特種光纖和制備工藝技術(shù)

1、特種玻璃光纖和制備工藝技術(shù)1.光纖的分類與應(yīng)用光纖即光導(dǎo)纖維,它是工作在光波波段的一種介質(zhì)波導(dǎo)多為圓柱形,它把以光的形式出現(xiàn)的電磁波能量利用全反射原理約束在其界面內(nèi),使光沿光纖軸線的方向傳播。光纖有多種不同的分類方法,根據(jù)光纖的組成材料不同,可以分為石英玻璃光纖、多組分玻璃光纖、塑料光纖、晶體及液芯等特種光纖等。其中,石英玻璃光纖的傳輸損耗最低已經(jīng)廣泛應(yīng)用于光通信傳輸;多組分玻璃光纖材料損耗大,但其芯-皮折射率可在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)有利于制備大數(shù)值孔徑的光纖,且其稀土摻雜濃度大可以用于光纖激光器和放大器;塑料光纖雖然成本低,但損耗大、穩(wěn)定性差難于應(yīng)用。按光纖的結(jié)構(gòu)分,有:單包層光纖,其基本結(jié)構(gòu)是兩

2、層圓柱狀介質(zhì),內(nèi)層芯層的折射率大于外層包層,滿足一定條件的光在界面處產(chǎn)生全反射被束縛在芯層傳播;雙包層光纖,它是在稀土摻雜的單模光纖外面形成了一個(gè)大尺寸、大數(shù)值孔徑的多模泵浦區(qū),又稱內(nèi)包層,雙包層光纖的出現(xiàn)大大提高了泵浦功率從而推動(dòng)了大功率光纖激光器的發(fā)展;光子晶體光纖,它是由周期性排列的毛細(xì)孔組成包層,芯層可以是玻璃也可以是空氣孔形成的結(jié)構(gòu)缺陷。光子晶體光纖的導(dǎo)光機(jī)理與傳統(tǒng)光纖不完全相同,它利用光子帶隙結(jié)構(gòu)使一定波長(zhǎng)和傳輸常數(shù)范圍內(nèi)的光無法在橫向擴(kuò)展而穿透包層材料,從而達(dá)到沿軸向傳播的目的。此外,按折射率的分布光纖又分為階躍型(SI和漸變型(GI,所謂階躍型光纖,是指在纖芯和包層內(nèi),折射率分

3、布是均勻的,只有在包層與纖芯界面處,折射率的變化是階躍的。漸變型光纖,是指在光纖的軸心處,其折射率最大,而沿光纖橫截面徑向r 的增大而逐漸變小,到了纖芯與包層的交界處,降到與包層折射率相等的數(shù)值,而包層中的折射率分布是均勻的。根據(jù)光纖中傳輸模式的數(shù)量,又可將光纖分為單模光纖和多模光纖兩類。傳輸模式是指光在光纖中傳播時(shí)的電磁場(chǎng)分布形式,一種電磁場(chǎng)分布稱為一個(gè)傳輸模式。當(dāng)光纖中只傳輸一種模式時(shí),這種光纖被成為單模光纖。單模光纖纖芯芯徑極細(xì),約為410m,其折射率分布一般采取階躍分布。單模光纖只傳輸基模,不存在模式色散,傳光特性較好,它適用于大容量、長(zhǎng)距離光纖通信。但由于截面尺寸小,在制備、連接、耦

4、合上都比較困難。當(dāng)光纖中傳輸多種模式時(shí),這種光纖被成為多模光纖。多模光纖直徑約為50m。由于多模光纖存在著模式色散,使得其帶寬變窄。2.多組分玻璃光纖多組分玻璃光纖是相對(duì)石英玻璃光纖來說的,它的基質(zhì)是多組分玻璃。目前,研究和應(yīng)用較多的包括:氧化物玻璃光纖、氟化物玻璃光纖、硫化物玻璃光纖以及新興的氧氟化物玻璃光纖。最早的玻璃激光輸出是在硅酸鹽玻璃光纖中實(shí)現(xiàn)的,但是硅酸鹽玻璃光纖相對(duì)于石英玻璃光纖沒有突出優(yōu)點(diǎn),且傳輸損耗比較大,所以一直沒有得到實(shí)際的應(yīng)用。磷酸鹽玻璃成纖性能好,對(duì)稀土離子溶解度高,基質(zhì)聲子能量高(約為1100cm-1可降低稀土的上轉(zhuǎn)換效率,非常適合用作光纖激光器光纖以及高增益光纖放

5、大器。典型的EDFA中Er3+的濃度為300500ppm,而磷酸鹽玻璃光纖Er3+的摻雜濃度高達(dá)幾十萬ppm,高濃度能夠有效吸收泵浦功率、提高其單位增益強(qiáng)度。美國(guó)Kigre公司和NP Photnics公司都有商業(yè)化的摻Er3+磷酸鹽玻璃光纖放大器,其最大單位增益為5.4dB/cm,損耗小于0.1dB/cm。國(guó)內(nèi)華南理工大學(xué)自制的摻Er3+磷酸鹽玻璃光纖單位增益到達(dá)了2.5dB/cm。此外,磷酸鹽玻璃光纖還可以摻雜Yb3+或Er3+用作光纖激光器。重金屬氧化物玻璃光纖聲子具有聲子能量小、紅外透過范圍廣、稀土摻雜濃度高、非線性折射率高等優(yōu)點(diǎn),在光纖放大器、非線性光纖等方面得到了廣泛研究與應(yīng)用。用于

6、WDM系統(tǒng)的摻鉺光纖放大器(EDFA放大的C波段(15301565nm只覆蓋了石英單模光纖低損耗窗口的一部分,能容納的波長(zhǎng)信道數(shù)大約只有40個(gè)(信道間隔100GHz,隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及其它數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)的飛速發(fā)展,EDFA已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足人們的需求。采用碲酸鹽玻璃基質(zhì)的摻Er3+光纖或摻Tm3+光纖能使信號(hào)在C+L波段(15301610nm或S波段(14201520nm寬帶區(qū)域?qū)崿F(xiàn)有效的放大,從而大大光纖網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸容量。2002年NTT公司將EDTFA用在L波段的放大,并利用TDFA和EDFA實(shí)現(xiàn)了在S+C+L三個(gè)波段之間1000個(gè)信道的WDM 傳輸實(shí)驗(yàn),經(jīng)過117km傳輸后信噪比大于25dB(

7、相對(duì)于誤碼率的數(shù)量級(jí)為10-12,實(shí)驗(yàn)表明是實(shí)際可行的。目前,日本NTT已有商品化的用碲酸鹽摻鉺光纖做成的EDTFA模塊出售,美國(guó)Thorlabs公司也有稀土摻雜碲酸鹽玻璃光纖產(chǎn)品。盡管EDTFA出現(xiàn)時(shí)間不是很長(zhǎng),但其實(shí)用化進(jìn)程進(jìn)展非?？臁Ｈ绾翁岣咂渚C合指標(biāo),實(shí)現(xiàn)高效增益放大,并能和現(xiàn)有的通訊網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定連接,是目前EDTFA的研究重點(diǎn)。鉍酸鹽玻璃光纖具有較高的非線性折射率,化學(xué)穩(wěn)定性也較碲酸鹽玻璃和氟化物玻璃光纖好,并且成本低。作為非線性玻璃光纖得到了廣泛研究,另外它也可作為Er3+摻雜光纖放大器基質(zhì)材料。2002年K.Kikuchi等人首次提出了無摻雜的鉍酸鹽玻璃光纖用于全光網(wǎng)絡(luò)信號(hào)處理可

8、能性,制備了Bi2O3-SiO2基質(zhì)的玻璃光纖,測(cè)得其在1550nm的非線性系數(shù)為64W-1Km-1。2004年,T. Nagashima等制備了1550nm處非線性系數(shù)高達(dá)1360W-1Km-1的鉍酸鹽玻璃光纖,是石英光纖的300倍這也是迄今為止報(bào)道的最大非線性系數(shù)。2004年英國(guó)Southampton大學(xué)光電子中心報(bào)道了一種鉍酸鹽玻璃基質(zhì)的光子晶體光纖,測(cè)定其在1550nm處的非線性系數(shù)為1100 W-1Km-1,理論計(jì)算表明芯徑在0.8m時(shí)其最大非線性系數(shù)可到達(dá)2200 W-1Km-1。盡管鉍酸鹽玻璃光纖是目前非線性系數(shù)最高的非線性光纖,但其較大熔接損耗和色散在一定程度上限制了其在實(shí)際方

9、面的應(yīng)用。Er3+摻雜鉍酸鹽玻璃光纖特點(diǎn)是能在C+L波段同時(shí)工作,摻鉺鉍酸鹽光纖的研究代表單位為日本旭硝子(Asahi公司,2001年他們報(bào)道了摻鉺鉍酸鹽玻璃光纖的增益放大實(shí)驗(yàn)結(jié)果,同時(shí)在C波段和L波段實(shí)現(xiàn)了較大的增益結(jié)果。氟化物玻璃光纖具有較寬的紅外透過范圍和較低的聲子能量(大約為400cm-1,既可以用于紅外光的傳輸又可用于光纖放大器和光纖激光器。以ZrF4-BaF2、HfF4-BaF2兩系統(tǒng)為基體材料的氟化物玻璃光纖是當(dāng)前研究最多的超低損耗遠(yuǎn)紅外光纖,其最低損耗在2.5m附近為1×10-3dB/km,對(duì)于開辟超長(zhǎng)波長(zhǎng)的通信窗口具有深遠(yuǎn)的意義。氟化物玻璃光纖放大器的研究主要集中在

10、摻Tm3+光纖放大器(TDFA和摻Pr3+光纖放大器(PDFA,到目前為止TDFA 基本上都是以氟化物為玻璃基質(zhì)的,它聲子能量低(400 cm-1,無輻射衰減幾率低。銩離子的上能級(jí)3H4壽命長(zhǎng),可實(shí)現(xiàn)高的功率轉(zhuǎn)換效率(48%,增益一般為2030dB。其它低聲子能量的玻璃基質(zhì)(如碲酸鹽玻璃、硫系玻璃等也可以實(shí)現(xiàn)1.48 m熒光輸出,但是迄今為止,只有在摻銩氟化物光纖中才實(shí)現(xiàn)了增益放大的結(jié)果。摻銩ZBLAN氟化物玻璃光纖是現(xiàn)今TDFA 廣泛使用的增益介質(zhì)材料。Pr3+ 1G4和3H5間的躍遷能在1300nm為中心的很寬的窗口內(nèi)提供增益,它是一種準(zhǔn)四能級(jí)系統(tǒng)。由于Pr3+離子1G4能級(jí)與下一能級(jí)1F

11、4能量間隔較小,所以只有在低聲子能量的玻璃中才能實(shí)現(xiàn)1300nm的熒光輸出,摻Pr3+ZBLAN玻璃光纖曾被認(rèn)為是最有可能用作第二通信窗口的光纖放大器增益介質(zhì),但是由于其量子效率低導(dǎo)致增益系數(shù)提高不上去,嚴(yán)重影響了它的應(yīng)用。作為光纖激光器用玻璃光纖,研究最多的就是氟化物玻璃,這是因?yàn)樗穆曌幽芰康涂山档图せ铍x子的無輻射躍遷幾率,特別是對(duì)于上轉(zhuǎn)換光纖激光器,只有在低聲子能量的基質(zhì)中才能夠?qū)崿F(xiàn)上轉(zhuǎn)換發(fā)光。用氟鋯酸鹽玻璃光纖研制出的光纖激光器的輸出波長(zhǎng)范圍已經(jīng)覆蓋了從紫外到中紅外的廣大光區(qū)。如1994年Funk等人采用摻Nd3+的氟鋯酸鹽玻璃光纖中的上轉(zhuǎn)換輸出了381nm的紫外激光,這在纖維、印刷、

12、和醫(yī)療技術(shù)等方面有重要應(yīng)用。1995年Xie等人在摻Pr3+的氟鋯酸鹽玻璃光纖中利用上轉(zhuǎn)換輸出了491,520, 615和635nm的籃、綠和紅色激光,這在全光顯示,激光醫(yī)療和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方面有重要應(yīng)用。在中紅外光區(qū),摻Er3+ZBLAN光纖激光器,用LD激發(fā)可以輸出波長(zhǎng)為2.7m的激光,可用于激光醫(yī)療。1992年,Tobben在摻Er3+的ZBLAN玻璃光纖中輸出了波長(zhǎng)為3.5m的激光,可用于環(huán)境檢測(cè)等方面。國(guó)內(nèi),胡和方等在摻Nd3+ZBLAN玻璃光纖中實(shí)現(xiàn)了1.05m激光的連續(xù)輸出,輸出功率為11mW,斜率效率20%。此外,Er3+、Tm3+以及Ho3+的上轉(zhuǎn)換發(fā)光都在氟化物玻璃中被觀察到,并

13、進(jìn)行了系統(tǒng)研究。和氟化物晶體一樣,氟化物玻璃化學(xué)穩(wěn)定性和成玻璃性能差,制備條件苛刻,原料成本高,這些缺點(diǎn)阻礙了氟化物玻璃光纖的應(yīng)用。為了解決氟化物玻璃較差的化學(xué)穩(wěn)定性和較低機(jī)械強(qiáng)度的問題,國(guó)內(nèi)外的研究機(jī)構(gòu)不斷改進(jìn)其物化等性質(zhì),同時(shí)也開展了發(fā)掘新的上轉(zhuǎn)換發(fā)光玻璃材料的研究工作。最近,稀土離子摻雜氧氟微晶玻璃的研究引起了人們的注意,氧氟化物微晶玻璃作為一種新型材料兼具氟化物與氧化物的優(yōu)點(diǎn),氧化物作為玻璃基質(zhì)物化性質(zhì)穩(wěn)定、機(jī)械強(qiáng)度高,氟化物作為納米晶相析出并富集了稀土摻雜離子,使得稀土發(fā)光離子所處局域環(huán)境的聲子能量很低,上轉(zhuǎn)換發(fā)光效率顯著提高。1993 年,Wang Y和Ohwaki首次報(bào)道了單摻E

14、r3+和雙摻Er3+/Yb3+的氧氟微晶玻璃,在970nm 半導(dǎo)體激光抽運(yùn)下,其上轉(zhuǎn)換發(fā)光強(qiáng)度與氟化物玻璃相比提高了近100倍,紅光和綠光上轉(zhuǎn)換發(fā)光效率分別增強(qiáng)了2倍和10倍,而且具有了更穩(wěn)定的化學(xué)、機(jī)械性能,有比氧化物玻璃或晶體更高的激光損傷閾值。在氧氟微晶玻璃的制備過程中,稀土離子優(yōu)先富集在微晶中,這種氟化物微晶的尺寸大約為20 nm,它的形成對(duì)玻璃的透過率沒有損失,與氧氟化物玻璃基質(zhì)一樣,僅是紫外波段吸收帶邊略有紅移。Tick P .A對(duì)摻Pr3+氧氟微晶玻璃的發(fā)光特性研究表明,同ZBLAN 玻璃相比,Pr3+離子的熒光壽命變長(zhǎng),量子效率提高,而且玻璃中的納米尺寸的微晶所產(chǎn)生的散射損失也

15、極小。近來對(duì)稀土摻雜氧氟微晶玻璃上轉(zhuǎn)換發(fā)光的研究呈漸多之勢(shì),無論是基質(zhì)玻璃種類還是摻雜稀土離子的種類研究的越來越豐富,對(duì)氟化物微晶相的析晶行為以及稀土離子的上轉(zhuǎn)換發(fā)光機(jī)理也有了一定的研究和認(rèn)識(shí)。但是至今還未見有上轉(zhuǎn)換發(fā)光氧氟微晶玻璃光纖的報(bào)道,康寧公司B.N. Samson等制備出了Nd3+摻雜的氧氟微晶玻璃光纖,并研究了其在激光光譜及放大性能,后來他們還制備了Tm3+、Pr3+等摻雜的氧氟微晶玻璃光纖,沒有報(bào)道它們的上轉(zhuǎn)換發(fā)光特性。所以關(guān)于上轉(zhuǎn)換發(fā)光光纖激光器用氧氟微晶玻璃光纖的研究,還有很多工作等待人們?nèi)プ觥?.多組分玻璃光纖預(yù)制棒制備多組分玻璃光纖的應(yīng)用前景已被人們所廣泛確認(rèn),而對(duì)基質(zhì)材

16、料的研究也越來越深入,但要真正大規(guī)模實(shí)用化,還需解決玻璃光纖預(yù)制棒制備和光纖拉絲技術(shù)等方面的一些難點(diǎn)和重點(diǎn)。多組分玻璃光纖預(yù)制棒制備和光纖拉絲技術(shù)與石英光纖有許多相似之處,但也有很多重要的不同之處。隨著通信光纖的迅猛發(fā)展,石英光纖預(yù)制棒的制備技術(shù)已經(jīng)比較成熟,其制備技術(shù)主要采用化學(xué)氣相沉積法:改良化學(xué)氣相沉積法(MCVD, Modified Chemical Vapour Deposition Method、氣相軸向沉積法(V AD, Vapour Axial Deposition Method、外部氣相沉積法(OVD, Outside Vapour Deposition Method和等離子

17、化學(xué)氣相沉積法(PCVD, Plasma Chemical Vapour Deposition等,目前應(yīng)用較廣的是MCVD和V AD法。此外也發(fā)展了一些其它制備方法,如溶膠-凝膠法等。與石英光纖不同,多組分玻璃光纖預(yù)制棒很難使用化學(xué)氣相沉積法制備,其制備過程一般需要先制備基質(zhì)玻璃,然后再采用各種工藝方法制備預(yù)制棒。目前使用較多的方法有管棒法、澆注法以及擠壓法等。3.1管棒法(rod-in-tube 管棒法是制備多組分玻璃光纖預(yù)制棒最為常見的方法之一,具體做法是將纖芯玻璃和包層玻璃分別按一定尺寸要求經(jīng)切割、研磨、拋光等工藝制成纖芯棒和包層套管,并將芯棒插入包層玻璃管中即得到預(yù)制棒,其中包層套管的

18、內(nèi)徑和纖芯玻璃棒的直徑匹配誤差在0.1mm 以內(nèi),其加工過程簡(jiǎn)述如圖1。 管棒法制備玻璃預(yù)制棒的優(yōu)點(diǎn)是纖芯和包層的直徑比例容易控制,工藝原理和加工設(shè)備相對(duì)比較簡(jiǎn)單,采用一般的機(jī)械加工設(shè)備經(jīng)適當(dāng)改造后即可。管棒法制備預(yù)制棒也存在一些缺點(diǎn):一是當(dāng)基質(zhì)玻璃的機(jī)械加工性能較差時(shí)會(huì)增加工藝難度,如加工時(shí)玻璃產(chǎn)生裂紋甚至出現(xiàn)斷裂、破損等現(xiàn)象;二是受機(jī)械加工條件的限制,包層套管中心孔和芯棒直徑有一定限制,若太小則大大增加鉆孔、拋光的難度。因此采用管棒法制備的預(yù)制棒很難一次成功拉制單模光纖,一般需要兩次或多次拉絲,這使得單模光纖的制備工藝過程相當(dāng)復(fù)雜;三是在預(yù)制棒制備過程中纖芯和包層玻璃易受外界污染,兩者界面

19、結(jié)合程度也受多種外界因素的影響,如表面潔凈度和光潔度等。因此,在采用管棒法制備預(yù)制棒時(shí),首先必須制備高質(zhì)量的基質(zhì)玻璃,消除玻璃中的氣泡和條紋,并確保沒有裂紋。此外為了盡量減少光纖附加損耗,芯棒玻璃切割與拋光(3 玻璃精密退火(2 澆注玻璃液至模具中高溫熔制玻璃(1塊狀纖芯玻璃(2 精密加工得到纖芯棒(3 塊狀包層玻璃(4加工包層管(5 將纖芯棒插入包層管組合得到的光纖預(yù)制棒a. 塊狀玻璃制備過程b. 制得的塊狀玻璃c. 預(yù)制棒加工過程d. 管棒法制得的預(yù)制棒圖1 管棒法制備預(yù)制棒過程和包層套管的機(jī)械加工質(zhì)量要求很高,否則將嚴(yán)重影響光纖的波導(dǎo)結(jié)構(gòu),使光纖附加損耗增大。林達(dá)愿等曾通過片狀玻璃模擬光

20、纖拉絲情況并采用正交試驗(yàn)法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),研究了摻稀土磷酸鹽玻璃光纖纖芯與包層界面在不同加工質(zhì)量時(shí)的微觀缺陷,結(jié)果表明如果包層和纖芯玻璃表面只經(jīng)過粗磨或細(xì)磨處理,在兩者界面存在很多空洞,如圖2 (a、(b所示。這些空洞在拉絲后不但成為波導(dǎo)結(jié)構(gòu)缺陷,引起光纖損耗增加,而且會(huì)降低光纖的機(jī)械強(qiáng)度。當(dāng)包層和纖芯玻璃經(jīng)過嚴(yán)格拋光后,則可在很大程度上改善纖芯和包層的界面結(jié)合狀態(tài),從而可完善光纖的波導(dǎo)結(jié)構(gòu),如圖2(c所示。實(shí)際上,經(jīng)過粗磨或細(xì)磨的玻璃表面雖然表觀上比較光滑,然而在顯微鏡下卻顯得凹凸不平,如圖3所示。當(dāng)纖芯和包層接觸時(shí),由于玻璃表面不平整,其實(shí)際接觸面只限于表面很小的凸出部分。由于在拉絲時(shí)玻璃的粘度

21、仍相對(duì)較大(105Pa·S ,表面空位滑移和攀移較難,導(dǎo)致氣孔排除困難。從能量的觀點(diǎn)來看,由于表面空位從分散狀態(tài)成為凝聚態(tài)時(shí)使自由能降低,致使空位往往凝聚在一起,進(jìn)一步聚集會(huì)形成微觀孔。因此玻璃表面只經(jīng)過粗磨處理的纖芯和包層之間的界面缺陷最多,而相比之下拋光后的玻璃表面最為平整,拉絲后光纖芯包界面存在的缺陷也最少。另外在拉絲溫度時(shí),纖芯和包層玻璃中粘度較大的其表面空位滑移相對(duì)更為困難,其表面氣孔的排除也相應(yīng)較難,因此其表面的加工質(zhì)量要求更高。采用管棒法在制備一些特殊形狀的光纖預(yù)制棒時(shí)還有相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì),如異型結(jié)構(gòu)光纖、偏心光纖以及其它微結(jié)構(gòu)光纖。如華南理工大學(xué)光通信材料研究所采用管棒法

22、制作預(yù)制棒成功拉制出異型包層光纖和偏心光纖,如圖4和5所示。3.2 澆注法(build-in casting澆注法是指將熔融的包層玻璃澆入預(yù)熱至玻璃轉(zhuǎn)變溫度附近的圓筒模具中,經(jīng)短暫時(shí)間后倒置模具以讓模具中心部位熔體流出形成中心孔,再將熔融的纖芯玻璃澆入中心孔部位,經(jīng)退火冷卻后得到具有纖芯-包層結(jié)構(gòu)的預(yù)制棒。采用澆注法需事先使包層玻璃和纖芯玻璃都處于熔融狀態(tài),其最大的優(yōu)點(diǎn)是光纖預(yù)制棒的纖芯與包層界面不與外界接觸,從而避免被污染的情況;同時(shí)玻璃熔體在下降過程中,對(duì)包層內(nèi)壁起到了拋光的效果,所以纖芯與包層 界面的結(jié)合程度非常好。但是采用澆注法時(shí)中心孔的直徑較難控制:如果倒入包層玻璃后間a. 粗磨-粗

23、磨界面狀態(tài)b. 細(xì)磨-細(xì)磨界面狀態(tài)圖2 不同加工質(zhì)量纖芯-包層的界面狀態(tài)(500× c. 拋光-拋光界面狀態(tài) a. 粗磨玻璃表面狀態(tài)b. 細(xì)磨玻璃表面狀態(tài) 圖3 不同光學(xué)加工質(zhì)量的玻璃表面狀態(tài)(500×c. 拋光玻璃表面狀態(tài) 圖4 異型包層光纖端面圖5 偏心光纖端面隔時(shí)間太長(zhǎng)則可能無法倒出包層玻璃而不能形成中心孔;而如果間隔時(shí)間太短則孔的直徑可能過大。因此必須通過多次實(shí)驗(yàn)確定溫度、時(shí)間等參數(shù)才有可能得到較理想的預(yù)制棒,并且在澆注時(shí)需注意不能形成氣泡和條紋。此外在包層管的澆注過程中,由于粘度隨溫度下降而增加很快,中心孔的形狀和大小在長(zhǎng)度方向很難均勻,而在制備一些特殊結(jié)構(gòu)的光纖

24、預(yù)制棒時(shí)澆注法顯然表現(xiàn)出靈活性不夠的缺點(diǎn)。傳統(tǒng)澆注法很難制備尺寸較大的預(yù)制棒,并且纖芯直徑大小、均勻程度也較難控制,因此通過模具和工藝上的改進(jìn)對(duì)澆注法作了進(jìn)一步的完善。上海光機(jī)所張軍杰等給出了一種改進(jìn)方法,主要是在圓筒模具頂端加了一個(gè)呈漏斗狀的頂模,其過程主要分為三步:(1將熔融包層玻璃液緩慢地倒入已預(yù)熱至玻璃T g 溫度附近的不銹鋼筒模中,要求倒至近滿,如圖6(a 所示;(2 快速從電爐中取出已處于熔融狀態(tài)的芯料玻璃并倒入頂模,使其覆蓋包層玻璃液一定高度,此時(shí)先倒入的包層玻璃液在筒模內(nèi)壁粘附并固化形成有一定厚度的套管,如圖6(b 所示;(3 倒完芯料玻璃液后,將筒模垂直而平穩(wěn)地提起,如圖6(

25、c 所示。此時(shí)筒模中心未 凝固的包層玻璃液下漏,同時(shí)吸引頂模中的芯料玻璃熔體注入筒模中心。這樣,芯料玻璃與筒模內(nèi)壁上的包層玻璃就構(gòu)成具有纖芯-包層結(jié)構(gòu)的光纖預(yù)制棒,如圖6(d 所示。采用這種方法同樣在澆注過程中必須精確控制時(shí)間,特別是倒完玻璃料后與提模之間的時(shí)間間隔,否則不能得到符合要求的預(yù)制棒:間隔時(shí)間太短會(huì)發(fā)生包層玻璃液下漏速度過快過多而吸帶芯料玻璃液跟隨下流過多,這樣得到的預(yù)制棒中纖芯直徑可能過大;如果提模過慢則筒模中包層玻璃液中心也發(fā)生固化,從而使玻璃液已無法再流出。 另一種模具改造的方法是在底板上鉆一中心孔,包層中心熔體在筒模底部流入底板中心孔中而得到具有纖芯-包層結(jié)構(gòu)的預(yù)制棒,其過

26、程如圖7所示:將精確控制體積的包層玻璃熔體倒入預(yù)熱的模具中,模具底部放在帶有圖6 改良澆注法制備光纖預(yù)制棒的工藝示意圖一(a (b (c (d圖7 改良澆注法制備光纖預(yù)制棒的工藝示意圖二澆注包層 玻璃 澆注纖芯玻璃中心孔的底板上。在包層玻璃熔體中心部分硬化之前將纖芯玻璃熔體倒在包層玻璃液上方,并將模具橫向平移至底板中間帶孔的位置。此時(shí),未硬化的包層玻璃熔體流入底板中心孔中,并將纖芯玻璃液引入至包層中心部位,從而形成具有包層-纖芯的預(yù)制棒結(jié)構(gòu)。在澆注法的基礎(chǔ)上,還形成了其它方式的預(yù)制棒制備技術(shù),如吸注法、旋轉(zhuǎn)澆注法等,這些方法在制備預(yù)制棒時(shí)均有其優(yōu)點(diǎn)。吸注法使用的圓筒模具底部有特殊設(shè)計(jì)的蓄液槽,

27、其具體制備過程為:將包層玻璃熔體倒入模具中,并在其完全固化前將纖芯玻璃熔體倒入。由于玻璃熔體冷卻過程中會(huì)發(fā)生體積收縮,因此當(dāng)蓄液槽中的包層玻璃冷卻發(fā)生體積收縮時(shí),在包層玻璃中心沿長(zhǎng)度方向形成圓柱狀小孔,并產(chǎn)生對(duì)纖芯玻璃熔體的吸力從而形成纖芯-包層結(jié)構(gòu),如圖8所示。采用這種方法可制備包層/纖芯直徑比例相當(dāng)大的預(yù)制棒,并可通過選擇模具底部蓄液空間的體積以及模具直徑精確控制包層/纖芯直徑比例和預(yù)制棒長(zhǎng)度。但是在預(yù)制棒中也存在纖芯直徑成錐形的現(xiàn)象,且在制備各種包層/纖芯直徑比例的預(yù)制棒時(shí)顯得靈活性不夠,即需制備多種規(guī)格的模具。 旋轉(zhuǎn)澆注法也稱離心澆注法,是在傳統(tǒng)制備玻璃管的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的,采用這種方

28、法得到的預(yù)制棒在橫向和縱向均有極好的均勻性,其過程如圖9所示:先將包層玻璃熔體倒入預(yù)熱的模具中,然后將模具回轉(zhuǎn)到水平狀態(tài)并以大于3000rpm 的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn),利用離心作用使熔體均勻附著在模具內(nèi)表面并在中心形成管狀空間,然后將纖芯玻璃熔體倒入包層管中并將整個(gè)模具退火冷卻后即可得到預(yù)制棒。采用旋轉(zhuǎn)澆注法制備的預(yù)制棒纖芯和包層的同心度非常高,并且包層中心孔大小可通過注入包層玻璃的體積精確控制,從而可制備包層/纖芯直徑比例不同的玻璃預(yù)制棒。采用澆注制備預(yù)制棒時(shí),一般是將帶有玻璃熔體的模具一起放入已加熱的退火爐中進(jìn)行精確退火,因此要求有一定的退火程序,并且降溫速率相對(duì)較慢,否則模具內(nèi)的玻璃棒、管會(huì)發(fā)生粘模

29、和碎裂。由于所用模具內(nèi)表面并非完全光潔,從而會(huì)污染玻璃預(yù)制棒表面,使表面比較粗糙或粘附有塵粒。在拉制光纖的過程中,這些缺陷會(huì)誘導(dǎo)光纖出現(xiàn)微晶、裂紋、氣泡或包裹體等,使光纖的損耗增大、機(jī)械強(qiáng)度降低,因此需對(duì)退火后的預(yù)制棒表面進(jìn)行拋光和清洗。3.3 熱粘結(jié)法(hot-jointing利用管棒法與澆注法相結(jié)合,發(fā)展了熱粘結(jié)技術(shù)制備單模光纖光纖預(yù)制棒,制備過程包括三個(gè)步驟:芯棒制備、半圓柱包層澆注和熱粘結(jié)澆注,如圖10所示。具體制備過程如下:首先制備符合單模光纖預(yù)制棒直徑要求的芯棒,可采用機(jī)械加工的方法或采用如圖11所示的模具澆注,如果制得芯棒的直徑較大,還需在拉絲塔中按具體尺寸要求延伸拉細(xì);再將熔制

30、好的包層玻璃澆注在帶有特殊設(shè)計(jì)蓋板的半圓柱型模具中,得到中心帶有凹槽的半圓柱型包層玻璃;將芯棒和半圓柱的包層組合后放入模具中,并加熱到玻璃Tg 溫度保溫1小時(shí),然后圖9 旋轉(zhuǎn)澆注法制備預(yù)制棒過程圖8 吸注法制備預(yù)制棒過程示意圖 澆注包層 玻璃 澆注纖芯 玻璃再次將熔融的包層玻璃緩慢澆入模具中,如圖12所示。在澆注過程中,為避免熔體流入時(shí)帶入氣泡,應(yīng)使坩堝口與模具成45度角。隨著澆入熔體的冷卻,包層玻璃與纖芯棒可緊密粘結(jié),退火后即可得到預(yù)制棒,圖13所示的是采用這種方法得到的碲酸鹽玻璃光纖預(yù)制棒端面圖。 3.4 擠壓法(extrusion采用擠壓法制備預(yù)制棒是在高粘度(108109P 下操作,并

31、且相對(duì)于前幾種制備方法來說其操作溫度要低很多,因此這種工藝對(duì)于易析晶和高揮發(fā)的玻璃系統(tǒng)具有相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)。其制備方法為:首先制備高質(zhì)量的纖芯和包層玻璃塊,然后將清洗后的玻璃放入壓機(jī)圓筒中并在干燥氣氛中加熱到變形溫度,再在50bars的壓力下擠出成形即可,如圖14所示。由于這種成形技術(shù)得到的纖芯直徑比較大,因此不能直接應(yīng)用于制備單模光纖預(yù)制棒。在需制備直徑較小并且均勻的纖芯結(jié)構(gòu)時(shí)可考慮加上包層外套管的方法,而外套管的制備可采用旋轉(zhuǎn)澆注法制備。采用擠壓法也可單獨(dú)制備棒狀玻璃或管狀玻璃,并且通過對(duì)擠出模具設(shè)計(jì)可制備不同形狀棒和管,這對(duì)于制備異型結(jié)構(gòu)的玻璃光纖預(yù)制棒十分有利。圖15是Thomas J L

32、oretz 等通過設(shè)計(jì)不同結(jié)構(gòu)的模具制備出硫化物玻璃棒和套管的截面形狀。圖14 擠壓法制備預(yù)制棒過程 模具(不銹鋼 沖壓桿(不銹鋼 套管(碳包層玻璃 纖芯玻璃 加壓圖10 熱粘結(jié)法制備預(yù)制棒過程示意圖圖11澆注芯棒模具 圖12 熱粘結(jié)澆注示意圖圖13 采用熱粘結(jié)制備的碲酸鹽玻璃光纖預(yù)制棒端面圖4. 光纖拉絲技術(shù)光纖拉絲是在拉絲塔中完成,拉絲塔一般由預(yù)制棒送棒機(jī)構(gòu)、加熱爐、絲徑測(cè)量系統(tǒng)、涂覆固化系統(tǒng)以及收絲系統(tǒng)組成,圖16給出了光纖拉絲塔的基本結(jié)構(gòu)和采用預(yù)制棒拉絲時(shí)的光纖拉絲過程。圖中電爐內(nèi)部溫度場(chǎng)的分布是由上下兩側(cè)向中間部分逐漸增高,高溫區(qū)的溫度亦即光纖拉絲溫度。在拉絲過程中,預(yù)制棒由送棒機(jī)構(gòu)

33、以恒定速度送入電爐內(nèi),爐溫達(dá)到一定溫度后使預(yù)制棒一端軟化并引出光纖。由預(yù)制棒引出的光纖經(jīng)激光絲徑測(cè)量?jī)x,穿過裝有光纖涂覆劑的涂覆杯和用于涂覆劑固化的固化爐后,由光纖繞絲機(jī)構(gòu)收絲入盤。在拉絲過程中,光纖直徑由激光絲徑測(cè)量?jī)x控制,在光纖直徑出現(xiàn)波動(dòng)時(shí),其檢測(cè)的數(shù)據(jù)信號(hào)經(jīng)處理后傳遞到送棒機(jī)構(gòu)和光纖收絲機(jī)構(gòu),兩者自動(dòng)根據(jù)信號(hào)作出調(diào)整以得到直徑符合要求的光纖。4.1 預(yù)制棒拉絲工藝采用預(yù)制棒拉絲的工藝與通信石英光纖的拉絲工藝基本類似,其中光纖包層/直徑的比例由制備預(yù)制棒時(shí)包層/纖芯的直徑比例所決定,主要的工藝過程為:預(yù)制棒加熱(一般至粘度為105PaS 時(shí)的溫度拉伸(將預(yù)制棒拉絲至所要求的直徑涂覆固化(

34、使涂覆劑附著在光纖表面并固化以增加光纖強(qiáng)度和起到保護(hù)光纖的作用收絲。在拉絲過程中,首先必須精確控制溫度。拉絲爐內(nèi)的溫度波動(dòng)容易造成光纖絲徑大小不一,一般爐內(nèi)溫度波動(dòng)應(yīng)小于0.2,特別是有些玻璃系統(tǒng)的粘度隨溫度變化很快,其拉絲操作的溫度區(qū)間非常窄,例如在氟化物玻璃和硫化物玻璃等。對(duì)于這些玻璃系統(tǒng),通過輻射傳熱的電阻爐其溫度波動(dòng)仍然可能偏大。Russell J Hand 等采用熱氣流對(duì)流加熱預(yù)制棒,使得爐內(nèi)溫度更加穩(wěn)定,從而使拉制出的Ga 2S 3-La 2S 3-La 2O 3(GLS玻璃光纖沿長(zhǎng)度方向直徑非常均勻。 圖16 光纖拉絲機(jī)結(jié)構(gòu)與光纖拉制過程示意圖 (a (b圖15 采用擠壓法制備的

35、硫化物玻璃棒和套管的截面形狀(a. 棒;b. 套管偏心孔 多孔 異型孔普通壁厚 厚壁 薄壁溫度波動(dòng)對(duì)光纖直徑大小造成的影響不可忽視,如果考慮到析晶,過熱還可能造成另一中潛在的結(jié)果。例如上述GLS玻璃的光纖拉絲溫度(660非常接近其析晶溫度(670,如果溫度波動(dòng)太大則可能導(dǎo)致操作溫度進(jìn)入析晶溫度區(qū)域,使得光纖表面析晶,從而造成光纖質(zhì)量下降。在拉絲過程中還必須保持干燥、潔凈的環(huán)境,否則光纖在拉絲過程中吸水或粘附塵粒等導(dǎo)致性能下降,而對(duì)于硫化物玻璃光纖則必須保持無氧的氣氛,因此一般在拉絲過程中同時(shí)通入干燥的惰性氣體,如氬氣、氮?dú)獾取怏w流量也應(yīng)精確控制,流量太小不能很好地起保護(hù)作用,過大則造成爐內(nèi)溫

36、度波動(dòng)增加,并可能引起光纖抖動(dòng)而致使光纖直徑產(chǎn)生波動(dòng)。此外,有些玻璃系統(tǒng)組分容易揮發(fā),如硫化物玻璃系統(tǒng)在拉絲時(shí)組分的蒸汽壓隨溫度增加很快,因此也需要精確控制拉絲溫度和爐內(nèi)的壓力。而如果有塵粒附著在光纖表面時(shí),特別是在涂覆之前,會(huì)導(dǎo)致光纖表面出現(xiàn)裂紋,引起光纖機(jī)械性能下降,因而爐內(nèi)應(yīng)十分清潔。光纖涂覆是在剛拉制出光纖表面涂覆上一層保護(hù)層,以增加光纖強(qiáng)度和避免光纖被環(huán)境侵蝕而出現(xiàn)性能下降的現(xiàn)象。光纖涂覆劑根據(jù)其聚合歷程的不同可分為熱固化和紫外固化兩大類。目前,紫外固化涂覆劑在通信光纖應(yīng)用中占75%,它一般可分為三類:聚氨酯丙烯酸酯、有機(jī)硅型以及改性環(huán)氧丙烯酸酯。通過研究光纖涂覆劑特性及其對(duì)光纖強(qiáng)度

37、的影響分析表明,拉制光纖要選擇既能滿足拉制工藝條件又能與光纖玻璃相匹配的涂覆劑,尤其是對(duì)于多組分玻璃光纖,還需考慮現(xiàn)有涂覆劑與光纖材料之間的親和性。最后根據(jù)高強(qiáng)光纖的技術(shù)要求,選用合適的涂覆劑。光纖包層/纖芯直徑比例的大小一般可由所制備預(yù)制棒的包層管/纖芯棒的直徑比例所確定。如果制備的預(yù)制棒有較大的包層/纖芯直徑比例,如采用吸注法制備的預(yù)制棒,則可以一次拉制成功單模光纖,但若采用管棒法、澆注法或擠壓法制備的預(yù)制棒,其纖芯部分直徑相對(duì)較大,則可能需要兩次或多次拉絲才能成功制備單模光纖:首先將采用管棒法或澆注法制備得到的預(yù)制棒在光纖拉絲塔中拉制成細(xì)棒,細(xì)棒直徑的大小由光纖包層/纖芯直徑比例以及二次

38、拉絲的包層套管內(nèi)徑所決定;挑選出符合直徑要求的細(xì)棒,將其插入已制備好的包層套管中在光纖拉絲塔中進(jìn)行二次拉絲。若此時(shí)包層/纖芯直徑已符合單模光纖的要求,即可得到所要求的光纖,否則需要再次拉制細(xì)棒以滿足包層/纖芯直徑比例要求。采用二次或多次拉絲的制備工藝和條件相對(duì)比較苛刻,尤其是在拉伸成細(xì)棒時(shí),要求所拉細(xì)棒必須粗細(xì)均勻,否則致使纖芯直徑大小不一。此外,對(duì)拉伸得到的細(xì)棒必須對(duì)表面進(jìn)行拋光和清洗,否則容易造成光纖損耗增加甚至可能引起析晶等嚴(yán)重現(xiàn)象。采用預(yù)制棒拉絲技術(shù)的常見于一些機(jī)械加工性能相對(duì)較好的玻璃系統(tǒng),如硅酸鹽玻璃、磷酸鹽玻璃、碲酸鹽玻璃等,另外由于氟化物玻璃容易析晶而很難用坩堝法拉絲,因此也常

39、采用套管法拉絲。4.2 坩堝拉絲工藝雙坩堝法拉絲也是多組分玻璃光纖一種常見的制備方法,特別是對(duì)于一些機(jī)械加工性能較差的玻璃系統(tǒng)。采用雙坩堝法拉絲可避免預(yù)制棒拉絲工藝中一些玻璃冷加工因素對(duì)光纖損耗的影響,其具體工藝過程如圖17所示:首先用高純?cè)戏謩e制備塊狀的纖芯和包層玻璃,并經(jīng)仔細(xì)清洗后投入白金質(zhì)的內(nèi)坩堝(纖芯和外坩堝(包層中。在坩堝上方蓋有圓柱型的熔石英玻璃罩,并通入高純、干燥的氮?dú)?以保證坩堝內(nèi)干燥、惰性的環(huán)境。與預(yù)制棒拉絲不同,雙坩堝法拉絲時(shí)需精確控制坩堝下部拉絲嘴的溫度,因此在拉絲嘴附近設(shè)有熱電偶以監(jiān)控此部位的溫度。在這種方法中,包層/纖芯的直徑比例可通過內(nèi)外坩堝下方拉絲嘴的直徑以及熔

40、體體積加以控制。最后,拉制出的光纖經(jīng)絲徑測(cè)量?jī)x、涂覆固化后由收絲輪收集。對(duì)于一些容易析晶的玻璃系統(tǒng),必須非常精確地控制拉絲嘴的溫度,同時(shí)避免玻璃熔體長(zhǎng)時(shí)間處于晶核形成或晶體生長(zhǎng)的溫度區(qū)間。在雙坩堝拉絲過程中另一個(gè)需關(guān)注的現(xiàn)象是在拉絲過程中形成氣泡,這在預(yù)制棒拉絲法中并沒有出現(xiàn)。由于形成的氣泡會(huì)一部分殘留在纖芯包層界面處，從而引起光纖損耗增加，這在拉制低損耗多組分玻璃光纖中是一個(gè)必須解 決的問題。氣泡的形成是因?yàn)樵诶w芯和包層之間堿離子的濃度不同導(dǎo)致與白金之間形成電池， 如圖 18 所示。當(dāng)電極 I 插入堿離子濃度較高的玻璃中時(shí)，O2-變成 O2 和電子，而當(dāng)電極 II 插 入堿離子濃度較低的玻璃

41、中時(shí)，大氣中的氧氣將溶解到玻璃液中并形成 O2-，這一過程可用下 式表示： 電極I： 2O 2 O2 + 4e (形成氣泡 電極II： 4e + O2 2O 2 氮?dú)?熔石英罩 拉絲爐 絲徑測(cè)量?jī)x 涂覆裝置 絞輪 圖 17 雙坩堝法拉絲工藝示意圖 收絲盤 圖 18 (a 多組分玻璃中由堿離子濃度差形成的電池； (b 雙坩堝中氣泡的形成 當(dāng)包層和纖芯玻璃中堿離子濃度不同時(shí)，在內(nèi)坩堝表面就可能形成氣泡并對(duì)光纖損耗產(chǎn) 生影響。因此在確定玻璃組成時(shí)最好使芯、包玻璃中的堿離子濃度相同并且需在無氧的氣氛 中拉絲。 具備纖芯包層結(jié)構(gòu)的硫化物玻璃光纖常用雙坩堝法拉制，但所采用的通常為石英坩堝， 如圖 19 所

42、示。用于硫化物玻璃光纖拉絲的雙坩堝系統(tǒng)其設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)的拉制氧化物玻璃光纖的 雙白金坩堝非常相似，但是在坩堝下端的拉絲嘴要比普通拉絲設(shè)備長(zhǎng)很多，這有助于玻璃熔 體冷卻，同時(shí)又可增加纖芯和包層坩堝內(nèi)的壓力，這對(duì)拉制低損耗的硫化物玻璃光纖十分有 益。此外，這種雙坩堝法拉絲的系統(tǒng)中其坩堝內(nèi)的密閉程度要高于圖 17 所示的系統(tǒng)，同時(shí)其 兩個(gè)坩堝分別獨(dú)立，這不但有助于避免玻璃組分過多揮發(fā)和被氧化，同時(shí)也可單獨(dú)控制纖芯 或包層坩堝內(nèi)的壓力，起到調(diào)節(jié)包層/纖芯直徑比例的作用。 采用這種工藝設(shè)備拉絲的過程與前所述的拉絲工藝基本一致：將制備的纖芯和包層玻璃 表面清洗，然后分別投入內(nèi)、外坩堝中，并向爐膛通入干燥惰性氣體（如氬氣）以保證干燥、 惰性的拉絲氣氛。當(dāng)溫度升高至變形溫度以上時(shí)，玻璃軟化并附著在坩堝內(nèi)表面，此時(shí)開始 向裝有纖芯和包層玻璃的坩堝中通入氬氣加壓，具備纖芯包層的熔體從坩堝下方拉絲嘴流 出、拉細(xì)后即得到硫化物玻璃光纖。通過向坩堝內(nèi)通入氬氣加壓可保證在較低溫度下拉絲， 從而可避免玻璃組分過多揮發(fā)。纖芯和包層的直徑比例可通過改變內(nèi)外坩堝底部開口的直徑 比例以及改變壓力大小控制，通過這種方法可拉制 100200µm 的硫化物玻璃光纖。 光纖拉絲過程本身是一個(gè)粘性流動(dòng)的復(fù)