CN103553320B - 一种用于大尺寸光纤预制棒的石英套管及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于大尺寸光纤预制棒芯棒的石英套管及其制造方法，包括一直管状的纯石英衬管，其特征在于所述的纯石英衬管外径为34～63mm，壁厚大于或等于2mm，长度为1.0～2.0m，在纯石英衬管内腔沿管壁沉积有掺杂石英层，所述掺杂石英层的相对折射率差为‑1.5%～‑0.3%，沉积完后的石英套管的内径等于或大于24mm。本发明基于PCVD工艺，具有原料利用率高，折射率值控制精确的优点；所生产的套管不仅折射率参数分布均匀，而且工艺稳定、成品率高；可充分运用套管工艺制造大尺寸光纤预制棒，并能实现制造多光学包层折射率剖面的功能，因此在制造较复杂的大尺寸光纤预制棒时具有工艺简便、制造成本低的优点。

Description

一种用于大尺寸光纤预制棒的石英套管及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种可用于大尺寸光纤预制棒芯棒外包材料的石英套管及其制造方法，其具有折射率值可调节，且折射率值的参数分布均匀等优点。

背景技术

在光纤制造领域，所谓的套管是一种石英材质的空心管状材料。功能上，它可作为沉积掺杂二氧化硅或纯二氧化硅的基体，并具有增加光纤预制棒尺寸等作用。因此，套管可以理解为是一种具有特定几何尺寸的人造石英预制件。目前公知的光纤预制件的制造工艺，典型的有管内法气相沉积工艺，如改进化学气相沉积工艺（MCVD，modified chemicalvapor deposition）和等离子体激发化学气相沉积工艺（PCVD，plasma chemical vapordeposition），以及管外法气相沉积工艺，如外部气相沉积工艺（OVD，outside vapordeposition）和外部轴向沉积工艺（VAD，vapor axial deposition）。

美国专利US 5837334，描述了一种利用管外沉积工艺人工合成二氧化硅来制造石英套管的方法。该法采用VAD或OVD外部气相沉积工艺制造出大尺寸的疏松材质的石英母棒，在高温下玻璃化后，钻孔获得空心圆柱体，根据目标尺寸的需要，可选择拉伸工艺将空心圆柱体制成有特定尺寸要求的石英套管。该类工艺在沉积纯的二氧化硅材料时，具有沉积速率高的特点。但在制造具有一定氟掺杂剂的低折射率材料时，疏松的粉料在未完全玻璃化前，高温下掺杂剂会发生挥发或扩散，因此很难将掺杂二氧化硅材料的折射率控制在精确的范围，特别是在沉积诸如较大量氟掺杂剂以获取较低折射率值的套管时，有的甚至沿套管半径方向和轴向方向上表现出折射率值的大幅波动。

中国专利CN101314515A提出了一种光纤预制棒用石英套管的生产方法。该法利用等离子体热源将石英砂粉料均匀熔化后沉积形成石英毛砣，再通过机械加工对石英毛砣的内孔、外圆进行处理，最后在中频炉中采用无接触式拉管方式将石英砣拉制成一定几何尺寸的石英套管。该法原料为天然石英砂，因此所产套管的质量受石英砂原材料的杂质含量的影响。该法很难通过加入掺杂剂均匀调控衬管的折射率，所以利用该法所制衬管的折射率基本固定，如该专利所述，为1.45728。

传统的套管因用途有限，并不要求具备高的光学质量。但是随着光纤的发展，对一些特定折射率剖面结构的光纤，其套管的材料和工艺也需要随之进化，以满足光纤制造的高效低成本需要。除了发挥沉积二氧化硅层作为沉积基体或增加光纤预制棒外形尺寸的功能外，渐渐的，套管也开始参与组成有折射率变化的光纤光学包层的角色。但前提条件是，在套管的制造过程中，其折射率要具有可控性，能根据光纤产品的需求灵活变化，并且折射率参数的分布要达到一定的均匀性，以满足批量化的生产。

专利CN1203335C设计了一种低色散斜率非零色散位移光纤的折射率剖面，该设计形式上基于普通单模光纤折射率的剖面，在直径方向上向外增加了若干台阶式的纤芯分层，各层折射率不同，这种折射率剖面可以实现调节色散斜率、弯曲损耗、PMD值、有效面积等性能参数的功能。在专利要求的限制范围内，可以使光纤在维持良好的抗弯曲性能、较低PMD值的同时具有大有效面积和低色散斜率。但剖面结构复杂的特点也使得制造这种光纤的工艺难度大，制造成本高，并且很难实现预制棒尺寸的大型化。

在专利CN101598834中，描述了一种具有优异抗弯曲性能的单模光纤，从其折射率剖面来看，较普通阶越型单模光纤多了一层下陷包层。下陷包层为掺氟石英材料，其作用为提高光纤的抗弯曲性能。专利CN101281275提出了一种具有大有效面积的光纤，相对标准单模光纤而言，有效面积增大，必将导致光纤抗弯曲性能的恶化，所以，该专利亦通过增加一层下陷包层达到了改进光纤的抗弯曲性能的目的，并且下陷包层在光纤里的积分体积越大，抗弯曲性能的作用越好。

总而言之，与普通阶越型的标准单模光纤相比，类似折射率分层多的复杂结构光纤，或者芯层直径尺寸较大的光纤，其诸如下陷包层的部分无疑会带来芯棒直径的增加，在制造大尺寸预制棒时，便增加了大尺寸芯棒的制造难度，对制造设备提出了更高的挑战。另一方面，由于芯棒作为光纤预制棒的核心部分，其制造成本也是最高的，增大芯棒的尺寸总体上来说也不利于光纤制造成本的降低。作为增大预制棒尺寸的一种方法，套管工艺可通过套入间隙套管来实现预制棒的逐步增大。但现有的折射率固定的纯二氧化硅石英套管无法满足光纤折射率剖面里含有多光学包层结构的要求。

发明内容

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；

折射率剖面：光纤或光纤预制棒（包括芯棒、套管）玻璃折射率与其半径之间的关系；

RIC(Rod In Cylinder)工艺：将芯棒和套管经过处理，包括拉锥、延长、腐蚀、清洗和干燥后，将芯棒插入套管中所组成的大尺寸光纤预制棒的制造工艺；

OVD工艺：用外部气相沉积和烧结工艺制备所需厚度的石英玻璃；

VAD工艺：用轴向气相沉积和烧结工艺制备所需厚度的石英玻璃；

APVD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石英玻璃。

本发明所要解决的技术问题旨在针对以上现有技术存在的不足提出一种分布有可控折射率的石英套管及其制造方法，该套管可以应用于制造剖面结构复杂的大尺寸光纤预制棒。

本发明石英套管的技术方案为：

包括一直管状的纯石英衬管，其特征在于所述的纯石英衬管外径为34～63mm，壁厚大于或等于2mm，长度为1.0～2.0m，在纯石英衬管内腔沿管壁沉积有掺杂石英层，所述掺杂石英层的相对折射率差为-1.5%～-0.3%，沉积完后的石英套管的内径等于或大于24mm。

按上述方案，所述的掺杂石英层为掺氟石英层或氟锗共掺石英层，所述的掺杂石英层的相对折射率差为-1.0%～-0.3%。

按上述方案，所述的纯石英衬管的内径等于或大于30mm。

本发明石英套管制作方法的技术方案为：

取外径为34～63mm，壁厚大于或等于2mm，长度为1.0～2.0m的纯石英衬管，经两端延长、腐蚀、清洗后，进行PCVD加工；

所述的腐蚀、清洗是以AR级氢氟酸试剂浸泡腐蚀，以去掉衬管延长加工时带来的内外表面污染，腐蚀去除量以衬管外径减少量计为0.01～0.3mm,腐蚀后的衬管以纯去离子水冲洗内外表面，再以纯净氮气吹扫内外表面进行充分干燥；

所述的PCVD加工是将干燥处理后的纯石英衬管置于微波谐振腔保温炉内，保温炉内温度保持在800℃～1300℃，纯石英衬管穿过微波谐振腔，周期性地旋转，微波谐振腔沿衬管轴向从一端至另一端往复运动；同时混合气体从衬管的一端进入衬管内腔，衬管的另一端为气体排出端，气体排出端连接真空泵，控制衬管内压力在12～30mBar；上述过程持续反复进行，在纯石英衬管内腔沿管壁沉积成掺杂石英层，掺杂石英层的相对折射率差为-1.5%～-0.3%，直至沉积完毕。

按上述方案，所述的混合气体的种类和流量为：四氯化硅蒸气800～2500sccm，纯氧气2000～7000sccm，氟利昂10～200sccm。

按上述方案，所述的进入管内的反应原料气体和蒸气，对于标准状态下为气态的纯氧气和氟利昂，采用大量程的气体流量计控制；对于标准状态下为液态的四氯化硅,先辅助其加热使其产生适量的原料蒸气压，将蒸气导出再用气体流量计控制流量进行供料；通入衬管的原料气体的羟基含量要求小于或等于0.05ppm，优选的要求是小于或等于0.01ppm，更进一步优选的要求是小于或等于0.001ppm。

按上述方案，所述的混合气体中纯氧气与四氯化硅气体的摩尔比为2.5～4.0。

按上述方案，所述微波谐振腔相对纯石英衬管作轴向往复运动的移动速度为15～30m/min，微波谐振腔的高频功率设定为5～20kW，所述衬管内的沉积速率为2.0～4.5g/min。

按上述方案，所述的掺杂石英层为掺氟石英层或氟锗共掺石英层，所述的掺杂石英层的相对折射率差为-1.0%～-0.3%；所述的掺杂石英层沿轴向方向上的相对折射率差的容许波动范围为-0.1%～0.1%。

本发明根据需要获取的套管折射率沉积包层的厚度设定相应沉积时间，沉积结束后放置于专用管架上缓慢冷却至室温后，在锯床上锯掉两端延长管及沉积不均匀区域，即获得一定长度的具有可控折射率包层的光纤预制棒用石英套管。

本发明的石英套管可采用如下方式生产预制棒和光纤：

将制作好的光纤芯棒套入本发明的石英套管中进行组装，在电熔缩机床上将两者熔制成大尺寸的组合芯棒。

将所得大尺寸的组合芯棒利用RIC工艺，套入准备好的大尺寸石英外包层套管材料中获得大尺寸的预制棒，或利用OVD/VAD/APVD等外包沉积工艺获得大尺寸预制棒；将所得大尺寸预制棒直接拉丝，或将大尺寸的预制棒通过熔缩拉伸，减小预制棒外径尺寸后，再进行拉丝，以兼容不同生产能力的拉丝塔。工艺流程如图2所示。

或将所得大尺寸的组合芯棒进行延伸整形，使其成为直径小于原直径但长度增长的延伸光学芯棒，将该延伸光学芯棒通过RIC工艺，外加玻璃包层后获得大直径尺寸的光纤预制棒，用其拉丝则获得所需的光纤产品。此法工艺流程如图3所示。

本发明的有益效果在于：1、本发明基于PCVD工艺，具有原料利用率高，折射率值控制精确的优点；与管外法制造工艺相比，有效的防止了掺杂剂向外扩散和挥发，所生产的套管不仅折射率参数分布均匀，而且工艺稳定、成品率高；2、制造过程中可对套管沉积层的掺杂剂用量进行灵活调控，以实现对折射率的精准调节，套管部分折射率的可调性，可以拓宽光纤折射率剖面的设计范围，使光纤设计更具灵活性，从而满足一些特殊光纤折射率剖面的设计需求；3、可充分运用套管工艺制造大尺寸光纤预制棒，并能实现制造多光学包层折射率剖面的功能，因此在制造较复杂的大尺寸光纤预制棒时具有工艺简便、制造成本低的优点；4、本发明为“一步式”工艺，掺杂二氧化硅在沉积同时直接被玻璃化，因此沉积后不需要经过再次烧结；沉积层几何分布均匀，无需再次加工，避免了二次污染的风险。进一步保证了石英套管产品的折射率参数的稳定性，以获得较高的套管产品合格率。

附图说明

图1为本发明的石英套管的折射率剖面示意图。

图2为利用本发明所制造的套管生产预制棒与光纤的一种工艺流程示意图。图3为利用本发明所制造的套管生产预制棒与光纤的另一种可选的工艺流程示意图。

图4为本发明的一个实施例的光纤径向截面示意图。

图5为本发明的一个实施例的光纤折射率剖面示意图，图中实现部分为对应石英套管的折射率。

图6为本发明第二个实施例的光纤径向截面示意图。

图7为本发明的第二个实施例的光纤折射率剖面示意图，图中实现部分为对应石英套管的折射率。

图中：1为光纤的芯层，2为内包层，3为本发明套管中沉积的低折射率下陷包层，4为纯石英衬管，5为纯石英外包层。

图8~图12为本发明石英套管几种可能的折射率剖面示意图。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明进行详细描述。

实施例一

结合图3、4及图2所示的工艺流程图，叙述一种低折射率掺氟衬管的制备，及利用其制造弯曲不敏感单模光纤的实施例。

取外径为45mm，壁厚为5mm，长度为1.7m的纯石英衬管，将两端延长以匹配PCVD沉积设备两端夹具。腐蚀、清洗后，进行PCVD加工；

对加工好的衬管用AR级氢氟酸试剂浸泡进行腐蚀和清洗，以去掉衬管延长加工时带来的内外表面污染，腐蚀去除量以衬管外径减少量计为0.1mm,腐蚀后的衬管以纯去离子水冲洗内外表面，再以纯净氮气吹扫内外表面进行充分干燥；

将纯石英衬管置于微波谐振腔保温炉内，保温炉内温度保持在900℃～1100℃，纯石英衬管穿过微波谐振腔，周期性地旋转，微波谐振腔沿衬管轴向从一端至另一端往复运动，运动的移动速度为20m/min，微波谐振腔的高频功率设定为10kW。；

混合气体从衬管的一端进入管内，混合气体的种类和流量为：四氯化硅蒸气1200sccm，纯氧气3600sccm，氟利昂82sccm；混合气体中纯氧气与四氯化硅气体的摩尔比为3.0。衬管的另一端是气体排出端，气体排出端连接真空泵，控制衬管内压力在22mBar；衬管内的沉积速率控制在2.5g/min。

沉积结束后放置于专用管架上缓慢冷却至室温后，在锯床上锯掉两端延长管及微波谐振腔沉积不到的区域，即获得一定长度的具有可控折射率包层部分的光纤预制棒用成品石英套管。图1所示为典型的具有深掺氟低折射率石英套管的折射率剖面结构示意图。表1-1所列举的是本实施例套管成品的主要参数。

表1-1、石英套管成品的几何和光学参数

参数项目	数值
		成品套管外径 (mm)	45
成品套管内径 (mm)	26
		PCVD沉积部分厚度 (mm)	4.5
PCVD沉积部分相对折射率差(%)	-0.65±0.03
		成品套管有效长度 (mm)	﹥1300

选取与所制套管相匹配的弯曲不敏感单模光纤芯棒，将芯棒套入石英套管中进行组装后，在电熔缩床上将两者熔制成大尺寸的组合芯棒。将所得大尺寸的组合芯棒利用RIC工艺，或OVD/VAD/APVD等外包沉积工艺获得大尺的弯曲不敏感单模光纤的预制棒，而后在拉丝塔进行拉丝。

该法所制光纤的横截面机构图及折射率剖面示意图如图4、图5所示。所制光纤的主要性能参数能够满足ITU-T G.657.A2的标准，具有弯曲不敏感光纤的优点。

实施例二

结合图5、6及图3所示的工艺流程图，叙述一种低折射率掺氟套管的制备，及利用其制造具有较好弯曲性能的大有效面积单模光纤的实施例。

取外径为60mm，壁厚为5.5mm，长度为1.7m的纯石英衬管，将两端延长以匹配PCVD沉积设备两端夹具；腐蚀、清洗后，进行PCVD加工；

对加工好的衬管用AR级氢氟酸试剂浸泡进行腐蚀和清洗，以去掉衬管延长加工时带来的内外表面污染，腐蚀去除量以衬管外径减少量计为0.1mm,腐蚀后的衬管以纯去离子水冲洗内外表面，再以纯净氮气吹扫内外表面进行充分干燥；

将纯石英衬管置于微波谐振腔保温炉内，保温炉内温度保持在1000℃～1200℃，纯石英衬管穿过微波谐振腔，周期性地旋转，微波谐振腔沿衬管轴向从一端至另一端往复运动，运动的移动速度为18m/min，微波谐振腔的高频功率设定为15kW。；

混合气体从衬管的一端进入管内，混合气体的种类和流量为：四氯化硅蒸气1600sccm，高纯氧气5120sccm，氟利昂118sccm；混合气体中纯氧气与四氯化硅气体的摩尔比为3.2。衬管的另一端是气体排出端，气体排出端连接真空泵，控制衬管内压力在27mBar；衬管内的沉积速率控制在3.0g/min。

沉积结束后放置于专用管架上缓慢冷却至室温后，在锯床上锯掉两端延长管及微波谐振腔沉积不到的区域，即获得一定长度的具有可控折射率包层部分的光纤预制棒用成品石英套管。图1所示为典型的具有深掺氟低折射率石英套管的折射率剖面结构示意图。表2-1所列举的本实施例的套管成品的主要参数。

表2-1、石英套管成品的几何和光学参数

参数项目	数值
		成品套管外径 (mm)	60
成品套管内径 (mm)	36
		PCVD沉积部分厚度 (mm)	6.5
PCVD沉积部分相对折射率差(%)	-0.75±0.04
		成品套管有效长度 (mm)	﹥1300

选取与所制套管相匹配的大有效面积单模光纤芯棒，将芯棒套入石英套管中进行组装后，在电熔缩床上将两者熔制成大尺寸的组合芯棒。将所得大尺寸的组合芯棒进行延伸整形，使其成外径由60mm变化为40mm。再将拉伸后得到的芯棒利用RIC工艺，套入外径150mm，内径44mm的大尺寸石英外包层材料中，而后上拉丝塔进行拉丝。

该法所制光纤的横截面机构图及折射率剖面示意图如图6、图7所示。

该法所制光纤的参数特点显示深掺氟低折射率的下陷包层材料的应用有效防止了光纤弯曲性能的恶化，所制备的光纤在获得较大的有效面积的同时也兼具弯曲不敏感光纤的优点，所制光纤的各参数能够满足ITU-T G.654.B的标准。

从以上提供的实施例可以看出，利用本发明提供的具有折射率可控的光纤预制棒用石英套管，结合RIC套管工艺，或OVD/VAD/APVD外包沉积工艺，可以制造大尺寸的具有多光学包层的复杂折射率剖面光纤，并具有光纤折射率剖面参数可精确调节、工艺步骤相对简单、成本较低的优点。本领域的技术人员可以理解，在不偏离本发明的范围的情况下，可以对这里所述的实施例进行多种变化和替换。对于套管的折射率剖面可以通过掺杂材料的种类、配比和增减沉积时间来控制，以实现不同的分布形状，如图8至图12列举了本发明所述掺杂套管的几种可能的变形。不同的形状可以用来匹配不同类型的光纤的芯棒，以实现不同光学性能的需求。因此，基于本发明公开内容，除了上述实施例的折射率分布或性能外，还可以使用本发明的构思和原理实现其它的折射率分布的设计。

Claims (5)

1.一种用于大尺寸光纤预制棒的石英套管制造方法，其特征在于取外径为34～63mm，壁厚大于或等于2mm，长度为1.0～2.0m的纯石英衬管，经两端延长、腐蚀、清洗后，进行PCVD加工；

所述的腐蚀、清洗是以AR级氢氟酸试剂浸泡腐蚀，以去掉衬管延长加工时带来的内外表面污染，腐蚀去除量以衬管外径减少量计为0.01～0.3mm,腐蚀后的衬管以纯去离子水冲洗内外表面，再以纯净氮气吹扫内外表面进行充分干燥；

所述的PCVD加工是将干燥处理后的纯石英衬管置于微波谐振腔保温炉内，保温炉内温度保持在800℃～1300℃，纯石英衬管穿过微波谐振腔，周期性地旋转，微波谐振腔沿衬管轴向从一端至另一端往复运动；同时混合气体从衬管的一端进入衬管内腔，衬管的另一端为气体排出端，气体排出端连接真空泵，控制衬管内压力在12～30mBar；上述过程持续反复进行，在纯石英衬管内腔沿管壁沉积成掺杂石英层，直至沉积完毕；所述的混合气体的种类和流量为：四氯化硅蒸气800～2500sccm，纯氧气2000～7000sccm，氟利昂10～200sccm；所述的掺杂石英层为掺氟石英层或氟锗共掺石英层，所述的掺杂石英层的相对折射率差为-1.0%～-0.3%，所述的掺杂石英层沿轴向方向上的相对折射率差的容许波动范围为-0.1%～0.1%。

2.按权利要求1所述的用于大尺寸光纤预制棒的石英套管制造方法，其特征在于所述的进入管内的反应原料气体和蒸气，对于标准状态下为气态的纯氧气和氟利昂，采用大量程的气体流量计控制；对于标准状态下为液态的四氯化硅,先辅助其加热使其产生适量的原料蒸气压，将蒸气导出再用气体流量计控制流量进行供料；通入衬管的原料气体的羟基含量要求小于或等于0.05ppm。

3.按权利要求1所述的用于大尺寸光纤预制棒的石英套管制造方法，其特征在于所述的混合气体中纯氧气与四氯化硅气体的摩尔比为2.5～4.0。

4.按权利要求1所述的用于大尺寸光纤预制棒的石英套管制造方法，其特征在于所述微波谐振腔相对纯石英衬管作轴向往复运动的移动速度为15～30m/min，微波谐振腔的高频功率设定为5～20kW，所述衬管内的沉积速率为2.0～4.5g/min。

5.一种用于大尺寸光纤预制棒的石英套管，其特征在于所述的石英套管采用权利要求1-4中的任一种制造方法制造而成，沉积完后的石英套管的内径等于或大于24mm。