光纤技术及应用4 光纤制造

1、制造流程l通信用光纤大多数是由石英玻璃材料组成的。纤芯与包层的折射率通过微量掺杂有适当差异。l光纤发展史上，早期曾经使用直接熔融拉制法。但生产质量难以控制，成品率不高。制造流程l现今低损耗的单模和多模石英光纤大多采用“预制棒拉丝工艺”。l预制棒的制造多采用“两步法”，即在以气相沉积方法获得的芯棒上通过不同方法施加外包层，即制成大光纤预制棒(Preform) 。l值得强调的是，光纤预制棒的光学特性主要取决于芯棒的制造技术，光纤预制棒的成本主要取决于外包技术。制造流程l光纤预制棒工艺是光纤光缆制造中最重要的环节 。目前，用于制备光纤预制棒的方法主要采用以下四种方法 。改进化学汽相沉积法（MCVD）

2、 外部汽相沉积法（OVD） 汽相轴向沉积法（VAD）等离子体化学汽相沉积工艺（PCVD） 预制棒制造l预制棒制造的方法有多种，但都基于气相化学物质通过反应生成氧化物并发生凝聚，在旋转轴上或玻璃管内壁上以被称为“soot”的玻璃质粉尘的形式沉积下来。在各种制造方法中的化学反应过程基本类似。通常包括SiCl4, GeCl4, POCl3的溶液 与气态 BCl3. 这些溶液在氧气流中蒸发，并形成石英与其他氧化物.发生的典型反应有：SiCl4 + O2 SiO2 + 2 Cl2GeCl4 + O2 GeO2 + 2 Cl24 POCl3 + 3 O2 2 P2O5 + 6 Cl24 BCl3 + 3

3、O2 2 B2O3 + 6 Cl2l锗化物与磷化物掺杂能够提高纤芯的折射率，而硼化物掺杂则使其降低。通过改变掺杂物的混合配比，在沉积过程中精密地控制掺杂剂的流量，可以获得所设计的折射率分布。改进化学汽相沉积法（MCVD）l改进化学汽相沉积法（MCVD）1969年Jone和Hao采用SiCl4气相氧化法制成的光纤的损耗低至10dBkm，而且掺杂剂都是采用纯的TiO2、GeO2、B2O3及P2O5，这是MCVD法的原型，后来发展成为现在的MCVD所采用的SiCl4、GeCl4等液态的原材料。原料在高温下发生氧化反应生成SiO2、B2O3、GeO2、P2O5微粉，沉积在石英反应管的内壁上。在沉积过程

4、中需要精密地控制掺杂剂的流量，从而获得所设计的折射率分布。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。MCVD法是目前制备高质量石英光纤比较稳定可靠的方法，该法制备的单模光纤损耗可达到0.2-0.3dBkm，而且具有很好的重复性。 改进化学汽相沉积法（MCVD）l反应物的气态混和剂从旋转的石英管一端进入。石英管由横向移动的氢氧喷灯加热 。反应生成的氧化物由于气体中心与管壁的温差，向管壁移动并凝聚沉积。之后提高喷灯的温度，沉积物在高温作用下被玻璃化，形成一个薄层.这个过程被不断重复，最终形成纤芯和包层。整个过程高度自动化并被精确控制。改

5、进化学汽相沉积法（MCVD）lMCVD法制成的预制棒在中心位置会留下与OVD法相比较大的空洞。使中心位置的折射率易于产生“坍缩”。在任何内部气相沉积工艺中，均通过外部加热，使得外表面张力与内部真空的合力去除空洞。由于此过程需要高温及较长时间加热，造成中轴部位锗化物的分解。9MCVDMCVD改进的化学汽相沉积改进的化学汽相沉积 10熔缩熔缩熔缩Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials外部汽相沉积法（OVD）l外部汽相沉积法（OVD）OVD法又为“管外汽相氧化法”或“粉尘法”，其原料在氢氧焰中水解生成SiO2微粉，然后经喷灯喷出，沉积在由石英、石墨或氧化铝

6、材料制成的“母棒”外表面，经过多次沉积，去掉母棒，再将中空的预制律在高温下脱水，烧结成透明的实心玻璃棒，即为光纤预制棒。该法的优点是沉积速度快，适合批量生产，该法要求环境清洁，严格脱水，可以制得0.16dBkm（1.55m）的单模光纤，几乎接近石英光纤在1.55m窗口的理论极限损耗0.15dBkm。 外部汽相沉积法（OVD）l沉积过程 13OVDOVD外部汽相沉积外部汽相沉积 外部汽相沉积法（OVD）lOVD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

7、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。与MVCD法相比，OVD法可以制成直径更大的芯棒。lOVD法的一个主要优点是可以达到相当高的成品纯度。与内部沉积法不同，OVD法是通过原料的直接沉积生成预制棒。避免了外套管带来的污染，汽相轴向沉积法（VAD）l汽相轴向沉积法（VAD）VAD法是由日本开发出来的，其工作原理与OVD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。VAD的重要特点是可以连续生产，适合制造大型预制棒，从而可以拉制较长的连续光纤。其单模光纤损耗目前达到0.22-0.4dBkm。目前，日本仍然掌握着VAD的最先进的核心技

8、术，所制得的光纤预制棒OH-含量非常低，在1385nm附近的损耗小于0.46dBkm。 汽相轴向沉积法（VAD）l 基棒可以旋转并向反应室外移动，当反应气体送入反应室后，就在基棒上沉积。疏松的预制棒在向上移动的过程中经过一个环形的加热器，从而生成玻璃预制棒汽相轴向沉积法（VAD）l烧结和沉积是在同一台设备中不同空间同时完成的，即预制棒连续制造。VAD工艺的最新发展由70年代的芯、包同时沉积烧结，到80年代先沉积芯棒再套管的两步法，再到90年代的粉尘外包层代替套管制成光纤预制棒。 lVAD法制备的多模光纤不会形成中心部位折射率凹陷或空眼，因此其光纤制品的带宽比MCVD法高一些，18VADVAD垂

9、直轴向汽相沉积垂直轴向汽相沉积 等离子体化学汽相沉积工艺（PCVD）l等离子体化学汽相沉积工艺（PCVD）PCVD法是由菲利普研究实验室提出的，于1978年应用于批量生产。它与MCVD的工作原理基本相同，只是不用氢氧焰进行管外加热，而是改用微波腔体产生的等离子体加热。 PCVD工艺的沉积温度低于MCVD工艺的沉积温度，因此反应管不易变形；由于气体电离不受反应管热容量的限制，所以微波加热腔体可以沿着反应管轴向作快速往复移动，目前的移动速度在8mmin，这允许在管内沉积数千个薄层，从而使每层的沉积厚度减小，因此折射率分布的控制更为精确，可以获得更宽的带宽。而且，PCVD的沉积效率高，沉积速度快，有

10、利于消除SiO2层沉积过程中的微观不均匀性，从而大大降低光纤中散射造成的本征损耗，适合制备复杂折射率剖面的光纤，可以批量生产，有利于降低成本。目前，荷兰的等离子光纤公司占据世界领先水平。 等离子体化学汽相沉积工艺（PCVD）l 21PCVDPCVD等离子化学汽相沉积等离子化学汽相沉积 外包层制造l外包层制造技术主要有套管法、等离子喷涂法、火焰水解法等。外包层制造技术是光纤通信全球性高速发展应运而生的大光纤预制棒制造新技术。外包层技术发展和完善的目的是将光纤预制棒做的更粗、更长，即提高光纤生产率，降低生产成本，使光纤通信比其他介质的通信形式具有更大、更强的竞争力。外包层技术中的套管法是将气相沉积

11、工艺制成的芯棒置入一根作光纤外包层的高纯石英玻璃管内制造大预制棒技术。等离子喷涂法是用高频等离子焰将石英粉末熔制于气相沉积工艺得到的芯棒上制成大预制棒的技术。火焰水解法（粉末外包）实质上就是OVD、VAD等火焰水解外沉积工艺在芯棒上的应用。 l通常，将气相沉积法工艺和外包层技术结合制成的大预制棒直径缩小，且保持芯包比和折射率分布恒定的操作称为光纤拉丝。拉丝过程中要对裸光纤施加预涂覆层保护。涂覆层既可以保护光纤的机械强度、隔离外界潮湿，又可以避免外应力引起光纤的微弯损耗。此外，高速拉丝还应注意光纤的充分冷却，消除光纤中的残余内应力，以求确保光纤的翘曲度指标最优。 拉丝l通常，将气相沉积法工艺和外

12、包层技术结合制成的大预制棒直径缩小，且保持芯包比和折射率分布恒定的操作称为光纤拉丝。拉丝过程中要对裸光纤施加预涂覆层保护。涂覆层既可以保护光纤的机械强度、隔离外界潮湿，又可以避免外应力引起光纤的微弯损耗。此外，高速拉丝还应注意光纤的充分冷却，消除光纤中的残余内应力，以求确保光纤的翘曲度指标最优。 252000左右左右加热熔化预型件加热熔化预型件拉丝过程最重要的是拉丝过程最重要的是控制纤维直径的恒定。控制纤维直径的恒定。为此必须严格稳定为此必须严格稳定炉温和控制气氛的变化。炉温和控制气氛的变化。拉丝装置拉丝装置Chapter7 Non-metallic Inorganic Materialsl住

13、友光纤预制棒使用住友光纤预制棒使用VAD法，其特点是：法，其特点是：1. VAD法是从母材端部，沿轴向上沉积。法是从母材端部，沿轴向上沉积。2. VAD的重要特点是可以连续生产，适合的重要特点是可以连续生产，适合制造大型预制棒，从而可以拉制较长的连制造大型预制棒，从而可以拉制较长的连续光纤。续光纤。3. 单模光纤不会形成中心部位折射率凹陷单模光纤不会形成中心部位折射率凹陷或空眼，光纤损耗较低。或空眼，光纤损耗较低。 l目前，住友电工掌握着目前，住友电工掌握着VAD的最先进的核的最先进的核心技术，所制得的光纤预制棒心技术，所制得的光纤预制棒OH-含量非常含量非常低，在低，在1385nm附近获得低

14、的损耗。附近获得低的损耗。 l富通股份是国内唯一一家掌握了具有世界先进水富通股份是国内唯一一家掌握了具有世界先进水平的光纤预制棒全合成工艺技术的企业，拥有其平的光纤预制棒全合成工艺技术的企业，拥有其完全自主知识产权，并实现了光纤预制棒大规模完全自主知识产权，并实现了光纤预制棒大规模生产。生产。l 全合成工艺是基于全合成工艺是基于VAD和和OVD工艺，吸收多种工艺，吸收多种沉积工艺优点，开发形成的具有国际先进水平的沉积工艺优点，开发形成的具有国际先进水平的预制棒制造工艺。该工艺可以连续生产，适合制预制棒制造工艺。该工艺可以连续生产，适合制造大尺寸光纤预制棒，具有工艺稳定、产品性能造大尺寸光纤预制

15、棒，具有工艺稳定、产品性能优异的特点。富通股份现已采用全合成技术开发优异的特点。富通股份现已采用全合成技术开发生产出生产出G.652C、G.652D、G.655 、G.656和和 G.657等一系列大尺寸光纤预制棒，并形成规模等一系列大尺寸光纤预制棒，并形成规模生产，其技术指标均达到了国际水平。生产，其技术指标均达到了国际水平。 l杭州富通昭和光通信股份有限公司杭州富通昭和光通信股份有限公司l公司全套引进世界先进的生产设备和检测公司全套引进世界先进的生产设备和检测设备，专业从事光纤预制棒、单模光纤、设备，专业从事光纤预制棒、单模光纤、多模光纤、特种光纤及各类光缆的研发和多模光纤、特种光纤及各类

16、光缆的研发和制造。同时，在消化吸收引进设备的基础制造。同时，在消化吸收引进设备的基础上，富通股份坚持不懈地对相关核心生产上，富通股份坚持不懈地对相关核心生产设备进行改良和创新。设备进行改良和创新。l 中国光纤预制棒产业中国光纤预制棒产业 的发展与思考的发展与思考34YOFC MD 2002.01 发展历程与现状发展历程与现状二二预制棒制棒技术的比较预制棒制棒技术的比较三三目前商用预制棒制造设备的目前商用预制棒制造设备的技术水平技术水平 及竞争力及竞争力四四全球光纤预制棒产能全球光纤预制棒产能五五国内光棒厂家的现状国内光棒厂家的现状六六未来光纤预制棒的价格预期未来光纤预制棒的价格预期七七结论与建

17、议结论与建议3435YOFC MD 2002.01 35随着近二十年通信业的迅速发展，我国光纤预制棒产业取得随着近二十年通信业的迅速发展，我国光纤预制棒产业取得了长足进步，预制棒尺寸由起步时期的了长足进步，预制棒尺寸由起步时期的50公里拉丝长度发展公里拉丝长度发展道今天道今天2000公里公里,由单一光纤品种发展到单模系列、多模系列、由单一光纤品种发展到单模系列、多模系列、特纤系列数十个品种。特纤系列数十个品种。由原来有限规模的一两家企业，较单一的生产工艺，逐步形由原来有限规模的一两家企业，较单一的生产工艺，逐步形成了涵盖成了涵盖PCVD、MCVD、VAD、OVD等多种生产工艺的企等多种生产工艺

18、的企业群体。业群体。一一发展历程与现状发展历程与现状36YOFC MD 2002.01 3637YOFC MD 2002.01 37我国已形成了以武汉长飞光纤光缆公司为主的五大光棒生我国已形成了以武汉长飞光纤光缆公司为主的五大光棒生产企业格局，目前光棒年生产能力（以产企业格局，目前光棒年生产能力（以G652光纤为计算基光纤为计算基础。下同）已超过础。下同）已超过2,000万公里万公里/年。年。 38YOFC MD 2002.01 38当前五家主要光棒生产企业正在开发大棒技术，提高质量，当前五家主要光棒生产企业正在开发大棒技术，提高质量，加强管理，降低成本，形成规模化生产。预计光纤预制棒加强管理

19、，降低成本，形成规模化生产。预计光纤预制棒年产量将达年产量将达4,400万公里万公里/年，大大超过未来五年（年，大大超过未来五年（2006 - 2010）国内光纤年均需求量（约为）国内光纤年均需求量（约为1,800万公里万公里/年）。年）。因此，中国已不存在光纤预制棒制约光纤产业或通信产因此，中国已不存在光纤预制棒制约光纤产业或通信产业的业的“瓶颈瓶颈”问题。问题。39YOFC MD 2002.01 39但是，目前仍有一些厂家无视国内光棒产业的发但是，目前仍有一些厂家无视国内光棒产业的发展和壮大，鼓动中央政府部门和地方政府进一步展和壮大，鼓动中央政府部门和地方政府进一步支持新的光棒项目。支持新

20、的光棒项目。是否有必要上新的光棒项目，政府究竞应支持新是否有必要上新的光棒项目，政府究竞应支持新项目还是扶持和壮大已有项目？以下五个方面的项目还是扶持和壮大已有项目？以下五个方面的分析将帮助我们找到答案。分析将帮助我们找到答案。40YOFC MD 2002.01 40二二预制棒制棒技术的比较预制棒制棒技术的比较 第一步 第二步 图一 光纤预制棒制造“两步法”工艺示意图 MCVD PCVD OVD VAD 芯 棒 RIT / RIC OVD APVD 溶胶-凝胶外 预 制 棒 41YOFC MD 2002.01 41“包层技术决定预制棒成本包层技术决定预制棒成本”在光纤和预制棒市场竞争日趋激烈的

21、今天：各种包层在光纤和预制棒市场竞争日趋激烈的今天：各种包层技术的产品成本日趋接近，而不同包层技术的选择又技术的产品成本日趋接近，而不同包层技术的选择又影响芯棒的成本。影响芯棒的成本。“包层和芯层技术组合共同决定预制棒成本包层和芯层技术组合共同决定预制棒成本”b/a (PCVD/RIC) ：1.9b/a (VAD/OVD) ：4.542YOFC MD 2002.01 42PCVD或或VAD芯棒工艺与芯棒工艺与RIC或或OVD或或APVD组合制组合制成的预制棒具有较强的成本竞争力成的预制棒具有较强的成本竞争力 表 3 不同工艺制造预制棒的比较不同工艺制造预制棒的比较芯/包技术芯层沉积速率(克/分

22、)包层沉积速率(克/分)芯棒成本($/公里)包层成本($/公里)预制棒成本($/公斤)1PCVD / RIT1.0-2.530 - 502PCVD / RIC2.5-4.0503PCVD / APVD2.5-4.030 - 504VAD / OVD4.0-10.030 - 505VAD / RIC4.0-10.0506MCVD / RIT0.5-3.030 - 507MCVD / RIC0.5-3.05043YOFC MD 2002.01 43长飞公司开发的长飞公司开发的PCVD/RIC芯芯-包技术，目前外径包技术，目前外径150毫米毫米的的PCVD/RIC预制棒制造和拉丝技术已用于批量生产，

23、单预制棒制造和拉丝技术已用于批量生产，单根预制棒拉丝长度为根预制棒拉丝长度为2,000公里。计划在两年内使预制棒公里。计划在两年内使预制棒外径达到外径达到180 200毫米。毫米。以长飞公司、烽火通信和富通集团为代表的预制棒产业以长飞公司、烽火通信和富通集团为代表的预制棒产业正好采用的是最佳的芯正好采用的是最佳的芯- -包技术组合。包技术组合。 44YOFC MD 2002.01 44对现有预制棒制造公司进行必要的扶持，在现有基础之对现有预制棒制造公司进行必要的扶持，在现有基础之上进行技术改造与提升，比支持一个低水平的预制棒新上进行技术改造与提升，比支持一个低水平的预制棒新项目要花钱少，见效快

24、。项目要花钱少，见效快。 中国光纤预制棒产业的技术平台符合技术发展趋势。中国光纤预制棒产业的技术平台符合技术发展趋势。 45YOFC MD 2002.01 45三三目前商用预制棒制造设备的技术水平及竞争力目前商用预制棒制造设备的技术水平及竞争力MCVD : 不适合制造低水峰光纤不适合制造低水峰光纤PCVD, OVD : 技术仍未开放技术仍未开放VAD : 已向很多厂家转让。但转让的技术停留在第已向很多厂家转让。但转让的技术停留在第3、第第4代水平（年产能代水平（年产能20 30万公里万公里/台）。台）。日系日系VAD已开发出第已开发出第6、第、第7代沉积车床（年产能超过代沉积车床（年产能超过6

25、0万公里万公里/台）台）46YOFC MD 2002.01 46表 4商用预制棒制造设备的技术水平的比较商用预制棒制造设备的技术水平的比较芯/包技术芯层沉积速率(克/分)包层沉积速率(克/分)芯棒成本($/公里)包层成本($/公里)预制棒成本($/公斤)1日美主流VAD / OVD10502目前商用VAD / OVD645耐世隆、耐世隆、ASI ：只提供设备，无配套工艺技术：只提供设备，无配套工艺技术没有一定技术积累的厂家引进其设备是很难在短时间没有一定技术积累的厂家引进其设备是很难在短时间投入稳定生产的。投入稳定生产的。 47YOFC MD 2002.01 47以以500万公里万公里/年的年的G652预制棒生产规模，采用预制棒生产规模，采用VAD/OVD工工艺为计算基础艺为计算基础 。48YOFC MD 2002.01 48相比之下，达到相同的生产能力，相比之下，达到相同的生产能力，PCVD设备的投资设备的投资仅为仅为50%。 VAD/OVD技术对废气的处理与治污需要持续地投入，技术对废气的处理与治污需要持续地投入，对企业是一个沉重的负但。对企业是一个沉重的负但。尤其是新建企业的赢利状况尤其是新