CN101585658A - 一种光纤预制棒及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种光纤预制棒及其光纤的制造方法，其特征在于光纤芯棒的直径与芯层直径比值b/a为2.1～2.8；光纤芯棒外套掺氟石英玻璃小套管内，熔缩到一起得到组合芯棒，所述组合芯棒与光纤芯棒的直径之差与芯层直径比值(c－b)/a为0.5～2.2；所述的掺氟石英玻璃小套管的掺氟量ΔF为－0.20％至－0.35％，羟基含量小于或等于500ppb；组合芯棒外按RIC工艺配置纯石英玻璃大套管或在组合芯棒上直接沉积SiO2玻璃外包层，光纤预制棒的有效直径与组合芯棒的直径比值d/c为2.0～5.6。本发明可制备出抗弯曲低水峰单模光纤；可用于制备同时满足ITU－T G.652.D和G.657的光纤。

Description

一种光纤预制棒及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种光纤预制棒及其光纤的制造方法以及用该预制棒制造光纤的方法，具体涉及抗弯曲低水峰单模光纤预制棒及其光纤的制造方法，属于光通信技术领域。
背景技术
在光纤制造中由于羟基(OH)在1360nm～1460nm范围内所造成的吸收峰(俗称“水峰”)的存在，限制了该窗口的使用，因此为了使光纤在全波段范围内，包括在扩展波段1360nm～1460nm范围内使用，就必须消除该波段的水峰影响。这样的光纤可以提供宽达400nm的可用波段，按ITU-T G.652.C/D规范，其在1383±3nm范围内衰耗小于1310nm的规定值，一般称为“低水峰光纤”或“无水峰光纤”。
这种低水峰光纤尤其适合城域网的建设，O波段(1260nm～1360nm)可以用于WDM模拟视频；在E波段(1360nm～1460nm)能实现高比特率(10Gb/s)速率多波段数据传输；在S、C、L波段(1460nm～1625nm)开通2.5Gb/s密集波分复用(DWDM)传输。采用这种光纤的系统可以有很多好处：(1)可复用的波长数大大增加；(2)可以分配不同的业务给最适合这种业务的波长传输，改进网络管理；(3)可以使用粗波分复用和更低成本的元器件，降低整个系统的成本。
近年来光纤接入(FTTx)开始成为光纤网络建设的热点，人们对各种可能用于FTTx领域的光纤进行了深入的研究。各种光纤从不同角度出发，以适应FTTx的特殊工作环境，并在某些方面具有自己的独特优势：如塑料光纤具有极佳的柔软性，在室内布线方面具有优势；激光优化多模光纤具有很高的带宽和传输速率，适合小区和楼宇等短距离系统；弯曲不敏感光纤适合室内狭窄环境的应用，能充分发挥单模光纤的高带宽优点；高受激布里渊散射(SBS)阈值单模光纤则能提高注入光功率，方便小区三网合一建设。
由于目前接入网用得较多的是单模光纤，且随着低水峰单模光纤的广泛使用，具备弯曲不敏感性能的低水峰光纤逐渐受到重视。常规的低水峰光纤(符合ITU-T G.652C/D)弯曲半径一般为30mm，在室内及狭窄环境下的布线受到很大限制，且长波长的使用(U波段：1625-1725nm)受到一定的限制，因此需要设计开发具有抗弯曲性能的光纤，以满足FTTH网络铺设和长波长的使用要求。2006年12月，ITU-T通过了新的光纤标准(G.657光纤)：《接入网使用的弯曲损耗不敏感的单模光纤和光缆的特性》(“Characteristics of a bending lossinsensitive single mode optical fibre and cable for the access network”)，因而开发抗弯曲的低水峰单模光纤对推动光纤接入技术的发展具有十分重要的意义。
为了减小光纤的弯曲附加损耗，现有技术中已有多种解决方案，如减小光纤的模场直径从而减小MAC值(光纤在1550nm处的模场直径与有效截止波长之比)。I.Sakabe等人在IWCSProceeding 2004年第53期第112-118页中发表的文献“Enhanced Bending Loss Insensitive Fiberand New Cable for CWDM Access Networks”中，就建议减小光纤的模场直径以减小弯曲附加损耗。然而，模场直径的减少会牺牲与常规G.652光纤的接续性能和降低光纤的入纤功率。当前比较有效的方式是通过在光纤内包层外加一个下陷包层，S.Matsuo等人在Journal ofLightwave Technology 2005年第23卷第11期第3494-3499页中发表的文献“Low-bending-lossand low-splice-loss single-mode fibres employing a trench index profile”中，就提出这种光纤结构以减小弯曲附加损耗。这些文献中，下陷包层的设计都是通过掺氟来实现的。
典型的光纤预制棒制造方法有四种：改进的化学气相沉积法(MCVD)、等离子体化学气相沉积法(PCVD)、管外气相沉积法(OVD)和轴向气相沉积法(VAD)。其中MCVD和PCVD的方法属于管内法，要制造外下陷包层，受衬管的限制将很难做大尺寸的预制棒(预制棒直径大于100mm)；而OVD和VAD工艺，要在沉积芯层和内包层过程中一起制造掺氟包层，不仅工艺控制很难，且烧结过程中由于氟的扩散将很难对折射率剖面进行有效控制。能用于实际生产的方法是先沉积具有一定厚度包层的芯棒，经脱水烧结后再在玻璃芯棒上沉积掺氟包层，可采用沉积过程直接掺氟或在烧结中掺氟。美国专利5895515和美国专利4579571中就分别介绍了这两种方法，但由于OVD和VAD均属于火焰(H2/O2)水解方法，在玻璃芯棒上沉积时，将不得不直接暴露在氢/氧焰(H2/O2)中，H2/O2焰产生的大量羟基(OH)会向芯层中扩散，致使所拉光纤水峰衰减增加，因而需要玻璃芯棒包层足够厚以阻挡OH向内的扩散。但一旦包层过厚，形成的掺氟包层将远离芯层又起不到提高所拉光纤弯曲性能的作用。
此外，作为接入网用光纤，更多的会采用机械连接，需要光纤具有很好的芯/包同心度以保证低的连接损耗。因而需要一种同时满足G.652.D和G.657标准的抗弯曲光纤，且该光纤的制造成本与G.652.D的成本应相当，使其能在光纤接入中得到广泛应用。
发明内容
为方便介绍本发明内容，定义如下术语：
光纤预制棒：是由芯层和包层组成的径向折射率分布符合光纤设计要求可直接拉制成所设计光纤的玻璃棒或组合体；
光纤芯棒：含有芯层和部分包层的预制件；
CSA：横截面积，单位为平方毫米(mm2)；
小套管：符合一定几何要求的小CSA掺氟石英玻璃管；
大套管：符合一定几何要求的大CSA纯石英玻璃管；
低水峰光纤芯棒：匹配纯石英外包层后可拉制成水峰(1383±3nm)处衰减不大于0.4dB/km的光纤的芯棒；
组合芯棒：光纤芯棒和小套管熔缩到一起后所形成的预制件(如图2所示：1-芯棒芯层；2-芯棒部分包层；3-小套管)
a：光纤芯棒芯层直径，单位为毫米(mm)；
b：光纤芯棒直径，单位为毫米(mm)；
c：组合芯棒直径，单位为毫米(mm)；
弓曲度(BOW)：对棒材绕中心轴旋转一周时，单位长度内棒材中心偏离旋转轴位置的最大值与最小值之和的平均值，单位为毫米/米(mm/m)；
相对折射率差： 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；
RIC工艺：将组合芯棒和大套管经过处理(包括拉锥、延长、腐蚀、清洗和干燥等)后，将组合芯棒插入大套管中所组成的大尺寸光纤预制棒的制造工艺；
芯/包同心度误差：光纤中芯层的圆心和光纤的圆心之间的距离，单位为微米(μm)；
d：光纤预制棒的有效直径，对于实心预制棒即为其外径，对于RIC预制棒，单位为毫米(mm)；
掺氟(F)量：掺氟(F)石英玻璃相对于纯石英玻璃的相对折射率差(ΔF)，以此来表示掺氟(F)量；
组合芯棒与大套管的间隙(Gap)：组合芯棒与大套管之间的单侧距离，即Gap＝[大套管内径(ID)-组合芯棒外径(c)]/2；
OVD外包沉积工艺：用外部气相沉积和烧结工艺在芯棒表面制备所需厚度的SiO2玻璃；
VAD外包沉积工艺：用轴向气相沉积和烧结工艺在芯棒表面制备所需厚度的SiO2玻璃；
APVD外包工艺：用高频等离子体焰将天然或合成石英粉熔制于芯棒表面制备所需厚度的SiO2玻璃；
裸光纤：指光纤中不含涂覆层的玻璃丝。
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足而提供一种抗弯曲低水峰单模光纤预制棒及其光纤的制造方法。
本发明进一步所要解决的技术问题是提供一种生产成本较低的大尺寸抗弯曲低水峰单模光纤预制棒及其光纤的制造方法。
本发明光纤预制棒的技术方案为：
一种光纤预制棒，包括低水峰光纤芯棒和外包层，其特征在于：光纤芯棒的直径与芯层直径比值b/a为2.1～2.8；光纤芯棒外套掺氟石英玻璃小套管内，熔缩到一起得到组合芯棒，所述组合芯棒与光纤芯棒的直径之差与芯层直径比值(c-b)/a为0.5～2.2；所述的掺氟石英玻璃小套管的掺氟量ΔF为-0.20％至-0.35％，羟基含量小于或等于500ppb；组合芯棒外按RIC工艺配置纯石英玻璃大套管或在组合芯棒上直接沉积SiO2玻璃外包层，光纤预制棒的有效直径与组合芯棒的直径比值d/c为2.0～5.6。
本发明光纤预制棒制造方法的技术方案为：
先制备低水峰光纤芯棒，使得光纤芯棒的直径与芯层直径比值b/a为2.1～2.8；
制备掺氟石英玻璃小套管，要求其相对于纯石英玻璃的相对折射率差，即掺氟量ΔF为-0.20％至-0.35％，羟基含量小于或等于500ppb；
将一段或多段光纤芯棒插入掺氟石英玻璃小套管内，将其熔缩到一起得到组合芯棒，使得组合芯棒与光纤芯棒的直径之差与芯层直径比值(c-b)/a为0.5～2.2；
将组合芯棒与纯石英玻璃大套管按RIC工艺组装，或在组合芯棒上直接沉积SiO2玻璃外包层，制得光纤预制棒，使得光纤预制棒的有效直径与组合芯棒的直径比值d/c为2.0～5.6。
按上述方案，所述的低水峰光纤芯棒为低水峰光纤芯棒。
按上述方案，所述光纤芯棒芯层直径a为6mm～14mm。
按上述方案，所述掺氟石英玻璃小套管可由OVD或VAD方法制成，羟基含量进一步的要求为小于或等于50ppb。
按上述方案，所述光纤芯棒插入掺氟石英玻璃小套管内的配合间隙为0.5-1.5mm；在熔缩组合芯棒的过程中，使得芯棒和掺氟小套管熔缩到一起后所形成的组合芯棒的弓曲度小于或等于2mm/m。
按上述方案，所述的RIC工艺中纯石英玻璃管大套管壁厚大于或等于30mm，为了确保最终光纤的芯/包同心度，将组合芯棒固定在大套管的中心，保持同心，控制组合芯棒和大套管内孔之间的间隙小于或等于2mm，进一步的要求小于或等于1.5mm。
按上述方案，所述的直接沉积SiO2玻璃外包层的方法为OVD或VAD或APVD方法，对于VAD或OVD方法，组合芯棒与芯层直径的比值c/a大于或等于4.2；对于APVD方法，组合芯棒与芯层直径的比值c/a大于或等于3.5。
按上述方案，所述的光纤预制棒在拉伸前的直径为100mm～200mm。
本发明光纤制造方法的技术方案为：
对于用RIC工艺制备的光纤预制棒，用大拉丝炉直接将其拉丝成纤，拉丝过程中，对组合芯棒和大套管之间抽真空，其内压力为1,000pa～10,000pa；或者在拉伸塔上将纯石英玻璃大套管和组合芯棒熔缩拉伸成小尺寸预制棒；熔缩拉伸过程中，对组合芯棒和大套管之间抽真空，其内压力为1,000pa～10,000pa；再将小尺寸预制棒拉丝成纤。
本发明的有益效果在于：1、通过设置掺氟石英玻璃小套管，并控制其掺氟量获得下陷包层，可制备出抗弯曲低水峰单模光纤；2、本发明可用于制备同时满足ITU-T G.652.D和G.657的光纤，所制备的光纤在1310nm处的模场直径为8.4-9.4微米，在1310nm处衰耗小于或等于0.344dB/km，1383nm处的衰耗小于或等于0.344dB/km，1550nm处的衰耗小于或等于0.214dB/km，1625nm处的衰耗小于或等于0.224dB/km，光纤的芯/包同心度误差小于或等于0.54微米；在1625nm处，弯曲半径为10mm时的弯曲附加衰耗不大于0.2dB/圈，弯曲半径为7.5mm时的弯曲附加衰耗不大于1.0dB/圈；3、本发明能够制备大尺寸光纤预制棒，单根预制棒的拉丝长度可达上千公里，从而提高了生产效率，以较低成本生产抗弯曲低水峰单模光纤，在光纤大规模生产时效果尤其显著。此外，用本发明提供的方法不局限于制备G.652和G.657光纤，任何一种具有外下陷环结构的光纤都可以用这种方法来实现，如G.655光纤。
附图说明
图1是本发明制造光纤预制棒和光纤的工艺流程图。
图2是本发明组合芯棒截面示意图。
图3是本发明预制棒或裸光纤截面示意图。
图4是本发明组装好的RIC工艺预制棒示意图。
图5是本发明芯棒折射率剖面结构示意图。
图6是本发明RIC工艺内压力与所拉光纤动态疲劳参数nd的关系曲线。
图7是本发明组合芯棒与大套管之间的Gap与光纤的芯/包同心度误差的关系曲线。
图8是本发明采用OVD和APVD制造外包层时组合芯棒的c/a与光纤水峰衰耗的关系曲线。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。
实施例一：
以PCVD工艺制备G.652低水峰光纤芯棒，具有光纤芯棒芯层1和光纤芯棒部分包层2；所用衬管的外径为31毫米，壁厚为2毫米，芯棒的折射率剖面如图5所示；以OVD工艺制备的掺氟石英管，经机械加工后再拉伸成所需尺寸的小套管3，掺氟石英小套管中的OH含量为10-500ppb；将光纤芯棒和掺氟石英小套管熔缩到一起制得组合芯棒，然后用氢氟酸(HF)对其表面进行腐蚀，腐蚀厚度(单边)为0.5mm～1.0mm，采用不同外径(OD)和内径(ID)的石英管作为大套管4，采用RIC工艺组装成图4所示的RIC工艺预制棒，组合芯棒5套装在大套管4内并使组合芯棒的中心位于大套管的中心，大套管上端接有大套管延长管6；组合芯棒上端接组合芯棒延长棒7；在组合芯棒延长棒和大套管延长管最上端之间安设有RIC堵头8和抽气口9，RIC预制棒的主要参数如表1所示；将RIC预制棒直接拉丝，采用单模光纤生产用光纤涂覆材料，拉丝速度为1500米/分钟；所拉光纤的主要参数如表2所示。
表1.RIC预制棒的基本参数
Figure A20091006280500091
表2.实施例一光纤结果
结果表明，采用本发明的技术方案，可制造完全满足ITU-T G.652.D和G.657的光纤预制棒和光纤。需要说明的是，采用RIC工艺，为避免组合芯棒和大套管之间的界面上产生缺陷，对组合芯棒和大套管之间抽真空，且其压力要控制在10,000pa以内；对于抗弯曲光纤，对光纤内缺陷的控制尤为重要，按IEC 60793-1-33，采用两点弯曲的方法测光纤的抗疲劳参数nd值，对于同一根预制棒，采用同样的拉丝工艺和涂覆材料，RIC内压力与所拉光纤动态疲劳参数nd的关系如图6所示。结果表明，RIC内真空度越高，所拉光纤动态疲劳参数nd就越高；但需要大套管的管壁厚度大于或等于30mm，否则，在拉伸或拉丝过程中将很难保证大套管的均匀收缩以确保其圆度。
实施例二：
以VAD工艺制备G.652低水峰光纤芯棒母棒，采用H2/O2焰将其延伸成所需芯径的RIC芯棒，然后用氢氟酸(HF)对表面刻蚀成目标外径的芯棒，采用实施例一中的小套管和方案制得组合芯棒，采用外径为200mm和内径为53mm的石英大套管，组装成RIC预制棒。组合芯棒相关参数如表3所示。在拉伸塔上将组合芯棒和大套管熔缩到一起的同时拉伸成外径为80mm的小尺寸实心预制棒后再拉丝，采用单模光纤生产用光纤涂覆材料，拉丝速度为1500米/分钟，裸光纤直径为124μm～126μm；所拉光纤的主要参数如表4所示。
表3.组合芯棒的相关参数
表4.实施例二光纤结果
Figure A20091006280500112
试验表明，采用VAD芯棒利用本发明的技术方案同样可获得完全满足ITU-T G.652.D和G.657的光纤。试验中，由于VAD芯棒母棒经延伸后外径足够大，用其取代组合芯棒与外径为200mm、内径为53mm的石英管，组装成RIC预制棒，采用不同的氢氟酸(HF)刻蚀量以获得与大套管之间不同的Gap，在拉伸塔上将组合芯棒和大套管熔缩到一起的同时拉伸成外径为80mm的小尺寸实心预制棒后再拉丝，组合芯棒与大套管之间的Gap与所拉光纤的芯/包同心度的关系如图7所示，要将光纤的芯/包同心度误差控制在0.54μm以内，需要控制组合芯棒和大套管内孔之间的间隙小于或等于2mm，进一步的要求小于或等于1.5mm。
实施例三：
在VAD或OVD制造外包层沉积过程中，由于用到H2/O2焰，因而对芯棒的OH污染是显而易见的；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，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。掺氟石英玻璃能有效阻止外部羟基向芯层的扩散，相应的反应方程式为：
Figure A20091006280500121
采用实施例一中5号芯棒，增加掺氟小套管的外径，使制备的组合芯棒的外径c＝50mm，将其接延长棒后垂直浸入氢氟酸(HF)中进行表面刻蚀，控制组合芯棒的提升速度，使同一根组合芯棒具有连续变化的腐蚀量，使组合芯棒的外直径c从29mm(对应的c/a＝2.97)至50mm(对应的c/a＝5.13)连续变化，分别采用OVD和APVD工艺制造外包，制造外径为145-150mm的预制棒，再拉成光纤，裸光纤直径为124μm～126μm，所得光纤的水峰衰耗与c/a的关系如图8所示，采用本发明的技术，利用OVD或APVD工艺制造外包，同样可获得完全满ITU-TG.652.D和G.657的光纤预制棒和光纤；由于VAD制造外包的工艺和OVD工艺机理一样，因而对于VAD或OVD外包，需要组合芯棒的c/a大于或等于4.2；对于APVD外包，需要组合芯棒的c/a大于或等于3.5。

Claims (13)

1、一种光纤预制棒，包括低水峰光纤芯棒和外包层，其特征在于：光纤芯棒的直径与芯层直径比值b/a为2.1～2.8；光纤芯棒外套掺氟石英玻璃小套管内，熔缩到一起得到组合芯棒，所述组合芯棒与光纤芯棒的直径之差与芯层直径比值(c-b)/a为0.5～2.2；所述的掺氟石英玻璃小套管的掺氟量ΔF为-0.20％至-0.35％，羟基含量小于或等于500ppb；组合芯棒外按RIC工艺配置纯石英玻璃大套管或在组合芯棒上直接沉积SiO2玻璃外包层，光纤预制棒的有效直径与组合芯棒的直径比值d/c为2.0～5.6。
2、一种光纤预制棒的制造方法，其特征在于：
先制备低水峰光纤芯棒，使得光纤芯棒的直径与芯层直径比值b/a为2.1～2.8；
制备掺氟石英玻璃小套管，要求其相对于纯石英玻璃的相对折射率差，即掺氟量ΔF为-0.20％至-0.35％，羟基含量小于或等于500ppb；
将一段或多段光纤芯棒插入掺氟石英玻璃小套管内，将其熔缩到一起得到组合芯棒，使得组合芯棒与光纤芯棒的直径之差与芯层直径比值(c-b)/a为0.5～2.2；
将组合芯棒与纯石英玻璃大套管按RIC工艺组装或在组合芯棒上直接沉积SiO2玻璃外包层，制得光纤预制棒，光纤预制棒的有效直径与组合芯棒的直径比值d/c为2.0～5.6。
3、按权利要求2所述的光纤预制棒的制造方法，其特征在于所述的光纤芯棒为低水峰单模光纤芯棒。
4、按权利要求2或3所述的光纤预制棒的制造方法，其特征在于所述光纤芯棒芯层直径a为6mm～14mm。
5、按权利要求2或3所述的光纤预制棒的制造方法，其特征在于所述掺氟石英玻璃套管由OVD或VAD方法制成，羟基含量进一步的要求为小于或等于50ppb。
6、按权利要求2或3所述的光纤预制棒的制造方法，其特征在于在将芯棒和掺氟小套管熔缩到一起后所形成的组合芯棒的弓曲度小于或等于2mm/m。
7、按权利要求2或3所述的光纤预制棒的制造方法，其特征在于在对芯棒和掺氟小套管熔缩到一起后所形成的组合芯棒用氢氟酸对其表面进行腐蚀，腐蚀厚度为0.5mm～1.0mm。
8、按权利要求2或3所述的光纤预制棒的制造方法，其特征在于所述的RIC工艺中纯石英玻璃管大套管壁厚大于或等于30mm，将组合芯棒固定在大套管的中心，保持同心，控制组合芯棒和大套管内孔之间的间隙小于或等于2mm。
9、按权利要求2或3所述的光纤预制棒的制造方法，其特征在于所述的直接沉积SiO2玻璃外包层的方法为OVD或VAD或APVD方法，对于VAD或OVD方法，组合芯棒与芯层直径的比值c/a大于或等于4.2；对于APVD方法，组合芯棒与芯层直径的比值c/a大于或等于3.5。
10、按权利要求2或3所述的光纤预制棒的制造方法，其特征在于所述的光纤预制棒的在拉伸前的直径为100～200mm。
11、按权利要求2或3所述的光纤预制棒的制造方法，其特征在于对于用RIC工艺组装的光纤预制棒，在拉伸塔上将纯石英玻璃管大套管和组合芯棒熔缩拉伸成预制棒；熔缩拉伸过程中，对组合芯棒和大套管之间抽真空，其内压力为1,000pa～10,000pa。
12、按权利要求2所述的光纤预制棒制造光纤的方法，其特征在于对于用RIC工艺制备的光纤预制棒，用大拉丝炉直接将其拉丝成纤，拉丝过程中，对组合芯棒和大套管之间抽真空，其内压力为1,000pa～10,000pa。
13、一种抗弯曲低水峰单模光纤，其特征在于所述的光纤由权利要求1所述的光纤预制棒经直接拉丝而成，或经拉伸后再拉丝而成。
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