本發(fā)明涉及一種光纖領(lǐng)域，特別涉及一種超低損耗大有效面積光纖及其制備工藝。
背景技術(shù)：
光纖強度是超低損耗光纖關(guān)鍵指標之一，主要體現(xiàn)在篩選應變上，普通光纖的應變一般在1%左右來應對來自敷設和熱脹冷縮引起的張力，而超低損耗光纖應用在超長距離光通訊鏈路中，常常需要跨越戈壁、深海等惡劣環(huán)境，從考慮敷設或環(huán)境溫度變化時，所受到的張力相比于普通光纜更大，綜合考慮《深海光纜》國家標準、敷設難度和使用壽命等方面，希望超低損耗光纖的應變達到2%甚至以上，能夠完全滿足光纖成纜和敷設的需要。
光纖的強度主要取決于裸光纖表面的微裂紋。光纖中為微裂紋主要來自拉絲爐內(nèi)的雜質(zhì)粒子。雜質(zhì)粒子附著在光纖表面，在冷卻過程中，形成裂紋和應力集中，光纖表面裂紋受大氣環(huán)境中水分子作用而逐漸侵蝕，導致硅氧四面體結(jié)構(gòu)被破壞，硅氧鍵的斷裂會擴大微裂紋的范圍，影響光纖強度。
拉絲爐長期工作后，爐內(nèi)石墨件表面發(fā)生少量氧化使拉絲爐爐體表面變得粗糙，預制棒在高溫下產(chǎn)生少量二氧化硅升華與拉絲爐爐體內(nèi)表面反應生成堅硬的碳化硅微粒，并隨爐內(nèi)氣流的影響在爐內(nèi)漂浮。減少光纖拉絲爐內(nèi)灰塵對光纖的影響。
光纖衰減系數(shù)除了受限于預制棒的制備過程，同時也受石英玻璃假想溫度的影響。當石英光纖從軟化溫度降低到假想溫度時，石英玻璃內(nèi)部結(jié)構(gòu)向平衡態(tài)轉(zhuǎn)化。當石英溫度低于假想溫度后，光纖內(nèi)部結(jié)構(gòu)就被定型，很難再改變。如果光纖在到達假想溫度時沒有充分釋放內(nèi)應力，那么光纖由密度不均造成的瑞利散射則會顯著影響光纖的衰減系數(shù)。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種超低損耗大有效面積光纖及其制備工藝。
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案為：一種超低損耗大有效面積光纖，其創(chuàng)新點在于：從內(nèi)到外依次包括芯層、包層以及涂層，其特征在于：所述芯層為純二氧化硅玻璃層，其半徑為5~7μm，其不圓度為1.5%，所述包層包括內(nèi)包層、中包層以及外包層，所述內(nèi)包層為摻氟內(nèi)包層，其半徑r2為5~12μm，相對折射率差為-0.4~-0.2%，所述中包層半徑r3為12~25μm,所述外包層為純石英玻璃層，其半徑r4為25~45μm，該包層整體不圓度為0.2%，所述涂層材料采用聚丙烯酸酯，包括內(nèi)涂層以及外涂層，所述內(nèi)涂層直徑為192μm，其不圓度為0.6%，所述外涂層直徑為245μm，其不圓度為0.8%。
進一步的，所述光纖在1550nm處的衰減系數(shù)小于等于0.165dB/km，在1625處的衰減系數(shù)小于等于0.19dB/km。
進一步的，所述光纖在1550nm處的不連續(xù)性小于等于0.05dB。
進一步的，所述光纖在1550nm處的模場直徑為11.9~13.9μm，模場面積大于等于110μm2。
進一步的，所述光纖在1550nm處的色散斜率小于等于0.07ps/nm2*km，色散系數(shù)小于等于22ps/nm*km。
進一步的，所述光纖在溫度20~28之內(nèi)，相對濕度在40%~60%之內(nèi)，光纖抗疲勞參數(shù)大于25。
本發(fā)明的另一種技術(shù)方案為：一種超低損耗大有效面積光纖的制備工藝，步驟如下：
（1）預制棒制備：采用VAD+MCVD+OVD工藝，其中VAD工藝沉積芯棒，實現(xiàn)芯棒的快速沉積，顯著降低光纖衰減；MCVD工藝實現(xiàn)包層折射率的下陷結(jié)構(gòu)，采用OVD工藝沉積外包層，沉積速率高，有效降低生產(chǎn)成本；
（2）光纖熔融退火工藝：預制棒從拉絲爐爐頂進入拉絲爐，拉絲爐爐體內(nèi)部的溫度設定為2000~2200℃，預制棒在拉絲爐爐體內(nèi)熔融拉絲，牽引速度大于2000m/min，拉絲爐內(nèi)的參數(shù)實時反饋給控制單元；爐頂氣盤上的進氣孔供應惰性氣體進入拉絲爐；風向傾斜向下的進風孔能減小爐灰與光纖接觸的幾率；風向豎直向下的進氣孔，吹掃拉絲爐爐體內(nèi)壁，防止爐灰沉積在拉絲爐爐體；退火管中采用多孔分散式排氣方式，漏斗形的設計有效防止爐灰沉積影響光纖強度，排出的爐灰通過軟管連接至爐灰回收裝置；光纖在退火管出口溫度為1730°；光纖進入保溫退火爐，保溫退火爐中的每個加熱元件由控制單元獨立控制，每個加熱元件的溫度為900~1300℃，加熱元件的溫度自動反饋給控制單元；在退火保溫爐內(nèi)形成800~1200℃的梯度溫場，光纖在保溫退火爐內(nèi)逐漸降溫，基本釋放內(nèi)應力；
（3）光纖涂覆固化工藝：光纖進入涂覆機進行涂層后，隨即進入紫外光固化爐，環(huán)境溫度20~28℃，環(huán)境濕度40~60%，紫外光固化爐功率控制在70~95%，紫外光固化爐內(nèi)使用抽風系統(tǒng)，將光纖表面涂層固化揮發(fā)物抽出，并抽走有害氣體，溫度探測儀檢測到紫外光固化爐內(nèi)的溫度，同時將溫度反饋至控制單元，固化抽風管道中的風速檢測儀檢測到的風速流量也反饋至控制單元，如果紫外光固化爐內(nèi)溫度及固化抽風管道中的風速流量全部在設定范圍內(nèi)，則光纖正常生產(chǎn)；如果反饋至控制單元的紫外光固化爐內(nèi)的溫度波動，且固化抽風管道中的風速流量也產(chǎn)生對應的波動，則控制單元 將控制調(diào)節(jié)自動調(diào)節(jié)閥門，改變抽風效果，若調(diào)節(jié)無效，或波動異常，則對外提示對設備進行保養(yǎng)維修；固化后的光纖經(jīng)過篩選工序，即可完成加工。
進一步的，所述拉絲爐自上而下包括同軸設置的爐頂氣盤、拉絲爐爐體以及下端退火管，所述爐頂氣盤為豎直設置的環(huán)形結(jié)構(gòu)，其側(cè)壁上具有若干圈環(huán)布的進氣孔，所述爐頂氣盤側(cè)面上具有一路或者兩路向下送風的進氣孔，其余進氣孔皆平行設置，送風風向與豎直方向呈15~45°夾角；所述拉絲爐爐體為一柱體，其內(nèi)部具有容納預制棒加熱拉絲的中空孔，所述退火管設置在拉絲爐爐體下端。
進一步的，所述退火保溫爐具有上下同軸設置的兩個，其內(nèi)部皆包括上下兩組獨立的加熱元件，且兩組加熱元件分別由獨立電源控制線控制，并與控制單元A電連接。
進一步的，所述紫外光固化爐上設置有抽風系統(tǒng)，所述抽風系統(tǒng)包括抽風管道、檢測裝置以及控制單元B,所述檢測裝置包括安裝在紫外光固化爐中的溫度探測儀、安裝在固化抽風管道內(nèi)的風速檢測儀以及自動調(diào)節(jié)閥門，所述控制單元B與檢測裝置電連接。
本發(fā)明的優(yōu)點在于：
（1）本發(fā)明的截止波長，彎曲損耗，色散等綜合性能參數(shù)在應用波段良好，可以作為超跨越戈壁、深海等惡劣條件的長距離光纖通訊使用，該光纖的應變可達到2%甚至以上；合理的光纖摻氟包層設計，結(jié)合芯層和各包層的合理設計，使得該光纖具有較大的有效面積；在拉絲制備過程中，光纖的圓度保持較好，表面基本無雜質(zhì)割傷，其強度和抗疲勞參數(shù)能夠達到惡劣環(huán)境的要求，連續(xù)使用25年以上；
（2）拉絲爐爐頂氣盤上設置有多路進氣孔，豎直向下的進氣孔可以防止拉絲爐爐體內(nèi)壁沾染附著爐灰，傾斜設置的進氣孔可以阻隔爐灰在光纖表面附著，防止其在冷卻過程中形成裂紋和應力集中，保證了光纖的強度，使其能夠滿足惡劣環(huán)境的考驗；
（3）將保溫退火爐原先的單一發(fā)熱元件改為獨立的上下兩組加熱元件，并且通過獨立電源控制線對其分別進行控制；并通過數(shù)據(jù)線與拉絲爐相連，實現(xiàn)遠程控制，設置合適的加熱元件長度和加熱元件之間的距離，每個加熱元件皆獨立控制，達到保溫退火爐內(nèi)的全覆蓋，保證在工作時各個位置實際溫度與設置溫度相同，光纖在該保溫退火爐內(nèi)的內(nèi)應力基本得到釋放，很好的保證了光纖的衰減系數(shù)在理想范圍內(nèi)；
（4）紫外光固化爐可以在線監(jiān)控抽風情況，并且自動進行抽風調(diào)節(jié)。
具體實施方式
在高速大容量DWDM（密集波分復用）系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的G.652D光纖以及超低損耗光纖由于非線性效應，傳輸距離受到限制。隨著各種新型編碼方式（如RZ（歸零碼）等）、糾錯技術(shù)（如FEC（前向糾錯）、SFEC（超強前向糾錯）等）的出現(xiàn)和各種低噪聲放大器（如DRA（分布式拉曼光纖放大器）等）的發(fā)展，對DWDM系統(tǒng)的OSNR（光信噪比）容限要求和OSNR劣化有非常明顯的改善，光纖損耗不再是限制系統(tǒng)傳輸?shù)臎Q定性因素。在目前DWDM系統(tǒng)中，非線性效應成為了當前高速光纖通信系統(tǒng)的主要限制因素。在光功率傳輸下，光纖會發(fā)生拉曼散射、克爾效應等非線性效應，影響光纖在強光場下的損耗系數(shù)和折射率變化。適用于DWDM 的光纖已有報道，純石英纖芯的光纖具有較低的損耗，但制作較為復雜，有效面積增大意味著光纖應力附加損耗也隨之增大。
超低損耗光纖是未來大容量光通訊發(fā)展的物質(zhì)基礎，是我國推行“寬帶中國”的戰(zhàn)略，實現(xiàn)400G超高速帶寬的重要媒介。
超低損耗光纖由丙烯酸酯內(nèi)外涂層、摻氟包層和純硅芯層組成。芯層為純二氧化硅玻璃層，其半徑為5~7μm，其不圓度為1.5%，包層包括內(nèi)包層、中包層以及外包層，內(nèi)包層為摻氟內(nèi)包層，其半徑r2為5~12μm，相對折射率差為-0.4~-0.2%，中包層半徑r3為12~25μm,外包層為純石英玻璃層，其半徑r4為25~45μm，該包層整體不圓度為0.2%，涂層材料采用聚丙烯酸酯，包括內(nèi)涂層以及外涂層，內(nèi)涂層直徑為192μm，其不圓度為0.6%，外涂層直徑為245μm，其不圓度為0.8%。
超低損耗光纖的主要技術(shù)指標如下表所示：
光纖的強度主要取決于裸光纖表面的微裂紋。光纖中為微裂紋主要來自拉絲爐內(nèi)的雜質(zhì)粒子。雜質(zhì)粒子附著在光纖表面，在冷卻過程中，形成裂紋和應力集中，光纖表面裂紋受大氣環(huán)境中水分子作用而逐漸侵蝕，導致硅氧四面體結(jié)構(gòu)被破壞，硅氧鍵的斷裂會擴大微裂紋的范圍，影響光纖強度。
拉絲爐長期工作后，爐內(nèi)石墨件表面發(fā)生少量氧化使石墨件表面變得粗糙，預制棒在高溫下產(chǎn)生少量二氧化硅升華與石墨件表面反應生成堅硬的碳化硅微粒，并隨爐內(nèi)氣流的影響在爐內(nèi)漂浮。拉絲爐爐體上端為爐頂氣盤，下端為退火管，常規(guī)光纖拉絲爐惰性氣體進氣方式一般為上部平吹進氣，惰性氣體通過層流的方式自上而下通過拉絲爐內(nèi)部進入退火管，這種進氣方法的優(yōu)點在于平緩的氣流不會在引起拉絲爐內(nèi)氣流擾動，使爐灰沉積于石墨件內(nèi)壁，減少爐灰與光纖接觸的幾率，但經(jīng)過長時間的拉絲生產(chǎn)，石墨件內(nèi)壁的爐灰積累到一定程度，其在高溫擴散的影響下將會對光纖造成嚴重的影響導致拉絲中途強度驟變，影響光纖的質(zhì)量和石墨件的使用壽命。
光纖衰減系數(shù)除了受限于預制棒的制備過程，同時也受石英玻璃假想溫度的影響。當石英光纖從軟化溫度降低到假想溫度時，石英玻璃內(nèi)部結(jié)構(gòu)向平衡態(tài)轉(zhuǎn)化。當石英溫度低于假想溫度后，光纖內(nèi)部結(jié)構(gòu)就被定型，很難再改變。如果光纖在到達假想溫度時沒有充分釋放內(nèi)應力，那么光纖由密度不均造成的瑞利散射則會顯著影響光纖的衰減系數(shù)。退火工藝的影響光纖的內(nèi)應力，但是目前的退火爐內(nèi)溫度不均，容易造成光纖內(nèi)應力釋放不完全。
現(xiàn)有的光纖涂覆固化系統(tǒng)中，固化爐內(nèi)一般要使用抽風系統(tǒng)，一方面降低紫外光固化爐內(nèi)溫度，延長紫外光固化爐壽命，另一方面抽取光纖表面涂層固化揮發(fā)物，提高光纖加工質(zhì)量；同時，抽走有害氣體，避免揮發(fā)物污染周圍環(huán)境和造成人身危害，但同時抽風流量太大或太小又會影響光纖的固化效果，一般抽風流量都是在一個穩(wěn)定的范圍內(nèi)。
當在實際生產(chǎn)過程中，一方面抽風管道在長時間的使用中容易堵塞，抽風量會減小，必須在停爐期間通過人工定期對抽風流量進行檢測和調(diào)整，以保證正常使用的流量；另一方面，如果抽風流量調(diào)節(jié)太大或太小，則會影響光纖的固化效果。原有的固化工藝需要人工進行監(jiān)控和調(diào)節(jié)，人為因素較多；另一方面光纖生產(chǎn)中途涂覆固化出現(xiàn)問題，必須強制終止生產(chǎn)才可以進行監(jiān)控調(diào)節(jié)，正常生產(chǎn)時，無法監(jiān)控抽風實際流量。
在超低損耗光纖的制備過程中，使用超低損耗光纖拉絲退火系統(tǒng)進行制備，預制棒從拉絲爐爐頂進入拉絲爐，拉絲爐爐體內(nèi)部的溫度為2000~2200℃，預制棒在拉絲爐爐體內(nèi)熔融拉絲，牽引速度為≥2000m/min，拉絲爐上的溫度爐頂氣盤上的進氣孔供應惰性氣體進入拉絲爐；風向傾斜向下的進風孔能減小爐灰與光纖接觸的幾率，這樣的進風孔具有平行設置的若干個，送風風向與豎直方向呈15~45°夾角；風向豎直向下的進氣孔，吹掃拉絲爐爐體內(nèi)壁，防止爐灰沉積在拉絲爐爐體；退火管中采用多孔分散式排氣方式，漏斗形的設計有效防止爐灰沉積影響光纖強度，排出的爐灰通過軟管連接至爐灰回收裝置；光纖在退火管出口溫度為1730°；光纖進入保溫退火爐，保溫退火爐中的每個加熱元件由控制單元獨立控制，形成800~1200℃的梯度溫場。
光纖的散射損耗是光纖損耗的最大原因。光纖散射最重要的部分就是瑞利散射。瑞利散射是由光纖材料中折射率的微小不均勻所造成的，可知，由密度不均勻所產(chǎn)生的瑞利散射主要是由折射率n、假想溫度Tf和等溫壓縮率βT所決定。這三個因素都受拉絲過程的影響。等溫壓縮率的大小與溫度密切相關(guān)。當光纖溫度高于假想溫度時，玻璃粘度相對較小，低于10MPa 的應力就能夠造成玻璃的密度改變；而當光纖溫度低于假想溫度時，需高達2000MPa 的應力才能影響玻璃的密度。因此，等溫壓縮率對瑞利散射的影響依賴于假想溫度，光纖的假想溫度主要由玻璃粘度和冷卻速度所決定。對于光纖生產(chǎn)而言，玻璃的種類和粘度都已確定，則假想溫度主要由光纖的冷卻速度所決定，可知，光纖在固定拉絲速度下的實際溫度和降溫速率。通過加入保溫退火爐溫場，控制光纖出退火保溫爐時的實際溫度，保證光纖溫度在1000℃以上，使光纖充分釋放內(nèi)應力。光纖降溫速率隨保溫爐溫場溫度的升高而下降，當降溫速率在5000k/s以下時，光纖內(nèi)應力能夠完全釋放，消除由密度不均產(chǎn)生的瑞利散射達到降低光纖衰減的目的，同時如果保溫溫場設置過高，光纖出口溫度高于1200℃進入環(huán)境時，有可能導致光纖包層受溫度突變、而芯層仍然保持高溫，容易導致內(nèi)外在此產(chǎn)生應力，影響光纖衰減。另外過高的光纖出口溫度使光纖冷卻需要更大的能耗和冷卻氦氣，提高了光纖成本，因此將保溫溫場設置為800-1200℃。
由于采用不規(guī)則超低損耗大有小面積光纖預制棒拉絲，在拉絲爐內(nèi)控制光纖熔融溫度時加熱溫度會有適當微調(diào)，使光纖出退火管溫度發(fā)生變化，此時需要設置合適的退火保溫場溫度來配合光纖出爐溫度。該關(guān)鍵技術(shù)利用數(shù)據(jù)線連接保溫爐電源和拉絲機主控計算機，實現(xiàn)保溫爐溫度遠程控制，同時，結(jié)合實時爐溫、實時拉絲速度和恒定的降溫速率，計算保溫爐合適溫度進行自動微調(diào)控制。實現(xiàn)恒定的光纖退火最優(yōu)溫度。
光纖進入紫外光固化爐，一般生產(chǎn)環(huán)境溫度20~28℃，環(huán)境濕度40~60%，紫外光固化爐功率控制在70~95%，紫外光固化爐內(nèi)使用抽風系統(tǒng)，抽風系統(tǒng)包括抽風管道、檢測裝置以及控制單元B,檢測裝置包括安裝在紫外光固化爐中的溫度探測儀、安裝在固化抽風管道內(nèi)的風速檢測儀以及自動調(diào)節(jié)閥門，控制單元B與檢測裝置電連接；將光纖表面涂層固化揮發(fā)物抽出，并抽走有害氣體，溫度探測儀檢測到紫外光固化爐內(nèi)的溫度，同時將溫度反饋至控制單元B，固化抽風管道中的風速檢測儀檢測到的風速流量也反饋至控制單元B，如果紫外光固化爐內(nèi)溫度及固化抽風管道中的風速流量全部在設定范圍內(nèi)，則光纖正常生產(chǎn)。如果反饋至控制單元B的紫外光固化爐內(nèi)的溫度波動，且固化抽風管道中的風速流量也產(chǎn)生對應的波動，則控制單元B 將控制調(diào)節(jié)自動調(diào)節(jié)閥門，改變抽風效果，若調(diào)節(jié)無效，或波動異常，則對外提示對設備進行保養(yǎng)維修。
紫外光固化爐抽風系統(tǒng)改進后：1、可以通過在線監(jiān)控紫外光固化爐的抽風情況；2、通過在線監(jiān)控紫外光固化爐的抽風，可以判斷光纖的固化效果，通過光纖的固化質(zhì)量，可以自動調(diào)節(jié)固化抽風；3、通過紫外光固化爐內(nèi)的溫度監(jiān)控，與抽風調(diào)節(jié)，可以增加紫外光固化爐壽命；4、充分滿足光纖拉絲過程中的紫外光固化爐揮發(fā)物的去除，增加光纖質(zhì)量。
固化后的光纖經(jīng)過篩選工序，即可完成加工。
以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理和主要特征。本行業(yè)的技術(shù)人員應該了解，本發(fā)明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。