CN1398804A - 多包层光纤预制棒及制造方法 - Google Patents

多包层光纤预制棒及制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及光纤制造领域中一种多包层光纤预制棒及制造方法，它包括芯棒和外包层，芯棒由芯层、内包层、低羟基高纯包层依次组成，外包层分为高纯度外包层和次高纯度外包层，它解决了现有的光纤制造技术中，光纤预制棒的外包层所使用的高纯原材料比重过大，从而导致高纯原材料利用率低、制造成本高的问题。本发明的制造方法依次包括以下步骤：(1)芯棒的制备；(2)在芯棒的外表面，用含量为99.99％－99.999％高纯度的SiCl4为原料，采用管外沉积工艺制造高纯度外包层而制成预制棒；(3)在预制棒的外表面，用含量为99％－99.99％的SiCl4为原料，采用管外沉积工艺制造次高纯度外包层而制成多包层光纤预制棒。本发明不仅降低了原材料成本，还可以改善光纤的性能以及提高光纤芯棒设备的制造效率与能力。

Description

多包层光纤预制棒及制造方法
                        技术领域
本发明涉及光纤制造领域一种光纤预制棒及制造方法，具体地说是一种由多层纯度略有差异的石英材质组成的可用于拉制石英光纤的多包层光纤预制棒及制造方法。
                         技术背景
目前世界上制造商用石英光纤预制棒的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(outsidevapor-phase deposition)工艺与VAD(vapor-phase axial deposition)工艺，中国专利98813827.1中所叙述的PCVD(plasma active chemical vapor-phasedeposition)工艺与如美国专利U.S.Pat.4217027中介绍的MCVD(modifiedchemical vapor-phase deposition)工艺等方法。随着光纤制造技术的不断研究和发展，各种光纤制造技术相互融合，近几年也出现了四种工艺相混合的光纤预制棒的制造方法。采用以上各种工艺制造的光纤预制棒，根据制造过程中所使用的原材料纯度和制造后所形成的石英玻璃的杂质含量的高低可将光纤或预制棒分为以下几层：具有较高折射率的光纤的芯层，以及与光纤的芯层相邻，具有较芯层折射率要低的光纤的内包层；与内包层相邻的，光纤的衬管层和及光纤的外包层。对光纤制造领域来说，现有产品和制造方法相对较成熟，其面临的主要问题是如何有效地降低光纤的制造成本。现在一般降低光纤的制造成本方法是降低光纤芯棒的制造成本，即直接生产出大的芯棒从而提高原材料的利用率和设备的生产效率以降低制造成本。
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。衬管层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，非常靠近光纤的芯层与内包层，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；对于单模光纤而言，依靠芯棒的制造工艺来完成的部分占光纤中心部分典型值大约为20微米，其所占整个光纤的比例仅为2.56％。占光纤97.64％的部分都是采用非芯棒的制造工艺来完成的。对于管内法工艺而言，衬管层，内包层同芯层总共占光纤中心部分约30微米，其所占整个光纤的比例仅为5.76％。占光纤94.24％的部分为光纤的外包层。
从以上分析可知，要想有效地降低光纤的制造成本，除了要降低光纤芯棒的制造成本，关键在于要降低光纤的包层的制造成本，即要降低非芯棒的制造工艺来完成的部分的成本。光纤的制造成本主要来源于包层的制造成本，尤其是外包层的制造成本。光纤的外包层的典型制造方法有直接管外沉积法，套管法和溶胶-凝胶法。虽然溶胶-凝胶法是很有前途的方法，但目前工艺还不成熟，难以形成规模效益。直接管外沉积法，套管法大多数都是采用OVD工艺，因该工艺使用的主要原材料，高纯度的SiCl4的利用率仅20-30％，原材料的利用率低。对于含量为99.99％至99.999％高纯度的SiCl4而言，其价格是非常贵的。而且纯度越高其价格也越贵。例如纯度达99.999％量级的SiCl4与纯度为99.9％量级的SiCl4的价格相差几倍，由于原材料的利用率低，这样采用OVD工艺制造外包层时，其原材料成本占据了整个成本很大部分。为了有效地降低外包层的制造成本，关键在于降低外包层的原材料的成本。但是若外包层完全使用较低纯度的SiCl4，因其杂质含量高，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；若外包层中靠近纤芯部分具有一层或数层较厚的高纯石英玻璃，在光纤的制造过程中，高纯石英玻璃以外的次高纯石英玻璃层中杂质很难通过热扩散，进入内包层和芯层。这样便可用较廉价的原材料制造的次高纯石英玻璃，部分取代现有的光纤预制棒中外包层最外部的石英玻璃。
                        发明内容
本发明的目的就是提供一种多包层光纤预制棒及制造方法，它解决了现有的光纤制造技术中，光纤预制棒的外包层所使用的高纯原材料比重过大，从而导致高纯原材料占光纤的制造成本比重过高、使得光纤的制造成本高的问题。
本发明利用光纤的波导特性与热扩散的特性，将光纤预制棒的包层分为若干层，各层的纯度要求不尽相同，越靠近纤芯的纯度越高，使用的原材料也越贵，越靠近外表面的纯度越低，使用的原材料也越便宜，由于越靠近外表面，单位厚度里所占的横截面越大，使用原材料的比重也越大，故可以较为显著的降低光纤的制造成本而不导致光纤衰减的增大。
本发明的光纤预制棒的制造主要包括以下几个步骤，石英光纤芯棒的制备过程，高纯石英玻璃包层的制备过程和次高纯石英玻璃包层的制备过程。其中，石英光纤芯棒的制备过程，高纯石英玻璃包层的制备过程同现有的光纤预制棒的制造工艺一样，仅预制棒的芯包比A/D不同。
本发明所涉及的光纤预制棒包括芯棒和外包层，芯棒由芯层、内包层、低羟基高纯包层依次组成，外包层分为高纯度外包层和次高纯度外包层，各层的尺寸如下：
内包层外直径B与芯层外直径A之比为1.0-4.0；
低羟基高纯包层外直径C与芯层外直径A之比为2.0-5.0；
高纯度外包层外直径D与芯层外直径A之比为5.0-13.0；
次高纯度外包层外直径E与芯层外直径A之比为13.5-15.2；
本发明中各层的尺寸优选如下：
内包层外直径B与芯层外直径A之比为2.0-3.0；
低羟基高纯包层外直径C与芯层外直径A之比为3.0-4.0；
高纯度外包层外直径D与芯层外直径A之比为8.0-11.5；
次高纯度外包层外直径E与芯层外直径A之比为裸光纤的直径与光纤的芯径之比，对匹配包层型单模光纤而言，其值为14.0-14.6之间；
本发明中各层的尺寸最优选如下：
内包层外直径B与芯层外直径A之比为2.0；
低羟基高纯包层外直径C与芯层外直径A之比为3.5；
高纯度外包层外直径D与芯层外直径A之比为10.5；
次高纯度外包层外直径E与芯层外直径A之比为裸光纤的直径与光纤的芯径之比对匹配包层型单模光纤而言，其值为14.3；
本发明中高纯度外包层由含量为99.99％至99.999％高纯度的SiCl4制备而成，次高纯度外包层由含量为99.0％至99.99％纯度的SiCl4制备而成，次高纯度外包层外直径E为20-200mm，优选E为60至85mm，最优选E为80mm。
本发明的具体制造方法依次包括以下步骤：
(1)芯棒的制备，本步骤采用的芯棒同现有的用于制造光纤预制棒的
   石英光纤芯棒一样；
(2)在芯棒的外表面，用含量为99.99％-99.999％高纯度的SiCl4
  为原料，采用管外沉积工艺制造高纯度外包层而制成预制棒；该
  预制棒同现有的光纤预制棒一样，仅仅是预制棒的外径与其芯径
  之比D/A较通常的的光纤预制棒要小。
(3)在预制棒的外表面，用含量为99.0％-99.99％的SiCl4为原料，
   采用管外沉积工艺制造次高纯度外包层而制成多包层光纤预制
   棒。
其中步骤(2)、(3)所述的管外沉积工艺可以是直接沉积方法，也可以是石英套管方法。
本发明能降低光纤的原材料成本，通过有效配置资源，使得越靠近光纤的中心部分，使用的原材料的纯度越高，不仅降低了原材料成本，还可以改善光纤的性能以及提高光纤芯棒设备的制造效率与能力。
                      附图说明
图1为多包层光纤预制棒的剖面示意图
图2为多包层光纤预制棒的立体示意图
图3为具有次高纯度外包层的实体棒的示意图
图4为具有次高纯度套管的预制棒的示意图
                     具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步描述：
如图1、图2本发明包括芯棒和外包层，芯棒由芯层a、内包层b、低羟基高纯包层c依次组成，外包层分为高纯度外包层d和次高纯度外包层e，各层的尺寸如下：
内包层b外直径B与芯层a外直径A之比为4.0；
低羟基高纯包层c外直径C与芯层a外直径A之比为5.0；
高纯度外包层d外直径D与芯层a外直径A之比为13.0；
次高纯度外包层e外直径E与芯层a外直径A之比为15.2；
其中高纯度外包层d由含量为99.999％高纯度的SiCl4制备而成，次高纯度外包层e由含量为99.0％的SiCl4制备而成，次高纯度外包层e外直径E为80mm。
本发明也可以采用下述实施方式：
内包层b外直径B与芯层a外直径A之比为1.0；
低羟基高纯包层c外直径C与芯层a外直径A之比为2.0；
高纯度外包层d外直径D与芯层a外直径A之比为5.0；
次高纯度外包层e外直径E与芯层a外直径A之比为13.5；
其中高纯度外包层d由含量为99.99％高纯度的SiCl4制备而成，次高纯度外包层e由含量为99.9％的SiCl4制备而成，次高纯度外包层e外直径E为60mm。
本发明采用下述实施方式为优选实施方式：
内包层b外直径B与芯层a外直径A之比为2.0；
低羟基高纯包层c外直径C与芯层a外直径A之比为3.5；
高纯度外包层d外直径D与芯层a外直径A之比为10.5；
次高纯度外包层e外直径E与芯层a外直径A之比为14.3；
其中高纯度外包层d由含量为99.995％高纯度的SiCl4制备而成，次高纯度外包层e由含量为99.9％的SiCl4制备而成，次高纯度外包层e外直径E为80mm。
本发明优选下述方法制备而成：
(1)芯棒的制备，本步骤采用的芯棒同现有的用于制造光纤预制棒的
   石英光纤芯棒一样；
(2)在芯棒的外表面，用含量为99.99％-99.999％高纯度的SiCl4
   为原料，采用管外沉积工艺制造高纯度外包层而制成预制棒；该
   预制棒同现有的光纤预制棒一样，仅仅是预制棒的外径与其芯径
   之比D/A较通常的的光纤预制棒要小。
(3)在预制棒的外表面，用含量为99％-99.99％的SiCl4为原料，采
   用管外沉积工艺制造次高纯度外包层而制成多包层光纤预制棒。
光纤的低羟基高纯度包层c一般是由管外沉积工艺制造的，它是纯氧化硅层，其一般是由管外沉积工艺制造的，采用的原材料纯度等同于或略低于芯层和内包层。根据石英单摸光纤制造的工艺特点，a，b和c构成光纤的芯棒部分。光纤的高度纯外包层d是采用管外沉积工艺制造的，它采用在光纤芯棒的外表面直接沉积方法制成，制造该部分的原材料纯度要求较高制造该部分的原材料纯度同现行光纤的外包层一样，要求较高，但要低于芯棒部分所使用的原材料的纯度。光纤的次高纯度外包层e，是采用管外沉积工艺制造的，它采用在上面的光纤预制棒的外表面直接沉积方法制成，制造该部分的原材料纯度较通常的制造外包层的纯度要低，因而价格便。如图3所示，e为光纤的次高纯度外包层，是采用管外沉积工艺制造的，它采用在上面的a，b，c和d所对应的预制棒的外表面直接沉积方法制备成。
本发明也可采用其它方式制备：
例如，上述制备方法中，步骤(2)、(3)所述的管外沉积工艺也可以采用石英套管方法，它采用已成型的，与管外沉积工艺具有相同的CSA高纯度或次高纯度石英管来形成高纯度外包层或次高纯度外包层。步骤(2)、(3)所用原材料可以是氧化硅粉末，也可以是有机硅原料。
如图4所示，次高纯度外包层e也可以采用上面的a，b，c和d所对应的预制棒光纤预制棒加已成型的次高纯度石英套管的方法形成，制造该部分的原材料纯度较通常的制造外包层的纯度要低。

Claims (11)

1、一种多包层光纤预制棒，它包括芯棒和外包层，芯棒由芯层、内包层、低羟基高纯包层依次组成，外包层分为高纯度外包层和次高纯度外包层，各层的尺寸如下：
内包层外直径B与芯层外直径A之比为1.0-4.0；
低羟基高纯包层外直径C与芯层外直径A之比为2.0-5.0；
高纯度外包层外直径D与芯层外直径A之比为5.0-13.0；
次高纯度外包层外直径E与芯层外直径A之比为13.5-15.2；
2、根据权利要求1的一种多包层光纤预制棒，其中各层的尺寸如下：
内包层外直径B与芯层外直径A之比为2.0-3.0；
低羟基高纯包层外直径C与芯层外直径A之比为3.0-4.0；
高纯度外包层外直径D与芯层外直径A之比为8.0-11.5；
次高纯度外包层外直径E与芯层外直径A之比为14.0-14.6；
3、根据权利要求1的一种多包层光纤预制棒，其中各层的尺寸如下：
内包层外直径B与芯层外直径A之比为2.0；
低羟基高纯包层外直径C与芯层外直径A之比为3.5；
高纯度外包层外直径D与芯层外直径A之比为10.5；
次高纯度外包层外直径E与芯层外直径A之比为14.3；
4、根据权利要求1至3任一项的一种多包层光纤预制棒，其中高纯度外包层由含量为99.99％--99.999％高纯度的SiCl4制备而成。
5、根据权利要求1至3任一项的一种多包层光纤预制棒，其中次高纯度外包层由含量为99％--99.99％的SiCl4制备而成。
6、根据权利要求1至3任一项的一种多包层光纤预制棒，其中次高纯度外包层外直径E为20-200mm。
7、根据权利要求6的一种多包层光纤预制棒，其中次高纯度外包层外直径E为80mm。
8、一种多包层光纤预制棒的制造方法，它依次包括以下步骤：(1)芯棒的制备；(2)在芯棒的外表面，用含量为99.99％--99.999％高纯度的SiCl4为原料，
采用管外沉积工艺制造高纯度外包层而制成预制棒；(3)在预制棒的外表面，用含量为99％--99.99％的SiCl4为原料，采用管外沉积工艺制造次高纯度外包层而制成多包层光纤预制棒。
9、根据权利要求8的一种多包层光纤预制棒的制造方法，其中步骤(2)、(3)所述的管外沉积工艺是直接沉积方法。
10、根据权利要求8的一种多包层光纤预制棒的制造方法，其中步骤(2)、(3)所述的管外沉积工艺是石英套管方法，它采用已成型的与管外沉积工艺具有相同的CSA高纯度或次高纯度石英管来形成高纯度外包层或次高纯度外包层。
11、根据权利要求8的一种多包层光纤预制棒的制造方法，其中步骤(2)、(3)所用原材料可以是氧化硅粉末，也可以是有机硅原料。
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