光纤预制棒

光纤预制棒

光纤预制棒是制造石英系列光纤的核心原材料。简单地说，用于拉光纤（丝）的玻璃特种预制大棒。

简介

人们在制造光纤时先要制做出光纤预制棒，预制棒一般直径为几毫米至几十毫米（俗称光棒）。光纤的内部

结构就是在预制棒中形成的，因而预制棒的制作是光纤工艺中最重要的部分。光棒的制作有多种方法，常用的制

作工艺是气相氧化法。在气相氧化法中，高纯度金属卤化物的蒸汽和氧气发生反应，形成一些氧化物微粒，这些

氧化物微粒会沉积在玻璃或者石英体的表面上（或管状体的内壁），然后通过烧结形成透明的玻璃棒（如果是管状，还要进行收缩使其成为棒状），这样光棒就做成啦。此时光棒已经具备了光纤的基本结构，通过拉丝机拉出

来的裸纤就包括了纤芯和包层。有些光纤品种为了保护裸玻璃光纤，使其不受光和水汽等外部物质的污染，在光

纤拉成的同时，就给它涂上弹性涂料（被覆层）。光纤由纤芯、包层和被覆层组成，导光的部分是处于轴线上的

实心纤芯，包层的作用是提供一个圆柱形的界面，以便把光线束缚在纤芯之中。被覆层是一种弹性耐磨的塑料材料，它增强了光纤的强度和柔软性。

功用

在光纤预制棒完成后，就进入到光纤拉丝的过程。其作法是在无尘室中将光纤预制棒固定在拉丝机顶端，并逐渐加热至2000摄氏度。光纤预制棒受热后便逐渐融化并在底部累积液体，待其自然垂下，就形成光纤，这有

点儿像我们吃拔丝山药时拉出糖丝的情景。这里的关键在于均匀加热、拉制速度的控制等。拉制技术无误时，拉

出的光纤结构会与光纤预制棒的结构相同（只不过是缩小了很多）。涂覆材料也在拉丝机上及时涂敷，以保护光

纤免受潮气、磨损的伤害。有的涂覆材料是通过自然冷却附在光纤上，有的是用某种光线（紫外线）照射光纤使

涂覆材料固化。拉丝的过程中，光纤直径的测量及控制非常重要。光纤的直径和结构等质量参数多与拉制速度有关，自动化的测量监控会随时调节拉丝的速度。

生产工艺

国际上生产石英光纤预制棒的方法有十多种，其中普遍使用，并能制作出优质光纤的制棒方法主要有以下四种：

---改进的化学汽相沉积法(MCV D：Modified Ch emi cal Vapour DepositiON)

---轴向汽相沉积法(VAD：Vapour phase Axial Depos ition)

---棒外化学汽相沉积法(OVD：Outside Chemical Vapour Deposition)

---（微波）等离子体激活化学汽相沉积法(PCV D：Plas ma activated Chemical Vapour Deposition )

按照传统的命名方法，当前光纤技术市场上四种工艺共存，即OV D、VAD、MCV D、PCV D。然而，仅用上述工艺名称简单地表示当前的生产工艺已经是很不全面了。当前商业生产光纤预制棒的汽相沉积工艺都已经发展

为“两步法”(Tw o-step P rocesses)。其中，OV D、MCV D等工艺名称仅仅表示生产预制棒的第1步，即生产芯棒(Core-rod/P r imary P r eform/Initial P r eform)所用的工艺。

在生产芯棒时，不仅要制造芯也必需制造部分包层，这是为了确保光纤的光学质量，随后，可以把芯棒拉细成很多小芯棒，也可以不拉细，这取决于芯棒的大小。第二步，在芯棒上附加外包层(俗称外包技术或Overcladding)，制成预制棒，拉丝之前，可以把预制棒拉细也可以不拉细，这取决于预制棒和拉丝炉的大小。

所以，所谓“两步法”并不局限于两步，光纤预制棒的光学特性主要取决于芯棒制造技术；光纤预制棒的成本

主要取决于外包技术，因此，芯棒制造技术加上外包技术才能全面说明当前光纤预棒制造工艺的特征。

从20 世纪70 年代末期开始规模生产光纤以来，对光纤预制棒制造技术的研究和完善改进就从来没有间

断过。美国AT&T（Lucent）发明了改进的化学汽相沉积法（MCV D，Modified Chemical Vapor Deposition）

工艺后，美国Corning 公司随后开发出了适合光纤大规模生产的管外汽相沉积法（OV D，Outside Vapor Deposition）工艺，其后OVD 工艺又有不断改进，目前已发出第七代工艺，使生产效率和生产成本大幅度降低；而日本NT&T 在OV D 的基础上进行改进，推出了汽相轴向沉积法（VAD，Vapor Axial Deposition）工艺；法国Alcatel 则利用高频等离子技术开发出了先进的等离子体汽相沉积法（A P V D，Advance Plas ma Vapor Deposition）预制棒生产工艺；荷兰P hilips 则开发了等离子体化学（PCV D,Plas ma Chemical Vapor Deposition ）工艺逼供成功地在生产中加以应用。

早期光纤预制棒制造技术采用一步法，1980年初开始用套管法制备光纤预制棒，从而使光纤预制棒制造工

艺实现了从一步法到二步法的转变，即先制造预制棒芯棒，然后在芯棒外采用不同技术制造外包层，增加单根

预制棒的可拉丝公里数，以提高生产效率。一般认为，芯棒的制造决定了光纤的传输性能，而外包层则决定光纤

的制造成本。在芯棒的制造技术中，MCV D 和PCV D 称为管内沉积工艺，OV D 和VAD 属于外沉积工艺；在外包层工艺中，外沉积技术是指OV D 和VAD，外喷技术主要指用等离子喷涂石英砂工艺。现今光纤外包层制

造技术包括套管法、阿尔卡特（Alcatel）公司发明的等离子喷涂法（Plas maSpary）、火焰水解法（SOOT）和

美国朗讯科技公司发明的溶胶法－凝胶法（Sol－gel法），其中SOOT法是泛指OVD和VA D等火焰水解外沉

积工艺。

MCV D法现采用外沉积技术取代套管法制作大预制棒，形成MCV D外沉积工艺相结合的混合工艺，从而改

变了传统MCV D工艺沉积速度低、几何尺寸精度差的缺点，降低了生产成本，提高了预制棒的质量。此后，又

有一些公司开发了低成本大尺寸的套管工艺，套管制备工艺为Sol－gel和OVD法。

预制棒制备工艺OVD法近二十年来已从单喷灯沉积发展到多喷灯同时沉积，沉积速率成倍增加，并实现一

台设备同时沉积多根棒，并且从依次沉积芯包层制成预制棒的一步法发展到二步法，即先制备出大直径的芯棒，再拉制成小直径芯棒或不拉细，然后采用外包层技术制备出光纤预制棒，提高了生产效率，降低了生产成本。并且，MCV D法尤其是PCV D法、OV D和VAD法更易精确控制芯棒的径向折射率分布，因而对于制备多模光纤MMF和非零色散光纤DZDF芯预制棒更有效。

近20年来，光纤预制棒外包层技术已有许多发展，美国CORNING公司首先采用SOOT外包技术代替了套管法应用于工业生产。1990年，阿尔卡特Alcatel等离子喷涂技术及美国朗讯公司开发的Sol－gel外包技术替代了套管技术，因而采用套管法制备光纤预制VAD制造光纤芯棒的生产厂家都采用SOOT外包技术。

MCVD的发展

●最初的MCV D是在一台车床上依次进行包层沉积、芯沉积、熔缩成预制棒，这是典型的“一步法”。目前，

阿尔卡特已经将沉积与熔缩分开，在沉积之后，用另一台专用车床熔缩成棒，并用石墨感应炉代替氢氧焰做热源

进行熔缩成棒。

●采用大直径合成石英管代替天然水晶粉熔制成的小直径石英管做为衬底管，目前在生产上用的合成石英衬

底管外直径约为40mm，沉积长度1.2~1.5m。

●最重要的是，用各种外沉积技术取代了套管法来制作大预棒，例如用火焰水解外包和等离子外包技术在芯

棒上制作外包层，形成了MCV D与外沉积工艺相结合的混合工艺。这此新技术弥补了传统MCV D工艺沉积速率低、几何尺寸精度差的缺点，降低了成本、提高了质量、增强了竞争力。

●开发低成本、高质量、大尺寸的套管的制造方法(如溶胶--凝胶法，OV D法)，供套管使用。