SiO2 2光纤预制棒制备工艺材料工程系教师：刘永超材料工程系教师：刘永超 光纤预制棒制备工艺课件主要内容主要内容1 1、光纤预制棒的结构、光纤预制棒的结构2 2、管内化学气相沉积法、管内化学气相沉积法3 3、微波等离子体化学气、微波等离子体化学气 相沉积法相沉积法4 4、管外化学气相沉积法、管外化学气相沉积法光纤预制棒制备工艺课件1、光纤预制棒的结构O2+SiCl4+GeCl4蒸汽饵棒(中心棒)粉层状预制棒喷嘴玻璃微粒粉层沉积粉层沉积粉状预制棒剖面芯包层粉状预制棒粉状预制棒加热炉加热炉 1400度度玻璃预制棒玻璃预制棒预制棒烧结预制棒烧结拉制光纤加热炉加热炉玻璃预制棒玻璃预制棒光纤预制棒制备工艺课件原料纯度要求高原料纯度要求高几何尺寸要求精度高几何尺寸要求精度高折射率纤芯大于包层折射率纤芯大于包层?如如何何解解决决化学气相沉积法化学气相沉积法 气相沉积工艺中选用高纯度的氧气作为气相沉积工艺中选用高纯度的氧气作为载气，将汽化后的卤化物气体带入反应区，载气，将汽化后的卤化物气体带入反应区，从而可进一步提纯反应物的纯度，达到严格从而可进一步提纯反应物的纯度，达到严格控制过渡金属离子和控制过渡金属离子和OH-OH-羟基的目的。羟基的目的。光纤预制棒制备工艺课件 管内化学气相沉积法工艺示意图管内化学气相沉积法工艺示意图2.1 MCVD2.1 MCVD法制备光纤预制棒工艺法制备光纤预制棒工艺2 2、管内化学气相沉积法、管内化学气相沉积法(MCVD)(MCVD)光纤预制棒制备工艺课件 沉积+烧结将卤化物带入玻璃管内将卤化物带入玻璃管内通入通入O2O2或是或是ArAr步骤步骤1 1玻璃管以几十转玻璃管以几十转/ /分钟进行旋转分钟进行旋转启动玻璃车床启动玻璃车床步骤步骤2 2生成玻璃氧化物粉尘生成玻璃氧化物粉尘SiO2-GeO2SiO2-GeO2和和SiO2SiO2高温加热高温加热步骤步骤3 3制成致密透明的玻璃棒制成致密透明的玻璃棒高温烧结高温烧结步骤步骤5 52.1 MCVD 2.1 MCVD 法光纤预制棒的制棒工艺法光纤预制棒的制棒工艺生成多层透明的玻璃薄膜生成多层透明的玻璃薄膜左右移动喷灯左右移动喷灯步骤步骤4 4光纤预制棒制备工艺课件 SiClSiClSiClSiCl4 4 4 4O O O O2 2 2 2 =SiO =SiO =SiO =SiO2 2 2 22Cl2Cl2Cl2Cl2 2 2 2 GeCl GeCl GeCl GeCl4 4 4 4O O O O2 2 2 2 = GeO = GeO = GeO = GeO2 2 2 22Cl2Cl2Cl2Cl2 2 2 2 2POCl 2POCl 2POCl 2POCl3 3 3 34O4O4O4O2 2 2 2=2P=2P=2P=2P2 2 2 2O O O O5 5 5 53Cl3Cl3Cl3Cl2 2 2 2 SiClSiClSiClSiCl4 4 4 4O O O O2 2 2 2 =SiO =SiO =SiO =SiO2 2 2 22Cl2Cl2Cl2Cl2 2 2 2 SiCl SiCl SiCl SiCl4 4 4 4CFCFCFCF2 2 2 2CLCLCLCL2 2 2 2 =SiF =SiF =SiF =SiF4 4 4 42CO2CO2CO2CO2 2 2 22CL2CL2CL2CL2 2 2 2 4BBr 4BBr 4BBr 4BBr3 3 3 33O3O3O3O2 2 2 2=2B=2B=2B=2B2 2 2 2O O O O3 3 3 36Br6Br6Br6Br2 2 2 2沉积内包层方程式：沉积内包层方程式：沉积芯层方程式：沉积芯层方程式： SiOSiO2 2SiFSiF4 4B B2 2OO3 3SiOSiO2 2GeOGeO2 2P P2 2OO5 5沉积物沉积物n n2 2小小沉积物沉积物n n1 1大大n n1 1大于大于n n2 2 ，最终实现光的全反射，最终实现光的全反射光纤预制棒制备工艺课件2.2 MCVD法存在的问题与对策问题一：问题一：热膨胀系数热膨胀系数 不同，收缩产生裂纹。不同，收缩产生裂纹。问题二：问题二：掺杂剂分解升华掺杂剂分解升华掺杂剂分解升华掺杂剂分解升华, , 导致折射率下降导致折射率下降导致折射率下降导致折射率下降严格控制掺杂严格控制掺杂剂含量剂含量补偿法补偿法 腐蚀法腐蚀法光纤预制棒制备工艺课件光纤预制棒制备工艺课件微波谐振微波谐振等离子体等离子体非非等等温温混混合合态态产产生生大大量量热热 各种粒子重新结合，释各种粒子重新结合，释放出的热量足以熔化蒸发低放出的热量足以熔化蒸发低熔点低沸点的反应材料熔点低沸点的反应材料SiClSiCl4 4和和GeClGeCl4 4等化学试剂，形成气等化学试剂，形成气相沉积层。相沉积层。低压气体激发，里面含低压气体激发，里面含有电子、分子、原子、有电子、分子、原子、离子离子3.1 PCVD 3.1 PCVD 法的反应机理法的反应机理3 3 微波等离子体化学气相沉积法微波等离子体化学气相沉积法光纤预制棒制备工艺课件熔融石英管SiCl4 + O2 + 参杂物质反应物质排气口等离子体玻璃层快速来回移动的微波谐振腔 (2.45 GHz，8米/分钟)10001200度沉积效率高、沉积速度快有利于消除包层沉积过程中的微观不均匀快速移动，使沉积厚度减少，有利于控制折射率分布直接玻璃沉积不需高温烧结反应管不易变形光纤预制棒制备工艺课件3.2 PCVD 3.2 PCVD 法工艺的优点法工艺的优点1)不用氢氧火焰加热沉积，沉积温度低于相应的 热反应温度，石英包管不易变形；2) 控制性能好，由于气体电离不受包管的热容量 限制，所以微波加热腔体可以沿石英包管作快 速往复运动，沉积层厚度可小于1um，从而制备 出芯层达上千层以上的接近理想分布的折射率剖 面以获得宽的带宽；3) 光纤的几何特性和光学特性的重复性好，适于 批量生产，沉积效率高，对SiCl4等材料的沉积效 率接近100%，沉积速度快，有利于降低生产成本。光纤预制棒制备工艺课件4.管外化学气相沉积法（OVD) OVD OVD 法的反应机理为火焰水解，即所需的法的反应机理为火焰水解，即所需的玻璃组份是通过氢氧焰或甲烷焰水解卤化物气玻璃组份是通过氢氧焰或甲烷焰水解卤化物气体产生体产生“粉尘粉尘”逐渐地沉积而获得。逐渐地沉积而获得。 OVD OVD 法工艺示意图法工艺示意图光纤预制棒制备工艺课件4.1 反应机理n n火焰水解反应火焰水解反应火焰水解反应火焰水解反应： 2H 2H2 2+O+O2 2 =2H=2H2 2O O 或或 CH CH4 4+2O+2O2 2 =2H =2H2 2O+COO+CO2 2n n芯层芯层芯层芯层： SiCl SiCl4 4(g)+2H(g)+2H2 2O = SiOO = SiO2 2(s)+4HCl(g) (s)+4HCl(g) GeCl GeCl4 4(g)+2H(g)+2H2 2O = GeOO = GeO2 2(s)+4HCl(g) (s)+4HCl(g) 或或 SiClSiCl4 4(g)+H(g)+H2 2O =SiOO =SiO2 2(s)+2HCl+Cl(s)+2HCl+Cl2 2(g)(g) GeCl GeCl4 4(g)+H(g)+H2 2O =GeOO =GeO2 2(s)+2HCl+Cl(s)+2HCl+Cl2 2(g)(g)n n包层包层包层包层： SiCl SiCl4 4(g)+ H(g)+ H2 2O = SiOO = SiO2 2+4HCl +4HCl 2BCl 2BCl3 3(g)+3H(g)+3H2 2O =BO =B2 2OO3 3+6HCl +6HCl 光纤预制棒制备工艺课件4.2 OVD 法制备光纤预制棒的工艺制备光纤预制棒的工艺沉积工艺沉积工艺O2+SiCl4+GeCl4蒸汽饵棒(中心棒)粉层状预制棒喷嘴玻璃微粒粉层沉积粉状预制棒剖面芯包层粉状预制棒加热炉 1400度玻璃预制棒预制棒烧结拉制光纤加热炉玻璃预制棒烧结工艺烧结工艺+光纤预制棒制备工艺课件氯氯气气氯氯化化亚亚砜砜氮氮气气烧结工艺中烧结工艺中通入气体通入气体主要是起到除泡主要是起到除泡剂的作用，除去剂的作用，除去残留的气体残留的气体 主要是起到脱水主要是起到脱水作用，本质除去作用，本质除去里面的里面的OH-OH- 光纤预制棒制备工艺课件SOClSOCl2 2和和ClCl2 2进行脱水处理反应方程式：进行脱水处理反应方程式： (1) (Si-OH)+SOCl (1) (Si-OH)+SOCl2 2= ( Si-Cl)+HCl +SO= ( Si-Cl)+HCl +SO2 2 (2) H (2) H2 2O+SOClO+SOCl2 2= 2HCl +SO= 2HCl +SO2 2 (3) 2Cl (3) 2Cl2 2+2H+2H2 2O =4HCl +OO =4HCl +O2 2 在脱水后，经高温作用，松疏的多孔质玻璃沉积体被烧结在脱水后，经高温作用，松疏的多孔质玻璃沉积体被烧结成致密、透明的光纤预制棒，抽去靶棒时遗留的中心孔也被烧成致密、透明的光纤预制棒，抽去靶棒时遗留的中心孔也被烧成实心。成实心。光纤预制棒制备工艺课件OVD法的法的优点优点沉积速度快，体沉积速度快，体积大积大不需要套管且不需要套管且OH-含量很低含量很低 精度高、成本低、精度高、成本低、 适合大规模生产适合大规模生产抽取靶棒时，折射率抽取靶棒时，折射率分布发生混乱分布发生混乱OVD法的法的缺点缺点光纤预制棒制备工艺课件Tom Nick 光纤预制棒制备工艺课件