CN1562844A - 一种降低光纤氢损的处理方法以及该方法所使用设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种降低光纤氢损的光纤氘处理方法以及该方法所使用的设备，本发明方法和设备的主要特点在于：在一般温度下对拉制成型的光纤进行氘处理，降低和消除光纤内的缺陷，从而降低光纤氢损。使用本发明方法和设备所处理的光纤在1383nm氢损的附加损耗小于等于0.01dB/km。

Description

一种降低光纤氢损的处理方法以及该方法所使用设备

技术领域

本发明涉及一种降低光纤氢损的处理方法以及该方法所使用设备，具体地说涉及光纤的氘处理工艺以及该工艺所使用的氘处理设备。

背景技术

当前，光纤通信技术继续朝着高速率大容量方向发展。具体技术发展途径主要包括提高单信道的传输速率和增加波分复用(WDM)的信道数目。为了增加WDM复用的信道数目，有两条途径，其一，减小信道间隔；其二，扩展光纤的可用频带。光纤制造技术一直在为扩展光纤的可用频带而努力。

从1970年美国康宁公司制造出第一根损耗低于20dB/km的石英玻璃单模光纤以来，光纤的工作波长(也称为“窗口”)不断扩展。在1990年之前，光纤主要有3个窗口：即850nm、1310nm和1550nm，分别称为第一、第二和第三窗口。这3个窗口是被位于950nm、1250nm和1385nm的羟基(OH)离子吸收峰(也称为“水峰”)所分隔。1995年前后，开拓了1625nm的L波带，称为第四窗口。随着波分复用(WDM)、放大器以及激光源等方面技术的新进展，如何消除OH离子吸收峰，打开1350-1450nm的第五窗口，从而使得单模光纤的工作波长从1260nm一直延伸到1625nm日益显得重要起来。

这种低水峰光纤的技术优势在于：第一，工作波长范围比常规单模光纤展宽了100nm，这意味着更多的WDM信道或较宽的信道间隔，将有利于降低***费用。第二，在1350-1450nm波长范围的色散只有常规单模光纤在1550nm色散值的1/2以下，这意味着在不需色散补偿情况下的传输距离可增加一倍多，这有利于降低***费用。第三，利用低水峰光纤，可在不同的波段进行不同的传输，提供多种服务。例如，不同传输制式——数字/模拟，不同的传输速率——低速/高速，不同的传输内容——语音/图象等，将可以被分配到最适宜的波段，通过一条光纤传输，既方便又经济。

对于低水峰光纤，IEC 60793-2-50标准有严格的规定，即光纤经过光纤氢损在1383±3nm的最大衰减系数，必须小于或等于1310nm规定的衰减系数。ITU-T标准也参照了IEC60793-2-50标准。

目前，光纤都通过预制棒的制备，再在高温下拉为光纤。制造光纤预制棒的方法包括外部气相沉积法(OVD)、改进的化学气相沉积法(MCVD)、轴向气相沉积法(VAD)以及等离子体化学气相沉积法(PCVD)。对于管外法(OVD和VAD)，通过高温化学脱水，可以降低OH基团的含量；对于管内法(PCVD和MCVD)，由于原材料卤化物中的含氢杂质与羟基杂质，载流气体的水气，以及石英玻璃管中的OH扩散，又没有化学脱水的步骤，使得OH含量相对于OVD和VAD法要高，但可以通过精致原材料、纯化载气以去除气体所含有的水分，封闭***，采用低OH含量的石英玻璃管和感应炉融缩成棒等方法，来降低预制棒中的OH含量。

而通过高温拉丝得到光纤，存在着缺陷，这些缺陷的存在会导致光纤在氢损后附加损耗明显增加，使得氢损后在1383±3nm的衰减系数大于了1310nm规定的衰减系数，不符合低水峰光纤的标准。如何消除缺陷，一时成为业界关注的热点。在光纤内，主要的缺陷结构是Si-O··O-Si，被称为非桥氧空心缺陷(NBOHCs)，当大气环境中或者光缆材料析出的氢气扩散渗透入光纤内时，与热力学不稳定态的缺陷结构发生反应，形成硅羟基，

                          (1)

这造成了氢损后附加损耗的增加。虽然通过拉丝工艺的优化，比如说降低拉丝温度、降低收丝张力等，可以降低光纤内的缺陷，但氢损后的附加衰减还是超过了低水峰光纤标准所允许的程度。

因此，需要一种能够降低光纤内缺陷的生产工艺，以及该工艺所使用的设备。

发明内容

本发明目的是提供一种降低光纤氢损的处理方法。该方法可降低光纤氢损所产生的附加损耗。

本发明的另一个目的是提供降低光纤氢损处理方法所使用的光纤氘处理设备。

下面详细解释本发明的技术原理。

石英玻璃的透气性比普通玻璃大得多，相当于派莱克斯玻璃的10倍，钠钙玻璃的300倍，这说明石英玻璃中存在相当的微孔通道。当D₂扩散渗透入光纤内时，预先占据非桥氧空心缺陷，该化学反应过程由下列表示：

                             (2)

在反应式(2)所表示的化学反应过程中形成Si-O-D，该化学反应过程需要考虑键能的变化，该变化主要来自两方面，一是离解D₂时吸收能量，二是OD键形成时释放的能量，从表1的数据中，可以计算得到该反应的能量变化是，-498.8kJ/mol，说明该反应在能量上是相当有利的。

                  表1相关物质的键能

物质	H2	D2	H2O	D2O
					键能(kJ/mol)	436	443	463.5	470.9

在光纤内还存在发生如下的化学反应的可能性：

                                  (3)

在该化学反应中，键能的变化为+7.8kJ/mol，即该反应是吸热反应，在能量上是不利的，所以使得在光纤的使用过程中，公式(3)所表示化学反应很难进行，这些在光纤内就无法形成OH基团。

OH的振动吸收峰，是由于OH化学键伸缩或弯曲运动引起的，而且这些振动是近似简谐的。根据简谐振动的频率计算公式

$v=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{K}{\mathrm{\μ}}}----\left(4\right)$

其中μ是成键两原子的约化质量，μ＝m₁*m₂/(m₁+m₂)，m₁和m₂分别是两原子的质量；K是两原子所成键的键力常数，可以近似地认为与键能的大小成正比。OH的振动吸收峰对应的波长如表2，那么通过表1和公式(4)可以计算出OD的振动吸收峰对应的波长，结果如表2所示：

       表2OH和OD的振动吸收峰的对比

频率	OH(μm)	OD(μm)
			ν1+2ν3	1.24	1.69
2ν3	1.38	1.88
			2ν1+ν3	1.90	2.59
ν1+ν3	2.22	3.03
			ν3	2.72	3.71

根据表2中的数据可知，OD主要振动吸收峰移到了1600nm以上。

在光纤内的缺陷浓度其实是相当低的，对于预制棒拉丝后的光纤，通过氢损的附加损耗可以确定其浓度。在玻璃纤维中，当OH基团的浓度为10ppb时，由于它的振动吸收所引起的损耗为0.66dB/km。例如当附加损耗为0.033dB/km时，根据朗伯-比尔定律，其缺陷的浓度为0.5ppb。对于ppb量级的缺陷浓度，当光纤处于氘气浓度为0.5～3％的混合气中，其扩散推动力是相当大的，相当于10⁷量级。另外对于光纤，其外径不到0.28mm。所有这些都有利于用D₂降低光纤氢损的有效性。

本发明提供的一种降低光纤氢损的光纤氘处理方法，该方法包括下列步骤：将拉制成型后待处理的光纤放置在光纤氘处理室中，将惰性气体通入到光纤氘处理室中吹扫，将光纤氘处理室内的温度加热到25至50℃，将光纤氘处理室内抽真空，将氘气浓度为0.5％至3％的氘气与氮气的混合气体通入光纤氘处理室内，并使该室内混合气体压力达到1.01×10⁵Pa至2.02×10⁵Pa，维持该室内温度和压力10至30小时，将惰性气体通入光纤氘处理室内并将该室内温度冷却到常温，将光纤氘处理室内的气体泄放。

本发明的一种降低光纤氢损的光纤氘处理方法，其中：惰性气体对光纤氘处理室的吹扫过程持续15分钟，光纤氘处理室内温度加热并保持在40℃，通入光纤氘处理室的混合气体中氘气含量为2％，光纤氘处理室内混合气体压力为1.15×10⁵Pa，光纤氘处理室维持此温度和压力20小时。

本发明提供的一种降低光纤氢损的光纤氘处理设备，该设备包括：氘气入口，用于将氘气或氘气混合气输入到氘处理室；流量控制单元，用于计量和控制输入到氘处理室的气体；惰性气体入口，用于将惰性气体输入到氘处理室；测温和温控单元，用于测量和控制氘处理室内气体的温度；真空接口，用于对氘处理室进行抽真空处理；压力显示单元，用于指示氘处理室内气压；光纤氘处理室，用于容纳拉制成型的光纤并在其中进行氘处理；压力控制单元，用于控制氘处理室内气压；泄放口，用于排放氘处理室内气体。

本发明的上述光纤氘处理设备中，为对氘处理室内温度进行加热，可以在氘处理室内安装加热装置，为使混合气体的各个成分在氘处理室内均匀分布并与光纤充分接触，在氘处理室内安装气体扰动装置，而且氘处理室的泄放口安装在氘处理室上端。本发明的上述光纤氘处理设备也可以用于光纤的氢损处理。

使用惰性气体，主要目的在于维持光纤处理室的洁净，和工作场所的安全；在光纤处理室内，有加热装置和气体扰动装置，实现均匀加热和增强氘气扩散的作用；泄放口设计在处理室的上端，有利于氘气等危险气体排走。

本发明的有益效果(1)可以降低光纤在1383nm的氢损，氘处理后的光纤由氢损引起的附加损耗最大值≤0.01dB/km；(2)本发明在实施时不会额外产生对环境不友好的废弃物，在实施过程中也不会对人体造成损伤；(3)本发明的工艺处理设备结构紧凑，占地少，制造成本低，安全性能高；(4)本发明的设备也可用于光纤的氢损。

附图说明

图1是对拉制成型光纤进行氘处理所使用的设备。

图中所示标记所表示的设备部件为：标记1代表D₂或D₂混合气的氘气入口，标记2代表流量控制单元，标记3代表其他惰性气体入口，标记4代表测温及温控单元，标记5代表真空接口，标记6代表闸阀，标记7代表压力显示单元，标记8代表光纤氘处理室，标记9代表压力控制单元，标记10代表泄放口。

具体实施方式

将拉制成型的光纤，放入到图1所示的光纤氘处理室8中，由惰性气体入口3通入纯净的惰性气体吹扫设备15分钟，然后再将光纤氘处理室内的温度加热到25至50℃，最佳温度为40℃，随后将处理室内抽真空，由氘气入口1向氘处理室内通入氘气与氮气的混合气体，其中氘气的浓度为0.5％至3％，最佳氘气浓度为2％，光纤氘处理室内混合气体的压力1.01×10⁵Pa至2.02×10⁵Pa，最佳压力为1.15×10⁵Pa，维持这种状态10至30小时，最佳时间为20小时，然后再由惰性气体入口3通入惰性气体将氘处理室内温度冷却到室温，然后将氘处理室内的气体由泻放口10泄放到大气中，以保证工作场所的安全。通过氘处理后，光纤氢损的附加损耗≤0.01dB/km。

为使本发明的附图简明清楚，在图1中没有表示出光纤氘处理室内安装的加热装置和气体扰动装置。加热装置用于对氘处理室内的气体进行加温、保温，气体扰动装置用于使氘处理室内的混合气体不断对流，保持氘处理室内各个部位混合气体成分均匀，并且保证气体与光纤充分接触。

Claims (7)

1.一种降低光纤氢损的光纤氘处理方法，该方法包括下列步骤：

将拉制成型后待处理的光纤放置在光纤氘处理室中，

将惰性气体通入到光纤氘处理室中吹扫，

将光纤氘处理室内的温度加热到25至50℃，将光纤氘处理室内抽真空，

将氘气浓度为0.5％至3％的氘气与氮气的混合气体通入光纤氘处理室内，

使该室内混合气体压力达到1.01×10⁵Pa至2.02×10⁵Pa，

维持该室内温度和压力10至30小时，

将惰性气体通入光纤氘处理室内并将该室内温度冷却到常温，

将光纤氘处理室内的气体泄放。

2.根据权利要求1的一种降低光纤氢损的光纤氘处理方法，其特征在于：

惰性气体对光纤氘处理室的吹扫过程持续15分钟，

光纤氘处理室内温度加热并保持在40℃，

通入光纤氘处理室的氘气与氮气混合气体中氘气含量为2％，

光纤氘处理室内混合气体压力为1.15×10⁵Pa，

光纤氘处理室维持此温度和压力20小时。

3.一种降低光纤氢损的光纤氘处理设备，该设备包括：

氘气入口，用于将氘气或氘气混合气输入到氘处理室；

流量控制单元，用于计量和控制输入到氘处理室的气体；

惰性气体入口，用于将惰性气体输入到氘处理室；

测温和温控单元，用于测量和控制氘处理室内气体的温度；

真空接口，用于对氘处理室进行抽真空处理；

压力显示单元，用于指示氘处理室内气压；

光纤氘处理室，用于容纳拉制成型的光纤并在其中进行氘处理；

压力控制单元，用于控制氘处理室内气压；

泄放口，用于排放氘处理室内气体。

4.根据权利要求3所述的降低光纤氢损的光纤氘处理设备，其特征在于光纤氘处理室内安装加热装置，用于对氘处理室内温度进行加热。

5.根据权利要求3所述的降低光纤氢损的光纤氘处理设备，其特征在于光纤氘处理室内安装气体扰动装置，用于使混合气体的各个成分在氘处理室内均匀分布并与光纤充分接触。

6.根据权利要求3所述的降低光纤氢损的光纤氘处理设备，其特征在于泄放口设计在氘处理室的上端。

7.根据权利要求3所述的降低光纤氢损的光纤氘处理设备，其特征在于该设备也可用于光纤的氢损处理。

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