簡約但是不簡單-用于光纖預(yù)制棒制備的套管法

（一）RIT技術(shù)的含義 光纖預(yù)制棒制備技術(shù)中有一種套管法（Rod-in-tube, RIT），是光纖制備中常規(guī)方法之一。其實(shí)這個(gè)名詞在別的行業(yè)也見到過。簡單描述就是玻璃棒套在玻璃管內(nèi)，加熱玻璃管，將其熔縮到棒上，以形成較粗的實(shí)心棒，即光纖的預(yù)制棒。最后把預(yù)制棒一端加熱并拉伸以形成光纖。

（二）RIT的由來 前邊有一期介紹過光纖發(fā)展的歷史，光纖的Core/Clad（芯/包）結(jié)構(gòu)在1954年由荷蘭科學(xué)家亞伯拉罕·范·海爾（Abraham VanHeel）提出，他用折射率較低的透明包層覆蓋裸露的纖維。這個(gè)思路確實(shí)非常重要，當(dāng)時(shí)人們還是在想方設(shè)法提高玻璃折射率超過手指上的油脂的折射率（1.69），來避免干擾。有包層的纖維避免了反射表面免受外界的影響，也減少光纖之間接觸時(shí)候的干擾。

有包層的纖維避免了反射表面免受外界的影響

不過這個(gè)時(shí)候，玻璃外邊應(yīng)該是一層塑料材料。玻璃包層的出現(xiàn)是1955年，柯蒂斯（Lawrence E. Curtiss，當(dāng)時(shí)還是個(gè)博士生），試圖將玻璃管熔縮到玻璃棒上。1956年他購買了軟玻璃（低溫玻璃）管，其折射率低于康寧公司的玻璃棒。他將一根高折射率的康寧玻璃棒放入低折射率管內(nèi)，將二者在爐子中融為一體，并從中抽出一根纖維。他回憶說：“那可能是我一生中最激動(dòng)人心的一天?！? 后來，柯蒂斯（Curtiss）還基于這一思路，建立了現(xiàn)代光纖拉制設(shè)備的雛形系統(tǒng)，可以在拉制過程中實(shí)時(shí)測(cè)量纖維直徑，而無需接觸玻璃。他們控制著手工拉制光纖的速度，平均每小時(shí)大約五英里（8公里，130米每分鐘，手動(dòng)拉絲能達(dá)到這樣的速度，其實(shí)挺快的）。 如今的光纖生產(chǎn)工藝幾乎是全自動(dòng)了，拉絲速度也達(dá)到3公里每分鐘?，F(xiàn)在通訊單模光纖的結(jié)構(gòu)芯/包層結(jié)構(gòu)，并且標(biāo)準(zhǔn)健全，穩(wěn)定可靠。

現(xiàn)在通訊單模光纖的結(jié)構(gòu)芯/包層結(jié)構(gòu)

Core/Clad 結(jié)構(gòu)解決了光纖使用的幾個(gè)重要技術(shù)問題：

可靠性，如果沒有光學(xué)包層，不能觸碰光纖。

2種玻璃，就有2種折射率，光纖的NA可以較為自由的控制。

實(shí)現(xiàn)了單模傳輸。

用套管法來實(shí)現(xiàn)更大尺寸的預(yù)制棒。

更重要的是為未來的工藝進(jìn)展提供了思路，比如：保偏光纖，芯棒、硼棒的套管法；cane-in-tube（中間體套管）用于微結(jié)構(gòu)光纖；多芯光纖等等。

（三）RIT帶來更多的特種光纖思路 套管技術(shù)不僅僅是通訊光纖使用，這個(gè)技術(shù)提供了更靈活的光纖設(shè)計(jì)，更廣泛應(yīng)用從此展開。 熊貓型保偏光纖 保偏光纖的結(jié)構(gòu)挺多的，分成了應(yīng)力型和幾何型：有熊貓型、領(lǐng)結(jié)型、橢圓包層型、橢圓芯型等等。另外光子晶體光纖也是重要的一類。

幾種典型保偏光纖：熊貓型、領(lǐng)結(jié)型、橢圓包層型、橢圓芯型

熊貓型保偏光纖是其中應(yīng)用非常廣泛的一種。制備過程分別兩次用到套管法（芯棒和硼棒）。簡單描述了一下熊貓光纖的制備過程。

工藝步驟：（1）芯棒是化學(xué)汽相沉積法制備的，通過一次套管，實(shí)現(xiàn)需要的芯/包比例；（2）通過打孔，準(zhǔn)備好應(yīng)力棒的位置；（3）硼硅玻璃應(yīng)力棒填入打好的孔中；（4）形成完整的預(yù)制棒。

多芯光纖 多芯光纖更是非常依靠套管法，打孔后和芯棒組合成多芯光纖的預(yù)制棒。

多芯光纖打孔，以及拉制出來的多芯光纖端面圖

玻璃纖芯和空氣包層（懸浮芯） 懸浮芯光纖（suspended core fiber）也許平時(shí)接觸的比較少。這一類光纖可以實(shí)現(xiàn)大數(shù)值孔徑，纖芯可以做的非常小，因此就是一種微結(jié)構(gòu)的高非線性光纖。另外，有點(diǎn)類似光子晶體光纖，懸浮芯光纖可以僅通過單一玻璃材料就實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。 懸浮芯光纖采用cane-in-tube的制備方式，玻璃棒換成了有結(jié)構(gòu)的中間體。先制備出微結(jié)構(gòu)的預(yù)制棒（這里的結(jié)構(gòu)是通過玻璃片把纖芯懸掛在正中），再拉制成中間體（cane），套管，再整體拉絲。一氣呵成，cane-in-tube思路和rod-in-tube一致。不過想要做好懸浮芯這類光纖，還是有很多技巧。

懸掛芯光纖，纖芯尺寸非常小，大數(shù)值孔徑

雙懸浮芯 雙懸浮芯（dual suspended core fiber），不是簡單的增加了一個(gè)纖芯。而是做到了使光纖的纖芯不僅導(dǎo)光，還通過纖芯的機(jī)械運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)纖芯的相互作用，把MEMS技術(shù)和光纖技術(shù)合二為一。后來被稱為納米機(jī)械光纖（nanomechanicalfiber）。為光開關(guān)、環(huán)境傳感等提供了新的思路。（https://doi.org/10.1364/OE.20.029386） 制備方法和懸浮芯相似，但是技巧是如何控制纖芯的間距。

雙懸掛芯光纖（納米機(jī)械光纖）

（四）RIT技術(shù)的挑戰(zhàn)外部氣相沉積（OVD）的挑戰(zhàn) 光纖行業(yè)發(fā)展這么多年，套管法確實(shí)影響巨大，只是依然離不開對(duì)高純石英管的依賴（我們國家高純石英管技術(shù)相對(duì)薄弱）。外部氣相沉積（Outside Vapor Deposition，OVD）法的挑戰(zhàn)也如期而至，逐漸變成通訊光纖企業(yè)必備裝備。 OVD過程也是氣相沉積，二氧化硅沉積在目標(biāo)靶棒（玻璃芯軸）的表面上，而不是像MCVD沉積在管內(nèi)。連同SiCl4的氣體材料一起，燃料氣體被送到加熱區(qū)，加熱區(qū)沿著旋轉(zhuǎn)桿移動(dòng)。沉積后，將靶棒移除，并將預(yù)成型預(yù)制棒在爐中燒結(jié)，并用干燥氣體吹掃以降低羥基含量。

OVD的基本工藝：沉積過程，燒結(jié)過程

好像OVD這個(gè)技術(shù)如果廣泛使用起來，套管法就沒有市場(chǎng)了。其實(shí)也不盡然，通訊光纖PK成本和規(guī)模，OVD確實(shí)意義重大。但是特種光纖種類繁多，對(duì)成本相對(duì)不敏感，最基礎(chǔ)的套管法依然會(huì)是最常用的方法。（五）解語 套管法，就像套娃，一層套在另一層上。盡管看起來簡單，但是透過簡單的現(xiàn)象一層層剝開本質(zhì)，發(fā)現(xiàn)簡約中蘊(yùn)藏深厚內(nèi)涵。后來的色散管理光纖的設(shè)計(jì)，抗彎曲光纖的下陷包層（Trench）結(jié)構(gòu)，還有最近超低衰耗空芯光纖的嵌套結(jié)構(gòu)，都離不開套管法的雛形。

光纖技術(shù)的發(fā)展折射出技術(shù)沒有永遠(yuǎn)的對(duì)與錯(cuò)，OVD可能在某些領(lǐng)域會(huì)更勝一籌，套管法還是有自己的優(yōu)勢(shì)。新的概念會(huì)引出更多的思想，也許下一代光纖制備技術(shù)正在潛移默化中孕育著。