光纤生产工艺

★ 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：①管内反应，杂质不容易进入，易生成低损耗光纤； ②折射率的分布容易得到精密控制； ③试剂的蒸汽压大； 缺点： ①棒形不成太大尺寸； ②沉积效率低； ③ 沉积速度慢； ④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； ⑤收缩成棒时，GeCl4易升华，使折射率容易形成凹 陷。
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
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。
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。
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：
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。
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。
以SiCl4为例，它的水解化学反应式如下： SiCl4+2H2O SiCl4+4H2O 4HCl+SiO2 H4SiO4(硅酸) +4HCl
SiCl4是制备光纤的主要材料，占光纤成分总量的85％～95％。 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： 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
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。
洁净度指洁净空气中空气含尘（包括微生物）量多少的程度。
(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
2、工艺流程
3．SiO2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。
(1)系统组成
将一根石英玻璃管（200×20mm）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
SiCl4＋O2
温高氧化
SiO2＋2Cl2
SiCl4＋2O2＋2CF2Cl2
高温氧化
SiF4＋2Cl2 ＋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SiO2GeO2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。
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
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。
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。
反应原理和化学反应方程式如下：
芯层： SiCl4+2H2O GeCl4+2H2O SiO2+4HCl GeO2+4HCl
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
第一节 工艺方法的分类 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。 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。
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 高温氧化 SiO2＋2Cl2 GeCl4＋O2
高温氧化
GeO2＋2Cl2
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。
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Hale Waihona Puke Baidu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。
包层：
Sicl4+H2O
2BCl3+3H2O
SiO2+4HCl
B2O3+6HCl 2H2O 2H2O+CO2
火焰水解反应：
2H2+O2 或 CH4+2O2
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1400～1600℃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。
▲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 美国康宁公司在1974年开发成功，1980年全面投入使用。 (1)气相沉积技术 日本NTT公司在1977年开发 芯棒：①外部化学气相沉积法(OVD) ②轴向化学气相沉积法(VAD) ③改进的化学气相沉积法(MCVD) ④等离子化学气相沉积法(PCVD)
荷兰菲利浦公司开发
美国阿尔卡特公司在1974年开发，又称 管内化学气相沉积法
外包层：①套管法
②粉末法 ③等离子喷涂法
(2)非气相沉积技术：①界面凝胶
②机械挤压法 ③管束拉丝法 ④溶胶-凝胶 ⑤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。
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1400～1600℃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8～10μm。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，
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。