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现代光纤制造工艺发展的研究
林高明
（华中科技大学 光学与电子信息学院 430074）
通常而言，我们是按照制造玻璃光纤预制棒的工艺来化分光纤的制造工艺的，改良的化学汽相沉积(MCVD)工艺，从上个世纪七十年代问世以来，在世界各国得到广泛研究和普遍应用。除了MCVD，用于制造光纤预制棒的主要方法还有：外部汽相沉积法（OVD），汽相轴向沉积法（VAD）和等离子化学汽相沉积法（PCVD)。和后续制造方法相比，MCVD有初期投资较少，对周围环境的要求较低，对环境的污染程度较低和适于制造各种不同结构的光纤等优点，所以MCVD非常适合我国国情[1]。本文将比较以上四种光纤预制棒的制造工艺，探讨其发展路径。 关键词：等离子体加热 玻璃 PACC：5250G 6140D
1.引言
1964年，高锟提出在电话网络中以光代替电流，以玻璃纤维代替导线，到如今是：光纤是现代信息技术的血管，大到国防军事，小到家庭生活，我们都不可避免地使用光纤来传送信息。在我们的航空母舰上布满了光纤，在家里也是光纤到户，光纤让“远在天边，近在眼前”成为现实。我们也成为一个个千里眼，顺风耳。可是我们只是使用者，并不知道光纤的具体的制造工艺。 然而工程师们在光纤制造工艺上做出巨大突破，如今成熟的制作工艺有改良的化学汽相沉积(MCVD)工艺，外部汽相沉积法（OVD），汽相轴向沉积法（VAD）和等离子化学汽相沉积法（PCVD)。也许在未来会有更好的制作工艺出现，让光纤制造既高效又环保。
这样，光源和传输介质问题的解决有望，全世界因此而雀跃！从此拉开了光纤研制和光纤通信研究的序幕，开始了现代光纤通信的发展。【2】
2.四种光纤制作工艺
2.1.改进化学汽相沉积法（MCVD）
1969年Jone和Hao采用SiCl4气相氧化法制造了损耗低至10dB/km的光纤，而且都是采用纯的TiO2,GeO2,B2O3及P2O5来作掺杂剂。SiCl4气相氧化法就是MCVD法的原型。随着时代的脚步，SiCl4气相氧化法后来演变成为了现在的改进化学汽相沉积法。如今MCVD的原料是液态的SiCl4，GeCl4等物质，这极大地增加了原料的接触面积，从而提高了原料利用率和反应速率，促进了光纤的普及。其具体的反应流程如下：
原料在高温下发生氧化反应生成二氧化硅，氧化硼，氧化铬以及五氧化二磷微粉，沉积在玻璃反应管的内壁上。在微粉沉积的过程中需要精密的控制掺杂剂的流量，从而获得所设计的折射率分布。采用MCVD法制备的B/Ge共掺杂光纤作为
光纤的内包层，能够有效地抑制包层中的模式耦合，继而大大降低光纤的传输损耗。
以下是反应方程式:
反应物的气态混合剂从旋转的石英管一段进入，有点像烤全羊，只不过这里烤的是液态原料。石英管由一个可以横向移动的氢氧喷灯加热。反应中产生的氧化物由于气体中心处和管壁处的温度差，便在管壁上沉积。之后我们就要提高氢氧喷灯的温度，从而使沉积物在高温下玻璃话，形成一层薄膜。重复此过程，我们就可以获得纤芯和包层。
MCVD工艺显然是一种比较稳定可靠且绿色环保的制备光纤的方法，但是它也有缺点。金无足赤，人无完人，世上也没有完美的制作工艺。MCVD 工艺制造的预制棒在中间位置会留下与OVD工艺相比更大的空洞。工艺是死的，但是人类是灵活的，聪明的工程师发现在任何内部气相沉积法中，均使用外部加热就可以使用外表面张力和内部真空的合力来去除空洞。出来混的总是要还的，这个外部加热的过程需要高温和长时间加热，易导致中轴部位锗化物的分解。将非稳态傅里叶热传导方程与光纤拉丝工艺相结合建立了毛细管光纤预制棒拉制过程中的温场传输简化模型，得到当温度场分布接近于稳态时的下棒速度为最佳。【3】
2.2.外部汽相沉积法（OVD） OVD工艺又为“管外汽相氧化法”或“粉尘法”，是1970年美国康宁公司的Kapron研发的简洁工艺。OVD工艺的化学反应原理为火焰水解，即其原料在氢氧燃烧的火焰中水解生成了二氧化硅微粉，然后经喷灯喷出，沉积在母棒上。多次沉积后去除母棒，再将中空的预制棒在高温下脱水，烧成透明的实心的玻璃棒，就是我们要的光纤预制棒了。
OVD工艺可以制造0.16dB/km(1.55μm)的单模光纤，几乎接近石英光纤在此窗口下的理论极限损耗0.15dB/km。如此美好的结果不可能来得容易，意味着极高的工艺要求。OVD工艺要求在超净间里进行，这是很多发展中国家没有的，此外还要把预制棒严格脱水。
OVD工艺的最新的发展经历了从单喷灯沉积到多喷灯同时沉积，由一台设备一次沉积生产一根预制棒到一台设备一次沉积生产多根预制棒，于是大大地提高了生产率，从而降低了成本。如今康宁公司也是世界上最大的玻璃光纤公司。
2.3.汽相轴向沉积法（VAD）
VAD工艺是由日本人开发的，其工作原理和OVD相同，但青出于蓝而胜于蓝，VAD是在母棒的轴向端部沉积。所以VAD工艺可以连续生产，而不是像OVD工艺要不断地更换母棒。VAD很适合制造大型预制棒，从而可以拉制较长的连续光纤。VAD工艺生产的单模光纤损耗目前达到了0.22-0.4dB/km。日本拥有VAD最先进的核心技术，所生产的光纤预制棒OH-含量非常低，在1385nm附近的损耗小于0.46dB/km。其光纤品质十分惊人，中国在光纤生产工艺上要向日本学习。 VAD工艺的流程如下：母棒可以旋转并且向反应室外移动，当反应气体进入反应室后，就会在母棒的端部沉积。疏松的预制棒在移动中会被一个环形加热器加热，从而可以生成玻璃预制棒。
而且VAD工艺生产的多模光纤不会形成中心部位折射率凹陷或空眼，避免了MCVD工艺的缺陷。VAD工艺的发明使光纤制造水平达到了前所未有的新高度。当然也存在成本太高的问题。这里的成本不光是原料成本和设备成本，更是技术成本，我国没有VAD工艺的核心技术，这将大大地提高VAD工艺在我国普及的难度。
2.4.等离子体化学汽相沉积工艺（PCVD）
PCVD法和MCVD法的工作原理基本一样，只是不用氢氧焰而是微波腔体产生的等离子体加热。因为使用等离子体加热，所以PCVD工艺的沉积温度低于MCVD工艺的沉积温度，反应管就不易变形，在一定程度上保护了设备。由于气体电离不受反应管热容量的限制，所以微波加热腔体可以沿着反应管轴向快速往返移动，这可以使在管内沉积数千个薄层，让每层的沉积厚度减少，于是我们能够更加精准地控制折射率的分布，从而实现更宽的带宽。不光如此，PCVD的沉积效率高，沉积速度也快，可以消除二氧化硅层沉积过程中的微观不均匀性。因为这个，PCVD大大地降低光纤中散射造成的本征损耗。PCVD可以用来制造复杂折射率剖面的光纤，通过批量生产来降低成本。如今是荷兰的等离子光纤公司占据世界领先水平。
4.结论
本文详细地对四种主流光纤制作工艺做出了介绍和比较。通过一系列的比较，不难发现，改进化学汽相沉积法（MCVD）是最适合我国当今国情的光纤制作工艺，它有工艺要求低，稳定可靠的特点。但随着我国渐渐进入社会主义中级阶段，我个人认为等离子体化学汽相沉积工艺（PCVD）应该要取代改进化学汽相沉积法（MCVD），成为我国光纤制造的主要方法。等离子体化学汽相沉积工艺（PCVD）有绿色环保，有利于保护设备，制造光纤品质高，生产速度快等优点。 1
【1】唐仁杰 我国光纤制造工艺的发展浅议{会议论文} 1999 【2】李新阳 论光纤通信技术的发展 2012
【3】张明慧 基于MCVD的光纤预制棒制备及其特性研究 2012