專利名稱：采用等離子體外噴法制造低水峰光纖預制棒的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種低水峰光纖預制棒的制造方法，具體地說是一種采用等離子體外噴制備包層從而制造低水峰光纖預制棒的方法。
背景技術：
從20世紀70年代末開始規(guī)模生產光纖以來，對光纖預制棒制造技術的研究和完善改進就從來沒有間斷過。最先投入工業(yè)化生產的光纖預制棒制造技術主要有以下四種改進的化學汽相沉積法(MCVD)、等離子體增強化學汽相沉積法(PCVD)、管外汽相沉積法(OVD)和軸向汽相沉積法(VAD)。早期光纖預制棒的制造方法采用單法，即僅采用一種工藝來制造預制棒。當前，生產預制棒的工藝通常采用混合法和套管法，即先制造預制棒芯棒，然后在芯棒外制造包層，以增加單根預制棒的可拉絲公里數，特別是MCVD和PCVD屬于管內沉積法，預制棒的尺寸受到襯管的限制不能太大，為了提高生產效率和降低光纖成本，通常采用MCVD或PCVD制造芯棒，在芯棒的外層采用OVD法(混合法)或者在外層套合成管(套管法)來制造光纖預制棒。
隨著各制造技術的日益成熟和完善，在光纖性能方面都達到了比較高的水平，但光纖價格在日益下滑，市場競爭日益激烈。為了應對光纖價格降低的市場壓力，所以要求不斷地提高制造工藝的總體生產效率和降低材料消耗成本，其中混合法和套管法的優(yōu)勢已日益突現(xiàn)。
在外包層制造方面，采用等離子外噴方法，即利用高頻產生的等離子體將天然或合成石英粉直接噴涂到芯棒上并直接成為透明的玻璃而形成光纖預制棒。由于采用此方法石英粉的沉積效率很高，可達到60％以上，特別是天然石英粉的價格相對比較便宜，合成石英粉的價格也呈降低趨勢。此外，與目前廣泛使用的OVD工藝相比，除沉積效率高外，可直接成玻，省去了燒結工藝，工藝控制簡單、設備維護和環(huán)保處理費用低，因而等離子外噴技術具有明顯的成本優(yōu)勢。
1996年美國專利US5522007介紹了一種外部等離子沉積技術和設備，該專利所介紹的方法是在等離子焰中通入四氯化硅(SiCl4)和氧氣(O2)，二者發(fā)生反應生成二氧化硅(SiO2)，由于反應和SiO2的揮發(fā)是同時進行的，沉積的大部分SiO2都揮發(fā)掉了，因而SiO2沉積效率極低，因此該專利方法不具備成本優(yōu)勢。在等離子外噴技術中，特別當采用天然石英粉時，由于天然石英粉中難免有些雜質，雜質一旦擴散到光纖的光學部分就會影響光纖的衰減等性能。專利US6269663B1介紹了在反應中通入鹵化物尤其是氟化物的方法，可有效降低沉積玻璃中的堿金屬含量，但卻不能有效降低沉積玻璃中的羥基(OH)含量，因此等離子外噴技術一般用于生產普通的單模光纖，在低水峰光纖的生產應用卻受到限制。采用等離子外噴方法，沉積玻璃中的OH主要來源于兩方面，一是來源于原材料，包括石英沙、等離子燈所用壓縮空氣和氬氣以及進料所用氣體等；二是沉積過程中，預制棒表面溫度較高，大于1000℃，極易吸附周圍環(huán)境中的OH并向棒內擴散。前者可通過原材料的干燥處理適當降低，但后者需要超低濕環(huán)境，而等離子外噴時需要大的抽風將未沉積和揮發(fā)的石英粉抽走以保證沉積質量，要實現(xiàn)超低濕環(huán)境，代價極高。在低水峰光纖已成主流產品的今天，等離子體外噴技術遇到了挑戰(zhàn)，要利用等離子體外噴技術的低成本優(yōu)勢來制備低水峰光纖，就必須解決OH向芯棒內擴散的問題。。
此外，用等離子體外噴所制外包層的成本主要取決于生產效率和石英沙的沉積效率。等離子體外噴技術中電力消耗在成本中占有較大的比例，提高等離子體所產生熱量的利用率以降低電力消耗也是降低成本的一個有效措施。在專利US6215092B1和CN1111514C中公開了一種共用一個發(fā)生器而采用兩個等離子體燈的方法和相關裝置，可增加沉積速率50％，但兩個等離子體燈共用一個發(fā)生器很難平衡二者的功率分配，穩(wěn)定性極差，其中一個等離子體燈出現(xiàn)故障，將導致沉積失敗，從而降低了設備使用效率和增加了報廢。石英沙的沉積效率主要取決于石英沙的粒徑分布、等離子體燈相對于靶棒的位置和靶棒的外徑。本發(fā)明在大量實驗的基礎上，得出了可大大提高石英沙沉積速率、沉積效率和等離子體所產生熱量利用率的方法。
為方便介紹發(fā)明內容，定義部分術語芯棒含有芯層和部分包層的預制件。
外包預制棒中芯棒以外的部分。
預制棒含有芯棒和外包的預制件。
中間套管符合一定幾何要求的高純石英玻璃管。
組合芯棒芯棒和中間套管熔縮到一起后所形成的預制件及相關工藝。
靶棒等離子體外噴時沉積石英沙的基礎母棒，可以是芯棒、組合芯棒和套管。
組合套管以中間套管為靶棒，采用等離子體外噴所制備的更大尺寸的預制件及相關工藝。
石英粉的沉積效率(沉積到靶棒上并轉化成合格玻璃的質量/所用石英粉的質量)×100％。
折射率剖面光纖或光纖預制棒(包括芯棒)玻璃折射率與其半徑之間的關系。
相對折射率定義如下，Δ％＝[(n12-n02)/2n12]×100％，n1和n0分別為兩種玻璃材料的折射率。
相對折射率差Δ-如上式，在本申請中當n1為下陷包層折射率，n0為純二氧化硅玻璃折射率時定義Δ-。
相對折射率差Δ+如上式，在本申請中當n1為芯層折射率，n0為純二氧化硅玻璃折射率時定義Δ+。
b/a值定義為在管內沉積的下陷包層直徑與芯層直徑的比值。
c/a值定義為芯棒直徑與芯層直徑的比值。
襯管管內氣相沉積用的高純石英玻璃管，反應物在管內反應后沉積在玻璃管的內壁。
RIT將芯棒插入套管中組成的光纖預制棒。
套管符合一定截面積要求、插入RIT后可直接組成預制棒的厚壁高純石英玻璃管。

發(fā)明內容
本發(fā)明所要解決的技術問題是針對當前等離子體外噴法在制造低水峰光纖過程中存在的問題，提供一種采用等離子體外噴制備包層從而制造低水峰光纖預制棒的方法。
本發(fā)明的技術方案是這樣實現(xiàn)的芯棒的剖面折射率分布采用下陷包層設計Δ-＝-0.04--0.01％，Δ+＝0.310-0.350％，b/a≥2.3，c/a≥3.9，芯層的摻氟重量百分含量＝0.30％-0.50％；下陷包層的摻氟重量百分含量＝芯層的摻氟重量百分含量+K×(Δ+-Δ-)，0.70≤K≤1.04，其具體步驟為(1)采用任一工藝制備上述結構的芯棒；(2)采用等離子體外噴法將石英粉沉積在芯棒上制備外包層，即制得低水峰光纖預制棒。所述芯棒優(yōu)選采用PCVD工藝制備。
本發(fā)明的另一優(yōu)選方案是將上述步驟(1)制備的一段或多段芯棒插入中間套管內，在拉伸塔上先用含氟的氣體和輔助氣體將芯棒外表面和中間套管內表面進行腐蝕，然后將其熔縮到一起，得到組合芯棒；然后采用等離子體外噴法將石英粉直接噴涂到組合芯棒上制得低水峰光纖預制棒。
本發(fā)明又一優(yōu)選方案是首先采用等離子體外噴法將石英粉直接噴涂到中間套管上制得組合套管；然后采用套管法將所述步驟(1)制備的芯棒插入組合套管制得低水峰光纖預制棒。
本發(fā)明等離子體外噴法的具體工藝和步驟如下將石英粉供料管和等離子體燈固定在擋熱支架上，等離子體燈斜向上45度，其相對于靶棒的位置可調整，石英粉供料管相對于等離子體燈的位置也可調整，將石英粉供料管和等離子體燈對準靶棒進行沉積；石英粉供料管的傾斜角度α為45度，可隨石英粉的粒度分布和石英粉的出口速度略做調整。沉積過程中，隨著沉積的進行，靶棒10外徑的增加，等離子體燈8的位置可斜向下45方向移動，靶棒10被固定在車床上可繞其軸向轉動和沿軸向方向相對于等離子體燈平移。
本發(fā)明的基本原理如下如背景技術所述，在等離子體外噴技術中，不僅所沉積的玻璃中OH含量較高，還會引起環(huán)境中的OH被吸附在靶棒上并向內擴散，一旦OH擴散到預制棒的芯層就會引起光纖水峰的增加。由于很難通過對等離子體外噴技術的優(yōu)化來解決此問題，本發(fā)明通過對芯棒的設計能有效的阻止OH向預制棒的芯層擴散。OH能否向內擴散到預制棒的芯層主要取決于擴散距離和擴散系數。增加擴散距離的方法就是增加芯棒的c/a值，增加c/a值會增加芯棒的制造成本。實驗表明，光纖包層中摻氟能有效阻止外部羥基向芯層的擴散，維持芯層的低羥基狀態(tài)。相應的反應方程式為 采用PCVD工藝可以精確的進行氟摻雜，光纖中摻氟還可以降低PCVD沉積層中的羥基進而降低光纖的水峰。在等離子體作用下，F(xiàn)具有較高的沉積效率，可達到90％以上，而對于OVD和VAD工藝等，沉積過程中，F(xiàn)的沉積效率極低，大多數摻F是在燒結過程中進行的(如通入SiF4)，但受沉積層厚度的限制，需要采用多次沉積-燒結的方法，工藝復雜，成本較高。因而在摻F方面，PCVD工藝具有明顯的優(yōu)勢。本發(fā)明正是利用PCVD的工藝優(yōu)勢，在芯棒的包層引入F摻雜，以阻止等離子體外噴時從環(huán)境中吸附的OH和等離子體外噴所制石英玻璃中的OH向芯層的擴散，結合適量增加c/a，即可直接在該芯棒上采用等離子體外噴技術來制備包層以生產低水峰光纖。
在采用等離子體外噴技術中，當用天然石英粉時，石英粉成分往往隨著批次的不同有一定的波動，使等離子體外噴所制備的外包粘度和折射率發(fā)生波動，進而影響光纖的截止波長和衰減等特性，致使拉絲工藝復雜化。實驗表明，利用PCVD工藝對芯棒的材料組成和折射率剖面進行設計，可很好的解決粘度和折射率匹配的問題，從而允許石英粉成分發(fā)生一定的波動。
同時，與OVD工藝一樣，石英粉的沉積效率隨靶棒外徑的增加而增加。當靶棒外徑較小時，由于石英粉的沉積效率低，其成本偏高，高于采用OVD工藝所制備的合成石英玻璃。采用組合芯棒或組合套管的工藝，可進一步降低預制棒的制造成本。
在組合芯棒和組合套管工藝中，當所用合成中間套管在整個預制棒中比例較高，不小于25％時，可選用由任意工藝，包括MCVD、PCVD、OVD和VAD制備的并與其幾何匹配的低水峰芯棒。組合芯棒和組合套管工藝的主要優(yōu)點是在提高石英粉的沉積效率以降低等離子外噴所制外包成本的同時，不需要增加芯棒的c/a值，從而使預制棒具有較低的成本。組合芯棒和組合套管工藝在制造大尺寸預制棒中優(yōu)勢更加明顯，既有效的解決了PCVD和MCVD工藝在制造大尺寸預制棒芯棒時受襯管制約的問題，又使外包的平均沉積效率較高使包層具有更低的成本。而大尺寸預制棒不僅自身成本低，還可提高拉絲效率，也是目前降低光纖成本較為有效的方法。
此外，對于等離子體外噴，高沉積速率和高沉積效率是確保低成本的基礎。實驗表明，用一個等離子體燈，采用80KW以上等離子體功率，可實現(xiàn)20g/min以上的沉積速率，綜合設備的穩(wěn)定性和制造成本，等離子體的功率在80KW到120KW為最佳。為了提高等離子體所產生熱量的利用率和石英粉的沉積效率，等離子體燈相對于靶棒的位置需要根據石英粉的粒度分布、靶棒的外徑和沉積速率的不同進行不斷的調整。用本發(fā)明提供的方法，可制備ITU-TG.652.C/D光纖，所制備的光纖在1310nm和1383nm處的衰耗均小于0.344dB/km，1550nm處的衰耗小于0.224dB/km。按IEC規(guī)定的氫損測試方法，在室溫條件下將光纖置于氫分壓為0.01的氣氛中，連續(xù)監(jiān)測光纖1240nm處的衰耗增加。當1240nm處衰耗增加超過0.03dB/km后將光纖從該氣氛中取出，14天后在正常條件下測試1383nm處的衰耗，該光纖的衰耗增加不超過0.01dB/km。
本發(fā)明在大量實驗的基礎上，有效地解決了當前等離子體在制造低水峰光纖中存在的不足，從芯棒設計到等離子體外噴提供了一種全新的工藝技術，它將廉價的芯棒制造技術和廉價的外包層制造技術結合到一起，可以很低成本生產低水峰光纖，尤其適于大規(guī)模生產。此外，用本發(fā)明提供的方法不局限于制備G.652.C/D光纖，任何一種單模光纖都可以用這種方法來實現(xiàn)。
下面將給出詳細的實施例，本發(fā)明的使用范圍將變得顯而易見。但是，應該明白這些用來說明本發(fā)明的優(yōu)選實施方案的具體實施例僅僅是用來說明的，因為在本發(fā)明的精神和范圍內的各種變化和改動對于熟悉本領域的人員來說是顯而易見的。


圖1是芯棒折射率剖面示意2是PCVD芯棒中芯層摻F量與包層摻F量的關系3是組合芯棒工藝示意4是組合套管工藝示意5是等離子體燈和供料管相對于靶棒的位置示意6是石英粉的下料速度隨靶棒外徑的變化7是石英粉的沉積效率隨靶棒外徑的變化圖實施例等離子體外噴制備外包工藝如下如圖5所示，將石英粉供料管7和等離子體燈8固定在擋熱支架9上，等離子體燈8斜向上45度，其相對于靶棒10的位置可調整。石英粉供料管相對于等離子體燈8的位置也可調整，以確保石英粉能順利到達等離子體焰區(qū)且供料管口不被燒損，角度α為45度為最佳，可隨石英粉的粒度分布和石英粉的出口速度略做調整。沉積過程中，隨著沉積的進行，靶棒10外徑的增加，等離子體燈8的位置可斜向下45方向移動，靶棒10被固定在車床上可繞其軸向轉動和沿軸向方向相對于等離子體燈平移，而靶棒10的高度在沉積過程中是不改變的。沉積過程中調整等離子體燈的高度相對于調整靶棒的高度，可大大簡化車床的結構，更適于制造外徑大于100mm的大預制棒或組合套管。
采用天然石英粉為原材料，采用單等離子體燈，等離子體的功率為105KW，下料前，先用50KW的等離子體焰將靶棒表面預熱和拋光1至2趟，然后逐漸增加功率，等功率穩(wěn)定到105KW后，開始下料，石英粉的下料速度隨靶棒的調整如圖6所示，當靶棒的外徑達到100mm后，保持2500g/h的下料速度。靶棒的平移動速度為10-60毫米/分鐘，并隨靶棒外徑的增大而逐漸降低，靶棒的轉速為10-30轉/分鐘，每沉積一層后，在回轉前調整等離子體燈相對于靶棒的位置。按此工藝，可獲得較高的沉積效率，石英粉的沉積效率隨靶棒外徑的變化如圖7所示，當靶棒外徑大于75毫米后，沉積效率可達80％以上。
如圖1所示，本發(fā)明的芯棒的剖面折射率分布采用下陷包層的設計Δ-＝-0.04--0.01％，Δ+＝0.310-0.350％，b/a≥2.3，c/a≥3.9，當b/a值小時，可通過增加襯底管的CSA來增加c/a值。芯層的摻氟重量百分含量(wt％)＝0.30％-0.50％；下陷包層的摻氟重量百分含量(wt％)不小于0.45％，為了確保芯棒中芯層和下陷包層的粘度匹配以消除外包材料組成的波動對光纖衰減和截止波長的影響，二者的關系如下下陷包層的摻氟重量百分含量(wt％)＝芯層的摻氟重量百分含量+K×(Δ+-Δ-)，K為系數，0.70≤K≤1.04。取Δ-＝-0.02％，Δ+＝0.330％，則下陷包層的摻氟重量百分含量隨芯層的摻氟重量百分含量變化如圖2所示。
組合芯棒工藝如圖3所示，先將芯棒1和合成的高純中間套管2熔縮到一起，從而制得外徑較大的組合芯棒3，然后在組合芯棒上進行等離子體外噴沉積得到最終預制棒4。
組合套管工藝如圖4所示直接在中間套管2上進行等離子體外噴沉積制得套管5，然后將芯棒1和套管5組裝到一起即得到可供拉絲的預制棒6。
實施例一PCVD芯棒+等離子體外噴用PCVD工藝制備芯棒，所用襯管的外徑為31mm，壁厚為2毫米。然后采用等離子體外噴將石英粉直接噴涂到芯棒上制得光纖預制棒。芯棒及預制棒的參數如表1所示。
表1.芯棒和預制棒的主要參數

實施例二組合芯棒工藝用PCVD工藝制備分別與外徑為80毫米、120毫米和150毫米相匹配的芯棒，所用襯管的外徑為31mm，壁厚為2毫米。芯棒中，芯層和下限包層中摻F的重量百分含量為分別為0.452％和0.723％，芯棒主要參數如表2所示。
表2.芯棒的主要參數

選用合成的高純石英管作為中間套管，芯棒和中間套管經清洗干燥后，將芯棒和中間套管熔縮到一起，得到組合芯棒，然后采用等離子體外噴將石英粉直接噴涂到組合芯棒上制得光纖預制棒。中間套管、組合芯棒及預制棒等的主要參數如表3所示。
表3.中間套管、組合芯棒及預制棒的主要參數

實施例三組合套管工藝采用等離子體外噴將石英粉直接噴涂到中間套管上制得組合套管，然后采用套管法得到可供拉絲的預制棒。芯棒和中間套管的尺寸和種類完全同實施例二。主要參數如表4所示。
表4.中間套管和組合套管的主要參數

用等離子體外噴在制組合套管過程中，中間套管略有熔縮，為了防止內孔變形，在沉積初期靶棒壁厚較薄時，可在管內通入氣體，使管內維持100pa左右的壓力。組合套管工藝相對于組合芯棒工藝而言，省去了熔縮工藝，當因芯棒原因產生報廢時，可將芯棒取出，組合套管仍可使用，不足之處是增加了拉絲工藝的復雜性。
在上述實施例中，所得光纖結果如表5所示，其它參數均符合G.652.D光纖標準的要求。
表5.光纖結果

權利要求
1.一種采用等離子體外噴法制造低水峰光纖預制棒的方法，芯棒的剖面折射率分布采用下陷包層設計Δ-＝-0.04--0.01％，Δ+＝0.310-0.350％，b/a≥2.3，c/a≥3.9，芯層的摻氟重量百分含量＝0.30％-0.50％；下陷包層的摻氟重量百分含量＝芯層的摻氟重量百分含量+K×(Δ+-Δ-)，0.70≤K≤1.04，其具體步驟為(1)首先制備上述結構的芯棒；(2)采用等離子體外噴法將石英粉沉積在芯棒上制備外包層，即制得低水峰光纖預制棒。
2.根據權利要求1的一種采用等離子體外噴法制造低水峰光纖預制棒的方法，其中所述芯棒采用PCVD工藝制備。
3.根據權利要求1的一種采用等離子體外噴法制造低水峰光纖預制棒的方法，其步驟如下將所述步驟(1)制備的一段或多段芯棒插入中間套管內，在拉伸塔上先用含氟的氣體和輔助氣體將芯棒外表面和中間套管內表面進行腐蝕，然后將其熔縮到一起，得到組合芯棒；然后采用等離子體外噴法將石英粉直接噴涂到組合芯棒上制得低水峰光纖預制棒。
4.根據權利要求1的一種采用等離子體外噴法制造低水峰光纖預制棒的方法，其步驟如下首先采用等離子體外噴法將石英粉直接噴涂到中間套管上制得組合套管；然后采用套管法將所述步驟(1)制備的芯棒插入組合套管制得低水峰光纖預制棒。
5.根據權利要求1的一種采用等離子體外噴法制造低水峰光纖預制棒的方法，其中等離子體外噴法具體步驟如下將石英粉供料管和等離子體燈固定在擋熱支架上，等離子體燈斜向上45度，其相對于靶棒的位置可調整，石英粉供料管相對于等離子體燈的位置也可調整，將石英粉供料管和等離子體燈對準靶棒進行沉積。
6.根據權利要求1的一種采用等離子體外噴法制造低水峰光纖預制棒的方法，其中石英粉供料管的傾斜角度α為45度。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種低水峰光纖預制棒的制造方法，具體地說是一種采用等離子體外噴制備包層從而制造低水峰光纖預制棒的方法。芯棒的剖面折射率分布采用下陷包層設計，芯層的摻氟重量百分含量＝0.30％－0.50％；下陷包層的摻氟重量百分含量＝芯層的摻氟重量百分含量+K×(Δ
文檔編號C03B37/018GK1765789SQ20051001943
公開日2006年5月3日 申請日期2005年9月15日 優(yōu)先權日2005年9月15日
發(fā)明者韓慶榮, 羅杰, 張樹強, 謝康 申請人:長飛光纖光纜有限公司