專利名稱：一種光波導軸向均勻的光纖預制棒制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于光纖制造領域，具體是一種用管內化學氣相沉積法結合外部軸向化學氣相沉積法制作光纖波導軸向均勻的光纖預制棒的方法。
背景技術：
用于通信傳輸的光纖是由預制棒經拉絲而制成，光纖預制棒的制作是光纖生產中的一個核心環(huán)節(jié)，主要決定光纖的結構與光學性能。在現有技術中已存在幾種生產光纖預制棒的工藝方法，按光纖折射率剖面的制造方法劃分，可以分成兩大類管內沉積法，包括等離子化學氣相沉積法(PCVD)與改進的化學氣相沉積法(MCVD)；外部沉積法，包括氣相軸向沉積法(VAD )和外部氣相沉積法(0VD)。其中VAD法和OVD法，能夠以高速率制作大型光纖預制棒，但外部化學氣相沉積法對光纖波導結構的控制精度較低。PCVD法和MCVD法能生產出波導結構復雜而精度高的光纖預制棒，但由于受到基管直徑/壁厚的限制，單獨使用時存在著生產成本高、沉積速率較低等不足，難以制作大型光纖預制棒。而以高速制造大型光纖預制棒是全面提高光纖生產速率、降低成本、增強光纖生產企業(yè)市場競爭力的關鍵， 所以光纖預制棒都采用“兩步法”制造工藝，第一步采用前述四種工藝中的一種制造芯棒， 形成光纖的折射率剖面(光波導)，第二步制造外包層，主要采用VAD、OVD或套管法(RIT/ RIC)，增加單根預制棒的拉絲長度，提高生產效率，降低光纖生產成本。改進的化學氣相沉積(MCVD)工藝和等離子化學氣相沉積(PCVD)工藝對折射率剖面控制精確，適合制造具有復雜折射率剖面形狀的光纖，如非零色散位移單模光纖(G. 655 和G.656光纖)。這兩種同屬于管內法的工藝，沉積時兩端由于反向而形成錐度，如折射率剖面沿軸向分布不均勻(光學錐度)，或沉積厚度沿軸向分布不均勻(幾何錐度)。沉積錐度效應影響芯棒的縱向均勻性，減少了芯棒的有效長度。一般通過優(yōu)化工藝參數和改進控制等方式，可以適當抑制錐度效應引起的不均勻性。但是，對于G. 655、G656類光纖而言，芯層剖面采用多層結構的設計，較為復雜，減小錐度效應需要更復雜的參數調整與工藝控制技術，增大了工藝難度，芯棒的利用率很難提高，影響預制棒長度的增加。RIT/RIC法是將預制棒的芯棒直接放進高純度石英外套管而組合成預制棒，或對組合預制棒進行高溫加熱，將石英套管與芯棒熔合一體制成光纖預制棒，或者將組合預制棒直接抽真空拉絲成光纖(如申請?zhí)枮?00510091570. 7、公開號為CN1837868A ；申請?zhí)枮?0051009304. 3、公開號為CN1760150A的中國發(fā)明專利申請；申請?zhí)枮?9/515227、專利號為US6460378 Bl ；申請?zhí)枮?9/581734、專利號為US6484540 Bl的美國發(fā)明專利申請所述)。從工藝上看，套管法較為簡單，已經用于常規(guī)生產。但這種方法存在某些缺陷所生產的預制棒/光纖的芯-包層同心度誤差較大；套管的尺寸必需按照芯棒的尺寸匹配；高純度石英套管難以制造，大尺寸的套管要求的幾何精度高，依賴外購或進口，成本相對較高。外部沉積OVD工藝(如申請?zhí)枮?9/689389、專利號US6M6759 Bl的美國專利申請，申請?zhí)枮?0/188863、專利號US6941772 B2的美國專利申請；申請?zhí)枮?200410057462. 3，授權公告號為CN1275888C的中國專利申請)和VAD沉積工藝(如申請?zhí)枮?0/142466、專利號為US69230M B2的美國專利申請，申請?zhí)枮镻2006-32686、公開號為 P2007-210817A的日本專利申請)，采用SiCl4為原料，通過火焰水解反應沉積疏松多孔的 SiO2粉塵外包層，然后將其脫水致密化形成透明的預制棒。兩種方法都具有原材料成本低， 工藝調整方便靈活，理論上尺寸可以做得足夠大等優(yōu)勢，是適合制備外包層的方法。利用管內法(MCVD，PCVD)以高速率制造折射率復雜而精度較高的大型光纖預制棒，已經有的文獻資料顯示，出現了的一些組合工藝制造方法，如改進的化學氣相沉積和管外氣相沉積組合工藝制造方法(MCVD+0VD制造方法)，等離子化學氣相沉積和套管法組合工藝制造方法(PCVD+RIT/RIC制造方法)。但是，已有的這些組合工藝方法都沒有解決芯棒錐度所帶來的均勻性問題，所以預制棒的有效長度和利用率，拉成光纖的均勻性，以及光纖的生產效率都很難進一步提高。

發(fā)明內容
本發(fā)明要解決的技術問題在于克服上述現有技術存在的因芯棒存在錐度而利用率低以及制得的預制棒拉成光纖的均勻性不高的缺陷，提供一種利用管內法(MCVD或 PCVD)制備芯棒與VAD工藝制備外包層的組合預制棒工藝，通過光纖波導歸一化的控制方法，使預制棒的光纖波導均勻一致，而不是幾何尺寸一致，從而能夠有效地利用沉積錐度部分，增加預制棒有效長度，即增加拉制光纖長度，提高光纖的均勻性和生產效率的光波導軸向均勻的光纖預制棒制作方法。為達到上述目的，本發(fā)明的光波導軸向均勻的光纖預制棒制作方法包括以下步驟
A、采用管內化學氣相沉積方法制備芯棒，經軸向控制使芯棒各層的歸一化尺寸和折射率一致；
B、將芯棒延伸制成靶棒；
C、采用軸向化學氣相沉積法在靶棒上制備SiO2粉塵外包層，經軸向控制沉積由光纖波導的歸一化尺寸決定的外包層，將疏松的S^2粉塵外包層燒結致密化即得到光纖波導均勻的預制棒；
其中，歸一化尺寸為各層相對于其中一層的比例系數。作為優(yōu)選技術措施，所述的管內化學氣相沉積方法是將原料氣體通入石英玻璃基管中，在高溫條件下進行化學反應得到粉塵沉積到基管內表面，當芯棒的包層和芯層沉積完畢后，在更高溫度下使基管、芯棒的包層和芯層塌縮成一實心玻璃棒成為芯棒。作為優(yōu)選技術措施，根據目標預制棒的外徑和芯棒的收縮比例設定延伸目標來延伸芯棒制成靶棒。作為優(yōu)選技術措施，所述的軸向化學氣相沉積法在靶棒上制備SiA粉塵外包層是將反應原料通入輸送系統(tǒng)送入沉積腔，用火焰水解反應產生SiA粉塵，SiO2粉塵沉積在靶棒上形成疏松的SW2粉塵外包層。作為優(yōu)選技術措施，根據靶棒的規(guī)格尺寸數據以及光纖波導歸一化尺寸的要求設定需要的外包層及沉積外包層時對靶棒的提升速度，對靶棒的提升速度為外包層的沉積重量除以沉積速度所得的商。作為優(yōu)選技術措施，靶棒的提升速度V=O. 579W/(Gi2 · R0i2-R02)，其中W為SW2粉
4塵的沉積速度，Gi為光纖外徑對第i層的歸一化結構系數，Ro, Roi分別為靶棒和靶棒第i
層的直徑。本工藝方法的核心思想是按照光纖波導的歸一化結構參數，采用軸向控制調節(jié)技術進行制作。在制作的第一步，利用管內法(MCVD，PCVD)對剖面控制精確性的優(yōu)勢高制備芯棒，不是如先前工藝那樣采用復雜的調節(jié)方法一味地追求芯棒各層的幾何尺寸和折射率均勻一致，而是采用軸向調節(jié)控制技術，如調節(jié)加熱的氫氧火焰的移動速度的方法，使芯棒中沉積層的歸一化尺寸和折射率均勻一致，這樣簡化了制作的難度。在制作的第二步中，利用 VAD法在軸向對外包層沉積進行控制，制備相應的為光纖波導所要求的外包層，如采用調節(jié)棒體提升速度的方法，力求預制棒中光纖波導均勻一致，而不是如先前工藝那樣一味地追求外包層的尺寸均勻一致。因為，預制棒中光纖波導均勻一致，可以確保拉制成光纖的波導結構均勻一致，而且有效地利用芯棒沉積錐度部分，增加預制棒可拉光纖長度，提高光纖的均勻性和生產效率。本發(fā)明的積極效果是
1、同以往預制棒的制作工藝相比，本發(fā)明基于管內法工藝沉積的自然錐度效應和VAD 沉積法軸向沉積的特點，按歸一化的光纖波導結構進行工藝控制，復雜的芯棒錐度問題通過簡單的軸向控制調節(jié)方法，有效解決，增加了預制棒的有效長度和利用率，改善拉成光纖的均勻性，提高光纖的生產效率。2、對于波導結構復雜的光纖而言，本發(fā)明可獲得精度較高的均勻光纖波導結構， 簡化了工藝難度。3、由于VAD外包層沉積是以芯棒的中心為軸心對稱沉積的，預制棒/光纖的芯包層同心度誤差比套管法小，而且對于大型預制棒，也免了 OVD法橫向沉積中自重的影響，光纖的偏振模色散低。4、由高純四氯化硅火焰水解制備的外包層沉積材料是合成石英玻璃，純度極高， 可改善光纖的拉絲強度特性。5、本發(fā)明對光纖的性能控制精確，工藝控制具有靈活性，不需要增加設備的投資。


圖1是本發(fā)明實施例1光纖的折射率剖面示意圖。圖2是本發(fā)明實施例2光纖的折射率剖面示意圖。圖3是本發(fā)明的工藝流程示意圖。圖4是本發(fā)明實施例1中內包層、芯層的沉積示意圖。圖5是本發(fā)明實施例1中沉積后石英管塌縮示意圖。圖6是本發(fā)明實施例1中VAD包層沉積示意圖。圖7是本發(fā)明實施例1中芯棒1-4層的直徑沿軸向的分布示意圖。圖8是本發(fā)明實施例1中芯棒以第一芯層為參考的歸一化結構參數的軸向分布示意圖。圖9是本發(fā)明實施例1中預制棒外徑與第4層直徑的軸向分布示意圖。圖10是本發(fā)明實施例1中預制棒外徑與第4層直徑比值的軸向分布示意圖。圖11是本發(fā)明實施例1中光纖性能分布示意圖。
圖12是本發(fā)明實施例2中芯棒1-5層的直徑沿軸向的分布示意圖。圖13是本發(fā)明實施例2中芯棒以第一芯層為參考的歸一化結構參數的軸向分布示意圖。圖14是本發(fā)明實施例2中預制棒外徑與第5層直徑的軸向分布示意圖。圖15是本發(fā)明實施例2中預制棒外徑與第5層直徑比值的軸向分布示意圖。圖16是本發(fā)明實施例2中光纖性能分布示意圖。其中
圖1中，i代表從內到外光纖的結構層，Ri為各層的直徑，△ i為各層的折射率相對于最外層5，6的折射率的相對折射率，i=l 5。圖2中，i代表從內到外光纖的結構層，Ri為各層的直徑，Δ i為各層的折射率相對于最外層5，6的折射率的相對折射率，i=l 6。圖4中，a代表石英玻璃沉積基管，b代表氫氧噴燈，c代表沉積的玻璃層，d代表沉積的粉塵玻璃，e代表混合的氣體工藝原料，f代表管內的化學反應，g代表廢氣排除和處理。圖5中，b代表氫氧噴燈，h代表塌縮完成的芯棒，i代表未塌縮的部分，g代表廢氣排除和處理。圖6中，h’代表沉積靶棒，j代表S^2粉塵外包層，k代表沉積的石英噴燈，V代表棒體提升速度，X代表旋轉軸。圖7、12中，縱坐標R為芯棒各層直徑(單位mm)，橫坐標P為檢測點距離芯棒頭部尖端的位置(單位mm)。圖8、13中，縱坐標G為芯棒各層直徑對第1層的比值，橫坐標P為檢測點距離芯棒頭部尖端的位置(單位mm)。圖9、14中，縱坐標R為直徑(單位mm)，橫坐標P為檢測點距離預制棒頭部尖端的位置(單位mm)。圖10、15中，縱坐標G為預制棒直徑對第5層的比值，橫坐標P為檢測點距離預制棒頭部尖端的位置(單位mm)。圖11、16中，縱坐標D為色散(單位ps/nm/km)，DsO為零色散斜率(單位ps/nm2/ km), λ為波長(單位nm)，MFD為模場直徑(單位um)；橫坐標L為光纖長度，單位km，λ c為截止波長，λ 0為零色散波長。
具體實施例方式以下結合說明書附圖對本發(fā)明做進一步說明。本發(fā)明的光波導軸向均勻的光纖預制棒制作方法包括以下步驟
Α、采用管內化學氣相沉積方法制備芯棒，經軸向控制使芯棒各層的歸一化尺寸和折射率一致；
B、將芯棒延伸制成靶棒；
C、采用軸向化學氣相沉積法在靶棒上制備SiO2粉塵外包層，經軸向控制沉積由光纖波導的歸一化尺寸決定的外包層，將疏松的S^2粉塵外包層燒結致密化即得到光纖波導均勻的預制棒；其中，歸一化尺寸為各層相對于其中一層的比例系數。作為優(yōu)選技術措施，所述的管內化學氣相沉積方法是將原料氣體通入石英玻璃基管中，在高溫條件下進行化學反應得到粉塵沉積到基管內表面，當芯棒的包層和芯層沉積完畢后，在更高溫度下使基管、芯棒的包層和芯層塌縮成一實心玻璃棒成為芯棒。作為優(yōu)選技術措施，根據目標預制棒的外徑和芯棒的收縮比例設定延伸目標來延伸芯棒制成靶棒。作為優(yōu)選技術措施，所述的軸向化學氣相沉積法在靶棒上制備SW2粉塵外包層是將反應原料通入輸送系統(tǒng)送入沉積腔，用火焰水解反應產生SiA粉塵，SiO2粉塵沉積在靶棒上形成疏松的SiA粉塵外包層。作為優(yōu)選技術措施，根據靶棒的規(guī)格尺寸數據以及光纖波導歸一化尺寸的要求設定需要的外包層及沉積外包層時對靶棒的提升速度，對靶棒的提升速度為外包層的沉積重量除以沉積速度所得的商。作為優(yōu)選技術措施，靶棒的提升速度V=O. 579W/(Gi2 · R0i2-R02)，其中W為SW2粉塵的沉積速度[沉積速度W由沉積工藝條件(設備、工藝參數等因素)綜合決定，一般通過反復測量單位時間內沉積的SiO2粉塵的重量而得到，單位為g/min ；就一設備而言，確定其工藝參數之后即可通過反復測量得到沉積速度，該沉積速度的統(tǒng)計平均值，可作為該確定工藝條件下的工藝常量],Gi為光纖外徑對第i層的歸一化結構系數，R0、R0i分別為靶棒和靶棒第i層的直徑。實施例1
圖ι所示是本發(fā)明實施例1的一種G655光纖波導折射率分布曲線，光纖剖面采用五分層設計，其結構參數」i (%)和R i (um)分別為層1，0· 52，5. 2 ；層2，-0. 08，10. 2 ；層3， 0. ，15;層4，_0.08，20;層5，0，125。為了體現光纖波導結構的幾何特征，方便工藝計算與控制，按層1的直徑(Rl)作歸一化處理，即各層歸一化直徑IV =RiZ^1 (i=l 5)，得到歸一化尺寸1,1. 96，2. 88，3. 58,24. 04。圖3是本發(fā)明的工藝流程示意圖。按照圖3制備本發(fā)明實施例1的G655光纖。圖 4和圖5是本發(fā)明實施例1中采用MCVD法制作芯棒的過程。在圖4 MCVD法芯棒制造中，采用外徑33 mm，壁厚2 mm，長度1100 mm的進口合成石英管為基管，從管的一端向管內通入一定比例的四氯化硅蒸汽、三氯氧磷蒸汽、四氯化鍺蒸汽和高純氧氣的混合氣流，管的另一端用旋轉密封接頭與反應尾氣處理系統(tǒng)相接。維持管內微正壓10— 20mm水柱。氫-氧焰噴燈加熱石英玻璃管，溫度1800—190(TC，引發(fā)化學反應，并在石英玻璃管內表面形成石英玻璃薄膜的沉積層，沒有沉積的反應產物排除到尾氣處理系統(tǒng)。先沉積包層，再沉積芯層，從外向內的包層到芯層分別沉積3，5，4，3層。如圖5所示，通過高溫(2000—22000C )塌縮， 把內表面沉積了包層和芯層的基管熔縮成一根實心玻璃棒，即為芯棒。制備的G. 655芯棒外徑為19. 95mm，有效長度約950mm?；贛CVD工藝沉積的自然錐度效應，在其它工藝參數保持相同的情況下，通過調節(jié)氫-氧焰噴燈的移動速度控制從內到外1-4層的厚度尺寸，使歸一化尺寸為1，1.96， 2.88，3.58。即在光纖設計范圍內，各層折射率與歸一化尺寸沿軸向保持一致。經預制棒分析儀測試合格后，得到芯棒的測試其剖面結構參數。圖7所示是本發(fā)明實施例1芯棒中 1-4層的直徑沿軸向的分布，雖然芯棒存在明顯錐度，但是1-4層直徑的變化趨勢相同。圖8所示是本發(fā)明實施例1芯棒歸一化尺寸的分布軸向分布，在工藝許可的控制精度范圍內， 芯棒歸一化尺寸均勻一致，而折射率參數符合設計且波動較小，證明芯棒1-4層的波導結構沿軸向是相同的。由于芯棒沉積SiO2粉塵外包層后燒結成透明預制棒的過程中，產生軸向縮短而徑向增粗的變化，燒結后預制棒的實際芯包層比例的控制，必須考慮收縮效應的影響。芯棒收縮比η為燒結后的長度與起始長度比。經過反復測試，芯棒的η的值為0.8，由此計算出預制棒外徑和外包層曲線(所述的計算是設預制棒外徑為&，預制棒外包層厚度為&， 延伸芯棒第4層的直徑為R04，延伸芯棒的外徑為R。，預制棒外徑對第4層的歸一化系數為 (^4;根據收縮比的物理意義和歸一化波導系數的關系，預制棒&=11-1/2 G4 Rtl4，此為芯棒進行延伸的關系式；預制棒外包層厚度為預制棒的外徑減去芯棒的外徑，按照收縮比的物理意義，芯棒的外徑= n_1/2 R0,Rc=n"1/2 G4 R04-R0= (G4 R。4-R。)，將各個位置的數據代入上述兩個關系式，得到預制棒外徑和外包層曲線)。將芯棒延伸，其平均外徑17. 84mm, 長度約為1180mm。測量延伸芯棒的外徑Ro和第四層的直徑Ro4。將延伸棒的1160mm制成VAD沉積靶棒進行外包層制作。圖6所示是本發(fā)明實施例1采用VAD法制作外包層的示意。四氯化硅蒸汽和燃料氣體用不同的管路通入噴燈，在噴燈的噴口處發(fā)生混合，氫一氧火焰使四氯化硅蒸汽發(fā)生水解反應生成白色的S^2粉塵。沉積過程中，靶棒圍繞其軸心旋轉并提升?；鹧鎳姛舭l(fā)生水解反應生成S^2粉塵堆積在靶棒表面成為多孔疏松的S^2外包層。SiO2粉塵外包層的沉積速度為18 g/min，根據需要的SiO2外包層設定VAD提升速度 V, V=IO. 422/(45. 16Ro42-Ro2),單位cm/min。通過提升速度控制沉積需要的足夠量的SW2 外包層。沉積完成以后，把形成多孔質坯棒垂直置入專用脫水一燒結爐內，爐中通入氧氣和氯氣，驅除水分和其它各種雜質；然后，將脫水一燒結爐升溫到1600°C左右，多孔質坯棒經過高溫燒結使疏松的多孔質坯棒轉變?yōu)橥该鞯墓饫w預制棒。經過預制棒分析儀檢測，平均外徑約為73. 9mm，長度約900mm，芯棒內各層比例保持不變，預制棒的結構可簡單地以第4 層與外徑來表示。圖9所示是本發(fā)明實施例1的預制棒與第4層的直徑軸向分布，圖10所示是預制棒外徑對第4層直徑的比值。從圖9看出，預制棒外徑的錐度依然存在，但是從圖 10可以看出其歸一化尺寸光學結構是均勻的，意味著拉成125um光纖后，其光纖的光學性能將是均勻的。預制棒共拉成光纖約300km，平均分成觀盤光纖進行測試。光纖的各項指標都滿足產品要求，主要性能指標:1530, 1550，1565，1625nm的色散(Dispersion，D)均值分別為 2. 20，4. 06，5. 42，10. 71 ps/nm/km,零色散斜率(Zero Dispersion Slop, Dso)為 0. 080ps/nm2 /km,零色散波長(Zero Dispersion Wavelength, λ0)為 1506nm,光纖截止波長(Cutoff wavelength, λ c)為 1334nm,光纜截止波長(Cable cutoff wavelength, λ cc) 為U84nm，模場直徑(Mode Field Diameter, MFD)為9. 92um。圖11所示是本發(fā)明實施例 1所拉光纖的MFD、λ ρ λ c、&和D的分布，橫坐標對應光纖長度。可見光纖的性能均勻性高，由于有效利用了錐度部分，預制棒的長度增加約15%，光纖的生產效率增加了近16%。實施例2
圖2所示是本發(fā)明實施例2的一種G656光纖波導折射率分布曲線，光纖剖面采用六分層設計，其結構參數」i (%)和R i (um)分別為層1，0. 46，5. 8 ；層2，0. 25，6. 8 ；層3， -0.09，11.8 ；層 4，0. 25，16. 8 ；層 5，-0. 16,19.8 ；層 6，0，125。為了體現光纖波導結構的幾何特征，方便工藝計算與控制，按層1的直徑(Rl)作歸一化處理，即各層歸一化直徑IV =R
8i /R1G=I 6)，得到歸一化尺寸1，1. 17，2. 03，2. 9，3. 41，21.55。圖3是本發(fā)明的工藝流程示意圖。按照圖2制備本發(fā)明實施例2的G656光纖。圖 4和圖5是本發(fā)明實施例2中采用MCVD法制作芯棒的過程。在圖4 MCVD法芯棒制造中，采用外徑33 mm，壁厚2 mm，長度1100 mm的進口合成石英管為基管，從管的一端向管內通入一定比例的四氯化硅蒸汽、三氯氧磷蒸汽、四氯化鍺蒸汽和高純氧氣的混合氣流，管的另一端用旋轉密封接頭與反應尾氣處理系統(tǒng)相接。維持管內微正壓10—20mm水柱。氫-氧焰噴燈加熱石英玻璃管，溫度1800-190(TC，引發(fā)化學反應，并在石英玻璃管內表面形成石英玻璃薄膜的沉積層，沒有沉積的反應產物排除到尾氣處理系統(tǒng)。先沉積包層，再沉積芯層， 從外向內的包層到芯層分別沉積3，5，4，1，2層。如圖5所示，通過高溫(2000-22000C )塌縮，把內表面沉積了包層和芯層的基管熔縮成一根實心玻璃棒，即為芯棒。制備的G. 656 芯棒平均外徑約為20mm，有效長度約970mm?；贛CVD工藝沉積的自然錐度效應，在其它工藝參數保持相同的情況下，通過調節(jié)氫-氧焰噴燈的移動速度控制從內到外1-5層的厚度尺寸，使歸一化尺寸為1，1. 17， 2. 03，2. 9,3. 41，即在光纖設計范圍內，各層折射率與歸一化尺寸沿軸向保持一致。經預制棒分析儀測試合格后，得到芯棒的測試其剖面結構參數。圖12所示是本發(fā)明實施例2芯棒中1-5層的直徑沿軸向的分布，雖然芯棒存在明顯錐度，但是1-5層直徑的變化趨勢相同。 圖13所示是本發(fā)明實施例2芯棒歸一化尺寸的分布軸向分布，在工藝許可的控制精度范圍內，芯棒歸一化尺寸均勻一致，而折射率參數符合設計且波動較小，證明芯棒1-5層的波導結構沿軸向是相同的。由于芯棒沉積SiA粉塵外包層后燒結成透明預制棒的過程中，產生軸向縮短而徑向增粗的變化，燒結后預制棒的實際芯包層比例的控制，必須考慮收縮效應的影響。芯棒收縮比η為燒結后的長度與起始長度比。經過反復測試，芯棒的η實驗值為0.80，由此計算出預制棒外徑和外包層曲線(所述的計算是設預制棒外徑為&，預制棒外包層厚度為&，延伸芯棒第5層的直徑為Rtl5,延伸芯棒的外徑為Rtl，預制棒外徑對第5層的歸一化系數為& ； 根據收縮比的物理意義和歸一化波導系數的關系，預制棒Rp= n_1/2 G4 Rtl5，此為芯棒進行延伸的關系式；預制棒外包層厚度為預制棒的外徑減去芯棒的外徑，按照收縮比的物理意義， 芯棒的外徑= n_1/2 R。，Rc=n_1/2 G5 R05-nR0= n-172CG5 R。5-R。)，將各個位置的數據代入上述兩個關系式，得到預制棒外徑和外包層曲線)。將芯棒延伸，其平均外徑17. 94mm，長度約 1200mm,測量延伸芯棒的外徑Ro和第五層的直徑Ro5。將延伸棒的1180mm制成VAD沉積靶棒進行外包層制作。圖5所示是本發(fā)明實施例1采用VAD法制作外包層的示意。四氯化硅蒸汽和燃料氣體用不同的管路通入噴燈，在噴燈的噴口處發(fā)生混合，氫一氧火焰使四氯化硅蒸汽發(fā)生水解反應生成白色的SiO2粉塵。沉積過程中，靶棒圍繞其軸心旋轉并提升?；鹧鎳姛舭l(fā)生水解反應生成SiO2粉塵堆積在靶棒表面成為多孔疏松的SiO2外包層。S^2粉塵外包層的沉積速度為20g/min，根據需要的S^2外包層設定VAD提升速度V，V=Il. 58/ (39.94Ro52-Ro2)，單位cm/min。通過提升速度控制沉積需要的足夠量的SiO2外包層。沉積完成以后，把形成多孔質坯棒垂直置入專用脫水一燒結爐內，爐中通入氧氣和氯氣，驅除水分和其它各種雜質；然后，將脫水一燒結爐升溫到1600°C左右，多孔質坯棒經過高溫燒結使疏松的多孔質坯棒轉變?yōu)橥该鞯墓饫w預制棒。經過預制棒分析儀檢測，平均外徑為 71. 89mm，長度約910mm，芯棒內各層比例保持不變，預制棒的結構可簡單地以第5層與外徑來表示。圖14所示是本發(fā)明實施例2的預制棒與第5層的直徑軸向分布，圖15所示是預制棒外徑對第5層直徑的比值。從圖14看出，預制棒外徑的錐度依然存在，但是從圖15可以看出其歸一化尺寸光學結構是均勻的，意味著拉成125um光纖后，其光纖的光學性能將是均勻的。預制棒共拉成光纖300km，平均分成觀盤光纖進行測試。光纖的各項指標都滿足產品要求，主要性能指標=1460,1530, 1550，1565，1625nm的色散(Dispersion, D)均值分別為 1. 18，5. 90，7. 23，8. 25，11. 0 4ps/nm/km,零色散斜率(Zero Dispersion Slop, Dso) 為 0· 064 ps/nm2 /km,零色散波長(Zero Dispersion Wavelength, λ0)為 1443nm,光纖截止波長(Cutoff wavelength, Xe)為 1333nm,光纜截止波長(Cable cutoff wavelength, λ cc)為 1236nm，模場直徑(Mode Field Diameter, MFD)為 9. 55um。圖 16 所示是本發(fā)明實施例2所拉光纖的MFD、λ0> Ac, &和D的分布，橫坐標對應光纖長度?？梢姽饫w的性能均勻性高，由于有效利用了錐度部分，預制棒的長度增加約14%，光纖的生產效率增加了近 15%。本發(fā)明中術語的定義
相對折射率差Ai由以下方程式定義 相對折射率差Ai = {nf-n^/2nf(1)
其中^為第i層的光纖折射率的最大值，A為最外包層(純二氧化硅玻璃部分)的折射率，在本申請中它為第六層的折射率，作為參考折射率。光纖波導結構歸一化結構尺寸直徑IV定義為第i結構層直徑氏對第一層直徑R1 的比值
V =VRpi為結構層代號。VAD包層沉積中軸向控制是實現預制棒外包層匹配的關鍵技術。按照光纖波導結構，光纖外徑對第i層直徑氏的歸一化結構系數Gi定義
6^125/ ,
延伸后的芯棒外徑為Ro，對應第i層直徑Roi,預制棒的理論外徑設為D，則有D= Gi · Roi0設VAD工藝SW2粉塵的沉積速度為W(g/min)，棒體提升速度為V(cm/min)，理論上外包層純石英玻璃的密度為2. 2g/cm2，可得到棒體提升速度的控制式V=/(W，Ro, Roi),
V=O. 579W/ ( Gi2 · Roi2- Ro2) 芯棒收縮比η定義為 Jl=L1ZL0,
其中，L0為芯棒起始長度比，L1為S^2粉塵外包層燒結后的長度。
權利要求
1.一種光波導軸向均勻的光纖預制棒制作方法，其特征是包括以下步驟A、采用管內化學氣相沉積方法制備芯棒，經軸向控制使芯棒各層的歸一化尺寸和折射率一致；B、將芯棒延伸制成靶棒；C、采用軸向化學氣相沉積法在靶棒上制備SiO2粉塵外包層，經軸向控制沉積由光纖波導的歸一化尺寸決定的外包層，將疏松的S^2粉塵外包層燒結致密化即得到光纖波導均勻的預制棒；其中，歸一化尺寸為各層相對于其中一層的比例系數。
2.根據權利要求1所述的光波導軸向均勻的光纖預制棒制作方法，其特征是所述的管內化學氣相沉積方法是將原料氣體通入石英玻璃基管中，在高溫條件下進行化學反應得到粉塵沉積到基管內表面，當芯棒的包層和芯層沉積完畢后，在更高溫度下使基管、芯棒的包層和芯層塌縮成一實心玻璃棒成為芯棒。
3.根據權利要求1所述的光波導軸向均勻的光纖預制棒制作方法，其特征是根據目標預制棒的外徑和芯棒的收縮比例設定延伸目標來延伸芯棒制成靶棒。
4.根據權利要求1所述的光波導軸向均勻的光纖預制棒制作方法，其特征是所述的軸向化學氣相沉積法在靶棒上制備SW2粉塵外包層是將反應原料通入輸送系統(tǒng)送入沉積腔，用火焰水解反應產生SiA粉塵，SiO2粉塵沉積在靶棒上形成疏松的SW2粉塵外包層。
5.根據權利要求1或4所述的光波導軸向均勻的光纖預制棒制作方法，其特征是根據靶棒的規(guī)格尺寸數據以及光纖波導歸一化尺寸的要求設定需要的外包層及沉積外包層時對靶棒的提升速度，對靶棒的提升速度為外包層的沉積重量除以沉積速度所得的商。
6.根據權利要求5所述的光波導軸向均勻的光纖預制棒制作方法，其特征是靶棒的提升速度V=O. 579W/(Gi2 · R0i2-R02)，其中W為S^2粉塵的沉積速度，Gi為光纖外徑對第i 層的歸一化結構系數，Ro、Roi分別為靶棒和靶棒第i層的直徑。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種光波導軸向均勻的光纖預制棒制作方法，屬于光通信技術，該方法按光纖波導的歸一化結構進行工藝設計和控制，其首先采用管內化學氣相沉積法在石英玻璃管內沉積包層和芯層，經軸向控制使各層的歸一化尺寸和折射率一致，歸一化尺寸為各層相對于其中一層的比例系數，經高溫熔縮成芯棒；其次將芯棒延伸制成沉積靶棒；接著采用軸向化學氣相沉積法制備SiO2粉塵外包層，經軸向控制沉積由光纖波導歸一化尺寸所決定的SiO2粉塵外包層；最后將SiO2粉塵外包層燒結成透明玻璃棒體即成光纖波導均勻的光纖預制棒。本工藝方法靈活、簡便，所得預制棒的光波導均勻，有效利用兩端錐度，增加有效長度，降低成本，可高速率生產。
文檔編號C03B37/018GK102276145SQ20111019427
公開日2011年12月14日 申請日期2011年7月12日 優(yōu)先權日2011年7月12日
發(fā)明者吳金東, 吳雯雯, 孫可元, 李慶國, 李強, 陳海濱 申請人:成都富通光通信技術有限公司