光导纤维

光导纤维

光导纤维的服务通常涉及电信、医疗和工业的多个应用领域。该文本简要描述了光导纤维制造所面临的各种挑战。

一般而言,光纤通过从一个特别设计的玻璃棒(称为预制棒)拉出玻璃细线而制成。光纤涂有保护性的丙烯酸酯层,然后进行各种性能测试。

光导纤维是如何工作的?

具有全内反射的光导纤维

光导纤维由导光芯层和包层组成。芯层必须拥有比外包层更高的折射率,从而使光在芯层与包层之间的界面发生完全的内部反射,因此光才得以沿着光导方向传导(损耗极低)。其重要的性能是折射率的差异和光纤的NA(数值孔径)(即为光纤在芯层全反射的角度值)

对于光纤的设计和应用,目前存在无数的可能性;从大容量的标准化电信光纤到特定应用中服务于客户的定制化设计。

应用最多的光导纤维是用于通信应用的单模光纤(SMF) 。这种光纤具有125 µm 的外径并且其主要性能由国际电信联盟(ITU)指定。其芯层尺寸并未指定,但其实已由它性能所定义,通常在8μm的范围内。

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第二大类光纤被称为多模光纤(MMF)。.这种光纤可能也用于通信领域(例如:用于数据中心),除此之外其还服务于众多其它应用(例如:光谱学和医学应用)。目前有两组多模光纤标准两者都具有125µm的规定外径,但它们的不同之处在于:一组的内芯直径为50µm而另一组为65 µm 。
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许多应用需要光从一个位置传输到另一个超远距离的位置传输到另一个不在视线范围内的位置,或者在开放式光束的存在不切实际或有危险的场合需要光传输。在这种情况下,光纤是理想的解决方案。它可以弯曲和移动,却仍然可保持两个位置的连通。这些应用的一些例子包括医学和光谱学应用以及材料加工。
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对于每种应用,由于光纤的传输特性以及光纤中光束的形状不同,必须选择恰当的光纤。这两个性质由光纤的折射率分布、材料组成和几何形状限定。这些参数如何影响传输将在下面更详细地描述。而这三个性质意味着要满足客户的需求存在高自由度,这需要具备许多必要知识以获得最佳的解决方案。

预制棒设计

Fluosil 预型件

预制棒是一个比光纤更大的坚硬实体。光纤由预制棒拉制而成并且具有其所有性能。预制棒的最低要求是其中心(随后形成光纤的芯层的部分)由具有比包层部分玻璃更高折射率的玻璃组成。

简而言之,光纤的性能由材料成分、几何形状和各层的折射率来决定。贺利氏积累的熔融石英专业技术和生产工艺将使您的想法得以实现。
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不含任何杂质的纯石英在广域光谱范围内具有卓越的传输性。该传输性可通过特殊掺杂物来调整,但也可受到多余杂质的影响。此外,特殊掺杂还可用于调整材料的折射率。

例如,具有高羟基含量的材料适合用作紫外波段的传输材料。对于红外波段的传输,则需要具有低羟基含量的材料。

此外,稀土元素可用于掺杂。通过将这些元素应用于光纤的芯层。其可实现对光的放大功能。这些光纤被称为有源光纤或激光光纤。


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对于经由光波导的光传输,则需要采用双层结构。具有比外部包层更高折射率的芯层。这可通过在内芯中掺入提高折射率的元素来实现。例如,像在通信光纤中掺入锗。或者还可通过在包层中掺入像氟这样降低折射率的元素。

折射率的差值大小决定了内芯中光的受限程度以及各种可传导模式(穿过光纤的光程)的数量。

因为总会有一些光穿透到包层之中,所以包层的厚度也会影响传导性能。若该层太薄,则会有一些光损失。尤其是在光纤有弯曲的情况下。

在现代设计中,折射率分布图显示光纤具有不同光学功能的层数。例如,创造一种环状设计而不是单光点设计,或者创造一种激光光纤用激励包层。

几何形状是另一个决定传输性能的因素。如下是关于几何形状如何影响传输性的一些示例:

形状
在多模光纤中采用方形将会导致所传输的各种光模式发生混合。因此,穿越该光纤的光点横截面能量密度将会更加均匀。
对于激光光纤,通常采用不规则包层来传导激光。 非对称的螺旋形光纤能提高泵浦吸收。

距离
光纤所设计的包层厚度决定光是被传导还是被消除。例如,薄层可用于除去一些不需要的光模式。
在保偏光纤中,应力区就处于芯棒旁边。这些通常是硼掺杂应力元并拥有不同的热膨胀系数,因此这会引入机械应力,从而调整传输性能。应力量受到应力元到内芯距离的影响。

通常,预制棒的生产可以分为两个生产步骤。光导内芯以及第一包层的制造被称为芯棒。在第二步中,包层既可以单独地形成,也可以在芯棒上直接形成。

  • 对于电信光纤的大批量规模生产,生产光纤内芯的最常见方法称作VAD、OVD和PCVD。
  • 对于较小批量生产,则采用MCVD和FCVD。
  • 同时可以直接购买芯棒。

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光纤拉丝

光导纤维在拉丝塔中生产。

光纤在拉丝塔中生产。拉丝塔可高达30m并由一个夹持预制棒和送料装置、一个熔炉、测量装置、一个涂覆装置、固化光源和一个提拉线轴组成。
光纤拉丝的速度取决于预制棒、光纤类型和拉制设备。其可从每分钟数米到高达每分钟2500米。

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拉丝后加工

几何性能在拉丝工艺过程中受到控制。拉丝之后,对光导纤维进行测试以确认所有其它性能在规格范围之内。

这些性能可包括如下参数:衰减信号、宏弯曲衰减,截止波长、模场直径、色散、偏振模色散、抗拉验证试验、玻璃几何性能(卷曲、包层直径、内芯–包层同心度以及包层不圆度) 和涂层几何性能(涂层直径和涂层–包层同心度)。

在单模式生产中,首个测试通常是一个强度测试。然后,对光学性能(比如:衰减信号)进行测量。在后续工艺步骤,将光纤切割成预定长度。

若光缆包含多种光纤,则它们通常已有额外有色涂覆以较易于识别。为了印上颜色代码和标记光导纤维,将紫外固化涂料涂在光纤上并使用紫外辐射固化数秒。通过借助贺利氏紫外专家,您可正确选择适合您工艺的紫外解决方案。

此外,成缆光纤的两端带有连接器并且端面是经过抛光的。对于其它应用,将多条光纤在一个连接器中固定在一起以制作成灵活的光纤束。

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