專利名稱：一種制造大尺寸彎曲不敏感光纖預(yù)制棒的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種制造大尺寸彎曲不敏感光纖預(yù)制棒的裝置。
背景技術(shù)：
隨著互聯(lián)網(wǎng)以及移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的進(jìn)一步普及，視頻以及其他高帶寬應(yīng)用對(duì)包括無線寬帶在內(nèi)的寬帶網(wǎng)絡(luò)發(fā)展都具有巨大的促進(jìn)作用，市場對(duì)寬帶網(wǎng)絡(luò)的需求持續(xù)增長。在光纖骨干網(wǎng)建設(shè)基本就緒的背景下，為滿足寬帶市場以及3G建設(shè)的需求，近幾年，運(yùn)營商都把光纖網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的重點(diǎn)放在光纖城域網(wǎng)和光纖接入網(wǎng)上。運(yùn)營商也紛紛推出自己的寬帶發(fā)展戰(zhàn)略，大力推進(jìn)FTTx的建設(shè)，這一方面帶動(dòng)了我國光纖光纜需求的持續(xù)增長，另一方面也對(duì)光纖光纜性能提出了更高的要求，市場對(duì)適合城域網(wǎng)和接入網(wǎng)發(fā)展的新型光纖的需求呈不斷增長態(tài)勢。彎曲不敏感光纖光纜要求具有與普通G.652光纖不同的傳輸特性，特別要求光纖在極小的彎曲半徑下，產(chǎn)生的附加損耗很小的性能。市場調(diào)查機(jī)構(gòu)Heavy Reading日前發(fā)表的題為“FTTH在全世界的技術(shù)和市場發(fā)展”的報(bào)告預(yù)計(jì)，到2012年全球5%的家庭將實(shí)現(xiàn)FTTH, FTTH用戶總數(shù)有望從2000萬增至9000萬。對(duì)于單模光纖，模場直徑和截止波長對(duì)光纖的宏彎損耗起主要作用，可用MAC值來衡量光纖的彎曲性能，其中=MAC定義為模場直徑與截止波長的比值。MAC越小，則光纖的彎曲不敏感性能越好。顯然，降低模場直徑、增大截止波長能達(dá)到降低MAC的目的，所以需要在模場直徑和截止波長兩個(gè)參數(shù)上做出平衡，以滿足實(shí)際使用需要。研究表明，采用雙包層下陷型的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(圖1)在降低光纖截止波長的同時(shí)可提高光纖的彎曲不敏感性能，而且光學(xué)部分可維持G.652光纖的設(shè)計(jì)，因而為當(dāng)前G.657光纖的較優(yōu)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。國內(nèi)發(fā)明專利ZL200410061392.9公開了一種彎曲不敏感光纖及其制備方法，采用PCVD工藝制備光纖預(yù)制棒，但其工藝要求需分別制造五個(gè)包層，因此折射率剖面難以控制，而且在熔縮過程中需通入大氣臭氧層的破壞元兇氟利昂氣體，目前已被禁止生產(chǎn)和使用，同時(shí)采用PCVD工藝制備的光纖預(yù)制棒尺寸較小，拉絲效率較低。國內(nèi)發(fā)明專利ZL200910062855.6公開了一種單模光纖及其制造方法，只是提到了一種彎曲不敏感光纖的設(shè)計(jì)方法，而沒有具體提及光纖預(yù)制棒的制造方法，其制棒工藝要求較高，實(shí)際生產(chǎn)過程中難以實(shí)施。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型提供了一種制造大尺寸彎曲不敏感光纖預(yù)制棒的裝置，該裝置包括沉積設(shè)備、燒結(jié)設(shè)備，沉積設(shè)備包括芯層噴燈、芯層內(nèi)包層噴燈、芯層外包層噴燈，用于將初始靶棒沉積為芯棒松散體，其中芯棒松散體包括芯層、芯層內(nèi)包層、芯層外包層；燒結(jié)設(shè)備包括加熱爐、進(jìn)氣口和排氣口，用于將芯棒松散體燒結(jié)為具有內(nèi)包層的玻璃芯棒；對(duì)上述制備的玻璃芯棒沉積外包層，再通過脫水燒結(jié)成透明的光纖預(yù)制棒，或者將上述制備的玻璃芯棒插入純石英套管中組裝好光纖預(yù)制棒。[0007]進(jìn)一步，所述 的芯層通過摻鍺控制其相對(duì)折射率差Λ i在0.419ΓΟ.50%之間；所述芯層內(nèi)包層在沉積過程中通過摻鍺控制其相對(duì)折射率差八2在0.259Γ0.35%之間；所述的芯層外包層是在沉積過程中通過摻氟控制其相對(duì)折射率差Λ 3在-0.059Γ-0.20%之間；所述的內(nèi)包層是在脫水燒結(jié)過程中摻氟控制其相對(duì)折射率差Λ 4在-0.029Γ-0.07%之間；所述的外包層是純Si02玻璃。進(jìn)一步，所述芯層噴燈將生成的SiO2和GeO2微粒由火焰送至初始靶棒的端面附近，最終沉積在初始靶棒端面上，由此形成芯棒松散體的芯層。進(jìn)一步，所述芯棒松散體中的芯層內(nèi)包層也是芯層內(nèi)包層噴燈將生成的SiO2和GeO2微粒由火焰送至芯層端面附近，最終沉積在芯層端面上形成的一層摻鍺的SiO2疏松體。進(jìn)一步，所述芯棒松散體中的芯層外包層是芯層外包層噴燈通過摻雜CF4的SiCl4將生成摻氟的SiO2微粒沉積在芯層內(nèi)包層表面上而形成的疏松體。進(jìn)一步，在沉積設(shè)備中，初始靶棒由伺服電機(jī)緩慢提升并勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，提升速率與沉積速率相對(duì)應(yīng)，伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速為25轉(zhuǎn)/分鐘，提速為0.85毫米/分鐘。采用該實(shí)用新型裝置制備的光纖預(yù)制棒，采用沉積、燒結(jié)分步降低折射率的工藝，完成了雙包層下陷型折射率剖面的設(shè)計(jì)。其制造設(shè)備、生產(chǎn)工藝簡單合理，制備成本和風(fēng)險(xiǎn)降到最低，所生產(chǎn)的光纖，參數(shù)完全符合ITU-T G.657標(biāo)準(zhǔn)，兼具優(yōu)異的彎曲不敏感、以及低水峰吸收損耗的特性，且與常規(guī)光纖熔接時(shí)具有低的熔接損耗以及可靠的機(jī)械性能。

圖1為本實(shí)用新型的雙包層下陷型的光纖預(yù)制棒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖，其中，I為芯層，2為芯層內(nèi)包層，3為芯層外包層，4為內(nèi)包層，5為純SiO2外包層。圖2為本實(shí)用新型的沉積設(shè)備圖，其中，6為芯層噴燈，7為芯層內(nèi)包層噴燈，8為芯層外包層噴燈，9為芯棒松散體。圖3為本實(shí)用新型的燒結(jié)設(shè)備圖，其中，10為爐芯管，11為加熱爐，12為玻璃芯棒，13為進(jìn)氣口，14為排氣口。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合說明書附圖及實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步說明。本實(shí)用新型的目的是提供一種制造大尺寸彎曲不敏感光纖預(yù)制棒的裝置。本實(shí)用新型提供了一種新型的大尺寸彎曲不敏感光纖預(yù)制棒的制備裝置，采用雙下陷外包層設(shè)計(jì)，其制備工藝簡單，材料組成和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，在保證優(yōu)異的彎曲不敏感性能的同時(shí)，同時(shí)具有很高的機(jī)械可靠性，提高了光纖的彎曲不敏感性能及其使用壽命。為方便介紹本實(shí)用新型內(nèi)容，定義部分術(shù)語:光纖預(yù)制棒:制備光纖的母材，是由芯層和包層組成的徑向折射率分布符合光纖設(shè)計(jì)要求可直接拉制成設(shè)計(jì)光纖的玻璃棒或組合體。芯棒松散體:含有芯層或者部分包層的玻璃體。折射率剖面:光纖或者光纖預(yù)制棒玻璃折射率與其半徑之間的關(guān)系。相對(duì)折射率差:A%=其中nJPn。分別對(duì)應(yīng)光纖或者光纖預(yù)制棒各部
分(各部分指的是組成預(yù)制棒的各層，芯層、芯層內(nèi)包層、芯層外包層、內(nèi)包層)與純二氧化硅(即外包層)的玻璃折射率。例如在計(jì)算芯層的相對(duì)折射率差時(shí)公式中的Iii即為芯層的玻璃折射率，n0即為外包層的玻璃折射率。套管:具有一定幾何和內(nèi)外徑要求的圓柱形純石英玻璃管。VAD (Vapor Phase Axial Deposition)松散體沉積工藝:采用氣相軸向沉積法，制備出所設(shè)計(jì)的具有芯層和部分包層的玻璃松散體(玻璃松散體是玻璃芯棒的前身，也可稱作芯棒松散體，它通過燒結(jié)后就會(huì)變成透明的玻璃芯棒)。RIC (Rod In Cylinder)工藝:將玻璃芯棒插入套管中組成的大尺寸光纖預(yù)制棒的制造工藝。OVD (Outside Vapor Deposition)外包層沉積工藝:用外部氣相沉積法和燒結(jié)工藝在芯棒表面制備具有一定厚度的純二氧化娃玻璃松散體(即外包層)。燒結(jié):對(duì)采用上述VAD沉積的松散體或者采用OVD外包法沉積的外包層進(jìn)行高溫加熱燒實(shí)的過程。調(diào)節(jié)折射率的方法:通常摻雜GeO2及P2O5有助于折射率的增加，摻雜氟及硼可降低折射率，這類物質(zhì)在SiO2玻璃中與SiO2形成固相溶液，從而改變SiO2的折射率。本實(shí)用新型光纖預(yù)制棒的制備方案為:光纖預(yù)制棒組成依次由芯層、芯層內(nèi)包層、芯層外包層、內(nèi)包層、純二氧化硅包層組成，所述的芯層通過摻鍺(Ge)控制其相對(duì)折射率差A(yù)1在0.419ΓΟ.50%之間。所述芯層內(nèi)包層在沉積過程中 通過摻鍺(Ge)控制其相對(duì)折射率差八2在0.25% 0.35%之間。所述的芯層外包層是在沉積過程中通過摻氟(F)控制其相對(duì)折射率差Λ3在-0.059Γ-0.20%之間。所述的內(nèi)包層是在脫水燒結(jié)過程中摻氟控制其相對(duì)折射率差Λ 4在-0.029Γ-0.07%之間。所述的外包層是純SiO2玻璃。米用VAD (氣相軸向沉積法)法來制造光纖預(yù)制棒,對(duì)應(yīng)于芯棒松散體的沉積是在一個(gè)單獨(dú)的工序中產(chǎn)生的，在沉積芯棒松散體時(shí)噴燈噴出的原料氣體隨即發(fā)生火焰水解反應(yīng)，反應(yīng)方程式如下:SiCl4 + 2H2 + O2 — SiO2 + 4HC1-1GeCl4 + 2H2 + O2 — GeO2 + 4HC1-2上述噴燈可選擇石英玻璃、陶瓷或者金屬材料制成的，外形為方形、橢圓形或者圓形的多孔或者多層材料構(gòu)成。噴燈數(shù)量為3個(gè)，噴燈上的多孔或者多層通道包括可燃?xì)怏w流道、助燃?xì)怏w流道，原料氣體流道、摻雜氣體流道，且各噴燈對(duì)應(yīng)的氣體流道均指向芯棒軸線上的同一點(diǎn)。1、芯層1、芯層內(nèi)包層2和芯層外包層3的形成過程(即制備芯棒松散體的過程)芯棒松散體中的芯層是沉積設(shè)備中的芯層噴燈6通過上述反應(yīng)I和2，生成的SiO2和GeO2微粒由火焰送至初始靶棒的端面附近，最終沉積在初始靶棒端面上，由此形成芯棒松散體的芯層I。所述芯棒松散體中的芯層內(nèi)包層2也是沉積設(shè)備中的芯層內(nèi)包層噴燈7經(jīng)過上述反應(yīng)I和2，生成的SiO2和GeO2微粒由火焰送至芯層端面附近，最終沉積在芯層端面上形成的一層摻鍺(Ge)的SiO2疏松體，兩者的區(qū)別是GeO2摻雜氣體流速不同，后者小于前者。所述芯棒松散體中的芯層外包層3是沉積設(shè)備中的芯層外包層噴燈8通過摻雜CF4的SiCl4發(fā)生反應(yīng)I生成摻氟(F)的SiO2微粒沉積在芯層內(nèi)包層表面上而形成的疏松體。通過合理選擇噴燈的結(jié)構(gòu)、噴燈間的距離和沉積溫度及流量，控制芯層的相對(duì)折射率差控制在0.419ΓΟ.50%之間，芯層內(nèi)包層的相對(duì)折射率差控制在0.259Γ0.35%之間，芯層外包層的相對(duì)折射率差控制在-0.059Γ-0.20%之間。氣體流量均為常規(guī)設(shè)定，在此不做描述。初始靶棒由伺服電機(jī)緩慢提升并勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，提升速率與沉積速率相對(duì)應(yīng)，合理控制氣體流量，可得到不同尺寸和不同折射率分布曲線的芯棒松散體。2、內(nèi)包層的形成過程(即制備玻璃芯棒的過程)將上述形成的芯棒松散體，放在燒結(jié)設(shè)備內(nèi)進(jìn)行脫水燒結(jié)，該燒結(jié)設(shè)備設(shè)有進(jìn)氣口 13和排氣口 14(如圖3)，進(jìn)氣口 13分別通入氯氣、四氟化碳和氦氣的混合氣體，他們分別通過高精度質(zhì)量流量控制器(MFC)調(diào)節(jié)流量，氯氣流量控制在0.2^2.0 1/mim，四氟化碳流量控制在100 1000 ml/min，氦氣流量控制在10 40 1/min，脫水溫度控制在100(Tl35(TC，大約脫水2飛h，此間斷通入的四氟化碳進(jìn)一步替代二氧化硅中的硅氧鍵(-S1-Ο-)、硅氯鍵(-S1-Cl),降低折射率，控制其相對(duì)折射率差在-0.029Γ-0.07%之間，形成內(nèi)包層。然后升溫到140(Tl600°C，進(jìn)行玻璃化，讓疏松的SiO2顆粒在高溫下熔融，排除內(nèi)部氣體，這樣芯棒松散體就變成了透明的玻璃芯棒。3、預(yù)制棒形成過程將上述制備的雙下陷玻璃芯棒采用OVD或者VAD沉積外包層，再通過脫水燒結(jié)成透明的光纖預(yù)制棒。亦可以通過RIC工藝，將上述制備的玻璃芯棒插入純SiO2套管中(若玻璃芯棒直徑與套管內(nèi)徑偏差較大可以插入薄皮管起輔助作用)組裝好光纖預(yù)制棒直接進(jìn)行熔縮或者拉絲。 本實(shí)用新型的有益效果:采用該實(shí)用新型裝置制備的光纖預(yù)制棒，采用沉積、燒結(jié)分步降低折射率的工藝，完成了雙包層下陷型折射率剖面的設(shè)計(jì)。其制造設(shè)備、生產(chǎn)工藝簡單合理，制備成本和風(fēng)險(xiǎn)降到最低，所生產(chǎn)的光纖，參數(shù)完全符合ITU-T G.657標(biāo)準(zhǔn)，兼具優(yōu)異的彎曲不敏感、以及低水峰吸收損耗的特性，且與常規(guī)光纖熔接時(shí)具有低的熔接損耗以及可靠的機(jī)械性能。采取以上實(shí)用新型裝置，分別制備了 10根大尺寸彎曲不敏感光纖預(yù)制棒。如圖2所示，采用改進(jìn)的VAD工藝制備芯棒松散體，芯層噴燈6和包層噴燈7分別通過上述反應(yīng)I和2，生成的SiO2和GeO2微粒由火焰送至初始靶棒的端面附近，最終沉積在初始靶棒端面上，由此形成芯棒松散體的芯層和芯層內(nèi)包層，控制其相對(duì)折射率差在0.419ΓΟ.50%和
0.259Γ0.35%之間。所述芯棒中的芯層外包層3是芯層外包層噴燈8通過摻雜CF4的SiCl4發(fā)生反應(yīng)I生成摻氟(F)的SiO2微粒沉積在芯層內(nèi)包層表面上而形成的疏松體，相對(duì)折射率差控制在-0.059Γ-0.20%之間。氣體流量均為常規(guī)設(shè)定，在此不做描述。初始靶棒由伺服電機(jī)緩慢提升并勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，提升速率與沉積速率相對(duì)應(yīng)，伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速為25轉(zhuǎn)/分鐘，提速為0.85毫米/分鐘。將上述10根芯棒松散體9分別放入如圖3所示的燒結(jié)設(shè)備內(nèi)進(jìn)行脫水燒結(jié)，進(jìn)氣口 13分別通入氯氣、四氟化碳和氦氣的混合氣體，他們分別通過高精度質(zhì)量流量控制器(MFC)調(diào)節(jié)流量，氯氣流量控制在0.2 2.0 1/mim，四氟化碳流量控制在0.3、.5 I/min，氦氣流量控制在10 40 1/min，脫水溫度控制在110(Tl350°C，大約脫水2 5 h，然后升溫到140(Tl600°C，進(jìn)行玻璃化，讓疏松的SiO2顆粒在高溫下熔融，控制其相對(duì)折射率差在-0.029Γ-0.07%之間，形成內(nèi)包層，排除內(nèi)部氣體，這樣芯棒松散體就變成了透明的玻璃芯棒，再經(jīng)過延伸設(shè)備延伸至目標(biāo)玻璃芯棒后，得到了折射率剖面為雙包層下陷型的玻璃芯棒。同時(shí)選取合適的以O(shè)VD (Outside Vapor Deposition外汽相沉積法)工藝制造的石英套管(控制外徑為184mm內(nèi)徑為55mm)，將玻璃芯棒插入套管中(若玻璃芯棒直徑與套管內(nèi)徑偏差較大可以插入石英薄皮管起輔助作用)組裝成RIC棒，在拉伸塔上熔縮到一起，同時(shí)拉伸形成外徑為150mm的大尺寸光纖預(yù)制棒，用氫氟酸(HF)對(duì)其表面進(jìn)行腐蝕，得到透明的光纖預(yù)制棒。然后將這10根光纖預(yù)制棒采用單模光纖生產(chǎn)用涂料，拉絲速度為1500米/分鐘，裸光纖直徑控制在125±0.8μπι直接拉絲。制備的光纖預(yù)制棒所拉光纖參數(shù)如表I所示。表I——光纖參數(shù)
權(quán)利要求1.一種制造大尺寸彎曲不敏感光纖預(yù)制棒的裝置，該裝置包括沉積設(shè)備、燒結(jié)設(shè)備，其特征在于: 沉積設(shè)備包括芯層噴燈(6)、芯層內(nèi)包層噴燈(7)、芯層外包層噴燈(8)，沉積設(shè)備用于將初始靶棒沉積為芯棒松散體，其中芯棒松散體包括有芯層(I )、芯層內(nèi)包層(2)、芯層外包層(3); 其中，芯層噴燈(6)、芯層內(nèi)包層噴燈(7)和芯層外包層噴燈(8)沿著初始靶棒底部呈弧形部分的外側(cè)自下而上依次排列；上述各個(gè)噴燈選擇石英玻璃、陶瓷或者金屬材料制成，外形為方形、橢圓形或者圓形的多孔或者多層材料構(gòu)成；上述各個(gè)噴燈上的多孔或者多層通道包括可燃?xì)怏w流道、助燃?xì)怏w流道，原料氣體流道、摻雜氣體流道，且各噴燈對(duì)應(yīng)的氣體流道均指向芯棒軸線上的同一點(diǎn)； 燒結(jié)設(shè)備包括加熱爐(11 )、爐芯管(10)、進(jìn)氣口( 13)和排氣口( 14)，其中，加熱爐(11)置于爐芯管(10)外側(cè)中部；進(jìn)氣口(13)位于爐芯管(10)下端；排氣口(14)位于爐芯管(10)上端；燒結(jié)設(shè)備用于將芯棒松散體燒結(jié)為具有內(nèi)包層的玻璃芯棒； 對(duì)上述制備的玻璃芯棒沉積外包層，再通過脫水燒結(jié)成透明的光纖預(yù)制棒，或者將上述制備的玻璃芯棒插入純石英套管中組裝好光纖預(yù)制棒。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于: 所述的外包層是純二氧化硅玻璃。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于:在沉積設(shè)備中，初始靶棒由伺服電機(jī)緩慢提升并勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，提升速率與沉積速率相對(duì)應(yīng)，伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速為25轉(zhuǎn)/分鐘，提速為0.85暈米/分鐘。
專利摘要本實(shí)用新型提供了一種制造大尺寸彎曲不敏感光纖預(yù)制棒的裝置，該裝置包括沉積設(shè)備、燒結(jié)設(shè)備，沉積設(shè)備包括芯層噴燈、芯層內(nèi)包層噴燈、芯層外包層噴燈，用于將初始靶棒沉積為芯棒松散體，其中芯棒松散體包括芯層、芯層內(nèi)包層、芯層外包層；燒結(jié)設(shè)備包括加熱爐、爐芯管、進(jìn)氣口和排氣口，其中，加熱爐置于爐芯管外側(cè)中部；進(jìn)氣口位于爐芯管上端；排氣口位于爐芯管下端；燒結(jié)設(shè)備用于將芯棒松散體燒結(jié)為具有內(nèi)包層的玻璃芯棒；對(duì)上述制備的玻璃芯棒沉積外包層，再通過脫水燒結(jié)成透明的光纖預(yù)制棒，或者將上述制備的玻璃芯棒插入純石英套管中組裝好光纖預(yù)制棒。
文檔編號(hào)C03B37/018GK202912848SQ201220341489
公開日2013年5月1日 申請(qǐng)日期2012年7月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月16日
發(fā)明者錢建林, 孫貴林, 馬建強(qiáng), 肖華, 孫國鋒, 鈕曉平, 沈振興, 李曉東 申請(qǐng)人:江蘇亨通光電股份有限公司