CN110357410B - 用于制造超低衰减光纤的光纤预制棒、方法及光纤 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于制造超低衰减光纤的光纤预制棒、方法及光纤，该光纤预制棒包括芯棒和套设在所述芯棒外的套管；所述芯棒包括由内到外依次布置的掺钾芯层和钾氟共掺芯层；所述套管包括由内到外依次布置的内套管和外套管，所述内套管包括由内到外依次布置的深掺氟层和浅掺氟层；所述芯棒与所述内套管之间的间隙形成第一空间。本发明能够解决超低衰减光纤面临的高界面应力引起的衰减，实现超低衰减光纤的制造。
Description
技术领域
本发明涉及光纤预制棒技术领域，具体涉及一种用于制造超低衰减光纤的光纤预制棒、方法及光纤。
背景技术
随着全球信息化的爆发式增长，通信系统的数据流量近年来以 50％～80％的年复合增长率快速增长，这要求光通信技术向超大容量、超长距离、超高速率方向发展。光通信技术是信息通信的物理基础层，为整个移动互联网、大数据等应用层提供支撑。正是在这个背景下，光通信的神经--光纤的高端制造技术与产业化显得尤其重要。随着高速通信技术的发展，100G技术已经成熟，400G技术正在快速商用，传统的单模光纤介质越来越不能满足高速通信的要求。
超低衰减光纤技术是大容量传输与长距离传输系统的核心基础材料。超低衰减光纤研制的核心是降低光纤中的散射损耗，因此超低衰减光纤通常采用纯二氧化硅纤芯设计，为了形成全反射的波导结构，当纤芯采用纯硅芯时，包层材料不能为传统的纯硅芯材料，因此必然需要在纯二氧化硅纤芯周围沉积低折射率的材料，通常都是掺杂氟元素来形成包层，石英包层采用石英玻璃掺氟后，折射率降低，这样相比纯硅芯的芯区，可构成全反射条件。然而，当石英玻璃掺氟后，其粘度会降低，芯包层在高温下粘度是不同的，而光纤的制造过程是，先制造光棒，然后高温熔融拉制成光纤。在制造光棒的过程中，芯区材料和包层材料均经过了较高温熔融和低温固化的过程。这样，如果芯层和包层的粘度相差较大，则在制造过程中，由于粘度的不匹配，造成在制造过程中高低温的热胀冷缩不匹配，从而导致芯层和包层之间会因此存在较大的应力。这些应力作用于芯层，将造成芯层中通过的光的损耗大幅增加。
因此，在超低衰减光纤研制技术中，降低芯包界面应力技术是一个核心技术。
业内制造超低衰减光纤时，采用芯区掺钾降低粘度，同时不在通信波段带来过多附加吸收损耗的材料，从而实现芯层和包层的粘度匹配。但是，采用这样的方法仍存在掺钾界面和掺氟界面的材料扩散导致的粘度失衡，以及掺氟界面与外部纯石英界面的应力干扰等问题，从而导致光纤的衰减仍无法达到理想值。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种用于制造超低衰减光纤的光纤预制棒、方法及光纤，能够解决超低衰减光纤面临的高界面应力引起的衰减，实现超低衰减光纤的制造。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：一种用于制造超低衰减光纤的光纤预制棒，其包括芯棒和套设在所述芯棒外的套管；
所述芯棒包括由内到外依次布置的掺钾芯层和钾氟共掺芯层；
所述套管包括由内到外依次布置的内套管和外套管，所述内套管包括由内到外依次布置的深掺氟层和浅掺氟层；
所述芯棒与所述内套管之间的间隙形成第一空间。
进一步地，所述光纤预制棒还包括尾管，所述尾管包括：
封闭环；
尾棒，其一端连接所述芯棒，另一端连接所述封闭环；
内尾管，其套设于所述尾棒外，所述内尾管一端连接所述套管，另一端连接所述封闭环；同时，
所述封闭环、尾棒、内尾管之间的间隙与所述第一空间共同形成第一区间，所述封闭环上设有与所述第一区间连通的内抽气孔。
进一步地，所述内套管与所述外套管之间的间隙形成第二空间。
进一步地，所述光纤预制棒还包括尾管，所述尾管包括：
封闭环；
尾棒，其一端连接所述芯棒，另一端连接所述封闭环；
内尾管，其套设于所述尾棒外，所述内尾管一端连接所述内套管，另一端连接所述封闭环；
外尾管，其套设于所述内尾管外，所述外尾管一端连接所述外套管，另一端连接所述封闭环；同时，
所述封闭环、尾棒、内尾管之间的间隙与所述第一空间共同形成第一区间，所述封闭环上设有与所述第一区间连通的内抽气孔；
所述封闭环、内尾管、外尾管之间的间隙与所述第二空间共同形成第二区间，所述封闭环上还设有与所述第二区间连通的外抽气孔。
本发明还提供了一种采用如上所述的光纤预制棒制造超低衰减光纤的方法，其包括如下步骤：
提供拉丝塔；
将所述光纤预制棒固定于所述拉丝塔上；
调节所述第一空间内的真空度至第一预设真空度，并进行光纤拉制。
进一步地，所述光纤预制棒还包括尾管，所述尾管包括：
封闭环；
尾棒，其一端连接所述芯棒，另一端连接所述封闭环；
内尾管，其套设于所述尾棒外，所述内尾管一端连接所述套管，另一端连接所述封闭环；同时，
所述封闭环、尾棒、内尾管之间的间隙与所述第一空间共同形成第一区间，所述封闭环上设有与所述第一区间连通的内抽气孔；
所述方法还包括：通过所述内抽气孔向外抽气以调节所述第一空间内的真空度至所述第一预设真空度。
本发明还提供了一种采用如上所述的光纤预制棒制造超低衰减光纤的方法，其包括如下步骤：
提供拉丝塔；
将所述光纤预制棒固定于所述拉丝塔上；
调节所述第一空间内的真空度至第一预设真空度，调节所述第二空间内的真空度至第二预设真空度，并进行光纤拉制，所述第二预设真空度小于所述第一预设真空度。
进一步地，所述光纤预制棒还包括尾管，所述尾管包括：
封闭环；
尾棒，其一端连接所述芯棒，另一端连接所述封闭环；
内尾管，其套设于所述尾棒外，所述内尾管一端连接所述内套管，另一端连接所述封闭环；
外尾管，其套设于所述内尾管外，所述外尾管一端连接所述外套管，另一端连接所述封闭环；同时，
所述封闭环、尾棒、内尾管之间的间隙与所述第一空间共同形成第一区间，所述封闭环上设有与所述第一区间连通的内抽气孔；
所述封闭环、内尾管、外尾管之间的间隙与所述第二空间共同形成第二区间，所述封闭环上还设有与所述第二区间连通的外抽气孔；
所述方法还包括：通过所述内抽气孔向外抽气以调节所述第一空间内的真空度至所述第一预设真空度，通过所述外抽气孔向外抽气以调节所述第二空间内的真空度至第二预设真空度。
进一步地，所述拉丝塔包括：
预热发热体，其用于对所述光纤预制棒进行预热，所述预热发热体具有一用于收容所述光纤预制棒的预热区；
熔融发热体，其用于将经过预热后的所述光纤预制棒熔融成实心棒并形成超低衰减光纤，所述熔融发热体具有一用于收容经过预热后的所述光纤预制棒的熔融区，所述熔融区位于所述预热区下方；
保温发热体，其用于在第一预设温度下对所述超低衰减光纤进行降温，以去除熔融应力，所述保温发热体具有一用于收容所述超低衰减光纤的保温区，所述保温区位于所述熔融区下方；
退火炉，其用于在第二预设温度下对经过去除熔融应力的所述超低衰减光纤进行退火，以去除界面应力，所述退火炉具有一用于收容所述超低衰减光纤的退火区，所述退火区位于所述保温区下方；
温度检测器，其用于检测经过去除熔融应力的所述超低衰减光纤进入和离开所述退火炉的温度。
本发明还提供了一种采用如上任一所述的光纤预制棒制造的超低衰减光纤，其包括芯层和套设在所述芯层外的包层；
所述芯层包括由内到外依次布置的掺钾芯区和钾氟共掺芯区；
所述包层包括由内到外依次布置的深掺氟区、浅掺氟区和石英区；
在1550nm工作波长下，所述超低衰减光纤的衰减小于 0.150dB/km。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明基于降低界面应力的粘度匹配原理，提出了多层芯棒和多层套管相结合的概念，在掺钾芯层外设置钾氟共掺芯层，通过逐渐过渡的方式，将内套管的内层采用深掺氟层与之匹配，从而减小容易扩散的氟离子向芯层的扩散带来的界面粘度的失衡，同时，内套管的外层将掺氟量逐渐减少，形成浅掺氟层，从而降低内套管和外套管之间的应力。
本发明的光纤预制棒末端设有组合式的尾管，为使芯棒和内套管、内套管和外套管在光纤拉制时能实现良好的实心熔融，光纤拉制中对第一空间和第二空间分别进行抽气进行真空度控制，从而在光纤拉制时实现芯棒和套管、内套管和外套管的良好实心熔融。
附图说明
图1为本发明一个实施例提供的光纤预制棒端面结构示意图；
图2为图1中光纤预制棒拉制示意图；
图3为本发明另一个实施例提供的光纤预制棒端面结构示意图；
图4为图3中光纤预制棒拉制示意图；
图5为本发明实施例提供的超低衰减光纤端面结构示意图。
图中：A、第一空间；B、第二空间；C、第一区间；D、第二区间；1、芯棒；10、掺钾芯层；11、钾氟共掺芯层；2、套管；20、内套管；200、深掺氟层；201、浅掺氟层；21、外套管；3、尾管；30、封闭环；31、尾棒；32、内尾管；33、外尾管；34、内抽气孔；35、外抽气孔；4、芯层；40、掺钾芯区；41、钾氟共掺芯区；5、包层； 50、深掺氟区；51、浅掺氟区；52、石英区；6、拉丝塔；60、预热发热体；600、预热区；61、熔融发热体；610、熔融区；62、保温发热体；620、保温区；63、退火炉；630、退火区；64、上部温度检测器；65、下部温度检测器；7、超低衰减光纤。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。
光纤的制造技术可分为光纤预制棒的制造技术和将光纤预制棒拉成光纤的拉制技术。通常的光纤预制棒的制造技术包括PCVD (Plasma activated Chemical VapourDeposition，等离子体化学气相沉积法)、MCVD(Modified Chemical Vapour Deposition，改进的化学汽相沉积法)、VAD(Vapour phase Axial Deposition,轴向汽相沉积法)、OVD(Outside Chemical Vapour Deposition,外部化学汽相沉积法)等工艺方法。上述方法通常要先进行光纤芯棒的制造，然后再进行光纤套管的制造，之后再将芯棒和套管组合在一起，形成光纤预制棒成品，最后该光纤预制棒放置在拉丝塔上拉制成光纤。
本发明采用PCVD或MCVD工艺制备芯棒，采用PCVD工艺制备内套管，采用OVD工艺或其他工艺制备外套管。
参见图1所示，本发明第一个实施例提供了一种用于制造超低衰减光纤的光纤预制棒，光纤预制棒包括芯棒1和套设在芯棒1外的套管2；芯棒1包括由内到外依次布置的掺钾芯层10和钾氟共掺芯层 11；套管2包括由内到外依次布置的内套管20和外套管21，外套管 21采用纯石英，内套管20包括由内到外依次布置的深掺氟层200和浅掺氟层201；芯棒1与内套管20之间的间隙形成第一空间A。
本发明基于降低界面应力的粘度匹配原理，提出了多层芯棒和多层套管相结合的概念，在掺钾芯层10外设置钾氟共掺芯层11，通过逐渐过渡的方式，将内套管20的内层采用深掺氟层200与之匹配，从而减小容易扩散的氟离子向芯层的扩散带来的界面粘度的失衡，同时，内套管20的外层将掺氟量逐渐减少，形成浅掺氟层201，从而降低内套管20和外套管21之间的应力。
本发明可以直接将芯棒1和套管2放在拉丝塔上进行拉丝，通过调整第一空间A的真空度使得芯棒1和套管2均匀融合。芯棒1和套管2在拉丝塔中先经预热发热体进行预热，然后再经熔融发热体进行熔融，之后在经保温发热体进行缓慢退火，然后在高温炉外冷空气条件下，经退火炉进行正常退火，从而充分消除芯棒1和套管2间的闭合应力。
参见图2所示，光纤预制棒还包括尾管3，尾管3包括封闭环30、尾棒31、内尾管32；尾棒31一端连接芯棒1，另一端连接封闭环30；内尾管32套设于尾棒31外，内尾管32一端连接套管2，另一端连接封闭环30；同时，封闭环30、尾棒31、内尾管32之间的间隙与第一空间A共同形成第一区间C，封闭环30上设有与第一区间C连通的内抽气孔34。
本发明的光纤预制棒末端设有组合式的尾管3，为使芯棒1和套管2在光纤拉制时能实现良好的实心熔融，光纤拉制中对第一空间A (或第一区间C)进行抽气进行真空度控制，从而在光纤拉制时实现芯棒1和套管2的良好实心熔融。
本发明第二个实施例提供了一种采用光纤预制棒制造超低衰减光纤的方法，其包括如下步骤：
S1：提供拉丝塔6；
S2：将光纤预制棒固定于拉丝塔6上；
S3：通过内抽气孔34向外抽气以调节第一空间A内的真空度至第一预设真空度，并进行光纤拉制。
参见图3所示，本发明第三个实施例提供了一种用于制造超低衰减光纤的光纤预制棒，光纤预制棒包括芯棒1和套设在芯棒1外的套管2；芯棒1包括由内到外依次布置的掺钾芯层10和钾氟共掺芯层11；套管2包括由内到外依次布置的内套管20和外套管21，内套管20包括由内到外依次布置的深掺氟层200和浅掺氟层201；芯棒1与内套管20之间的间隙形成第一空间A，内套管20与外套管21之间的间隙形成第二空间B。
本发明可以直接将芯棒1和套管2放在拉丝塔上进行拉丝，通过调整第一空间A的真空度使得芯棒1和内套管20均匀融合，通过调整第二空间B的真空度使得内套管20与外套管21均匀融合。芯棒1 和套管2在拉丝塔中先经预热发热体进行预热，然后再经熔融发热体进行熔融，之后在经保温发热体进行缓慢退火，然后在高温炉外冷空气条件下，经退火炉进行正常退火，从而充分消除芯棒1和内套管 20、内套管20与外套管21间的闭合应力。
参见图4所示，光纤预制棒还包括尾管3，尾管3包括封闭环30、尾棒31、内尾管32、外尾管33；尾棒31一端连接芯棒1，另一端连接封闭环30；内尾管32套设于尾棒31外，内尾管32一端连接内套管20，另一端连接封闭环30；外尾管33套设于内尾管32外，外尾管33一端连接外套管21，另一端连接封闭环30；同时，封闭环30、尾棒31、内尾管32之间的间隙与第一空间A共同形成第一区间C，封闭环30上设有与第一区间C连通的内抽气孔34；封闭环30、内尾管32、外尾管33之间的间隙与第二空间B共同形成第二区间D，封闭环30上还设有与第二区间D连通的外抽气孔35。
本发明的光纤预制棒末端设有组合式的尾管3，为使芯棒1和内套管20、内套管20和外套管21在光纤拉制时能实现良好的实心熔融，光纤拉制中对第一空间A(或第一区间C)和第二空间B(或第二区间D)分别进行抽气进行真空度控制，从而在光纤拉制时实现芯棒1和套管2、内套管20和外套管21的良好实心熔融。
本发明第四个实施例提供了一种采用光纤预制棒制造超低衰减光纤的方法，其包括如下步骤：
S1：提供拉丝塔6；
S2：将光纤预制棒固定于拉丝塔6上；
S3：通过内抽气孔34向外抽气以调节第一空间A内的真空度至第一预设真空度，通过外抽气孔35向外抽气以调节第二空间B内的真空度至第二预设真空度，并进行光纤拉制；由于第一空间A离热区较远，热量较小，而第二空间B离热区较近，热量较大，因此，第二预设真空度小于第一预设真空度，从而保证芯棒1和套管2、内套管20和外套管21能够实现均匀、良好实心熔融。
参见图2或图4所示，本发明第五个实施例提供了拉丝塔6，拉丝塔6包括预热发热体60、熔融发热体61、保温发热体62、退火炉 63和温度检测器；其中，
预热发热体60用于对光纤预制棒进行预热，预热发热体60具有一用于收容光纤预制棒的预热区600；
熔融发热体61用于将经过预热后的光纤预制棒熔融成实心棒并形成超低衰减光纤7，熔融发热体61具有一用于收容经过预热后的光纤预制棒的熔融区610，熔融区610位于预热区600下方；
保温发热体62用于在第一预设温度(通常是2000℃左右)下对超低衰减光纤7进行缓慢降温，以去除熔融应力，保温发热体62具有一用于收容超低衰减光纤7的保温区620，保温区620位于熔融区 610下方；
退火炉63用于在第二预设温度(远小于第一预设温度，通常是常温，如25℃左右)下对经过去除熔融应力的超低衰减光纤7进行正常退火，以去除界面应力，退火炉63具有一用于收容超低衰减光纤7的退火区630，退火区630位于保温区620下方；
温度检测器包括上部温度检测器64和下部温度检测器65，上部温度检测器64用于检测经过去除熔融应力的超低衰减光纤7进入退火炉63的温度，下部温度检测器65用于检测经过去除熔融应力的超低衰减光纤7离开退火炉63的温度。
通过对超低衰减光纤7在进入退火炉63的温度和离开退火炉63 的温度进行检测，从而调整保温发热体62的温度，使超低衰减光纤 7在进入退火炉63的温度达到预定要求，并调整退火炉63的温度，使超低衰减光纤7在离开退火炉63时的温度达到预定要求，从而满足应力去除要求。
参见图5所示，本发明第六个实施例提供了一种采用实施例一的光纤预制棒制造的超低衰减光纤，其包括芯层4和套设在芯层4外的包层5；芯层4包括由内到外依次布置的掺钾芯区40和钾氟共掺芯区41；包层5包括由内到外依次布置的深掺氟区50、浅掺氟区51和石英区52；在1550nm工作波长下，超低衰减光纤的衰减小于 0.150dB/km。
掺钾芯区40的直径和钾氟共掺芯区41的直径分别为D40和D41，深掺氟区50的厚度和浅掺氟区51的厚度分别为H50和H51，且1.1≤ D41/D40≤1.5，3≤H50/D40≤5，0.05≤H51/H50≤0.2。
下面给出三个具体实施例：
表1光纤1～3参数
上述采用实施例一的光纤预制棒直径达到150mm，拉丝速度达到2000m/min，拉制成的光纤1～3，其1550nm的衰减可达到 0.150dB/km，芯径较小的光纤其弯曲性能要好一些。
参见图5所示，本发明第七个实施例提供了一种采用实施例三的光纤预制棒制造的超低衰减光纤，其包括芯层4和套设在芯层4外的包层5；芯层4包括由内到外依次布置的掺钾芯区40和钾氟共掺芯区41；包层5包括由内到外依次布置的深掺氟区50、浅掺氟区51和石英区52；在1550nm工作波长下，超低衰减光纤的衰减小于 0.150dB/km。
掺钾芯区40的直径和钾氟共掺芯区41的直径分别为D40和D41，深掺氟区50的厚度和浅掺氟区51的厚度分别为H50和H51，且1.1≤ D41/D40≤1.5，3≤H50/D40≤5，0.05≤H51/H50≤0.2。
下面给出三个具体实施例：
表2光纤4～6参数
上述采用实施例三的光纤预制棒直径达到150mm，拉丝速度达到2200m/min，拉制成的光纤4～6，其1550nm的衰减可达到 0.150dB/km，芯径较小的光纤其弯曲性能要好一些，其中光纤6和常规G.652D光纤的熔接损耗可控制在0.1dB。
本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (5)
1.一种用于制造超低衰减光纤的光纤预制棒，其特征在于：其包括芯棒(1)和套设在所述芯棒(1)外的套管(2)；
所述芯棒(1)包括由内到外依次布置的掺钾芯层(10)和钾氟共掺芯层(11)；
所述套管(2)包括由内到外依次布置的内套管(20)和外套管(21)，所述内套管(20)包括由内到外依次布置的深掺氟层(200)和浅掺氟层(201)；
所述芯棒(1)与所述内套管(20)之间的间隙形成第一空间(A)；
所述内套管(20)与所述外套管(21)之间的间隙形成第二空间(B)；
所述光纤预制棒还包括尾管(3)，所述尾管(3)包括：
封闭环(30)；
尾棒(31)，其一端连接所述芯棒(1)，另一端连接所述封闭环(30)；
内尾管(32)，其套设于所述尾棒(31)外，所述内尾管(32)一端连接所述内套管(20)，另一端连接所述封闭环(30)；
外尾管(33)，其套设于所述内尾管(32)外，所述外尾管(33)一端连接所述外套管(21)，另一端连接所述封闭环(30)；同时，
所述封闭环(30)、尾棒(31)、内尾管(32)之间的间隙与所述第一空间(A)共同形成第一区间(C)，所述封闭环(30)上设有与所述第一区间(C)连通的内抽气孔(34)；
所述封闭环(30)、内尾管(32)、外尾管(33)之间的间隙与所述第二空间(B)共同形成第二区间(D)，所述封闭环(30)上还设有与所述第二区间(D)连通的外抽气孔(35)。
2.一种采用如权利要求1所述的光纤预制棒制造超低衰减光纤的方法，其特征在于，其包括如下步骤：
提供拉丝塔(6)；
将所述光纤预制棒固定于所述拉丝塔(6)上；
调节所述第一空间(A)内的真空度至第一预设真空度，调节所述第二空间(B)内的真空度至第二预设真空度，并进行光纤拉制，所述第二预设真空度小于所述第一预设真空度。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，通过所述内抽气孔(34)向外抽气以调节所述第一空间(A)内的真空度至所述第一预设真空度，通过所述外抽气孔(35)向外抽气以调节所述第二空间(B)内的真空度至第二预设真空度。
4.如权利要求2至3任一所述的方法，其特征在于，所述拉丝塔(6)包括：
预热发热体(60)，其用于对所述光纤预制棒进行预热，所述预热发热体(60)具有一用于收容所述光纤预制棒的预热区(600)；
熔融发热体(61)，其用于将经过预热后的所述光纤预制棒熔融成实心棒并形成超低衰减光纤(7)，所述熔融发热体(61)具有一用于收容经过预热后的所述光纤预制棒的熔融区(610)，所述熔融区(610)位于所述预热区(600)下方；
保温发热体(62)，其用于在第一预设温度下对所述超低衰减光纤(7)进行降温，以去除熔融应力，所述保温发热体(62)具有一用于收容所述超低衰减光纤(7)的保温区(620)，所述保温区(620)位于所述熔融区(610)下方；
退火炉(63)，其用于在第二预设温度下对经过去除熔融应力的所述超低衰减光纤(7)进行退火，以去除界面应力，所述退火炉(63)具有一用于收容所述超低衰减光纤(7)的退火区(630)，所述退火区(630)位于所述保温区(620)下方；
温度检测器，其用于检测经过去除熔融应力的所述超低衰减光纤(7)进入和离开所述退火炉(63)的温度。
5.一种采用如权利要求1所述的光纤预制棒制造的超低衰减光纤，其特征在于：其包括芯层(4)和套设在所述芯层(4)外的包层(5)；
所述芯层(4)包括由内到外依次布置的掺钾芯区(40)和钾氟共掺芯区(41)；
所述包层(5)包括由内到外依次布置的深掺氟区(50)、浅掺氟区(51)和石英区(52)；
在1550nm工作波长下，所述超低衰减光纤的衰减小于0.150dB/km。
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