《一種光纖預製棒的製備方法》是江蘇法爾勝光子有限公司於2007年5月28日申請的專利，該專利申請號：200710022942X，專利公布號：CN101066834，專利公布日：2007年11月7日，發明人是：查健江、馮術娟、嚴薇、曲風西、李興元、江鋒、尤茂勇、陸劍鋒、吳江、卞進良、梁樂天。
《一種光纖預製棒的製備方法》涉及一種光纖預製棒的製備方法，該方法採用低羥基的高純度石英棒，通過氘氫置換反應，使氘原子占據石英玻璃中的非橋氧懸鍵，減少了石英棒內羥基擴散的幾率，採用等離子火焰蝕洗將石英棒表面吸附的羥基徹底驅除，再將GeO2和SiO2沉積到石英靶棒表面，沉積結束後石英棒不用抽出，將疏鬆體預製棒連同中心的石英棒一起在燒結爐內脫水燒結，使其完全燒結在一起，形成透明的光纖預製棒。該發明具有適合大規模生產，生產成本低，經過拉絲製得的單模光纖具有優越的1383納米波長處低衰減、抗氫老化和極低PMD的特性。
2013年，《一種光纖預製棒的製備方法》獲得第八屆江蘇省專利項目獎金獎；2014年11月6日，該發明獲得第十六屆中國專利優秀獎。
（概述圖為《一種光纖預製棒的製備方法》的摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：一種光纖預製棒的製備方法
- 公布號：CN101066834
- 公布日：2007年11月7日
- 申請號：200710022942X
- 申請日：2007年5月28日
- 申請人：江蘇法爾勝光子有限公司
- 地址：江蘇省江陰市文化東路1號
- 發明人：查健江、馮術娟、嚴薇、曲風西、李興元、江鋒、尤茂勇、陸劍鋒、吳江、卞進良、梁樂天
- Int. Cl. ：C03B37/018（2006.01）
- 專利代理機構：南京眾聯專利代理有限公司
- 代理人：何軍
- 類型：專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,有益效果,附圖說明,技術領域,權利要求,實施方式,操作內容,實施案例,榮譽表彰,
專利背景
常規單模光纖（G.652B）在1360～1460納米波長範圍內的傳輸損耗較高，影響了光通信系統在該波段的套用，其原因是羥基（OH）基團系列諧波振動吸收造成該波段內損耗增大。由於1383納米左右為OH主要振動吸收峰，習慣上將1383±3納米吸收峰稱為水峰。ITU-T規定，G652C規範要求在光纖經過氫損之後，其1383±3納米的最大衰減係數必須小於或等於1310納米規定的衰減係數，一般稱這種光纖為“低水峰光纖”。
石英光纖的製造方法都經過光纖預製棒的製備，然後在拉絲設備中拉絲成預定尺寸和要求的光纖。光纖預製棒的製造方法主要有四種：外部氣相沉積法（OVD）、軸向氣相沉積法（VAD）、改良的化學氣相沉積法（MCVD）、以及電漿化學氣相沉積法（PCVD）。
對於外部氣相沉積法（OVD）和軸向氣相沉積法（VAD）沉積工藝製造光纖預製棒，都將SiCl4和GeCl4在氫氧焰熱源的作用下發生水解，生成粉末顆粒體（Soot），沉積在靶棒上。由於氫氧焰燃燒產生大量水（包括化學形式的羥基和物理吸附的水分子），在含有氯氣和氦氣的氣氛中進行脫水和燒結。OVD和VAD製造低水峰光纖的專利已有報導，如在美國專利文獻US6131415中描述，將外包後形成的沉積的粉末（Soot）預製棒放在燒結爐中，在1200℃條件下通入氯氣和氦氣的混合氣體進行脫水，使預製棒中的羥基質量含量低於0.8ppb，從而製造出低水峰光纖。
對於管內法（PCVD和MCVD）沉積工藝製造光纖預製棒，由於原材料鹵化物中的含氫雜質與羥基雜質，載流氣體的水汽，以及沉積用的石英基管管壁中羥基向內部擴散，同事預製棒熔縮工藝採用的氫氧焰產生的水分子也向管內擴散，使得羥基含量較高。為了製造出低水峰光纖，光纖製造商通過提高原材料純度（低OH含量的石英玻璃基管與套管）、純化載氣及各種參與反應氣體所含有的水分，並提高管內法的系統密閉性能，利用感應爐塌縮成棒技術等方法，來降低預製棒中的羥基含量，製造出低水峰光纖。US5692087將MCVD車床改造成無氫火焰車床，即採用電漿火焰進行預製棒的沉積與塌縮，避免了氫氧焰產生的水分子向管內的擴散，同時在塌縮工藝中通入CCl4與O2的混合氣體，脫去芯層內部的部分羥基，該發明專利製造的單模光纖在1383納米處的羥基峰損耗低於0.40分貝/千米，拉絲光纖長度僅0.7千米，而且沒有提及氫老化試驗後光纖衰減的變化量。
傳統的OVD工藝的沉積與脫水燒結都是分開完成，即先沉積疏鬆體，再脫水燒結成玻璃體。這種分開完成的工藝要較管內法一次沉積燒結成棒的工藝在消除內部水分方面更有優勢；但其生成的石英棒內有羥基含量，抗氫損能力較差，氫老化後1383納米衰減係數增加量大於0.005分貝/千米。
發明內容
專利目的
《一種光纖預製棒的製備方法》的目的是提供一種克服了傳統OVD法製造光纖預製棒的缺陷，可以大幅度提高合格率，提高光纖的抗氫老化性能的光纖預製棒的製備方法，該方法利用現有的OVD外沉積設備，採用管外沉積法製造出低水峰光纖，並可打通擴展波段（1360-1460納米）的通信視窗，提高單模光纖的通信容量，降低系統成本。
技術方案
《一種光纖預製棒的製備方法》包括如下步驟：
（1）將特製的低羥基的高純石英棒放入一容器內，然後通入含氘氣體進行氘氫置換反應，同時氘原子占據石英玻璃中的非橋氧懸鍵，減少了石英棒內羥基擴散的幾率；
（2）用等離子火焰對一根低羥基的高純石英棒外表面進行蝕洗，降低甚至消除石英棒棒外表面的羥基含量，並形成清潔、平滑的外表面；蝕洗為等離子蝕洗，蝕洗厚度為0.5～1.5毫米；
（3）將含有SiCl4、GeCl4的混合氣體按照預定比例和流量通入氫氧噴燈，發生火焰水解反應，生成SiO2和GeO2的反應物，沉積在高純石英棒表面；如此來回沉積一定層數，直至形成一定厚度的疏鬆體芯層；關閉GeCl4流量，只剩SiCl4參與反應，來回沉積一定層數，直至形成具有一定厚度的僅有SiO2的疏鬆體包層；
（4）在高純氦氣、氯氣的混合氣體環境下，在1000～1200℃溫度下，對疏鬆體預製棒進行脫水處理；然後在1500～1700℃的溫度下，將已經脫水的疏鬆體預製棒進行燒結處理，形成實心的光纖預製棒。
製成的光纖預製棒的包層材料直徑和芯層材料直徑的比例滿足光纖的包芯比的尺寸要求，包層材料直徑和芯層材料直徑的比例為14～16；將該預製棒進行拉絲，即可形成預定尺寸的低水峰光纖。
為了提高合格率、降低生產成本，上述製備方法中經燒結處理，形成實心的光纖預製棒的包層材料直徑和芯層材料直徑的比例為3～6；將該光纖預製棒用高頻感應爐在1900～2100℃溫度下，將其延伸成直徑較細的預製棒芯棒；採用套管工藝或外沉積工藝經過脫水燒結後在光纖預製棒芯棒外形成外包層，形成實心的光纖預製棒，所製成的光纖預製棒的包層材料直徑和芯層材料直徑的比例為14～16。
在上述製備方法中，所沉積的GeO2和SiO2顆粒是採用外沉積的工藝方法沉積到高純石英棒上面。
在上述製備方法中，採用的低羥基的高純石英棒的外徑為5～15毫米。
在上述製備方法中，含氘氣體為氘氣（D2）與氦氣（He）、氬氣（Ar）、氮氣（N2）中的一種或多種混合氣體，氘氣占總氣體體積含量的0.5％～6％。
《一種光纖預製棒的製備方法》的製備方法中，將SiCl4和GeCl4氣體通入氫氧火焰，進行火焰水解反應，生成SiO2和GeO2，沉積在石英棒外表面，但這種方法也可以採用其他熱源使SiCl4和GeCl4發生反應，如等離子火焰，僅採用O2、N2、Ar等氣體，可以進一步降低羥基含量。
在上述製備方法中，進行氘氫置換反應時氘氫置換反應的溫度為20～100℃，氘氫置換反應的壓力為1.5～2.5大氣壓，氘氫置換反應的時間為4～8天。
該發明的生產環境溫度控制為20～25℃，空氣的相對濕度小於或等於20％。
該發明製備的光纖預製棒，在經過拉絲製成的低水峰光纖在1310納米波長處的衰減小於0.320分貝/千米，經過氫老化試驗後測量1383納米波長處的羥基峰值衰減小於1310納米波長處的衰減，其衰減小於0.310分貝/千米。
該發明製備的光纖預製棒，在經過拉絲製成的低水峰光纖進行氫老化試驗後，1383納米衰減係數增加量小於0.005分貝/千米。
該發明低水峰光纖的製造方法與傳統的OVD工藝的不同之處在於：
（1）沉積所用的靶棒為低羥基的高純度石英棒，在含氘氣氛中發生氘氫置換反應，降低或甚至消除石英棒內的羥基含量，並與石英玻璃網路中的非橋氧懸鍵結合，消除網路結構缺陷。
（2）沉積所用的石英棒要經過等離子火焰的蝕洗，將石英棒表面吸附的羥基徹底驅除。
（3）在沉積過程中，反應產物SiO2和GeO2是直接沉積在石英棒表面，在沉積過程結束後，石英棒不用抽出，得到的疏鬆體預製棒連同中心的石英棒一起在燒結爐內經過脫水燒結過程後，完全燒結在一起，形成透明的預製棒。
（4）該低水峰光纖具有較強的抗氫損能力，氫老化後1383納米衰減係數增加量小於0.005分貝/千米，且1383納米衰減係數低於1310納米波長處的衰減係數。
有益效果
第一，《一種光纖預製棒的製備方法》提供的方法所製造光纖預製棒，其通過拉絲製得的單模光纖在1310納米波長處的衰減係數小於0.320分貝/千米，氫老化試驗後測量1383納米波長處的羥基峰衰減係數小於1310納米波長處的衰減，其衰減係數小於0.310分貝/千米。
第二，該發明提供的方法所製造光纖預製棒，其通過拉絲製得的單模光纖具有優越的抗氫老化特性，按照IEC氫損測試規範進行光纖氫損試驗，氫老化後該光纖1383納米衰減係數增加量小於0.005分貝/千米，具有優良的抗環境氫氣影響的能力。
第三，該發明利用OVD外沉積工藝設備的優越性，特別適合降低沉積物中的羥基含量，尤其適合大規模生產，降低成本。
第四，該發明提供的方法所製造光纖預製棒，其通過拉絲製得的單模光纖具有優越的PMD特性，其PMD值均小於。
第五，該發明提供的方法所製作的光纖具有極低的熔接損耗，其熔接損耗均小於0.01分貝/千米。
附圖說明
圖1是《一種光纖預製棒的製備方法》方法所採用的外沉積（OVD）設備的示意圖。
圖2為兩種包層材料和芯層材料不同比例的預製棒的橫截面示意圖。
圖3是該發明方法所製造的低水峰單模光纖預製棒的折射率剖面示意圖及光纖的折射率剖面示意圖。
圖4是該發明製備的光纖預製棒進行拉絲製得的低水峰光纖的衰減譜。
圖5是該發明製備的光纖預製棒進行拉絲製得的低水峰光纖經過氫老化試驗後的衰減譜圖形。
技術領域
《一種光纖預製棒的製備方法》涉及一種光纖預製棒的製備方法，尤其涉及外沉積（OVD）工藝通過降低光纖預製棒中羥基含量從而製造出低水峰光纖的光纖預製棒的製備方法。
權利要求
1、《一種光纖預製棒的製備方法》包括如下步驟：
（1）將特製的低羥基的高純石英棒放入一容器內，然後通入含氘氣體進行氘氫置換反應，同時氘原子占據石英玻璃中的非橋氧懸鍵，減少了外界羥基向石英棒內擴散的幾率；
（2）用等離子火焰對一根低羥基的高純石英棒外表面進行蝕洗，降低甚至消除石英棒棒外表面的羥基含量，並形成清潔、平滑的外表面；蝕洗為等離子蝕洗，蝕洗厚度為0.5～1.5毫米；
（3）將含有SiCl4、GeCl4的混合氣體按照預定比例和流量通入氫氧噴燈，發生火焰水解反應，生成SiO2和GeO2的反應物，沉積在高純石英棒表面；如此來回沉積一定層數，直至形成一定厚度的疏鬆體芯層；關閉GeCl4流量，只剩SiCl4參與反應，來回沉積一定層數，直至形成具有一定厚度的僅有SiO2的疏鬆體包層；
（4）在高純氦氣、氯氣的混合氣體環境下，在1000～1200℃的溫度下，對疏鬆體預製棒進行脫水處理；然後在1500～1700℃的溫度下，將已經脫水的疏鬆體預製棒進行燒結處理，形成實心的光纖預製棒。
2、根據權利要求1所述的任何一種光纖預製棒的製備方法，其特徵在於：所製成的光纖預製棒的包層材料直徑和芯層材料直徑的比例為14～16。
3、根據權利要求1所述的光纖預製棒的製備方法，其特徵在於：製得的光纖預製棒的包層材料直徑和芯層材料直徑的比例為3～6，將該預製棒採用高頻感應爐，在1900～2100℃的溫度下，將已經形成的預製棒芯棒母棒延伸成直徑較細的預製棒芯棒；採用套管工藝或外沉積工藝經過脫水燒結後在光纖預製棒芯棒外形成外包層，形成實心的光纖預製棒，所製成的光纖預製棒的包層材料直徑和芯層材料直徑的比例為14～16。
4、根據權利要求1所述的光纖預製棒的製備方法，其特徵在於：採用的低羥基的高純石英棒的外徑為5～15毫米。
5、根據權利要求1所述的光纖預製棒的製備方法，其特徵在於：含氘氣體為氘氣（D2）與氦氣（He）、氬氣（Ar）、氮氣（N2）中的一種或多種混合氣體，氘氣占總氣體體積含量的0.5％～6％。
6、根據權利要求1所述的光纖預製棒的製備方法，其特徵在於：進行氘氫置換反應時，氘氫置換反應的溫度為20～100℃，氘氫置換反應的壓力為1.5～2.5大氣壓，氘氫置換反應的時間為4～8天。
7、根據權利要求1所述的光纖預製棒的製備方法，其特徵在於：所沉積的GeO2和SiO2顆粒是採用外沉積的工藝方法沉積到高純石英棒上面。
8、根據權利要求1所述的光纖預製棒的製備方法，其特徵在於：光纖預製棒的生產環境溫度為20～25℃，空氣的相對濕度小於或等於20％。
實施方式
操作內容
《一種光纖預製棒的製備方法》所設計的低羥基的高純石英棒為合成法製作，在製作過程中，經過脫水過程，其中的羥基含量被降低至10ppb，甚至1ppb以下，目的是為了防止羥基對光纖的衰減造成影響。將低羥基的高純石英棒放入一容器內，然後通入含氘氣體的混合氣體進行氘氫置換反應，反應時間大約為4～8天，反應溫度為20℃～100℃，反應壓力為1.5～2.5倍的大氣壓，目的是讓氘原子占據石英玻璃中的非橋氧懸鍵，減少了石英棒內羥基擴散的幾率。沉積前該高純石英棒經過等離子蝕洗過程，原因是石英棒外表面吸附了一層羥基，對光纖的衰減會造成影響，蝕洗的厚度一般為0.5～1毫米。
該發明所涉及的OVD光纖預製棒製造設備示意圖如圖1所示，其中SiCl4、GeCl4高純原材料，在載氣高純氧的攜帶下，通入氫氧噴燈，在高溫下發生水解或氧化反應，生成SiO2和GeO2顆粒，沉積在石英靶棒外表面。沉積過程中，靶棒不斷旋轉和來回移動，使噴燈中產生的顆粒均勻地沉積在靶棒的外表面。沉積結束後，疏鬆體被放置在燒結爐內進行脫水燒結，進一步驅除疏鬆體內的羥基。疏鬆體在燒結爐內先用高純氦氣吹掃後，通入高純氯氣、氦氣的混合氣體，在1100℃～1200℃溫度下進行250分鐘～500分鐘的脫水處理。充分脫水的疏鬆體在1500℃～1700℃溫度下進行玻璃化，成為極低羥基含量的預製棒。最後得到的透明預製棒被放置在一個800℃～1000℃的保溫爐內進行保溫大約8～15小時，在保溫爐內通入氬氣或氮氣中的一種，以利於預製棒內的氦氣等殘餘氣體的溢出。
圖2為兩種包層直徑和芯層直徑不同比例的預製棒橫截面示意圖。
在高純石英棒外表面沉積足夠厚度的芯層和外包層，經過脫水燒結過程，得到的預製棒包層材料直徑和芯層材料直徑的比例在14～16之間，如圖2中的（a）所示，經過拉絲過程得到的光纖截止波長和模場直徑滿足質量標準。
為了提高合格率、降低生產成本，是在高純石英棒外表面沉積足夠厚度的芯層和外包層，經過脫水燒結過程，得到的預製棒該包層材料直徑和芯層材料直徑的比例在3～6之間，如圖2中的（b），經過脫水燒結過程後得到的是預製棒的芯棒母棒；該芯棒經過延伸過程後得到外徑在18～22毫米之間的芯棒，再經過外沉積後得到包層材料直徑和芯層材料直徑比例在14～16之間的預製棒，經過拉絲過程得到的光纖截止波長和模場直徑滿足質量標準。
圖3為《一種光纖預製棒的製備方法》方法所製造的低水峰單模光纖預製棒的折射率剖面示意圖及光纖的折射率剖面示意圖。由於石英棒的折射率較低，必須在沉積芯層的過程中多加入一部分GeO2，以提高中心的折射率。如圖3所示，該發明方法中介紹了幾種不同的沉積方式，其中（a）代表未採取增加GeO2沉積量的預製棒折射率和光纖折射率，（b）代表採用錐形模式增加GeO2沉積量的預製棒折射率和光纖折射率，（c）代表採用梯形模式增加GeO2沉積量的預製棒折射率和光纖折射率。可以清楚的發現，（c）的梯形模式可以很好地解決中心凹陷的問題，減少了由於純石英材料過低而帶來的折射率過低的問題。
圖4為該發明製備的光纖預製棒進行拉絲製得的低水峰光纖的衰減譜，該光纖1310納米的衰減係數為0.314分貝/千米，1383納米的衰減係數為0.304分貝/千米，1550納米的衰減係數為0.188分貝/千米。按照IEC氫老化測試規範，在室溫條件下將光纖置於氫氣分壓為0.01的氣氛中，連續監測光纖在1240納米波長處的衰減變化。當1240nrn波長處的衰減增加大於或等於0.03分貝/千米後將光纖從氫老化試驗裝置中取出，14天后測試1383納米波長處的衰減係數。該光纖經過氫老化試驗後測試的衰減譜見圖5，測試表明，1383納米衰減係數為0.309分貝/千米，即1383納米的附加損耗為0.005分貝/千米，具有較強的抗氫致衰減能力。
實施案例
實施例一
在溫度為25℃、乾燥空氣提供的相對濕度為5％、潔淨度為1000級（即美國聯邦標準設定的潔淨級別M4.5）的生產車間中，將含有SiCl4、GeCl4的混合氣體按照預定比例和流量通入氫氧噴燈，發生火焰水解反應，生成SiO2和GeO2的反應物，沉積在高純石英棒表面；如此來回沉積一定層數，直至形成一定厚度的疏鬆體芯層；關閉GeCl4流量，只剩SiCl4參與反應，來回沉積一定層數，直至形成具有一定厚度的僅有SiO2的疏鬆體包層；在高純氦氣、氯氣的混合氣體環境下，在1180攝氏度的溫度下，對疏鬆體預製棒進行脫水處理，處理時間為4小時；然後在1550攝氏度的溫度下，將已經脫水的疏鬆體預製棒進行燒結處理，形成實心的光纖預製棒。該光纖預製棒的相對摺射率差（％）為Δ＝0.330，外包層材料和芯層材料的比例是14.8。然後在拉絲設備上拉絲成預定尺寸的光纖。該光纖的部分指標如下：
1310納米 | 1383納米 | 1550納米 | 截止波長 | 包層直徑 |
0.318分貝/千米 | 0.307分貝/千米 | 0.193分貝/千米 | 1280納米 | 125微米 |
實施例二
在溫度為25℃、乾燥空氣提供的相對濕度為5％、潔淨度為1000級（即美國聯邦標準設定的潔淨級別M4.5）的生產車間中，將含有SiCl4、GeCl4的混合氣體按照預定比例和流量通入氫氧噴燈，發生火焰水解反應，生成SiO2和GeO2的反應物，沉積在高純石英棒表面，其間採用錐形模式增加靠近中心部分的GeO2的摻雜比例；如此來回沉積一定層數，直至形成一定厚度的疏鬆體芯層；關閉GeCl4流量，只剩SiCl4參與反應，來回沉積一定層數，直至形成具有一定厚度的僅有SiO2的疏鬆體包層；在高純氦氣、氯氣的混合氣體環境下，在1100攝氏度的溫度下，對疏鬆體預製棒進行脫水處理，處理時間為8小時；然後在1510攝氏度的溫度下，將已經脫水的疏鬆體預製棒進行燒結處理，形成實心的光纖預製棒。該光纖預製棒的相對摺射率差（％）為Δ＝0.326，外包層材料和芯層材料的比例是15.1。然後在拉絲設備上拉絲成預定尺寸的光纖。該光纖的部分指標如下：
1310納米 | 1383納米 | 1550納米 | 截止波長 | 包層直徑 |
0.303分貝/千米 | 0.298分貝/千米 | 0.188分貝/千米 | 1240納米 | 125微米 |
實施例三
在溫度為25℃、乾燥空氣提供的相對濕度為5％、潔淨度為1000級（即美國聯邦標準設定的潔淨級別M4.5）的生產車間中，將含有SiCl4、GeCl4的混合氣體按照預定比例和流量通入氫氧噴燈，發生火焰水解反應，生成SiO2和GeO2的反應物，沉積在高純石英棒表面，其間採用梯形模式增加靠近中心部分的GeO2的摻雜比例；如此來回沉積一定層數，直至形成一定厚度的疏鬆體芯層；關閉GeCl4流量，只剩SiCl4參與反應，來回沉積一定層數，直至形成具有一定厚度的僅有SiO2的疏鬆體包層；在高純氦氣、氯氣的混合氣體環境下，在1100攝氏度的溫度下，對疏鬆體芯棒進行脫水處理，處理時間為8小時；然後在1510攝氏度的溫度下，將已經脫水的疏鬆體芯棒進行燒結處理，形成實心的光纖預製棒。該光纖預製棒的相對摺射率差（％）為Δ＝0.326，外包層材料和芯層材料的比例是3.5。採用高頻感應爐，在1900攝氏度溫度下，將已經形成的預製棒芯棒母棒延伸成直徑為18毫米的預製棒芯棒。採用套管工藝或外沉積工藝經過脫水燒結後在光纖預製棒芯棒外形成外包層，形成包層材料和芯層材料比例為14.88的光纖預製棒。最後在拉絲設備上拉絲成預定尺寸的光纖。該光纖的部分指標如下：
1310納米 | 1383納米 | 1550納米 | 截止波長 | 包層直徑 |
0.312分貝/千米 | 0.303分貝/千米 | 0.190分貝/千米 | 1260納米 | 125微米 |
榮譽表彰
2013年，《一種光纖預製棒的製備方法》獲得第八屆江蘇省專利項目獎金獎；2014年11月6日，該發明獲得第十六屆中國專利優秀獎。
