CN102730961A - 一种制造大尺寸弯曲不敏感光纤预制棒的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种制造大尺寸弯曲不敏感光纤预制棒的装置及方法，该装置包括沉积设备和烧结设备，制备的光纤预制棒包括芯层、芯层内包层、芯层外包层、内包层、纯二氧化硅包层。采用本发明的制造装置和方法，设备工艺简单合理，制备成本和风险降到最低，适合规模化生产。

Description

一种制造大尺寸弯曲不敏感光纤预制棒的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种制造大尺寸弯曲不敏感光纤预制棒的装置及方法。

背景技术

随着互联网以及移动互联网的进一步普及，视频以及其他高带宽应用对包括无线宽带在内的宽带网络发展都具有巨大的促进作用，市场对宽带网络的需求持续增长。在光纤骨干网建设基本就绪的背景下，为满足宽带市场以及3G建设的需求，近几年，运营商都把光纤网络建设的重点放在光纤城域网和光纤接入网上。运营商也纷纷推出自己的宽带发展战略，大力推进FTTx的建设，这一方面带动了我国光纤光缆需求的持续增长，另一方面也对光纤光缆性能提出了更高的要求，市场对适合城域网和接入网发展的新型光纤的需求呈不断增长态势。

弯曲不敏感光纤光缆要求具有与普通G.652光纤不同的传输特性，特别要求光纤在极小的弯曲半径下，产生的附加损耗很小的性能。市场调查机构 Heavy Reading日前发表的题为“FTTH在全世界的技术和市场发展”的报告预计，到2012年全球5%的家庭将实现FTTH， FTTH用户总数有望从2000万增至9000万。

对于单模光纤，模场直径和截止波长对光纤的宏弯损耗起主要作用，可用MAC值来衡量光纤的弯曲性能，其中：MAC定义为模场直径与截止波长的比值。MAC越小，则光纤的弯曲不敏感性能越好。显然，降低模场直径、增大截止波长能达到降低MAC的目的，所以需要在模场直径和截止波长两个参数上做出平衡，以满足实际使用需要。研究表明，采用双包层下陷型的波导结构设计（图1）在降低光纤截止波长的同时可提高光纤的弯曲不敏感性能，而且光学部分可维持G.652光纤的设计，因而为当前G.657光纤的较优波导结构设计。

国内发明专利ZL200410061392.9公开了一种弯曲不敏感光纤及其制备方法，采用PCVD工艺制备光纤预制棒，但其工艺要求需分别制造五个包层，因此折射率剖面难以控制，而且在熔缩过程中需通入大气臭氧层的破坏元凶氟利昂气体，目前已被禁止生产和使用，同时采用PCVD工艺制备的光纤预制棒尺寸较小，拉丝效率较低。国内发明专利ZL200910062855.6公开了一种单模光纤及其制造方法，只是提到了一种弯曲不敏感光纤的设计方法，而没有具体提及光纤预制棒的制造方法，其制棒工艺要求较高，实际生产过程中难以实施。

发明内容

本发明提供了一种制造大尺寸弯曲不敏感光纤预制棒的装置，该装置包括沉积设备、烧结设备，沉积设备包括芯层喷灯、芯层内包层喷灯、芯层外包层喷灯，用于将初始靶棒沉积为芯棒松散体，其中芯棒松散体包括芯层、芯层内包层、芯层外包层；烧结设备包括加热炉、进气口和排气口，用于将芯棒松散体烧结为具有内包层的玻璃芯棒；对上述制备的玻璃芯棒沉积外包层，再通过脱水烧结成透明的光纤预制棒，或者将上述制备的玻璃芯棒插入纯石英套管中组装好光纤预制棒。

进一步，所述的芯层通过掺锗控制其相对折射率差Δ₁在0.41%~0.50%之间；所述芯层内包层在沉积过程中通过掺锗控制其相对折射率差Δ₂在0.25%~0.35%之间；所述的芯层外包层是在沉积过程中通过掺氟控制其相对折射率差Δ3在-0.05%~-0.20%之间；所述的内包层是在脱水烧结过程中掺氟控制其相对折射率差Δ4在-0.02%~-0.07%之间；所述的外包层是纯SiO2玻璃。

进一步，所述芯层喷灯将生成的SiO₂和GeO₂微粒由火焰送至初始靶棒的端面附近，最终沉积在初始靶棒端面上，由此形成芯棒松散体的芯层。

进一步，所述芯棒松散体中的芯层内包层也是芯层内包层喷灯将生成的SiO₂和GeO₂微粒由火焰送至芯层端面附近，最终沉积在芯层端面上形成的一层掺锗的SiO₂疏松体。

进一步，所述芯棒松散体中的芯层外包层是芯层外包层喷灯通过掺杂CF₄的SiCl₄将生成掺氟的SiO₂微粒沉积在芯层内包层表面上而形成的疏松体。

进一步，在沉积设备中，初始靶棒由伺服电机缓慢提升并匀速转动，提升速率与沉积速率相对应，伺服电机的转速为25转/分钟，提速为0.85毫米/分钟。

本发明还提供了一种制造大尺寸弯曲不敏感光纤预制棒的方法，该方法包括：步骤（1）芯层喷灯（6）将生成的SiO₂和GeO₂微粒由火焰送至初始靶棒的端面附近，最终沉积在初始靶棒端面上，由此形成芯棒松散体的芯层，芯层相对折射率差Δ₁在0.41%~0.50%之间；步骤（2）芯层内包层喷灯（7）将生成的SiO₂和GeO₂微粒由火焰送至芯层端面附近，最终沉积在芯层端面上形成的一层掺锗的SiO₂疏松体，形成芯层内包层，芯层内包层相对折射率差Δ₂在0.25%~0.35%之间；步骤（3）芯层外包层喷灯（8）通过掺杂CF₄的SiCl₄将生成掺氟的SiO₂微粒沉积在芯层内包层表面上而形成的疏松体，从而形成芯层外包层，芯层外包层相对折射率差Δ3在-0.05%~-0.20%之间；步骤（4）将上述形成的芯棒松散体，放在烧结炉内进行脱水烧结，形成内包层，控制其相对折射率差在-0.02%~-0.07%之间；步骤（5）对形成了内包层的玻璃芯棒沉积外包层，再通过脱水烧结成透明的光纤预制棒。

进一步，在本发明方法中还可以通过RIC方法将上述制备的玻璃芯棒插入纯SiO₂套管中组装好光纤预制棒。

进一步，在步骤（4）脱水烧结中，烧结设备的进气口分别通入氯气、四氟化碳和氦气的混合气体，氯气流量控制在0.2~2.0 l/mim，四氟化碳流量控制在100~1000 ml/min，氦气流量控制在10~40 l/min，脱水温度控制在1000~1350℃，大约脱水2~6 h。

进一步，初始靶棒由伺服电机缓慢提升并匀速转动，提升速率与沉积速率相对应，伺服电机的转速为25转/分钟，提速为0.85毫米/分钟。

采用该发明方法制备的光纤预制棒，采用沉积、烧结分步降低折射率的工艺，完成了双包层下陷型折射率剖面的设计。其制造设备、生产工艺简单合理，制备成本和风险降到最低，所生产的光纤，参数完全符合ITU-T G.657标准，兼具优异的弯曲不敏感、以及低水峰吸收损耗的特性，且与常规光纤熔接时具有低的熔接损耗以及可靠的机械性能。

附图说明

图1为本发明的双包层下陷型的光纤预制棒结构设计图，其中，1为芯层，2为芯层内包层，3为芯层外包层，4为内包层，5为纯SiO₂外包层。

图2为本发明的沉积设备图，其中，6为芯层喷灯，7为芯层内包层喷灯，8为芯层外包层喷灯，9为芯棒松散体。

图3为本发明的烧结设备图，其中，10为炉芯管，11为加热炉，12为玻璃芯棒，13为进气口，14为排气口。

具体实施方式

以下结合说明书附图及实施例对本发明做进一步说明。

本发明的目的是提供一种制造大尺寸弯曲不敏感光纤预制棒的装置及方法。

本发明提供了一种新型的大尺寸弯曲不敏感光纤预制棒的制备方法，采用双下陷外包层设计，其制备工艺简单，材料组成和结构设计合理，在保证优异的弯曲不敏感性能的同时，同时具有很高的机械可靠性，提高了光纤的弯曲不敏感性能及其使用寿命。

为方便介绍本发明内容，定义部分术语：

光纤预制棒：制备光纤的母材，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设计光纤的玻璃棒或组合体。

芯棒松散体：含有芯层或者部分包层的玻璃体。

折射率剖面：光纤或者光纤预制棒玻璃折射率与其半径之间的关系。

相对折射率差：                                                

，其中n_i和n_o分别对应光纤或者光纤预制棒各部分（各部分指的是组成预制棒的各层，芯层、芯层内包层、芯层外包层、内包层）与纯二氧化硅（即外包层）的玻璃折射率。例如在计算芯层的相对折射率差时公式中的n_i即为芯层的玻璃折射率，n_o即为外包层的玻璃折射率。

套管：具有一定几何和内外径要求的圆柱形纯石英玻璃管。

VAD（Vapor Phase Axial Deposition）松散体沉积工艺：采用气相轴向沉积法，制备出所设计的具有芯层和部分包层的玻璃松散体（玻璃松散体是玻璃芯棒的前身，也可称作芯棒松散体，它通过烧结后就会变成透明的玻璃芯棒）。

RIC（Rod In Cylinder）工艺：将玻璃芯棒插入套管中组成的大尺寸光纤预制棒的制造工艺。

OVD（Outside Vapor Deposition）外包层沉积工艺：用外部气相沉积法和烧结工艺在芯棒表面制备具有一定厚度的纯二氧化硅玻璃松散体（即外包层）。

烧结：对采用上述VAD沉积的松散体或者采用OVD外包法沉积的外包层进行高温加热烧实的过程。

调节折射率的方法：通常掺杂GeO₂及P₂O₅有助于折射率的增加，掺杂氟及硼可降低折射率，这类物质在SiO₂玻璃中与SiO₂形成固相溶液，从而改变SiO₂的折射率。

本发明光纤预制棒的制备方案为：                                                                                 

光纤预制棒组成依次由芯层、芯层内包层、芯层外包层、内包层、纯二氧化硅包层组成，所述的芯层通过掺锗（Ge）控制其相对折射率差Δ₁在0.41%~0.50%之间。所述芯层内包层在沉积过程中通过掺锗（Ge）控制其相对折射率差Δ₂在0.25%~0.35%之间。所述的芯层外包层是在沉积过程中通过掺氟（F）控制其相对折射率差Δ3在-0.05%~-0.20%之间。所述的内包层是在脱水烧结过程中掺氟控制其相对折射率差Δ4在-0.02%~-0.07%之间。所述的外包层是纯SiO₂玻璃。

采用VAD（气相轴向沉积法）法来制造光纤预制棒，对应于芯棒松散体的沉积是在一个单独的工序中产生的，在沉积芯棒松散体时喷灯喷出的原料气体随即发生火焰水解反应，反应方程式如下：

SiCl₄ + 2H₂ + O₂ → SiO₂ + 4HCl           ——1

GeCl₄ + 2H₂ + O₂ → GeO₂ + 4HCl          ——2

上述喷灯可选择石英玻璃、陶瓷或者金属材料制成的，外形为方形、椭圆形或者圆形的多孔或者多层材料构成。喷灯数量为3个，喷灯上的多孔或者多层通道包括可燃气体流道、助燃气体流道，原料气体流道、掺杂气体流道，且各喷灯对应的气体流道均指向芯棒轴线上的同一点。

1、芯层1、芯层内包层2和芯层外包层3的形成过程（即制备芯棒松散体的过程）

芯棒松散体中的芯层是沉积设备中的芯层喷灯6通过上述反应1和2，生成的SiO₂和GeO₂微粒由火焰送至初始靶棒的端面附近，最终沉积在初始靶棒端面上，由此形成芯棒松散体的芯层1。所述芯棒松散体中的芯层内包层2也是沉积设备中的芯层内包层喷灯7经过上述反应1和2，生成的SiO₂和GeO₂微粒由火焰送至芯层端面附近，最终沉积在芯层端面上形成的一层掺锗（Ge）的SiO₂疏松体，两者的区别是GeO₂掺杂气体流速不同，后者小于前者。所述芯棒松散体中的芯层外包层3是沉积设备中的芯层外包层喷灯8通过掺杂CF₄的SiCl₄发生反应1生成掺氟（F）的SiO₂微粒沉积在芯层内包层表面上而形成的疏松体。通过合理选择喷灯的结构、喷灯间的距离和沉积温度及流量，控制芯层的相对折射率差控制在0.41%~0.50%之间，芯层内包层的相对折射率差控制在0.25%~0.35%之间，芯层外包层的相对折射率差控制在-0.05%~-0.20%之间。气体流量均为常规设定，在此不做描述。初始靶棒由伺服电机缓慢提升并匀速转动，提升速率与沉积速率相对应，合理控制气体流量，可得到不同尺寸和不同折射率分布曲线的芯棒松散体。

2、内包层的形成过程（即制备玻璃芯棒的过程）

将上述形成的芯棒松散体，放在烧结设备内进行脱水烧结，该烧结设备设有进气口13和排气口14（如图3），进气口13分别通入氯气、四氟化碳和氦气的混合气体，他们分别通过高精度质量流量控制器（MFC）调节流量，氯气流量控制在0.2~2.0 l/mim，四氟化碳流量控制在100~1000 ml/min，氦气流量控制在10~40 l/min，脱水温度控制在1000~1350℃，大约脱水2~6 h，此间断通入的四氟化碳进一步替代二氧化硅中的硅氧键（-Si-O-）、硅氯键（-Si-Cl），降低折射率，控制其相对折射率差在-0.02%~-0.07%之间，形成内包层。然后升温到1400~1600℃，进行玻璃化，让疏松的SiO₂颗粒在高温下熔融，排除内部气体，这样芯棒松散体就变成了透明的玻璃芯棒。

3、预制棒形成过程

将上述制备的双下陷玻璃芯棒采用OVD或者VAD沉积外包层，再通过脱水烧结成透明的光纤预制棒。亦可以通过RIC工艺，将上述制备的玻璃芯棒插入纯SiO₂套管中（若玻璃芯棒直径与套管内径偏差较大可以插入薄皮管起辅助作用）组装好光纤预制棒直接进行熔缩或者拉丝。

本发明的有益效果：                                        

采用该发明方法制备的光纤预制棒，采用沉积、烧结分步降低折射率的工艺，完成了双包层下陷型折射率剖面的设计。其制造设备、生产工艺简单合理，制备成本和风险降到最低，所生产的光纤，参数完全符合ITU-T G.657标准，兼具优异的弯曲不敏感、以及低水峰吸收损耗的特性，且与常规光纤熔接时具有低的熔接损耗以及可靠的机械性能。

采取本发明装置和方法，分别制备了10根大尺寸弯曲不敏感光纤预制棒。如图2所示，采用改进的VAD工艺制备芯棒松散体，芯层喷灯6和包层喷灯7分别通过上述反应1和2，生成的SiO₂和GeO₂微粒由火焰送至初始靶棒的端面附近，最终沉积在初始靶棒端面上，由此形成芯棒松散体的芯层和芯层内包层，控制其相对折射率差在0.41%~0.50%和0.25%~0.35%之间。所述芯棒中的芯层外包层3是芯层外包层喷灯8通过掺杂CF₄的SiCl₄发生反应1生成掺氟（F）的SiO₂微粒沉积在芯层内包层表面上而形成的疏松体，相对折射率差控制在-0.05%~-0.20%之间。气体流量均为常规设定，在此不做描述。初始靶棒由伺服电机缓慢提升并匀速转动，提升速率与沉积速率相对应，伺服电机的转速为25转/分钟，提速为0.85毫米/分钟。

将上述10根芯棒松散体9分别放入如图3所示的烧结设备内进行脱水烧结，进气口13分别通入氯气、四氟化碳和氦气的混合气体，他们分别通过高精度质量流量控制器（MFC）调节流量，氯气流量控制在0.2~2.0 l/mim，四氟化碳流量控制在0.3~0.5 l/min，氦气流量控制在10~40 l/min，脱水温度控制在1100~1350℃，大约脱水2~5 h，然后升温到1400~1600℃，进行玻璃化，让疏松的SiO₂颗粒在高温下熔融，控制其相对折射率差在-0.02%~-0.07%之间，形成内包层，排除内部气体，这样芯棒松散体就变成了透明的玻璃芯棒，再经过延伸设备延伸至目标玻璃芯棒后，得到了折射率剖面为双包层下陷型的玻璃芯棒。

同时选取合适的以OVD（Outside Vapor Deposition 外汽相沉积法）工艺制造的石英套管（控制外径为184mm内径为55mm），将玻璃芯棒插入套管中（若玻璃芯棒直径与套管内径偏差较大可以插入石英薄皮管起辅助作用）组装成RIC棒，在拉伸塔上熔缩到一起，同时拉伸形成外径为150mm的大尺寸光纤预制棒，用氢氟酸（HF）对其表面进行腐蚀，得到透明的光纤预制棒。然后将这10根光纤预制棒采用单模光纤生产用涂料，拉丝速度为1500米/分钟，裸光纤直径控制在125±0.8μm直接拉丝。制备的光纤预制棒所拉光纤参数如表1所示。

表1——光纤参数

结果表明，采用本发明的技术方案，性能参数完全符合ITU-T G.657光纤的标准，且与G.652D有很好的兼容性。经实验证明，采用本发明的制造方法，设备工艺简单合理，制备成本和风险降到最低，适合规模化生产。

以上所述，仅是本发明典型实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施所做的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明的技术方案范围内。

Claims (10)

1.一种制造大尺寸弯曲不敏感光纤预制棒的装置，该装置包括沉积设备、烧结设备，其特征在于：

沉积设备包括芯层喷灯（6）、芯层内包层喷灯（7）、芯层外包层喷灯（8），沉积设备用于将初始靶棒沉积为芯棒松散体，其中芯棒松散体包括有芯层、芯层内包层、芯层外包层；

烧结设备包括加热炉（11）、进气口（13）和排气口（14），烧结设备用于将芯棒松散体烧结为具有内包层的玻璃芯棒；

对上述制备的玻璃芯棒沉积外包层，再通过脱水烧结成透明的光纤预制棒，或者将上述制备的玻璃芯棒插入纯石英套管中组装好光纤预制棒。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：

所述的芯层通过掺锗控制其相对折射率差Δ₁在0.41%~0.50%之间；

所述芯层内包层在沉积过程中通过掺锗控制其相对折射率差Δ₂在0.25%~0.35%之间；

所述的芯层外包层是在沉积过程中通过掺氟控制其相对折射率差Δ3在-0.05%~-0.20%之间；

所述的内包层是在脱水烧结过程中掺氟控制其相对折射率差Δ4在-0.02%~-0.07%之间；所述的外包层是纯SiO2玻璃。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：

芯层喷灯（6）将生成的SiO₂和GeO₂微粒由火焰送至初始靶棒的端面附近，最终沉积在初始靶棒端面上，由此形成芯棒松散体的芯层。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：

所述芯棒松散体中的芯层内包层也是芯层内包层喷灯（7）将生成的SiO₂和GeO₂微粒由火焰送至芯层端面附近，最终沉积在芯层端面上形成的一层掺锗的SiO₂疏松体。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：

所述芯棒松散体中的芯层外包层是芯层外包层喷灯（8）通过掺杂CF₄的SiCl₄将生成掺氟的SiO₂微粒沉积在芯层内包层表面上而形成的疏松体。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：在沉积设备中，初始靶棒由伺服电机缓慢提升并匀速转动，提升速率与沉积速率相对应，伺服电机的转速为25转/分钟，提速为0.85毫米/分钟。

7.一种制造大尺寸弯曲不敏感光纤预制棒的方法，其特征在于该方法包括：

步骤（1）芯层喷灯（6）将生成的SiO₂和GeO₂微粒由火焰送至初始靶棒的端面附近，最终沉积在初始靶棒端面上，由此形成芯棒松散体的芯层，芯层相对折射率差Δ₁在0.41%~0.50%之间；

步骤（2）芯层内包层喷灯（7）将生成的SiO₂和GeO₂微粒由火焰送至芯层端面附近，最终沉积在芯层端面上形成的一层掺锗的SiO₂疏松体，形成芯层内包层，芯层内包层相对折射率差Δ₂在0.25%~0.35%之间；

步骤（3）芯层外包层喷灯（8）通过掺杂CF₄的SiCl₄将生成掺氟的SiO₂微粒沉积在芯层内包层表面上而形成的疏松体，从而形成芯层外包层，芯层外包层相对折射率差Δ3在-0.05%~-0.20%之间；

步骤（4）将上述形成的芯棒松散体，放在烧结炉内进行脱水烧结，形成内包层，控制其相对折射率差在-0.02%~-0.07%之间；

步骤（5）对形成了内包层的玻璃芯棒沉积外包层，再通过脱水烧结成透明的光纤预制棒。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：

还可以通过RIC方法将上述制备的玻璃芯棒插入纯SiO₂套管中组装好光纤预制棒。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：

在步骤（4）脱水烧结中，烧结设备的进气口分别通入氯气、四氟化碳和氦气的混合气体，氯气流量控制在0.2~2.0 l/mim，四氟化碳流量控制在100~1000 ml/min，氦气流量控制在10~40 l/min，脱水温度控制在1000~1350℃，大约脱水2~6 h。

10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：初始靶棒由伺服电机缓慢提升并匀速转动，提升速率与沉积速率相对应，伺服电机的转速为25转/分钟，提速为0.85毫米/分钟。

Images