大芯徑多模石英光纖生產工藝探討論文
1大芯徑多模石英光纖的生產工藝
大芯徑多模石英光纖是對圓柱形光纖預制棒進行高溫加熱軟化熔縮、套管、拉制、涂覆、套塑、測試和包裝一系列流程制成的。光纖預制棒的制備是獲得高性能光纖的關鍵所在，在目前國內外相關光纖預制棒生產商（包括長飛，法爾勝，朗訊阿爾卡特和日本NTT公司）采用的生產工藝中,常見的大芯徑多模石英光纖預制棒制備工藝有改進化學氣相沉積（MCVD）、等離子體化學氣相沉積（PCVD）和軸向化學沉積（VAD）。下面分別介紹這3種制備方法。
1.1MCVD采用MCVD
制備光纖預制棒的過程中，將設備處于封閉的超純態下，常用原料為SiCl4、CF2Cl2、SF6和C2F4，運載氣體通常為O2或Ar，反應設備如圖1所示。運載氣體通入反應原料蒸發瓶后，攜帶沉積反應原料進入襯底管中，在加熱條件下進行沉積反應，在襯底管內形成一定厚度、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行熔融和縮棒工藝，至此完成預制棒的制造過程。在制備階躍型多模光纖的預制棒制造工藝中，運載氣體流量為恒定值；在制備漸變型多模光纖的預制棒制造工藝中，要根據光纖折射率分布來控制運載氣體的流量。另外，為保證光纖沉積的均勻性，在沉積反應過程中要以一定速度旋轉襯底管。MCVD制備光纖預制棒的優勢是設備投資較低、操作運行較容易、工藝控制性好、易于實現復雜折射率光纖預制棒的制備。缺點在于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題。
1.2PCVD
PCVD方法為管內法的化學氣相沉積工藝，即在低壓下，采用微波腔體加熱，使諧振腔內的兩極板間電壓增高，促使管內反應氣體的殘余正離子在電場中加速，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原料氣體發生反應，反應生成的粒子擴散到襯底管內壁上形成沉積，反應機理與MCVD類似。PCVD通常用來制備光纖預制棒的芯棒部分，與套管工藝配合制成光纖預制棒。PCVD制備光纖預制棒的`優勢是生產設備投資較低、可操控性強、屬于低溫氧化、易于實現復雜折射率光纖預制棒的制備、可以獲得折射率分布接近理想狀態的光纖預制棒。缺點在于沉積速率低、要求原料純度高、屬于間歇性沉積工藝。
1.3VAD
VAD法制備光纖預制棒的工藝過程有沉積芯棒、脫水、燒結、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，具體工藝過程如圖3所示。提純的原料試劑以氣態形式被送入反應室發生水解反應，反映產物在基棒下端沉積，形成多孔型粉塵預制棒，芯棒較疏松。為了保證沉積產物的均勻性，芯棒以一定速度做旋轉運動；為了保證光纖預制棒的密實性，需對其進行燒結處理，熔縮成透明的光纖預制棒。VAD法制備光纖預制棒的優勢在于多噴燈同時沉積，沉積速率快，減少了光纖吸收損耗，避免了管內沉積導致水峰含量降低的問題，適合批量生產；缺點在于VAD法對沉積環境要求較高、很難實現精確的折射率分布，且工藝程序多、操作復雜。光纖預制棒制備完成后對其進行拉制，常用的拉制工藝為管棒法拉制工藝和雙坩堝法拉制工藝，拉制工藝結束后先對光纖進行涂覆和套塑處理以增加光纖的機械強度，再進行封裝、檢驗和出庫，至此完成全部制備過程。
2大芯徑多模石英光纖的應用
大芯徑多模石英光纖本身具有的特點使其廣泛應用于通信、空間應用和工業生產等場合。在短距離通信和數據傳輸中，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度和節點數量，降低了光纖系統成本。另外，大芯徑多模石英光纖對插接件接口要求相對較低，減少了光傳輸分路數量，降低了光路調準要求，簡化了光電設計，提高了設備的可維護性。在空間應用中，由于大芯徑多模石英光纖具有優良的抗輻照能力，通過在包層中摻氟可以提高光纖抗空間輻照能力和衛星空間在軌服役時間，傳輸信號性能更加穩定。另外，由于具有傳輸損耗少，數據頻率隨溫度變化程度低以及電磁兼容性優異的優點，使大芯徑多模石英光纖在高速數據傳輸的通訊衛星領域得到廣泛應用。在工業生產中，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點，適用于薄物焊接和擴大焊核面積；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材料表面進行熱處理，增強或改善材料的性能，如細化晶粒、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。在醫療領域中，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療中的內窺鏡，具有對患者傷害輕、傷口創面小、便于醫生操作的特點。另外，大芯徑多模石英光纖可以傳輸高能量，能用來進行激光醫療，可以精確切割病變部位，如切割腎結石和前列腺炎。
3結束語
由于光纖性能主要取決于光纖預制棒的生產工藝，不同的生產工藝會對光纖傳輸損耗、溫度敏感性、抗輻照性能以及激光損傷閾值產生不同的影響。因此，本文介紹3種國內外通用的光纖預制棒生產工藝，簡要描述了不同光纖預制棒的沉積原理、包層與纖芯沉積的先后順序以及各類光纖預制棒生產工藝的優缺點。另外，本文還介紹了一些大芯徑多模石英光纖的應用場合，為科研工作者提供了光纖預制棒生產工藝的基本流程和生產原理知識。