简约但是不简单-用于光纤预制棒制备的套管法

（一）RIT技术的含义  光纤预制棒制备技术中有一种套管法（Rod-in-tube, RIT），是光纤制备中常规方法之一。其实这个名词在别的行业也见到过。简单描述就是玻璃棒套在玻璃管内，加热玻璃管，将其熔缩到棒上，以形成较粗的实心棒，即光纤的预制棒。最后把预制棒一端加热并拉伸以形成光纤。    

（二）RIT的由来  前边有一期介绍过光纤发展的历史，光纤的Core/Clad（芯/包）结构在1954年由荷兰科学家亚伯拉罕·范·海尔（Abraham VanHeel）提出，他用折射率较低的透明包层覆盖裸露的纤维。这个思路确实非常重要，当时人们还是在想方设法提高玻璃折射率超过手指上的油脂的折射率（1.69），来避免干扰。有包层的纤维避免了反射表面免受外界的影响，也减少光纤之间接触时候的干扰。  

有包层的纤维避免了反射表面免受外界的影响

不过这个时候，玻璃外边应该是一层塑料材料。玻璃包层的出现是1955年，柯蒂斯（Lawrence E. Curtiss，当时还是个博士生），试图将玻璃管熔缩到玻璃棒上。1956年他购买了软玻璃（低温玻璃）管，其折射率低于康宁公司的玻璃棒。他将一根高折射率的康宁玻璃棒放入低折射率管内，将二者在炉子中融为一体，并从中抽出一根纤维。他回忆说：“那可能是我一生中最激动人心的一天。”   后来，柯蒂斯（Curtiss）还基于这一思路，建立了现代光纤拉制设备的雏形系统，可以在拉制过程中实时测量纤维直径，而无需接触玻璃。他们控制着手工拉制光纤的速度，平均每小时大约五英里（8公里，130米每分钟，手动拉丝能达到这样的速度，其实挺快的）。   如今的光纤生产工艺几乎是全自动了，拉丝速度也达到3公里每分钟。现在通讯单模光纤的结构芯/包层结构，并且标准健全，稳定可靠。  

现在通讯单模光纤的结构芯/包层结构

Core/Clad 结构解决了光纤使用的几个重要技术问题：

可靠性，如果没有光学包层，不能触碰光纤。

2种玻璃，就有2种折射率，光纤的NA可以较为自由的控制。

实现了单模传输。

用套管法来实现更大尺寸的预制棒。

更重要的是为未来的工艺进展提供了思路，比如：保偏光纤，芯棒、硼棒的套管法；cane-in-tube（中间体套管）用于微结构光纤；多芯光纤等等。

（三）RIT带来更多的特种光纤思路  套管技术不仅仅是通讯光纤使用，这个技术提供了更灵活的光纤设计，更广泛应用从此展开。  熊猫型保偏光纤  保偏光纤的结构挺多的，分成了应力型和几何型：有熊猫型、领结型、椭圆包层型、椭圆芯型等等。另外光子晶体光纤也是重要的一类。  

   

几种典型保偏光纤：熊猫型、领结型、椭圆包层型、椭圆芯型  

熊猫型保偏光纤是其中应用非常广泛的一种。制备过程分别两次用到套管法（芯棒和硼棒）。简单描述了一下熊猫光纤的制备过程。  

   

工艺步骤：（1）芯棒是化学汽相沉积法制备的，通过一次套管，实现需要的芯/包比例；（2）通过打孔，准备好应力棒的位置；（3）硼硅玻璃应力棒填入打好的孔中；（4）形成完整的预制棒。  

多芯光纤  多芯光纤更是非常依靠套管法，打孔后和芯棒组合成多芯光纤的预制棒。  

   

多芯光纤打孔，以及拉制出来的多芯光纤端面图  

玻璃纤芯和空气包层（悬浮芯）  悬浮芯光纤（suspended core fiber）也许平时接触的比较少。这一类光纤可以实现大数值孔径，纤芯可以做的非常小，因此就是一种微结构的高非线性光纤。另外，有点类似光子晶体光纤，悬浮芯光纤可以仅通过单一玻璃材料就实现波导结构。   悬浮芯光纤采用cane-in-tube的制备方式，玻璃棒换成了有结构的中间体。先制备出微结构的预制棒（这里的结构是通过玻璃片把纤芯悬挂在正中），再拉制成中间体（cane），套管，再整体拉丝。一气呵成，cane-in-tube思路和rod-in-tube一致。不过想要做好悬浮芯这类光纤，还是有很多技巧。  

悬挂芯光纤，纤芯尺寸非常小，大数值孔径  

双悬浮芯  双悬浮芯（dual suspended core fiber），不是简单的增加了一个纤芯。而是做到了使光纤的纤芯不仅导光，还通过纤芯的机械运动实现两个纤芯的相互作用，把MEMS技术和光纤技术合二为一。后来被称为纳米机械光纤（nanomechanicalfiber）。为光开关、环境传感等提供了新的思路。（https://doi.org/10.1364/OE.20.029386）   制备方法和悬浮芯相似，但是技巧是如何控制纤芯的间距。  

   

双悬挂芯光纤（纳米机械光纤）  

（四）RIT技术的挑战 外部气相沉积（OVD）的挑战  光纤行业发展这么多年，套管法确实影响巨大，只是依然离不开对高纯石英管的依赖（我们国家高纯石英管技术相对薄弱）。外部气相沉积（Outside Vapor Deposition，OVD）法的挑战也如期而至，逐渐变成通讯光纤企业必备装备。   OVD过程也是气相沉积，二氧化硅沉积在目标靶棒（玻璃芯轴）的表面上，而不是像MCVD沉积在管内。连同SiCl4的气体材料一起，燃料气体被送到加热区，加热区沿着旋转杆移动。沉积后，将靶棒移除，并将预成型预制棒在炉中烧结，并用干燥气体吹扫以降低羟基含量。  

OVD的基本工艺：沉积过程，烧结过程  

好像OVD这个技术如果广泛使用起来，套管法就没有市场了。其实也不尽然，通讯光纤PK成本和规模，OVD确实意义重大。但是特种光纤种类繁多，对成本相对不敏感，最基础的套管法依然会是最常用的方法。 （五）解语  套管法，就像套娃，一层套在另一层上。尽管看起来简单，但是透过简单的现象一层层剥开本质，发现简约中蕴藏深厚内涵。后来的色散管理光纤的设计，抗弯曲光纤的下陷包层（Trench）结构，还有最近超低衰耗空芯光纤的嵌套结构，都离不开套管法的雏形。      

光纤技术的发展折射出技术没有永远的对与错，OVD可能在某些领域会更胜一筹，套管法还是有自己的优势。新的概念会引出更多的思想，也许下一代光纤制备技术正在潜移默化中孕育着。