CN104291676B - 一种大尺寸弯曲不敏感多模光纤预制棒的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种大尺寸弯曲不敏感多模光纤预制棒的制造方法，首先使用纯石英玻璃衬管作为芯棒基底管，使用PCVD或MCVD工艺进行掺杂沉积，形成Ge/F共掺的芯层、Ge/F共掺或掺F的第一内包层、及纯二氧化硅第二内包层的沉积衬管；经沉积、熔缩制成实心芯棒；然后再使用纯石英玻璃衬管作为套管基底管，沉积掺氟的下陷包层；沉积后成为外层为纯二氧化硅玻璃层，内层为F掺杂玻璃层的掺杂套管；最后将实心芯棒套入掺杂套管，制成用于RIT工艺的光纤预制棒，或者将实心芯棒与掺杂套管组装后再次加温熔缩成实心的光纤预制棒。本发明不仅外径尺寸大，制作效率高，可用于制造弯曲附加损耗小，DMD性能优异的弯曲不敏感多模光纤；还具有工艺简单灵活，制造成本低的特点，适合大规模生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种大尺寸弯曲不敏感多模光纤预制棒的制造方法，属于光纤通信领域。
背景技术
随着科学技术的不断发展，中国已经进入了光纤宽带和多业务融合的信息高速发展时代。融合后的电信网、广电网和互联网可以承载多种信息化业务，为用户提供打电话、上网和看电视等多种服务。这必将对运营商和企业数据中心机房的网络基础设施的高带宽和灵活性提出了更高的要求，以便能够支持高性能连接，存储区域网络(SAN)、网络附加存储(NAS)和高性能计算（比如云计算）等应用。因此，未来几年，数据中心将逐步成为40G乃至100G以太网的天下。尤其是近年来云计算和物联网等概念的提出，以及VCSEL激光器在多模光纤通信网络的应用，在数据中心和中心机房中多模光纤提出更多苛刻的要求，其中光纤带宽的要求以及光纤的抗弯曲特性是最重要的两项参数。
2010年6月17日，IEEE802.3ba标准，即40/100G以太网标准获批，该标准支持40Gb/s和100Gb/s速率下150米多模光纤传输和40公里单模光纤传输。该标准的正式发布，必将加速40G和100G以太网的建设步伐。
OM3和OM4光纤为50μm芯径渐变折射率多模光纤，数值孔径为0.200±0.015。OM3和OM4光纤的最小有效模式带宽EMB（EffectiveModeBandwidth）分别为2000MHz.km和4700MHz.km。OM3/OM4多模光纤在10Gb/s，40Gb/s和100Gb/s系统中的传输距离如下表所示。可以看出，在中短距离的高速网络中，多模光纤能够很好的胜任。
相对于常规的OM3/OM4多模光纤，弯曲不敏感OM3/OM4光纤因为其不仅具有高带宽的特性，更有更加优异的抗弯曲性能，在数据中心以及中心机房等特殊布置条件更能发挥其自身优势，所以逐步成为各个光纤光缆制造企业的研发重点，并有取代常规OM3和OM4光纤的趋势。
对于弯曲不敏感多模光纤，由于其技术门槛高，制备工艺复杂，造成其销售价格是普通单模光纤的10-20倍，限制了其进一步的快速发展，所以如何发明创造一种低成本的预制棒生产工艺，成为主要光纤生产制造企业的一个重要挑战。
目前主流的弯曲不敏感多模光纤的结构如图1所示，相对于普通的阶跃型单模光纤，弯曲不敏感多模光纤的制造工艺更加复杂，目前主流的弯曲不敏感多模光纤包含以下几部分：
首先是由特定比例Ge/F共掺玻璃构成的芯层部分，这部分结构的折射率剖面必须进行精确控制，按照设计要求芯层呈现alpha抛物线形状，不同的设计对于芯层的alpha值有不同的要求，但原则上剖面越光滑，对多模光纤的DMD和带宽性能越有益。相对于传统的VAD以及OVD工艺，往复多层沉积的管内法PCVD和MCVD工艺在剖面控制上的优势比较明显。
其次是由纯氟掺杂玻璃构成的下陷包层结构；其宽度和深度直接决定着光纤的弯曲性能；原则上其越宽，越深，则光纤的弯曲性能越好。对于VAD和OVD工艺来说，由于其自身工艺的特点，当F掺杂量小于-0.4%以上，其很难保证层F掺杂剖面结构的稳定性，出现氟掺杂浓度漂移，导致折射率变化或下陷包层的内层和外侧折射率不均一等现象。
最外侧为纯石英构成的外包层，起到辅助光波导的作用。
目前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）。各个生产厂家基本是使用同一种方法一次性沉积弯曲不敏感多模光纤的各个部分。
OVD和VAD为管外沉积法，其沉积效率高，但受制于工艺特点，其在制备多模光纤芯层alpha部分时剖面控制精度明显低于管内法。并且在沉积芯层和内包层过程中进行掺氟，不仅工艺控制上有难度，而且在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，在玻璃芯棒上沉积掺氟层时，将不得不直接暴露在氢/氧焰（H2/O2）中，H2/O2焰产生的大量羟基会向芯层中扩散致使所拉光纤水峰衰减的增加，因而需要玻璃芯棒中的包层足够厚以阻挡羟基向内的扩散。但一旦包层过厚，形成的掺氟包层因为远离芯层又起不到提高所拉光纤弯曲性能的作用。而且OVD和VAD工艺较难实现较深的掺氟，同时掺氟深度的径向和轴向均匀性都相对较差。
MCVD和PCVD的方法属于管内沉积法，如果制造外下陷包层，因为受到衬管尺寸的限制，预制棒的尺寸一般很难做大，另一方面，PCVD和MCVD等管内法工艺与OVD和VAD等管外沉积法相比较而言，其优势在于可以实现较深的掺氟，同时掺氟深度的径向及轴向均匀性好。但是由于受到衬管的限制，使用管内一次沉积的弯曲不敏感多模光纤预制棒直径一般小于等于40mm。
发明内容
为方便介绍发明内容，定义如下术语：
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；
芯棒：含有芯层和部分包层的实心玻璃预制件；
a：光纤芯棒芯层alpha部分直径，单位为毫米（mm）；
b：光纤芯棒直径，单位为毫米（mm）；
c：折算成实心预制棒后下陷包层直径，单位为毫米（mm）；
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RIT预制棒，，单位为毫米（mm）；
衬管：管状的基底管，符合一定几何要求的纯石英玻璃管；
套管：使用PCVD工艺在一定几何要求的纯石英玻璃管内表面沉积部分F掺杂玻璃后形成的空心管；
相对折射率差：，n1和n0分别为两种玻璃材料的折射率，在本发明中，n0为纯石英玻璃的折射率；
壁厚：管状玻璃材料的单边的厚度，即壁厚=（外径-内孔径）/2，单位为毫米（mm）；
CSA（CrossSectionArea）：横截面积，单位为平方毫米（mm2）；
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；
RIT(RodInTube)工艺：将芯棒和套管经过处理：包括拉锥、延长、腐蚀、清洗和干燥等后，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。
裸光纤：指光纤中不含涂覆层的玻璃丝。
幂指数律折射率剖面：满足下面幂指数函数的折射率剖面，其中，n1为光纤轴心的折射率；r为离开光纤轴心的距离；a为光纤芯半径；α为分布指数；Δ为芯/包相对折射率差；
r<a
DMD:DifferentialModeDelay,差分模式时延；
DMDInnermask:按照IEC60793-1-49:2006标准，多模光纤中5-18um处的最大DMD；
DMDOutermask:按照IEC60793-1-49:2006标准，多模光纤中0-23um处的最大DMD；
DMDIntervalMask：按照IEC60793-1-49:2006标准，多模光纤中7-13um，9-15um，11-17um，13-19um中最大DMD。
本发明所要解决的技术问题在于克服上述现有技术存在的不足提供一种大尺寸弯曲不敏感多模光纤预制棒的制造方法，它不仅外径尺寸大，制作效率高，可用于制造弯曲附加损耗小，DMD性能优异的弯曲不敏感多模光纤；还具有工艺简单灵活，制造成本低的特点，非常适合大规模生产。
本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：
首先使用纯石英玻璃衬管作为芯棒基底管，使用PCVD或MCVD工艺进行掺杂沉积，所述的纯石英玻璃衬管外径为28mm～47mm，单边壁厚为1mm～4mm；
掺杂沉积过程，在反应气体四氯化硅（SiCl4）和氧气（O2）中，通入含氟的气体，进行氟（F）掺杂，通入四氯化锗（GeCl4），进行锗（Ge）掺杂，通过微波使衬管内的反应气体离子化变成等离子体，并最终以玻璃的形式沉积在衬管内壁，根据所述光纤波导结构的掺杂要求，通过改变混合气体中掺杂气体的流量，依次沉积内包层和芯层，形成Ge/F共掺的芯层、Ge/F共掺或掺F的第一内包层、及纯二氧化硅第二内包层的沉积衬管；
沉积完成后，用电加热炉将沉积衬管加温熔缩成实心芯棒；将实心芯棒进行腐蚀处理；
然后再使用纯石英玻璃衬管作为套管基底管，使用PCVD或MCVD工艺进行掺杂沉积，所述的纯石英玻璃衬管外径为45mm～65mm，单边壁厚为7mm～14mm；
掺杂沉积过程，在反应气体四氯化硅（SiCl4）和氧气（O2）中，通入含氟的气体，引入氟（F）掺杂，通过微波使衬管内的反应气体离子化变成等离子体，并最终以玻璃的形式沉积在衬管内壁，根据所述光纤波导结构的掺杂要求，通过改变混合气体中掺杂气体的流量，沉积掺氟的下陷包层；沉积后成为外层为纯二氧化硅玻璃层，内层为F掺杂玻璃层的掺杂套管；掺杂套管壁厚较原始衬管壁厚增加1～4mm；
将掺杂套管进行清洗、腐蚀处理；
最后将实心芯棒套入掺杂套管，制成用于RIT工艺的光纤预制棒，掺杂套管的孔径与实心芯棒外径的差值为0.5～4mm；或者将实心芯棒与掺杂套管组装后再次加温熔缩成实心的光纤预制棒。
按上述方案，所述的实心芯棒腐蚀前后的直径差值0.2～1.2mm。
按上述方案，所述的光纤预制棒有效直径d为45～60mm，所述的芯层直径a为17-25mm。
按上述方案，所述的光纤预制棒的芯棒直径b与芯层直径a的比值b/a为1.1～1.4，芯棒直径b与折算成实心预制棒直径d的比值d/b为1.7～2.4。
按上述方案，所述的芯层折射率剖面呈抛物线，分布指数α为1.9～2.2，最大相对折射率差Δ1为0.9～1.2%，所述的第一内包层相对折射率差Δ2为-0.02～0.02%。
按上述方案，所述的芯层为Ge/F共掺二氧化硅玻璃层，其中芯层中心位置F掺杂的贡献量小于或等于-0.04%；由芯层中心位置到第一内包层边缘位置，F掺杂的贡献量逐渐增加，在第一内包层边缘部分的F掺杂的贡献量大于或等于-0.5%。
按上述方案，所述的第一内包层为Ge/F共掺二氧化硅玻璃层，或掺F的二氧化硅玻璃层，其中F的贡献量为-0.02%~-0.1%。
按上述方案，所述的下陷包层为掺F二氧化硅玻璃层，相对折射率差为-0.38%～-0.45%；所述的外包层为纯二氧化硅玻璃层。
用上述方案的光纤预制棒制备得到的光纤，DMDInnerMask（5-18um）和DMDOuterMask（0-23um）均小于或等于0.33ps/m,DMDIntervalMask小于或等于0.25ps/m;优选条件下光纤的DMD的InnerMask（5-18um）和OuterMask（0-23um）均小于或等于0.14ps/m或更低，DMDIntervalMask小于或等于0.11ps/m或更低。
所制备的光纤在850nm波长具有1500MHz-km以上，甚至8000MHz-km以上的带宽；数值孔径为0.185~0.215。
所制备的光纤，在850nm波长处，以7.5毫米弯曲半径绕2圈导致的弯曲附加损耗小于0.12dB，甚至达到0.03dB；在1300nm波长处,以7.5毫米弯曲半径绕2圈导致的弯曲附加损耗小于0.35dB，甚至达到0.1dB。
本发明的有益效果在于：
1、可制备外径45~60mm的大尺寸弯曲不敏感多模光纤预制棒，从而提高光纤制造效率，
有效的降低光纤的成本；非常适合大规模生产；2、弯曲不敏感多模光纤的芯层部分和F掺杂下陷包层分别两次进行沉积，避免一次沉积造成的工艺误差积累效应；并可以利用RIT组装工艺调整芯棒和套管之间的距离，减少芯包层同心度的误差；3、利用PCVD工艺以及大尺寸芯棒的放大效应，当预制棒尺寸越大时，光纤沉积的层数越多，芯层抛物线结构就越光滑，从而有利于光纤DMD（DifferentialModeDelay,差分模式时延）和带宽性能的提高；4、芯棒基底管最外的非沉积层正好作为多模光纤的第二内包层，套管基底管最外的非沉积层正好作为多模光纤的外包层，这样不仅简化了工艺，使原材料得到充分的利用，而且采用匹配粘度双内包层结构的弯曲不敏感多模光纤，通过不同粘度结构的第一内包层和第二内包层，有效的分担了光纤拉丝张力，减少了拉丝张力对光纤芯层部分的影响，平滑了芯包界面位置的剧烈粘度变化，减少了光纤拉丝张力对光纤剖面结构的影响，尤其是对芯层20-23um位置的高阶模时延的影响，从而优化了光纤的DMD和带宽性能，并有利于弯曲状态下的应力释放，降低光纤的弯曲敏感性；5、利用分步沉积以及PCVD在深氟掺杂上的优势，可以制备低折射率，宽厚度的下陷包层结构，有效的优化光纤的弯曲性能。
附图说明
图1为本发明的弯曲不敏感多模光纤剖面示意图。
图2为本发明中芯棒以及套管对应光纤的各个部分的示意图。
图3为光纤预制棒尺寸对光纤芯层剖面影响的示意图。
图4为本发明工艺流程图。
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。
以PCVD工艺制备光纤芯棒，所用衬管为纯石英玻璃衬管，沉积前对衬管进行清洗并充分干燥，首先使用纯石英玻璃衬管作为芯棒基底管，以PCVD工艺进行掺杂沉积，将沉积后的衬管在电加热炉中熔缩成实心芯棒，实心芯棒经腐蚀、清洗、干燥处理后待用，然后再使用纯石英玻璃衬管作为套管基底管，使用PCVD工艺进行掺杂沉积，将沉积后的掺杂套管进行清洗、腐蚀处理；最后将实心芯棒套入掺杂套管，制成用于RIT工艺的光纤预制棒，芯棒、套管、预制棒的主要参数如表1所示；将RIT工艺预制棒直接拉丝，采用两层光纤涂覆材料，拉丝速度为800m/min，光纤的丝径为125±0.7μm，控制RIT内压力为1,000pa～10,000pa。所拉光纤各个部分的参数如表2所示，主要光学性能参数如表3所示。
表1.实施例1的预制棒的基本参数
表2.实施例1的所拉光纤的剖面参数
表3.实施例1的所拉光纤的性能参数
Claims (8)
1.一种大尺寸弯曲不敏感多模光纤预制棒的制造方法，其特征在于
首先使用纯石英玻璃衬管作为芯棒基底管，使用PCVD或MCVD工艺进行掺杂沉积，所述的纯石英玻璃衬管外径为28～47mm，单边壁厚为1～4mm；
掺杂沉积过程，在反应气体四氯化硅和氧气中，通入含氟的气体，进行氟掺杂，通入四氯化锗，进行锗掺杂，通过微波使衬管内的反应气体离子化变成等离子体，并最终以玻璃的形式沉积在衬管内壁，根据所述光纤波导结构的掺杂要求，通过改变混合气体中掺杂气体的流量，依次沉积内包层和芯层，形成Ge/F共掺的芯层、Ge/F共掺或掺F的第一内包层、及纯二氧化硅第二内包层的沉积衬管；
沉积完成后，用电加热炉将沉积衬管加温熔缩成实心芯棒；将实心芯棒进行腐蚀处理；
然后再使用纯石英玻璃衬管作为套管基底管，使用PCVD或MCVD工艺进行掺杂沉积，所述的纯石英玻璃衬管外径为45～65mm，单边壁厚为7～14mm；
掺杂沉积过程，在反应气体四氯化硅和氧气中，通入含氟的气体，引入氟掺杂，通过微波使衬管内的反应气体离子化变成等离子体，并最终以玻璃的形式沉积在衬管内壁，根据光纤波导结构的掺杂要求，通过改变混合气体中掺杂气体的流量，沉积掺氟的下陷包层；沉积后成为外层为纯二氧化硅玻璃层，内层为F掺杂玻璃层的掺杂套管；掺杂套管壁厚较原始衬管壁厚增加1～4mm；
将掺杂套管进行清洗、腐蚀处理；
最后将实心芯棒套入掺杂套管，制成用于RIT工艺的光纤预制棒，掺杂套管的孔径与实心芯棒外径的差值为0.5～4mm；或者将实心芯棒与掺杂套管组装后再次加温熔缩成实心的光纤预制棒。
2.按权利要求1所述的大尺寸弯曲不敏感多模光纤预制棒的制造方法，其特征在于所述的实心芯棒腐蚀前后的直径差值0.2～1.2mm。
3.按权利要求1或2所述的大尺寸弯曲不敏感多模光纤预制棒的制造方法，其特征在于所述的光纤预制棒有效直径d为45～60mm，所述的芯层直径a为17-25mm。
4.按权利要求3所述的大尺寸弯曲不敏感多模光纤预制棒的制造方法，其特征在于所述的光纤预制棒的芯棒直径b与芯层直径a的比值b/a为1.1～1.4，芯棒直径b与折算成实心预制棒直径d的比值d/b为1.7～2.4。
5.按权利要求4所述的大尺寸弯曲不敏感多模光纤预制棒的制造方法，其特征在于所述的芯层折射率剖面呈抛物线，分布指数α为1.9～2.2，最大相对折射率差Δ1为0.9～1.2%，所述的第一内包层相对折射率差Δ2为-0.02～0.02%。
6.按权利要求5所述的大尺寸弯曲不敏感多模光纤预制棒的制造方法，其特征在于所述的芯层为Ge/F共掺二氧化硅玻璃层，其中芯层中心位置F掺杂的贡献量小于或等于-0.04%；由芯层中心位置到第一内包层边缘位置，F掺杂的贡献量逐渐增加，在第一内包层边缘部分的F掺杂的贡献量大于或等于-0.5%。
7.按权利要求5或6所述的大尺寸弯曲不敏感多模光纤预制棒的制造方法，其特征在于所述的第一内包层为Ge/F共掺二氧化硅玻璃层，或掺F的二氧化硅玻璃层，其中F的贡献量为-0.02%~-0.1%。
8.按权利要求5所述的大尺寸弯曲不敏感多模光纤预制棒的制造方法，其特征在于所述的下陷包层为掺F二氧化硅玻璃层，相对折射率差为-0.38%～-0.45%；外包层为纯二氧化硅玻璃层。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |