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制造光纤预制棒的关键设计目标
日期:2021-02-03 10:14:12
光纤预制棒

众所周知,高纯度原材料对于实现设计目标至关重要。低金属杂质可防止反射损失,干燥的原材料可防止吸收。另外,有许多设计策略可以满足截止波长,模场直径(MFD)和数值孔径(NA)的要求。额外的波导设计制造目标包括高纯度,低OH,均匀性和可再现性。

 
在3M运营和维护MCVD制造系统的多年中,我与设计师紧密合作,并密切参与设计过程,以确保设计在扩展系数等方面都是可制造的。实际上,瓶坯制造的设计者/操作者团队类似于建筑师和房屋建造者共同工作的方式。
 
除了与设计人员解决设计问题外,MCVD操作员还必须在整个制造过程中严格控制多个设备和工艺变量。以下各段对光纤预制棒的关键设计目标进行了高级综述,并为MCVD操作人员提供了制造特定玻璃波导并实现可重复设计的提示。

光纤预制棒

 
瓶胚轮廓仪对于实现设计目标至关重要
作为MCVD操作员,您依靠轮廓仪来测量完成的瓶坯的折射率和尺寸,例如玻璃层的厚度。这是分析完成的瓶坯和预测达到设计目标的能力的关键信息。通常,分析器具有预测拉出光纤的截止波长,MFD和NA的软件。作为操作员,这将为您提供重要的信息,以计划将满足指定设计目标的MCVD工艺变更。

其他设计注意事项
阻挡层减慢了OH的迁移,为关键的沉积层提供了高纯度的玻璃基板,并为扩展模式场产生了纯玻璃–如您所知,玻璃阻隔层通常与起始管折射率匹配,但纯度更高。通常,您会在基管内沉积几层高纯度玻璃,以形成关键的沉积层的原始表面,从而引导光线。纯玻璃非常重要,因为根据波导设计,通过光纤纤芯传输的模场将根据波长扩展。取决于光学设计,一些光可以在阻挡层中被引导。如果阻挡层的厚度不够大,则模场可能会遇到沉积管玻璃,并且可能会吸收或反射,从而导致纤维损耗增加。
 
凹陷的阱(折射率<二氧化硅)阻挡层(以最小化GeO2核心)可用于最小化玻璃芯的损耗– MCVD操作人员知道,芯中的锗会增加折射率。但是,添加的数量越多,光纤的损耗就越高。一种策略是降低纤芯周围的高纯度阻挡层的折射率。凹陷的阱层可以由诸如氟的掺杂剂形成。这种设计可在不增加芯锗的情况下增加势垒层与芯层之间的折射率差,并增加NA。凹陷的井壁厚度必须经过精心设计,以防止切断主模。
 
实现设计目标的重要设备注意事项
作为运营商,您该怎么做才能确保达到设计目标?如上所述,您必须严格控制势垒层和凹陷阱层。准确控制气流至关重要。
 
质量流量控制校准–如您所知,您需要良好的校准设备和程序,因为您必须知道确切的质量流量。
 
化学汽化控制–我在之前的文章中谈到了起泡器(请参阅本文结尾处的链接)。此外,我计划在以后的文章中更详细地讨论此关键功能。
 
泄漏测试以确保一致的流量和蒸汽比–显然,您需要一个良好的泄漏测试程序/系统,并确保设备正常运行以实现一致的流量和良好的蒸汽比。这有助于可重复的设计。
实现设计目标的重要过程注意事项
 
对于瓶坯制造商,某些过程控制可以帮助确保始终满足设计规范。在此过程中,有4个关键点可帮助您实现设计目标。
 
每次通过时都要用一致的层厚度小心地控制管子的直径–沉积阻挡层和芯层时,您的目标是每次都保持一致的厚度。但是,众所周知,燃烧器的火焰压力会导致沉积管收缩。如果没有直径控制,这种收缩会减小内部表面积。在蒸气流恒定的情况下,沉积层的厚度将减小。如果沉积管的直径在每次运行之间或在一次运行内变化,则层厚度将不会复制。仔细控制管子的直径绝对至关重要。对于沉积,一致性是关键。
这是对此进行思考的另一种方法:管子收缩会增加管子横截面积(CSA),从而降低内部反应温度(影响沉积),并减少氧化物沉积的表面积。在理想的情况下,如果您使用完全相同的收缩率制造具有相同沉积管CSA的10个瓶坯,那么您可以忍受该管的收缩。假定其他变量为常数,则这些预成型坯将完全相同。但这很少发生,因为起始试管通常具有不同的CSA,并且每个过程都涉及一些可变性。
 
提高重现性的技巧:沉积管的内部温度至关重要,因为反应发生在内部。但是,过程高温计正在读取外部温度。SG Controls提供了直径控制系统,该系统控制并提供管直径的光学测量。该系统为闭环系统,增压系统通过直径测量和设定点的反馈控制管子的背压。拥有一个自动系统来控制管径非常重要。虽然我在手动控制直径方面取得了一些成功,但这种方法几乎不像自动化系统那样具有可重复性。

光纤预制棒
 
较低的沉积温度可降低OH从灯管和燃烧器扩散到芯子的可能性,并防止灯管收缩–正如我们所讨论的,缺乏直径控制会导致灯管壁变厚。管壁较厚时,必须施加更多的燃烧器热量以保持一致的沉积温度。沉积管和燃烧器是水源,水可以通过玻璃层向核心扩散。保持尽可能低的沉积温度可防止管子收缩,并防止水流向纤芯,这会在最终的纤维测量中引起吸收。
 
保持低温的技巧:您可能知道,添加磷和氟等掺杂剂会降低沉积温度。
 
沉积管温度在此过程中至关重要,这意味着校准对于可再现的设计目标至关重要–校准过程高温计绝对至关重要。实际上,为了确保准确性,我使用了独立于过程高温计的手持式校准标准。我穿过高温计取景器,穿过热区,直到检测到最高温度。此最高温度是实际温度。我会将读数与过程高温计进行比较,并检查校准偏差。校准至关重要–可重复的过程取决于准确的温度。
 
有关手持式高温计的提示:您无需购买昂贵的黑体仪器。取而代之的是,购买用黑体标准品校准的手持标准品。此外,您可以将手持式高温计临时安装在消防车上,以抽查过程高温计的校准。
 
在管子塌陷期间,控制燃烧器的H2 / O2比例,以达到可重现的芯/包层比,并最大程度地减少玻璃燃烧 –按时间顺序执行此过程,您已经完成了沉积,现在必须将中空管塌缩成固体预成型坯。为此,必须增加燃烧器的H2 / O2流量以产生较高的火焰压力和温度。火焰压力将力和热量施加到管子上,迫使其塌陷。在足够的内部管压力下,管保持圆形。燃烧器的H2 / O2比率至关重要,因为它直接影响您燃烧掉的玻璃量。在崩溃温度下,您正在蒸发玻璃,并且会注意到白氧化物在燃烧器之前凝结。控制燃烧器的气体比率和塌陷期间的玻璃燃烧非常重要。在纤维拉伸过程中,预成型坯正好按比例缩小。
 
在塌落时保持瓶坯笔直的提示: SG Controls等公司提供带有氮帘的不锈钢水冷式燃烧器,以减小热区宽度,从而防止塌落时瓶坯下垂。燃烧器外侧边缘上的可调氮气流吹向燃烧管,以均匀减小热区宽度。这使操作员可以在折叠过程中调整热区宽度。该设备可以提高均匀性和纤维产量。

概要
显然,这是对光纤预制棒关键设计目标的高层审查。希望您掌握了一些技巧,以便可以不断提高您的流程和可重复性。如果您想进一步讨论这些要点,或者想获得有关本文中提到的某些设备的信息,我建议您打电话给我。