光纤预制棒 Fiber preforms

2022-10-18 15:14:05 浏览:496

定义

一块可以从中拉出光纤的玻璃。

光纤预制棒是一种典型的圆柱形光学玻璃片,用于在光纤拉丝塔中拉制光纤。 通常,预制件长40厘米,直径为几厘米,但也有更长的预制件,有些预制件的直径大,例如20厘米。 关于光纤制造的文章描述了所用拉丝塔的拉丝过程和细节。

拉制纤维的直径比预制棒小得多,并且预制棒的所有特征在纤维中都相应地变小。 特别是,这适用于折射率曲线,包括为光纤芯制成的结构。

塑料光纤可以通过与二氧化硅纤维类似的工艺从预制棒中提取,只是预制棒的温度要低得多(例如200°C)。

在大多数情况下,光纤预制棒是在运行光纤拉丝塔的相同地点制造的。 然而,也有各种纤维预制棒的供应商,然后将其吸入其他地方的纤维中。 此外,一些公司提出将包层玻璃应用于收到的芯棒。

标准纤维预制棒的制造

在这里,我们只介绍玻璃预制件的制造,主要是二氧化硅纤维的制造。 在本节中,将解释标准纤维预制棒的制造,而用于各种类型特种纤维的特殊预制棒将在后面讨论。

气相沉积法

使用不同的沉积工艺变体。

许多纤维预制棒是用一种称为改性化学气相沉积(MCVD)或简称CVD的工艺制造的。 这种方法是在1970年代为二氧化硅电信光纤开发的,南安普敦大学(英国),贝尔电话实验室(贝尔实验室)和康宁做出了开创性的贡献。 这里,氧气,四氯化硅(SiCl4)和可能的其他物质(例如四氯化锗(GeCl4)和稀土掺杂剂→纤维芯)产生,气体中的化学反应(例如氢气的燃烧)产生(通常掺杂的)二氧化硅的细白色“烟灰”,该烟灰沉积在瓶坯上,然后在≈1500°C下烧结成透明玻璃层。 在粘性烧结过程中,预制棒保持在气体气氛中,气体气氛可能氧化或还原,并影响与完美化学计量的偏差。 该过程产生完全致密且非常透明的玻璃。

代替传统的MCVD,可以使用等离子体活化化学气相沉积(PCVD)。 与MCVD的不同之处在于使用微波代替燃烧器来加热沉积区域。 沉积缓慢,但非常精确。

具有特别高精度的改进方法是等离子脉冲化学气相沉积(PICVD),其中使用短微波脉冲。

还有等离子体增强化学气相沉积(PECVD),在大气压下以相当高的沉积速率运行。

气相沉积方法的一般优点是可以实现低至0.2 dB/km以下的极低传播损失,因为可以使用非常高纯度的材料并避免污染。 特别是氯化硅4和氯化钙4很容易通过蒸馏纯化,因为它们在室温下是液体。 特别是当不存在氢气(例如作为燃料气)时,这种预制棒的含水量非常低,避免了1.4μm处的强损耗峰值,这也会影响电信频段(→光纤通信)。

不同的气相沉积方法在许多方面有所不同,例如关于可能的材料纯度,折射率控制的程度,精度和灵活性,制造纤维的机械强度以及沉积效率和速度。

制造策略

已经开发了不同的制造策略:

  • 内部气相沉积(IVD)是最常见的工艺。 在这里,材料的沉积发生在旋转的硅胶玻璃管内,该玻璃管用缓慢移动的气体炬从外部加热到≈1600°C的火焰。 燃烧器沿管子不断来回移动。 在工艺即将结束时,气体混合物被改性以形成具有更高折射率的层,即纤维芯的前体。 最后,通过将管子加热到2000°C以上来塌陷;玻璃在内壁的表面张力导致塌陷。 然后,内侧的特殊沉积玻璃形成将成为光纤芯的区域。
  • 外部气相沉积(OVD)是将二氧化硅烟灰沉积在某些目标棒(例如玻璃心轴)的外表面上的过程,而不是像MCVD那样沉积在管内。 与材料前体(如SiCl4)一起,燃料气体(如氢气或甲烷)被供应到燃烧器,再一次沿着旋转杆移动。 沉积后,增加棒直径,除去目标棒,并将预制棒在≈1800°C下在炉中固结,在那里还用干燥气体吹扫以降低羟基含量。 外部气相沉积用于例如制造具有纯二氧化硅芯和掺氟包层的多模光纤;只有包层是通过气相沉积制成的。
  • 气相轴向沉积(VAD或AVD)类似于OVD,但同样使用改进的几何形状,其中沉积发生在目标棒的末端(轴向生长)。 棒从燃烧器中不断拉开,可以制作很长的瓶坯。 材料的固结可以在单独的区域熔化过程中完成。 与 OVD 和 IVD 的一个重要区别在于,掺杂曲线仅由燃烧器的几何形状决定,而不是由气体混合物随时间的变化决定。

每种策略都可以与不同的沉积方法相结合,即形成产生二氧化硅烟灰的气相。

在某些情况下,可以使用额外的覆层工艺。 在这里,将玻璃棒插入毛细管(通常由合成二氧化硅组成),然后通过加热塌陷,形成原始棒的附加外层。

3D打印

制造纤维预制棒的一种非常不寻常的方法是使用3D打印,这已经用硫族化物玻璃证明[11]。

特种纤维预制棒

各种特种纤维需要具有特殊功能的预制棒,因此需要适应预制棒的制造方法:

活性纤维

对于光纤激光器和光纤放大器等有源光纤器件,需要稀土掺杂光纤。 在这里,纤芯掺杂了稀土离子,例如铒、钕、镱或铥。 额外的掺杂剂可以改变折射率,提高稀土离子的溶解度,或改变光敏性。

并非所有掺杂剂都可以很容易地与气相沉积方法结合,需要对流材料输送。 特别是,稀土掺杂剂的前体通常具有过低的蒸气压。 克服这个问题的一种可能性是将稀土离子的来源暴露在更高的温度下。 例如,用于MCVD的玻璃管可能包含额外的掺杂剂室或浸泡有稀土盐的多孔二氧化硅部分,该部分用额外的燃烧器加热。 在某些情况下,即使是不寻常的纤维芯材料,如掺铬硒化锌,也会用类似的方法沉积[10]。

另一种常见的技术是固溶掺杂,其中最初将多孔二氧化硅筛块(在较低温度下制成,尚未烧结且尚未包含稀土离子)沉积在空心二氧化硅管的内侧。 然后将该玻璃料浸泡在含有稀土盐(例如氯化物)的溶液中。 之后,需要进一步处理预制件以形成干燥致密的稀土氧化层。

另一种技术是从某些气溶胶中直接沉积纳米颗粒。 该方法允许高掺杂浓度,具有良好的均匀性和掺杂曲线的精确控制。

烧结技术[9]也经常用于制造稀土掺杂的纤维芯。

管中杆法

对于无法应用气相沉积的材料,由于没有合适的气态原始前驱体(例如氟化物纤维),管中杆技术是另一种选择。 在这里,将折射率较高的玻璃棒插入折射率较低的玻璃管中。 两者可以通过加热合理地连接,但需要非常小心以避免气泡和其他干扰。

还有一些铸造方法,将熔融的核心玻璃倒入包层管中,或使用真空泵吸入管中。

光子晶体光纤

光子晶体光纤的预制棒通常通过将玻璃管(通常由纯熔融石英制成)和毛细管堆叠在较大的玻璃管内制造。 在纤维拉丝过程中,毛细管孔和这些玻璃元件之间的空隙转化为光纤中的微小气孔,只有纳米尺寸。 限制来自于需要实现足够高的机械稳定性(包括在纤维拉制过程中)并避免在拉丝过程中所需的气孔塌陷。 关于光子晶体光纤的文章,了解有关如何制造其预制件的更多详细信息。

当然,很容易为有源光纤器件引入稀土掺杂棒。

多芯光纤

多芯光纤的预制棒不能用普通的预制棒制造技术制造,但有几种选择:

  • 可以使用管中杆法,每个光纤芯一根棒。
  • 人们可以使用一定数量的单芯预制棒并将它们组装在一起以获得束光纤。
  • 在光子晶体光纤的情况下,很容易组装包含多个芯的预制棒。

保偏光纤

保偏光纤通常为PANDA型(见图1,左侧)。 在这里,需要钻两个平行于改革轴的非常精确的孔,插入以精确拟合硼硅酸盐玻璃的应力率,最后处理瓶坯端部。 纤维拉丝工艺也需要优化,以便与此类预制棒配合使用。

另一种常见的保偏纤维称为领结纤维(图1,右侧),使用不同几何形状的应力元件,这些应力元件也采用完全不同的技术制成。 它们采用化学气相沉积法制成,就像瓶坯的大多数其他部分一样。 通常首先在核心区域周围沉积此类材料,然后通过化学蚀刻将其中的一些材料去除到纤维芯对面的区域。 然后将具有不同性质的其他材料沉积在那里。

图1:保偏 PANDA 光纤(左)和领结光纤(右)。内置应力元件由不同类型的玻璃制成,例如硼硅酸盐玻璃,以深灰色调显示。

类似的方法用于椭圆应力层纤维,其中应力元件也通过化学气相沉积沉积,但在这种情况下,通过机械加工而不是化学蚀刻成型。 两个平面被加工成预制件,因此没有圆柱形;然而,当使用精心优化的拉拔工艺时,它可用于拉动具有圆形横截面的光纤。

此外,还有椭圆芯光纤,其中主要利用双折射而不是应力双折射。 预成型中的椭圆形磁芯可以通过不对称气相沉积工艺获得。

对于保持偏振的光子晶体光纤,可以选择完全不同的方法。 在这里,人们可以通过适当地排列瓶坯的玻璃元件来简单地引入不对称性,从而引起应力或形成双折射。

参考文献

[1] S. Nagel et al., “An overview of the modified chemical vapor deposition (MCVD) process and performance”, IEEE J. Quantum Electron. 18 (4), 459 (1982), doi:10.1109/JQE.1982.1071596
[2] M. Blankenship and C. Deneka, “The outside vapor deposition method of fabricating optical waveguide fibers”, IEEE J. Quantum Electron. 18 (10), 1418 (1982), doi:10.1109/JQE.1982.1071426
[3] Y. Ohishi, S. Mitachi and S. Takahashi, “Fabrication of fluoride glass single-mode fibers”, J. Lightwave Technol. 2 (5), 593 (1984), doi:10.1109/JLT.1984.1073675
[4] H. Lydtin, “PCVD: a technique suitable for large-scale fabrication of optical fibers”, J. Lightwave Technol. 4 (8), 1034 (1986), doi:10.1109/JLT.1986.1074872
[5] B. J. Ainslie, “A review of the fabrication and properties of erbium-doped fibers for optical amplifiers”, IEEE J. Lightwave Technol. 9 (2), 220 (1991), doi:10.1109/50.65880
[6] X. Wang et al., “A review of the fabrication of optic fiber”, Proc. SPIE 6034, 60341D (2005), doi:10.1117/12.668147
[7] L. Cognolato, “Chemical vapour deposition for optical fibre technology”, J. Phys. IV France 5, C5-975 (1995), doi:10.1051/jphyscol:19955115
[8] A. Dhar et al., “The mechanism of rare earth incorporation in solution doping process”, Opt. Express 16 (17), 12835 (2008), doi:10.1364/OE.16.012835
[9] M. Leich et al., “Highly efficient Yb-doped silica fibers prepared by powder sinter technology”, Opt. Lett. 36 (9), 1557 (2011), doi:10.1364/OL.36.001557
[10] J. R. Sparks et al., “Chromium doped zinc selenide optical fiber lasers”, Optical Materials Express 10 (8), 1843 (2020), doi:10.1364/OME.397123
[11] J. Carcreff et al., “Mid-infrared hollow core fiber drawn from a 3D printed chalcogenide glass preform”, Optical Materials Express 11 (1), 198 (2021), doi:10.1364/OME.415090

作          者: 泮桥成像光电商城

出          处: https://www.ipanqiao.com/entry/1393

版          权:本文版权归泮桥成像光电商城所有

免责声明:本文中使用的部分文字内容与图片来自于网络,如有侵权,请联系作者进行删除。

转          载:欢迎转载,但必须保留上述声明;必须在文章中给出原文链接;否则必究法律责任。

Copyright © 2019-2022 南京超维景生物科技有限公司 版权所有 www.ipanqiao.com苏ICP备20009590号-1
联系我们
立即做合同
微信客服
电话咨询

400-998-9826

17302548620

快速留言

泮桥成像光电商城专业人员会在24小时之内联系您

关闭 提交