CN112441734B - 光纤预制棒及其制备方法、粉末棒沉积设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光纤预制棒及其制备方法和粉末棒沉积设备，该方法通过内包层渐变式的掺氟分布可解决芯层、内包层、光学包层之间粘度匹配的制备工艺难点，特别是芯层与光学包层边界上粘度匹配；同时，实现粉末棒中各层氟化物的约束性扩散分布，保证各层折射率要求；中空粉末棒通过中心碱金属扩散，有利于降低芯层粘度，同时由于碱金属易扩散特性，在芯层扩散到外层的渐变过程，确保了芯层与内包层、光学包层之间的粘度匹配。

Description

光纤预制棒及其制备方法、粉末棒沉积设备

技术领域

本发明涉及光通信技术领域，特别是指一种光纤预制棒及其制备方法、粉末棒沉积设备。

背景技术

在未来400G及以上传输系统中，降低光纤损耗和获得大有效面积是光纤制造领域的重要课题之一。对于石英光纤，在600nm～1600nm的衰减主要来自瑞利散射，由瑞利散射所引起的衰减a_R可由下式计算：a_R＝R/λ⁴+B。其中，λ为波长，R为瑞利散射系数(dB/km/μm⁴)，B为对应常数。

为了降低光纤损耗，最主要的工艺是降低芯层掺锗或纯硅芯设计，通过降低光纤掺杂浓度，可以有效降低光纤的瑞利散射。但是光纤的瑞利散射R除了受掺杂浓度Rc的影响，还受密度波动Rd影响。其表达式R＝Rc+Rd。传统工艺中采用的纯硅芯设计容易引起芯层与包层之间粘度不匹配而引起密度波动，需要降低芯层掺锗的同时改善芯层与包层之间的粘度匹配，才有可能降低光纤损耗。

为了获得大有效面积，主要是方法是降低芯层折射率和增加芯层直径，但是单纯降低芯层折射率和增加芯层直径，虽然可以实现增加光纤有效面积，但与之而来的是截止波长的增加以及光纤衰减、弯曲性能的恶化，造成光纤超出相关指标。而且，若采用纯硅芯设计方式，已无法降低芯层折射率。

发明内容

鉴于以上内容，有必要提供一种超低损耗、大有效面积的光纤预制棒。

本发明提供的技术方案为：一种光纤预制棒的制备方法，包括以下步骤：

依次在靶棒表面形成主要构成为二氧化硅的芯层、内包层、光学包层，得到粉末棒，其中所述芯层还包括反应生成的二氧化锗；

抽离靶棒以形成中空的粉末棒，然后将碱金属通入中空部分，进而使得碱金属扩散至粉末棒中得到碱金属掺杂的粉末棒；

将所述碱金属掺杂的粉末棒依序进行脱羟、烧结、玻璃化三个阶段处理以成型氟化物在芯层、内包层和光学包层内约束性扩散的玻璃棒，其中烧结阶段包括若干煅烧阶段，每一煅烧阶段和玻璃化阶段根据预设折射率要求设定通入氟化物气体的流量；

采用轴向气相沉积工艺或外部气相沉积工艺在所述玻璃棒的表层成型外包层，然后通过掺氟烧结，得到透明的光纤预制棒。

进一步的，所述抽离靶棒以形成中空的粉末棒，然后将碱金属通入中空部分，进而使得碱金属扩散至粉末棒中得到碱金属掺杂的粉末棒的步骤，其中所述碱金属由载气携带通入所述中空的粉末棒的中空部分，所述载气的流量控制在200cc/min～500cc/min，所述载气的环境压力控制在5～15pa，环境温度控制在300～500℃，所述碱金属的持续通入时长控制在4～6h。

进一步的，所述碱金属包括锂、钠、钾、铷碱金属离子的一种或至少两种组合；所述载气包括Ar、O₂、N₂中的一种。

进一步的，所述烧结阶段包括第一煅烧阶段和第二煅烧阶段，所述第一煅烧阶段的升温速率大于所述第二煅烧阶段的升温速率，所述第一煅烧阶段结束时温度与所述第二煅烧阶段的起始温度相同。

进一步的，脱羟阶段中温度控制在1200～1250℃；第一煅烧阶段，以脱羟阶段的温度为起始温度，以3～5℃/min的升温速率升至1300℃～1400℃；第二煅烧阶段，以第一煅烧阶段结束时温度为起始温度，以0.5～2℃/min的升温速率升至1450℃～1500℃；进入玻璃化阶段，保持第二煅烧阶段结束时温度，恒温时间2～6h。

进一步的，所述第一煅烧阶段中氟化物气体通入流量为400cc/min～600cc/min；所述第二煅烧阶段中氟化物气体通入流量为600cc/min～1000cc/min；所述玻璃化阶段中氟化物气体通入流量为300cc/min～500cc/min。

进一步的，在所述依次在靶棒表面形成主要构成为二氧化硅的芯层、内包层、光学包层，得到粉末棒，其中所述芯层还包括反应生成的二氧化锗的步骤中，形成芯层的反应气体包括氧气、氢气、四氯化硅、四氯化锗、Ar气体，其中四氯化锗的通入流量控制在20-120cc/min。

进一步的，在所述依次在靶棒表面形成主要构成为二氧化硅的芯层、内包层、光学包层，得到粉末棒，其中所述芯层还包括反应生成的二氧化锗的步骤中，形成内包层的反应气体包括氧气、氢气、四氯化硅、Ar气体，其中四氯化硅的通入流量控制在4g/min～12g/min，反应生成的二氧化硅粉末密度控制在0.5～1.5g/cm³，内包层的厚度是芯层半径的1/8～1。

进一步的，在所述依次在靶棒表面形成主要构成为二氧化硅的芯层、内包层、光学包层，得到粉末棒，其中所述芯层还包括反应生成的二氧化锗的步骤中，形成光学包层的反应气体包括氧气、氢气、四氯化硅、Ar气体，其中四氯化硅的通入流量控制在25g/min～50g/min，反应生成的二氧化硅粉末密度控制在0.2～0.6g/cm³，光学包层和内包层的总厚度是芯层半径的3.0～10.5倍。

进一步的，所述掺氟烧结的步骤包括将包覆有外包层的玻璃棒置于氟化物气氛中煅烧，其中氟化物通入流量控制在300～800cc/min；所述氟化物包括SiF₄、CF₄、SF₆、C₂F₆、SOF₂、C₂F₂Cl₂的一种或至少两种组合。

本发明还提供一种光纤预制棒，采用所述的光纤预制棒的制备方法成型得到，所述光纤预制棒由内而外依次包括同轴设置的：

中间芯层，半径4～6μm，相对二氧化硅的折射率为0.03～0.12％；

内结构包层，半径5～8μm，相对二氧化硅的折射率为线性渐变分布；

光学结构层，半径25～45μm，相对二氧化硅的折射率为-0.25～-0.35％；

外包层，半径等于62.5μm，相对二氧化硅的折射率为-0.20～-0.30％。

本发明还涉及一种粉末棒沉积设备，包括喷灯、沉积室、靶棒及吊杆，所述靶棒的一端连接于所述吊杆端部，所述靶棒伸入所述沉积室，所述喷灯喷射反应气流沉积粉末附着于靶棒上，其特征在于：所述沉积室连通于上部沉积腔体，所述上部沉积腔体包括同轴设置的上部沉积腔体内层和上部沉积腔体外层及盖设在远离沉积室的端部的上部沉积腔体端盖，其中上部沉积腔体内层用以容纳粉末棒上提空间，上部沉积腔体外层用于外部气体的灌入。

进一步的，上部沉积腔体端盖对应于上部沉积腔体外层的部分设有不少于10个气孔，用以控制进气气流大小。

进一步的，所述靶棒包括空心靶棒和实心靶棒，所述空心靶棒的第一端部连接于所述吊杆上；所述实心靶棒的第一端部穿插固定在所述空心靶棒的第二端部的内孔中，所述实心靶棒的第二端部为自由端，所述靶棒在所述吊杆的带动下转动或移动；所述空心靶棒第一端部和所述实心靶棒的第二端部之间的表面用于沉积形成附接于所述空心靶棒和所述实心靶棒上的粉末棒，沉积完成后，所述实心靶棒的第二端部用作夹持部，在外力作用下使得所述实心靶棒抽出以形成附接所述空心靶棒的空心粉末棒。

进一步的，所述空心靶棒的内径与所述实心靶棒的棒径相等。

进一步的，所述空心靶棒与所述实心靶棒的外径相等。

进一步的，所述空心靶棒第一端部的内径大于所述空心靶棒的内径，且所述实心靶棒的第二端部的外径大于所述实心靶棒的棒径。

进一步的，所述空心靶棒与所述实心靶棒的外径相等，所述空心靶棒第一端部的厚度为所述空心靶棒的厚度的一半。

进一步的，所述空心靶棒的第一端部为碱金属及其载气的进口，所述空心粉末棒的自由端的内孔为碱金属及其载气的出口。

进一步的，所述空心靶棒的长度小于所述实心靶棒的长度。

与现有技术相比，本申请通过内包层渐变式的掺氟分布可解决芯层、内包层、光学包层之间粘度匹配的制备工艺难点，特别是芯层与光学包层边界上粘度匹配；同时，实现粉末棒中各层氟化物的约束性扩散分布，保证各层折射率要求；中空粉末棒通过中心碱金属扩散，有利于降低芯层粘度，同时由于碱金属易扩散特性，在芯层扩散到外层的渐变过程，确保了芯层与内包层、光学包层之间的粘度匹配。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明一实施方式中光纤预制棒的制备流程图。

图2为本发明中采用的粉末棒沉积设备示意图。

图3为图2示出的上部沉积腔体端面示意图。

图4为本发明的气化柜结构示意图。

图5为本发明烧结阶段炉温控制示意图。

图6为本发明粉末棒脱羟、烧结、玻璃化处理过程的掺氟量控制示意图。

图7为本发明玻璃棒各层掺氟量及折射率分布。

图8为本发明的光纤预制棒的剖面结构示意图。

图9为本发明的光纤预制棒的折射率剖面示意图。

图10为不同进气方式下粉末棒棒径波动示意图。

图11为不同进气方式下光纤的衰减性能测试图。

附图标记说明:

粉末棒沉积设备 10

芯层喷灯 101

内包层喷灯 102

光学包层喷灯 103

沉积室 104

吊杆 105

靶棒 106

实心靶棒 1061

实心靶棒的第一端部 1061b

实心靶棒的第二端部 1061a

空心靶棒 1062

空心靶棒的第一端部 1062a

空心靶棒的第二端部 1062b

粉末棒 107

空心粉末棒 1071

空心粉末棒自由端 1071a

上部沉积腔体 108

上部沉积腔体内层 108a

上部沉积腔体外层 108b

上部沉积腔体端盖 108c

气孔 108d

气化柜 70

气化室 707

进气口 701

压力传感器 703

出气口 705

光纤预制棒 50

中间芯层 501

内结构包层 503

光学结构层 505

外结构包层 509

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明实施例。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明实施例的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施方式中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明实施例，所描述的实施方式仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明实施例保护的范围。

本文中“VAD”指轴向汽相沉积，英文全称：Vapor Axial Deposition，简称VAD。

本文中“OVD”指外汽相沉积法，英文全称：Outside Vapour Deposition，简称OVD。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明实施例的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明实施例。

请参阅图1，为本发明的一具体实施例中光纤预制棒的制备流程图，其包括以下步骤：

步骤S1：依次在靶棒表面形成主要构成为二氧化硅的芯层r01、内包层r02、光学包层r03，得到粉末棒，其中所述芯层r01还包括反应生成的二氧化锗。掺锗对折射率的贡献是提高石英玻璃的相对折射率。

在具体实施方式中，形成芯层的反应气体包括氧气、氢气、四氯化硅、四氯化锗、Ar气体，其中四氯化锗的通入流量控制在20-120cc/min。形成内包层的反应气体包括氧气、氢气、四氯化硅、Ar气体，其中四氯化硅的通入流量控制在4g/min～12g/min，反应生成的二氧化硅粉末密度控制在0.5～1.5g/cm³，内包层的厚度是芯层半径的1/8～1，即(r02-r01)/r01。形成光学包层的反应气体包括氧气、氢气、四氯化硅、Ar气体，其中四氯化硅的通入流量控制在25g/min～50g/min，反应生成的二氧化硅粉末密度控制在0.2～0.6g/cm³，光学包层和内包层的总厚度是芯层半径的3.0～10.5倍，即(r03-r01)/r01，优选5.0-8.0倍。本步骤中反应气体可以是分别通入或混合气体通入，上述原料在火焰中高温反应生成二氧化硅微粒或二氧化锗和二氧化硅微粒，比如氧气、氢气、四氯化硅、四氯化锗、Ar气体的流量比可以是(1-3):(2-5):3:(0.10-0.2):(1-1.5)，氧气、氢气、四氯化硅、Ar气体的流量比可以是(1-3):3:3:(1-1.5)；本步骤对沉积的内包层与光学包层的厚度、密度进行优化设计，实现不同密度区分布的粉末层组合，由于各粉末层成分相近，芯层尽可能地少掺杂，烧结过程中各粉末层的粘度调控后匹配度高，不宜引起密度波动，又达到近纯硅芯设计或低掺锗芯层设计，从而降低瑞利散射，降低最终光纤的损耗。

步骤S2：抽离靶棒以形成中空的粉末棒，然后将碱金属通入中空部分，进而使得碱金属扩散至粉末棒中得到碱金属掺杂的粉末棒。

在具体实施方式中，所述碱金属由载气携带通入所述中空的粉末棒的中空部分，所述载气的流量控制在200cc/min～500cc/min，所述载气的环境压力控制在5～15pa，环境温度控制在300～500℃，所述碱金属的持续通入时长控制在4～6h。所述碱金属包括锂、钠、钾、铷碱金属离子的一种或至少两种组合；所述载气包括Ar、O₂、N₂中的一种。该步骤S2的中空粉末棒通过中心掺碱金属，实现碱金属在芯层向外侧的扩散，有利于降低芯层粘度，同时，也实现芯层到外层(内包层和光学包层)的渐变过程，确保芯层与内包层、光学包层之间的粘度匹配。

步骤S3：将所述碱金属掺杂的粉末棒依序进行脱羟、烧结、玻璃化三个阶段处理以成型氟化物在芯层、内包层和光学包层内约束性扩散的玻璃棒，其中烧结阶段包括若干煅烧阶段，每一煅烧阶段和玻璃化阶段根据预设折射率要求设定通入氟化物气体的流量。该氟化物气体指包括SiF₄、CF₄、SF₆、C₂F₆、SOF₂、C₂F₂Cl₂的一种或至少两种组合的气体。

在具体实施方式中，所述烧结阶段包括第一煅烧阶段和第二煅烧阶段，所述第一煅烧阶段的升温速率大于所述第二煅烧阶段的升温速率，所述第一煅烧阶段结束时温度与所述第二煅烧阶段的起始温度相同。脱羟阶段中温度T1控制在1200～1250℃；第一煅烧阶段，以脱羟阶段的温度为起始温度，以3～5℃/min的升温速率升至1300℃～1400℃(T2)；第二煅烧阶段，以第一煅烧阶段结束时温度为起始温度，以0.5～2℃/min的升温速率升至1450℃～1500℃(T3)；进入玻璃化阶段，保持第二煅烧阶段结束时温度T3，恒温时间2～6h。所述第一煅烧阶段中氟化物气体通入流量为400cc/min～600cc/min；所述第二煅烧阶段中氟化物气体通入流量为600cc/min～1000cc/min；所述玻璃化阶段中氟化物气体通入流量为300cc/min～500cc/min。

请一并参阅图7，在厚度、密度优化设计的基础上，结合掺氟烧结工艺，所述玻璃棒中氟化物的含量在所述芯层中最少，在所述光学包层中最多且均匀分布，在所述内包层中为自所述芯层的外层的氟化物的含量逐渐增大直至所述光学包层的内层的氟化物的含量，即实现了氟化物在芯层、内包层与光学包层内的约束性扩散；同时，避免氟化物无节制向芯层大量扩散而导致芯层折射率的降低，影响到芯层、光学包层的折射率要求。所述氟化物包括SiF₄、CF₄、SF₆、C₂F₆、SOF₂、C₂F₂Cl₂的一种或至少两种组合。

通过上述工艺实现了光学包层中的掺氟要求，以及内包层氟化物渐变式分布，在芯层、光学包层之间起到很好的过渡性作用，将中心处的芯层、外层的光学包层之间的粘度有效匹配。传统的超低损耗大有效面积光纤都是采用下陷辅助设计方法，光纤中的能量分布为高斯分布，本发明通过芯层折射率结构变化，可以有效提高光纤模场直径，增加光纤的有效面积，无需一味降低芯层折射率和增加芯层直径。

步骤S4：采用轴向气相沉积工艺或外部气相沉积工艺在所述玻璃棒的表层成型外包层，然后通过掺氟烧结，得到透明的光纤预制棒。

在具体实施方式中，所述掺氟烧结的步骤包括将包覆有外包层的玻璃棒置于氟化物气氛中煅烧，其中氟化物通入流量控制在300～800cc/min；所述氟化物包括SiF₄、CF₄、SF₆、C₂F₆、SOF₂、C₂F₂Cl₂的一种或至少两种组合。掺氟对折射率的贡献是降低石英玻璃的相对折射率，该掺氟设计有利于提高光纤的抗弯曲性能。

采用上述制备方法成型的光纤预制棒50如图8和图9所示，所述光纤预制棒由内而外依次包括同轴设置的：

中间芯层501，半径r1＝4～6μm，相对二氧化硅的折射率△n1为0.03～0.12％；

内结构包层503，半径r2＝5～8μm，相对二氧化硅的折射率△n2为渐变分布；

光学结构层505，半径r3＝25～45μm，相对二氧化硅的折射率△n3为-0.25～-0.30％；

外结构包层509，半径r5大于等于60μm，折射率△n5为-0.20～-0.30％。

下面结合图2和图3对本发明的步骤S1中采用到的粉末棒沉积设备10进行详细的阐述。

该设备包括靶棒106、沉积室104、光学包层喷灯103、内包层喷灯102、芯层喷灯101、吊杆105和上部沉积腔体108。其中，沉积室104上部设置有上部沉积腔体108，上部沉积腔体108内装有吊杆105，吊杆105设置有挂钩，吊杆105与提升机构(图未示出)相连，靶棒106悬挂在与提升机构相连的吊杆105的挂钩上，在沉积室104下部一侧依次装有光学包层喷灯103、内包层喷灯102和芯层喷灯101，这些喷灯(103、102、101)朝向靶棒106喷射气流，从而逐层反应形成粉末附着在靶棒106上。在具体实施方式中，上部沉积腔体108分内外两室，即上部沉积腔体内层108a和上部沉积腔体外层108b，其端部该设有上部沉积腔体端盖108c(如图3所示)。上部沉积腔体外层108b主要是外部气体灌入，上部沉积腔体内层108a主要是容纳粉末棒上提空间，上部沉积腔体端盖108c用于密封粉末棒容纳空间，防止气流进入，上部沉积腔体端盖108c对应于上部沉积腔体外层108b的部分设有不少于10个气孔108d，用以控制进气气流大小。如此将上部沉积腔体108分为内外两室，有效将粉末棒容纳空间和气体进入腔体分离，避免随着粉末棒棒径的增加，上部沉积腔体中用于气体灌入的空间减少而引起的腔体压力波动，致使粉末棒107的棒径产生波动，上述结构设计能够有效改善粉末棒107的棒径波动。

图2示出的靶棒106包括空心靶棒1062和实心靶棒1061，空心靶棒1062包括两端，分别是空心靶棒第一端部1062a和空心靶棒第二端部1062b；实心靶棒1061也包括两端，分别是实心靶棒第一端部1061b和实心靶棒第二端部1061a；所述空心靶棒的第一端部1062a连接于所述吊杆105上；所述实心靶棒的第一端部1061b穿插固定在所述空心靶棒的第二端部1062b的内孔中，所述实心靶棒的第二端部1061a为自由端，所述靶棒106在所述吊杆105的带动下转动或移动；所述空心靶棒第一端部1062a和所述实心靶棒的第二端部1061a之间的表面用于沉积形成附接于所述空心靶棒1062和所述实心靶棒1061上的粉末棒107，沉积完成后，所述实心靶棒的第二端部1061a用作夹持部，在外力作用下使得所述实心靶棒1061抽出以形成附接所述空心靶棒1062的空心粉末棒1071。所述空心靶棒1062的长度小于所述实心靶棒1061的长度。在具体实施方式中，所述空心靶棒1062的内径与所述实心靶棒1061的棒径相等，或者所述空心靶棒1062与所述实心靶棒1061的外径相等。当为后者时，具体地，所述空心靶棒第一端部1062a的内径大于所述空心靶棒1062的内径，且所述实心靶棒的第二端部1061a的外径大于所述实心靶棒1061的棒径；例如，所述空心靶棒1062与所述实心靶棒1061的外径相等，所述空心靶棒第一端部1062a的厚度为所述空心靶棒1062的厚度的一半。以上实施方式不唯一，优选外径相等的方式而已。

粉末棒的沉积过程：芯层喷灯101中通入氧气、氢气、四氯化硅、四氯化锗、Ar气体，通过高温反应形成二氧化硅、二氧化锗附着在靶棒端面，形成具有一定密度的疏松芯层。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102中通入氧气、氢气、四氯化硅、Ar气体。围绕在内包层表面具有一定厚度的二氧化硅层为光学包层，光学包层喷灯103中通入氧气、氢气、四氯化硅、Ar气体，粉末体沉积到设定长度后停止沉积。在通入的过程中，通过控制内包层、光学包层喷灯(102、103)的四氯化硅流量、氢氧流量比等能够达到控制内包层、光学包层的厚度与密度的目的。

粉末棒沉积结束后，抽取实心靶棒1061，再移至气化柜70中掺杂碱金属。下面结合图7对本发明的步骤S2中采用到的气化柜70进行详细的阐述。

该气化柜70包括气化室707，气化室707顶端设置进气口701和压力传感器703，气化室707底侧设有出气口705，空心靶棒1062携带空心粉末棒1071进入气化室707后密封，空心靶棒的第一端部1062a安装于气化室707外部。该空心靶棒的第一端部1062a为碱金属及其载气的进口，所述空心粉末棒的自由端1071a的内孔为碱金属及其载气的出口，碱金属自内而外，由芯层扩散至内包层以及光学包层。外部气体自进气口701进入气化室707中，充分反应后的混合气体经出气口705排出。载气流量控制在200cc/min～500cc/min，气化柜70内腔压力控制在5～15pa，气化柜70内反应温度控制在300～500℃，空心粉末棒1071气化处理的恒温时长为4～6h。

碱金属掺杂过程：将空心粉末棒1071移装至气化柜70中，载气带出碱金属，自上而下通入空心粉末棒1071中，碱金属接触进入芯层粉体空隙或孔洞中，进而由内而外扩散，同时进气口701通入外部气体(保护气氛之类)，保持气化室707内的气压处于控制范围，反应充分的气体再由出气口705排出，直至形成预设掺杂设计后停止。

下面结合具体实施例和对比例对采用本发明的方法成型光纤预制棒50的过程及其性能进行对比分析。

实施例1：

首先，采用VAD气相沉积工艺制备芯层、内包层和光学包层，沉积过程中芯层通入GeCl₄气体，流量控制在30cc/min；内包层中SiCl₄流量控制在5g/min、粉末密度控制在1.3g/cm³；光学包层中SiCl₄流量控制在25g/min，粉末密度控制在0.6g/cm³。

粉末棒沉积结束后，抽取实心靶棒，再移至气化柜中，KBr通过载气Ar携带，从中空石英靶棒开口处通入，Ar流量控制在500cc/min，气化柜压力控制在15pa，气化柜温度控制在300℃，恒温4h。

然后将碱金属掺杂的粉末棒在烧结炉中进行脱羟、烧结、玻璃化处理。首先，脱羟温度控制在1200℃；脱羟结束后，进入烧结阶段1，玻璃化温度以3℃/min的升温速率升至1300℃，同时CF₄气体流量控制在400cc/min；待升至1300℃后，进入烧结阶段2，玻璃化温度以0.5℃/min的升温速率升至1450℃，同时CF₄气体流量控制在600cc/min；待升至1450℃后；进入恒温阶段，恒温时间2h，CF₄气体流量控制在300cc/min，粉末棒进一步烧结成透明玻璃体。

将上述玻璃棒采用OVD气相合成工艺，达到目标重量或棒径后，沉积结束，再掺氟烧结，CF₄气体流量控制在400cc/min，将粉末棒制备成透明的超低损耗光纤预制棒50。

折射率剖面特征：

中间芯层501：△n1＝0.04％，r1＝4.5μm；

内结构包层503为掺氟过渡区，r2＝5.5μm；

光学结构层505：△n3＝-0.26％，r3＝28μm；

外结构包层509：△n4＝-0.20％，r4＝62.5μm。

光纤性能测试结果：光纤有效面积＝145μm²，1550nm衰减0.164dB/km，缆波长1440nm。

实施例2：

首先，采用VAD气相沉积工艺制备芯层、内包层和光学包层，沉积过程中芯层通入GeCl₄气体，流量控制在60cc/min；内包层中SiCl₄流量控制在8g/min、粉末密度控制在0.8g/cm³；光学包层中SiCl₄流量控制在35g/min，粉末密度控制在0.4g/cm³。

粉末棒沉积结束后，抽取实心靶棒，再移至气化柜中，KCl通过载气O₂携带，从中空石英靶棒开口处通入，O₂流量控制在400cc/min，气化柜压力控制在10pa，气化硅温度控制在400℃，恒温4h。

然后将掺杂碱金属的粉末棒在烧结炉中进行脱羟、烧结和玻璃化处理。首先，脱羟温度控制在1200℃；脱羟结束后，进入烧结阶段1，玻璃化温度以4℃/min的升温速率升至1350℃，同时SiF₄气体流量控制在500cc/min；待升至1350℃后，进入烧结阶段2，玻璃化温度以1℃/min的升温速率升至1450℃，同时SiF₄气体流量控制在800cc/min；待升至1450℃后；进入恒温阶段，恒温时间4h，SiF4气体流量控制在400cc/min，粉末棒进一步烧结成透明玻璃体。

将上述玻璃棒采用OVD气相合成工艺，达到目标重量或棒径后，沉积结束，再掺氟烧结，SiF₄气体流量控制在500cc/min，将粉末棒制备成透明的超低损耗光纤预制棒50。

折射率剖面特征：

中间芯层501：△n1＝0.08％，r1＝5.0μm；

内结构包层503为掺氟过渡区，r2＝6.2μm；

光学结构包层505：△n3＝-0.30％，r3＝36μm；

外结构包层509：△n4＝-0.23％，r4＝62.5μm。

光纤性能测试结果：光纤有效面积＝140μm²，1550nm衰减0.163dB/km，缆波长1510nm。

实施例3：

首先，采用VAD气相沉积工艺制备芯层、内包层和光学包层，沉积过程中芯层通入GeCl₄气体，流量控制在100cc/min；内包层中SiCl₄流量控制在12g/min、粉末密度控制在0.6g/cm³；光学包层中SiCl₄流量控制在45g/min，粉末密度控制在0.2g/cm³。

粉末棒沉积结束后，抽取实心靶棒，再移至气化柜中，KBr通过载气O₂携带，从中空石英靶棒开口处通入，O₂流量控制在300cc/min，气化柜压力控制在7pa，气化硅温度控制在500℃，恒温6h。

然后将掺杂碱金属的粉末棒在烧结炉中进行脱羟、烧结和玻璃化处理。首先，脱羟温度控制在1250℃；脱羟结束后，进入烧结阶段1，玻璃化温度以5℃/min的升温速率升至1400℃，同时CF₄气体流量控制在600cc/min；待升至1400℃后，进入烧结阶段2，玻璃化温度以1.8℃/min的升温速率升至1500℃，同时CF₄气体流量控制在1000cc/min；待升至1500℃后；进入恒温阶段，恒温时间6h，CF₄气体流量控制在500cc/min，粉末棒进一步烧结成透明玻璃体。

将上述玻璃棒采用OVD气相合成工艺，达到目标重量或棒径后，沉积结束，再掺氟烧结，CF₄气体流量控制在800cc/min，将粉末棒制备成透明的超低损耗光纤预制棒50。

折射率剖面特征：

中间芯层501：△n1＝0.12％，r1＝5.5μm；

内结构包层503为掺氟过渡区，r2＝7.5μm；

光学结构包层505：△n3＝-0.33％，r3＝45μm；

外结构包层509：△n4＝-0.30％，r4＝62.5μm。

光纤性能测试结果：光纤有效面积＝132μm²，1550nm衰减0.162dB/km，缆波长1480nm。

对比例1：

本例的制备过程及参数设定基本与实施例3相同，不同在于：步骤S1中采用常规VAD气相沉积腔体沉积，即气流从上部粉末体室中进入下部腔体，与粉末体同处一室。

对于不同进气方式成型的粉末棒，我们以实施例3和对比例1的工艺条件进行多组试样的制备，分别测试了各试样中光学包层和内包层的厚度与各自芯层棒径的倍率，其中所有芯层的棒径一致，如图10所示。图中可见采用本发明的进气方式粉末棒的棒径基本一致，22组试样结果维持在7.20-7.30倍之间，波动很小；而采用对比例1的常规进气方式，粉末棒的棒径波动很大，范围在7.10⁺倍至7.50⁺倍之间不等，5个试样明显高于7.40倍，其余17个试样基本不高于7.40倍，很不稳定。因此，结果表明本发明的进气方式有助于减少粉末棒棒径的波动，更容易实现厚度、密度的设计和控制。

折射率剖面特征：

中间芯层：△n1’＝0.12％，r1’＝5.4μm；

内结构包层为掺氟过渡区，r2’＝7.6μm；

光学结构包层：△n3’＝-0.33％，r3’＝45μm；

外结构包层：△n4’＝-0.30％，r4’＝62.5μm。

光纤性能测试结果：光纤有效面积＝132μm²，1550nm衰减0.165dB/km，缆波长1490nm。

对于不同进气方式成型的光纤，我们同样对比测试了1550nm下的衰减，如图11所示。图中结果显示，实施例3的16组试样的衰减基本在0.155-0.165dB/km之间，更精确的讲为0.158-0.162dB/km之间。对比例1的16组中衰减最高达0.175dB/km以上，最低值约为0.158dB/km，其均值大于实施例3的，样品的再现性差，合格率难控制。可见，进气方式对光纤的衰减同样存在影响，通过粉末棒沉积气流控制，可实现芯棒中芯层、内包层、光学包层之间的恒定比值，从而避免芯棒纵向波动引起的衰减纵向不稳定性。

综上，本发明的光纤预制棒的制备方法简单，能有效控制实现超低损耗大有效面积的光纤的量化生产，性能优良，有效面积达120-150μm²，1550nm衰减低于0.165dB/km，缆波长低于1530nm，是未来400G及以上传输系统中光纤的优选材料。该方法的有益之处在于：(1)VAD沉积中内包层与光学包层的厚度、密度优化设计后，实现不同密度区分布的粉末层组合，结合线性烧结掺氟工艺，实现氟化物在芯层、内包层与光学包层内的约束性扩散；同时，避免氟化物无节制向芯层大量扩散而导致芯层折射率的降低，影响到芯层、光学包层的折射率要求；(2)通过上述工艺实现了光学包层中的掺氟要求，以及内包层氟化物渐变式分布，在芯层、光学包层之间起到很好的过渡性作用，将中心处的芯层、外层的光学包层之间的粘度有效匹配；(3)中空粉末棒通过中心掺碱金属，实现碱金属在芯层向外侧的扩散，有利于降低芯层粘度，同时，也实现芯层到外层的渐变过程，确保芯层与内包层、光学包层之间的粘度匹配。(4)上部腔体分为内外两室，有效将粉末棒容纳空间和气体进入腔体分离，避免随着粉末棒增加，同时，外室上盖板采用带孔，可以束缚进气量，这种结构大幅改善沉积腔体中的气流紊流，达到有效改善粉末棒的棒径波动的效果。

以上实施方式仅用以说明本发明实施例的技术方案而非限制，尽管参照以上较佳实施方式对本发明实施例进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明实施例的技术方案进行修改或等同替换都不应脱离本发明实施例的技术方案的精神和范围。

Claims (11)

1.一种光纤预制棒的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

依次在靶棒表面形成主要构成为二氧化硅的芯层、内包层、光学包层，得到粉末棒，其中所述芯层还包括反应生成的二氧化锗；其中所述芯层还包括反应生成的二氧化锗的步骤中，形成内包层的反应气体包括氧气、氢气、四氯化硅、Ar气体，其中四氯化硅的通入流量控制在4g/min~12g/min，反应生成的二氧化硅粉末密度控制在0.5~1.5g/cm³，内包层的厚度是芯层半径的1/8~1，形成光学包层的反应气体包括氧气、氢气、四氯化硅、Ar气体，其中四氯化硅的通入流量控制在25g/min~50g/min，反应生成的二氧化硅粉末密度控制在0.2~0.6g/cm³，光学包层和内包层的总厚度是芯层半径的3.0~10.5倍；

抽离靶棒以形成中空的粉末棒，然后将碱金属通入中空部分，进而使得碱金属扩散至粉末棒中得到碱金属掺杂的粉末棒；

将所述碱金属掺杂的粉末棒依序进行脱羟、烧结、玻璃化三个阶段处理以成型氟化物在芯层、内包层和光学包层内约束性扩散的玻璃棒，其中烧结阶段包括若干煅烧阶段，每一煅烧阶段和玻璃化阶段根据预设折射率要求设定通入氟化物气体的流量；

采用轴向气相沉积工艺或外部气相沉积工艺在所述玻璃棒的表层成型外包层，然后通过掺氟烧结，得到透明的光纤预制棒。

2.根据权利要求1所述的光纤预制棒的制备方法，其特征在于：所述抽离靶棒以形成中空的粉末棒，然后将碱金属通入中空部分，进而使得碱金属扩散至粉末棒中得到碱金属掺杂的粉末棒的步骤，其中所述碱金属由载气携带通入所述中空的粉末棒的中空部分，所述载气的流量控制在200cc/min~500cc/min，所述载气的环境压力控制在5~15pa，环境温度控制在300~500℃，所述碱金属的持续通入时长控制在4~6h。

3.根据权利要求2所述的光纤预制棒的制备方法，其特征在于：所述碱金属包括锂、钠、钾、铷碱金属离子的一种或至少两种组合；所述载气包括Ar、O₂、N₂中的一种。

4.根据权利要求1所述的光纤预制棒的制备方法，其特征在于：所述烧结阶段包括第一煅烧阶段和第二煅烧阶段，所述第一煅烧阶段的升温速率大于所述第二煅烧阶段的升温速率，所述第一煅烧阶段结束时温度与所述第二煅烧阶段的起始温度相同。

5.根据权利要求4所述的光纤预制棒的制备方法，其特征在于：脱羟阶段中温度控制在1200~1250℃；第一煅烧阶段，以脱羟阶段的温度为起始温度，以3~5℃/min的升温速率升至1300℃~1400℃；第二煅烧阶段，以第一煅烧阶段结束时温度为起始温度，以0.5~2℃/min的升温速率升至1450℃~1500℃；进入玻璃化阶段，保持第二煅烧阶段结束时温度，恒温时间2~6h。

6.根据权利要求5所述的光纤预制棒的制备方法，其特征在于：所述第一煅烧阶段中氟化物气体通入流量为400cc/min~600cc/min；所述第二煅烧阶段中氟化物气体通入流量为600cc/min~1000cc/min；所述玻璃化阶段中氟化物气体通入流量为300cc/min~500cc/min。

7.根据权利要求1所述的光纤预制棒的制备方法，其特征在于：在所述依次在靶棒表面形成主要构成为二氧化硅的芯层、内包层、光学包层，得到粉末棒，其中所述芯层还包括反应生成的二氧化锗的步骤中，形成芯层的反应气体包括氧气、氢气、四氯化硅、四氯化锗、Ar气体，其中四氯化锗的通入流量控制在20-120cc/min。

8.根据权利要求1所述的光纤预制棒的制备方法，其特征在于：所述掺氟烧结的步骤包括将包覆有外包层的玻璃棒置于氟化物气氛中煅烧，其中氟化物通入流量控制在300~800cc/min；所述氟化物包括SiF₄、CF₄、SF₆、C₂F₆、SOF₂、C₂F₂Cl₂的一种或至少两种组合。

9.一种光纤预制棒，其特征在于，采用如权利要求1-8中任一项所述的光纤预制棒的制备方法成型得到，所述光纤预制棒由内而外依次包括同轴设置的：

中间芯层，半径4~6μm，相对二氧化硅的折射率为0.03~0.12%；

内结构包层，半径5~8μm，相对二氧化硅的折射率为线性渐变分布；

光学结构层，半径25~45μm，相对二氧化硅的折射率为-0.25~-0.35%；

外包层，半径等于62.5μm，相对二氧化硅的折射率为-0.20~-0.30%。

10.一种粉末棒沉积设备，包括喷灯、沉积室、靶棒及吊杆，所述靶棒的一端连接于所述吊杆端部，所述靶棒伸入所述沉积室，所述喷灯喷射反应气流沉积粉末附着于靶棒上，其特征在于：应用于如权利要求1至8任意一项中所述的光纤预制棒的制备方法，所述沉积室连通于上部沉积腔体，所述上部沉积腔体包括同轴设置的上部沉积腔体内层和上部沉积腔体外层及盖设在远离沉积室的端部的上部沉积腔体端盖，其中上部沉积腔体内层用以容纳粉末棒上提空间，上部沉积腔体外层用于外部气体的灌入，所述喷灯包括光学包层喷灯、内包层喷灯和芯层喷灯，所述光学包层喷灯、内包层喷灯和芯层喷灯依次设于所述沉积室下部一侧；

所述靶棒包括空心靶棒和实心靶棒，所述空心靶棒的第一端部连接于所述吊杆上；所述实心靶棒的第一端部穿插固定在所述空心靶棒的第二端部的内孔中，所述实心靶棒的第二端部为自由端，所述靶棒在所述吊杆的带动下转动或移动；所述空心靶棒第一端部和所述实心靶棒的第二端部之间的表面用于沉积形成附接于所述空心靶棒和所述实心靶棒上的粉末棒，沉积完成后，所述实心靶棒的第二端部用作夹持部，在外力作用下使得所述实心靶棒抽出以形成附接所述空心靶棒的空心粉末棒；

所述空心靶棒的第一端部为碱金属及其载气的进口，所述空心粉末棒的自由端的内孔为碱金属及其载气的出口；所述空心靶棒的长度小于所述实心靶棒的长度。

11.根据权利要求10所述的粉末棒沉积设备，其特征在于：上部沉积腔体端盖对应于上部沉积腔体外层的部分设有不少于10个气孔，用以控制进气气流大小。