CN100406401C - 采用等离子体外喷法制造低水峰光纤预制棒的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低水峰光纤预制棒的制造方法，具体地说是一种采用等离子体外喷制备包层从而制造低水峰光纤预制棒的方法。芯棒的剖面折射率分布采用下陷包层设计，芯层的掺氟重量百分含量＝0.30%-0.50%；下陷包层的掺氟重量百分含量＝芯层的掺氟重量百分含量+K×(Δ⁺-Δ^-)，0.70≤K≤1.04，其具体步骤为(1)采用任一工艺制备上述结构的芯棒；(2)采用等离子体外喷法将石英粉沉积在芯棒上制备外包层，即制得低水峰光纤预制棒。本发明特别适于大规模生产低水峰光纤，它具有制造成本低的优点。

Description

采用等离子体外喷法制造低水峰光纤预制棒的方法

技术领域

本发明涉及一种低水峰光纤预制棒的制造方法，具体地说是一种采用等离子体外喷制备包层从而制造低水峰光纤预制棒的方法。

背景技术

从20世纪70年代末开始规模生产光纤以来，对光纤预制棒制造技术的研究和完善改进就从来没有间断过。最先投入工业化生产的光纤预制棒制造技术主要有以下四种：改进的化学汽相沉积法(MCVD)、等离子体增强化学汽相沉积法(PCVD)、管外汽相沉积法(OVD)和轴向汽相沉积法(VAD)。早期光纤预制棒的制造方法采用单法，即仅采用一种工艺来制造预制棒。当前，生产预制棒的工艺通常采用混合法和套管法，即先制造预制棒芯棒，然后在芯棒外制造包层，以增加单根预制棒的可拉丝公里数，特别是MCVD和PCVD属于管内沉积法，预制棒的尺寸受到衬管的限制不能太大，为了提高生产效率和降低光纤成本，通常采用MCVD或PCVD制造芯棒，在芯棒的外层采用OVD法(混合法)或者在外层套合成管(套管法)来制造光纤预制棒。

随着各制造技术的日益成熟和完善，在光纤性能方面都达到了比较高的水平，但光纤价格在日益下滑，市场竞争日益激烈。为了应对光纤价格降低的市场压力，所以要求不断地提高制造工艺的总体生产效率和降低材料消耗成本，其中混合法和套管法的优势已日益突现。

在外包层制造方面，采用等离子外喷方法，即利用高频产生的等离子体将天然或合成石英粉直接喷涂到芯棒上并直接成为透明的玻璃而形成光纤预制棒。由于采用此方法石英粉的沉积效率很高，可达到60％以上，特别是天然石英粉的价格相对比较便宜，合成石英粉的价格也呈降低趋势。此外，与目前广泛使用的OVD工艺相比，除沉积效率高外，可直接成玻，省去了烧结工艺，工艺控制简单、设备维护和环保处理费用低，因而等离子外喷技术具有明显的成本优势。

1996年美国专利US5522007介绍了一种外部等离子沉积技术和设备，该专利所介绍的方法是在等离子焰中通入四氯化硅(SiCl₄)和氧气(O₂)，二者发生反应生成二氧化硅(SiO₂)，由于反应和SiO₂的挥发是同时进行的，沉积的大部分SiO₂都挥发掉了，因而SiO₂沉积效率极低，因此该专利方法不具备成本优势。在等离子外喷技术中，特别当采用天然石英粉时，由于天然石英粉中难免有些杂质，杂质一旦扩散到光纤的光学部分就会影响光纤的衰减等性能。专利US6269663B1介绍了在反应中通入卤化物尤其是氟化物的方法，可有效降低沉积玻璃中的碱金属含量，但却不能有效降低沉积玻璃中的羟基(OH)含量，因此等离子外喷技术一般用于生产普通的单模光纤，在低水峰光纤的生产应用却受到限制。采用等离子外喷方法，沉积玻璃中的OH主要来源于两方面，一是来源于原材料，包括石英沙、等离子灯所用压缩空气和氩气以及进料所用气体等；二是沉积过程中，预制棒表面温度较高，大于1000℃，极易吸附周围环境中的OH并向棒内扩散。前者可通过原材料的干燥处理适当降低，但后者需要超低湿环境，而等离子外喷时需要大的抽风将未沉积和挥发的石英粉抽走以保证沉积质量，要实现超低湿环境，代价极高。在低水峰光纤已成主流产品的今天，等离子体外喷技术遇到了挑战，要利用等离子体外喷技术的低成本优势来制备低水峰光纤，就必须解决OH向芯棒内扩散的问题。。

此外，用等离子体外喷所制外包层的成本主要取决于生产效率和石英沙的沉积效率。等离子体外喷技术中电力消耗在成本中占有较大的比例，提高等离子体所产生热量的利用率以降低电力消耗也是降低成本的一个有效措施。在专利US6215092B1和CN1111514C中公开了一种共用一个发生器而采用两个等离子体灯的方法和相关装置，可增加沉积速率50％，但两个等离子体灯共用一个发生器很难平衡二者的功率分配，稳定性极差，其中一个等离子体灯出现故障，将导致沉积失败，从而降低了设备使用效率和增加了报废。石英沙的沉积效率主要取决于石英沙的粒径分布、等离子体灯相对于靶棒的位置和靶棒的外径。本发明在大量实验的基础上，得出了可大大提高石英沙沉积速率、沉积效率和等离子体所产生热量利用率的方法。

为方便介绍发明内容，定义部分术语：

芯棒：含有芯层和部分包层的预制件。

外包：预制棒中芯棒以外的部分。

预制棒：含有芯棒和外包的预制件。

中间套管：符合一定几何要求的高纯石英玻璃管。

组合芯棒：芯棒和中间套管熔缩到一起后所形成的预制件及相关工艺。

靶棒：等离子体外喷时沉积石英沙的基础母棒，可以是芯棒、组合芯棒和套管。

组合套管：以中间套管为靶棒，采用等离子体外喷所制备的更大尺寸的预制件及相关工艺。

石英粉的沉积效率：(沉积到靶棒上并转化成合格玻璃的质量/所用石英粉的质量)×100％。

折射率剖面：光纤或光纤预制棒(包括芯棒)玻璃折射率与其半径之间的关系。

相对折射率：定义如下，

$\mathrm{\Δ}\%=[({n_1}^2-{n_0}^2)/2{n_1}^2]\×100\%,$ n1和n0分别为两种玻璃材料的折射率。

相对折射率差Δ^-：如上式，在本申请中当n₁为下陷包层折射率，n₀为纯二氧化硅玻璃折射率时定义Δ^-。

相对折射率差Δ⁺：如上式，在本申请中当n₁为芯层折射率，n₀为纯二氧化硅玻璃折射率时定义Δ⁺。

b/a值：定义为在管内沉积的下陷包层直径与芯层直径的比值。

c/a值：定义为芯棒直径与芯层直径的比值。

衬管：管内气相沉积用的高纯石英玻璃管，反应物在管内反应后沉积在玻璃管的内壁。

RIT：将芯棒插入套管中组成的光纤预制棒。

套管：符合一定截面积要求、插入RIT后可直接组成预制棒的厚壁高纯石英玻璃管。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对当前等离子体外喷法在制造低水峰光纤过程中存在的问题，提供一种采用等离子体外喷制备包层从而制造低水峰光纤预制棒的方法。

本发明的技术方案是这样实现的：芯棒的剖面折射率分布采用下陷包层设计：

Δ^-＝-0.04--0.01％，Δ⁺＝0.310-0.350％，b/a≥2.3，c/a≥3.9，芯层的掺氟重量百分含量＝0.30％-0.50％；下陷包层的掺氟重量百分含量＝芯层的掺氟重量百分含量+K×(Δ⁺-Δ^-)，0.70≤K≤1.04，其具体步骤为(1)采用任一工艺制备上述结构的芯棒；(2)采用等离子体外喷法将石英粉沉积在芯棒上制备外包层，即制得低水峰光纤预制棒。所述芯棒优选采用PCVD工艺制备。

本发明的另一优选方案是将上述步骤(1)制备的一段或多段芯棒插入中间套管内，在拉伸塔上先用含氟的气体和辅助气体将芯棒外表面和中间套管内表面进行腐蚀，然后将其熔缩到一起，得到组合芯棒；然后采用等离子体外喷法将石英粉直接喷涂到组合芯棒上制得低水峰光纤预制棒。

本发明又一优选方案是：首先采用等离子体外喷法将石英粉直接喷涂到中间套管上制得组合套管；然后采用套管法将所述步骤(1)制备的芯棒插入组合套管制得低水峰光纤预制棒。

本发明等离子体外喷法的具体工艺和步骤如下：将石英粉供料管和等离子体灯固定在挡热支架上，等离子体灯斜向上45度，其相对于靶棒的位置可调整，石英粉供料管相对于等离子体灯的位置也可调整，将石英粉供料管和等离子体灯对准靶棒进行沉积；石英粉供料管的倾斜角度α为45度，可随石英粉的粒度分布和石英粉的出口速度略做调整。沉积过程中，随着沉积的进行，靶棒10外径的增加，等离子体灯8的位置可斜向下45方向移动，靶棒10被固定在车床上可绕其轴向转动和沿轴向方向相对于等离子体灯平移。

本发明的基本原理如下：

如背景技术所述，在等离子体外喷技术中，不仅所沉积的玻璃中OH含量较高，还会引起环境中的OH被吸附在靶棒上并向内扩散，一旦OH扩散到预制棒的芯层就会引起光纤水峰的增加。由于很难通过对等离子体外喷技术的优化来解决此问题，本发明通过对芯棒的设计能有效的阻止OH向预制棒的芯层扩散。OH能否向内扩散到预制棒的芯层主要取决于扩散距离和扩散系数。增加扩散距离的方法就是增加芯棒的c/a值，增加c/a值会增加芯棒的制造成本。实验表明，光纤包层中掺氟能有效阻止外部羟基向芯层的扩散，维持芯层的低羟基状态。相应的反应方程式为：

采用PCVD工艺可以精确的进行氟掺杂，光纤中掺氟还可以降低PCVD沉积层中的羟基进而降低光纤的水峰。在等离子体作用下，F具有较高的沉积效率，可达到90％以上，而对于OVD和VAD工艺等，沉积过程中，F的沉积效率极低，大多数掺F是在烧结过程中进行的(如通入SiF₄)，但受沉积层厚度的限制，需要采用多次沉积-烧结的方法，工艺复杂，成本较高。因而在掺F方面，PCVD工艺具有明显的优势。本发明正是利用PCVD的工艺优势，在芯棒的包层引入F掺杂，以阻止等离子体外喷时从环境中吸附的OH和等离子体外喷所制石英玻璃中的OH向芯层的扩散，结合适量增加c/a，即可直接在该芯棒上采用等离子体外喷技术来制备包层以生产低水峰光纤。

在采用等离子体外喷技术中，当用天然石英粉时，石英粉成分往往随着批次的不同有一定的波动，使等离子体外喷所制备的外包粘度和折射率发生波动，进而影响光纤的截止波长和衰减等特性，致使拉丝工艺复杂化。实验表明，利用PCVD工艺对芯棒的材料组成和折射率剖面进行设计，可很好的解决粘度和折射率匹配的问题，从而允许石英粉成分发生一定的波动。

同时，与OVD工艺一样，石英粉的沉积效率随靶棒外径的增加而增加。当靶棒外径较小时，由于石英粉的沉积效率低，其成本偏高，高于采用OVD工艺所制备的合成石英玻璃。采用组合芯棒或组合套管的工艺，可进一步降低预制棒的制造成本。

在组合芯棒和组合套管工艺中，当所用合成中间套管在整个预制棒中比例较高，不小于25％时，可选用由任意工艺，包括MCVD、PCVD、OVD和VAD制备的并与其几何匹配的低水峰芯棒。组合芯棒和组合套管工艺的主要优点是在提高石英粉的沉积效率以降低等离子外喷所制外包成本的同时，不需要增加芯棒的c/a值，从而使预制棒具有较低的成本。组合芯棒和组合套管工艺在制造大尺寸预制棒中优势更加明显，既有效的解决了PCVD和MCVD工艺在制造大尺寸预制棒芯棒时受衬管制约的问题，又使外包的平均沉积效率较高使包层具有更低的成本。而大尺寸预制棒不仅自身成本低，还可提高拉丝效率，也是目前降低光纤成本较为有效的方法。

此外，对于等离子体外喷，高沉积速率和高沉积效率是确保低成本的基础。实验表明，用一个等离子体灯，采用80KW以上等离子体功率，可实现20g/min以上的沉积速率，综合设备的稳定性和制造成本，等离子体的功率在80KW到120KW为最佳。为了提高等离子体所产生热量的利用率和石英粉的沉积效率，等离子体灯相对于靶棒的位置需要根据石英粉的粒度分布、靶棒的外径和沉积速率的不同进行不断的调整。用本发明提供的方法，可制备ITU-T G.652.C/D光纤，所制备的光纤在1310nm和1383nm处的衰耗均小于0.344dB/km，1550nm处的衰耗小于0.224dB/km。按IEC规定的氢损测试方法，在室温条件下将光纤置于氢分压为0.01的气氛中，连续监测光纤1240nm处的衰耗增加。当1240nm处衰耗增加超过0.03dB/km后将光纤从该气氛中取出，14天后在正常条件下测试1383nm处的衰耗，该光纤的衰耗增加不超过0.01dB/km。

本发明在大量实验的基础上，有效地解决了当前等离子体在制造低水峰光纤中存在的不足，从芯棒设计到等离子体外喷提供了一种全新的工艺技术，它将廉价的芯棒制造技术和廉价的外包层制造技术结合到一起，可以很低成本生产低水峰光纤，尤其适于大规模生产。此外，用本发明提供的方法不局限于制备G.652.C/D光纤，任何一种单模光纤都可以用这种方法来实现。

下面将给出详细的实施例，本发明的使用范围将变得显而易见。但是，应该明白这些用来说明本发明的优选实施方案的具体实施例仅仅是用来说明的，因为在本发明的精神和范围内的各种变化和改动对于熟悉本领域的人员来说是显而易见的。

附图说明

图1是芯棒折射率剖面示意图

图2是PCVD芯棒中芯层掺F量与包层掺F量的关系图

图3是组合芯棒工艺示意图

图4是组合套管工艺示意图

图5是等离子体灯和供料管相对于靶棒的位置示意图

图6是石英粉的下料速度随靶棒外径的变化图

图7是石英粉的沉积效率随靶棒外径的变化图

实施例

等离子体外喷制备外包工艺如下：如图5所示，将石英粉供料管7和等离子体灯8固定在挡热支架9上，等离子体灯8斜向上45度，其相对于靶棒10的位置可调整。石英粉供料管相对于等离子体灯8的位置也可调整，以确保石英粉能顺利到达等离子体焰区且供料管口不被烧损，角度α为45度为最佳，可随石英粉的粒度分布和石英粉的出口速度略做调整。沉积过程中，随着沉积的进行，靶棒10外径的增加，等离子体灯8的位置可斜向下45方向移动，靶棒10被固定在车床上可绕其轴向转动和沿轴向方向相对于等离子体灯平移，而靶棒10的高度在沉积过程中是不改变的。沉积过程中调整等离子体灯的高度相对于调整靶棒的高度，可大大简化车床的结构，更适于制造外径大于100mm的大预制棒或组合套管。

采用天然石英粉为原材料，采用单等离子体灯，等离子体的功率为105KW，下料前，先用50KW的等离子体焰将靶棒表面预热和抛光1至2趟，然后逐渐增加功率，等功率稳定到105KW后，开始下料，石英粉的下料速度随靶棒的调整如图6所示，当靶棒的外径达到100mm后，保持2500g/h的下料速度。靶棒的平移动速度为10-60毫米/分钟，并随靶棒外径的增大而逐渐降低，靶棒的转速为10-30转/分钟，每沉积一层后，在回转前调整等离子体灯相对于靶棒的位置。按此工艺，可获得较高的沉积效率，石英粉的沉积效率随靶棒外径的变化如图7所示，当靶棒外径大于75毫米后，沉积效率可达80％以上。

如图1所示，本发明的芯棒的剖面折射率分布采用下陷包层的设计：Δ^-＝-0.04--0.01％，Δ⁺＝0.310-0.350％，b/a≥2.3，c/a≥3.9，当b/a值小时，可通过增加衬底管的CSA来增加c/a值。芯层的掺氟重量百分含量(wt％)＝0.30％-0.50％；下陷包层的掺氟重量百分含量(wt％)不小于0.45％，为了确保芯棒中芯层和下陷包层的粘度匹配以消除外包材料组成的波动对光纤衰减和截止波长的影响，二者的关系如下：下陷包层的掺氟重量百分含量(wt％)＝芯层的掺氟重量百分含量+K×(Δ⁺-Δ^-)，K为系数，0.70≤K≤1.04。取Δ^-＝-0.02％，Δ⁺＝0.330％，则下陷包层的掺氟重量百分含量随芯层的掺氟重量百分含量变化如图2所示。

组合芯棒工艺如图3所示，先将芯棒1和合成的高纯中间套管2熔缩到一起，从而制得外径较大的组合芯棒3，然后在组合芯棒上进行等离子体外喷沉积得到最终预制棒4。

组合套管工艺如图4所示：直接在中间套管2上进行等离子体外喷沉积制得套管5，然后将芯棒1和套管5组装到一起即得到可供拉丝的预制棒6。

实施例一：PCVD芯棒+等离子体外喷

用PCVD工艺制备芯棒，所用衬管的外径为31mm，壁厚为2毫米。然后采用等离子体外喷将石英粉直接喷涂到芯棒上制得光纤预制棒。芯棒及预制棒的参数如表1所示。

表1.芯棒和预制棒的主要参数

实施例二：组合芯棒工艺

用PCVD工艺制备分别与外径为80毫米、120毫米和150毫米相匹配的芯棒，所用衬管的外径为31mm，壁厚为2毫米。芯棒中，芯层和下限包层中掺F的重量百分含量为分别为0.452％和0.723％，芯棒主要参数如表2所示。

表2.芯棒的主要参数

类型	Δ<sup>+</sup>(％)	Δ<sup>-</sup>(％)	a(mm)	b(mm)	c(mm)	b/a	c/a	衬管类型
									φ80mm	0.324	-0.015	5.63	12.80	19.8	2.27	3.52	F300
Φ120mm	0.325	-0.020	8.45	19.20	24.5	2.27	2.90	F300
									φ150mm	0.325	-0.020	10.56	23.50	28.0	2.23	2.65	F500

选用合成的高纯石英管作为中间套管，芯棒和中间套管经清洗干燥后，将芯棒和中间套管熔缩到一起，得到组合芯棒，然后采用等离子体外喷将石英粉直接喷涂到组合芯棒上制得光纤预制棒。中间套管、组合芯棒及预制棒等的主要参数如表3所示。

表3.中间套管、组合芯棒及预制棒的主要参数

序号	芯棒类型	中间套管外径(mm)	中间套管内径(mm)	组合芯棒外径(mm)	等离子体外喷后预制棒外径(mm)
						6	φ80mm	40	22	38.6	80.3
7	Φ120mm	60	26	59.2	119.7
						8	Φ150mm	80	29	79.5	150.2

实施例三：组合套管工艺

采用等离子体外喷将石英粉直接喷涂到中间套管上制得组合套管，然后采用套管法得到可供拉丝的预制棒。芯棒和中间套管的尺寸和种类完全同实施例二。主要参数如表4所示。

表4.中间套管和组合套管的主要参数

用等离子体外喷在制组合套管过程中，中间套管略有熔缩，为了防止内孔变形，在沉积初期靶棒壁厚较薄时，可在管内通入气体，使管内维持100pa左右的压力。组合套管工艺相对于组合芯棒工艺而言，省去了熔缩工艺，当因芯棒原因产生报废时，可将芯棒取出，组合套管仍可使用，不足之处是增加了拉丝工艺的复杂性。

在上述实施例中，所得光纤结果如表5所示，其它参数均符合G.652.D光纤标准的要求。

表5.光纤结果

Claims (6)

1.一种采用等离子体外喷法制造低水峰光纤预制棒的方法，芯棒的剖面折射率分布采用下陷包层设计：

Δ^-＝-0.04--0.01％，Δ⁺＝0.310-0.350％，b/a≥2.3，c/a≥3.9，芯层的掺氟重量百分含量＝0.30％-0.50％；下陷包层的掺氟重量百分含量＝芯层的掺氟重量百分含量+K×(Δ⁺-Δ^-)，0.70≤K≤1.04，其具体步骤为(1)采用任一工艺制备上述结构的芯棒；(2)采用等离子体外喷法将石英粉沉积在芯棒上制备外包层，即制得低水峰光纤预制棒，其中Δ^-为下陷包层折射率与纯二氧化硅玻璃折射率的相对折射率差，Δ⁺为芯层折射率与纯二氧化硅玻璃折射率的相对折射率差，b/a值为在管内沉积的下陷包层直径与芯层直径的比值，c/a值为芯棒直径与芯层直径的比值，K为系数。

2.根据权利要求1的一种采用等离子体外喷法制造低水峰光纤预制棒的方法，其中：所述芯棒采用PCVD工艺制备。

3.根据权利要求1的一种采用等离子体外喷法制造低水峰光纤预制棒的方法，其中等离子体外喷法具体步骤如下：将石英粉供料管和等离子体灯固定在挡热支架上，等离子体灯斜向上45度，其相对于靶棒的位置可调整，石英粉供料管相对于等离子体灯的位置也可调整，将石英粉供料管和等离子体灯对准芯棒进行沉积。

4.根据权利要求1的一种采用等离子体外喷法制造低水峰光纤预制棒的方法，其中石英粉供料管的倾斜角度α为45度。

5.一种采用等离子体外喷法制造低水峰光纤预制棒的方法，芯棒的剖面折射率分布采用下陷包层设计：

Δ^-＝-0.04--0.01％，Δ⁺＝0.310-0.350％，b/a≥2.3，c/a≥3.9，芯层的掺氟重量百分含量＝0.30％-0.50％；下陷包层的掺氟重量百分含量＝芯层的掺氟重量百分含量+K×(Δ⁺-Δ^-)，0.70≤K≤1.04，其具体步骤为(1)采用任一工艺制备上述结构的芯棒；(2)将上述步骤制备的一段或多段芯棒插入中间套管内，在拉伸塔上先用含氟的气体和辅助气体将芯棒外表面和中间套管内表面进行腐蚀，然后将其熔缩到一起，得到组合芯棒；然后采用等离子体外喷法将石英粉直接喷涂到组合芯棒上制得低水峰光纤预制棒；其中Δ^-为下陷包层折射率与纯二氧化硅玻璃折射率的相对折射率差，Δ⁺为芯层折射率与纯二氧化硅玻璃折射率的相对折射率差，b/a值为在管内沉积的下陷包层直径与芯层直径的比值，c/a值为芯棒直径与芯层直径的比值，K为系数。

6.一种采用等离子体外喷法制造低水峰光纤预制棒的方法，芯棒的剖面折射率分布采用下陷包层设计：

Δ^-＝-0.04--0.01％，Δ⁺＝0.310-0.350％，b/a≥2.3，c/a≥3.9，芯层的掺氟重量百分含量＝0.30％-0.50％；下陷包层的掺氟重量百分含量＝芯层的掺氟重量百分含量+K×(Δ⁺-Δ^-)，0.70≤K≤1.04，其步骤如下：(1)首先采用等离子体外喷法将石英粉直接喷涂到中间套管上制得组合套管；(2)采用任一工艺制备上述结构的芯棒；然后采用套管法将制备的芯棒插入组合套管制得低水峰光纤预制棒；其中Δ^-为下陷包层折射率与纯二氧化硅玻璃折射率的相对折射率差，Δ⁺为芯层折射率与纯二氧化硅玻璃折射率的相对折射率差，b/a值为在管内沉积的下陷包层直径与芯层直径的比值，c/a值为芯棒直径与芯层直径的比值，K为系数。

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