配套課件-光纖光纜制備

學(xué)習(xí)情境一：石英光纖原材料的選擇與制備1.1學(xué)習(xí)目標(biāo)1.2學(xué)習(xí)內(nèi)容

★掌握光纖的分類；

★了解光纖的各種原材料；

★了解原材料的物理與化學(xué)性能及檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)；

★了解原材料制備與檢測(cè)的相關(guān)設(shè)備，如精餾塔等；

★掌握安全操作規(guī)程。1.1學(xué)習(xí)目標(biāo)

1.2.1光纖的分類

1.按照材料不同進(jìn)行的分類

按照制造光纖的基質(zhì)材料的不同，光纖可分為石英基光纖、復(fù)合光纖、塑料光纖。1.2學(xué)習(xí)內(nèi)容

1)石英基光纖

石英基光纖(行業(yè)簡(jiǎn)稱石英光纖)是一種以高折射率的石英玻璃(SiO2)材料為芯，以有機(jī)或無(wú)機(jī)材料(石英)為包層的光學(xué)纖維。由于石英基光纖傳輸波長(zhǎng)范圍寬(從紫外線到紅外線，波長(zhǎng)從0.38μm到2.0μm)，所以它適用于從紫外線到紅外線各波長(zhǎng)信號(hào)及能量的傳輸。另外，石英基光纖數(shù)值孔徑較大，光纖芯徑較大，機(jī)械強(qiáng)度較高，彎曲性能較好，且比較容易與光源耦合，故在傳感、光譜分析、過(guò)程控制、激光傳輸、激光醫(yī)療、測(cè)量技術(shù)、刑偵、信息傳輸和照明等領(lǐng)域有著極為廣泛的應(yīng)用，這是其他種類的光纖無(wú)法比擬的。

石英基光纖通常采用高純度的玻璃材料制成。依據(jù)光纖材料所含的化學(xué)元素，石英基光纖可分為高硅玻璃光纖和多組分玻璃光纖兩個(gè)大類。高硅玻璃光纖采用高純度的熔融石英(SiO2)作纖芯；多組分玻璃光纖采用普通的多組分玻璃作為纖芯，常用的配方成分有納-硼酸鹽玻璃、鉀-硼酸鹽玻璃、鈉-鈣酸鹽玻璃、釷-硼酸鹽玻璃以及鈉-鋅-鋁-硼酸鹽玻璃等。石英基光纖一般包含以下光纖：

(1)塑料包層石英光纖。塑料包層石英光纖是用高純度的石英玻璃制作成纖芯，將折射率比石英稍低的塑料作為包層的階躍型光纖。它具有纖芯粗、數(shù)值孔徑大的特點(diǎn)，易與發(fā)光二極管(LED)光源結(jié)合，損耗也較小，所以，非常適用于局域網(wǎng)(LAN)和近距離通信。

(2)氟化物光纖(FluorideFiber)。氟化物光纖是由氟化物玻璃做成的光纖。這種光纖的原料簡(jiǎn)稱ZBLAN(即氟化鋯(ZrF4)、氟化鋇(BaF2)、氟化鑭(LaF3)、氟化鋁(AlF2)、氟化鈉(NaF)等氟化物玻璃原料簡(jiǎn)化成的縮略語(yǔ))。氟化物光纖主要用于波長(zhǎng)為2～10pm的光傳輸業(yè)務(wù)。其特點(diǎn)是采用氟化物作涂覆層，耐腐蝕。

(3)碳涂層光纖(CCF，CarbonCoatedFiber)。碳涂層光纖是在石英光纖的表面涂覆碳膜的光纖。其機(jī)理是利用碳的致密膜層，使光纖表面與外界隔離，以改善光纖的機(jī)械疲勞損耗和氫分子的損耗。

(4)金屬涂層光纖(MetalCoatedFiber)。金屬涂層光纖是在光纖的表面涂上Ni、Cu、Al等金屬層的光纖。它是抗惡劣環(huán)境光纖中的一種，也可作為電子電路的部件使用。金屬涂層光纖的早期產(chǎn)品是在拉絲過(guò)程中，涂上熔解的金屬制作而成的。由于玻璃與金屬的膨脹系數(shù)差異太大，會(huì)增加彎曲造成的損耗，因此實(shí)用性不高。近期，在玻璃光纖的表面采用低損耗的非電解鍍膜法可使金屬涂層光纖的性能大為改善。

(5)摻稀土光纖(RareEarthDopedFiber)。摻稀土光纖是在光纖的纖芯中摻雜鉺(Er)、釹(Nd)、鐠(Pr)等稀土族元素的光纖。1985年英國(guó)Southampton大學(xué)的Payne等首先發(fā)現(xiàn)摻雜稀土元素的光纖有激光振蕩和光放大的現(xiàn)象?，F(xiàn)在使用的1.55pm摻鉺光纖放大器(EDFA)就使用了摻鉺的單模光纖，它利用1.47pm的激光進(jìn)行激勵(lì)，得到1.55pm的光放大信號(hào)。另外，摻鐠光纖放大器(PDFA)正在開發(fā)之中。

(6)熒光光纖(LuminescentFiber)。熒光光纖(也稱發(fā)光光纖)是采用熒光物質(zhì)制造的光纖。它在受到輻射線、紫外線等光波照射時(shí)將產(chǎn)生熒光，部分熒光可經(jīng)光纖進(jìn)行傳輸。熒光光纖可以用于檢測(cè)輻射線和紫外線，還可進(jìn)行波長(zhǎng)變換，或用作溫度敏感器、化學(xué)敏感器。在輻射線的檢測(cè)中，熒光光纖也稱做閃光光纖(ScintillationFiber)。

2)復(fù)合光纖

復(fù)合光纖(CompoundFiber)是在SiO2原料中再適當(dāng)混合諸如氧化鈉(Na2O)、氧化硼(B2O3)、氧化鉀(K2O)、碲酸鹽玻璃、磷酸鹽玻璃等做成的光纖。其特點(diǎn)是軟化點(diǎn)較低，纖芯與包層折射率相差很大。這種光纖主要用于醫(yī)療業(yè)務(wù)的光纖內(nèi)窺鏡中。

3)塑料光纖

塑料光纖是纖芯和包層都用塑料(聚合物)制成的光纖。塑料光纖的早期產(chǎn)品主要用于裝飾和導(dǎo)光照明及近距離光鏈路的光通信中。其原料主要是聚甲基丙烯酸甲酯(也稱有機(jī)玻璃，PMMA)、聚苯乙烯(PS)和聚碳酸酯(PC)。這種光纖的損耗受塑料固有的C-H結(jié)構(gòu)的影響，一般每千米可達(dá)幾十分貝。為了降低損耗，很多公司正在開發(fā)應(yīng)用氟化物塑料光纖。由于塑料光纖的纖芯直徑為1000μm甚至更大，是單模石英光纖的100倍以上，接續(xù)簡(jiǎn)單，而且易于彎曲，施工容易，因此近年來(lái)，加上寬帶化的進(jìn)度，作為漸變型(GI)折射率的多模塑料光纖的發(fā)展受到了重視。最近，塑料光纖在汽車內(nèi)部LAN中應(yīng)用較快，未來(lái)在家庭LAN中也可能得到應(yīng)用。

2.按照傳輸模式不同進(jìn)行的分類

按光在光纖中的傳輸模式不同，光纖可分為單模光纖和多模光纖。

1)單模光纖

單模光纖(SingleModeFiber)的中心玻璃芯很細(xì)(芯徑一般為2～12μm)，只能傳輸一種模式的光，因此，其模間色散很小，適用于遠(yuǎn)程通信。但單模光纖也存在著材料色散和波導(dǎo)色散，這樣它對(duì)光源的譜寬和穩(wěn)定性就有較高的要求，即譜寬要窄，穩(wěn)定性要好。后來(lái)人們又發(fā)現(xiàn)在1.31μm波長(zhǎng)處，單模光纖的材料色散和波導(dǎo)色散一為正、一為負(fù)，大小也正好相等，即在1.31μm波長(zhǎng)處單模光纖的總色散為零。從光纖的損耗特性來(lái)看，1.31μm處正好是光纖的一個(gè)低損耗窗口。這樣，1.31μm波長(zhǎng)處就成了光纖通信的一個(gè)很理想的工作窗口，也是現(xiàn)在實(shí)用光纖通信系統(tǒng)的主要工作波段。1.31μm常規(guī)單模光纖的主要參數(shù)是由國(guó)際電信聯(lián)盟ITU-T在G652建議中確定的，因此這種光纖又稱為G652光纖。典型單模光纖結(jié)構(gòu)圖如圖1-1所示。圖1-1典型單模光纖結(jié)構(gòu)圖

2)多模光纖

多模光纖(Multi-ModeFiber)的中心玻璃芯較粗(50μm或62.5μm)，可傳輸多種模式的光，但其模間色散較大，這就限制了傳輸數(shù)字信號(hào)的頻率，而且其色散隨距離的增加會(huì)更加嚴(yán)重。因此，多模光纖傳輸?shù)木嚯x比較近，一般只有幾千米。

圖1-2光纖中的光傳輸示意圖

3.按照性能和用途不同進(jìn)行的分類

按照性能和用途不同，光纖可分為通信光纖和特種用途光纖(如照明光纖)。1.2.2石英光纖的選材要求和原料

石英光纖的選材要求如下：

(1)必須能夠拉制成很長(zhǎng)、很細(xì)、可卷繞的纖維。

(2)對(duì)特定的光波必須是透明的，以便光纖可以有效地導(dǎo)光。

(3)物理性能合適，使得拉制成的光纖纖芯與包層折射率僅有稍許差異。

制備石英光纖的原料是一些高純度的鹵化物化學(xué)試劑，常見的有液態(tài)四氯化硅(SiCl4)、四氯化鍺(GeCl4)、三氯氧磷(POCl3)、三氯化硼(BCl3)、三氯化鋁(AlCl3)、三溴化硼(BBr3)以及氣態(tài)六氟化硫(SF6)、四氟化碳(C2F4)等。表1-1所示為這些原料的常用參數(shù)。

表1-1石英光纖材料的常用參數(shù)1.2.3摻雜劑對(duì)光纖性能的影響

制作光纖時(shí)，采用特殊工藝在光纖芯層中摻入濃度極低的稀土元素，如鉺、鐠或銣等，可制作出相應(yīng)的摻鉺、摻鐠或摻銣光纖。光纖中的摻雜離子在受到泵浦光激勵(lì)后會(huì)躍遷到亞穩(wěn)定的高激發(fā)態(tài)，在信號(hào)光的誘導(dǎo)下，將產(chǎn)生受激輻射，形成對(duì)信號(hào)光的相干放大。

摻稀土元素的光纖放大器是利用光纖中摻雜稀土元素(如鉺、鐠等)引起增益而實(shí)現(xiàn)光放大的。其優(yōu)點(diǎn)是工作波長(zhǎng)恰好落在光纖通信的最佳波長(zhǎng)區(qū)(1.3～1.6μm)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，與線路的耦合損耗很小，噪聲低，增益高，頻帶寬，與光纖偏振狀態(tài)無(wú)關(guān)，所需泵浦功率也較低。1.2.4摻雜離子對(duì)光纖性能的影響

鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)、銅(Cu)、錳(Mn)、鉻(Cr)、釩(V)以及氫氧根(OH-)的含量超限會(huì)引起光纖吸收損耗。所以一般要求銅、鐵、鈷、鎳、錳、鉻、釩等過(guò)渡金屬離子雜質(zhì)含量低于10

×

10-9，OH-離子含量也要求低于10

×

10-9。

氫氧根在普通材料制的光纖其工作波段上有三個(gè)吸收峰，它們分別是0.95μm、1.24μm和1.38μm。其中，1.38μm波長(zhǎng)的吸收損耗最為嚴(yán)重，對(duì)光纖的影響也最大。在1.38μm波長(zhǎng)，含量?jī)H占0.0001的氫氧根產(chǎn)生的吸收峰損耗就高達(dá)33dB/km。1.2.5光學(xué)玻璃材料的特性指標(biāo)

表1-2所示為幾種光學(xué)玻璃材料的特性指標(biāo)。

表1-2幾種光學(xué)玻璃材料的特性指標(biāo)1.2.6不同類型原材料的特點(diǎn)與摻雜技術(shù)指標(biāo)

1.石英玻璃

石英玻璃大致可分為以下幾種：透明石英玻璃(外徑為1.5～300mm)、濾紫外線石英玻璃、彩色石英玻璃等。圖1-3所示為常見的石英玻璃管。

圖1-3常見的石英玻璃管石英玻璃是用二氧化硅制造的特種工業(yè)技術(shù)玻璃，是一種非常優(yōu)良的基礎(chǔ)材料，具有以下優(yōu)良性能：

(1)耐高溫。石英玻璃的軟化點(diǎn)溫度約為1730℃，可在1100℃下長(zhǎng)時(shí)間使用，短時(shí)間最高使用溫度可達(dá)1450℃。

(2)耐腐蝕。除氫氟酸外，石英玻璃幾乎不與其他酸類物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，其耐酸能力是陶瓷的30倍，是不銹鋼的150倍，尤其是它在高溫下的化學(xué)穩(wěn)定性，是其他任何工程材料都無(wú)法比擬的。

(3)熱穩(wěn)定性好。石英玻璃的熱膨脹系數(shù)極小，能承受劇烈的溫度變化，將石英玻璃加熱至1100℃左右，放入常溫水中也不會(huì)炸裂。

(4)透光性能好。石英玻璃在紫外線到紅外線的整個(gè)光譜波段都有較好的透光性能，可見光透過(guò)率在93%以上，在紫外光譜區(qū)，最大透過(guò)率可達(dá)80%以上。

(5)電絕緣性能好。石英玻璃的電阻值相當(dāng)于普通玻璃的一萬(wàn)倍，是極好的電絕緣材料，即使在高溫下也具有良好的電絕緣性能。

2.

SiCl4

四氯化硅的工業(yè)制法主要是將工業(yè)硅在400～500℃下氯化，再經(jīng)冷凝。粗制四氯化硅(98%～99%)中常含有硼、磷、鈦、銅、碳、鐵、錫、銻等多種雜質(zhì)化合物。對(duì)光纖原料純度的控制是光纖產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵，因?yàn)樗苯佑绊懝饫w的損耗特性。為保證光纖具有低損耗，理論上要求原料中雜質(zhì)含量不超過(guò)10-9量級(jí)，實(shí)際中純度要求9個(gè)9以上。

3.

GeCl4

光纖用GeCl4除了要求其過(guò)渡金屬雜質(zhì)含量很低外，還對(duì)其含有的氫雜質(zhì)(OH-、含C-H鍵的化合物、HCl)有嚴(yán)格的要求。光纖損耗包括吸收損耗和色散損耗，金屬離子(Fe、Co、Cr、Mn等)和含氫雜質(zhì)的存在是產(chǎn)生吸收損耗的主要原因。為了使吸收損耗小于1dB/km，光纖中的雜質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)不應(yīng)超過(guò)10-8%～10-7%。在研究OH-對(duì)摻雜GeCl4光纖吸附的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，在紅外光譜中存在許多吸收峰：0.725μm、0.825μm、0.875μm、0.950μm、1.24μm、1.38μm，尤其在1.24μm和1.38μm處有強(qiáng)的吸收峰。當(dāng)光纖中OH-的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10-4%時(shí)，其在1.38μm處的吸收損耗相當(dāng)于55dB/km。有人證明，在PCVD工藝中，原料中每80個(gè)氫原子中就有一個(gè)在光纖中形成OH-。為了使OH-不對(duì)1.2～1.6μm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光纖損耗產(chǎn)生影響，光纖中OH-的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不應(yīng)超過(guò)10-7%。

4.光纖涂料

1)光纖涂料的主要應(yīng)用方面

光纖涂料主要應(yīng)用于光纖制棒后的拉絲工藝中。預(yù)制棒是光纖的原料，對(duì)光纖的性能、質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用，其制備是光纖生產(chǎn)的核心技術(shù)。拉絲工藝通常是指將用氣相沉積法工藝和外包層技術(shù)結(jié)合制成的大預(yù)制棒直徑縮小且保持芯包比和折射率分布恒定的操作。在拉絲工藝中，將預(yù)制棒拉成光纖的同時(shí)，由特定的化學(xué)工藝(比如熱固化和紫外固化)將光纖涂料直接涂到光纖上。通俗地講，可以將光纖涂料比作光纖的貼身內(nèi)衣，而光纜外護(hù)套則相當(dāng)于光纖的外衣。

2)光纖涂料的主要作用

光纖涂料是當(dāng)今高速光纖網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，有助于防止信號(hào)流失，延長(zhǎng)光纖的使用壽命，提升性能。影響光纖質(zhì)量的因素主要有兩個(gè)：預(yù)制棒有氣孔，這跟光纖的生產(chǎn)工藝和技術(shù)密切相關(guān)；另外一點(diǎn)，也是最容易被忽視的一點(diǎn)便是光纖涂料。實(shí)際上，光纖涂料有兩個(gè)主要的作用。首先，確保光纖正常工作，這是光纖涂料最重要的作用。光纖是一種十分脆弱的產(chǎn)品，它需要通過(guò)涂料充分保證高速有效的信號(hào)傳輸。其次，光纖涂料對(duì)光纖的機(jī)械性能有決定性影響，并且涂料成本占光纖成本的8%。1.2.7檢測(cè)儀器與檢測(cè)指標(biāo)要求

1.精餾塔

精餾塔實(shí)物圖如圖1-4所示。精餾塔結(jié)構(gòu)示意圖如圖1-5所示。

圖1-4精餾塔實(shí)物圖

圖1-5精餾塔結(jié)構(gòu)示意圖精餾塔的工作原理如下：

SiCl4原料經(jīng)精餾塔中的加熱器蒸發(fā)后進(jìn)入第一精餾塔頂部，塔頂連續(xù)排放低沸物，將釜液連續(xù)注入吸附設(shè)備，由吸附性活性氯化鋁對(duì)原料進(jìn)行吸附，再將釜液注入第二精餾塔頂部，之后進(jìn)入吸附設(shè)備，由吸附性活性氯化鋁對(duì)原料進(jìn)行吸附，如此經(jīng)過(guò)四次精餾吸附后，金屬氧化物、非金屬氧化物、OH-及其他金屬離子將會(huì)降至很低水平。此法可使SiCl4達(dá)到很高的純度，其中有害金屬雜質(zhì)總含量將降至5

×

10-9，產(chǎn)生OH-的含氫化合物SiHCl3的含量可小于0.2

×

10-6。

2.絡(luò)合法提純?cè)O(shè)備

圖1-6所示為絡(luò)合法提純?cè)O(shè)備。圖1-6絡(luò)合法提純?cè)O(shè)備在SiCl4及SiHCl3原料提純領(lǐng)域，絡(luò)合法一直引起人們的極大關(guān)注。在絡(luò)合物形成過(guò)程中，一直存在絡(luò)合劑的選擇問(wèn)題。選擇絡(luò)合劑的一般原則是：能與BCl3形成化學(xué)上和熱學(xué)上高度穩(wěn)定的絡(luò)合物；極難揮發(fā)，對(duì)熱很穩(wěn)定；不與SiCl4及SiHCl3發(fā)生作用。提純效果

最佳的是四氫化吡咯二硫代氨基甲酸鈉，它能將硼、鈣、鋁、鈦、銅、鎂、鐵的含量降低到(1～0.01)

×

10-7數(shù)量級(jí)，但除磷效果較差。學(xué)習(xí)情境二：石英預(yù)制棒制備2.1學(xué)習(xí)目標(biāo)2.2學(xué)習(xí)內(nèi)容

★了解石英預(yù)制棒的發(fā)展歷史；

★了解外部氣相沉積工藝(OVD)；

★了解軸向氣相沉積工藝(VAD)；

★掌握改良的化學(xué)氣相沉積工藝(MCVD)；

★掌握等離子體化學(xué)氣相沉積工藝(PCVD)；

★了解沉積車床、熔縮車床、燒結(jié)爐、拉伸塔等設(shè)備；2.1學(xué)習(xí)目標(biāo)★了解新型(混合)預(yù)制棒的制備工藝；

★了解預(yù)制棒的測(cè)試原理與方法；

★掌握接管、拉伸工藝；

★掌握套棒工藝；

★掌握安全操作規(guī)程。

2.2.1預(yù)制棒的制備歷史

眾所周知，光纖的發(fā)明可以說(shuō)是人類通信發(fā)展史上最重要的里程碑，正如“光纖之父”高錕認(rèn)為的那樣，光纖牽動(dòng)著世界的神經(jīng)。四十多年前，高錕發(fā)明了光纖，徹底改變了人類通信的模式，為今天通信、網(wǎng)絡(luò)的迅猛發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，他也憑此榮獲了2009年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。2.2學(xué)習(xí)內(nèi)容光纖作為光信號(hào)的載體是光通信技術(shù)發(fā)展的基本元素，其主要特性和應(yīng)用是靠光纖預(yù)制棒的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。光纖技術(shù)的每次進(jìn)步都對(duì)光纖通信技術(shù)的進(jìn)步起到了推動(dòng)作用，而光纖技術(shù)的每次進(jìn)步都離不開光纖制造技術(shù)尤其是光纖預(yù)制棒制造技術(shù)的相應(yīng)發(fā)展?？梢哉f(shuō)，光纖預(yù)制棒制造技術(shù)不僅是光纖制造技術(shù)的核心，也是光纖通信技術(shù)的命脈。所謂光纖預(yù)制棒，簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是必須在制成光纖前將經(jīng)過(guò)提純的原料制成一根滿足一定性能要求的玻璃棒，也稱為母棒。光纖預(yù)制棒是控制光纖質(zhì)量的原始棒體材料，其結(jié)構(gòu)為多層圓柱體，內(nèi)層為高折射率的纖芯層，外層為低折射率的包層，它應(yīng)具有符合要求的折射率分布形式和幾何尺寸。圖2-1和圖2-2分別給出了大直徑和小直徑光纖預(yù)制棒的外觀圖。

圖2-1大直徑石英光纖預(yù)制棒的外觀圖

圖2-2小直徑石英光纖預(yù)制棒的外觀圖石英光纖預(yù)制棒的制備目前主要采用氣相沉積法，其中最為成熟和目前國(guó)內(nèi)外光纖制造企業(yè)廣泛使用的有四種：外部氣相沉積工藝(OVD，OutsideVaporDeposition)、改良的化學(xué)氣相沉積工藝(MCVD，ModifiedChemicalVaporDeposition)、等離子體化學(xué)氣相沉積工藝(PCVD，PlasmaenhancedChemicalVaporDeposition)、軸向氣相沉積工藝(VAD，VaporphaseAxialDeposition)。圖2-3所示為四種光纖預(yù)制棒制造工藝簡(jiǎn)圖。

圖2-3四種光纖預(yù)制棒制造工藝簡(jiǎn)圖

(1)

OVD工藝：是由美國(guó)康寧公司的Kapron在1970年研發(fā)的便捷工藝。OVD工藝的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理為通過(guò)氫氧焰或甲烷焰中攜帶的氣態(tài)鹵化物產(chǎn)生“粉末”并逐層沉積而獲得預(yù)制棒。OVD工藝有沉積和燒結(jié)兩個(gè)具體工藝步驟：①按所設(shè)計(jì)的光纖折射分布要求進(jìn)行多孔玻璃預(yù)制棒芯棒的沉積；②將沉積好的預(yù)制棒芯棒進(jìn)行燒結(jié)處理，除去殘留水分，以便制得一根透明無(wú)水分的光纖預(yù)制棒。OVD工藝的特點(diǎn)是：預(yù)制棒逐漸變粗，從里向外長(zhǎng)。

(2)

MCVD工藝：是由美國(guó)AT&T公司貝爾實(shí)驗(yàn)室的Machesney等人于1974年開發(fā)的經(jīng)典工藝。MCVD工藝是一種以氫氧焰為熱源，在高純度石英玻璃管內(nèi)進(jìn)行的氣相沉積工藝。MCVD工藝的制備過(guò)程分為兩步：①熔制光纖內(nèi)包層玻璃；②熔制光纖外包層玻璃。MCVD工藝的特點(diǎn)是：預(yù)制棒在石英管里面長(zhǎng)，沉積和熔縮在一臺(tái)設(shè)備上完成。

(3)

PCVD工藝：是由荷蘭飛利浦公司的Koenings于1974年發(fā)明的生產(chǎn)工藝。PCVD工藝與MCVD工藝的相似之處是：它們都是在高純度石英玻璃管內(nèi)進(jìn)行氣相沉積和高溫氧化反應(yīng)的。與MCVD工藝不同的是，PCVD工藝用的熱源是微波，其反應(yīng)機(jī)理為：微波激活氣體產(chǎn)生等離子，使反應(yīng)氣體電離，電離的反應(yīng)氣體為帶電離子，帶電離子重新結(jié)合時(shí)釋放出的熱能熔化氣態(tài)反應(yīng)物，形成透明的石英沉積層。PCVD工藝有沉積和制棒兩個(gè)步驟。PCVD工藝的特點(diǎn)是：預(yù)制棒在石英管里面長(zhǎng)，沉積和熔縮在兩臺(tái)設(shè)備上完成。

(4)

VAD工藝：是由日本電報(bào)電話公司(NTT)的伊澤立男等人于1977年發(fā)明的生產(chǎn)工藝。VAD工藝的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理與OVD工藝近似，不同之處是：VAD工藝沉積獲得的預(yù)制棒的生長(zhǎng)方向是由下向上垂直沿軸向生長(zhǎng)的。其過(guò)程是：把經(jīng)過(guò)提純的化學(xué)試劑(如SiCl4、GeCl4、SiHCl3)等以氣態(tài)送入氫氧焰噴燈，使之在氫氧焰中水解，生成石英(SiO2)玻璃微粒粉塵，這些粉塵被吹附到種子石英棒的下端并沉積下來(lái)，這樣沿軸向就生長(zhǎng)出由玻璃粉塵組成的多孔粉塵預(yù)制棒，這種多孔粉塵預(yù)制棒被向上提升，通過(guò)管狀加熱器，進(jìn)行燒結(jié)處理，熔縮成透明的光纖預(yù)制棒。VAD工藝的特點(diǎn)是：預(yù)制棒逐漸變長(zhǎng)，從下向上生長(zhǎng)。

表2-1預(yù)制棒制備工藝的發(fā)明順序之后，各國(guó)的研究工作主要集中于了解預(yù)制棒制造工藝包含的物理化學(xué)機(jī)理、研制設(shè)備、建立工藝過(guò)程控制、研制各種光纖、努力降低損耗、提高帶寬等方面。在1979年至1980年前后，美、日等發(fā)達(dá)國(guó)家開始了小規(guī)模生產(chǎn)，大都是單獨(dú)利用以上某種工藝制造直接用于拉絲的梯度多模預(yù)制棒，棒都比較小，每根棒可拉出的光纖只有幾千米到幾十千米。

直到20世紀(jì)80年代初，隨著單模光纖取代梯度多模光纖成為市場(chǎng)主流產(chǎn)品，光纖市場(chǎng)迅速擴(kuò)大，單模光纖的大規(guī)模經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)成為發(fā)展的重點(diǎn)，國(guó)際上開始用套管法作為增大預(yù)制棒的措施。MCVD、PCVD、VAD工藝都用套管法開始了單模光纖的商業(yè)化生產(chǎn)。2.2.2外部氣相沉積工藝(OVD)

OVD工藝模擬圖如圖2-4所示。

圖2-4OVD工藝模擬圖

1．OVD工藝簡(jiǎn)介

在四種工藝中，OVD和VAD工藝與其他兩種工藝相比，屬于管外法，也被稱做火焰合成法。其主要過(guò)程分為以下兩步：

(1)沉積SOOT棒。SiO2顆粒在火焰中生成，顆粒的粒徑從幾納米到幾百納米不等，顆粒隨著凝聚作用逐漸長(zhǎng)大，被氣流帶動(dòng)后沉積在靶棒上。顆粒增長(zhǎng)的速度完全取決于火焰的溫度、化學(xué)反應(yīng)前反應(yīng)物和載流氣體的混合物的濃度、火焰中顆粒的漂流時(shí)間、顆粒的密度和形態(tài)。SiO2顆粒的產(chǎn)生、成鏈和燒結(jié)是顆粒形成的三個(gè)重要過(guò)程。按照預(yù)設(shè)程序逐漸完成沉積后即形成了疏松的SOOT棒，其顏色為乳白色。之后經(jīng)過(guò)脫水和燒結(jié)，即成為透明的具有一定剖面結(jié)構(gòu)的光纖預(yù)制棒。圖2-5所示為OVD沉積設(shè)備外觀簡(jiǎn)圖。

圖2-5OVD沉積設(shè)備外觀簡(jiǎn)圖

(2)燒結(jié)。燒結(jié)主要是指伴隨脫水過(guò)程，在高溫下，并在氯氣、氦氣條件下使SOOT棒致密化、透明化。OVD燒結(jié)熱源可以為電感應(yīng)爐或者石墨感應(yīng)爐等。燒結(jié)中可以使SOOT棒從上往下移動(dòng)，也可以使感應(yīng)線圈從頂部移動(dòng)到底部。爐溫一般在1500℃左右。圖2-6所示為OVD燒結(jié)設(shè)備外觀簡(jiǎn)圖。

圖2-6OVD燒結(jié)設(shè)備外觀簡(jiǎn)圖

2．OVD工藝的輔助工序

在OVD工藝中，在沉積和燒結(jié)前后需要多道輔助工序，其中最重要的工序包括芯棒的熔接、芯棒的拉升、抽芯等。

3．OVD工藝的具體流程

OVD工藝一般包括如下幾個(gè)步驟：OVD法制作芯棒及抽芯→芯棒的脫水和燒結(jié)→延伸芯棒→在芯棒外沉積外包層。

下面對(duì)各工序進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

(1)

OVD法制作芯棒及抽芯。在旋轉(zhuǎn)的靶棒(Al2O3)外沉積一層碳，而后沉積芯層和內(nèi)包層。靶棒的一端有一特制的抽芯管，沉積結(jié)束后，需要將靶棒從芯棒疏松體中抽出。

(2)芯棒的脫水和燒結(jié)。OVD的芯棒疏松體中心有抽去靶棒而留下的中心孔。研究表明，光纖水峰主要是由于中心孔閉合前殘留其內(nèi)的水分造成的。雖然芯棒疏松體經(jīng)過(guò)了脫水和燒結(jié)，但中心孔周圍部分在脫水以后很容易吸收水分。當(dāng)脫水后的芯棒疏松體遇到含氫氣氛(不僅限于H2O)時(shí)，中心孔外表面就會(huì)產(chǎn)生物理吸附水(H2O)和化學(xué)吸附水(BetaOH)，從而導(dǎo)致光纖水峰的增加。嚴(yán)格控制中心孔部分暴露于含氫環(huán)境是降低水峰的關(guān)鍵，其方法有兩種。方法一是在懸掛著的芯棒疏松體底端插入一個(gè)玻璃塞，放入爐內(nèi)進(jìn)行脫水，馬弗管和中心孔先分別通氦氣進(jìn)行吹掃，爐內(nèi)溫度控制在1000～1200℃，再在爐內(nèi)通入氯氣進(jìn)行脫水，氯氣和氦氣的比例大約為1:25，隨后將溫度逐漸上升為1500℃進(jìn)行燒結(jié)，中心孔上端加10Torr(注：1Torr≈133.3Pa)的負(fù)壓，以利于孔在燒結(jié)中閉合。這種方法可以將芯棒的水分控制在1

×

10-9以內(nèi)。方法二是在脫水過(guò)程中先用氦氣進(jìn)行吹掃，然后用氦氣作為載氣從裝重水D2O的鼓泡瓶中載帶一定量的重水D2O進(jìn)入馬弗管，接著通入氦氣進(jìn)行吹掃，最后通入氯氣和氦氣的混合氣體進(jìn)行脫水。

(3)延伸芯棒。燒結(jié)好的芯棒需要經(jīng)過(guò)延伸過(guò)程，以獲得直徑較小的適合套管或外沉積的芯棒。有的芯棒不在燒結(jié)過(guò)程中閉合中心孔，而是在延伸過(guò)程中閉合，對(duì)于這種芯棒需在其頂部一直施以負(fù)壓。

(4)在芯棒外沉積外包層。在延伸好的芯棒外沉積疏松體，而后進(jìn)行脫水和燒結(jié)。

4．OVD工藝的發(fā)展

OVD工藝的發(fā)展包括兩個(gè)方面：

(1)傳統(tǒng)意義上OVD制備預(yù)制棒的工藝發(fā)展，是指從單噴燈沉積發(fā)展到多噴燈同時(shí)沉積，沉積速率成倍提高，即同時(shí)從一臺(tái)設(shè)備一次沉積一根棒發(fā)展到一臺(tái)設(shè)備同時(shí)沉積多根棒，提高了生產(chǎn)效率。

(2)從依次沉積芯、包層來(lái)連續(xù)制成預(yù)制棒的“一步法”發(fā)展到“二步法”(即先用陶瓷棒或石墨棒作為靶棒，只沉積芯材料(含少量包層)，做出大直徑芯棒，經(jīng)去水燒結(jié)后，把該大直徑芯棒拉細(xì)成多根小直徑芯棒，再以這些小直徑芯棒作為靶棒來(lái)沉積包層)，同時(shí)還為其他工藝(如VAD、PCVD、MCVD)制造的芯棒進(jìn)行外沉積，沉積包層，制成光纖預(yù)制棒。二步法是當(dāng)前的主流工藝。該法大大提高了生產(chǎn)效率，降低了成本。2.2.3改良的化學(xué)氣相沉積工藝(MCVD)

1．MCVD工藝簡(jiǎn)介

MCVD預(yù)制棒制備工藝以超純氧氣作為載體將SiCl4等原料和GeCl4等摻雜劑送入旋轉(zhuǎn)并被加熱的石英反應(yīng)管(管內(nèi)溫度為1400～16000℃)內(nèi)，管內(nèi)的原料和摻雜劑在高溫下發(fā)生氧化還原反應(yīng)。在MCVD工藝中，其反應(yīng)區(qū)的長(zhǎng)度取決于熱源熱區(qū)的長(zhǎng)度，且存在一加熱中心，在該中心溫度最高，在其兩側(cè)存在一定的溫度梯度。正是這一溫度梯度的存在使經(jīng)化學(xué)反應(yīng)而生成的SOOT狀氧化物SiO2等沉積在反應(yīng)管內(nèi)壁上。當(dāng)加熱中心通過(guò)SOOT沉積層時(shí)就會(huì)將其燒結(jié)成透明的玻璃層，而沒有反應(yīng)的氣體和沒有沉積的SOOT以及反應(yīng)產(chǎn)物氯氣等則從反應(yīng)尾端(泵端)排走。

圖2-7MCVD設(shè)備外觀圖在MCVD工藝中，沉積從供氣端到尾端這一過(guò)程一直沒有新技術(shù)出現(xiàn)，而加熱熱源從最初的氫氧焰發(fā)展到了加熱爐(包括石墨電阻爐和高頻感應(yīng)爐)。采用加熱爐的MCVD工藝稱為FCVD。FCVD相對(duì)于最初的MCVD，可采用更大尺寸的反應(yīng)管，從而有利于提高沉積速率和制備更大尺寸的預(yù)制棒，同時(shí)又可避免氫氧焰引起的氫基的污染，有利于制造低水峰光纖。FCVD的出現(xiàn)使MCVD在大規(guī)模生產(chǎn)石英通信光纖工藝中仍占有一席之地。

MCVD工藝屬于管內(nèi)法，即所進(jìn)行的沉積被限制在預(yù)先選好的作為包層的石英管內(nèi)壁中，這樣的石英管一般稱做石英反應(yīng)管或襯管(本書中都稱為石英反應(yīng)管)。目前，國(guó)內(nèi)采用管內(nèi)法預(yù)制棒制備工藝的廠家所用的石英反應(yīng)管都是由專門的玻璃制造企業(yè)提供的，其純度和尺寸誤差都有精確要求。

MCVD工藝的主體設(shè)備是MCVD車床。在該車床中，從將預(yù)沉積的石英反應(yīng)管安裝到MCVD車床上開始，按照預(yù)設(shè)計(jì)的流程菜單，先后完成包層的沉積、芯層的沉積、熔縮以及拋光等工藝，最后完成預(yù)制棒的制備。MCVD設(shè)備主要包括如下部件：

(1)機(jī)床：帶動(dòng)熱源進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

(2)噴燈：提供熱源。目前國(guó)內(nèi)外利用MCVD工藝進(jìn)行預(yù)制棒制備的企業(yè)其熱源有：火焰噴燈，燃燒氫氣、氧氣，電感應(yīng)燈等。

(3)料柜：一般是蒸發(fā)料柜，即通過(guò)鼓泡的方式將液態(tài)的SiCl4和GeCl4等原材料變成氣態(tài)帶入反應(yīng)管。

(4)卡盤：用來(lái)夾持石英反應(yīng)管，并帶動(dòng)其旋轉(zhuǎn)。

(5)尾部廢氣、廢物處理裝置：主要將未沉積的SiO2顆粒和廢氣排放到廢氣處理系統(tǒng)的管道中。

2．MCVD工藝的具體流程

對(duì)于整個(gè)MCVD工藝來(lái)說(shuō)，最重要的部分就是沉積菜單的編制，即根據(jù)將要沉積的預(yù)制棒的芯包比決定沉積的厚度，根據(jù)折射率剖面的要求來(lái)決定各種原材料氣體流量的大小。MCVD預(yù)制棒制備過(guò)程分為以下兩步：

(1)沉積。MCVD工藝的沉積過(guò)程可以簡(jiǎn)單描述為：經(jīng)過(guò)蒸發(fā)鼓泡的SiCl4和GeCl4等原材料以及反應(yīng)的氧氣等從車床的一端通入石英反應(yīng)管，在卡盤帶動(dòng)石英反應(yīng)管以一定的轉(zhuǎn)速進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，機(jī)床按照一定的速度使熱源噴燈進(jìn)行往返運(yùn)動(dòng)，這樣各種反應(yīng)氣體和氧氣在高溫下就發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成SiO2顆粒，沉積在反應(yīng)管內(nèi)壁，多余的SiO2顆粒以及反應(yīng)的廢氣則被氣流帶到尾部處理裝置。在整個(gè)過(guò)程中，要保持反應(yīng)管內(nèi)部始終處于微正壓狀態(tài)。

(2)熔縮。因?yàn)槌练e后得到的都是中心有孔的沉積管，所以必須沿沉積管方向用往返移動(dòng)的氫氧焰或加熱爐對(duì)不斷旋轉(zhuǎn)的管子進(jìn)行加熱，在表面張力的作用下，分階段將沉積好的石英管熔縮成實(shí)心棒，即光纖預(yù)制棒。

圖2-8MCVD工藝流程步驟模擬圖

3．MCVD工藝的發(fā)展

最初的MCVD在一臺(tái)車床上依次進(jìn)行包層沉積、芯沉積，最后熔縮成預(yù)制棒，這是典型的“一步法”。目前，阿爾卡特公司已經(jīng)將沉積與熔縮分開，在沉積之后，用另一臺(tái)專用車床將芯熔縮成棒，并用石墨感應(yīng)爐代替氫氧焰作熱源進(jìn)行熔縮，其特點(diǎn)如下：

(1)采用大直徑合成石英管代替天然水晶粉熔制成的小直徑石英管作為襯底管。目前在生產(chǎn)上用的合成石英襯底管其外直徑約為40mm，沉積長(zhǎng)度為1.2～1.5m。

(2)用各種外沉積技術(shù)取代套管法來(lái)制作大預(yù)制棒。例如，用火焰水解外包和等離子外包技術(shù)在芯棒上制作外包層，形成了MCVD與OVD相結(jié)合的混合工藝。這項(xiàng)新技術(shù)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)MCVD工藝沉積速率低、幾何尺寸精度差的缺點(diǎn)，降低了成本，提高了質(zhì)量，增強(qiáng)了競(jìng)爭(zhēng)力。

(3)開發(fā)了低成本、高質(zhì)量、大尺寸的套管的制造方法(如溶膠-凝膠法、OVD法)，供套管使用。2.2.4等離子體化學(xué)氣相沉積工藝(PCVD)

圖2-9所示為PCVD沉積設(shè)備簡(jiǎn)圖。圖2-10所示為PCVD熔縮現(xiàn)場(chǎng)照片。

圖2-9PCVD沉積設(shè)備簡(jiǎn)圖

圖2-10PCVD熔縮現(xiàn)場(chǎng)照片

1．PCVD工藝簡(jiǎn)介

PCVD與MCVD工藝都屬于管內(nèi)法，其相似之處在于它們都在高純度石英玻璃管內(nèi)進(jìn)行氣相沉積和高溫氧化反應(yīng)。與MCVD工藝不同的是，PCVD工藝用的熱源是微波，其反應(yīng)機(jī)理為微波激活氣體產(chǎn)生等離子，使反應(yīng)氣體電離，電離的反應(yīng)氣體為帶電離子，帶電離子重新結(jié)合時(shí)釋放出的熱能熔化氣態(tài)反應(yīng)物，形成透明的石英沉積層。

PCVD工藝中，一根潔凈的石英管作為PCVD沉積的反應(yīng)管，被固定在真空泵與氣流控制器(MFC)之間。該裝置可以控制四氯化硅(SiCl4)、四氯化鍺(GeCl4)、氟里昂(C2F6)氣體與氧氣(O2)充分精確地按照預(yù)先設(shè)定的比例混合，并在特定的低壓下注入反應(yīng)管內(nèi)。

往返移動(dòng)的諧振腔包圍著部分反應(yīng)管，通過(guò)波導(dǎo)將數(shù)千瓦的微波能量耦合至氣體混合物。微波諧振腔中石英包層管內(nèi)的低壓氣體在微波作用下受激產(chǎn)生一個(gè)局部非等溫、低壓的等離子體，形成輝光放電，使氣體電離。等離子體中含有電子、原子、分子、離子，是一種混合態(tài)。等離子體內(nèi)的氣體互相作用，發(fā)生反應(yīng)。等離子體中電子碰撞運(yùn)動(dòng)將產(chǎn)生高于6000℃的高溫，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于周圍保溫爐的溫度。四氯化硅(SiCl4)與氧氣(O2)發(fā)生反應(yīng)后生成純二氧化硅(SiO2)，四氯化鍺(GeCl4)與氧氣(O2)發(fā)生類似反應(yīng)后產(chǎn)生可以提高折射率的摻雜物—二氧化鍺(GeO2)，同時(shí)氟里昂(C2F6)氣體中的主要成分—氟反應(yīng)生成物降低了折射率。通過(guò)這種方法可以靈活地改變光纖的折射率，且直接在透明的管壁上進(jìn)行沉積，無(wú)任何粉塵產(chǎn)生。

等離子加熱時(shí)，諧振腔的每次往返都會(huì)導(dǎo)致氣體的混合比例發(fā)生改變，進(jìn)而導(dǎo)致多達(dá)數(shù)千層的沉積層。這樣可以得到極其精確的預(yù)制棒芯層以及光纖的折射率剖面曲線。由于所涉及的任何折射率的剖面均可在PCVD沉積車床上制成，因此一臺(tái)PCVD沉積車床可以通用，適合生產(chǎn)任何型號(hào)的預(yù)制棒，不論多模還是單模。PCVD工藝的沉積效率極高，氟與二氧化硅的沉積率幾乎可以達(dá)到100%。因此，原材料可以得到高效利用。

2．PCVD工藝的具體流程

PCVD工藝的具體流程如圖2-11所示。

圖2-11PCVD工藝的具體流程

(1)沉積。沉積過(guò)程借助低壓等離子體使流進(jìn)高純度石英玻璃沉積管內(nèi)的氣態(tài)鹵化物和氧氣在1000℃以上的高溫條件下直接沉積成設(shè)計(jì)要求的光纖芯中玻璃的組成成分。

(2)熔縮。沿管子方向往返移動(dòng)的石墨電阻爐對(duì)不斷旋轉(zhuǎn)的管子加熱到大約2200℃，在表面張力的作用下，分階段將沉積好的石英管熔縮成一根實(shí)心棒(預(yù)制棒)。

(3)套棒。為獲得光纖芯層與包層材料的適當(dāng)比例，將熔縮后的石英棒套入一根截面積經(jīng)過(guò)精心挑選的管子中，這樣裝配后即可進(jìn)行拉絲。

(4)拉絲。套棒被安裝在拉絲塔的頂部，下端緩緩放入約2100℃的高溫爐中，此端熔化后被拉成所需包層直徑的光纖(通常為125cm)，并進(jìn)行雙層涂覆和紫外固化。

(5)光纖測(cè)試。拉出的光纖要經(jīng)過(guò)各種測(cè)試，以確定光纖的幾何、光學(xué)和機(jī)械性能。

3．PCVD工藝的發(fā)展

PCVD與MCVD一樣，其主要發(fā)展在芯棒的質(zhì)量和直徑方面。當(dāng)前的PCVD工藝采用大直徑合成石英管代替天然水晶熔制的石英管作為襯底管，同時(shí)改進(jìn)了PCVD設(shè)備特性，提高了沉積速率和沉積長(zhǎng)度。雖然目前PCVD仍采用套管法制作大預(yù)制棒，但預(yù)制棒的套管重達(dá)好幾公斤，這就導(dǎo)致PCVD套管工藝從RIT工藝(采用小尺寸套管的工藝)變?yōu)镽IC工藝(采用大尺寸套管的工藝)。2.2.5軸向氣相沉積工藝(VAD)

VAD工藝模擬圖如圖2-12所示。

1．VAD工藝簡(jiǎn)介

VAD工藝的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理與OVD工藝近似相同。與OVD工藝不同的是，VAD工藝沉積獲得的預(yù)制棒的生長(zhǎng)方向是由下向上垂直沿軸向生長(zhǎng)的，其過(guò)程是：把經(jīng)過(guò)提純的化學(xué)試劑(如SiCl4、GeCl4、SiHCl3等)以氣態(tài)送入氫氧火焰噴燈，使之在氫氧火焰中水解，生成SiO2和GeO2等氧化物微粒；圖2-12VAD工藝模擬圖這些微粒由火焰流送至初始棒端面附近，最終沉積在初始棒端面上；初始棒由提升機(jī)構(gòu)帶動(dòng)并均勻旋轉(zhuǎn)，其速度隨著微粒沉積速度作相應(yīng)的提升，形成疏松棒；通過(guò)合理選用噴燈的結(jié)構(gòu)和數(shù)量、燈棒之間的距離、沉積溫度及速度，合理控制氣體的流量，可得到不同的折射率分布曲線；當(dāng)沉積物體達(dá)到一定長(zhǎng)度后，進(jìn)行脫水燒結(jié)，生成石英(SiO2)玻璃微粒粉塵。圖2-13VAD工藝設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2．VAD工藝的具體流程

傳統(tǒng)的VAD工藝流程就是連續(xù)工藝流程，即直接按照芯層和包層的要求進(jìn)行一次性沉積，沉積完成后直接燒結(jié)成預(yù)制棒。這種傳統(tǒng)工藝制造的預(yù)制棒其大小受限制。下面介紹的“兩步法”(即VAD工藝)主要用來(lái)制造芯棒。

VAD工藝一般包括如下步驟：制作芯棒→芯棒在氯氣氣氛中脫水(1200℃)→芯棒在氦氣氣氛中燒結(jié)(1500℃)→延伸芯棒(氫氧焰為熱源)→等離子火焰蝕洗，以除去OH-污染層→套管或沉積外包層→拉絲。各工序簡(jiǎn)單介紹如下：

(1)制作芯棒。在旋轉(zhuǎn)的芯棒頂部用火焰水解法沉積芯層和內(nèi)包層，制成疏松體，但要注意控制內(nèi)包層直徑D和芯層直徑d的比值。VAD制芯工藝的成本較高，沉積量和(D/d)2成正比，且D/d越小，對(duì)外套管的要求越高。因?yàn)镈/d值小，所以一部分光能會(huì)在內(nèi)包層和套管中進(jìn)行傳輸，各種雜質(zhì)(包括OH-離子)就會(huì)增加傳輸損耗。由于OH-離子很容易在熱處理(尤其是拉絲)過(guò)程中從外包層運(yùn)動(dòng)到芯層，因此VAD工藝對(duì)外套管含OH-離子的濃度要求相當(dāng)嚴(yán)格。

(2)芯棒在氯氣氣氛中脫水。沉積好的芯棒疏松體要放在1200℃含氯或含氟的氣氛中。脫水的原理是氯氣進(jìn)入芯棒孔隙中取代C，其產(chǎn)生的Si-Cl鍵吸收波長(zhǎng)為25μm，遠(yuǎn)離光纖工作波段。脫水的速率取決于脫水溫度和氯氣的流量。

(3)芯棒在氦氣氣氛中燒結(jié)。芯棒在爐內(nèi)繼續(xù)升溫到1500℃，通入氦氣進(jìn)行燒結(jié)。氦氣是一種分子體積很小而傳熱系數(shù)很高的氣體，能夠?qū)崃繋У叫静浚故杷审w依靠表面張力而生成透明的玻璃體。燒結(jié)效果取決于輸送速度、燒結(jié)溫度、氦氣流量等因素。

(4)延伸芯棒。VAD工藝中，制作的芯棒一般都較粗且外徑不均勻，無(wú)法直接插入套管合成預(yù)制棒，需要經(jīng)過(guò)延伸使外徑變均勻、變細(xì)。延伸芯棒時(shí)，可以采用成本較低的氫氧火焰作為熱源，但氫氧火焰會(huì)造成芯棒表面OH-離子污染，需要進(jìn)行等離子火焰蝕洗或酸洗。另外一種辦法是采用等離子體作為熱源進(jìn)行延伸，可以省略去OH-離子的過(guò)程。延伸工藝有橫延、由上往下延伸、由下往上延伸等多種方法。

(5)等離子火焰蝕洗。等離子火焰蝕洗的原理是：等離子火焰沿旋轉(zhuǎn)的芯棒進(jìn)行軸

向移動(dòng)，高達(dá)9000℃的火焰使芯棒表面的一層物質(zhì)迅速升華揮發(fā)。一般的蝕洗深度是

(0.25

±0.15)mm，足以將表面的OH-離子去除干凈。

(6)套管或沉積外包層。在套管車床上將芯棒和套管裝配在一起，用環(huán)形氫氧焰沿軸向從上到下進(jìn)行加熱，同時(shí)用真空泵抽去縫隙內(nèi)的空氣，使套管燒結(jié)在芯棒上，形成一體的預(yù)制棒。

3．VAD工藝的發(fā)展

VAD雖然和OVD一樣屬于外沉積法，但其發(fā)展卻同PCVD、MCVD一樣體現(xiàn)在芯棒制造技術(shù)的進(jìn)步方面，包括從連續(xù)制造預(yù)制棒工藝(即芯和包層同時(shí)沉積、同時(shí)燒結(jié))發(fā)展為先做出大直徑芯棒，然后把大直徑芯棒拉細(xì)成多根小芯棒，再用套管法制成預(yù)制棒。2.2.6制作大型預(yù)制棒的新工藝—混合工藝

1．混合工藝簡(jiǎn)介

傳統(tǒng)的套管法的拉絲長(zhǎng)度局限于套管的尺寸，因此20世紀(jì)80年代中期國(guó)際上開始大力開發(fā)制造大型預(yù)制棒的新工藝。其主要發(fā)展方向是混合工藝(HybridProcesses)，俗稱“兩步法”。該法為目前國(guó)內(nèi)外制造光纖預(yù)制棒的主要工藝。該法包括以下兩步：

(1)在生產(chǎn)芯棒時(shí)，不僅要制造芯，也必須制造部分包層，這是為了確保光纖的光學(xué)質(zhì)量。隨后可以把芯棒拉細(xì)成很多小芯棒，也可以不拉細(xì)，這取決于芯棒的大小。

(2)在芯棒上附加外包層(俗稱外包技術(shù)或OverCladding)，制成預(yù)制棒。拉絲之前，可以把預(yù)制棒拉細(xì)，也可以不拉細(xì)，這取決于預(yù)制棒和拉絲爐的大小。

事實(shí)上，“兩步法”并不局限于一種工藝的兩步，更多時(shí)候是混合幾種工藝，因此也常被稱做混合工藝。在混合工藝中，光纖預(yù)制棒的光學(xué)特性主要取決于芯棒制造技術(shù)，光纖預(yù)制棒的成本主要取決于外包技術(shù)，因此，芯棒制造技術(shù)加上外包技術(shù)才能全面說(shuō)明當(dāng)前光纖預(yù)制棒制造工藝的特征。

下面就如圖2-14所示的制備石英光纖預(yù)制棒的幾種工藝進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

圖2-14芯棒與預(yù)制棒制備的各種工藝關(guān)系圖

(1)

RIT/RIC就是俗稱的套管法，即將合格的光纖芯棒插入與該芯棒橫截面面積相匹配的石英套管中，進(jìn)行裝配便制成光纖預(yù)制棒的方法。用套管法制造預(yù)制棒的企業(yè)，其套管都是外購(gòu)的，因此從套管制造角度出發(fā)，又有多種套管制造方法，如OVD法等。

(2)

SOOT法在國(guó)外文獻(xiàn)中常為“SootProcess”，泛指OVD、VAD等火焰水解外沉積工藝。雖然稱為SOOT法，但在目前國(guó)內(nèi)外的工藝中，大多是用OVD、VAD外包技術(shù)。其制造技術(shù)與傳統(tǒng)預(yù)制棒制造方法一樣，就是將芯棒當(dāng)作靶棒，直接在芯棒的表面沉積，然后再脫水燒結(jié)。因?yàn)樵跓Y(jié)前外包表面是疏松白色狀，因此稱為SOOT。圖2-15為SOOT外包工藝簡(jiǎn)圖。

圖2-15SOOT外包工藝簡(jiǎn)圖

(3)

APVD是用高頻等離子體火焰將天然或合成石英粉熔制于芯棒上并直接使其成為透明玻璃而形成光纖預(yù)制棒的技術(shù)工藝。POVD工藝最初用來(lái)制造合成的石英管，最近Fibercore公司擬將其開發(fā)成新一代光纖預(yù)制棒制造工藝。該工藝以高頻等離子體作為熱源，SiCl4等原料在等離子體火焰中高溫水解，水解顆粒在高溫下玻璃化，直接噴在芯棒或靶棒上。和APVD工藝相比，POVD工藝所采用的原材料為SiCl4，而非石英粉。圖2-16所示為APVD和POVD工藝簡(jiǎn)圖。

圖2-16APVD和POVD工藝簡(jiǎn)圖

(4)溶膠-凝膠法(Sol-Gel)用作外包技術(shù)，是美國(guó)朗訊科技公司發(fā)明的。該法包括兩條途徑：其一，用溶膠-凝膠法制成合成石英管作為套管，再用套管法制成大預(yù)制棒；其二，用溶膠-凝膠法制成合成石英粉末，再用高頻等離子火焰將合成石英粉末熔制于芯棒上制成大預(yù)制棒。所以，從本質(zhì)上看，該法應(yīng)屬于SOOT法或等離子噴涂法。

2．主流混合工藝

1)

PCVD+RIT/RIC工藝

從工藝名稱可以看出，該混合工藝第一步采用PCVD工藝制造芯棒，第二步采用RIT/RIC進(jìn)行套管。目前套管工藝有兩種，其中采用小直徑套管的預(yù)制棒被稱為RIT(RodInTube)，而直接采用未經(jīng)拉伸的大直徑套管的預(yù)制棒被稱為RIC(RodInCylinder)。RIT與RIC工藝的區(qū)別如圖2-17所示。在RIC工藝中，大直徑套管不再需要拉伸成小直徑套管，不僅減少了工序，提高了成品率，還能由此制備大尺寸光纖預(yù)制棒，大大提高了拉絲效率，可進(jìn)一步降低光纖制造成本。

圖2-17RIT與RIC工藝的區(qū)別在PCVD+RIT/RIC工藝中，PCVD制造芯棒工藝在前面的內(nèi)容中已經(jīng)詳細(xì)講述，而大多數(shù)制造廠家都直接購(gòu)買高品質(zhì)石英套管，因此該工藝實(shí)際上是“自制芯棒，買管拉伸”。圖2-18所示為采用PCVD+RIT/RIC工藝制作的光纖結(jié)構(gòu)。

圖2-18采用PCVD+RIT/RIC工藝制作的光纖結(jié)構(gòu)

PCVD+RIT/RIC工藝的優(yōu)勢(shì)如下：

PCVD+RIT/RIC工藝過(guò)程和傳統(tǒng)光纖制造工藝過(guò)程類似，但目前隨著技術(shù)的發(fā)展，PCVD制造的芯棒其直徑較大，所采用套管的直徑也較大。從芯棒角度來(lái)說(shuō)，由于PCVD工藝具有折射率剖面精確可控的特點(diǎn)，因此采用這種混合工藝可以制造出各種結(jié)構(gòu)的光纖和多種類型的特種光纖。從套管制造包層技術(shù)角度來(lái)說(shuō)，套管尺寸的多樣性和套管技術(shù)的更新可以實(shí)現(xiàn)一層和多層套管結(jié)構(gòu)的光纖，同時(shí)，套管質(zhì)量的提升使得PCVD制造的芯棒附帶的光學(xué)包層厚度可以降低，因此大大提高了PCVD制造芯棒的效率，并且可以更大程度地制造大芯徑芯棒。

PCVD+RIT/RIC工藝的劣勢(shì)如下：

目前國(guó)內(nèi)采用PCVD+RIT/RIC工藝制造光學(xué)預(yù)制棒，其最大缺點(diǎn)在于套管需要購(gòu)買，特別是高純度的套管技術(shù)都掌握在國(guó)外制造商手里，因此需要大量進(jìn)口石英套管，這樣在光學(xué)成本上會(huì)受到限制。

2)

VAD+OVD工藝

VAD+OVD工藝模擬圖如圖2-19所示。

圖2-19VAD+OVD工藝模擬圖

在該工藝中，采用VAD制造芯棒的詳細(xì)步驟已經(jīng)在前面內(nèi)容中詳細(xì)講述，同時(shí)OVD制造包層技術(shù)與OVD基礎(chǔ)工藝相同，因此此處不再詳細(xì)闡述。圖2-20VAD+OVD工藝流程圖

3)

MCVD+OVD工藝

MCVD+OVD工藝模擬圖如圖2-21所示。

MCVD+OVD工藝就是用MCVD工藝制造芯棒，用OVD工藝進(jìn)行外包的混合工藝技術(shù)。MCVD+OVD工藝流程圖如圖2-22所示。圖2-21MCVD+OVD工藝模擬圖

圖2-22MCVD+OVD工藝流程圖

MCVD制造芯棒屬于管內(nèi)法，OVD外包屬于管外法，因此MCVD+OVD工藝吸取了MCVD工藝和OVD工藝的優(yōu)點(diǎn)，利用MCVD工藝相對(duì)簡(jiǎn)單、容易掌握的優(yōu)點(diǎn)，制成包芯比較小的預(yù)制棒芯棒，再利用OVD工藝在包層沉積方面的優(yōu)勢(shì)，根據(jù)不同芯徑和相對(duì)折射率差來(lái)沉積適當(dāng)厚度的外包層，滿足光纖傳輸對(duì)模場(chǎng)直徑和截止波長(zhǎng)的要求，同時(shí)還可以通過(guò)調(diào)節(jié)燈頭位置和預(yù)制棒的移動(dòng)方式，有效地控制沉積的均勻性。這樣就大大提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本。因?yàn)槭枪軆?nèi)法和管外法的混合，所以在MCVD

+

OVD工藝中，處理好工序間的銜接非常重要，這主要包括如下環(huán)節(jié)：

(1)合理地設(shè)計(jì)和計(jì)算OVD外包時(shí)的包芯比，因?yàn)镸CVD芯棒的包芯比越小，越有利于增大OVD外包層在整根預(yù)制棒中的比例，從而可進(jìn)一步降低成本。但MCVD芯棒的包芯比不能過(guò)小，否則容易引起羥基根離子向芯層擴(kuò)散，引起光纖水峰的增大。因此，選擇合適的包芯比十分關(guān)鍵。

(2)在OVD外包前，進(jìn)行MCVD芯棒的表面處理，從而避免導(dǎo)致界面的缺陷。

(3)由于密度差異，OVD所沉積的疏松體在燒結(jié)后會(huì)產(chǎn)生收縮，在表面張力的作用下，MCVD芯棒也會(huì)跟著收縮，而收縮的比例取決于疏松體的整體密度。因此，疏松體的密度控制是OVD沉積過(guò)程中的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。另外，沉積初始時(shí)的密度決定了外包層和芯層界面結(jié)合的好壞。2.2.7石英光纖預(yù)制棒測(cè)試技術(shù)

無(wú)論是傳統(tǒng)工藝還是混合工藝，以PCVD、MCVD、VAD、OVD工藝制備的預(yù)制棒在送去拉絲前都要進(jìn)行預(yù)制棒的檢測(cè)。檢測(cè)的主要特性之一就是預(yù)制棒折射率剖面圖。通過(guò)折射率剖面圖的繪制，可以很容易地了解預(yù)制棒棒芯直徑、包層直徑、整個(gè)預(yù)制棒的折射率變化情況以及預(yù)制棒的數(shù)值孔徑，在了解了預(yù)制棒的這些參數(shù)后才能更精確地選擇套管(用套管工藝)或指定外沉積工藝(用OVD等外包)。

通過(guò)檢測(cè)預(yù)制棒剖面還可以檢測(cè)和判定剖面是否合格，從預(yù)制棒源頭降低不合格光纖的產(chǎn)生，減少不必要的后續(xù)工序的浪費(fèi)。光纖預(yù)制棒相對(duì)于光纖而言，由于其尺寸大的特點(diǎn)，折射率分布的測(cè)試方法具有獨(dú)特性。一般采用對(duì)光纖預(yù)制棒進(jìn)行側(cè)向光束掃描的方法進(jìn)行測(cè)試。在光纖制造企業(yè)，雖然所用的測(cè)試設(shè)備不一定一樣，但其測(cè)試原理大多是相同的。下面以美國(guó)NETTES公司的P104預(yù)制棒分析設(shè)備(見圖2-23)為例，介紹側(cè)向掃描法測(cè)試預(yù)制棒剖面結(jié)構(gòu)的基本原理。

采用一細(xì)激光束對(duì)一根橫(側(cè))向放置的光纖預(yù)制棒進(jìn)行掃描，經(jīng)過(guò)該光纖預(yù)制棒的光束由于其形狀和折射率分布的原因而產(chǎn)生角度偏轉(zhuǎn)，即產(chǎn)生折射(類似透鏡作用)。根據(jù)具體測(cè)試系統(tǒng)，折射角可表示為

(2-1)

式中，D和F是系統(tǒng)參數(shù)；θ是與掃描光束位置r

(即預(yù)制棒的徑向位置)有關(guān)的因子，θ

=

ωnΔt

(ω為周期性遮擋出射光束的斬波器角速度，n為斬波器遮擋出射光束的次數(shù)，Δt為光功率采集時(shí)間間隔)?？梢姡凵浣?/p>

是預(yù)制棒的徑向位置r的函數(shù)。該折射角函數(shù)經(jīng)Abel變換(一種特殊函數(shù)的積分變換)后即為預(yù)制棒的折射率差徑向分布函數(shù)。該變換的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

(2-2)式中，R為掃描的有效范圍(預(yù)制棒的半徑)；y為掃描光束所在的徑向位置變量；r為預(yù)制棒的徑向位置。

P104能測(cè)量直徑為5～80mm的各種單模、多模光纖預(yù)制棒的折射率分布；掃描空間分辨率為5μm；折射率測(cè)量精度為±

0.000

20；芯、包層折射率差的測(cè)量重復(fù)性優(yōu)于/等于0.00005。

P104將側(cè)向掃描法以及函數(shù)變換編制為專用軟件固定在測(cè)試設(shè)備系統(tǒng)中，因此，對(duì)于進(jìn)行光纖預(yù)制棒折射率剖面測(cè)試的操作人員來(lái)說(shuō)，重要的是準(zhǔn)確測(cè)量光纖預(yù)制棒徑向不同位置從纖芯到包層的折射率值。

圖2-23P104預(yù)制棒分析設(shè)備使用P104設(shè)備進(jìn)行光纖預(yù)制棒折射率測(cè)試的具體步驟比較簡(jiǎn)單，但是不同廠家會(huì)根據(jù)自己的工藝和經(jīng)驗(yàn)在測(cè)試過(guò)程中對(duì)系數(shù)進(jìn)行修訂，并根據(jù)測(cè)試出的折射率值來(lái)計(jì)算數(shù)值孔徑、折射率差等參數(shù)，直接顯示在剖面圖上，以便于使用和研究。2.2.8接管工序與接棒工序

接管與接棒是預(yù)制棒制備過(guò)程中必不可缺的工序。在PCVD和MCVD工藝中，管內(nèi)法的第一道工序就是接管，即將石英反應(yīng)管兩端和配套的尾管相連接，以便卡在旋轉(zhuǎn)的卡盤上，之后，沉積好的預(yù)制棒在拉絲前需要進(jìn)行接棒和套管工序。在OVD和VAD外沉積工藝中，也會(huì)不同程度地涉及接棒。目前主流的混合工藝中，能否將第一步生產(chǎn)的芯棒進(jìn)行完美的接棒，直接決定著第二步外包層沉積的質(zhì)量以及效率。因此接管工序與接棒工序是光纖制造企業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)環(huán)節(jié)之一。圖2-24所示為接管車床與接棒車床。圖2-25所示為接棒工序過(guò)程。

圖2-24接管車床與接棒車床(a)(b)

圖2-25接棒工序過(guò)程2.2.9套管工序與套棒工序

套管是經(jīng)過(guò)沉積制坨、研磨拋光、拉管、檢測(cè)等一系列工序制造的。雖然光纖制造企業(yè)所使用的套管大多都是直接購(gòu)買的，但當(dāng)前套管工藝仍然有著自己的優(yōu)勢(shì)而存在著。下面簡(jiǎn)單介紹幾種常用的套管制造技術(shù)。

目前常用的光纖用套管的制造工藝有三種：

①采用OVD方法制造套管，即在靶棒上沉積SiO2粉末，然后燒結(jié)成玻璃，再將靶棒抽走后形成圓筒狀玻璃管，如圖2-26所示。

圖2-26OVD工藝制造套管工藝流程圖②選取天然或合成石英粉為原料，采用連熔直接拉管的方法制造套管，如圖2-27所示。

③用溶膠-凝膠法制成合成石英管，將其作為套管，如圖2-28所示。

第二種方法雖然具有一定的成本優(yōu)勢(shì)，但所制造的套管其缺陷和雜質(zhì)很難控制，進(jìn)而會(huì)影響光纖的衰減和強(qiáng)度，目前很少被用于制造單模光纖。其他兩種方法都被用在光纖套管制造中，但溶膠-凝膠法在干燥和燒結(jié)環(huán)節(jié)成品率低。因而在制造套管方面，OVD工藝仍處于領(lǐng)導(dǎo)地位，以德國(guó)Heraeus公司的技術(shù)最為典型。圖2-27連熔拉管工藝示意圖

圖2-28Sol-Gel工藝合成石英管流程圖眾所周知，套管是為了獲得光纖芯層與包層材料的適當(dāng)比例，因此需要根據(jù)光纖芯棒的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的大小來(lái)選擇截面積(CSA)合適的石英套管。在企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)中，為了提高玻璃材料的利用率，通常在芯棒與石英套管裝配之前，需要將石英套管加工成適合拉絲的帶石英延長(zhǎng)管的套管，然后將光纖芯棒套入合適的帶石英延長(zhǎng)管的套管中，這樣裝配后即可得到光纖預(yù)制棒。要拉制光纖外徑為125

m的芯棒，其套管的截面積CSA可以按照下面的公式來(lái)進(jìn)行挑選：

(2-3)

式中：CSA為應(yīng)挑選的套管的截面積，D棒芯、D纖芯和D芯棒分別為芯棒的芯層直徑、拉制后光纖芯層的直徑和芯棒的外徑。在常規(guī)單模光纖中，如果芯棒的芯層直徑D棒芯

=6.20cm，芯棒的外徑D芯棒

=25cm，希望拉制完成后光纖的芯徑D纖芯=8.9μm，則根據(jù)公式計(jì)算得CSA為5462cm2，可以選取CSA為5500cm2左右的套管。是否正確地選擇套管的截面積，決定著能否拉制出合格的光纖。在預(yù)制棒送去拉絲前，需要在預(yù)制棒的一端固定一段石英棒，這個(gè)工序叫做套棒(見圖2-29)。通常用于套棒的是石英玻璃棒，要求其強(qiáng)度好，膨脹系數(shù)同預(yù)制棒接近，以減少炸裂，并可以多次重復(fù)使用。

圖2-29套棒工序2.2.10石英光纖預(yù)制棒制備的相關(guān)設(shè)備

圖2-30～圖2-33所示為石英光纖預(yù)制棒制備的相關(guān)設(shè)備。

圖2-30加料柜

圖2-31設(shè)備控制柜

圖2-32半月燈熔縮預(yù)制棒設(shè)備圖

圖2-33石英燈熔縮預(yù)制棒設(shè)備圖2.2.11國(guó)內(nèi)主要光纖制造企業(yè)

表2-2所示為國(guó)內(nèi)主要光纖制造企業(yè)。

表2-2國(guó)內(nèi)主要光纖制造企業(yè)學(xué)習(xí)情境三：石英光纖拉絲3.1學(xué)習(xí)目標(biāo)3.2學(xué)習(xí)內(nèi)容

★掌握光纖拉絲過(guò)程；

★掌握光纖二次涂覆過(guò)程；

★掌握篩選工藝；

★掌握復(fù)繞工藝；

★了解拉絲塔、復(fù)繞機(jī)等設(shè)備；

★掌握安全操作規(guī)程。3.1學(xué)習(xí)目標(biāo)

3.2.1石英熔融拉絲原理

1.石英光纖拉絲原理

石英光纖拉絲是指將制備好的光纖預(yù)制棒放置在拉絲塔的進(jìn)棒系統(tǒng)上，并放入高溫爐中，利用高溫爐加熱(溫度約1900～2200℃)熔融后拉制成直徑符合要求的光纖纖維，并保證光纖的芯包直徑比和折射率分布形式不變的工藝操作過(guò)程。對(duì)于石英光纖而言，芯層中二氧化鍺即使在2000℃的高溫時(shí)也很難擴(kuò)散到包層中，從而可以保證按原有的折射率分布。3.2學(xué)習(xí)內(nèi)容在拉絲操作過(guò)程中，最重要的技術(shù)是保證不使光纖表面受到損傷，對(duì)光纖進(jìn)行涂覆并固化，保證光纖正常的機(jī)械強(qiáng)度；其次，應(yīng)正確控制芯/包層外徑尺寸及折射率分布形式，確保制造出高品質(zhì)的光纖產(chǎn)品；另外，還應(yīng)保持拉絲工藝和工藝參數(shù)的穩(wěn)定性，保證拉制光纖的均勻性。如果光纖表面受到損傷，則將會(huì)影響光纖的機(jī)械強(qiáng)度與使用壽命；如果外徑發(fā)生波動(dòng)，則由于結(jié)構(gòu)不完善不僅會(huì)引起光纖波導(dǎo)散射損耗，而且在光纖接續(xù)時(shí)連接損耗也會(huì)增大，影響光纖的光學(xué)性能。

因此在進(jìn)行石英光纖拉絲時(shí)，必須根據(jù)拉絲塔各組成部件的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出最優(yōu)化的石英光纖拉絲工藝，并使各種工藝參數(shù)與條件保持穩(wěn)定。

2.石英光纖拉絲塔

光纖拉絲塔由以下部件組成：塔架(根據(jù)拉制不同種類光纖的需要高度可為5～30m)、預(yù)制棒進(jìn)棒及自動(dòng)對(duì)中系統(tǒng)、高溫爐系統(tǒng)、直徑測(cè)量系統(tǒng)(裸光纖/涂覆光纖測(cè)徑儀)、光纖冷卻系統(tǒng)、裸光纖張力測(cè)試系統(tǒng)、輔助牽引及主牽引系統(tǒng)、涂覆系統(tǒng)(濕-濕/濕-干涂覆)、涂層同心度檢測(cè)系統(tǒng)、UV固化爐系統(tǒng)、光纖旋轉(zhuǎn)單元(用于減小偏振模色散)、牽引以及張力測(cè)試系統(tǒng)、光纖收絲系統(tǒng)、拉絲塔控制系統(tǒng)等。

常見光纖拉絲塔的結(jié)構(gòu)見圖3-1。其中，圖(a)顯示了常見的進(jìn)行規(guī)模生產(chǎn)的光纖拉絲塔的基本組成部分，圖(b)所示為特種光纖拉絲塔。從結(jié)構(gòu)上看，兩種拉絲塔的主要構(gòu)成部分基本相同，特種光纖拉絲塔主要考慮進(jìn)行特種光纖的拉制，只保留了一些必要的部件，同時(shí)增加了一些特殊設(shè)計(jì)，因而比生產(chǎn)型光纖拉絲塔簡(jiǎn)單，高度也大大減小了。

圖3-1常見光纖拉絲塔的結(jié)構(gòu)預(yù)制棒進(jìn)棒系統(tǒng)(如圖3-2所示)位于拉絲塔塔架頂部，具有自動(dòng)/手動(dòng)x-y對(duì)中功能。通過(guò)該系統(tǒng)可以手動(dòng)或自動(dòng)控制預(yù)制棒的運(yùn)行，其下部為拉絲塔的高溫爐。

用卡爪(如圖3-3所示)將預(yù)制棒夾緊固定，可以通過(guò)位于高溫爐位置的控制面板來(lái)手動(dòng)調(diào)節(jié)預(yù)制棒的位置，也可以接受光纖直徑檢測(cè)系統(tǒng)的反饋，實(shí)時(shí)調(diào)整高溫爐中預(yù)制棒的位置，以始終保持光纖絲根位置在高溫爐熱區(qū)的中心，從而保證拉制光纖的直徑保持穩(wěn)定并具有優(yōu)良的光學(xué)性能。

圖3-2預(yù)制棒進(jìn)棒系統(tǒng)及高溫爐示意圖

圖3-3預(yù)制棒夾棒卡盤高溫爐(如圖3-4所示)主要有石墨高溫爐和氧化鋯電阻加熱爐兩種。目前我國(guó)的光纖生產(chǎn)廠商大都使用石墨爐結(jié)構(gòu)，包括石墨感應(yīng)高溫爐和石墨電阻爐。石墨高溫爐由石墨加熱元件、石墨隔熱材料、不銹鋼爐體、銅電極/感應(yīng)線圈、供電設(shè)備、冷卻水控制系統(tǒng)及功率/溫度控制系統(tǒng)構(gòu)成。

石墨感應(yīng)爐(如圖3-5所示)通過(guò)感應(yīng)線對(duì)爐子的石墨發(fā)熱體進(jìn)行加熱，可以通過(guò)調(diào)整感應(yīng)線圈的大小和圈數(shù)來(lái)調(diào)整高溫爐內(nèi)發(fā)熱區(qū)的長(zhǎng)度。石墨電阻爐(如圖3-6所示)則通過(guò)銅電極的放電來(lái)對(duì)爐中的石墨發(fā)熱體進(jìn)行加熱。

圖3-4石墨高溫爐

圖3-5石墨感應(yīng)爐

圖3-6石墨電阻爐雖然兩種高溫爐的工作原理不同，但是為了防止石墨元件在高溫下氧化，必須采用高純度的石墨元件作為高溫爐的加熱元件和隔熱元件，以防止高溫爐的熱量外泄，保持加熱區(qū)溫度的一致性。拉絲爐(高溫爐)內(nèi)部通常要通入惰性氣體以減小爐內(nèi)的氧含量來(lái)保護(hù)石墨元件。為了保證在拉絲過(guò)程中光纖直徑的穩(wěn)定，要保持高溫爐內(nèi)氣流的穩(wěn)定，必須對(duì)通入爐內(nèi)的保護(hù)氣體的流速和氣流運(yùn)行的狀態(tài)進(jìn)行控制，否則一旦發(fā)生氣流擾動(dòng)，不僅光纖的直徑會(huì)發(fā)生波動(dòng)，而且還會(huì)加大爐內(nèi)揮發(fā)的灰塵微粒接觸到裸光纖表面的可能，從而引起光纖強(qiáng)度的下降。光纖涂覆及固化爐系統(tǒng)主要是對(duì)從高溫爐拉制出來(lái)的裸光纖涂覆聚丙烯酸樹脂類涂料并進(jìn)行固化，其組成如圖3-7所示。

目前光纖生產(chǎn)廠家大都采用濕-干兩次涂覆的方式進(jìn)行光纖的涂覆。濕-干光纖涂覆系統(tǒng)主要由可以在x-y方向滑動(dòng)的加熱模臺(tái)、涂覆模具(包括導(dǎo)模和模具，如圖3-8所示)、水浴加熱的涂料罐(如圖3-9所示)和互聯(lián)管道、壓力控制單元組成。

圖3-7輔助牽引、涂覆及固化系統(tǒng)示意圖

圖3-8涂覆模具示意圖

圖3-9水浴加熱的涂料灌

圖3-10UV固化系統(tǒng)目前光纖固化大都采用Fusion公司的UV固化系統(tǒng)(如圖3-10所示)。該固化系統(tǒng)的組成部件有燈模塊、安裝支架、冷卻風(fēng)機(jī)、空氣冷卻軟管、氮?dú)夤?yīng)系統(tǒng)、排煙系統(tǒng)和供電單元以及內(nèi)聯(lián)電纜等。根據(jù)光纖拉絲速度的不同，可以選用不同數(shù)量的固化爐以滿足光纖固化的要求。在目前的高速拉絲生產(chǎn)中，第一次涂覆一般采用兩節(jié)固化爐，第二次涂覆一般采用4～6節(jié)固化爐，這樣才能在高速拉絲過(guò)程中為涂覆光纖的固化提供足夠能量。光纖直徑測(cè)試系統(tǒng)由裸光纖直徑測(cè)試系統(tǒng)和涂覆光纖直徑測(cè)試系統(tǒng)組成。圖3-11所示為裸光纖直徑測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)對(duì)拉制的光纖直徑進(jìn)行測(cè)量，將測(cè)試數(shù)值與標(biāo)準(zhǔn)值相比較，得到一個(gè)偏差信號(hào)，并將偏差信號(hào)反饋給拉絲塔控制系統(tǒng)，對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，從而得到直徑波動(dòng)符合規(guī)定的光纖產(chǎn)品。涂覆光纖直徑測(cè)試系統(tǒng)僅僅對(duì)涂覆后的光纖直徑進(jìn)行測(cè)量，而不進(jìn)行信號(hào)反饋。

圖3-11裸光纖直徑測(cè)試系統(tǒng)圖3-12是兩種常用在光纖生產(chǎn)過(guò)程中的測(cè)徑儀。它們既可作為裸光纖測(cè)徑儀，也可作為涂覆光纖測(cè)徑儀。典型的光纖測(cè)徑儀的參數(shù)要求為：測(cè)量范圍為0.1～10mm；分辨率可達(dá)0.01μm；掃描速率可達(dá)2400線/秒；測(cè)量精度為光纖直徑的±0.02%；在高速拉絲時(shí)，可以進(jìn)行實(shí)時(shí)的光纖直徑測(cè)量及反饋。

圖3-12裸(涂覆)光纖測(cè)徑儀

圖3-13光纖收絲系統(tǒng)光纖的牽引裝置用來(lái)控制光纖的拉絲速度。牽引輪轉(zhuǎn)動(dòng)的速度即為光纖拉絲的速度。牽引裝置是和光纖的收絲系統(tǒng)(如圖3-13所示)連在一起的，在操作過(guò)程中主要通過(guò)牽引輪帶動(dòng)皮帶運(yùn)動(dòng)，可以通過(guò)拉絲塔控制系統(tǒng)設(shè)定其運(yùn)動(dòng)速度。在拉絲的開始階段，通過(guò)調(diào)節(jié)牽引輪速度，控制光纖直徑并進(jìn)行涂覆，當(dāng)光纖涂覆完成后，將牽引輪上的光纖引到光纖收絲筒上即可進(jìn)行正常的拉絲過(guò)程。

收絲系統(tǒng)主要用來(lái)收集光纖，即將成品光纖收集到光纖收絲筒上，以備后續(xù)對(duì)光纖進(jìn)行張力篩選、復(fù)繞、測(cè)試等操作。

3.拉絲塔控制系統(tǒng)

拉絲塔最重要的部分就是控制系統(tǒng)(如圖3-14所示)，它通過(guò)軟件控制著光纖拉絲塔中的很多部件，包括爐溫/溫度控制、進(jìn)棒速度控制、自動(dòng)夾棒位置控制、自動(dòng)或手動(dòng)光纖對(duì)中控制、光纖直徑控制、涂層壓力控制、拉絲速度控制、光纖長(zhǎng)度測(cè)量、光纖斷點(diǎn)監(jiān)測(cè)、固化爐功率控制、報(bào)警系統(tǒng)、數(shù)據(jù)/故障記錄系統(tǒng)等。

圖3-14拉絲塔控制柜控制系統(tǒng)各個(gè)組成部分之間的精確配合構(gòu)成了完整的光纖拉絲塔。采用合適的拉絲工藝，通過(guò)拉絲控制系統(tǒng)的精確控制，即可完成整個(gè)石英光纖的拉絲過(guò)程。在光纖拉絲工藝中，整個(gè)拉絲都是通過(guò)操作控制系統(tǒng)的各個(gè)單獨(dú)的工藝控制菜單(如圖3-15所示)完成的。該菜單還可以監(jiān)控拉絲過(guò)程中各個(gè)參數(shù)的變化。光纖的各項(xiàng)參數(shù)可以由計(jì)算機(jī)自動(dòng)記錄，供拉絲后查閱和進(jìn)行結(jié)果分析。

圖3-15工藝控制菜單3.2.2石英光纖拉絲工藝流程

石英光纖拉絲就是通過(guò)光纖拉絲塔將石英光纖預(yù)制棒的直徑縮小(從大約100mm減小到125μm)，且保持光纖的芯包比和折射率分布不變。光纖拉絲與石英預(yù)制棒的制造工藝無(wú)關(guān)，無(wú)論是MCVD、PCVD工藝制造的預(yù)制棒，還是OVD、VAD工藝制造的預(yù)制棒，其拉絲工藝基本都是相同的。石英光纖拉絲工藝示意圖如圖3-16所示。

光纖生產(chǎn)過(guò)程中一般采用如圖3-16所示的工藝進(jìn)行石英光纖的拉制。石英光纖拉絲工藝流程可用圖3-17表示。

圖3-16石英光纖拉絲工藝示意圖

圖3-17石英光纖拉絲流程圖其具體描述如下：

(1)拉絲前的準(zhǔn)備階段。拉絲前需要進(jìn)行高溫爐的清潔，檢查石墨發(fā)熱元件(見圖3-18)、保溫筒等各部件的使用情況，必要時(shí)清潔或更換，清除高溫爐中殘留的污染物，然后打開保護(hù)氣(一般情況下為氬氣，若對(duì)光纖品質(zhì)要求更高，則可選用氦氣)，對(duì)爐內(nèi)氣氛進(jìn)行保護(hù)，降低爐內(nèi)氧氣的含量，在氧含量下降到規(guī)定值(一般情況下其中氧氣含量應(yīng)小于500

×

10-6)后，對(duì)爐子進(jìn)行預(yù)熱。同時(shí)，需要對(duì)光纖通道、冷卻管(見圖3-19)、固化爐石英管、排煙管、供料系統(tǒng)、涂覆器等部件及收絲系統(tǒng)的導(dǎo)輪、皮帶等進(jìn)行檢查和清潔，確認(rèn)是否需要更換或清洗，保證拉絲過(guò)程中光纖運(yùn)行通道的潔凈和光滑，防止對(duì)裸光纖或涂覆光纖的刮傷，并將涂覆器放置在涂覆模臺(tái)上。注意：所有需要清洗的部件需要用潔凈空氣吹干，并應(yīng)檢查冷卻風(fēng)管、排氣管以及排煙管是否安裝完好(檢查方法是從石英管下方往上看，所有石英管應(yīng)該接近一條直線)。

圖3-18石墨發(fā)熱元件圖3-19光纖冷卻管另外，在安裝光纖預(yù)制棒前還需要對(duì)預(yù)制棒進(jìn)行清洗。通常采用預(yù)制棒清洗機(jī)進(jìn)行，使用去離子水對(duì)石英光纖預(yù)制棒的表面進(jìn)行清洗，清除棒表面的污染物，然后用潔凈空氣將預(yù)制棒吹干。需要注意的是，若清洗后的預(yù)制棒長(zhǎng)時(shí)間(超過(guò)30分鐘)不用，則在下次使用前