学习情景二:石英预制棒制造.pptx
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1、图2-1 大直径石英光纤预制棒外观图它应具有符合要求的折射率分布型式和几何尺寸。典型的光纤预制棒直径约为1025mm,长度约为60 120cm。图2-1,2-2光纤预制棒的外观图光电子技术专业光电子技术专业-国家重点建设示范性专业国家重点建设示范性专业光纤光缆制备光纤光缆制备图2-2 小直径石英光纤预制棒外观图石英光纤预制棒的制备方法石英光纤预制棒的制备方法主要采用的气相沉积法光电子技术专业光电子技术专业-国家重点建设示范性专业国家重点建设示范性专业光纤光缆制备光纤光缆制备目前最为成熟和目前国内外光纤制造企业广泛使用的为四中大的预制棒制备工艺为外部汽相沉积工艺(简称OVD)改良的化学汽相沉积工
2、艺(简称MCVD)微波等离子体化学汽相沉积工艺(简称PCVD)轴向汽相沉积工艺(简称VAD)光电子技术专业光电子技术专业-国家重点建设示范性专业国家重点建设示范性专业光纤光缆制备光纤光缆制备2.21 2.21 外部气相沉积法外部气相沉积法OVDOVD预制棒预制棒 制备工艺技术制备工艺技术主要的原料掺杂剂以气态形式送入氢氧火焰喷灯,使之在氢氧焰中水解,生成石英(SiO2)玻璃微粒粉尘,然后经喷灯喷出,沉积于石英石墨或是氧化铝制作的“母棒”外表面,经过多次沉积,去掉母棒,再将中空的预制棒在高温下脱水,烧结成透明的实心玻璃棒,即为光纤预制棒。光纤光缆制备光纤光缆制备OVD制作预制棒的原理:OVDOV
3、D法制作预制棒的原理图法制作预制棒的原理图光电子技术专业光电子技术专业-国家重点建设示范性专业国家重点建设示范性专业光纤光缆制备光纤光缆制备OVD法制作芯棒及抽芯芯棒的脱水和烧结 延伸芯棒 在芯棒外沉积外包层。OVDOVD具体工艺流程具体工艺流程沉积SOOT棒:即 SiO2颗粒在火焰中生成,颗粒的粒径从几纳米到几百纳米不等,颗粒随着凝聚作用逐渐长大,被气流带动后沉积在靶棒上。沉积结束后,需要将靶棒从疏松体中抽出。OVD沉积设备外观简如图2-3。OVD法制作芯棒及抽芯:光电子技术专业光电子技术专业-国家重点建设示范性专业国家重点建设示范性专业光纤光缆制备光纤光缆制备图23 OVD沉积设备外观简图
4、脱水及烧结:烧结主要是伴随脱水过程,其原理就是在高温下,通过在氯气、氦气条件下使SOOT棒致密化,透明化。OVD烧结热源可以为电感应炉或者石墨感应炉等。烧结中可以是SOOT棒从上往下移动,也可以是感应线圈从顶部移动到底部。炉温一般在1500度左右。OVD烧结设备外观结构如图2-4光电子技术专业光电子技术专业-国家重点建设示范性专业国家重点建设示范性专业光纤光缆制备光纤光缆制备图24 OVD烧结设备外观结构简图延伸芯棒:烧结好的芯棒需要经过和VAD芯棒相同的延伸过程,以获得直径较小的适合套管或外沉积的芯棒。有的芯棒不在烧结过程中闭合中心孔,而是在延伸过程中闭合,芯棒顶部一直施以负压。光电子技术专
5、业光电子技术专业-国家重点建设示范性专业国家重点建设示范性专业光纤光缆制备光纤光缆制备在芯棒外沉积外包层:在延伸好的芯棒外沉积疏松体,而后进行脱水和烧结。OVD工艺的特点是:逐渐变粗,从里向外长OVD工艺的优缺点:工艺的优缺点: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;优点:沉积速度快(比MVCD要大5-10倍),可达10g/min以上,适合于大批量生产;光电子技术专业光电子技术专业-国家重点建设示范性专业国家重点建设示范性专业光纤光缆制备光纤光缆制备成本较低,工作效率高;可以制备出损耗较低至0.16dB/km(1.55um)的单模光纤。缺点
6、:要求较高的环境洁净度需经过严格的脱水处理光电子技术专业光电子技术专业-国家重点建设示范性专业国家重点建设示范性专业光纤光缆制备光纤光缆制备OVDOVD工艺发展工艺发展OVD工艺的发展包括两个方面1)一种是传统意义上OVD制造预制棒的工艺发展这包括从单喷灯沉积到多喷机同时沉积,沉积速率成倍提高:同时从一台设备一次沉积一根棒发展到一台设备同时沉积多根棒,提高生产效率。光电子技术专业光电子技术专业-国家重点建设示范性专业国家重点建设示范性专业光纤光缆制备光纤光缆制备2)作为当前主流工艺二步法SOOT方法的发展,是指从依次沉积芯、包层连续制成预制棒的“一步法”发展到“二步法”;即先用陶瓷棒或石墨棒为
7、靶棒,只沉积芯材料(含少量包层)做出大直径芯棒,经去水烧结后,把该大直径芯棒拉细成多根小直径芯棒,再用这些小直径芯棒为靶棒来沉积包层,同时还为其他工艺如VAD/PCVD/MCVD制造的芯棒进行外沉积,沉积包层,制成光纤预制棒,大大提高了生产率、降低了成本。光电子技术专业光电子技术专业-国家重点建设示范性专业国家重点建设示范性专业光纤光缆制备光纤光缆制备MCVDMCVD原理原理管内化学汽相沉积法是以超纯氧气作为载体将sicl4等原材料和Gecl4等参杂剂送入旋转的外径18-25mm,壁厚1.42mm的石英反应管,用1400-1600的高温氢氧火焰加热石英反应管外壁,使管内的原料和参杂剂在高温下发
8、生氧化还原反应光电子技术专业光电子技术专业-国家重点建设示范性专业国家重点建设示范性专业光纤光缆制备光纤光缆制备2.22 改进的化学气相沉积法改进的化学气相沉积法MCVD预制棒制备工艺预制棒制备工艺MCVDMCVD(改进的化学汽相沉积)原理图(改进的化学汽相沉积)原理图光电子技术专业光电子技术专业-国家重点建设示范性专业国家重点建设示范性专业光纤光缆制备光纤光缆制备MCVDMCVD的工艺流程的工艺流程多于的SiO2颗粒以及反应的废气被气流带尾部处理装置。在整个过程中,要保持反应管内部的始终处于微正压状态。沉积:沉积:经过蒸发鼓泡的SiCl4和GeCl4等原材料以及反应的氧气等从车床的一端通入石
9、英反应管。在卡盘带动石英反应管以一定的转速进行旋转的同时机床按照一定的速度使热源喷灯进行反复往返运动,这样,各种反应气体和氧气在高温下就发生化学反应,生成SiO2颗粒沉积在反应管内壁。光电子技术专业光电子技术专业-国家重点建设示范性专业国家重点建设示范性专业光纤光缆制备光纤光缆制备熔缩:熔缩:因为是管内法包括(MCVD、PCVD),因此沉积后得到都是中心有孔的沉积管,所以必须有一道工序就是沿沉积管方向用往返移动的氢氧焰或加热炉对不断旋转的管子加热,在表面张力的作用下,分阶段将沉积好的石英管熔缩成实心棒,即光纤预制棒。MCVD设备主要包括如下部件1)机床:带动热源进行往复运动;2)喷灯:为原材料
10、发生化学反应提供热能。光电子技术专业光电子技术专业-国家重点建设示范性专业国家重点建设示范性专业光纤光缆制备光纤光缆制备3)料柜:一般是蒸发料柜,即通过鼓泡的方式将液态的SiCl4和GeCl4等原材料变成气态带入反应管。4)卡盘:用来夹持石英反应管,并带动其旋转。5)尾部废气废物处理装置:主要是将未沉积的SiO2颗粒和废气排放到废气处理系统的管道中。MCVD设备外观图如图25 所示光电子技术专业光电子技术专业-国家重点建设示范性专业国家重点建设示范性专业光纤光缆制备光纤光缆制备图25 MCVD设备外观图MCVD法的优点:在石英反应管(衬底管)内沉积内包层和层的玻璃,整个系统处于封闭的超提纯状态
11、下。使生产出来的光纤水峰能进一步降低。光电子技术专业光电子技术专业-国家重点建设示范性专业国家重点建设示范性专业光纤光缆制备光纤光缆制备可以生产高质量的单模和多模光纤且多模光纤损耗可稳定2 4dB/Km,单模光纤损耗可达到0.20.4dB/Km,并具有很好的重复性.采用MCVD法制备的BGe共掺杂光纤作为光纤的内包层,能够抑制包层中的模式耦合,大大降低光纤的传输损耗。在石英反应管(衬底管)内沉积内包层和层的玻璃,整个系统处于封闭的超提纯状态下。使生产出来的光纤水峰能进一步降低。光电子技术专业光电子技术专业-国家重点建设示范性专业国家重点建设示范性专业光纤光缆制备光纤光缆制备两步法:目前,预制棒
12、的生产多采用“两步法”复合工艺技术,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或直接套管,在不影响光纤性能的同时增加预制棒单棒可拉丝长度,提高生产效率,降低光纤生产成本图1显示了“两步法”的复合工艺流程光电子技术专业光电子技术专业-国家重点建设示范性专业国家重点建设示范性专业光纤光缆制备光纤光缆制备具有工艺简单、灵活,对实验室及周围环境的洁净度要求不苛刻,容易生产高质量的光纤的特点工艺流程的发展工艺流程的发展“两步法两步法”的复合工艺特征图的复合工艺特征图MCVDPCVDOVDVAD芯 棒RIT/RICSOOT法OVD/VADAPVD/POVDSol-gel及其它预 制 棒光电子技
13、术专业光电子技术专业-国家重点建设示范性专业国家重点建设示范性专业光纤光缆制备光纤光缆制备图图2-62-6VAD制作预制棒的原理:主要原料掺杂剂以气态形式送入氢氧火焰喷灯,使之在氢氧液中水解,生成石英(SiO2)玻璃微粒粉尘,然后经喷灯喷出,沉积于有石英、石墨或氧化铝材料制作的“母棒”端部,经多次沉积形成一定尺寸的多孔粉尘预制棒,然后停止工作,棒。去掉母棒,再将中空的预制棒在高温下脱水、烧结成透明的实心玻璃棒,即获得所需的光线预制棒。VAD的特点:逐渐变长,从上向下长。光电子技术专业光电子技术专业-国家重点建设示范性专业国家重点建设示范性专业光纤光缆制备光纤光缆制备2.23 2.23 轴向汽相
14、沉积工艺轴向汽相沉积工艺VADVAD预制棒制备工艺技术预制棒制备工艺技术VADVAD制作预制棒原理图制作预制棒原理图光电子技术专业光电子技术专业-国家重点建设示范性专业国家重点建设示范性专业光纤光缆制备光纤光缆制备VADVAD与与OVDOVD的区别:的区别:其原理与OVD法完全相同,不同之处在于它不是在母棒的外表面沉积,而是在其端部(轴向)沉积,故又称母棒为“种子石英棒”VADVAD工艺流程工艺流程(1)用VAD工序制作芯棒:用1+4个氢-氧火焰喷嘴由轴向喷出提纯的SiCl4、GeCl4等气体,使之在氢氧焰中水解生成石(SiO2),此工序的沉积速率可30g/min-50g/min。最后制成外径
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