目錄TOC\o"1-3"\h\u22718 3278802.1 3179802.1.1 4219432.1.2 7322692.2 9177052.2.1 987502.2.2 9235542.2.2.1 9174182.2.2.2 10294022.2.2.3 11315882.2.2.4 1114752.2.3 1145792.3 11261742.3.1 1120391 13117582.3.2 1466002.3.3 16326632.4 2922977（1） 3020851（2） 307422（3） 314841（4） 315684（5） 3220766（6） 3313871（7） 33／k傳送和即時通信等由理想變成了現(xiàn)實，讓人們體會到高科技給生活帶來的便利，生活方式也發(fā)生了翻天覆地的變化，不得不說光纖通信是人類歷史上最偉大的發(fā)明之一。如今，光纖通信已經(jīng)成為現(xiàn)代生活中最重要的部分，人們也都習慣了互聯(lián)網(wǎng)生活模式，而這一切的前提，正是基于下面要介紹的通信石英玻璃光纖。圖2.1.1在1.1.1.4式中：n1和n2——圖2.1.2對于折射率分布指數(shù)為g的任意冪指數(shù)的折射率分布，纖芯中傳導的模式數(shù)量N與歸一化頻率V值的關(guān)系可由公式表示。表2.1.1單模光纖和多模光纖的芯包折射率差Δ可以看出，在光纖預制棒設計時，只有選擇合適的纖芯半（直）圖2.1.3圖2.1.4圖2.1.5圖2.1.6圖2.1.7圖2.1.8光纖預制棒制造技術(shù)是光纖制造工藝的核心，光纖行業(yè)通常都是用光纖預制棒制造技術(shù)來定義光纖制造工藝。按照傳統(tǒng)的命名方法，光纖預制棒制造技術(shù)主要是四種工藝，即，，，。生產(chǎn)光纖預制棒的氣相沉積工藝在20世紀70年代發(fā)展為兩步法（o－p o）。其中，，等工藝通常用在生產(chǎn)預制棒的第一步，即芯棒生產(chǎn)所用的工藝。在生產(chǎn)芯棒時，為了確保光纖的光學質(zhì)量，不僅要制造芯也必須制造部分包層。后面，根據(jù)芯棒的大小，人們可以把芯棒制成更細更長的芯棒。第二步，在芯棒上附加外包層，俗稱外包層技術(shù)（v－ddng），制成預制棒。拉絲之前，根據(jù)預制棒的外徑和拉絲爐的內(nèi)徑，可以進一步將預制棒拉細成客戶所需的尺寸規(guī)格。 等離子噴涂（PlasmaSpray），了與外沉積工藝相結(jié)合的混合工藝。這些新技術(shù)彌補了傳統(tǒng)工藝沉積速率低、幾何尺寸精度差的缺點，降低了成本、提高了質(zhì)量，增強了競爭力。從依次沉積芯、包層連續(xù)制成預制棒的一步法發(fā)展到二步法；即先用陶瓷棒或石墨棒為靶棒，只沉積芯材料（含少量包層）大直徑芯棒，經(jīng)去水燒結(jié)后，把該大直徑芯棒拉細成多根小直徑芯棒，再用這些小直徑芯棒為靶棒來沉積包層，制成光纖預制棒，大大提高了生產(chǎn)率、降低了成本。20世紀80年代初，國際上開始用套管法制作大預制棒，對于和芯棒，這是最普遍采用的外包方法。同時，工藝也采用了套管法，開始了單模光纖（）的商業(yè)化生產(chǎn)，這標志著預制棒制造工藝向兩步法的轉(zhuǎn)變。稍后，康寧公司將外包技術(shù)用于工業(yè)化生產(chǎn)。接著，用生產(chǎn)光纖的廠家也用外包技術(shù)代替了套管法，在整個20世紀80年代，套管法的份額逐年下降。20世紀90年代，阿爾卡特用等離子噴涂技術(shù)取代了套管法；朗訊公司開發(fā)了溶膠—凝膠外包技術(shù)。幾乎所有用，制造光纖芯棒的預制棒生產(chǎn)廠家都采用技術(shù)進行外包層制備。隨著光纖價格的繼續(xù)下降，光纖制造成本的高低將決定市場競爭力。而制造大預制棒有利于降低光纖制造成本（測試成本都會因預制棒的增大而降低），因此，絕大多數(shù)的單模光纖預制棒制造商都選擇更經(jīng)濟、更高速率的外包層技術(shù)生產(chǎn)大尺寸預制棒。制造石英光纖預制棒最重要的原料是四氯化硅和四氯化鍺，四氯化硅的分子式為SiCl4，又名氯化硅，英文名為“Silicontetrachloride”，四氯四氯化硅在常溫常壓狀態(tài)下為無色或淺黃色發(fā)煙液體，有刺激性氣味，易潮解，物理性能見表2.3.1圖2.3.1圖2.3.2四氯化鍺分子結(jié)構(gòu)表2.3.1四氯化硅特性四氯化鍺的英文名為Germaniumtetrachloride，分子式為GeCl4，又稱氯化鍺（Germaniumchloride）。GeCl4蒸氣以單分子形式存在，分子呈改進的化學氣相沉積法（ModifiedChemicalVapour棒外化學氣相沉積法（OutsideChemicalVapour軸向氣相沉積法（VapourphaseAxial微波等離子體激活化學氣相沉積法（PlasmaactivatedChemicalVapourDeposition，PCVD）圖2.3.3圖2.3.4較為全面地描述了當前“兩步法”（Two－stepProcess）生產(chǎn)光纖預制棒的工藝，其中，OVD，MCVD等工藝名稱僅僅表示生產(chǎn)預制選擇不同的預制棒制造工藝，要求選用不同的芯層材料和包層材料，表2.3.2圖2.3.4光纖預制棒制造“兩步法”工藝示意圖表2.3.2不同制造工藝單模光纖的材料組成同時，不同的制棒工藝的反應機理、采用的熱源以及沉積方向等差異較大，表2.3.3表2.3.3目前預制棒生產(chǎn)的主要工藝分為＋、＋及和等四種方式，其中，技術(shù)沉積速率較低，主要適用于預制棒的芯棒生產(chǎn)；技術(shù)沉積速率較高，適用于預制棒的包層生產(chǎn)；而制棒技術(shù)是（芯棒）＋（包層）。圖2.3.5MCVD圖2.3.6MCVD在沉積反應過程中，通過改變反應氣體中4或4的比例，可以精確控制每層石英玻璃的折射率。因工藝是在完全封閉的石英石英玻璃基管內(nèi)含有的－圖2.3.7掃描電子顯微鏡顯示的MCVD等離子體管內(nèi)化學氣相沉積法（ahlpourpoo，）是1970年代由荷蘭飛利浦公司提出的微波工藝。工藝與工藝非常相似，二者所用的原料相同，都是采用管內(nèi)氣相沉積工藝和氧化反應，在高純石英玻璃管內(nèi)進行沉積和高溫氧化反應。不同之處是熱源和反應機理，工藝將D法中的氫氧火焰加熱改為微波腔體加熱，用的熱源是微波，其反應機理為微波激活氣體產(chǎn)生等離子使反應氣體電離，電離的反應氣體成為帶電離子。帶電離子重新結(jié)合時釋放出的熱能熔化氣態(tài)反應物形成透明的石英玻璃沉積薄層。工藝制備芯棒有兩個具體步驟，即沉積和成棒。首先低壓等離子使通入高純石英玻璃沉積管內(nèi)的氣態(tài)鹵化物和氧氣在大約1000的目前，工藝可以實現(xiàn)大直徑石英玻璃管作為沉積襯管，沉積長度達1.5以上的芯棒。圖2.3.8圖2.3.9掃描電子顯微鏡顯示的PCVD與工藝一樣，D工藝沉積好的石英管需要進一步熔縮成實心的石英玻璃預制棒，才能用于光纖拉絲以制造成通信光纖。在熔縮過程中，石英玻璃襯管在高溫下會發(fā)生襯管內(nèi)、外表面燒蝕現(xiàn)象。特別是在最后內(nèi)孔閉合階段，燒蝕情況也因閉合階段溫度最高而變得最為嚴重。襯管在高溫熔縮時，內(nèi)側(cè)的2工藝采用的微波加熱腔體能夠沿著石英玻璃襯管軸向快速往復運動，沉積過程中的每層厚度可以達到1以下，由此可以大幅增加子體氣相沉積溫度較低，石英玻璃襯管不會變形或燒失，能夠保證連續(xù)、高效、快速沉積，降低生產(chǎn)成本（圖2.3.10）。圖2.3.10PCVD如圖2.3.11所示，管外氣相沉積法（OutsideVapourDeposition，OVD）是1970年代美國康寧公司的卡普隆（Kapron）研發(fā)的簡捷工藝。圖2.3.11OVD工藝制棒過程中，氫或甲烷與氧氣燃燒反應中產(chǎn)生的水汽，能夠通過與原材料氣體4與4氧化反應后產(chǎn)生的氯氣反應消除大量的氯氣，但仍有大量的2吸附在沉積物中，還有部分2與2結(jié)合形成－H形式，在后續(xù)的燒結(jié)過程之前，通?？梢酝ㄟ^脫水工藝將沉積完成的疏松預制棒進行干燥和燒結(jié)，將沉積材料中所含的2加以去除。將疏松棒加熱到400以上，可以輕松去除物理吸附的2學結(jié)合的部分H－與其他相鄰的－反應形成2蒸發(fā)掉。殘余的少量H－在1200溫度下通過2氣干燥進行化學反應處理后能夠得到很好的消除。通過優(yōu)化干燥氣體2氣的濃度和處理溫度及升溫速率與干燥時間等參數(shù)，能夠?qū)ⅲ拷档偷竭h低于1g／的水平。將靶棒從沉積完成好的多孔疏松棒中抽出，采用石墨爐區(qū)域燒結(jié)的方法，在1500左右溫度條件下，將氣體（氦氣）氣氛中從一端開始連續(xù)進行燒結(jié)，直到整支棒完全玻璃化變成無氣泡的透明石英玻璃預制棒。燒結(jié)過程中，燒結(jié)溫度和升溫速率對燒結(jié)后的預制棒質(zhì)量至關(guān)重要。升溫速率太快會造成疏松棒徑向溫度分布不均勻，從而導致內(nèi)部無法充分燒結(jié)，并留下空隙。研究表明，氣體滲透率對氣孔特性影響顯著，對于滲透率差異較大的氦氣（8.3210－7單位）和氬氣（2.271－11單位）理論計算得到的臨界氣孔直徑分別為500和0.6。也就是說，充滿氬氣的氣孔，當氣孔直徑大于0.6時，氣孔并不會隨著溫度升高而收縮。而在充滿氦氣的氣氛中，在燒結(jié)致密化的過程中，極少會形成直徑小于500的封閉氣孔。同時，理論計算表面，臨界直徑隨升溫速率的減少而變大，這一結(jié)最終消失。圖2.3.12掃描電子顯微鏡顯示的OVD氣相軸向沉積工藝（pourxlpoon，）是1977年由日本電報電話公司（）的伊澤立男等人，為避免與康寧公司的專利沖突而發(fā)明的連續(xù)工藝。如圖2.3.13所示，工藝將工藝中的摻雜技術(shù)與直接沉積的軸向沉積技術(shù)相結(jié)合，使得制備工序簡化，為大批量連續(xù)生產(chǎn)光纖預制棒奠定了基礎(chǔ)。工藝與工藝一樣，也是火焰水解的化學反應機理。與D工藝不同，沉積工藝的生長方向是自下向上垂直軸向生長制備預制棒。燒結(jié)和沉積在同一臺設備中的不同空間連續(xù)完成，實現(xiàn)了的預制棒連續(xù)制備。工藝的最新發(fā)展由20世紀70年代的芯、包同時沉積燒結(jié)，到80年代先沉積芯棒再套管的兩步法，再到90年代的粉末外包層代替套管制成光纖預制棒。圖2.3.13VAD為避免外部污染，工藝的反應和沉積過程都在完全密閉的系統(tǒng)中進行。以旋轉(zhuǎn)的靶棒下端面作為沉積襯底，噴燈火焰將載流氣體輸入的反應物飽和蒸氣在高溫下進行水解反應，生產(chǎn)的石英玻璃氧化物微粒沉積在邊旋轉(zhuǎn)邊提升的靶棒底部表面。隨著靶棒端部沉積層逐步生成并達到折射率分布的設計要求后，旋轉(zhuǎn)的靶棒不斷向上提升，使沉積端面始終處于同一位置，連續(xù)不斷沉積并最終形成具有一定機械強度的圓柱形疏松棒。與此同時，當沉積好的疏松棒提升經(jīng)過環(huán)狀石墨加熱爐時，就按順序依此進行脫水和燒結(jié)，整個過程連續(xù)不斷可制造出一支完整的透明預制棒。研究結(jié)果表明，在干燥氣氛條件下，溫度150左右時能夠較為容易地消除吸附在沉積疏松體微粒上的2分子，隨后升溫到400左右，進一步消除部分化學吸附的－中H－。然而，對于部分孤立殘留在粒子表面的－，即使在800的溫度條件下也難以消除。因此，必須通過其他有效方法來盡量消除殘留的H－，以得到－這個化學處理的過程通過－（或其他鹵化物中的－，－）來置換－，從而產(chǎn)生－鍵，而－鍵的吸收峰位于波長25附近，完全遠離通信系統(tǒng)使用的光纖傳輸波長，從而避開光纖傳輸波長附近的－鍵的吸收衰減對光纖傳輸衰減的不利影響。工藝制棒過程中，在火焰水解反應中形成固體顆粒O2，而2則以氣態(tài)的形式被載運到多孔預制棒表面并冷卻。當多孔預制棒表面溫度足夠低的情況下，氣態(tài)的2則以晶態(tài)形式冷凝在其表面，而當多孔預制棒溫度高于500以上時，氣態(tài)的2因沒有達到形成晶體所需要的冷卻條件，因此氣態(tài)的2停留在多孔棒表面與2形成交聯(lián)結(jié)構(gòu)的非晶態(tài)微粒。由于D工藝沉積生成多孔預制棒時，生長表面的溫度分布為中間溫度高徑向溫度逐漸降低的拋物線形分布，因而在多孔預制棒表面自動形成從中心部分沿徑向的2濃度梯度從高到低的分布形態(tài)。同時，進一步通過控制火焰溫度、火焰中的摻雜物分布等參數(shù)，工藝能夠精確控制沉積出來的預制棒折射率剖面分布。人們研究了在火焰溫度分別為1200，1300，1400和多孔預制棒表面最高溫度分別為630，680，700沉積條件下工藝制得的預制棒拉制出來的光纖折射率剖面分布。研究結(jié)果表明，火焰溫度越高，多孔棒表面溫度越高，制備出來的預制棒中心的2圖2.3.14掃描電子顯微鏡顯示的VAD總結(jié)以上四種主要的制棒工藝，每一種工藝各有優(yōu)劣勢。表2.3.4表2.3.4光纖預制棒制造過程中，由于原料、襯管材料或制造工藝過程造成預制棒中含有少量的羥基（－H），羥基（－）在1383n衰減是影響通信光纖非常不利的因素。對于和D或預制棒制造工藝，來自石英玻璃管中－擴散是影響光纖預制棒的－H的重要因素之一。而對于全部預制棒制造工藝，原料鹵化物中的含氫雜質(zhì)及羥基雜質(zhì)，以及載流氣體或制造過程中帶入的水蒸氣，是