分玻璃光纤的主要性能参数与技

5、术指标 制造玻璃光纤采用直接拉丝工艺，即直接采用纤芯和包层材料拉制光纤。具体有两种方法：棒管法与双坩埚法。1. 1. 棒管法棒管法 “棒管法”(rod-in-tube method)是最简单的光纤拉制工艺，方法是将具有较高折射率的 芯玻璃棒插人较低折射率的玻璃管中，然后通过电炉将其加热，使玻璃管熔化到棒上，形成 一个更粗的固体棒，称为“预制棒”。随后将预制棒由送料机构以一定的均匀速度向管状电 炉中输送，即将棒的一端高温加热，则从预制棒熔融的另一端就能拉出细丝状的玻璃光纤。 其过程如图5.1所示。其中，拉丝速度v2可按如下经验公式计算： 式中，f1、f2分别为玻璃管的外径与内径，f为预制棒直径，

6、d为要求拉成光纤的直径，v2 为预制棒的送料速度。22222112)(dvvfff 为了减少由于光纤芯与包层界面的反射不完全而造成的传输损失，要求芯-包层界面对于传输的光波段必须非常干净、光滑。为此，要求插人到管中的棒表面必须经过火焰抛光，而非机械抛光。因为后者易在芯-包层界面产生散射光的损失；另外，拉丝温度必须得到严格控制。对于制造传像束与传光束的光纤，为减少成束后照射到包层界面上的光能损失，以提高成束后的积分透过率，光纤的包层通常很薄（例如，一般包层厚度约为芯径的1/10量级）。棒管法的优点是，控制温度较低，操作工艺简单方便。其缺点是，拉丝效率低，不能连续生产，损耗较大，可以高达400dB

7、/km。2. 2. 双坩埚法双坩埚法 另一种制造玻璃光纤的方法是“双坩埚法Double-Crucible (DC) method”。这种方法出现于20世纪60年代，它是利用一对底部开有小孔、内坩埚与外嵌套坩埚严格同轴的铂制双层坩埚拉丝（将折射率高低不同的芯玻璃与包层玻璃从坩埚顶部分别放人内外双层坩埚中，然后将其在高温下熔化。芯、包层玻璃经熔融后通过同轴漏咀流出，并被连续拉制成光纤。双坩埚拉丝装置示意图如图5.2所示。 双坩埚法拉制光纤的优点是:节约材料，降低成本，制造工艺简单，可以一道工序完成拉丝，并可连续大长度拉丝，温控要求简单方便；存在的缺点是，杂质污染的控制较难，因而制出的光纤损耗较大。

8、 这种方法主要适用于制造多组分玻璃光纤及光纤朿。我国南京玻璃纤维研究设计院在20世纪70年代设计研制出双坩埚同轴内外漏嘴的整体配合结构；进而于1990年研制成功20孔双坩埚多组分玻璃光纤拉制工艺设备，大大提高了生产效率与质量；2003年更研制成功具有国际领先水不的56孔双坩埚拉制玻璃光纤工艺设备，具备了拉制6千克/小时高质量光纤的生产能力。该56孔双坩埚拉制的光纤丝达到的主要技术指标如表5.2所示。双坩埚漏嘴数丝径规格/m56根光纤丝径一致性单纤丝径均匀性/mNA包层厚度/m传输光谱/nm56孔15554（2m）10.6211.53501300表表5.2 565.2 56孔双坩埚拉丝设备达到孔

9、双坩埚拉丝设备达到的主要技术指标的主要技术指标 目前，多组分玻璃光纤通常都是用双坩埚法制造的。 利用棒管法与双坩埚法制造的常规多组分玻璃光纤，具有大的数值孔径，主要用于传光与传像器件制造方面。但是，由于光纤材料中金属元素杂质的吸收以及制造工艺过程中的气泡、结石、条纹等散射所造成的严重损耗影响，使其无法成为通信用光纤。 为了获得具有低损耗、高透明度的单模与多模石英系通信用光纤，必须将光纤材料中的金属杂质含量降至十亿分之一以下的水平，即得到高纯度的二氧化硅。因为这种材料在可见光到1.6mm的近红外波长范围实际上没有吸收。5.1.2 5.1.2 熔石英光纤（石英系光纤）熔石英光纤（石英系光纤）1.

10、1. 材料与提纯材料与提纯 目前通信用的光纤主要是石英系光纤即熔石英光纤，其主要成分是高纯度的SiO2玻璃。熔石英是现代通信光纤的基础材料，它是用合成方法制成的，即在氢氧焰中燃烧高纯度液态的四氯化硅(SiCl4)或其他卤化物化学试剂(如GeCl4)，产生氯化物蒸气和二氧化硅，然后沉淀成为白色蓬松的粉尘状物。由于制作熔石英光纤的试剂材料的纯度直接影响光纤的损耗特性，为保证光纤的低损耗、高透明性，要求试剂材料的杂质含量不超过ppb(part per billion，十亿分之一，即110-9)的量级。 由于大部分卤化物试剂材料中的杂质含量均不符合要求，为此需进行提纯。利用被提纯物质与杂质沸点的不同，

11、可以清除杂质即提纯，此即精馏法。 四氯化硅在室温下是液体，在58时即可沸腾；而铁、钴、镍、锰、铬、铜等杂质氯化物的沸点比四氯化硅的沸点高得多。因而当四氯化硅变成蒸氧与氧气反应时，这些杂质的氧化物仍为液态。利用精馏法可清除过渡金属杂质；配合以“吸附法”清除OH-。这种“精馏-吸附-精馏”交替进行的综合提纯法，比用湿化学方法可得到更高纯度的SiCl4，将杂质降低至10亿分之一量级的水平(例如有害金属杂质的总含量降低至510-9以下，产生OH-的含氧化合物含量小于0.210-9)，从而生产出透明度极高的石英光纤。精馏-吸附综合提纯法的工艺流程示意图如图5.3所示。图图5.3 5.3 精馏一吸附综合提