光纤预制棒
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
我国光纤预制棒产业的“瓶颈”、机遇和突破
包层技术 ，是 决定预制 棒成本 的要 素 ，
技术 单一 ，大 规模低 成本生产 是它 的特
二、 “ 瓶颈 ”、机遇和突破
１ 光纤预制棒产业的 瓶颈 ．
征 。因此 ，要 用芯棒 制造技 术加上 外包 层技 术才 能全面 说明 当前 光纤预制 棒制
Ｐ Ｖ ＋ Ｉ （ ｏ ｎ Ｃ ｌ ｎ ｅ ）技 术及 设 Ｃ Ｄ Ｒ Ｃ Ｒ ｄ Ｉ ｙ ｄ ｒ ｉ 备 ， 实现 Ｐ Ｖ 芯 棒 产 业 化 ￣ Ｒ Ｃ （ ｏ ｎ ＣＤ ｎ Ｉ Ｒ ｄ Ｉ
武汉长飞
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由单一光纤品种发展到单模系列、多模系
列 、特纤 系 列数 十 个 品种 ， 由原来 有 限规
烽火通信
ＰＶ／Ｖ／Ｉ ＣＤＯＤＲＴ
１０ ０
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步 形 成 了 多种 生产 工艺 的 业群 体 。 ０ 年 各 企 业 对 外 公 布 数 据 的 统 计 ５
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ห้องสมุดไป่ตู้
我 国国产 光棒 的份 额一直徘 徊在 ｌ —— 度大 ，掌握周期长的特点 。而第二步一外 ０
２ ％ 年 水 平 线 上 。 （ 图 ３ ５／ 见 ）
生产外套管 （ ）的投资，但是，高纯度 筒 沉积 用石 英管和全 合成石 英套管 （ ） 筒
伞 合成 外 沉 积 （Ａ ＋ Ｖ ）技 术 及 设 备 ， ＶＤＯＤ
光纤预制棒制造过程及方法
光纤预制棒制造过程及方法1、光纤发展史介绍20世纪60年代（激光器发明）20世纪70年代（美国康宁公司研制出第一根衰耗小于20dB/km的光纤）光纤预制棒从最初的阶跃型多模光纤预制棒发展到如今几乎涵盖各个通信场景的光纤类型的预制棒几何直径最初不到10mm发展到200mm以上——大大降低了光纤制造成本2、制造方法化学法：起源于20世纪70年代的气相沉积（Vapor deposition process）系列方法和Sol-Gel法。
气相沉积系列方法包含著名的改良的化学气相沉积工艺MCVD，外部气相沉积工艺OVD，气相轴向沉积工艺VAD和微波等离子体化学气相沉积工艺PVCD，其中MCVD法后来进一步发展成为FCVD。
物理法：基于传统的直接熔融玻璃制造技术，将达到一定纯度级别的石英砂在高温下融实成透明的玻璃，主要方法有法国Alcatel公司于20世纪70年代开发的APVD工艺，另外芬兰Nextrom公司于2008年报道的Sand技术，物理熔融方法在纯度和掺杂上的不足使该技术主要用于光纤预制棒包层的制备。
1980年后随着单模光纤的大规模生产和应用，结合上述各工艺的技术特点以及光纤预制棒芯包层在材料结构，成本结构上的不同要求，光纤预制棒的制备工艺逐步由当初一步法制备用于拉丝的预制棒发展成为分别采用优化的工艺制备芯棒和包层然后再复合的混合工艺。
芯棒和包层的复合方法又主要包含套管法RIT和RIC以及直接外喷法VAD，OVD和APVD等。
MCVD工艺是由美国贝尔实验室于1973年发明的，属于内部气相沉积工艺。
用于沉积的衬管两端分别与化学原料供应系统和反应尾气收集系统相连，置于衬管底部的可移动热源为化学反应，沉积以及熔缩提供热量。
用于通信光纤预制棒生产的原料气体有SiCl4，Gecl4和高纯度O2，此外根据预制棒类型以及工艺需求掺入POCl3，Cl2，He，CF2Cl2和BCl3等辅助原料气体。
尾气收集系统主要包括真空泵和用于处理和收集Cl2，HCl以及二氧化硅粉末的中和洗涤装置。
光纤的生产工艺
光纤的生产工艺光纤是用纤维材料制作而成的导光装置，广泛应用于通信、医疗、航天、工业等领域。
其生产工艺主要包括光纤预制棒制备、光纤拉丝和光纤涂覆等步骤。
首先，光纤预制棒制备是光纤生产的第一步，也是最为关键的一步。
预制棒的制备过程主要包括材料准备、预臂棒成型、磨削和烧结等步骤。
首先，根据光纤的需要选择适当的材料，如石英玻璃、高纯度单晶体等。
然后，将材料研磨成粉末，加入适量的添加剂，并混合均匀。
接下来，将粉末放入预臂棒模具中，通过振荡、挤压等方法制成棒状。
最后，将预臂棒进行磨削和烧结处理，使其具有光学所需的优良性能。
其次，光纤拉丝是光纤生产的核心步骤。
拉丝过程主要包括预拉丝、细拉丝和定形三个阶段。
首先，将预制棒放入拉丝炉中进行预热。
然后，将预热后的预制棒通过轮子式拉丝机进行拉丝，拉出较细的光纤。
拉丝过程需要控制温度、速度和拉力等参数，以保证光纤的质量和尺寸。
在细拉丝阶段，通过不断减小拉丝孔口的尺寸，使光纤的直径得到进一步细化。
最后，在定形阶段，将拉出的细拉丝进行冷却和定型，使其稳定成型，并进行必要的切割和打磨等处理。
最后，光纤涂覆是为了保护光纤并改变其光学特性。
涂覆过程主要包括涂覆材料准备、涂覆罩和固化等步骤。
首先，根据需求选择适当的涂覆材料，如聚合物等。
然后，将涂覆材料加热融化，并通过涂覆罩涂覆在拉丝好的光纤表面。
涂覆罩的形状和尺寸应与光纤的直径相匹配。
最后，在涂覆好的光纤上进行固化处理，使涂层硬化成薄膜状，并保证其精确的位置和厚度。
总的来说，光纤的生产工艺是一个复杂且精密的过程，需要掌握多种技术和工艺流程。
通过光纤预制棒制备、光纤拉丝和光纤涂覆等步骤，可以得到质量优良的光纤产品，满足各种应用领域的需求。
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拉丝操作步骤四（涂覆和加速）
1.涂覆开始和加速
5. 当二涂层直径测量仪显示光纤直径在220um以上时，用 手牵引光纤，将光纤挂线到舞蹈轮后到达收线机传动轮， 保持吸尘器在收线机A盘一侧继续吸引光纤 6. 按下控制柜上的[加速]按钮使速度提高到25m/min，同 时保持光纤的直径大约125±5µm，并继续升高炉温 2175ºC。 7. 启动第一次涂覆。确定气控柜上第一次涂覆CO2流量，确 定一次涂覆初始压力，确定气控柜上一次涂覆UV固化灯 氮气喷入和喷出流量. 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]
预制棒的预处理
预制棒
预制棒和把棒连接
氢氧焰
氢氧焰
拉丝塔工艺控制过程
拉丝塔主要部件介绍（送棒机构）
XY
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
拉丝塔各部件介绍（拉丝炉）
普通光纤拉丝塔
特种光纤拉丝塔
光纤直径控制Βιβλιοθήκη 理已知在正常状态，若预制棒的馈送速度 为V送，光纤的拉丝速度为V拉,预制棒的外径 为D，裸光纤的外径为d。 熔化前的棒体容积： [π*(D/2）²](*V送*t) 等于熔化拉丝后光纤的容积： [π*(d/2）²](*V拉*t)
化简后关系： V拉=V送*D² /d²
⑧
⑨ ⑩
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。
拉丝操作步骤一（动力供给）
收线轮
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
导向轮 张力 测量轮 牵引轮
拉丝操作步骤四（涂覆和加速）
1.涂覆开始和加速
1. 打开UV固化灯和送排风开关。 2. 检查并确定主控柜上[一次涂覆] 和[二次涂覆]树脂温 度 3. 当牵引速度为15m/min时，启动第二次涂覆。确定气 控柜上第二次涂覆CO2流量，确定二次涂覆初始压力, 确定气控柜上二次涂覆UV固化灯氮气喷入和喷出流量. 4. 根据直径测量仪的显示检查涂覆的进行情况，观察牵 引轮并判断涂覆进行是否顺利
制造商
缺点
1. 原料要求纯度高 2. 沉积速率低 1. 原料利用率低 2. 折射率剖面不够精确 1.折射率剖面粗糙 2.原料利用率低
结论
擅长制造纤芯 擅长制造包层， 纤芯制造仅次 于 PCVD 擅长制造包层
1.折射率剖面粗糙 2.原料利用率低
擅长制造包层
外部化学气相沉积法（OVD）
OVD实物图
等离子体管内化学气相沉积法（PCVD）
光纤的制造
光纤成品
芯层: SiO2+Ge+F 包层: SiO2+F 内涂覆层:丙烯酸树脂 外涂敷层:丙烯酸树脂
纤芯和包层是不可分离的，纤芯与包层合起来组成裸光纤。
光纤原理（全反射）
光纤的制造主要工艺步骤：
1 光纤预制棒制备 2 光纤拉丝（原材料：预制棒）
生产工艺
PCVD
MCVD
OVD
VAD
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 10.在控制柜上手动调整光纤的速度和炉温, 保持裸光纤的直 径为125±1µm。 11.当炉温升到运行温度（2100-2300ºC）,牵引速度大于 40m/min, 裸光纤的直径为125±1µm时，按下控制柜上 [牵引盘] 中的〔自动〕按钮和〔XY位置调整〕中的[自动] 按钮。 12.完全关闭UV固化灯光纤出入口的灯门。 13.在拉丝速度达到100m/min时，设定电脑主操作面上 〔母棒推进装置〕中拉丝速度〔自动〕，设定拉丝速度数 值为500m/min。
炉内壁
预制棒 间隙要均匀
卡盘 预制棒 加热炉 退火管 纤径测量仪
拉丝操作步骤二（拉丝炉升温）
3. 拉丝炉升温
① ② ③ ④ 在拉丝炉退火管下放一铁桶，将底门关闭 打开拉丝炉的电源 在辅助牵引轮下放一铁桶 设定预制棒母棒长和母棒直径的数值。其中，母 棒长=（预制棒有效长度+263）mm ⑤ 设定下料温度。使用新预制棒时，下料炉温应设 定到2150ºC；拉过丝的旧棒下料炉温设定到 2100 ºC。确定拉丝炉氩气流量设定正确；确定 〔拉丝炉〕中的气压和冷却水的指示灯均为绿色。 ⑥ 确定拉丝炉升温前检查各项正常后，按下主控柜 [拉丝炉]〔开〕，拉丝炉开始升温
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
导向轮 张力 测量轮 牵引轮 收线轮
拉丝操作步骤三（穿丝）
1.在辅助牵引轮处牵引
① 当炉温达到下料温度时，每5分钟左右稍微打开炉底门，用 有色玻璃片观察拉丝炉内光纤状态；如果发现拉丝光纤料头 从退火管中滴下，马上打开拉丝炉底门，进行下面操作，否 则，关闭炉底门 ② 料头直径小于10mm，不必剪断料头，让料头自然下落，当 在炉底门处的光纤直径大概在1-2mm时，关闭炉底门；如 果料头直径较大，则要用斜口钳剪断光纤,再用镊子夹住光 纤，轻轻往下拉，当在炉底门处的光纤直径大概在1-2mm 时，关闭炉底门。注意：不要碰到光纤。 ③ 当料头到辅助牵引轮处时，先将手放置在光纤旁，感觉光纤 是否冷却，如果光纤温度较高，不要用手触摸，而用斜口钳 往废纤盒内拉光纤，并将料头切掉；待光纤冷却可以用手触 摸时，再用手拉细光纤 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
筛选工艺及设备简介（筛选设备）
张力轮
放线轮
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
1.打开控制柜上的主开关 ，启动微机，显示光纤拉丝塔的主 操作界面 2.打开气体管路阀门，确定气控柜各种气体压力参数 （Ar、 N2、He、CO2和压缩空气） 3.打开冷却水阀门，确定冷却水压力和流量
拉丝操作步骤二（拉丝炉升温）
1.拉丝炉抽真空
Ar气
真空器
底门 炉底塞
① 安装炉顶盖 ② 插入炉底塞并用底门固定 ③ 在主操作界面上设置Ar气流量（上中下） ④ 当拉丝炉压力表读数为0时，按下手动控制 盒上的抽真空[开]， 当拉丝炉压力表读数 稳定在为-0.09MPa时，按下手动控制盒上 的Ar气〔开〕，使压力表从－0.09MPa升 到0。反复进行三次，完成抽真空操作 ⑤ 取出炉底塞，关闭炉底门。
经PCVD沉积好的管子在熔缩车床上熔缩成一实心预制棒
预制棒
拉丝
预制棒经拉丝，被拉成125µm 粗 细的光纤，并涂上二层树脂以保 护光纤的强度。
★ 芯径 单模光纤： <10um（长距离通信主干） 多模光纤： 50um/62.5um（通信局域网，一般是橘色外皮） ★包层直径 普通光纤：
125um
★涂覆层直径 普通光纤 内层 － 170～200um 外层 － 245um
最后工艺测试与包装
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。
卡盘
预制棒 加热炉 退火管 纤径测量仪
拉丝塔结构
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
环境条件 ： 洁净度：10000级 温度：20ºC－30 ºC 湿度：40%－70%
底门
卡盘 预制棒 加热炉
拉丝操作步骤三（穿丝）
2.穿丝
1. 安装涂覆器的模具。。 2. 一次穿丝。 3. 在辅助牵引轮的正下方剪断光纤，移走废纤盒， 在一次。 4. 涂覆器处开始穿丝。不要插入光纤太急，而要 缓慢插入。 5. 当光纤被卡住时，轻轻抽回光纤并进行重新 插入。 6. 在光纤顺利通过模具之后，从模具底部拉紧光 纤，并同时挂上牵坠。 7. 在光纤穿过一次固化UV固化灯时，半关闭UV 固化灯门，注意：光纤不要摩擦灯门。
优点 1.沉积层薄 2.工艺控制性强 POF, YOFC 3.折射率剖面精确 4.原材料利用率高 1.投资少 Lucent 2.操作运行较容易 3.工艺控制性好 1.沉积速率高 2.预制棒体积大 Corning 3.原料纯度要求较低 4.生产率高 1.沉积速率高 Japan 2.预制棒体积大 NTT 3.原料纯度要求较低 4.生产率高
拉丝操作步骤二（拉丝炉升温）
2.预制棒进给
XY
① 在把棒的顶端套两个喉箍 ② 用三角卡盘夹好预制棒把棒，并用2 公斤的力矩扳手将预制棒卡紧。 （如听到咔嗒一声即松，不得继续 用力以免夹裂把棒）去掉炉底塞， 关闭拉丝炉底门 ③ 揭开炉顶盖 ④ 在预制棒进给机构的开关盒上按下 [寸动下降]以降低预制棒。
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
导向轮 张力 测量轮 牵引轮 收线轮
卡盘 预制棒 加热炉 退火管 纤径测量仪
拉丝操作步骤三（穿丝）
2.穿丝
9. 二次穿丝 10. （在穿丝时光纤断过三次，应清理模具后才 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。