低损耗光纤预制棒外包层及制备设备和制备方法及光纤技术

本发明专利技术涉及一种低损耗光纤预制棒外包层及制备设备和制备方法及光纤，制备过程中，在VAD、OVD、MCVD、PCVD四种工艺中选取一种制备芯棒，在所述芯棒表面以等离子体为热源，高温氧化四氯化硅，生成高致密的二氧化硅外包层，并沉积于芯棒表面，最终达到设定的目标棒径，所述外包层具有较好的光学均匀性、较高的硬度、较低的应力双折射，采用该外包层方法制备的G.652D光纤预制棒拉丝后1310nm衰减可达0.315dB/km，1550nm衰减可达0.175dB/km。与现有技术相比，本发明专利技术使用高温等离子体预处理芯棒表面，解决了界面缺陷问题，以四氯化硅为原料，以高温等离子体为热源，生成高致密、高均匀性、低缺陷的光纤预制棒外包层，满足低损耗光纤预制棒制备要求。

Low loss optical fiber preform cladding, preparation equipment, preparation method and optical fiber

【技术实现步骤摘要】
低损耗光纤预制棒外包层及制备设备和制备方法及光纤
本专利技术涉及光纤通信
，尤其是涉及一种低损耗光纤预制棒外包层及制备设备和制备方法及光纤。
技术介绍
光纤预制棒分为芯棒与外包层两部分，在现有的光纤预制棒制造方法中，轴向气相沉积法(VAD)、外部气相沉积法(OVD)、改进化学气相沉积(MCVD)和等离子体化学气相沉积(PCVD)均可用于芯棒制备；外包层的制作方法则主要集中在RIT/RIC法(套管法)、Soot法(外部气相沉积)和外部等离子喷涂法等制造技术，RIT/RIC法是将芯棒插入套管中直接拉制光纤，或者融缩成实心预制棒后拉丝；Soot法和外部等离子喷涂法则直接制得实心预制棒。随着光通信技术的发展，尤其是未来400G及以上传输系统中，光纤损耗的降低将有助于光纤品质因数提升，通信质量改善，同时有利于降低系统的建设和维护成本，光纤的损耗主要来自于光纤材料对光的本征吸收以及光纤材料不完善对光的散射损耗两个方面。其中吸收损耗来自于光纤材料的电子能跃迁或分子振动态的改变，分别称为紫外吸收和红外吸收；另外是OH-等杂质离子对光的吸收。如果不考虑非线性的拉曼散射和布里渊散射，散射损耗主要来自于光纤材料中不可避免的随机密度或浓度波动引起的瑞利散射损耗，以及芯包界面的不完善引起的散射损耗。这与光纤预制棒外包层沉积工艺与材料结构有较大关系。专利CN103224319A和专利CN103224326A涉及一种生产光纤预制棒外包层的方法，以石英砂为原料，以等离子体为热源生产光纤预制棒外包层套管，再与芯棒组合拉丝。该技术方案中由于采用石英砂作为原料，其本身纯度和品质一致性不好，因此制备的预制棒外套管中会含有石英砂原有杂质从而影响损耗，另一方面该方案需先制备外包层套管再与芯棒组合拉丝，外包层套管与芯棒表面存在界面结构不完善引起瑞利散射增大，从而影响损耗。现有光纤预制棒外包层技术以外部气相沉积(OVD)为主，该技术以SiCl4为原料，通过氢气、氧气燃烧，高温水解生成纳米级SiO2粉末沉积于芯棒表面，再在氯气氛围脱羟烧结成透明光纤预制棒，该技术生产的光纤预制棒外包层中含有大量氯气、芯棒表面因氢氧气火焰灼烧存在高羟基层、同时由于先沉积粉体再烧结外包层密度波动大，因此使用该外包层技术所生产光纤预制棒瑞利散射较大，从而难以获得较优损耗。因此，如何研发一种结构均匀的光纤预制棒外包层技术且能与芯棒表面较好的结合，成为本领域技术人员亟需解决的技术问题。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种低损耗光纤预制棒外包层及制备设备和制备方法及光纤，其中通过等离子体沉积方法实现所生产的光纤预制棒具有较好的损耗性能。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：本专利技术中制备光纤预制棒外包层的设备，包括第二沉积腔、第一沉积腔、等离子体发生器、石英喷灯，其中具体地：第二沉积腔上开设有第二腔体进风口，所述第二腔体进风口外接有氛围气体储罐，通过氛围气体的输入使得第二沉积腔内部形成目标气氛环境；第一沉积腔设于所述第二沉积腔内部，其上开设有第一沉积腔体排风口和第一沉积腔体进风口，所述第一沉积腔体排风口与所述第二沉积腔的外部环境连通，所述第一沉积腔体进风口处贯穿设有石英把棒，所述石英把棒的一端与芯棒可拆卸连接，另一端连接有第一伺服电机，通过电机旋转使得芯棒进行周向旋转；等离子体发生器设于所述第一沉积腔内部，对第一沉积腔内部进行等离子体加热；石英喷灯设于第一沉积腔内部，石英喷灯下方设有水平移动组件，使得石英喷灯能够向芯棒表面喷射等离子体沉积流体。进一步地，第一沉积腔腔壁上设有保温夹层。进一步地，所述石英喷灯的喷口与所述芯棒外表面的距离为40mm～60mm。进一步地，所述水平移动组件包括第二伺服电机、螺杆、载板；所述第一沉积腔体进风口对称开设于第二沉积腔两侧；所述石英把棒对称设于两个第一沉积腔体进风口中；所述第二伺服电机的输出轴与所述螺杆的端部连接；所述载板下表面设有两条平行的外螺纹槽；进一步地，所述石英把棒两端设有卡槽，能够将芯棒卡接限位。进一步地，所述螺杆包括平行分布的两根，其中每根螺杆包括对称分布的两段外螺纹，两段外螺纹的螺向相反，多个载板分布于螺向相反的外螺纹段上，可进行相向或者反向的对称运动；所述石英喷灯设于所述载板上。进一步地，第一沉积腔体排风口、第二腔体进风口上均设有阀门，优选为电磁阀。进一步地，第一沉积腔体排风口处设有真空泵；第二腔体进风口处连接有氮气储罐。通过本专利技术中的上述设备制备低损耗光纤预制棒外包层的制备方法，包括以下步骤：S1：将芯棒两端通过石英把棒固定于第一腔体内部；S2：开启第一伺服电机和第二伺服电机，并自第二腔体进风口通入氮气，构建氮气气氛；S3：开启等离子体发生器，以氩气作为等离子体发生气体，通过等离子体发生器对芯棒外表面进行预处理，去除表面杂质，消除表面缺陷；S4：将四氯化硅原料、氧气通过石英喷灯喷向芯棒，喷射的流体与氩气耦合的等离子体相遇，发生氧化反应，生成二氧化硅颗粒，并在等离子体高温的作用下玻璃化沉积于芯棒外表面，形成预制棒外包层。对制备的预制棒外包层进行在线退火阶段，包括以下步骤：S5：将第二腔体进风口处的氮气流量调整至1～10m3/min，停止四氯化硅原料与氧气的通入，逐渐线性降低等离子发生器功率，从开始降低功率至关闭等离子体发生器持续0.5～3小时；S6：关闭等离子体发生器的同时关闭第二腔体进风口、第一沉积腔体排风口，使得制得的预制棒外包层在第一沉积腔自然冷却1～3小时。进一步地，使用VAD、OVD、MCVD、PCVD四种工艺中选取一种制备芯棒，其芯层折射率较纯二氧化硅折射率大0.33％～0.38％。进一步地，沉积氛围的水份含量为：氮气水份含量小于5ppm，氩气水份含量小于2ppm。进一步地，芯棒的旋转速度为10～50rpm，芯棒水平往复移动的速度为30～100mm/min。进一步地，所述四氯化硅原料与氧气混合后进入石英喷灯，石英喷灯的四氯化硅原料喷射流量为10～50g/min，氧气喷射流量20～100L/min。在本专利技术中，所述芯棒准备可选使用VAD、OVD、MCVD、PCVD四种工艺中选取一种制备芯棒，其特征在于所述芯层的材质优选为掺锗元素的二氧化硅材料；相对折射率差表示为：△n＝100％×(nGe-nSiO2)/nSiO2，nGe是芯层折射率即掺锗元素的二氧化硅的折射率。在本专利技术中，所述芯层的相对折射率差优选为0.33～0.38％，更优选为0.34～0.36％，最优选为0.34～0.35％。在本专利技术中，所述芯层的相对折射率之差优选从内向外保持恒定，即从芯层的中心到芯层的表面相对折射率之差不变。在本专利技术中，所述光学包层的材质优选为掺氟元素的二氧化硅材料，如掺入SiF4、CF4、SF6、C2F6、SOF2、C2F2Cl2中的一种或至少两种组合的石英二氧本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种制备光纤预制棒外包层的设备，其特征在于，包括：/n第二沉积腔(9)，其上开设有第二腔体进风口(10)，所述第二腔体进风口(10)外接有氛围气体储罐，通过氛围气体的输入使得第二沉积腔(9)内部形成目标气氛环境；/n第一沉积腔(6)，设于所述第二沉积腔(9)内部，其上开设有第一沉积腔体排风口(8)和第一沉积腔体进风口(7)，所述第一沉积腔体排风口(8)与所述第二沉积腔(9)的外部环境连通，所述第一沉积腔体进风口(7)处贯穿设有石英把棒(5)，所述石英把棒(5)的一端与芯棒(1)连接，另一端连接有第一伺服电机，通过电机旋转使得芯棒(1)进行周向旋转；/n等离子体发生器(4)，设于所述第一沉积腔(6)内部，对第一沉积腔(6)内部进行等离子体加热；/n石英喷灯(3)，设于第一沉积腔(6)内部，石英喷灯(3)下方设有水平移动组件，使得石英喷灯(3)能够向芯棒(1)表面喷射等离子体沉积流体。/n

【技术特征摘要】
1.一种制备光纤预制棒外包层的设备，其特征在于，包括：
第二沉积腔(9)，其上开设有第二腔体进风口(10)，所述第二腔体进风口(10)外接有氛围气体储罐，通过氛围气体的输入使得第二沉积腔(9)内部形成目标气氛环境；
第一沉积腔(6)，设于所述第二沉积腔(9)内部，其上开设有第一沉积腔体排风口(8)和第一沉积腔体进风口(7)，所述第一沉积腔体排风口(8)与所述第二沉积腔(9)的外部环境连通，所述第一沉积腔体进风口(7)处贯穿设有石英把棒(5)，所述石英把棒(5)的一端与芯棒(1)连接，另一端连接有第一伺服电机，通过电机旋转使得芯棒(1)进行周向旋转；
等离子体发生器(4)，设于所述第一沉积腔(6)内部，对第一沉积腔(6)内部进行等离子体加热；
石英喷灯(3)，设于第一沉积腔(6)内部，石英喷灯(3)下方设有水平移动组件，使得石英喷灯(3)能够向芯棒(1)表面喷射等离子体沉积流体。


2.根据权利要求1所述的一种制备光纤预制棒外包层的设备，其特征在于，所述石英喷灯(3)的喷口与所述芯棒(1)外表面的距离为40mm～60mm。


3.根据权利要求1所述的一种制备光纤预制棒外包层的设备，其特征在于，所述水平移动组件包括第二伺服电机、螺杆、载板；
所述第一沉积腔体进风口(7)对称开设于第二沉积腔(9)两侧；
所述石英把棒(5)对称设于两个第一沉积腔体进风口(7)中；
所述第二伺服电机的输出轴与所述螺杆的端部连接；
所述载板下表面设有两条平行的外螺纹槽；
所述螺杆包括平行分布的两根，其中每根螺杆包括对称分布的两段外螺纹，两段外螺纹的螺向相反，多个载板分布于螺向相反的外螺纹段上，可进行相向或者反向的对称运动；
所述石英喷灯(3)设于所述载板上。


4.一种低损耗光纤预制棒外包层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将芯棒(1)两端通过石英把棒(5)固定于第一腔体(6)内部；
S2：开启第一伺服电机和第二伺服电机，并自第二腔体进风口(10)通入氮气，构建氮气气氛；
S...

【专利技术属性】
技术研发人员：钱宜刚，沈海平，孙耀杰，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：上海;31