气相沉积法

0H-吸收
提纯技术：精馏法(去金属)、吸附法(去OH-)或精馏吸附混合。 常用精馏吸附混合法：
（1）氢氧焰燃烧SiCl4，产生氯化物气体和二氧化硅（粉尘状）。 因温度上升在57.6℃时，SiCl4变成蒸气与氧气反应，而其它铁、 铜等金属氯化物沸点高(液态)。该法将杂质降至十亿分之一的 水平。 （2）精馏不能除去某些极性杂质。例如：SiCl4溶液的OH—有 极性，源于含氢化合物，对损耗影响大。但它易形成化学键被 吸附剂吸收。而SiCl4是非极性分子，不易被吸附剂吸收。因此， 选择适当吸附剂，用吸附法可提纯。 精馏+吸附混合法的流程如下图所示。
气相沉积法:最常用,(1)液态的SiCl4、掺杂剂气化，(2)与氧生成氧 化物粉尘，沉积并烧结在基底或管壁，(3)层层堆积成预制棒。沉 积时，控制掺杂浓度，控制折射率分布，得到所需分布的预制棒。 优点：可制造优质光纤（纯度高）；不足：原料昂贵、工艺复杂、 材料品种单一。
根据粉尘沉积方式和最终熔化为预制棒的方式，气相沉积法可分 为棒外气相沉积法、改进气相沉积法、等离子气相沉积法、轴相 气相沉积法。 改进气相沉积法和等离子体气相沉积法更受关注。
一 级 精 馏 塔
二 级 精 馏 塔
活 性 氧 化 铝 吸 附 柱
简 单 蒸 馏 器
活 性 硅 胶 吸 三 附 级 柱 精 馏 塔
四 级 精 馏 塔
精 料 槽
图2.1 精馏吸附混合法流程图
• 对于气态原料，采用吸附法除去杂质（净化器， 如：钯管、分子筛等）。通过一级或多级净化 可达要求纯度。 • 目前通过蒸馏、吸附方法，可将过渡金属杂质 减少至10-9以下，可忽略金属离子对损耗的影 响。通过改进工艺，基本可消除OH-离子的影 响。
（3）按材料组成不同，分为石英光纤、多组分玻璃光纤、
液芯光纤、塑料光纤、氟化物光纤等。 （ 4）按横截面上折射率分布状况，可分为阶跃光纤、梯 度光纤、W型光纤、三角形光纤等。 （ 5）按传输光的工作波长可分为短波长光纤、长波长光 纤和超长波长光纤。 （ 6）按光纤用途不同，通信用光纤，军事上的高强度导 弹用光纤，医学上激光手术刀用的传能光纤，内窥镜用 的传像光纤，特种传感器用的偏振光纤等。
种子石英棒 透明预制棒
环状加热棒
多孔预制棒
氢氧喷灯 （H2 O2）
原料（SiCl4 GeCl4）
图2.8 轴向气相沉积法制造预制棒
非CVD法:
（5）多组分玻璃法 按比例（SiO2为主+碱金属、碱土金属、铝、硼的氧化物等） 配料，均匀装填到坩埚，加温熔融成玻璃坯，再拉制成棒 （芯棒和包层棒）。适于双坩埚法熔融拉丝。 特点：折射率比石英高，可制作大孔径光纤；熔融温度比石 英低（1400℃以下）；抗压抗拉强度低。 (6) 凝胶法 凝胶法主要生产塑料光纤预制棒。 工艺(A)在包层塑料PMMA（polymethyl methacrylate）空管，置 入高折掺杂和聚苯乙烯（塑料材料）的混合物；(B)加热聚合 ( 聚苯乙烯混合液 ) 成凝胶； (C) 高折掺杂剂分子比聚苯乙烯大， 不易扩散 , 聚合完成时，掺杂浓度沿径向呈梯度折射率分布 （梯度塑料光纤预制棒）。
射频线圈
图2.6 等离子气相沉积法制造预制棒
• 炉体温度 1200℃时，离子重新组合时释放 热能，等离子的热量（高温）使 SiCl4 、掺 杂和氧反应，氧化物沉积在基底硅（非粉 尘）。优点：适于精密、复杂折射率分布 的光纤。 • PCVD最后跟MCVD相似：基底管塌缩形成 玻璃预制棒。
(3)棒外气相沉积法（OVD） 康宁（Corning）1972年研发第一个批量光纤制作工艺。 OVD法包括沉积和固化，A. 沉积:高纯氧+SiCl4气体送进喷灯， 在高温水解成氧化物粉尘(纤芯和包层材料)，粉尘沉积于旋转 棒周围(图2.7)成多孔预制棒。改变掺杂种类和浓度,先芯后包 层 制 成 预 制 棒 。 B. 固 化 : 取 出 旋 转 棒 的 预 制 棒 ， 在 1400016000℃，烧缩成透明、无泡和中心孔的预制棒。（氯气作干 粉尘沉积到棒上 燥剂脱水） 包层材料
旋转棒
纤芯材料
火焰
粉尘颗粒流
O2 +SiCl4 Or GeCl4
燃料
蒸汽
图2.7 棒外气相沉积法制造预制棒
（4）轴向气相沉积法（VAD） 1977 年 日 本 开 发 VAD 法 ， 与OVD相似。 VAD 法 :(A)SiCl4 、 掺 杂 送 入 氢氧喷灯，石英微粒沉积在 种子棒的轴端部（OVD是侧 面）如图 2.8 。 (B) 先沉积纤 芯，沿轴向移动并再沉积包 层 ，同 时形 成新 纤芯 。 (C) 多孔预制棒经石墨环形加热 干燥和熔缩，并喷吹氯器得 预制棒 VAD无中心孔，一般通过喷 灯结构、喷灯与棒的距离、 反应炉温和多个喷灯等实现。 原料（SiCl4）
（1）典型的拉丝是管棒(预制 棒)拉制法， 预制棒以一定的速度送往 加热炉，预制棒尖在高温 时的粘度变低，靠自身重 量下垂变细而成纤维。其 关键是拉伸速率(慢的质量 好)，速度与光纤直径有关， 通过牵引线可改变拉伸速 率（200到2000m/min） 预制棒加热方法:一般石墨 电阻炉（防石墨高温氧化， 充以氩、氦气等惰性气体， 气体流量稳定），还有石 墨高频感应加热法、氧化 锆加热法、大功率二氧化 碳气体激光器加热法等。
2. 光纤材料的提纯
制备石英光纤的主要原料是一些卤化物，如SiCl4、GeCl4、 PCl2、BCl3、AlCl3等。 • 该试剂是液态、沸点低、易气化，常含一些金属氧化物、 含氢化物和络合物等杂质。杂质 ( 主要是金属和 OH-) 严 重影响光纤衰减（吸收+散射）。 • 为降低损耗，须提纯（去除金属杂质和OH-）。
掺杂纤芯
折 射 率
石英+锗 纯石英包层 匹配包层光纤 低掺杂纤芯
纯石英 石英+氟 凹陷包层
石英+低锗 石英+氟 凹陷包层 凹陷包层光纤
纯石英
纯石英
纯石英纤芯
纯石英
塑料包层
塑料包层光纤 （不适用于单模光纤）
塑料包层
图2.3 三种阶跃光纤掺杂方式和折射率曲线
2.3 光纤的拉制
光纤制造流程如图2.4。 主要流程是制棒、拉丝、涂敷
棒（高折射率玻璃）
棒放入管中
包层 熔合成预制棒 纤芯
图2.9 玻璃棒熔融制造预制棒
光纤预制棒实物照片
Baidu Nhomakorabea单模/多模光纤预制棒
光子晶体光纤预制棒
2. 拉丝 预制棒类似大尺寸光纤，在“拉丝塔”内 拉丝后才得真正的光纤。因掺杂剂在玻璃 中扩散困难，在高温加热(2000℃)时，预 制棒的芯包比和折射率分布不变。
原料制 备 原料提 纯 制棒
(2种)
拉丝
涂敷
筛选
合格光 纤
纯度分 质量控 析 制
性能测 量
图2.4制造光纤的工 艺流程
1. 制棒
原材料提纯后，首先是制棒（预制棒或石英棒的方法相似）。 预制棒：其折射率分布与所要制成的光纤分布一致。是加粗加大 的光纤，直径10-20cm，长50-100cm的硅化物圆柱， 制作预制棒的工艺：可分为气相沉积法和非气相沉积法（多组分 玻璃法、凝胶法、机械成形光纤预制棒法等）
3. 光纤材料的折射率控制
光纤需高折纤芯和低折包层，同时有好的透明性，石英及其掺杂可实现此 特性。通过石英掺杂改变折射率。
纤芯（包层可为纯石英）:掺杂剂(锗)增加石英折射率，且锗对光的吸低， 二氧化锗(GeO2)与石英相似; 包层（芯可用纯石英）:掺杂剂(氟,硼)降低折射率 最常用:氟；硼不如氟明显。
(7) 机械成形光纤预制棒法（MSP）
MSP是低成本工艺。过程：用填充机将高掺杂石英粉填入石英 管中，高温稳定为疏松的预制棒；再放入高温并氯化脱水处理， 烧结成棒或再拉为细棒(芯)；再用石英粉外包该棒(包层)，并烧 结疏松包层，即可成预制棒。 此外，还有其它制棒法：如将高折的棒插入低折的管中，加热 后使管熔到棒上，形成预制棒如图2.9。主要用于图像传输和照 明用光纤的制作。 管（低折射率玻璃）
q
纤芯
n2 sin c n1
涂覆层直径195～250um； 包层直径一般125um； 纤芯直径根据光纤类型而不同，一般通信用单模光纤直径为8um～10um
1. 光纤的种类
光纤分类方式多
（1）按照光纤芯内传输的模式数，分为多模和单模光 纤。 模式：在光纤轴向不同位置，有稳定的场（电场和磁 场）分布，一种分布为一个模式（解） 单模光纤：光纤芯只传输一个模式（基模HE11）的光 纤。条件：V<2.405；特点：损耗低、频带宽、容量 大、成本低，理想的长距离通信介质 多模光纤：光纤芯可传输多个模式的光纤 。条件： V>2.405；特点：模式色散大，不利于长途通信；适 合传能和图象
第2章 光纤拉制及成缆
光纤是如何拉制的，又是如何成缆的？ 本章内容： 光纤种类、材料、制作方式及 光缆的类型等方面
2.1 光纤的分类
光纤基本结构：折射率较高的纤芯+折射率较低的包层 原理：在纤芯和包层率差异引起光在纤芯发生全内反
射，光在纤芯内传播。 为保护光纤和免受环境影响，有涂敷层。
涂覆层 包层
荷兰菲利浦公司、消费电子和电信公司在1975年开发。 与MCVD的区别是加热反应区的方法。 过程：喷灯预热气体（更易离子化），在微波（射频）区激活 气体（气体电离为等离子），带电离子重新结合时释放热量 （高温），使原料反应，光纤材料直接沉积熔化在基管上。
石英管的移动方向 石英管 原料 冷却水
喷灯
等离子
1.51
1.50 1.49
ZrO2
TiO2
Al2O3 GeO2
折 射 率
1.48 1.47 1.46 1.45 1.44 0 5
P2O5
B2O3 F
10 15 20
掺杂浓度（%） 图2.2 各种掺杂剂对石英玻璃折射率变化的作用
目前匹配包层、凹陷包层、塑料包层阶跃等石英光 纤的掺杂（如图2.3） 匹配包层光纤:纤芯掺杂(锗)后折射率高于纯石英， 纯石英用于包层；(常制造单模阶跃光纤) 凹陷包层光纤:以少量掺杂(锗)使纤芯折射率约增加， 同时包层掺杂(氟)降低包层的折射率； (常制造单 模阶跃光纤) 塑料包层光纤:以纯石英作纤芯，折射率低于石英 的塑料作包层。(可制造多模阶跃光纤) 复杂折射率分布(色散位移光纤、渐变折射率多模 光纤）的折射率控制方法与简单阶跃光纤相同（掺 杂）。
2.2 光纤材料
1. 光纤材料的选择 • 材料是光纤制作的核心。 • 选择光纤材料的因素：纯度高、透明度高、 折射率径向分布易于精确控制等，同时要注 意材料自身的机械强度和化学稳定性。
气体材料：可见和近红外区光衰减小，但折射率难控 制。 液体材料：光衰减小，但折射率随温度变化大，折射 率难精确控制。 固体材料：光衰减较大，但光学特性稳定，易控制折 射率，使用最多。 固体材料中，SiO2为主的石英对可见光和近红外光的 透光性好，且有好的化学稳定性和机械强度。通过掺 杂（锗、硼、氟、磷等），也易改变石英折射率，来 源充足，价格低，是光纤的首选材料
(1)化学气相沉积法（CVD）、改进化学气相沉积法（MCVD） CVD是康宁1970年20db/km低损耗光纤所采用的方法（基本工 艺），MCVD是贝尔实验室1974年开发的（渐变折射率光纤）。 MCVD是在石英反应管内沉积包层和芯层，整个系统是处于 封闭的超提纯状态下，可生产高质量的单模和多模光纤。 （成棒：加热2000℃，冷凝后基底管塌缩成实心的预制棒） CVD/MCVD的化学反应 • • • • SiCl4 + O2 -> SiO2 + 2Cl2(氧化) 或SiCl4+2H2OSiO2+HCl (水解) GeCl4 + O2 -> GeO2 + 2Cl2 4POCl3 + 3O2 -> 2P2O5 + 6Cl2
（2）据折射率沿径向的分布，分为阶跃光纤和渐变 （梯度）光纤
阶跃折射率：多模光纤、单模光纤 渐变折射率：多模光纤；特点：光纤芯较小，抗弯曲性 好，色散小，衰减低，其性能比阶跃型好。不足：与光 波长有关的折射率微小变化引起残余色散，不同模式间 产生模噪声，不适长距离通信。
在通信复用技术中，光纤的色散和非线性效应影响大。 为此，有几种折射率特殊分布的单模光纤：色散位移光 纤、截止波长位移光纤、色散平坦光纤、色散补偿光纤。
Core
• SiCl4 + O2 -> SiO2 + 2Cl2 • 或SiCl4+2H2OSiO2+HCl • 4BBr3 + 3O2 -> 2B2O3 + 6Br2
Cladding
SiCl4 反应气体进入
SiO2
排气
熔石英管
加热区 热源
图2.5改进的化学气相沉积法制造预制棒
(2)等离子气相沉积法（PCVD）