1、8、光纖光纜的設(shè)計(jì)和制造,光纖材料 2 ) 光纖的設(shè)計(jì) 3）制做光纖工藝流程 4）光纜結(jié)構(gòu),1) 光纖材料,選材的準(zhǔn)則： 1、純度高、透明度高、折射率徑向分布易于控制 2、能拉長(zhǎng)、拉細(xì)、具有一定的柔韌性、可卷繞 3、化學(xué)穩(wěn)定性好 主要光纖材料 主要有塑料和玻璃纖維兩大類； 塑料纖維損耗大，機(jī)械強(qiáng)度大，主要用于短距離傳輸 玻璃纖維分為高硅玻璃和多組分玻璃纖維兩大類。 高硅玻璃光纖采用高純度石英（SiO2）做纖芯，又稱為石英玻璃光纖,8、光纖的設(shè)計(jì)和制造,高純度熔石英光纖，其特點(diǎn)是材料的光傳輸損耗低，有的波長(zhǎng)可低到0.2dBkm 多組分玻璃纖維，其特點(diǎn)是芯-皮折射率可在較大范圍內(nèi)變化，因而有利于制

2、造大數(shù)值孔徑的光纖，但材料損耗大，在可見光波段一般為:1dBm 塑料光纖，其優(yōu)點(diǎn)是成本低，韌性好、更為耐用、直徑大；缺點(diǎn)是材料損耗大，溫度性能較差； 紅外光纖，其特點(diǎn)是可透過(guò)近紅外（15m）或中紅外（10m）的光波； 液芯光纖，特點(diǎn)是纖芯為液體，可滿足特殊需要.,不同材料光纖及特性：,石英玻璃（SiO2 ）制造光纖首選材料 - 物理和化學(xué)穩(wěn)定性好 - 對(duì)通信光波段的透明性好 折射率差的引入：通過(guò)在SiO2中摻入不同雜質(zhì)改變 折射率,摻雜種類和濃度對(duì)折射率的影響, GeO2-SiO2纖芯，SiO2包層, P2O5-SiO2纖芯，SiO2包層, SiO2纖芯，F(xiàn)-SiO2包層,摻雜種類和濃度對(duì)折射

3、率的影響, SiO2纖芯，B2O3-SiO2包層,各種不同的結(jié)構(gòu)、特性參數(shù)和折射率分布的光纖，可分別用于不同的場(chǎng)合。 纖芯和包層都用石英作為基本材料，折射率差通過(guò)在纖芯和包層進(jìn)行不同的摻雜來(lái)實(shí)現(xiàn)。 纖芯摻入Ge和P 折射率 包層摻入B 折射率,2 ) 光纖的設(shè)計(jì) 多模光纖的設(shè)計(jì) 通信用多模光纖標(biāo)準(zhǔn)尺寸： d=50m，D=125 m， NA=0.200.23，1.0%1.3,d,纖芯,涂敷層,D, 單模光纖的設(shè)計(jì) 匹配包層階躍型：纖芯摻鍺（Ge）。損耗、色散性能好。 壓低包層階躍型：纖芯摻鍺減少，包層摻氟（F）和磷（P）。損耗、色散性能好，彎曲損耗低。 純石英纖芯型：包層摻氟。損耗最低。,d,纖

4、芯,涂敷層,D,SiO2,SiO2-GeO2,SiO2,純石英包層,純石英包層,石英摻鍺纖芯,折射率,SiO2,SiO2-GeO2,SiO2,2）凹陷包層光纖,純石英,折射率,石英摻低鍺纖芯,純石英,石英摻氟,石英摻氟,1）匹配包層光纖,F-SiO2,F-SiO2,兩種階躍單模光纖折射率分布,3）制做光纖工藝流程,原料制備、提純,涂敷,性能測(cè)量,產(chǎn)品,返回,高純?cè)系闹苽涫侵圃旄咂焚|(zhì)光纖最重要的環(huán)節(jié)。,制備石英光纖的主要原料是一些高純度的鹵化物化學(xué)試劑,常見的有:液態(tài)的四氯化硅(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

5、(BBr3)以及氣態(tài)的六氟化硫(SF6),四氟化碳(C2F4)等 特點(diǎn):液態(tài)試劑在常溫下是無(wú)色的透明液體,有刺鼻氣味,易水解,在潮濕空氣中強(qiáng)烈發(fā)煙,有一定的毒性和腐蝕性., 材料制備與提純,制備石英光纖所需的原材料常含有金屬氧化物，非金屬氧化物和氫氧化物（產(chǎn)生大量的OH1）等，對(duì)光產(chǎn)生吸收。為了得到低損耗的光纖，必須對(duì)鹵化物原材料進(jìn)行嚴(yán)格的提純,降低幾種有害過(guò)渡金屬雜質(zhì),如鐵(Fe),鈷(Co),鎳(Ni),銅(Cu),錳(Mn),鉻(Cr),釩(V)等,以及氫氧根(OH-)的含量. 一般金屬離子的濃度應(yīng)在10-9級(jí)范圍， OH1濃度一般為10-410-7 目前廣泛采用的提純方法是精餾-吸附-

6、精餾綜合提純法., 材料制備與提純,制棒 制造光纖時(shí)，須先將提純過(guò)的原材料制成一根滿足一定要求的玻璃棒，稱為“光纖預(yù)制棒（fiber preform rod ）”，它是拉制光纖的原始棒體材料，其內(nèi)層為高折射率（n1）的芯層 ，外層為低折射率（n2）的包層。應(yīng)有符合要求的折射率分布和尺寸。典型的預(yù)制棒直徑為1020cm，長(zhǎng)度為50100cm。,就是一根加粗加大的光纖。,國(guó)際上生產(chǎn)石英光纖預(yù)制棒的方法有十多種，其中普遍使用的制棒方法主要有以下四種： 改進(jìn)的化學(xué)汽相沉積法(MCVD-Modified Chemical Vapour Deposition) 棒外化學(xué)汽相沉積法(OVD-Outside

7、Chemical Vapour Deposition) 軸向汽相沉積法(VAD-Vapour phase Axial Deposition) 微波等離子體激活化學(xué)汽相沉積法(PCVD- Plasma activated Chemical Vapour Deposition ),制棒方法：,（i）改進(jìn)的化學(xué)汽相沉積法MCVD MCVD生產(chǎn)工藝是1974年貝爾實(shí)驗(yàn)室開發(fā)出來(lái)的，整個(gè)制棒系統(tǒng)處于封閉超提純狀態(tài)下，可以生產(chǎn)高質(zhì)量的單模和多模光纖，廣泛用于低損耗漸變折射率光纖的生產(chǎn)，預(yù)制棒制備過(guò)程分為兩步：沉積和成棒。,空心石英反應(yīng)管,沉積時(shí)先將一根空心石英反應(yīng)管安裝在同軸旋轉(zhuǎn)的車床上，以超純氧氣作為載

8、體，將SiCl4等原材料和GeCl4等摻雜劑送入石英管。管是旋轉(zhuǎn)的（轉(zhuǎn)速為幾十轉(zhuǎn)/分），下面有來(lái)回移動(dòng)的噴燈，用16000C0火焰加熱石英管外臂，使管內(nèi)的原材料和摻雜劑發(fā)生氧化還原反應(yīng)，反應(yīng)生成的粉塵物就沉積在石英反應(yīng)管內(nèi)臂上，經(jīng)過(guò)噴燈燒結(jié)成一層純凈的摻雜玻璃薄層，噴燈每移動(dòng)一次就沉積一層厚度約810m的玻璃膜層。,在沉積過(guò)程中，通過(guò)嚴(yán)格控制摻雜劑的流量，以獲得所設(shè)計(jì)的折射率分布。經(jīng)過(guò)數(shù)小時(shí)的沉積后，玻璃管子內(nèi)壁的玻璃沉積層達(dá)到一定厚度，初步步形成預(yù)制棒，只是中間還有一個(gè)小孔，這時(shí)停止加料，然后提高火焰溫度到20000C0，導(dǎo)致玻璃管高溫下軟化收縮，中心孔封閉，形成一個(gè)實(shí)棒，即光纖預(yù)制棒。停止

9、反應(yīng)氣體的供給，將基管加熱至，使之成為實(shí)心棒。,光纖預(yù)制棒有三層： 1）中心為光纖芯層玻璃 2）緊接芯層的是沉積的包層 3）最外面一層的石英反應(yīng)管壁玻璃,即光纖的保護(hù)層.(保護(hù)層不起導(dǎo)光作用,但其幾何尺寸與內(nèi)在雜質(zhì)含量直接影響光纖的機(jī)械強(qiáng)度和傳輸性能,所以,必須選取質(zhì)量好的石英反應(yīng)管),在沉積過(guò)程中，對(duì)料溫、反應(yīng)溫度、石英管管徑和轉(zhuǎn)速、噴燈的移動(dòng)速度進(jìn)行精密的測(cè)量和控制。 目前利用MCVD技術(shù)制造的多模光纖的損耗可以穩(wěn)定在24dB/km，單模光纖可以達(dá)到0.20.4dB/km，具有很好的重復(fù)性。,MCVD法制棒舉例,SiO2,SiO2-GeO2,SiO2,凹陷包層光纖預(yù)制棒制造過(guò)程,純石英,折

10、射率,石英摻低鍺纖芯,純石英,石英摻氟,石英摻氟,SiO2SiF4,SiO2SiF4,制造光纖預(yù)制棒的MCVD流程示意圖,以超純氧氣作為載體將原料送入旋轉(zhuǎn)的石英反應(yīng)管,第一步：熔制光纖的內(nèi)包層玻璃。 主體材料：液態(tài)SiCl4；摻雜試劑：CF2Cl2（或 SF6, C2F4等）； 載運(yùn)氣體：O2 SiCl4+O2SiO2+2Cl2 2 CF2Cl2+ SiCl4+2O2 SiF4+2Cl2 +2CO2 石英管內(nèi)壁上形成SiO2SiF4玻璃層，作為光纖內(nèi)包層。,SiCl4,CF2Cl2,O2,SiCl4,O2,第二步：熔制芯層玻璃。 主體材料：液態(tài)SiCl4；摻雜試劑：GeCl4； 載運(yùn)氣體：O2

11、 SiCl4+O2SiO2+2Cl2 GeCl4+O2GeO2+2Cl2 SiO2 GeO2沉積在內(nèi)包層玻璃上，成為芯層玻璃。,GeCl4,（ii）等離子體化學(xué)汽相沉積法PCVD 該方法與MCVD有些相似，它用微波加熱腔代替噴燈，在合成石英管內(nèi)形成離子化氣體-等離子體。等離子體激發(fā)的化學(xué)反應(yīng)可直接將一層純凈玻璃直接沉積在管壁上，而不形成粉塵，當(dāng)達(dá)到所需的厚度的玻璃以后，再將管子制成實(shí)心預(yù)制棒。目前微波加熱腔的移動(dòng)速度在8m/min，這允許管內(nèi)沉積數(shù)千個(gè)薄層，從而使每層的沉積厚度減小，因此折射率分布的控制更為精確，可以獲得更高的帶寬。,（iii）外部汽相沉積法OVD 基棒由石墨石英或氧化鉛做成，

12、從噴管出來(lái)的SiO2粉塵在旋轉(zhuǎn)并移動(dòng)的基棒上形成一層沉積層，沉積層較為松散，沉積過(guò)程完成后抽走基棒，將粉塵預(yù)制棒置于固化爐中,在高溫(大約14000C0)環(huán)境下將其脫水固化，制成潔凈的玻璃基棒，這種管狀芯棒的中心空洞在拉絲過(guò)程中會(huì)消失。,（iv）汽相軸向沉積法VAD 這種方法是在反應(yīng)室里放置一根基棒石英玻璃棒，基棒可以旋轉(zhuǎn)并向反應(yīng)室外移動(dòng)。當(dāng)反應(yīng)氣體送入反應(yīng)室后，就在基棒上沉積，基棒的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)保證了芯棒的軸對(duì)稱性，疏松的預(yù)制棒在向上移動(dòng)的過(guò)程中經(jīng)過(guò)一環(huán)形加熱器，從而生成玻璃預(yù)制棒。玻璃預(yù)制棒沉積預(yù)制棒環(huán)形加熱器反應(yīng)氣體入孔反應(yīng)室。,光纖制棒設(shè)備,新型MCVD預(yù)制棒車床, 拉絲與涂覆,將預(yù)制棒經(jīng)

13、拉絲才得到真正光纖，這一過(guò)程是在“拉絲塔”內(nèi)完成的。,光纖拉絲塔,預(yù)制棒由送料機(jī)構(gòu)送入管狀加熱爐中，當(dāng)預(yù)制棒尖端熱到20000Co時(shí)，粘度變低，靠自身重量逐漸下垂變細(xì)形成纖維。纖維經(jīng)由纖徑測(cè)量?jī)x監(jiān)測(cè)并拉引到牽引輥繞到卷筒上。卷繞軸的轉(zhuǎn)速?zèng)Q定光纖的拉制速度，而拉制速度又決定了光纖的粗細(xì)，所以卷繞軸的轉(zhuǎn)速必須精確控制并保持不變。光纖直徑監(jiān)測(cè)儀通過(guò)反饋實(shí)現(xiàn)對(duì)于拉絲速度的調(diào)整。拉絲速度一般為30100米/秒。,拉絲流程,在拉絲過(guò)程中，由預(yù)制棒拉成的光纖基本上能夠保持原有的折射率分布形式與芯包層外徑比，這是因?yàn)椴Ａе械姆肿訑U(kuò)散速度極慢，即使加熱到2000的高溫，預(yù)制棒中的GeO2等摻雜劑也不會(huì)擴(kuò)散，因此

14、可以保持原有的折射率分布不變。,涂覆 裸露在空氣中的光纖，表面缺陷擴(kuò)大，造成裸光纖容易斷裂，為了提高光纖強(qiáng)度，光纖拉成以后，將被立即涂覆上一層有彈性的保護(hù)層（厚度約為50150m），又稱為“一次涂覆” 。 一次涂敷一般采用兩層結(jié)構(gòu)：預(yù)涂層和緩沖層 預(yù)涂層采用變性硅酮樹酯； 緩沖層采用普通硅酮樹酯。,直接熔化法：雙坩堝法,纖芯坯料棒,內(nèi)坩堝,包層坯料棒,纖芯 玻璃,外坩堝,熔爐,拉制光纖 (到拉絲機(jī)),包層玻 璃,直接熔化法： 可用于制造石英 光纖、鹵化物光 纖和硫?qū)俟饫w 但坯料棒熔化過(guò) 程中容易帶來(lái)雜 質(zhì)，它的最低損 耗值為5 dB/km, 套塑 為了增大光纖機(jī)械強(qiáng)度，再在經(jīng)一次涂敷光纖上套上

15、一層塑料層（如尼龍或聚乙烯塑料），這一工藝叫做套塑。套塑又稱為“二次涂覆”。,光纖套塑機(jī)原理結(jié)構(gòu),在套塑時(shí)，將一次涂敷光纖從導(dǎo)向管個(gè)穿過(guò)去，在模具出口處涂覆上經(jīng)250Co溫度加熱溶化了的尼龍，然后經(jīng)過(guò)冷卻水槽，使尼龍冷卻固化，即獲得套塑光纖，最后出收絲輪接收光纖。,光纖芯線的剖面構(gòu)造,緊套和松套光纖結(jié)構(gòu)示意圖 (a) 緊套光纖結(jié)構(gòu)示意圖； (b) 松套光纖結(jié)構(gòu)示意圖,4）光纖成纜 纜芯結(jié)構(gòu)： 套塑后的光纖稱為光纖心線，套塑后要進(jìn)行篩選，選出機(jī)械強(qiáng)度滿足要求的心線進(jìn)行成纜。 光纜的結(jié)構(gòu)包括纜芯、護(hù)層和加強(qiáng)元件組成。,護(hù)層主要是對(duì)已成纜的光纖芯線起保護(hù)作用，避免受外界機(jī)械力和環(huán)境損壞。護(hù)層可分為內(nèi)

16、護(hù)層（多用聚乙烯或聚氯乙烯等）和外護(hù)層（多用鋁帶和聚乙烯組成的LAP外護(hù)套加鋼絲鎧裝等）。加強(qiáng)芯主要承受敷設(shè)安裝時(shí)所加的外力。, 典型光纜結(jié)構(gòu)： i）層絞式結(jié)構(gòu)光纜 把經(jīng)過(guò)套塑的光纖繞在加強(qiáng)芯周圍絞合而構(gòu)成。圖示為目前在市話中繼和長(zhǎng)途線路上采用的幾種層絞式結(jié)構(gòu)光纜的示意圖（截面）。,12芯松套層絞式直埋防蟻光纜,淺海光纜,將單根或多根光纖放入骨架的螺旋槽內(nèi)，骨架中心是強(qiáng)度元件，骨架上的溝槽可以是V型、U型或凹型，如圖 (c)所示。,ii)骨架式光纜,目前，我國(guó)采用的骨架式結(jié)構(gòu)光纜，都是采用如圖(b)所示的結(jié)構(gòu)。,70芯骨架式光纜 骨架式自承式架空光纜,iii) 帶狀式光纜 將412根光纖芯線排

17、列成行構(gòu)成帶狀光纖單元，再將多個(gè)帶狀單元按一定方式排列成纜，如圖 (d)所示.,把帶狀光纖單元放入凹槽內(nèi)或松套管內(nèi)，形成骨架式或?qū)咏g式結(jié)構(gòu)。,iv) 束管式結(jié)構(gòu)光纜 把一次涂覆光纖或光纖束放入大套管中，加強(qiáng)芯配置在套管周圍而構(gòu)成。,v) 單芯結(jié)構(gòu)光纜 這種結(jié)構(gòu)的光纜主要用于局內(nèi)（或站內(nèi)）或用來(lái)制作儀表測(cè)試軟線和特殊通信場(chǎng)所用特種光纜以及制作單芯軟光纜的光纖。,光纜的典型結(jié)構(gòu)示意圖,通信用光纜主要類型 （1）室(野)外光纜用于室外直埋、管道、槽道、 隧道、架空及水下敷設(shè)的光纜。 （2）軟光纜具有優(yōu)良的曲撓性能的可移動(dòng)光纜。 （3）室（局）內(nèi)光纜適用于室內(nèi)布放的光纜。 （4）設(shè)備內(nèi)光纜用于設(shè)備內(nèi)布

18、放的光纜。 （5）海底光纜用于跨海洋敷設(shè)的光纜。 （6）特種光纜除上述幾類之外，作特殊用途的光纜,如何識(shí)別光纜型號(hào)？ 光纜型號(hào)由它的型式代號(hào)和規(guī)格代號(hào)構(gòu)成，中間用一短橫線分開。 1、光纜型式由五個(gè)部分組成，如圖所示。,I：分類代號(hào)及其意義為： GY通信用室（野）外光纜； GR通信用軟光纜 GJ通信用室（局）內(nèi)光纜； GS通信用設(shè)備內(nèi)光纜 GH通信用海底光纜； GT通信用特殊光纜 ：加強(qiáng)構(gòu)件代號(hào)及其意義為： 無(wú)符號(hào)金屬加強(qiáng)構(gòu)件； F非金屬加強(qiáng)構(gòu)件 G金屬重型加強(qiáng)構(gòu)件； H非金屬重型加強(qiáng)構(gòu)件 III：派生特征代號(hào)及其意義為： D光纖帶狀結(jié)構(gòu) G骨架槽結(jié)構(gòu) B扁平式結(jié)構(gòu) Z自承式結(jié)構(gòu) T填充式結(jié)構(gòu),

19、IV： 護(hù)層代號(hào)及其意義為 Y聚乙烯護(hù)層 V聚氯乙烯護(hù)層； U聚氨酯護(hù)層 A鋁-聚乙烯粘結(jié)護(hù)層 L鋁護(hù)套 G鋼護(hù)套 Q鉛護(hù)套 S鋼-鋁-聚乙烯綜合護(hù)套 ：加強(qiáng)構(gòu)件代號(hào)及其意義為： 無(wú)符號(hào)金屬加強(qiáng)構(gòu)件； F非金屬加強(qiáng)構(gòu)件 G金屬重型加強(qiáng)構(gòu)件； H非金屬重型加強(qiáng)構(gòu)件,V: 外護(hù)層代號(hào)及其意義,光纜規(guī)格由五部分七項(xiàng)內(nèi)容組成,圖中： ： 光纖數(shù)目用1、2、，表示光纜內(nèi)光纖的實(shí)際數(shù)目。 ： 光纖類別的代號(hào)及其意義。 J二氧化硅系多模漸變型光纖； T二氧化硅系多模突變型光纖； Z二氧化硅系多模準(zhǔn)突變型光纖； D二氧化硅系單模光纖； X二氧化硅纖芯塑料包層光纖； S塑料光纖。,： 光纖主要尺寸參數(shù) 用阿拉伯?dāng)?shù)（含小數(shù)點(diǎn)數(shù)）及以m為單位表示多模光纖的芯徑及包層直徑，單模光纖的模場(chǎng)直徑及