CN105060701B - 一种大尺寸弯曲不敏感多模光纤预制棒的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种大尺寸弯曲不敏感多模光纤预制棒的制备方法，先通过管内法进行掺杂沉积，形成多模光纤芯层，沉积完成后，通过加热炉将沉积管熔缩成实心芯棒，以制得的芯棒为靶棒，通过管外法工艺进行掺杂沉积，分别沉积下陷包层和外包层；或者，用纯石英玻璃外衬管通过管内法工艺进行负掺杂，构成预制棒的下陷包层和外包层；然后将制得的芯棒与沉积好的外套管组合成用于RIT工艺的光纤预制棒，或者将制得的芯棒与掺氟或硼的石英玻璃套管套装组合用SCR工艺将两者熔缩成实心棒，再将该实心棒与大直径外套管组合成用于RIT工艺的光纤预制棒。本发明制得的光纤预制棒不仅外径尺寸大，芯层精度高，而且制作成本低，方法简便灵活，适合大规模生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种大尺寸弯曲不敏感多模光纤预制棒的制备方法，属于光通信技术领域。
背景技术
弯曲不敏感多模光纤以其低廉的***成本、合适的带宽和理想的抗弯曲性能，成为短距离高速率传输网络的优质解决方案，已广泛应用于数据中心、办公中心、高性能计算中心和存储区域网等领域。调查报告显示，全球对多模光纤的需求量正在逐年增加。中国是增长最为迅速的多模光纤市场之一。
近年来，网络传输速率飞速发展，10Gb/s以太网已经成熟运用在很多数据中心、企业网和办公中心。并且，用户对带宽的需求仍在不断上升，40Gb/s和100Gb/s的网络业务将会越来越多。为适应高速以太网的需要，弯曲不敏感多模光纤带宽需要逐步提升。要想得到高带宽，光纤芯层的折射率剖面必须精确地符合预期抛物线形状。现有制备光纤预制棒的方法按照管内和管外大致分为两类：PCVD(Plasma Activated Chemical VaporDeposition)和MCVD(Modified Chemical Vapor Deposition)等属于管内法，化学反应发生在载体衬管的内壁；OVD(Outside Vapor Deposition)和VAD(Vapor Axial Deposition)等属于管外法，化学反应发生在靶棒的外壁。管外法受制于其工艺特点，对折射率剖面的控制精度较低，不适合用于制备需要高精度折射率分布的弯曲不敏感多模光纤芯层；但其沉积效率高，在制备对折射率分布要求相对较低的包层时，具有成本优势。管内法则是往复分层式沉积法，所制备的预制棒由数千层沉积层组成，具有精确的折射率分布，是制备高带宽弯曲不敏感多模光纤较理想的工艺。然而管内法相对于管外法，沉积效率较低，沉积时间较长。因此，如何发明一种光纤制造工艺，既能保证多模光纤良好的带宽和弯曲不敏感性能，又能降低多模光纤成本，成为光纤生产制造企业的一大挑战。
研究表明，将光纤预制棒尺寸做大，是降低其制造成本的有效方法之一。生产数据统计显示，D60mm的预制棒与D40mm的相比，平均拉丝成本节省幅度近一成，拉丝设备运转效率提高约11％。同时，预制棒直径增大，单根预制棒拉丝长度增大，则拉丝时上下棒操作频率降低，从而降低辅助原材料的消耗及人力成本。受到衬管尺寸和应力太大的限制，管内法制得的多模光纤芯棒尺寸很难做大。目前，国际上弯曲不敏感多模光纤预制棒采用PCVD或MCVD工艺商业化生产的先进水平是直径达到49mm。由于多模光纤的芯层掺杂浓度较高，芯径较大，其与纯石英玻璃延长管的界面处容易形成较大应力，带来芯棒在制备过程中断裂的风险。且沉积出的棒径越大，产生的应力就越大，这种断裂风险就越高。受限于此，管内法的预制棒很难再进一步做大。
目前，主流弯曲不敏感多模光纤的折射率剖面主要由含正掺杂组分(如GeO2、Al2O3、P2O5等)的渐变型芯层和含有负掺杂组分(如氟元素、硼元素等)的包层构成。以图1所示光纤横截面示意图为例，主要包含芯层10部分、内包层20部分、下陷包层30部分和外包层40部分。图2为对应的光纤折射率剖面示意图。芯层10折射率符合幂指数律折射率分布，分布指数α必须进行精确控制，且折射率曲线越精准，波动越小，所得多模光纤带宽性能越好。相对于其它工艺，采用PCVD或MCVD工艺沉积多模光纤芯层部分有明显优势。内包层20部分一般由纯石英玻璃构成。下陷包层30一般由掺氟或硼的石英玻璃构成，对光纤的弯曲不敏感性能起着关键性的作用。纯石英玻璃构成的光纤的外包层40。现有的方法一般是采用PCVD或MCVD工艺沉积出芯层10、内包层20和下陷包层30这3部分构成的芯棒，再套一层石英玻璃外套管作外包层40部分。实际上，管内法的优势在于沉积芯层部分所需的精确折射率，而内包层和下陷包层部分对于折射率精确度的要求相对较低。芯层、内包层和下陷包层部分共同占用了管内法所能沉积的芯棒尺寸。
此外，PCVD或MCVD工艺的特点是由外至内逐层沉积，即先沉积下陷包层30部分，然后沉积内包层20部分，最后沉积芯层10部分。即芯层不是直接沉积在平滑的衬管内壁上，而是在几千层沉积层的基础上再沉积芯层。这开始几千层产物的平整度直接影响芯层部分数千层沉积反应的进行。外层沉积层的几何误差到沉积芯层时得到延续和累积放大，并影响光纤最后的几何均匀性及折射率均匀性，从而影响光纤的带宽性能。
发明内容
为方便介绍本发明内容，定义部分术语：
预制棒：有芯层和包层组成的径向折射率分布符合光纤设计要求，可直接拉制成所设计光纤的玻璃棒或组合体；
芯棒：由PCVD工艺一次沉积，含有芯层和部分包层的预制件；
套管：符合一定几何和掺杂要求的石英玻璃管；
壁厚：管状玻璃材料的单边厚度，即壁厚＝(外径-内孔径)/2；
RIT工艺：Rod In Tube，将芯棒***套管中组成光纤预制棒；
SCR工艺：Solid Core Rod，将芯棒与套管组装并熔缩成实心棒；
正掺杂：能够提高纯石英玻璃折射率的掺杂；
负掺杂：能够降低纯石英玻璃折射率的掺杂；
折射率剖面：光纤或光纤预制棒(包括芯棒)折射率与其半径之间的关系；
相对折射率差(delta)：
ni和n0分别为各对应部分和纯石英玻璃折射率，除非另做说明，ni为各对应部分的最大折射率；
幂指数律折射率分布：满足下面幂指数函数的折射率分布，其中，n1为光纤轴心的折射率；r为离开光纤轴心的距离；a为光纤芯半径；α为分布指数；Δ为芯/包相对折射率差(芯delta)；
本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术存在的不足提供一种制备大尺寸弯曲不敏感多模光纤预制棒的制备方法，采用该方法制得的光纤预制棒不仅外径尺寸大，精度高，而且制作成本低，适合大规模生产。
本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：
制备芯棒：用纯石英玻璃衬管作为沉积反应的基管，通过PCVD或MCVD工艺进行掺杂沉积，形成多模光纤芯层，沉积完成后，通过加热炉将沉积管熔缩成实心芯棒，衬管中的沉积层构成光纤预制棒的芯层，芯层折射率符合幂指数律折射率分布，满足分布指数α的要求，芯层相对折射率差为△1max，△1max＞0，所述的衬管其余部分构成全部或部分的内包层；
所述的纯石英玻璃衬管的外径为32～50mm，内径为31～49mm，所述的沉积层单边厚度为5～18mm，所述的熔缩后的实心芯棒直径为30～45mm；
制备下陷包层和外包层：
以制得的芯棒为靶棒，通过VAD或OVD工艺进行掺杂沉积，分别沉积下陷包层和外包层，所述的下陷包层的相对折射率差为△3min，△3min＜0，沉积产生疏松多孔的坯体，通过烧结形成实心光纤预制棒；
或者，用纯石英玻璃外衬管作为外套管进行沉积反应，通过PCVD或MCVD工艺进行掺杂沉积，所述的掺杂为负掺杂，所述的沉积层构成预制棒的下陷包层，下陷包层的相对折射率差为△3min，△3min＜0，所述的外衬管其余部分构成全部或部分的外包层；然后将制得的芯棒与沉积好的外套管组合成用于RIT工艺的光纤预制棒，或者将制得的芯棒与掺氟或硼的石英玻璃套管套装组合用SCR工艺将两者熔缩成实心棒，再将该实心棒与大直径外套管组合成用于RIT工艺的光纤预制棒，所述的大直径外套管构成预制棒的外包层。
按上述方案，所述的实心光纤预制棒的外径或折合成实心光纤预制棒的外径为65～120mm，进一步的为85～110mm。
按上述方案，所述的光纤预制棒或实心光纤预制棒的芯层直径为25～40mm，所述的内包层直径为30～45mm，所述的下陷包层直径为35～75mm。
按上述方案，所述的芯层相对折射率差△1max为0.08～1.30％，分布指数α为1.90～2.15，所述的内包层相对折射率差△2为-0.03～0.03％，所述的下陷包层相对折射率差△3min为-0.75～-0.20％，所述的外包层为纯石英玻璃层。
按上述方案，所述的光纤预制棒的芯层直径轴向分布误差控制为0.1～1.0mm，芯层折射率分布指数α轴向分布误差控制为0.01～0.10，芯层相对折射率差轴向分布控制为0.05～0.15％。
按上述方案，所述的纯石英玻璃外衬管外径为32～50mm，内径为31～49mm，所述的负掺杂沉积层单边厚度为1～15mm。
按上述方案，所述光纤预制棒所制成的光纤的差分模时延(DMD)满足以下标准：DMD Inner Mask(5-18μm)和DMD Outer Mask(0-23μm)均小于等于0.33ps/m；DMD IntervalMask小于等于0.25ps/m；优选条件下光纤的DMD的Inner Mask(5-18μm)和DMD Outer Mask(0-23μm)均小于等于0.14ps/m，DMD Interval Mask小于等于0.11ps/m。
按上述方案，所述光纤预制棒所制成的光纤在850nm波长具有1500MHz-km或1500MHz-km以上带宽，在1300nm波长具有500MHz-km或500MHz-km以上带宽。
更进一步的，光纤在850nm波长具有3500MHz-km或3500MHz-km以上带宽，在1300nm波长具有500MHz-km或500MHz-km以上带宽。
更佳的状况，光纤在850nm波长具有5000MHz-km或5000MHz-km以上带宽，在1300nm波长具有600MHz-km或600MHz-km以上带宽。
按上述方案，所述光纤预制棒所制成的光纤在850nm波长具有2000MHz-km或2000MHz-km以上的有效模式带宽(EMB)。
更进一步的，光纤在850nm波长具有4700MHz-km或4700MHz-km以上的有效模式带宽(EMB)。
按上述方案，所述光纤预制棒所制成的光纤的数值孔径为0.185～0.215。
按上述方案，所述光纤预制棒所制成的光纤在850nm波长处，以7.5毫米弯曲半径绕2圈导致的弯曲附加损耗小于0.2dB，甚至达到0.02dB；在1300nm波长处，以7.5毫米弯曲半径绕2圈导致的弯曲附加损耗小于0.5dB，甚至达到0.1dB。
实验显示，用PCVD或MCVD工艺直接在衬管上沉积芯层(工艺A)的多模光纤，与用PCVD或MCVD工艺沉积下陷包层、内包层和芯层(工艺B)的多模光纤相比，二者芯层的沉积层数相同的情况下，前者产出高带宽光纤的比例更大。这与预制棒的轴向参数分布有关。工艺A和工艺B分别制得的光纤预制棒的轴向参数分布见图3～5所示。从预制棒的芯径、芯层折射率分布指数α和芯层相对折射率差这三个参数的轴向分布来看，工艺A制得的预制棒较工艺B的分布更均匀稳定，特别是预制棒两端的部分。光信号沿光纤轴向传播，尽量保证光纤在通信距离内的轴向参数均匀，都具有合适的芯径、芯层折射率分布指数和芯层相对折射率差等参数，才能获得尽量大的带宽，尽量长的通信距离。同时，预制棒芯层尺寸被放大后，组成弯曲不敏感多模光纤芯径所包含的沉积层数增多，即芯层需得到更精细的控制，折射率剖面会更加平滑，才有利于多模光纤带宽性能的保证和提高。
本发明的有益效果在于：1、本发明方法制得的弯曲不敏感多模光纤预制棒外径大，有效提高了光纤制造效率，从而降低了光纤成本；2、本发明将PCVD或MCVD工艺所能做到的最大芯棒全部用于沉积芯层，然后采用效率更高的工艺和方式来获得内包层、下陷包层和外包层，则整根光纤预制棒的尺寸得到进一步放大，同时也保证了芯层折射率的精确控制，使得光纤预制棒不仅径向折射率剖面平滑，而且轴向参数分布均匀，所得光纤具有带宽高、弯曲不敏感性能好等优点；3、本发明制造方法简便灵活，适于大规模生产。
附图说明
图1是本发明一个实施例所制的光纤径向截面示意图。
图2是本发明一个实施例所制的光纤折射率剖面示意图。
图3是工艺A和工艺B两种方式制得的光纤预制棒的芯径轴向分布图。
图4是工艺A和工艺B两种方式制得的光纤预制棒的芯层折射率分布指数α轴向分布图。
图5是工艺A和工艺B两种方式制得的光纤预制棒的芯层相对折射率差轴向分布图。
图6是本发明预制棒的一种制备工艺流程图。
图7是本发明预制棒的一种制备工艺流程图。
图8是本发明预制棒的一种制备工艺流程图。
具体实施方式
下面给出几个详细的实施例，对本发明作进一步的说明。
方法1：通过PCVD工艺在纯石英玻璃衬管内壁进行掺杂沉积，向管内通入反应气体四氯化硅(SiCl4)和氧气(O2)，再通入含氟气体(C2F6)和四氯化锗(GeCl4)以进行折射率的调节，全程通过质量流量控制器(MFC)来精确控制气体流量；通过微波使衬管内的反应气体成为等离子体，并最终以玻璃的形式沉积在衬管内壁，沉积层全部构成预制棒的芯层10，衬管其余部分构成全部或部分的内包层20；沉积完成后，用电加热炉将沉积管熔缩成实心芯棒；再采用PCVD或MCVD工艺在纯石英玻璃外套管内壁进行掺氟沉积，沉积层全部构成预制棒的下陷包层30，外套管其余部分构成外包层40；将芯棒与沉积好的外套管采用RIT工艺组合成光纤预制棒；将预制棒置于光纤拉丝塔上拉制成光纤。工艺流程图如图6所示。
方法2：通过PCVD工艺在纯石英玻璃衬管内壁进行掺杂沉积，向管内通入反应气体四氯化硅(SiCl4)和氧气(O2)，再通入含氟气体(C2F6)和四氯化锗(GeCl4)以进行折射率的调节，全程通过质量流量控制器(MFC)来精确控制气体流量；通过微波使衬管内的反应气体成为等离子体，并最终以玻璃的形式沉积在衬管内壁，沉积层全部构成预制棒的芯层10，衬管其余部分构成全部或部分的内包层20；沉积完成后，用电加热炉将沉积管熔缩成实心芯棒；再采用VAD或OVD工艺以芯棒为靶棒在芯棒外表面依次沉积下陷包层30和外包层40，沉积产生疏松多孔的坯体，最后进行烧结形成光纤预制棒；将预制棒置于光纤拉丝塔上拉制成光纤。工艺流程图如图7所示。
方法3：将纯石英玻璃衬管安装在MCVD车床上，通入反应气体四氯化硅(SiCl4)和氧气(O2)进行掺杂沉积；再通入含氟气体(C2F6)和四氯化锗(GeCl4)以进行折射率的调节，全程通过质量流量控制器(MFC)来精确控制气体流量；采用氢氧焰在外部加热的方式来提供反应所需的能量，使反应物最终以玻璃的形式沉积在衬管内壁，沉积层全部构成预制棒的芯层10，衬管其余部分构成全部或部分的内包层20；沉积完成后，用电加热炉将沉积管熔缩成实心芯棒；将实心芯棒***掺氟成品石英玻璃套管用SCR工艺将两者熔缩成实心棒，再将该实心棒与大直径外套管组合成用于RIT工艺的光纤预制棒，掺氟石英玻璃套管构成预制棒的下陷包层30；所述的大直径外套管构成预制棒的外包层。将预制棒置于光纤拉丝塔上拉制成光纤。工艺流程图如图8所示。
按上述方法制备了一组预制棒并拉丝，光纤的结构和主要性能参数见表1。
表1：预制棒制备工艺及所得光纤的主要结构性能参数
Claims (7)
1.一种大尺寸弯曲不敏感多模光纤预制棒的制备方法，其特征在于
制备芯棒：
用纯石英玻璃衬管作为沉积反应的基管，通过PCVD或MCVD工艺进行掺杂沉积，形成多模光纤芯层，沉积完成后，通过加热炉将沉积管熔缩成实心芯棒，衬管中的沉积层构成光纤预制棒的芯层，芯层折射率符合幂指数律折射率分布，满足分布指数α的要求，芯层相对折射率差为△1max，△1max＞0，所述的衬管其余部分构成全部或部分的内包层；
所述的纯石英玻璃衬管的外径为32～50mm，内径为31～49mm，所述的沉积层单边厚度为5～18mm，所述的熔缩后的实心芯棒直径为30～45mm；
制备下陷包层和外包层：
以制得的芯棒为靶棒，通过VAD或OVD工艺进行掺杂沉积，分别沉积下陷包层和外包层，所述的下陷包层的相对折射率差为△3min，△3min＜0，沉积产生疏松多孔的坯体，通过烧结形成实心光纤预制棒；
或者将制得的芯棒与掺氟或硼的石英玻璃套管套装组合用SCR工艺将两者熔缩成实心棒，再将该实心棒与大直径外套管组合成用于RIT工艺的光纤预制棒，所述的大直径外套管构成预制棒的外包层；
所述的实心光纤预制棒的外径或折合成实心光纤预制棒的外径为65～120mm；所述的光纤预制棒或实心光纤预制棒的芯层直径为27.29～40mm，所述的内包层直径为30～45mm，下陷包层直径为35～75mm。
2.按权利要求1所述的大尺寸弯曲不敏感多模光纤预制棒的制备方法，其特征在于所述的芯层相对折射率差△1max为0.80～1.30％，分布指数α为1.90～2.15，所述的内包层相对折射率差△2为-0.03～0.03％，下陷包层相对折射率差△3min为-0.75～-0.20％，外包层为纯石英玻璃层。
3.按权利要求1所述的大尺寸弯曲不敏感多模光纤预制棒的制备方法，其特征在于所述的光纤预制棒的芯层直径轴向分布误差控制为0.1～1.0mm，芯层折射率分布指数α轴向分布误差控制为0.01～0.10，芯层相对折射率差轴向分布控制为0.05～0.15％。
4.按权利要求2所述的大尺寸弯曲不敏感多模光纤预制棒的制备方法，其特征在于所述光纤预制棒所制成的光纤的差分模时延满足以下标准：DMD Inner Mask 5-18μm和DMDOuter Mask 0-23μm均小于等于0.33ps/m；DMD Interval Mask小于等于0.25ps/m。
5.按权利要求2所述的大尺寸弯曲不敏感多模光纤预制棒的制备方法，其特征在于所述光纤预制棒所制成的光纤在850nm波长具有大于或等于1500MHz-km的带宽，在1300nm波长具有大于或等于500MHz-km的带宽。
6.按权利要求2所述的大尺寸弯曲不敏感多模光纤预制棒的制备方法，其特征在于所述光纤预制棒所制成的光纤在850nm波长具有大于或等于2000MHz-km的有效模式带宽；所述光纤预制棒所制成的光纤的数值孔径为0.185～0.215。
7.按权利要求2所述的大尺寸弯曲不敏感多模光纤预制棒的制备方法，其特征在于所述光纤预制棒所制成的光纤在850nm波长处，以7.5毫米弯曲半径绕2圈导致的弯曲附加损耗小于0.2dB，在1300nm波长处，以7.5毫米弯曲半径绕2圈导致的弯曲附加损耗小于0.5dB。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |