光纖預製棒（英文名稱：Optical Fiber Preform 或Fiber Preform）是具有特定折射率剖面並用於製造光導纖維（簡稱光纖）的石英玻璃棒。預製棒一般直徑為幾毫米至幾十毫米（俗稱光棒）。光纖的內部結構就是在預製棒中形成的。
因為預製棒的製作是光纖工藝中最重要的部分，所以從 20 世紀 70 年代末期開始規模生產光纖以來， 對光纖預製棒製造技術的研究和完善改進就從來沒有間斷過。
基本介紹
- 中文名：光纖預製棒
- 外文名：Optical Fiber Preform
- 作用：製造石英系列光纖的核心原材料
- 生產工藝：改進的化學氣相沉積法等
- 中國現狀：進口比例接近90%
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基本信息
光纖預製棒是製造石英系列光纖的核心原材料。簡單地說，用於拉光纖（絲）的玻璃特種預製大棒。
簡介
人們在製造光纖時先要製做出光纖預製棒，光棒的製作有多種方法，常用的製作工藝是氣相氧化法。在氣相氧化法中，高純度金屬鹵化物的蒸汽和氧氣發生反應，形成一些氧化物微粒，這些氧化物微粒會沉積在玻璃或者石英體的表面上（或管狀體的內壁），然後通過燒結形成透明的玻璃棒（如果是管狀，還要進行收縮使其成為棒狀），這樣光棒就做成啦。此時光棒已經具備了光纖的基本結構，通過拉絲機拉出來的裸纖就包括了纖芯和包層。有些光纖品種為了保護裸玻璃光纖，使其不受光和水汽等外部物質的污染，在光纖拉成的同時，就給它塗上彈性塗料（被覆層）。光纖由纖芯、包層和被覆層組成，導光的部分是處於軸線上的實心纖芯，包層的作用是提供一個圓柱形的界面，以便把光線束縛在纖芯之中。被覆層是一種彈性耐磨的塑膠材料，它增強了光纖的強度和柔軟性。
預製棒拉絲
預製棒拉絲功用
在光纖預製棒完成後，就進入到光纖拉絲的過程。其作法是在無塵室中將光纖預製棒固定在拉絲機頂端，並逐漸加熱至2000攝氏度。光纖預製棒受熱後便逐漸融化並在底部累積液體，待其自然垂下，就形成光纖，這有點兒像我們吃拔絲山藥時拉出糖絲的情景。這裡的關鍵在於均勻加熱、拉制速度的控制等。拉制技術無誤時，拉出的光纖結構會與光纖預製棒的結構相同（只不過是縮小了很多）。塗覆材料也在拉絲機上及時塗敷，以保護光纖免受潮氣、磨損的傷害。有的塗覆材料是通過自然冷卻附在光纖上，有的是用某種光線（紫外線）照射光纖使塗覆材料固化。拉絲的過程中，光纖直徑的測量及控制非常重要。光纖的直徑和結構等質量參數多與拉制速度有關，自動化的測量監控會隨時調節拉絲的速度。
光纖拉制示意圖
光纖拉制示意圖生產工藝
國際上生產石英光纖預製棒的方法有十多種，其中普遍使用，並能製作出優質光纖的制棒方法主要有以下四種：
---改進的化學汽相沉積法(MCVD：Modified Chemical Vapour DepositiON)
---軸向汽相沉積法(VAD：Vapour phase Axial Deposition)
---棒外化學汽相沉積法(OVD：Outside Chemical Vapour Deposition)
---（微波）電漿激活化學汽相沉積法(PCVD：Plasma activated Chemical Vapour Deposition )
按照傳統的命名方法，當前光纖技術市場上四種工藝共存，即OVD、VAD、MCVD、PCVD。然而，僅用上述工藝名稱簡單地表示當前的生產工藝已經是很不全面了。當前商業生產光纖預製棒的汽相沉積工藝都已經發展為“兩步法”(Two-step Processes)。其中，OVD、MCVD等工藝名稱僅僅表示生產預製棒的第1步，即生產芯棒(Core-rod/Primary Preform/Initial Preform)所用的工藝。
在生產芯棒時，不僅要製造芯也必需製造部分包層，這是為了確保光纖的光學質量，隨後，可以把芯棒拉細成很多小芯棒，也可以不拉細，這取決於芯棒的大小。第二步，在芯棒上附加外包層(俗稱外包技術或Overcladding)，製成預製棒，拉絲之前，可以把預製棒拉細也可以不拉細，這取決於預製棒和拉絲爐的大小。
所以，所謂“兩步法”並不局限於兩步，光纖預製棒的光學特性主要取決於芯棒製造技術；光纖預製棒的成本主要取決於外包技術，因此，芯棒製造技術加上外包技術才能全面說明當前光纖預棒製造工藝的特徵。
工藝發展歷史
美國 AT&T（Lucent）發 明了改進的化學氣相沉積法（MCVD，Modified Chemical Vapor Deposition）工藝後，美國 Corning 公司隨後開發出了適合光纖大規 模生產的管外氣相沉積法（OVD，Outside Vapor Deposition）工藝， 其後 OVD 工藝又有不斷改進，目前已發出第七代工藝，使生產效率和 生產成本大幅度降低；而日本 NT&T 在 OVD 的基礎上進行改進，推出 了氣相軸向沉積法 （VAD， Vapor Axial Deposition） 工藝； 法國 Alcatel 則利用高頻等離子技術開發出了先進的電漿氣相沉積法（APVD， Advance Plasma Vapor Deposition）預製棒生產工藝；荷蘭 Philips 則開發了電漿化學（PCVD,Plasma Chemical Vapor Deposition ） 工藝並成功地在生產中加以套用。
早期光纖預製棒製造技術採用一步法，1980年初開始用套管法製備光纖預製棒，從而使光纖預製棒製造工藝實現了從一步法到二步法的轉變，即先製造預製棒芯棒，然後在芯棒外採用不同技術製造 外包層，增加單根預製棒的可拉絲公里數，以提高生產效率。一般認為，芯棒的製造決定了光纖的傳輸性能，而外包層則決定光纖的製造成本。在芯棒的製造技術中，MCVD 和 PCVD 稱為管內沉積工藝，OVD 和 VAD 屬於外沉積工藝；在外包層工藝中，外沉積技術是指 OVD 和 VAD，外噴技術主要指用等離子噴塗石英砂工藝。現今光纖外包層製造技術包括套管法、阿爾卡特（Alcatel）公司發明的等離子噴塗法（PlasmaSpary）、火焰水解法（SOOT）和美國朗訊科技公司發明的溶膠法－凝膠法（Sol－gel法），其中SOOT法是泛指OVD和VAD等火焰水解外沉積工藝。
MCVD法現採用外沉積技術取代套管法製作大預製棒，形成MCVD外沉積工藝相結合的混合工藝，從而改變了傳統MCVD工藝沉積速度低、幾何尺寸精度差的缺點，降低了生產成本，提高了預製棒的質量。此後，又有一些公司開發了低成本大尺寸的套管工藝，套管制備工藝為Sol－gel和OVD法。
近20年來，光纖預製棒外包層技術已有許多發展，美國CORNING公司首先採用SOOT外包技術代替了套管法套用於工業生產。1990年，阿爾卡特Alcatel等離子噴塗技術及美國朗訊公司開發的Sol－gel外包技術替代了套管技術，因而採用套管法製備光纖預製VAD製造光纖芯棒的生產廠家都採用SOOT外包技術。
MCVD的發展
●最初的MCVD是在一台車床上依次進行包層沉積、芯沉積、熔縮成預製棒，這是典型的“一步法”。目前，阿爾卡特已經將沉積與熔縮分開，在沉積之後，用另一台專用車床熔縮成棒，並用石墨感應爐代替氫氧焰做熱源進行熔縮成棒。
●最重要的是，用各種外沉積技術取代了套管法來製作大預棒，例如用火焰水解外包和等離子外包技術在芯棒上製作外包層，形成了MCVD與外沉積工藝相結合的混合工藝。這此新技術彌補了傳統MCVD工藝沉積速率低、幾何尺寸精度差的缺點，降低了成本、提高了質量、增強了競爭力。
●開發低成本、高質量、大尺寸的套管的製造方法(如溶膠--凝膠法，OVD法)，供套管使用。
VAD工藝的發展
●70年代的VAD工藝，芯和包層同時沉積、同時燒結，號稱預製連續製造工藝。
●80年代的VAD工藝是先做出大直徑芯棒，然後把該大直徑芯棒拉細成多根小芯棒，再用套管法製成預製棒，從“一步法”發展到“二步法”。
●90年代改成用SOOT外包代替套管法製成光纖預製棒。
●90年代以來,使用VAD的生產廠家增多了,除了日本古河、滕倉之外,信越、日立、三菱、昭和等公司從日本NTT獲得了使用VAD工藝生產光纖的許可,並實施了再開發,實現了商業化VAD工藝,朗訊也從住友公司購得了使用VAD工藝的許可,另外還與住友在美國建立了VAD法的合資光纖廠,從而有機會多年觀察VAD光纖生產,此後,朗訊將VAD工藝引進到它的亞特蘭大光纖廠。美國SpecTran公司在購買ENSIGN-BICKFORD公司的資產的同時,也獲得了VAD工藝。順便提一下,SpecTran公司已在1999年末被美國朗訊購併。
OVD工藝的發展
●從單噴燈沉積到多噴機同時沉積,沉積速率成倍提高。
●從一台設備一次沉積一根棒發展到一台設備同時沉積多根棒。
●從依次沉積芯、包層連續製成預製棒的“一步法”發展到“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)做出大直徑芯棒,經去水燒結後,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,製成光纖預製棒,大大提高了生產率、降低了成本。
PCVD工藝的發展
●荷蘭POF公司已開發了四代PVCD工藝,襯底管內直徑從最初的16mm增大到60mm以年,沉積速率提高到2~3g/min,沉積長度1.2~1.5m。
●目前仍是用套管法製做成大預製棒,但一根套管就重達幾公斤。
●原則上與MCVD一樣,也可形成PCVD與外沉積工藝相結合的混合工藝,但迄今未見報導。
目前，各種技術路線都有生產廠家在採用，所生產的光纖都能夠 符合國際標準，在市場上也有一定的競爭力。隨著市場對光纖產品需 求的多樣性，就要求生產廠家生產不同性能的、在經濟上具有競爭力 的光纖產品滿足這種多樣化的需求。
現在市場上大量使用的普通 G.652 單模光纖， 對於長途幹線則采 用 G.655 光纖，區域網路則採用數據光纖，但並不是任何一種工藝均能 最佳化生產所有的光纖品種。就生產 G.652 光纖而言，芯幫的外沉積 技術（OVD、VAD）優於內沉積技術（MCVD、PCVD），外沉積技術主要 優勢在於：不用價格很貴的合成石英管，沉積速率、沉積層數不會受 到襯低管直徑的限制，特別有利於以高沉積速率製造大型預製棒。此 外，外沉積技術還能生產 G.652 （C）低水峰光纖。就生產 G.655 光 纖而言，芯幫的管內沉積技術（PCVD 工藝活 MCVD 工藝）頗具優勢， 與 OVD、 VAD 相比的最大優點是： 可精確控制徑向折射率分布 （RIP） 。 而這一優點，特別有利於製造最新一代的通信光纖，例如大有效面積 光纖、局部色散平坦的大有效面積光纖、降低色散斜率的直波光纖等 等，這些光纖通常都是多包層的負責 RIP 結構，數據光纖已經新一代 的多模光纖的生產，採用 PCVD 工藝更具競爭力。
我國現狀
光纖預製棒是光纜生產的最“源頭”項目，目前國內光纜生產廠家約200家，大部分靠買進口光纖或光纖預製棒來生產光纜。為了滿足我國光纖、光纜生產廠家對光纖預製棒的需求，更好地促進通信事業的發展，擬合資、合作建立製作光纖預製棒的系統設備，以填補國內生產光纖預製棒系統設備的空白。
