大芯徑多模石英光纖生產(chǎn)工藝探討論文
1大芯徑多模石英光纖的生產(chǎn)工藝
大芯徑多模石英光纖是對(duì)圓柱形光纖預(yù)制棒進(jìn)行高溫加熱軟化熔縮、套管、拉制、涂覆、套塑、測(cè)試和包裝一系列流程制成的。光纖預(yù)制棒的制備是獲得高性能光纖的關(guān)鍵所在，在目前國(guó)內(nèi)外相關(guān)光纖預(yù)制棒生產(chǎn)商（包括長(zhǎng)飛，法爾勝，朗訊阿爾卡特和日本NTT公司）采用的生產(chǎn)工藝中,常見(jiàn)的大芯徑多模石英光纖預(yù)制棒制備工藝有改進(jìn)化學(xué)氣相沉積（MCVD）、等離子體化學(xué)氣相沉積（PCVD）和軸向化學(xué)沉積（VAD）。下面分別介紹這3種制備方法。
1.1MCVD采用MCVD
制備光纖預(yù)制棒的過(guò)程中，將設(shè)備處于封閉的超純態(tài)下，常用原料為SiCl4、CF2Cl2、SF6和C2F4，運(yùn)載氣體通常為O2或Ar，反應(yīng)設(shè)備如圖1所示。運(yùn)載氣體通入反應(yīng)原料蒸發(fā)瓶后，攜帶沉積反應(yīng)原料進(jìn)入襯底管中，在加熱條件下進(jìn)行沉積反應(yīng)，在襯底管內(nèi)形成一定厚度、成分為SiO2-SiF4的包層。包層沉積完成后先沉積纖芯，待纖芯沉積完成后再進(jìn)行熔融和縮棒工藝，至此完成預(yù)制棒的制造過(guò)程。在制備階躍型多模光纖的預(yù)制棒制造工藝中，運(yùn)載氣體流量為恒定值；在制備漸變型多模光纖的預(yù)制棒制造工藝中，要根據(jù)光纖折射率分布來(lái)控制運(yùn)載氣體的流量。另外，為保證光纖沉積的均勻性，在沉積反應(yīng)過(guò)程中要以一定速度旋轉(zhuǎn)襯底管。MCVD制備光纖預(yù)制棒的優(yōu)勢(shì)是設(shè)備投資較低、操作運(yùn)行較容易、工藝控制性好、易于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜折射率光纖預(yù)制棒的制備。缺點(diǎn)在于MCVD方法屬于間歇性沉積工藝，存在材料均勻性較差、難以確保剖面的精確度、沉積速率較慢和原料利用率較低的問(wèn)題。
1.2PCVD
PCVD方法為管內(nèi)法的化學(xué)氣相沉積工藝，即在低壓下，采用微波腔體加熱，使諧振腔內(nèi)的兩極板間電壓增高，促使管內(nèi)反應(yīng)氣體的殘余正離子在電場(chǎng)中加速，使其部分電離、活化，生成一種非等溫等離子氣體。這些非等溫等離子氣體重新組合釋放熱能，釋放出的能量能促進(jìn)原料氣體發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)生成的粒子擴(kuò)散到襯底管內(nèi)壁上形成沉積，反應(yīng)機(jī)理與MCVD類似。PCVD通常用來(lái)制備光纖預(yù)制棒的芯棒部分，與套管工藝配合制成光纖預(yù)制棒。PCVD制備光纖預(yù)制棒的`優(yōu)勢(shì)是生產(chǎn)設(shè)備投資較低、可操控性強(qiáng)、屬于低溫氧化、易于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜折射率光纖預(yù)制棒的制備、可以獲得折射率分布接近理想狀態(tài)的光纖預(yù)制棒。缺點(diǎn)在于沉積速率低、要求原料純度高、屬于間歇性沉積工藝。
1.3VAD
VAD法制備光纖預(yù)制棒的工藝過(guò)程有沉積芯棒、脫水、燒結(jié)、初檢、延伸、末檢和外包。與MCVD和PCVD法相比，VAD法是先沉積芯棒，后沉積包層，具體工藝過(guò)程如圖3所示。提純的原料試劑以氣態(tài)形式被送入反應(yīng)室發(fā)生水解反應(yīng)，反映產(chǎn)物在基棒下端沉積，形成多孔型粉塵預(yù)制棒，芯棒較疏松。為了保證沉積產(chǎn)物的均勻性，芯棒以一定速度做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；為了保證光纖預(yù)制棒的密實(shí)性，需對(duì)其進(jìn)行燒結(jié)處理，熔縮成透明的光纖預(yù)制棒。VAD法制備光纖預(yù)制棒的優(yōu)勢(shì)在于多噴燈同時(shí)沉積，沉積速率快，減少了光纖吸收損耗，避免了管內(nèi)沉積導(dǎo)致水峰含量降低的問(wèn)題，適合批量生產(chǎn)；缺點(diǎn)在于VAD法對(duì)沉積環(huán)境要求較高、很難實(shí)現(xiàn)精確的折射率分布，且工藝程序多、操作復(fù)雜。光纖預(yù)制棒制備完成后對(duì)其進(jìn)行拉制，常用的拉制工藝為管棒法拉制工藝和雙坩堝法拉制工藝，拉制工藝結(jié)束后先對(duì)光纖進(jìn)行涂覆和套塑處理以增加光纖的機(jī)械強(qiáng)度，再進(jìn)行封裝、檢驗(yàn)和出庫(kù)，至此完成全部制備過(guò)程。
2大芯徑多模石英光纖的應(yīng)用
大芯徑多模石英光纖本身具有的特點(diǎn)使其廣泛應(yīng)用于通信、空間應(yīng)用和工業(yè)生產(chǎn)等場(chǎng)合。在短距離通信和數(shù)據(jù)傳輸中，相比于普通單模石英光纖，大芯徑多模石英光纖在地面配線中可以減少光纖使用長(zhǎng)度和節(jié)點(diǎn)數(shù)量，降低了光纖系統(tǒng)成本。另外，大芯徑多模石英光纖對(duì)插接件接口要求相對(duì)較低，減少了光傳輸分路數(shù)量，降低了光路調(diào)準(zhǔn)要求，簡(jiǎn)化了光電設(shè)計(jì)，提高了設(shè)備的可維護(hù)性。在空間應(yīng)用中，由于大芯徑多模石英光纖具有優(yōu)良的抗輻照能力，通過(guò)在包層中摻氟可以提高光纖抗空間輻照能力和衛(wèi)星空間在軌服役時(shí)間，傳輸信號(hào)性能更加穩(wěn)定。另外，由于具有傳輸損耗少，數(shù)據(jù)頻率隨溫度變化程度低以及電磁兼容性優(yōu)異的優(yōu)點(diǎn)，使大芯徑多模石英光纖在高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄓ嵭l(wèi)星領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。在工業(yè)生產(chǎn)中，由于光纖可傳輸大功率能量，因此廣泛用于增材和減材場(chǎng)合中，比如激光焊接和激光切割。其中階躍型大芯徑多模石英光纖因其傳送能量分布均一的優(yōu)點(diǎn)，適用于薄物焊接和擴(kuò)大焊核面積；大芯徑漸變型多模石英光纖適合厚物焊接。大芯徑多模光纖配合激光器可以對(duì)材料表面進(jìn)行熱處理，增強(qiáng)或改善材料的性能，如細(xì)化晶粒、提高材料表面硬度，或在材料表面形成致密的氧化層，提高其防腐能力。在醫(yī)療領(lǐng)域中，由于光纖具有傳遞光能、絕緣、不受微波干擾、可做一定尺寸的彎曲等特征，因此可以用于制作醫(yī)療中的內(nèi)窺鏡，具有對(duì)患者傷害輕、傷口創(chuàng)面小、便于醫(yī)生操作的特點(diǎn)。另外，大芯徑多模石英光纖可以傳輸高能量，能用來(lái)進(jìn)行激光醫(yī)療，可以精確切割病變部位，如切割腎結(jié)石和前列腺炎。
3結(jié)束語(yǔ)
由于光纖性能主要取決于光纖預(yù)制棒的生產(chǎn)工藝，不同的生產(chǎn)工藝會(huì)對(duì)光纖傳輸損耗、溫度敏感性、抗輻照性能以及激光損傷閾值產(chǎn)生不同的影響。因此，本文介紹3種國(guó)內(nèi)外通用的光纖預(yù)制棒生產(chǎn)工藝，簡(jiǎn)要描述了不同光纖預(yù)制棒的沉積原理、包層與纖芯沉積的先后順序以及各類光纖預(yù)制棒生產(chǎn)工藝的優(yōu)缺點(diǎn)。另外，本文還介紹了一些大芯徑多模石英光纖的應(yīng)用場(chǎng)合，為科研工作者提供了光纖預(yù)制棒生產(chǎn)工藝的基本流程和生產(chǎn)原理知識(shí)。