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科普|光纤是怎样生产的?

2023/12/15 责任编辑:光电通信 访问:1088

和其它许多新发明一样,光纤的诞生源自于理论假设。早在19世纪初,人们就发现可以利用水、玻璃等介质传播光,但是怎样让看似无法捕捉的光,按照人类设想的路径传播却始终是个难题。直到出现一个叫C.V.boys的科学狂人,他尝试过将玻璃融化放入非常细的容器内再吹出,也试过用特制枪拉丝,甚至想过用火箭拉出玻璃丝,但都以失败收场。最终,他发现了一个当时看来制造光纤绝佳的工具——弩,并用此制作了世界上第一根长达9英尺的光纤。

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这样看来,光纤貌似也不过是把玻璃拉成丝,但并没有那么简单,光纤所需的玻璃纯度非常高,是我们常见的普通玻璃所无法企及的。

如何制作这种高纯度的玻璃就不得不提到光纤的核心产品——光纤预制棒。光纤预制棒主要由芯棒和外包层组成,棒芯的主要原料包括高纯四氯化硅、四氯化锗等。当前较常用的棒芯生产工艺有,汽相轴向沉积法(VAD)、外汽相沉积法(OVD)、改进汽相沉积法(MCVD)和等离子体化学汽相沉积法(PCVD)等。 

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四种工艺对比

OVD工艺最早由美国康宁公司研发,主要分“沉积”“烧结”两步走。OVD制备石英套管技术是以氢氧焰或硅烷为热源,用单一或多组喷灯在靶棒上对SiCl等反应气体进行气相水解并沉积得到SiO₂疏松体,然后在Cl₂和He气下经过脱水和烧结成为玻璃体,经过后续冷加工直接获得石英套柱,亦可进一步拉成和各芯棒匹配的相应尺寸小尺寸石英套管。 

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VAD工艺1977年由日本电报电话公司(NTT)研发,其与OVD最大的差别在于,VAD是自下而上垂直方向沉积的,OVD是将靶棒水平方向放置并沉积的。而且VAD“沉积”“烧结”是在同一台设备中不同空间同时完成的。

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OVD和VAD均可制作大尺寸光棒且沉积速率高,但粉尘处理代价高且设备昂贵,工艺较难掌握。

MCVD工艺同样分两步走,分别是“沉积”和“成棒”。与上面两种不同时的是,MCVD技术先有一个石英玻璃管外壳,SiCl4、GeCl4等液态原材料在高温下发生氧化反应生成SiO2、B2O3、GeO2、P2O5微粉,沉积在石英反应管的内壁上。沉积结束后,提高温度至2200℃以上,将玻璃与反应管在一定压力条件下,熔缩成一根实心的棒。由于整个系统处于全封闭的超提纯状态,制得的预制棒往往纯度非常高。

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PCVD工艺也是“沉积”和“成棒”两个基本步骤,且在石英玻璃管内进行。但与MCVD工艺不同的是,PCVD工艺“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°高温下直接沉积。“成棒”则是将沉积好的石英玻璃管移至成棒用的车床上,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。

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一般认为,芯棒的制造决定了光纤的传输性能,而外包层则决定光纤的制造成本。现今光纤外包层制造技术包括套管法(RIC)、阿尔卡特(Alcatel)公司发明的等离子喷涂法(PlasmaSpary)、火焰水解法(SOOT)和美国朗讯科技公司发明的溶胶法-凝胶法(Sol-gel法),其中SOOT法是泛指OVD和VAD等火焰水解外沉积工艺。

“出炉”的预制棒稍置片刻后便可以进入下一步骤——拉丝。普通拉丝塔约有30m高,最大单根预制棒拉丝长度可达8000km以上,一年可生产五百万芯公里。光棒垂直放置于拉丝炉内,炉内高达2000摄氏度的高温,很快就将看似坚硬的光棒固体熔融软化,然后通过牵引力拉成直径在125μm的细丝。拉丝过程需要高度的精密控制,以确保最终的光纤具有均匀的直径和出色的光学性能。为使光纤更加坚韧在拉丝的过程中就要为其涂覆树脂,并使用紫外固化,使涂覆成型,最终完成牵引收丝。在拉丝塔的最底层,收线轮将加工好的光纤盘在一起。

这些盘起来的光纤统统都要进行严格的检测和测试,以确保其质量符合标准。测试包括光学性能测试、机械性能测试、抗拉强度测试等。只有通过这些测试,光纤才能被认定为合格,并进入下一个制造阶段,在其外包裹护套等制成光缆。

在很长一段时间内,光纤预制棒的生产技术都被国际大公司垄断。如今,在国家和企业的双向努力下国内较大的光纤生产厂商大多已实现完全自主的光棒生产工艺。长飞是最早实现预制棒产业化生产的厂家,长飞与荷兰德拉克合作并引进PCVD+RIC制棒技术;亨通则自主开发VAD工艺并匹配RIC制棒技术;中天于2009年开始实施光纤预制棒项目,并于2011年实现量产,主要采用VAD+OVD全合成工艺;2011年,烽火通信与日本藤仓合资成立烽火藤仓采用VAD+OVD掌握从棒到纤的全套技术。

随着技术的发展,如今我国光纤制造早已完成了从依赖进口到完全自主生产的蜕变,各厂商对于光纤制造技术的掌握也更加灵活和熟练。国家统计局最新数据显示,当前我国光纤累计产量约26879.8万芯公里。中国制造业在光纤生产领域取得种种突破性成就,将为更广泛的信息传输、互联网连接以及其他领域的发展提供坚实的基础,为我国的数字化未来加速,同时也是中国制造业在全球舞台上的力量不断壮大的写照。

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