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VAD法光纤预制棒的制备工艺同样有二个工序：沉积和烧结。且二个工序是在同一设备中不同空间同时完成，
工艺示意图如图5-2-11所示。
图5-2-11轴向气相沉积法工艺示意图
沉积工序：
首先将一根靶棒垂直放置在反应炉上方的夹具上，并旋转靶棒底端面接受沉积的部位，用高纯氧载气将形成的玻璃卤化物(SiCl4,GeCl4)饱和蒸气带至氢氧喷灯和喷嘴入口，在高温火焰中水解反应，生产玻璃氧化物粉尘SiO2-GeO2和SiO2,并沉积在边旋转边提升的靶棒底部、外表面上，随着靶棒端部沉积层的逐步形成，旋转的靶棒应不断向上提升，使沉积面始终处于同一个位置。最终沉积生成具有一定机械强度和孔隙率圆柱形的多孔预制棒。整个反应必须在反应炉中进行，通过保持排气的恒速来保证氢氧焰的稳定。为获得所设计的不同芯层和包层的折射率分布，可以通过合理设计氢氧喷灯的结构、喷灯与靶棒的距离、沉积温度和同时使用几个喷灯等措施来实现。例如，在制作单模光纤预制棒时，由于包层很厚 (2a=8.3—9.6um,2b=125um)，可以用三个喷灯火焰同时沉积，一个火焰用于沉积芯层，另外二个用于沉积包层。，在芯层喷灯喷嘴处通入SiCl4、GeCl4,水解生成SiO2—GeO2玻璃粉尘，而在包层喷灯喷嘴处只通入SiCl4,水解生成SiO2玻璃粉尘，并使它们沉积在相应的部位，这样可得到满足折射率要求的光纤预制棒。 烧结工序：
随着沉积的结束，多孔预制棒沿垂直方向提升到反应炉的上部石墨环状加热炉中，充入氯气Cl2,氢气H2，以及氯化亚砜(SOCl2)进行脱水处理并烧结成透明的玻璃光纤预制棒。
VAD法的工艺特点：
1.依靠大量的载气送化学试剂的气体通过氢氧火焰，大幅度的提高氧化物粉尘(SiO2,SiO2-GeO2)的沉积速度。它的沉积速度是MCVD法的10倍；
2.一次性形成纤芯层和沉积包层的粉尘棒，然后对粉尘棒分段熔融，并通入氢气、氯气以及氯化亚砜进行脱水处理并烧结成透明的预制棒。工序紧凑，简洁，且潜在发展很大；
3.对制备预制棒所需的环境洁净度要求高，适于大批量生产，一根棒可拉数百公里的连续光纤 4.可制备多模光纤，单模光纤且折射率分布截面上无MCVD法中的中心凹陷，克服了MCVD法对光纤带宽的限制。 5.此工艺程序多，氢氧喷灯采用的多，3-8个，对产品的总成品率有一定的影响，成本是OVD法的1.6倍。 总上所述，四种气相沉积的制备方法在本质上是十分相似的。表5-2-2列出四种气相沉积工艺特点。
表5-2-2 四种气相沉积工艺的特点
方法 MCVD PCVD OVD VAD 反应机理 高温氧化 低温氧化 火焰水解 火焰水解 热源 氢氧焰 等离子体 甲烷或氢氧焰 氢氧焰 沉积方向 管表面 管表面 靶棒外径向 靶同轴向 沉积速率 中 小 大 大 沉积工艺 间歇 间歇 间歇 连续 预制棒尺寸 小 小 大 大
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折射率分 单模：容易 布控制 容易 极易 容易 多模：稍难 原料纯度要求 严格 严格 不严格 不严格 现使用厂
家(代表) 美国阿尔卡特公司 荷兰飞利浦公司 美国康宁公司 日本住友，
日本西古公司， 古河等公司
天津46所 中国长飞公司 中国富通公司
5.2.5.大棒组合法（或称二步法）
由表5-2-2可知，四种气相沉积工艺各有优劣，技术均已成熟，但尚有二个方面的问题需要解决： 1.必须全力提高单位时间的沉积速度；
2.应设法增大光纤预制棒的尺寸，达到一棒拉出数百乃至数千公里以上的连续光纤。
基于此种想法，可以将四种不同的气相沉积工艺进行不同方式的组合，可以派生出不同的新的预制棒实用制备技术—大棒套管法。所谓大棒套管法意思是指沉积芯层时采用一种方法，然后利用另一种方法沉积包层或外包层，之后将沉积的包层连同芯层一道放入到外包层，在烧结成一体而成，现择其一、二说明之。
MCVD/OVD法：
由于MCVD法的沉积速度慢，而MCVD大棒套管技术要求的几何精度非常高 ，为适应大棒法的需求，而开发出一种用MCVD法沉积制备芯层和包层，用OVD法沉积外包层，实现大尺寸预制棒的制备方法-MCVD/OVD。这种组合的预制棒制备工艺可以避免大套管技术中存在的同心度误差的问题，又可以提高沉积速率，因而很有发展前途。
组合气相沉积法：
即HVD法(Hybrid Vaperr Deposition)，是美国Spectram光纤公司在1995年开发的预制棒制备技术。它是用VAD法作光纤预制棒的芯层部分，不同处在于水平放置靶棒，氢氧焰在一端进行火焰水解沉积，然后再用OVD法在棒的侧面沉积、制作预制棒的外包层部分。HVD法是将VAD 和OVD法两种工艺巧妙地结合在一起，工艺效果十分显著。
光纤预制棒的几种气相沉积制作方法可以相互贯通，彼此结合。
5.2.6.非气相沉积技术
虽然利用气相沉积技术可制备优质光纤，但是气相沉积技术也存在着不足：原料资源、设备投入昂贵，工艺复杂，成品合格率较低，玻璃组份围窄等。为此，人们经不断的努力研究开发出一些非气相沉积技术来制备SiO2光纤预制棒，并取得了一定的成绩。
5.2.6.1.溶胶---凝胶法
在非气相沉积技术中，溶胶－凝胶法，又称sol－Gel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。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。
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，如管状或棒状模具。
（2）溶胶-凝胶形成阶段
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溶胶：又称胶体溶液，是一种分散相尺寸在10—10米之间的分散系统，粘度一般为几个泊。
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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10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，部包含大量液体但无流动性，为半液半固相体系。把湿胶液体除去，
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就成为干胶，是一种超显微结构多孔体。
胶体特性：其特点很多，影响制造玻璃光纤预制棒产品质量的特性有这样2项： 1）溶胶特性：溶胶的配方和溶液的PH值。
2）凝胶特性：主要是宏观密度，由物体重量和外观体积决定，主要包括：比表面积，平均孔隙尺寸，孔隙分布及孔隙率。
催化剂在溶液形成溶胶与凝胶过程中起着决定性的作用，催化剂的使用可分为二类：酸性和碱性。最常用的酸性催化剂是盐酸，实际使用的酸类也可以是硫酸或硝酸。在没有酸类物质参与反应时，金属醇盐往往会由于水的存
+-在而起加水分解，生成白色沉淀物，加入酸类物质后，立刻可以使其再溶解。H和OH是正硅酸乙酯水解反应的催化
剂，因此水解反应随着溶液的酸度或碱度的增加而加快，缩聚反应一般在中性和偏碱性的条件下进行较快，PH值在1－2围，缩聚反应特别慢，因此凝胶化时间相对较长，PH>8.5时，缩聚反应形成的硅氧键又重新有溶解的倾向，这也是在高PH值条件下胶凝时间特别长的原因。
在酸类物质催化的条件下，硅酸单体的慢缩聚反应形成的硅氧键最终可以得到不甚牢固的多分支网络状凝胶，但由于在此条件下反应进行的较慢，因此形成的凝胶结构往往不完善，在老化和干燥过程中可继续使凝胶网络间的-OH基团脱水形成新的硅氧键≡Si-O-Si≡，边缘化学键的形成使凝胶的核心结构进一步牢固，同时脱水收缩开始，凝胶的体积减小，一般在老化和干燥前期比较明显，并逐步趋于平衡。
在碱性催化剂条件下，硅酸单体水解迅速凝聚，生成相对致密的胶体颗粒。这些颗粒再相互连接形成网络状的凝胶，这种凝胶缩聚反应进行的比较完全，结构比较牢固，在老化和干燥过程中体积基本保持不变。因此在碱性条件下所制得的湿凝胶孔洞尺寸较大，密度较小。 （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。
胶化过程中包含着水解和聚合两类化学反应。在制备石英系光纤时，采用硅的醇盐为原料，其水解和聚合的基本反应式如下： １）完全水解反应
Si(OR)4+H2O Si(OH)4+4ROH （5-2-23） 2)不完全水解反应
2Si(OR)4 +XH2O Si(OH)4 .(OH)X+XROH （5-2-24） 3)脱水聚合反应
Si(OR)4.X(OH)x (OR)X-1(OR)4-X Si-O-Si(OH)4-X(OH)X-1+4ROH （5-2-25） 4)水解聚合反应
2Si(OR)4.X(OH)x Si2O(OR)6-2X+2R（OH） （5-2-26） 在上述反应中应注意以下几个问题：
①全水解反应是水解反应速度太快而发生的，它并不是我们所期望的，因为Si(OH)4是一种沉淀物；
②聚合反应仅发生在反应的初期阶段，而脱水聚合反应只要在硅的化合物上存在OR根就会连续的进行，从而形成整体的硅氧网络。
③水解和聚合反应几乎是同时进行的，难以把他们分开研究
④当有酸碱催化剂存在时，水解反应一般被认为是以下面两种形式进行的：
++
亲电子反应：(RO)3Si(OR)+H3O (RO)3Si(OH)+H+HOR （5-2-27）
++
H+H2O H3O （5-2-28）
--
亲质子反应：(RO)3Si(OR)+OH (RO)3Si(OH)+OR（5-2-29）
--
OR+H2O HOR+OH（5-2-30）
水解反应机理
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尤其是硅醇乙酯水解机理为同位素HOH所致。水中的氧原子与硅原子进行亲核反应：
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(RO)3SiOR+HOH Si(OR)3(OR)+ROH （5-2-31）
在这一反应过程中，溶剂的活化效应、极性极短和多活泼质子的获取性等因素对水解过程有非常重要的影响，而且在不同的介质中反应机理也有所差别。在酸催化条件下，主要是H3O对OR基团的亲电取代反应，水解速度快但随着
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水解反应的进行醇盐水解活性因为其分子上-OR基团的减少而下降，很难生成Si（OH）4。其缩聚反应在水解前，?即Si（OH）4完全转变为Si（OH）4前已开始，因而缩聚反应的交联程度低，易形成一维的链状结构。在碱的催化条
-件下，水解反应主要是OH对-OR基团的亲核取代反应，水解速度较酸催化的慢，但醇盐水解活性随分子上-OR基团减少而增大，所以4个-OR基团很容易转变为-OH基团，即容易生成Si（OH）4进一步缩聚时便生成高交联度的三维网络结构。水解反应是可逆反应，如果在反应时排除掉水和醇的共沸物，则可以阻止逆反应的进行。如果溶剂的烷基不同于醇盐的烷基，则会产生转移酯化反应：
R（OH）+Si（OR）4 Si（OR）3（OR）+ROH （5-2-32） （4）干燥阶段：
一般放在敞开容器，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
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胶具有600~900m/g比表面积，宏观密度为1.2~1.6g/cm （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。
由于干胶包含有大量的孔隙，具有大的比表面积，并含有大量的OH和OR，因此在干胶进一步热处理过程中所采用的程序对于降低光纤OH含量和避免玻璃产品在加温时是非常关键的。
首先他们发现在300~500°C温度围存在着有机杂质的氧化反应，所以，在此阶段，如采用保温并加上充分的氧气气氛，可使有机杂质氧化分解为气体产物逸出体外，随后在500°C~1000°C间，OH-根凝聚成水分挥发掉，并在1100°C时气孔开始缩小。他们认为此时He气氛中加热比较合理。因为He在玻璃有最大扩散率，利于把玻璃的气泡带走。但是，当用单纯的He气氛处理和烧结时，最终玻璃的OH含量最高甚至大于5000ppm，尽量采用较慢的升温速度有利于降低OH根的含量，但仅仅是量的变化，即使加上其他合理的措施，最终玻璃的OH含量仍保持在600ppm。在这种情况下,得不到低损耗的玻璃预制棒。因此后来采用了Cl2处理技术，降低OH含量，与Cl2硅氧网络OH能发生以下反应：
Si（OH）4+2 Cl2 Si Cl4+H2O （5-2-33）
在800°C下，通入氯气30分钟，玻璃的OH含量可降低到ppm量极。OH含量的降低与通入Cl2的时间有关，例如，热处理温度在1000°C时，氯气气氛保温两小时，OH含量为200~300ppm，保温时间延长至7小时，OH含量则小于1ppm。通入氯气处理，可导致Cl2含量过高，这种玻璃材料拉丝时也会发泡，故需在更高的温度下，在O2气氛中处理Cl2含量低于0.5%。可消除这种影响。 （6）烧结阶段：
在此阶段，通过粘性流动，胶体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。
5.2.7光纤预制棒表面研磨处理技术
众所周知，预拉制光纤的强度和强度分布，强烈地取决于初始光纤预制棒的质量，特别是它的表面质量。由于预制棒表面存在的裂纹和杂质粒子，在高于2000°C的温度下拉成光纤后，会遗留在光纤表面，形成裂纹和微晶缺陷。因此，为克服这一问题，以制备连续长度长且高强度光纤，必须在拉制工序之前，愈合和消除这些表面缺陷。目前采用的光纤制棒表面处理方法主要有五种，它们是：
（1）.采用Etoh，Meoh，丙酮和MEK等有机溶剂清洗预制棒表面； （2）.采用酸溶液浸蚀预制棒； （3）.采用火焰抛光预制棒；
(4).采用有机溶剂清洗后的预制棒，再进一步用火焰抛光处理；
(5).采用有机溶剂清洗后，再经酸蚀后的预制棒，进一步采用火焰抛光处理。
采用一种有机溶剂清洗方法处理时，光纤强度改善并不是很明显，它的强度分布从弱区到强区分布较宽。酸蚀玻璃是一种常规的强化玻璃表面技术。从对光纤断裂机理分析可以推断出，气相沉积技术制得光纤预制棒表面上的杂质粒子主要来自两个方面：一是在1600°C~2000°C的高沉积温度和高收缩温度下，使稀少的金属粒子自火焰中飞溅出来，熔融到棒的热表面上，并在拉丝工艺之后，遗留于光纤表面上，这对微裂纹的形成起着主要作用。另一方面，是来自生产现场大气气氛中的尘粒，例如CaCO3、MgCO3等尘埃。该尘粒是在持续大约6小时的沉积和收缩阶
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段，被熔融到管棒表面上的。这本身又诱发了在这些点处的化学成分的变化，这一变化可导致在光纤表面的热应力和结晶化，致使微裂纹的形成，最终导致光纤强度的降低，使用中发生断裂。采用酸蚀可有效地除去这些表面杂质粒子。
4HF+SiO2 SiF4+H2O （5-2-39） 2HF+CaCO3 CaF2+H2CO3 （5-2-40） 在酸蚀过程中常用到的酸蚀剂有这样几种：氢氟酸（HF）、氢硫酸（HF、H2SO4）和氢硝酸（HF、HN O3），其中最
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强的酸蚀剂为49%（w）的HF酸。采用49%浓度的HF酸溶液浸蚀二氧化硅时，其溶解速率约为260×10m/s，浸蚀时间为15分钟，可除去厚度为2~3umm的表面层。经过大量的实验证明，酸蚀的最佳参数如表5-2-4所示。
表5-2-4光纤预制棒酸蚀最佳参数表
HF酸浓度 49 5－30 49 溶解速率 260×10m/s -10浸蚀时间 15（min） 0.5~5(h ) 30（min）
为使表面酸蚀均匀，酸蚀之前最好用有机溶剂清洗预制棒表面，因为粘附在预制棒表面的有机物妨碍氢氟酸溶剂对预制棒表面的浸蚀作用。在使用有机溶剂清洗和随后的酸蚀处理中，若采用超声波搅动清洗和酸蚀，利用溶液的涡旋作为驱动力，效果会更佳。
预制棒表面酸蚀处理不当，也会起到负面作用：
（1）氢氟酸酸蚀虽然能除去表面异物和较大的表面伤痕；但同时会导致新的小腐蚀坑的形成； （2）过量的腐蚀会引起局部折射率变化，造成“微型粗糙”；
（3）在不会引起断裂部分，含有Vikers凹痕的SiO2预制棒，即使短时浸蚀，也可使其强度明显降低。
基于上述原因，单独酸蚀处理，对提高光纤强度效果难以确定，所以，在光纤预制棒表面处理中，酸蚀处理不宜单独采用。
火焰抛光法也是一种常规的强化玻璃表面的方法。此方法可以显著地提高光纤的强度。其基本原理是：利用氢氧火焰（或电阻加热炉、或等离子火焰、或激光）抛光预制棒表面，使表面软化，促使预制棒表面平滑化，从而愈合或“填平”微裂纹。这种工艺对预制棒的表面不平整>10um，裂纹深度>0.1um的表面缺陷，只要在1530°C ~2300°C温度围，抛光2~5次，即可很好的除去所有的缺陷，并使光纤的最低强度保持在3.5GPa（500kpsi）以上。表5-2-5给出一种我国某光纤预制棒生产公司实际利用氢氧火焰进行火焰抛光法的预制棒研磨工艺参数。
该工艺操作主要有三个步骤： 1.接尾棒
（1）将母棒和接尾棒距离调至2~3mm，喷灯台靠近母棒一侧，高温烧烤至接头呈乳白色融态，一般需5分钟左右，推进母棒使其和接尾棒连接；
（2）移动喷灯台测量母棒直径，同时用卷尺测量母棒的有效长度； 2．研磨母棒
氢氧火焰温度达到2300°C时，开始研磨母棒，以40rpm的转速转动玻璃车床，并以30 mm/min的速度移动喷灯，研磨2次可达到最低强度要求，若增加研磨次数，会使强度增加；
3.分离尾棒
尾轴台向右移动，拉细连接部位，至到直径小于5mm时，用火焰烧断即完成辅助接尾棒的分离，之后，将喷灯台匀速向母棒侧移动约为150mm~200mm，以消除母棒上产生的白雾；在接缝面侧365mm处找出拉丝安装线，并标刻“0”标志。
为避免预制棒被污染，抛光处理过程应在一个清洁的小房间进行，房间的洁净度应在1000级以上。也可以在预制棒生产现场进行。
为防止已处理好的预制棒被“再次污染”，最好将预制棒立刻拉丝。若不能立即拉丝，则应将处理好的预制棒悬挂在空气过滤器的正前面或将其存放于特别的无尘密封容器中，以便在暂时存放期间和在运往拉制场所时，表面不致被损伤、污染。根据大量实验，业专家建议，为取得良好的效果，酸蚀到抛光，抛光到拉丝之间的时间间隔以0.5小时最好。
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光纤光缆生产实用工艺流程
