一个完整的预制棒制造工艺包含从原料提纯、气化到芯棒沉积,芯棒烧结,包层沉积,包层烧结,预制棒清洁和干燥处理,测量与包装等多个步骤,根据预制棒制造工艺的选择方式,有的在芯棒制造出来后根据预制棒设计尺寸的要求还将进行拉伸和分切,然后进行包层沉积,有的直接在沉积芯棒的同时沉积好包层。对所有制棒工艺,预制棒内的残余应力及气孔的消除都是极为重要而又极其困难的。另外,制棒过程中的尾气或废气处理也是整个制棒过程中极其重要且必不可少的环节。
下面就制棒过程中的几个主要步骤简单进行举例说明。
(1)沉积芯棒以VAD工艺为例
垂直轴向沉积发生在大容积沉积腔体内,该腔体内有四氯化硅(SiCl4)、四氯化锗(SiCl4)、氢气(或甲烷气体)、氧气等,在氢气(或甲烷气体)燃烧的条件下反应生成二氧化硅(SiO2)和二氧化锗(GeO2)。二氧化硅沉积在目标棒的底部,在底部安装的激光发射和接收器通过控制被底部遮挡的激光的强度反馈控制目标棒的向上提拉速度,从而实现粉末体在目标棒沿其轴向的生长,从而完成芯棒疏松体的制造。
(2)芯棒烧结
芯棒烧结是将如图2.4.1所示的疏松芯棒烧结成透明实心芯棒的过程,其工艺过程为将疏松的预制棒放入圆筒腔体内,感应式加热线圈在圆筒腔体外上下移动以完成对芯棒扫描式加热,从而确保了对芯棒加热的均匀性,避免产生残余应力。
第一步是在氯气、氦气氛围内,加热到1100℃发生脱水反应,去除疏松体内的含氢杂质,消耗Cl2,具体的脱水反应为
Cl2+H2O=O2↑+2HCl↑
Cl2+Si-OH=Si-Cl+O2↑+HCl↑
第二步包含将脱水后的疏松体在氦气氛围内,加热至1600℃左右,烧结成如图2.4.2所示的透明实心玻璃棒过程。
图2.4.1 芯棒松散体
图2.4.2 芯棒玻璃化系统
(3)芯棒拉伸
根据原始玻璃棒的外径以及拉伸后的目标外径,将烧结后的芯棒在拉伸炉内加热至2000℃以上,使其软化,设定合适的拉伸炉和夹头移动速度,从而获得目标外径的芯棒,用于预制棒的生产制备。
(4)包层沉积(以OVD外气相沉积法为例)
在氢气、氧气氛围中,将有机硅(C8H24O4Si4)原料或四氯化硅(SiCl4)原料及掺杂剂(GeCl4)气态形式送入火焰喷灯,使之氧化生成小于5μm石英(SiO2)玻璃微粒粉尘,然后经喷灯喷出,沉积于横放的芯棒外表面,芯棒不停地旋转及火焰灯往复运动,经过多次沉积形成一定尺寸的多孔粉尘疏松棒,产生的氯化氢等废气被抽走处理(图2.4.3)。
C8H24O4Si4+16O2=8CO2↑+4SiO2+12H2O
或SiCl4+2H2O=SiO2+4HCl↑
GeCl4+2H2O=GeO2+4HCl↑(www.xing528.com)
及
GeCl4+O2=GeO2+2Cl2↑
2H2+O2=2H2O
Cl2+H2O=O2+2HCl↑
图2.4.3 OVD法包层工艺示意图
(5)包层烧结(以OVD为例)
将疏松棒垂直式放入石墨感应炉中,计算机控制炉温分布、炉内气温、升温速率、保温时间等工艺程序。由于疏松棒含有大量物理吸附H2O和化学结合的OH-,这对于光纤的衰减特性是致命的危害,因此,OVD工艺发展的一个重要方面是脱水烧结工序。
将疏松棒加热到400℃以上,很容易驱除物理吸附的H2O。化学结合的一部分OH-可与相邻的其他OH-反应形成H2O并蒸发掉。对于驱除残余的OH-,通常在更高的温度约1200℃的高温下用氯气等干燥气体进行化学处理。
脱羟基反应方程式:
Cl2+H2O=O2+2HCl
Cl2+Si-OH=Si-Cl+O2+HCl
(6)残余应力及残留气孔消除
将预制棒保温在1600℃的温度下,用氦气驱赶烧结过程中的空气、氯化氢及氯气,使其致密并玻璃化,从一端开始烧结,连续向另一端进行,生产出全透明的预制棒,保温一段时间,进行退火处理,将预制棒的内应力释放出来。
(7)废气处理
预制棒生产过程中,将反应生成的Cl2,HCl,HF(预制棒酸洗产生)及未沉积于石英管壁的少量含SiO2粉尘,废气先通过粉尘过滤器,含SiO2粉尘经过滤器截留,而后,尾气再一并送入碱液吸收塔进行洗涤处理,Cl2,HCl,HF经碱吸收后,尾气达到排放标准后再进行排放。
主要反应方程式如下:
Cl2+H2O=HCl+HClO
HCl+NaOH=NaCl+H2O或HCl+Ca(OH)2=CaCl2+H2O
HClO+NaOH=NaClO+H2O或HClO+Ca(OH)2=Ca(ClO)2+H2O
HF+NaOH=NaF+H2O或HF+Ca(OH)2=CaF2+H2O
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