光纤预制棒的制备技术

(3)芯棒在氦气气氛中烧结 (3)芯棒在氦气气氛中烧结
芯棒在炉内继续升温到1500℃ 芯棒在炉内继续升温到1500℃,通入氦气进行烧结.氦气是一种 分子体积很小而传热系数很高的气体,能够将热量带到芯部,是疏松 体依靠表面张力而生成透明的玻璃体.烧结效果取决于下送速度,烧 结温度,氦气流量等因素.
(4)芯棒延伸 (4)芯棒延伸
SiCl4 + O2 4BCl3 + 3O2 SiCl4 + O2 GeCl4 + O2
→ SiO2 + 2Cl2↑ → 2B2O3 + 6Cl2↑ → → SiO2 + 2Cl2↑ GeO2 + 2Cl2↑
最后沉积光纤的纤芯, 其氧化反应过程为: 最后沉积光纤的纤芯, 其氧化反应过程为:
VAD法实物图 VAD法实物图
VAD的特点 VAD的特点
可连续生长,适合于制成大型预制棒,从而可拉制成较长 的连续光纤. 可拉制程度长,目前可达100Km的单模光纤. 可拉制程度长,目前可达100Km的单模光纤. 此外,用VAD法制备的多模光纤不会形成中心部位折射率 此外,用VAD法制备的多模光纤不会形成中心部位折射率 凹陷或空眼,因此其带宽要比MCVD法高一些. 凹陷或空眼,因此其带宽要比MCVD法高一些. 其单模光纤损耗也比较小,可达到0.25~0.5dB/km. 其单模光纤损耗也比较小,可达到0.25~0.5dB/km. 价格便宜,大约20$/km左右. 价格便宜,大约20$/km左右.
(5)等离子蚀洗 (5)等离子蚀洗
等离子蚀洗的原理是:等离子火焰沿着旋转着的芯棒进行轴向 移动,高达9000℃ 移动,高达9000℃的火焰将芯棒表面的一层物质迅速升华挥发.一般 的蚀洗深度是0.25±0.15mm,足以将表面的OH的蚀洗深度是0.25±0.15mm,足以将表面的OH-离子去除干净.
VAD法制预制棒 VAD法制预制棒
光电07301班 光电07301班
第三小组
制棒的种类
---国际上生产石英光纤预制棒的方法有十多种,其中普 ---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(MCVD-Modified Chemical ---改进的化学汽相沉积法(MCVDVapour Deposition) ---棒外化学汽相沉积法(OVD-Outside Chemical Vapour ---棒外化学汽相沉积法(OVDDeposition) ---轴向汽相沉积法(VAD-Vapour phase Axial Deposition) ---轴向汽相沉积法(VAD---微波等离子体激活化学汽相沉积法(PCVD- Plasma ---微波等离子体激活化学汽相沉积法(PCVDactivated Chemical Vapour Deposition )
VAD工艺的发展 VAD工艺的发展
●70年代的VAD工艺,芯和包层同时沉积,同时烧结,号称预制连续制造工艺. 70年代的VAD工艺,芯和包层同时沉积,同时烧结, ●80年代的VAD工艺是先做出大直径芯棒,然后把该大直径芯棒拉细成多根小芯 80年代的VAD工艺是先做出大直径芯棒, 棒,再用套管法制成预制棒,从"一步法"发展到"二步法". 再用套管法制成预制棒, 一步法"发展到"二步法" ●90年代改成用SOOT外包代替套管法制成光纤预制棒. 90年代改成用SOOT外包代替套管法制成光纤预制棒. ●90年代以来,使用VAD的生产厂家增多了,除了日本古河,滕仓之外,信越,日立, 90年代以来,使用VAD的生产厂家增多了,除了日本古河,滕仓之外, 三菱,昭和等公司从日本NTT获得了使用VAD工艺生产光纤的许可, 三菱,昭和等公司从日本NTT获得了使用VAD工艺生产光纤的许可,并实施了 再开发,实现了商业化VAD工艺,朗讯也从住友公司购得了使用VAD工艺的许 再开发,实现了商业化VAD工艺,朗讯也从住友公司购得了使用VAD工艺的许 可,另外还与住友在美国建立了VAD法的合资光纤厂,从而有机会多年观察 另外还与住友在美国建立了VAD法的合资光纤厂, VAD光纤生产,此后,朗讯将VAD工艺引进到它的亚特兰大光纤厂. VAD光纤生产,此后,朗讯将VAD工艺引进到它的亚特兰大光纤厂.
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Fra Baidu bibliotek VAD流程图 VAD流程图
VAD工艺流程 VAD工艺流程
(1)用VAD工序制作芯棒: (1)用VAD工序制作芯棒 工序制作芯棒:
在旋转的芯棒顶部用火焰水解法沉积芯层和内包层,制成疏松 体.内包层直径D/芯层直径d的比值略小于7.5.由于VAD制芯工艺是 体.内包层直径D/芯层直径d的比值略小于7.5.由于VAD制芯工艺是 成本较高的工艺,沉积量和(D/d)2成正比.D/d越小,对外套管的要 成本较高的工艺,沉积量和(D/d)2成正比.D/d越小,对外套管的要 求越高.因为D/d值小,一部分光能会在内包层和套管中进行传输, 求越高.因为D/d值小,一部分光能会在内包层和套管中进行传输, 各种杂质包括OH-离子就会增加传输损耗.由于OH各种杂质包括OH-离子就会增加传输损耗.由于OH-离子在很容易在 热处理(尤其是拉丝过程中)从外包层运动到芯层,因此工艺对外套 管的含OH-离子的浓度要求就相当严格.商业化生产的D/d比值一般 管的含OH-离子的浓度要求就相当严格.商业化生产的D/d比值一般 在2.0～7.5之间. 2.0～7.5之间.
VAD制作的芯棒一般都较粗且外径不均匀,无法直接插入套管合 VAD制作的芯棒一般都较粗且外径不均匀,无法直接插入套管合 成预制棒,需要经过一道延伸工序来使外径变均匀变细.芯棒延伸可 以采用成本较低的氢氧火焰作为热源,但氢氧焰会造成芯棒表面OH以采用成本较低的氢氧火焰作为热源,但氢氧焰会造成芯棒表面OH离子污染,需要后面进行等离子蚀洗或酸洗.另外一种办法是采用等 离子体作为热源进行延伸,可以省去一个去OH离子体作为热源进行延伸,可以省去一个去OH-离子的过程.
过程及原理
在母棒端部,即其轴向,发生化学反应,生成的石英玻璃粉尘微 粒经喷灯喷出,沉积于种子石英棒一端,沿轴向形成多孔粉尘预制棒. 粒经喷灯喷出,沉积于种子石英棒一端,沿轴向形成多孔粉尘预制棒. 种子石英棒不断旋转,并通过提升杆向上慢速移动,牵引粉尘多孔预 制棒通过一环状加热器进行烧结处理,使之熔接缩成透明的光纤预制 棒. 反应的主要公式: 反应的主要公式:
(6)低OH-含量的合成石英管作外包层 (6)低OH由于采用了更大的外套管,整个光纤的成本急剧降低.对石英 管的要求是高纯,低损耗和高抗拉强度.石英管的OH管的要求是高纯,低损耗和高抗拉强度.石英管的OH-含量决定了芯 棒制作时的D/d值的大小.在套管车床上将芯棒和套管装配在一起, 棒制作时的D/d值的大小.在套管车床上将芯棒和套管装配在一起, 用环形氢氧焰沿轴线从上到下进行加热,同时用真空泵抽去缝隙内的 空气,使套管烧结在芯棒上,形成一体的预制棒. 芯棒D/d值 外套管OH芯棒D/d值 外套管OH-含量 7.5 <200 ppm 5.2 <1.0 ppm 4.4 <0.5 ppm 表6 外套管水份含量和芯棒 D/d的关系 D/d的关系
(2)芯棒在氯气气氛中脱水 (2)芯棒在氯气气氛中脱水
沉积好的芯棒疏松体要放在1200℃ 沉积好的芯棒疏松体要放在1200℃含氯或含氟的气氛中.脱水的 原理是氯气进入芯棒孔隙中取代C,其产生的Si-Cl键吸收波长在25微 原理是氯气进入芯棒孔隙中取代C,其产生的Si-Cl键吸收波长在25微 米,远离光纤工作波段.脱水的速率取决于脱水温度和氯气的流量. 脱水后OH-离子的含量将少于8X10-10(w%). 脱水后OH-离子的含量将少于8X10-10(w%).
(7)光纤拉制: (7)光纤拉制 光纤拉制:
预制棒拉制成光纤的示意图如图2.3所示, 预制棒拉制成光纤的示意图如图2.3所示, 当预制棒由送料机 构以一定的速度均匀地送往环状加热炉中加热, 且预制棒尖端加热 到一定的温度时, 棒体尖端的粘度变低, 靠自身重量逐渐下垂变 细而成纤维, 由牵引棍绕到卷筒上. 光纤外径和圆的同心度由激 光测径仪和同心度测试仪监测, 其监测结果控制送棒机构和牵引辊 相互配合, 以保证光纤的同心度和外径的均匀性. 目前, 光纤的 外径波动可控制在± m以内, 拉丝速度一般为600 m/min. 外径波动可控制在±0.5 m以内, 拉丝速度一般为600 m/min.
VAD法设备示意图 VAD法设备示意图
汽相轴向沉积法VAD 汽相轴向沉积法VAD 这种方法是在反应室里放 置一根基棒——石英玻璃棒, 置一根基棒——石英玻璃棒, 基棒可以旋转并向反应室外 移动,如图所示:当反应气 体送入反应室后,就在基棒 上沉积,基棒的旋转运动保 证了芯棒的轴对称性,疏松 的预制棒在向上移动的过程 中经过一环形加热器,从而 生成玻璃预制棒.玻璃预制 棒沉积预制棒环形加热器反 应气体入孔反应室. VAD工艺示意图 VAD工艺示意图