第五章光纤的材料与制造光纤的分类光缆课件.ppt

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1、第5章 光纤的材料与制造、光纤的分类、光缆,5.1 光纤的材料与制造,材料是光纤的核心问题，对光纤制造材料的三个基本要求是： 高透明性，这是为实现长距离光通信而对光纤材料提出的最重要的质量要求；能将这种材料拉制成沿长度方向均匀分布、具有明晰的纤芯包层界面结构的细长纤维；能适应所需要的工作环境，如高低温、电磁、潮湿等环境。总之，光纤是由高度透明介质材料拉伸为细丝而制成的。 实际应用中的光纤材料，依据其所含化学元素区分，主要有三大类型：应用于传像与传光的“多组分玻璃”(multi-component glass)光纤；大量应用于光通信的石英光纤，又称为“高硅玻璃”(high-silica cont

2、ent glass)光纤；以及“塑料光纤”(plastic optical fiber)。光纤的制造工艺方法也因材料类型与应用要求的不同而不同，以下分别简要介绍。,5.1.1 玻璃光纤（多组分玻璃光纤）,玻璃是一种非晶固体，普通玻璃是石英和其他氧化物所组成的非晶化合物，它是制造光 纤最常用的一类材料。普通窗玻璃看似透明，实际上由于杂质大量存在，光在其中衰减严重，透过率很低；18世纪以后，由于光学仪器工业发展的需求，材料更纯、损耗降低而透明度更高、缺陷更少的各类光学玻璃大量出现。通过掺杂不同的化合物，可以获得具有不同折射率的各种规格光学玻璃。标准光学玻璃在可见波长区的折射率分布在1.441.80

3、的范围内。其中，纯二氧化硅的折射率最低。,利用光学玻璃制造的玻璃光纤，其纤芯材料为具有高折射率的多组分光学玻璃，而包层材料为具有低折射率的光学玻璃。常用的多组分玻璃配方成分有钠-硼硅酸盐玻璃(Na-B-Si)、钾-硼硅酸盐玻璃(K-B-Si)、钠-锌-铝-硼硅酸盐玻璃(Na-Zn-Al-B-Si)等。 由光学玻璃制成的玻璃光纤虽然比普通窗玻璃的透明度大为提高，但仍具有较高的衰减值，一般约为1dB/m(或1000dB/km)。其原因在于，生产光纤的原料(SiO2)中不可避免地含有铁、铜、钴、镍、镁、铬等过渡族微量金属元素杂质，它们对0.61.6mm的可见光及近红外光具有较强的吸收，因而，不适合于

4、制作通信光纤。,但是，对于制造传输照明光能或图像的各类传光束、传 像束、光纤面板等光纤器件，这样的衰减与透过率值可以满足使用要求。表5.1给出了现行生 产的多组分玻璃光纤的一些主要性能参数与技术指标。,制造玻璃光纤采用直接拉丝工艺，即直接采用纤芯和包层材料拉制光纤。具体有两种方法：棒管法与双坩埚法。1. 棒管法 “棒管法”(rod-in-tube method)是最简单的光纤拉制工艺，方法是将具有较高折射率的 芯玻璃棒插人较低折射率的玻璃管中，然后通过电炉将其加热，使玻璃管熔化到棒上，形成 一个更粗的固体棒，称为“预制棒”。随后将预制棒由送料机构以一定的均匀速度向管状电 炉中输送，即将棒的一端

5、高温加热，则从预制棒熔融的另一端就能拉出细丝状的玻璃光纤。,其过程如图5.1所示。其中，拉丝速度v2可按如下经验公式计算：,式中，f1、f2分别为玻璃管的外径与内径，f为预制棒直径，d为要求拉成光纤的直径，v2 为预制棒的送料速度。,为了减少由于光纤芯与包层界面的反射不完全而造成的传输损失，要求芯-包层界面对于传输的光波段必须非常干净、光滑。为此，要求插人到管中的棒表面必须经过火焰抛光，而非机械抛光。因为后者易在芯-包层界面产生散射光的损失；另外，拉丝温度必须得到严格控制。对于制造传像束与传光束的光纤，为减少成束后照射到包层界面上的光能损失，以提高成束后的积分透过率，光纤的包层通常很薄（例如，

6、一般包层厚度约为芯径的1/10量级）。棒管法的优点是，控制温度较低，操作工艺简单方便。其缺点是，拉丝效率低，不能连续生产，损耗较大，可以高达400dB/km。,2. 双坩埚法 另一种制造玻璃光纤的方法是“双坩埚法Double-Crucible (DC) method”。这种方法出现于20世纪60年代，它是利用一对底部开有小孔、内坩埚与外嵌套坩埚严格同轴的铂制双层坩埚拉丝（将折射率高低不同的芯玻璃与包层玻璃从坩埚顶部分别放人内外双层坩埚中，然后将其在高温下熔化。芯、包层玻璃经熔融后通过同轴漏咀流出，并被连续拉制成光纤。双坩埚拉丝装置示意图如图5.2所示。 双坩埚法拉制光纤的优点是:节约材料，降低

7、成本，制造工艺简单，可以一道工序完成拉丝，并可连续大长度拉丝，温控要求简单方便；存在的缺点是，杂质污染的控制较难，因而制出的光纤损耗较大。,这种方法主要适用于制造多组分玻璃光纤及光纤朿。我国南京玻璃纤维研究设计院在20世纪70年代设计研制出双坩埚同轴内外漏嘴的整体配合结构；进而于1990年研制成功20孔双坩埚多组分玻璃光纤拉制工艺设备，大大提高了生产效率与质量；2003年更研制成功具有国际领先水不的56孔双坩埚拉制玻璃光纤工艺设备，具备了拉制6千克/小时高质量光纤的生产能力。该56孔双坩埚拉制的光纤丝达到的主要技术指标如表5.2所示。,目前，多组分玻璃光纤通常都是用双坩埚法制造的。 利用棒管法

8、与双坩埚法制造的常规多组分玻璃光纤，具有大的数值孔径，主要用于传光与传像器件制造方面。但是，由于光纤材料中金属元素杂质的吸收以及制造工艺过程中的气泡、结石、条纹等散射所造成的严重损耗影响，使其无法成为通信用光纤。 为了获得具有低损耗、高透明度的单模与多模石英系通信用光纤，必须将光纤材料中的金属杂质含量降至十亿分之一以下的水平，即得到高纯度的二氧化硅。因为这种材料在可见光到1.6mm的近红外波长范围实际上没有吸收。,5.1.2 熔石英光纤（石英系光纤）,1. 材料与提纯 目前通信用的光纤主要是石英系光纤即熔石英光纤，其主要成分是高纯度的SiO2玻璃。熔石英是现代通信光纤的基础材料，它是用合成方法

9、制成的，即在氢氧焰中燃烧高纯度液态的四氯化硅(SiCl4)或其他卤化物化学试剂(如GeCl4)，产生氯化物蒸气和二氧化硅，然后沉淀成为白色蓬松的粉尘状物。由于制作熔石英光纤的试剂材料的纯度直接影响光纤的损耗特性，为保证光纤的低损耗、高透明性，要求试剂材料的杂质含量不超过ppb(part per billion，十亿分之一，即110-9)的量级。,由于大部分卤化物试剂材料中的杂质含量均不符合要求，为此需进行提纯。利用被提纯物质与杂质沸点的不同，可以清除杂质即提纯，此即精馏法。 四氯化硅在室温下是液体，在58时即可沸腾；而铁、钴、镍、锰、铬、铜等杂质氯化物的沸点比四氯化硅的沸点高得多。因而当四氯化

10、硅变成蒸氧与氧气反应时，这些杂质的氧化物仍为液态。利用精馏法可清除过渡金属杂质；配合以“吸附法”清除OH-。这种“精馏-吸附-精馏”交替进行的综合提纯法，比用湿化学方法可得到更高纯度的SiCl4，将杂质降低至10亿分之一量级的水平(例如有害金属杂质的总含量降低至510-9以下，产生OH-的含氧化合物含量小于0.210-9)，从而生产出透明度极高的石英光纤。精馏-吸附综合提纯法的工艺流程示意图如图5.3所示。,图5.3 精馏一吸附综合提纯法工艺流程,在解决石英系光纤上述提纯关键技术的基础上，经过二十余年的不断改进，已形成从原材料提纯、预制棒制备到拉丝、涂覆、光纤成缆严格的完整成熟的工艺流程，如图

11、5.4所示。,图5.4 光纤、光缆制备工艺流程,制造以单模光纤为代表的通信用石英系光纤，其基本的步骤分为两步，即制备光纤预制棒和拉丝。,2. 光纤预制棒制造工艺 制备光纤预制棒，即是将经过提纯的原材料制成一根其内芯与外包层折射指数分布与最终拉出光纤芯、包层折射指数分布相同的圆柱棒，通常称为“预制棒”或“光棒”。预制棒的制造是光纤制造的核心技术，因而其制造技术的水平也就代表了光纤制造技术的水平。 纯的熔石英具有单一的折射率，其光谱折射率的分布是从0. 55 mm处的1. 460到1.81mm处的1.444。为了制备具有高折射率棒芯(n1)和低折射率包层(n2)的预制棒，必须通过“掺杂”，即在石英

12、中掺以适当的杂质，来造成棒芯与包层的折射率差值。,最常见的做法是，在石英中掺人折射率高于石英的掺杂剂，如二氧化锗(GeO2)或五氧化二磷(P2O5)，制成高折射率的棒芯，而以纯石英材料为低折射率的包层；也可以在石英中掺人折射率低于石英的掺杂剂如氟(F)、三氧化二硼(B2O3)，构成低折射率的包层，同时以石英材料作棒芯或在 石英中掺人少量锗以稍微提高棒芯折射率。 两种棒芯与包层折射率差设计的方案如图5.5 所示。其中，图5.5(a)称为匹配包层光纤，图5.5(b)称为凹陷包层光纤。,光纤预制棒的基本制备方法是采用化学气相沉积工艺，具体过程采用“两步法”第一步是制造芯棒，同时制造部分包层；第二步是

13、在芯棒上附加外包层（俗称外包技术），制成预制棒。 预制棒的光学特性主要取决于芯棒制造质量，而预制棒的制造成本则主要取决于外包 技术。因此，芯棒制造技术加上外包技术才能全面反映光纤预制棒制造工艺的特征和水平。 光纤产业传统上都是用光纤预制棒的制造技术来命名光纤制造工艺。,经过近二十多的发展，制备光纤预制棒的方法在不同历史阶段先后出现过数十种。但是演变至今，目前并存流行的、能制造出优质光纤的制棒方法的共性都是，四氯化硅（掺杂时同时有四氯化锗等）与氧气在高温下反应生成蓬松状的熔石英(SiO2)粉尘状物；而区别则主要在于粉尘状物如何沉积，以及如何熔化为最终的预制棒。（1） 芯棒的制造作为制造光纤预制棒

14、的第一步，现行制造芯棒（以及部分包层）的主要工艺方法可以分为如下三大类：第一大类是管内化学气相沉积法，它是将粉尘沉积在熔石英管的内壁上，即石英管成为外包层，沉积在管内的是芯与包层材料。,根据其对反应区加热方法的不同，又可细分为两种工艺方法，即“改进的化学气相沉积法”(Modified Chemical Vapour Deposition, MCVD)，“微波等离子体化学气相沉积法”(Plasma Chemical Vapour Deposition, PCVD)；第二大类是“管外（外部）化学气相沉积法” (OVD法），或称粉尘法；第三大类称为“轴向化学气相沉积法”（VAD法）。以下依次介绍由这

15、三大类化学气相沉积法所演变形成的4类制棒工艺。 MCVD法。MCVD法是目前制作高质量石英光纤比较稳定可靠和广泛使用的光纤预制棒芯棒的生产工艺。它是1974年由美国贝尔实验室开发的经典工艺，并为朗讯公司所采用。,MCVD管内化学气相沉积法的工艺原理如图5. 6所示。以超纯氧气为载体将SiCl4等原料和GeCl4等掺杂剂送入旋转的熔石英管（转速为几十转/分），用14001600的高温氢氧焰加热石英管，使各种化学物质发生氧化反应，则SiO2、B2O3、GeO2等在管壁上沉积成精细的包层与芯层玻璃粉尘，反应后的废气被抽送到排气装置里。为使玻璃粉尘沿石英管长度方向均匀沉积，加热反应区应沿管轴方向左右移

16、动，通过加热使玻璃粉尘熔化，然后冷凝成透明的 SiO2-B2O3 （包层）和 SiO2-CeO2（芯层）玻璃。火焰每移动一次，管壁上就沉积一层厚度810 mm的玻璃膜层。,随着沉积不断产生，硅管中间的空腔逐渐缩小，管壁上沉积了相当厚度的玻璃层，并形成玻璃棒体的雏形，此时停止供料。然后，提高火焰加热温度，使石英管外壁温度达到1800左右，从而使石英管在高温下软化收缩，使中心孔封闭，形成实心棒，此即为原始的光纤预制棒。 在高温下管内依次发生的氧化反应与沉积顺序如下。首先氧化沉积的是预制棒的包层，其氧化反应的化学过程为,最后氧化沉积的为棒芯，其氧化反应的化学过程为,原始的光纤预制棒实际上有三层：中心

17、为芯层玻璃；紧邻芯层的是包层玻璃；最外面的是熔石英管壁玻璃，称为外包层，它是保护层，并不起导光作用。 总之，MCVD制棒工艺是一种以氢氧焰为热源、高温氧化为化学反应机理、在高纯度石英管内进行的气相沉积过程。,PCVD法（Plasma CVD)。PCVD法是由荷兰菲利浦研究实验室于1975年提出的工艺方法，它是一种管内低温等离子体的化学气相沉积法。它与MCVD法的工艺原理基本相同，只是不再用氢氧焰进行管外加热，而是改用微波谐振腔体产生的等离子体加热。其反应机理是，用高频功率(2. 46GHz)微波激活（电离）石英管内的低压气体，产生带电的等离子体，使其能量大大增加，并在低压下快速扩散到管内壁周围

18、发生反应，带电离子重新结合时释放出的热能熔化气态反应物，形成透明的玻璃态沉积薄层。,PCVD法制备芯棒工艺有两步，即沉积和成棒。沉积是借助低压等离子体使流进高纯石英管内的气态卤化物SiCl4、氧气和少量掺杂剂(GeCl4、F6C2)在大约1000的高温下直接沉积成设计要求的芯玻璃；成棒则是将沉积好的石英玻璃管在玻璃车床上用氢氧焰高温作用，使之熔缩成实心的芯棒。 PCVD法由于高频功率易于耦合进石英沉积管内，且微波谐振腔经过四代改进演变，效率大大提高，谐振腔可快速移动等，因而可实现高的沉积速率与效率，以及稳定的沉积状态。现在单台PCVD沉积设备的生产能力巳达百万千米/年以上。,OVD法（Outs

19、ideVapour Deposition)。OVD工艺是1970年由美国康宁公司Kapron研发的20 dB/km管外化学气相沉积光纤制棒工艺。其工艺机理是，通过火焰加水分解，即将气态卤化物等原料与掺杂剂送人氢氧焰喷灯，使之在氢氧焰中水解，生成石英(SiO2)玻璃微粒粉尘，并经喷灯喷出，沉积在由石英、石墨或陶瓷（氧化铝）制成的旋转的“母棒”外表面上，经多次沉积形成一定尺寸的多孔粉尘预制棒芯棒。“母棒”并非芯棒的一部分，由于其热膨胀系数与沉积在其上的芯棒材料不同，因此在玻璃熔结成预制棒之前，可以较容易地将“母棒”取出。尔后再将中空的预制棒芯棒在高温下进行烧结脱水处理，使之成为透明无水的实心芯棒。

20、OVD法的原理如图5.7所示。,利用OVD法制造芯棒的化学反应式为,这种工艺方法的优点是：沉积速度快，适合批量生产；缺点是：环境清洁度要求高，要进 行严格的脱水处理。,图5.7 管外化学气相沉积法 制造预制棒(OVD法）, VAD 法(Vapour Axial Deposition)。VAD法即轴向化学气相沉积法。这种工艺是1977年由日本电报电话公司(NTT)研发的一种连续制棒工艺。其工作原理与OVD法完全相同，也是火焰水解；区别在于：沉积不是发生在母棒(又称“种子石英棒”）的外表面（径向），而是发生在母棒的端部（轴向），如图5.8所示。由化学反应 生成的石英(SiO2)玻璃粉尘微粒经喷灯喷

21、出，沉积于种子石英棒的一端，沿轴向形成多孔粉尘预制棒。轴向化学气相沉积法不形成中间孔，在种子石英棒不断旋转的同时，通过提升杆沿轴向牵引预制棒慢速移动，并通过一环形加热器进行烧结处理，使之熔缩成透明的光纤预制棒。,VAD法的重要特点是可连续生长，适于制成大型预制棒，从而可拉制长的连续光纤，例如100km以上的单模光纤。VAD工艺随着时间而不断发展，20世纪70年代的轴向沉积工艺为芯、包材料同时沉积烧结，80年代则演变为先沉积芯棒再套管的两步法工艺，90年代工艺则以粉尘的外包层代替套管制成光纤预制棒。,上述四种制棒工艺的设备通常包括：原料供给、反应沉积和监测控制三大部分。 四种制棒工艺各有所长，应

22、根据沉积速率、沉积效率、光纤类型等不同的要求加以具体选择。分析近20多年来的四种制棒工艺的发展历程与趋势，可以看出：MCVD是最早成熟的工艺，早期的多模光纤主要是该工艺生产的；20世纪80年代以后，伴随着常规单模光纤(SMF)的成熟，OVD、VAD在光纤市场的份额迅速增加，美国康宁和日本各公司均停止使用MCVD工艺，MCVD的市场份额迅速下降，而OVD、VAD工艺的份额迅速增加；但是，随着MCVD工艺不断改进与纳入多项新技术，迄今仍占约1/3的市场份额。表5.3列出芯棒的4种化学汽相沉积工艺从1980-2000年所占市场份额的变化（不考虑其外包工艺）。,表5.3 各种化学汽相沉积工艺所占市场份

23、额（ )的变化（19802000年）,（2）外包技术在芯棒上附加外包层 制造光纤预制棒的第二步，即在芯棒上附加外包层，制成最终的光纤预制棒。随着全球光纤通信业务的迅速发展，以及大幅度降低光纤制造成本的迫切需求，解决制造大预制棒的高效、低成本外包关键技术成为重要而迫切的问题。近20多年来先后发展起来的外包技术有如下四种：套管法。即将由化学气相沉积法制成的芯棒置入用作光纤外包层的高纯石英管内制造大预制棒的方法；SOOT法。SOOT法在国外文献中常以“SOOTprocess”或“SOOT technique”即粉尘法，来泛指OVD、VAD等方法的火焰水解外沉积工艺在芯棒上的外包技术；,等离子喷涂法（

24、PlasmaSpray)。是指用高频等离子焰将石英粉末熔制于芯棒上制成大预制棒的技术，由阿尔卡特发明并应用；溶胶-凝胶法(Sol-gel process)。由美国朗讯公司发明，是指由玻璃组成元素的有机化合物溶胶，经水解成凝胶，再脱水烧结成玻璃的方法。溶胶-凝胶法用作外包技术，包括两种技术途径：一种是，先用溶胶-凝胶法制成合成石英管作为套管，再用套管法制成大预制棒；另一种是，先用溶胶-凝胶法制成合成石英粉末，再用高频等离子焰将合成石英粉末熔制于芯棒上制成大预制棒。从本质上说，这种方法应属于SOOT法或等离子喷涂法。,比较分析外包技术的发展趋势可以看出，从1980-2000年的20年间，20世纪8

25、0年代初国际上开始用套管法制作大预制棒，对于MCVD和PCVD芯棒，这是采用最普遍的外包方法。同时，VAD工艺也采用了套管法，开始了 SMF的商业化生产。这标志着预制棒制造工艺向“两步法”的转变；稍后，康宁公司将SOOT外包技术用于工业化生产。接着，用VAD生产光纤的厂家也用SOOT外包技术代替了套管法。在整个20世纪80年 代，套管法的份额逐年下降；20世纪90年代，阿尔卡特用等离子喷涂技术取代了套管法；朗讯公司开发了溶胶-凝胶外包技术，几乎所有用VAD、OVD制造光纤芯棒的生产厂家都用了SOOT外包技术。,这些都使套管法的份额继续下降。套管法份额下降的根本原因在于，合成石英管的价格高，且制

26、造大预制棒的套管困难。根据统计，2000年采用SOOT法外包工艺技术的比例已达到62%，特别对采用OVD和VAD制棒技术的厂家十分方便；套管法所占的份额约为28%。 综上所述，可以用图5.9来全面概括两步法的光纤预制棒制造工艺的技术特征。但不同生产厂家所选择的具体工艺技术路线将随具体情况与条件的不同而不同。,例如，江苏普天法尔胜光通信有限公司的全火焰水解法光纤预制棒制造技术即是首先采用MCVD法沉积光棒芯层，然后采用OVD法（即SOOT法火焰水解外部气相沉积工艺）进行光棒外包层的沉积，最后经过烧结制成光纤预制棒，该工艺为国内首创，达到国际先进水平。采用该工艺生产的光棒， 具有精确的折射率分布和

27、优良的尺寸参数，可拉制出400500km长度的低损耗、无水峰、高强度优质光纤。该厂生产单模光纤的光纤预制棒其主要参数如表5.4所示。,3. 拉丝、涂覆与套塑拉丝是将预制棒拉制成符合标准要求光纤的工艺；涂覆与套塑则是对光纤丝进行结构保护的工艺，以保证光纤应有的机械强度与性能。（1）拉丝利用光纤预制棒拉制石英光纤的基本设备与工艺过程如图5. 10所示。位于拉丝塔顶垂直放置的光纤预制棒，由送料机构以一定的速度（v送）均匀地送往加热拉伸炉中（拉丝塔熔炉）加热，预制棒下端受热软化（温度在19002200 ），借助于重力下垂变细而成为光纤丝。,图5.10 利用预制棒拉制石英光纤,在拉丝机正常运转后，要利用

28、光纤直径监控设备（激光测径仪）动态地实时测出光纤外径，并将数据信号送给电子控制装置，与设定要求的标准尺寸进行比较，发出控制指令，实时调节卷绕鼓的收丝牵引速度v收与预制棒的馈送速度v送，以保持光纤外径恒定地符合要求。收丝速度v收与预制棒馈送速度v送之间的关系由下式决定：,式中，D和d分别为预制棒与光纤的外径。质量好的拉丝设备可控制光纤外径的波动在0.5 mm以内，拉丝速度(v收)一般在60100 m/min。,由光纤预制棒拉成的光纤可保持原有要求的折射率分布形式以及芯与包层的外径比。（2）涂覆 在预制棒拉成光纤后，就立即对光纤进行一次涂覆，以保证其机械强度。涂覆材料有硅树脂、聚氨基甲酸、乙酯、环

29、氧树脂和丙烯酸树脂等几种，厚度一般为30150 mm。一次涂覆一般采用两层结构，里面较薄的一层，称为预涂层，其折射率高于包层折射率，以吸收透过包层的多余的光；外面较厚的一层，称为缓冲层，是普通的硅酮树脂，用以提高光纤的低温性能与抗微弯性能。在每一层涂覆之后，均要在树脂烘干炉中用数百摄氏度的温度固化树脂。 树脂固化后的光纤强度可承受几千克的拉力。,（3）套塑 为进一步增大光纤的机械强度与直径，加强保护性能，还要在光纤涂覆的基础上再加套一层塑料层，这一工艺叫套塑。套塑的方式有松套和紧套两种：松套是在一次涂覆层的外面套上一层塑料套管，光纤在套管中可以自由活动；紧套是在一次涂覆的光纤上紧套上一层尼龙或

30、聚乙烯塑料，套层与一次涂覆层紧贴在一起，光纤不能自由活动。套塑时要合理地设计塑料挤压速度、光纤拉伸速度与冷却速度，以尽可能减小由于塑套冷却收缩产生微弯效应而引起的附加损耗。 以上所讨论的，主要是针对通信用的石英系光纤的制造工艺方法。,5.1.3 塑料光纤,塑料光纤(Plastic Optical Fiber, POF)是以聚合物或有机物等光学塑料为材料的一类重要光学纤维，具有广泛用途。1. 塑料光纤的材料 塑料光纤材料的选取，主要考虑透过性能和折射率，因而其芯料应选取光学均匀性好、折射率较高、透过性能较好的光学塑料。 光学塑料的折射率与塑料的化学组成成分有关。一般，塑料组成基质成分中具有的极性

31、大的官能团越多，折射率就越大。对大多数塑料纤芯其折射率均在1.41. 6。,除考虑折射率外，尚应考虑的其他一些重要性能与因素包括：透过性能（衰减）、热性能、机械性能以及成本等。 综合考虑，适用作塑料光纤的光学塑料主要有聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA，俗称有机玻璃）、聚苯乙烯(PS)、聚碳酸酯(PC)等。其中，应用最多的聚甲基丙烯酸甲酯是一种特殊的 合成树脂，其性能稳定，具有很强的透明性（透过率高达90%以上），适用于可见、红外和紫外波段；其软化点较高，抗张强度好，比重小，对日光性能十分稳定，热性能也很稳定，易机械加工。,目前，标准阶跃折射率塑料光纤主要选取的纤芯材料聚甲基丙烯酸甲酯，其折射率为1.

32、492；包层材料一般选取折射率更低的含氟聚合物，其折射率为1.402。由上述纤芯与包层材料折射率差值（比玻璃光纤或石英光纤要大）所决定的数值孔径NA=0.47;如果纤芯材料选取折射率为1.58的聚苯乙烯，则包层可以采用聚甲基丙烯酸甲酯。这两类塑料光纤中，聚苯乙烯瑞利散射较严重，损耗较大；相比较，纤芯为聚甲基丙烯酸甲酯材料，则损耗较低。,2. 塑料光纤的主要特性与优缺点 塑料光纤在性能等方面主要具有如下突出的优点。 重量轻。光学塑料的比重在1g/cm3左右（比重范围一般在0.831.50 g/cm3 )，为 玻璃比重的1/21/3。 柔软、韧性好，具有优良的机械性能。直径为1mm的塑料光纤，按曲

33、率半径为6mm做180反复弯曲数百次，对光纤毫无损害；即使直径达到2mm，仍可自由弯曲而不断裂；且抗冲击强度好。,不可见光波段的透过性能好。塑料光纤在可见光和近红外波段的透过性能接近光学玻璃。但在紫外和远红外波段其透过率大于50%，优于玻璃光纤。 成本低，经济性好，工艺操作简便。塑料光纤的原材料比玻璃光纤的原材料便宜得多，因而经济性好；另外，塑料光纤的工艺操作温度通常在300以下，而玻璃和石英光纤的制作温度需要1000以上的高温，因而塑料光纤的工艺操作简单。,但塑料光纤在性能方面也存在如下显著的缺点和问题，影响其应用的领域与范围。 光学特性传输损耗大。塑料光纤是一种纤维状的长链分子，随着拉丝过

34、程，长链分子的 宏观取向将和光纤的轴向一致。由于塑料光纤是由单体聚合而成，很难得到密度均匀的材料，因而光学均匀性不能得到很好的保证；深人的研究表明，塑料光纤存在高损耗的重要原因在于，塑料光纤材料原子间存在的碳-氢键和碳-氧键对可见光和近红外波长具有吸收作用。,目前，一般商用塑料(PMMA)阶跃折射率光纤的损耗约为数百至1000dB/km；较好的情况，商用塑料光纤在利用红色LED通信的650nm波长处，损耗可降低至150dB/km左右；在实验室中获取的最佳塑料光纤的损耗可减小至5020dB/km。图5. 11给出了一种塑料(PMMA)阶跃折射率光纤的光谱衰减曲线。图示表明，与玻璃光纤不同，塑料光

35、纤的损耗在紫外短波长一侧有一定的下降；最小损耗在500nm附近，损耗值约为70dB/km；但在近红外区则损耗高得多。,耐热及高低温性能差。由于塑料本身熔点低，因而其耐热性能差，一般只能在-40 80的温度范围内使用，只有少数塑料光纤可以在200的温度下工作。另外，当温度低于-40时，塑料光纤将变硬、变脆。总之，耐高低温等恶劣环境的性能比玻璃光纤差。 抗化学腐蚀和表面磨损的性能比玻璃光纤差，在丙酮、醋酸乙酯或者苯的作用下，其光学性能会受到很大影响，硬度差，易老化。,表5.5 塑料光学纤维与玻璃光学纤维的性能比较,表5. 5给出了塑料光纤与玻璃光纤的部分性能对比；表5. 6列出了我国春辉科技公司制

36、造的塑料光纤、多组分玻璃光纤、大芯径石英光纤三类产品的部分结构与性能参数参考数据。,表5.5 塑料光学纤维与玻璃光学纤维的性能比较(续表),3. 塑料光纤的应用与发展 普通塑料光纤通常采用挤压法制作，我国目前巳形成了数十芯机头拉制塑料光纤的先进的多排多孔共挤法塑料光纤规模化生产技术。 塑料光纤由于它所具有的轻便、柔软、价廉及便于处理等一些独特优点，因而在短距离的光纤照明（工程照明、室外装饰照明、室内照明）、光纤工艺制品、低分辨的传像束与图像传输、数据信号传输控制与光纤传感以及短距离通信链接系统（如办公楼或汽车内部）等多方面都有广泛的应用，而且在很多方面正在形成对玻璃光纤的竞争与挑战。,尽管经过

37、数十年研究，塑料光纤的性能有了很大的提高，但制约阶跃多模塑料光纤在最重要的通信领域应用的要害问题仍是其损耗太大，且带宽受限。为解决此问题，近些年来新发展起来渐变折射率塑料光纤，它比阶跃型塑料光纤有更宽的传输带宽。例如，芯 径为50200mm的渐变折射率塑料光纤能将2.5Gb/s的信号传输200500m远，这使其在高速局域网方面增大了应用的吸引力。,另外，为降低损耗设法改变塑料光纤原料的化学成分，例如：采用较重的同位素-氘取代常规的氢，使碳-氢键的吸收峰移向更长的波长；使用氟化的塑料代替常规的碳氢化合物塑料，因碳-氟键的衰减要更小一些。图5. 12给出了分别利用标准氢基PMMA、氘化的PMMA、氟化的塑料等不同材料制造的渐变折射率塑料光纤在550850 nm波长范围内的衰减曲线。图示表明，氟化塑料光纤的损耗在上述波长范围内直到1.3mn波长均能保持相当低的水平。然而，改变塑料的化学成分也会带来昂贵的原料提高成本等代价。,图5.12 用常规PMMA、氟化塑料和氘化PMMA制造的渐变折射率塑料光纤的衰减谱,