OVD法制光纤预制棒.ppt

第二小组2009 05 02 OVD法制备石英光纤预制棒 什么是光纤预制棒光纤预制棒的制备技术概要OVD法制备光纤预制棒简介OVD法制备光纤预制棒的原理OVD法制备光纤预制棒的工艺流程OVD法存在的问题和解决方法光纤预制棒的发展趋势 制造光纤时 必须先将经过提纯的原料制成一根满足一定要求的玻璃棒 称之为 光纤预制棒 光纤预制棒是拉制光纤的原始棒体材料 其内层为高折射率 n1 的芯层 外层为低折射率 n2 的包层 应具有符合要求的折射率分布与几何尺寸 典型的光纤预制棒直径约为10 25mm 长度约为60 120cm 什么是光纤预制棒 光纤预制棒的制备技术概要 在通信光纤制备过程中 重要内容之一是光纤预制棒的制备 目前光纤预制棒制备技术四种工艺共存 这四种工艺分别为外汽相沉积法 OVD 汽相轴向沉积法 VAD 改进汽相沉积法 MCVD 和等离子体化学汽相沉积工艺 PCVD 在这里主要讲OVD法制备光纤预制棒的技术技术原理和工艺流程 OVD法制备光纤预制棒简介 OVD法即外汽相沉积法 OutsideVapourDeposition 其主要原料掺杂剂以气态形式送入氢氧火焰喷灯 使之在氢氧焰中水解 生成石英 SiO2 玻璃微粒粉尘 然后经喷灯喷出 沉积于由石英 石墨或氧化铝材料制作的 母棒 外表面 经过多次沉积形成一定尺寸的多孔粉尘预制棒 然后停止工作 去掉母棒 再将中空的预制棒在高温下脱水 烧结成透明的实心玻璃棒 即获得所需的光纤预制棒 第一根损耗低于20dB km的光纤就是由康宁玻璃公司 CorningGlassWork 使用该法制成的 OVD法制备光纤预制棒的原理 OVD工作工艺的原理主要是将四氯化硅原料的火焰水解 反应生成小于5微米的二氧化硅粉末附着在芯棒外 产生的氯化氢等废气被抽走处理 利用OVD法形成玻璃的化学反应式 SiCl4 2H2 O2高温氧化SiO2 4HCl通过一定的工艺条件 数千层疏松的二氧化硅粉末 soot体 逐层沉积在靶棒的外表面 再在一定的气氛和温度下通过烧结成透明的预制棒 原理图如下所示 OVD法制备光纤预制棒的工艺流程 1 预制棒的设计首先要根据设备的最佳沉积范围对将要使用的芯棒进行设计制造或选取 根据芯棒的光学及几何特性 由公式 计算出理论套管的直径D D d c 此处的d为芯层直径 对于一定规格的单模光纤 c为常数 值得注意的是常数c的设计和选取直接决定了光纤的芯包比 对于单模光纤的截止波长 cutoff 模场直径 MFD 等光学性能有着重要影响 也直接影响到未来单模光纤的成缆及运用 对多模光纤而言 正确的选取常数c才能保证光线的几何参数符合相关标准 通过大量的对比实验 目前选取的c值为0 05 1 5之间 2 OVD沉积工艺A 芯棒的处理为了保证外包层与芯棒界面的良好融合 实际沉积工艺前需要对芯棒进行必要的处理 消除可能产生缺陷的潜在危害 B 参数的设定沉积过程中 根据不同的要求和条件 对燃烧气体流量 四氯化硅流量等工艺技术有直接影响的参数进行了对比 可获得较为可靠的沉积工艺条件 制造过程中 选择适当的沉积密度是工艺技术的难点之一 沉积密度的变化可以通过沉积参数进行调节 如果沉积密度太小 疏松的soot棒容易开裂 或者导致soot棒棒径过大 无法进行烧结 如果沉积密度太大 又会极大地降低沉积速率 部分或全部掩盖该工艺方法的特点 C 烧结沉积完成后 将疏松的soot棒放入烧结设备 在1500 1600摄氏度的高温下用氯气消除羟基对水峰的影响 用氦气驱赶烧结过程中的空气 氯化氢及氯气 使其致密并玻璃化 生产出全透明的光纤预制棒 由于多模芯棒的锗的掺杂量和外喷的包层锗的掺杂量不同 导致烧结过程完成后棒本身存在较大的内应力 如果不进行相应的过程处理 预制棒会在随后的冷却过程中炸裂 可针对多模光纤预制棒的特性进行热处理 3 结果 通过对大量实验和试生产以及实际生产运行的预制棒数据的统计 OVD设备外包层沉积工作时的平均沉积速率可达到20 30g min 沉积的soot棒外径约为50 180mm 长度根据芯棒实际长度而变化 密度约0 5g cm3 预制棒的外径约为40 120mm 长度在soot棒尺寸上略有缩短 OVD法存在的问题和解决方法 OVD沉积的是未玻璃化的SiO2颗粒 soot体 芯棒和soot体是截然不同的两个状态 通过烧结使soot体完全玻璃化 在芯棒和OVD外包层的界面上不产生柱状模糊层和气泡杂质等 这些缺陷会造成光纤拉制时丝径的异常波动 以及使光纤存在大量的低强度点等 解决方法有 沉积之前芯棒的清洁 OVD沉积的温度 SiCl4流量 芯棒移动速度 特别是沉积最初的几层非常关键 烧结工艺 烧结的温度 速度 He的流量等 soot体是有单个或多个喷灯将水解的SiO2颗粒沉积在旋转且移动的芯棒上 通过周而复始的过程 由沉积重量决定是否终止沉积 这种沉积方法肯定会形成螺纹状的表面 如果不加弥补 表面波纹越来越大 越大采用起始点位移式沉积方法可以改善 另外 喷灯的位移 结构 及安装的角度也直接影响soot体表面 预制棒的锥度包括有效长度上直径的变化率和OVD沉积形成的棒两端不均匀段的大小 通过控制预制棒的几何尺寸 从而保证整根棒拉制成光纤后其光纤的几何参数和光学参数的均匀稳定 光纤预制棒的发展趋势 到20世纪90年代初 随着通信产业的不断发展 光纤市场的竟争也日益激烈 迫使各大生产厂家提高生产效率 降低成本 于是出现了各种互相借鉴的制备光纤预制棒的方法 如采用气相沉积法或等离子喷涂法来代替外套管法制备预制棒的包层 到目前为止 共有10种制造大预制棒的方法用于实际生产 如下表所列 就光纤的生产规模而言 OVD VAD和VAD OVD这三种方法应用最普遍 生产量占全球生产量的70 以上 主要由康宁 住友 古河等公司采用 MCVD PCVD由于其容易控制折射率变化的优点 仍然被朗讯 阿尔卡特 藤仓以及比瑞利等公司采用 但随着光纤价格的下降 很多厂家也在寻求成本更低的其它制作方法 其中Simax公司