CN101891380B - 一种大尺寸光纤预制棒及其光纤的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大尺寸光纤预制棒及其光纤的制造方法，以掺氟衬管作为基底管沉积各包层和芯层并熔缩成实心芯棒，然后将实心芯棒与套管组成预制棒，或者在实心芯棒表面再沉积外包层部分直接形成芯棒在拉丝塔上进行拉丝。也可以对预制棒或实心棒进行拉伸后再拉丝。拉丝过程中对光纤进行两层涂料的涂覆，得到高抗疲劳参数的弯曲不敏感的低水峰单模光纤。该制造方法的预制棒尺寸大，单根预制棒拉丝长度长，工艺较简单，成本较低，非常适合规模化生产。该方法制造的光纤具有低水峰的特性，同时具有极低的因弯曲而引起的光损耗，而且具有较高的抗疲劳参数，特别适合于光纤在小弯曲半径下的使用，如应用于光纤接入网(FTTx)或者小型化的光器件中。

Description

一种大尺寸光纤预制棒及其光纤的制造方法

技术领域

本发明涉及一种光纤预制棒及其光纤的制造方法，具体涉及一种大尺寸的弯曲不敏感低水峰单模光纤预制棒及其光纤制造方法，属于光纤通信领域。

背景技术

由于光纤中羟基(-OH)在1360nm～1460nm(E波段)波段范围内所造成的吸收峰(通常所说的“水峰”)的存在，使得此通信窗口的使用受到极大的限制。为了实现光纤的全波通信，必须有效地消除此波段的水峰影响。E波段的通信窗口的成功开通将使得光纤能够提供接近400nm宽度的通信波段(即1260nm～1625nm)，此类光纤一般称为“低水峰光纤”、“零水峰光纤”或“全波光纤”。在ITU-T G.652.C/D光纤标准中，明确规定光纤在1383±3nm波段处的衰减系数不大于0.4dB/km。此类光纤与粗波分复用(CWDM)技术相结合，可以提供更大的信息容量和更长的无中继距离。

近年来随着光纤接入网(FTTx)的发展，光纤的铺设越来越接近终端的用户。在考虑到光纤在楼内或室内的铺设时，要求光纤具有良好的抗弯曲性能，包含光纤的光学抗弯曲性能和机械抗弯曲性能。因为光纤在楼内或室内的铺设过程中会遇到10mm、7.5mm甚至5mm这种非常小的弯曲半径，所以光纤必须具有在极小的弯曲半径的情况下，产生的附加损耗很低的性能。在小型化的光器件中，同样要求光纤在小弯曲半径下具有低的附加损耗值，以降低光纤所占的空间。同时需要提高光纤的机械性能，以保证光纤处于长期小弯曲半径工作状态下的机械可靠性。

常规的G.652.C/D光纤，其允许的最小弯曲半径一般为30mm。如果在实际应用中，光纤的弯曲半径小于30mm，其产生的附加损耗将明显增加，通信信号会急剧衰减，最为严重的情况甚至会造成通信的中断。同时，在同样的弯曲条件下，光纤的宏弯损耗在长波长会明显增加，所以光纤在U波段(1625nm～1675nm)的开通使用也会受到限制。因此需要一种弯曲不敏感的低水峰光纤来满足光纤接入网的需求，同时为将来U波段的开通做好准备。ITU-T于2009年年底发布了修订后的第二版G.657光纤标准，即《接入网使用的弯曲损耗不敏感的单模光纤和光缆的特性》(“Characteristics of a bending loss insensitive single modeoptical fibre and cable for the access network”)。弯曲不敏感的低水峰单模光纤的开发将有力地推动光纤接入技术的发展和光纤接入网的建设。

目前出现的弯曲性能得到明显改善的弯曲不敏感单模光纤，主要通过设计不同于G.652光纤的波导结构，来达到降低弯曲损耗的目的。

研究表明，采用空气包层的结构设计，可提高光纤的抗弯曲性能，美国专利US6771865描述了申请人美国康宁提出的一种具有改进了的弯曲性能的光纤，但由于该类光纤的制造成本偏高，工艺复杂，光纤接续困难，不利于推广使用。

美国专利US2009/0290841A1描述了申请人美国OFS提出的一种全固结构的弯曲不敏感单模光纤及其制造方法，该发明通过复杂的光纤波导结构的设计，实现光纤的良好的抗弯曲性能。该发明的光纤波导结构复杂，而且为了实现复杂的光纤波导结构，其预制棒的结构复杂，制造工艺繁琐，造成制造成本的增加。

采用下陷包层设计可以有效提高光纤的抗弯曲性能，在欧洲专利EP1978383A1，美国专利US7450807B2、4850968、US7620282B2，中国专利CN1982929A、CN101055331A、CN101196593A中均采用了该种设计来实现弯曲不敏感的单模光纤，有效地降低了光纤在小弯曲半径下的附加损耗。然而，以上专利均没有考虑到光纤的小弯曲半径下的机械可靠性能，也没有对光纤的制造方法，特别是光纤预制棒的制造方法进行详细的描述。

当光纤弯曲时，光纤外侧必然受到张应力的作用，其应力大小可用下列公式表示：

$\mathrm{\σ}=\frac{E\·r}{(R+C_{\mathrm{th}}+r)}---\left(1\right)$

式中，E为石英玻璃的杨氏模量、R为弯曲半径、r为光纤的半径、C_th为涂覆层厚度。对于玻璃包层直径为125μm和外径为250μm的光纤，根据公式(1)可以计算光纤在不同的弯曲半径下所承受的应力如图6所示。由图6可知，当弯曲半径减小至6.5mm时，光纤弯曲外侧将承受0.69Gpa(100kpsi)的张应力，已达到光纤的常用筛选张力。光纤弯曲引起的断裂一方面会发生在敷设过程中，将引起敷设成本的增加；更严重的是发生在使用过程中，这是因为光纤在张应力作用下，微裂纹会扩张并最终导致光纤的断裂，特别是在FTTx的应用中将大大增加维护成本和影响系统的可靠性。对于光纤的寿命预测，在ITU-T G.657光纤标准的附录中已有介绍，光纤的使用寿命与光纤的抗疲劳参数有关，抗疲劳参数越高，在同等弯曲半径和存放长度下，光纤的机械可靠性就越高。因而，需要一种机械性能可靠的弯曲不敏感单模光纤，以满足接入网的应用需要。

一般通过掺氟处理可以实现下陷包层。目前典型的光纤预制棒制造方法有四种：改进的化学气相沉积法(MCVD)、等离子体化学气相沉积法(PCVD)、管外气相沉积法(OVD)和轴向气相沉积法(VAD)。其中MCVD和PCVD的方法属于管内沉积法，如果制造外下陷包层，因为受到衬管尺寸的限制，预制棒的尺寸一般很难做大(预制棒直径大于100mm)，中国公开专利CN 101585658A就是通过增加一个小套管才能实现大尺寸的预制棒。同时管内法的沉积速率较低。另一方面，PCVD和MCVD等管内法工艺与OVD和VAD等管外沉积法相比较而言，其优势在于可以实现较深的掺氟，同时掺氟深度的径向及轴向均匀性好。对于OVD和VAD工艺，因为其属于外部沉积法，相比而言，其优势在于沉积速率较高，尺寸不受管材的限制。但是如果要在沉积芯层和内包层过程中制造掺氟包层，不仅工艺控制上有难度，而且在烧结过程中由于氟的扩散将很难对折射率剖面进行有效控制，能用于实际生产的方法是先沉积具有一定厚度包层的芯棒，经脱水烧结后再在玻璃芯棒上沉积掺氟包层，可采用沉积过程直接掺氟或在烧结中掺氟，美国专利5895515和美国专利4579571中就分别介绍了这两种方法，但由于OVD和VAD均属于火焰(H₂/O₂)水解方法，在玻璃芯棒上沉积掺氟层时，将不得不直接暴露在氢/氧焰(H₂/O₂)中，H₂/O₂焰产生的大量羟基会向芯层中扩散致使所拉光纤水峰衰减的增加，因而需要玻璃芯棒中的包层足够厚以阻挡羟基向内的扩散。但一旦包层过厚，形成的掺氟包层因为远离芯层又起不到提高所拉光纤弯曲性能的作用。而且OVD和VAD工艺较难实现较深的掺氟，同时掺氟深度的径向和轴向均匀性都相对较差。

在中国公开专利CN101585658A中，需要首先制备尺寸较小的低水峰光纤芯棒，若采用管内法，则需要使用一根衬管，且需要一台车床在芯棒沉积完成后再对芯棒进行熔缩，同时准备掺氟石英玻璃小套管，然后将光纤芯棒套入小套管中，通过熔缩得到组合芯棒，最后将组合芯棒进行外包后形成大尺寸预制棒进行拉丝。在此技术方案中，需要一根衬管用于沉积低水峰芯棒，同时需要对低水峰芯棒进行熔缩、腐蚀、清洗、干燥等处理，对芯棒与小套管进行熔缩处理等。该大尺寸预制棒需经两次套接和熔缩形成，不仅加工环节多，工艺较为复杂，而且由于套接界面多，也会影响制作光纤的低水峰性能和抗弯曲性能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服上述现有技术存在的不足提供一种大尺寸光纤预制棒及其光纤的制造方法，它不仅外径尺寸大，制作功效高，而且可用于制造弯曲附加损耗小，抗疲劳参数高的低水峰单模光纤；还具有工艺简单灵活，制造成本低的特点，非常适合大规模生产。

为方便介绍发明内容，定义如下术语：

预制棒：是由芯层和包层组成的径向折射率分布符合光纤设计要求可直接拉制成所设计光纤的玻璃棒或组合体；

芯棒：含有芯层和部分包层的预制件；

a：光纤芯棒芯层直径，单位为毫米(mm)；

b：光纤芯棒内包层直径，单位为毫米(mm)；

c：光纤芯棒下陷包层直径，单位为毫米(mm)；

d：光纤预制棒的有效直径，对于实心预制棒即为其外径，对于RIC预制棒，

单位为毫米(mm)；

衬管：管状的基底管，符合一定几何要求的掺氟或者纯石英玻璃管；

套管：符合一定几何要求的纯石英玻璃管；

相对折射率差：n₁和n₀分别为两种玻璃材料的折射率，在本发明中，n₀为纯石英玻璃的折射率；

壁厚：管状玻璃材料的单边的厚度，即壁厚＝(外径-内孔径)/2，单位为毫米(mm)；

CSA(Cross Section Area)：横截面积，单位为平方毫米(mm²)；

OVD工艺：用外部气相沉积和烧结工艺制备所需厚度的石英玻璃；

VAD工艺：用轴向气相沉积和烧结工艺制备所需厚度的石英玻璃；

APVD工艺：用高频等离子体焰将天然或合成石英粉熔制于芯棒表面制备所需厚度的石英玻璃；

RIC(RodIn Cylinder)工艺：将芯棒和套管经过处理：包括拉锥、延长、腐蚀、清洗和干燥等后，将芯棒插入套管中所组成的大尺寸光纤预制棒的制造工艺。

裸光纤：指光纤中不含涂覆层的玻璃丝。

本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：

将衬管作为基底管，使用PCVD或MCVD工艺进行掺杂沉积，所述的衬管为掺氟石英玻璃衬管或纯石英玻璃衬管；对于纯石英玻璃衬管，其外径为45mm～55mm，壁厚为2mm～4mm；对于掺氟石英玻璃衬管，内孔孔径为25mm～40mm，CSA为250mm²～1800mm²，衬管内界面的相对折射率差Δ₃₁为-0.2％～-0.35％，衬管外界面的相对折射率差Δ₃₂为-0.2％～-0.35％；所述的衬管羟基含量小于或等于0.10ppm；

用PCVD或MCVD工艺进行掺杂沉积，在反应气体四氯化硅(SiCl₄)和氧气(O₂)中，通入含氟的气体，引入氟(F)掺杂，通入四氯化锗(GeCl₄)，引入锗(Ge)掺杂，通过微波使衬管内的反应气体离子化变成等离子体，并最终以玻璃的形式沉积在衬管内壁，根据所述光纤波导结构的掺杂要求，通过改变混合气体中掺杂气体的流量，依次沉积各包层和芯层；

沉积完成后，用电加热炉将沉积衬管熔缩成实心芯棒；

将实心芯棒套入纯石英玻璃套管采用RIC工艺制得光纤预制棒，套管的内孔孔径与实心芯棒直径的差值为1.5mm～4mm；或者在芯棒上直接沉积纯SiO₂玻璃外包层制得光纤预制棒；

光纤预制棒的有效直径d为95mm～205mm。

按上述方案，在沉积衬管熔缩成实心芯棒后对实心芯棒进行腐蚀处理，实心芯棒腐蚀前后的直径差值达到0.5mm～4.5mm。

按上述方案，所述的光纤预制棒的芯棒内包层直径b与芯层直径a的比值b/a为1.8～2.8，芯棒下陷包层直径c与内包层直径b之差与芯层直径的比值(c-b)/a为1.0～2.8，光纤预制棒的有效直径d为95mm～205mm，其与光纤芯棒下陷包层直径c的比值d/c为3.5～5。

按上述方案，所述的掺氟石英玻璃衬管，其内界面的相对折射率差Δ₃₁与外界面的相对折射率差Δ₃₂之间的关系为Δ₃₁＝Δ₃₂，或者Δ₃₁＞Δ₃₂，或者Δ₃₁＜Δ₃₂，|Δ₃₁-Δ₃₂|在0％～0.1％之间。

按上述方案，所述的衬管羟基含量的进一步要求小于或等于0.05ppm，再进一步的要求小于或等于0.03ppm。

按上述方案，对于掺氟石英玻璃衬管，当其CSA小于所设计的芯棒中下陷包层所在的圆环面积，在沉积内包层之前，使用PCVD工艺沉积一部分掺氟的下陷包层，使得PCVD工艺沉积的掺氟下陷包层的CSA与掺氟衬管CSA之和等于所设计的芯棒中下陷包层所在的圆环面积，PCVD工艺沉积的掺氟下陷包层的相对折射率差用Δ₃₀₁来表示，要求Δ₃₀₁＜Δ₃₁，且Δ₃₀₁为-0.2％～-0.6％。

按上述方案，对于纯石英玻璃衬管，在沉积内包层之前，使用PCVD工艺沉积全部的掺氟下陷包层，使得PCVD工艺沉积的掺氟下陷包层的CSA等于所设计的芯棒中下陷包层所在的圆环面积，PCVD工艺沉积的掺氟下陷包层的相对折射率差用Δ₃₀₂来表示，要求Δ₃₀₂为-0.2％～-0.6％。

按上述方案，所述的直接沉积纯SiO₂玻璃外包层的方法为OVD或VAD或APVD方法，对于VAD或OVD方法，芯棒与芯层直径的比值c/a大于或等于4.2；对于APVD方法，芯棒与芯层直径的比值c/a大于或等于3.5。

按上述方案，所述的光纤预制棒芯层的相对折射率差Δ₁为0.32％～0.36％，内包层的相对折射率差Δ₂为-0.07％～-0.02％。

本发明高抗疲劳参数的弯曲不敏感低水峰单模光纤制造方法的技术方案为：

对于用RIC工艺制备的光纤预制棒，用拉丝炉直接将其拉丝成纤，拉丝过程中，对芯棒和套管之间抽真空，其内压力为1,000pa～10,000pa；或者先在拉伸塔上将纯石英玻璃套管和芯棒熔缩拉伸成小尺寸预制棒，直径为60mm～100mm，再上拉丝炉拉丝，熔缩拉伸过程中，对芯棒和套管之间抽真空，其内压力为1,000pa～10,000pa；拉丝炉的拉丝速度为1300m/min至1600m/min，拉丝过程中，对裸光纤进行两层涂料的涂覆，第一次涂覆，所用涂料的模量为0.8MPa～1.5MPa，其玻璃化转变温度为-55℃～-35℃，较小的模量和较低的玻璃化转变温度可以有利于提高光纤的弯曲性能，特别是微弯性能，同时采用特定模量的涂料，有效阻止裸光纤表面的微裂纹的增长，提高光纤的机械性能。对经过第一次涂覆的光纤进行第二次涂覆，所用涂料的模量为900MPa～1100MPa，其玻璃化转变温度为60℃～80℃，较高的模量和较高的玻璃化转变温度可以使得涂料提供给光纤更好的机械保护，有效阻止外部环境和应力对光纤的不利影响。按IEC 60793-1-33，采用两点弯曲的方法测光纤的抗疲劳参数值n_d值。其中，两点弯曲的方法接近于实际应用，其结果有利于预估光纤的长期的最小可弯曲半径。

按上述技术方案制造的光纤的特征在于：

光纤在1310nm波长的模场直径在8.4μm～9.2μm之间；

光纤在1310nm波长的衰减系数≤0.344dB/km；

光纤在1383nm波长的衰减系数≤0.324dB/km；

光纤在1550nm波长的衰减系数≤0.204dB/km；

光纤在1625nm波长的衰减系数≤0.214dB/km；

在1625nm波长处，光纤在7.5mm弯曲半径一圈的情况下，弯曲附加损耗≤0.2dB；

在1625nm波长处，光纤在5.0mm弯曲半径一圈的情况下，弯曲附加损耗≤0.4dB；

光纤的抗疲劳参数n_d值≥27；

光纤的光缆截止波长≤1260nm；

光纤的零色散波长点在1300nm～1324nm之间；

光纤的零色散波长点的斜率≤0.092ps/nm²*km。

本发明的有益效果在于：1.本发明光纤预制棒的有效直径d达95mm～205mm，光纤预制棒由芯棒和套管一次套接而成，或由芯棒直接沉积外包层而成，预制棒结构简单，单根预制棒拉丝长度可以达到2000km以上，拉丝速度可达1300m/min以上，从而有效提高了生产效率，降低了生产成本，本发明工艺简单灵活，特别适合于大规模的生产抗弯曲的低水峰单模光纤；2.由于光纤预制棒内的芯层部分远离芯棒与套管之间、或者芯棒与外包沉积部分之间的界面，足够的包层厚度可以有效阻挡羟基及杂质向芯层的扩散，有利于降低水峰处的衰减值以及优化光纤的衰减性能，保证光纤的低水峰性能和低衰减性能；3.掺氟衬管和PCVD沉积工艺可以实现下陷包层的设计，有效降低光纤因弯曲而引起的光损耗，并且由于预制棒内只存在芯棒表面与套管内壁之间，或者与沉积的外包层之间唯一的一个界面，因此可以有效降低在界面上形成缺陷的几率，减小缺陷的数量，加之光纤外层特定模量涂层的包覆，使得光纤的抗疲劳参数n_d值明显提高，光纤的机械性能和强度得到改善和提高，光纤的光学抗弯曲性能和机械抗弯曲性能得到进一步优化；本发明的光纤在7.5mm和5.0mm弯曲半径下，在1625nm分别具有0.2dB/圈和0.4dB/圈甚至更小的弯曲附加损耗，具有极低的因弯曲而引起的光损耗，特别适合于光纤在小弯曲半径下的使用，如应用于光纤接入网(FTTx)或者小型化的光器件中，同时该光纤保持了与G.652光纤的兼容。此外，本发明的光纤预制棒的制造方案并不仅仅局限于G.657光纤，也可用于生产具有掺氟下陷包层结构的其它类型光纤，例如G.652光纤或者多模光纤。

附图说明

图1～图5为本发明的掺氟衬管的折射率剖面示意图。

图6为光纤弯曲半径与其引起的张应力之间的关系图。

图7为本发明一个实施例的预制棒折射率剖面的示意图。

图8为本发明另一个实施例的预制棒折射率剖面的示意图。

图9为本发明第三个实施例的预制棒折射率剖面的示意图。

图10为本发明采用RIC工艺的预制棒的示意图。图中：101为芯棒，102为套管，103为套管的延长管，104为芯棒的延长棒，105为RIC预制棒的堵头，106为气压控制口。

图11为本发明的芯棒的剖面示意图之一。图中：111为PCVD沉积的芯层，112为PCVD沉积的内包层，113为掺氟衬管部分，114为套管部分。

图12为本发明的芯棒的剖面示意图之二。图中：121为PCVD沉积的芯层，122为PCVD沉积的内包层，123为PCVD沉积的部分掺氟下陷包层，124为掺氟衬管部分，125为套管部分。

图13为本发明的芯棒的剖面示意图之三。图中：131为PCVD沉积的芯层，132为PCVD沉积的内包层，133为PCVD沉积的掺氟下陷包层，134为纯石英玻璃衬管部分，135为套管部分。

图14为本发明的光纤的微弯损耗的衰减谱。

图15为本发明的预制棒与光纤的制造工艺流程图。

图16是本发明采用OVD和APVD制造外包层时芯棒的c/a与光纤水峰衰减的关系曲线。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。

实施例1：

以PCVD工艺制备光纤芯棒，所用的衬管为掺氟衬管，由OVD工艺制备，沉积前对掺氟衬管进行清洗并充分干燥，将沉积后的掺氟管在电加热炉中熔缩成实心芯棒，芯棒经腐蚀、清洗、干燥后采用RIC工艺与高纯石英管组装成RIC工艺预制棒，预制棒的主要参数如表1所示；将RIC预制棒直接拉丝，采用两层光纤涂覆材料，拉丝速度为1500m/min，光纤的丝径为125±0.7μm，控制RIC内压力为1,000pa～10,000pa。所拉光纤的主要性能参数如表2所示。

表1.实施例1的预制棒的基本参数

表2.实施例1的所拉光纤的主要性能

在实施例1中，所用掺氟衬管的CSA满足所设计的芯棒中下陷包层所在的圆环的面积，所以在PCVD沉积时可以直接沉积内包层和芯层。

实施例1中，预制棒的折射率剖面示意图如图7所示，芯棒的剖面示意图如图11所示。

同样采用PCVD管内法，实施例1与中国公开专利CN 101585658A相比，在玻璃原材料方面，直接减少了一根衬管的使用量；在设备方面，减少了一次芯棒的熔缩，也就是说减少了一台熔缩车床的占用量；在工艺处理方面，减少了对低水峰芯棒的腐蚀、清洗、干燥等步骤，直接减少了相应的设备、原材料、人工等方面的消耗。同时也优化了光纤的衰减性能、机械性能以及弯曲性能等关等关键参数。

实施例2：

在OVD或VAD制造外包层沉积过程中，由于用到H2/O2焰，因而对芯棒的羟基污染是明显的；在采用APVD工艺时，不仅所沉积的玻璃中羟基含量较高，而且环境中的羟基也会被吸附在靶棒上并向内扩散；一旦羟基扩散到芯棒的芯层就会引起光纤水峰的增加，羟基能否向内扩散到芯棒的芯层主要取决于扩散距离和扩散系数。增加扩散距离的方法就是增加芯棒的c/a值。采用实施例1中的同样方法制造c/a值不同的芯棒，并分别采用OVD和APVD工艺制造外包层，制造外径为145-155mm的预制棒，再拉成光纤，裸光纤直径为125±0.7μm，所得光纤的水峰衰耗与c/a的关系如图16所示。采用本发明的技术，利用OVD或APVD工艺制造外包，同样可获得满足ITU-T G.652.D和G.657标准的光纤预制棒和光纤；由于VAD制造外包的工艺和OVD工艺机理一样，因而对于OVD或VAD外包，需要芯棒的c/a大于等于4.2；对于APVD外包，需要芯棒的c/a大于等于3.5。

实施例3：

以PCVD工艺制备光纤芯棒，所用的衬管为掺氟衬管，由OVD工艺制备，沉积前对掺氟衬管进行清洗并充分干燥，将沉积后的掺氟管在电加热炉中熔缩成实心芯棒，芯棒经腐蚀、清洗、干燥后采用RIC工艺与高纯石英管组装成RIC工艺预制棒，预制棒的主要参数如表3所示；将RIC预制棒直接拉丝，采用两层光纤涂覆材料，拉丝速度为1500m/min，光纤的丝径为125±0.7μm，控制RIC内压力为1,000pa～10,000pa。所拉光纤的主要性能参数如表4所示。

在实施例3中，所用掺氟衬管的CSA小于所设计的芯棒中下陷包层所在的圆环的面积，所以在PCVD工艺沉积内包层和芯层之前需要沉积部分掺氟下陷包层，使得PCVD工艺沉积的掺氟下陷包层的CSA与掺氟衬管CSA之和等于所设计的芯棒中下陷包层所在的圆环的面积，然后再依次沉积内包层和芯层。

实施例3中，预制棒的折射率剖面示意图如图8所示，芯棒的剖面示意图如图12所示。

表3.实施例3的预制棒的基本参数

表4.实施例3的所拉光纤的主要性能

从实施例3中可以看出，在掺氟衬管的CSA不能满足所设计的芯棒中下陷包层所在的圆环的面积时，完全可以通过PCVD工艺来沉积掺氟下陷包层，使得PCVD工艺沉积的掺氟下陷包层的CSA与掺氟衬管CSA之和等于所设计的芯棒中下陷包层所在的圆环的面积。根据实施例3中所采用的技术方案制造的光纤，其抗弯曲性能完全可以满足ITU-T中G.657光纤标准中的指标要求。

实施例4：

以PCVD工艺制备光纤芯棒，所用的衬管为纯石英玻璃衬管，由OVD工艺制备，沉积前对衬管进行清洗并充分干燥。以衬管为基底，使用PCVD工艺依次沉积掺氟下陷包层、内包层和芯层。将沉积后的衬管在电加热炉中熔缩成实心芯棒，芯棒经腐蚀、清洗、干燥后采用RIC工艺与高纯石英管组装成RIC工艺预制棒，预制棒的主要参数如表5所示；将RIC预制棒直接拉丝，采用两层光纤涂覆材料，拉丝速度为1500m/min，光纤的丝径为125±0.7μm，控制RIC内压力为1,000pa～10,000pa。所拉光纤的主要性能参数如表6所示。

在实施例4中，通过PCVD工艺沉积掺氟下陷包层，使其CSA等于所设计的芯棒中下陷包层所在的圆环的面积，然后再依次沉积内包层和芯层。

实施例4中，预制棒的折射率剖面示意图如图9所示，芯棒的剖面示意图如图13所示。

表5.实施例4的预制棒的基本参数

表6.实施例4的所拉光纤的主要性能

在实施例4中，通过使用PCVD工艺沉积掺氟下陷包层，实现芯棒设计的要求，所拉制光纤的抗弯曲性能同样完全满足ITU-T中G.657光纤标准中的指标要求。

实施例1～4的结果表明，按本发明的技术方案，可以制造直径大于100mm的光纤预制棒，拉丝速度可以高于1300m/min，所拉光纤完全满足ITU-T G.652.D和G.657标准，光纤具有低水峰、抗疲劳参数高以及宏弯附加损耗小的特性。

Claims (9)

1.一种大尺寸光纤预制棒的制造方法，其特征在于

将衬管作为基底管，使用PCVD或MCVD工艺进行掺杂沉积，所述的衬管为掺氟石英玻璃衬管或纯石英玻璃衬管；对于纯石英玻璃衬管，其外径为45mm～55mm，壁厚为2mm～4mm；对于掺氟石英玻璃衬管，内孔孔径为25mm～40mm，CSA为250mm²～1800mm²，衬管内界面的相对折射率差Δ₃₁为-0.2％～-0.35％，衬管外界面的相对折射率差Δ₃₂为-0.2％～-0.35％；所述的衬管羟基含量小于或等于0.10ppm；

用PCVD或MCVD工艺进行掺杂沉积，在反应气体四氯化硅(SiCl₄)和氧气(O₂)中，通入含氟的气体，引入氟(F)掺杂，通入四氯化锗(GeCl₄)，引入锗(Ge)掺杂，通过微波使衬管内的反应气体离子化变成等离子体，并最终以玻璃的形式沉积在衬管内壁，根据所述光纤波导结构的掺杂要求，通过改变混合气体中掺杂气体的流量，依次沉积各包层和芯层；

沉积完成后，用电加热炉将沉积衬管熔缩成实心芯棒；

将实心芯棒套入纯石英玻璃套管采用RIC工艺制得光纤预制棒，套管的内孔孔径与实心芯棒直径的差值为1.5mm～4mm；或者在芯棒上直接沉积纯SiO₂玻璃外包层制得光纤预制棒；

光纤预制棒的有效直径d为95mm～205mm；

所述的光纤预制棒的芯棒内包层直径b与芯层直径a的比值b/a为1.8～2.8，芯棒下陷包层直径c与内包层直径b之差与芯层直径的比值(c-b)/a为1.0～2.8，光纤预制棒的有效直径d与光纤芯棒下陷包层直径c的比值d/c为3.5～5；

所述CSA为横截面积；

所述相对折射率差为：Δn＝[(n₁ ²-n₀ ²)/2n₁ ²]×100％，n₁和n₀分别为两种玻璃材料的折射率，n₀为纯石英玻璃的折射率。

2.按权利要求1所述的大尺寸光纤预制棒的制造方法，其特征在于在沉积衬管熔缩成实心芯棒后对实心芯棒进行腐蚀处理，实心芯棒腐蚀前后的直径差值达到0.5mm～4.5mm。

3.按权利要求1或2所述的大尺寸光纤预制棒的制造方法，其特征在于所述的掺氟石英玻璃衬管，其内界面的相对折射率差Δ₃₁与外界面的相对折射率差Δ₃₂之间的关系为Δ₃₁＝Δ₃₂，或者Δ₃₁＞Δ₃₂，或者Δ₃₁＜Δ₃₂，|Δ₃₁-Δ₃₂|在0％～0.1％之间。

4.按权利要求1或2所述的大尺寸光纤预制棒的制造方法，其特征在于对于掺氟石英玻璃衬管，当其CSA小于所设计的芯棒中下陷包层所在的圆环面积，在沉积内包层之前，使用PCVD工艺沉积一部分掺氟的下陷包层，使得PCVD工艺沉积的掺氟下陷包层的CSA与掺氟衬管CSA之和等于所设计的芯棒中下陷包层所在的圆环面积，PCVD工艺沉积的掺氟下陷包层的相对折射率差用Δ₃₀₁来表示，要求Δ₃₀₁＜Δ₃₁，且Δ₃₀₁为-0.2％～-0.6％。

5.按权利要求1或2所述的大尺寸光纤预制棒的制造方法，其特征在于对于纯石英玻璃衬管，在沉积内包层之前，使用PCVD工艺沉积全部的掺氟下陷包层，使得PCVD工艺沉积的掺氟下陷包层的CSA等于所设计的芯棒中下陷包层所在的圆环面积，PCVD工艺沉积的掺氟下陷包层的相对折射率差用Δ₃₀₂来表示，要求Δ₃₀₂为-0.2％～-0.6％。

6.按权利要求1或2所述的大尺寸光纤预制棒的制造方法，其特征在于所述的直接沉积纯SiO₂玻璃外包层的方法为OVD或VAD或APVD方法，对于VAD或OVD方法，芯棒与芯层直径的比值c/a大于或等于4.2；对于APVD方法，芯棒与芯层直径的比值c/a大于或等于3.5。

7.按权利要求1或2所述的大尺寸光纤预制棒的制造方法，其特征在于所述的光纤预制棒芯层的相对折射率差Δ₁为0.32％～0.36％，内包层的相对折射率差Δ₂为-0.07％～-0.02％。

8.一种按权利要求1或2所述的大尺寸光纤预制棒制造光纤的方法，其特征在于对于用RIC工艺制备的光纤预制棒，用拉丝炉直接将其拉丝成纤，拉丝过程中，对芯棒和套管之间抽真空，其内压力为1,000pa～10,000pa；或者先在拉伸塔上将纯石英玻璃套管和芯棒熔缩拉伸成小尺寸预制棒，直径为60mm～100mm，再上拉丝炉拉丝，熔缩拉伸过程中，对芯棒和套管之间抽真空，其内压力为1,000pa～10,000pa；拉丝炉的拉丝速度为1300m/min至1600m/min，拉丝过程中，对裸光纤进行两层涂料的涂覆，第一次涂覆，所用涂料的模量为0.8MPa～1.5MPa，其玻璃化转变温度为-55℃～-35℃，对经过第一次涂覆的光纤进行第二次涂覆，所用涂料的模量为900MPa～1100MPa，其玻璃化转变温度为60℃～80℃。

9.按按权利要求8所述的大尺寸光纤预制棒制造光纤的方法，其特征在于所制造的光纤在1310nm波长的模场直径在8.4μm～9.2μm之间；光纤在1310nm波长的衰减系数≤0.344dB/km；光纤在1383nm波长的衰减系数≤0.324dB/km；光纤在1550nm波长的衰减系数≤0.204dB/km；光纤在1625nm波长的衰减系数≤0.214dB/km。

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