光纤光缆生产工艺及设备培训资料模板.doc

第五章 光纤光缆制造工艺及设备关键内容: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、余长控制、梯度水冷控制、绞合参数选择关键内容:（1）光纤制造工艺光纤原料制备及提纯质量检测和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)护套挤制工艺合格缆芯检验光缆油膏内护套装铠外护套打印标识检验加强件阻水带包扎带填充绳护套胶 成品光缆 图50-1光纤光缆制造工艺步骤图通信用光纤是由高纯度SiO2和少许高折射率掺杂剂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含有一定机械强度涂覆光纤。而通信用光缆是将若干根（12160根）上述成品光纤经套塑、绞合、挤护套、装铠等工序工艺加工制造而成实用型线缆产品。在光纤光缆制造过程中，要求严格控制并确保光纤原料纯度，这么才能生产出性能优良光纤光缆产品，同时，合理选择生产工艺也是很关键。现在，世界上将光纤光缆制造技术分成三大工艺.5.0.1光纤制造工艺技术关键点:1.光纤质量在很大程度上取决于原材料纯度，用作原料化学试剂需严格提纯，其金属杂质含量应小于多个ppb，含氢化合物含量应小于1ppm，参与反应氧气和其它气体纯度应为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。光纤预制棒沉积区应在密封环境中进行。光纤制造设备上全部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.光纤质量稳定取决于加工工艺参数稳定。光纤制备不仅需要一整套精密生产设备和控制系统，尤其关键是要长久保持加工工艺参数稳定，必需配置一整套用来检测和校正光纤加工设备各部件运行参数设施和装置。以MCVD工艺为例：要对用来控制反应气体流量质量流量控制器（MFC）定时进行在线或不在线检验校正，以确保其控制流量精度；需对测量反应温度红外高温测量仪定时用黑体辐射系统进行检验校正，以确保测量温度精度；要对玻璃车床每一个运转部件进行定时校验，确保其运行参数稳定；甚至要对用于控制工艺过程计算机本身运行参数要定时校验等。只有保持稳定工艺参数，才有可能连续生产出质量稳定光纤产品。5.0.2光缆缆芯制造工艺技术关键点：每种光缆全部有自己生产工艺，因为它们之间存在着不一样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。故生产过程中全部有自己生产工艺步骤。不过多种光缆基础制造工艺步骤是基础相同。成缆工艺首先要做两方面准备并应注意这么几点技术关键点：（1）选择含有优良传输特征光纤，此光纤能够是单模光纤也能够是多模光纤，并对光纤施加对应应力筛选，筛选合格以后才能用来成缆；（2）对成缆用多种材料，强度元件，包扎带，填充油膏等进行抽样检测，100检验外形和备用长度，同时，按不一样应用环境，选择专用成缆材料。（3）在层绞结构中要尤其注意绞合节距和形式选择，要合理科学，作到在成缆、？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大小，确保光纤既不受力也不松驰跳线。（5）中心管式结构中尤其注意中心管内部空间合理利用，同时注意填充油膏压力和温度控制。5.0.3光缆外护套挤制工艺技术关键点依据不一样使用环境，选择不一样护套结构和材料，并要考虑？设效应和老化效应影响。在挤制内外护套时，注意挤出机挤出速度、出口温度和冷却水温度梯度、冷却速度合理控制，确保形成合理材料温度性能。对于金属铠装层应注意铠装机所施加压力控制。5.1光纤原料、制备和提纯工艺5.1.1光纤原料特点1SiO2光纤原料试剂和制备制备SiO2石英系光纤关键原料多数采取部分高纯度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，它水解化学反应式以下：SiCl4+2H2O 4HCl+SiO2 (5-1-1) SiCl4+4H2O H4SiO4+4HCl (5-1-2)因为卤化物试剂沸点低，SiCl4试剂沸点在57.6，故易汽化，故提纯工艺多采取汽相提纯。SiCl4化学结构为正四面体，无极性，和HCl含有相同程度腐蚀性，有毒。SiCl4是制备光纤关键材料，占光纤成份总量8595。SiCl4制备可采取多个方法，最常见方法是采取工业硅在高温下氯化制得粗SiCl4，化学反应以下：Si+2Cl2 SiCl4 (5-1-3)该反应为放热反应，反应炉内温度伴随反应加剧而升高，所以要控制氯气流量，预防反应温度过高，生成Si2Cl6和Si3Cl8。反应生成SiCl4蒸气流入冷凝器，这么制得SiCl4液体原料,工艺步骤图5-1-2。2SiO2光纤原料提纯试剂提纯工艺经大量研究表明，用来制造光纤多种原料纯度应达成99.9999，或杂质含量要小于106。大部分卤化物材料全部达不到如此高纯度，必需对原料进行提纯处理。卤化物试剂现在已经有成熟提纯技术，如精馏法，吸附法，水解法，萃取法和络正当等。现在在光纤原料提纯工艺中，广泛采取是“精馏吸附精馏”混合提纯法。图5-1-3。通常情况下，SiCl4中可能存在杂质有四类：金属氧化物、非金属氧化物、含氢化合物和络合物。其中金属氧化物和一些非金属氧化物沸点和光纤化学试剂沸点相差很大，可采取精馏法除去，即在精馏工艺中把它们作为高、低沸点组分除去，光纤中含有金属杂质一些特征如表5-1-3所表示。然而，精馏法对沸点（57.6）和SiCl4相近组分杂质及一些极性杂质不能最大程度除去。比如：在SiCl4中对衰减危害最大OH-离子，它可能关键起源于SiHCl3和其它含氢化合物，而且大多有极性，趋向于形成化学键，轻易被吸附剂所吸收。而SiCl4是偶极矩为零非极性分子，有着不能或极少形成化学键稳定电子结构，图5-1-4，不易被吸附剂吸附，所以，利用被提纯物质和杂质化学键极性不一样，选择合适吸附剂，有效地选择性地进行吸附分离，能够达成深入提纯极性杂质目标。精馏是蒸馏方法之一，关键用于分离液体混合物，方便得到纯度很高单一液体物质。精馏塔由多层塔板和蒸馏釜组成，蒸馏得到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，为使其纯度更高，将其再回流入塔内，并和从蒸馏釜连续上升蒸汽在各层塔板上或填料表面亲密接触，不停地进行部分汽化和凝缩，这一过程相当于对SiCl4液体进行了数次简单蒸馏，可深入提升SiCl4分离纯度。吸附剂种类及选择：吸附剂是指对气体或溶质发生吸附现象固体物质。在应用上要求含有巨大吸附表面，同时对一些物质必需含有选择性吸附能力。通常为多孔性固体颗粒或粉末。常见吸附剂有活性炭、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+等离子吸附。在四级精馏工艺中再加一级简单蒸馏工艺并采取四级活性氧化铝吸附剂和一级活性硅胶吸附剂作为吸附柱。这就组成了所谓“精馏吸附精馏”综合提纯工艺。采取这种提纯工艺可使SiCl4纯度达成很高水平，金属杂质含量可降低到5ppb左右，含氢化物SiHCl3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，还需要部分高纯度掺杂剂和一些有助反应辅助试剂或气体。在沉积包层时，需掺入少许低折射率掺杂剂。如B2O3，F，SiF4等；在沉积芯层时，需要掺杂少许高折射率掺杂剂，如GeO2、P2O5、TiO2、ZrO2、Al2O3等。如采取四氯化锗和纯氧气反应得到高掺杂物质GeO2，而利用氟里昂和SiCl4加纯O2反应得到低掺杂物质SiF4等。作为载气使用辅助气体-纯Ar或O2。氧气是携带化学试剂进入石英反应管载流气体，同时，也是气相沉积（如MCVD）法中参与高温氧化反应反应气体。它纯度对光纤衰减影响很大，通常要求它含水(H2O)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，对它纯度要求和氧气相同。为除去沉积在石英玻璃中气泡用除泡剂-氦气He。氦气有时被用来消除沉积玻璃中气泡和提升沉积效率，对它纯度要求和纯氧气相同。在光纤制造过程中起脱水作用干燥剂SOCl2或Cl2。干燥试剂或干燥气体等在沉积过程中或熔缩成棒过程中起脱水作用，对它们纯度要求和氧气相同，这么才能避免对沉积玻璃污染。光纤用石英包皮管技术要求石英包皮管质量好坏，对光纤性能影响很大，比如，用MCVD法和PCVD法制备光纤，全部要求质量好石英包皮管，用VAD法制作棒上，有时也加质量好外套石英管，然后再拉丝。这些石英包皮管均和沉积芯层和或内包层玻璃熔为一整体，拉丝后成为光纤外包层，它起保护层作用。假如包皮管上一些部位存在气泡，未熔化生料粒子和杂质，或一些碱金属元素（Na、K、Mg等）杂质富集到某一点，就会产生应力集中或使光纤玻璃内造成缺点或微裂纹。一旦当光纤受到张应力作用时，若主裂纹上应力集中程度达成材料临界断裂应力e，光纤就断裂。同时还存在着另一个可能，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，以致裂纹末端应力集中加强。这么就使裂纹扩展速度逐步加紧，直至应力集中重新达成临界值，并出现断裂，这种现象属材料静态疲惫。它决定了光纤在有张应力作用情况下使用寿命期限。为提升成品光纤机械强度和传输性能，对石英包皮管内在杂质含量和几何尺寸精度，全部必需提出严格要求。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/m不一样心度：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-包皮管横截面改变量）OH-浓度：150ppm开放形气泡：不许可存在任何大小开放形气泡；封闭形气泡可许可：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包皮管许可每米有最大直径0.3mm夹杂物。严重斑点（非玻璃化粒子）：决不许可外来物质（指纹、冲洗污斑和灰尘）：决不许可沟棱凹凸：n2，就满足了光波在芯层传输基础要求。几何尺寸:将制得光纤预制棒放入高温拉丝炉中加温软化，并以相同百分比尺寸拉制成线径很小又长又细玻璃丝。这种玻璃丝中芯层和包层厚度百分比及折射率分布，和原始光纤预制棒材料完全一致，这些很细玻璃丝就是我们所需要光纤。当今，SiO2光纤预制棒制造工艺是光纤制造技术中最关键、也是难度最大工艺，传统SiO2光纤预制棒制备工艺普遍采取气相反应沉积方法。现在最为成熟技术有四种：美国康宁企业在1974年开发成功，1980年全方面投入使用管外气相沉积法，简称OVD法（OVDOutside Vaper Deposition）；美国阿尔卡特企业在1974年开发管内化学气相沉积法，简称MCVD法（MCVDModified Chemical Vaper Deposition）；日本NTT企业在1977年开发轴向气相沉积法，简称VAD法（VADVaper Axial Deposition）；荷兰菲利浦企业开发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，但全部能制造出高质量光纤产品，所以在世界光纤产业领域中各领一份风骚。除上述很成熟传统气相沉积工艺外，多年来又开发了等离子改良化学气相沉积法（PMCVD）、轴向和横向等离子化学气相沉积法（ALPD）、MCVD大棒法、MCVD/OVD混正当及混合气相沉积法（HVD）、两步法等多个工艺。气相沉积法基础工作原理:首先将经提纯液态SiCl4和起掺杂作用液态卤化物，并在一定条件下进行化学反应而生成掺杂高纯石英玻璃。因为该方法选择原料纯度极高，加之气相沉积工艺中选择高纯度氧气作为载气，将汽化后卤化物气体带入反应区，从而可深入提纯反应物纯度，达成严格控制过渡金属离子和OH-羟基目标。尽管利用气相沉积技术可制备优质光纤预制棒，不过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，大家经不停艰苦努力，最终研究开发出部分非气相技术制备光纤预制棒：界面凝胶法BSG，关键用于制造塑料光纤；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，最常见于生产石英系光纤包层材料；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，是现在制作高质量石英系玻璃光纤稳定可靠方法，它又称为“改善化学气相沉积法”（MCVD）。MCVD法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超提纯状态，所以用这种方法制得预制棒纯度很高，能够用来生产高质量单模和多模光纤。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，熔炼光纤预制棒内包层玻璃制备内包层玻璃时，因为要求其折射率稍低于芯层折射率，所以，主体材料选择四氯化硅（SiCl4），低折射率掺杂材料能够选择氟利昂（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。所需设备关键有可旋转玻璃车床、加热用氢氧喷灯、蒸化化学试剂用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所表示。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，经过蒸发瓶1将已汽化饱和蒸气SiCl4和掺杂剂（如CF2Cl2）经气体转输装置导入石英包皮管中，这里，纯氧气首先起载气作用，其次起反应气体作用，它纯度一定要满足要求。然后，开启玻璃车床，以几十转/分钟转速使其旋转，并用14001600高温氢氧火焰加热石英包皮管外壁，这时管内SiCl4和CF2Cl2等化学试剂在高温作用下，发生氧化反应，形成粉尘状化合物SiO2和SiF4 （或B2O3），并沉积在石英包皮管内壁上。凡氢氧火焰经过高温区，全部会沉积一层（约810m）均匀透明掺杂玻璃SiO2-SiF4（或SiO2-B2O3），反应过程中产生氯气和没有充足反应完原料均被从石英包皮管另一尾端排出，并经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，就会在石英包皮管内壁上沉积一层透明SiO2-SiF4（或SiO2-B2O3）玻璃薄膜，厚度约为810m。不停从左到右缓慢移动，然后，快速返回到原处，进行第二次沉积，反复上述沉积步骤，那么在石英包皮管内壁上就会形成一定厚度SiO2-SiF4、SiO2-B2O3玻璃层，作为SiO2光纤预制棒内包层。温高氧 化在内包层沉积过程中，能够使用低折射率掺杂剂有CF2Cl2、SF6 、C2F4、B2O3等，其氧化原理和化学反应方程式以下：高温氧化高温氧化SiCl4O2 SiO22Cl2 （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折射率比内包层折射率要稍高些，能够选择高折射率材料（如三氯氧磷POCl3、四氯化锗GeCl4等）作掺杂剂，熔炼方法和沉积内包层相同。用超纯氧（O2）气把蒸发瓶1、2中已汽化饱和蒸气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，形成粉末状氧化物SiO2-GeO2或SiO2-P2O5,并沉积在气流下漩内壁上，氢氧火焰经过地方，就会在包皮管内形成一层均匀透明氧化物SiO2-GeO2（或SiO2-P2O5）沉积在内包层SiO2-SiF4玻璃表面上。经一定时间沉积，在内包层上就会沉积出一定厚度掺锗（GeO2）玻璃，作为光纤预制棒芯层。沉积芯层过程中，高温氧化原理和化学反应方程式以下：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）芯层经数小时沉积，石英包皮管内壁上已沉积相当厚度玻璃层，已初步形成了玻璃棒体，只是中心还留下一个小孔。为制作实心棒，必需加大加热包皮管温度，使包皮管在更高温度下软化收缩，最终成为一个实心玻璃棒。为使温度升高，能够加大氢氧火焰，也能够降低火焰左右移动速度，并确保石英包皮管一直处于旋转状态，使石英包皮管外壁温度达成1800。原石英包皮管这时和沉积石英玻璃熔缩成一体，成为预制棒外包层。外包层不起导光作用，因为依前几章分析可知：激光束是在沉积芯层玻璃中传输。因为光脉冲需经芯层传输，芯层剖面折射率分布型式将直接影响其传输特征，那么假如控制芯层折射率呢？芯层折射率确保关键依靠携带掺杂试剂氧气流量来正确控制。在沉积熔炼过程中，由质量流量控制器（MFC）调整原料组成载气流量实现。假如是阶跃型光纤预制棒，那么载气（O2）流量应为恒定：Q=cont （5-2-8）假如是梯度分布型光纤预制棒，载气流量Q可由下式决定： （5-2-9）式中：-掺杂试剂载气最大流量。-沉积第x层时所需掺杂试剂载气总流量。-沉积芯层过程中总层数。-沉积第x层。g-光纤剖面折射率分布指数。为使光纤预制棒折射率分布达成所需要求，能够经过向二氧化硅基体中加入少许掺杂剂来改变其折射率方法实现。为满足光纤导光条件要求，通常可采取三种掺杂方法：1.在熔炼纤芯玻璃时，按某种规律掺入少许较石英折射率n0稍高材料，比如（GeO2）氧化锗或氧化磷P2O3、使芯层折射率为n1，即n1n0；在制备包层玻璃时，一样，掺入少许较石英折射率n0稍低材料，比如氟F或氧化硼B2O3等，使包层折射率为n2并小于纯二氧化硅折射率n0，即n2n2。2.熔炼纤芯玻璃时，掺杂方法和“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光纤导光条件要求。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，和1.中沉积包层方法相同，使包层折射率为n2并小于纯二氧化硅折射率n0，即n2n2光纤导光条件要求。在光纤预制棒沉积过程中，假如掺杂试剂含量过多，沉积层之间玻璃热膨胀系数会出现不一致，在最终软化吸收熔缩成棒工艺中，棒内玻璃将会产生裂纹，影响预制棒最终质量和合格率，所以必需严格控制掺杂剂含量。另外，使用MCVD法熔炼光纤预制棒时，因为最终一道工序-熔缩成棒时温度过高，1800，使石英包皮管芯层中心孔内表面周围掺杂剂分解升华，扩散（GeO2沸点 ？），最终造成预制棒中心折射率下降，折射率分布曲线出现中心凹陷，图52-5所表示。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结果是使沉积层材料成份产生改变。GeO2挥发、分解，引发光纤中心凹陷，此凹陷深度和宽度由其中心孔周围失去掺杂材料(GeO2)多少来决定。这种现象对光纤衰减和色散全部有很大影响，尤其对多模光纤传输带宽影响是很大，仅此一项有时就把光纤宽度限制在了1GHZkm之内，对单模光纤色散、带宽也会造成一定影响。为消除或降低这种影响，通常，可采取二种方法处理：1.赔偿法：所谓赔偿法是在熔炼成实芯棒过程中，不间断送入GeCl4饱和蒸气，以赔偿高温升华、扩散造成GeO2损失，从而达成赔偿光纤预制棒中心位置折射率降低问题。 使用此种方法会使光纤预制棒中金属锗含量增高，造成瑞利散色损耗增加。所以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等含氟饱和蒸汽和纯氧气，使它们和包皮管中心孔表面失去部分GeO2玻璃层发生反应，生成SiF4、GeF4，从而把沉积芯层内表面折射率降低部分玻璃层腐蚀掉，这么中心凹陷区会被降低或完成被消除掉，浓缩成棒后可大大改善光纤带宽特征。同时，因为氯气含有极强除湿作用，所以，利用CF2Cl2作蚀刻材料，含有蚀刻和除湿双重作用。腐蚀原理和化学反应式以下：2CF2Cl2O2 2COF22Cl2 （52-11）2COF2SiO2 SiF42CO2 (5-2-12)2COF2GeO GeF42CO (5-2-13)这个反应是不完全，因为较高温度和较高氧浓度，平衡状态更多地向正向移动，图5-2-6所表示。MCVD法自动化程度很高，关键工艺参数均由计算机正确控制，包含：载运化学试剂纯氧流量，加热温度，试剂蒸发瓶水浴温度，玻璃车床转速，石英包皮管在高温下外径形变检测等。MCVD法优点是工艺相对比较简单，对环境要求不是太高，能够用于制造一切已知折射率剖面光纤预制棒，不过因为反应所需热量是经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尺寸，预制棒尺寸不易做大，从而限制了连续光纤制造长度。现在，一棒可拉连续光纤长15km25km。所以在生产效率、生产成本上难和OVD和VAD法竞争。为了克服MCVD法上述缺点，大家又研究了采取套管制备大尺寸光纤预制棒方法，即大棒套管技术，其方法是在沉积光纤预制棒外，套一根大直径石英管，然后，将它们烧成一体，石英包皮管和外套管一起组成光纤预制棒内外包层，石英包皮管内沉积玻璃全部作为芯层，这么制成大棒预制棒，可增加连续拉丝光纤长度，通常可达几百公里。并能够提升光纤预制棒生产效率。不过传统使用石英包皮管及套管全部是采取天然石英材料制整天然石英管，天然石英管比起化学沉积层得到包皮管损耗相对要大，所以在制作单模光纤预制棒时，包层大部分还必需采取沉积层来取得低损耗光纤预制棒，加之天然石英管尺寸本身在制造上也受到限制，所以采取大棒套管技术MCVD法仍无法和OVD、VAD相抗衡。然而，多年来MCVD法又有了突破性发展，这关键得益于合成石英管开发成功。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，图5-2-9所表示。1975年，由荷兰菲利浦企业Koenings先生研究发明。PCVD法和MCVD法工艺十分相同，全部是采取管内气相沉积工艺和氧化反应，所用原料相同，不一样之处于于反应机理差异。PCVD法反应机理是将MCVD法中氢氧火焰加热源改为微波腔体加热源。将数百瓦千瓦级微波（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，是一个混合态，这些粒子在石英包皮管内远离热平衡态，电子温度可高达10000K，而原子、分子等粒子温度可维持在几baidu甚至是室温，是一个非等温等离子体，多种粒子重新结合，释放出热量足以熔化蒸发低熔点低沸点反应材料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法制备光纤预制棒工艺有两个工序，即沉积和成棒。沉积工艺是借助1Kpa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，所以它更适适用于制造正确和复杂波导光纤，比如：带宽大梯度型多模光纤和衰减小单模光纤。成棒是将沉积好石英玻璃棒移至成棒车床上，利用氢氧火焰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法工艺优点，不用氢氧火焰加热沉积，沉积温度低于对应热反应温度，石英包皮管不易变形；控制性能好，因为气体电离不受包皮管热容量限制，所以微波加热腔体能够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靠近理想分布折射率剖面。以取得宽带宽；光纤几何特征和光学特征反复性好，适于批量生产，沉积效率高，对SiCl4等材料沉积效率靠近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OVD法。于1974年，由美国康宁企业Kcpron先生等研究发明，1980年全方面投入应用一个光纤预制棒制作工艺技术。OVD法反应机理为火焰水解，即所需玻璃组份是经过氢氧焰或甲烷焰水解卤化物气体产生“粉尘”逐步地沉积而取得，反应原理和化学反应方程式以下：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+4HCl (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 制棒关键经过沉积和烧结两个工艺步骤，其工艺示意图图5-2-10所表示。图5-2-10 OVD法工艺示意图沉积工艺：OVD法沉积次序恰好和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往复移动，然后，将高纯度原料化合物，如SiCl4,GeCl4等，经过氢氧焰或甲烷焰火炬喷到靶棒上，高温下，水解产生氧化物玻璃微粒粉尘，沉积在靶棒上，形成多孔质母材。在OVD法化学反应中，不仅有从化学试剂系统中输送来气相物质，还有火炬中气体，而燃料燃烧产生水也成为反应副产品，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往返左右移动，进行逐层沉积。正是靶棒沿纵向往返移动，才能够实现一层一层地沉积生成多孔玻璃体。经过改变每层掺杂物种类和掺杂量能够制成不一样折射率分布光纤预制棒。比如：梯度折射率分布，芯层中GeO2掺杂量由第一层开始逐步降低，直到最终沉积到SiO2包层为止。沉积中能熔融成玻璃掺杂剂很多，除常见掺杂剂GeO2,P2O5，B2O3外，甚至能够使用ZnO,Ta2O3,PbO5,Al2O3等掺杂材料。一旦光纤芯层和包层沉积层沉积量满足要求时（约200层），即达成所设计多孔玻璃预制棒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，将形成多孔质母体送入一高温烧结炉内，在14001600高温下，进行脱水处理，并烧缩成透明无气泡固体玻璃预制棒，这一过程称为烧结。在烧结期间，要不间断通入氯气、氧气、氮气和氯化亚砜（SOCl2）组成干燥气体，并喷吹多孔预制棒，使残留水分全部除去。氮气作用是渗透到多孔玻璃质点内部排除预制棒中残留气体，而氯气和氯化亚砜则用以脱水，除去预制棒中残留水分。氯气、氯化亚砜脱水实质是将多孔玻璃中OH-置换出来，使产生SiCl键基础吸收峰在25m周围，远离石英光纤工作波长段0.8-2m。经脱水处理后，可使石英玻璃中OH-含量降低到1PPb左右，确保光纤低损耗性能要求。SOCl2,Cl2进行脱水处理原理和化学反应方程式以下：高温烧结(Si-OH-)+SOCl2 (Si-Cl-)+HCl +SO2 (5-2-20)H2O+SOCl2 2HCl +SO2 (5-2-21)2Cl2+2H2O 4HCl +O2 (5-2-22)在脱水后，经高温作用，松疏多孔质玻璃沉积体被烧结成致密、透明光纤预制棒，抽去靶棒时遗留中心孔也被烧成实心。OVD法优点关键是生产效率高，其沉积速度是MCVD法10倍，光纤预制棒尺寸不受母棒限制，尺寸能够做得很大，生产出大型预制棒一根可重达2-3Kg，甚至更重，可拉制100200Km或更长光纤，不需要高质量石英管作套管，全部预制棒材料均由沉积工艺生成，棒芯层中OH-含量很低，可低于0.01PPm，因为沉积是中心对称，光纤几何尺寸精度很高；易制成损降低，强度高光纤产品；可进行大规模生产，生产成本低。若采取中心石英靶棒作为种子模，则其可和沉积玻璃层熔为