揭秘光纤通信背后的石英材料“神秘通道”

光纤通信与材料工艺研究

在当今信息时代，光纤通信作为一种关键的通信方式，承载着海量的数据传输任务。它以光波作为信号的载体，利用光导玻璃纤维作为传输媒质，具备大容量、低损耗传输信号的卓越特性，在现代通信网络中占据着不可或缺的重要地位。

光纤，即光导纤维（OPTIC FIBER）的简称，是一种由玻璃或塑料制成的纤维，其核心功能是作为光的传导工具。目前，应用于通信领域的光纤，绝大多数属于石英系光纤，其中二氧化硅的含量高达99.99%以上。

光纤的生产工艺主要涵盖预制棒制备与光纤拉制这两大核心工序，而预制棒制造工序的技术难度和附加值均处于较高水平。

预制棒制备工艺剖析

预制棒被视作光纤的“母体”，其制造方法主要分为化学气相沉积法（CVD）和外部沉积法两大类。

化学气相沉积法（CVD）

MCVD（改进化学气相沉积法）该方法以石英玻璃管作为衬管，借助氢氧焰的加热作用，促使SiCl₄等气体在管内壁沉积二氧化硅，最终通过熔缩形成实心预制棒。

PCVD（等离子体化学气相沉积法）与MCVD不同，PCVD采用等离子体替代氢氧焰，显著提高了沉积速率。不过，其设备复杂度相对较高。PCVD工艺在光纤预制棒的精度控制以及原材料利用率方面具有天然优势，尤其适用于生产剖面结构复杂、技术要求更为苛刻的光纤预制棒芯棒。

VAD（气相轴向沉积法）通过轴向沉积的方式，在旋转的种棒上形成疏松体，随后经过烧结处理成为预制棒。VAD工艺因其较高的沉积速率和灵活的掺杂控制能力，在生产剖面结构简单的单模光纤预制棒芯棒方面表现出独特的优势，更适合大尺寸预制棒的生产。

OVD（管外气相沉积法）此工艺是在种棒的外表面沉积二氧化硅粉末，然后进行熔缩成棒。OVD技术属于化学合成工艺，所制备的石英衬套管产品纯度极高，杂质含量可达到ppb级别。随着制备技术的持续进步，其制造成本也在逐步降低。在沉积过程中，可采用一排甚至两排灯同时进行沉积，沉积速率能够达到200g/min以上。而且，随着沉积的推进，靶棒外径不断增加，沉积效率还会进一步提高。例如，制造外径为150mm的大套管时，平均沉积效率可达到60%以上。高沉积速率和高沉积效率使得采用OVD工艺制得的套管成本较低。然而，OVD工艺也存在一些不足之处，如合成工艺路线流程较长，原材料利用率较低，脱水烧结工艺复杂，能耗较高，资金投入较大。此外，生产过程中使用SiCl₄和卤素气体，会产生大量HCl尾气，给环境带来较大压力，并且生产中需要使用稀有He气（战略资源），这些因素都会增加成本。

天然石英工艺

PSOD（等离子固相沉积法）以高纯石英砂为原料，利用等离子体熔制厚壁石英管，再拉制成衬套管。该工艺的特点是以洁净干燥的空气等离子体作为热源，能量集中且温度高，能够直接将石英砂玻璃化。生产过程不会引入羟基，也不会产生有毒有害气体，无需进行脱水、烧结、脱羟等过程以及尾气的环保处理，工艺路线短，具有明显的成本优势。

氢氧气炼法利用氢气和氧气，通过特殊设计的燃烧器，在专用设备上熔制石英玻璃。早期较大口径的透明石英玻璃管和坩埚就是采用石英粉料在专用设备上利用氢氧焰直接熔制而成。氢氧气炼法工艺设备简单，不需要二次加热，综合能耗低。但制成的砣料尺寸波动较大，表面波纹严重，羟基含量高。

电熔法以电为动力源，以天然石英砂粉料为原料进行熔融制备。电熔石英玻璃的制备和成型方法通常包括真空电熔法、连续熔制法和离心电熔法。电熔二步法拉管工艺理论上可制备衬套管主材和辅助管棒材，但在商业化应用方面较少，主要应用于半导体、特种光源、红外光学等领域。人们常用真空电熔法制备石英玻璃，再通过两步法制备尺寸相对较小的管材、棒材等。真空电熔工艺制备的石英玻璃羟基含量较低；连续连熔法机械自动化程度高、生产周期长（不适合小批量多品种），具有生产成本低、产品尺寸一致性好等特点，但产品羟基含量高，需要进一步脱羟处理；离心电熔法可以制备大口径石英玻璃，且物耗能耗低。

气炼法/电熔法这是一种传统工艺，但由于其羟基含量较高，正逐渐被淘汰。

光纤拉制工艺及保偏光纤特殊工艺

光纤拉制是将预制棒在高温炉中加热至2000°C以上，通过对温度、张力等参数进行精密控制，拉制成直径约为125微米的光纤。在拉丝过程中，需要使用高纯石英靶材，然而其提纯难度较大。

保偏光纤（如熊猫型）的制造工艺更为复杂。它需要在预制棒中引入应力棒（如硼掺杂材料），通过对称打孔或沉积应力区的方式实现双折射效应，其工艺复杂度明显高于常规光纤。

光纤用石英材料要求

光纤用石英玻璃主要分为石英材料和石英制品。其中，石英材料又可进一步分为天然石英材料（包括主材和辅材）和合成石英材料（主材）；石英制品一般指天然石英制品，仅作为辅材使用。

光纤的核心部分需要高纯二氧化硅，金属杂质含量必须低于ppb级。由于合成石英材料（如CVD法制备的）具有纯度高、羟基含量低的优点，因此成为了光纤制造的主流选择。

在预制棒制作阶段，石英中的羟基会扩散到芯层内，导致光纤衰减超标；过渡金属离子会引发微观不均匀，增加光纤损耗，严重时甚至会导致信号失真。所以，必须对光纤制程用高纯石英砂的性能进行严格控制。

2024年7月，由中国建筑材料联合会提出，全国工业玻璃和特种玻璃标准化技术委员会（SAC/TC447）归口，久智光电子材料科技有限公司、天津富通信息科技股份有限公司等公司共同起草了《JC/T 2832 - 2024光纤制程用高纯石英砂》标准并进行公示。该文件适用于光纤主材、光纤辅材制程用高纯石英砂，涵盖了以天然石英矿为原料通过加工、提纯等生产工艺制备的石英砂，以及以含硅化合物为原料、采用物理、化学方法制备的合成石英砂。

此外，值得一提的是，景颐光电在光纤领域有着深入的研究与发展。例如，景颐光电设计生产的多种光纤，如多模石英光纤、深紫外石英光纤、可见光玻璃石英光纤、近红外石英光纤、中红外石英光纤等，其专业化的光纤设计实现了高通量的特点。这些光纤配合景颐光电的微型光谱仪、光纤光源及其他光谱配件，能够搭建多种光谱测量系统，广泛应用于高能光源传输、光谱搭建、光源采集、光学测温、医学传感、激光治疗等领域。景颐光电的石英直通光纤，更是凭借其优质的性能，为相关应用提供了可靠的支持。在当今对光纤性能要求日益提高的背景下，景颐光电不断创新和优化技术，为推动光纤通信及相关领域的发展做出了积极贡献。

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