CN101182113B - 大直径光纤芯棒的pcvd制作方法 - Google Patents

大直径光纤芯棒的pcvd制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种大直径光纤芯棒的PCVD制作方法。取石英衬管的外径为36～46毫米、内径32～40毫米，衬管长度1.45～1.85米，进行PCVD加工；加工工艺的参数为：微波谐振腔的高频功率控制在6KW～15KW，沉积温度1080℃～1130℃，流经衬管管内混合气体的种类：四氯化硅蒸气、四氯化锗蒸气、高纯氧气、氟里昂，衬管的管内压力为10-15毫巴，管内气体流速为30-80米/秒，气体体积流量为4400SCCM-8800SCCM。本发明解决了因气体流速太快而使等离子体不稳定的技术难题，衬管沉积的均匀性得到改善，提高了衬管沉积芯棒的有效长度，使得单根芯棒的拉丝长度增加，提高了工效和设备的利用率。

Description

大直径光纤芯棒的PCVD制作方法
技术领域
本发明涉及一种大直径光纤芯棒的制作方法，具体涉及大直径光纤芯棒的PCVD制作方法。
背景技术
PCVD即管内等离子化学气相沉积法是光纤预制棒加工的主要工艺之一，现有的PCVD芯棒制作工艺中，存在以下几方面的问题：
1、用于制作芯棒的衬管内外直径较小，通常内径小于或等于27毫米，外部直径小于或等于31毫米，在对衬管的沉积过程中，随着沉积层的增加衬管内部直径逐渐缩小，管内气体流速逐步增大；当衬管内部直径接近20毫米时，因气体流速太快使得等离子体变得很不稳定，沉积效果很差，所以无法沉积更厚的沉积层，沉积缩棒后实心芯棒中芯子最大直径在19毫米以内，这使得单根芯棒的拉丝长度受到很大的限制，影响了光纤加工的功效；
2、衬管的沉积时间长，沉积过程中产生更多的粉尘容易将沉积管末端堵塞，造成沉积失败；
3、在小内径的衬管内沉积，芯棒两端的均匀性差，有效棒长短，浪费很大；
4、由于受管内气体流速的限制，不能实现更高的沉积速率，一般在2.5克/分钟内，加工效率较低。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足而提供一种加工效率高、沉积质量好和单根芯棒拉丝长的大直径光纤芯棒的PCVD制作方法。
本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：
取石英衬管的外径为36～46毫米、内径32～40毫米，衬管长度1.45～1.85米，进行PCVD加工；
加工工艺的参数为：
微波谐振腔的高频功率控制在6KW～15KW，沉积温度1080℃～1130℃，
流经衬管管内混合气体的种类：四氯化硅蒸气、四氯化锗蒸气、高纯氧气、氟里昂(常规PCVD加工混合气体)，
衬管的管内压力为10-15毫巴，管内气体流速为30-80米/秒，气体体积流量为4400SCCM-8800SCCM。
按上述方案，所述的混合气体中四氯化硅与高纯氧气的比例为1∶3.0～4.0。
按上述方案，衬管内的沉积速率为2.5～4.5克/分；单层沉积厚度可达0.5～0.8微米。
按上述方案，微波谐振腔的轴向移动速度为15～30米/分；微波谐振腔沿衬管轴向从一端至另一端往复移动，每移动至衬管一端衬管旋转70～110度。
按上述方案，衬管沉积结束后，沉积管在熔缩车床上熔缩成一根大直径的光纤芯棒。在熔缩过程中，需要用100％的C2F6将沉积层内表面的20～100层腐蚀掉，以消除折射率剖面图中的中心下限部分。
本发明的有益效果在于：1、采用较大内外径的衬管，在气体体积流量、沉积温度和管内压力不变的情况下，可以有效降低管内气体流速，解决了因气体流速太快而使等离子体不稳定的技术难题，从而增强沉积效果；2、由于衬管内径的增大，使得反应气体四氯化硅与氧气的比例从1∶2.5～3.0增加到1∶3.0～4.0，衬管沉积的均匀性得到改善，很好解决沉积衬管末端堵塞问题，提高了衬管沉积芯棒的有效长度，使得单根芯棒的拉丝长度增加，这不仅节省了生产成本，提高了工效和设备的利用率，而且也提高了衬管沉积加工的质量；3、较大内径衬管使得衬管沉积层每单层的厚度更薄，单层沉积厚度可以达到0.5-0.8微米，这样能使芯棒的折射率剖面图更光滑，有利于提高和改善光纤的传输性能。4、由于采用较大内径衬管，配置较大的微波高频功率，在保证气体流速不变的情况下，最大沉积速率可提高到2.5～4.5克/分，进一步提高了加工工效。
具体实施方式
以下进一步说明本发明的实施例。
实施例1：
GIMM62.5多模大直径芯棒制造。
采用外径为36毫米、内径32毫米、长度1.55米的圆筒管作为沉积用专用衬管，经过两端延长、清洗后安装到沉积车床上开始沉积。沉积速率为2.72克/分钟，沉积效率95％，总的沉积时间为503分钟，预制棒的成品率为96％，达到正常沉积小棒水平。PCVD沉积的各项具体工艺参数见下表1-1：
表1-1  62.5多模大棒PCVD制造工艺主要技术参数
          参数名称     数值大小
    SiCl4+GeCl4蒸气体积流量SCCM     1300
    氧气体积流量SCCM     4290
    C2F6气体积流量SCCM     150
    总的气体流量SCCM     5740
    氧气和SiCl4蒸气体积流量比     3.3∶1
    沉积环境温度℃     1120
    管内压力 毫巴     10
    气体流速 米/秒     58
    高频功率W     6100
    气体常数K     0.0212
沉积结束后在石墨电阻炉上熔缩为实心棒。熔缩过程中为消除中心下限部分腐蚀的层数为30。熔缩后光纤玻璃棒在PK2600设备上测折射率剖面图。棒的各项具体参数见下面的表1-2：
表1-2 PCVD大棒工艺技术制造的62.5多模大棒具体参数
    参数项目     数值
    芯子直径mm     23.3
    棒子外径mm     29
    相对折射率Δ％     2.03
    ALPHA(α)     1.92
    套管CSA mm2     950
    有效棒长mm     1080
选用截面积为950mm2长度为1100mm的套管配套使用，在拉丝塔上按正常拉丝工艺拉丝，单根棒拉丝总长度为135公里。所拉光纤几何及光学参数满足下列表1-3要求：
表1-3 PCVD大棒工艺技术制造的62.5多模光纤主要性能指标
    技术指标     典型值
    光学参数
    衰减850nm1300nm1385nm     ＜3.0dB/km＜0.8dB/km＜4.0dB/km     2.65dB/km0.52dB/km0.75dB/km
    带宽850nm1300nm     ＞100MHz.km＞200MHz.km     ＞200MHz.km＞600MHz.km
    数值孔径     0.275±0.015     0.275±0.015
    几何参数
    芯层直径     62.5±2.5μm     62.5±1.0μm
    包层直径     125±1μm     125±0.5μm
    芯/包同芯度误差     ＜＝1.5μm     0.35μm
    芯不园度误差     ＜6.0％     0.90％
    特殊测试
    宏弯实验850nm     ＜＝0.5dB     0.05dB
    1300nm     ＜＝0.5dB     0.05dB
    微弯实验850nm     ＜＝12dB/KM     8dB/KM
实施例2：
GIMM50多模大直径芯棒制造工艺
采用外径为36毫米、内径32毫米、长度1.55米的圆筒管作为沉积用专用衬管，经过两端延长、清洗后安装到沉积车床上开始沉积。沉积速率为3.02克/分钟，沉积效率91％，总的沉积时间为456分钟；预制棒的成品率为97％，达到正常沉积小棒水平。PCVD沉积的各项具体工艺参数见下表2-1：
表2-1  50多模大棒PCVD制造工艺主要技术参数
            参数名称     数值大小
      SiCl4+GeCl4蒸气体积流量SCCM     1450
      氧气体积流量SCCM     5075
      C2F6气体积流量SCCM     200
      总的气体流量SCCM     6725
      氧气和SiCl4蒸气体积流量比     3.5∶1
      沉积环境温度℃     1110
      管内压力 毫巴     12
      气体流速 米/秒     52
      高频功率W     8000
      气体常数K     0.0212
沉积结束后在石墨电阻炉上熔缩为实心棒。熔缩过程中为消除中心下限部分腐蚀的层数为30。熔缩后光纤玻璃棒在PK2600设备上测折射率剖面图。棒的各项具体参数见下面的表1-2：
表2-2 PCVD大棒工艺技术制造的50um多模大棒具体参数
    参数项目     数值
    芯子直径mm     23.5
    棒子外径mm     29.3
    相对折射率Δ％     1.15
    ALPHA(α)     1.95
    套管CSA mm2     1800
    有效棒长mm     1080
选用截面积为1800mm2长度为1100mm的套管配套使用，在拉丝塔上按正常拉丝工艺拉丝，单根棒拉丝总长度为202公里。所拉光纤几何及光学参数满足下列表2-3要求：
表2-3 PCVD大棒工艺技术制造的50μm多模光纤主要性能指标
    技术指标     典型值
    光学参数
    衰减850nm1300nm1385nm     ＜2.54dB/km＜0.8dB/km＜5.0dB/km     2.25dB/km0.42dB/km0.75dB/km
    带宽850nm1300nm     ＞200MHz.km＞200MHz.km     ＞500MHz.km＞1000MHz.km
    数值孔径     0.200±0.015     0.200±0.015
    几何参数
    芯层直径     50±2.5μm     50±1.0μm
    包层直径     125±1μm     125±0.5μm
    芯/包同芯度误差     ＜＝1.5μm     0.35μm
    芯不园度误差     ＜6.0％     0.90％
    特殊测试
    宏弯实验850nm     ＜＝0.5dB     0.05dB
    1300nm     ＜＝0.5dB     0.05dB
    微弯实验850nm     ＜＝30dB/KM     18dB/KM
实施例3：
G652普通单模大直径芯棒制造
采用外径为46毫米、内径33毫米、长度1.80米的圆筒管作为沉积用专用衬管，经过两端延长、清洗后安装到沉积车床上开始沉积。沉积速率为4.02克/分钟，沉积效率91％，总的沉积时间为416分钟；预制棒的成品率为97％，达到正常沉积小棒水平。PCVD沉积的各项具体工艺参数见下表3-1：
表3-1  G652普通单模大棒PCVD制造工艺主要技术参数
 参数名称 包层(D＝4.02g/min) 芯层(D＝2.01g/min)
 SiCl4+GeCl4蒸气体积流量SCCM 1600 800
 氧气体积流量SCCM     4800     2400
 C2F6气体积流量SCCM     100     80
 总的气体流量SCCM     6500     2960
 氧气和SiCl4蒸气体积流量比     3.0∶1     3.0∶1
 沉积环境温度℃     1100     1100
 管内压力 毫巴     10     15
 气体流速 米/秒     48     35
 高频功率W     10000     5000
 气体常数K     0.0212     0.0212
沉积结束后在石墨电阻炉上熔缩为实心棒。熔缩过程中为消除中心下限部分腐蚀的层数为50。熔缩后光纤玻璃棒在PK2600设备上测折射率剖面图。棒的各项具体参数见下面的表1-2：
表3-2 PCVD大棒工艺技术制造的G652普通单模大棒具体参数
    参数项目     数值
    芯层直径mm     12.6
    包层直径mm     25.7
    相对折射率Δ％     0.320
    Δmin％     0.050
    套管CSA mm2     24000
    有效棒长mm     1020
选用截面积为24000mm2长度为1500mm的套管与1.5米芯棒配套使用，在拉丝塔上按正常拉丝工艺拉丝，整根大RIT总的拉丝总长度为2750公里。所拉光纤几何及光学参数满足下列表3-3要求：
表3-3 PCVD大棒工艺技术制造的G652普通单模光纤主要性能指标
  光学参数
  衰减1310nm     ＜＝0.36dB/km     0.328dB/km
  1550nm     ＜＝0.22dB/km     0.188dB/km
  色散1550nm     ＜＝18ps(nm.km)     16ps(nm.km)
  零色散斜率     ＜＝0.093psnm2.km)     0.086psnm2.km)
  偏振模色散系数(PMD) ＜＝0.2ps/km-1/2 0.028ps/km-1/2
  截止波长     1180--1330nm     1280nm
  模场直径(MFD)     9.3±0.4μm     9.3±0.1μm
  几何参数
  包层直径     125±1μm     125±0.5μm
  芯/包同芯度误差     ＜＝0.8μm     0.15μm
  包层不园度误差     ＜1.0％     0.40％
  翘曲度     ＞＝4m     ＞＝4m
  特殊测试
  两点弯曲     n＞＝20     21
  温度循环(两个周期)     ＜＝0.05     0.000dB/km-60C
    0.005dB/km+85C
  H2损试验1530nm     ＜＝0.01dB/KM     0.001dB/KM
  宏弯实验1550nm     ＜＝0.1dB     0.01dB
  1625nm     ＜＝0.5dB     0.1dB
  微弯实验1700nm     ＜＝5dB/KM     3dB/KM

Claims (6)

1.一种大直径光纤芯棒的PCVD制作方法，其特征在于
取外径为36～46毫米、内径32～40毫米，衬管长度1.45～1.85米的石英衬管，进行PCVD加工；
加工工艺的参数为：
微波谐振腔的高频功率控制在6KW～15KW，沉积温度1080℃～1130℃，
流经衬管管内混合气体的种类：四氯化硅蒸气、四氯化锗蒸气、高纯氧气和氟里昂，
衬管的管内压力为10-15毫巴，管内气体流速为30-80米/秒，气体体积流量为4400SCCM-8800SCCM；
所述的混合气体中四氯化硅与高纯氧气的体积流量比为1∶3.0～4.0；
衬管内单层沉积厚度为0.5～0.8微米。
2.按权利要求1所述的大直径光纤芯棒的PCVD制作方法，其特征在于衬管内的沉积速率为2.5～4.5克/分。
3.按权利要求1或2所述的大直径光纤芯棒的PCVD制作方法，其特征在于微波谐振腔的轴向移动速度为15～30米/分。
4.按权利要求1所述的大直径光纤芯棒的PCVD制作方法，其特征在于微波谐振腔沿衬管轴向从一端至另一端往复移动，每移动至衬管一端衬管旋转70～110度。
5.按权利要求2所述的大直径光纤芯棒的PCVD制作方法，其特征在于采用外径为36毫米、内径32毫米、长度1.55米的石英圆筒管作为沉积用衬管，经过两端延长、清洗后安装到沉积车床上开始沉积，沉积速率为2.72克/分钟，SiCl4+GeCl4蒸气体积流量1300SCCM，氧气体积流量4290SCCM，C2F6气体积流量150SCCM，总的气体流量5740SCCM，氧气和SiCl4蒸气体积流量比3.3∶1，沉积环境温度1120℃，管内压力10毫巴，气体流速58米/秒，高频功率6100W。
6.按权利要求2所述的大直径光纤芯棒的PCVD制作方法，其特征在于采用外径为36毫米、内径32毫米、长度1.55米的石英圆筒管作为沉积用衬管，经过两端延长、清洗后安装到沉积车床上开始沉积，沉积速率为3.02克/分钟，SiCl4+GeCl4蒸气体积流量1450SCCM，氧气体积流量5075SCCM，C2F6气体积流量200SCCM，总的气体流量6725SCCM，氧气和SiCl4蒸气体积流量比3.5∶1，沉积环境温度1110℃，管内压力12毫巴，气体流速52米/秒，高频功率8000W。
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