purk
2001-10-30, 11:39 PM
光纖製程技術發展現況分析
文/主筆室
光纖傳輸特性在於其擁有極低之傳輸損失、低干擾性與高頻寬…等，因此被視為最佳之傳輸媒介。相較於電子訊號透過銅線或同軸電纜的傳輸，透過光在光纖介質的傳輸，更能表現出其易於承載更高資訊容量的特性。面對全球通訊、網路服務供應商為因應大量的網路交通流量及電子商務需求，未來勢必得重建網路系統，光纖將勢必成為提高傳輸資訊速度與容量的最佳解決途徑。
光纖的種類可依照其光傳輸波長(Wavelength)、傳輸型態(Mode)、製造材料及製程技術來加以分類。以光傳輸波長分類則可區分成紫外線光纖、可視光光纖、近紅外線光纖與紅外線光纖，而其中在可視光光纖與近紅外線光纖中又可進一步細分其波長使用範圍為0.6μm、0.85μm、1.30μm、1.55μm四種；其次若以光纖傳輸模式來區分則可分成單模光纖(Single Mode Fiber，SMF)與多模光纖(Multi Mode Fiber，MMF)。其中單模光纖包含標準光纖、極化面保存光纖與分散Shift光纖，而在多模光纖中又可因折射率變化形式的不同而進一步區分成階變折射率光纖(Step Index Fiber)與梯度折射率(Graded Index Fiber)。
目前主要用以製造光纖的材料成份為石英系玻璃材料(SiO2)，其他材料形式的光纖包括：塑膠光纖(POF)、複合材料光纖、紅外線材料光纖…等。然而在主要的石英系玻璃材料光纖中，為了利用光線在光纖通道中以光行徑路線之全反射原理而所需配合的不同介質折射率，藉由添加其他材料來調整光纖本體內之折射率的差異，如鍺(GeO2)或磷(P2O5)的氧化物可降低折射率，而氟化物(fluorine)或硼氧化物(B2O3)則可增加其折射率。
在結構上，光纖由高純度固態玻璃材質所組成，經過特殊製程後主要用以形成纖核(Core)與纖殼(Cladding)，最後再以鍍膜方式形成外圍保護層，其作用主要用以阻隔光纖本體與塵土及可能損害光纖本體物性強度的因素，在結構上鍍膜層又可區分成軟內層及硬外層的雙層結構。
在光纖的製程技術分類上，主要可分成兩大類：一為直接由原材料製造光纖絲，另一種則是先製造光纖預型體(Fiber Preform)，再透過光纖抽絲程序，得到光纖絲。從光纖產品商品化的過程可發現，多模光纖較早進入市場，因此早期廠商大多以直接形成光纖的方式來製造，因此雙重鉗鍋法(Double Crucible)與套管法(Rod-in-Tube)為早期此類產品之主要製造技術。然而隨單模光纖產品的商品化開發成功，對於更微細纖核的要求與產品特性的提昇，多數廠商開始採取後者的製造光纖產品方式。因此目前主要用以生產光纖預型體之製程主要有四種，分別是：改良式化學氣相沉積法(Modified Chemical Vapor Deposition ，MCVD)、外部氣相沉積法(Outside Vapor Deposition，OVD)、氣相軸向沉積法(Vapor Axial Deposition，VAD)、電漿化學氣相沉積法(Plasma Chemical Vapor Deposition，PCVD)。
以下將就此四種主要製程技術做進一步介紹：
1、MCVD製程
改良式化學氣相沉積法是由AT&T的貝爾實驗室於1974年所開發之製程。該製程利用SiCl4與GeCl4等氣態原料導入旋轉石英玻璃管中，並在石英管外側進行加熱使管內物質進行氧化反應，使產生之SiO2、GeO2在石英管內壁形成30~100層之層積狀態而構成光纖之主要成分。若針對製造需有折射率變化規格的光纖產品而言，可透過氣態添加物的成分濃度加以控制來完成。Alcatel目前已針對MCVD進行製程上的更新設計，稱為Advanced Plasma & Vapor Deposition(APVD法)。主要不同於MCVD法之處在於氣態物質沉積之後，利用另外一專用車床機台來熔合沉積物質以構成預型體，並以石墨感應爐替代原本之氫氧焰熱源進行熔合過程。
2、OVD製程
外部氣象沉積法是由康寧玻璃所開發之製程技術，OVD製程與MCVD製程最大不同處在於沉積物質形成於旋轉之車床軸心(原材料棒)外側上，意即混合材料的玻璃蒸氣物質透過氫氧焰的直接燃燒，使氣體材料因熱分解以形成SiO2、GeO2之多孔狀物質沉積，經過多層累積後形成預型體。
3、VAD製程
氣相軸向沉積法是由NTT、藤倉、古河電工及住友電工共同開發而成之技術。VAD製程同樣利用外部氣相沉積原理來製造預型體，但與OVD製程不同之處主要在於沉積物質形成位置在於旋轉之石英棒底部尖端處，透過石英棒的在垂直方向的向上拉昇，使得預型體在垂直軸方向成長。而對於光纖材質折射率變化的要求，同樣可透過控制GeCl4的濃度來達成。
4、PCVD製程
電漿化學氣相沉積法是由Philips所開發出類似於MCVD製程的一種技術，主要係利用電漿反應原理在石英管內側產生導入氣體之氧化反應，進而產生SiO2與改變光纖折射率物質的沉積，而產品折射率的控制較為容易亦成為PCVD製程最大的優點。
由於單模光纖市場的快速成長，使得OVD與VAD技術得以伴隨快速被廠商所開發與利用。但若就未來光纖實際普及應用於個別終端設備市場(Last Miles)而言，多模光纖與非零色散光纖將是接續單模光纖之後另一潛在新興市場，也因此MCVD與PCVD製程勢必因為其本身對於光纖產品的折射率分佈處理能力較優，而再度受到製造廠商的重視。因此過去放棄MCVD技術轉而開發OVD與VAD技術廠商，也開始有重新啟用MCVD或開發新一代PCVD製程的計劃。
綜合上述之光纖製程技術可發現，在製造光纖預型體方面，四種主要技術均有各自的優缺點，因而目前市場並未出現單一製程技術，未來各主要領導廠商的技術將可能朝向各自有利於生產成本降低的方向發展，例如單模光纖以OVD、VAD技術為主；而多模光纖則以MCVD或PCVD為主。其次就新進廠商切入市場而言，則需進一步考量技術複雜度、設備投資金額、專利權期限…等問題限制。而在後段光纖抽絲、檢測製程部分，產品規格的標準化制定，是有助於各廠商發展量產技術的重要依據，並藉此加速降低生產成本的腳步。
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光纖傳輸特性在於其擁有極低之傳輸損失、低干擾性與高頻寬…等，因此被視為最佳之傳輸媒介。相較於電子訊號透過銅線或同軸電纜的傳輸，透過光在光纖介質的傳輸，更能表現出其易於承載更高資訊容量的特性。面對全球通訊、網路服務供應商為因應大量的網路交通流量及電子商務需求，未來勢必得重建網路系統，光纖將勢必成為提高傳輸資訊速度與容量的最佳解決途徑。
光纖的種類可依照其光傳輸波長(Wavelength)、傳輸型態(Mode)、製造材料及製程技術來加以分類。以光傳輸波長分類則可區分成紫外線光纖、可視光光纖、近紅外線光纖與紅外線光纖，而其中在可視光光纖與近紅外線光纖中又可進一步細分其波長使用範圍為0.6μm、0.85μm、1.30μm、1.55μm四種；其次若以光纖傳輸模式來區分則可分成單模光纖(Single Mode Fiber，SMF)與多模光纖(Multi Mode Fiber，MMF)。其中單模光纖包含標準光纖、極化面保存光纖與分散Shift光纖，而在多模光纖中又可因折射率變化形式的不同而進一步區分成階變折射率光纖(Step Index Fiber)與梯度折射率(Graded Index Fiber)。
目前主要用以製造光纖的材料成份為石英系玻璃材料(SiO2)，其他材料形式的光纖包括：塑膠光纖(POF)、複合材料光纖、紅外線材料光纖…等。然而在主要的石英系玻璃材料光纖中，為了利用光線在光纖通道中以光行徑路線之全反射原理而所需配合的不同介質折射率，藉由添加其他材料來調整光纖本體內之折射率的差異，如鍺(GeO2)或磷(P2O5)的氧化物可降低折射率，而氟化物(fluorine)或硼氧化物(B2O3)則可增加其折射率。
在結構上，光纖由高純度固態玻璃材質所組成，經過特殊製程後主要用以形成纖核(Core)與纖殼(Cladding)，最後再以鍍膜方式形成外圍保護層，其作用主要用以阻隔光纖本體與塵土及可能損害光纖本體物性強度的因素，在結構上鍍膜層又可區分成軟內層及硬外層的雙層結構。
在光纖的製程技術分類上，主要可分成兩大類：一為直接由原材料製造光纖絲，另一種則是先製造光纖預型體(Fiber Preform)，再透過光纖抽絲程序，得到光纖絲。從光纖產品商品化的過程可發現，多模光纖較早進入市場，因此早期廠商大多以直接形成光纖的方式來製造，因此雙重鉗鍋法(Double Crucible)與套管法(Rod-in-Tube)為早期此類產品之主要製造技術。然而隨單模光纖產品的商品化開發成功，對於更微細纖核的要求與產品特性的提昇，多數廠商開始採取後者的製造光纖產品方式。因此目前主要用以生產光纖預型體之製程主要有四種，分別是：改良式化學氣相沉積法(Modified Chemical Vapor Deposition ，MCVD)、外部氣相沉積法(Outside Vapor Deposition，OVD)、氣相軸向沉積法(Vapor Axial Deposition，VAD)、電漿化學氣相沉積法(Plasma Chemical Vapor Deposition，PCVD)。
以下將就此四種主要製程技術做進一步介紹：
1、MCVD製程
改良式化學氣相沉積法是由AT&T的貝爾實驗室於1974年所開發之製程。該製程利用SiCl4與GeCl4等氣態原料導入旋轉石英玻璃管中，並在石英管外側進行加熱使管內物質進行氧化反應，使產生之SiO2、GeO2在石英管內壁形成30~100層之層積狀態而構成光纖之主要成分。若針對製造需有折射率變化規格的光纖產品而言，可透過氣態添加物的成分濃度加以控制來完成。Alcatel目前已針對MCVD進行製程上的更新設計，稱為Advanced Plasma & Vapor Deposition(APVD法)。主要不同於MCVD法之處在於氣態物質沉積之後，利用另外一專用車床機台來熔合沉積物質以構成預型體，並以石墨感應爐替代原本之氫氧焰熱源進行熔合過程。
2、OVD製程
外部氣象沉積法是由康寧玻璃所開發之製程技術，OVD製程與MCVD製程最大不同處在於沉積物質形成於旋轉之車床軸心(原材料棒)外側上，意即混合材料的玻璃蒸氣物質透過氫氧焰的直接燃燒，使氣體材料因熱分解以形成SiO2、GeO2之多孔狀物質沉積，經過多層累積後形成預型體。
3、VAD製程
氣相軸向沉積法是由NTT、藤倉、古河電工及住友電工共同開發而成之技術。VAD製程同樣利用外部氣相沉積原理來製造預型體，但與OVD製程不同之處主要在於沉積物質形成位置在於旋轉之石英棒底部尖端處，透過石英棒的在垂直方向的向上拉昇，使得預型體在垂直軸方向成長。而對於光纖材質折射率變化的要求，同樣可透過控制GeCl4的濃度來達成。
4、PCVD製程
電漿化學氣相沉積法是由Philips所開發出類似於MCVD製程的一種技術，主要係利用電漿反應原理在石英管內側產生導入氣體之氧化反應，進而產生SiO2與改變光纖折射率物質的沉積，而產品折射率的控制較為容易亦成為PCVD製程最大的優點。
由於單模光纖市場的快速成長，使得OVD與VAD技術得以伴隨快速被廠商所開發與利用。但若就未來光纖實際普及應用於個別終端設備市場(Last Miles)而言，多模光纖與非零色散光纖將是接續單模光纖之後另一潛在新興市場，也因此MCVD與PCVD製程勢必因為其本身對於光纖產品的折射率分佈處理能力較優，而再度受到製造廠商的重視。因此過去放棄MCVD技術轉而開發OVD與VAD技術廠商，也開始有重新啟用MCVD或開發新一代PCVD製程的計劃。
綜合上述之光纖製程技術可發現，在製造光纖預型體方面，四種主要技術均有各自的優缺點，因而目前市場並未出現單一製程技術，未來各主要領導廠商的技術將可能朝向各自有利於生產成本降低的方向發展，例如單模光纖以OVD、VAD技術為主；而多模光纖則以MCVD或PCVD為主。其次就新進廠商切入市場而言，則需進一步考量技術複雜度、設備投資金額、專利權期限…等問題限制。而在後段光纖抽絲、檢測製程部分，產品規格的標準化制定，是有助於各廠商發展量產技術的重要依據，並藉此加速降低生產成本的腳步。
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