光纤与光缆技术.ppt

第四章 光纤制造工艺,第一节 工艺方法的分类第二节 气相沉积工艺第三节 非气相技术,一、概述1、光纤性能的影响因素：材料组成、结构、波导结构(折 射率分布)和制造工艺。,第一节 工艺方法的分类,2、光纤制造工艺要求(1)光纤的质量在很大程度上取决于原材料的纯度，用作原 料的化学试剂需严格提纯，其金属杂质含量应小于几 个ppb，含氢化合物的含量应小于1ppm，参与反应的 氧气和其他气体的纯度应为6个9（99.9999）以上。,ppb是表示液体浓度的一种单位符号。一般读作十亿分之一，即10的-9次方的代表符号。类似的还有ppm，ppt等，分别是-6次和-12次。,(2)光纤制造应在净化恒温的环境中进行，光纤预制棒、拉丝、测量等工序均应在10000级以上洁净度的净化 车间中进行。在光纤拉丝炉光纤成形部位应达100级 以上。光纤预制棒的沉积区应在密封环境中进行。光 纤制造设备上所有气体管道在工作间歇期间，均应充 氮气保护，避免空气中潮气进入管道，影响光纤性能。(3)光纤质量的稳定取决于加工工艺参数的稳定。光纤的 制备不仅需要一整套精密的生产设备和控制系统，尤 其重要的是要长期保持加工工艺参数的稳定，必须配 备一整套的用来检测和校正光纤加工设备各部件的运 行参数的设施和装置。,洁净度指洁净空气中空气含尘（包括微生物）量多少的程度。,通信光纤大都采用石英玻璃为基础材料，通过气相沉积 方法向基础材料掺杂(Ge、F)来改变折射率分布结构；由于石英玻璃的优异性能与气相沉积法能够精确地调整 折射率分布结构，所以目前多采用石英玻璃与气相沉积 法制造通信光纤。,3、工艺方法 一步法：预制棒的芯/包层都是由气相沉积工艺完成 二步法：气相沉积芯棒技术+外包技术(大尺寸的预制棒 可降低成本、提高生产效率),4、工艺分类方法(1)气相沉积技术 芯棒：外部化学气相沉积法(OVD)轴向化学气相沉积法(VAD)改进的化学气相沉积法(MCVD)等离子化学气相沉积法(PCVD),美国康宁公司在1974年开发成功，1980年全面投入使用。,美国阿尔卡特公司在1974年开发，又称管内化学气相沉积法,日本NTT公司在1977年开发,荷兰菲利浦公司开发,外包层：套管法 粉末法 等离子喷涂法,(2)非气相沉积技术：界面凝胶 机械挤压法 管束拉丝法 溶胶-凝胶 打孔拉丝法,第二节 气相沉积工艺,一、芯棒技术1、原理：将液态的SiCl4和GeCl4等卤化物气体，在一定条 件下进行化学反应而生成掺杂的高纯石英玻璃。可严格控制金属离子。,2、工艺流程,3SiO2光纤原料试剂与制备 制备SiO2石英系光纤的主要原料多数采用一些高纯度的液态卤化物化学试剂，如四氯化硅（SiCl4）、四氯化锗（GeCl4）、三氯氧磷（POCl3）、三氯化硼（BCl3）、三氯化铝（AlCl3）、溴化硼（BBr3）、气态的六氟化硫（SF6）、四氟化二碳(C2F4)等。这些液态试剂在常温下呈无色的透明液体，有刺鼻气味，易水解，在潮湿空气中强烈发烟，同时放出热量，属放热反应。,以SiCl4为例，它的水解化学反应式如下：,SiCl4+2H2O 4HCl+SiO2,SiCl4+4H2O H4SiO4(硅酸)+4HCl,SiCl4是制备光纤的主要材料，占光纤成分总量的8595。,Si+2Cl2 SiCl4,控制氯气的注量：反应为放热反应，炉内温度随着反应 加剧而升高，所以要控制氯气的注量，防止反应温度过 高，生成Si2Cl6和Si3Cl8。,SiCl4的制备可采用多种方法，最常用的方法是采用工业硅在高温下氯化制得粗SiCl4，化学反应如下：,4、SiO2光纤原料的提纯 经大量研究表明，用来制造光纤的各种原料纯度应达到99.9999，或者杂质含量要小于10-6。大部分卤化物材料都达不到如此高的纯度，必须对原料进行提纯处理。卤化物试剂目前已有成熟的提纯技术，如精馏法，吸附法或精馏吸附混合法。目前在光纤原料提纯工艺中，广泛采用的是“精馏吸附精馏”混合提纯法。,一般情况下，SiCl4中可能存在的杂质有四类：金属氧化物、非金属氧化物、含氢化合物和络合物。其中金属氧化物和某些非金属氧化物的沸点和光纤化学试剂的沸点相差很大，可采用精馏法除去，即在精馏工艺中把它们作为高、低沸点组分除去。然而，精馏法对沸点与SiCl4（57.6）相近的组分杂质及某些极性杂质不能最大限度的除去。例如：在SiCl4中对衰减危害最大的OH-离子，大多有极性，趋向于形成化学键，容易被吸附剂所吸收，而SiCl4是偶极矩为零的非极性分子。有着不能或者很少形成化学键的稳定电子结构，不易被吸附剂吸附，因此，利用被提纯物质和杂质的化学键极性的不同，选择适当的吸附剂，有效地选择性地进行吸附分离，可以达到进一步提纯极性杂质的目的。,常用的掺杂剂对石英玻璃折射率变化的作用,二、芯棒工艺,气相沉积法的基本工作原理：首先将经提纯的液态SiCl4和起掺杂作用的液态卤化物，并在一定条件下进行化学反应而生成掺杂的高纯石英玻璃。由于该方法选用的原料纯度极高，加之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。,1、改进的化学气相沉积法(MCVD),管内化学气相沉积法，是目前制作高质量石英系玻璃光纤稳定可靠的方法，它又称为“改进的化学气相沉积法”（MCVD）。MCVD法的特点是在一根石英包皮管内沉积内包皮层和芯层玻璃，整个系统是处于全封闭的超提纯状态，所以用这种方法制得的预制棒纯度非常的高，可以用来生产高质量的单模和多模光纤。,(1)系统组成,将一根石英玻璃管（20020mm）安装在卧式玻璃车床的两个同步旋转卡盘上，反应管的一端与化学原料供应系统相连，以便将各种化学原料按照流量进行混合并输入到反应管中，反应管的另一端与反应尾气及粉尘处理设备相连，反应管下方有喷灯，以可控的速度沿反应管纵向平移对其加热。,(2)工艺流程,1)沉积第一步 熔炼光纤预制棒的内包层玻璃制备内包层玻璃时，由于要求其折射率稍低于芯层的折射率。主体材料：四氯化硅（SiCl4）；低折射率掺杂材料：氟利昂（CF2Cl2）、六氟化硫；载气：O2或Ar；辅助材料：脱泡剂（He）、干燥剂（三氯氧磷POCl3或 Cl2）。,首先利用超纯氧气O2或氩气Ar作为载运气体，通过蒸发瓶将已汽化的饱和蒸气SiCl4和掺杂剂(CF2Cl2)经气体转输装置导入石英包皮管中，这里，纯氧气一方面起载气作用，另一方面起反应气体的作用，它的纯度一定要满足要求。然后，启动玻璃车床，以几十转/分钟的转速使其旋转，并用14001600高温氢氧火焰加热石英包皮管的外壁，氢氧喷灯按一定速度左右往复地移动，氢氧火焰每移动一次，就会在石英包皮管的内壁上沉积一层透明的SiO2-SiF4玻璃薄膜，厚度约为810m。不断从左到右缓慢移动，然后，快速返回到原处，进行第二次沉积，重复上述沉积步骤，那么在石英包皮管的内壁上就会形成一定厚度的SiO2-SiF4玻璃层，作为SiO2光纤预制棒的内包层。反应过程中产生的氯气和没有充分反应完的原料均被从石英包皮管的另一尾端排出，并通过废气处理装置进行中和处理。,高温氧化,温高氧化,在内包层沉积过程中，可以使用的低折射率掺杂剂有CF2Cl2、SF6、C2F4、B2O3等，其氧化原理与化学反应方程式如下：,SiCl4O2 SiO22Cl2,SiCl42O22CF2Cl2 SiF42Cl2 2CO2,第二步 熔炼芯层玻璃 光纤预制棒芯层的折射率比内包层的折射率要稍高些，可以选择高折射率材料（四氯化锗GeCl4）作掺杂剂，熔炼方法与沉积内包层相同。用超纯氧（O2）气把蒸发瓶1、2中已汽化的饱和蒸气SiCl4、GeCl4 等化学试剂经气体输送系统送入石英包皮管中，进行高温氧化反应，形成粉末状的氧化物或SiO2-GeO2，并沉积在气流下漩的内壁上，氢氧火焰经过的地方，就会在包皮管内形成一层均匀透明的氧化物SiO2-GeO2沉积在内包层SiO2-SiF4玻璃表面上。经一定时间的沉积，在内包层上就会沉积出一定厚度的掺锗（GeO2）玻璃，作为光纤预制棒的芯层。,高温氧化,高温氧化,沉积芯层过程中，高温氧化的原理与化学反应方程式如下：,SiCl4 O2 SiO22Cl2,GeCl4O2 GeO22Cl2,2)熔缩：芯层经数小时的沉积，石英包皮管内壁上已沉积 相当厚度的玻璃层，已初步形成了玻璃棒体，只 是中心还留下一个小孔。为制作实心棒，必须加 大加热包皮管的温度，使包皮管在更高的温度下 软化收缩，最后成为一个实心玻璃棒。为使温度 升高，可以加大氢氧火焰，也可以降低火焰左右 移动的速度，并保证石英包皮管始终处于旋转状 态，使石英包皮管外壁温度达到1800。原石英 包皮管这时与沉积的石英玻璃熔缩成一体，成为 预制棒的外包层。,由于光脉冲需经芯层传输，芯层剖面折射率的分布型式 将直接影响其传输特性，那么如何控制芯层的折射率呢？答：芯层折射率的保证主要依靠携带掺杂试剂的氧气流量 来精确控制。在沉积熔炼过程中，由质量流量控制器 调节原料组成的载气流量实现。,(3)优缺点优点：管内反应，杂质不容易进入，易生成低损耗光纤；折射率的分布容易得到精密控制；试剂的蒸汽压大；缺点：棒形不成太大尺寸；沉积效率低；沉积速度慢；如沉积过程掺杂试剂过多，导致玻璃的膨胀系数 不一致，收缩成棒时，棒内玻璃易断裂；收缩成棒时，GeCl4易升华，使折射率容易形成凹 陷。,2、外部化学气相沉积法(OVD),管外化学气相沉积法，简称OVD法。于1974年，由美国康宁公司的Kcpron先生等研究发明，1980年全面投入应用的一种光纤预制棒制作工艺技术。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。,(1)系统组成,OVD法工艺示意图,(2)工艺流程,1)沉积 OVD法的沉积顺序是先沉积芯层，后沉积包层，所用原料完全相同。沉积过程首先需要一根母棒，如母棒用氧化铝陶瓷或高纯石墨制成，则应先沉积芯层，后沉积包层，如母棒是一根合成的高纯度石英玻璃时，这时只需沉积包层玻璃。在OVD工艺中，氢氧火焰固定而靶棒边旋转边来回左右移动，然后，将高纯度的原料化合物，如SiCl4，GeCl4等，通过氢氧焰或甲烷焰火炬喷到靶棒上，高温下，水解产生的氧化物玻璃微粒粉尘，沉积在靶棒上。正是靶棒沿纵向来回移动，才可以实现一层一层地沉积生成多孔的玻璃体。光纤芯层和包层的沉积层沉积量满足要求时（约200层），即达到所设计的多孔玻璃预制棒的组成尺寸和折射率分布要求，沉积过程即可停止。通过改变每层的掺杂物的种类和掺杂量可以控制折射率分布。,在OVD法的化学反应中，不仅有从化学试剂系统中输送来的气相物质，还有火炬中的气体，而燃料燃烧产生的水也成为反应的副产品，而化学气相物质则处于燃烧体中间，水份进入了玻璃体，故称为火焰水解反应。,芯层：,SiCl4+2H2O SiO2+4HCl,GeCl4+2H2O GeO2+4HCl,包层：,Sicl4+H2O SiO2+4HCl,2BCl3+3H2O B2O3+6HCl,2H2+O2 2H2O,或 CH4+2O2 2H2O+CO2,火焰水解反应：,反应原理和化学反应方程式如下：,2)烧结工艺当沉积工序完成后，抽去中心靶棒，将形成的多孔质母体送入一高温烧结炉内，在14001600的高温下，进行脱水处理，并烧缩成透明的无气泡的固体玻璃预制棒，这一过程称为烧结。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。,在烧结期间，要不间断的通入氯气、氧气、氮气和氯化 亚砜（SOCl2）组成的干燥气体，并喷吹多孔预制棒，使残留水分全部除去。氮气的作用：渗透到多孔玻璃质点内部排除预制棒中残留 的气体；氯气和氯化亚砜作用：脱水，除去预制棒中残留的水分。氯气、氯化亚砜脱水的实质是将多孔玻璃中 的OH-置换出来，经脱水处理后，可使石英 玻璃中OH-的含量降低1PPb左右，保证光 纤低损耗性能要求。,(3)优缺点优点：生产效率高，其沉积速度是MCVD法的10倍；光纤预制棒的尺寸不受母棒限制，尺寸可以做得很大，生产 出的大型预制棒可重达23Kg，甚至更重，可拉制100 200Km或更长的光纤；不需要高质量的石英管作套管；全部预制棒材料均由沉积工艺生成，棒芯层中OH-的含量很 低，可低于0.01PPm；由于沉积是中心对称，光纤几何尺寸精度非常高，易制成损 减少，强度高的光纤产品；可进行大规模生产，生产成本低。缺点：采用氧化铝陶瓷或高纯石墨作靶棒，在抽去靶棒时，将引起预 制棒中心层折射率分布紊乱，而导致光纤传输性能的降低。,3、轴向化学气相沉积法(VAD),轴向气相沉积法，简称VAD法。于1977年，由日本电报电话(NTT Lab)公司茨城电气通信研究所的伊泽立男等人发明。VAD法的反应机理与OVD法相同，也是由火焰水解生成氧化物玻璃。,(1)系统组成,轴向气相沉积法工艺示意图,与OVD法有两个主要区别：1)靶棒沉积方向是垂直的，氧化物玻璃沉积在靶棒的下端；2)芯层和包层玻璃同时沉积在靶棒上，预制棒折射率剖面分 布型式是通过沉积部位的温度分布、氢氧火焰的位置和角 度、原料饱和蒸气的气流密度的控制等多因素来实现的。从工艺原理上而言，VAD法沉积形成的预制棒多孔母材向上提升即可实现脱水、烧结，甚至进而直接接拉丝成纤工序，所以这种工艺的连续光纤制造长度可以不受限制，这也是此工艺潜能所在。,(2)工艺流程,VAD法光纤预制棒的制备工艺同样有二个工序：沉积和烧结。且二个工序是在同一设备中不同空间同时完成。,1)沉积工序首先将一根靶棒垂直放置在反应炉上方的夹具上，并旋转靶棒底端面接受沉积的部位，用高纯氧载气将形成的玻璃卤化物(SiCl4，GeCl4)饱和蒸气带至氢氧喷灯和喷嘴入口，在高温火焰中水解反应，生产玻璃氧化物粉尘SiO2-GeO2和SiO2，并沉积在边旋转边提升的靶棒底部内、外表面上，随着靶棒端部沉积层的逐步形成，旋转的靶棒应不断向上提升，使沉积面始终处于同一个位置。最终沉积生成具有一定机械强度和孔隙率圆柱形的多孔预制棒。,整个反应必须在反应炉中进行，通过保持排气的恒速来保证氢氧焰的稳定。为获得所设计的不同芯层和包层的折射率分布，可以通过合理设计氢氧喷灯的结构、喷灯与靶棒的距离、沉积温度和同时使用几个喷灯等措施来实现。例如，在制作单模光纤预制棒时，由于包层很厚(2a=8.39.6um，2b=125um)，可以用三个喷灯火焰同时沉积，一个火焰用于沉积芯层，另外二个用于沉积包层。在芯层喷灯喷嘴处通入SiCl4、GeCl4，水解生成SiO2-GeO2玻璃粉尘，而在包层喷灯喷嘴处只通入SiCl4，水解生成SiO2玻璃粉尘，并使它们沉积在相应的部位，这样可得到满足折射率要求的光纤预制棒。,2)烧结工序：随着沉积的结束，多孔预制棒沿垂直方向提升到反应炉的上部石墨环状加热炉中，充入氯气Cl2，氢气H2，以及氯化亚砜(SOCl2)进行脱水处理并烧结成透明的玻璃光纤预制棒。,(3)VAD法的工艺特点：依靠大量的载气送化学试剂的气体通过氢氧火焰，大幅度的提高氧 化物粉尘(SiO2，SiO2-GeO2)的沉积速度。它的沉积速度是MCVD法 的10倍；一次性形成纤芯层和沉积包层的粉尘棒，然后对粉尘棒分段熔融，并通入氢气、氯气以及氯化亚砜进行脱水处理并烧结成透明的预制 棒。工序紧凑，简洁，且潜在发展很大；对制备预制棒所需的环境洁净度要求高，适于大批量生产，一根棒 可拉数百公里的连续光纤；可制备多模光纤，单模光纤且折射率分布截面上无MCVD法中的中 心凹陷，克服了MCVD法对光纤带宽的限制。此工艺程序多，氢氧喷灯采用的多，38个，对产品的总成品率有 一定的影响，成本是OVD法的1.6倍。,4、等离子体化学气相沉积法 微波等离子体化学气相沉积法，简称为PCVD法，1975年，由荷兰菲利浦公司的Koenings先生研究发明。PCVD法与MCVD法工艺十分相似，都是采用管内气相沉积工艺和氧化反应，所用原料相同，不同之处在于反应机理的差别。PCVD法的反应机理是将MCVD法中的氢氧火焰加热源改为微波腔体加热源。将数百瓦千瓦级的微波（f2450MHz）功率送入微波谐振腔中，使微波谐振腔中石英包皮管内的低压气体受激产生等离子体，形成辉光放电，使气体电离，等离子体中含有电子、原子、分子、离子，是一种混合态，这些粒子在石英包皮管内远离热平衡态，电子温度可高达10000K，而原子、分子等粒子的温度可维持在几百度甚至是室温，是一种非等温等离子体，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。,(1)工艺过程 PCVD法制备光纤预制棒的工艺有两个工序，即沉积和成棒。沉积工艺是借助1Kpa的低压等离子体使注入石英包皮管内气体卤化物（SiCl4，GeCl4）和氧气，在约1000下直接沉积一层所设计成份玻璃层，PCVD法每层沉积层厚度约1um，沉积层数可高达上千层，因此它更适合用于制造精确和复杂波导光纤，例如：带宽大的梯度型多模光纤和衰减小单模光纤。成棒是将沉积好的石英玻璃棒移至成棒车床上，利用氢氧火焰的高温作用将其熔缩成实心光纤预制棒。,(2)PCVD法工艺的特点不用氢氧火焰加热沉积，沉积温度低于相应的热反应温度，石英包皮管不易变形；控制性能好，由于气体电离不受包皮管的热容量限制，所以微波加热腔体可以沿石英包皮管作快速往复运动，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；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。,三、外包层工艺,光纤由芯、芯棒包层和附加外包层等三部分玻璃材料组成。,1、套管法(1)工艺步骤：第一步：制造芯棒 第二步：套管 选择具有适当几何尺寸、光学质量的套管在高温 下把芯棒和套管熔为一体，形成预制棒，必要时 可以在一根芯棒上依次套上多根套管。在线套管法：在套好套管后可以先不熔缩，而在拉丝过程 中边拉丝边熔缩，这种称为在线套管法。,(2)分类：水平式套管法、垂直式套管法、抽真空套管法及 在线抽真空套管法。,2、粉末外包法 美国Spectram光纤公司在1995年开发的预制棒制备技术。它是用VAD法作光纤预制棒的芯层部分，不同处在于水平放置靶棒，氢氧焰在一端进行火焰水解沉积，然后再用OVD法在棒的侧面沉积、制作预制棒的外包层部分。粉末外包法是将VAD 和OVD法两种工艺巧妙地结合在一起，工艺效果十分显著。1999年以后，粉末外包技术和设备已经有商品、逐渐 代替套管法。,优点：可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，不受套管尺寸规格的限制；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，可有效控制沉积均匀性、光纤同心度、纵向均匀性改善。,第三节 非气相技术,虽然利用气相沉积技术可制备优质光纤，但是气相沉积技术也存在着不足：原料资源、设备投入昂贵，工艺复杂，成品合格率较低，玻璃组份范围窄等。为此，人们经不断的努力研究开发出一些非气相沉积技术来制备SiO2光纤预制棒，并取得了一定的成绩。,1、界面凝胶法,主用于：制备梯度折射率塑料多模光纤；原理：高分子聚合物中分子体积不同而发生的选择扩散原 理；工艺：将高折射率掺杂剂+单体混合PMMA空心管(包层)烘箱内加热凝胶相单体分子易扩散到凝胶相 中聚合完毕掺杂剂浓度沿PMMA管中心呈现梯 度折射率分布拉制成塑料多模光纤特点：芯径大，连接容易，成本低；,2、直接熔融法主用于：用来制造多组分氧化物玻璃光纤工艺：将高折射率芯玻璃和低折射率包层玻璃分置于同心双 坩埚的内、外埚内光纤的芯、包层从坩埚底部流出的 玻璃液量相平衡芯包层折射率渐变和恒定的光纤；,3、溶胶-凝胶法 在非气相沉积技术中，溶胶-凝胶法，又称SolGel法，最具发展前途，最早出现在20世纪60年代初期，是生产玻璃材料的一种工艺方法。当solGel法技术成熟后，预计可使光纤的生产成本降到1美分/米。因此无论从经济还是从科学技术观点都引起了世人极大的兴趣，但由于此方法生产的芯层玻璃衰减仍较大，工艺尙不成熟，距商用化还有一定的距离。广义地讲，溶胶凝胶法是指用胶体化学原理实现基材表面改性或获得基材表面薄膜的一种方法。此方法是以适当的无机盐或有机盐为原料，经过适当的水解或缩聚反应，在基材表面胶凝成薄膜，最后经干燥、结烧得到具有一定结构的表面或形状的制品。,4、机械挤塑法主用于：生产梯度折射率塑料多模光纤,5、管束拉丝法和打孔拉丝法光子晶体光纤：石英玻璃光子晶体光纤 聚合物光子晶体光纤(1)实心光纤：将石英玻璃毛细管以周期性规律排列在石英 玻璃芯棒成束后，高温炉加热，拉制而成；(2)空心光纤：将石英玻璃毛细管以周期性规律排列在石英 管周围/在成束石英玻璃毛细管中抽出若干 根；(3)聚合物光子晶体光纤：打孔送入高温炉拉制而成。,