光纤 （一种由玻璃或塑料制成的纤维）

结构组成

功能特点

材质

纤芯

光传输的通道

对光具有高折射率

微量掺杂了

(1)原料的制备与提纯

气相技术生产光纤所使用的原料一般由工业硅先在高温下进行氯化反应，然后进一步提纯获得。

提纯的目的是为了除去杂质，减少杂质在光纤中引起光损耗。所使用的方法为精馏-吸附-精馏混合提纯法；其中精馏可以有效除去有害过渡金属以及他们的氧化物，吸附主要是除去原料中的氢氧基和其他氢物。

(2)预制棒的制备

在制作光纤的过程中，首先要用高纯度的原料制作出符合特定条件的玻璃条，也就是所谓的“光纤预制棒”。光纤预制棒里面是高折射率的芯棒，外面则是包层，通过将光纤预制棒进行拉丝工艺便可得到裸纤。

随着技术的发展，预制棒的制造从早期的一步法（芯棒和包层都由气相沉积工艺完成）转入了两步法（气相沉积芯棒技术+外包技术）。

气相沉积芯棒技术

工作原理：以高纯氧为载体，将汽化的原料带入反应器中，通过化学反应得到高纯度的石英芯棒；

特点：可以严格控制过渡金属离子和OH基。

类型：主要有改良化学气相沉积法（ModifiedChemical Vapour Deposition，MCVD）、气相轴向沉积法（VapourAxial Deposition Method，VAD）、外部气相沉积法（Outside Vapour Deposition Method,OVD）、等离子化学气相沉积法（PCVD）。

外包层的制备

1. 套管法：选取形状参数尺寸合适的套管，将芯棒插入到其中，并经高温压缩成型，最终得到了预制棒。也可将多个套管按顺序套在一个芯棒上，然后一边拉伸一边高温压缩，这种方法称为在线套管法。

1. 粉末外包法：实质上是一种外沉积工艺，先对芯棒进行预处理，再进行粉末沉积。优势在于，可依据不同的尺寸和折射率，选择合适厚度的外包层，所制得的光纤同心度高，纵向均匀。

1. 等离子体外包法：分为等离子体喷涂法（用高频等离子体将纯度非常高的石英粉在芯棒上熔制成外包层）和等离子体外沉积法（原料为四氯化硅，通过等离子增强化学气相沉积法合成石英玻璃外包层）。

(3)光纤拉丝

1. 拉丝机：光纤拉丝工艺是在拉丝机内完成的，而拉丝机一般由预制棒传送系统、加热和冷却系统、拉丝装置、控制系统组成。拉丝机在完成拉丝后会继续进行涂敷固化工艺，并将得到的光纤进行成品卷绕。

1. 技术原理：光纤预制棒送入拉丝机后，下端受热，在自重作用下垂落形成细丝。细丝经冷却系统固化成型。再经过涂敷器和紫外固化装置形成带有涂覆层的光纤，最后送入收丝系统卷绕收丝。

1. 工艺关键点：(1)加热源温度和预制棒的传送速度，因为拉制的光纤尺寸外形由加热温度和预制棒的传送速度控制。

(4)涂覆

1. 目的：在裸纤上面增加涂层可以保护光纤不受水汽的侵蚀和机械擦伤、增加光纤的柔韧性和力学强度、隔离杂光；

2. 涂覆材料：主要有热固化硅树脂、聚氨基甲酸、紫外光固化丙稀酸树脂和环氧树脂等；

3. 涂覆方式：涂覆在裸纤上的结构一般有两层，从内到外依次是预涂层（软缓冲层）、硬缓冲层。预涂层采用一层非常薄的高折射率材料，可以起到吸收多余的光，增加力学性能，防止磨损；硬缓冲层采用硅酮树脂或者紫外光固化丙烯酸酯，起到防止磨损和提供力学强度的作用。

(5)套塑

1. 目的：在经过涂层处理后，光纤表面会再套上一圈塑性材料，用以隔离杂光同时增强光纤力学性能，这种工艺称为套塑。

2. 套塑方式：分松套和紧套。松套是将一种塑胶套在光纤外面，这种方式下，光纤能够在塑套里面自由移动。紧套是指将一种尼龙或聚乙稀胶类材料紧密地包裹在光纤外面，这种方式下，光纤不能自由移动。

非气相沉积工艺

直接熔融法

生产对象：多组分氧化物玻璃光纤；

工艺原理：在两个被加热的同心的坩埚中，分别放置纤芯材料（内）和包层材料（外），熔融的液态氧化物玻璃从坩埚底部流出，采用调节加热温度等参数，使得纤芯和包层的量相均衡，获得多组分氧化物玻璃光纤。

界面凝胶法

生产对象：塑料多模光纤；

工艺原理：利用高分子聚合中分子体积不同而发生的选择扩散来制造梯度折射率分布的塑料多模光纤。一般采用加热的方式来实现扩散，也可以借助一个高速旋转装置，解决扩散慢的问题。

机械挤塑法

生产对象：塑料多模光纤；

工艺原理：纤芯和包层材料分别由各自的挤塑机挤出，然后再一起通过一个十字交叉的挤塑头，形成一根具有阶跃折射率分布的塑料多模光纤。若再经过加热管的作用，可以将光纤中的折射率分布改变为梯度折射率分布。

管束拉丝和打孔拉丝法

生产对象：（石英玻璃）光子晶体光纤(Photon Crystal Fiber,PCF)；

工艺方法：分为石英玻璃光子晶体光纤和聚合物光子晶体光纤。前者是通过将石英玻璃毛细管以周期性规律排列在石英玻璃芯棒成束后，送入高温度炉加热拉制而成的PCF；后者是在已制成的聚合物光纤预制棒上打孔，然后将打孔后的聚合物光纤预制棒送入高温度炉加热拉制而成的PCF。

光纤技术应用

光纤通信技术

1. 技术原理：光具有强度、相位、波长等特性参量，利用光纤作为传输通道，可以传输这些光学信息，实现通信。

2. 优点：(1)带宽和传输信息的容量大；(2)抗电磁干扰能力强；(3)体积小，重量轻；(4)传输损耗小，传输距离长；(5)没有向外的光波辐射；(6)安全保密；(7)工程安装铺设方便。

电信网间的传输线路

由于光纤的优异特性，使其在室内电话中继线和长途干线中可以发挥巨大优势，也是光纤的主要使用场合。

多种网络层面的光通信

通过将光纤连接计算机和各种终端设备，可以实现高速、大容量的局域数字通信网。

光纤入户

简称FTTH，指将光纤从电信端直接接入家庭用户，可以同时完成视频、数据、语音及多媒体等业务的传输，实现居民的网上购物、医疗、教育等需求。

恶劣危险场合的使用

在石油天然气厂库、电站等多种需要防辐射、电离放电、易燃易爆等场合，光纤通信可以发挥巨大功能，不仅避免了电路短路、电火花的风险，而且传输容量大。

有源光纤技术

1. 有源光纤：是指受到光激励或者其他能量激励时，可以诱使光纤本身的能量放大（或增益）的一类光纤。有源光纤的一般为掺入稀土元素的光纤。有源光纤可以用于光纤放大器和光纤激光器。

2. 光纤放大器：利用有源光纤可以和半导体激光泵浦源等器件构成光纤放大器。其中有源光纤主要起到接受泵浦光源的信号光并将它放大的作用，并且可以减少电子线路，改善接收设备的灵敏度。将光纤放大器与波分复用技术、光孤子技术、CATV等技术结合可以用于光纤通讯领域。

3. 光纤激光器：相比于光纤放大器，光纤激光器多了一个对内部光子进行谐振放大的光纤谐振腔。它主要有两类——双包层光纤技术构成的激光器以及光纤成栅技术形成的激光器。所输出的激光具有良好的稳定性、功率输出、光谱纯度，以及较低的相对强度噪声 ，还可以进行波长的转换。

光纤传感技术

光纤用于传感探测主要有两类：一类是用光纤作为探测元件的一部分，以提高对所探测量的灵敏度；一类是用光纤仅仅作为传感器的信息传输通道，探测头则有其他元件构成。利用光纤传感器可以检测温度、位移、应变、电压电流等物理量。

1. 光纤温度传感器：分为辐射式光纤温度传感器（基于普朗克黑体辐射理论）、半导体吸收式光纤温度传感器（基于半导体禁带宽度-温度-波长的关联性）、荧光式光纤温度传感器（基于荧光受光激励辐射光波强度受温度调制特性）、光纤液体温度传感器（基于作为液体包层受折射率受温度影响特性）、偏振型光纤温度传感器（基于石英的旋光性受温度影响）、干涉型光纤温度传感器（基于光纤中光相位随温度改变而变化的特性）。

2. 光纤位移传感器：利用光纤可以实现对位移的非接触、高精度探测。通常有放射式强度调制型、透射式光强自动补偿型、以及集成光学微位移传感器。也可以基于光学三角漫反射技术对旋转体的位移进行探测。

3. 光纤应变传感器：光纤检测应变的原理是基于光纤受应力发生形变时，光纤传输光的特性会发生改变。光纤应变传感器有微弯损耗型，干涉型和振荡器型。

4. 光纤旋转传感器：又称为光纤陀螺，利用Sagnac效应（旋转装置中，沿着同一光路、方向相反传输的两束光的光程差与装置的旋转速度相关），不仅可以测量旋转速度，也可以用于导航系统。

1. 光纤用于测量电磁信号：光纤磁场传感器——利用法拉第旋光效应或者磁致伸缩效应可以对磁场强度进行测量；光纤电流传感器——以法拉第旋光效应为基础；光纤电压传感器——利用电光效应，施加电场会改变光纤的各向异性属性。

光纤传像技术

1. 光纤传输图像的途径：一是利用光纤通信技术进行图象传输，二是光纤束传像技术，纤维束传像是将每个纤维与一个最基础的像元相匹配，在纤维束的两侧，每个纤维都要进行相互关联布置。

2. 具体应用：军事上可用于传送密码以及光纤潜望镜，医学上可用于检查器官的光纤内窥镜，工业上可以将传像束与计算机编程结合提取特征信息。

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