光纖製造與塗層（RP Photonics 光學百科，2026-09-20 擷取）

RP Photonics Encyclopedia 為 Dr. Rüdiger Paschotta 主編之光子學技術百科，各條目附 DOI 與同儕文獻書目，屬產業標準參考來源。以下為三個條目的技術要點整理（非逐字全文）。

一、預製棒（fiber preform）

定義與尺度

• 預製棒為圓柱狀光學玻璃，直徑約 1–10 cm、長度約 1–2 m（亦有直徑達 20 cm 者），沿軸心含一段折射率較高的區域，將成為光纖纖芯。
• 拉出的光纖遠小於預製棒，預製棒的所有特徵（含折射率剖面）會等比例縮小。塑膠光纖亦可用類似方式拉製，惟溫度低得多（如 200°C）。
• 多數情況下預製棒在拉絲塔同一廠區製造；亦有專門供應預製棒、由他廠拉絲者，或提供「代客在核心棒外加包層玻璃」的服務。

氣相沉積法（vapor deposition）

• MCVD（modified chemical vapor deposition）：1970 年代為矽玻璃電信光纖開發，南安普敦大學、貝爾實驗室、康寧均有先驅貢獻。將 O₂ ＋ SiCl₄（可加 GeCl₄ 與稀土摻質）混合，氣相反應（如氫氣燃燒）產生細白「soot」沉積於預製棒，再於 約 1500°C 燒結為透明玻璃層。燒結時所處氣氛（氧化性或還原性）會影響化學計量偏差。
• PCVD（plasma activated CVD）：以微波取代火炬加熱沉積區，沉積慢但極精確。
• PICVD（plasma impulse CVD）：以短微波脈衝，精度更高。
• PECVD：常壓操作，沉積速率相當高。

氣相沉積的根本優勢：可達 0.2 dB/km 以下的極低傳輸損耗，因為 SiCl₄ 與 GeCl₄ 在室溫下為液體、可用蒸餾輕易提純，且可避免污染。特別是製程中不存在氫（例如不以氫為燃料）時，預製棒含水量極低，可避開 1.4 μm 的強損耗峰——該峰會影響電信波段。

三種沉積策略（IVD / OVD / VAD）

其他：可另做 overcladding（將玻璃棒插入合成矽石毛細管後加熱塌縮，增加外層）；亦有以 3D 列印製作硫系玻璃預製棒的研究（Carcreff et al., Optical Materials Express 2021）。

特殊光纖的預製棒

• 主動光纖（稀土摻雜）：稀土前驅物蒸氣壓過低，無法直接氣相沉積。解法包括：於 MCVD 管中設額外摻質腔或多孔矽石段並以獨立火炬加熱；溶液摻雜（solution doping）——先在管內沉積未燒結多孔 silica frit，浸潤稀土鹽溶液後再乾燥緻密化；直接奈米顆粒氣溶膠沉積（可達高摻雜濃度與良好均勻度）。
• Rod-in-tube：對無合適氣態前驅物的材料（如氟化物光纖），將高折射率玻璃棒插入低折射率玻璃管加熱接合；須極小心避免氣泡。亦有將熔融纖芯玻璃澆入或真空吸入包層管的鑄造法。
• 光子晶體光纖：將玻璃管與毛細管堆疊於大玻璃管內，拉絲時毛細孔與間隙轉為奈米級空孔。難點在拉絲時維持機械穩定並避免空孔塌陷。
• 多芯光纖（MCF）：無法用常規預製棒法製作，選項有 (1) rod-in-tube 每芯一棒、(2) 將多支單芯預製棒組裝成束、(3) 光子晶體光纖可直接堆出多芯。
• 保偏光纖（PM）：
• PANDA 型：須沿預製棒軸向鑽兩個極精密的孔，插入精確配合的硼矽玻璃應力棒，再處理端面；拉絲製程亦須針對此類預製棒最佳化。
• Bow-tie 型：應力元件以 CVD 沉積於纖芯周圍後，以化學蝕刻移除纖芯對側部分材料，再沉積不同性質材料。
• 橢圓應力層光纖：應力元件同以 CVD 沉積，但改以機械加工成形（於預製棒銑出兩平面），再以最佳化拉絲製程拉出圓形截面光纖。
• 橢圓纖芯光纖：利用形狀雙折射，以非對稱氣相沉積製程取得。

二、拉絲（fiber drawing）

• 預製棒於拉絲塔頂端爐中加熱，底部軟化後向下拉出細絲，冷卻固化後以捲繞機收捲。拉絲塔典型高度數公尺。
• 直徑控制：爐下方裝直徑監測器，自動回授調整拉絲速度（可能併同爐溫）以維持固定直徑，連帶使纖芯直徑相當穩定。
• 線速：單一預製棒可拉出數公里光纖。電信光纖需長長度，理想拉速通常遠超 10 m/s，甚至超過 20 m/s；小量生產的簡易機台可能僅約 1 m/s。
• 紡轉（spinning）：為降低偏振模色散（PMD），常在拉絲過程中旋轉預製棒或光纖本身。此類 spun fiber 已是高資料率光纖通訊的常見規格，亦用於部分光纖感測器。
• 矽玻璃的玻璃轉變區間寬（黏度落在可用範圍的溫度區間大），適合拉絲；氟化物等材料溫度窗口窄得多，製程更纖細敏感。
• 光子晶體光纖可能需對預製棒施加過壓以防空孔塌陷並控制矽石細絲厚度。
• 亦可在拉絲製程中直接寫入 type-II 光纖布拉格光柵：在塗佈前以紫外奈秒雷射脈衝透過相位遮罩照射光纖。
• 設備特化：矽玻璃拉絲塔常需 >2000°C（感應或電阻爐），且塔身需夠高以在塗佈前充分冷卻；軟玻璃（氟化物、硫系）拉絲塔溫度低得多，但常需嚴格氣氛控制（如乾燥氮氣）以防結晶或吸濕。研究級塔重視彈性與模組化，量產塔重視穩定、速度與自動化。
• 非預製棒法：軟玻璃常用雙坩堝法（纖芯與包層玻璃同時拉出），較氣相沉積法古老，易適配不同玻璃材料，但難以避免坩堝污染，不適合超低損耗光纖。塑膠光纖多用擠出製程。

三、塗層（fiber coatings）

為什麼必須線上鍍

• 塗層主要功能是保護原始（pristine）玻璃表面以保住高抗拉強度、便於安全操作、降低微彎損耗敏感度；亦可提供氣密性（阻氣阻水）、生物相容性、光纖束間黏著控制與顏色識別。
• 多數情況下塗層於拉絲後立即線上塗佈；亦有 fiber recoater 可於剝除與加工後事後補鍍（但只能鍍高分子）。
• 塗層與光纜中的 buffer、油墨、外被（jacketing）是不同東西。
• 一般而言塗層無直接光學功能（除了衰減包層模），只透過機械應力間接影響光學性能；但部分雙包層光纖的塗層具光學功能。

丙烯酸酯（acrylate）雙層塗層——電信光纖業界標準

• 內層（primary，較軟、橡膠態）：緩衝彎曲造成的局部應力，最小化微彎導致的傳輸損耗；在 −40°C 等低溫下仍須維持足夠柔軟。
• 外層（secondary，較硬、塑料態）：提供尺寸穩定性、耐磨性，可加入油墨著色；並降低水氣擴散與表面污染。

線上塗佈流程： 1. 光纖離開拉絲塔（線速常遠高於 1000 m/min），先過冷卻區降至約 50–100°C。 2. 於塗佈杯或加壓模具中塗上內層 UV 固化丙烯酸酯配方；液體靠毛細作用與模具壓力潤濕玻璃表面。模具確保同心度並設定目標外徑（如 195 µm）。 3. 進入第二個塗佈杯塗上高模數硬質丙烯酸酯，包覆仍為液態的內層。同心度再次由精密模具控制。此步後目標外徑約 245 µm（標準光纖直徑 125 µm，故塗層厚度約 60 µm）。 4. 立即通過 UV 固化腔（中壓汞燈或 UV LED）。光起始劑吸收 UV 光子產生自由基，聚合丙烯酸酯雙鍵，固化在毫秒內完成形成堅韌交聯高分子。腔內通常以氮氣沖洗以防氧抑制（阻礙表面固化）。 5. 之後可再以 5–10 µm 厚的 UV 固化彩色丙烯酸酯著色。

製程控制要點： - 以次微米公差的石英／陶瓷模具＋自動回授控制外徑與偏心度。 - 塗料黏度須維持在狹窄窗口內以兼顧潤濕、同心度與固化。 - 光纖與塗佈杯需精確溫控。 - UV 劑量須足以完全轉化但不可過高致塗層脆化。 - 氮氣沖洗維持 UV 腔內氧濃度 < 100 ppm 以避免表面發黏。 - 潔淨度關鍵：灰塵或凝膠顆粒造成塗層缺陷，導致衰減上升或 proof test 失敗。

聚醯亞胺（polyimide）塗層

• UV 丙烯酸酯之外的主要替代方案，用於標準雙層丙烯酸酯不足的嚴苛環境。由 polyamic acid 前驅物在光纖上經高溫醯亞胺化（imidization，常 300–400°C）形成，成品呈琥珀棕色。需處理溶劑、烘箱固化且線速較慢，成本高於 UV 丙烯酸酯。
• 熱穩定性 >250°C，有時達 300°C；耐多種溶劑、燃料與油品；耐輻射、耐真空（低出氣），適合太空光子學與核環境。
• 缺點：材料較剛硬，微彎抑制較差，光學性能略遜丙烯酸酯；剝除較難（常需熱酸或電漿）。
• 可做雙層：聚醯亞胺底層＋氟聚合物或矽膠外塗以降低濕氣敏感性；polyimide-siloxane 混成可改善柔韌度、降低脆性；carbon + polyimide 則是氣密碳層在聚醯亞胺之下，額外提供抗疲勞與抗氫保護。

氣密底層（hermetic underlayer）

• 部分應用需在高分子塗層之下再加氣密阻障，以阻擋水氣與氫，避免靜態疲勞（濕氣輔助裂紋成長）與氫致變黑（OH 相關紅外吸收，特別在 1240 nm 與 1550 nm 附近）。純高分子系統並非完全氣密。
• 最常見底層材料為熱解碳（pyrolytic carbon）與金屬（金、鋁、鎳）。

碳塗層： - 通常於拉絲塔後、塗佈高分子前，以 CVD 直接鍍上。 - 厚度 數十至數百奈米——足以連續，但不可過厚（過硬會在彎曲時開裂）。 - 碳層導電但埋於高分子下；熔接時電弧會將殘留燒蝕。 - 大幅提升疲勞壽命與抗氫能力。無法以 recoater 事後補鍍。

金屬塗層： - 金、鋁、鎳、銅等，氣密性優異，可耐真空、輻射與高溫。膜厚視方法而定，約 0.1–10 µm 以上。鋁、銅易氧化，視環境需加保護外層或改用貴金屬（金）。 - 難以施作：真空／PVD／CVD 或電鍍系統會限制拉絲速度，因此金屬常離線以專用金屬化設備施作——自裸光纖捲軸開始，先電漿或化學清潔，再以電鍍、化學鍍、PVD 或 CVD 沉積金屬，多數情況再覆高分子。 - 代價：剛性較高導致微彎損耗上升、彎曲半徑須加大；剝除與熔接需特殊處理（電弧熔接須剝除導電金屬層，且事後難以恢復連續性，recoater 無法鍍金屬，接點區需改用密封金屬管保護）。 - 亦有無高分子外被的純金屬塗層光纖，用於操作溫度超過聚醯亞胺上限（>300°C），或太空應用不容許高分子出氣或輻射變黑之場合；但屬特化技術，且彎曲須受限（金屬層微裂紋會導致氣密失效）。

其他塗層

• 矽膠（silicone）：矽氧烷彈性體（有時 UV 固化），機械上極柔順，微彎損耗抑制極佳；用於部分抗彎特種光纖與生醫器材（導管、感測器）。缺點是耐磨性差、對矽石附著力低於丙烯酸酯。
• 陶瓷／玻璃質：矽石、氧化鋁、氮化硼薄膜（CVD 或溶膠凝膠），用於 >600°C 的極高溫應用，耐輻射優異且電絕緣（與金屬塗層相反）；但脆、難以在拉絲塔常規線速下加工。另有有機改質陶瓷（Si–O–Si 主鏈帶有機側基），熱穩定性佳、收縮低。
• 類鑽碳（DLC）：極硬、耐化學、氣體不可穿透；難製作且相對剛硬。
• 氟聚合物：PTFE、PFA、FEP 或 UV 固化氟化丙烯酸酯，用於需極低折射率之處（特別作為塑膠光纖包層）。疏水、耐化學、低摩擦。
• 特殊功能塗層：生物相容塗層（體內光學感測）、疏水／疏油塗層（防表面積垢）、熱致變色／化學致變色／光子奈米顆粒摻雜高分子（感測應用）。
• 補充塗層：高分子塗層之上再加氟聚合物或氟矽烷使表面疏水疏油。惟因 PFAS 環保與健康疑慮，許多使用者轉向短鏈替代或非氟選項（矽膠／矽氧烷），代價是耐磨性略降。

雙包層光纖的塗層具光學功能

• 許多雙包層光纖的塗層不只是保護層，而是負責將泵浦光侷限在泵浦包層內，因此折射率必須低於泵浦包層（通常為矽石）。常用氟化高分子塗層，外面再加薄保護層（丙烯酸酯或聚醯亞胺）。
• 泵浦包層的數值孔徑（NA）愈高愈好，氟化高分子塗層典型 NA 約 0.45，有時可達近 0.6；全玻璃設計（三包層）通常受限於 NA < 0.3。為維持 NA 穩定，必須阻止提高折射率的物質（濕氣、溶劑、油墨）內擴散。
• 為改善泵浦吸收（避免低吸收的螺旋模），常用 D 形或八角形泵浦包層，這使高分子塗層要忠實貼合該形狀更困難；界面的空洞、接縫或氣泡會造成泵浦洩漏與局部發熱。

塗層常見問題

塗層對包層模的影響

• 一般塗層（丙烯酸酯、聚醯亞胺）折射率高於矽石包層，光不被侷限於包層而會大幅穿入塗層，形成高（且強烈模式相依）傳播損耗的包層模。這通常是受歡迎的——誤入包層模的光已不可用且可能干擾。
• 低折射率塗層（如氟化高分子）則相反：光被侷限於包層、不顯著穿入塗層，包層模損耗低。雙包層光纖與包層模光纖感測器即利用此性質。

光纖端面的光學鍍膜（與側面塗層不同）

本節為本研究最關鍵的一段：光纖端面是可以鍍光學膜的。

• 可施作介電質鍍膜。最簡單者為單層（如 MgF₂）適當厚度作為抗反射（AR）鍍膜；亦可做布拉格鏡或其他多層設計（高反射、部分反射或二向色鏡）。
• 亦可用金屬鍍膜（金、銀、鋁），特別是需要寬頻反射時，惟光學損耗較高。
• 註：光纖內寫入的布拉格光柵是更耐用的反射方案，但無法藉此取得抗反射性質。

關鍵書目（可續追）

• M. Li et al., "Reduced coating diameter fibers for high density optical interconnects", J. Lightwave Technol. 41 (3), 999 (2023) — 高密度光互連用減徑塗層光纖，與 AI 資料中心／CPO 高密度佈線直接相關。
• P. Sillard and C. Mentzler, "Single-mode fibers with reduced single-coating diameters", J. Lightwave Technol. 42 (19), 6932 (2024)
• R. Janani et al., "From acrylates to silicones: A review of common optical fibre coatings used for normal to harsh environments", Progress in Organic Coatings 180, 107557 (2023)
• S. Nagel et al., "An overview of the MCVD process and performance", IEEE J. Quantum Electron. 18 (4), 459 (1982)
• M. Blankenship and C. Deneka, "The outside vapor deposition method of fabricating optical waveguide fibers", IEEE J. Quantum Electron. 18 (10), 1418 (1982)