OVD法制备光纤预制棒
光纤预制棒取棒装置的研发应用
光纤预制棒取棒装置的研发应用发布时间：2021-06-04T15:13:11.113Z 来源：《基层建设》2021年第4期作者：沈国锋肖斌[导读] 摘要：自20世纪70年代末以来，美国Corning公司开发了适合光纤大规模生产的管外汽相沉积法（OVD）工艺。
华能（泰安）光电科技有限公司山东新泰 271200摘要：自20世纪70年代末以来，美国Corning公司开发了适合光纤大规模生产的管外汽相沉积法（OVD）工艺。
其后，OVD工艺得到不断改进，目前已开发出第7代工艺，使生产效率得到极大的提高，生产成本有效降低。
日本NTT公司推出了汽相轴向沉积法（V AD）工艺，早期光纤预制棒的生产均采用“一步法”，即通过选定的工艺技术直接进行光纤预制棒芯层及包层的生产，该方法受外围技术设备和工艺技术本身的制约，所生产的光纤预制棒单棒可拉丝长度受到极大的限制，阻碍了生产效率的提高。
目前，光纤预制棒的生产一般采用“两步法”复合工艺技术，即先制造光纤预制棒芯棒，然后在芯棒外采用不同技术制造外包层或直接套管，在不影响光纤性能的同时，增加光纤预制棒单棒可拉丝长度，提高生产效率，降低光纤的生产成本。
关键词：光纤预制棒；取棒装置；应用引言光纤预制棒是生产石英系列光纤的原材料，而光纤预制棒的生产技术落后是制约我国光纤产业发展的瓶颈。
为了摆脱生产工艺落后的被动局面，提高产品的市场竞争力，国内光纤生产企业越来越重视生产工艺的改进和生产管理的自动化、信息化。
目前，国内外石英光纤预制棒的制备工艺主要包括：电熔制备法、气炼制备法、直接合成制备法、间接合成制备法和高频等离子沉积制备法（简称PSOD）。
1光纤预制棒取棒装置根据光纤预制棒取棒装置的功能任务需求，暂定光纤预制棒取棒装置由4大模块组成，分别是机架及移动模块、升降机构模块、旋转机构模块和夹持机构模块。
如图1所示，各个模块的功能动作及结构在设计上是独立的。
图1结构设计方案光纤预制棒取棒装置是在包层沉积工序后使用的装置设备。
OVD法制备光纤预制棒(一)
OVD法制备光纤预制棒(一)光纤预制棒（Optical fiber preform rod）是光纤生产的基础材料，其制备关键通常采用外延熔融(Vapor-phase axial deposition, OVD)法。
本文将从OVD法制备光纤预制棒的原理、工艺流程、设备组成和主要应用等方面进行介绍。
一、OVD法制备光纤预制棒的原理OVD法是一种利用化学反应生成物在高温环境下传输从而制备材料的方法，其原理是将化学反应产生的反应物输送到熔池中，沿一个预设的温度梯度进行热分解和降温，使得生成物在熔池内沈积并生长为棒材。
具体而言，就是将光纤预制棒所需原料，如硅烷气体和氧气通过特定方式混合，然后在高温环境下进行化学反应，产生硅氧烷分子，并将其输送到熔池中。
在熔池中，硅氧烷分子逐渐热分解并重新组合形成SiO2的脱水聚合反应，逐渐沉积生长为光纤预制棒。
二、OVD法制备光纤预制棒的工艺流程OVD法制备光纤预制棒的工艺流程如下：（1）混合气体：将硅烷气体、氧气等所需原料按照比例混合。
（2）化学反应：在熔融炉中，将混合气体注入其中，在高温、高压环境下进行反应。
（3）沉积生长：反应产生的生成物均匀地沉积到石英棒材上，并在其表面生长出连续、致密的石英层。
（4）成型：将石英棒材放置于制备设备中，进行拉伸成型。
（5）切割：将拉伸好的光纤预制棒切割成所需长度。
三、OVD法制备光纤预制棒的设备组成OVD法制备光纤预制棒的设备由化学反应单元、降温炉、吸收装置、拉伸装置和自动控制系统组成。
（1）化学反应单元：主要由熔融炉、气体混合系统、加热炉、反应化学炉和定量供应系统组成。
（2）降温炉：用于控制石英棒材内部的温度分布。
（3）吸收装置：用于吸收化学反应释放出的气体产物。
（4）拉伸装置：拉伸预制棒成型。
（5）自动控制系统：对整个制备过程进行调节和控制。
四、OVD法制备光纤预制棒的主要应用光纤预制棒是制备光纤的基础材料，广泛应用于光纸、光通信、激光材料等领域。
OVD法制备光纤预制棒(二)
OVD法制备光纤预制棒(二)
1. OVD法制备光纤预制棒的基本原理
OVD法是一种通过拉伸熔融玻璃的方法制备光纤预制棒的技术。
在这个过程中，玻璃材料首先被加热到熔点，然后通过拉伸的方式将其拉成细丝，最终形成光纤预制棒。
2. OVD法制备光纤预制棒的优点
相比于其他制备光纤预制棒的方法，OVD法具有以下优点：
（1）高纯度：由于玻璃材料在制备过程中不会受到污染，因此制备出的光纤预制棒具有高纯度。
（2）高质量：OVD法制备的光纤预制棒具有较高的光学性能，如低损耗、高带宽等。
（3）高效率：与其他制备方法相比，OVD法具有较高的生产效率，可以大规模制备光纤预制棒。
3. OVD法制备光纤预制棒的应用
光纤预制棒是光纤制备的重要材料，广泛应用于通信、医疗、军事等领域。
其中，通信领域是光纤预制棒最主要的应用领域，用于制备各种类型的光纤，如单模光纤、多模光纤、光纤光栅等。
4. OVD法制备光纤预制棒的发展趋势
随着通信技术的不断发展，对光纤预制棒的要求也越来越高。
未来，OVD法制备光纤预制棒的发展趋势将主要表现在以下几个方面：
（1）制备材料的优化：通过改进材料制备工艺和材料配方，提高光纤预制棒的质量和性能。
（2）制备工艺的改进：通过改进制备工艺，提高生产效率和降低制备成本。
（3）新型材料的研发：研发新型材料，如光子晶体、纳米材料等，以提高光纤预制棒的性能和应用范围。
（4）智能化制备：通过引入人工智能和自动化技术，实现光纤预制棒的智能化制备和质量控制。
OVD法制备光纤预制棒-V1
OVD法制备光纤预制棒-V1
OVD法制备光纤预制棒
光纤预制棒是一种在制备光纤时常用的材料，可以减少制备时的劳动
力和时间成本。
而其中一种制备光纤预制棒的方法，就是采用OVD法。
1. OVD法简介
OVD法全称为Outside Vapor Deposition，即外部气相沉积法。
是一
种利用气体化合物在高温区域降解而沉积在基材上的技术。
该技术在
光纤制备领域得到广泛应用，制备出的光纤具有优异的光学性能。
2. 制备光纤预制棒的步骤
（1）预备工作：选择适合的材料和化学品；调整好制备温度、压力等
参数。
（2）将材料切成圆柱形。
（3）将材料放在OVD法的制备设备中，在前端加入气体化合物。
（4）加热材料使它流体化。
（5）从前端喷射气体化合物，使其在材料表面沉积，形成光纤预制棒。
3. OVD法制备光纤预制棒的优点
（1）制备速度快，可以大规模制备光纤预制棒。
（2）制备的光纤预制棒表面光滑，无需再进行后续的加工。
（3）制备的光纤预制棒中材料成份均匀，具有较高的光学性能。
（4）该方法可以用于制备多种材料的光纤预制棒。
4. 研究进展和应用前景
目前，OVD法已经成为了制备光纤预制棒的一种主流方法。
随着科学技术的不断发展，该技术在光通信、光传感、生物医学等领域得到了广
泛应用。
总之，OVD法制备光纤预制棒是一种优秀的制备方法，具有制备速度快、表面光滑等优点，在未来的发展中将会得到更广泛的应用。
光纤预制棒制造—外汽相(OVD)
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（2）疏松棒固化 疏松棒的干燥和烧结过程合并称为固化，疏 松棒垂直式进入石墨感应固化炉中。计算机控制 炉温分布、炉内气温、升温速度、保温时间等工 艺程序。 OVD工艺生产的疏松棒含有大量物理吸附 H2O和化学结合的OH-，这对于光纤的衰减特性 是致命的危害，因此，OVD工艺发展的一个重 要方面是脱水烧结工序。
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OVD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。包括火焰温度、沉积表面的温度、 靶棒周围的环境温度等。
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例如，仅喷灯火焰温度而言，依据喷灯结构和流量， 喷灯火焰温度呈现一定的径向分布。火焰温度的径向分布 又随着离开灯口的距离而改变。再考虑到流量和气体成分 对热传导的影响以及平移速度、靶棒旋转速度、沉积周围 面积等等的影响，优化OVD工艺的沉积工艺参数就是相当 复杂的工作。
OVD 工艺通过以上的反应，除去了大量生成的氯气，有利于 SiO2和 GeO2 形成并消耗部分的H2O，但是仍有大量H2O物理 吸附在疏松的沉积材料中，也有部分与SiO2化学结合形成SiOH，所以在烧结前必须想方法去脱水，这是OVD、VAD等外 部沉积工艺的特点之一。9
OVD工艺的关键技术： （1）疏松棒沉积。 一般，在喷灯口以上10～30mm处，火焰中开始形 成亚微米的球形微粒，这些微粒相互碰撞并集聚，使微 粒长大。从最初的0.01 µm生长到0.04 µm 以上.对于
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OVD工艺的反应机理：
OVD工艺的化学反应比MCVD工艺的化学反应更为复杂。 在OVD工艺中，不仅SiCl4等原材料参与化学反应，而且 喷灯燃料气体（氢-氧焰或者甲烷-氧焰）也参与化学反 应。喷灯燃料气体首先反应生成水蒸气，SiCl4等原材料 再与水蒸气反应生成SiO2 。
OVD法制备光纤预制棒(1)
OVD法制备光纤预制棒(1)OVD法制备光纤预制棒是一种无污染、高效、节能的制备方法，其优点在于制备出来的光纤预制棒体积大、直径均匀，并可以一次性制备出多个棒材，提高了生产效率。
一、OVD法的基本原理OVD法（Outside Vapor Deposition）是一种光纤预制棒制备技术，其基本原理是利用化学反应将气体化学组分在高温下反应，产生的沉淀物形成光纤预制棒。
OVD法制备光纤预制棒的步骤主要包括气源，沉积、拉伸、密封等几个过程，每个过程都是相互关联、相互影响的。
二、OVD法制备光纤预制棒的特点1. 生产效率高。
OVD法制备光纤预制棒的一个显著特点是可以一次性制备多个棒材，并且每个棒材的直径都是一致的，因此生产效率非常高。
2. 制备出的棒材质量高。
利用OVD法制备出来的光纤预制棒纯度高、直径均匀、表面光洁度好、化学成分稳定，甚至还可控制棒材的强度，具有非常好的光学性能。
3. 环保节能。
OVD法制备光纤预制棒的化学反应过程中并没有任何污染物排放，同时反应所需能量较低，相比其他方法更加节能环保。
三、OVD法制备光纤预制棒的应用1. 光导纤维预制棒。
利用OVD法制备出来的光纤预制棒是制备高品质光导纤维的前提，因此在通信领域广泛应用。
2. 光纤传感器预制棒。
OVD法制备的光纤预制棒不仅表面光洁度高且具有高稳定性，在光纤传感器的制备中也起到了关键作用。
3. 其他应用领域。
OVD法制备光纤预制棒还广泛应用于光纤光源、光纤放大器、光纤光栅等领域。
综上，OVD法制备光纤预制棒具有高效、环保、高质量等特点，其应用范围广泛，其前景也非常光明。
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。
MCVD+OVD光纤预制棒制造技术
面的气泡和杂质：②预制棒表面的波纹：＠预制棒的锥度等。
ＯＶＤ沉积的是未玻璃化的ｓｉ０２颗粒（ｓｏｏｔ体），芯棒和ｓｏｏｔ体是截然不同的两个 状态，通过烧结使ｓｏｏｔ体完全玻璃化，在芯棒和ＯＶＤ外包层的界面上不产生柱状模糊 层和气泡杂质等，这些缺陷会造成光纤拉制时丝径的异常波动。以及使光纤存在大量的 低强度点等。解决方法有：①沉积之前芯棒的清洁；②ｏＶＤ沉积的温度、ＳｉＣｌ４流量、 芯棒移动速度，特别是沉积最初的几层非常关键；③烧结工艺，烧结的温度、速度、Ｈｅ 的流量等。Ｓｏｏｔ体是有单个或多个喷灯将水解的Ｓｉ０２颗粒沉积在旋转且移动的芯棒上， 通过周而复始的过程．由沉积重量决定是否终止沉积。这种沉积方法肯定会形成螺纹状 的表面，如果不加弥补，表面波纹越来．越大采用起始点位移式沉积方法可以改善，另 外，喷灯的位置、结构、及安装的角度也直接影响ｓｏｏｔ体表面．预制棒的锥度包括有效 长度上直径的变化率和ＯＶＤ沉积形成的棒两端不均匀段的大小。图４为我们研制的预 制棒及光纤的各种参数的均匀性。从图中可以看到，预制棒的几何尺寸非常均匀，芯径、 外径纵向的波动在２％以内，从而保证了整根棒拉制成光纤后其光纤的几何参数和光学 参数的均匀稳定。
３．外包层沉积（ＯＶＤ）工艺
ＯＶＤ工艺（包括ＶＡＤ工艺）一直是国内光纤预制棒生产厂家追求的工艺方法，也 因为技术壁垒（专利保护）和国外不愿意把先进的制棒技术传入国内，从而制约了我国 光纤特别是预制棒的生产。江苏法尔胜光子有限公司采用ＭＣＶＤ芯棒＋ＯＶＤ沉积外包 层的工艺方法．生产Ｏ．６５２光纤的预制棒。解决的主要技术问题有：①芯棒和外包层界
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• 就光纤的生产规模而言，OVD，VAD和VAD+OVD这 三种方法最普遍，生产量占全球生产量的70%以上， 主要由康宁、住友、古河等公司采用。MCVD、 PCVD由于其容易控制折射率变化的优点，仍然被朗 讯、阿尔卡特、藤仓以及比瑞利等公司采用。但随 着光纤价格的下降，很多厂家也在寻求成本更低的 其它制作方法，其中Simax公司的Sol-Gel法、 FiberCore的等离子火焰外沉积（POVD）等方法则有 后来居上之势。国内则有长飞光纤光缆有限公司、 江苏法尔胜光子有限公司等一批优秀企业相继引进 和研发出新型光纤制备工艺，用于实际的大规模生 产。随着新技术的成熟，更新的光纤制备工艺将会 不断涌现。
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、 烧结成透理
为了保证外包层与芯棒界面的良好融合，实际沉积工艺前需 要对芯棒进行必要的处理，消除可能产生缺陷的潜在危害。
B.参数的设定
沉积过程中，根据不同的要求和条件，对燃烧气体流量、四 氯化硅流量等工艺技术有直接影响的参数进行了对比，可获得 较为可靠的沉积工艺条件。
制造过程中，选择适当的沉积密度是工艺技术的难点之一。沉 积密度的变化可以通过沉积参数进行调节，如果沉积密度太小， 疏松的soot棒容易开裂，或者导致soot棒的棒径过大，无法进行 烧结；如果沉积密度太大，又会极大地降低沉积速率，部分或 全部掩盖该工艺方法的特点。
光纤预制棒的发展趋势
• 到20世纪90年代初，随着通信产业的不断 发展，光纤市场的竞争也日益激烈，迫使 各大生产厂家提高生产效率，降低成本。 于是出现了各种互相借鉴的制备光纤预制 棒的方法，如采用气相沉积法或等离子喷 涂法来代替外套管法制备预制棒的包层。 到目前为止，共有十种制造大预制棒的方 法用于实际生产，如下表所示：
移动速度，特别是沉积最初的几层非常关键； 3 烧结工艺，烧结的温度、速度、He
的流量等。
• Soot体是有单个或多个喷灯将水解的SiO2颗粒 沉积在旋转且移动的芯棒上，通过周而复始的 过程，由沉积重量决定是否终止沉积，这种沉 积方法肯定会形成螺纹状的表面，如果不加弥 补，表面波纹越来越大。越大采用起始点位移 式沉积方法可以改善，另外，喷灯的位移、结 构及安装的角度也直接影响soot体表面。预制 棒的锥度包括有效长度上直径的变化率和OVD 沉积形成的棒两端不均匀段的大小，通过控制 预制棒的几何尺寸，从而保证整根棒拉制成光 纤后其光纤的几何参数和光学参数的均匀稳定。
• 第一根损耗低于20db/km的光纤就是由康宁公 司（Corning Glass Work）使用该法制成的。
OVD法制备光纤预制棒的原理
• OVD工作工艺的原理主要是将四氯化硅原理的 火焰水解，反应生成小于5微米的二氧化硅粉 末附着在芯棒外，产生的氯化氢等废气被抽走 处理。
• 利用OVD法形成玻璃的化学反应式： SiCl4+2H2+O2 高温氧化 SiO2+4HCl 通过一定的工艺条件，数千层疏松的二氧化硅 粉末（soot体）逐层沉积在靶棒的外表面，再 在一定的气氛和温度下通过烧结成透明的预制 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。
OVD法存在的问题和解决方法
• OVD沉积的是未玻璃化的SiO2颗粒（soot体），芯棒 和soot体是截然不同的两个状态，通过烧结使soot 体完成玻璃化，在芯棒和OVD外包层的界面上不产 生柱状模糊层和气泡杂质等，这些缺陷会造成光纤 拉制时丝径的异常波动，以及使光纤存在大量的低 强度点等。
• 解决方法有：1 沉积之前芯棒的清洁； 2 OVD沉积的温度、SiCl4流量、芯棒
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• 3、结果 通过对大量实验和试生产以及实际生产
运行的预制棒数据的统计，OVD设备外包层 沉积工作时的平均沉积速率可达到 20~30g/min。沉积的soot棒外径约为 50~180mm，长度根据芯棒实际长度而变化， 密度约0.5g/cm³。预制棒的外径约为 40~120mm，长度在soot棒尺寸上略有缩短。
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。
• C.烧结 沉积完成后，将疏松的soot棒放入烧结设备，
在1500~1600摄氏度的高温下用氯气消除羟基 对水峰的影响，用氦气驱赶烧结过程中的空气、 氯化氢及氯气，使其致密并玻璃化，生产出全 透明的光纤预制棒。
由于多模芯棒的锗的掺杂量和外喷的包层锗 的掺杂量不同，导致烧结过程完成后棒本身存 在较大的内应力，如果不进行相应的过程处理， 预制棒会在随后的冷却过程中炸裂。可针对多 模光纤预制棒的特性进行热处理。