光纤预制棒的制备技术

1、VAD法制预制棒,光电07301班 第三小组,制棒的种类,-国际上生产石英光纤预制棒的方法有十多种，其中普遍使用，并能制作出优质光纤的制棒方法主要有以下四种： -改进的化学汽相沉积法(MCVD-Modified Chemical Vapour Deposition) -棒外化学汽相沉积法(OVD-Outside Chemical Vapour Deposition) -轴向汽相沉积法(VAD-Vapour phase Axial Deposition) -微波等离子体激活化学汽相沉积法(PCVD- Plasma activated Chemical Vapour Deposition ),VA

2、D工艺的发展,70年代的VAD工艺,芯和包层同时沉积、同时烧结,号称预制连续制造工艺。 80年代的VAD工艺是先做出大直径芯棒,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,从“一步法”发展到“二步法”。 90年代改成用SOOT外包代替套管法制成光纤预制棒。 90年代以来,使用VAD的生产厂家增多了,除了日本古河、滕仓之外,信越、日立、三菱、昭和等公司从日本NTT获得了使用VAD工艺生产光纤的许可,并实施了再开发,实现了商业化VAD工艺,朗讯也从住友公司购得了使用VAD工艺的许可,另外还与住友在美国建立了VAD法的合资光纤厂,从而有机会多年观察VAD光纤生产,此后,朗讯将VAD工艺

3、引进到它的亚特兰大光纤厂。,过程及原理,在母棒端部，即其轴向，发生化学反应，生成的石英玻璃粉尘微粒经喷灯喷出，沉积于种子石英棒一端，沿轴向形成多孔粉尘预制棒。种子石英棒不断旋转，并通过提升杆向上慢速移动，牵引粉尘多孔预制棒通过一环状加热器进行烧结处理，使之熔接缩成透明的光纤预制棒。 反应的主要公式: SiCl4 + O2 SiO2 + 2Cl2 4BCl3 + 3O2 2B2O3 + 6Cl2 最后沉积光纤的纤芯， 其氧化反应过程为： SiCl4 + O2 SiO2 + 2Cl2 GeCl4 + O2 GeO2 + 2Cl2,VAD法实物图,VAD的特点,可连续生长，适合于制成大型预制棒，从而

4、可拉制成较长的连续光纤。 可拉制程度长，目前可达100Km的单模光纤。 此外，用VAD法制备的多模光纤不会形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。 其单模光纤损耗也比较小，可达到0.250.5dB/km。 价格便宜，大约20$/km左右。,VAD法设备示意图,汽相轴向沉积法VAD 这种方法是在反应室里放置一根基棒石英玻璃棒，基棒可以旋转并向反应室外移动，如图所示：当反应气体送入反应室后，就在基棒上沉积，基棒的旋转运动保证了芯棒的轴对称性，疏松的预制棒在向上移动的过程中经过一环形加热器，从而生成玻璃预制棒。玻璃预制棒沉积预制棒环形加热器反应气体入孔反应室。,VAD工艺示意图

5、,VAD流程图,VAD工艺流程,(1)用VAD工序制作芯棒: 在旋转的芯棒顶部用火焰水解法沉积芯层和内包层，制成疏松体。内包层直径D/芯层直径d的比值略小于7.5。由于VAD制芯工艺是成本较高的工艺，沉积量和(D/d)2成正比。D/d越小，对外套管的要求越高。因为D/d值小，一部分光能会在内包层和套管中进行传输，各种杂质包括OH-离子就会增加传输损耗。由于OH-离子在很容易在热处理（尤其是拉丝过程中）从外包层运动到芯层，因此工艺对外套管的含OH-离子的浓度要求就相当严格。商业化生产的D/d比值一般在2.07.5之间。,(2)芯棒在氯气气氛中脱水 沉积好的芯棒疏松体要放在1200含氯或含氟的气氛

6、中。脱水的原理是氯气进入芯棒孔隙中取代C，其产生的Si-Cl键吸收波长在25微米，远离光纤工作波段。脱水的速率取决于脱水温度和氯气的流量。脱水后OH-离子的含量将少于8X10-10(w%)。 (3)芯棒在氦气气氛中烧结 芯棒在炉内继续升温到1500，通入氦气进行烧结。氦气是一种分子体积很小而传热系数很高的气体，能够将热量带到芯部，是疏松体依靠表面张力而生成透明的玻璃体。烧结效果取决于下送速度、烧结温度、氦气流量等因素。 (4)芯棒延伸 VAD制作的芯棒一般都较粗且外径不均匀，无法直接插入套管合成预制棒，需要经过一道延伸工序来使外径变均匀变细。芯棒延伸可以采用成本较低的氢氧火焰作为热源，但氢氧焰

7、会造成芯棒表面OH-离子污染，需要后面进行等离子蚀洗或酸洗。另外一种办法是采用等离子体作为热源进行延伸，可以省去一个去OH-离子的过程。,(5)等离子蚀洗 等离子蚀洗的原理是：等离子火焰沿着旋转着的芯棒进行轴向移动，高达9000的火焰将芯棒表面的一层物质迅速升华挥发。一般的蚀洗深度是0.250.15mm,足以将表面的OH-离子去除干净。 (6)低OH-含量的合成石英管作外包层 由于采用了更大的外套管，整个光纤的成本急剧降低。对石英管的要求是高纯、低损耗和高抗拉强度。石英管的OH-含量决定了芯棒制作时的D/d值的大小。在套管车床上将芯棒和套管装配在一起，用环形氢氧焰沿轴线从上到下进行加热，同时用真空泵抽去缝隙内的空气，使套管烧结在芯棒上，形成一体的预制棒。 芯棒D/d值 外套管OH-含量 7.5 200 ppm 5.2 1.0 ppm 4.4 0.5 ppm 表6 外套管水份含量和芯棒 D/d的关系,(7)光纤拉制: 预制棒拉制成光纤的示意图如图2.3所示， 当预制棒由送料机构以一定的速度均匀地送往环状加热炉中加热， 且预制棒尖端加热到一定的温度时， 棒体尖端的粘度变低， 靠自身重量逐渐下垂变细而成纤维