[科普中国]-氧化物光纤

玻璃纤维中能以波导结构传输光者称为光学纤维。用于光通讯时则要求具有特别良好的透光性(低损耗),长距离传输后仍能识别信号(低色散),满足这些要求者则可称为光通讯光纤,简称光纤。光纤通讯的最大特点是中继间距离长和传输容量大。氧化物玻璃具有稳定的玻璃态,由多种氧化物构成的多组分玻璃,透过波长范围取决于透过范围最狭窄的组合,虽然本征吸收损耗比较大。但软化点低使瑞利损耗(折射率变化引起)变小,且能比较容易地合成稳定均匀的玻璃。用于光纤的玻璃有钠钙系统和硼硅酸钠系统。通过改变玻璃的成分可以容易地控制折射率,利用这个优点,用双坩埚法制造了阶跃型光纤。其特点是除了热膨胀系数和软化温度一致外,芯皮之间的折射率差大,适于制造大数值孔径光纤。这就是氧化物光纤。1

光钎损耗光纤通讯的最大特点是中继间距离长和传输容量大。为实现此目的,要求光纤具有低损耗、低色散。如右图所示为光纤中损耗主要原因的示意。所有这些损耗均取决于光纤制造技术,尽量消除上述损耗在制造低损耗光纤中十分重要。

因此,制造低损耗、低色散光纤应选择最低本征损耗小的玻璃材料及适合于该材料的制造技术即通过高纯度、均匀性优优越的玻璃的合成，以及折射率的精密控制制造波导结构来实现。1

氧化物玻璃在光纤中的优点氧化物玻璃具有稳定的玻璃态,由多种氧化物构成的多组分玻璃,透过波长范围取决于透过范围最狭窄的组合,虽然本征吸收损耗比较大。但软化点低使瑞利损耗(折射率变化引起)变小,且能比较容易地合成稳定均匀的玻璃。

石英玻璃的本征损耗低,大约是0.2dB/km,玻璃态的石英是一种稳定的材料,石英玻璃通常在高温下制造,早已知道由于高温下杂质的挥发而能得到高的纯度。正是这样,使控制折射率所必需的掺杂物不容易引入,难于制造成波导结构,但是应用半导体工业中发展的化学气相沉积法(CVD, Chemical Vapor Deposition),使掺杂石英玻璃的合成变为现实。用这种CVD法制造光纤,可实现超高强度和波导结构的精密控制,目前,石英系统玻璃在光纤材料中占主要地位。1

石英系光纤的制造石英系光纤的制造包括合成具有波导结构的高纯度预制坯棒和将棒拉制成光纤。光纤的制造分为三个阶段：预制棒的制造；拉丝和涂覆；成缆。

预制棒的制造预制棒的制造有三种比较典型的制作方法,即管内气相沉积法、轴向气相沉积法和外气相沉积法。

1、管内气相沉积法( Inside Vapor Deposition)：是目前制作高质量石英系玻璃光学纤维最通用的方法。又叫改进的化学气相沉积法( Modified Chemical Vapor Deposition),即MCVD法。

在石英管内不断通入各种超纯的原料气体(如四氯化硅、四氯化锗、三氯氧磷、三溴化硼)以及反应气体氧气。石英管的外径通常为20mm,内径为17mm左右。石英管是夹在玻璃车床上的,一般以每分钟几十转的速度转动。用氢氧喷灯以每分钟十几厘米的速度沿反应管来回运动几十次。由于管外氢氧焰燃烧温度的高温加热,使管内的气体发生化学反应,反应生成物便沉积在石英管的内壁,形成多层玻璃状物质。采用电子计算机控制各种原料气体的组分、流量以及氢氧焰喷灯的移动速度,可以使石英系光纤的断面折射率分布达到预先设计的要求。然后把石英管高温烧熔成致密的实心棒,就得到了光纤的预制棒。

2 、轴向气相沉积法(AVD法, Vapor Phase Axial Deposition)：是用SiCl4水解反应

SiCl4+2H2O===SiO2 +4 HCI

使高纯原料SiCl4等气化,再通过高温氢氧焰生成玻璃微粒组成的所谓粉尘。喷灯上面有一根石英棒,玻璃粉尘就沉积在它的顶部,将石英棒不停地旋转,并且向上提拉,在石英棒的下方就生成多孔的预制棒。然后将多孔棒置于炉中,通于氯化亚硫酰气体,除去表面残留的氢氧离子;最后再加热到1500~1700℃,烧熔成透明的预制棒。轴向法中氧化物沉积速度比管内法提高5~10倍。因此,适于制作大型棒材。

3、外气相沉积法(OVD法, Outside Vapor Deposition)应用水解反应原理,将原料气体输入氢氧焰喷嘴,经高温分解合成得到玻璃粉尘,一层一层地沉积在耐火材料(一般使用碳一类的材料)心棒的表面,形成多孔的预制棒。拔去心棒之后,再放入高温炉内加热熔缩,得到透明的预制棒。这种方法能制成大直径的预制棒,一次拉几十公里长的光学纤维。

4、等离子体化学气相沉积法(PCVD法, Plasma Chemical Vapor Deposition)基本上与MCVD法相同,只是加热源采用等离子火焰。这种方法可制得大尺寸坯棒。1

拉丝与涂覆预制棒制成之后,下一工序就是拉丝和涂覆。如右图所示,将预制棒装夹在一个送棒机构上,送入加热炉(石墨炉)。在接近2000℃的高温下,预制棒下端被加热至近熔融状态,拉制成外径为100~150μm的光纤。外径用激光束扫描法测量光纤的直径,测量结果反馈到拉丝速度控制。目前可方便地将直径波动控制在土1μm以内。

因为石英光纤本身是比较脆的,经不起弯曲和摩擦,因此在纤维成形后,要立即涂覆丙烯酸树脂或硅树脂,通过加热或紫外光照射的方法使其固化,形成一层坚固的涂层。一般在成缆前,要进行二次涂覆。涂覆的目的是提高光纤机械强度和减少光纤传输损耗。1

成缆涂覆过的光纤组合起来可以制成各种光缆。光缆的结构形式有层状光缆、单元型光缆、衬架型光缆以及带状光缆。光缆的增强材料可以是金属,也可以是非金属。光缆与同轴电缆相比,具有不会产生串话、量轻、直径小、施工比较简单的特点。1

光纤的结构与分类通讯用玻璃光纤是由折射率较高(n1)的玻璃光纤芯和折射率较低(n2