【正文】 物或金屬醇鹽溶于有機溶劑中，形成均勻溶液，然后加入其它組分材料，在一定溫度下發(fā)生水解、縮聚反應形成凝膠，最后經干燥、熱處理、燒結制成光纖預制棒。廣義地講，溶膠凝膠法是指用膠體化學原理實現基材表面改性或獲得基材表面薄膜的一種方法。當sol－Gel法技術成熟后，預計可使光纖的生產成本降到1美分/米。為此，人們經不斷的努力研究開發(fā)出一些非氣相沉積技術來制備SiO2光纖預制棒，并取得了一定的成績。光纖預制棒的幾種氣相沉積制作方法可以相互貫通，彼此結合。它是用VAD法作光纖預制棒的芯層部分，不同處在于水平放置靶棒，氫氧焰在一端進行火焰水解沉積，然后再用OVD法在棒的側面沉積、制作預制棒的外包層部分。這種組合的預制棒制備工藝可以避免大套管技術中存在的同心度誤差的問題，又可以提高沉積速率，因而很有發(fā)展前途。所謂大棒套管法意思是指沉積芯層時采用一種方法，然后利用另一種方法沉積包層或外包層，之后將沉積的內包層連同芯層一道放入到外包層內，在燒結成一體而成，現擇其一、二說明之。表522 四種氣相沉積工藝的特點方法 MCVD PCVD OVD VAD反應機理 高溫氧化 低溫氧化 火焰水解 火焰水解熱源 氫氧焰 等離子體 甲烷或氫氧焰 氫氧焰沉積方向 管內表面 管內表面 靶棒外徑向 靶同軸向沉積速率 中 小 大 大沉積工藝 間歇 間歇 間歇 連續(xù)預制棒尺寸 小 小 大 大折射率分 單模：容易布控制 容易 極易 容易 多模：稍難原料純度要求 嚴格 嚴格 不嚴格 不嚴格現使用廠家(代表) 美國阿爾卡特公司 荷蘭飛利浦公司 美國康寧公司 日本住友，日本西古公司， 古河等公司天津46所 中國武漢長飛公司 中國富通公司 （或稱二步法）由表522可知，四種氣相沉積工藝各有優(yōu)劣，技術均已成熟，但尚有二個方面的問題需要解決：；，達到一棒拉出數百乃至數千公里以上的連續(xù)光纖?？偵纤?，四種氣相沉積的制備方法在本質上是十分相似的。工序緊湊，簡潔，且潛在發(fā)展很大；，適于大批量生產，一根棒可拉數百公里的連續(xù)光纖，單模光纖且折射率分布截面上無MCVD法中的中心凹陷，克服了MCVD法對光纖帶寬的限制。VAD法的工藝特點：，大幅度的提高氧化物粉塵(SiO2,SiO2GeO2)的沉積速度。在芯層噴燈噴嘴處通入SiClGeCl4,水解生成SiO2—GeO2玻璃粉塵，而在包層噴燈噴嘴處只通入SiCl4,水解生成SiO2玻璃粉塵，并使它們沉積在相應的部位，這樣可得到滿足折射率要求的光纖預制棒。為獲得所設計的不同芯層和包層的折射率分布，可以通過合理設計氫氧噴燈的結構、噴燈與靶棒的距離、沉積溫度和同時使用幾個噴燈等措施來實現。最終沉積生成具有一定機械強度和孔隙率圓柱形的多孔預制棒。且二個工序是在同一設備中不同空間同時完成，工藝示意圖如圖5211所示。從工藝原理上而言，VAD法沉積形成的預制棒多孔母材向上提升即可實現脫水、燒結，甚至進而直接接拉絲成纖工序，所以這種工藝的連續(xù)光纖制造長度可以不受限制，這也是此工藝潛能所在。VAD法的反應機理與OVD法相同，也是由火焰水解生成氧化物玻璃。軸向氣相沉積法，簡稱VAD法。總之，OVD法可以用來制造多模光纖，單模光纖，大芯徑高數值孔徑光纖，單模偏振保持光纖等多種光纖產品。若采用中心石英靶棒作為種子模，則其可與沉積玻璃層熔為一體，成為芯層的一部分。SOCl2,Cl2進行脫水處理的原理與化學反應方程式如下：高溫燒結(≡SiOH)+SOCl2 (SiCl)+HCl +SO2 (5220)H2O+SOCl2 2HCl +SO2 (5221)2Cl2+2H2O 4HCl +O2 (5222)在脫水后，經高溫作用，松疏的多孔質玻璃沉積體被燒結成致密、透明的光纖預制棒，抽去靶棒時遺留的中心孔也被燒成實心。氯氣、氯化亞砜脫水的實質是將多孔玻璃中的OH置換出來，使產生的Si—Cl鍵的基本吸收峰在25μm附近。在燒結期間，要不間斷的通入氯氣、氧氣、氮氣和氯化亞砜（SOCl2）組成的干燥氣體，并噴吹多孔預制棒，使殘留水分全部除去。一旦光纖芯層和包層的沉積層沉積量滿足要求時（約200層），即達到所設計的多孔玻璃預制棒的組成尺寸和折射率分布要求，沉積過程即可停止。例如：梯度折射率分布，芯層中GeO2摻雜量由第一層開始逐漸減少，直到最后沉積到SiO2包層為止。正是靶棒沿縱向來回移動，才可以實現一層一層地沉積生成多孔的玻璃體。在MCVD工藝中，石英包皮管固定旋轉，而氫氧火焰左右移動進行逐層沉積。首先使一根靶棒在水平玻璃車床上沿縱軸旋轉并往復移動，然后，將高純度的原料化合物，如SiCl4,GeCl4等，通過氫氧焰或甲烷焰火炬噴到靶棒上，高溫下，水解產生的氧化物玻璃微粒粉塵，沉積在靶棒上，形成多孔質母材。圖5210 OVD法工藝示意圖沉積工藝：OVD法的沉積順序恰好與MCVD法相反，它是先沉積芯層，后沉積包層，所用原料完全相同。于1974年，由美國康寧公司的Kcpron先生等研究發(fā)明，1980年全面投入應用的一種光纖預制棒制作工藝技術。以獲得寬的帶寬；光纖的幾何特性和光學特性的重復性好，適于批量生產，沉積效率高，對SiCl4等材料的沉積效率接近100%，沉積速度快，有利于降低生產成本。成棒是將沉積好的石英玻璃棒移至成棒車床上，利用氫氧火焰的高溫作用將其熔縮成實心光纖預制棒，工藝示意圖見529。圖5—29 PCVD法工藝示意圖PCVD法制備光纖預制棒的工藝有兩個工序，即沉積和成棒。PCVD法的反應機理是將MCVD法中的氫氧火焰加熱源改為微波腔體加熱源。1975年，由荷蘭菲利浦公司的Koenings先生研究發(fā)明。然而，近年來MCVD法又有了突破性的發(fā)展，這主要得益于合成石英管的開發(fā)成功。并可以提高光纖預制棒的生產效率。因此在生產效率、生產成本上難與OVD和VAD法競爭。MCVD法的優(yōu)點是工藝相對比較簡單，對環(huán)境要求不是太高，可以用于制造一切已知折射率剖面的光纖預制棒，但是由于反應所需熱量是通過傳導進入石英包皮管內部，熱效率低，沉積速度慢，同時又受限于外部石英包皮管的尺寸，預制棒尺寸不易做大，從而限制了連續(xù)光纖的制造長度。腐蝕原理與化學反應式如下：2CF2Cl2＋O2 2COF2＋2Cl2 （5－211）2COF2＋SiO2 SiF4＋2CO2 (5212)2COF2＋GeO GeF4＋2CO (5213)這個反應是不完全的，由于較高的溫度和較高的氧濃度，平衡狀態(tài)更多地向正向移動，如圖526所示。：所謂腐蝕法是在熔縮成實芯棒時，向管內繼續(xù)送入CF2ClSF6等含氟飽和蒸汽和純氧氣，使它們與包皮管中心孔表面失去部分GeO2的玻璃層發(fā)生反應，生成SiFGeF4，從而把沉積的芯層內表面折射率降低部分的玻璃層腐蝕掉，這樣中心凹陷區(qū)會被減少或完成被消除掉，濃縮成棒后可大大改善光纖的帶寬特性。 使用此種方法會使光纖預制棒中金屬鍺的含量增高，導致瑞利散色損耗的增加。這種現象對光纖的衰減和色散都有很大的影響，尤其對多模光纖的傳輸帶寬影響是非常大的，僅此一項有時就把光纖寬度限制在了1GHZ?km之內，對單模光纖的色散、帶寬也會造成一定的影響。GeO2 GeO ＋O2 （5－10）圖525光纖折射率分布曲線中心凹陷分解反應的結果是使沉積層材料成份產生變化。在光纖預制棒沉積過程中，如果摻雜試劑的含量過多，沉積層之間的玻璃熱膨脹系數會出現不一致，在最后的軟化吸收熔縮成棒工藝中，棒內玻璃將會產生裂紋，影響預制棒的最終質量與合格率，所以必須嚴格控制摻雜劑的含量。，摻雜方法與“1”中相同，n1n0；而在制備包層時，只沉積二氧化硅材料，不摻雜任何摻雜劑，得到純SiO2玻璃層，其折射率為n2＝n0，滿足n1n2＝n0的光纖導光條件的要求。為使光纖預制棒的折射率分布達到所需的要求，可以通過向二氧化硅基體中加入少量摻雜劑來改變其折射率的方法實現。沉積的第x層。沉積第x層時所需的摻雜試劑載氣總流量。在沉積熔煉過程中，由質量流量控制器（MFC）調節(jié)原料組成的載氣流量實現。外包層不起導光作用，因為依前幾章的分析可知：激光束是在沉積的芯層玻璃中傳播。為使溫度升高，可以加大氫氧火焰，也可以降低火焰左右移動的速度，并保證石英包皮管始終處于旋轉狀態(tài)，使石英包皮管外壁溫度達到1800℃。沉積芯層過程中，高溫氧化的原理與化學反應方程式如下：高溫氧化高溫氧化高溫氧化SiCl4＋ O2 SiO2＋2Cl2 （525）GeCl4＋O2 GeO2＋2Cl2 （526）2POCl3＋4O2 2P2O5＋3Cl2 （527）芯層經數小時的沉積，石英包皮管內壁上已沉積相當厚度的玻璃層，已初步形成了玻璃棒體，只是中心還留下一個小孔。用超純氧（O2）氣把蒸發(fā)瓶2中已汽化的飽和蒸氣SiClGeCl4或POCl3等化學試劑經氣體輸送系統(tǒng)送入石英包皮管中，進行高溫氧化反應，形成粉末狀的氧化物SiO2GeO2或SiO2P2O5,并沉積在氣流下漩的內壁上，氫氧火焰經過的地方，就會在包皮管內形成一層均勻透明的氧化物SiO2GeO2（或SiO2P2O5）沉積在內包層SiO2SiF4玻璃表面上。不斷從左到右緩慢移動，然后，快速返回到原處，進行第二次沉積，重復上述沉積步驟，那么在石英包皮管的內壁上就會形成一定厚度的SiO2SiFSiO2B2O3玻璃層，作為SiO2光纖預制棒的內包層。凡氫氧火焰經過的高溫區(qū)，都會沉積一層（約8－10μm）均勻透明的摻雜玻璃SiO2SiF4（或SiO2B2O3），反應過程中產生的氯氣和沒有充分反應完的原料均被從石英包皮管的另一尾端排出，并通過廢氣處理裝置進行中和處理。圖523管內化學氣相沉積法工藝示意圖首先利用超純氧氣O2或氬氣Ar作為載運氣體，通過蒸發(fā)瓶1將已汽化的飽和蒸氣SiCl4和摻雜劑（如CF2Cl2）經氣體轉輸裝置導入石英包皮管中，這里，純氧氣一方面起載氣作用，另一方面起反應氣體的作用，它的純度一定要滿足要求。所需設備主要有可旋轉玻璃車床、加熱用氫氧噴燈、蒸化化學試劑用的蒸發(fā)瓶及氣體輸送設備和廢氣處理裝置、氣體質量流量控制器、測溫裝置等。MCVD法制備光纖預制棒工藝可分為二步：第一步，熔煉光纖預制棒的內包層玻璃MCVD法制備光纖預制棒工藝可分為二步：第一步，熔煉光纖預制棒的內包層玻璃制備內包層玻璃時，由于要求其折射率稍低于芯層的折射率，因此，主體材料選用四氯化硅（SiCl4），低折射率摻雜材料可以選擇氟利昂（CF2Cl2）、六氟化硫（SF6）、四氟化二碳C2F4 、氧化硼B(yǎng)2O3等化學試劑。．管內化學氣相沉積法，是目前制作高質量石英系玻璃光纖穩(wěn)定可靠的方法，它又稱為“改進的化學氣相沉積法”（MCVD）。盡管利用氣相沉積技術可制備優(yōu)質光纖預制棒，但是氣相技術也有其不足之處，如原料昂貴，工藝復雜，設備資源投資大，玻璃組成范圍窄等。氣相沉積法的基本工作原理:首先將經提純的液態(tài)SiCl4和起摻雜作用的液態(tài)鹵化物，并在一定條件下進行化學反應而生成摻雜的高純石英玻璃。上述四種方法相比，其各有優(yōu)缺點，但都能制造出高質量的光纖產品，因而在世界光纖產業(yè)領域中各領一份風騷。當今，SiO2光纖預制棒的制造工藝是光纖制造技術中最重要、也是難度最大的工藝，傳統(tǒng)的SiO2光纖預制棒制備工藝普遍采用氣相反應沉積方法。幾何尺寸:將制得的光纖預制棒放入高溫拉絲爐中加溫軟化，并以相似比例尺寸拉制成線徑很小的又長又細的玻璃絲。光纖預制棒是控制光纖的原始棒體材料，組元結構為多層圓柱體，它的內層為高折射率的纖芯層，外層為低折射率的包層，它應具有符合要求的折射率分布型式和幾何尺寸。嚴重斑點（非玻璃化粒子）：決不允許外來物質（指紋、沖洗