光纤预制棒制备工艺220页PPT
光纤预制棒
光纤预制棒折叠编辑本段概述光纤预制棒是制造石英系列光纤的核心原材料。
简单地说，用于拉光纤(丝)的玻璃特种预制大棒。
折叠简介人们在制造光纤时先要制做出光纤预制棒，预制棒一般直径为几毫米至几十毫米(俗称光棒)。
光纤的内部结构就是在预制棒中形成的，因而预制棒的制作是光纤工艺中最重要的部分。
光棒的制作有多种方法，常用的制作工艺是气相氧化法。
在气相氧化法中，高纯度金属卤化物的蒸汽和氧气发生反应，形成一些氧化物微粒，这些氧化物微粒会沉积在玻璃或者石英体的表面上(或管状体的内壁)，然后通过烧结形成透明的玻璃棒(如果是管状，还要进行收缩使其成为棒状)，这样光棒就做成啦。
此时光棒已经具备了光纤的基本结构，通过拉丝机拉出来的裸纤就包括了纤芯和包层。
有些光纤品种为了保护裸玻璃光纤，使其不受光和水汽预制棒拉丝等外部物质的污染，在光纤拉成的同时，就给它涂上弹性涂料(被覆层)。
光纤由纤芯、包层和被覆层组成，导光的部分是处于轴线上的实心纤芯，包层的作用是提供一个圆柱形的界面，以便把光线束缚在纤芯之中。
被覆层是一种弹性耐磨的塑料材料，它增强了光纤的强度和柔软性。
折叠功用在光纤预制棒完成后，就进入到光纤拉丝的过程。
其作法是在无尘室中将光纤预制棒固定在拉丝机顶端，并逐渐加热至2000摄氏度。
光纤预制棒受热后便逐渐融化并在底部累积液体，待其自然垂下，就形成光纤，这有点儿像我们吃拔丝山药时拉出糖丝的情景。
这里的关键在于均匀加热、拉制速度的控制等。
拉制技术无误时，拉出的光纤结构会与光纤预制棒的结构相同(只不过是缩小了很多)。
涂覆材料也在拉丝机上及时涂敷，以保护光纤免受潮气、磨损的伤害。
有的涂覆材料是通过自然冷却附在光纤上，有的是用某种光线(紫外线)照射光纤使涂覆材料固化。
拉丝的过程中，光纤直径的测量及控制非常重要。
光纤的直径和结构等质量参数多与拉制速度有关，自动化的测量监控会随时调节拉丝的速度。
折叠编辑本段生产工艺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)---轴向汽相沉积法(VAD:Vapour phase Axial Deposition)---棒外化学汽相沉积法(OVD:Outside Chemical Vapour Deposition)---(微波)等离子体激活化学汽相沉积法(PCVD:Plasma activated Chemical Vapour Deposition )按照传统的命名方法，当前光纤技术市场上四种工艺共存，即OVD、VAD、MCVD、PCVD。
第五章 光纤的制造工艺和光器件PPT课件
1、渐变折射率分布材料
2、依靠光线轨迹的弯曲
实现光学成像
3、通过优化折射率分布，
提高成像质量
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光纤通信器件
第五章 光纤的制造工艺和光器件
自聚焦光纤：折射率按平方分布的光纤－光纤 的传播轨迹为正弦曲线－经一周期后又会聚到 另一点。 自聚焦透镜原理上就是一段自聚焦光纤。
➢成像特性：与透镜长度有关：
S(短)波段:1460-1530 C(常规)波段:1530-1560
L(长)波段:1560-1625 U(超长)波段:1625-1675
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光纤通信器件
第五章 光纤的制造工艺和光器件
其他材料制作的光纤
(1) 多组分玻璃光纤：特点是纤芯-包层折射率变化 范围大，NA大，但材料损耗大；
第五章 光纤的制造工艺和光器件
1. 光纤的制造工艺 光纤的制作要求
制 造 应光 满纤 足的 材 料
（1）透明；
（2）能将其拉制成沿长度方向均匀分布 的具有纤芯-包层结构的细小纤维；
（3）能经受住所需要的工作环境。
所以，简单地说，光纤是将透明材料拉伸为细 丝制成的。
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光纤通信器件
第五章 光纤的制造工艺和光器件
渐变折射率材料有径向渐变和轴向渐变折射率材料，自聚焦 透镜是使用径向渐变折射率材料制成的透镜，其折射率分布式沿 径向渐变的柱状光学透镜。具有准直、聚焦和成像功能。
光线在空气中传播当遇到不同介质时，由于介质的折射率不 同会改变其传播方向。传统的透镜成像是通过控制透镜表面的曲 率，从而完成聚焦和成像功能的。
光纤预制棒的制作
光纤预制棒简称光棒，是一种在横截面上有一 定折射率分布和芯/包比的的透明的石英玻璃棒。根 据折射率的不同光棒可从结构上分为芯层和包层两 个部分，其芯层的折射率较高，是由高纯SiO2材料 掺杂折射率较高的高纯GeO2材料构成的，包层由高 纯SiO2材料构成。
光纤预制棒制备工艺2-PPT文档资料
SiO2光纤预制棒制备工艺
材料工程系教师：刘永超
主要内容
1、光纤预制棒的结构 2、管内化学气相沉积法 3、微波等离子体化学气 相沉积法 4、管外化学气相沉积法
1、光纤预制棒的结构
饵棒(中心棒) 粉层状 预制棒 喷 嘴 O2+SiCl4+GeCl4蒸汽 玻璃微粒
粉层沉积 粉状预制棒 玻璃预制棒 加热炉
管内化学气相沉积法工艺示意图
2.1 MCVD 法光纤预制棒的制棒工 艺 沉积+烧结
步骤1 步骤2
步骤3 步骤4 步骤5
通入O2或是Ar
启动玻璃车床 高温加热 左右移动喷灯
将卤化物带入玻璃管内
玻璃管以几十转/分钟进行旋转 生成玻璃氧化物粉尘 SiO2-GeO2和SiO2 生成多层透明的玻璃薄膜 制成致密透明的玻璃棒
4.管外化学气相沉积法（OVD)
OVD 法的反应机理为火焰水解，即所需 的玻璃组份是通过氢氧焰或甲烷焰水解卤化物 气体产生“粉尘”逐渐地沉积而获得。
OVD 法工艺示意图
4.1 反应机理
火焰水解反应： 2H2+O2 ==2H2O 或 CH4+2O2 ==2H2O+CO2 芯层： SiCl4(g)+2H2O == SiO2(s)+4HCl(g) GeCl4(g)+2H2O == GeO2(s)+4HCl(g) 或 SiCl4(g)+H2O ==SiO2(s)+2HCl+Cl2(g) GeCl4(g)+H2O ==GeO2(s)+2HCl+Cl2(g) 包层： SiCl4(g)+ H2O == SiO2+4HCl 2BCl3(g)+3H2O ==B2O3+6HCl
光纤预制棒生产工艺
光纤预制棒生产工艺光纤预制棒是一种用于制造光纤连接器和光纤封装芯子的重要材料。
其生产工艺包括原材料准备、光纤预处理、预制棒加工、光纤接头组装和成品检测等环节。
首先是原材料准备。
光纤预制棒采用的主要材料包括光纤、辅助材料和包覆材料。
光纤是光纤预制棒的核心材料，需要在准备阶段进行裁剪和清洁。
辅助材料主要是一些胶水和填充物等，用于固定光纤和增加预制棒的强度。
包覆材料则用于包覆光纤和辅助材料，以保护光纤的性能和稳定性。
接下来是光纤预处理。
光纤在预制棒生产之前需要进行一系列处理，包括光纤覆铝、去包覆、剥皮、修切、打磨等工艺。
这些处理过程可以提高光纤的质量和稳定性，同时也方便后续工艺的操作。
然后是预制棒加工。
预制棒加工是将光纤和辅助材料组合在一起，形成一个整体的过程。
该过程主要包括衬垫制备、粘接材料的涂布、搓揉和成型等步骤。
衬垫的制备是为了提供一个平整的工作表面，方便后续的涂布和粘接。
粘接材料的涂布是将胶水均匀地涂布在光纤上，并将辅助材料贴合在上面。
搓揉和成型则是将光纤和辅助材料进行充分的混合和塑造，以确保预制棒的质量。
接着是光纤接头组装。
光纤接头组装是将预制棒连接到光纤封装芯子上，形成完整的连接器。
该过程主要包括光纤封装芯子的安装和预制棒的固定。
光纤封装芯子的安装是将光纤插入封装芯子中，并进行精确的定位和固定。
预制棒的固定则是使用胶水或其他固定材料将预制棒牢固地粘合在封装芯子上。
最后是成品检测。
成品检测是对光纤预制棒进行质量检测和性能测试，以确保其符合相关标准和要求。
成品检测包括外观检查、尺寸检测、光学性能测试等。
只有经过严格的成品检测，才能保证光纤预制棒的质量和可靠性。
综上所述，光纤预制棒的生产工艺涵盖了原材料准备、光纤预处理、预制棒加工、光纤接头组装和成品检测等多个环节。
每个环节都需要严格控制和操作，才能生产出高质量的光纤预制棒。
光纤预制棒制备工艺2
玻璃层
快速移动，使沉积厚度减少， 有利于控制折射率分布 快速来回移动的微波谐振腔 (2.45 GHz，8米/分钟)
光纤预制棒制备工艺2
1)不用氢氧火焰加热沉积，沉积温度低于相应的 2) 热反应温度，石英包管不易变形；
2) 控制性能好，由于气体电离不受包管的热容量 限制，所以微波加热腔体可以沿石英包管作快 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的接近理想分布的折射率剖 面以获得宽的带宽；
玻璃预制棒 加热炉
拉制光纤
氯
化氯 亚气
烧结工艺中 通入气体
氮 气
砜
主要是起到脱水 作用，本质除去
里面的OH-
主要是起到除泡 剂的作用，除去
残留的气体
SOCl2和Cl2进行脱水处理反应方程式：
(1) (≡Si-OH)+SOCl2== (≡ Si-Cl)+HCl +SO2 (2) H2O+SOCl2== 2HCl +SO2 (3) 2Cl2+2H2O ==4HCl +O2
3) 光纤的几何特性和光学特性的重复性好，适于 批量生产，沉积效率高，对SiCl4等材料的沉积效 率接近100%，沉积速度快，有利于降低生产成本。
光纤预制棒制备工艺2
OVD 法的反应机理为火焰水解，即所需 的玻璃组份是通过氢氧焰或甲烷焰水解卤化物 气体产生“粉尘”逐渐地沉积而获得。
OVD 法工艺示意图
加热炉 1400度
玻璃预制棒 预制棒烧结
玻璃预制棒 加热炉
拉制光纤
如何解决
?
原料纯度要求高 几何尺寸要求精度高
化学气相沉积法
折射率纤芯大于包层
气相沉积工艺中选用高纯度的氧气作为载 气，将汽化后的卤化物气体带入反应区，从 而可进一步提纯反应物的纯度，达到严格控 制过渡金属离子和OH-羟基的目的。
光纤预制棒PPT课件
8. 在电脑主操作面上的〔自动启动运行设定〕中选择〔一次 涂覆压力〕和〔二次涂覆压力〕为[自动]
拉丝操作步骤四（涂覆和加速）
1.涂覆开始和加速
9. 按住收线机上B盘一侧的〔线盘闭〕，直至闪烁指示灯灭。 然后按住控制柜上的收线[自动]按钮，光纤将自动缠绕在 收线机B盘上
可重新穿丝） 11. 光纤穿过二次固化UV固化灯时，半关闭UV
固化灯门，注意：光纤不要摩擦灯门 12.光纤穿过二次UV固化灯底门后，卸下牵坠用
手牵引使光纤经过导向轮、张力轮，然后到达 牵引轮。打开牵引轮保护盘，并将光纤导入牵 引轮和传送带之间后，打开辅助牵引轮，再按 下吸引器〔开〕，使吸尘器吸入光纤 13.设定预制棒〔推进速度〕为3mm/min。 14.按下电控柜上〔牵引盘〕中的〔加速〕，提高 牵引速度，同时升高炉温并保持光纤直径为 135±5µm。
④ 用手牵引光纤端头使其变细(约200um)，按下辅助牵引轮 控制盒上的[关]，合上辅助牵引轮, 由辅助牵引轮挟持并牵 引光纤，同时，将一废纤盒放在辅助牵引轮下收集光纤
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 同心度监控仪
UV固化灯 纤径测量仪
套管
电极
Ar
退火管
顶盖 冷却 水 中心管
炉底门
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
光纤预制棒制造工艺
3/16/2014
四种工艺在制棒方面的区别
制棒
优势
劣势
OVD：
VAD：
芯棒与包层 沉积速度
芯棒与包层 沉积速度
折射率控制
折射率控制
MCVD：
PCVD：
MCVD工艺是1974年由美国AT&T公司贝尔实验室的Machesney等人开发
的经典工艺。MCVD工艺为朗讯等公司所采用的方法。MCVD工艺是一种以氢
氧焰热源，发生在高纯度石英玻璃管内进行的气相沉积。MCVD工艺的化学 反应机理为高温氧化。MCVD工艺是由沉积和成棒两个工艺步骤组成。沉积 是获得设计要求的光纤芯折射率分布，成棒是将巳沉积好的空心高纯石英玻 璃管熔缩成一根实心的光纤预制棒芯棒。现MCVD工艺采用大直径合成石英
离子使流进高纯石英玻璃沉积管内气态卤化物和氧气在大约1000C°的高
温下直接沉积成设计要求的光纤芯玻璃组成。成棒则是将沉积好的石英玻
璃管移至成棒用的玻璃车床上，利用氢氧焰高温作用将该管熔缩成实心的
光纤预制棒芯棒。
PCVD （Plasma Chemical Vapor Deposition射率控制
沉积速度
沉积速度
当前的预知棒制造多采用组合工艺。
玻璃管和外包技术，例如用火焰水解外包和等离子外包技术来制作大预制棒。
这些外包技术弥补了传统的MCVD工艺沉积速率低、几何尺寸精度差的缺点， 提高了质量、降低了成本，增强了MCVD工艺的竞争力。
MCVD （Modifield Chemical Vapour Deposition)--改进的化学气相沉积法
OVD法制备光纤预制棒
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1计算出理论套
管的直径D： D=d/c 1
（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、模场直径等光学性能 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才能保证光纤 的几何参数符合相关标准。通过大量的对比试验，目前 选取的c值为0.05~1.5之间。
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 部气相沉积法（OVD）、气相轴向沉积法 （VAD）、改良的化学气相沉积法 （MCVD）、微波等离子体化学气相沉积法 （PCVD）。
OVD法制备光纤预制棒简介
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办法 • 光纤预制棒的发展趋势
什么是光纤预制棒
• 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和几何尺寸。 典型的光纤预制棒直径约为10~25mm，长 度为60~120cm。
• OVD法即外部气相沉积法，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。
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4.2 OVD 法制备光纤预制棒的工艺
沉积工艺 + 烧结工艺
饵棒(中心棒)
粉层状
喷
预制棒
嘴
O2+SiCl4+GeCl4蒸汽 玻璃微粒
芯
包层
粉状预制棒
粉层沉积 粉状预制棒
加热炉 1400度
4.1 反应机理
火焰水解反应： 2H2+O2 ==2H2O 或 CH4+2O2 ==2H2O+CO2
芯层： SiCl4(g)+2H2O == SiO2(s)+4HCl(g) GeCl4(g)+2H2O == GeO2(s)+4HCl(g) 或 SiCl4(g)+H2O ==SiO2(s)+2HCl+Cl2(g) GeCl4(g)+H2O ==GeO2(s)+2HCl+Cl2(g)
在脱水后，经高温作用，松疏的多孔质玻璃沉积体被烧结 成致密、透明的光纤预制棒，抽去靶棒时遗留的中心孔也被烧 成实心。
OVD法的 优点
OVD法的 缺点
沉积速度快，体 积大
不需要套管且 OH-含量很低
精度高、成本低、 适合大规模生产
抽取靶棒时，折射率 分布发生混乱
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SiO2 SiF4
B2O3
沉积物n2
小
SiO2 GeO2
P2O5
沉积物n1
大
n1大于n2 ，最终实现光的全反射
2.2 MCVD法存在的问题与对策
问题一：热膨胀系数
不同，收缩产生裂纹。
问题二：掺杂剂分解升华,
导致折射率下降
严格控制掺杂 剂含量
补偿法 腐蚀法
3 微波等离子体化学气相沉积法
3.1 PCVD 法的反应机理
玻璃预制棒 预制棒烧结
玻璃预制棒 加热炉
拉制光纤
氯
化氯 亚气
烧结去
里面的OH-
主要是起到除泡 剂的作用，除去
残留的气体
SOCl2和Cl2进行脱水处理反应方程式：
(1) (≡Si-OH)+SOCl2== (≡ Si-Cl)+HCl +SO2 (2) H2O+SOCl2== 2HCl +SO2 (3) 2Cl2+2H2O ==4HCl +O2
拉制光纤
如何解决
?
原料纯度要求高 几何尺寸要求精度高
化学气相沉积法
折射率纤芯大于包层
气相沉积工艺中选用高纯度的氧气作为载 气，将汽化后的卤化物气体带入反应区，从 而可进一步提纯反应物的纯度，达到严格控 制过渡金属离子和OH-羟基的目的。
2、管内化学气相沉积法(MCVD) 2.1 MCVD法制备光纤预制棒工艺
制成致密透明的玻璃棒
沉积内包层方程式：
SiCl4＋O2 ==SiO2＋2Cl2 SiCl4＋CF2CL2 ==SiF4＋2CO2＋2CL2 4BBr3＋3O2==2B2O3＋6Br2
沉积芯层方程式：
SiCl4＋O2 ==SiO2＋2Cl2 GeCl4＋O2 == GeO2＋2Cl2 2POCl3＋4O2==2P2O5＋3Cl2
管内化学气相沉积法工艺示意图
2.1 MCVD 法光纤预制棒的制棒工
艺 沉积+烧结
步骤1 通入O2或是Ar 步骤2 启动玻璃车床 步骤3 高温加热 步骤4 左右移动喷灯
将卤化物带入玻璃管内 玻璃管以几十转/分钟进行旋转
生成玻璃氧化物粉尘 SiO2-GeO2和SiO2 生成多层透明的玻璃薄膜
步骤5 高温烧结
3) 光纤的几何特性和光学特性的重复性好，适于 批量生产，沉积效率高，对SiCl4等材料的沉积效 率接近100%，沉积速度快，有利于降低生产成本。
4.管外化学气相沉积法（OVD)
OVD 法的反应机理为火焰水解，即所需 的玻璃组份是通过氢氧焰或甲烷焰水解卤化物 气体产生“粉尘”逐渐地沉积而获得。
OVD 法工艺示意图
主要内容
1、光纤预制棒的结构 2、管内化学气相沉积法 3、微波等离子体化学气
相沉积法 4、管外化学气相沉积法
1、光纤预制棒的结构
饵棒(中心棒)
粉层状 预制棒
喷 嘴
O2+SiCl4+GeCl4蒸汽 玻璃微粒
芯
包层
粉状预制棒 剖面
粉层沉积 粉状预制棒
加热炉 1400度
玻璃预制棒 预制棒烧结
玻璃预制棒 加热炉
直接玻璃沉积 不需高温烧结 反应管不易变形
等离子体
排气口
1000~1200度
玻璃层
快速移动，使沉积厚度减少， 有利于控制折射率分布 快速来回移动的微波谐振腔 (2.45 GHz，8米/分钟)
3.2 PCVD 法工艺的优点
1)不用氢氧火焰加热沉积，沉积温度低于相应的 热反应温度，石英包管不易变形；
2) 控制性能好，由于气体电离不受包管的热容量 限制，所以微波加热腔体可以沿石英包管作快 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的接近理想分布的折射率剖 面以获得宽的带宽；
微波谐振
等离子体
非等温混合态
低压气体激发，里面含 有电子、分子、原子、 离子
各种粒子重新结合，释放出 的热量足以熔化蒸发低熔点 低沸点的反应材料SiCl4和 GeCl4等化学试剂，形成气相 沉积层。
产生大量热
熔融石英管
沉积效率高、沉积
速度快有利于消除
包层沉积过程中的 微观不均匀
反应物质
SiCl4 + O2 + 参杂物质