1、第第5 5章章 光纖的材料與制造、光纖光纖的材料與制造、光纖的分類、光纜的分類、光纜5.1 5.1 光纖的材料與制造光纖的材料與制造 材料是光纖的核心問題，對光纖制造材料的三個基本要求是： 高透明性，這是為實現長距離光通信而對光纖材料提出的最重要的質量要求；能將這種材料拉制成沿長度方向均勻分布、具有明晰的纖芯包層界面結構的細長纖維；能適應所需要的工作環境，如高低溫、電磁、潮濕等環境。總之，光纖是由高度透明介質材料拉伸為細絲而制成的。 實際應用中的光纖材料，依據其所含化學元素區分，主要有三大類型：應用于傳像與傳光的“多組分玻璃”(multi-component glass)光纖；大量應用于光通信

2、的石英光纖，又稱為“高硅玻璃”(high-silica content glass)光纖；以及“塑料光纖”(plastic optical fiber)。光纖的制造工藝方法也因材料類型與應用要求的不同而不同，以下分別簡要介紹。5.1.1 5.1.1 玻璃光纖（多組分玻璃光纖）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，實際上由于雜質大量存在，光在其中衰減嚴重，透過率很低；18世紀以后，由于光學儀器工業發展的需求，材料更純、損耗降低而透明度更高、缺陷更少的各類光學玻璃大量出現。通過摻雜不同的化合

3、物，可以獲得具有不同折射率的各種規格光學玻璃。標準光學玻璃在可見波長區的折射率分布在1.441.80的范圍內。其中，純二氧化硅的折射率最低。 利用光學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玻璃，而包層材料為具有低折射率的光學玻璃。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，生產光纖的原料(SiO2)中不可避免地含有鐵、銅、鈷、鎳、鎂

4、、鉻等過渡族微量金屬元素雜質，它們對0.61.6mm的可見光及近紅外光具有較強的吸收，因而，不適合于制作通信光纖。 但是，對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，這樣的衰減與透過率值可以滿足使用要求。表5.1給出了現行生 產的多組分玻璃光纖的一些主要性能參數與技術指標。性能參數單絲直徑（mm）數值孔徑孔徑角透過率（每米）光纖強度一般溫度（）光譜范圍（nm）技術指標15550.56，0.60，0.64，0.8370，75，80，12056%150/m-40 1503801300表表5.1 5.1 多組分玻璃光纖的主要性能參數與技術指標多組分玻璃光纖的主要性能參數與技

5、術指標 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. 1. 棒管法棒管法 “棒管法”(rod-in-tube method)是最簡單的光纖拉制工藝，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，然后通過電爐將其加熱，使玻璃管熔化到棒上，形成 一個更粗的固體棒，稱為“預制棒”。隨后將預制棒由送料機構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，則從預制棒熔融的另一端就能拉出細絲狀的玻璃光纖。 其過程如圖5.1所示。其中，拉絲速度v2可按如下經驗公式計算： 式中，f1、f2分別為玻璃管的外徑與內徑，f為預制棒直徑，

6、d為要求拉成光纖的直徑，v2 為預制棒的送料速度。22222112)(dvvfff 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-包層界面對于傳輸的光波段必須非常干凈、光滑。為此，要求插人到管中的棒表面必須經過火焰拋光，而非機械拋光。因為后者易在芯-包層界面產生散射光的損失；另外，拉絲溫度必須得到嚴格控制。對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率，光纖的包層通常很?。ɡ纾话惆鼘雍穸燃s為芯徑的1/10量級）。棒管法的優點是，控制溫度較低，操作工藝簡單方便。其缺點是，拉絲效率低，不能連續生產，損耗較大，可以高達400dB

7、/km。2. 2. 雙坩堝法雙坩堝法 另一種制造玻璃光纖的方法是“雙坩堝法Double-Crucible (DC) method”。這種方法出現于20世紀60年代，它是利用一對底部開有小孔、內坩堝與外嵌套坩堝嚴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外雙層坩堝中，然后將其在高溫下熔化。芯、包層玻璃經熔融后通過同軸漏咀流出，并被連續拉制成光纖。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點是:節約材料，降低成本，制造工藝簡單，可以一道工序完成拉絲，并可連續大長度拉絲，溫控要求簡單方便；存在的缺點是，雜質污染的控制較難，因而制出的光纖損耗較大。

8、 這種方法主要適用于制造多組分玻璃光纖及光纖朿。我國南京玻璃纖維研究設計院在20世紀70年代設計研制出雙坩堝同軸內外漏嘴的整體配合結構；進而于1990年研制成功20孔雙坩堝多組分玻璃光纖拉制工藝設備，大大提高了生產效率與質量；2003年更研制成功具有國際領先水不的56孔雙坩堝拉制玻璃光纖工藝設備，具備了拉制6千克/小時高質量光纖的生產能力。該56孔雙坩堝拉制的光纖絲達到的主要技術指標如表5.2所示。雙坩堝漏嘴數絲徑規格/m56根光纖絲徑一致性單纖絲徑均勻性/mNA包層厚度/m傳輸光譜/nm56孔15554（2m）10.6211.53501300表表5.2 565.2 56孔雙坩堝拉絲設備達到孔

9、雙坩堝拉絲設備達到的主要技術指標的主要技術指標 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多組分玻璃光纖，具有大的數值孔徑，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的吸收以及制造工藝過程中的氣泡、結石、條紋等散射所造成的嚴重損耗影響，使其無法成為通信用光纖。 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。因為這種材料在可見光到1.6mm的近紅外波長范圍實際上沒有吸收。5.1.2 5.1.2 熔石英光纖（石英系光纖）熔石英光纖（石英系光纖）1.

10、1. 材料與提純材料與提純 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。熔石英是現代通信光纖的基礎材料，它是用合成方法制成的，即在氫氧焰中燃燒高純度液態的四氯化硅(SiCl4)或其他鹵化物化學試劑(如GeCl4)，產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含量不超過ppb(part per billion，十億分之一，即110-9)的量級。 由于大部分鹵化物試劑材料中的雜質含量均不符合要求，為此需進行提純。利用被提純物質與雜質沸點的不同，

11、可以清除雜質即提純，此即精餾法。 四氯化硅在室溫下是液體，在58時即可沸騰；而鐵、鈷、鎳、錳、鉻、銅等雜質氯化物的沸點比四氯化硅的沸點高得多。因而當四氯化硅變成蒸氧與氧氣反應時，這些雜質的氧化物仍為液態。利用精餾法可清除過渡金屬雜質；配合以“吸附法”清除OH-。這種“精餾-吸附-精餾”交替進行的綜合提純法，比用濕化學方法可得到更高純度的SiCl4，將雜質降低至10億分之一量級的水平(例如有害金屬雜質的總含量降低至510-9以下，產生OH-的含氧化合物含量小于0.210-9)，從而生產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。圖圖5.3 5.3 精餾一吸附綜合提

12、純法工藝流程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鍵技術的基礎上，經過二十余年的不斷改進，已形成從原材料提純、預制棒制備到拉絲、涂覆、光纖成纜嚴格的完整成熟的工藝流程，如圖5.4所示。圖圖5.4 5.4 光纖、光纜制備工藝流程光纖、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，即制備光纖預制棒和拉絲。2. 2. 光纖預制棒制造工藝光纖預制棒制造工藝 制備光纖預制棒，即是將經過提純的原材料制成一根其內芯與外包層折射指數分布與最終拉出光纖芯、包層折射指數分布相同的圓柱棒，通常稱為“預制棒”或“光棒”。預制棒的制造是光纖制造的核心技術，因而其制造技

13、術的水平也就代表了光纖制造技術的水平。 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. 55 mm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)的預制棒，必須通過“摻雜”，即在石英中摻以適當的雜質，來造成棒芯與包層的折射率差值。 最常見的做法是，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)，構成低折射率的包層，同時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

14、率。 兩種棒芯與包層折射率差設計的方案如圖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。 光纖預制棒的基本制備方法是采用化學氣相沉積工藝，具體過程采用“兩步法”第一步是制造芯棒，同時制造部分包層；第二步是在芯棒上附加外包層（俗稱外包技術），制成預制棒。 預制棒的光學特性主要取決于芯棒制造質量，而預制棒的制造成本則主要取決于外包 技術。因此，芯棒制造技術加上外包技術才能全面反映光纖預制棒制造工藝的特征和水平。 光纖產業傳統上都是用光纖預制棒的制造技術來命名光纖制造工藝。 經過近二十多的發展，制備光纖預制棒的方法在不同歷史階段先后出現過數十種。但是演變至今，目

15、前并存流行的、能制造出優質光纖的制棒方法的共性都是，四氯化硅（摻雜時同時有四氯化鍺等）與氧氣在高溫下反應生成蓬松狀的熔石英(SiO2)粉塵狀物；而區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制棒。（1 1） 芯棒的制造芯棒的制造作為制造光纖預制棒的第一步，現行制造芯棒（以及部分包層）的主要工藝方法可以分為如下三大類：第一大類是管內化學氣相沉積法，它是將粉塵沉積在熔石英管的內壁上，即石英管成為外包層，沉積在管內的是芯與包層材料。 根據其對反應區加熱方法的不同，又可細分為兩種工藝方法，即“改進的化學氣相沉積法”(Modified Chemical Vapour Deposition, M

16、CVD)，“微波等離子體化學氣相沉積法”(Plasma Chemical Vapour Deposition, PCVD)；第二大類是“管外（外部）化學氣相沉積法” (OVD法），或稱粉塵法；第三大類稱為“軸向化學氣相沉積法”（VAD法）。以下依次介紹由這三大類化學氣相沉積法所演變形成的4類制棒工藝。 MCVD法。MCVD法是目前制作高質量石英光纖比較穩定可靠和廣泛使用的光纖預制棒芯棒的生產工藝。它是1974年由美國貝爾實驗室開發的經典工藝，并為朗訊公司所采用。 MCVD管內化學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等摻雜劑送入旋轉的熔石英管（轉速

17、為幾十轉/分），用14001600的高溫氫氧焰加熱石英管，使各種化學物質發生氧化反應，則SiO2、B2O3、GeO2等在管壁上沉積成精細的包層與芯層玻璃粉塵，反應后的廢氣被抽送到排氣裝置里。為使玻璃粉塵沿石英管長度方向均勻沉積，加熱反應區應沿管軸方向左右移動，通過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?；鹧婷恳苿右淮?，管壁上就沉積一層厚度810 mm的玻璃膜層。 隨著沉積不斷產生，硅管中間的空腔逐漸縮小，管壁上沉積了相當厚度的玻璃層，并形成玻璃棒體的雛形，此時停止供料。然后，提高火焰加熱溫度，使石英管外壁溫度達到1800左右，從而使

18、石英管在高溫下軟化收縮，使中心孔封閉，形成實心棒，此即為原始的光纖預制棒。 在高溫下管內依次發生的氧化反應與沉積順序如下。首先氧化沉積的是預制棒的包層，其氧化反應的化學過程為22242SiOClOSiCl高溫氧化232236O2B34ClOBCl高溫氧化最后氧化沉積的為棒芯，其氧化反應的化學過程為22242SiOClOSiCl高溫氧化22242GeOClOGeCl高溫氧化 原始的光纖預制棒實際上有三層：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，它是保護層，并不起導光作用。 總之，MCVD制棒工藝是一種以氫氧焰為熱源、高溫氧化為化學反應機理、在高純度石英管內進行

19、的氣相沉積過程。PCVD法（Plasma CVD)。PCVD法是由荷蘭菲利浦研究實驗室于1975年提出的工藝方法，它是一種管內低溫等離子體的化學氣相沉積法。它與MCVD法的工藝原理基本相同，只是不再用氫氧焰進行管外加熱，而是改用微波諧振腔體產生的等離子體加熱。其反應機理是，用高頻功率(2. 46GHz)微波激活（電離）石英管內的低壓氣體，產生帶電的等離子體，使其能量大大增加，并在低壓下快速擴散到管內壁周圍發生反應，帶電離子重新結合時釋放出的熱能熔化氣態反應物，形成透明的玻璃態沉積薄層。 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高純石英管內的氣態鹵化物SiCl4、

20、氧氣和少量摻雜劑(GeCl4、F6C2)在大約1000的高溫下直接沉積成設計要求的芯玻璃；成棒則是將沉積好的石英玻璃管在玻璃車床上用氫氧焰高溫作用，使之熔縮成實心的芯棒。 PCVD法由于高頻功率易于耦合進石英沉積管內，且微波諧振腔經過四代改進演變，效率大大提高，諧振腔可快速移動等，因而可實現高的沉積速率與效率，以及穩定的沉積狀態?，F在單臺PCVD沉積設備的生產能力巳達百萬千米/年以上。OVD法（Outside Vapour Deposition)。OVD工藝是1970年由美國康寧公司Kapron研發的20 dB/km管外化學氣相沉積光纖制棒工藝。其工藝機理是，通過火焰加水分解，即將氣態鹵化物等

21、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，并經噴燈噴出，沉積在由石英、石墨或陶瓷（氧化鋁）制成的旋轉的“母棒”外表面上，經多次沉積形成一定尺寸的多孔粉塵預制棒芯棒。“母棒”并非芯棒的一部分，由于其熱膨脹系數與沉積在其上的芯棒材料不同，因此在玻璃熔結成預制棒之前，可以較容易地將“母棒”取出。爾后再將中空的預制棒芯棒在高溫下進行燒結脫水處理，使之成為透明無水的實心芯棒。OVD法的原理如圖5.7所示。利用OVD法制造芯棒的化學反應式為 這種工藝方法的優點是：沉積速度快，適合批量生產；缺點是：環境清潔度要求高，要進 行嚴格的脫水處理。22242ClHClSiOO

22、HSiCl高溫氧化22242ClHClSiOOHSiCl高溫氧化圖圖5.7 5.7 管外化學氣相沉積法管外化學氣相沉積法 制造預制棒制造預制棒(OVD(OVD法）法） VAD 法(Vapour Axial Deposition)。VAD法即軸向化學氣相沉積法。這種工藝是1977年由日本電報電話公司(NTT)研發的一種連續制棒工藝。其工作原理與OVD法完全相同，也是火焰水解；區別在于：沉積不是發生在母棒(又稱“種子石英棒”）的外表面（徑向），而是發生在母棒的端部（軸向），如圖5.8所示。由化學反應 生成的石英(SiO2)玻璃粉塵微粒經噴燈噴出，沉積于種子石英棒的一端，沿軸向形成多孔粉塵預制棒。軸

23、向化學氣相沉積法不形成中間孔，在種子石英棒不斷旋轉的同時，通過提升桿沿軸向牽引預制棒慢速移動，并通過一環形加熱器進行燒結處理，使之熔縮成透明的光纖預制棒。 VAD法的重要特點是可連續生長，適于制成大型預制棒，從而可拉制長的連續光纖，例如100km以上的單模光纖。VAD工藝隨著時間而不斷發展，20世紀70年代的軸向沉積工藝為芯、包材料同時沉積燒結，80年代則演變為先沉積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制棒。 上述四種制棒工藝的設備通常包括：原料供給、反應沉積和監測控制三大部分。 四種制棒工藝各有所長，應根據沉積速率、沉積效率、光纖類型等不同的要求加以具體選擇

24、。分析近20多年來的四種制棒工藝的發展歷程與趨勢，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的；20世紀80年代以后，伴隨著常規單模光纖(SMF)的成熟，OVD、VAD在光纖市場的份額迅速增加，美國康寧和日本各公司均停止使用MCVD工藝，MCVD的市場份額迅速下降，而OVD、VAD工藝的份額迅速增加；但是，隨著MCVD工藝不斷改進與納入多項新技術，迄今仍占約1/3的市場份額。表5.3列出芯棒的4種化學汽相沉積工藝從1980-2000年所占市場份額的變化（不考慮其外包工藝）。表表5.3 5.3 各種化學汽相沉積工藝所占市場份額（各種化學汽相沉積工藝所占市場份額（ ) )的

25、變化的變化（1980200019802000年）年）年份19801985199019952000MCVD7656444034PCVD11224OVD828343636VAD1515202226（2 2）外包技術）外包技術在芯棒上附加外包層在芯棒上附加外包層 制造光纖預制棒的第二步，即在芯棒上附加外包層，制成最終的光纖預制棒。隨著全球光纖通信業務的迅速發展，以及大幅度降低光纖制造成本的迫切需求，解決制造大預制棒的高效、低成本外包關鍵技術成為重要而迫切的問題。近20多年來先后發展起來的外包技術有如下四種：套管法。即將由化學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制造大預制棒的方法；SO

26、OT法。SOOT法在國外文獻中常以“SOOTprocess”或“SOOT technique”即粉塵法，來泛指OVD、VAD等方法的火焰水解外沉積工藝在芯棒上的外包技術；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制棒的技術，由阿爾卡特發明并應用；溶膠-凝膠法(Sol-gel process)。由美國朗訊公司發明，是指由玻璃組成元素的有機化合物溶膠，經水解成凝膠，再脫水燒結成玻璃的方法。溶膠-凝膠法用作外包技術，包括兩種技術途徑：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制棒；另一種是，先用溶膠-凝膠法制成合成石英粉末，再用

27、高頻等離子焰將合成石英粉末熔制于芯棒上制成大預制棒。從本質上說，這種方法應屬于SOOT法或等離子噴涂法。 比較分析外包技術的發展趨勢可以看出，從1980-2000年的20年間，20世紀80年代初國際上開始用套管法制作大預制棒，對于MCVD和PCVD芯棒，這是采用最普遍的外包方法。同時，VAD工藝也采用了套管法，開始了 SMF的商業化生產。這標志著預制棒制造工藝向“兩步法”的轉變；稍后，康寧公司將SOOT外包技術用于工業化生產。接著，用VAD生產光纖的廠家也用SOOT外包技術代替了套管法。在整個20世紀80年 代，套管法的份額逐年下降；20世紀90年代，阿爾卡特用等離子噴涂技術取代了套管法；朗訊

28、公司開發了溶膠-凝膠外包技術，幾乎所有用VAD、OVD制造光纖芯棒的生產廠家都用了SOOT外包技術。 這些都使套管法的份額繼續下降。套管法份額下降的根本原因在于，合成石英管的價格高，且制造大預制棒的套管困難。根據統計，2000年采用SOOT法外包工藝技術的比例已達到62%，特別對采用OVD和VAD制棒技術的廠家十分方便；套管法所占的份額約為28%。 綜上所述，可以用圖5.9來全面概括兩步法的光纖預制棒制造工藝的技術特征。但不同生產廠家所選擇的具體工藝技術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制棒制造技術即是首先采用MCVD法沉積光棒芯層，然

29、后采用OVD法（即SOOT法火焰水解外部氣相沉積工藝）進行光棒外包層的沉積，最后經過燒結制成光纖預制棒，該工藝為國內首創，達到國際先進水平。采用該工藝生產的光棒， 具有精確的折射率分布和優良的尺寸參數，可拉制出400500km長度的低損耗、無水峰、高強度優質光纖。該廠生產單模光纖的光纖預制棒其主要參數如表5.4所示。 技術參數折射率差D/%截止波長lc/nm芯/包同心度誤差/nm包層不圓度/%預制棒長度/mm預制棒直徑/mm典型值0.051115013300.31800/1500/200085/120/150表表5.4 5.4 單模光纖預制棒部分技術參數典型值單模光纖預制棒部分技術參數典型值3

30、. 3. 拉絲、涂覆與套塑拉絲、涂覆與套塑拉絲是將預制棒拉制成符合標準要求光纖的工藝；涂覆與套塑則是對光纖絲進行結構保護的工藝，以保證光纖應有的機械強度與性能。（1 1）拉絲）拉絲利用光纖預制棒拉制石英光纖的基本設備與工藝過程如圖5. 10所示。位于拉絲塔頂垂直放置的光纖預制棒，由送料機構以一定的速度（v送）均勻地送往加熱拉伸爐中（拉絲塔熔爐）加熱，預制棒下端受熱軟化（溫度在19002200 ），借助于重力下垂變細而成為光纖絲。圖圖5.10 5.10 利用預制棒拉制石英光纖利用預制棒拉制石英光纖 在拉絲機正常運轉后，要利用光纖直徑監控設備（激光測徑儀）動態地實時測出光纖外徑，并將數據信號送給電

31、子控制裝置，與設定要求的標準尺寸進行比較，發出控制指令，實時調節卷繞鼓的收絲牽引速度v收與預制棒的饋送速度v送，以保持光纖外徑恒定地符合要求。收絲速度v收與預制棒饋送速度v送之間的關系由下式決定：2)(dDvv送收 式中，D和d分別為預制棒與光纖的外徑。質量好的拉絲設備可控制光纖外徑的波動在0.5 mm以內，拉絲速度(v收)一般在60100 m/min。 由光纖預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 2）涂覆）涂覆 在預制棒拉成光纖后，就立即對光纖進行一次涂覆，以保證其機械強度。涂覆材料有硅樹脂、聚氨基甲酸、乙酯、環氧樹脂和丙烯酸樹脂等幾種，厚度一般為3015

32、0 mm。一次涂覆一般采用兩層結構，里面較薄的一層，稱為預涂層，其折射率高于包層折射率，以吸收透過包層的多余的光；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，均要在樹脂烘干爐中用數百攝氏度的溫度固化樹脂。 樹脂固化后的光纖強度可承受幾千克的拉力。（3 3）套塑）套塑 為進一步增大光纖的機械強度與直徑，加強保護性能，還要在光纖涂覆的基礎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；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

33、起，光纖不能自由活動。套塑時要合理地設計塑料擠壓速度、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生微彎效應而引起的附加損耗。 以上所討論的，主要是針對通信用的石英系光纖的制造工藝方法。5.1.3 5.1.3 塑料光纖塑料光纖 塑料光纖(Plastic Optical Fiber, POF)是以聚合物或有機物等光學塑料為材料的一類重要光學纖維，具有廣泛用途。1. 1. 塑料光纖的材料塑料光纖的材料 塑料光纖材料的選取，主要考慮透過性能和折射率，因而其芯料應選取光學均勻性好、折射率較高、透過性能較好的光學塑料。 光學塑料的折射率與塑料的化學組成成分有關。一般，塑料組成基質成分中具有的極

34、性大的官能團越多，折射率就越大。對大多數塑料纖芯其折射率均在1.41. 6。 除考慮折射率外，尚應考慮的其他一些重要性能與因素包括：透過性能（衰減）、熱性能、機械性能以及成本等。 綜合考慮，適用作塑料光纖的光學塑料主要有聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA，俗稱有機玻璃）、聚苯乙烯(PS)、聚碳酸酯(PC)等。其中，應用最多的聚甲基丙烯酸甲酯是一種特殊的 合成樹脂，其性能穩定，具有很強的透明性（透過率高達90%以上），適用于可見、紅外和紫外波段；其軟化點較高，抗張強度好，比重小，對日光性能十分穩定，熱性能也很穩定，易機械加工。 目前，標準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

35、.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. 2. 塑料光纖的主要特性與優缺點塑料光纖的主要特性與優缺點 塑料光纖在性能等方面主要具有如下突出的優點。 重量輕。光學塑料的比重在1g/cm3左右（比重范圍一般在0.831.50 g/cm3 )，為 玻璃比重的1/21/3。 柔軟、韌性好，具有優良的機械性

36、能。直徑為1mm的塑料光纖，按曲率半徑為6mm做180反復彎曲數百次，對光纖毫無損害；即使直徑達到2mm，仍可自由彎曲而不斷裂；且抗沖擊強度好。 不可見光波段的透過性能好。塑料光纖在可見光和近紅外波段的透過性能接近光學玻璃。但在紫外和遠紅外波段其透過率大于50%，優于玻璃光纖。 成本低，經濟性好，工藝操作簡便。塑料光纖的原材料比玻璃光纖的原材料便宜得多，因而經濟性好；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單。 但塑料光纖在性能方面也存在如下顯著的缺點和問題，影響其應用的領域與范圍。 光學特性傳輸損耗大。塑料光纖是

37、一種纖維狀的長鏈分子，隨著拉絲過程，長鏈分子的 宏觀取向將和光纖的軸向一致。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-氧鍵對可見光和近紅外波長具有吸收作用。 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波長處，損耗可降低至150dB/km左右；在實驗室中獲取的最佳塑料光纖的損耗可減小至5020dB/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一側有一定的下降；最小損耗在500nm附近，損耗值約為