CN112499961A - 光纤及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种光纤的制备方法，包括以下步骤：制备粉末体芯棒；将所述粉末体芯棒依序进行脱羟基、烧结处理得到玻璃棒，其中脱羟基处理包括将所述粉末体芯棒置于包括含氟气体的脱羟基气氛中进行脱羟基处理，所述玻璃棒的羟基含量小于5ppm；在所述玻璃棒表面形成外包层得到光纤预制棒；将所述光纤预制棒拉丝成纤丝，将所述纤丝进行保温退火处理；在所述纤丝表面涂覆树脂，然后进行紫外固化，得到光纤。本发明还提供采用上述光纤的制备方法制得的光纤。

Description

光纤及其制备方法
技术领域
本发明涉及光通信技术领域，尤其涉及一种光纤及其制备方法。
背景技术
随着光纤技术的发展，光纤的长距离传输的需求越来越大。若光纤的衰减损耗较高，则在长距离通信传输的过程中需要增加中继站进行信号的增强，增加了运营成本。为此，制备衰减损耗更小的光纤变得十分重要。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种能够解决上述技术问题的光纤。
一种光纤的制备方法，包括以下步骤：制备粉末体芯棒；将所述粉末体芯棒依序进行脱羟基、烧结处理得到玻璃棒，其中脱羟基处理包括将所述粉末体芯棒置于包括含氟气体的脱羟基气氛中进行脱羟基处理，所述玻璃棒的羟基(-OH)含量小于5ppm；在所述玻璃棒表面形成外包层得到光纤预制棒；将所述光纤预制棒拉丝成纤丝，将所述纤丝进行保温退火处理；在所述纤丝表面涂覆树脂，然后进行紫外固化，得到光纤。
在一可选的实施方式中，所述含氟气体包含SiF4、CF4、C2F6中的至少一种。
在一可选的实施方式中，所述脱羟基气氛还包括载气，所述载气包括N2、He、Ar中的至少一种，所述含氟气体和所述载气的体积比为1:(9～35)。
在一可选的实施方式中，所述光纤的制备方法还包括以下步骤：将经过保温退火处理的纤丝以2％的筛选应变进行筛选。
在一可选的实施方式中，在拉丝过程中，拉丝的张力值上下波动不超过0.5％。
在一可选的实施方式中，所述光纤预制棒在拉丝炉中拉丝成纤丝，所述拉丝炉的炉口、炉壳的中心位置以及底部分别开设有进气口，在拉丝过程中，惰性气体通过所述进气口通入所述拉丝炉中，使拉丝炉内各处的热场保持一致并稳定。
在一可选的实施方式中，所述拉丝炉内的惰性气体的流量总量维持在10～50L，从拉丝炉的炉口、炉壳的中心位置以及底部通入的惰性气体的流量比例为(1～3)：(1～2.5)：1。
在一可选的实施方式中，所述纤丝在保温炉中进行保温退火处理，所述保温炉的温度满足以下公式：
Figure BDA0002820103660000021
其中Tin为纤丝进入保温炉时的温度，Tout为纤丝出保温炉时的温度，T∞为环境温度，K为导热率，L为纤丝移动距离，V为拉丝速度。
在一可选的实施方式中，所述树脂为丙烯酸树脂或有机硅树脂。
本发明还提供一种光纤，所述光纤采用上述光纤的制备方法制得，所述光纤在1310nm波长的衰减系数为0.33dB/km，在1383nm波长的衰减系数为0.28dB/km。
本发明实施方式提供的光纤的制备方法中，一方面通过脱羟基处理，使得玻璃棒的羟基含量小于5ppm；另一方面通过控制拉丝张力，使其保持在一合适的稳定值，控制拉丝过程中Si-O-H的形成，从而减少光纤中羟基的含量，进而减少光纤的衰减系数。另外，通过对纤丝进行保温退火处理来降低拉丝后纤丝的冷却速度，进而降低假想温度Tf，以降低衰减系数；且通过保温退火处理，使光纤内部应力完全释放，提高光纤内部结构的均匀性，进而降低瑞利散射，以降低衰减系数。
具体实施方式
本发明一实施方式提供一种光纤的制备方法，其包括以下步骤：
步骤S1：制备粉末体芯棒。
所述粉末体芯棒包括主要成分为二氧化硅的芯层和内包层。所述内包层为包层折射率的下陷结构。本实施方式中，所述芯层采用轴向气相沉积工艺制成，所述内包层采用改进的化学气相沉积工艺制成。
步骤S2：将所述粉末体芯棒依序进行脱羟基、烧结处理得到玻璃棒，其中脱羟基处理包括将所述粉末体芯棒置于包括含氟气体的脱羟基气氛中进行脱羟基处理，所述玻璃棒的羟基(-OH)含量小于5ppm。
所述含氟气体包含SiF4、CF4、C2F6中的至少一种。所述脱羟基气氛还包括载气，所述载气包括N2、He、Ar中的至少一种。所述含氟气体和所述载气的体积比为1:(9～35)。脱羟基处理时，处理温度控制在300～1300℃，将含氟气体和载气按照预设流量比通入形成脱羟基气氛，处理时间控制在1～40h。
步骤S3：在所述玻璃棒表面形成外包层得到光纤预制棒。
具体的，可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面形成外包层，然后通过烧结，得到透明的光纤预制棒。本实施方式中，外包层采用外部气相沉积工艺制备而成。其中，外部气相沉积工艺是将上述完成的玻璃棒放置在外部气相沉积机台上进行沉积，达到目标重量或棒径后，沉积结束，再进行烧结，将粉末棒制备成透明的玻璃棒，即制得光纤预制棒。在其他实施方式中，外包层的生产也可以使用高纯石英套管进行融缩。
步骤S4：将所述光纤预制棒拉丝成纤丝，将所述纤丝进行保温退火处理。
拉丝的张力受整个制备方法的工艺参数、拉丝功率等数据的影响，维持在一合适的稳定值F0。在拉丝过程中，张力不宜过小，否则会加剧Si-O-H的形成；张力也不宜过大，张力过大会导致光纤内部结构的不均匀性加剧增加瑞利散射，因此对应于最小衰减系数有一对应的张力值F0。在拉丝过程中，拉丝的张力值上下波动不超过0.5％，以使拉丝过程中的拉丝张力尽量稳定。
具体的，将所述光纤预制棒送入拉丝炉中熔融拉丝成纤丝，将纤丝送入保温炉中进行保温退火处理。拉丝过程中，采用多路进气方式向所述拉丝炉中通入惰性气体，使拉丝炉内各处的热场保持一致并稳定，从而减小光纤预制棒熔融过程中因热场不均导致的光纤内应力增加。在一具体实施方式中，采用三路进气方式，三个进气口分别位于拉丝炉的炉口、拉丝炉的炉壳的中心位置以及拉丝炉的底部，拉丝炉内惰性气体的流量总量维持在10～50L，从拉丝炉的炉口、拉丝炉的炉壳的中心位置以及拉丝炉的底部通入的惰性气体的流量比例为(1～3)：(1～2.5)：1。
纤丝在拉丝炉内形成后逐渐由炉温冷却至室温，玻璃黏度由低变高，在这个过程中，纤丝的假想温度Tf对光纤的衰减的影响至关重要。假想温度Tf定义为玻璃从软化态到凝固态转变的温度。Tf数值的高低代表了纤丝在冷却过程中的退火程度，其数值越低，表示退火越完全，由分子和原子重排造成的瑞利散射系数越低，衰减系数越接近于理论极限值。在拉丝过程中，假定温度Tf受到冷却速度的影响，其满足以下公式：
Figure BDA0002820103660000051
其中a1和a2是和光纤的材料相关的常数，q是冷却的速度(单位为K/s)，q0＝1K/s，Tg为玻璃转化温度。由上述公式可知，降低冷却速度是降低假想温度的有效办法。本发明中，通过将纤丝进行保温退火处理来降低纤丝的冷却速度。
保温炉位于拉丝炉的底部，从拉丝炉中出来的纤丝直接进入保温炉中进行保温退火处理。保温炉的温度满足以下公式：
Figure BDA0002820103660000052
其中Tin为纤丝进入保温炉时的温度，Tout为纤丝出保温炉时的温度，T∞为环境温度，K为导热率，L为纤丝移动距离，V为拉丝速度。在一定拉丝条件下，L和V为已知，环境温度为常数，K为定值，Tin为已知，从而可计算出Tout温度进行设定。根据上述公式，设定保温炉温度tx，并且确定与之相匹配的温区长度Lx，即可保证纤丝在保温退火过程中其内部应力完全释放，提高光纤内部结构的均匀性，进而降低瑞利散射。
步骤S5：在所述纤丝表面涂覆树脂，然后进行紫外固化，得到光纤。所述树脂的杨氏模量小于0.7MPa。固化后的树脂作为光纤的涂覆层，用于保护光纤，减少拉丝过程中产生的结构缺陷，降低光纤的衰减。
所述树脂为丙烯酸树脂或有机硅树脂。所述丙烯酸树脂的粘度为2000-5000cps，所述有机硅树脂的粘度为3000-8000cps。所述丙烯酸树脂或有机硅树脂的粘度均不宜太小，会导致涂覆涂料流挂，固化效果不好；当然也不宜太大，粘度大，流动性就差，需要加温处理，而实际上加热温度又不宜太高，且若在较大粘度下涂覆，一方面粘附力不好，固化时间长，固化后易产生内应力，不利于光纤的性能，如衰减特性会变差。
在具体实施方式中，所述制备方法还包括以下步骤：
步骤S41：在步骤S4之后且在步骤S5之前，以2％的筛选应变筛选经保温退火处理的纤丝，以提高制得的光纤的强度。
步骤S6：所述光纤成型之后采用自动收线装置收绕于光纤盘上。
采用上述制备方法制得的光纤，由内至外依次包括芯层、内包层、外包层以及涂覆层，其中涂覆层包括丙烯酸树脂涂覆层或有机硅树脂涂覆层。所述光纤为单模光纤或多模光纤。光纤性能测试参数如下表所示。
表1
Figure BDA0002820103660000061
表2
Figure BDA0002820103660000062
表3
Figure BDA0002820103660000063
表4
Figure BDA0002820103660000071
表5
Figure BDA0002820103660000072
表6
Figure BDA0002820103660000073
表7
Figure BDA0002820103660000074
表8
Figure BDA0002820103660000075
表9
Figure BDA0002820103660000076
Figure BDA0002820103660000081
由上述性能可知，本发明光纤在1310nm波长的衰减系数达到0.33dB/km，在1383nm波长的衰减系数达到0.28dB/km，且其满足2％筛选应变要求，使其能够适用于恶劣环境的长距离传输。另外，光纤的模场直径为8.58.5μm，使其可并入干线进行信号传输。
本发明的光纤的制备方法中，一方面通过脱羟基处理，使得玻璃棒的羟基含量小于5ppm；另一方面通过控制拉丝张力，使其保持在一合适的稳定值，控制拉丝过程中Si-O-H的形成，从而减少光纤中羟基的含量，进而减少光纤的衰减系数。另外，通过对纤丝进行保温退火处理来降低拉丝后纤丝的冷却速度，进而降低假想温度Tf，以降低衰减系数；且通过保温退火处理，使光纤内部应力完全释放，提高光纤内部结构的均匀性，进而降低瑞利散射，以降低衰减系数。再者，采用树脂涂覆纤丝，减少了光纤在拉丝过程中产生的结构缺陷，从而降低衰减系数。
以上所揭露的仅为本发明较佳实施方式而已，当然不能以此来限定本发明，因此依本发明所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种光纤的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
制备粉末体芯棒；
将所述粉末体芯棒依序进行脱羟基、烧结处理得到玻璃棒，其中脱羟基处理包括将所述粉末体芯棒置于包括含氟气体的脱羟基气氛中进行脱羟基处理，所述玻璃棒的羟基含量小于5ppm；
在所述玻璃棒表面形成外包层得到光纤预制棒；
将所述光纤预制棒拉丝成纤丝，将所述纤丝进行保温退火处理；
在所述纤丝表面涂覆树脂，然后进行紫外固化，得到光纤。
2.如权利要求1所述的光纤的制备方法，其特征在于，所述含氟气体包含SiF4、CF4、C2F6中的至少一种。
3.如权利要求1所述的光纤的制备方法，其特征在于，所述脱羟基气氛还包括载气，所述载气包括N2、He、Ar中的至少一种，所述含氟气体和所述载气的体积比为1:(9～35)。
4.如权利要求1所述的光纤的制备方法，其特征在于，还包括以下步骤：将经过保温退火处理的纤丝以2％的筛选应变进行筛选。
5.如权利要求1所述的光纤的制备方法，其特征在于，在拉丝过程中，拉丝的张力值上下波动不超过0.5％。
6.如权利要求1所述的光纤的制备方法，其特征在于，所述光纤预制棒在拉丝炉中拉丝成纤丝，所述拉丝炉的炉口、炉壳的中心位置以及底部分别开设有进气口，在拉丝过程中，惰性气体通过所述进气口通入所述拉丝炉中，使拉丝炉内各处的热场保持一致并稳定。
7.如权利要求6所述的光纤的制备方法，其特征在于，所述拉丝炉内的惰性气体的流量总量维持在10～50L，从拉丝炉的炉口、炉壳的中心位置以及底部通入的惰性气体的流量比例为(1～3)：(1～2.5)：1。
8.如权利要求1所述的光纤的制备方法，其特征在于，所述纤丝在保温炉中进行保温退火处理，所述保温炉的温度满足以下公式：
Figure FDA0002820103650000021
其中Tin为纤丝进入保温炉时的温度，Tout为纤丝出保温炉时的温度，T∞为环境温度，K为导热率，L为纤丝移动距离，V为拉丝速度。
9.如权利要求1所述的光纤的制备方法，其特征在于，所述树脂为丙烯酸树脂或有机硅树脂。
10.一种光纤，其特征在于，所述光纤采用权利要求1-9中任一所述的光纤的制备方法制得，所述光纤在1310nm波长的衰减系数为0.33dB/km，在1383nm波长的衰减系数为0.28dB/km。
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