CN106007355B - 一种制备纯硅芯包层掺氟的超低损耗光纤预制棒的方法及其设备 - Google Patents

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Abstract

本发明一种制备纯硅芯包层掺氟的超低损耗光纤预制棒的方法及其设备涉及的是一种采用气相沉积法获得的粉末体，在包层中进行掺氟来制备纯硅芯包层掺氟的超低损耗光纤预制棒的方法。所述的设备包括靶棒、沉积室、外包层喷灯、内包层喷灯、辅助喷灯、芯层喷灯、吊杆、排气管和上部沉积腔体；沉积室上部设置有上部沉积腔体，上部沉积腔体内装有吊杆，吊杆设置有挂钩，吊杆与提升机构相连，靶棒悬挂在与提升机构相连的吊杆的挂钩上，在沉积室下部一侧依次装有外包层喷灯、内包层喷灯、辅助喷灯、芯层喷灯；石墨烧结炉包括石英吊杆、密封组件、盖板、石英炉芯管、石墨炉芯管、气体管路、靶棒、粉末体、石墨加热体和气体质量流量控制器。

Description

一种制备纯硅芯包层掺氟的超低损耗光纤预制棒的方法及其 设备
技术领域
本发明一种制备纯硅芯包层掺氟的超低损耗光纤预制棒的方法及其设备涉及的是一种采用气相沉积法获得的粉末体，在包层中进行掺氟来制备纯硅芯包层掺氟的超低损耗光纤预制棒的方法。
背景技术
光纤预制棒是光纤制造的原材料，其通常是由不同折射率的材料组成芯层和包层。二氧化硅是制造光纤预制棒的主要基体材料，通过在芯层掺锗来提高芯层的折射率n core ，使得芯层折射率大于纯硅包层折射率n sio2 ，从而满足光纤传输的全反射条件，即达到一定的芯包相对折射率差Δn。
Δn=（n² core - n² sio2 ）/（2 n² core ） ≈（n core -n sio2 ）/n core
随着光纤到户、三网融合、IPTV业务增长，对网络带宽的需求也与日俱增。目前，就光纤而言，可通过降低光纤损耗来提高带宽，也就是通过降低芯层掺锗来降低瑞利散射，同时，还需提高光纤的抗弯性能来满足光纤在狭小环境中的安装。如果只是降低芯层掺杂含量无法实现光纤传输所需的Δn值和光纤的抗弯性能。因此，在制造超低损耗光纤预制棒时，一般采取纯硅芯结合包层掺氟的方法，实现与普通G.652光纤相同的Δn值。对于超低损耗光纤预制棒相对折射率为Δn=Δn + +Δn - ，其中Δn + =0（芯层为纯硅芯），也就是，
Δn=Δn - =（n² clad - n² sio2 ）/（2 n² clad ） ≈n clad -n sio2 /n clad
目前较为有效的方法是在粉末体中掺入氟元素，例如在预制棒制造过程中利用气相沉积法（VAD，OVD，MCVD，PCVD）等使含氟气体掺入棒体中。管外法（VAD，OVD）不受尺寸的限制，沉积效率高，可应用于大尺寸光纤预制棒制造中，但是通过火焰水解法将气态的含氟化合物加入到石英玻璃中，由于受火焰温度、二氧化硅颗粒周围的氟分压以及OH-等因素导致掺氟浓度低，无法实现高效的掺氟生产。管内法（PCVD、MCVD）虽然可以实现高效掺氟生产，但是受基管尺寸限制，无法实现规模化生产或制备大尺寸掺氟光纤预制棒或套管。针对这些问题，专利CN104402213公布了采用轴向气相沉积制备具有致密层和疏松层的二氧化硅松散体，并通过通入脱水气体和氟化物气体，将松散体脱水以及将氟掺入到疏松层中。专利CN103224325公开了粉末体中具有空隙结构的松散体，也具有致密层和疏松层结构，并向中心孔内通入脱水气体及在氟化物气氛中掺氟。专利CN1345295公开了具有中空结构的粉末体，在中心轴线空隙中通氦，将含氟气体自下而上通入石墨烧结炉内进行掺氟。但是在实际生产中，由于存在致密层这一结构，若密度大，则不利于松散体脱水，造成光纤水峰高；若密度小，掺入的氟元素仍渗透进入芯层，不利于形成阶跃型的折射率剖面。如果在制造过程中将纯硅芯芯棒和掺F包层套管分开制作、再熔缩等步骤，也大大增加了过程的复杂性。
发明内容
本发明目的是针对上述不足之处，提供一种制备纯硅芯包层掺氟的超低损耗光纤预制棒的方法及其设备，是一种采用气相沉积法制得的粉末体掺氟制备超低损耗光纤预制棒的方法。其中使用的氟化物，其分子中包含元素F，高温过程中扩散进入粉末体。沉积粉末体的芯层原料为四氯化硅、氧气、一氧化碳、氦气，沉积掺氟内包层的原料为四氯化硅、氧气和一氧化碳等气体，沉积掺氟外包层的原料为四氯化硅、氧气和氢气或甲烷等气体。通过轴向气相沉积工艺，进行沉积芯层和内外包层，形成二氧化硅粉末体。在芯层和包层之间通过沉积中辅助喷灯加热，使芯层表面玻璃化。然后将粉末体放置于高温炉中，进行掺氟、玻璃化工艺，最终实现高纯、高效的超低损耗光纤预制棒生产，由于无需对粉末棒进行脱羟处理，这样大大简化生产流程，为制造大尺寸包层掺氟的超低损耗光纤预制棒，提供了一种操作简单、节能实用的新途径。
一种制备纯硅芯包层掺氟的超低损耗光纤预制棒的方法及其设备是采取以下技术方案实现：
一种制备纯硅芯包层掺氟的超低损耗光纤预制棒的设备包括靶棒、沉积室、外包层喷灯、内包层喷灯、辅助喷灯、芯层喷灯、吊杆、排气管和上部沉积腔体。沉积室上部设置有上部沉积腔体，上部沉积腔体内装有吊杆，吊杆设置有挂钩，吊杆与提升机构相连，靶棒悬挂在与提升机构相连的吊杆的挂钩上，在沉积室下部一侧依次装有外包层喷灯、内包层喷灯、辅助喷灯、芯层喷灯，在沉积室上部一侧设置有排气管，用于排除沉积室内废气。
石墨烧结炉包括石英吊杆、密封组件、盖板、石英炉芯管、石墨炉芯管、气体管路、靶棒、粉末体、石墨加热体、气体质量流量控制器。粉末体通过靶棒与石英吊杆相连接，烧结过程中，石英吊杆可上下移动，并自转。气体管路上安装有气体质量流量控制器。在掺F烧结过程中，由气体质量流量控制器控制He和含氟化合物混合气，通入石英炉芯管的气体管路位于石墨加热体中上部区域。粉末体置于石英炉芯管，由上而下通过由石墨加热体产生的高温区。石英炉芯管在石墨炉芯管内，石墨加热体围绕在石墨炉芯管外。通过盖板进行密封石英炉芯管，石英吊杆穿过密封组件，密封组件内设置4层隔离，每层中由密封组件气体管路通入N2进行气封。
制备纯硅芯包层掺氟的超低损耗光纤预制棒的方法，首先选用一根玻璃材质的靶棒，通过10%的盐酸酸洗1~2h，并干燥。将靶棒悬挂在与提升机构相连的吊杆挂钩上，采用VAD工艺进行轴向气相沉积，芯层和包层的二氧化硅粉末堆积在靶棒上。通过采用监测器探头感应棒头，根据感应棒头的范围，由电控系统PLC方法进行控制吊杆提升速度。当棒头在设定的感应区域时，系统相应提升吊杆；一旦沉积棒头脱离感应区后，卡盘停止提升。如此，周而复始，在轴向上逐渐沉积，形成轴向沉积的粉末体。
沉积过程中，芯层喷灯中通入氧气、一氧化碳、四氯化硅、氦气和氮气混合物，四氯化硅与氧气通过高温反应形成二氧化硅，并附着在靶棒端面，形成具有一定密度的疏松层。围绕在芯层表面具有一定厚度的二氧化硅层为内包层，内包层喷灯中通入氧气、一氧化碳、四氯化硅和氮气混合气体。围绕在内包层表面的二氧化硅层是由内包层喷灯上方的外包层喷灯沉积所形成的，外包层喷灯中通入氧气、氢气或甲烷、四氯化硅和氮气。位于芯层喷灯和内包层喷灯之间有多个互成一定角度的辅助喷灯，喷灯中通入氧气、一氧化碳进行灼烧芯层表面，从而在芯层表面形成一定厚度的致密玻璃化层。粉末体沉积到设定长度后停止沉积，将粉末体从VAD卡盘上卸载，移载到运输机构上。
将制得粉末体从运输机构上再次移载到石墨烧结炉的吊杆上，进行粉末层掺氟、玻璃化。首先，在1100~1200℃下粉末体掺氟，掺氟时间2~5h，通入含氟气体、氦气、氩气混合气体；在1300~1500℃进行玻璃化烧结，8~20h，通入氦气、氩气混合气体。烧结结束后，即可获得透明无气泡的纯硅芯、掺氟包层的超低损耗光纤预制棒。
其中，所述的辅助喷灯数量可2~5个，分散在垂直于轴向的同一平面内。沉积的粉末体，内包层厚度与芯层厚度之比为4.5~6.5，外包层厚度与芯层厚度之比为7.5~15.5。
芯层、内包层、外包层喷灯中发生的化学反应如下：
CO(g)+O2(g)→CO2(g)，△H=-283.0kJ/moL
H2(g)+O2(g)→H2O(g)，△H=-243.0kJ/moL
H2O(g)→H2O(l)，△H=-42.0kJ/moL
SiCl4(l)+O2(g)→SiO2(s)+Cl2(g)，△H=1052kJ/moL
一种制备纯硅芯包层掺氟的超低损耗光纤预制棒的方法如下：
1、靶棒预处理
选用石英玻璃材质的材料作为沉积靶棒。将选择的靶棒进行酸洗，采用10%浓度的盐酸浸泡1h~2h，去除附着在靶棒表面的杂质，然后用去离子水反复冲洗，最后烘干。
2、纯硅芯包层掺氟的超低损耗光纤预制棒的制备
第一步：将预处理后的靶棒夹持在VAD设备的吊杆挂钩上，以四氯化硅、氧气、一氧化碳、氦气与氮气混合物作为原料气体，各种原料气体的流量比例为1:1.5:1:1:0.3~1:3:3:1:0.5，通入石英材质的芯层喷灯后，原料在火焰中高温反应生成的二氧化硅微粒，沉积到与喷灯垂直的靶棒表面。根据棒头在感应区内的位置，逐渐提升吊杆，形成轴向分布的粉末体。与之对应的辅助喷灯中，通入一氧化碳、氧气，比例为2:1~1:2。在辅助喷灯上方的内包层喷灯中，通入的四氯化硅、氧气、一氧化碳和氮气，其流量比例为1:1:1:0.3~1.5:1:2:0.3。最上方的外包层喷灯中，通入的四氯化硅、氧气、氢气（或甲烷）和氮气，其流量比例为1:1:1:0.5~3:1:3:1
第二步：将沉积得到的二氧化硅粉末体置于石墨烧结炉内。将炉芯管与石英炉盖贴合，采用油封方式密封石墨烧结炉盖板及吊杆与盖板之间的密封组件。然后，吊杆旋转速度为3r/min ~15r/min。通入Ar、氟化物、He混合气体，其中氟化物为CF4、C2F6、C3F8、SF6、SiF4、C2F2Cl2、SOF2其中一种或两种以上的组合，气体流量比为0.2:4:2~0.4:15:3，石墨烧结炉温度稳定在1100℃~1200℃，通氟时间2h~5h，粉末棒由上而下通过加热区。通氟结束后，再次通入He、Ar混合气体进行玻璃化，气体流量比为2:1~10:1，石墨烧结炉温度稳定在1300℃~1500℃，恒温8h~20h，粉末棒再次由上而下通过加热区，玻璃化结束后，关闭气源。通过通氟、玻璃化后，即可获得透明、羟基含量低、纯硅芯包层掺氟的超低损耗光纤预制棒包层掺氟的纯硅芯超低损耗光纤预制棒。
本发明与现有技术相比技术特点在于：
①采用VAD一体式沉积工艺制备多层结构的光纤预制棒，其包含芯层、致密层、内包层和外包层。在芯层、内包层中通入非含氢化合物的原料进行反应，避免羟基产生；在外包层中通入含氢化合物与四氯化硅反应，可大大提高沉积效率，实现一体式沉积所需的包芯比结构。
② 在芯层和内包层之间采用多辅助喷灯加热，使芯层表面致密、玻璃化，保证了外包层中的羟基不会渗入芯层中。在掺氟过程中，由于芯层表面形成的致密玻璃层阻挡了氟向纯硅芯芯层的扩散，可形成阶跃式分布的折射率剖面。
③ 利用氦气分子小，传热能力高，芯层沉积中通入一定比例的氦气，可提高粉末棒在玻璃化过程中的传热效率，避免因致密玻璃化层引起的传热性能差的现象，可有效改善芯层玻璃的透明度。
④ 芯层和内包层采用无羟基生产的沉积法，简化了粉末体烧结过程，使得芯层羟基含量低于0.1ppm、外包层羟基含量低于3ppm，实现无需通氯脱羟工艺，降低了生产成本，实现节能环保的生产。
附图说明
以下将结合附图对本发明作进一步说明：
图1是本发明中制备超低损耗光纤预制棒的粉末体沉积设备示意图。
图2是气相沉积工艺中配置3个辅助灯的俯视图。
图3是粉末棒的横截面层结构示意图
图4是粉末棒的径向分布结构示意图。
图5本发明中对比例制备的光纤预制棒，采用傅利叶红外光谱仪FTIR检测石英玻璃的光透过率图。
图6是本发明中实施例1制备的光纤预制棒，采用傅利叶红外光谱仪FTIR检测石英玻璃的光透过率图。
本发明中对比例（比较例）和实施例1制备的光纤预制棒，采用傅利叶红外光谱仪FTIR检测石英玻璃的光透过率图（附图5、6），其中，2.73um波长处透过率越小，表明样品中羟基（OH-）含量越高。按照朗伯-比耳定律，可计算出石英玻璃中的羟基浓度，公式如下：
C OH =[M OH /(ε×ρ)]×(1/d)×log 10 (I 0 /I)
上述式中，C OH 为石英中羟基质量浓度，ppm(10-6)；M OH 为羟基摩尔质量，g/mol；ε为石英玻璃在2.73μm处的吸光系数，L/mol·cm；ρ为石英密度，g/cm3；d为样品厚度，mm；log 10 (I 0 /I)为样品的吸光度。
图7是本发明实施例2制备的光纤预制棒随径向分布的阶跃式折射率剖面图。
图8是本发明实施例4制备超低损耗光纤预制棒拉制的光纤的谱损图。
图9是本发明一种制备纯硅芯包层掺氟的超低损耗光纤预制棒的设备中石墨烧结炉示意图。
图10是本发明一种制备纯硅芯包层掺氟的超低损耗光纤预制棒的设备中石墨烧结炉中的密封组件放大结构示意图。
图中标号说明，1、靶棒，2、沉积室，3、外包层喷灯，4、内包层喷灯，5、辅助灯，6、芯层喷灯，7、吊杆，8、上部沉积腔体，9、排气管，10、预制棒芯层，11、芯层表面的玻璃化致密层，12、预制棒包层，13、石英吊杆，14、密封组件，15、盖板，16、石英炉芯管，17、石墨炉芯管，18、密封组件气体管路，19、靶棒，20、粉末体，21、石墨加热体，22、气体质量流量控制器，23、气体管路。
具体实施方式
参照附图1-10，一种制备纯硅芯包层掺氟的超低损耗光纤预制棒的设备包括靶棒1、沉积室2、外包层喷灯3、内包层喷灯4、辅助喷灯5、芯层喷灯6、吊杆7、排气管9和上部沉积腔体8。沉积室2上部设置有上部沉积腔体8，上部沉积腔体8内装有吊杆7，吊杆7设置有挂钩，吊杆7与提升机构相连，靶棒1悬挂在与提升机构相连的吊杆的挂钩上，在沉积室2下部一侧依次装有外包层喷灯3、内包层喷灯4、辅助喷灯5、芯层喷灯6，在沉积室2上部一侧设置有排气管9，用于排除沉积室2内废气。
参照附图9、10，一种制备纯硅芯包层掺氟的超低损耗光纤预制棒的设备中石墨烧结炉包括石英吊杆13、密封组件14、盖板15、石英炉芯管16、石墨炉芯管17、密封组件气体管路18、靶棒19、粉末体20、石墨加热体21和气体质量流量控制器22。20粉末体通过靶棒19与石英吊杆13相连接，烧结过程中，石英吊杆13可上下移动，并自转。气体管路23上安装有气体质量流量控制器22。在掺F烧结过程中，由气体质量流量控制器22控制He和含氟化合物混合气，通入石英炉芯管16的气体管路23位于石墨加热体中上部区域。粉末体20置于石英炉芯管16，由上而下通过由石墨加热体21产生的高温区。石英炉芯管16安装在石墨炉芯管内17，石墨加热体21围绕在石墨炉芯管17外。通过盖板15进行密封石英炉芯管16，石英吊杆13穿过密封组件14，密封组件14内设置4层隔离，每层中由密封组件气体管路18通入N2进行气封。
气体质量流量控制器22采用市售MFC气体质量流量控制器。
一种制备纯硅芯包层掺氟的超低损耗光纤预制棒的方法如下：
1、靶棒预处理
选用石英玻璃材质的材料作为沉积靶棒。将选择的靶棒进行酸洗，采用10%浓度的盐酸浸泡1h~2h，去除附着在靶棒表面的杂质，然后用去离子水反复冲洗，最后烘干。
2、纯硅芯包层掺氟的超低损耗光纤预制棒的制备
第一步：将预处理后的靶棒夹持在VAD设备的吊杆挂钩上，以四氯化硅、氧气、一氧化碳、氦气与氮气混合物作为原料气体，各种原料气体的流量比例为1:1.5:1:1:0.3~1:3:3:1:0.5，通入石英材质的芯层喷灯后，原料在火焰中高温反应生成的二氧化硅微粒，沉积到与喷灯垂直的靶棒表面。根据棒头在感应区内的位置，逐渐提升吊杆，形成轴向分布的粉末体。与之对应的辅助喷灯中，通入一氧化碳、氧气，比例为2:1~1:2。在辅助喷灯上方的内包层喷灯中，通入的四氯化硅、氧气、一氧化碳和氮气，其流量比例为1:1:1:0.3~1.5:1:2:0.3。最上方的外包层喷灯中，通入的四氯化硅、氧气、氢气（或甲烷）和氮气，其流量比例为1:1:1:0.5~3:1:3:1
第二步：将沉积得到的二氧化硅粉末体置于石墨烧结炉内。将炉芯管与石英炉盖贴合，采用油封方式密封石墨烧结炉盖板及吊杆与盖板之间的密封组件。然后，吊杆旋转速度为3r/min ~15r/min。通入Ar、氟化物、He混合气体，其中氟化物为CF4、C2F6、C3F8、SF6、SiF4、C2F2Cl2、SOF2其中一种或两种以上的组合，气体流量比为0.2:4:2~0.4:15:3，石墨烧结炉温度稳定在1100℃~1200℃，通氟时间2h~5h，粉末棒由上而下通过加热区。通氟结束后，再次通入He、Ar混合气体进行玻璃化，气体流量比为2:1~10:1，石墨烧结炉温度稳定在1300℃~1500℃，恒温8h~20h，粉末棒再次由上而下通过加热区，玻璃化结束后，关闭气源。通过通氟、玻璃化后，即可获得透明、羟基含量低、包层掺氟的纯硅芯超低损耗光纤预制棒。
其中，所述的辅助喷灯数量为2~5个，分散在垂直于轴向的同一平面内。沉积的粉末体，内包层厚度与芯层厚度之比为4.5~6.5，外包层厚度与芯层厚度之比为7.5~15.5。
以下结合实施例对本发明作进一步说明：
对比例（比较例）：制造Φ200mm×1600mm的掺氟光纤预制棒
（1）选用石英玻璃材质的材料作为沉积靶棒。将选择的靶棒进行酸洗，采用10%浓度的盐酸浸泡1.5h，去除附着在靶棒表面的杂质，然后用去离子水反复冲洗，最后烘干。
（2）将预处理后的靶棒夹持在VAD设备的吊杆挂钩上。以四氯化硅、氧气、氢气与氮气混合物作为原料气体，各种原料气体的流量分别为5g/min、11.3L/min、10L/min、2L/min，通入石英材质的芯层喷灯后，原料在火焰中高温反应生成的二氧化硅微粒，沉积到与喷灯垂直的靶棒表面，形成相对致密的二氧化硅层。芯层喷灯上方的包层喷灯中，通入的四氯化硅、氧气、氢气和氮气，其流量分别为60g/min、30L/min、60L/min、22.5L/min，沉积形成密度相对疏松的粉末层。系统根据棒头在感应区内的位置，逐渐提升吊杆，从而形成轴向分布的粉末体，当达到一定棒长后，停止沉积。将粉末体从吊杆上卸载，转移到运棒车上。
（3）将运棒车上沉积得到的二氧化硅粉末体转至于石墨烧结炉的吊杆上，并用插销锁定。将粉末体置于石墨烧结炉内，并贴合炉芯管与石英炉盖，采用油封方式密封石墨烧结炉盖板及吊杆与盖板之间的密封组件。开启吊杆旋转速度为9r/min。通过炉芯管底部通入所需的气体，首先通入Ar、Cl2、He混合气体进行脱羟，气体流量分别是6L/min、57L/min、57L/min，石墨烧结炉温度稳定在1000℃，脱羟时间4h，脱羟结束后。再通入Ar、SiF4、He，气体流量分别为6L/min、190L/min、50L/min，石墨烧结炉温度稳定在1150℃，通氟时间3.5h，粉末棒由上而下通过加热区。通氟结束后，再次通入He、Ar混合气体进行玻璃化，气体流量为90L/min、15L/min，石墨烧结炉温度稳定在1400℃，恒温14h，粉末棒再次由上而下通过加热区，玻璃化结束后，关闭气源。通过通氟、玻璃化后，即可获得透明、羟基含量低、包层掺氟的纯硅芯超低损耗光纤预制棒。
通过傅利叶红外光谱仪FTIR检测芯层羟基含量为6.8ppm、外包羟基含量高达18ppm。通过PK2600仪表检测折射率剖面，其掺F层的△n-为-0.304%，制备的超低损耗光纤预制棒拉丝后光纤1550nm衰减0.172dB/km，1383nm衰减为1.35dB/km。
实施例1：制造Φ200mm×1600mm的纯硅芯包层掺氟的超低损耗光纤预制棒
（1）选用石英玻璃材质的材料作为沉积靶棒。将选择的靶棒进行酸洗，采用10%浓度的盐酸浸泡1h，去除附着在靶棒表面的杂质，然后用去离子水反复冲洗，最后烘干。
（2）将预处理后的靶棒夹持在VAD设备的吊杆挂钩上。以四氯化硅、氧气、一氧化碳、氦气与氮气混合物作为原料气体，各种原料气体的流量分别为5g/min、7.5L/min、5L/min、5L/min、1.5L/min，通入石英材质的芯层喷灯后，原料在火焰中高温反应生成的二氧化硅微粒，沉积到与喷灯垂直的靶棒表面。在芯层上方，配置2个互相垂直的辅助喷灯中，每个喷灯中通入一氧化碳、氧气，流量分别为8L/min、4L/min，使得芯层表面致密玻璃化。在辅助喷灯上方的内包层喷灯中，通入的四氯化硅、氧气、一氧化碳和氮气，其流量分别为20g/min、20L/min、20L/min、6L/min。最上方的外包层喷灯中，通入的四氯化硅、氧气、氢气和氮气，其流量分别为40g/min、40L/min、40L/min、8L/min。系统根据棒头在感应区内的位置，逐渐提升吊杆，从而形成轴向分布的粉末体，当达到一定棒长后，停止沉积。将粉末体从吊杆上卸载，转移到运棒车上。
（3）将运棒车上沉积得到的二氧化硅粉末体转至于石墨烧结炉的吊杆上，并用插销锁定。将粉末体置于石墨烧结炉内，并贴合炉芯管与石英炉盖，采用油封方式密封石墨烧结炉盖板及吊杆与盖板之间的密封组件。开启吊杆旋转速度为3r/min。通入Ar、CF4与C2F6混合气体、He，气体流量分别为4L/min、80L/min、40L/min，石墨烧结炉温度稳定在1100℃，通氟时间2h，粉末棒由上而下通过加热区。通氟结束后，再次通入He、Ar混合气体进行玻璃化，气体流量为50L/min、25L/min，石墨烧结炉温度稳定在1300℃，恒温8h，粉末棒再次由上而下通过加热区，玻璃化结束后，关闭气源。通过通氟、玻璃化后，即可获得透明、羟基含量低、包层掺氟的纯硅芯超低损耗光纤预制棒。
通过傅利叶红外光谱仪FTIR检测芯层羟基含量低于0.1ppm，外包羟基含量为2.16ppm。通过PK2600仪表检测折射率剖面，其掺F包层的△n为-0.326%，包芯比为8.5，制备的超低损耗光纤预制棒拉丝后光纤1550nm衰减0.168dB/km，1383nm衰减为0.316dB/km。
实施例2：制造Φ200mm×1600mm的纯硅芯包层掺氟的超低损耗光纤预制棒
（1）选用石英玻璃材质的材料作为沉积靶棒。将选择的靶棒进行酸洗，采用10%浓度的盐酸浸泡1.5h，去除附着在靶棒表面的杂质，然后用去离子水反复冲洗，最后烘干。
（2）将预处理后的靶棒夹持在VAD设备的吊杆挂钩上。以四氯化硅、氧气、一氧化碳、氦气与氮气混合物作为原料气体，各种原料气体的流量分别为5g/min、11.3L/min、10L/min、5L/min、2L/min，通入石英材质的芯层喷灯后，原料在火焰中高温反应生成的二氧化硅微粒，沉积到与喷灯垂直的靶棒表面。在芯层上方，配置3个辅助喷灯且Ɵ为120°，每个喷灯中通入一氧化碳、氧气，流量分别为6L/min、6L/min，使得芯层表面致密玻璃化。在辅助喷灯上方的内包层喷灯中，通入的四氯化硅、氧气、一氧化碳和氮气，其流量分别为25g/min、20L/min、30L/min、6L/min。最上方的外包层喷灯中，通入的四氯化硅、氧气、氢气和氮气，其流量分别为60g/min、30L/min、60L/min、22.5L/min。系统根据棒头在感应区内的位置，逐渐提升吊杆，从而形成轴向分布的粉末体，当达到一定棒长后，停止沉积。将粉末体从吊杆上卸载，转移到运棒车上。
（3）将运棒车上沉积得到的二氧化硅粉末体转至于石墨烧结炉的吊杆上，并用插销锁定。将粉末体置于石墨烧结炉内，并贴合炉芯管与石英炉盖，采用油封方式密封石墨烧结炉盖板及吊杆与盖板之间的密封组件。开启吊杆旋转速度为9r/min。通入Ar、SiF4、He，气体流量分别为6L/min、190L/min、50L/min，石墨烧结炉温度稳定在1150℃，通氟时间3.5h，粉末棒由上而下通过加热区。通氟结束后，再次通入He、Ar混合气体进行玻璃化，气体流量为90L/min、15L/min，石墨烧结炉温度稳定在1400℃，恒温14h，粉末棒再次由上而下通过加热区，玻璃化结束后，关闭气源。通过通氟、玻璃化后，即可获得透明、羟基含量低、包层掺氟的纯硅芯超低损耗光纤预制棒。
通过傅利叶红外光谱仪FTIR检测芯层羟基含量低于0.1ppm，外包羟基含量为1.89ppm。通过PK2600仪表检测折射率剖面，其掺F包层的△n为-0.41%，包芯比为12.6，制备的超低损耗光纤预制棒拉丝后光纤1550nm衰减0.170dB/km，1383nm衰减为0.321dB/km。
实施例3：制造Φ200mm×1600mm的纯硅芯包层掺氟的超低损耗光纤预制棒
（1）选用石英玻璃材质的材料作为沉积靶棒。将选择的靶棒进行酸洗，采用10%浓度的盐酸浸泡2h，去除附着在靶棒表面的杂质，然后用去离子水反复冲洗，最后烘干。
（2）将预处理后的靶棒夹持在VAD设备的吊杆挂钩上。以四氯化硅、氧气、一氧化碳、氦气与氮气混合物作为原料气体，各种原料气体的流量分别为5g/min、15L/min、15L/min、5L/min、2.5L/min，通入石英材质的芯层喷灯后，原料在火焰中高温反应生成的二氧化硅微粒，沉积到与喷灯垂直的靶棒表面。在芯层上方，配置5个辅助喷灯且Ɵ为72°，每个喷灯中通入一氧化碳、氧气，流量分别为4L/min、8L/min，使得芯层表面致密玻璃化。在辅助喷灯上方的内包层喷灯中，通入的四氯化硅、氧气、一氧化碳和氮气，其流量分别为30g/min、20L/min、40L/min、6L/min。最上方的外包层喷灯中，通入的四氯化硅、氧气、氢气和氮气，其流量分别为60g/min、20L/min、60L/min、20L/min。系统根据棒头在感应区内的位置，逐渐提升吊杆，从而形成轴向分布的粉末体，当达到一定棒长后，停止沉积。将粉末体从吊杆上卸载，转移到运棒车上。
（3）将运棒车上沉积得到的二氧化硅粉末体转至于石墨烧结炉的吊杆上，并用插销锁定。将粉末体置于石墨烧结炉内，并贴合炉芯管与石英炉盖，采用油封方式密封石墨烧结炉盖板及吊杆与盖板之间的密封组件。开启吊杆旋转速度为15r/min。通入Ar、SOF2、He，气体流量分别为8L/min、300L/min、60L/min，石墨烧结炉温度稳定在1200℃，通氟时间5h，粉末棒由上而下通过加热区。通氟结束后，再次通入He、Ar混合气体进行玻璃化，气体流量为150L/min、15L/min，石墨烧结炉温度稳定在1500℃，恒温20h，粉末棒再次由上而下通过加热区，玻璃化结束后，关闭气源。通过通氟、玻璃化后，即可获得透明、羟基含量低、包层掺氟的纯硅芯超低损耗光纤预制棒。
通过傅利叶红外光谱仪FTIR检测芯层羟基含量低于0.1ppm，外包羟基含量为2.95ppm。通过PK2600仪表检测折射率剖面，其掺F包层的△n为-0.43%，包芯比为15.2，制备的超低损耗光纤预制棒拉丝后光纤1550nm衰减0.169dB/km，1383nm衰减为0.318dB/km。
实施例4：制造Φ200mm×1600mm的纯硅芯包层掺氟的超低损耗光纤预制棒
（1）选用石英玻璃材质的材料作为沉积靶棒。将选择的靶棒进行酸洗，采用10%浓度的盐酸浸泡2h，去除附着在靶棒表面的杂质，然后用去离子水反复冲洗，最后烘干。
（2）将预处理后的靶棒夹持在VAD设备的吊杆挂钩上。以四氯化硅、氧气、一氧化碳、氦气与氮气混合物作为原料气体，各种原料气体的流量分别为5g/min、15L/min、15L/min、5L/min、2.5L/min，通入石英材质的芯层喷灯后，原料在火焰中高温反应生成的二氧化硅微粒，沉积到与喷灯垂直的靶棒表面。在芯层上方，配置4个辅助喷灯且Ɵ为90°，每个喷灯中通入一氧化碳、氧气，流量分别为4L/min、8L/min，使得芯层表面致密玻璃化。在辅助喷灯上方的内包层喷灯中，通入的四氯化硅、氧气、一氧化碳和氮气，其流量分别为30g/min、20L/min、40L/min、6L/min。最上方的外包层喷灯中，通入的四氯化硅、氧气、甲烷和氮气，其流量分别为45g/min、15L/min、45L/min、15L/min。系统根据棒头在感应区内的位置，逐渐提升吊杆，从而形成轴向分布的粉末体，当达到一定棒长后，停止沉积。将粉末体从吊杆上卸载，转移到运棒车上。
（3）将运棒车上沉积得到的二氧化硅粉末体转至于石墨烧结炉的吊杆上，并用插销锁定。将粉末体置于石墨烧结炉内，并贴合炉芯管与石英炉盖，采用油封方式密封石墨烧结炉盖板及吊杆与盖板之间的密封组件。开启吊杆旋转速度为15r/min。通入Ar、SF6和SOF2混合气体、He，气体流量分别为10L/min、375L/min、75L/min，石墨烧结炉温度稳定在1200℃，通氟时间5h，粉末棒由上而下通过加热区。通氟结束后，再次通入He、Ar混合气体进行玻璃化，气体流量为180L/min、18L/min，石墨烧结炉温度稳定在1500℃，恒温20h，粉末棒再次由上而下通过加热区，玻璃化结束后，关闭气源。通过通氟、玻璃化后，即可获得透明、羟基含量低、包层掺氟的纯硅芯超低损耗光纤预制棒。
通过傅利叶红外光谱仪FTIR检测芯层羟基含量低于0.1ppm，外包羟基含量为2.84ppm。通过PK2600仪表检测折射率剖面，其掺F包层的△n为-0.437%，包芯比为14.8，制备的超低损耗光纤预制棒拉丝后光纤1550nm衰减0.163dB/km，1383nm衰减为0.325dB/km。
所述超低损耗光纤（Ultra Low Loss，ULL），工信部通信科技委主任在2013年7月在“应加强超低损耗光纤的研发与发展”（ http://www.iccsz.com/site/cn/News/2013/07/02/20130702223713708504.htm）一文中指出：业内根据光纤损耗，把光纤大致分为普通光纤、低损耗光纤、超低损耗光纤三类，其中，普通光纤1550nm波长处的衰减为0.20dB/km左右，低损耗光纤、超低损耗光纤1550nm波长处的衰减分别小于0.185dB/km、0.170dB/km。
普通光纤的芯层一般掺锗元素的二氧化硅材料，提高芯层的折射率，包层为纯二氧化硅材料，从而形成芯/包一定的相对折射率差。
超低损耗光纤的芯层一般为纯二氧化硅材料，包层为掺氟的二氧化硅材料，形成芯/包一定的相对折射率差。
本发明所述超低损耗光纤预制棒是拉制超低损耗光纤的预制棒。

Claims (5)

1.一种制备纯硅芯包层掺氟的超低损耗光纤预制棒的设备，其特征在于：包括靶棒、沉积室、外包层喷灯、内包层喷灯、辅助喷灯、芯层喷灯、吊杆、排气管和上部沉积腔体；沉积室上部设置有上部沉积腔体，上部沉积腔体内装有吊杆，吊杆设置有挂钩，吊杆与提升机构相连，靶棒悬挂在与提升机构相连的吊杆的挂钩上，在沉积室下部一侧依次装有外包层喷灯、内包层喷灯、辅助喷灯、芯层喷灯，在沉积室上部一侧设置有排气管，用于排除沉积室内废气；
石墨烧结炉包括石英吊杆、密封组件、盖板、石英炉芯管、石墨炉芯管、气体管路、靶棒、粉末体、石墨加热体和气体质量流量控制器；粉末体通过靶棒与石英吊杆相连接，烧结过程中，石英吊杆上下移动，并自转；气体管路上安装有气体质量流量控制器；粉末体置于石英炉芯管，由上而下通过由石墨加热体产生的高温区，石英炉芯管在石墨炉芯管内，石墨加热体围绕在石墨炉芯管外，通过盖板进行密封石英炉芯管，石英吊杆穿过密封组件；
密封组件内设置4层隔离，每层中由密封组件气体管路通入N2进行气封；
在掺F烧结过程中，由气体质量流量控制器控制He和含氟化合物混合气，通入石英炉芯管的气体管路位于石墨加热体中上部区域。
2.一种制备纯硅芯包层掺氟的超低损耗光纤预制棒的方法，其特征在于：
（1）靶棒预处理
选用石英玻璃材质的材料作为沉积靶棒，将选择的靶棒进行酸洗，采用10%浓度的盐酸浸泡1h~2h，去除附着在靶棒表面的杂质，然后用去离子水反复冲洗，最后烘干：
（2）纯硅芯包层掺氟的超低损耗光纤预制棒的制备
第一步：将预处理后的靶棒夹持在VAD设备的吊杆挂钩上，以四氯化硅、氧气、一氧化碳、氦气与氮气混合物作为原料气体，各种原料气体的流量比例为1:1.5:1:1:0.3~1:3:3:1:0.5，通入石英材质的芯层喷灯后，原料在火焰中高温反应生成的二氧化硅微粒，沉积到与喷灯垂直的靶棒表面，根据棒头在感应区内的位置，逐渐提升吊杆，形成轴向分布的粉末体，与之对应的辅助喷灯中，通入一氧化碳、氧气，比例为2:1~1:2；在辅助喷灯上方的内包层喷灯中，通入的四氯化硅、氧气、一氧化碳和氮气，其流量比例为1:1:1:0.3~1.5:1:2:0.3；最上方的外包层喷灯中，通入的四氯化硅、氧气、氢气或甲烷和氮气，其流量比例为1:1:1:0.5~3:1:3:1；
第二步：将沉积得到的二氧化硅粉末体置于石墨烧结炉内，将炉芯管与石英炉盖贴合，采用油封方式密封石墨烧结炉盖板及吊杆与盖板之间的密封组件；然后，吊杆旋转，旋转速度为3r/min ~15r/min；通入Ar、氟化物、He混合气体，气体流量比为0.2:4:2~0.4:15:3，石墨烧结炉温度稳定在1100℃~1200℃，通氟时间2h~5h，粉末棒由上而下通过加热区；通氟结束后，再次通入He、Ar混合气体进行玻璃化，气体流量比为2:1~10:1，石墨烧结炉温度稳定在1300℃~1500℃，恒温8h~20h，粉末棒再次由上而下通过加热区，玻璃化结束后，关闭气源，通过通氟、玻璃化后，即可获得透明、羟基含量低、纯硅芯包层掺氟的超低损耗光纤预制棒。
3.根据权利要求2所述的一种制备纯硅芯包层掺氟的超低损耗光纤预制棒的方法，其特征在于：所述的氟化物为CF4、C2F6、C3F8、SF6、SiF4、C2F2Cl2、SOF2其中一种或两种以上的组合。
4.根据权利要求2所述的一种制备纯硅芯包层掺氟的超低损耗光纤预制棒的方法，其特征在于：所述的辅助喷灯数量可2~5个，分散在垂直于轴向的同一平面内。
5.根据权利要求2所述的一种制备纯硅芯包层掺氟的超低损耗光纤预制棒的方法，其特征在于：沉积的粉末体，内包层厚度与芯层厚度之比为4.5~6.5，外包层厚度与芯层厚度之比为7.5~15.5。
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