CN1203330C - 石英光纤芯棒的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光纤芯棒的制备，尤其是以低温等离子化学汽相沉积法(即PCVD法)来制造的单模光纤大芯棒，用单根该芯棒制造的预制棒可以总共拉制800公里以上的单模光纤，本发明石英光纤芯棒的制备方法，包括以下步骤：大芯棒的沉积过程、大芯棒的成棒过程、大芯棒的棒径增加过程以及大芯棒的拉伸过程，用本方法所制造的芯棒加上与之匹配的套管所拉制的光纤的性能参数同现有技术所制造的光纤参数完全一样。用本方法制备的石英光纤芯棒，既不影响光纤芯棒的质量，也不增加设备的投入，又能提高单位设备的芯棒生产能力，同时还降低光纤芯棒的生产成本。

Description

石英光纤芯棒的制备方法

                          技术领域

本发明涉及光纤芯棒的制备，尤其是以低温等离子化学汽相沉积法(即PCVD法)来制造的单模光纤大芯棒，用单根该芯棒制造的预制棒可以总共拉制800公里以上的单模光纤。

                          技术背景

用于制造商用石英光纤芯棒的工艺方法主要为化学汽相沉积法；其中，典型的制造工艺方法有如美国专利U.S.Pat.3932162中介绍的OVD(outside vapor-phase deposition)工艺与VAD(vapor-phase axialdeposition)工艺，中国专利98813827.1中所叙述的PCVD(plasma activechemical vapor-phase deposition)工艺与如美国专利U.S.Pat.4217027中介绍的MCVD(modified chemical vapor-phase deposition)工艺等方法。随着工艺技术水平和设备制造水平的不断提高，无论是哪种工艺方法都在不断地降低光纤的制造成本。为了有效地降低光纤的制造成本，提高设备的使用效率和其芯棒的制造能力，各个光纤制造商都在最大限度地增大单根光纤芯棒所对应的光纤的拉丝长度。由于光纤制造的核心技术是光纤芯棒的制造技术，而且光纤的质量与光纤的制造成本在很大程度上取决于光纤芯棒的质量与制造成本。因此如何降低光纤芯棒的制造成本一直是大家研究的热门课题。相对于管外法而言，管内法欲制造较大的石英光纤芯棒要困难得多，如何制造大的光纤芯棒对管内法显得尤其重要。管内法制造大芯棒，不仅可以降低其光纤的制造成本，而且管内法制造的芯棒的大小代表着该工艺方法的芯棒制造水平的高低。

石英光纤的制造通常是由以下步骤组成的：光纤芯棒的制造，光纤预制棒的制造，拉丝与涂覆，筛选、测试与包装。根据光纤的制造过程与光纤的波导特性，基于管内法制造的芯棒而制造的裸光纤的剖面大致由以下几部分组成：具有较高折射率的光纤的芯层a，以及具有较芯层折射率要低的光纤的内包层b，光纤的衬管层c和及光纤的外包层d(a，b，c，d皆为该层的外径)。如图2a与图2b所示。

由光纤的光场分布可知，光几乎集中在光纤的芯层和光纤的内包层中。因而对光纤的芯层和光纤的内包层的纯度要求很高，其采用的工艺制造方法同其余部分也不一样。对此部分，通常我们要采用芯棒的制造工艺来完成。c是芯棒的外表面与外包层的界面，通常因芯棒的外表面极易被污染，故其杂质含量高，在加热的过程中，杂质易通过热扩散，进入内包层和芯层，从而影响芯层与内包层的纯度而会导致光纤的衰减增大；通常要求b/a＞2，c/a＞3。管外沉积工艺较易生产大的芯棒，因其不需采用衬管，且外径的大小可比管内法工艺较易控制，故b/a和c/a可以控制得较大。其一般皆采用管外沉积工艺在芯棒上直接沉积外包层，直接生产大的预制棒，这样可以提高原材料的利用率和设备的生产效率；然后将大的预制棒进行拉伸成正常棒径的预制棒。对管内沉积工艺而言，通常由于管内沉积工艺与设备的限制，在单模光纤芯棒中由管内沉积工艺沉积的部分b值都小于15mm，如美国专利U.S.Pat.6105396中介绍的MCVD工艺制造的大芯棒，其b皆小于15mm。而由单根该芯棒制造的预制棒所拉制的光纤的长度皆小于500km。随着制造工艺与设备的不断完善，正如本发明介绍的一样，以PCVD工艺为代表的管内法也可制造，单根芯棒制造的预制棒所拉制的光纤的长度达800km以上的大芯棒。对于这样大的预制棒，由于预制棒的棒径大，棒径通常大于120mm，若要直接进行拉丝，其难度是非常大。从工艺角度来看，由于要其直接进行拉丝时，存在光纤椭圆度和氢损敏感性的问题，一般是不可行的。U.S.Pat.5837334中介绍了将大的预制件，进行拉伸，使之变成较小的预制件，该预制件的的棒径属正常范围，可用于直接拉丝。但这种方法的一次性投入很大，对于规模不大的生产厂家是不适宜的。

由管内沉积工艺制造的大芯棒的棒径不大，通过拉伸后形成的芯棒的棒径较小，用该芯棒制造的预制棒，直接进行拉丝时，则因光纤的衬管层太薄，而其外表面在大气中暴露了很长时间，与外物接触等极易被污染。故杂质含量高，在拉丝的过程中，通过热扩散，会影响芯层与内包层的纯度而会导致光纤的衰减大，故在拉伸之前，棒径必须得到增加。美国专利U.S.Pat 4846867其介绍了芯棒棒径增加方法；但其要求采用具有比石英玻璃较低熔点的掺氟的石英套管，且其目的是为了制造生产纯氧化硅芯的光纤预制棒。美国专利U.S.Pat 5850497其介绍了对常规芯棒进行拉伸的设备与方法，由于其采用的是等离子焰，只适用与棒径较小的预制棒；另外采用该设备，对棒径未增加的大芯棒进行拉伸会导致光纤的衰减增加。

                         发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中存在的管内法生产光纤芯棒时，单位设备的生产能力低、生产成本高和生产的单根芯棒制造的预制棒所拉制的光纤的长度小于500km的缺点，提供一种在不影响光纤芯棒的质量和不增加设备的投入的情况下，又能提高单位设备的芯棒生产能力；制造大的单模光纤芯棒，即使用该单根芯棒制造的预制棒所拉制的光纤的长度大于800km；同时降低光纤芯棒的生产成本的石英光纤芯棒的制备方法。

本发明的技术方案：本发明所涉及的芯棒的制造主要包括以下几个步骤，如图3所示：大芯棒的沉积过程，大芯棒的成棒过程，大芯棒的棒径增加过程以及大芯棒的拉伸过程，(1)大芯棒的沉积过程，如图1所示，将含有氧气、四氯化硅、四氯化锗、氟里昂和/或氯气的反应原料气或汽，汇合在一起由沉积床的入口105进入反应衬管102内，在反应区，在高能微波101的作用下发生沉积反应，从而在反应衬管的内表面上形成以氧化硅为主要成分的反应产物，高能微波101在驱动装置104的带动下可沿着沉积床体103的轴向来回反复的均匀运动，这样反应原料便不断地在反应衬管的内表面上均匀地生成以氧化硅为主要成分的反应产物，整个沉积反应都是在1380K±15K的高温环境中进行的，整个沉积管也始终处于该高温环境中；(2)大芯棒的成棒过程，将沉积过程结束后的沉积管201，置于熔缩床子203上，往管内通入高纯的氧气、氯气和/或氟里昂，高温热源204，沿熔缩床203的轴向方向来回往复运动，逐渐地将沉积管熔缩成实心棒202，成棒过程结束后，该实心芯棒中，由PCVD工艺沉积的部分即a部分和b部分的直径，b部分的外径b值界于16mm-40mm之间，b部分的外径b值界于18mm-28mm之间，芯棒的外径通常界于22mm-50mm之间，芯棒的外径为24mm-32mm之间；(3)大芯棒的棒径增加过程，即增大芯棒的横截面积CSA的过程，该过程包括两个步骤，即芯棒外表面的除污过程和CSA的增加过程，芯棒外表面的除污过程：将芯棒置于对石英玻璃有腐蚀作用的环境中，对芯棒外表面进行腐蚀，除去棒子表面的杂质，在腐蚀的过程中和腐蚀过程结束后，不对芯棒的表面产生新的污染，当腐蚀过程结束后，采用已成型的石英套管或待加工的原材料，待加工的原材料可以选四氯化硅或氧化硅粉末，在芯棒的外表面熔缩上或直接沉积并烧结上一层高纯的CSA为400mm²-4500mm²的氧化硅玻璃；(4)大芯棒的拉伸过程，将大的实心芯棒，放在专门的拉伸装置上进行拉伸，拉伸张力为2牛顿-12牛顿。

在芯棒外表面的除污过程中，将实心芯棒插在一高纯的石英套管内，在芯棒与套管的间隙内通入高纯的氧气、氦气和氟里昂或六氟化硫气体，高温热源或高能微波发生装置可沿石英套管和实心芯棒的轴向来回往复运动，在高温热源或高能微波作用下，对实心芯棒的外表面和套管的内表面进行气相腐蚀，以消除表面的杂质。

在芯棒外表面的除污过程中，将实心芯棒插在高浓度的氢氟酸溶液中，表面腐蚀0.5mm-2mm后，放在高温喷灯下面，进行抛光，以消除表面的杂质。

芯棒外表面的所增加的氧化硅玻璃层中，羟基以重量计含量小于1ppm。

将芯棒的棒径为40mm-80mm的大外径芯棒501，放在图5A或图5B所示的专门的拉伸装置上进行拉伸，在高温热源504的作用下，通过控制热源的驱动装置504的速度V₁和小棒径芯棒503的夹具505的速度V₂的大小，将大芯棒拉伸到所需要的棒径的小芯棒。

如图5a或图5b所示，其中V₁、V₂和棒径D₁、D₂之间的关系为：V₁/V₂＝(D₂/D₁)²，其中V₁为热源的驱动装置的速度，V₂为小棒径芯棒的夹具的速度，D₁为大芯棒棒径、D₂为小芯棒棒径。

整个拉伸过程，由于芯棒的外径在有效长度内都是比较均匀的，故不需要监视拉伸过程的小芯棒的棒径。仅需控制整个过程的速度比V₁/V₂和维持一定的拉伸张力。

用本方法所制造的芯棒加上与之匹配的套管所拉制的光纤的性能参数同现有技术所制造的光纤参数完全一样。用本方法制备的石英光纤芯棒，既不影响光纤芯棒的质量，也不增加设备的投入，又能提高单位设备的芯棒生产能力，同时还降低光纤芯棒的生产成本。

                        附图说明

图1管内法工艺沉积过程的工作示意图。

图2成棒过程的工艺过程的示意图。

图2a光纤或预制棒的剖面示意图。

图2b光纤或预制棒的立体示意图。

图3工艺流程图。其中E为大芯棒的沉积过程，F为大芯棒的成棒过程，G为大芯棒的棒径增加过程，H为大芯棒的拉伸过程。

图3a大芯棒的棒径增加工艺流程图。L为小棒径的大芯棒，M为气相腐蚀过程，N为套管融缩过程，P为外包层沉积过程，Q为烧结过程，R为棒径加大后的大芯棒。

图4a套管过程的水平装置工作示意图。

图4b套管过程的垂直装置工作示意图。

图5a大芯棒的水平拉伸过程的工艺流程示意图。

图5b大芯棒的垂直拉伸过程的工艺流程示意图。

图6光纤衰减谱。

                      具体实施方式

实施例1

按照表1和表2的原料配比与工艺参数，用图1和图2所示意的装置应的床子的入口端105而进入反应衬管102内，在反应区，在高能微波或高温热源101的作用下发生沉积反应，反应原料便在反应衬管的内表面上形成很薄的一层以二氧化硅为主要成分的反应产物，驱动装置104可以在沉积床体103上来回的运动，这样以氧化硅为主要成分的反应产物便在反应衬管的内表面上逐渐加厚，直到达到所要求的厚度时，反应沉积过程才结束。

          表1，反应过程中的原料气或汽的配比

步骤	1	2	3
				反应氧气(％)	68	67	64.5
四氯化硅的蒸汽(％)	32	26	23
				四氯化锗的蒸汽(％)	0	≤1	1.5
氟里昂(％)	0	≤1	1
				氯气(％)	0	5	10
反应区的压力(mBar)	15	15	15

当沉积反应结束后，在熔缩床上将该沉积管进行成棒过程；将沉积过程结束后的沉积管201，置于熔缩床子203上，按照表2给出的气体配比，往管内通入高纯的氧气，氯气和/或氟里昂，高温热源204，沿熔缩床203的轴向，如205所示的方向来回往复运动，逐渐地将沉积管熔缩成实心棒202。成棒过程结束后，该芯棒的a值为11.2mm，b值为22.4mm，外径为28mm，有效长度达1m。

             表2，成棒过程中的原料气或汽的配比

步骤	1	2	3
				高纯氧气(％)	80	60	0
氟里昂(％)	0	40	0
				氯气(％)	20	20	0
加热区的温度(K)	2200	2200	2200
				加热区的压力(mBar)	1100	1050	600
热源的移动速度(mm/min)	100	50	20

将该实心的预制棒401插在一高纯的CSA为1000mm²的石英套管内403，在芯棒与套管的间隙402内按照表3的配比通入腐蚀气体，在高温热源或高能微波的作用下，对芯棒的外表面和套管的内表面进行气相腐蚀，以消除表面的杂质。当腐蚀过程完成后，将已完成气相腐蚀的芯棒和套管在热源的作用下进行熔缩，使它们变成一体。这样芯棒的棒径可达44mm，有效长度达1m。

              表3，套管过程中的原料气或汽的配比

步骤	1	2	3
				高纯氧气(％)	20	100	0
氟里昂(％)	50	0	0
				氦气(％)	30	0	0
反应区的温度(K)	2000	2000	2200
				反应区的压力(mBar)	1050	1050	600
微波或热源的移动速度(mm/min)	60	50	20

将该芯棒放在图5A或图5B所示的专门的拉伸装置上进行拉伸。在高温加热炉504的作用下，当炉温达2100K时，控制热源的驱动装置504的速度V₁为200mm/min.和小棒径芯棒503的夹具505的速度V₂为800mm/min大小，拉伸张力为5牛顿，可将大芯棒拉伸成4m长，棒径为22mm的小芯棒。该芯棒的芯径a为5.56mm，内包层b为11.2mm。用这些芯棒加上外径为80mm的CSA为4700mm²的高纯石英套管，然后进行拉丝。拉制的光纤总长度达1610km。图6给出了该光纤的平均衰减谱。

实施例2

用实施例1中相同的条件制造的PCVD芯棒，放在重量比为40％的氢氟酸溶液中，将棒子的表面腐蚀掉1.5mm后，放用OVD沉积设备上，用氢氧焰喷灯对其表面进行抛光；按表4所示的原料配比和工艺条件，在OVD沉积设备上，在该PCVD芯棒表面上进行沉积重量为2.4Kg的氧化硅粉尘。沉积完成后将该粉尘棒放在烧结炉中于1700K，97％He和3％Cl₂氛围中进行烧结。烧结完成后，棒的外径达49mm，有效长度达800mm。

将该芯棒放在图5A或图5B所示的专门的拉伸装置上进行拉伸。在高温加热炉504的作用下，当炉温达2100K时，控制热源的驱动装置504的速度V₁为200mm/min.和小棒径芯棒503的夹具505的速度V₂为800mm/min大小，拉伸张力为5牛顿，可将大芯棒拉伸成4m长，棒径为22mm的小芯棒。该芯棒的芯径a为5.56mm，内包层b为11.2mm。用这些芯棒加上外径为80mm的CSA为4700mm²的高纯石英套管，然后进行拉丝。拉制的光纤总长度达1600km。图6给出了该光纤的平均衰减谱。

              表4，套管过程中的原料气或汽的配比

步骤	1	2	3
				高纯氧气(％)	40	42	44
氢气(％)	40	42	44
				四氯化硅的蒸汽(％)	20	16	12
喷灯的移动速度(mm/min)	2000	1000	1000

对比实施例

用实施例1中相同的条件制造的PCVD芯棒，将该芯棒放在图5A或图5B所示的专门的拉伸装置上进行拉伸。在高温加热炉504的作用下，当炉温达2100K时，控制热源的驱动装置504的速度V₁为200mm/min.和小棒径芯棒503的夹具505的速度V₂为800mm/min大小，拉伸张力为5牛顿，可将大芯棒拉伸成4m长，棒径为14mm的小芯棒。该芯棒的芯径a为5.56mm，内包层b为11.2mm。用这些芯棒加上外径为80mm的CSA为4700mm²的高纯石英套管，然后进行拉丝。拉制的光纤总长度可达1600km。图6给出了该光纤的平均衰减谱。

从图6中可以看出，芯棒的棒径未增加的光纤的衰减大。

Claims (10)

1、石英光纤芯棒的制备方法，包括以下步骤：大芯棒的沉积过程、大芯棒的成棒过程、大芯棒的棒径增加过程以及大芯棒的拉伸过程，(1)大芯棒的沉积过程，将含有氧气、四氯化硅、四氯化锗、氟里昂和/或氯气的反应原料气或汽，汇合在一起由沉积床的入口进入反应衬管内，在反应区，在高能微波的作用下发生沉积反应，从而在反应衬管的内表面上形成以氧化硅为主要成分的反应产物，高能微波在驱动装置的带动下可沿着沉积床体的轴向来回反复的均匀运动，这样反应原料便不断地在反应衬管的内表面上均匀地生成以氧化硅为主要成分的反应产物，整个沉积反应都是在1380K±15K的高温环境中进行的，整个沉积管也始终处于该高温环境中；(2)大芯棒的成棒过程，将沉积过程结束后的沉积管，置于熔缩床子上，往管内通入高纯的氧气、氯气和/或氟里昂，高温热源，沿熔缩床的轴向方向来回往复运动，逐渐地将沉积管熔缩成实心芯棒；(3)大芯棒的棒径增加过程，即增大芯棒的横截面积CSA的过程，该过程包括两个步骤，即芯棒外表面的除污过程和CSA的增加过程，芯棒外表面的除污过程：将芯棒置于对石英玻璃有腐蚀作用的环境中，对芯棒外表面进行腐蚀，除去棒子表面的杂质；当腐蚀过程结束后，采用已成型的石英套管或待加工的原材料，在芯棒的外表面熔缩上或直接沉积并烧结上一层高纯的CSA为400 mm²-4500mm²的氧化硅玻璃；(4)大芯棒的拉伸过程，将大的实心芯棒，放在专门的拉伸装置上进行拉伸，拉伸张力为2牛顿-12牛顿。

2、根据权利要求1所述石英光纤芯棒的制备方法，其特征在于大芯棒中，由PCVD工艺沉积的部分的直径，即b部分的外径界于16mm-40mm之间。

3、根据权利要求2所述石英光纤芯棒的制备方法，其特征在于大芯棒中，由PCVD工艺沉积的芯棒的外径界于22mm-50mm之间。

4、根据权利要求1所述石英光纤芯棒的制备方法，其特征在于所述在芯棒外表面的除污过程中，将实心芯棒插在一高纯的石英套管内，在芯棒与套管的间隙内通入高纯的氧气、氦气和氟里昂或六氟化硫气体，高温热源或高能微波发生装置可沿石英套管和实心芯棒的轴向来回往复运动，在高温热源或高能微波作用下，对实心芯棒的外表面和套管的内表面进行气相腐蚀，以消除表面的杂质。

5、根据权利要求1所述石英光纤芯棒的制备方法，其特征在于在芯棒外表面的除污过程中，将实心芯棒插在高浓度的氢氟酸溶液中，表面腐蚀0.5mm-2mm后，放在高温喷灯下面，进行抛光，以消除表面的杂质。

6、根据权利要求1所述石英光纤芯棒的制备方法，其特征在于在芯棒外表面的CSA的增加步骤中，采用了待加工的原材料为高纯度的四氯化硅或氧化硅粉末，在芯棒的表面上直接沉积并烧结而形成一层氧化硅玻璃。

7、根据权利要求6所述所述石英光纤芯棒的制备方法，其特征在于芯棒外表面的所增加的氧化硅玻璃层中，羟基以重量计含量小于1ppm。

8、根据权利要求1所述石英光纤芯棒的制备方法，其特征在于用该方法制备的芯棒棒径达40mm-80mm。

9、根据权利要求1所述石英光纤芯棒的制备方法，其特征在于大芯棒的拉伸在高温热源的作用下，通过控制热源的驱动装置的速度V₁和小棒径芯棒的夹具的速度V₂的大小，将大芯棒拉伸到所需要的棒径的小芯棒。

10、根据权利要求9所述石英光纤芯棒的制备方法，其特征在于其中，V₁、V₂和棒径D₁、D₂之间的关系为：V₁/V₂＝(D₂/D₁)²，其中V₁为热源的驱动装置的速度，V₂为小棒径芯棒的夹具的速度，D₁为大芯棒棒径、D₂为小芯棒棒径。

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