光纤材料的透明性：石英玻璃、塑料和掺稀土元素的SiO2玻璃

1.光纤材料的要求

光纤的性能直接决定着光缆的传输性能。在实用光纤材料的选择时，需要考虑一系列具体问题，如光衰减、折射率、成纤能力、物化性能，以及生产成本等。其中应特别考虑的问题如下：

1）透明：为了使光纤在特定的波长导光，材料必须完全透明。

2）成型方便：材料必须能够方便的制成细长、柔软的光纤。

3）材料成本：所用材料应是来源丰富，价格便宜的材料。

目前用于制造光纤材料有：石英玻璃、塑料、光子晶体和掺稀土元素的石英玻璃等。

2.玻璃的主要性质

目前主要使用的光纤材料以石英玻璃为主，石英玻璃光纤在通信领域应用最广，制造技术最成熟。另外有机玻璃、聚苯乙烯光子晶体等也在研究中。

在自然界中最常见的石英就是石英晶体，它是一种坚硬、脆性、难熔的无色固体。它有多种变体。天然石英为β-SiO₂，随温度升高，而逐渐转变成α-SiO₂等变体。石英晶体是原子晶体。石英晶体中的硅原子处于正四面体的中心，分别以单键同处于正四面体顶角的四个氧原子键合形成SiO₄四面体，Si-O在空间不断重复，形成体型大分子石英晶体。结构中Si与O的原子数之比为1∶2故SiO₂是石英的最简式。

石英晶体在1627℃左右熔化成黏稠液体，内部结构变成无规则状态，冷却时因为黏度大不易再结晶，变成过冷液体，称为石英玻璃，其中SiO₄四面体是杂乱排列的，故其呈无定形透明。它膨胀系数很小，能经受温度剧变，它不溶于水，对各种酸包括强酸、氧化性酸都有抗耐性，但氢氟酸除外。

SiO₂+4HF→SiF₄+2H₂O

石英玻璃是一种特殊的固体物质，是凝固的“液体”或冷却的熔体。其性质有些类似于晶体，有的性质又类似液体。

1）光学性质

石英玻璃透光率极高，纯石英玻璃光吸收极少，理论上只有0.16dB/km。光在石英玻璃传导产生的损耗主要是OH-和各种过渡金属离子如Fe+、Cu+、Cr+、Co+、Ni+、V+、Mg^+等造成的，它们各有自己的吸收带。如百万分之一的铜离子在波长为800nm附近，会造成几百dB/km的衰减。而百万分之一的OH离子在波长为800nm处，会造成0.1dB/km的衰减；在波长为950nm处，会造成1dB/km的衰减；在波长为1240nm处，会造成1.7dB/km的衰减；在波长为1390nm处，会造成35dB/km的衰减。所以这些杂质的浓度在光纤中应在百万分之一或十亿分之一。所以，SiO₂光纤的纯度均要求大于99.9999%。(www.xing528.com)

2）热性质

热稳定性和耐热性很高，温度高时不会发生老化或化学反应。纯石英玻璃即使在赤热状态下直接放入水中也不开裂。但普通的玻璃受温度剧变时，也会因为产生内应力而破裂。纯石英玻璃膨胀系数很小，为5.5×10^-71/K。导热系数也很小，玻璃的抗拉强度和导热性越小，膨胀系数越大，越易破裂。

3）力学性质

弹性变形很小，受力后不发生残余变形，有较高的硬度，耐压强度高。玻璃是典型脆性体，在破坏之前，看不出明显变形，耐冲击韧性差。石英玻璃的一些物理性能见表10-1。

表10-1 石英玻璃的一些物理性能

4）化学性质

对酸的抵抗力极强，除氢氟酸外，其他酸对玻璃都不产生腐蚀。但对碱抵抗力较差，而且温度越高，碱液对玻璃破坏作用越大。

5）电性能

纯石英玻璃结构紧密，介电常数很小，只有3.5左右，tanδ=0.0002，ρ_v=10¹⁶Ω·m，而它们与温度和频率关系不大。玻璃的耐电强度在均匀电场中很高，可达500kV/m，而在不均匀电场中由于边缘效应的影响，在很低的电场下即可发生放电。

光缆中的光纤玻璃是高纯材料，需要特殊制造方法，主要是气相沉淀法，是通过极易挥发的四氯化硅与氧气的气相反应，沉淀出SiO₂制成的。

先制成光纤预制棒，然后拉制成光纤。