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（Vapordepositionprocess）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。工艺过程及机理精确控制的反应气体通过供气系统连续不断的充入旋转的衬管中，置于衬管底部的氢氧喷灯对衬管进行加热，当化学原料混合物被加热到1400~1600℃时，即发生化学反应，生成包含所需掺杂剂的二氧化硅玻璃微粒并沉积于热区下游的衬管的内表面上。热源通过控制系统沿衬管的轴向以合适的速度来回移动，从而实现反应物在衬管内部的逐层沉积，根据折射率剖面的设计需要，可以改变每一层的原料气体流量从而获得合适的折射率分布。在沉积完成之后，根据衬管和掺杂剂的不同以1800到2200℃的温度把沉积的高纯材料连同衬管一起熔缩成实心石英玻璃棒，即芯棒。MCVD工艺中主要的化学反应为卤化物以及掺杂剂的氧化反应，生成二氧化硅和二氧化锗等。研究表明，反应产物二氧化硅和二氧化锗纳米颗粒在衬管上的沉积机理为热泳，即在存在温度梯度的条件下，处在高温区的分子的平均运动速度，动能大于低温区，在热区反应生成的二氧化硅等纳米颗粒随气流往泵端移动的过程中在两侧受到这些分子的碰撞。由于两侧碰撞力度有差别，结果微粒将受到降温方向的净作用力，即微粒向较低温区迁移。在管壁温度降低到低于气流温度时，部分微粒就沉积在管壁上，因此有相关专利和文献提出在热源下游增加附加冷却装置来冷却衬管以提高沉积效率。VAD工艺是外部沉积工艺的一种，目前是我国光纤预制棒产业应用最为广泛的芯棒制造工艺。先粉末棒沉积后脱水烧结。VAD工艺的反应与沉积一般在中心对称的耐腐蚀和高温的密闭墙体内进行，不同于其他三大工艺预制棒径向逐层沉积，该工艺采用一个或几个喷灯一次性形成所需的径向折射率分布。根据折射率分布的不同，在不同的喷灯输入不同比例的反应原材料和可燃气体，反应生成二氧化硅等颗粒沿粉末预制棒的轴向生长，在最底端通过激光或者其他摄像设备实时监测端部的几何形状，并反馈给控制系统，从而控制合适的预制棒向上提升速度，获得外径均匀的预制棒。包层OVD工艺过程和机理与芯棒一样，由于对材料和掺杂均匀性没有芯棒要求高但是用量大，各预制棒制造企业分别在原材料选择，反应室设计，喷灯数量，布局和沉积方式，以及烧结工艺上投入大量的研发并形成了多种成本领先的技术方向。MCVD工艺是由沉积和熔缩（成棒）两个工艺步骤组成，沉积是获得按设计要求的光纤芯折射率分布，熔缩是将已沉积好的空心石英玻璃管熔缩成一根实心的光纤预制棒芯棒。OVD工艺包括沉积、烧结和保温三个步骤，沉积过程的化学反应机理为火焰水解法，即气态卤化物