星期六,四月02 2011:20 59

光纖

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光纖是細如頭髮的玻璃絲,設計用於沿其軸傳輸光線。 發光二極管 (LED) or 激光二極管 將電信號轉換成光信號,通過光纜的內圓柱芯傳輸。 外包層的較低折射率特性允許光信號通過內反射沿內部圓柱形纖芯傳播。 光纖的設計和製造既可以作為單光束傳播,也可以作為同時沿纖芯傳輸的多光束傳播。 (見圖 1。)

圖 1. 單模和多模光纖

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單模光纖主要用於電話、有線電視應用和校園主幹網。 多模光纖通常用於數據通信和駐地網絡。

光纖製造

製造符合基本設計標準的光纖需要特殊材料和工藝:(1) 具有高折射率的纖芯和具有低折射率的包層,(2) 低信號衰減或功率損耗,以及 (3)光束的低色散或展寬。

高純度石英玻璃和其他玻璃材料(即重金屬氟化物玻璃、硫族化物玻璃)是目前用於製造光纖的主要材料。 也使用多晶材料、單晶材料、空心波導和聚合塑料材料。 原材料必須相對純淨,過渡金屬和羥基形成基團的濃度非常低(低於十億分之一水平)。 加工方法必須保護成型玻璃免受製造環境中的雜質影響。

光纖是通過使用非傳統的氣相製備玻璃預製棒然後拉製成光纖來製造的。 揮發性二氧化矽化合物轉化為 SiO2 通過火焰水解、化學氣相沉積 (CVD) 或高溫氧化。 然後將其他摻雜劑添加到玻璃中以改變玻璃特性。 氣相沉積過程的變化從相同的材料開始,但用於將這種材料轉化為二氧化矽的方法不同。

以下氣相沉積方法之一用於製造二氧化矽基光纖:(1) 改良化學氣相沉積 (MCVD),(2) 等離子化學氣相沉積 (PCVD),(3) 外部氣相沉積 (OVD), (4) 氣相軸向沉積 (VAD)(見圖 2)。 四氯化矽(SiCl4), 四氯化鍺 (GeCI4) 或其他揮發性液體鹵化物由於其高蒸氣壓而在輕微加熱時會轉化為氣體。 氣態鹵化物被輸送到反應區並轉化為玻璃顆粒(另見章節 微電子和半導體。)

圖 2. 光纖製造流程圖

POT020F1

化學氣相沉積 化學氣相沉積 流程. 高質量的熔融石英管連接到玻璃加工車床上,車床上裝有貫穿其長度的氫氣/氧氣炬。 鹵化物材料供應裝置連接到玻璃管的一端,洗滌器連接到另一端以去除多餘的滷化物材料。 當火炬穿過玻璃管的長度時,首先通過火拋光清潔玻璃管的表面。 根據正在製造的產品,在蒸汽系統中添加各種試劑。 當鹵化物通過被加熱的管段時會發生化學反應。 鹵化物轉化為二氧化矽“煙灰”顆粒,沉積在炬管下游的內玻璃管壁上。 沉積的顆粒被燒結到玻璃層中。 PCVD 工藝類似於 MCVD,不同之處在於鹵化物由起泡器系統提供,並且使用微波代替炬將鹵化物材料轉化為玻璃。

OVD 和VAD 流程. 在纖維製造過程的第一階段, 核心包層 玻璃在旋轉的靶棒周圍氣相沉積,形成“煙灰”預製棒。 首先沉積纖芯材料,然後是包層。 整個預製件必須非常純淨,因為纖芯和包層都是氣相沉積的。 纖維的幾何形狀是在製造的鋪設階段確定的。 取出目標棒後,將預製棒放入熔爐中,在熔爐中凝固成固體、透明玻璃,並關閉中心孔。 氣體通過預製棒以去除殘留水分,殘留水分會對光纖的衰減產生不利影響(當光沿光纖軸傳輸時,光信號會丟失)。 然後用氫氟酸清洗預製件以確保玻璃的純度並去除污染物。

將固結的玻璃預成型件放置在拉絲塔中以形成連續的玻璃纖維束。 首先,將預成型件裝入拉製爐的頂部。 接下來,預成型件的尖端被加熱,一塊熔融玻璃開始落下。 當這塊被拉伸(拉出)時,它會通過一個在線直徑監視器,以確保光纖符合精確的指定直徑(通常以微米為單位)。光纖的包層直徑必須符合精確的規格,以保持連接處的信號損失低. 外包層直徑用作在最終使用期間對齊纖芯的指南。 纖芯必須排成一行,以便有效地進行光傳輸。

應用丙烯酸酯聚合物或其他塗層並用紫外線燈固化。 塗層旨在保護光纖在最終使用期間免受環境影響。 光纖經過測試以確保符合強度、衰減和幾何形狀的製造標準。 根據客戶規格,特定長度的光纖纏繞在捲軸上。

在光纖製造過程中會遇到許多潛在的危險。 其中包括:(1) 接觸氫氟酸(清潔玻璃預製件時),(2) 與車床和氣相沉積工藝附近的工作環境相關的輻射能和熱應力,(3) 直接接觸熱表面或熔融材料(玻璃預製件) )、(4) 接觸丙烯酸酯聚合物塗層(皮膚致敏劑)、(5) 纖維處理過程中的皮膚刺破和撕裂以及 (6) 先前描述的各種物理危害。

 

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玻璃、陶器和相關材料參考

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