光纤制造

2021-03-15 16:09:07 浏览:913

有很多种方法可以制造光纤。可以将它们分为采用预制件的方法和直接的光纤生产方法。需要采用预制件的方法在玻璃光纤中是最重要的,而直接方法,例如采用挤压,在塑料光纤中很常见。下面先介绍采用预制件的方法,然后得到预制件后的怎样制造光纤,最后再介绍无需预制件的直接方法。

由预制件拉制光纤

大部分玻璃光纤是通过在光纤拉丝塔中得到预制件后拉制而得的,拉丝塔通常有几米高。预制件通常是直径为1-10cm,长度约为1m的玻璃棒。在其轴向上,预制件的一部分区域折射率提高,之后形成光纤纤芯。当预制件在拉丝塔顶端的熔炉中被加热到熔点时,可以从底部拉伸预制件得到细光纤。一个预制件可以得到几千米长的光纤。在拉制过程中,通过自动反馈系统(在熔炉下面的直径控制器)自动调整拉制速度(或者熔炉温度),光纤直径保持为一个常数。

普通石英光纤中光纤拉制可以很好的工作,因为二氧化硅的跃迁带宽很大,即黏性合适的范围内的温度范围很大。而其它材料,例如氟化物光纤,适合拉伸的温度范围很小,采用这种方法会比较困难。

在将光纤卷起来之前,需要在其周围制备聚合物涂层用来提供机械和化学保护。这种涂层包含两个或多个不同的涂层是为了最大限度上抑制微弯曲。常用的涂层材料为丙烯酸盐,硅树脂和聚酰亚胺。附加的PVC或者类似的保护涂层可以在拉制过程结束后通过挤压制备。

在光纤制造过程中,也可以将II型光纤布拉格光栅写入光纤中。在光纤制备涂层前,需要超短纳秒激光脉冲通过一些相位掩膜后射到光纤中。

制备光纤预制件

气相沉积法

很多光纤预制件是利用改进的化学气相沉积(MCVR或者CVD)过程制造的。这种方法是1970年制备石英通信光纤发展起来的,南安普顿大学,贝尔实验室和康宁公司做了开创性的工作。其中,将氧气,四氯化硅(SiCl4)和一些其它的化学物质(例如四氯化锗GeCl4和稀土掺杂)的混合物通过旋转的石英玻璃管,在外部被加热到约1600°C.气体形式的物质发生化学反应后产生石英微细烟尘涂覆在玻璃管的内表面,然后再烧结成一个干净的玻璃层。炉子需要沿着管子连续的前后移动。在过程的最后,气体混合物经过改进,形成一个具有更高折射率的层,即是光纤纤芯的预制件。最后,将管子加热到约2000°C烧熔。

还有以下几种气相沉积方法:

  • 外部气相沉积(OVD)是将石英烟尘沉积到一些目标棒的表面上(例如,一个玻璃芯棒),而不是如MCVD中沉积在内表面。燃料气体,如氢气或者甲烷,与材料一起被炉子加热,然后再次通过旋转棒。沉积之后,目标棒移除,将预制件放在炉子上加固,其中通入烘干气体来降低羟基含量。
  • 气相轴向沉积(VAD或AVD)类似于OVD,但是结构经过了改进,其中沉积发生在目标棒的底部。连续将棒沿远离炉子方向拉,可以得到很长的预制件。材料的加固过程在一个单独的区域进行融化过程。OVD和MCVD之间最重要的差别在于掺杂形状只由炉子的几何形状决定,而不取决于气体混合物随时间的变化。
  • 等离子体化学气相沉积(PCVD)也是沉积在管子内,与MCVD类似。但是,这里加热沉积区域采用的是微波,而不是炉子。沉积过程很慢,但是很准确。另一种改进的更高准度的方法是等离子体脉冲化学气相沉积(PICVD),其中采用了短微波脉冲。还有等离子体增强化学气相沉积(PECVD),工作在大气压下,沉积速率很高。
  • 多模光纤的预制件,尤其是大纤芯光纤,通常采用等离子体外部沉积(POD)方法制备,其中外部的氟掺杂涂层使折射率减小,然后形成光纤包层,由等离子体喷枪制备。纤芯可以由纯石英得到,不掺杂物质。

气相沉积方法的普遍优势在于其极低的传输损耗,可以达到0.2 dB/km以下,因为可以采用高纯度材料并且可以避免污染。另外,SiCl4和GeCl4很容易在蒸馏过程中纯化,因为它们在室温时是液体。当不使用氢气时,这种预制件的水含量很低,因此在1400 nm处不会有很强的损耗,即不会影响通信波段。

不同的气相沉积方法在很多方面都不同,例如,材料纯度,程度,准度和折射率控制的灵活程度,制备光纤的机械强度,沉积效率和速度。

不采用气相沉积的方法

如果材料不能采用气相沉积方法,可以采用管棒法。其中,将折射率更高的玻璃棒插入到较低折射率的玻璃管中。可以通过加热连在一起,但是需要仔细处理防止出现气泡和干扰。还有浇铸方法,是将熔芯玻璃浇到包层管中,或采用真空泵浦吸入管中。

光纤晶体光纤的预制件遍及小的孔洞,通常通过堆积毛细管或棒制备,大部分情况下由纯熔融石英得到。也可以引入稀土掺杂用在活性光纤装置中。

适应活性光纤的方法

活性光纤装置,例如光纤激光器和光纤放大器,需要使用稀土掺杂光纤。其中,光纤纤芯需要掺杂稀土离子,例如铒,钕,镱或者铥。附加的掺杂可以改变折射率,提高稀土离子的可溶性或者改变光敏性。

不是所有的掺杂物都能采用气相沉积方法,需要对流运输。另外,稀土掺杂物通常具有很低的气压。解决这一问题的一种方法是将稀土掺杂离子源放置在很高温度下。例如,用于MCVD的玻璃管可能包含一个附加的掺杂室或者涂满稀土盐的多孔石英部分,需要采用单独的炉子进行加热。

另一个常见技术是采用掺杂溶液,通常是多孔硅熔块(不包含稀土离子)沉积到空心石英管的内侧。这种熔块然后充满包含稀土盐的溶液(例如,氯化物)。后来,需要进一步处理预制件得到烘干的稀土氧化物层。

另一种技术是可以用一些气溶胶进行直接纳米离子沉积。这种方法可以得到均匀性很好的高掺杂浓度,并且可以准确控制掺杂分布。

还可以采用烧结技术[8]来制备稀土掺杂光纤纤芯。

不采用预制件的光纤制造方法

软玻璃光纤通常采用双坩埚法制备,其中纤芯和包层同时从坩埚中拉制而成。坩埚中一个容器用来烧熔纤芯玻璃,在中心开一个小口,另一个容器烧熔包层玻璃。双坩埚方法的产生早于气相沉积方法,但是现在仍然在制备软玻璃时使用。与通过拉制预制件相比,它适用于多种玻璃材料。但是,这种方法不能得到很低损耗的超纯光纤,并且很难避免坩埚对材料的污染。

还有些光纤,例如塑料光纤,是由简单的挤压过程得到的,类似于双坩埚方法。这种光纤有大量的市场应用,但是不能达到最好的性能。

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)
[2] M. Blankenship and C. Deneka, “The outside vapor deposition method of fabricating optical waveguide fibers”, IEEE J. Quantum Electron. 18 (10), 1418 (1982)
[3] B. J. Ainslie, “A review of the fabrication and properties of erbium-doped fibers for optical amplifiers”, J. Lightwave Technol. 9 (2), 220 (1991)
[4] W. A. Gambling, “The rise and rise of optical fibers”, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 6 (6), 1084 (2000) (an informative review on the development of glass fibers)
[5] X. Wang et al., “A review of the fabrication of optic fiber”, Proc. SPIE 6034, 60341D (2005)
[6] L. Cognolato, “Chemical vapour deposition for optical fibre technology”, J. Phys. IV France 5, C5-975 (1995)
[7] A. Dhar et al., “The mechanism of rare earth incorporation in solution doping process”, Opt. Express 16 (17), 12835 (2008)
[8] M. Leich et al., “Highly efficient Yb-doped silica fibers prepared by powder sinter technology”, Opt. Lett. 36 (9), 1557 (2011)

参阅:光纤、稀土掺杂光纤、光纤纤芯、光纤晶体光纤

作          者: 泮桥成像光电商城

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