光纤通信课件第四讲

光纤制造工艺以石英光纤为例，实用的制造方法有内气相氧化法(IVPO)、外气相氧化法(OVPO)、改进的化学气相沉积法(MCVD)、气相轴向沉积法(VAD)及等离子化学气相沉积法(PCVD)等。欧美及我国主要采用改进的化学气相沉积法MCVD法，该法提高了反应物浓度使沉积速率，比化学气相沉积(CVD)法快100倍以上，并且可在数小时内将预制件拉成几公里长的多模纤维，由于简单实用，已成为常规的光纤生产方法。日本则开发气相轴向沉积法VAD工艺，除回收率高外，还可制成大型预制件(达2500g，可拉制50µm芯径的光纤580km)，可采用低纯原料。许多厂家均以SiCl4为原料生产石英光纤，原因是Fe、Ni、Cu等氯化物易于用精馏法除去。某些多晶硅生产厂家在用SiHCl3氢还原生产多晶硅的过程中产生大约30％的副产物SiCl4，用这种副产物生产光纤显著降低了成本。为了获得纤芯与包层折射指数呈阶跃变化(SI型)或梯度变化(GI型)的光纤，生产芯料时皆在高纯SiCl4(99.9999％)中加入百分之几的GeCl4，也有掺锗烷的。表：MCVD和VAD工艺水平比较方法最高沉积速率（g/min）沉积效率（%）拉丝长度（km）MCVDVAD2.3950%(SiO2)15%(GeO2)70%403004.1.1光纤的制造光纤光缆制造流程图材料提纯预制棒熔炼材料分析检验拉丝套塑成缆预制棒检验光纤测试一、光纤材料的提纯工艺制造石英光纤的主体原料是四氯化硅，掺杂材料主要是四氯化锗辅助原料：高纯氧(用于氧化成二氧化硅)；氦(增强热传导，提高沉积效率)；氯气(脱水用)杂质：铁，钴，铜，锰，铬，钒，氢氧根等。(影响光纤损耗，必须使其总浓度下降到几个ppb,即负6次方量级)4.1.2光纤的制造提纯方法：多次精馏+选择性吸附以四氯化硅的提纯为例，说明其提纯原理四氯化硅中可能存在的杂质有金属氧化物，非金属氧化物，含氢化合物。金属氧化物和非金属氧化物的沸点与四氯化硅(57.6度)相差很大，可用精馏法提纯；含氢化合物沸点与其接近，但一般有极性，容易被吸附，适当的吸附剂可以实现分离精馏：利用原料和杂质沸点不同，通过反复蒸馏，达到提纯目的(可达到99.9999%)高纯四氯化硅提纯工艺示意图一级精馏塔二级精馏塔简单蒸馏塔三级精馏塔四级精馏塔精料槽活性氧化铝吸附柱活性硅胶吸附柱4.1.3光纤的制造二、熔炼工艺：将超纯的化学原料经过高温化学反应，合成一个具一定折射率分布的预制棒。常用方法：MCVD法(改进的化学汽相沉积法)；PCVD(微波等离子体法)；VAD和OVD法等(汽相轴向沉积法和管外汽相沉积法)MCVD法熔炼过程：MCVD法熔炼工艺示意图计算机流量控制高纯氧四氯化硅四氯化锗辅助掺杂剂配好比例的反应物混合气体移动火焰旋转石英反应管同步卡盘排气4.1.4光纤的制造22242closoclsii高温232236234cloBoBcl高温MCVD法熔炼过程：分为3个阶段1、混合阶段：高纯氧以一定的流量在四氯化硅和四氯化锗中鼓泡，使其以适当的比例配送到石英反应管2、沉积阶段：高纯氧和四氯化硅和四氯化锗进行反应，沉积在石英管子内壁，先沉积包层，改变掺杂剂，再沉积纤芯。包层沉积过程中，常使用的掺杂剂有三溴化硼，三氯化硼等，反应方程式为：232236234BroBoBBr高温4.1.5光纤的制造22242closoclsii高温纤芯材料的反应方程式为：22242cloGoclGee高温3、缩棒过程：经过外包层，纤芯的沉积，形成一根中空壁厚的石英管，此时升高火焰温度到1700-2000摄氏度，保持石英管旋转，软化，在表面张力作用下收缩而将管子中心填满，形成中心区折射率较高而包层折射率较低的预制棒4.1.6光纤的制造三、拉丝工艺：示意图预制棒高温炉测温仪炉温控制非接触式测径仪固化炉调速设备收线轮(拉丝机)4.1.7光纤的制造三、套塑工艺：套上一层尼龙。目的：进一步保护光纤，提高光纤的机械强度分为松套和紧套：松套：光纤可以在套管中松动，机械性能好(套管先承受压力)；防水性能好(光纤与外套之间有油膏，因此可以防水)紧套：不能活动，结构相对简单4.2.1光缆的结构和种类2.4.1光缆的结构1．光缆的结构光缆由缆芯、护层和加强芯组成。（1）缆芯缆芯由光纤的芯数决定，可分为单芯型和多芯型两种。（2）护层护层主要是对已成缆的光纤芯线起保护作用，避免受外界机械力和环境损坏。护层可分为内护层（多用聚乙烯或聚氯乙烯等）和外护层（多用铝带和聚乙烯组成的LAP外护套加钢丝铠装等）。（3）加强芯加强芯主要承受敷设安装时所加的外力。4.2.2光缆的结构和种类2．各种典型结构的光缆（1）层绞式结构光缆把经过套塑的光纤绕在加强芯周围绞合而构成。层绞式结构光缆类似传统的电缆结构，故又称之为古典光缆。图2-20～图2-24所示是目前在市话中继和长途线路上采用的几种层绞式结构光缆的示意图（截面）。4.2.3光缆的结构和种类图2-2112芯松套层绞式直埋光缆图2-206芯紧套层绞式光缆4.2.4光缆的结构和种类图2-2212芯松套层绞式直埋防蚁光缆4.2.5光缆的结构和种类图2-236～48芯松套层绞式水底光缆4.2.6光缆的结构和种类图2-2412芯松套+8芯×2线对层绞式直埋光缆4.2.7光缆的结构和种类（2）骨架式结构光缆骨架式结构光缆是把紧套光纤或一次涂覆光纤放入加强芯周围的螺旋形塑料骨架凹槽内而构成。骨架结构有中心增加螺旋型、正反螺旋型、分散增强基本单元型，图2-25（b）为螺旋型结构，图2-26为基本单元结构。目前，我国采用的骨架式结构光缆，都是采用如图2-25所示的结构。图2-27所示是采用骨架式结构的自承式架空光缆。4.2.8光缆的结构和种类图2-2512芯骨架式光缆4.2.9光缆的结构和种类图2-2670芯骨架式光缆4.2.10光缆的结构和种类图2-27骨架式自承式架空光缆4.2.11光缆的结构和种类（3）束管式结构光缆把一次涂覆光纤或光纤束放入大套管中，加强芯配置在套管周围而构成。图2-28所示的光缆结构即属护层增强构件配制方式。图2-29、2-30所示是属于分散加强构件配置方式的束管式结构光缆。另图2-34所示的浅海光缆实际上就是双层加铠装束管式光缆。4.2.12光缆的结构和种类图2-2812芯束管式光缆4.2.13光缆的结构和种类图2-296～48芯束管式光缆4.2.14光缆的结构和种类图2-30LEX束管式光缆4.2.15光缆的结构和种类（4）带状结构光缆把带状光纤单元放入大套管中，形成中心束管式结构；也可把带状光纤单元放入凹槽内或松套管内，形成骨架式或层绞式结构。如图2-31、2-32所示。图2-31中心束管式带状光缆图2-32层绞式带状光缆4.2.16光缆的结构和种类（5）单芯结构光缆单芯结构光缆简称单芯软光缆，如图2-33所示。这种结构的光缆主要用于局内（或站内）或用来制作仪表测试软线和特殊通信场所用特种光缆以及制作单芯软光缆的光纤。图2-33单芯软光缆4.2.17光缆的结构和种类（6）特殊结构光缆特殊结构的光缆，主要有光/电力组合缆、光/架空地线组合缆和海底光缆和无金属光缆。这里只介绍后两种。①海底光缆有浅海光缆和深海光缆两种，图2-34所示为典型的浅海光缆，图2-35所示是较为典型的深海光缆。②无金属光缆无金属光缆是指光缆除光纤、绝缘介质外（包括增强构件、护层）均是全塑结构，适用于强电场合，如电站、电气化铁道及强电磁干扰地带。4.2.18光缆的结构和种类图2-34浅海光缆4.2.19光缆的结构和种类图2-35深海光缆4.2.20光缆的种类1．按传输性能、距离和用途分可分为市话光缆、长途光缆、海底光缆和用户光缆。2．按光纤的种类分可分为多模光缆、单模光缆。3．按光纤套塑方法分可分为紧套光缆、松套光缆、束管式光缆和带状多芯单元光缆。4．按光纤芯数多少分可分为单芯光缆、双芯光缆、四芯光缆、六芯光缆、八芯光缆、十二芯光缆和二十四芯光缆等。4.2.21光缆的种类5．按加强件配置方法分光缆可分为中心加强构件光缆（如层绞式光缆、骨架式光缆等）、分散加强构件光缆（如束管两侧加强光缆和扁平光缆）、护层加强构件光缆（如束管钢丝铠装光缆）和PE外护层加一定数量的细钢丝的PE细钢丝综合外护层光缆。6．按敷设方式分光缆可分为管道光缆、直埋光缆、架空光缆和水底光缆。7．按护层材料性质分光缆可分为聚乙烯护层普通光缆、聚氯乙烯护层阻燃光缆和尼龙防蚁防鼠光缆。4.2.22光缆的种类8．按传输导体、介质状况分光缆可分为无金属光缆、普通光缆和综合光缆。9．按结构方式分光缆可分为扁平结构光缆、层绞式结构光缆、骨架式结构光缆、铠装结构光缆（包括单、双层铠装）和高密度用户光缆等。10．目前通信用光缆可分为（1）室(野)外光缆——用于室外直埋、管道、槽道、隧道、架空及水下敷设的光缆。（2）软光缆——具有优良的曲挠性能的可移动光缆。（3）室（局）内光缆——适用于室内布放的光缆。（4）设备内光缆——用于设备内布放的光缆。（5）海底光缆——用于跨海洋敷设的光缆。（6）特种光缆——除上述几类之外，作特殊用途的光缆。4.2.23光缆的结构和种类光缆型号由它的型式代号和规格代号构成，中间用一短横线分开。（1）光缆型式由五个部分组成，如图2-36所示。图2-36光缆型式的组成部分4.2.24光缆的结构和种类图中：Ⅰ：分类代号及其意义为：GY——通信用室（野）外光缆；GR——通信用软光缆；GJ——通信用室（局）内光缆；GS——通信用设备内光缆；GH——通信用海底光缆；GT——通信用特殊光缆。Ⅱ：加强构件代号及其意义为：无符号——金属加强构件；F——非金属加强构件；G——金属重型加强构件；H——非金属重型加强构件。4.2.25光缆的结构和种类Ⅲ：派生特征代号及其意义为：D——光纤带状结构；G——骨架槽结构；B——扁平式结构；Z——自承式结构。T——填充式结构。Ⅳ：护层代号及其意义为；Y——聚乙烯护层；V——聚氯乙烯护层；U——聚氨酯护层；A——铝-聚乙烯粘结护层；L——铝护套；G——钢护套；Q——铅护套；S——钢-铝-聚乙烯综合护套。4.2.26光缆的结构和种类Ⅴ：外护层的代号及其意义为：外护层是指铠装层及其铠装外边的外护层，外护层的代号及其意义如表2-2所示。表2-2外护层代号及其意义代号铠装层（方式）代号外护层（材料）0无0无1——1纤维层2双钢带2聚氯乙烯套3细圆钢丝3聚乙烯套4粗圆钢丝——5单钢带皱纹纵包——4.2.27光缆的结构和种类（2）光缆规格由五部分七项内容组成，如图2-37所示。图2-37光缆的规格组成部分4.2.28光缆的结构和种类图中：Ⅰ：光纤数目用1、2、……，表示光缆内光纤的实际数目。Ⅱ：光纤类别的代号及其意义。J——二氧化硅系多模渐变型光纤；T——二氧化硅系多模突变型光纤；Z——二氧化硅系多模准突变型光纤；D——二氧化硅系单模光纤；X——二氧化硅纤芯塑料包层光纤；S——塑料光纤。Ⅲ：光纤主要尺寸参数用阿拉伯数（含小数点数）及以μm为单位表示多模光纤的芯径及包层直径，单模光纤的模场直径及包层直径。4.2.29光缆的结构和种类Ⅳ：带宽、损耗、波长表示光纤传输特性的代号由a、bb及cc三组数字代号构成。a——表示使用波长的代号，其数字代号规定如下：1——波长在0.85μm区域；2——波长在1.31μm区域；3——波长在1.55μm区域。注意，同一光缆适用于两种及以上波长，并具有不同传输特性时，应同时列出各波长上的规格代号，并用“/”划开。bb——表示损耗常数的代号。两位数字依次为光缆中光纤损耗常数值（dB/km）的个位和十位数字。cc——表示模式带宽的代号。两位数字依次为光缆中光纤模式带宽分类数值（MHz·km）的千位和百位数字。单模光纤无此项。4.2.30光缆的结构和种类Ⅴ：适用温度代号及其意义。A——适用于−40℃～+40℃B——适用于−30℃～+50℃C——适用于−20℃～+60℃D——适用于−5℃～+60℃4.2.31光缆的结构和种类光缆中还附加金属导线（对、组）编号，如