一種用于大尺寸光纖預(yù)制棒的石英套管及其制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于大尺寸光纖預(yù)制棒芯棒的石英套管及其制造方法，包括一直管狀的純石英襯管，其特征在于所述的純石英襯管外徑為34～63mm，壁厚大于或等于2mm，長度為1.0～2.0m，在純石英襯管內(nèi)腔沿管壁沉積有摻雜石英層，所述摻雜石英層的相對折射率差為-1.5%～-0.3%，沉積完后的石英套管的內(nèi)徑等于或大于24mm。本發(fā)明基于PCVD工藝，具有原料利用率高，折射率值控制精確的優(yōu)點(diǎn)；所生產(chǎn)的套管不僅折射率參數(shù)分布均勻，而且工藝穩(wěn)定、成品率高；可充分運(yùn)用套管工藝制造大尺寸光纖預(yù)制棒，并能實(shí)現(xiàn)制造多光學(xué)包層折射率剖面的功能，因此在制造較復(fù)雜的大尺寸光纖預(yù)制棒時具有工藝簡便、制造成本低的優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】一種用于大尺寸光纖預(yù)制棒的石英套管及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種可用于大尺寸光纖預(yù)制棒芯棒外包材料的石英套管及其制造方法，其具有折射率值可調(diào)節(jié)，且折射率值的參數(shù)分布均勻等優(yōu)點(diǎn)。
【背景技術(shù)】
[0002]在光纖制造領(lǐng)域，所謂的套管是一種石英材質(zhì)的空心管狀材料。功能上，它可作為沉積摻雜二氧化硅或純二氧化硅的基體，并具有增加光纖預(yù)制棒尺寸等作用。因此，套管可以理解為是一種具有特定幾何尺寸的人造石英預(yù)制件。目前公知的光纖預(yù)制件的制造工藝，典型的有管內(nèi)法氣相沉積工藝，如改進(jìn)化學(xué)氣相沉積工藝(MCVD，modifiedchemical vapor deposition)和等離子體激發(fā)化學(xué)氣相沉積工藝(PCVD,plasma chemicalvapor deposition),以及管外法氣相沉積工藝,如外部氣相沉積工藝(0VD, outside vapordeposition)和外部軸向沉積工藝(VAD, vapor axial deposition)。
[0003]美國專利US 5837334，描述了一種利用管外沉積工藝人工合成二氧化硅來制造石英套管的方法。該法采用VAD或OVD外部氣相沉積工藝制造出大尺寸的疏松材質(zhì)的石英母棒，在高溫下玻璃化后，鉆孔獲得空心圓柱體，根據(jù)目標(biāo)尺寸的需要，可選擇拉伸工藝將空心圓柱體制成有特定尺寸要求的石英套管。該類工藝在沉積純的二氧化硅材料時，具有沉積速率高的特點(diǎn)。但在制造具有一定氟摻雜劑的低折射率材料時，疏松的粉料在未完全玻璃化前，高溫下?lián)诫s劑會發(fā)生揮發(fā)或擴(kuò)散，因此很難將摻雜二氧化硅材料的折射率控制在精確的范圍，特別是在沉積諸如較大量氟摻雜劑以獲取較低折射率值的套管時，有的甚至沿套管半徑方向和軸向方向上表現(xiàn)出折射率值的大幅波動。
[0004]中國專利CN101314515A提出了一種光纖預(yù)制棒用石英套管的生產(chǎn)方法。該法利用等離子體熱源將石英砂粉料均勻熔化后沉積形成石英毛砣，再通過機(jī)械加工對石英毛砣的內(nèi)孔、外圓進(jìn)行處理，最后在中頻爐`中采用無接觸式拉管方式將石英砣拉制成一定幾何尺寸的石英套管。該法原料為天然石英砂，因此所產(chǎn)套管的質(zhì)量受石英砂原材料的雜質(zhì)含量的影響。該法很難通過加入摻雜劑均勻調(diào)控襯管的折射率，所以利用該法所制襯管的折射率基本固定，如該專利所述，為1.45728。
[0005]傳統(tǒng)的套管因用途有限，并不要求具備高的光學(xué)質(zhì)量。但是隨著光纖的發(fā)展，對一些特定折射率剖面結(jié)構(gòu)的光纖，其套管的材料和工藝也需要隨之進(jìn)化，以滿足光纖制造的高效低成本需要。除了發(fā)揮沉積二氧化硅層作為沉積基體或增加光纖預(yù)制棒外形尺寸的功能外，漸漸的，套管也開始參與組成有折射率變化的光纖光學(xué)包層的角色。但前提條件是，在套管的制造過程中，其折射率要具有可控性，能根據(jù)光纖產(chǎn)品的需求靈活變化，并且折射率參數(shù)的分布要達(dá)到一定的均勻性，以滿足批量化的生產(chǎn)。
[0006]專利CN1203335C設(shè)計(jì)了一種低色散斜率非零色散位移光纖的折射率剖面，該設(shè)計(jì)形式上基于普通單模光纖折射率的剖面，在直徑方向上向外增加了若干臺階式的纖芯分層，各層折射率不同，這種折射率剖面可以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)色散斜率、彎曲損耗、PMD值、有效面積等性能參數(shù)的功能。在專利要求的限制范圍內(nèi)，可以使光纖在維持良好的抗彎曲性能、較低PMD值的同時具有大有效面積和低色散斜率。但剖面結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點(diǎn)也使得制造這種光纖的工藝難度大，制造成本高，并且很難實(shí)現(xiàn)預(yù)制棒尺寸的大型化。
[0007]在專利CN101598834中，描述了一種具有優(yōu)異抗彎曲性能的單模光纖，從其折射率剖面來看，較普通階越型單模光纖多了一層下陷包層。下陷包層為摻氟石英材料，其作用為提高光纖的抗彎曲性能。專利CN101281275提出了一種具有大有效面積的光纖，相對標(biāo)準(zhǔn)單模光纖而言，有效面積增大，必將導(dǎo)致光纖抗彎曲性能的惡化，所以，該專利亦通過增加一層下陷包層達(dá)到了改進(jìn)光纖的抗彎曲性能的目的，并且下陷包層在光纖里的積分體積越大，抗彎曲性能的作用越好。
[0008]總而言之，與普通階越型的標(biāo)準(zhǔn)單模光纖相比，類似折射率分層多的復(fù)雜結(jié)構(gòu)光纖，或者芯層直徑尺寸較大的光纖，其諸如下陷包層的部分無疑會帶來芯棒直徑的增加，在制造大尺寸預(yù)制棒時，便增加了大尺寸芯棒的制造難度，對制造設(shè)備提出了更高的挑戰(zhàn)。另一方面，由于芯棒作為光纖預(yù)制棒的核心部分，其制造成本也是最高的，增大芯棒的尺寸總體上來說也不利于光纖制造成本的降低。作為增大預(yù)制棒尺寸的一種方法，套管工藝可通過套入間隙套管來實(shí)現(xiàn)預(yù)制棒的逐步增大。但現(xiàn)有的折射率固定的純二氧化硅石英套管無法滿足光纖折射率剖面里含有多光學(xué)包層結(jié)構(gòu)的要求。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]為方便介紹
【發(fā)明內(nèi)容】
，定義部分術(shù)語:
芯棒:含有芯層和部分包層的預(yù)制件；
折射率剖面:光纖或光纖預(yù)制棒(包括芯棒、套管)玻璃折射率與其半徑之間的關(guān)系；RIC(Rod In Cylinder)工藝:將芯棒和套管經(jīng)過處理，包括拉錐、延長、腐蝕、清洗和干燥后，將芯棒插入套管中所組成的大尺寸光纖預(yù)制棒的制造工藝；
OVD工藝:用外部氣相沉積和燒結(jié)工藝制備所需厚度的石英玻璃；
VAD工藝:用軸向氣相沉積和燒結(jié)工藝制備所需厚度的石英玻璃；
APVD工藝:用高頻等離子體焰將天然或合成石英粉熔制于芯棒表面制備所需厚度的石英玻璃。
[0010]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題旨在針對以上現(xiàn)有技術(shù)存在的不足提出一種分布有可控折射率的石英套管及其制造方法，該套管可以應(yīng)用于制造剖面結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大尺寸光纖預(yù)制棒。
[0011]本發(fā)明石英套管的技術(shù)方案為:
包括一直管狀的純石英襯管，其特征在于所述的純石英襯管外徑為34~63mm，壁厚大于或等于2_，長度為1.0~2.0m，在純石英襯管內(nèi)腔沿管壁沉積有摻雜石英層，所述摻雜石英層的相對折射率差為-1.5%~-0.3%，沉積完后的石英套管的內(nèi)徑等于或大于24mm。
[0012]按上述方案，所述的摻雜石英層為摻氟石英層或氟鍺共摻石英層，所述的摻雜石英層的相對折射率差為-1.0%~-0.3%。
[0013]按上述方案，所述的純石英襯管的內(nèi)徑等于或大于30mm。
[0014]本發(fā)明石英套管制作方法的技術(shù)方案為:
取外徑為34~63mm,壁厚大于或等于2mm,長度為1.0~2.0m的純石英襯管,經(jīng)兩端延長、腐蝕、清洗后，進(jìn)行PCVD加工；所述的腐蝕、清洗是以AR級氫氟酸試劑浸泡腐蝕，以去掉襯管延長加工時帶來的內(nèi)外表面污染，腐蝕去除量以襯管外徑減少量計(jì)為0.01~0.3mm,腐蝕后的襯管以純?nèi)ルx子水沖洗內(nèi)外表面，再以純凈氮?dú)獯祾邇?nèi)外表面進(jìn)行充分干燥；
所述的PCVD加工是將干燥處理后的純石英襯管置于微波諧振腔保溫爐內(nèi)，保溫爐內(nèi)溫度保持在800°C~1300°C，純石英襯管穿過微波諧振腔，周期性地旋轉(zhuǎn)，微波諧振腔沿襯管軸向從一端至另一端往復(fù)運(yùn)動；同時混合氣體從襯管的一端進(jìn)入襯管內(nèi)腔，襯管的另一端為氣體排出端，氣體排出端連接真空泵，控制襯管內(nèi)壓力在12~30mBar ;上述過程持續(xù)反復(fù)進(jìn)行，在純石英襯管內(nèi)腔沿管壁沉積成摻雜石英層，摻雜石英層的相對折射率差為-1.5%~-0.3%，直至沉積完畢。
[0015]按上述方案，所述的混合氣體的種類和流量為:四氯化娃蒸氣800~2500sccm,純氧氣 2000 ~7000sccm,氣利昂 10 ~200sccm。
[0016]按上述方案，所述的進(jìn)入管內(nèi)的反應(yīng)原料氣體和蒸氣，對于標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下為氣態(tài)的純氧氣和氟利昂，采用大量程的氣體流量計(jì)控制；對于標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下為液態(tài)的四氯化硅，先輔助其加熱使其產(chǎn)生適量的原料蒸氣壓，將蒸氣導(dǎo)出再用氣體流量計(jì)控制流量進(jìn)行供料；通入襯管的原料氣體的羥基含量要求小于或等于0.05ppm，優(yōu)選的要求是小于或等于0.01ppm,更進(jìn)一步優(yōu)選的要求是小于或等于0.0Olppmo
[0017]按上述方案，所述的混合氣體中純氧氣與四氯化硅氣體的摩爾比為2.5~4.0。
[0018]按上述方案，所述微波諧振腔相對純石英襯管作軸向往復(fù)運(yùn)動的移動速度為15~30m/min，微波諧振腔的高頻功率設(shè)定為5~20kW，所述襯管內(nèi)的沉積速率為2.0~4.5g/min。
`[0019]按上述方案，所述的摻雜石英層為摻氟石英層或氟鍺共摻石英層，所述的摻雜石英層的相對折射率差為-1.0%~-0.3% ;所述的摻雜石英層沿軸向方向上的相對折射率差的容許波動范圍為-0.1%~0.1%。
[0020]本發(fā)明根據(jù)需要獲取的套管折射率沉積包層的厚度設(shè)定相應(yīng)沉積時間，沉積結(jié)束后放置于專用管架上緩慢冷卻至室溫后，在鋸床上鋸掉兩端延長管及沉積不均勻區(qū)域，即獲得一定長度的具有可控折射率包層的光纖預(yù)制棒用石英套管。
[0021]本發(fā)明的石英套管可采用如下方式生產(chǎn)預(yù)制棒和光纖:
將制作好的光纖芯棒套入本發(fā)明的石英套管中進(jìn)行組裝，在電熔縮機(jī)床上將兩者熔制成大尺寸的組合芯棒。
[0022]將所得大尺寸的組合芯棒利用RIC工藝，套入準(zhǔn)備好的大尺寸石英外包層套管材料中獲得大尺寸的預(yù)制棒，或利用0VD/VAD/APVD等外包沉積工藝獲得大尺寸預(yù)制棒；將所得大尺寸預(yù)制棒直接拉絲，或?qū)⒋蟪叽绲念A(yù)制棒通過熔縮拉伸，減小預(yù)制棒外徑尺寸后，再進(jìn)行拉絲，以兼容不同生產(chǎn)能力的拉絲塔。工藝流程如圖2所示。
[0023]或?qū)⑺么蟪叽绲慕M合芯棒進(jìn)行延伸整形，使其成為直徑小于原直徑但長度增長的延伸光學(xué)芯棒，將該延伸光學(xué)芯棒通過RIC工藝，外加玻璃包層后獲得大直徑尺寸的光纖預(yù)制棒，用其拉絲則獲得所需的光纖產(chǎn)品。此法工藝流程如圖3所示。
[0024]本發(fā)明的有益效果在于:1、本發(fā)明基于PCVD工藝，具有原料利用率高，折射率值控制精確的優(yōu)點(diǎn)；與管外法制造工藝相比，有效的防止了摻雜劑向外擴(kuò)散和揮發(fā)，所生產(chǎn)的套管不僅折射率參數(shù)分布均勻，而且工藝穩(wěn)定、成品率高；2、制造過程中可對套管沉積層的摻雜劑用量進(jìn)行靈活調(diào)控，以實(shí)現(xiàn)對折射率的精準(zhǔn)調(diào)節(jié)，套管部分折射率的可調(diào)性，可以拓寬光纖折射率剖面的設(shè)計(jì)范圍，使光纖設(shè)計(jì)更具靈活性，從而滿足一些特殊光纖折射率剖面的設(shè)計(jì)需求；3、可充分運(yùn)用套管工藝制造大尺寸光纖預(yù)制棒，并能實(shí)現(xiàn)制造多光學(xué)包層折射率剖面的功能，因此在制造較復(fù)雜的大尺寸光纖預(yù)制棒時具有工藝簡便、制造成本低的優(yōu)點(diǎn)；4、本發(fā)明為“一步式”工藝，摻雜二氧化硅在沉積同時直接被玻璃化，因此沉積后不需要經(jīng)過再次燒結(jié)；沉積層幾何分布均勻，無需再次加工，避免了二次污染的風(fēng)險。進(jìn)一步保證了石英套管產(chǎn)品的折射率參數(shù)的穩(wěn)定性，以獲得較高的套管產(chǎn)品合格率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]圖1為本發(fā)明的石英套管的折射率剖面示意圖。
[0026]圖2為利用本發(fā)明所制造的套管生產(chǎn)預(yù)制棒與光纖的一種工藝流程示意圖。圖3為利用本發(fā)明所制造的套管生產(chǎn)預(yù)制棒與光纖的另一種可選的工藝流程示意圖。
[0027]圖4為本發(fā)明的一個實(shí)施例的光纖徑向截面示意圖。
[0028]圖5為本發(fā)明的一個實(shí)施例的光纖折射率剖面示意圖，圖中實(shí)現(xiàn)部分為對應(yīng)石英
套管的折射率。
[0029]圖6為本發(fā)明第二個實(shí)施例的光纖徑向截面示意圖。
[0030]圖7為本發(fā)明的第二個實(shí)施例的光纖折射率剖面示意圖，圖中實(shí)現(xiàn)部分為對應(yīng)石
英套管的折射率。
[0031]圖中:1為光纖的芯層，2為內(nèi)包層，3為本發(fā)明套管中沉積的低折射率下陷包層，4為純石英襯管，5為純石英外包層。
[0032]圖8~圖12為本發(fā)明石英套管幾種可能的折射率剖面示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0033]以下結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0034]實(shí)施例一
結(jié)合圖3、4及圖2所示的工藝流程圖，敘述一種低折射率摻氟襯管的制備，及利用其制造彎曲不敏感單模光纖的實(shí)施例。
[0035]取外徑為45mm,壁厚為5mm,長度為1.7m的純石英襯管,將兩端延長以匹配PCVD沉積設(shè)備兩端夾具。腐蝕、清洗后，進(jìn)行PCVD加工；
對加工好的襯管用AR級氫氟酸試劑浸泡進(jìn)行腐蝕和清洗，以去掉襯管延長加工時帶來的內(nèi)外表面污染，腐蝕去除量以襯管外徑減少量計(jì)為0.1mm,腐蝕后的襯管以純?nèi)ルx子水沖洗內(nèi)外表面，再以純凈氮?dú)獯祾邇?nèi)外表面進(jìn)行充分干燥；
將純石英襯管置于微波諧振腔保溫爐內(nèi)，保溫爐內(nèi)溫度保持在900°C~1100°C，純石英襯管穿過微波諧振腔，周期性地旋轉(zhuǎn)，微波諧振腔沿襯管軸向從一端至另一端往復(fù)運(yùn)動，運(yùn)動的移動速度為20m/min，微波諧振腔的高頻功率設(shè)定為10kW。；
混合氣體從襯管的一端進(jìn)入管內(nèi)，混合氣體 的種類和流量為:四氯化硅蒸氣1200sccm,純氧氣3600sccm,氟利昂82sccm ;混合氣體中純氧氣與四氯化娃氣體的摩爾比為3.0。襯管的另一端是氣體排出端，氣體排出端連接真空泵，控制襯管內(nèi)壓力在22mBar ；襯管內(nèi)的沉積速率控制在2.5g/min。[0036]沉積結(jié)束后放置于專用管架上緩慢冷卻至室溫后，在鋸床上鋸掉兩端延長管及微波諧振腔沉積不到的區(qū)域，即獲得一定長度的具有可控折射率包層部分的光纖預(yù)制棒用成品石英套管。圖1所示為典型的具有深摻氟低折射率石英套管的折射率剖面結(jié)構(gòu)示意圖。表1-1所列舉的是本實(shí)施例套管成品的主要參數(shù)。
[0037]表1-1、石英套管成品的幾何和光學(xué)參數(shù)
【權(quán)利要求】
1.一種用于大尺寸光纖預(yù)制棒的石英套管，包括一直管狀的純石英襯管，其特征在于所述的純石英襯管外徑為34~63mm,壁厚大于或等于2mm,長度為1.0~2.0m,在純石英襯管內(nèi)腔沿管壁沉積有摻雜石英層，所述摻雜石英層的相對折射率差為-1.5%~-0.3%，沉積完后的石英套管的內(nèi)徑等于或大于24mm。
2.按權(quán)利要求1所述的用于大尺寸光纖預(yù)制棒的石英套管，其特征在于所述的摻雜石英層為摻氟石英層或氟鍺共摻石英層，所述的摻雜石英層的相對折射率差為-1.0% ~-0.3%ο
3.按權(quán)利要求1或2所述的用于大尺寸光纖預(yù)制棒的石英套管，其特征在于所述的純石英襯管的內(nèi)徑等于或大于30mm。
4.一種用于大尺寸光纖預(yù)制棒的石英套管制造方法，其特征在于取外徑為34~63mm，壁厚大于或等于2mm，長度為1.0~2.0m的純石英襯管，經(jīng)兩端延長、腐蝕、清洗后，進(jìn)行PCVD加工； 所述的腐蝕、清洗是以AR級氫氟酸試劑浸泡腐蝕，以去掉襯管延長加工時帶來的內(nèi)外表面污染，腐蝕去除量以襯管外徑減少量計(jì)為0.01~0.3mm,腐蝕后的襯管以純?nèi)ルx子水沖洗內(nèi)外表面，再以純凈氮?dú)獯祾邇?nèi)外表面進(jìn)行充分干燥； 所述的PCVD加工是將干燥處理后的純石英襯管置于微波諧振腔保溫爐內(nèi)，保溫爐內(nèi)溫度保持在800°C~1300°C，純石英襯管穿過微波諧振腔，周期性地旋轉(zhuǎn)，微波諧振腔沿襯管軸向從一端至另一端往復(fù)運(yùn)動；同時混合氣體從襯管的一端進(jìn)入襯管內(nèi)腔，襯管的另一端為氣體排出端，氣體排出端連接真空泵，控制襯管內(nèi)壓力在12~30mBar ;上述過程持續(xù)反復(fù)進(jìn)行，在純石英襯管內(nèi)腔沿管壁沉積成摻雜石英層，摻雜石英層的相對折射率差為-1.5%~-0.3%，直至沉積完畢。`
5.按權(quán)利要求4所述的用于大尺寸光纖預(yù)制棒的石英套管制造方法，其特征在于所述的混合氣體的種類和流量為:四氯化硅蒸氣800~2500sccm，純氧氣2000~7000sccm，氟利昂 10 ~200sccm。
6.按權(quán)利要求5所述的用于大尺寸光纖預(yù)制棒的石英套管制造方法，其特征在于所述的進(jìn)入管內(nèi)的反應(yīng)原料氣體和蒸氣，對于標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下為氣態(tài)的純氧氣和氟利昂，采用大量程的氣體流量計(jì)控制；對于標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下為液態(tài)的四氯化硅，先輔助其加熱使其產(chǎn)生適量的原料蒸氣壓，將蒸氣導(dǎo)出再用氣體流量計(jì)控制流量進(jìn)行供料；通入襯管的原料氣體的羥基含量要求小于或等于0.05ppm。
7.按權(quán)利要求5所述的用于大尺寸光纖預(yù)制棒的石英套管制造方法，其特征在于所述的混合氣體中純氧氣與四氯化硅氣體的摩爾比為2.5~4.0。
8.按權(quán)利要求4所述的用于大尺寸光纖預(yù)制棒的石英套管制造方法，其特征在于所述微波諧振腔相對純石英襯管作軸向往復(fù)運(yùn)動的移動速度為15~30m/min，微波諧振腔的高頻功率設(shè)定為5~20kW，所述襯管內(nèi)的沉積速率為2.0~4.5g/min。
9.按權(quán)利要求4所述的用于大尺寸光纖預(yù)制棒的石英套管制造方法，其特征在于所述的摻雜石英層為摻氟石英層或氟鍺共摻石英層，所述的摻雜石英層的相對折射率差為-1.0%~-0.3%，所述的摻雜石英層沿軸向方向上的相對折射率差的容許波動范圍為-0.1% ~0.1%。
【文檔編號】C03B37/018GK103553320SQ201310543322
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年11月6日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月6日
【發(fā)明者】王潤涵, 龍勝亞, 羅杰, 艾靚, 周紅燕 申請人:長飛光纖光纜有限公司