CN203033890U - 一种制造凹陷包层超低水峰光纤芯棒的装置 - Google Patents

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徐希凯
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周慧
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Abstract

本实用新型一种制造凹陷包层超低水峰光纤芯棒的装置涉及的是一种使用低水峰芯棒和低水峰套管制造凹陷包层超低水峰光纤芯棒的装置。合成后的芯棒可以具有复杂的折射率剖面。包括芯棒组件、套管组件、高温热源、卡盘、旋转接头、外部供气管道和压力控制管；所述的芯棒组件由芯层棒和芯棒空心柄熔融对接制成，在芯棒空心柄靠近芯层棒的一端钻有若干个通气孔；所述的套管组件由内包层套管和套管空心柄熔融对接制成，套管组件的内包层套管套装在芯棒组件的芯层棒外部；芯棒组件的芯棒空心柄、套管空心柄分别装夹在玻璃车床的两个卡盘中，芯棒空心柄外端通过旋转接头和外部供气管道相连，高温热源设置在内包层套管的外侧。

Description

一种制造凹陷包层超低水峰光纤芯棒的装置
技术领域
本实用新型一种制造凹陷包层超低水峰光纤芯棒的装置，涉及的是一种使用低水峰芯棒和低水峰套管制造凹陷包层超低水峰光纤芯棒的装置及其方法。合成后的芯棒可以具有复杂的折射率剖面。该技术可以在融缩套管使其和芯棒合成为一体的过程中，避免空气中的水分和杂质污染界面及渗透到芯棒中去。
背景技术                     
光纤的制造过程通常包括3个步骤。第一步是芯棒制造。芯棒通常由芯层和内包层两部分组成。芯棒的制造方法主要有轴向气相沉积法（VAD）、改进的化学气相沉积法（MCVD）、等离子体化学气相沉积法（PCVD）和管外气相沉积法(OVD)。第二步是在芯棒外加上外包层。第三步是拉丝制造光纤。
加外包层的主要技术有套管融缩法（RIT）、套管拉丝法（RIC ）以及外包沉积法。套管融缩法是将芯棒插入一个套管，在高温下融缩套管使其和芯棒成为一体而制成实心预制棒；套管拉丝法也是将芯棒插入套管，但套管融缩的过程是在拉丝过程中完成的；沉积法是用soot法，等离子喷涂法（APVD）， 等离子外部沉积（POD）等技术将外包加在芯棒外面而制成实心预制棒。为了控制光纤制造的成本，外包层材料中的杂质含量（特别是水分含量）通常都比芯棒高，外包层的各种物理和化学性能也不如芯棒。不仅如此，外包沉积通常是在高温下进行，它可能对芯棒的质量会造成不良影响。为了消除外包材料和外包沉积过程对光纤质量的影响，光纤中的内包层的厚度通常不能小于应用波长的10倍。为了满足这一要求，在通信用单模光纤的芯棒的设计中，内包层的外径和芯层的外径比（包芯比）通常不能小于4。
在芯棒制造工艺中，VAD方法因具有原料纯度要求较低，沉积速率高，脱水效果好，可连续制造大尺寸预制棒以及折射率剖面中心不存在凹陷等优势得到广泛应用。但是由于在去羟基和烧结过程中，掺入内包层中的氟元素极易渗透到芯层或在高温下蒸发并被干燥气体（CL2和He）携带走，在传统的VAD工艺生产的芯棒中，凹陷折射率差通常无法达到-0.003（约-0.2%*nSiO2）。所以使用传统的VAD工艺实现复杂的折射率剖面（例如凹凸交替的内包层）的难度是非常大的。 这一缺陷局限了传统的VAD工艺只能生产G652，G657A1/G657A2 等折射率剖面较简单且不需较深凹陷折射率的单模光纤。
发明内容
本实用新型目的是针对上述VAD工艺不足之处，提供一种制造凹陷包层超低水峰光纤芯棒的装置，是一种使用VAD或OVD制造的芯棒和 MCVD，PCVD或POD制造的套管制造凹陷包层超低水峰光纤芯棒的装置。采用本实用新型方法制造的光纤预制棒由3个部分组成：芯层棒，内包层套管和外包层。这3个部分是由3种不同的生产工艺制造的。采用本实用新型生产流程制作的预制棒可以生产出光学包层折射率特别低的光纤，这类光纤具有超低水峰传输的能力，适合于长距离传输应用。
一种制造凹陷包层超低水峰光纤芯棒的装置是采取以下技术方案实现：
一种制造凹陷包层超低水峰光纤芯棒的装置包括芯棒组件、套管组件、高温热源、卡盘、旋转接头、外部供气管道和压力控制管。
所述的芯棒组件由芯层棒和芯棒空心柄熔融对接制成，在芯棒空心柄靠近芯层棒的一端需要钻有若干个通气孔。所述的套管组件由内包层套管和套管空心柄熔融对接制成，内包层套管的内径须比芯层棒的外径大至少0.3 毫米。套管组件的内包层套管套装在芯棒组件的芯层棒外部，装配后内包层套管和芯层棒的间隙为 0.15 ~ 5 毫米。
芯棒组件的芯棒空心柄、套管空心柄分别装夹在玻璃车床的两个卡盘中，芯棒空心柄外端通过旋转接头和外部供气管道相连。各种所需的气体通过外部供气管道输入，这些气体包括（但不限于）吹扫气体、干燥气体和刻蚀气体。吹扫气体采用纯化的N2，O2或He等，干燥气体采用Cl2。刻蚀气体采用CF4、C2F6 或SF6等。外部供气管道上装有压力控制管和连接于洗涤塔（注：洗涤塔是用于处理废气的装置）。套管空心柄的外端和洗涤塔连接，并用于控制内包层套管和芯层棒间隙的气压。 套管组件中内包层套管的外端需和芯棒空心柄气密连接，连接位置需在芯棒空心柄的通气孔的外侧，从而确保外部供气管道和内包层套管与芯层棒之间的间隙相连通。气密连接的方法可以采用机械密封，或高温熔融密封。本实用新型采取了高温熔融密封的方法。
高温热源设置在内包层套管的外侧，高温热源采用（但不限于）燃气喷灯或熔炉。
上述制造凹陷包层超低水峰光纤芯棒的装置生产出的预制棒折射率剖面由芯层、内包层、外包层组成。
所述的芯层是由VAD或OVD工艺制造的芯层棒。它包括芯层和一小部分内包层。在芯层棒中，包芯比可以小于4，甚至接近1。 内包层是由其他工艺生产的具有特定折射率剖面的内包层套管。外包层是由沉积法或套管制作的。
一种制造凹陷包层超低水峰光纤芯棒的方法，其步骤如下 ：
1)  芯棒组件制作：使用玻璃车床将芯层棒和芯棒空心柄熔融对接。
2)  套管组件制作：内包层套管内径比芯层棒外径大至少0.3 毫米，使用玻璃车床将内包层套管和套管空心柄熔融对接。
3)  将两个组件分别装夹在玻璃车床的两个卡盘上，将内包层套管套于芯层棒外面。内保层套管内壁和芯层棒外壁的间隙约 0.15 ~ 5毫米。
4)  关闭压力控制管和洗涤塔以及真空泵的之间连接，芯棒空心柄通过旋转接头和外部供气管连接。套管空心柄与外部洗涤塔相连接。
5)  将内包层套管和芯棒空心柄气密连接。
6)  启动玻璃车床，以下运行中玻璃车床卡盘的转速为每分钟20 ~ 100转。 
7)  在室温下，通过外部供气管道通入吹扫和干燥气体的混合气体约2分钟。吹扫气体和干燥气体的流量比是 20:1 ~ 80:1。
8)  继续通入吹扫和干燥气体的混合气体，吹扫气体和干燥气体的流量比是 20:1 ~  80:1。 高温热源来回移动两次，适当加热内包层套管，高温热源移动速度每分钟50 ~ 200毫米，内包层套管内壁的温度约在 300~ 800℃。
9)  通入吹扫和刻蚀气体的混合气体清洗玻璃界面。吹扫和刻蚀气体的流量比例是 5:1 ~  20:1。 高温热源从进气端缓慢移动到出气端。将内包层套管内壁加热到刻蚀气体分解并和玻璃反应的温度为1200 ~ 1900℃，热源的移动速度每分钟20 ~ 100毫米。控制内包层套管和芯层棒之间的间隙压力，防止内包层套管外径在高温下收缩或膨胀，控制内包层套管和芯层棒之间的间隙压力为30pa ~  400pa。
10)  通入吹扫和干燥气体的混合气体，吹扫和干燥气体的流量比是 20:1 ~  80:1。 此时内包层套管和芯层棒之间的间隙压力应小于60pa，在出气端即靠近套管空心柄，用高温热源加热使内包层套管融缩，当内包层套管和芯层棒之间的间隙几乎消失时，打开压力控制管，并将在排气端的内包层套管和芯层棒熔成一体。
11)  继续通入吹扫和干燥气体的混合气体，吹扫和干燥气体的流量比是 20:1 ~ 80:1。根据套管的壁厚决定所需的管压。压力的范围是+60pa~-99Kpa；如果需要负压，打开压力控制管和真空泵的连接，高温热源向进气端方向移动，高温热源移动动速度每分钟 5 ~ 100 毫米，加热融缩使内包层套管和芯层棒合成一体。
12）通过控制外部供气管道和压力控制管中气体的真空度达到管压+60pa ~  -99kpa ，控制高温热源的温度1200~1900℃和移动速度为5~ 100 mm/min，保证内包层套管和芯层棒完全熔融，无界面气泡和气线，同时保证成品芯棒的圆度，即制成一种制造凹陷包层超低水峰光纤芯棒。
本明生产流程的关键步骤是通过套管融缩法将内包层套管和芯层棒合成为实心的芯棒。如果采用传统的套管融缩法合成芯棒，由于内包层套管内壁和芯层棒外表面直接和空气接触,在高温下，空气中的水分和其他杂质将污染的界面并渗透到内包层套管和芯层棒中，从而影响光纤的质量（主要的表现是光纤在1383nm的衰减增大）。芯棒的包芯比越小，传统的套管融缩法对光纤的质量影响就越大。为了去除间隙中的水分和其他杂质气体，本实用新型对传统的套管融缩法进行了改进。
一种制造凹陷包层超低水峰光纤芯棒的装置的优点：芯层与内包层可以由不同的设备和工艺分别制造，合成可制造低水峰光纤并具有深度凹陷或复杂折射率剖面的芯棒。生产拉丝后光纤在1383nm衰减小于0.33 dB/km，适合于通信上长距离传输，大大降低了通信光缆长距离传输中间需要加多级光放大器及中继器的成本，而且能够明显降低后续的维护费用。采用本实用新型生产流程制作的预制棒可以生产出光学包层折射率特别低的光纤，这类光纤具有超低水峰传输的能力，适合于长距离传输应用。
附图说明
以下将结合附图对本实用新型作出进一步说明:
图1是本实用新型制造凹陷包层超低水峰光纤芯棒折射率剖面的示意图。
图2是本实用新型的芯棒组件示意图。
图3是本实用新型的套管组件示意图。
图4是本实用新型的管棒装配，去除水分和清洗界面过程的示意图；
图5是本实用新型的套管融缩过程的示意图。
图中：1、芯层，2、内包层，3、外包层， 4、芯棒空心柄，5、芯层棒，6、内包层套管，7、套管空心柄，8、高温热源，9、卡盘，10、旋转接头，11、外部供气管道，12、压力控制管。
具体实施方式
参照附图2～5，一种制造凹陷包层超低水峰光纤芯棒的装置包括芯棒组件、套管组件、高温热源8、卡盘9、旋转接头10、外部供气管道11和压力控制管12。
附图2，所述的芯棒组件由芯层棒5和芯棒空心柄4熔融对接制成，在芯棒空心柄4靠近芯层棒5的一端需要钻有若干个通气孔。附图3，所述的套管组件由内包层套管6和套管空心柄7熔融对接制成，内包层套管6的内径须比芯层棒5的外径大至少0.3 毫米。套管组件的内包层套管6套装在芯棒组件的芯层棒5外部，装配后内包层套管6和芯层棒5的间隙为 0.15 ~ 5 毫米。
芯棒组件的芯棒空心柄4、套管空心柄7分别装夹在玻璃车床的两个卡盘9中，芯棒空心柄4外端通过旋转接头10和外部供气管道11相连。各种所需的气体通过外部供气管道11输入，这些气体包括（但不限于）吹扫气体、干燥气体和刻蚀气体。吹扫气体采用纯化的N2，O2或He等，干燥气体采用Cl2。刻蚀气体l采用CF4，C2F6 或SF6等。外部供气管道11上装有压力控制管12和连接于洗涤塔（注：洗涤塔是用于处理废气的装置）。套管空心柄7的外端和洗涤塔连接，并用于控制内包层套管6和芯层棒5间隙的气压。 套管组件中内包层套管6的外端则需和芯棒空心柄4气密连接，连接位置需在芯棒空心柄4的通气孔的外侧，从而确保外部供气管道11和内包层套管6与芯层棒5之间的间隙相连通。气密连接的方法可以采用机械密封，或高温熔融密封。图4中采取了高温熔融密封的方法。
高温热源8设置在内包层套管6的外侧，高温热源采用（但不限于）燃气喷灯或熔炉。
上述制造凹陷包层超低水峰光纤芯棒的装置生产出的预制棒折射率剖面由芯层1、内包层2、外包层3组成。
所述的芯层1是由VAD或OVD工艺制造的芯层棒5。它包括芯层和一小部分内包层。在芯层棒中，包芯比可以小于4，甚至接近1. 内包层2是由其他工艺生产的具有特定折射率剖面的内包层套管6。外包层3是由沉积法或套管制作。
本明生产流程的关键步骤是通过套管融缩法将内包层套管6和芯层棒5合成为实心的芯棒。如果采用传统的套管融缩法合成芯棒，由于内包层套管6内壁和芯层棒5外表面直接和空气接触,在高温下，空气中的水分和其他杂质将污染的界面并渗透到内包层套管6和芯层棒5中，从而影响光纤的质量（主要的表现是光纤在1383nm的衰减增大）。芯层棒的包芯比越小，传统的套管融缩法对光纤的质量影响就越大。为了去除间隙中的水分和其他杂质气体，我们对传统的套管融缩法进行了改进。
本实用新型套管融缩法合成芯棒的过程中首先需要制作两个组件，附图2是由芯层棒5和芯棒空心柄4熔融对接制成的芯棒组件。在芯棒空心柄4靠近芯层棒5的一端需要钻若干个通气孔。附图3是由内包层套管6和套管空心柄7熔融对接制成的套管组件. 内包层套管6内径须比芯层棒5的外径大至少0.3 毫米。 
本实用新型套管融缩工艺可以在一台水平或垂直的玻璃车床上实现。附图4是装配两个组件和吹扫管棒间隙过程的示意图。装配后内包层套管6和芯层棒5之间的间隙通常是 0.15 ~ 5 毫米。图中所使用的高温热源8可以是（但不限于）燃气喷灯或熔炉。附图5是改进的套管融缩法合成芯棒过程的示意图。
参照附图4，装配时首先将芯棒空心柄4、套管空心柄7分别装夹在玻璃车床的两个卡盘9中。芯棒空心柄4外端通过旋转接头10和外部供气管道11相连。各种所需的气体通过外部供气管道11输入，这些气体包括（但不限于）吹扫气体（纯化的N2，O2或He等），干燥气体（Cl2）和刻蚀气体（CF4、C2F6 或SF6等）。外部供气管道11上装有压力控制管12和连接于洗涤塔（注：洗涤塔是用于处理废气的装置）。套管空心柄7的外端和洗涤塔连接，并用于控制内包层套管6和芯层棒5间隙的气压。 套管组件中内包层套管6的外端则需和芯棒空心柄4气密连接。连接位置需在芯棒空心柄4的通气孔的外侧，从而确保外部供气管道11和内包层套管6与芯层棒5之间的间隙相连通。气密连接的方法可以采用机械密封，或高温熔融密封。图4中采取了高温熔融密封的方法。
以下结合实例对本实用新型作进一步说明：
   采用VAD工艺制作芯层棒。经过烧结，延伸和表面处理后，芯层棒5外径是16.2 毫米，长度是 1450 毫米。测量芯层棒5的折射率剖面。 芯层棒5的包芯比约 1.78. 选用低水份（OH ~ 0.2 ppm)的合成内包层套管6。内包层套管6的截面积是890平方毫米。内包层套管6内径是17.6 毫米。
   采用改进套管融缩法将芯层棒5和内包层套管6合成低水峰光纤芯棒的方法包括如下步骤：
参照图2和图3，下列步骤1和2是芯棒和套管组件的制作。参照图4，步骤3到9是装配和吹扫过程。参照图5，步骤10到12是套管融缩过程。玻璃车床上所使用的高温热源8是氢氧气喷灯。氢氧气喷灯的氧气和氢气的流量比是 1:2。
一种制造凹陷包层超低水峰光纤芯棒的方法，其步骤如下 ：
1)  芯棒组件制作：使用玻璃车床将芯层棒5和芯棒空心柄4熔融对接。
2)  套管组件制作：内包层套管6内径比芯层棒5外径大至少0.3 毫米，使用玻璃车床将内包层套管6和套管空心柄7熔融对接。
3)  将两个组件分别装夹在玻璃车床的两个卡盘9上，将内包层套管6套于芯层棒5外面。内保层套管6内壁和芯层棒4外壁的间隙约 0.15 ~ 5毫米。
4)  关闭压力控制管12和洗涤塔以及真空泵的之间连接，芯棒空心柄4通过旋转接头10和外部供气管11连接。套管空心柄7与外部洗涤塔相连接。
5)  将内包层套管6和芯棒空心柄4气密连接。
6)  启动玻璃车床，以下运行中玻璃车床卡盘的转速为每分钟20 ~ 100转。 
7)  在室温下，通过外部供气管道11通入吹扫和干燥气体的混合气体约2分钟。 吹扫和干燥气体的流量比是 20:1 ~  80:1。 
8)  继续通入吹扫和干燥气体的混合气体， 吹扫和干燥气体的流量比是 20:1 ~ 80:1， 高温热源8来回移动两次，适当加热内包层套管6，高温热源8移动速度每分钟50 ~ 200毫米，内包层套管6内壁的温度约在 300 ~ 800℃。
9)  通入吹扫和刻蚀气体的混合气体清洗玻璃界面。吹扫和刻蚀气体的流量比例是 5:1 ~ 20:1。 高温热源8从进气端缓慢移动到出气端。将内包层套管6内壁加热到刻蚀气体分解并和玻璃反应的温度为1200 ~ 1900℃，热源的移动速度每分钟20 ~ 100毫米。控制内包层套管6和芯层棒5之间的间隙压力，防止内包层套管6外径在高温下收缩或膨胀，控制内包层套管6和芯层棒5之间的间隙压力为 30pa ~ 400pa。
10)  通入吹扫和干燥气体的混合气体，吹扫和干燥气体的流量比是 20:1~  80:1 此时内包层套管6和芯层棒5之间的间隙压力应小于60pa，在出气端即靠近套管空心柄7，用高温热源8加热使内包层套管6融缩，当内包层套管6和芯层棒5之间的间隙几乎消失时，打开压力控制管12，并将在排气端的内包层套管6和芯层棒5熔成一体。
11)  继续通入吹扫和干燥气体的混合气体，吹扫和干燥气体的流量比例是 20:1 ~  80:1。 根据套管的壁厚决定所需的管压。压力的范围是 +60pa ~ -99kpa；如果需要负压，打开压力控制管12 和真空泵的连接，高温热源8向进气端方向移动，高温热源8移动动速度每分钟 5 ~ 100 毫米，加热融缩使内包层套管6和芯层棒5合成一体。
12)  通过控制外部供气管道11和压力控制管12中气体的真空度达到管压+60pa ~ -99kpa，控制高温热源8的温度1200~1900℃和移动速度5 ~  100 mm/min，保证内包层套管6和芯层棒5完全熔融，无界面气泡和气线，同时保证成品芯棒的圆度，即制成一种制造凹陷包层超低水峰光纤芯棒。
所述的吹扫气体采用纯化的N2、O2或He；干燥气体采用Cl2；刻蚀气体采用CF4、C2F6 或SF6。
本实用新型合成芯棒的折射率剖面如图1所示。它的包芯比是4.06. 用合成芯棒做靶棒，采用soot 法沉积外包层制成光纤预制棒。拉丝后光纤在1383nm衰减小于0.33 dB/km。 国际标准ITU-T G.652.D中所规定的1383 nm衰减值上限是 0.35 dB/km。 所以采用改进的芯棒融缩法制造的光纤满足低水峰光纤的要求。适合于通信上长距离传输，大大降低了通信光缆长距离传输中间需要加多级光放大器及中继器的成本，而且能够明显降低后续的维护费用。

Claims (5)

1.一种制造凹陷包层超低水峰光纤芯棒的装置，其特征在于：包括芯棒组件、套管组件、高温热源、卡盘、旋转接头、外部供气管道和压力控制管；
所述的芯棒组件由芯层棒和芯棒空心柄熔融对接制成，在芯棒空心柄靠近芯层棒的一端钻有若干个通气孔；所述的套管组件由内包层套管和套管空心柄熔融对接制成，套管组件的内包层套管套装在芯棒组件的芯层棒外部；
芯棒组件的芯棒空心柄、套管空心柄分别装夹在玻璃车床的两个卡盘中，芯棒空心柄外端通过旋转接头和外部供气管道相连，各种所需的气体通过外部供气管道输入，外部供气管道上装有压力控制管和连接于洗涤塔，套管空心柄的外端和洗涤塔连接，并用于控制内包层套管和芯层棒间隙的气压，套管组件中内包层套管的外端需和芯棒空心柄气密连接，连接位置需在芯棒空心柄的通气孔的外侧，从而确保外部供气管道和内包层套管与芯层棒之间的间隙相连通；高温热源设置在内包层套管的外侧。
2.根据权利要求1所述的一种制造凹陷包层超低水峰光纤芯棒的装置，其特征在于：所述的内包层套管的内径须比芯层棒的外径大至少0.3 毫米。
3.根据权利要求1所述的一种制造凹陷包层超低水峰光纤芯棒的装置，其特征在于：所述的套管组件的内包层套管套装在芯棒组件的芯层棒外部，装配后内包层套管和芯层棒的间隙为 0.15 ~ 5 毫米。
4.根据权利要求1所述的一种制造凹陷包层超低水峰光纤芯棒的装置，其特征在于：所述的各种所需的气体包括吹扫气体、干燥气体和刻蚀气体；吹扫气体采用纯化的N2、O2或He；干燥气体采用Cl2；刻蚀气体采用CF4、C2F6 或SF6。
5.根据权利要求1所述的一种制造凹陷包层超低水峰光纤芯棒的装置，其特征在于：高温热源采用燃气喷灯或熔炉。
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