CN110204190B - 一种超低损耗单模光纤的制造方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种超低损耗单模光纤的制造方法,采用VAD法,将石英玻璃靶棒放在沉积装置内,制造光纤预制棒的芯棒疏松体;将制作完成的芯棒疏松体制品放置到烧结装置中得到芯棒玻璃体;将芯棒进行高温脱气、拉伸后制作成用于沉积外包层的芯棒,通过外包层沉积、烧结后制作成光纤预制棒;光纤预制棒延伸到尺寸小、直径均匀的预制棒;将步骤4中的的预制棒放入光纤拉丝炉进行光纤拉丝,最终获得了超低损耗单模光纤。还记录了一种超低损耗单模光纤的制造方法的沉积装置,一种超低损耗单模光纤的制造方法的沉积装置。本发明的有益效果是通过以上方法,不仅可以获得损耗较低的超低损耗光纤,同时可以进行规模化生产,并且付出较低的生产成本。
Description
技术领域
本发明属于光纤通讯技术领域,尤其是涉及一种超低损耗单模光纤的制造方法及装置。
背景技术
自20世纪70年代起,随着光纤通信相关技术的不断进步,光纤通信在信息技术时代显得越来越重要。随着传输信息量的爆发式增长,对光纤传输技术的要求也越来越高,而作为传输介质的光纤,是决定光纤传输性能的主要决定因素之一。为了增加传输容量,降低光缆铺设成本,光纤的衰减损耗是技术人员考虑的主要因素,衰减在很大程度上决定了光纤通信的中继距离。光纤的衰减系数越小,同样强度的光信号可以传输更远的距离,从而减少信号传输所需要的中继站,降低通信系统的投资成本与运营成本。
在光纤制造中,降低光纤的衰减主要是1310nm、1383nm、1550nm、1625nm四个窗口的衰减系数,随着技术的不断发展,目前通用的G.652D光纤已经是零水峰光纤,1383nm窗口处的衰减已降低到0.28dB/km,1310nm窗口处的衰减降低到0.32dB/km,1550nm窗口处衰减降低到了0.185dB/km,从设计和制造上基本已处于极致水平。剩余的衰减主要由于光纤材料本身的瑞利散射引起,因此,要得到衰减更低的单模光纤,需要从光纤的芯层材料和包层材料优化着手。
光纤中瑞利散射的存在主要由于芯层中掺杂了Ge元素,引起了芯层内材料的密度波动和Ge浓度的波动。现行主要的解决方法是制造纯SiO2石英玻璃作为光纤的芯层,而包层掺杂可以降低玻璃折射率的F元素。而包层掺F与纯SiO2纤芯在高温下会形成粘度失配,在光纤拉丝过程中会造成较大的内应力,从而再次形成较大的瑞利散射,针对这一特点,技术人员尝试在芯层中掺杂K、Al等元素,试图降低芯层玻璃的粘度,以匹配包层粘度。
文献CN 107721149A公开了一种超低损耗光纤的制造方法,其利用传统VAD沉积工艺为基础,在沉积过程中掺杂少量碱金属,且掺杂量小,气流量小,在沉积过程中完成碱金属均匀掺杂。但碱金属在高温下极易扩散,在芯棒烧结过程中,容易扩散到包层,从而很难达到预期的粘度匹配与折射率设计初衷。
文献CN 109298482A提出了一种超低损耗大有效面积单模光纤的设计和制造方法,其使用了芯层掺杂以降低芯层的粘度以匹配包层粘度,其在芯层掺杂了F、Ge、碱金属,在理论上粘度可以达到最佳匹配,但在生产过程中,容易形成各掺杂元素分步不均匀,实际拉丝完成后造成较大的瑞利散射。
本发明试图从轴向气相沉积法(VAD法)制造超低损耗单模光纤存在的几个矛盾体中,找到解决的方案,从而获得所需要的超低损耗单模光纤制造工艺路线。第一个矛盾是包层的F掺杂深度问题,F是一个对温度非常敏感的元素,在VAD法沉积过程中,若在包层沉积中增加F,在沉积过程中,会不断挥发,到烧结成玻璃体后,实际掺杂深度较浅,相对于纯SiO2石英玻璃的折射率差只能达到0.0002左右,很难实现单模光纤的全反射条件。目前,业界普遍采用的方法是在芯棒粉末体烧结过程中掺杂F元素,粉末体的结构密度及温度决定了F的掺杂浓度,在芯包界面沉积一层密度较高的SiO2隔离层,能有效阻止F元素扩散到芯层,从而形成阶跃式折射率剖面。但是增加了SiO2隔离层后,作为脱水剂的Cl2也很难进入芯层,从而造成光纤的芯层存在大量的羟基(OH-),使得光纤在1383nm窗口的衰减严重偏高,以至于影响了1310nm窗口和1550nm窗口的衰减。第二个矛盾是光纤拉丝过程中,F元素在高温下发生扩散,若长时间将光纤暴露在1800℃以上的高温下,F元素会在玻璃体内扩散,使得阶跃式剖面发生改变,向外扩散的同时,也会使得F元素挥发到玻璃体外面,最终光纤的折射率剖面很难与光棒的折射率剖面匹配。介于以上两个矛盾,本发明尝试设计出新的制作工艺,已规避以上的几个问题,从而获得理想的超低损耗单模光纤。
发明内容
本发明的目的是提供一种超低损耗单模光纤的制造方法及装置,其制造工艺稳定,生产成本低,重复性好,适合规模化生产,尤其适合在光纤的制作过程中。
本发明的技术方案是:一种超低损耗单模光纤的制造方法,包括以下步骤:
步骤1、采用VAD法,将石英玻璃靶棒放在沉积装置内,制造光纤预制棒的芯棒疏松体;
所述的步骤1具体包括以下步骤:
1)将石英玻璃靶棒的底部降低到芯层沉积反应室内,芯层沉积喷灯燃烧产生SiO2粉末体在旋转的石英玻璃靶棒上堆积,石英玻璃靶棒以1mm/min~3mm/min的速度向上提升,
2)在均热的石英管内通入He和Cl2,将电阻炉升温,使得石英管的上部温度达到1350℃,
3)石英玻璃靶棒芯层脱水固化后进入包层沉积反应室,利用内包层沉积喷灯燃烧产生SiO2粉末沉积到芯层外部,形成芯棒的包层,最后完成芯棒疏松体制品的沉积;
步骤2、将制作完成的芯棒疏松体制品放置到烧结装置中,经过加热、脱水、退火得到芯棒玻璃体;
所述的步骤2具体包括以下步骤:
1)将制作完成的芯棒疏松体先放置在均热炉内进行包层脱水,
2)然后对包层进行F元素掺杂,
3)掺杂完成后放入高温烧结炉内进行烧结成玻璃体;
步骤3、将芯棒进行高温脱气、拉伸后制作成用于沉积外包层的芯棒,通过外包层沉积、烧结后制作成光纤预制棒;
步骤4、光纤预制棒延伸到尺寸小、直径均匀的预制棒;
步骤5、将步骤4中的的预制棒放入光纤拉丝炉进行光纤拉丝,最终获得了超低损耗单模光纤。
按上述方案,在步骤1的芯层反应室和包层反应室的内部为负压,负压值为-200Pa~-50Pa。
按上述方案,在步骤1的沉积过程中,芯棒疏松体制品是旋转的,旋转速度为40rpm~120rpm。
按上述方案,在步骤1中,电阻炉自上而下采用分段式加热,石英管内部温度自上而下为梯度分布,当上部最高温度达到1350℃时,温度梯度为4°/mm~6°/mm,自上而下递减。
按上述方案,在步骤1中,石英管内通入的He和Cl2的摩尔体积比为10~20,He气流量为20L/min~40L/min,石英管内保持正压,正压值为20Pa~50Pa。
按上述方案,在步骤2中的芯棒疏松体制品的烧结过程分为3步:
第一步为干燥,将芯棒疏松体制品放置在高温烧结炉内,通入Cl2和He,Cl2流量为1L/min~3L/min,He流量为10L/min~30L/min,干燥温度为1100℃~1250℃,干燥时间为60min~120min;
第二步为F掺杂,通入He和CF4气体,He流量为5L/min~15L/min,CF4流量为0.5L/min~3L/min,炉温为1250℃~1350℃,掺F时间为60min~120min;
第三步为烧结,将炉温升高到1450℃~1500℃,通入He流量为10L/min~20L/min,将疏松体烧结成透明的玻璃体。
按上述方案,步骤4中制作完成的光纤预制棒先通过延伸到50mm~80mm后进行拉丝。
按上述方案,在步骤5的光纤拉丝过程中,拉丝温度控制在1850℃~1950℃,拉丝速度控制在500m/min~1500m/min,拉丝张力控制在2N~3.5N。
一种用于上述的超低损耗单模光纤的制造方法的沉积装置,包括从上到下依次设有的包层沉积室、电阻炉、芯层沉积反应室,所述的包层沉积室的顶壁开口,在包层沉积室的左侧壁上设有第一排气孔,在包层沉积室的右侧壁底端设有内包层沉积喷灯,且内包层沉积喷灯的出火处设在包层沉积室内的右底侧,在电阻炉内部安装一个石英管,所述的芯层沉积反应室与包层沉积反应室之间安装电阻炉,所述的包层沉积室、电阻炉、芯层沉积反应室从上到下依次相连通,在芯层沉积室内进行芯棒疏松体制品的芯层沉积,芯层进入电阻炉进行脱水,在包层沉积室内用于对芯层外沉积一层包层,在电阻炉与芯层沉积反应室之间连通有排气环,在芯层沉积反应室的左侧壁上设有第二排气孔,在芯层沉积反应室的右侧壁底端设有芯层沉积喷灯,且芯层沉积喷灯的出火处设在芯层沉积反应室内的右底侧,石英玻璃靶棒安装在VAD设备的引杆上,石英玻璃靶棒的下端从包层沉积室的顶壁进入到包层沉积室内,且依次穿过石英管、排气环、芯层沉积反应室,石英玻璃靶棒的最下端位于芯层沉积反应室内。
按上述方案,所述的VAD设备的引杆以50rpm顺时针旋转。
按上述方案,在内包层沉积喷灯、芯层沉积喷灯内用于通入SiCl4、H2、O2气体。
按上述方案,石英玻璃靶棒的底部与芯层沉积喷灯的轴线相交。
按上述方案,石英管镶嵌在电阻炉内,石英管上端的内径为60mm~70mm,石英管下端的内径为80mm~90mm,石英管的高度为350mm~450mm。
一种用于上述的超低损耗单模光纤的制造方法的烧结装置,包括石英烧结管、高温烧结炉、均热炉、排气罩、压力表,在石英烧结管的外侧从上到下依次套设有均热炉、高温烧结炉,所述的石英烧结管的顶端开口处设有排气罩,所述的排气罩的顶壁上设有用于芯棒疏松体制品穿过的第一穿孔,在排气罩内与石英烧结管的顶端连接处设有中间板,在中间板上设有用于芯棒疏松体制品穿过的第二穿孔,所述的排气罩的侧壁上设有出气孔,在石英烧结管顶端侧壁上连接有压力表,芯棒疏松体制品的下端穿过第一穿孔、第二穿孔进入到石英烧结管,所述的芯棒疏松体制品的上端芯棒疏松体制品安装在VAD设备的引杆上,以50rpm顺时针旋转,将芯棒疏松体制品的底部设在石英烧结管的中心轴线处。
一种超低损耗单模光纤,包括采用VAD法沉积对应的芯层和包层,芯层设在包层内,所述的芯层为石英玻璃靶棒,所述的包层内掺有F。
按上述方案,所述的包层的密度为0.25g/cm3~0.35g/cm3。
按上述方案,所述的超低损耗单模光纤在1310nm处模场直径为8.9~9.5um,其截止波长为1.2um~1.33um,其领色散波长为1.3um~1.322um。
按上述方案,掺F后的包层折射率相对于纯SiO2芯层的折射率差值为0.0045~0.0055。
本发明具有的优点和积极效果是:由于采用上述技术方案,
1、通过先沉积芯层然后脱水的方法有效地解决了光纤水峰高的问题,同时在烧结过程中也起到了隔离F元素扩散到芯层的作用。
2、通过将光纤预制棒预先延伸到较小直径后进行拉丝,大幅降低了光纤预制棒及光纤在高温区停留的时间,从而降低了F元素在光纤拉丝中高温扩散的时间,有效遏制了光纤折射率的变化。
3、通过以上方法,不仅可以获得损耗较低的超低损耗光纤,同时可以进行规模化生产,并且付出较低的生产成本。
附图说明
图1是本发明的超低损耗单模光纤芯棒的沉积装置的结构图。
图2为本发明芯棒疏松体制品的结构图。
图3为本发明的烧结装置的结构图。
图中:
1、芯棒疏松体制品 2、内包层沉积喷灯 3、石英管
4、芯层沉积喷灯 5、芯层沉积反应室 6、排气环
7、电阻炉 8、包层沉积反应室 11、石英玻璃靶棒
12、芯层 13、包层 21、石英烧结管
22、高温烧结炉 23、均热炉 24、排气罩
25、压力表
具体实施方式
如图1所示,在芯层沉积反应室5与包层沉积反应室8之间安装一个电阻炉7,电阻炉7内部安装一个石英管3,在芯层沉积室5内进行芯棒疏松体制品1的芯层沉积,然后芯层在不断生长提升中,芯层进入电阻炉7进行脱水,在包层沉积室8内,在脱水完成后的芯层外沉积一层包层。
将制作完成的如图2所示的芯棒疏松体1放入烧结炉进行烧结,如图3所示,先放置在均热炉23内进行包层脱水,然后进行F元素掺杂,完成后放入高温烧结炉22内进行烧结成玻璃体。
将芯棒进行高温脱气、拉伸后制作成用于沉积外包层的芯棒,通过外包层沉积、烧结后制作成光纤预制棒。将光纤预制棒延伸到尺寸小、直径均匀的预制棒,然后放置到高温炉内进行拉丝,获得超低损耗光纤。
具体的实施例如下:
1、芯棒疏松体制品的制作过程
采用VAD法制造光纤预制棒的芯棒,将石英玻璃靶棒11安装在VAD设备的引杆上,以50rpm顺时针旋转,将石英玻璃靶棒11的底部与芯层沉积喷灯4的轴线相交,喷灯内通入SiCl4、H2、O2进行燃烧,其中SiCl4为3L/min,H2为24L/min,O2为10L/min,靶棒以1mm/min的速度向上提升。电阻炉7内部的石英管3高度为400mm,上端开口直径为65mm,下端开口直径为75mm,300min后,将石英管3内部温度升高到设定温度,其中离上端100mm处温度为1350℃,为管内最高温度点,向下递减,离上端300mm处温度为1250℃,
在石英管3内通入He和Cl2,He流量为20L/min,Cl2流量为2L/min,石英管3内部的压力约为45Pa。继续提升引杆带动石英玻璃靶棒及粘附在石英玻璃靶棒升的芯层,直到石英玻璃靶棒11的底部距离内包层沉积喷灯2的轴线与引杆相交点200mm时,内包层沉积喷灯开始供应SiCl4气体,同时加大H2和O2的流量,其中SiCl4流量为18L/min,H2流量为180L/min,O2流量为100L/min。以作业开始为时间零点,约1400min后停止芯层沉积喷灯的气体供应;约2100min后停止石英管3的He和Cl2供应,并降低炉温;约2400min后,停止内包层沉积喷灯的气体供应。
从作业期40小时后,得到重量约21kg,有效长度为1200mm,外径为280mm的芯棒疏松体制品1。
2、芯棒玻璃体的制作过程
将制作完成的芯棒疏松体制品1放置到烧结设备中,先放置在均热炉23内,以3rpm的速度进行旋转,将炉内温度升高到1180℃,通入Cl2量为2L/min,He气量为20L/min,保持100min,关闭Cl2供应阀门;
将均热炉23内温度升高到1310℃,通入CF4气体,流量为1.5L/min,保持90min;将CF4的流量降低到0.2L/min,打开Cl2阀门,设定通入流量为0.4L/min,将高温烧结炉22的温度升高到1480℃,制品1以5mm/min的速度下降,直到制品1全部烧透,变成透明的芯棒制品;关闭所有炉内气体供应,将均热炉温度设定为1150℃,将透明的芯棒制品提升到均热炉内,加大排气罩24的抽风速度,使得炉内压力降低,直到压力表25显示压力为-100Pa,保持抽风速度不变,将芯棒制品在均热炉内保持20小时,然后,均热炉以3℃/min的速度将均热炉炉温降低到850℃,完成玻璃芯棒的脱气和退火,最后获得直径120mm,有效长度为900mm的芯棒玻璃体,经过PK2600设备测试,芯棒的包芯比为3.6,相对折射率差为0.34%。
3、光纤预制棒、超低损耗光纤的制作过程
将芯棒延伸到37.2mm,然后截取2000mm,两端接上尾柄,在OVD设备上进行外包层SiO2沉积,然后再高温下脱水烧结成玻璃体,最后获得平均直径为148mm,有效长度为1840mm的光纤预制棒。将该光纤预制棒放置在高温炉内进行延伸,将光纤预制棒延伸到65mm,截取长度为1500mm的光纤预制棒,放入光纤拉丝炉进行光纤拉丝。其中,拉丝速度控制在1200m/min,拉丝温度控制在1850℃,拉丝张力控制在2.3N,最终或获得了超低损耗单模光纤,其中1550nm窗口处的衰减为0.163dB/km,1310nm窗口处的衰减为0.283dB/km,1383nm窗口处的衰减为0.268dB/km。
以上对本发明的一个实施例进行了详细说明,但所述内容仅为本发明的较佳实施例,不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等,均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。
Claims (1)
1.一种超低损耗单模光纤的制造方法,其特征在于:
包括以下步骤:
步骤1、采用VAD法,将石英玻璃靶棒放在沉积装置内,制造光纤预制棒的芯棒疏松体;
所述的步骤1具体包括以下步骤:
1)将石英玻璃靶棒的底部降低到芯层沉积反应室内,芯层沉积喷灯燃烧产生SiO2粉末体在旋转的石英玻璃靶棒上堆积,石英玻璃靶棒以1mm/min~3mm/min的速度向上提升;
2)在均热的石英管内通入He和Cl2,将电阻炉升温,使得石英管的上部温度达到1350℃;
3)石英玻璃靶棒芯层脱水固化后进入包层沉积反应室,利用内包层沉积喷灯燃烧产生SiO2粉末沉积到芯层外部,形成芯棒的包层,最后完成芯棒疏松体制品的沉积;
步骤2、将制作完成的芯棒疏松体制品放置到烧结装置中,经过加热、脱水、退火得到芯棒玻璃体;
所述的步骤2具体包括以下步骤:
1)将制作完成的芯棒疏松体先放置在均热炉内进行包层脱水;
2)然后对包层进行F元素掺杂,
3)掺杂完成后放入高温烧结炉内进行烧结成玻璃体;
步骤3、将芯棒进行高温脱气、拉伸后制作成用于沉积外包层的芯棒,通过外包层沉积、烧结后制作成光纤预制棒;
步骤4、光纤预制棒延伸到尺寸小、直径均匀的预制棒;
步骤5、将步骤4中的预制棒放入光纤拉丝炉进行光纤拉丝,最终获得了超低损耗单模光纤;
在步骤1的芯层反应室和包层反应室的内部为负压,负压值为-200Pa~-50Pa;芯棒疏松体制品为旋转的,旋转速度为40rpm~120rpm;石英管内通入的He和Cl2的摩尔体积比为10~20,He气流量为20L/min~40L/min,石英管内保持正压,正压值为20Pa~50Pa;
在步骤1中,电阻炉自上而下采用分段式加热,石英管内部温度自上而下为梯度分布,当上部最高温度达到1350℃时,温度梯度为4°/mm~6°/mm,自上而下递减;在步骤2中的芯棒疏松体制品的烧结过程分为3步:
第一步为干燥,将芯棒疏松体制品放置在高温烧结炉内,通入Cl2和He,Cl2流量为1L/min~3L/min,He流量为10L/min~30L/min,干燥温度为1100℃~1250℃,干燥时间为60min~120min;
第二步为F掺杂,通入He和CF4气体,He流量为5L/min~15L/min,CF4流量为0.5L/min~3L/min,炉温为1250℃~1350℃,掺F时间为60min~120min;
第三步为烧结,将炉温升高到1450℃~1500℃,通入He流量为10L/min~20L/min,将疏松体烧结成透明的玻璃体;
沉积装置包括从上到下依次设有的包层沉积室、电阻炉、芯层沉积反应室,所述的包层沉积室的顶壁开口,在包层沉积室的左侧壁上设有第一排气孔,在包层沉积室的右侧壁底端设有内包层沉积喷灯,且内包层沉积喷灯的出火处设在包层沉积室内的右底侧,在电阻炉内部安装一个石英管,所述的芯层沉积反应室与包层沉积反应室之间安装电阻炉,所述的包层沉积室、电阻炉、芯层沉积反应室从上到下依次相连通,在电阻炉与芯层沉积反应室之间连通有排气环,在芯层沉积反应室的左侧壁上设有第二排气孔,在芯层沉积反应室的右侧壁底端设有芯层沉积喷灯,且芯层沉积喷灯的出火处设在芯层沉积反应室内的右底侧,石英玻璃靶棒安装在VAD设备的引杆上,石英玻璃靶棒的下端从包层沉积室的顶壁进入到包层沉积室内,且依次穿过石英管、排气环、芯层沉积反应室,石英玻璃靶棒的最下端位于芯层沉积反应室内;石英玻璃靶棒的底部与芯层沉积喷灯的轴线相交;沉积装置还包括石英烧结管、高温烧结炉、均热炉、排气罩、压力表,在石英烧结管的外侧从上到下依次套设有均热炉、高温烧结炉,所述的石英烧结管的顶端开口处设有排气罩,所述的排气罩的顶壁上设有用于芯棒疏松体制品穿过的第一穿孔,在排气罩内与石英烧结管的顶端连接处设有中间板,在中间板上设有用于芯棒疏松体制品穿过的第二穿孔,所述的排气罩的侧壁上设有出气孔,在石英烧结管顶端侧壁上连接有压力表,芯棒疏松体制品的下端穿过第一穿孔、第二穿孔进入到石英烧结管,所述的芯棒疏松体制品的上端芯棒疏松体制品安装在VAD设备的引杆上,将芯棒疏松体制品的底部设在石英烧结管的中心轴线处。
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