什么是光纤预制棒外包技术？
我们简单回顾一下光纤制造的基本原理：
光纤是由石英玻璃制成的，其核心结构包括纤芯和包层，为了制造出具有精确尺寸和纯度的光纤，我们不会直接从一根大玻璃棒开始拉丝，而是先制造一个尺寸放大了许多倍的“母体”——光纤预制棒。
光纤预制棒的结构是一个“芯-包层”结构，但其直径通常是光纤的几十到上百倍（100-200毫米），之后，将这个预制棒送入高温拉丝塔中，像拉糖人一样，加热并拉伸成直径仅为125微米的光纤。
外包技术，就是指在制造好预制棒的纤芯棒之后，在其外部包覆上包层玻璃层，最终形成完整的光纤预制棒的过程。
纤芯棒决定了光纤的光学特性（如折射率分布、数值孔径NA等），而外包层则主要决定了光纤的机械强度、几何尺寸和传输损耗。
为什么需要外包技术？
直接制造一根尺寸巨大、纯度极高的实心预制棒非常困难且成本极高，外包技术巧妙地解决了这个问题：
- 模块化生产：可以将纤芯和包层的制造分开，纤芯部分（特别是含有掺杂剂的区域）对纯度和成分要求极高，可以采用“昂贵的”工艺制造；而包层部分则可以使用成本相对较低的工艺和材料。
- 提高效率：可以同时制造多根纤芯棒，然后外包，极大地提高了生产效率。
- 灵活性与多样性：通过调整外包工艺和材料，可以轻松制造出不同规格（如G.652, G.657, G.655等）的光纤预制棒，满足不同市场需求。
- 降低成本：外包技术是实现低成本、大规模生产光纤的关键。
主要的外包技术分类
主流的光纤预制棒外包技术主要分为两大类：管外法和棒外法。
管外法
管外法是目前全球市场占据主导地位的技术，其代表工艺是OVD（Outside Vapor Deposition，外部气相沉积法）和VAD（Vapor Axial Deposition，气相轴向沉积法）。
a) OVD (外部气相沉积法)
这是由美国康宁公司发明并商业化的技术,也是目前应用最广泛的技术之一。
工艺流程：
- 制备母棒：使用一根高纯度的石英玻璃作为母棒。
- 气相沉积：将母棒水平放置并高速旋转，从母棒外部喷入高纯度气体（如SiCl₄, GeCl₄, O₂等），这些气体在氢氧焰的高温下发生水解反应，生成的石英玻璃微粉（如SiO₂, GeO₂）会沉积在母棒表面，形成一层疏松的多孔玻璃层。
- 层层堆积：通过精确控制气体的成分和喷灯的移动，可以一层一层地堆积出具有精确折射率分布的芯层和包层结构。
- 去除母棒：沉积完成后，将中间的原始母棒移除，留下一个中空的、由疏松玻璃构成的预制棒“烟炱”。
- 脱水致密化：将这个“烟炱”送入高温烧结炉中，在约1500°C的氯气环境中进行脱水处理，去除其中的水分和羟基（-OH），然后高温烧结，使其收缩、致密化，形成透明的实心玻璃预制棒。
优点：
- 纯度高：由于在开放环境中进行，反应副产物容易排出，因此可以获得极低的OH⁻含量，光纤损耗非常低。
- 结构灵活：可以制造各种复杂的折射率剖面，如多模光纤、色散位移光纤等。
- 自动化程度高：适合大规模连续生产。
缺点：
- 设备复杂，投资巨大。
- 工艺步骤多，需要母棒和后续的脱棒、烧结等工序。
b) VAD (气相轴向沉积法)
这是由日本NTT公司开发的技术,特别适合制造大尺寸预制棒。
工艺流程：
- 制备籽棒：使用一根细小的石英玻璃棒作为籽棒，垂直放置。
- 轴向沉积：将籽棒的顶端浸入氢氧焰中，从喷灯上方喷入反应气体，在籽棒的顶端进行水解反应，生成的玻璃微粉会像雪花一样堆积在顶端，形成“烟炱”，并沿着轴向向上生长。
- 同时旋转和提升：在沉积的同时，一边旋转籽棒以保证径向均匀，一边缓慢向上提升籽棒，从而持续生长出粗大的预制棒“烟炱”。
- 脱水致密化：与OVD类似，生长完成后，将“烟炱”送入高温炉中进行脱水和烧结，形成透明的预制棒。
优点：
- 可制造超大尺寸预制棒：由于是轴向生长，可以轻松制造出直径超过300mm的超大预制棒，一根可以拉制数百万米光纤，成本优势明显。
- 适合批量生产：可以同时放置多个喷灯进行沉积，效率高。
- 纯度高：同样是开放系统，可以获得低损耗光纤。
缺点：
- 设备更复杂，投资更高。
- 对控制系统的精度要求极高。
棒外法
棒外法与管外法思路相反,它是先制造好一个实心的纤芯棒，然后在其外部包覆包层玻璃，其代表工艺是PCVD（Plasma Chemical Vapor Deposition，等离子体化学气相沉积法）和MCVD（Modified Chemical Vapor Deposition，改进的化学气相沉积法）。
a) MCVD (改进的化学气相沉积法)
这是最早实现商业化的技术,目前主要用于制造一些特种光纤或作为其他技术的补充。
工艺流程：
- 制备石英管：作为外包的“模具”。
- 管内沉积：将石英管固定在玻璃车床上旋转，从管外用氢氧焰加热管壁的某一区域，同时从管内通入反应气体，在高温区发生化学反应，生成的玻璃微粒沉积在管壁的内侧。
- 形成包层和芯层：通过移动加热器，可以在管内壁一层一层地沉积出包层和纤芯层。
- collapse（塌缩）：沉积完成后，继续加热并旋转石英管，使其在高温下收缩、塌陷，最终形成一根实心的预制棒。
优点：
- 沉积温度较低：使用氢氧焰，温度相对可控。
- 折射率控制精确：适合制造复杂的折射率剖面。
缺点：
- 存在“塌陷”瓶颈：塌缩过程会导致预制棒尺寸受限，难以制造超大棒。
- 生产效率相对较低。
- OH⁻含量控制较难：因为反应在封闭的管内进行，容易引入杂质。
b) PCVD (等离子体化学气相沉积法)
这是由荷兰飞利浦公司开发的技术,以其高精度著称。
工艺流程：
- 与MCVD类似：也是使用一根石英管作为基管。
- 等离子体加热：不同的是，它使用一个沿石英管移动的微波谐振腔来产生低压低温的等离子体（如氩气或氦气等离子体）。
- 低温沉积：等离子体使管内的气体在较低的温度（约1000-1200°C）下发生反应，并沉积在管壁上。
- 塌缩：与MCVD一样，最后将管子塌缩成实心棒。
优点：
- 沉积温度极低：可以有效避免玻璃中杂质（如OH⁻）的挥发和引入，能制造出损耗极低的光纤。
- 折射率控制精度极高：由于等离子体能量均匀且可控，可以制造出折射率剖面极其精确的预制棒，适合制造高性能的单模光纤。
- 沉积速度快。
缺点：
- 设备昂贵：微波等离子体发生系统非常复杂。
- 同样受限于塌缩工艺，难以制造超大棒。
技术对比与总结
| 特性 | OVD (管外法) | VAD (管外法) | PCVD (棒外法) | MCVD (棒外法) |
|---|---|---|---|---|
| 核心原理 | 外部沉积，脱棒 | 轴向沉积，脱棒 | 内部等离子体沉积，塌缩 | 内部火焰沉积，塌缩 |
| 预制棒尺寸 | 大 | 超大 | 中等 | 中等 |
| 生产效率 | 高 | 极高 | 中等 | 中等 |
| 光纤损耗 | 极低 | 极低 | 最低 | 低 |
| 折射率控制 | 灵活 | 灵活 | 极高精度 | 高精度 |
| 设备投资 | 巨大 | 巨大 | 昂贵 | 较高 |
| 市场地位 | 主流 | 主流 | 特种光纤/补充 | 逐步被替代 |
| 代表公司 | 康宁, OFS, 长飞 | 住友, 古河, 烽火 | Draka, 瑞典 |
- 管外法（OVD/VAD）是当今市场的主流，因为它能高效地制造出低成本、大尺寸、高质量的预制棒，是大规模生产光纤的首选技术。
- 棒外法（PCVD/MCVD）在特定领域仍有价值，特别是PCVD以其无与伦比的精度，被用于制造要求极为苛刻的特种光纤（如光纤激光器、光纤传感用光纤等）。
- 混合工艺：在实际生产中，也存在“两步法”或“混合工艺”，先用MCVD或PCVD制造出高质量的纤芯棒，然后再用OVD技术在其外包覆一层或多层纯度极高的外包层，这样可以在保证光学性能的同时，优化成本和尺寸。
随着光纤向大容量、低损耗、抗弯曲等方向发展，外包技术也在不断演进，例如开发新的沉积材料、优化工艺参数以实现更低的衰减和更精确的几何控制。
