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簡約但是不簡單-用于光纖預(yù)制棒制備的套管法

sade2020616 ? 來源:光電讀書 ? 2023-08-01 16:23 ? 次閱讀

(一)RIT技術(shù)的含義 光纖預(yù)制棒制備技術(shù)中有一種套管法(Rod-in-tube, RIT),是光纖制備中常規(guī)方法之一。其實(shí)這個(gè)名詞在別的行業(yè)也見到過。簡單描述就是玻璃棒套在玻璃管內(nèi),加熱玻璃管,將其熔縮到棒上,以形成較粗的實(shí)心棒,即光纖的預(yù)制棒。最后把預(yù)制棒一端加熱并拉伸以形成光纖。

(二)RIT的由來 前邊有一期介紹過光纖發(fā)展的歷史,光纖的Core/Clad(芯/包)結(jié)構(gòu)在1954年由荷蘭科學(xué)家亞伯拉罕·范·海爾(Abraham VanHeel)提出,他用折射率較低的透明包層覆蓋裸露的纖維。這個(gè)思路確實(shí)非常重要,當(dāng)時(shí)人們還是在想方設(shè)法提高玻璃折射率超過手指上的油脂的折射率(1.69),來避免干擾。有包層的纖維避免了反射表面免受外界的影響,也減少光纖之間接觸時(shí)候的干擾。

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有包層的纖維避免了反射表面免受外界的影響

不過這個(gè)時(shí)候,玻璃外邊應(yīng)該是一層塑料材料。玻璃包層的出現(xiàn)是1955年,柯蒂斯(Lawrence E. Curtiss,當(dāng)時(shí)還是個(gè)博士生),試圖將玻璃管熔縮到玻璃棒上。1956年他購買了軟玻璃(低溫玻璃)管,其折射率低于康寧公司的玻璃棒。他將一根高折射率的康寧玻璃棒放入低折射率管內(nèi),將二者在爐子中融為一體,并從中抽出一根纖維。他回憶說:“那可能是我一生中最激動(dòng)人心的一天。” 后來,柯蒂斯(Curtiss)還基于這一思路,建立了現(xiàn)代光纖拉制設(shè)備的雛形系統(tǒng),可以在拉制過程中實(shí)時(shí)測(cè)量纖維直徑,而無需接觸玻璃。他們控制著手工拉制光纖的速度,平均每小時(shí)大約五英里(8公里,130米每分鐘,手動(dòng)拉絲能達(dá)到這樣的速度,其實(shí)挺快的)。 如今的光纖生產(chǎn)工藝幾乎是全自動(dòng)了,拉絲速度也達(dá)到3公里每分鐘。現(xiàn)在通訊單模光纖的結(jié)構(gòu)芯/包層結(jié)構(gòu),并且標(biāo)準(zhǔn)健全,穩(wěn)定可靠。

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現(xiàn)在通訊單模光纖的結(jié)構(gòu)芯/包層結(jié)構(gòu)

Core/Clad 結(jié)構(gòu)解決了光纖使用的幾個(gè)重要技術(shù)問題:

可靠性,如果沒有光學(xué)包層,不能觸碰光纖。

2種玻璃,就有2種折射率,光纖的NA可以較為自由的控制。

實(shí)現(xiàn)了單模傳輸。

用套管法來實(shí)現(xiàn)更大尺寸的預(yù)制棒。

更重要的是為未來的工藝進(jìn)展提供了思路,比如:保偏光纖,芯棒、硼棒的套管法;cane-in-tube(中間體套管)用于微結(jié)構(gòu)光纖;多芯光纖等等。

(三)RIT帶來更多的特種光纖思路 套管技術(shù)不僅僅是通訊光纖使用,這個(gè)技術(shù)提供了更靈活的光纖設(shè)計(jì),更廣泛應(yīng)用從此展開。 熊貓型保偏光纖 保偏光纖的結(jié)構(gòu)挺多的,分成了應(yīng)力型和幾何型:有熊貓型、領(lǐng)結(jié)型、橢圓包層型、橢圓芯型等等。另外光子晶體光纖也是重要的一類。

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幾種典型保偏光纖:熊貓型、領(lǐng)結(jié)型、橢圓包層型、橢圓芯型

熊貓型保偏光纖是其中應(yīng)用非常廣泛的一種。制備過程分別兩次用到套管法(芯棒和硼棒)。簡單描述了一下熊貓光纖的制備過程。

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工藝步驟:(1)芯棒是化學(xué)汽相沉積法制備的,通過一次套管,實(shí)現(xiàn)需要的芯/包比例;(2)通過打孔,準(zhǔn)備好應(yīng)力棒的位置;(3)硼硅玻璃應(yīng)力棒填入打好的孔中;(4)形成完整的預(yù)制棒。

多芯光纖 多芯光纖更是非常依靠套管法,打孔后和芯棒組合成多芯光纖的預(yù)制棒。

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多芯光纖打孔,以及拉制出來的多芯光纖端面圖

玻璃纖芯和空氣包層(懸浮芯) 懸浮芯光纖(suspended core fiber)也許平時(shí)接觸的比較少。這一類光纖可以實(shí)現(xiàn)大數(shù)值孔徑,纖芯可以做的非常小,因此就是一種微結(jié)構(gòu)的高非線性光纖。另外,有點(diǎn)類似光子晶體光纖,懸浮芯光纖可以僅通過單一玻璃材料就實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。 懸浮芯光纖采用cane-in-tube的制備方式,玻璃棒換成了有結(jié)構(gòu)的中間體。先制備出微結(jié)構(gòu)的預(yù)制棒(這里的結(jié)構(gòu)是通過玻璃片把纖芯懸掛在正中),再拉制成中間體(cane),套管,再整體拉絲。一氣呵成,cane-in-tube思路和rod-in-tube一致。不過想要做好懸浮芯這類光纖,還是有很多技巧。

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懸掛芯光纖,纖芯尺寸非常小,大數(shù)值孔徑

雙懸浮芯 雙懸浮芯(dual suspended core fiber),不是簡單的增加了一個(gè)纖芯。而是做到了使光纖的纖芯不僅導(dǎo)光,還通過纖芯的機(jī)械運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)纖芯的相互作用,把MEMS技術(shù)和光纖技術(shù)合二為一。后來被稱為納米機(jī)械光纖(nanomechanicalfiber)。為光開關(guān)、環(huán)境傳感等提供了新的思路。(https://doi.org/10.1364/OE.20.029386) 制備方法和懸浮芯相似,但是技巧是如何控制纖芯的間距。

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雙懸掛芯光纖(納米機(jī)械光纖)

(四)RIT技術(shù)的挑戰(zhàn)外部氣相沉積(OVD)的挑戰(zhàn) 光纖行業(yè)發(fā)展這么多年,套管法確實(shí)影響巨大,只是依然離不開對(duì)高純石英管的依賴(我們國家高純石英管技術(shù)相對(duì)薄弱)。外部氣相沉積(Outside Vapor Deposition,OVD)法的挑戰(zhàn)也如期而至,逐漸變成通訊光纖企業(yè)必備裝備。 OVD過程也是氣相沉積,二氧化硅沉積在目標(biāo)靶棒(玻璃芯軸)的表面上,而不是像MCVD沉積在管內(nèi)。連同SiCl4的氣體材料一起,燃料氣體被送到加熱區(qū),加熱區(qū)沿著旋轉(zhuǎn)桿移動(dòng)。沉積后,將靶棒移除,并將預(yù)成型預(yù)制棒在爐中燒結(jié),并用干燥氣體吹掃以降低羥基含量。

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OVD的基本工藝:沉積過程,燒結(jié)過程

好像OVD這個(gè)技術(shù)如果廣泛使用起來,套管法就沒有市場了。其實(shí)也不盡然,通訊光纖PK成本和規(guī)模,OVD確實(shí)意義重大。但是特種光纖種類繁多,對(duì)成本相對(duì)不敏感,最基礎(chǔ)的套管法依然會(huì)是最常用的方法。(五)解語 套管法,就像套娃,一層套在另一層上。盡管看起來簡單,但是透過簡單的現(xiàn)象一層層剝開本質(zhì),發(fā)現(xiàn)簡約中蘊(yùn)藏深厚內(nèi)涵。后來的色散管理光纖的設(shè)計(jì),抗彎曲光纖的下陷包層(Trench)結(jié)構(gòu),還有最近超低衰耗空芯光纖的嵌套結(jié)構(gòu),都離不開套管法的雛形。

光纖技術(shù)的發(fā)展折射出技術(shù)沒有永遠(yuǎn)的對(duì)與錯(cuò),OVD可能在某些領(lǐng)域會(huì)更勝一籌,套管法還是有自己的優(yōu)勢(shì)。新的概念會(huì)引出更多的思想,也許下一代光纖制備技術(shù)正在潛移默化中孕育著。

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