光纤光缆生产工艺及设备【浅析内容】

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1、第五章 光纤光缆制造工艺及设备重点内容:原料提纯工艺、预制棒汽相沉积工艺、拉丝工艺、套塑工艺、余长形成、松套水冷、绞合工艺、层绞工艺难点: 汽相沉积工艺参数确定、拉丝环境保护、余长的控制、梯度水冷的控制、绞合参数的选择主要内容:（1）光纤制造工艺光纤原料制备及提纯质量检测与控制光纤预制棒熔炼及表面处理合格光纤拉丝及一次涂覆工艺二次涂覆工艺光纤张力筛选及着色工艺(2)缆芯制造工艺（成缆工艺）中心管式单元带状光纤紧套光纤松套光纤层绞式单元加强件张力筛选合格一次着色光纤性能检测骨架式缆芯单元光纤防水油膏光纤防水石油膏绞合机光缆油膏阻水带包扎带填充绳光纤防水油膏性能检测 二次套塑 缆芯 (3)护套挤制

2、工艺合格的缆芯检验光缆油膏内护套装铠外护套打印标记检验加强件阻水带包扎带填充绳护套胶 成品光缆 图50-1光纤光缆制造工艺流程图通信用光纤是由高纯度SiO2与少量高折射率掺杂剂GeO2、TiO2、Al2O3、ZrO2和低折射率掺杂剂SiF4(F)或B2O3或P2O5等玻璃材料经涂覆高分子材料制成的具有一定机械强度的涂覆光纤。而通信用光缆是将若干根（12160根）上述的成品光纤经套塑、绞合、挤护套、装铠等工序工艺加工制造而成的实用型的线缆产品。在光纤光缆制造过程中，要求严格控制并保证光纤原料的纯度，这样才能生产出性能优良的光纤光缆产品，同时，合理的选择生产工艺也是非常重要的。目前，世界上将光纤光

3、缆的制造技术分成三大工艺.5.0.1光纤制造工艺的技术要点:1.光纤的质量在很大程度上取决于原材料的纯度，用作原料的化学试剂需严格提纯，其金属杂质含量应小于几个ppb，含氢化合物的含量应小于1ppm，参与反应的氧气和其他气体的纯度应为6个9（99.9999）以上，干燥度应达80露点。2.光纤制造应在净化恒温的环境中进行，光纤预制棒、拉丝、测量等工序均应在10000级以上洁净度的净化车间中进行。在光纤拉丝炉光纤成形部位应达100级以上。光纤预制棒的沉积区应在密封环境中进行。光纤制造设备上所有气体管道在工作间歇期间，均应充氮气保护，避免空气中潮气进入管道，影响光纤性能。3.光纤质量的稳定取决于加工

4、工艺参数的稳定。光纤的制备不仅需要一整套精密的生产设备和控制系统，尤其重要的是要长期保持加工工艺参数的稳定，必须配备一整套的用来检测和校正光纤加工设备各部件的运行参数的设施和装置。以MCVD工艺为例：要对用来控制反应气体流量的质量流量控制器（MFC）定期进行在线或不在线的检验校正，以保证其控制流量的精度；需对测量反应温度的红外高温测量仪定期用黑体辐射系统进行检验校正，以保证测量温度的精度；要对玻璃车床的每一个运转部件进行定期校验，保证其运行参数的稳定；甚至要对用于控制工艺过程的计算机本身的运行参数要定期校验等。只有保持稳定的工艺参数，才有可能持续生产出质量稳定的光纤产品。5.0.2光缆缆芯制造

5、工艺的技术要点：每种光缆都有自己的生产工艺，因为它们之间存在着不同的性能要求和结构型式，所以各部分材料不尽相同，结构方面存在差异。故生产过程中都有自己的生产工艺流程。但是各种光缆的基本制造工艺流程是基本相同的。成缆工艺首先要做两方面的准备并应注意这样几点技术要点：（1）选择具有优良传输特性的光纤，此光纤可以是单模光纤也可以是多模光纤，并对光纤施加相应应力的筛选，筛选合格之后才能用来成缆；（2）对成缆用各种材料，强度元件，包扎带，填充油膏等进行抽样检测，100的检查外形和备用长度，同时，按不同应用环境，选择专用的成缆材料。（3）在层绞结构中要特别注意绞合节距和形式的选择，要合理科学，作到在成缆、

6、？设和使用运输中避免光纤受力。（4）在骨架式结构中注意光纤置入沟槽时所受应力的大小，保证光纤既不受力也不松驰跳线。（5）中心管式结构中特别注意中心管内部空间的合理利用，同时注意填充油膏的压力与温度的控制。5.0.3光缆外护套挤制工艺的技术要点根据不同使用环境，选择不同的护套结构和材料，并要考虑？设效应和老化效应的影响。在挤制内外护套时，注意挤出机的挤出速度、出口温度与冷却水的温度梯度、冷却速度的合理控制，保证形成合理的材料温度性能。对于金属铠装层应注意铠装机所施加压力的控制。5.1光纤原料、制备与提纯工艺5.1.1光纤原料特点1SiO2光纤原料试剂与制备制备SiO2石英系光纤的主要原料多数采用

7、一些高纯度的液态卤化物化学试剂，如四氯化硅（SiCl4）, 四氯化锗（GeCl4），三氯氧磷（POCl3）, 三氯化硼（BCl3）, 三氯化铝（AlCl3）,溴化硼（BBr3），气态的六氟化硫（SF6）,四氟化二碳(C2F4)等。这些液态试剂在常温下呈无色的透明液体，有刺鼻气味，易水解，在潮湿空气中强烈发烟，同时放出热量，属放热反应。以SiCl4为例，它的水解化学反应式如下：SiCl4+2H2O 4HCl+SiO2 (5-1-1) SiCl4+4H2O H4SiO4+4HCl (5-1-2)由于卤化物试剂的沸点低，SiCl4试剂的沸点在57.6，故易汽化，故提纯工艺多采用汽相提纯。SiCl4的

8、化学结构为正四面体，无极性，与HCl具有同等程度的腐蚀性，有毒。SiCl4是制备光纤的主要材料，占光纤成分总量的8595。SiCl4的制备可采用多种方法，最常用的方法是采用工业硅在高温下氯化制得粗SiCl4，化学反应如下：Si+2Cl2 SiCl4 (5-1-3)该反应为放热反应，反应炉内温度随着反应加剧而升高，所以要控制氯气流量，防止反应温度过高，生成Si2Cl6和Si3Cl8。反应生成的SiCl4蒸气流入冷凝器，这样制得SiCl4液体原料,工艺流程如图5-1-2。2SiO2光纤原料的提纯试剂提纯工艺经大量研究表明，用来制造光纤的各种原料纯度应达到99.9999，或者杂质含量要小于106。大

9、部分卤化物材料都达不到如此高的纯度，必须对原料进行提纯处理。卤化物试剂目前已有成熟的提纯技术，如精馏法，吸附法，水解法，萃取法和络合法等。目前在光纤原料提纯工艺中，广泛采用的是“精馏吸附精馏”混合提纯法。如图5-1-3。一般情况下，SiCl4中可能存在的杂质有四类：金属氧化物、非金属氧化物、含氢化合物和络合物。其中金属氧化物和某些非金属氧化物的沸点和光纤化学试剂的沸点相差很大，可采用精馏法除去，即在精馏工艺中把它们作为高、低沸点组分除去，光纤中含有的金属杂质的某些特性如表5-1-3所示。然而，精馏法对沸点（57.6）与SiCl4相近的组分杂质及某些极性杂质不能最大限度的除去。例如：在SiCl4

10、中对衰减危害最大的OH-离子，它可能主要来源于SiHCl3和其他含氢化合物，而且大多有极性，趋向于形成化学键，容易被吸附剂所吸收。而SiCl4是偶极矩为零的非极性分子，有着不能或者很少形成化学键的稳定电子结构，如图5-1-4，不易被吸附剂吸附，因此，利用被提纯物质和杂质的化学键极性的不同，选择适当的吸附剂，有效地选择性地进行吸附分离，可以达到进一步提纯极性杂质的目的。精馏是蒸馏方法之一，主要用于分离液体混合物，以便得到纯度很高的单一液体物质。精馏塔由多层塔板和蒸馏釜构成，蒸馏得到的产品可分为塔顶馏出液（SiCl4液体）和蒸馏釜殘液（含金属杂质物质）二种，SiCl4馏出液由塔顶蒸汽凝结得到，为使

11、其纯度更高，将其再回流入塔内，并与从蒸馏釜连续上升的蒸汽在各层塔板上或填料表面密切接触，不断地进行部分汽化与凝缩，这一过程相当于对SiCl4液体进行了多次简单的蒸馏，可进一步提高SiCl4的分离纯度。吸附剂的种类及选择：吸附剂是指对气体或溶质发生吸附现象的固体物质。在应用上要求具有巨大的吸附表面，同时对某些物质必须具有选择性的吸附能力。一般为多孔性的固体颗粒或粉末。常用的吸附剂有活性炭、硅氧胶、活性氧化铝和分子筛等。在光纤原料提纯工艺中使用的吸附剂有两种：活性氧化铝吸附柱和活性硅胶，利用活性氧化铝和活性硅胶吸附柱完成对OH-、H+等离子的吸附。在四级精馏工艺中再加一级简单的蒸馏工艺并采用四级活

12、性氧化铝吸附剂和一级活性硅胶吸附剂作为吸附柱。这就构成了所谓的“精馏吸附精馏”综合提纯工艺。采用这种提纯工艺可使SiCl4纯度达到很高的水平，金属杂质含量可降低到5ppb左右，含氢化物SiHCl3的含量可降低到0.2ppm。5.1.3SiO2光纤用辅助原料及纯度要求在制备SiO2光纤时，除需要SiCl4卤化物试剂外，还需要一些高纯度的掺杂剂和某些有助反应的辅助试剂或气体。在沉积包层时，需掺入少量的低折射率的掺杂剂。如B2O3，F，SiF4等；在沉积芯层时，需要掺杂少量的高折射率的掺杂剂，如GeO2、P2O5、TiO2、ZrO2、Al2O3等。如采用四氯化锗与纯氧气反应得到高掺杂物质GeO2，而

13、利用氟里昂与SiCl4加纯O2反应得到低掺杂物质SiF4等。作为载气使用的辅助气体-纯Ar或O2。氧气是携带化学试剂进入石英反应管的载流气体，同时，也是气相沉积（如MCVD）法中参加高温氧化反应的反应气体。它的纯度对光纤的衰减影响很大，一般要求它含水(H2O)的露点在7083，含H2O量1ppm；其它氢化物含量0.2ppm。氩气（Ar）有时也被用来作为载送气体，对它的纯度要求与氧气相同。为除去沉积在石英玻璃中的气泡用的除泡剂-氦气He。氦气有时被用来消除沉积玻璃中的气泡和提高沉积效率，对它的纯度要求与纯氧气相同。在光纤制造过程中起脱水作用的干燥剂SOCl2或Cl2。干燥试剂或干燥气体等在沉积过

14、程中或熔缩成棒过程中起脱水作用，对它们的纯度要求与氧气相同，这样才能避免对沉积玻璃的污染。光纤用石英包皮管技术要求石英包皮管质量的好坏，对光纤性能的影响很大，例如，用MCVD法和PCVD法制备光纤，都要求质量好的石英包皮管，用VAD法制作的棒上，有时也加质量好的外套石英管，然后再拉丝。这些石英包皮管均与沉积的芯层和或内包层玻璃熔为一整体，拉丝后成为光纤外包层，它起保护层的作用。如果包皮管上某些部位存在气泡，未熔化的生料粒子和杂质，或某些碱金属元素（Na、K、Mg等）杂质富集到某一点，就会产生应力集中或者使光纤玻璃内造成缺陷或微裂纹。一旦当光纤受到张应力作用时，若主裂纹上的应力集中程度达到材料的

15、临界断裂应力e，光纤就断裂。同时还存在着另一种可能，当施加应力低于临界断裂应力时，光纤表面裂纹趋向扩大、生长，以致裂纹末端的应力集中加强。这样就使裂纹的扩展速度逐渐加快，直至应力集中重新达到临界值，并出现断裂，这种现象属材料的静态疲劳。它决定了光纤在有张应力作用情况下的使用寿命期限。为提高成品光纤的机械强度和传输性能，对石英包皮管的内在的杂质含量和几何尺寸精度，都必须提出严格的要求。管内沉积石英包皮管技术指标要求：外径：200.8（mm） 外径公差：0.150.05（mm）壁厚：20.3mm 壁厚公差：0.020.1（mm）长度：10001200mm锥度：0.5mm/m （外径）弓形: 1mm

16、/m不同心度：0.15mm椭圆度（长、短轴差）：0.8mmCSA:同一根包皮管，平均CSA2.5；同一批包皮管，平均CSA4（CSA-包皮管横截面的变化量）OH-浓度：150ppm开放形气泡：不允许存在任何大小的开放形气泡；封闭形气泡可允许：每米一个长1.55mm、宽0.8mm封闭形气泡存在每米13个长0.51.5mm、宽0.1mm封闭形气泡存在每米35个长0.20.5mm、宽0.1mm封闭形气泡存在夹杂物：在同一批包皮管中2包皮管允许每米有最大直径0.3mm的夹杂物。严重斑点（非玻璃化粒子）：决不允许外来物质（指纹、冲洗的污斑和灰尘）：决不允许沟棱凹凸：n2，就满足了光波在芯层传输的基本要求

17、。几何尺寸:将制得的光纤预制棒放入高温拉丝炉中加温软化，并以相似比例尺寸拉制成线径很小的又长又细的玻璃丝。这种玻璃丝中的芯层和包层的厚度比例及折射率分布，与原始的光纤预制棒材料完全一致，这些很细的玻璃丝就是我们所需要的光纤。当今，SiO2光纤预制棒的制造工艺是光纤制造技术中最重要、也是难度最大的工艺，传统的SiO2光纤预制棒制备工艺普遍采用气相反应沉积方法。目前最为成熟的技术有四种：美国康宁公司在1974年开发成功，1980年全面投入使用的管外气相沉积法，简称OVD法（OVDOutside Vaper Deposition）；美国阿尔卡特公司在1974年开发的管内化学气相沉积法，简称MCVD法

18、（MCVDModified Chemical Vaper Deposition）；日本NTT公司在1977年开发的轴向气相沉积法，简称VAD法（VADVaper Axial Deposition）；荷兰菲利浦公司开发的微波等离子体化学气相沉积法，简称PCVD法（PCVDPlasma Chemical Vaper Deposition）。上述四种方法相比，其各有优缺点，但都能制造出高质量的光纤产品，因而在世界光纤产业领域中各领一份风骚。除上述非常成熟的传统气相沉积工艺外，近年来又开发了等离子改良的化学气相沉积法（PMCVD）、轴向和横向等离子化学气相沉积法（ALPD）、MCVD大棒法、MCVD/

19、OVD混合法及混合气相沉积法（HVD）、两步法等多种工艺。气相沉积法的基本工作原理:首先将经提纯的液态SiCl4和起掺杂作用的液态卤化物，并在一定条件下进行化学反应而生成掺杂的高纯石英玻璃。由于该方法选用的原料纯度极高，加之气相沉积工艺中选用高纯度的氧气作为载气，将汽化后的卤化物气体带入反应区，从而可进一步提纯反应物的纯度，达到严格控制过渡金属离子和OH-羟基的目的。尽管利用气相沉积技术可制备优质光纤预制棒，但是气相技术也有其不足之处，如原料昂贵，工艺复杂，设备资源投资大，玻璃组成范围窄等。为此，人们经不断的艰苦努力，终于研究开发出一些非气相技术制备光纤预制棒：界面凝胶法BSG，主要用于制造塑

20、料光纤；直接熔融法DM，主在用于制备多组份玻璃光纤；玻璃分相法PSG；溶胶凝胶法SOL-GFL，最常用于生产石英系光纤的包层材料；机械挤压成型法MSP。5.21.管内化学气相沉积法管内化学气相沉积法，是目前制作高质量石英系玻璃光纤稳定可靠的方法，它又称为“改进的化学气相沉积法”（MCVD）。MCVD法的特点是在一根石英包皮管内沉积内包皮层和芯层玻璃，整个系统是处于全封闭的超提纯状态，所以用这种方法制得的预制棒纯度非常的高，可以用来生产高质量的单模和多模光纤。MCVD法制备光纤预制棒工艺可分为二步：第一步，熔炼光纤预制棒的内包层玻璃MCVD法制备光纤预制棒工艺可分为二步：第一步，熔炼光纤预制棒的

21、内包层玻璃制备内包层玻璃时，由于要求其折射率稍低于芯层的折射率，因此，主体材料选用四氯化硅（SiCl4），低折射率掺杂材料可以选择氟利昂（CF2Cl2）、六氟化硫（SF6）、四氟化二碳C2F4 、氧化硼B2O3等化学试剂。并需要一根满足要求的石英包皮管（20020mm）；同时需要载气（O2或Ar）、脱泡剂（He），干燥剂（POCl3或Cl2）等辅助材料。所需设备主要有可旋转玻璃车床、加热用氢氧喷灯、蒸化化学试剂用的蒸发瓶及气体输送设备和废气处理装置、气体质量流量控制器、测温装置等。工艺示意图如5-2-3所示。图5-2-3管内化学气相沉积法工艺示意图首先利用超纯氧气O2或氩气Ar作为载运气体，通

22、过蒸发瓶1将已汽化的饱和蒸气SiCl4和掺杂剂（如CF2Cl2）经气体转输装置导入石英包皮管中，这里，纯氧气一方面起载气作用，另一方面起反应气体的作用，它的纯度一定要满足要求。然后，启动玻璃车床，以几十转/分钟的转速使其旋转，并用14001600高温氢氧火焰加热石英包皮管的外壁，这时管内的SiCl4和CF2Cl2等化学试剂在高温作用下，发生氧化反应，形成粉尘状的化合物SiO2与SiF4 （或B2O3），并沉积在石英包皮管的内壁上。凡氢氧火焰经过的高温区，都会沉积一层（约810m）均匀透明的掺杂玻璃SiO2-SiF4（或SiO2-B2O3），反应过程中产生的氯气和没有充分反应完的原料均被从石英包

23、皮管的另一尾端排出，并通过废气处理装置进行中和处理。在沉积过程中，应按一定速度左右往复地移动氢氧喷灯，氢氧火焰每移动一次，就会在石英包皮管的内壁上沉积一层透明的SiO2-SiF4（或SiO2-B2O3）玻璃薄膜，厚度约为810m。不断从左到右缓慢移动，然后，快速返回到原处，进行第二次沉积，重复上述沉积步骤，那么在石英包皮管的内壁上就会形成一定厚度的SiO2-SiF4、SiO2-B2O3玻璃层，作为SiO2光纤预制棒的内包层。温高氧 化在内包层沉积过程中，可以使用的低折射率掺杂剂有CF2Cl2、SF6 、C2F4、B2O3等，其氧化原理与化学反应方程式如下：高温氧化高温氧化SiCl4O2 SiO

24、22Cl2 （5-2-1）SiCl42O22CF2Cl2 SiF42Cl2 2CO2 或 （5-2-2）3SiCl42O22SF6 3SiF43Cl2 2SO2 或 （5-2-3）3O24BBr3 2B2O36Br2 （5-2-4）第二步，熔炼芯层玻璃光纤预制棒芯层的折射率比内包层的折射率要稍高些，可以选择高折射率材料（如三氯氧磷POCl3、四氯化锗GeCl4等）作掺杂剂，熔炼方法与沉积内包层相同。用超纯氧（O2）气把蒸发瓶1、2中已汽化的饱和蒸气SiCl4、GeCl4或POCl3等化学试剂经气体输送系统送入石英包皮管中，进行高温氧化反应，形成粉末状的氧化物SiO2-GeO2或SiO2-P2O

25、5,并沉积在气流下漩的内壁上，氢氧火焰经过的地方，就会在包皮管内形成一层均匀透明的氧化物SiO2-GeO2（或SiO2-P2O5）沉积在内包层SiO2-SiF4玻璃表面上。经一定时间的沉积，在内包层上就会沉积出一定厚度的掺锗（GeO2）玻璃，作为光纤预制棒的芯层。沉积芯层过程中，高温氧化的原理与化学反应方程式如下：高温氧化高温氧化高温氧化SiCl4 O2 SiO22Cl2 （5-2-5）GeCl4O2 GeO22Cl2 （5-2-6）2POCl34O2 2P2O53Cl2 （5-2-7）芯层经数小时的沉积，石英包皮管内壁上已沉积相当厚度的玻璃层，已初步形成了玻璃棒体，只是中心还留下一个小孔。为

26、制作实心棒，必须加大加热包皮管的温度，使包皮管在更高的温度下软化收缩，最后成为一个实心玻璃棒。为使温度升高，可以加大氢氧火焰，也可以降低火焰左右移动的速度，并保证石英包皮管始终处于旋转状态，使石英包皮管外壁温度达到1800。原石英包皮管这时与沉积的石英玻璃熔缩成一体，成为预制棒的外包层。外包层不起导光作用，因为依前几章的分析可知：激光束是在沉积的芯层玻璃中传播。由于光脉冲需经芯层传输，芯层剖面折射率的分布型式将直接影响其传输特性，那么如果控制芯层的折射率呢？芯层折射率的保证主要依靠携带掺杂试剂的氧气流量来精确控制。在沉积熔炼过程中，由质量流量控制器（MFC）调节原料组成的载气流量实现。如果是阶

27、跃型光纤预制棒，那么载气（O2）的流量应为恒定：Q=cont （5-2-8）如果是梯度分布型光纤预制棒，载气的流量Q可由下式决定： （5-2-9）式中：-掺杂试剂载气的最大流量。-沉积第x层时所需的掺杂试剂载气总流量。-沉积芯层过程中的总层数。-沉积的第x层。g-光纤剖面折射率分布指数。为使光纤预制棒的折射率分布达到所需的要求，可以通过向二氧化硅基体中加入少量掺杂剂来改变其折射率的方法实现。为满足光纤的导光条件要求，通常可采用三种掺杂方式：1.在熔炼纤芯玻璃时，按某种规律掺入少量的较石英折射率n0稍高的材料，例如（GeO2）氧化锗或氧化磷P2O3、使芯层的折射率为n1，即n1n0；在制备包层玻

28、璃时，同样，掺入少量的较石英折射率n0稍低的材料，例如氟F或氧化硼B2O3等，使包层的折射率为n2并小于纯二氧化硅的折射率n0，即n2n2。2.熔炼纤芯玻璃时，掺杂方法与“1”中相同，n1n0；而在制备包层时，只沉积二氧化硅材料，不掺杂任何掺杂剂，得到纯SiO2玻璃层，其折射率为n2n0，满足n1n2n0的光纤导光条件的要求。3.熔炼纤芯玻璃时，只沉积二氧化硅材料，不掺杂任何掺杂剂，得到纯SiO2玻璃层，其折射率为n1n0，而制备包层玻璃时，与1.中沉积包层的方法相同，使包层的折射率为n2并小于纯二氧化硅的折射率n0，即n2n2的光纤导光条件的要求。在光纤预制棒沉积过程中，如果掺杂试剂的含量过

29、多，沉积层之间的玻璃热膨胀系数会出现不一致，在最后的软化吸收熔缩成棒工艺中，棒内玻璃将会产生裂纹，影响预制棒的最终质量与合格率，所以必须严格控制掺杂剂的含量。此外，使用MCVD法熔炼光纤预制棒时，由于最后一道工序-熔缩成棒时的温度过高，1800，使石英包皮管芯层中心孔内表面附近的掺杂剂分解升华，扩散（GeO2沸点 ？），最终导致预制棒中心的折射率下降，折射率分布曲线出现中心凹陷，如图52-5所示。GeO2 GeO O2 （510）图5-2-5光纤折射率分布曲线中心凹陷分解反应的结果是使沉积层材料成份产生变化。GeO2挥发、分解，引起光纤中心凹陷，此凹陷的深度和宽度由其中心孔附近失去的掺杂材料(

30、GeO2)的多少来决定。这种现象对光纤的衰减和色散都有很大的影响，尤其对多模光纤的传输带宽影响是非常大的，仅此一项有时就把光纤宽度限制在了1GHZkm之内，对单模光纤的色散、带宽也会造成一定的影响。为消除或减少这种影响，一般，可采用二种方法解决：1.补偿法：所谓补偿法是在熔炼成实芯棒过程中，不间断的送入GeCl4饱和蒸气，以补偿高温升华、扩散造成的GeO2损失，从而达到补偿光纤预制棒中心位置折射率的降低问题。 使用此种方法会使光纤预制棒中金属锗的含量增高，导致瑞利散色损耗的增加。因此此方法并不是最理想。2.腐蚀法：所谓腐蚀法是在熔缩成实芯棒时，向管内继续送入CF2Cl2、SF6等含氟饱和蒸汽和

31、纯氧气，使它们与包皮管中心孔表面失去部分GeO2的玻璃层发生反应，生成SiF4、GeF4，从而把沉积的芯层内表面折射率降低部分的玻璃层腐蚀掉，这样中心凹陷区会被减少或完成被消除掉，浓缩成棒后可大大改善光纤的带宽特性。同时，由于氯气具有极强的除湿作用，因此，利用CF2Cl2作蚀刻材料，具有蚀刻和除湿双重作用。腐蚀原理与化学反应式如下：2CF2Cl2O2 2COF22Cl2 （52-11）2COF2SiO2 SiF42CO2 (5-2-12)2COF2GeO GeF42CO (5-2-13)这个反应是不完全的，由于较高的温度和较高的氧浓度，平衡状态更多地向正向移动，如图5-2-6所示。MCVD法自

32、动化程度非常高，关键工艺参数均由计算机精确控制，包括：载运化学试剂的纯氧流量，加热温度，试剂蒸发瓶的水浴温度，玻璃车床的转速，石英包皮管在高温下外径形变的检测等。MCVD法的优点是工艺相对比较简单，对环境要求不是太高，可以用于制造一切已知折射率剖面的光纤预制棒，但是由于反应所需热量是通过传导进入石英包皮管内部，热效率低，沉积速度慢，同时又受限于外部石英包皮管的尺寸，预制棒尺寸不易做大，从而限制了连续光纤的制造长度。目前，一棒可拉连续光纤长15km25km。因此在生产效率、生产成本上难与OVD和VAD法竞争。为了克服MCVD法的上述缺点，人们又研究了采用套管制备大尺寸光纤预制棒的方法，即大棒套管

33、技术，其方法是在沉积的光纤预制棒外，套一根大直径的石英管，然后，将它们烧成一体，石英包皮管和外套管一起构成光纤预制棒的内外包层，石英包皮管内沉积的玻璃全部作为芯层，这样制成的大棒预制棒，可增加连续拉丝光纤的长度，一般可达几百公里。并可以提高光纤预制棒的生产效率。但是传统使用的石英包皮管及套管都是采用天然石英材料制成的天然石英管，天然石英管比起化学沉积层得到的包皮管的损耗相对要大，因此在制作单模光纤预制棒时，包层的大部分还必须采用沉积层来获得低损耗的光纤预制棒，加之天然石英管的尺寸本身在制造上也受到限制，因此采用大棒套管技术的MCVD法仍无法与OVD、VAD相抗衡。然而，近年来MCVD法又有了突

34、破性的发展，这主要得益于合成石英管的开发成功。5.2.2微波等离子体化学气相沉积法微波等离子体化学气相沉积法，简称为PCVD法，如图5-2-9所示。1975年，由荷兰菲利浦公司的Koenings先生研究发明。PCVD法与MCVD法工艺十分相似，都是采用管内气相沉积工艺和氧化反应，所用原料相同，不同之处在于反应机理的差别。PCVD法的反应机理是将MCVD法中的氢氧火焰加热源改为微波腔体加热源。将数百瓦千瓦级的微波（f2450MHz）功率送入微波谐振腔中，使微波谐振腔中石英包皮管内的低压气体受激产生等离子体，形成辉光放电，使气体电离，等离子体中含有电子、原子、分子、离子，是一种混合态，这些粒子在石

35、英包皮管内远离热平衡态，电子温度可高达10000K，而原子、分子等粒子的温度可维持在几百度甚至是室温，是一种非等温等离子体，各种粒子重新结合，释放出的热量足以熔化蒸发低熔点低沸点的反应材料SiCl4和GeCl4等化学试剂，形成气相沉积层。图52-9 PCVD法工艺示意图PCVD法制备光纤预制棒的工艺有两个工序，即沉积和成棒。沉积工艺是借助1Kpa的低压等离子体使注入石英包皮管内气体卤化物（SiCl4,GeCl4）和氧气，在约1000下直接沉积一层所设计成份玻璃层，PCVD法每层沉积层厚度约1um，沉积层数可高达上千层，因此它更适合用于制造精确和复杂波导光纤，例如：带宽大的梯度型多模光纤和衰减小

36、单模光纤。成棒是将沉积好的石英玻璃棒移至成棒车床上，利用氢氧火焰的高温作用将其熔缩成实心光纤预制棒，工艺示意图见5-2-9。PCVD法工艺的优点，不用氢氧火焰加热沉积，沉积温度低于相应的热反应温度，石英包皮管不易变形；控制性能好，由于气体电离不受包皮管的热容量限制，所以微波加热腔体可以沿石英包皮管作快速往复运动，沉积层厚度可小于1um，从而制备出芯层达上千层以上的接近理想分布的折射率剖面。以获得宽的带宽；光纤的几何特性和光学特性的重复性好，适于批量生产，沉积效率高，对SiCl4等材料的沉积效率接近100%，沉积速度快，有利于降低生产成本。5.2.3.管外化学气相沉积法管外化学气相沉积法，简称O

37、VD法。于1974年，由美国康宁公司的Kcpron先生等研究发明，1980年全面投入应用的一种光纤预制棒制作工艺技术。OVD法的反应机理为火焰水解，即所需的玻璃组份是通过氢氧焰或甲烷焰水解卤化物气体产生“粉尘”逐渐地沉积而获得，反应原理和化学反应方程式如下：芯层：SiCl4(g)+2H2O SiO2(s)+4HCl(g) (5-2-14)GeCl4(g)+2H2O GeO2(s)+4Hcl(g) (5-2-15)或 SiCl4(g)+H2O SiO2(s)+2HCl+Cl2(g) GeCl4(g)+H2O GeO2(s)+2HCl+Cl2(g) 包层：Sicl4(g)+H2O SiO2+4HC

38、l (5-2-16)2BCl3(g)+3H2O B2O3+6HCl (5-2-17)火焰水解反应：2H2+O2 2H2O (5-2-18)或 CH4+2O2 2H2O+CO2 （5-2-19）OVD法制造光纤预 制棒主要通过沉积和烧结两个工艺步骤，其工艺示意图如图5-2-10所示。图5-2-10 OVD法工艺示意图沉积工艺：OVD法的沉积顺序恰好与MCVD法相反，它是先沉积芯层，后沉积包层，所用原料完全相同。沉积过程首先需要一根母棒，如母棒用氧化铝陶瓷或高纯石墨制成，则应先沉积芯层，后沉积包层，如母棒是一根合成的高纯度石英玻璃时，这时只需沉积包层玻璃。首先使一根靶棒在水平玻璃车床上沿纵轴旋转并

39、往复移动，然后，将高纯度的原料化合物，如SiCl4,GeCl4等，通过氢氧焰或甲烷焰火炬喷到靶棒上，高温下，水解产生的氧化物玻璃微粒粉尘，沉积在靶棒上，形成多孔质母材。在OVD法的化学反应中，不仅有从化学试剂系统中输送来的气相物质，还有火炬中的气体，而燃料燃烧产生的水也成为反应的副产品，而化学气相物质则处于燃烧体中间，水份进入了玻璃体，故称为火焰水解反应。在MCVD工艺中，石英包皮管固定旋转，而氢氧火焰左右移动进行逐层沉积。在OVD工艺中，氢氧火焰固定而靶棒边旋转边来回左右移动，进行逐层沉积。正是靶棒沿纵向来回移动，才可以实现一层一层地沉积生成多孔的玻璃体。通过改变每层的掺杂物的种类和掺杂量可

40、以制成不同折射率分布的光纤预制棒。例如：梯度折射率分布，芯层中GeO2掺杂量由第一层开始逐渐减少，直到最后沉积到SiO2包层为止。沉积中能熔融成玻璃的掺杂剂很多，除常用的掺杂剂GeO2,P2O5，B2O3外，甚至可以使用ZnO,Ta2O3,PbO5,Al2O3等掺杂材料。一旦光纤芯层和包层的沉积层沉积量满足要求时（约200层），即达到所设计的多孔玻璃预制棒的组成尺寸和折射率分布要求，沉积过程即可停止。烧结工艺：当沉积工序完成后，抽去中心靶棒，将形成的多孔质母体送入一高温烧结炉内，在14001600的高温下，进行脱水处理，并烧缩成透明的无气泡的固体玻璃预制棒，这一过程称为烧结。在烧结期间，要不间

41、断的通入氯气、氧气、氮气和氯化亚砜（SOCl2）组成的干燥气体，并喷吹多孔预制棒，使残留水分全部除去。氮气的作用是渗透到多孔玻璃质点内部排除预制棒中残留的气体，而氯气和氯化亚砜则用以脱水，除去预制棒中残留的水分。氯气、氯化亚砜脱水的实质是将多孔玻璃中的OH-置换出来，使产生的SiCl键的基本吸收峰在25m附近，远离石英光纤的工作波长段0.8-2m。经脱水处理后，可使石英玻璃中OH-的含量降低到1PPb左右，保证光纤低损耗性能要求。SOCl2,Cl2进行脱水处理的原理与化学反应方程式如下：高温烧结(Si-OH-)+SOCl2 (Si-Cl-)+HCl +SO2 (5-2-20)H2O+SOCl2

42、 2HCl +SO2 (5-2-21)2Cl2+2H2O 4HCl +O2 (5-2-22)在脱水后，经高温作用，松疏的多孔质玻璃沉积体被烧结成致密、透明的光纤预制棒，抽去靶棒时遗留的中心孔也被烧成实心。OVD法的优点主要是生产效率高，其沉积速度是MCVD法的10倍，光纤预制棒的尺寸不受母棒限制，尺寸可以做得很大，生产出的大型预制棒一根可重达2-3Kg，甚至更重，可拉制100200Km或更长的光纤，不需要高质量的石英管作套管，全部预制棒材料均由沉积工艺生成，棒芯层中OH-的含量很低，可低于0.01PPm，由于沉积是中心对称，光纤几何尺寸精度非常高；易制成损减少，强度高的光纤产品；可进行大规模生

43、产，生产成本低。若采用中心石英靶棒作为种子模，则其可与沉积玻璃层熔为一体，成为芯层的一部分。其缺点是若采用氧化铝陶瓷或高纯石墨作靶棒，在抽去靶棒时，将引起预制棒中心层折射率分布紊乱，而导致光纤传输性能的降低。总之，OVD法可以用来制造多模光纤，单模光纤，大芯径高数值孔径光纤，单模偏振保持光纤等多种光纤产品。此工艺在国际上已被广泛应用。5.2.4.轴向气相沉积法轴向气相沉积法，简称VAD法。于1977年，由日本电报电话(NTT Lab)公司茨城电气通信研究所的伊泽立男等人发明。VAD法的反应机理与OVD法相同，也是由火焰水解生成氧化物玻璃。但与OVD法有两个主要区别：1.靶棒沉积方向是垂直的，氧

44、化物玻璃沉积在靶棒的下端；2.芯层和层包玻璃同时沉积在靶棒上，预制棒折射率剖面分布型式是通过沉积部位的温度分布、氢氧火焰的位置和角度、原料饱和蒸气的气流密度的控制等多因素来实现的。从工艺原理上而言，VAD法沉积形成的预制棒多孔母材向上提升即可实现脱水、烧结，甚至进而直接接拉丝成纤工序，所以这种工艺的连续光纤制造长度可以不受限制，这也是此工艺潜能所在。VAD法光纤预制棒的制备工艺同样有二个工序：沉积和烧结。且二个工序是在同一设备中不同空间同时完成，工艺示意图如图5-2-11所示。图5-2-11轴向气相沉积法工艺示意图沉积工序：首先将一根靶棒垂直放置在反应炉上方的夹具上，并旋转靶棒底端面接受沉积的

45、部位，用高纯氧载气将形成的玻璃卤化物(SiCl4,GeCl4)饱和蒸气带至氢氧喷灯和喷嘴入口，在高温火焰中水解反应，生产玻璃氧化物粉尘SiO2-GeO2和SiO2,并沉积在边旋转边提升的靶棒底部内、外表面上，随着靶棒端部沉积层的逐步形成，旋转的靶棒应不断向上提升，使沉积面始终处于同一个位置。最终沉积生成具有一定机械强度和孔隙率圆柱形的多孔预制棒。整个反应必须在反应炉中进行，通过保持排气的恒速来保证氢氧焰的稳定。为获得所设计的不同芯层和包层的折射率分布，可以通过合理设计氢氧喷灯的结构、喷灯与靶棒的距离、沉积温度和同时使用几个喷灯等措施来实现。例如，在制作单模光纤预制棒时，由于包层很厚 (2a=8

46、.39.6um,2b=125um)，可以用三个喷灯火焰同时沉积，一个火焰用于沉积芯层，另外二个用于沉积包层。，在芯层喷灯喷嘴处通入SiCl4、GeCl4,水解生成SiO2GeO2玻璃粉尘，而在包层喷灯喷嘴处只通入SiCl4,水解生成SiO2玻璃粉尘，并使它们沉积在相应的部位，这样可得到满足折射率要求的光纤预制棒。烧结工序：随着沉积的结束，多孔预制棒沿垂直方向提升到反应炉的上部石墨环状加热炉中，充入氯气Cl2,氢气H2，以及氯化亚砜(SOCl2)进行脱水处理并烧结成透明的玻璃光纤预制棒。VAD法的工艺特点：1.依靠大量的载气送化学试剂的气体通过氢氧火焰，大幅度的提高氧化物粉尘(SiO2,SiO2

47、-GeO2)的沉积速度。它的沉积速度是MCVD法的10倍；2.一次性形成纤芯层和沉积包层的粉尘棒，然后对粉尘棒分段熔融，并通入氢气、氯气以及氯化亚砜进行脱水处理并烧结成透明的预制棒。工序紧凑，简洁，且潜在发展很大；3.对制备预制棒所需的环境洁净度要求高，适于大批量生产，一根棒可拉数百公里的连续光纤4.可制备多模光纤，单模光纤且折射率分布截面上无MCVD法中的中心凹陷，克服了MCVD法对光纤带宽的限制。 5.此工艺程序多，氢氧喷灯采用的多，3-8个，对产品的总成品率有一定的影响，成本是OVD法的1.6倍。总上所述，四种气相沉积的制备方法在本质上是十分相似的。表5-2-2列出四种气相沉积工艺特点。

48、表5-2-2 四种气相沉积工艺的特点方法 MCVD PCVD OVD VAD反应机理 高温氧化 低温氧化 火焰水解 火焰水解热源 氢氧焰 等离子体 甲烷或氢氧焰 氢氧焰沉积方向 管内表面 管内表面 靶棒外径向 靶同轴向沉积速率 中 小 大 大沉积工艺 间歇 间歇 间歇 连续预制棒尺寸 小 小 大 大折射率分 单模：容易布控制 容易 极易 容易 多模：稍难原料纯度要求 严格 严格 不严格 不严格现使用厂家(代表) 美国阿尔卡特公司 荷兰飞利浦公司 美国康宁公司 日本住友，日本西古公司， 古河等公司天津46所 中国武汉长飞公司 中国富通公司 5.2.5.大棒组合法（或称二步法）由表5-2-2可知，

49、四种气相沉积工艺各有优劣，技术均已成熟，但尚有二个方面的问题需要解决：1.必须全力提高单位时间内的沉积速度；2.应设法增大光纤预制棒的尺寸，达到一棒拉出数百乃至数千公里以上的连续光纤。基于此种想法，可以将四种不同的气相沉积工艺进行不同方式的组合，可以派生出不同的新的预制棒实用制备技术大棒套管法。所谓大棒套管法意思是指沉积芯层时采用一种方法，然后利用另一种方法沉积包层或外包层，之后将沉积的内包层连同芯层一道放入到外包层内，在烧结成一体而成，现择其一、二说明之。MCVD/OVD法：由于MCVD法的沉积速度慢，而MCVD大棒套管技术要求的几何精度非常高 ，为适应大棒法的需求，而开发出一种用MCVD法

50、沉积制备芯层和内包层，用OVD法沉积外包层，实现大尺寸预制棒的制备方法-MCVD/OVD。这种组合的预制棒制备工艺可以避免大套管技术中存在的同心度误差的问题，又可以提高沉积速率，因而很有发展前途。组合气相沉积法：即HVD法(Hybrid Vaperr Deposition)，是美国Spectram光纤公司在1995年开发的预制棒制备技术。它是用VAD法作光纤预制棒的芯层部分，不同处在于水平放置靶棒，氢氧焰在一端进行火焰水解沉积，然后再用OVD法在棒的侧面沉积、制作预制棒的外包层部分。HVD法是将VAD 和OVD法两种工艺巧妙地结合在一起，工艺效果十分显著。光纤预制棒的几种气相沉积制作方法可以相

51、互贯通，彼此结合。5.2.6.非气相沉积技术虽然利用气相沉积技术可制备优质光纤，但是气相沉积技术也存在着不足：原料资源、设备投入昂贵，工艺复杂，成品合格率较低，玻璃组份范围窄等。为此，人们经不断的努力研究开发出一些非气相沉积技术来制备SiO2光纤预制棒，并取得了一定的成绩。5观看至此.2.6.1.溶胶-凝胶法在非气相沉积技术中，溶胶凝胶法，又称solGel法，最具发展前途，最早出现在20世纪60年代初期，是生产玻璃材料的一种工艺方法。当solGel法技术成熟后，预计可使光纤的生产成本降到1美分/米。因此无论从经济还是从科学技术观点都引起了世人极大的兴趣，但由于此方法生产的芯层玻璃衰减仍较大，工

52、艺尙不成熟，距商用化还有一定的距离。广义地讲，溶胶凝胶法是指用胶体化学原理实现基材表面改性或获得基材表面薄膜的一种方法。此方法是以适当的无机盐或有机盐为原料，经过适当的水解或缩聚反应，在基材表面胶凝成薄膜，最后经干燥、结烧得到具有一定结构的表面或形状的制品。溶胶凝胶法制备光纤预制棒的主要工艺生产步骤是首先将酯类化合物或金属醇盐溶于有机溶剂中，形成均匀溶液，然后加入其它组分材料，在一定温度下发生水解、缩聚反应形成凝胶，最后经干燥、热处理、烧结制成光纤预制棒。制造步骤可以分为以下几个阶段：（1）配方阶段：原料、稀释剂、掺杂剂和催化剂等根据重量百分比称重，混合均匀，如要作成一定形状的产品，可以把溶胶

53、注入所需要的模具内，如管状或棒状模具。（2）溶胶-凝胶形成阶段溶胶：又称胶体溶液，是一种分散相尺寸在1010-13米之间的分散系统，粘度一般为几个泊。凝胶：分为湿胶和干胶，湿胶是由溶胶转变产生的，当溶胶粘度由几个泊增加到104泊时就认为是湿胶，又称冻胶和软胶，外观透明或乳白，具有一定形状，内部包含大量液体但无流动性，为半液半固相体系。把湿胶内液体除去，就成为干胶，是一种超显微结构多孔体。胶体特性：其特点很多，影响制造玻璃光纤预制棒产品质量的特性有这样2项：1）溶胶特性：溶胶的配方和溶液的PH值。2）凝胶特性：主要是宏观密度，由物体重量和外观体积决定，主要包括：比表面积，平均孔隙尺寸，孔隙分布及

54、孔隙率。催化剂在溶液形成溶胶与凝胶过程中起着决定性的作用，催化剂的使用可分为二类：酸性和碱性。最常用的酸性催化剂是盐酸，实际使用的酸类也可以是硫酸或硝酸。在没有酸类物质参与反应时，金属醇盐往往会由于水的存在而起加水分解，生成白色沉淀物，加入酸类物质后，立刻可以使其再溶解。H+和OH-是正硅酸乙酯水解反应的催化剂，因此水解反应随着溶液的酸度或碱度的增加而加快，缩聚反应一般在中性和偏碱性的条件下进行较快，PH值在12范围，缩聚反应特别慢，因此凝胶化时间相对较长，PH8.5时，缩聚反应形成的硅氧键又重新有溶解的倾向，这也是在高PH值条件下胶凝时间特别长的原因。在酸类物质催化的条件下，硅酸单体的慢缩聚

55、反应形成的硅氧键最终可以得到不甚牢固的多分支网络状凝胶，但由于在此条件下反应进行的较慢，因此形成的凝胶结构往往不完善，在老化和干燥过程中可继续使凝胶网络间的OH-基团脱水形成新的硅氧键Si-O-Si，边缘化学键的形成使凝胶的核心结构进一步牢固，同时脱水收缩开始，凝胶的体积减小，一般在老化和干燥前期比较明显，并逐步趋于平衡。在碱性催化剂条件下，硅酸单体水解迅速凝聚，生成相对致密的胶体颗粒。这些颗粒再相互连接形成网络状的凝胶，这种凝胶缩聚反应进行的比较完全，结构比较牢固，在老化和干燥过程中体积基本保持不变。因此在碱性条件下所制得的湿凝胶孔洞尺寸较大，密度较小。（3）水解聚合反应阶段：即胶化过程，从溶胶转变为凝胶称胶化。首先形成湿胶再形成凝胶，一般在室温下进行，有时也可提高一些温度以加快胶化速度。胶化过程中包含着水解和聚合两类化学反应。在制备石英系光纤时，采用硅的醇盐为原料，