CN113248131A - 光纤预制棒及其制造设备和制备方法 - Google Patents

Abstract

一种光纤预制棒制造设备，包括炉体、卡盘装置、连接管和连接棒。炉体沿重力方向设置，连接管套设于连接棒，且分别用于连接套管和芯棒；卡盘装置通过连接管和连接棒带动芯棒和套管在所述炉体内沿重力方向往复移动。第一气体从炉体下端输送至所述炉体的内腔，用于消除所述芯棒与所述套管之间的杂质和水气；第一气体反应后的废气从套管上的的所述出气管排出。上述光纤预制棒制造设备利用第一气体对芯棒和套管进行润洗处理，并配合出气管排出过程中形成的气流，有效去除附着在芯棒和套管表面的杂质和水分等，使光纤预制棒拉丝后，任然具有较低的水峰值。本申请还提供一种光纤预制棒制制备方法和由该制备方法制得的光纤预制棒。

Description

光纤预制棒及其制造设备和制备方法

技术领域

本申请涉及光纤制造技术领域，尤其涉及一种光纤预制棒制造设备及制备方法，和由该制备方法制得的光纤预制棒。

背景技术

随着5G移动通信网络的发展，视频和其他高带宽应用对无线和有线网络发展有着巨大的促进作用，在光纤骨干网建设基本就绪的背景下，目前运营商将目光重点放在5G建设中的光纤局域网、数据中心等场景，这就要求光纤光缆的性能能够满足在狭小空间中适合布线外，还应具有良好的弯曲不敏感特性，符合光传输要求。

经过多年的研究，科研人员发现光纤的MAC值可以衡量光纤的弯曲性能， MAC值定义为模场直径与截止波长的比值。MAC值越小，光纤的弯曲性能越好，因此，降低模场直径、提高截止波长可以降低MAC值。但是模场直径太小，无法与普通光纤形成良好的接续，会大大带来接续损耗，同样，截止波长增大的空间也有限，若超出1260nm，就不符合目前光通信的全波段传输要求。所以，单纯靠调整模场直径和缆波长并不能得到优良的弯曲性能。

为了改善光纤的弯曲特性，采用具有内陷包层结构设计来提升光纤的弯曲性能，内陷包层为凹陷内包层型光纤中折射率下凹的内包层，内陷包层的距离大小，即包芯比，会影响光纤的弯曲特性。较小的包芯比可以改善弯曲特性，但是在制备过程中，芯棒与包层之间的杂质和水气难以去除，容易引起外层羟基向内扩散，引起光纤水峰增加。

发明内容

鉴于上述状况，本申请提供一种光纤预制棒制造设备及制备方法，和由该制备方法制得的光纤预制棒，通过将芯棒、套管在炉体中往复移动，利用第一气体对芯棒和套管进行润洗处理，并配合出气管排出过程中形成的气流，有效去除附着在芯棒和套管表面的杂质和水分等，满足当具有内陷包层的光纤预制棒拉丝后，光纤的深掺氟层接近芯层时，光纤仍具有优良的宏弯特性和较低的1383nm波长处水峰值。

本申请的实施例提供一种光纤预制棒制造设备，包括炉体和卡盘装置。所述炉体用于加热芯棒和套管，所述卡盘装置移动设于所述炉体的进口处，用于安装所述芯棒和所述套管。所述炉体沿重力方向设置，所述光纤预制棒制造设备进一步包括连接管和连接棒，所述连接管套设于所述连接棒，且所述连接管与所述连接棒之间形成间隙，所述连接管的一端连接所述卡盘装置，所述连接管的另一端用于连接所述套管，所述连接棒的一端连接所述卡盘装置，所述连接棒的另一端用于连接所述芯棒；所述卡盘装置通过所述连接管和所述连接棒带动所述芯棒和所述套管在所述炉体内沿重力方向往复移动。所述炉体远离所述卡盘装置的一端还设有第一气体阀门，所述第一气体阀门用于输送第一气体至所述炉体的内腔，所述第一气体用于消除所述芯棒与所述套管之间的杂质和水气；所述连接管靠近所述卡盘装置的一端还设有第一盖体，所述第一盖体用于密封所述连接管与所述连接棒之间的间隙，所述第一盖体上设有出气管，所述出气管通过所述芯棒与所述套管之间的间隙连通所述炉体的内腔，所述出气管用于排出所述芯棒与所述套管之间的气体。

在一些实施例中，光纤预制棒制造设备进一步包括第一定位件和第二定位件，所述第一定位件插接于所述连接管和所述连接棒，所述连接管侧壁设有沿第一方向设置的第一定位槽，所述连接棒表面设有沿第二方向设置的第二定位槽，所述第一方向与所述第二方向之间的夹角小于120°，所述第一定位槽的一端与所述第二定位槽的一端重合，所述第二定位件插接于所述第一定位槽与所述第二定位槽的重合处；沿重力方向，所述第一定位件和所述第二定位件在所述连接管端部的投影不重叠。

在一些实施例中，所述炉体包括炉芯管、第一加热体和第二加热体，所述第一加热体和第二加热体沿重力方向依次设于所述炉芯管的外表面，所述第一加热体的加热温度大于或等于所述第二加热体的加热温度。

在一些实施例中，所述光纤预制棒制造设备还包括第一探测器和第二探测器，所述第一探测器设于所述第一加热体和所述第二加热体之间，所述第二探测器所述第二加热体远离所述第一加热体的一端，所述第一探测器和所述第二探测器用于检测所述套管，所述卡盘装置根据检测结果调整移动方向和/或移动速度。

在一些实施例中，所述光纤预制棒制造设备还包括牵引装置和第三探测器，所述牵引装置移动设于所述炉体的出口处，所述第三探测器设于所述牵引装置与所述炉体之间，所述牵引装置用于根据所述第三探测器的检测结果牵引熔融后的所述芯棒和所述套管。

本申请的实施例还提供一种光纤预制棒制备方法，应用于上述实施例所述的光纤预制棒的制造设备中，所述光纤预制棒制备方法包括步骤：

将芯棒和套管分别与连接棒和连接管固定连接，并将连接棒和连接管安装至卡盘装置，芯棒和套管套设并悬挂于炉体上方；

炉体以第一温度加热，炉体内充入第一气体，卡盘装置带动芯棒和套管在炉体内往复移动，废气从第一盖体的出气管排出；

炉体以第二温度加热，通过出气管将套管内抽真空，芯棒和套管在重力和真空作用下熔缩形成熔缩棒，所述第二温度大于所述第一温度。

在一些实施例中，所述炉体以第二温度加热，通过出气管将套管内抽真空，芯棒和套管在重力和真空作用下熔缩形成熔缩棒的步骤包括：

第一加热体以第二温度加热炉体的上部，第二加热体保持第一温度加热炉体的下部；

芯棒和套管的熔融部分在重力作用下向炉体的出口端延伸，第一探测器检测到熔融部分后，关闭第一气体阀门，开启真空泵，套管内的气体从出气管排出；

卡盘装置带动熔融部分朝向炉体的出口端下移。

在一些实施例中，所述炉体以第一温度加热，炉体内充入第一气体，卡盘装置带动芯棒和套管在炉体内往复移动，废气从第一盖体的出气管排出的步骤包括：

第一加热体和第二加热体均以第一温度加热炉体；

套管和芯棒远离卡盘装置的一端下降至炉体的进口处；

第一气体阀门通入第一气体，第一气体进入套管并反应，废气从第一盖体的出气管排出，炉体内压力保持微正压5~20pa；

套管和芯棒远离卡盘装置的一端下降至炉体的出口端时，第二探测器检测套管，卡盘装置提升套管和芯棒，套管和芯棒远离卡盘装置的一端回复至炉体的进口端，套管和芯棒重复移动N次，N为大于或等于二的整数。

在一些实施例中，所述制备方法进一步包括：

牵引装置拉伸芯棒和套管熔缩形成的熔缩棒，均匀所述熔缩棒的直径；

设置外包层至熔缩棒的表面，所述外包层的材料包括纯二氧化硅。

本申请的实施例还提供一种光纤预制棒，由上述实施例所述的光纤预制棒制备方法制得，所述光纤预制棒包括芯部和套管，所述套管包覆于所述芯部的外表面。

本申请提供的光纤预制棒制造设备及制备方法通过将芯棒、套管在炉体中往复移动，利用第一气体对芯棒和套管进行润洗处理，并配合出气管排出过程中形成的气流，有效去除附着在芯棒和套管表面的杂质和水分等，满足当具有内陷包层的光纤预制棒拉丝后，光纤的深掺氟层接近芯层时，光纤仍具有优良的宏弯特性和较低的1383nm波长处水峰值。

附图说明

图1为光纤预制棒制造设备在一实施例中进行脱羟处理过程的结构示意图。

图2为图1所示光纤预制棒制造设备进行熔缩过程的结构示意图。

图3为图1所示光纤预制棒制造设备中连接管与连接棒的定位结构示意图。

图4为图1所示光纤预制棒制造设备的加热曲线示意图。

图5为具有内陷包层的低水峰抗弯光纤的剖面结构相对折射率曲线。

图6为上述光纤预制棒制造设备制得的预制棒拉丝后，光纤的剖面结构相对折射率的检测结果曲线图。

主要元件符号说明：

光纤预制棒制造设备： 100

卡盘装置： 1

第一盖体： 2

出气管： 3

第一压力计： 4

第一定位件： 5

连接管： 6

连接棒： 7

套管： 8

芯棒： 9

第二盖体： 10

第二压力计： 11

隔离管： 12

炉芯管： 13

第一加热体： 14

第二加热体： 15

第三盖体： 16

密封装置： 17

第一气体阀门： 18

第二气体阀门： 19

牵引轮组件： 20

托架： 21

牵引杆： 22

第一探测器： 23

第二探测器： 24

第三探测器： 25

第一定位槽： 26

第二定位槽： 27

第二定位件： 28

具体实施方式：

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。当一个元件被认为是“设置于”另一个元件，它可以是直接设置在另一个元件上或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

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申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请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，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“或／及”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本申请的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。

请参阅图1和图2，在一实施方式中，光纤预制棒制造设备100包括卡盘装置1、炉体和牵引装置。所述卡盘装置1移动设于所述炉体的进口处，用于安装芯棒9和套管8。所述炉体沿重力方向设置，炉体的进口和出口分别位于炉体的上、下两端。所述套管8套设于所述芯棒9，套管8和芯棒9远离卡盘装置1的一端可移动地设于所述炉体的内腔中。在套管8和芯棒9通过熔缩过程结合之前，套管8和芯棒9之间的间隙连通所述炉体的内腔。所述炉体用于加热所述芯棒9和套管8。所述牵引装置移动设于所述炉体的出口处，用于牵引熔缩后的芯棒9和套管8。

进一步地，所述光纤预制棒制造设备100还包括连接管6和连接棒7，所述连接管6套设于所述连接棒7，且所述连接管6与所述连接棒7之间形成间隙。所述连接管6的一端可拆卸地连接于所述卡盘装置1，所述连接管6的另一端用于连接所述套管8。所述连接棒7的一端可拆卸地连接于所述卡盘装置1，所述连接棒7的另一端用于连接所述芯棒9。所述连接管6远离卡盘装置1的一端与连接棒7远离卡盘装置1的一端齐平，所述芯棒9和套管8也沿重力方向设置，所述芯棒9和套管8分别与连接棒7和连接管6同轴固定连接，连接方式包括但不限于焊接连接。所述卡盘装置1通过所述连接管6和所述连接棒7带动所述芯棒9和所述套管8在所述炉体内沿重力方向往复移动。

所述连接管6靠近所述卡盘装置1的一端还设有第一盖体2，所述第一盖体2用于密封所述连接管6与所述连接棒7之间的间隙。所述第一盖体2上还设有出气管3和第一压力计4。芯棒9与套管8熔缩之前，所述出气管3通过所述芯棒9与所述套管8之间的间隙连通所述炉体的内腔，所述出气管3用于排出所述芯棒9与所述套管8之间的气体。所述第一压力计4用于检测芯棒9与套管8之间的气压。

所述炉体包括第二盖体10、第二压力计11、隔离管12、炉芯管13、第一加热体14、第二加热体15和第三盖体16。所述隔离管12设于所述炉芯管13内，用于防止炉体侧壁的杂质混入芯棒9或套管8中。所述隔离管12的材质包括石英玻璃材质或陶瓷材质的一种。沿重力方向，炉芯管13的相对两端分别为炉体的进口和出口。所述第一加热体14和第二加热体15沿重力方向依次设于所述炉芯管13的外表面，所述第一加热体14的加热温度大于或等于所述第二加热体15的加热温度。沿重力方向，第一加热体14的长度大于第二加热体15的长度，第一加热体14与第二加热体15的总长度等于炉芯管13的长度。所述第二盖体10设于所述炉芯管13朝向所述卡盘装置1的一端，用于密封炉体的进口。所述第二压力计11设于所述第二盖体10，用于检测隔离管12内的气压。所述第三盖体16设于所述炉芯管13远离卡盘装置1的一端，用于密封炉体的出口。所述芯棒9和套管8贯穿第二盖体10并移动设于所述隔离管12内。第二盖体10与套管8密封连接。

所述炉体远离所述卡盘装置1的一端还设有第一气体阀门18，具体地，第一气体阀门18设于所述第三盖体16。所述第一气体阀门18用于输送第一气体至所述炉体的内腔，即隔离管12的内腔。所述第一气体用于消除所述芯棒9与所述套管8之间的杂质和水气，实现芯棒9和套管8的脱羟处理。随着芯棒9和套管8的往复移动，气流进入芯棒9和套管8之间的间隙，第一气体与杂质和水气反应后产生的废气从出气管3排出。在本申请的实施例中，所述第一气体包括但不限于氯气（Cl₂）与氩气（Ar）、氧气（O₂）、氮气（N₂）中任一种的混合气体。在气流的冲刷下，芯棒9与套管8之间的杂质和水气能够有效减少，从而提高光纤预制棒的生产质量，减少预制棒拉丝后的光纤的水峰值。进一步地，所述卡盘装置1与所述炉体之间还设有保护罩（图未示），芯棒9和套管8往复移动时，位于炉体外的部分收容在保护罩中，以防止芯棒9和套管8在脱羟处理过程中沾染外界杂质。

所述第三盖体16上还设有密封装置17，所述密封装置17用于打开或关闭所述第三盖体16。所述芯棒9和套管8熔缩后得到的熔缩棒从密封装置17送出炉体。所述密封装置17还连接一第二气体阀门19，密封装置17打开时，所述第二气体阀门19用于输送第二气体至所述密封装置17，以避免外界杂质进入炉体内腔中。在本申请的实施例中，所述第二气体包括但不限于氮气等惰性气体。

所述牵引装置与所述密封装置17间隔设置，所述牵引装置包括沿重力方向依次设置的牵引轮组件20、托架21和牵引杆22。在本申请的实施例中，沿重力方向，所述牵引轮组件20与所述密封装置17之间的距离为300-400mm。在其他实施例中，牵引轮组件20与密封装置17之间的距离也可以小于300mm或大于400mm，满足设计需求即可，本申请不限定于此。所述牵引轮组件20包括至少两个牵引轮，用于夹持并牵引从密封装置17送出的熔缩棒。托架21与牵引轮组件20之间还设有夹爪（图未示），该夹爪用于调整牵引轮之间的距离，以夹持或松开熔缩棒。所述牵引杆22用于带动托架21和牵引轮组件20，以辅助拉伸熔缩棒。

进一步地，所述光纤预制棒制造设备100还包括第一探测器23、第二探测器24和第三探测器25，用于检测套管8或熔缩棒的移动位置。所述第一探测器23设于所述第一加热体14和所述第二加热体15之间，所述第二探测器24所述第二加热体15远离所述第一加热体14的一端，所述第三探测器25设于所述密封装置17与所述牵引轮组件20之间。卡盘装置1、密封装置17、第一气体阀门18、第二气体阀门19和牵引装置分别根据不同探测器的检测信号进行不同的操作，以进行芯棒9和套管8的脱羟处理过程和熔融处理过程。

请参阅图1和图3，光纤预制棒制造设备100进一步包括第一定位件5和第二定位件28。所述第一定位件5插接于所述连接管6和所述连接棒7，在本申请的实施例中，所述第一定位件5贯穿所述连接管6和所述连接棒7，以限制连接管6和连接棒7沿重力方向的相对移动。所述连接管6侧壁设有沿第一方向a设置的第一定位槽26，第一定位槽26贯穿连接管6的侧壁。所述连接棒7表面设有沿第二方向b设置的第二定位槽27，第二定位槽27可以是盲孔。所述第一方向a与所述第二方向b之间的夹角小于120°。连接管6与连接棒7套设时，所述第一定位槽26的一端与所述第二定位槽27的一端重合，所述第二定位件28插接于所述第一定位槽26与所述第二定位槽27的重合处。沿重力方向，所述第一定位件5和所述第二定位件28在连接管6端部的投影不重叠。在其他实施例中，第一定位件5也可以不贯穿连接管6和连接棒7，连接棒7上设大致为圆形的盲孔，连接管6设对应该盲孔的定位孔，第一定位件5直接插接于该盲孔和该定位孔中，以限制连接管6和连接棒7沿重力方向的相对移动。

所述第一定位件5与所述第二定位件28配合以限制连接管6与连接棒7的转动和径向移动，提高连接管6与连接棒7的同轴精度，有利于提升光纤预制棒的制造质量。

进一步地，所述光纤预制棒制造设备100还包括沉积设备（图未示），该沉积设备包括但不限于OVD设备。芯棒9和套管8熔缩后形成的熔缩棒从炉体中牵引出后，送入沉积设备中，在熔缩棒外表面逐层累积纯二氧化硅外包层，直至达到目标重量，完成光纤预制棒的制造过程。在另一实施例中，熔缩棒也可以直接与纯二氧化硅套管组装，以完成光纤预制棒的制造过程。

请再次参阅图1至图4，本申请的实施例还提供一种光纤预制棒的制备方法，该方法应用于上述光纤预制棒的制造设备中。所述光纤预制棒制备方法包括步骤：

步骤一：将芯棒和套管分别与连接棒和连接管固定连接，并将连接棒和连接管安装至卡盘装置，芯棒和套管套设并悬挂于炉体上方。

具体地，芯棒9可由VAD、OVD、MCVD或PCVD工艺制备，通过控制掺杂量与掺杂种类形成具有不同的折射率的石英棒。套管8可由VAD、OVD、MCVD或PCVD工艺制备，其中，VAD或OVD工艺制备套管8时，先形成的掺氟石英玻璃棒，再将形成的掺氟石英棒进行掏孔、珩磨、抛光处理加工，形成透明掺氟石英套管，得到制备本申请实施例中光纤预制棒所需要的套管8。

将上述获得的芯棒9和套管8的端部分别与连接棒7和连接管6的端部进行焊接，并将焊接好的芯棒9装入焊接好的套管8中组装。芯棒9与套管8组装时，连接管6和连接棒7上插接第一定位件5，且在第一定位槽26和第二定位槽27中插接第二定位件28，以使套管8和芯棒9的中心重合无偏移，提高同轴精度。随后将卡盘装置1与连接管6和连接棒7安装固定，将套管8和芯棒9悬挂于炉体上方。

步骤二：炉体以第一温度加热，炉体内充入第一气体，卡盘装置带动芯棒和套管在炉体内往复移动，消除芯棒与套管之间的杂质和水气。

具体地，第一加热体14和第二加热体15的加热温度均设定为第一温度，第一温度范围是1100~1250℃。套管8和芯棒9远离卡盘装置1的一端为起始端，将已完成组装的套管8和芯棒9的起始端逐渐下降至炉体的进口A处，使套管8和芯棒9插入隔离管12。在炉体下端的第一气体阀门18通入第一气体，用于消除套管8内壁或芯棒9表面的杂质。第一气体与套管8和芯棒9之间的杂质和水气反应后产生的废气从第一盖体2上的出气管3流出，并排入废气处理系统。炉体内压力保持微正压5~20pa，该数据可以从第二压力计11读取。此时套管8与炉体内腔连通，炉体压力等同于管内压力。第一压力计4和第二压力计11的读取数据大致相同。第一气体中，Cl₂流量：载气流量=2:1~4:1，第一气体的总流量10~20L/min。

卡盘装置1带动套管8和芯棒9在隔离管12内往复移动，开始实施脱羟去杂的预处理过程。具体地，在卡盘装置1的带动下，芯棒9与套管8的起始端位置达到炉体的出口D处时，卡盘装置1再提升套管8和芯棒9，使套管8和芯棒9的起始端移动至炉体的进口A处，如此重复移动N次，N为大于或等于一的自然整数。卡盘装置1的上升或下降速度恒定控制在6~15mm/min。套管8和芯棒9在往复移动过程中，气流的冲刷下套管8的内壁和芯棒9的外壁，有效减少芯棒9与套管8之间的杂质和水气，从而提高光纤预制棒的生产质量，减少预制棒拉丝后的光纤的水峰值，并提升光纤的机械性能。

步骤三：炉体以第二温度加热，第二温度大于第一温度，芯棒和套管之间抽真空，以使芯棒和套管在重力和真空作用下熔缩形成熔缩棒。

具体地，先将第一加热体14的加热温度提升至第二温度，1900~2100℃，第二加热体15保持第一加热温度不变，为1100~1250℃。从而使炉体的上、下炉温度不同，上炉体温度大于下炉体温度。再将芯棒9与套管8的起始端下降至炉体B处，沿重力方向，炉体的B位置处于炉体的进口A处的距离为炉体总长度的1/4-1/3。芯棒9和套管8在炉体B位置处开始熔融，芯棒9和套管8远离卡盘装置1一端的间隙开始闭合，此时卡盘装置1不上下移动。当石英熔融部分受热闭合并受重力作用延伸降低至炉体C处时，由第一探测器23检测到熔融部分后，通过PLC控制，关闭第一气体阀门18，开启真空泵，通过出气管3将套管8内的气体排出，保持套管8内负压-0.1~-0.08Mpa。由于套管8和芯棒9的端部已经熔缩闭合，隔离管12内的气体不从出气管3排出，隔离管12内的气压大于套管8内的气压，有利于辅助套管8和芯棒9进行熔缩过程。卡盘装置1以2-5mm/min的低速下移熔融部分。当熔融部分在卡盘装置1和重力作用下，延伸至下炉体的出口D时，由第二探测器24检测到熔融部分后，开启第二气体阀门19，在密封装置17充入氮气等保护气体，并开启密封装置17底部开合栅，套管8和芯棒9的熔融部分从此处下降。

通过设计具有双炉温的炉体结构，使得芯棒9和套管8在高温熔融后，熔融部分在下炉体的温区中缓慢降温，避免熔融部分在经历高温快速冷却后玻璃内部中所产生的大量残余热应力，从而改善拉丝后光纤在1550nm波长处的衰减值。

步骤四：密封装置打开，卡盘装置沿重力方向移动，熔缩棒从密封装置送出炉体，牵引装置夹持并拉伸熔缩棒。

具体地，当第三探测器25检测到熔融部分时，开启牵引装置，熔缩棒下移至牵引轮之间，牵引轮夹持熔融部分。通过控制牵引轮转速，实现不同的牵引力。卡盘装置1根据不同的套管外径尺寸控制下降速度，套管外径低于60mm，卡盘装置1的下降速度15~20mm/min；套管外径为60~80mm，卡盘装置1的下降速度12~15mm/min；套管外径为80~100mm，卡盘装置1的下降速度6~10mm/min；套管外径为100~120mm，卡盘装置1的下降速度3~5mm/min。

通过输入的套管外径与延伸熔缩棒外径，由PLC控制程序，调整牵引杆22的牵引速度，从而进行自动控制牵引装置对熔融部分的牵引张力，实现获得直径均匀的熔缩棒。

步骤五：设置外包层至熔缩棒的表面，完成光纤预制棒的制备。

具体地，将得到的熔缩棒放置于OVD设备，逐层沉积纯二氧化硅外包层，直至目标重量，最后脱羟玻璃化，形成具有内陷包层的低水峰弯曲不敏感光纤预制棒。或者将熔缩棒直接与纯二氧化硅套管组装，形成具有内陷包层的低水峰弯曲不敏感光纤预制棒。

将本申请实施例中制备的光纤预制棒，采用傅利叶红外光谱仪FTIR检测石英玻璃芯棒中心区域内的光透过率。其中，2.73um波长处透过率越小，表明样品中羟基（OH-）含量越高，拉丝的光纤水峰值影响越大。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)

式中，C _OH 为石英中羟基质量浓度，ppm(10^-6)；MOH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。

请参阅图5，图5展示了具有内陷包层的低水峰抗弯光纤的剖面结构相对折射率曲线的理论值。其中，Δn1=0.36%~0.40%，Ra=3.5~5.5μm；Δn2=-0.03~-0.1%，Rb/Ra=1.1~3.5；Δn3=-0.25%~-0.35%，（Rc-Rb）/Ra=1.2~2.0；外包层为纯硅层，Rd=62.5μm。

请参阅图6，图6展示了由本申请实施例的预制棒拉丝后，光光纤的剖面结构相对折射率的检测结果曲线图。其中，所制备的光纤预制棒尺寸达到150~200mm，拉制光纤后，光纤的性能指标：1310nm衰减低于0.335dB/km，1383nm衰减低于0.285dB/km，1550nm衰减低于0.185dB/km，缆波长小于1260nm，零色散波长1305~1324nm，MFD处于8.6~9.0um，弯曲半径5mm时，1550和1625nm宏弯损耗低于0.1dB、0.35dB，芯包同心度小于0.20um，筛选断纤率低于2‰。通过比较图5和图6及各参数值可以得出，本申请实施例制备的光纤预制棒满足低水峰和完全不敏感光纤的要求。

本申请的实施例还提供一种光纤预制棒，由上述光纤预制棒制备方法制得，所述光纤预制棒包括芯部和套管，所述套管包覆于所述芯部的外表面。

下面将结合具体实施例和对比例对上述光纤预制棒制备方法进行说明。

【对比例1】

芯棒由VAD工艺制备，直径为22mm。套管制备过程中，由VAD工艺沉积过程中掺入SiF₄制备成含氟的二氧化硅玻璃，并经过掏孔、珩磨、抛光处理加工，形成外径55mm、内径24mm的掺氟石英套管。

将上述获得的实心芯棒和掺氟套管分别焊接相应的连接棒和连接管，并将焊接好的芯棒装入焊接好的套管中组装。再将卡盘与尾管固定，悬挂于炉体上方。

将已完成组装的套管和芯棒逐渐下降至炉体进口处，开始以15mm/min恒速下降，炉体为单一加热体结构，恒温保持1100℃，当芯棒与套管远离卡盘的一端到达炉体出口处，再以恒定速度15mm/min提升，直至芯棒、套管远离卡盘的一端至炉体进口处，循环5次。

然后将炉体内腔温度提升至1900℃，将芯棒与套管远离卡盘的一端下降至炉体中心处，芯棒和套管开始熔融闭合，在重力作用下熔融部分延伸降低至炉体出口处，开启底部开合栅，熔融部分从此处降至牵引轮处。然后开启牵引装置、夹持熔融料头，卡盘的速度下降控制为18mm/min，进行拉制熔缩棒。

将得到的熔缩棒由OVD设备逐层沉积纯二氧化硅外包层，制备成外径150mm的低水峰弯曲不敏感光纤预制棒，并进行光纤拉丝。同时，通过将预制棒切割、抛光成厚度为50mm的玻璃片，采用傅里叶红外光谱仪测试，计算得到的羟基为1.59ppm。

【对比例2】

芯棒由VAD工艺制备，直径为40mm。套管制备过程中，由OVD工艺沉积过程中掺入CF₄制备成含氟的二氧化硅玻璃，并经过掏孔、珩磨、抛光处理加工，形成外径75mm、内径43mm的掺氟石英套管。

将上述获得的实心芯棒和掺氟套管两侧分别焊接相应尺寸的连接棒和连接管，并将焊接好的芯棒装入焊接好的套管中组装。将套管放置于水平熔融车床上，并将两端的尾管在卡盘内锁住，同时将芯棒在套管中卡住。

为了去除套管表面的杂质和内部水气，将车床的氢氧火焰从一侧以20mm/min的速度抛光，直至移动至另一侧。然后提高氢氧流量，使得温度达到2000℃，以5mm/min的速度熔融，直至整根棒熔融结束。

将得到的熔缩棒由OVD设备逐层沉积纯二氧化硅外包层，制备成外径170mm的弯曲不敏感光纤预制棒，并进行光纤拉丝。同时，通过将预制棒切割、抛光成厚度为50mm的玻璃片，采用傅里叶红外光谱仪测试，计算得到的羟基为2.34ppm。

【实施例1】

芯棒由VAD工艺制备，直径为22mm。套管制备过程中，由VAD工艺沉积过程中掺入SiF₄制备成含氟的二氧化硅玻璃，并经过掏孔、珩磨、抛光处理加工，形成外径55mm、内径24mm的掺氟石英套管。

将上述获得的实心芯棒和掺氟套管分别焊接相应的连接棒和连接管，并将焊接好的芯棒装入焊接好的套管中组装。利用第一定位件和第二定位件，并配合倾斜设置的第一定位槽和第二定位槽，实现连接管和连接棒的定位，用于保证套管和芯棒的中心重合无偏移。再将卡盘装置与连接管和连接棒固定，悬挂于炉体上方。

将已完成组装的套管和芯棒远离卡盘装置的一端逐渐下降至炉体进口A处。开始运行脱羟去杂的预处理过程，炉体中第一加热体和第二加热体的温度恒温保持1100℃，从而使炉体的上、下炉温度一致，卡盘装置以15mm/min恒速下降，直至芯棒与套管远离卡盘装置的一端达到炉体出口D处后，再次以恒定速度15mm/min，将芯棒与套管远离卡盘装置的一端提升至炉体进口A处，循环5次。在此过程中，在第一气体阀门18通入氯气和Ar混合气体，其流量分别是8L/min、4L/min，通过润洗套管和芯棒后，废气从顶部第一盖体的出气管3流出，并排入废气处理系统。通过控制出气管3的排出口阀门开合大小，使得炉体压力保持微正压5pa，此时套管和芯棒尚未闭合，套管的压力也保持在5pa。

完成脱羟去杂的预处理步骤后，将第一加热体14对应的上部炉温提升至1900℃，第二加热体15对应的下部炉温保持1100℃。将芯棒与套管远离卡盘装置的一端下降至炉体B处，开始芯棒和套管熔融，当石英套管下端部分受热与芯棒熔融闭合，熔融部分在重力作用下延伸降低至炉体C处，由第一探测器检测到熔融部分后，通过PLC控制，关闭第一气体阀门18，开启真空泵，排出套管内的气体，保持套管内负压-0.1Mpa。当熔融部分下降至下炉体D时，由第二探测器检测到后，开启第二气体阀门19，在密封装置充入N2保护气体，并开启密封装置底部的开合栅，便于熔融部分从此处降至牵引轮处。然后开启牵引装置、夹持熔融料头，卡盘装置的速度下降控制为18mm/min，进行拉制熔缩棒。

将得到的熔缩棒由OVD设备逐层沉积纯二氧化硅外包层，制备成外径150mm的低水峰弯曲不敏感光纤预制棒，并进行光纤拉丝。同时，通过将预制棒切割、抛光成厚度为50mm的玻璃片，采用傅里叶红外光谱仪测试，计算得到的羟基为0.76ppm。

【实施例2】

芯棒由VAD工艺制备，芯棒直径35mm。套管制备过程中，由OVD工艺沉积过程中掺入CF₄制备成含氟的二氧化硅玻璃，并经过掏孔、珩磨、抛光处理加工，形成外径75mm、内径38mm的掺氟石英套管。

将上述获得的实心芯棒和掺氟套管分别焊接相应的连接棒和连接管，并将焊接好的芯棒装入焊接好的套管中组装。利用第一定位件和第二定位件，并配合倾斜设置的第一定位槽和第二定位槽，实现连接管和连接棒的定位，用于保证套管和芯棒的中心重合无偏移。再将卡盘装置与连接管和连接棒固定，悬挂于炉体上方。

将已完成组装的套管和芯棒远离卡盘装置的一端逐渐下降至炉体进口A处。开始运行脱羟去杂的预处理过程，炉体中第一加热体和第二加热体的温度恒温保持1200℃，从而使炉体的上、下炉温度一致，为1200℃。卡盘装置以12mm/min恒速下降，直至芯棒与套管远离卡盘装置的一端达到炉体出口D处后，再次以恒定速度12mm/min，将芯棒与套管远离卡盘装置的一端提升至炉体进口A处，循环5次。在此过程中，在炉体底部的第一气体阀门18通入氯气和Ar混合气体，其流量分别是12L/min、4L/min，通过润洗套管和芯棒后，废气从顶部第一盖体的出气管3流出，并排入废气处理系统。通过控制出气管3的排出口阀门开合大小，使得炉体压力保持微正压10pa，套管和芯棒尚未闭合，套管的压力也保持在10pa。

完成脱羟去杂的预处理步骤后，将第一加热体14对应的上部炉温提升至2000℃，第二加热体15对应的下部炉温保持1200℃。将芯棒与套管远离卡盘装置的一端下降至炉体B处，开始芯棒和套管熔融，当石英套管下端部分受热与芯棒熔融闭合，在重力作用下延伸降低至炉体C处，由第一探测器检测到后，通过PLC控制，关闭第一气体阀门18，开启真空泵，排出套管内的气体，保持套管内负压-0.09Mpa。当熔融部分下降至下炉体D时，由第二探测器检测到后，开启第二气体阀门19，在密封装置充入N2保护气体，并开启密封装置底部开合栅，便于熔融部分从此处降至牵引轮处。第三探测器检测熔融部分，然后开启牵引装置、夹持熔融料头，卡盘的速度下降控制为12mm/min，进行拉制熔缩棒。

将得到的熔缩棒由OVD设备逐层沉积纯二氧化硅外包层，制备成外径165mm的低水峰弯曲不敏感光纤预制棒，并进行光纤拉丝。同时，通过将预制棒切割、抛光成玻璃片，采用傅里叶红外光谱仪测试，计算得到的羟基为0.53ppm。

【实施例3】

芯棒由VAD工艺制备，直径为50mm。套管的制备过程中，由OVD工艺沉积过程中掺入SF₆制备成含氟的二氧化硅玻璃，并经过掏孔、珩磨、抛光处理加工，形成外径90mm、内径53mm的掺氟石英套管。

将上述获得的实心芯棒和掺氟套管分别焊接相应的连接棒和连接管，并将焊接好的芯棒装入焊接好的套管中组装。利用第一定位件和第二定位件，并配合倾斜设置的第一定位槽和第二定位槽，实现连接管和连接棒的定位，用于保证套管和芯棒的中心重合无偏移。再将卡盘装置与连接管和连接棒固定，悬挂于炉体上方。

将已完成组装的套管和芯棒远离卡盘装置的一端逐渐下降至炉体进口A处。开始运行脱羟去杂的预处理过程，炉体中第一加热体和第二加热体的温度恒温保持1200℃，从而使炉体的上、下炉温度一致，为1200℃。卡盘装置以9mm/min恒速下降，直至芯棒与套管远离卡盘装置的一端达到炉体出口D处，结束后，再次以恒定速度9mm/min，将芯棒与套管远离卡盘装置的一端提升至炉体进口A处，如此循环3次。在此过程中，在炉体底部的第一气体阀门18通入氯气和氮气的混合气体，其流量分别是10L/min、6L/min，通过润洗套管和芯棒后，废气从顶部第二盖体的出气管3流出，并排入废气处理系统。通过控制出气管3的排出口阀门开合大小，使得炉体压力保持微正压10pa，套管和芯棒尚未闭合，套管的压力也保持在10pa。

完成脱羟去杂的预处理步骤后，将第一加热体14对应的上部炉温提升至2100℃，第二加热体15对应的下部炉温保持1200℃。将芯棒与套管远离卡盘装置的一端下降至炉体B处，开始芯棒和套管熔融，当石英套管下端部分受热与芯棒熔融闭合，在重力作用下延伸降低至炉体C处，由第一探测器检测到后，通过PLC控制，关闭第一气体阀门18，开启真空泵，排出套管内的气体，保持套管内负压-0.09Mpa。当熔融部分下降至下炉体D时，由第二探测器检测到后，开启第二气体阀门19，在密封装置充入N2保护气体，并开启密封装置底部开合栅，便于熔融部分从此处降至牵引轮处。第三探测器检测熔融部分，然后开启牵引装置、夹持熔融料头，卡盘的速度下降控制为8mm/min，进行拉制熔缩棒。

将得到的熔缩棒由OVD设备逐层沉积纯二氧化硅外包层，制备成外径180mm的低水峰弯曲不敏感光纤预制棒，并进行光纤拉丝。同时，通过将预制棒切割、抛光成玻璃片，采用傅里叶红外光谱仪测试，计算得到的羟基为0.49ppm。

【实施例4】

芯棒由OVD工艺制备，芯棒直径80mm。套管制备过程中，由VAD工艺沉积过程中掺入SiF₄制备成含氟的二氧化硅玻璃，并经过掏孔、珩磨、抛光处理加工，形成外径116mm、内径84mm的掺氟石英套管。

将上述获得的实心芯棒和掺氟套管分别焊接相应的连接棒和连接管，并将焊接好的芯棒装入焊接好的套管中组装。利用第一定位件和第二定位件，并配合倾斜设置的第一定位槽和第二定位槽，实现连接管和连接棒的定位，用于保证套管和芯棒的中心重合无偏移。再将卡盘装置与连接管和连接棒固定，悬挂于炉体上方。

将已完成组装的套管和芯棒远离卡盘装置的一端逐渐下降至炉体进口A处。开始运行脱羟去杂的预处理过程，炉体中第一加热体和第二加热体的温度恒温保持1250℃，从而使炉体的上、下炉温度一致，为1250℃。卡盘装置以6mm/min恒速下降，即将芯棒和套管穿过上、下炉温区，直至芯棒与套管远离卡盘装置的一端达到炉体出口D处，结束后，再次以恒定速度6mm/min，将芯棒与套管远离卡盘装置的一端提升至炉体进口A处，如此循环2次。在此过程中，在炉体底部的第一气体阀门18通入氯气和氧气的混合气体，其流量分别是15L/min、5L/min，通过润洗套管和芯棒后，废气从顶部第一盖体2的出气管3流出，并排入废气处理系统。通过控制出气管3的排出口阀门开合大小，使得炉体压力保持微正压15pa，套管和芯棒尚未闭合，套管的压力也保持在15pa。

完成脱羟去杂的预处理步骤后，将第一加热体14对应的上部炉温提升至2150℃，第二加热体15对应的下部炉温保持1250℃。将芯棒与套管远离卡盘装置的一端下降至炉体B处，开始芯棒和套管熔融，当石英套管下端部分受热与芯棒熔融闭合，在重力作用下延伸降低至炉体C处，由第一探测器检测到后，通过PLC控制，关闭第一气体阀门18，开启真空泵，排出套管内的气体，保持套管内负压-0.08Mpa。当熔融部分下降至下炉体D时，由第二探测器检测到后，开启第二气体阀门19，在密封装置充入N2保护气体，并开启密封装置底部的开合栅，便于熔融部分从此处降至牵引轮处。第三探测器检测熔融部分，然后开启牵引装置、夹持熔融料头，卡盘装置的速度下降控制为3.5mm/min，进行拉制熔缩棒。

将得到的熔缩棒直接与纯二氧化硅套管组装，制备成外径200mm的低水峰弯曲不敏感光纤预制棒，并进行光纤拉丝。同时，通过将预制棒切割、抛光成玻璃片，采用傅里叶红外光谱仪测试，计算得到的羟基为0.24ppm。

请参阅下面的表1和表2，表1和表2展示了上述各对比例和各实施例中，光纤预制棒拉丝后，光纤的测试参数。

从上述实施例的羟基检测结果和上表中的各参数对比中可以看出，本申请实施例制备的光纤预制棒的羟基含量明显减少，剖面折射率结构满足完全不敏感的要求，且光纤机械性能明显优于对比例。

本申的光纤预制棒制造设备和制备方法具有如下优点：

1. 通过将芯棒、套管在氯气氛围的高温环境中润洗处理，去除附着在芯棒和套管表面的杂质和水分等，满足当具有内陷包层的光纤预制棒拉丝后，光纤的深掺氟层接近芯层时，光纤仍具有优良的宏弯特性和较低的1383nm波长处水峰值。

2.通过设计具有高温熔融、退火的双炉温熔融炉结构，使得芯棒和套管在高温熔融后，熔融棒在下炉温区中缓慢降温，避免熔融棒在经历高温快速冷却后玻璃内部中所产生的大量残余热应力，从而改善1550nm波长处的衰减值。

3.通过连接管与连接棒上呈交叉设置的第一定位槽和第二定位槽，并配合第一定位件和第二定位件，使得芯棒固定在套管中心，在高温立式熔融炉内熔融收缩过程中，可以有效避免芯棒偏离套管中心而引起的偏心现象，保证拉制的光纤具有良好的芯包同心度。

4.炉体的隔离管设计，使得隔离管内形成密封空间，炉内以微正压控制、下密封装置处N2的感应联动开启，保证炉内无外部引入杂质，大幅提高了光纤的机械强度。

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

Claims (10)

1.一种光纤预制棒制造设备，包括：

炉体，用于加热芯棒和套管；

卡盘装置，移动设于所述炉体的进口处，用于安装所述芯棒和所述套管；

其特征在于，所述炉体沿重力方向设置，所述光纤预制棒制造设备进一步包括连接管和连接棒，所述连接管套设于所述连接棒，且所述连接管与所述连接棒之间形成间隙，所述连接管的一端连接所述卡盘装置，所述连接管的另一端用于连接所述套管，所述连接棒的一端连接所述卡盘装置，所述连接棒的另一端用于连接所述芯棒；所述卡盘装置通过所述连接管和所述连接棒带动所述芯棒和所述套管在所述炉体内沿重力方向往复移动；

所述炉体远离所述卡盘装置的一端还设有第一气体阀门，所述第一气体阀门用于输送第一气体至所述炉体的内腔，所述第一气体用于消除所述芯棒与所述套管之间的杂质和水气；所述连接管靠近所述卡盘装置的一端还设有第一盖体，所述第一盖体用于密封所述连接管与所述连接棒之间的间隙，所述第一盖体上设有出气管，所述出气管通过所述芯棒与所述套管之间的间隙连通所述炉体的内腔，所述出气管用于排出所述芯棒与所述套管之间的气体。

2.如权利要求1所述的光纤预制棒制造设备，其特征在于，进一步包括第一定位件和第二定位件，所述第一定位件插接于所述连接管和所述连接棒，所述连接管侧壁设有沿第一方向设置的第一定位槽，所述连接棒表面设有沿第二方向设置的第二定位槽，所述第一方向与所述第二方向之间的夹角小于120°，所述第一定位槽的一端与所述第二定位槽的一端重合，所述第二定位件插接于所述第一定位槽与所述第二定位槽的重合处；沿重力方向，所述第一定位件和所述第二定位件在所述连接管端部的投影不重叠。

3.如权利要求1所述的光纤预制棒制造设备，其特征在于，所述炉体包括炉芯管、第一加热体和第二加热体，所述第一加热体和第二加热体沿重力方向依次设于所述炉芯管的外表面，所述第一加热体的加热温度大于或等于所述第二加热体的加热温度。

4.如权利要求1所述的光纤预制棒制造设备，其特征在于，所述光纤预制棒制造设备还包括第一探测器和第二探测器，所述第一探测器设于所述第一加热体和所述第二加热体之间，所述第二探测器所述第二加热体远离所述第一加热体的一端，所述第一探测器和所述第二探测器用于检测所述套管，所述卡盘装置根据检测结果调整移动方向和/或移动速度。

5.如权利要求4所述的光纤预制棒制造设备，其特征在于，所述光纤预制棒制造设备还包括牵引装置和第三探测器，所述牵引装置移动设于所述炉体的出口处，所述第三探测器设于所述牵引装置与所述炉体之间，所述牵引装置用于根据所述第三探测器的检测结果牵引熔融后的所述芯棒和所述套管。

6.一种光纤预制棒制备方法，应用于权利要求1-5任一项所述的光纤预制棒的制造设备中，其特征在于，所述光纤预制棒制备方法包括步骤：

将芯棒和套管分别与连接棒和连接管固定连接，并将连接棒和连接管安装至卡盘装置，芯棒和套管套设并悬挂于炉体上方；

炉体以第一温度加热，炉体内充入第一气体，卡盘装置带动芯棒和套管在炉体内往复移动，废气从第一盖体的出气管排出；

炉体以第二温度加热，通过出气管将套管内抽真空，芯棒和套管在重力和真空作用下熔缩形成熔缩棒，所述第二温度大于所述第一温度。

7.如权利要求6所述的光纤预制棒制备方法，其特征在于，所述炉体以第二温度加热，通过出气管将套管内抽真空，芯棒和套管在重力和真空作用下熔缩形成熔缩棒的步骤包括：

第一加热体以第二温度加热炉体的上部，第二加热体保持第一温度加热炉体的下部；

芯棒和套管的熔融部分在重力作用下向炉体的出口端延伸，第一探测器检测到熔融部分后，关闭第一气体阀门，开启真空泵，套管内的气体从出气管排出；

卡盘装置带动熔融部分朝向炉体的出口端下移。

8.如权利要求6所述的光纤预制棒制备方法，其特征在于，所述炉体以第一温度加热，炉体内充入第一气体，卡盘装置带动芯棒和套管在炉体内往复移动，废气从第一盖体的出气管排出的步骤包括：

第一加热体和第二加热体均以第一温度加热炉体；

套管和芯棒远离卡盘装置的一端下降至炉体的进口处；

第一气体阀门通入第一气体，第一气体进入套管并反应，废气从第一盖体的出气管排出，炉体内压力保持微正压5~20pa；

套管和芯棒远离卡盘装置的一端下降至炉体的出口端时，第二探测器检测套管，卡盘装置提升套管和芯棒，套管和芯棒远离卡盘装置的一端回复至炉体的进口端，套管和芯棒重复移动N次，N为大于或等于二的整数。

9.如权利要求6所述的光纤预制棒制备方法，其特征在于，所述制备方法进一步包括：

牵引装置拉伸芯棒和套管熔缩形成的熔缩棒，均匀所述熔缩棒的直径；

设置外包层至熔缩棒的表面，所述外包层的材料包括纯二氧化硅。

10.一种光纤预制棒，其特征在于，由权利要求6-9任一项所述的光纤预制棒制备方法制得，所述光纤预制棒包括芯部和套管，所述套管包覆于所述芯部的外表面。

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