[发明专利]大尺寸光纤预制棒的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种大尺寸光纤预制棒的制备方法，属于光纤制造技术领域。

背景技术

光纤预制棒制备是光纤制造技术的主要工序。采用大尺寸光纤预制棒拉丝可以有效提高原材料利用率，同时可以有效节约生产时间提高生产效率，大尺寸光纤预制棒已经成为当前市场主流趋势。目前大尺寸光纤预制棒分为：大尺寸实心预制棒和套管加芯棒预制棒形式。

当前占主流的大型低水峰光纤预制棒的方法为套管法，如US005837334A、US007089765B2。目前套管法是先制造出芯棒，再将该芯棒插入尺寸匹配的石英玻璃管，经高温加热使芯棒与套管同步熔化融合延长成为光导纤维。套管法存在以下不足之处：大尺寸的套管要求的几何精度高，制造工艺复杂，套管加工过程中的材料损失导致成本增加。芯棒与套管的界面增加了光纤拉丝工艺的复杂程度，界面的清洗和干燥变得更加严格，而且界面增加了光纤机械强度薄弱环节产生的几率，增加了单位长度光纤断裂的可能性，界面也对光纤水峰（光纤传输中由于羟基在1360nm~1460nm范围内吸收峰称为水峰）产生不利影响，等离子蚀洗等消除界面附加影响附加的工艺流程增加了预制棒的生产成本，并且套管价格昂贵。

OVD法通过多个喷灯将水解的SiO₂颗粒沉积在旋转且相对移动的芯棒上。沉积速率高，但是这种沉积方法容易形成螺纹状或波纹状表面，芯棒两端不均匀使得整个沉积棒形成纺锤形，进而造成整根棒拉制成的光纤几何参数和光学参数不均匀不稳定。

VAD法与OVD法具有相同的火焰水解机理。沉积速率慢是VAD的最大缺陷，但是，其优点在于工艺稳定，沉积得到的疏松体组成结构与几何尺寸均匀。

管内法PCVD和MCVD适于制备高精度的复杂结构，但是两者沉积速率更低，不到3g/min，且管内法无法单独制备出大规格的预制棒，对原料气体的纯度要求达到99.9999%，高成本使得应用受到限制。

APVD沉积速率较高，但是其原料高纯天然石英砂成本高昂且均匀性不易控制使得该工艺不易广泛应用。

本发明的一些术语的定义为：

沉积：原材料在一定的条件下发生物理化学变化生成石英玻璃的工艺过程；

折射率剖面：预制棒/芯棒/光纤玻璃折射率与其半径之间的关系曲线；

厚壁石英管：壁厚相对管径而言比例较大的石英玻璃管，比例通常大于10%，壁厚通常大于3mm；

VAD：轴向气相沉积；

OVD：外部气相沉积。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的不足而提供一种大尺寸光纤预制棒的制备方法，它不仅能有效提高光纤预制棒的生产效率，降低成本，而且工艺性能稳定，光纤光学参数优异，便于规模化生产。

本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：

该方法包括以下步骤：采用轴向气相沉积法（VAD）并经后续处理制备透明实心石英棒，所述的透明实心石英棒包含芯层和部分包层；将透明实心石英棒套装于高纯厚壁石英管中通过高温熔缩成一根结构均匀的初级光纤预制棒；以该初级光纤预制棒作为靶棒，用外部气相沉积法（OVD）沉积SiO₂外包层，沉积完成后，将其烧结成透明的光纤预制棒。

按上述方案，所述的透明实心石英棒的包层/芯层直径比（b/a）为1.8~3。

按上述方案，所述的轴向气相沉积法的后续处理是将轴向气相沉积法制成的疏松体经过脱水烧结之后转变为透明的实心石英棒，然后进行整形处理，包括熔融、拉伸、研磨、抛光、化学溶蚀、清洗，使其直径均匀，表面光洁，透明实心石英棒表面粗糙度小于或等于20μm。

按上述方案，所述轴向气相沉积法制备的SiO₂疏松体沿轴线方向的有效长度占疏松体轴向总长的超过2/3的部分为有效部分，该有效部分的直径波动范围小于4%。

按上述方案，所述的高纯厚壁石英管内孔表面粗糙度小于或等于20μm，羟基含量小于或等于100ppb，外径与内孔直径之比为1.5~1.8。

按上述方案，所述的光纤预制棒直径D为120~200mm。

按上述方案，所述的光纤预制棒前端经熔融拉锥处理，使光纤预制棒前端成圆锥形或近似圆锥形，圆锥形的高度H与光纤预制棒直径D之比H/D为0.2~1.1，较优比值为0.3~0.4。

按上述方案，外部气相沉积法沉积SiO₂外包层后烧结成的透明光纤预制棒除锥部以外为有效部分的直径波动小于1mm。