1、（二）光纤制造工艺1.工艺方法分类光纤制造技术光纤制造技术气相沉气相沉积技术积技术非气相沉非气相沉积技术积技术芯棒芯棒外包层外包层1.改进的化学汽相沉积法改进的化学汽相沉积法MCVD 2.等离子体汽相沉积法等离子体汽相沉积法PCVD 3.汽相轴向沉积法汽相轴向沉积法VAD 4.外汽相沉积法外汽相沉积法OVD 1.套管法套管法2.粉末法粉末法 3.等离子喷涂法等离子喷涂法 4.溶胶溶胶-凝胶凝胶1.界面凝胶界面凝胶2.机械挤压法机械挤压法 3.管束拉丝法管束拉丝法 4.打孔拉丝法打孔拉丝法改进的化学汽相沉积法改进的化学汽相沉积法MCVD(Modified Chemical Vapour Depo
2、sition）MCVD工艺的关键技术工艺的关键技术n沉积机理与微粒烧结沉积机理与微粒烧结nOH-控制技术控制技术n熔缩成棒熔缩成棒MCVD工艺的优缺点：工艺的优缺点：MCVD工艺主要被美国OFS等公司采用。该光纤制造工艺的最大优点是全封闭系统内部沉积，其最大的缺点是所制造的预制棒尺寸小。优点 缺点1.全封闭系统内部沉积，防止全封闭系统内部沉积，防止杂质侵入；杂质侵入；2.易于实现复杂的折射率分布易于实现复杂的折射率分布3.设备简单易行，初期投资少设备简单易行，初期投资少4.工艺灵活，适于制造多种光工艺灵活，适于制造多种光纤；纤；5.有成套制造设备商品有成套制造设备商品 1.需用石英玻璃管，预制
3、棒尺需用石英玻璃管，预制棒尺寸受限制；寸受限制；2.易于产生中心折射率凹陷；易于产生中心折射率凹陷；3.沉积速率、沉积效率较低；沉积速率、沉积效率较低；4.间接加热，能源消耗大；间接加热，能源消耗大；5.制造大数值孔径预制棒情况制造大数值孔径预制棒情况有爆炸问题有爆炸问题 等离子体汽相沉积法等离子体汽相沉积法PCVD (Plasma Chemical VapourDeposition)PCVD工艺的关键技术工艺的关键技术n等离子体抛光等离子体抛光n熔缩工艺熔缩工艺n粘度匹配粘度匹配PCVD工艺的优缺点：工艺的优缺点：1982年荷兰飞利浦公司的年荷兰飞利浦公司的PCVD工艺投入工业化生产。工艺投
4、入工业化生产。2005年年 长飞长飞 利用利用PCVD工艺制备非零色散位移单模光纤工艺制备非零色散位移单模光纤规模化生产的技术研究获规模化生产的技术研究获国家科学技术进步二等奖国家科学技术进步二等奖.优点优点 缺点1.1.封闭系统内沉积，可防止封闭系统内沉积，可防止杂质进入；杂质进入；2.2.精巧可控折射率分布结构；精巧可控折射率分布结构；3.3.沉积效率可高达沉积效率可高达100%100%4.4.尤其适合制造折射率分布尤其适合制造折射率分布复杂的光纤；复杂的光纤；5.5.不用氢氧焰沉积，生产更不用氢氧焰沉积，生产更加安全。加安全。1.必须用反应管；必须用反应管；2.2.需要对反应管预热；需要
5、对反应管预热；3.3.设备复杂、昂贵；设备复杂、昂贵；4.4.沉积速率低沉积速率低，0.50.5-3g/min;3g/min;5.5.系统维护困难。系统维护困难。外汽相沉积法外汽相沉积法(OVD)Outside VapourOutside Vapour Deposition DepositionOVD工艺的关键技术工艺的关键技术：n疏松棒沉积疏松棒沉积 对于对于OVD工艺的沉积速度和沉积效率而言，温度梯度就是关键工工艺的沉积速度和沉积效率而言，温度梯度就是关键工艺参数。艺参数。包括火焰温度、沉积表面的温度、靶棒周围的环境温度包括火焰温度、沉积表面的温度、靶棒周围的环境温度等等。n疏松棒固化疏松
6、棒固化 疏松棒的干燥和烧结过程合并称为固化n疏松棒的烧结疏松棒的烧结 采用采用区域烧结方式在区域烧结方式在1400140016001600将疏松棒将疏松棒烧结成透明烧结成透明棒。区域烧结方式是从一端开始烧结，连续向另一端棒。区域烧结方式是从一端开始烧结，连续向另一端进行。进行。外汽相沉积法外汽相沉积法(OVD)Outside VapourOutside Vapour Deposition DepositionOVD工艺的优缺点：工艺的优缺点：优点优点缺点缺点1.1.全合成工艺全合成工艺2.2.无反应管尺寸限制，可以制无反应管尺寸限制，可以制造大预制棒造大预制棒3.3.采用去水工艺，易于制造低采
7、用去水工艺，易于制造低损耗光纤损耗光纤4.4.沉积层数高，烧结温度较低，沉积层数高，烧结温度较低，掺杂剂不易发挥掺杂剂不易发挥5.5.原材料纯度低，生产成本低原材料纯度低，生产成本低1.1.需要特殊清洁空间需要特殊清洁空间2.2.拔出靶棒时会引起缺陷拔出靶棒时会引起缺陷3.3.废气粉尘处理代价高废气粉尘处理代价高4.4.设备复杂，昂贵设备复杂，昂贵5.5.沉积效率比沉积效率比PCVDPCVD低低轴向化学气相沉积法轴向化学气相沉积法(VAD)Vapour Vapour phase Axial Deposition phase Axial DepositionVAD工艺的关键技术工艺的关键技术：n
8、折射率分布控制技术折射率分布控制技术 RIPRIPGeOGeO2 2 浓度浓度微粒的沉积特性微粒的沉积特性温度温度(400-800)。n脱水脱水-烧结技术烧结技术1)1401)140，除去物理吸附水分子。，除去物理吸附水分子。2)4002)400，部分除去化学键，部分除去化学键OHOH。3)800-12003)800-1200，在含，在含10%10%左右左右SOClSOCl2 2或者或者ClCl2 2的氦气气氛中化学处理，的氦气气氛中化学处理，彻底除去化学键接的彻底除去化学键接的OHOH。VAD工艺烧结过程包括工艺烧结过程包括致密化致密化和和微孔闭合微孔闭合两个阶段两个阶段VAD工艺的优缺点：
9、工艺的优缺点：优点优点缺点缺点1.1.全合成工艺全合成工艺2.2.连续高速率制造大预制棒连续高速率制造大预制棒3.3.利用脱水工序，大大降低损利用脱水工序，大大降低损耗耗4.4.利用低纯度原材料，以降低利用低纯度原材料，以降低生产成本生产成本5.5.封闭环境内沉积和烧结封闭环境内沉积和烧结1.1.控制复杂，不适控制复杂，不适应结构复杂光纤应结构复杂光纤2.2.废气、粉尘处理代价高废气、粉尘处理代价高3.3.设备复杂、昂贵设备复杂、昂贵4.4.沉积速率与相当，沉积速率与相当，比管内法高比管内法高5.5.沉积效率比低沉积效率比低“两步法两步法”的两个的两个显著特点在于：显著特点在于：（1 1）光纤
10、预制棒的）光纤预制棒的光学特性光学特性主要取决于芯棒制造主要取决于芯棒制造技术；技术；（2 2）光纤预制棒的）光纤预制棒的成本成本主要取决于主要取决于外包层技术外包层技术。因此，芯棒制造技术和外包层技术共同决定着光因此，芯棒制造技术和外包层技术共同决定着光纤预制棒制造工艺的技术水平、经济效益。纤预制棒制造工艺的技术水平、经济效益。由于外包层工艺可以直接降低光纤的成本，由于外包层工艺可以直接降低光纤的成本，因而各厂家都在研究用最低成本而回报最高的包因而各厂家都在研究用最低成本而回报最高的包层工艺。层工艺。预制棒外包层工艺所追求的技术指标是芯与外包层直径的比例芯与外包层直径的比例，不是芯直径或者外
11、包层直径，但是，其中经过的这些结构和尺寸的变化对于控制增加了复杂性。一、套管法一、套管法二、套管预制棒新技术二、套管预制棒新技术n2002年以来，德国赫劳斯公司大力开发RIC（Rod In Cylinder）预制棒技术。该技术是传统套管法（Rod In Tube，RIT）的新发展。n用套筒（用套筒（cylindercylinder）代替管子）代替管子，表示所用的套筒套筒的壁厚和直径非常大。2003年，采用120mm（直径）45mm（壁厚）1500mm（长度）的厚壁合成石英玻璃套管，在旋转式拉管设备中与芯棒在真空条件下合成直径90mm、长度2.4m的大预制棒,并同步拉制出1200km光纤。n20
12、04年2月，德国赫劳斯公司的子公司推出一种降低光纤生产成本的新工艺，称在线RIC工艺。（在线）的意思是指芯棒-套管的熔缩在拉丝时同步进行。MCVD，PCVD，VAD，OVD制造的芯棒都可以利用这种新型RIC大预制棒技术。传统传统RIT与与RIC-ODD工艺比较：工艺比较：圆筒拉管芯棒熔缩成预制棒拉丝900km光纤圆筒芯棒ODD,5200km光纤RITRIC-ODD由上面两个图可以得出以下结论：RIC-ODD不需要拉管工序，节约材料，节约工时；RIC-ODD套筒经过机械加工，椭圆度、偏振度、弯曲度、等几何精度都比拉出的管子好。RIC预制棒尺寸大，节约材料、节约工时、有利于高速拉丝。不必先把套管与
13、芯棒熔缩在一起，节约材料，节约工时。三、粉末外包层法n1984年，ASarkar博士提出了VAD芯棒与OVD附加外包层相结合的混合工艺。用OVD附加外包层，一般是像普通OVD那样，以芯棒为靶棒进行水平式沉积，也可以把芯棒以芯棒为靶棒进行水平式沉积，也可以把芯棒垂直安装进行沉积。垂直安装进行沉积。n国际上通常将OVD/VAD之类的火焰水解工艺统称为粉末工艺。1984年后，美国康宁公司将粉末外包技术用于工业化生产，用VAD生产光纤的厂家也用粉末外包技术替代套管法。n1999年以后，粉末外包技术和设备已经有商品，许多用MCVD制造芯棒的厂家也纷纷用粉末外包代替套管法。n目前，采用粉末外包预制棒拉制光
14、纤的数量约占全世界生产的光纤总量的80%。粉末外包层法与套管法粉末外包层法与套管法:1.它的一大优势就是可以根据不同芯棒的芯径和相对折射率差来沉积适当厚度的外包层，沉积适当厚度的外包层，满足光纤传输对模场直径和截止波长的要求，不受套管尺寸规格的限制。2.除此之外，以芯棒为中心的圆对称沉积，通过调节喷灯位置和预制棒的移动方式，可有效地控制沉积的均匀性沉积的均匀性等，也可以使光纤的同心圆和纵向均匀性都得到改善。3.当前的粉末外包工艺已经采用了计算机控制计算机控制，整个沉积过程按预先编制的工艺程序软件，通过计算机实时监测沉积质量，达到设定质量即自动停止沉积。四、等离子体外包层技术n现在等离子体外包工
15、艺有等离子体喷涂法等离子体喷涂法和等离子体外沉等离子体外沉积法积法。n等离子体喷涂法等离子体喷涂法是由法国阿尔卡特公司开发的。该工艺是以高纯天然石英粉为原料、用高频等离子体在芯棒上熔制外包层的技术。n等离子体外沉积法等离子体外沉积法利用四氯化硅做原料，它是用高频等离子体进行化学气相沉积化合成石英玻璃外包层的技术，尚未普遍应用。热源是大气压状态的高频等离子气体过滤后的空气或氧气双层石英玻璃管构成的等离子喷灯高频感应线圈等离子体喷涂工艺的外包工艺示意图：等离子体喷涂工艺的外包层工艺以高纯天然石英粉为原料，要选择粉末密度、粒度，使其能在几毫秒内迅速熔化，还要考虑能够有效地将粉末送到等离子体并不被等离
16、子体湍流所分散，以达到高沉积速率和效率。热源是大气压状态的高频等离子体。工作气体是过滤后的空气或氧气。工作频率3.4MHz，功率40100kW，在高频感应下，管内的气体电离，形成等离子体，看起来像喷灯喷出的火焰。被喷涂的芯棒安装在卧式玻璃车床上，边旋转边往复平移。等离子体火焰朝向芯棒，与其纵轴垂直。以控制的速率将石英粉输入火焰，石英粉立即熔融并喷射到芯棒外表面，形成纯净透明的石英玻璃外包层。等离子体火焰的温度极高，约10000，这种高温可把石英粉中的杂质气化，使石英粉进一步得到纯化。经过多层喷涂，可得到7080mm的大直径预制棒。沉积之后，等离子体抛光，除去表面冷凝的细微粉末。等离子体喷涂工艺
17、的外包层工艺内容：等离子体外包层法与粉末外包层法比较：1.等离子体喷涂是采取激光测径技术直接监测外包层直径，监测信号反馈到平移机构，控制平移速度，保证获得所设计的外包层直径及其纵向一致性。粉末外包层工艺是采取监测沉积质量来控制工艺过程的。2.等离子体喷涂工艺所沉积的是完全致密化的透明玻璃，工艺控制所监测的外包层直径实际上是最终要求的指标。粉末外包层技术沉积的是疏松质半烧结态二氧化硅粉，其最终直径取决于疏松质的体密度；并且，在经过脱水-烧结工艺完全致密化以后，不仅其直径收缩，并且在长度方向，包括芯棒在内也一起缩短。显然，与初始情况相比，芯材料的直径变大了，而设计所依据的是初始情况的芯直径。富通开
18、发成功的低水峰光纤预制棒富通开发成功的低水峰光纤预制棒 长飞光纤预长飞光纤预制棒制棒 光纤拉丝n拉丝是将已制得的光纤预制棒直径缩拉丝是将已制得的光纤预制棒直径缩小，且保持芯包比和折射率分布不变小，且保持芯包比和折射率分布不变的操作。的操作。n光纤拉制工序的过程就是将前道工序制成的预制棒，通过高温炉将预制棒加热软化，在牵引的作用下拉制成等直径光纤的过程。光纤直径控制原理 已知在正常状态，若预制棒的馈送速度为已知在正常状态，若预制棒的馈送速度为V送送，光纤，光纤的拉丝速度为的拉丝速度为V拉拉,预制棒的外径为预制棒的外径为D，裸光纤的外径为，裸光纤的外径为d d。熔化前的棒体容积：熔化前的棒体容积：
19、(D/2）(V送送 t)等于熔化拉丝后光纤的容积：等于熔化拉丝后光纤的容积：(d/2）(V拉拉 t)化简后关系：V V拉拉=V V送送 (D D/d d)预制棒的预处理预制棒预制棒和把棒连接预制棒和把棒连接氢氧焰氢氧焰拉丝塔工艺控制过程拉丝塔工艺控制过程拉丝塔主要部件介绍（送棒机构）1 手动控制盒可控制送棒机构可上 下左右移动2 将预制棒向下送入拉丝炉内，目 测预制棒与拉丝炉的间隙。当发 现其偏离中心位置时，用手动控 制盒上的XY位置调整按钮进 行调整 X-Y拉丝塔各部件介绍（拉丝炉）Ar冷却水中心管套管冷却水：起到冷却炉体、炉顶盖、炉底盖、电极、和夹具的作用，确保冷却水已开Ar：确保炉内充满
20、氩气，避免石墨和氧气接触发生反应退火管：消除光纤的应力中心管：石墨体顶盖：防止氧气进入拉丝炉电极：电加热退火管顶盖电极炉底门UV胶拉丝塔各部件介绍（涂覆装置）锁扣 模具导向器 顶盖涂覆器 CO2CO2:消除涂覆过程中出现的气泡涂覆材料：环氧丙烯酸酯或聚丙烯酸酯拉丝塔各部件介绍拉丝塔各部件介绍（光固装置）UVUV石英灯管：避免通过的光纤受空气的污石英灯管：避免通过的光纤受空气的污染和振动染和振动N N2 2：惰性气体氮气用来：惰性气体氮气用来避氧以加速固化。避氧以加速固化。洁净干燥的氮气从石英管底部被引入，并洁净干燥的氮气从石英管底部被引入，并以层流的方式向上到炉子顶端，这将起着以层流的方式向上
21、到炉子顶端，这将起着排除氧气的作用，同时还可带出涂料中的排除氧气的作用，同时还可带出涂料中的挥发组分，使光纤免受污染，还可避免光挥发组分，使光纤免受污染，还可避免光纤因受灯源的红外辐射所致的过热问题纤因受灯源的红外辐射所致的过热问题抽风装置：确保紫外固化炉在正常工作时抽风装置：确保紫外固化炉在正常工作时不至于因温度过高而烧坏炉子不至于因温度过高而烧坏炉子。紧固开关C型夹连接件N2排风筛选工艺及设备简介（筛选设备）放线轮张力轮收线轮 通过在光纤上施加一适当大小的张力，筛去低于或等于筛选强度的裂纹点，保证幸存光纤的机械可靠性，从而避免光纤在后续工序的使用过程中断纤；这主要是因为当光纤在成缆过程中和
22、用于实际环境中时，必须经受住一定的机械应力和化学环境的侵蚀,选择传输特性优良和张力合格的光纤 经过强度试验后，合格光纤将进行传输性能和几何性能的测试。最后工艺最后工艺测试与包装测试与包装张力测量轮导向轮卡盘预制棒加热炉退火管纤径测量仪冷却管辅助牵引轮一次涂覆UV固化灯纤径测量仪冷却管二次涂覆UV固化灯同心度监控仪纤径测量仪牵引轮收线轮拉丝塔结构环境条件：环境条件：洁净度：10000级 温度：2030 湿度：40%70%拉丝工序的安全防护措施在拉丝塔上作业时要穿戴好洁净服、防滑鞋和安全帽。在拉丝塔上作业时，所用的工具用完后要立即放回工具箱内，严防任何物品从高处坠落。在拉丝塔正常运行时，牵引轮和收
23、线机的防护罩必须关上。高温操作时必须戴好隔热手套，避免被高温光棒及熔化料头烫伤。接触光纤碎屑（如光纤穿丝过程），要防止光纤扎伤皮肤；万一光纤扎入皮肤，应立即用镊子将其夹出。在UV固化灯和拉丝炉等强光处操作时要戴好防护墨镜，严禁裸眼直视。在进行接触化学品如涂覆树脂、乙醇等的操作时，要戴好乳胶手套。在升降机上操作时，当升降机在升降过程中，头手不要伸到护栏外部。防止拉丝炉及拉丝炉周围的水泄漏，一旦发现泄漏，立即切断电源；在泄漏被查明和修复之前，拉丝炉不能通电。防止UV固化灯内烟气进入工作间。拉丝工序的主要辅料及工具原料：光纤预制棒(带把棒)内涂UV固化涂料 外涂UV固化涂料。辅料：收线盘 氩气 氮气 二氧化碳 氦气 乙醇 洁净纸 一次性手套 粘胶带等。工具：光纤坠 力矩扳手 斜口钳 清洁刷 乙 醇瓶 手电筒 铁桶 吸尘器 镊子 螺 丝刀 卷尺 直尺 喉箍等。
