内包层下凹型多模光纤预制棒制造技术

本发明专利技术涉及光纤制造领域中的一种光纤预制棒及制造方法。本发明专利技术光纤预制棒的波导结构为：凹陷深度ｄ范围为：－１．００％≤ｄ≤－０．００１％；凹陷宽度ｗ与预制棒芯子直径２ａ比例范围为：０．１０％≤ｗ／２ａ≤５．００％；芯子起点高度ｈ范围为：－１．００％≤ｈ≤１．００％；它通过增大多模光纤凹陷深度、凹陷宽度以及减少预制棒中ＧｅＣｌ＃－［４］的掺杂量方法，设计出一种内包层下凹型多模光纤预制棒，它减少预制棒中ＧｅＣｌ＃－［４］的掺杂量，降低了成本；减小体系的瑞利散射，降低了多模光纤的衰减；使光纤的带宽性能得到了优化，提高了多模光纤的整体性能。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及光纤制造领域中的一种光纤预制棒及制造方法，特别是一种内包层下凹型多模光纤预制棒及制造方法。
技术介绍
光纤预制棒的制造技术主要分为管内法和管外法。管外法有OVD(外部气相沉积)和VAD(气相轴向沉积)工艺，管内法主要有PCVD(等离子体化学气相沉积)和MCVD(改进的化学气相沉积)。而PCVD工艺具有流量控制精度高、每一层沉积厚度薄，预制棒折射率可以精确设计和制造，预制棒折射率剖面连续而光滑，可以对各种复杂的波导结构进行制造，代表着多模光纤的最先进水平。多模光纤由于具有较大的芯径和数值孔径，有多个稳定的传导模式，大的光传输能量和较为宽松的技术要求，在光通信领域中一直被使用。但是对于多模光纤而言，由于多个模式的存在，其模间色散将导致光脉冲的展宽，极大地限制了多模光纤的带宽特性。衰减和带宽是多模光纤的两大关键指标，降低衰减、提高带宽、减少色散是多模光纤制造中主要解决的技术问题。光纤预制棒波导结构设计是光纤制造的最核心的技术、是决定光纤性能的关键所在，因此光纤制造商都非常重视光纤波导结构的设计。朗迅科技公司专利00117977.2“改进的多模光纤的制造方法和由该方法制造的光纤”，将预制棒波导结构设计为非圆形，改进拉丝工艺获得高带宽具有手性结构的硅基多模光纤；朗迅科技公司专利00117977.2“改进了折射率分布图的多模光纤和包括该光纤的设备”至少用下面的一种方法对普通的折射率分布图进行修改(i)在纤芯和包层区域边界的折射率分布图中，形成与线性修正组合的一个阶跃(ii)邻近纤芯—包层边界的与线性修正组合的一种波纹，附有或不附有折射率阶跃；和(iii)在带有中心凹陷缺陷的α-分布图的折射率分布图中，形成一环状脊；通过对预制棒折射率分布图进行完善，提高多模光纤的带宽。上述两种专利主要是提高多模光纤的带宽，其波导结构设计复杂。多模光纤的衰减则经历了更为复杂而漫长的研究历程，从提高原材料的纯度到调整原材料的种类，从提高系统的密封性能到从粉末状预制棒的脱水，从沉积工艺到拉丝工艺对多模光纤衰减的影响的各种探索经历了漫长而曲折的过程。减少原材料中过渡金属等杂质造成的吸收，降低GeCl4的掺杂用量，改善掺杂均匀性，完善光纤中浓度和密度的波纹度，降低瑞利散射，850nm窗口的衰减得到显著降低。1ppm OH-在1385nm波长处引起39dB/km的吸收，微量的OH-将引起1385nm附近的1300nm传输窗口的衰减的急剧增大，通过提高原材料的纯度，降低原材料的含水量，提高系统的密封性能，以及通过各种途径消除或脱去光纤预制棒工艺过程中导入的羟基，从而降低1300nm窗口的衰减。优化波导结构，改善光纤包层和芯层界面的过渡情况，波导结构引起光信号的衰减主要是指芯子和包层界面的状态，包括形状的畸变、界面残余应力，波导结构引起的衰减一般不会超过0.1dB/km。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是通过对多模光纤凹陷深度和凹陷宽度进行设计及工艺过程进行优化，提供一种内包层下凹型多模光纤预制棒，它可以减少预制棒中GeCl4的掺杂量，减小体系的瑞利散射，降低多模光纤的衰减；通过下凹型内包层的波导结构设计，找到了最佳的掺杂量，降低了瑞利散射，850nm窗口的衰减大幅度降低，消除了羟基峰对整个基底尤其1385nm损耗的影响，1300nm窗口的衰减也得到降低，优化波导结构中芯层与包层界面的过渡性能，降低界面应力，减小波导损耗，以达到整体降低多模光纤衰减的目的，光纤的带宽性能得到了优化，提高光纤产品的整体性能。本专利技术人经过大量理论分析和反复试验，设计出的内包层下凹型多模光纤预制棒的波导结构为(如图1)凹陷深度d范围-1.00％≤d≤-0.001％；d的计算方法为d=nclad2-nclad1nSiO2×100%]]>(nclad1为外包层的绝对折射率，nclad2为内包层的绝对折射率，nSiO2为石英玻璃的绝对折射率)；凹陷宽度w与预制棒芯子直径2a比例范围0.10％≤w/2a≤5.00％；芯子起点高度h范围-1.00％≤h≤1.00％；h的计算方法h=ncore1-nclad1nSiO2×100%]]>(ncore为芯子的绝对折射率)本专利技术优选波导结构为凹陷深度d为-0.80％；凹陷宽度w与预制棒芯子直径2a比例为2％；芯子起点高度h为-0.02％；以下对本专利技术的原理进行详细说明降低多模光纤的衰减首先要降低光纤中的掺杂量，而降低掺杂量必将导致多模光纤预制棒折射率的降低，进而导致光纤的数值孔径NA偏小乃至不合格。因此，就要寻求既能够降低光纤的掺杂量，达到降低光纤瑞利散射衰减的目的，又能够满足光纤数值孔径合格的标准，这就让我们想到如何在降低掺杂量的情况下，提高光纤的有效数值孔径。本专利技术通过采用增加预制棒内包层下凹宽度和深度的方法，来增加数值孔径。通过大量理论分析和试验验证，专利技术人设计了上述下凹型内包层多模光纤波导结构，该波导结构可以有效地减少多模光纤的掺杂量，降低瑞利散射，同时光纤的数值孔径也符合标准。光波在光纤中传输满足弱导波条件，光电磁波在光纤中传输过程中同时存在轴向的导行电磁场和径向的消逝场，光波电磁场在不同的波导结构其场的分布各不相同，不同的场分布将携带不同的光功率，因此，光功率在芯层与包层界面传输过程中，如果从折射率较大的芯层进入折射率较小的包层而成为消逝场时，光功率急剧降低，结果光纤的衰减增大。采用下凹型内包层的波导结构设计，可以对光波电磁场在弱导波光纤中的传输行为进行引导。多模光纤预制棒内包层下凹宽度不同，光纤的数值孔径也有所不同。而且，考虑到拉丝过程中，还存在着芯包界面的扩散问题，因此，内包层下凹宽度对光纤数值孔径的影响就显得较困难。试验数据(如表-1所示)说明内包层下凹宽度越宽，对光纤的数值孔径贡献系数就越大。表-1 在不同凹陷宽度情况下对数值孔径的贡献系数ξ值 我们通过理论分析和试验数据的统计分析，找出了内包层下凹宽度对数值孔径的贡献系数。我们定义φ=w2a]]>式中w-预制棒内包层下凹宽度(mm)；2a-预制棒芯子直径(mm)。将不同的φ情况下，内包层下凹宽度对光纤数值孔径的贡献系数定义为ξ，采用Boltzmann公式进行曲线拟合分析，得到如下经验公式ξ=1.47-1.161+e(83.81×(φ-0.07))]]>通过上面的经验公式，可以计算出内包层下凹宽度对光纤数值孔径的贡献。内包层下凹深度对数值孔径的贡献，从定性的角度去理解，凹陷包层的深度是越深对光纤数值孔径的贡献就越大。实际工艺过程中，通过不同的氟利昂/SF6掺杂量实现凹陷深度。但掺杂的同时，又伴随着SiF4的挥发，因此深度有一个理论极限值。这就需要寻求一个最佳下凹深度，既满足数值孔径贡献的需求，又有利于生产工艺的控制。内包层下凹深度对数值孔径的贡献可以从“内包层下凹型波导结构的光纤数值孔径NA计算公式”得出。加大内包层下凹深度，光纤的有效数值孔径增大，可以减少GeO2的掺杂量，瑞利散射得到降低。匹配包层，也就是PCVD法沉积的内包层(clad2)的相对折射率与外包层(clad1)的相对折射率基本一致本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种内包层下凹型多模光纤预制棒，其波导结构为： 凹陷深度ｄ范围为：－１．００％≤ｄ≤－０．００１％； 凹陷宽度ｗ与预制棒芯子直径２ａ比例范围为：０．１０％≤ｗ／２ａ≤５．００％； 芯子起点高度ｈ范围为：－１．００％≤ｈ≤１．００％。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】

【专利技术属性】
技术研发人员：李诗愈，朱明华，陈伟，成煜，陆大方，胡鹏，殷江明，王冬香，
申请(专利权)人：烽火通信科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：83[中国|武汉]