第二章光纤拉制及成缆

第 2 章光纤拉制及成缆2.1 光纤的分类2.2 光纤材料2.3 光纤的拉制2.4 光纤成缆技术思考与练习随着通信技术的进一步发展, 光纤光缆已逐步取代电缆成为国家通信的主干线。

内容：光纤的种类、材料和制作方式, 以及光缆的类型、设计要求和制造工艺、拉制和成缆。

2.1光纤的分类光纤的基本结构十分简单,是由光折射率较高的纤芯和折射率较低的包层所组成。

纤芯和包层的折射率差异导致光在纤芯发生全内反射,从而使光在纤芯内传播。

为了保护光纤不受外力和环境的影响,在包层的外面一般都加有涂敷层。

典型的通信用光纤截面图,对于单模光纤,其标准包层直径是125μm,加上涂敷层后,光纤直径约为250μm。

不同类型的光纤虽然由纤芯、包层、涂敷层三个基本部分组成,各自的几何尺寸差异却很大。

bbaa a a bbrr芯区包层涂层n 1n 1n 2n 2nn 0(a)(b)阶跃光纤渐变光纤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方式多种多样, 一般按照光纤内部光能传输的稳定模式数来确定。

多模光纤：能以多种模式传光的光纤即为多模光纤。

单模光纤：而只能传输单一模式的光纤则称为单模光纤。

多模光纤阶跃多模光纤和渐变光纤阶跃多模光纤是一种具有大的芯径和大的数值孔径的光纤, 纤芯与包层界面上折射率呈阶跃分布, 即纤芯和包层的折射率各自保持常数, 纤芯折射率较高, 包层折射率较低, 一般由多组分玻璃化合物或掺杂石英玻璃制成。

大芯径和大的数值孔径有利于提高光纤收集光功率的效率, 在图像传输和照明中使用广泛;但芯径和数值孔径的增大也使光纤的模式色散增加, 不利于长途通信。

渐变光纤的横截面折射率则是渐变的,芯径相对较小,具有更好的抗弯曲性能。

制备这种光纤选用的材料纯度比大多数阶跃光纤材料纯度高,加上折射率梯度分布,使得这种光纤具有小的色散和低的衰减,其性能特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残余色散,不同模式间相互干扰还会产生模噪声,从而限制了渐变光纤的性能,使这种光纤同样不适合于长距离通信。

单模光纤单模光纤以其损耗低、频带宽、容量大、成本低、易于扩容等优点, 成为一种理想的长距离通信介质得到广泛的应用。

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,单模光纤的传输距离、通信容量和传输速率都得到了很大的提高。

但复用技术也使光纤的色散和非线性效应更为显著, 为解决光纤的色散问题,研究人员开发出了几种折射率特殊分布的单模光纤: 非色散位移光纤、色散位移光纤、截止波长位移光纤、非零色散位移光纤、色散平坦光纤、色散补偿光纤。

光纤其他分类光纤按其本身的材料组成不同, 可分为石英光纤、多组分玻璃光纤、液芯光纤、塑料光纤、氟化物光纤、硫硒碲化合物光纤。

按光纤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。

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。

按光纤用途不同, 除通信用的光纤外, 还有军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、特种传感器用的偏振光纤。

表2. 1 大芯径阶跃折射率石英光纤的特性*光纤类型纤芯包层直径/μm 0.82μm处的衰减/(dB/km)0.82μm处的带宽/MHz・km数值孔径NA石英包层100/ 1205200. 22硬包层125/ 14020200.48塑料包层,低OH200/ 3806200.40塑料包层,高OH200/ 38012200.40石英包层400/ 50012—0.16硬包层550/ 60012—0.22石英包层1000/ 125014—0.16塑料包层,低OH1000/ 14008—0.40* 芯径超过200μm 的光纤的带宽未给出额定值, 因为它们很少用于通信。

2. 2 光纤材料1.光纤材料的选择材料是光纤的核心, 如果没有高度透明的材料, 光纤通信是不现实的。

在选择制造光纤的材料时主要考虑的因素有: 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。

气体材料在可见光和近红外区域光衰减很小, 但折射率难以控制。

一些液体材料的光衰减也很小, 但液体的折射率随温度变化明显, 同样难以对折射率实现精确控制。

固体材料的光衰减虽然较大, 但光学特性稳定, 也容易实现对折射率的控制。

固体材料可分为非晶体材料和晶体材料。

晶体材料(如石英、蓝宝石、碱金属卤化物晶体)的光衰减比非晶体材料低, 但晶体材料的大规模生产极为困难, 而且晶体材料的折射率也不易控制。

非晶体材料中的玻璃是理想的光纤材料, 因为某些氧化物玻璃和氟化物玻璃在可见光和红外区域具有很小的光衰减, 这些玻璃极易制成纤维, 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。

由SiO2组成的石英玻璃对可见光和近红外光有很高的透光能力, 并且这种玻璃具有良好的化学稳定性和较高的机械强度, 通过添加不同的掺杂剂, 也很容易改变石英玻璃的折射率。

石英玻璃来源充足、价格低廉, 是制作光纤的首选材料。

石英光纤的主要原料是高纯度卤化物, 如四氯化硅( SiCl4) 、四氯化锗( GeCl4) 、三氯化磷( PCl3) 、三氯化硼( BCl3) 、三氯化铝( AlCl3)等。

液态试剂沸点低、易汽化, 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。

其中金属杂质的吸收峰值波长区域从紫外波段0. 2μm起, 经过可见光波段, 一直到红外的1. 1μm 附近, 它们将严重影响光纤0. 85μm 短波长波段的衰减。

2. 光纤材料的提纯而OH-有很大的变形性, 容易产生振动吸收, 其影响程度和范围都很大,OH吸收衰减是影响光纤波长波段( 1. 0～1. 8μm) 衰减的主要因素。

得到低损耗光纤, 必须降低试剂中金属杂质的总浓度, 尽量消除OH-离子的影响, 因此必须对卤化物原料进行严格的提纯。

分类:精馏法、吸附法或精馏吸附混合等方法。

过程:在氢氧火焰中燃烧SiCl4, 产生氯化物蒸气和二氧化硅, 然后沉淀成白色、蓬松的粉尘状物。

由于SiCl4的沸点为57. 6℃, SiCl4变成蒸气与氧气反应, 而其他铁、铜等金属氯化物沸点比SiCl4高得多, 在57. 6℃时仍然是液态。

目前广泛采用的提纯技术优点: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, 能满足生产光纤的需要。

缺点:精馏法不能有效地除去沸点与SiCl4相近的杂质和某些极性杂质,SiCl4中的OH-对光纤的损耗影响最大。

原因: 它主要来源于SiHCl4和其他含氢化合物,这些物质大多有极性, 容易形成化学键被吸附剂吸收。

而SiCl4是非极性分子, 有稳定的电子结构, 不易形成化学键, 不易被吸附剂吸收。

解决办法:可利用被提纯物和杂质的化学键极性不同, 选择适当的吸附剂, 用吸附方法实现提纯的目的。

对于气态原料, 采用吸附法除去杂质。

当气体原料通过一级或多级净化器后, 可以达到要求的纯度。

目前通过蒸馏、吸附提纯方法, 可以将原料中的绝大部分过渡金属杂质浓度减少至10-9以下, 从而可以忽略过渡金属离子对损耗的影响。

通过改进工艺, 基本上可消除OH离子的影响, 实现长波长“低衰减窗口”(1.30μm、1.55μm), 使得光纤的损耗谱实现了“全窗口”谱线。

图2.1精馏吸附混合法提纯流程图3. 光纤材料的折射率控制提纯后的石英是制造光纤的基本材料, 但也不能用纯石英来制造光纤。

原因：光纤需要高折射率的纤芯和低折射率的包层, 而所有纯石英具有单一的折射率, 从0.55μm处的1. 46 减小到1. 81μm处的1. 444。

解决方法：需要对石英掺杂, 以改变它的折射率, 但掺杂必须选择, 以避免吸收光或对光纤质量和透明性产生其他有害影响。

图2. 2 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。

大部分掺杂剂能使石英的折射率增加, 可用于光纤的高折射率纤芯, 而纯石英用作较低折射率的包层。

最常见的纤芯掺杂剂是锗, 它在化学上与硅相似, 锗对光的吸收相当低, 二氧化锗(GeO2) 与石英一样, 也能用于制造玻璃。

从图2. 2可知, 仅有几种材料能降低石英的折射率, 其中最常用的是氟, 它降低石英的折射率后可用作光纤的底折射率包层, 从而使采用纯石英纤芯成为可能。

硼也可以降低纯石英的折射率, 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。

图2. 3 三种阶跃光纤掺杂方式和折射率曲线。

匹配包层光纤是对光纤纤芯掺杂, 使其折射率高于纯石英的折射率, 而纯石英可用于整个包层;凹陷包层光纤以更少的掺杂使光纤纤芯的折射率增加较小, 同时对包层掺杂( 通常用氟) , 以降低包层的折射率;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。

前两种设计通常用来制造单模阶跃光纤, 后一种设计可制造多模阶跃光纤。

2. 3 光纤的拉制作为一种特殊的传光物质, 除对光纤结构、材料有特殊要求外, 其制作工艺也相当重要。

光纤制造要经过如图2. 4 所示的流程。

所有这些工艺是全自动且高效的。

在获得折射率分布图和所需尺寸特性方面, 每种方法都可达到高级别的精度。

图2. 4 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, 就可以开始制纤了。

首先是制棒, 即制作预制棒。

制作出的预制棒一般是直径10～20cm, 长50～100cm 的圆柱形硅化合物。

预制棒结构是由外部折射率较低的包层和具有特定折射率分布图、损耗和其他特性的纤芯组成, 简单地说这就是一根加粗加大的光纤。

光纤预制棒的工艺制作光纤预制棒的工艺很多, 大体可分为气相沉积法和非气相沉积法。

过程：气相沉积法是预制棒制备最常采用的方法。

它是将液态的SiCl4 、掺杂剂和氧气混合, 在反应室内发生氧化反应生成氧化物的粉尘, 这些粉尘沉积在基底棒或管上形成预制棒。

控制：由于粉尘是层层覆盖堆积升高的, 通过控制掺杂剂浓度, 精确地控制各层粉尘的折射率分布, 得到梯度折射率或阶跃折射率分布。

气相沉积法气相沉积法根据粉尘状物沉积方式和最终熔化为预制棒方式的不同：可分为棒外气相沉积法、改进的气相沉积法、等离子气相沉积法、轴相气相沉积法。

优点：气相沉积法可以制造优质光纤,缺点：但该方法所需原料昂贵、工艺复杂、光纤材料品种单一。

1) 化学气相沉积法( CVD)美国康宁公司1970 年首先得到20dB/ km 的低损耗光纤所采用的方法——化学气相沉积法, 它是光纤制造采用的基本工艺。

这种工艺必须满足两个要求, 即高纯度和精确控制折射率分布。

为形成具有光学质量的玻璃, 还必须将沉积产生的高纯度石英玻璃粉末进行烧结处理。