学习情景二石英预制棒制造ppt课件

1、光纤预制棒概念光纤预制棒概念简单的说就是必需在制成光纤前，先将经过提纯的原料制成一根满足一定性能要求的玻璃棒，其被称之为“光纤预制棒或“母棒。光纤预制棒的构造光纤预制棒的构造光纤预制棒是控制光纤质量的原始棒体资料。光纤预制棒是控制光纤质量的原始棒体资料。组元构造为多层圆柱体，内层为高折射率的纤芯层，外层为低折射率的包层。光电子技术专业光电子技术专业- -国家重点建立示范性专业国家重点建立示范性专业光纤光缆制备光纤光缆制备图2-1 大直径石英光纤预制棒外观图它应具有符合要求的折射率分布型式和几何尺寸。典型的光纤预制棒直径约为1025mm，长度约为60 120cm。图2-1，2-2光纤预制棒的外观

2、图光电子技术专业光电子技术专业- -国家重点建立示范性专业国家重点建立示范性专业光纤光缆制备光纤光缆制备图2-2 小直径石英光纤预制棒外观图石英光纤预制棒的制备方法石英光纤预制棒的制备方法主要采用的气相堆积法光电子技术专业光电子技术专业- -国家重点建立示范性专业国家重点建立示范性专业光纤光缆制备光纤光缆制备目前最为成熟和目前国内外光纤制造企业广泛运用的为四中大的预制棒制备工艺为外部汽相堆积工艺简称OVD改良的化学汽相堆积工艺简称MCVD微波等离子体化学汽相堆积工艺简称PCVD轴向汽相堆积工艺简称VAD光电子技术专业光电子技术专业- -国家重点建立示范性专业国家重点建立示范性专业光纤光缆制备光

3、纤光缆制备主要的原料掺杂剂以气态方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，堆积于石英石墨或是氧化铝制造的“母棒外外表，经过多次堆积，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，即为光纤预制棒。光纤光缆制备光纤光缆制备OVD制造预制棒的原理：OVDOVD法制造预制棒的原理图法制造预制棒的原理图光电子技术专业光电子技术专业- -国家重点建立示范性专业国家重点建立示范性专业光纤光缆制备光纤光缆制备OVD法制造芯棒及抽芯芯棒的脱水和烧结 延伸芯棒 在芯棒外堆积外包层。OVDOVD详细工艺流程详细工艺流程堆积SOOT棒：即 SiO2颗粒在

4、火焰中生成，颗粒的粒径从几纳米到几百纳米不等，颗粒随着凝聚作用逐渐长大，被气流带动后堆积在靶棒上。堆积终了后，需求将靶棒从疏松体中抽出。OVD堆积设备外观简如图2-3。OVD法制造芯棒及抽芯：光电子技术专业光电子技术专业- -国家重点建立示范性专业国家重点建立示范性专业光纤光缆制备光纤光缆制备图23 OVD堆积设备外观简图脱水及烧结：烧结主要是伴随脱水过程，其原理就是在高温下，经过在氯气、氦气条件下使SOOT棒致密化，透明化。OVD烧结热源可以为电感应炉或者石墨感应炉等。烧结中可以是SOOT棒从上往下挪动，也可以是感应线圈从顶部挪动究竟部。炉温普通在1500度左右。 OVD烧结设备外观构造如图

5、2-4光电子技术专业光电子技术专业- -国家重点建立示范性专业国家重点建立示范性专业光纤光缆制备光纤光缆制备图24 OVD烧结设备外观构造简图延伸芯棒：烧结好的芯棒需求经过和VAD芯棒一样的延伸过程，以获得直径较小的适宜套管或外堆积的芯棒。有的芯棒不在烧结过程中闭合中心孔，而是在延伸过程中闭合，芯棒顶部不断施以负压。光电子技术专业光电子技术专业- -国家重点建立示范性专业国家重点建立示范性专业光纤光缆制备光纤光缆制备在芯棒外堆积外包层：在延伸好的芯棒外堆积疏松体，而后进展脱水和烧结。 OVD工艺的特点是：逐渐变粗，从里向外长OVD工艺的优缺陷：工艺的优缺陷：准确控制芯棒的径向折射率分布，因此对

6、于制备多模光纤MMF和非零色散光纤DZDF芯预制棒更有效；优点：堆积速度快比MVCD要大5-10倍，可达10g/min以上，适宜于大批量消费；光电子技术专业光电子技术专业- -国家重点建立示范性专业国家重点建立示范性专业光纤光缆制备光纤光缆制备本钱较低，任务效率高；可以制备出损耗较低至0.16dB/km1.55um)的单模光纤。缺陷：要求较高的环境干净度需经过严厉的脱水处置光电子技术专业光电子技术专业- -国家重点建立示范性专业国家重点建立示范性专业光纤光缆制备光纤光缆制备OVDOVD工艺开展工艺开展OVD工艺的开展包括两个方面1一种是传统意义上OVD制造预制棒的工艺开展这包括从单喷灯堆积到多

7、喷机同时堆积,堆积速率成倍提高：同时从一台设备一次堆积一根棒开展到一台设备同时堆积多根棒，提高消费效率。光电子技术专业光电子技术专业- -国家重点建立示范性专业国家重点建立示范性专业光纤光缆制备光纤光缆制备2作为当前主流工艺二步法SOOT方法的开展，是指从依次堆积芯、包层延续制成预制棒的“一步法发展到“二步法；即先用陶瓷棒或石墨棒为靶棒,只堆积芯资料(含少量包层)做出大直径芯棒,经去水烧结后,把该大直径芯棒拉细成多根小直径芯棒,再用这些小直径芯棒为靶棒来堆积包层,同时还为其他工艺如VAD/PCVD/MCVD制造的芯棒进展外堆积，堆积包层，制成光纤预制棒,大大提高了消费率、降低了成本。光电子技术

8、专业光电子技术专业- -国家重点建立示范性专业国家重点建立示范性专业光纤光缆制备光纤光缆制备MCVDMCVD原理原理管内化学汽相堆积法是以超纯氧气作为载体将sicl4等原资料和Gecl4等参杂剂送入旋转的外径18-25mm，壁厚1.42mm的石英反响管，用1400-1600的高温氢氧火焰加热石英反响管外壁，使管内的原料和参杂剂在高温下发生氧化复原反响光电子技术专业光电子技术专业- -国家重点建立示范性专业国家重点建立示范性专业光纤光缆制备光纤光缆制备MCVDMCVD改良的化学汽相堆积原理图改良的化学汽相堆积原理图光电子技术专业光电子技术专业- -国家重点建立示范性专业国家重点建立示范性专业光纤

9、光缆制备光纤光缆制备MCVDMCVD的工艺流程的工艺流程多于的SiO2颗粒以及反响的废气被气流带尾部处置安装。在整个过程中，要坚持反响管内部的一直处于微正压形状。堆积：经过蒸发鼓泡的堆积：经过蒸发鼓泡的SiCl4和和GeCl4等原资料以及等原资料以及反响的氧气等从车床的一端通入石英反响管。反响的氧气等从车床的一端通入石英反响管。在卡盘带动石英反响管以一定的转速进展旋转的同时机床按照一定的速度使热源喷灯进展反复往返运动，这样，各种反响气体和氧气在高温下就发生化学反响，生成SiO2颗粒堆积在反响管内壁。光电子技术专业光电子技术专业- -国家重点建立示范性专业国家重点建立示范性专业光纤光缆制备光纤光

10、缆制备熔缩：由于是管内法包括熔缩：由于是管内法包括MCVD、PCVD，因此，因此堆积后得到都是中心有孔的堆积管，所以必需有一道堆积后得到都是中心有孔的堆积管，所以必需有一道工序就是沿堆积管方向用往返挪动的氢氧焰或加热炉工序就是沿堆积管方向用往返挪动的氢氧焰或加热炉对不断旋转的管子加热，在外表张力的作用下，分阶对不断旋转的管子加热，在外表张力的作用下，分阶段将堆积好的石英管熔缩成实心棒，即光纤预制棒。段将堆积好的石英管熔缩成实心棒，即光纤预制棒。MCVD设备主要包括如下部件1机床：带动热源进展往复运动；2喷灯：为原资料发生化学反响提供热能。光电子技术专业光电子技术专业- -国家重点建立示范性专业

11、国家重点建立示范性专业光纤光缆制备光纤光缆制备3料柜：普通是蒸发料柜，即经过鼓泡的方式将液态的SiCl4和GeCl4等原资料变成气态带入反响管。4卡盘：用来夹持石英反响管，并带动其旋转。5尾部废气废物处置安装：主要是将未堆积的SiO2颗粒和废气排放到废气处置系统的管道中。MCVD设备外观图如图25 所示光电子技术专业光电子技术专业- -国家重点建立示范性专业国家重点建立示范性专业光纤光缆制备光纤光缆制备图25 MCVD设备外观图MCVD法的优点：在石英反响管衬底管内堆积内包层和层的玻璃，整个系统处于封锁的超提纯形状下。使消费出来的光纤水峰能进一步降低。光电子技术专业光电子技术专业- -国家重点

12、建立示范性专业国家重点建立示范性专业光纤光缆制备光纤光缆制备可以消费高质量的单模和多模光纤且多模光纤损耗可稳定2 4dB/Km,单模光纤损耗可到达0.20.4dB/Km,并具有很好的反复性. 采用MCVD法制备的BGe共掺杂光纤作为光纤的内包层，可以抑制包层中的方式耦合，大大降低光纤的传输损耗。在石英反响管衬底管内堆积内包层和层的玻璃，整个系统处于封锁的超提纯形状下。使消费出来的光纤水峰能进一步降低。光电子技术专业光电子技术专业- -国家重点建立示范性专业国家重点建立示范性专业光纤光缆制备光纤光缆制备两步法：目前，预制棒的消费多采用“两步法复合工艺技术，即先制造预制棒芯棒，然后在芯棒外采用不同

13、技术制造外包层或直接套管，在不影响光纤性能的同时添加预制棒单棒可拉丝长度，提高消费效率，降低光纤消费本钱图1显示了“两步法的复合工艺流程光电子技术专业光电子技术专业- -国家重点建立示范性专业国家重点建立示范性专业光纤光缆制备光纤光缆制备具有工艺简单、灵敏，对实验室及周围环境的干净度要求不苛刻，容易消费高质量的光纤的特点工艺流程的开展“两步法的复合工艺特征图两步法的复合工艺特征图MCVDPCVDOVDVAD芯 棒RIT/RICSOOT法OVD/VADAPVD/POVDSol-gel及其它预 制 棒光电子技术专业光电子技术专业- -国家重点建立示范性专业国家重点建立示范性专业光纤光缆制备光纤光缆

14、制备图图2-62-6VAD制造预制棒的原理：主要原料掺杂剂以气态方式送入氢氧火焰喷灯，使之在氢氧液中水解，生成石英 SiO2 玻璃微粒粉尘，然后经喷灯喷出，堆积于有石英、石墨或氧化铝资料制造的“母棒端部，经多次堆积构成一定尺寸的多孔粉尘预制棒，然后停顿任务，棒。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，即获得所需的光线预制棒。VAD的特点：逐渐变长，从上向下长。 光电子技术专业光电子技术专业- -国家重点建立示范性专业国家重点建立示范性专业光纤光缆制备光纤光缆制备VADVAD制造预制棒原理图制造预制棒原理图光电子技术专业光电子技术专业- -国家重点建立示范性专业国家重点建

15、立示范性专业光纤光缆制备光纤光缆制备VADVAD与与OVDOVD的区别：的区别：其原理与OVD法完全一样，不同之处在于它不是在母棒的外外表堆积，而是在其端部轴向堆积，故又称母棒为“种子石英棒VADVAD工艺流程工艺流程(1)用VAD工序制造芯棒:用1+4个氢-氧火焰喷嘴由轴向喷出提纯的SiCl4、 GeCl4等气体，使之在氢氧焰中水解生成石(SiO2)，此工序的堆积速率可30g/min-50g /min。最后制成外径200毫米300毫米的多孔粉尘预制棒。光电子技术专业光电子技术专业- -国家重点建立示范性专业国家重点建立示范性专业光纤光缆制备光纤光缆制备(2)熔缩透明化：将多孔的粉尘棒加热收缩

16、得透明芯棒坯。(3)透明芯棒拉细：用30kW的加热炉将芯棒拉细到15mm左右。(4)芯棒外堆积包层：由于第一道工序已堆积部分包层故本工序是将芯/包比由 1/2增大到1/14左右。本工序是一种外汽相堆积，该厂消费时用5-8个氢-氧喷嘴最 高堆积速率可达200g/min，非常惊人。 光电子技术专业光电子技术专业- -国家重点建立示范性专业国家重点建立示范性专业光纤光缆制备光纤光缆制备(5)脱水收棒：将芯/包层比接近1/14的粉尘予制棒加热收缩成可拉丝的透明光纤坯棒。这一阶段的脱水处置非常重要，要求含水量在10ppb10-9之下。 VADVAD的优点：的优点：可延续生长，适宜于制成大型预制棒，从而可

17、拉制成较长的延续光纤。可拉制程度长，目前可达100Km的单模光纤。光电子技术专业光电子技术专业- -国家重点建立示范性专业国家重点建立示范性专业光纤光缆制备光纤光缆制备用VAD法制备的多模光纤不会构成中心部位折射率凹陷或空眼，因此其带宽要比MCVD法高一些。单模光纤损耗也比较小，可到达0.250.5dB/km。价钱廉价，大约20$/km左右。VAD法所制得的光纤预制棒OH- 含量非常低。堆积室和熔融室严密相连，可以保证制造环境洁。光电子技术专业光电子技术专业- -国家重点建立示范性专业国家重点建立示范性专业光纤光缆制备光纤光缆制备VAD虽然和OVD一样属于外堆积法，但其的开展却同PCVD、MC

18、VD一样表达在制造芯棒技术的提高方面，这包括从延续制造预制棒工艺即芯和包层同时堆积、同时烧结开展为先做出大直径芯棒,然后把该大直径芯棒拉细成多根小芯棒,再用套管法制成预制棒。当前最重要的变化就是采用混合工艺替代传统套管。即VAD+OVD。VADVAD工艺的开展工艺的开展光电子技术专业光电子技术专业- -国家重点建立示范性专业国家重点建立示范性专业光纤光缆制备光纤光缆制备原理：它与原理：它与MCVD工艺原理一样，只是不采用管外工艺原理一样，只是不采用管外热源加热的方法，而是采用微波腔体产生的等离子体热源加热的方法，而是采用微波腔体产生的等离子体为反响提供热源。磁控管产生的高频可经过谐振腔直为反响

19、提供热源。磁控管产生的高频可经过谐振腔直接藕合到衬管内，从而堆积过程与接藕合到衬管内，从而堆积过程与MCVD工艺不同，工艺不同，不受堆积层厚度的制约，且堆积管不容易变形，确保不受堆积层厚度的制约，且堆积管不容易变形，确保了所制预制棒的均匀性。了所制预制棒的均匀性。光电子技术专业光电子技术专业- -国家重点建立示范性专业国家重点建立示范性专业光纤光缆制备光纤光缆制备PCVDPCVD等离子体化学汽相堆积原理图等离子体化学汽相堆积原理图光电子技术专业光电子技术专业- -国家重点建立示范性专业国家重点建立示范性专业光纤光缆制备光纤光缆制备PCVD与MCVD工艺的一样点：它们都是在高纯石英玻璃管管内进展

20、气相堆积和高温氧化反响；PCVDPCVD与与MCVDMCVD的区别的区别PCVD的特点：在石英管里面长，堆积和熔缩在两台设备上。光电子技术专业光电子技术专业- -国家重点建立示范性专业国家重点建立示范性专业光纤光缆制备光纤光缆制备PCVD与MCVD工艺的不同点：热源和反响机理，PCVD工艺用的热源是微波，其反响机理为微波激活气体产生等离子使反响气体电离，电离的反响气体呈带电离子。带电离子重新结合时释放出的热能熔化气态反响物构成透明的石英堆积层。PCVDPCVD工艺流程详细步骤：工艺流程详细步骤：堆积：堆积是借助低压等离子使流进高纯石英玻璃堆积管内气态卤化物和氧气在1000以上的高温条件下直接堆

21、积成设计要求的光纤芯玻璃组成。光电子技术专业光电子技术专业- -国家重点建立示范性专业国家重点建立示范性专业光纤光缆制备光纤光缆制备熔缩：堆积后的下一步就是把堆积管熔缩成实心棒。沿管子方向往返挪动的石墨电阻炉对不断旋转的管子加热到大约2200摄氏度，在外表张力的作用下，分阶段将堆积好的石英管熔缩成一根实心棒预制棒。其熔缩现场如图图27 PCVD预制棒制造工艺熔缩现场照片光电子技术专业光电子技术专业- -国家重点建立示范性专业国家重点建立示范性专业光纤光缆制备光纤光缆制备套 棒：为获得光纤芯层与包层资料的适当比例，将熔缩后的石英棒套入一根截面积经过精心挑选的管子中，这样装配后即可以进展拉丝。光纤

22、测试：拉出的光纤要经过各种测试，以确定光纤的几何、光学和机械性能。拉丝：套棒被安装在拉丝塔的顶部，下端渐渐放入约2100摄氏度的高温的炉中。此端融化后备拉成所需包层直径的光纤通常为125CM并进展在线双层涂覆和紫外固化。光电子技术专业光电子技术专业- -国家重点建立示范性专业国家重点建立示范性专业光纤光缆制备光纤光缆制备PCVD预制棒制造工艺流程详细步骤简图：其中，a：保温炉 b：谐振腔 c ：等离子体 d：石英反响管 e：磁控管 f：真空泵； g：电加热炉 h：堆积管 I：芯棒 j：套管 k：拉丝 PCVDPCVD预制棒制造工艺流程详细步骤简图预制棒制造工艺流程详细步骤简图光电子技术专业光电

23、子技术专业- -国家重点建立示范性专业国家重点建立示范性专业光纤光缆制备光纤光缆制备PCVDPCVD的优缺陷的优缺陷PCVD的优点堆积用预热炉提供的环境温度仅在10001200范围内，便于控制。 PCVD工艺温度低于MCVD热反响温度，因此反响管不易变形。每层堆积厚度的减小，使折射率的分布更为准确。可以获得更宽的带宽。光电子技术专业光电子技术专业- -国家重点建立示范性专业国家重点建立示范性专业光纤光缆制备光纤光缆制备堆积速度快，本钱低，易于批量消费。温度的准确丈量和温度的均匀性问题。PCVD的缺陷腐蚀污染问题。由于经过化学反响，有反响产物及副产物，对腐蚀性产物要处理真空泵的腐蚀问题，还要处理

24、排气的污染控制及去除问题。光电子技术专业光电子技术专业- -国家重点建立示范性专业国家重点建立示范性专业光纤光缆制备光纤光缆制备堆积膜中的残留气体问题。用PCVD法所得TiN薄膜中的氯气含量随堆积温度的升高而降低，普通来讲，堆积温度高，速度慢，可减少剩余气体量，在Si3N4膜中，假设含氢量多，会影响膜的介电性能。 光电子技术专业光电子技术专业- -国家重点建立示范性专业国家重点建立示范性专业光纤光缆制备光纤光缆制备混合工艺概念：混合工艺Hybrid processes，俗称“两步法。这代表了目前国内外制造光纤预制棒的主要工艺。第一步:芯棒制造，在消费芯棒时,不仅要制造芯也必需制造部分包层,这是

25、为了确保光纤的光学质量,随后,可以把芯棒拉细成很多小芯棒,也可以不拉细,这取决于芯棒的大小。混合工艺流程光电子技术专业光电子技术专业- -国家重点建立示范性专业国家重点建立示范性专业光纤光缆制备光纤光缆制备所谓“两步法并不局限于一种工艺的两步，更多时候是混合几种工艺，因此也常被称作混合工艺法。不难看出，在混合工艺中，光纤预制棒的光学特性主要取决于芯棒制造技术；光纤预制棒的本钱主要取决于外包技术,因此,芯棒制造技术加上外包技术才干全面阐明当前光纤预棒制造工艺的特征。 第二步:在芯棒上附加外包层(俗称外包技术或Overcladding),制成预制棒,拉丝之前,可以把预制棒拉细也可以不拉细,这取决于

26、预制棒和拉丝炉的大小。图2-8为“两步法的复合工艺流程图光电子技术专业光电子技术专业- -国家重点建立示范性专业国家重点建立示范性专业光纤光缆制备光纤光缆制备MCVDPCVDOVDVAD芯 棒RIT/RICSOOT法OVD/VADAPVD/POVDSol-gel及其它预 制 棒“两步法的复合工艺特征图两步法的复合工艺特征图图图2-8光电子技术专业光电子技术专业- -国家重点建立示范性专业国家重点建立示范性专业光纤光缆制备光纤光缆制备经过折射率剖面图的绘制，可以很容易的了解预制棒芯直径、包层直径、整个预制棒的折射率变化情况，以及预制棒的数值孔径，在了解了预制棒的这些参数后才干更准确的选择套管假设用套管工艺或指定外堆积菜单用OVD等外包。同时，检测预制棒剖面可以检测和断定剖面能否合格，从预制棒源头降低不合格光纤的产生，减少不用要的后续工序浪费。预制棒测试：在送去拉丝前都要进展预制棒的检测，检测的主要特性就是预制棒折射率剖面图。预制棒测试的目的光电子技术专业光电子技术专业- -国家重点建立示范性专业国家重点建立示范性专业光纤光缆制备光纤