光纤理论与光纤结构之制造

 通信用光纤大多数是由石英玻璃材料组成的。科海光器件所生产的粗波分复用器，波分复用器，或者称CWDM，PLC光分路器，光纤跳线，防水尾缆等产品，用的都是石英光纤而且都是单模光纤，而塑料材质的塑料光纤多用于短距离传输，比如科海光器件生产的SMA连接器或SMA跳线，有时也用塑料光纤生产。光纤的制造要经历光纤预制棒制备、光纤拉丝等具体的工艺步骤。常使用的工艺是两步法：第一步采用四种气相沉积工艺，即：外气相沉积（Outside Vapour Deposition-OVD）、轴向气相沉积（Vapour Axial Deposition-VAD）、改进的化学气相沉积（Modified Chemical Vapour Deposition-MCVD）、等离子化学气相沉积（Plasma Chemical Vapour Deposition-PCVD）中的任一工艺来生产光纤预制棒的芯棒；第二步是在气相沉积获得的芯棒上施加外包层制成大光纤预制棒。值得强调的是，光纤预制棒的光学特性主要取决于芯棒的制造技术，光纤预制棒的成本主要取决于外包技术。

　　1．芯棒制造

　　芯棒制造技术普遍采用气相沉积工艺，如OVD、VAD、MCVD、PCVD。其中OVD工艺是1970年美国康宁公司的Kapron研发的简捷工艺。OVD工艺的化学反应机理为火焰水解，即所需的芯玻璃组成是通过氢氧焰或甲烷焰中携带的气态卤化物（SiCl4等）产生“粉末”逐渐地一层一层沉积而获得的。OVD工艺有沉积和烧结两个具体工艺步骤：先按所设计的光纤折射分布要求进行多孔玻璃预制棒芯棒的沉积（预制棒生长方向是径向由里向外），再将沉积好的预制棒芯棒进行烧结处理，除去残留水份，以求制得一根透明无水份的光纤预制棒芯棒，OVD工艺新的发展经历从单喷灯沉积到多喷灯同时沉积，由一台设备一次沉积一根棒到一台设备一次沉积多根棒，从而大大提高了生产率，降低了成本。

　　VAD工艺是1977年由日本电报电话公司的伊泽立男等人，为避免与康宁公司的OVD专利的纠纷所发明的连续工艺。VAD工艺的化学反应机理与OVD工艺相同，也是火焰水解。与OVD工艺不同的是，VAD工艺沉积获得的预制棒的生长方向是由下向上垂直轴向生长的。烧结和沉积是在同一台设备中不同空间同时完成的，即预制棒连续制造。VAD工艺的新发展由70年代的芯、包同时沉积烧结，到80年代先沉积芯棒再套管的两步法，再到90年代的粉尘外包层代替套管制成光纤预制棒。

　　MCVD工艺是1974年由美国AT&T公司贝尔实验室的Machesney等人开发的经典工艺。MCVD工艺为朗讯等公司所采用的方法。MCVD工艺是一种以氢氧焰热源，发生在高纯度石英玻璃管内进行的气相沉积。MCVD工艺的化学反应机理为高温氧化。MCVD工艺是由沉积和成棒两个工艺步骤组成。沉积是获得设计要求的光纤芯折射率分布，成棒是将巳沉积好的空心高纯石英玻璃管熔缩成一根实心的光纤预制棒芯棒。现MCVD工艺采用大直径合成石英玻璃管和外包技术，例如用火焰水解外包和等离子外包技术来制作大预制棒。这些外包技术弥补了传统的MCVD工艺沉积速率低、几何尺寸精度差的缺点，提高了质量、降低了成本，增强了MCVD工艺的竞争力。

　　PCVD工艺是1975年由荷兰飞利浦公司的Koenings提出的微波工艺。长飞公司采用的就是这种工艺。PCVD与MCVD的工艺相似之处是，它们都是在高纯石英玻璃管管内进行气相沉积和高温氧化反应。所不同之处是热源和反应机理，PCVD工艺用的热源是微波，其反应机理为微波激活气体产生等离子使反应气体电离，电离的反应气体呈带电离子。带电离子重新结合时释放出的热能熔化气态反应物形成透明的石英玻璃沉积薄层。PCVD工艺制备芯棒的工艺有两个具体步骤，即沉积和成棒。沉积是借助低压等离子使流进高纯石英玻璃沉积管内气态卤化物和氧气在大约1000C°的高温下直接沉积成设计要求的光纤芯玻璃组成。成棒则是将沉积好的石英玻璃管移至成棒用的玻璃车床上，利用氢氧焰高温作用将该管熔缩成实心的光纤预制棒芯棒。PCVD工艺的新发展是采用大直径合成石英玻璃管为沉积衬底管，沉积速率提高到了2~3g/min，沉积长度达到1.2~1.5m。

　　2．外包层制造

　　外包层制造技术主要有套管法、等离子喷涂法、火焰水解法等。外包层制造技术是光纤通信全球性高速发展应运而生的大光纤预制棒制造新技术。外包层技术发展和完善的目的是将光纤预制棒做的更粗、更长，即提高光纤生产率，降低生产成本，使光纤通信比其他介质的通信形式具有更大、更强的竞争力。外包层技术中的套管法是将气相沉积工艺制成的芯棒置入一根作光纤外包层的高纯石英玻璃管内制造大预制棒技术。等离子喷涂法是用高频等离子焰将石英粉末熔制于气相沉积工艺得到的芯棒上制成大预制棒的技术。火焰水解法（粉末外包）实质上就是OVD、VAD等火焰水解外沉积工艺在芯棒上的应用。

　　通常，将气相沉积法工艺和外包层技术结合制成的大预制棒直径缩小，且保持芯包比和折射率分布恒定的操作称为光纤拉丝。拉丝过程中要对裸光纤施加预涂覆层保护。涂覆层既可以保护光纤的机械强度、隔离外界潮湿，又可以避免外应力引起光纤的微弯损耗。此外，高速拉丝还应注意光纤的充分冷却，消除光纤中的残余内应力，以求确保光纤的翘曲度指标优。