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1、 5.6 光 导 纤 维,现代通信网络的主要传输媒介,光纤之父 高锟,光纤通信是利用光波作载波，以光纤作为传输媒质将信息从一处传至另一处的通信方式。1966年英籍华人高锟博士发表了一篇划时代性的论文，他提出利用带有包层材料的石英玻璃光学纤维，能作为通信媒质。从此，开创了光纤通信领域的研究工作。1977年美国在芝加哥相距7000米的两电话局之间，首次用多模光纤成功地进行了光纤通信试验。 1995年底，全球已敷设光缆已超过1100万千米。,Characteristic,光导纤维的特性,传输损耗小引起损耗的主要原因是光的吸收与散射 传输频带宽引起光脉冲扩展的主要原因是模色散，长波长的单模光纤已成为最
2、有效的光通信材料 机械性能好光纤极细且很长，要求它具有很高的强度和抗疲劳能力,全反射-光纖材料的應用原理,全反射為光線由折射率較大的介質射向折射率較小的介質時，入射光線將全部反射回來，不會有折射發生。,18.3.1 光导纤维的种类和特性概况光导纤维(optical fibre，简称光纤)定义能够以光信号而非电信号的形式传递信息(光束和图像)的具有特殊光学性能的玻璃或塑料纤维分类按功能可分为传光纤维与传像纤维按传输模式可分为多模(multiple model，MM)光纤和单模(single model，SM)光纤，多模光纤能够同时传播多种光波模式，单模光纤只能传输一种光波模式。后者可传输更多的信
3、号按光纤的材料成分可分为石英类、多组分玻璃类及有机高分子塑料光纤,表20.5 光纤的种类与材料,对通信石英光纤的要求作为光通信媒介物的光导纤维应具有三个特性(1)传输衰耗小 常以每公里损失的分贝数(dBkm)表示(2)传输频带宽现多用单模光纤(3)机械性能好为保护光纤拉丝后的强度，光纤拉出后，必须立即被覆一层或二层保护性的涂膜。以提高使用寿命,2032 光导纤维的制备石英光纤制备的要求光纤制备必须严格控制杂质的含量，尤其是金属离子和羟基离子二者的存在会引起传输衰耗大辐度地上升。一般金属离子的浓度应在10-9级范围，羟基离子浓度一般为10-410-7光纤的尺寸和形状纤芯直径的波动会产生大的传输衰
4、耗甚至不能使用，形状对称性的改变会严重影响光纤之间的连接化学组成组成的微小变化，会影响纤芯的折射率，增加传输衰耗光纤的制备工艺光纤制造一般先制备预制棒，总共包括三个步骤： Fabrication of the preform Drawing the fiber from the preform Coating and jacketing process,概述The preforms are fabricated using chemical vapor deposition methods：Modified Chemical Vapor Deposition (MCVD) 最常用的预制棒制备方
5、法Plasma Modified Chemical Vapor Deposition (PMCVD) Plasma Chemical Vapor Deposition (PCVD) Outside Vapor Deposition (OVD) Vapor-phase Axial Deposition (AVD),1. 预制棒的制造,All these methods are based on thermal chemical vapor reaction that forms oxides, which are deposited as layers of glass particles ca
6、lled soot, outer rotating rod or inside glass tube. The same chemical reactions occur in both methods. Starting materials are solutions of SiCl4, GeCl4, POCl3, and gaseous BCl3. These liquids are evaporated within oxygen stream and form silica and other oxides., 主反应在“玻璃车床”上用超纯的SiCl4与O2和H2在14001600下反
7、应：SiCl4(g) + O2(g) + 2H2(g) = SiO2(g) + 4HCl(g) 掺杂反应生成GeO2、P2O5、B2O3等：GeCl4 + O2 GeO2 + 2 Cl24 POCl3 + 3 O2 2 P2O5 + 6 Cl24 BCl3 + 3 O2 2 B2O3 + 6 Cl2 GeO2、P2O5 increase the refractive index of glass；B2O3 decreases the refractive index of glass. These oxides are known as dopants. Changing compositio
8、n of the mixture during the process influences refractive index profile of the preform.,Preparation,化学气相沉积法制石英光纤,MCVD,A. 光纤预制棒制造,MCVD（改进的化学气相沉积）,MCVD技术由Bell Laboratories 研发一支超纯石英管装载于一台装有氢氧喷灯玻璃车床上。氯化物和氧气从石英管的一端馈入管中，在喷灯提供的高温下反应，在喷灯的下游所生成的烟灰状二氧化硅和二氧化锗亚微米颗粒沉积于石英管的内壁上。当喷灯经过沉积物时，它们就被凝固为固态的玻璃。改变硅、锗氯化物的比例，可
9、形成折射率梯度（更多的锗，更高的折射率）。优点：沉积和溶缩一步完成，避免了可能的污染缺点：时间长，生产效率不高。,PMCVD（等离子辅助改进的化学气相沉积）,In addition to the normal MCVD technique the radio-frequency coil around the tube generates an internal high temperature plasma.,Plasma Modified Chemical Vapor Deposition,Deposition by PMCVD process,OVD,OVD外部气相沉积,四氯化硅和四氯化
10、锗的混合汽以及氧被馈送到火焰中。反应生成的二氧化硅和二氧化锗烟灰状颗粒被沉积在一支氧化铝芯棒上以形成烟灰状颗粒预制棒，当芯层沉积完成后，接着必须沉积包层。在足够的芯灯和包层沉积之后并移去芯棒后，烟灰颗粒状预制棒被置于烧结炉中脱水、烧结和熔缩以闭合芯棒留下的孔。一个透明、固态的预制棒就可以进入拉丝工序了。,VAD,VAD垂直轴向气相沉积,在轴向上沉积烟灰状颗粒。预制棒在长度方面生长，在沉积开始时采用了一个芯棒。烧结后的预制棒仍然较短和粗，它们需要进一步的拉伸以符合随后工序的要求。应用专门的干燥工艺VAD现在可以生产非常低水峰的光纤供全带应用。,PCVD,PCVD等离子化学汽相沉积,Plasma
11、Chemical Vapor Deposition (PCVD)与PMCVD相似，都采用等离子辅助产生高温。不过以微波空腔共振器代替射频线圈，产生等离子环境。 SiO2和GeO2直接被沉积为一层透明玻璃。没有烟灰状颗粒形成或沉积，所以无须应用固态工序。,四氯化硅和四氯化锗以及氧的混合物馈入一个超纯石英管，在反应区内，SiO2和GeO2直接被沉积为一层透明玻璃。没有烟灰状颗粒形成或沉积，所以无须应用固态工序。由于它的沉积层非常薄，于是可以按照设计实现精密的折射率剖面。因此能生产世界上顶级的多模光纤和复杂折射率剖面的光纤。优点：其原料的利用率非常高，几乎是100%，为其它工艺方法的两倍。缺点：反应
12、温度高，需要更高纯度的原料。,熔缩,熔缩,从烟灰soot粒子的有空隙堆积 到 无空隙紧密堆积,在熔缩过程中，由于二氧化锗在高温下蒸发，在折射率剖面的中央会出现一个凹陷。为消除这个降低光纤质量的凹陷，在管子还没闭合前的熔缩最后阶段，采用氟利昂腐蚀工艺。,套管,为了提高效率，预制棒装入一作为机械包层的石英套管内后，再拉制光纤。,等离子包层沉积,等离子包层沉积,阿尔卡特则采用高频等离子来沉积机械包层。,过滤的空气被馈入一个等离子喷灯，一个高频感应线圈将其加热到高温。在氩气流中以电火花激发并使其达到导电状态，然后由感应电流加温，然后将气流切换到该工艺所用的空气流。高度纯化的石英颗粒被馈送至等离子高温火
13、焰区，许多层被沉积于预制棒上，直到所要求的直径为止。一个可视系统按要求的直径自动地调整包层的外径。优点：使用廉价的原材料没有腐蚀性和危险性的副产品，免除了装备污染处理装置。所达到的高温(10000C)，进一步纯化了石英颗粒。,2. 光纤拉制,单涂层,双涂层,拉丝,B. 拉丝,其一端加工成圆锥形并接上一小段石英棒的预制棒固定于预制棒馈入器上，当锥形端馈入至温度约2200C的拉丝炉中一定时间后，一个溶化的垂体形成并下落，随着下落，一根细的光纤就形成了。加热元件由氩气保护以防止元件在空气中烧毁。采用了氦气流以保护预制棒免受污染，,光纤的缺陷、有害杂质控制和表面侵蚀需严格控制，否则产生强烈吸收衰减缺陷
14、结构：Si-H、Si-OH,筛选,C. 筛选,张力筛选,光纤着色,光纤着色,J,光纤的结构着色层芯层 5m 包层125m内涂层外涂层光纤带的结构,光缆的结构束管式纤膏加强芯缆膏固架式光纤带,UV固化的原理组成UV固化材料主要由光引发剂、预聚物、活性稀释单体和各种添加剂组成光引发剂吸收UV辐射后，分裂成自由基或阳离子，随即引发带有双键的预聚物和活性稀释单体的链式聚合反应，当条件合适时可在极短的时间内交连、固化。例，二苯甲酮活性稀释单体既可起到降低系统粘度的作用，又可参与固化反应，成为固化材料的一部分。例，1,6已二醇二丙烯酸酯：CH2CHCOOCH2(CH2)4CH2COOCHCH2预聚物固化膜
15、的主体，决定了固化材料的主要性能。例，环氧丙烯酸酯聚氨酯丙烯酸酯,UV固化的优点 UV固化具有“4E”的优点省能耗(Energy)无污染(Ecology)速率快(Efficiency)经济(Economy)也代表了传统的热固化涂料工艺的一个改进方向。用于光纤的UV固化涂料则是UV固化工艺杰出的应用实例之一UV固化的不足固化膜收缩较多暗处难固化厚层及带色体系难固化氧气阻聚,3. 光纤涂料的被覆和固化对涂料的要求（1）不会对光纤传输性能产生负面影响这就要求被覆涂料的内层固化膜软，玻璃化温度低，不致引起光纤在高、低温下的附加传输衰耗。外层涂料固化膜则要求硬，有高的模量和机械性能，以保护光纤不受外界因素的损害（2）固化速率快拉丝速率已达1000m/min以上甚至更高，现已采用紫外光(ultraviolet，UV)固化所代替研制UV固化光纤涂料概况,
