光纤制造工艺

光纤制造工艺

郭克俊 1231410007

【摘要】光线的制造工艺包括光纤原料制备及提纯、光纤预制棒熔炼及表面处理、拉丝及一次涂覆、光纤张力筛选及着色、二次涂覆五步。其中SiO2光纤预制棒的制造工艺是光纤制造技术中最重要、也是难度最大的工艺，传统的SiO2光纤预制棒制备工艺普遍采用气相反应沉积方法。尽管利用气相沉积技术可制备优质光纤预制棒，但是气相技术也有其不足之处，如原料昂贵，工艺复杂，设备资源投资大，玻璃组成范围窄等。为此，人们经不断的艰苦努力，终于研究开发出一些非气相技术制备光纤预制棒。溶胶－凝胶法是一种非气相沉积技术，最具发展前途。

【关键词】 光纤 预制棒 溶胶－凝胶法

通信用光纤是由高纯度SiO 2与少量高折射率掺杂剂GeO 2、TiO 2、Al 2O 3、ZrO 2和低折射率掺杂剂SiF 4(F)或B 2O 3或P 2O 5等玻璃材料经涂覆高分子材料制成的具有一定机械强度的涂覆光纤。而通信用光缆是将若干根（1～2160根）上述的成品光纤经套塑、绞合、挤护套、装铠等工序工艺加工制造而成的实用型的线缆产品。在光纤光缆制造过程中，要求严格控制并保证光纤原料的纯度，这样才能生产出性能优良的光纤光缆产品，同时，合理的选择生产工艺也是非常重要的。其制造工艺流程如下图所示：

光纤制造工艺流程

由图可知，光纤的制造工艺主要有光纤原料制备及提纯、光纤预制棒熔炼及表面处理、拉丝及一次涂覆工艺、光纤张力筛选及着色工艺、二次涂覆工艺五步。其中SiO2光纤预制棒的制造工艺是当今光纤制造技术中最重要、也是难度最大的工艺。

先将经过提纯的原料制成一根满足一定性能要求的玻璃棒，称之为“光纤预制棒”或“毌棒”。光纤预制棒是控制光纤的原始棒体材料，组元结构为多层圆柱体，它的内层为高折射率的纤芯层，外层为低折射率的包层，它应具有符合要求的折射率分布型式和几何尺寸。传统的SiO2光纤预制棒制备工艺普遍采用气相反应沉积方法。目前最为成熟的技术有四种：

美国康宁公司在1974年开发成功，1980年全面投入使用的管外气相沉积法，简称OVD 法（OVD －Outside Vaper Deposition ）；

美国阿尔卡特公司在1974年开发的管内化学气相沉积法，简称MCVD 法（MCVD －Modified Chemical Vaper Deposition ）；

日本NTT 公司在1977年开发的轴向气相沉积法，简称VAD 法（VAD －Vaper Axial Deposition ）；

荷兰菲利浦公司开发的微波等离子体化学气相沉积法，简称PCVD 法（PCVD －Plasma Chemical Vaper Deposition ）。

尽管利用气相沉积技术可制备优质光纤预制棒，但是气相技术也有其不足之处，如原料光纤原料制备及提质量检测与控制 光纤预制棒熔炼及表面合格光纤 拉丝及一次涂覆工二次涂覆 工艺 光纤张力筛选及着色工

昂贵，工艺复杂，设备资源投资大，玻璃组成范围窄等。为此，人们经不断的艰苦努力，终于研究开发出界面凝胶法－BSG、直接熔融法－DM、玻璃分相法－PSG、溶胶－凝胶法－SOL-GFL、机械挤压成型法－MSP等非气相技术制备光纤预制棒。其中溶胶－凝胶法最具发展前途，最早出现在20世纪60年代初期，是生产玻璃材料的一种工艺方法。

广义地讲，溶胶凝胶法是指用胶体化学原理实现基材表面改性或获得基材表面薄膜的一种方法。此方法是以适当的无机盐或有机盐为原料，经过适当的水解或缩聚反应，在基材表面胶凝成薄膜，最后经干燥、结烧得到具有一定结构的表面或形状的制品。

溶胶－凝胶法制备光纤预制棒的主要工艺生产步骤是首先将酯类化合物或金属醇盐溶于有机溶剂中，形成均匀溶液，然后加入其它组分材料，在一定温度下发生水解、缩聚反应形成凝胶，最后经干燥、热处理、烧结制成光纤预制棒。制造步骤可以分为以下几个阶段：

1.配方阶段：

原料、稀释剂、掺杂剂和催化剂等根据重量百分比称重，混合均匀，如要作成一定形状的产品，可以把溶胶注入所需要的模具内，如管状或棒状模具。

2.溶胶-凝胶形成阶段：

溶胶：又称胶体溶液，是一种分散相尺寸在10—10-13米之间的分散系统，粘度一般为几个泊。

凝胶：分为湿胶和干胶，湿胶是由溶胶转变产生的，当溶胶粘度由几个泊增加到104泊时就认为是湿胶，又称冻胶和软胶，外观透明或乳白，具有一定形状，内部包含大量液体但无流动性，为半液半固相体系。把湿胶内液体除去，就成为干胶，是一种超显微结构多孔体。

3.水解聚合反应阶段：

即胶化过程，从溶胶转变为凝胶称胶化。首先形成湿胶再形成凝胶，一般在室温下进行，有时也可提高一些温度以加快胶化速度。

4.干燥阶段：

一般放在敞开容器内，加热到80~110°C温度下进行，在此阶段除去大部分的溶胶和物理吸附水，所获得的干凝胶具有600~900m2/g比表面积，宏观密度为1.2~1.6g/cm3

5.热处理阶段：

在此阶段除去化学结合的OR.OH根等部分重金属杂质。此时，升温速度，保温温度，保温时间和气氛等参数都影响最终产品的性能

6.烧结阶段：

在此阶段，通过粘性流动，胶体内微孔收缩最终成为无气泡透明玻璃棒。在此过程中，玻璃棒的气孔率逐渐减小，比重逐渐增大到该物质的理论密度，一般在高于1100°C的温度下烧结。

溶胶经过以上几个阶段转变成制造光纤的玻璃棒，物质状态发生了明显变化。

当sol－Gel法技术成熟后，预计可使光纤的生产成本降到1美分/米。因此无论从经济还是从科学技术观点都引起了世人极大的兴趣，但由于此方法生产的芯层玻璃衰减仍较大，工艺尙不成熟，距商用化还有一定的距离。