大芯径多模石英光纤生产工艺探讨

1大芯径多模石英光纤的生产工艺

大芯径多模石英光纤是对圆柱形光纤预制棒进行高温加热软化熔缩、套管、拉制、涂覆、套塑、测试和包装一系列流程制成的。光纤预制棒的制备是获得高性能光纤的关键所在，在目前国内外相关光纤预制棒生产商（包括长飞，法尔胜，朗讯阿尔卡特和日本NTT公司）采用的生产工艺中,常见的大芯径多模石英光纤预制棒制备工艺有改进化学气相沉积（MCVD）、等离子体化学气相沉积（PCVD）和轴向化学沉积（VAD）。下面分别介绍这3种制备方法。

1.1MCVD采用MCVD

制备光纤预制棒的过程中，将设备处于封闭的超纯态下，常用原料为SiCl4、CF2Cl2、SF6和C2F4，运载气体通常为O2或Ar，反应设备如图1所示。运载气体通入反应原料蒸发瓶后，携带沉积反应原料进入衬底管中，在加热条件下进行沉积反应，在衬底管内形成一定厚度、成分为SiO2-SiF4的包层。包层沉积完成后先沉积纤芯，待纤芯沉积完成后再进行熔融和缩棒工艺，至此完成预制棒的制造过程。在制备阶跃型多模光纤的预制棒制造工艺中，运载气体流量为恒定值；在制备渐变型多模光纤的预制棒制造工艺中，要根据光纤折射率分布来控制运载气体的流量。另外，为保证光纤沉积的均匀性，在沉积反应过程中要以一定速度旋转衬底管。MCVD制备光纤预制棒的优势是设备投资较低、操作运行较容易、工艺控制性好、易于实现复杂折射率光纤预制棒的制备。缺点在于MCVD方法属于间歇性沉积工艺，存在材料均匀性较差、难以确保剖面的精确度、沉积速率较慢和原料利用率较低的问题。

1.2PCVD

PCVD方法为管内法的化学气相沉积工艺，即在低压下，采用微波腔体加热，使谐振腔内的两极板间电压增高，促使管内反应气体的残余正离子在电场中加速，使其部分电离、活化，生成一种非等温等离子气体。这些非等温等离子气体重新组合释放热能，释放出的能量能促进原料气体发生反应，反应生成的粒子扩散到衬底管内壁上形成沉积，反应机理与MCVD类似。PCVD通常用来制备光纤预制棒的芯棒部分，与套管工艺配合制成光纤预制棒。PCVD制备光纤预制棒的优势是生产设备投资较低、可操控性强、属于低温氧化、易于实现复杂折射率光纤预制棒的制备、可以获得折射率分布接近理想状态的光纤预制棒。缺点在于沉积速率低、要求原料纯度高、属于间歇性沉积工艺。

1.3VAD

VAD法制备光纤预制棒的工艺过程有沉积芯棒、脱水、烧结、初检、延伸、末检和外包。与MCVD和PCVD法相比，VAD法是先沉积芯棒，后沉积包层，具体工艺过程如图3所示。提纯的原料试剂以气态形式被送入反应室发生水解反应，反映产物在基棒下端沉积，形成多孔型粉尘预制棒，芯棒较疏松。为了保证沉积产物的均匀性，芯棒以一定速度做旋转运动；为了保证光纤预制棒的密实性，需对其进行烧结处理，熔缩成透明的光纤预制棒。VAD法制备光纤预制棒的优势在于多喷灯同时沉积，沉积速率快，减少了光纤吸收损耗，避免了管内沉积导致水峰含量降低的问题，适合批量生产；缺点在于VAD法对沉积环境要求较高、很难实现精确的折射率分布，且工艺程序多、操作复杂。光纤预制棒制备完成后对其进行拉制，常用的拉制工艺为管棒法拉制工艺和双坩埚法拉制工艺，拉制工艺结束后先对光纤进行涂覆和套塑处理以增加光纤的机械强度，再进行封装、检验和出库，至此完成全部制备过程。

2大芯径多模石英光纤的应用

大芯径多模石英光纤本身具有的特点使其广泛应用于通信、空间应用和工业生产等场合。在短距离通信和数据传输中，相比于普通单模石英光纤，大芯径多模石英光纤在地面配线中可以减少光纤使用长度和节点数量，降低了光纤系统成本。另外，大芯径多模石英光纤对插接件接口要求相对较低，减少了光传输分路数量，降低了光路调准要求，简化了光电设计，提高了设备的可维护性。在空间应用中，由于大芯径多模石英光纤具有优良的抗辐照能力，通过在包层中掺氟可以提高光纤抗空间辐照能力和卫星空间在轨服役时间，传输信号性能更加稳定。另外，由于具有传输损耗少，数据频率随温度变化程度低以及电磁兼容性优异的优点，使大芯径多模石英光纤在高速数据传输的通讯卫星领域得到广泛应用。在工业生产中，由于光纤可传输大功率能量，因此广泛用于增材和减材场合中，比如激光焊接和激光切割。其中阶跃型大芯径多模石英光纤因其传送能量分布均一的优点，适用于薄物焊接和扩大焊核面积；大芯径渐变型多模石英光纤适合厚物焊接。大芯径多模光纤配合激光器可以对材料表面进行热处理，增强或改善材料的性能，如细化晶粒、提高材料表面硬度，或在材料表面形成致密的氧化层，提高其防腐能力。在医疗领域中，由于光纤具有传递光能、绝缘、不受微波干扰、可做一定尺寸的弯曲等特征，因此可以用于制作医疗中的内窥镜，具有对患者伤害轻、伤口创面小、便于医生操作的特点。另外，大芯径多模石英光纤可以传输高能量，能用来进行激光医疗，可以精确切割病变部位，如切割肾结石和前列腺炎。

3结束语

由于光纤性能主要取决于光纤预制棒的生产工艺，不同的生产工艺会对光纤传输损耗、温度敏感性、抗辐照性能以及激光损伤阈值产生不同的影响。因此，本文介绍3种国内外通用的光纤预制棒生产工艺，简要描述了不同光纤预制棒的沉积原理、包层与纤芯沉积的先后顺序以及各类光纤预制棒生产工艺的优缺点。另外，本文还介绍了一些大芯径多模石英光纤的应用场合，为科研工作者提供了光纤预制棒生产工艺的基本流程和生产原理知识。

作者:马洪虎 王金忠 石飞飞 单位:哈尔滨工业大学 江苏法尔胜光子有限公司