CN102730960A - 多孔光纤预制棒的制造方法 - Google Patents

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陈伟
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Abstract

本发明公开了一种多孔光纤预制棒的制造方法，涉及新材料领域，该方法包括步骤：采用常规通信光纤制备方法制备出芯棒，芯棒包含掺锗的石英芯层和位于芯层外围的纯硅石英包层，二者为同心圆；根据多孔型弯曲不敏感光纤的设计要求，在芯棒外边沿等角度开一定数量的弧形槽，将有弧形槽的芯棒用酸液浸泡去除杂质，并用去离子水洗净，烘干；在开有弧形槽的芯棒外套上石英套管；在各弧形槽中塞入毛细管，形成所需的微孔，制备出多孔光纤预制棒。本发明能实现多孔光纤制造过程中微孔的精确定位，改善多孔型光纤的偏振模特性和弯曲损耗特性；能减少多孔光纤预制棒制造过程中杂质的污染，改善多孔型光纤的衰减特性。

Description

多孔光纤预制棒的制造方法
技术领域
本发明涉及新材料领域，特别是涉及一种多孔光纤预制棒的制造方法。
背景技术
近年来，随着光纤到户的飞速发展，如何解决最后一百米的光纤接入问题成为人们关注的目标。常规光纤在小弯曲环境下，其光纤弯曲损耗急剧增大。这是制约光纤在最后一百米得到应用的关键因素之一。常规通信光纤无法实现现有高速光纤通信系统下的小弯曲损耗的光信号的信息传输；常规G.657光纤在极小弯曲直径(5mm以下)损耗较大，不能够任意弯曲，在复杂而狭小的终端用户环境中的应用受到限制，因此，迫切需要开发出新型的超高抗弯能力的前沿光纤技术。
多孔微结构光纤，由于其具有良好的弯曲性能，被人们寄予厚望。常规的多孔微结构光纤主要采用毛细管堆积法、毛细管聚束法等工艺方法制备。在常规的微孔光纤制造过程中，采用的毛细管聚束等方法很容易引入新的杂质，造成毛细管的污染，使光纤预制棒还未开始拉制成光纤就在内部受到了污染，从而使形成的光纤预制棒本身就受到各种影响光纤衰减的杂质的污染。当采用这样制备而成的光纤预制棒拉制光纤时，所得的光纤的传输损耗将比常规的通信光纤大幅增加，从而难以应用于实际通信系统中。
如果分布在芯棒周围的微孔如果分布不均匀，则会一方面造成光的泄漏，使拉制的光纤的弯曲损耗特性变差，另一方面会使光纤在原纤芯直径方向所处平面上的圆周受力存在不对称，造成光纤的偏振模特性不良，从而影响光纤的正常使用。由于毛细管在堆积和聚束过程中会存在过程无法精确控制，毛细管在拉制过程中，会相互间挤压造成微孔变形，从而造成最后拉制出的微孔的精度无法得到保证。这些问题不仅会引起光纤衰减的增加，还会造成光纤偏振模色散的异常，甚至会带来光纤机械性能的急剧下降，影响光纤的正常使用寿命。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述背景技术的不足，提供一种多孔光纤预制棒的制造方法，能实现多孔光纤制造过程中微孔的精确定位，改善多孔型光纤的偏振模特性和弯曲损耗特性；能减少多孔光纤预制棒制造过程中杂质的污染，改善多孔型光纤的衰减特性。
本发明提供的多孔光纤预制棒的制造方法，包括以下步骤：S1、采用常规通信光纤制备方法制备出芯棒，芯棒包含掺锗的石英芯层和位于芯层外围的纯硅石英包层，二者为同心圆，石英芯层半径为r1，石英包层半径为r3；S2、根据多孔型弯曲不敏感光纤的设计要求，在芯棒外边沿等角度开一定数量的弧形槽，将有弧形槽的芯棒用酸液浸泡去除杂质，并用去离子水洗净，烘干；S3、在开有弧形槽的芯棒外套上石英套管；S4、在各弧形槽中塞入毛细管，形成所需的微孔，制备出多孔光纤预制棒。
在上述技术方案中，步骤S1中所述常规通信用光纤预制棒制造方法包括PCVD法、MCVD法和VAD法。
在上述技术方案中，步骤S2包括以下步骤：当需要数量为N的微孔时，N为正整数，沿芯棒的石英包层的外沿定位N个点，相邻两点与石英包层的圆心之间形成的夹角为360/N度，确定弧形槽的半径r2，以各个点为圆心，在石英包层的外沿开出N个半径为r2的弧形槽。
在上述技术方案中，所述石英套管的内径比2r3+2r2之和大1mm，以便开有弧形槽的芯棒塞入石英套管中。
在上述技术方案中，所述石英套管的外径R根据所需芯棒的掺锗石英芯层直径2r1和待制光纤的芯包比η来确定，计算公式为：待制光纤的芯包比η＝待制光纤的芯层直径/待制光纤的包层直径，石英套管外径R＝【(r2+r3+0.5)2+(r1/η)2】1/2。
在上述技术方案中，所述毛细管与石英套管的间隙为1mm。
在上述技术方案中，所述芯层的不圆度在0.8％～1.2％，芯层与纯石英玻璃的相对折射率差为0.05％～0.35％。
在上述技术方案中，步骤S4之后还包括以下步骤：将制备出的多孔光纤预制棒的一端接上尾棒，在拉丝塔上拉制成外径为125微米、内涂层直径为192微米、外涂层直径为245微米的多孔光纤。
在上述技术方案中，所述多孔光纤在1550nm波段的衰减为0.192～0.201dB/km，多孔光纤的偏振模色散的典型值为0.05～0.08ps/km1/2，多孔光纤在1625nm波段，绕10个弯曲半径为1～5mm的圈时，弯曲损耗在0.075～0.112dB。
在上述技术方案中，采用VAD工艺、开六个弧形角度为320度的弧形槽、芯层的不圆度在0.8％、芯层与纯石英玻璃的相对折射率差为0.35％时制出的多孔光纤，在1625nm波段，绕10个弯曲半径为3mm的圈时，弯曲损耗在0.1dB，多孔光纤的偏振模色散系数为0.05ps/km1/2，在1550nm波段的衰减为0.192dB/km。
在上述技术方案中，采用PCVD工艺、开12个半圆形的槽、芯层的不圆度在1.2％、芯层与纯石英玻璃的相对折射率差为0.25％时制出的多孔光纤，在1625nm波段，绕10个弯曲半径为1mm的圈时，弯曲损耗在0.075dB，多孔光纤的偏振模色散系数为0.08ps/km1/2，在1550nm波段的衰减为0.197dB/km。
在上述技术方案中，采用MCVD工艺、开三个半圆形的槽、芯层的不圆度在1.0％、芯层与纯石英玻璃的相对折射率差为0.05％时制出的多孔光纤，在1625nm波段，绕10个弯曲半径为5mm的圈时，弯曲损耗在0.112dB，多孔光纤的偏振模色散系数为0.06ps/km1/2，在1550nm波段的衰减为0.201dB/km。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
(1)本发明通过在芯棒周围利用机械定位的方法，在圆周方向每隔一定等分角度开一个槽，然后在槽中塞入毛细管从而形成拉制而成的多孔光纤的微孔，采用简单易操作的方法，实现了多孔光纤制造过程中微孔的精确定位，从而可有效改善多孔型光纤的偏振模特性和弯曲损耗特性。
(2)本发明通过利用常规通信用光纤预制棒的方法制备芯棒，从而保证了芯棒的低损耗特性；由于毛细管是直接塞入芯棒周围所开的槽中，避免了其他固定方法所带来的杂质污染问题，从而保证了多孔型光纤预制棒成型过程中的洁净度控制；最后在外围套上一根套管，则当光纤预制棒在放入高温炉中拉制成光纤时，避免了高温炉内挥发物对毛细管污染。通过这三个手段保证了制备多孔型光纤预制棒的高洁净度控制问题，从而有效实现了拉制成的多孔型光纤的低损耗特性。
附图说明
图1是本发明实施例制备多孔光纤预制棒的流程图。
图2是本发明实施例中芯棒开槽的定位示意图。
图3是本发明实施例中塞入毛细管后成型的多孔光纤预制棒的结构示意图。
图中：1-芯层，2-弧形槽，3-石英包层，4-芯棒，5-毛细管，6-石英套管。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。
为了降低多孔光纤预制棒制备过程中杂质的引入、改善微孔精确定位，本发明实施例提供一种多孔光纤预制棒的制造方法，参见图1所示，该制造方法包括以下步骤：
S1、采用常规通信光纤制备方法制备出芯棒4，例如：PCVD(等离子化学气相沉积)法、MCVD(改进的化学气相沉积)法和VAD(轴向气相沉积)法。该芯棒4包含一个掺锗的石英芯层1和位于芯层1外围的纯硅的石英包层3，二者为同心圆。参见图2所示，石英芯层1的半径为r1，石英包层3的半径为r3。
S2、根据多孔型弯曲不敏感光纤的设计要求，在芯棒4外边沿等角度开一定数量的弧形槽2。例如，当需要数量为N(N为正整数)的微孔时，则沿芯棒4的石英包层3的外沿先定位N个点，相邻两点与石英包层3的圆心之间形成的夹角为360/N度，同时确定好合适的开槽圆半径r2，以各个点为圆心，在石英包层3的外沿开出N个半径为r2的弧形槽2。将开有弧形槽2的芯棒4用酸液浸泡去除杂质，并用去离子水清洗干净，然后在干净的烘箱内烘干。
S3、在开有弧形槽2的芯棒4外套上一根相对应尺寸的石英套管6，参见图3所示，石英套管6的内径比2r3+2r2之和大1mm，以便开槽后的芯棒4能塞入石英套管6中。
S4、在各个弧形槽2中塞入毛细管5形成所需的微孔，参见图3所示。毛细管5与石英套管6之间的间隙控制在1mm左右。石英套管6的外径R根据最终所需要的芯棒4的掺锗石英芯层1直径2r1和待制光纤的芯包比η来确定，计算公式为：待制光纤的芯包比η＝待制光纤的芯层直径/待制光纤的石英包层直径，石英套管外径R＝【(r2+r3+0.5)2+(r1/η)2】1/2。
制备出多孔光纤预制棒后，在多孔光纤预制棒的一端接上尾棒，在拉丝塔上拉制成符合要求的多孔型光纤。采用该工艺制备的弯曲不敏感微结构光纤，1550nm波长的衰减可达到0.20dB/km，光纤的PMD(偏振模色散)的典型值可达到0.08ps/km1/2。
下面通过3个具体实施例进行详细说明。
实施例1：VAD工艺、开六个弧形角度达到320度的弧形槽
采用VAD工艺制备出掺锗芯棒4，芯棒4的石英包层3的半径r3为15mm，其中掺锗的芯层1的半径r1为5mm，芯层1的不圆度在0.8％以内，掺锗芯层1与纯石英玻璃的相对折射率差为0.35％。参见图2所示，在掺锗芯棒4的外边沿，开六个弧形角度达到320度的弧形槽2，弧形槽2的半径r2为3mm，六个弧形槽2的圆心构成等边六角形的六个角，圆心距离芯层1的中心距离为12mm。将开有弧形槽2的芯棒4用酸液浸泡去除杂质，并用去离子水清洗干净，然后在干净的烘箱内烘干。
在开有弧形槽2的芯棒4外套上一根相对应尺寸的石英套管6，石英套管6的外径为120mm、内径为35mm，参见图3所示，将清洗干净的内径为2mm、外径为3mm的6根毛细管5，塞入6个弧形槽2中，制备出多孔光纤预制棒。
将制备出的多孔光纤预制棒放置到拉丝塔上，在2200℃左右的高温下，将其拉丝成外径为125微米、内涂层直径为192微米、外涂层直径为245微米的多孔光纤。该多孔光纤在1625nm波段，绕10个弯曲半径为3mm的圈时，弯曲损耗在0.1dB，同时光纤的偏振模色散系数只有0.05ps/km1/2，在1550nm波段的衰减为0.192dB/km，与常规通信单模光纤的衰减水平相当。
实施例2：PCVD工艺、开12个半圆形的槽
采用PCVD工艺制备出掺锗芯棒4，芯棒4的石英包层3的半径r3为12mm，其中掺锗的芯层1半径r1为2.5mm，芯层1的不圆度在1.2％以内，掺锗芯层1与纯石英玻璃的相对折射率差为0.25％。然后在掺锗芯棒4的外围，开12个半圆形的槽，槽的半径为0.8mm，12个半圆形槽的圆心构成等边12变形的12个角，圆心位于芯棒4的外沿，与芯棒4中心的距离为12mm。将开有半圆形槽的芯棒4用酸液浸泡去除杂质，并用去离子水清洗干净，然后在干净的烘箱内烘干。
在开有弧形槽2的芯棒4外套上一根相对应尺寸的石英套管6，石英套管6的外径为60mm、内径为26mm，将清洗干净的内径为0.7mm、外径为0.8mm的12根毛细管5，塞入12个半圆形的槽2中，制备出多孔光纤预制棒。
将制备出的多孔光纤预制放置到拉丝塔上，在2200℃左右的高温下，将其拉丝成外径为125微米、内涂层直径为192微米、外涂层直径为245微米的多孔形光纤。该多孔光纤在1625nm波段，绕10个弯曲半径为1mm的圈时，弯曲损耗在0.075dB，同时光纤的偏振模色散系数只有0.08ps/km1/2。在1550nm波段的衰减为0.197dB/km，与常规通信单模光纤的衰减水平相当。
实施例3：MCVD工艺、开三个半圆形的槽
采用MCVD工艺制备出掺锗芯棒4，芯棒4的石英包层3的半径r3为10mm，其中掺锗的芯层1半径r1为2.0mm，芯层1的不圆度在1.0％，掺锗芯层1与纯石英玻璃的相对折射率差为0.05％。然后在掺锗芯棒4的外围，开三个半圆形的槽，槽的半径为1mm，三个半圆形槽的圆心构成等边三角形的三个角，圆心位于芯棒4的外沿，与芯棒4中心的距离为10mm。将开有半圆形槽的芯棒4用酸液浸泡去除杂质，并用去离子水清洗干净，然后在干净的烘箱内烘干。
在开有弧形槽2的芯棒4外套上一根相对应尺寸的石英套管6，石英套管6的外径为45mm、内径为23mm，将清洗干净的内径为0.8mm、外径为1mm的三根毛细管5，塞入3个半圆形的槽2中，制备出多孔光纤预制棒。
将制备出的多孔光纤预制放置到拉丝塔上，在2200℃左右的高温下，将其拉丝成外径为125微米、内涂层直径为192微米、外涂层直径为245微米的多孔光纤。该多孔光纤在1625nm波段，绕10个弯曲半径为5mm的圈时，弯曲损耗在0.112dB，同时光纤的偏振模色散系数只有0.06ps/km1/2。在1550nm波段的衰减为0.201dB/km，与常规通信单模光纤的衰减水平相当。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明包含这些改动和变型在内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (12)

1.一种多孔光纤预制棒的制造方法，其特征在于包括以下步骤：
S1、采用常规通信光纤制备方法制备出芯棒(4)，芯棒(4)包括掺锗的石英芯层(1)和位于芯层(1)外围的纯硅石英包层(3)，二者为同心圆，掺锗的石英芯层(1)半径为r1，石英包层(3)半径为r3；
S2、根据多孔型弯曲不敏感光纤的设计要求，在芯棒(4)外边沿等角度开一定数量的弧形槽(2)，将有弧形槽(2)的芯棒(4)用酸液浸泡去除杂质，并用去离子水洗净，烘干；
S3、在开有弧形槽(2)的芯棒(4)外套上石英套管(6)；
S4、在各弧形槽(2)中塞入毛细管(5)，形成所需的微孔，制备出多孔光纤预制棒。
2.如权利要求1所述的多孔光纤预制棒的制造方法，其特征在于：步骤S1中所述常规通信用光纤预制棒制造方法包括PCVD法、MCVD法和VAD法。
3.如权利要求2所述的多孔光纤预制棒的制造方法，其特征在于：步骤S2包括以下步骤：当需要数量为N的微孔时，N为正整数，沿芯棒(4)的石英包层(3)的外沿定位N个点，相邻两点与石英包层(3)的圆心之间形成的夹角为360/N度，确定弧形槽(2)的半径r2，以各个点为圆心，在石英包层(3)的外沿开出N个半径为r2的弧形槽(2)。
4.如权利要求3所述的多孔光纤预制棒的制造方法，其特征在于：所述石英套管(6)的内径比2r3+2r2之和大1mm，以便开有弧形槽(2)的芯棒(4)塞入石英套管(6)中。
5.如权利要求4所述的多孔光纤预制棒的制造方法，其特征在于：所述石英套管(6)的外径R根据所需芯棒(4)的掺锗石英芯层(1)直径2r1和待制光纤的芯包比η来确定，计算公式为：待制光纤的芯包比η＝待制光纤的芯层直径/待制光纤的包层直径，石英套管外径R＝【(r2+r3+0.5)2+(r1/η)2】1/2。
6.如权利要求5所述的多孔光纤预制棒的制造方法，其特征在于：所述毛细管(5)与石英套管(6)的间隙为1mm。
7.如权利要求6所述的多孔光纤预制棒的制造方法，其特征在于：所述芯层(1)的不圆度在0.8％～1.2％，芯层(1)与纯石英玻璃的相对折射率差为0.05％～0.35％。
8.如权利要求2至7中任一项所述的多孔光纤预制棒的制造方法，其特征在于：步骤S4之后还包括以下步骤：将制备出的多孔光纤预制棒的一端接上尾棒，在拉丝塔上拉制成外径为125微米、内涂层直径为192微米、外涂层直径为245微米的多孔光纤。
9.如权利要求8所述的多孔光纤预制棒的制造方法，其特征在于：所述多孔光纤在1550nm波段的衰减为0.192～0.201dB/km，多孔光纤的偏振模色散的典型值为0.05～0.08ps/km1/2，多孔光纤在1625nm波段，绕10个弯曲半径为1～5mm的圈时，弯曲损耗在0.075～0.112dB。
10.如权利要求8所述的多孔光纤预制棒的制造方法，其特征在于：采用VAD工艺、开六个弧形角度为320度的弧形槽(2)、芯层(1)的不圆度在0.8％、芯层(1)与纯石英玻璃的相对折射率差为0.35％时制出的多孔光纤，在1625nm波段，绕10个弯曲半径为3mm的圈时，弯曲损耗在0.1dB，多孔光纤的偏振模色散系数为0.05ps/km1/2，在1550nm波段的衰减为0.192dB/km。
11.如权利要求8所述的多孔光纤预制棒的制造方法，其特征在于：采用PCVD工艺、开12个半圆形的槽、芯层(1)的不圆度在1.2％、芯层(1)与纯石英玻璃的相对折射率差为0.25％时制出的多孔光纤，在1625nm波段，绕10个弯曲半径为1mm的圈时，弯曲损耗在0.075dB，多孔光纤的偏振模色散系数为0.08ps/km1/2，在1550nm波段的衰减为0.197dB/km。
12.如权利要求8所述的多孔光纤预制棒的制造方法，其特征在于：采用MCVD工艺、开三个半圆形的槽、芯层(1)的不圆度在1.0％、芯层(1)与纯石英玻璃的相对折射率差为0.05％时制出的多孔光纤，在1625nm波段，绕10个弯曲半径为5mm的圈时，弯曲损耗在0.112dB，多孔光纤的偏振模色散系数为0.06ps/km1/2，在1550nm波段的衰减为0.201dB/km。
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