光纖制造技術(shù)原理

簡(jiǎn)介光纖是光導(dǎo)纖維的簡(jiǎn)稱，是由一組光導(dǎo)纖維組成的用于傳播光束的，細(xì)小而柔軟的傳輸介質(zhì)。它是用石英玻璃或者特別塑料拉成的柔軟細(xì)絲，直徑在幾個(gè)μm（光波波長(zhǎng)的幾倍）到120μm。就象水流過管子一樣，光能沿著這種細(xì)絲在內(nèi)部傳輸。光纖的構(gòu)造一般由3個(gè)部分組成：涂覆層，包層，纖芯。光纖制造光纖傳輸原理通過對(duì)光纖結(jié)構(gòu)的了解我們知道，光纖結(jié)構(gòu)自內(nèi)向外為纖芯，包層和涂覆層。光纖內(nèi)部一共有兩種光折射率，纖芯的折射率為n1，包層的折射率為n2，由于所摻的雜志不同，使包層的折射率略低于纖芯的折射率，即n2<n1。在石英玻璃光纖中，包層的折射率僅比纖芯層的折射率略低一點(diǎn)，按幾何光學(xué)的全反射原理，光纖就被束縛在纖芯中進(jìn)行傳輸了。光纖制作簡(jiǎn)介將四氯化硅等原材料制成光纖的過程。光纖制造的過程決定了光纖的機(jī)械強(qiáng)度、傳輸特性和使用壽命，對(duì)保證光纖質(zhì)量十分重要。通信光纖的制造分為制棒和拉絲兩道工序。光纖制造預(yù)制棒的制造又稱制棒，是將SiCl4等原材料制成與光纖具有相同折射率分布，直徑1～3cm的預(yù)制棒（preform）的過程。制造方法有多種，普遍采用的有：MCVD法（改進(jìn)的化學(xué)汽相沉積），VAD法（汽相軸向沉積），OVD法（外部汽相沉積），PCVD法（等離子體化學(xué)汽相沉積）等。這幾種方法都是立足于汽相沉積，但卻有很大的差異。MCVD法以氧氣為載體的高純度有用氣體在旋轉(zhuǎn)的石英管內(nèi)用高溫汽相氧化反應(yīng)獲得固相沉積物的方法，如圖1所示。將高純度氣體SiCl4，GeCl4，POCl3氟等與載氣02一同送入旋轉(zhuǎn)（幾十轉(zhuǎn)/分）的石英管內(nèi)，1400℃～1600℃的高溫氫氧火焰在管外來回移動(dòng)，使管內(nèi)的物質(zhì)在高溫下起氧化反應(yīng)，形成粉塵狀的氧化物SiO2或GeO2等，并沉積在管內(nèi)壁上，當(dāng)火焰的高溫區(qū)再次經(jīng)過此處時(shí)，在管內(nèi)壁上形成一層均勻透明的石英玻璃膜層，厚度約8～l0μm，氯氣和沒反應(yīng)完的材料從管的尾端排出。根據(jù)包層與纖芯折射率的不同送入不同的摻雜試劑，如用氟可以降低包層的折射率，用GeCl4可提高纖芯的折射率。用計(jì)算機(jī)控制每層的摻雜量可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的折射率分布。在沉積過程中石英管內(nèi)的氣體流量和氣壓都必需維持恒定，火焰溫度和移動(dòng)速度也必需恒定。每分鐘約沉積0.6g。經(jīng)數(shù)小時(shí)的沉積，石英管內(nèi)壁形成一定厚度的內(nèi)包層和纖芯，通過加大火焰或降低火焰移動(dòng)速度并保持石英管的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，使石英管在外壁溫度達(dá)1800℃的狀態(tài)下軟化燒縮，成為實(shí)心棒即光纖預(yù)制棒。原石英管成為光纖的外包層。MCVD法是20世紀(jì)90年代初最普通的方法，可以制得損耗低的光纖，可方便地改變光纖的折射率分布制成多種結(jié)構(gòu)的光纖。其缺點(diǎn)整個(gè)系統(tǒng)維護(hù)較復(fù)雜，沉積效率較低。采用天然石英砂做成的外皮管，而石英砂的顆粒比汽相沉積的顆粒大得多，故其抗拉強(qiáng)度和抗微裂紋擴(kuò)張的強(qiáng)度較低，尤其是天然石英砂的外皮管內(nèi)不同程度地存在雜質(zhì)、氣泡和氣線，更將嚴(yán)重影響光纖的強(qiáng)度和使用壽命。VAD法屬于管外法，是將高純度的SiCl4、GeCl4，等試劑以氣態(tài)送入氫氧火焰噴燈中氧化成超細(xì)的SiO2和GeO2粉塵沉積在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的作為靶子的石英玻璃種棒的下端面，形成軸向生長(zhǎng)的一個(gè)“坯”，種棒不斷旋轉(zhuǎn)且向上提升，便形成多孔粉塵預(yù)制棒。該棒在環(huán)狀的加熱器內(nèi)，由較高壓力的氦氣為載體攜帶高純度的Cl2或COC1進(jìn)行脫水并熔縮成透明的光纖預(yù)制棒。圖2為VAD法的過程示意圖。特點(diǎn)：①大量載送摻雜氣體通過氫氧火焰使沉積速度比MCVD法大5～10倍；②對(duì)多孔粉塵棒進(jìn)行脫水處理，可使其中OH-含量降至1PPb左右（MCVD法為50PPb），基本消除OH-造成的吸收損耗，可以制作極低損耗的光纖；③便于制作大尺寸的預(yù)制棒以提高產(chǎn)量，降低成本；④由于全部采用汽相沉積，其SiO2的顆粒比天然石英砂小幾個(gè)數(shù)量級(jí)，更不會(huì)有天然石英砂所含微量雜質(zhì)的氣隙和氣線，VAD法制造的光纖強(qiáng)度要高于MCVD法制造的光纖強(qiáng)度；⑤VAD法的缺點(diǎn)是預(yù)制棒脫水過程需消耗大量的氦氣，而我國(guó)天然氦氣較少，價(jià)格較貴。OVD法亦屬管外生長(zhǎng)法，原理同VAD法。在靶棒外橫向生長(zhǎng)出多孔超細(xì)粉塵預(yù)制棒。靶棒與生長(zhǎng)出的預(yù)制棒的熱膨脹系數(shù)不同，冷卻后可抽出靶棒，再經(jīng)脫水、燒結(jié)，就可制成透明的光纖預(yù)制棒。其示意圖見圖3。特點(diǎn)同VAD法。PCVD法用微波等離子體使石英管內(nèi)的氣體氧化并沉積的預(yù)制棒制造方法。其過程見圖4。在石英管的一端送入各種化學(xué)試制與載氣O2，另一端用旋轉(zhuǎn)真圖4PCVD法的過程示意圖空泵保持一定的真空度。一個(gè)振蕩頻率為2.45GHz、功率為1000W左右的環(huán)形微波諧振腔包圍著石英管并以約8m/min的速度沿石英管快速移動(dòng)。整個(gè)過程在一個(gè)1200℃的爐子內(nèi)進(jìn)行。微波能量使石英管內(nèi)局部地產(chǎn)生非等溫低壓等離子體，不同種離子互相碰撞直接進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，沉積出透明玻璃薄層，沉積后的空心棒的燒縮過程如MCVD法。特點(diǎn)：①反應(yīng)氣體的電子溫度高，反應(yīng)充分，沉積效率較MCVD法高一些；②沉積溫度比MCVD法低，石英管不易變形，制成的預(yù)制棒縱向均勻性好；|③沉積層較多，每層的厚度非常薄，通過精確的微機(jī)控制工藝可獲得近乎理想的折射率分布，多模光纖的帶寬性能好；④其缺點(diǎn)是采用天然石英砂的外皮管，用PCVD法制成的光纖其抗拉強(qiáng)度和抗微裂擴(kuò)張強(qiáng)度較低，與MCVD法制成的光纖相同。如果PCVD法和MCVD法采用汽相沉積的石英管，強(qiáng)度問題可以解決，但產(chǎn)品成本會(huì)有較大幅度的上升。光纖拉制又稱拉絲。由拉絲機(jī)將預(yù)制棒加高溫融熔而拉成外徑為125μm的光纖的過程。石英光纖拉絲機(jī)高達(dá)10m以上。把預(yù)制棒裝在拉絲機(jī)頂端的加熱爐中，爐溫升至約2200℃時(shí)，棒體尖端的粘度變低，靠自重逐漸下垂變細(xì)成為裸光纖，裸光纖通過激光測(cè)徑監(jiān)測(cè)儀，然后進(jìn)入涂覆固化系統(tǒng)。涂覆的光纖經(jīng)牽引輥再到卷筒上。90年代初國(guó)際上石英光纖的拉絲速度一般為300m/min，最高可達(dá)1000m/min。其拉絲過程如圖5所示。裸光纖的激光測(cè)徑與牽引輥是連動(dòng)的自動(dòng)控制系統(tǒng)，可以保證裸光纖外徑在范圍內(nèi)變動(dòng)，整個(gè)拉絲車間需超凈恒溫，尤其是光纖涂覆以前，要避免任何塵埃的附者以免影響光纖的強(qiáng)度。圖5拉絲過程示意圖光纖涂覆由20mm左右的預(yù)制棒拉成125μm的光纖雖是熱變形，但在裸光纖表面仍有微裂紋，如暴露在大氣中，則大氣中的OH-將使微裂紋擴(kuò)張，長(zhǎng)時(shí)間的裸露會(huì)造成光纖斷裂，必需迅速將裸光纖涂覆。國(guó)際上都是采用紫外光固化的雙涂層。第一層為抗張模量小、彈性高、析氫量低、對(duì)SiO2粘接性能強(qiáng)