CN102276145B - 一种光波导轴向均匀的光纤预制棒制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光波导轴向均匀的光纤预制棒制作方法，属于光通信技术，该方法按光纤波导的归一化结构进行工艺设计和控制，其首先采用管内化学气相沉积法在石英玻璃管内沉积包层和芯层，经轴向控制使各层的归一化尺寸和折射率一致，归一化尺寸为各层相对于其中一层的比例系数，经高温熔缩成芯棒；其次将芯棒延伸制成沉积靶棒；接着采用轴向化学气相沉积法制备SiO₂粉尘外包层，经轴向控制沉积由光纤波导归一化尺寸所决定的SiO₂粉尘外包层；最后将SiO₂粉尘外包层烧结成透明玻璃棒体即成光纤波导均匀的光纤预制棒。本工艺方法灵活、简便，所得预制棒的光波导均匀，有效利用两端锥度，增加有效长度，降低成本，可高速率生产。

Description

一种光波导轴向均匀的光纤预制棒制作方法

技术领域

 本发明属于光纤制造领域，具体是一种用管内化学气相沉积法结合外部轴向化学气相沉积法制作光纤波导轴向均匀的光纤预制棒的方法。

背景技术

用于通信传输的光纤是由预制棒经拉丝而制成，光纤预制棒的制作是光纤生产中的一个核心环节,主要决定光纤的结构与光学性能。在现有技术中已存在几种生产光纤预制棒的工艺方法，按光纤折射率剖面的制造方法划分，可以分成两大类：管内沉积法，包括等离子化学气相沉积法（PCVD）与改进的化学气相沉积法（MCVD）；外部沉积法，包括气相轴向沉积法(VAD )和外部气相沉积法（OVD）。其中VAD法和OVD法，能够以高速率制作大型光纤预制棒，但外部化学气相沉积法对光纤波导结构的控制精度较低。PCVD法和MCVD法能生产出波导结构复杂而精度高的光纤预制棒，但由于受到基管直径/壁厚的限制，单独使用时存在着生产成本高、沉积速率较低等不足，难以制作大型光纤预制棒。而以高速制造大型光纤预制棒是全面提高光纤生产速率、降低成本、增强光纤生产企业市场竞争力的关键, 所以光纤预制棒都采用“两步法”制造工艺，第一步采用前述四种工艺中的一种制造芯棒，形成光纤的折射率剖面（光波导），第二步制造外包层，主要采用VAD、OVD或套管法(RIT/RIC)，增加单根预制棒的拉丝长度，提高生产效率，降低光纤生产成本。

改进的化学气相沉积（MCVD）工艺和等离子化学气相沉积（PCVD）工艺对折射率剖面控制精确，适合制造具有复杂折射率剖面形状的光纤，如非零色散位移单模光纤（G.655和G.656光纤）。这两种同属于管内法的工艺，沉积时两端由于反向而形成锥度, 如折射率剖面沿轴向分布不均匀（光学锥度），或沉积厚度沿轴向分布不均匀（几何锥度）。沉积锥度效应影响芯棒的纵向均匀性，减少了芯棒的有效长度。一般通过优化工艺参数和改进控制等方式，可以适当抑制锥度效应引起的不均匀性。但是，对于G.655、G656类光纤而言，芯层剖面采用多层结构的设计，较为复杂，减小锥度效应需要更复杂的参数调整与工艺控制技术，增大了工艺难度，芯棒的利用率很难提高，影响预制棒长度的增加。

RIT/RIC法是将预制棒的芯棒直接放进高纯度石英外套管而组合成预制棒，或对组合预制棒进行高温加热，将石英套管与芯棒熔合一体制成光纤预制棒,或者将组合预制棒直接抽真空拉丝成光纤(如申请号为200510091570.7、公开号为CN1837868A；申请号为20051009304.3、公开号为CN1760150A的中国发明专利申请；申请号为09/515227、专利号为US6460378 B1；申请号为09/581734、专利号为US6484540 B1的美国发明专利申请所述)。从工艺上看，套管法较为简单，已经用于常规生产。但这种方法存在某些缺陷：所生产的预制棒/光纤的芯-包层同心度误差较大；套管的尺寸必需按照芯棒的尺寸匹配；高纯度石英套管难以制造，大尺寸的套管要求的几何精度高，依赖外购或进口，成本相对较高。

外部沉积OVD工艺（如申请号为09/689389、专利号US6546759 B1的美国专利申请，申请号为10/188863、专利号US6941772 B2的美国专利申请；申请号为200410057462.3，授权公告号为CN1275888C的中国专利申请）和VAD沉积工艺（如申请号为10/142466、专利号为US6923024 B2的美国专利申请，申请号为P2006-32686、公开号为P2007-210817A的日本专利申请），采用SiCl₄为原料，通过火焰水解反应沉积疏松多孔的SiO₂粉尘外包层，然后将其脱水致密化形成透明的预制棒。两种方法都具有原材料成本低，工艺调整方便灵活，理论上尺寸可以做得足够大等优势，是适合制备外包层的方法。

利用管内法（MCVD，PCVD）以高速率制造折射率复杂而精度较高的大型光纤预制棒，已经有的文献资料显示，出现了的一些组合工艺制造方法，如改进的化学气相沉积和管外气相沉积组合工艺制造方法（MCVD+OVD制造方法），等离子化学气相沉积和套管法组合工艺制造方法（PCVD+RIT/RIC制造方法）。但是，已有的这些组合工艺方法都没有解决芯棒锥度所带来的均匀性问题，所以预制棒的有效长度和利用率，拉成光纤的均匀性，以及光纤的生产效率都很难进一步提高。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服上述现有技术存在的因芯棒存在锥度而利用率低以及制得的预制棒拉成光纤的均匀性不高的缺陷，提供一种利用管内法（MCVD或PCVD）制备芯棒与VAD工艺制备外包层的组合预制棒工艺，通过光纤波导归一化的控制方法，使预制棒的光纤波导均匀一致，而不是几何尺寸一致，从而能够有效地利用沉积锥度部分，增加预制棒有效长度，即增加拉制光纤长度，提高光纤的均匀性和生产效率的光波导轴向均匀的光纤预制棒制作方法。

为达到上述目的，本发明的光波导轴向均匀的光纤预制棒制作方法包括以下步骤：

A、采用管内化学气相沉积方法制备芯棒，经轴向控制使芯棒各层的归一化尺寸和折射率一致；

B、将芯棒延伸制成靶棒；

C、采用轴向化学气相沉积法在靶棒上制备SiO₂粉尘外包层，经轴向控制沉积由光纤波导的归一化尺寸决定的外包层，将疏松的SiO₂粉尘外包层烧结致密化即得到光纤波导均匀的预制棒；

其中，归一化尺寸为各层相对于其中一层的比例系数。

作为优选技术措施，所述的管内化学气相沉积方法是将原料气体通入石英玻璃基管中，在高温条件下进行化学反应得到粉尘沉积到基管内表面，当芯棒的包层和芯层沉积完毕后，在更高温度下使基管、芯棒的包层和芯层塌缩成一实心玻璃棒成为芯棒。

作为优选技术措施，根据目标预制棒的外径和芯棒的收缩比例设定延伸目标来延伸芯棒制成靶棒。

作为优选技术措施，所述的轴向化学气相沉积法在靶棒上制备SiO₂粉尘外包层是将反应原料通入输送系统送入沉积腔，用火焰水解反应产生SiO₂粉尘，SiO₂粉尘沉积在靶棒上形成疏松的SiO₂粉尘外包层。

作为优选技术措施，根据靶棒的规格尺寸数据以及光纤波导归一化尺寸的要求设定需要的外包层及沉积外包层时对靶棒的提升速度，对靶棒的提升速度为外包层的沉积重量除以沉积速度所得的商。

作为优选技术措施，靶棒的提升速度V=0.579W/(G_i ²·Ro_i ²-Ro²)，其中W为SiO₂粉尘的沉积速度，G_i为光纤外径对第i层的归一化结构系数，Ro、Ro_i分别为靶棒和靶棒第i层的直径。

本工艺方法的核心思想是按照光纤波导的归一化结构参数，采用轴向控制调节技术进行制作。在制作的第一步，利用管内法（MCVD，PCVD）对剖面控制精确性的优势高制备芯棒，不是如先前工艺那样采用复杂的调节方法一味地追求芯棒各层的几何尺寸和折射率均匀一致，而是采用轴向调节控制技术，如调节加热的氢氧火焰的移动速度的方法，使芯棒中沉积层的归一化尺寸和折射率均匀一致，这样简化了制作的难度。在制作的第二步中，利用VAD法在轴向对外包层沉积进行控制，制备相应的为光纤波导所要求的外包层，如采用调节棒体提升速度的方法，力求预制棒中光纤波导均匀一致，而不是如先前工艺那样一味地追求外包层的尺寸均匀一致。因为，预制棒中光纤波导均匀一致，可以确保拉制成光纤的波导结构均匀一致，而且有效地利用芯棒沉积锥度部分，增加预制棒可拉光纤长度，提高光纤的均匀性和生产效率。

本发明的积极效果是：

1、同以往预制棒的制作工艺相比，本发明基于管内法工艺沉积的自然锥度效应和VAD沉积法轴向沉积的特点，按归一化的光纤波导结构进行工艺控制，复杂的芯棒锥度问题通过简单的轴向控制调节方法，有效解决，增加了预制棒的有效长度和利用率，改善拉成光纤的均匀性，提高光纤的生产效率。

2、对于波导结构复杂的光纤而言，本发明可获得精度较高的均匀光纤波导结构，简化了工艺难度。

3、由于VAD外包层沉积是以芯棒的中心为轴心对称沉积的，预制棒/光纤的芯包层同心度误差比套管法小，而且对于大型预制棒，也免了OVD法横向沉积中自重的影响，光纤的偏振模色散低。

4、由高纯四氯化硅火焰水解制备的外包层沉积材料是合成石英玻璃，纯度极高，可改善光纤的拉丝强度特性。

5、本发明对光纤的性能控制精确，工艺控制具有灵活性，不需要增加设备的投资。

附图说明

图1是本发明实施例1光纤的折射率剖面示意图。

图2是本发明实施例2光纤的折射率剖面示意图。

图3是本发明的工艺流程示意图。

图4是本发明实施例1中内包层、芯层的沉积示意图。

图5是本发明实施例1中沉积后石英管塌缩示意图。

图6是本发明实施例1中VAD包层沉积示意图。

图7是本发明实施例1中芯棒1-4层的直径沿轴向的分布示意图。

图8是本发明实施例1中芯棒以第一芯层为参考的归一化结构参数的轴向分布示意图。

图9是本发明实施例1中预制棒外径与第4层直径的轴向分布示意图。

图10是本发明实施例1中预制棒外径与第4层直径比值的轴向分布示意图。

图11是本发明实施例1中光纤性能分布示意图。

图12是本发明实施例2中芯棒1-5层的直径沿轴向的分布示意图。

图13是本发明实施例2中芯棒以第一芯层为参考的归一化结构参数的轴向分布示意图。

图14是本发明实施例2中预制棒外径与第5层直径的轴向分布示意图。

图15是本发明实施例2中预制棒外径与第5层直径比值的轴向分布示意图。

图16是本发明实施例2中光纤性能分布示意图。

其中：

图1中，i代表从内到外光纤的结构层，Ri为各层的直径，Δi为各层的折射率相对于最外层5，6的折射率的相对折射率，i=1～5。

图2中，i代表从内到外光纤的结构层，Ri为各层的直径，Δi为各层的折射率相对于最外层5，6的折射率的相对折射率，i=1～6。

图4中，a代表石英玻璃沉积基管，b代表氢氧喷灯，c代表沉积的玻璃层，d代表沉积的粉尘玻璃，e代表混合的气体工艺原料，f代表管内的化学反应，g代表废气排除和处理。

图5中，b代表氢氧喷灯，h代表塌缩完成的芯棒，i代表未塌缩的部分，g代表废气排除和处理。

图6中，h’代表沉积靶棒，j代表SiO₂粉尘外包层，k代表沉积的石英喷灯，V代表棒体提升速度，X代表旋转轴。

图7、12中，纵坐标R为芯棒各层直径（单位 mm），横坐标P为检测点距离芯棒头部尖端的位置（单位 mm）。

图8、13中，纵坐标G为芯棒各层直径对第1层的比值，横坐标P为检测点距离芯棒头部尖端的位置（单位 mm）。

图9、14中，纵坐标R为直径（单位 mm），横坐标P为检测点距离预制棒头部尖端的位置（单位 mm）。

图10、15中，纵坐标G为预制棒直径对第5层的比值，横坐标P为检测点距离预制棒头部尖端的位置（单位 mm）。

图11、16中，纵坐标：D为色散（单位 ps/nm/km），Ds0为零色散斜率（单位 ps/nm2/km），λ为波长（单位nm），MFD为模场直径（单位um）；横坐标L为光纤长度，单位km，λc为截止波长，λ0为零色散波长。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明做进一步说明。

本发明的光波导轴向均匀的光纤预制棒制作方法包括以下步骤：

A、采用管内化学气相沉积方法制备芯棒，经轴向控制使芯棒各层的归一化尺寸和折射率一致；

B、将芯棒延伸制成靶棒；

C、采用轴向化学气相沉积法在靶棒上制备SiO₂粉尘外包层，经轴向控制沉积由光纤波导的归一化尺寸决定的外包层，将疏松的SiO₂粉尘外包层烧结致密化即得到光纤波导均匀的预制棒；

其中，归一化尺寸为各层相对于其中一层的比例系数。

作为优选技术措施，所述的管内化学气相沉积方法是将原料气体通入石英玻璃基管中，在高温条件下进行化学反应得到粉尘沉积到基管内表面，当芯棒的包层和芯层沉积完毕后，在更高温度下使基管、芯棒的包层和芯层塌缩成一实心玻璃棒成为芯棒。

作为优选技术措施，根据目标预制棒的外径和芯棒的收缩比例设定延伸目标来延伸芯棒制成靶棒。

作为优选技术措施，所述的轴向化学气相沉积法在靶棒上制备SiO₂粉尘外包层是将反应原料通入输送系统送入沉积腔，用火焰水解反应产生SiO₂粉尘，SiO₂粉尘沉积在靶棒上形成疏松的SiO₂粉尘外包层。

作为优选技术措施，根据靶棒的规格尺寸数据以及光纤波导归一化尺寸的要求设定需要的外包层及沉积外包层时对靶棒的提升速度，对靶棒的提升速度为外包层的沉积重量除以沉积速度所得的商。

作为优选技术措施，靶棒的提升速度V=0.579W/(G_i ²·Ro_i ²-Ro²)，其中W为SiO₂粉尘的沉积速度[沉积速度W由沉积工艺条件（设备、工艺参数等因素）综合决定，一般通过反复测量单位时间内沉积的SiO₂粉尘的重量而得到，单位为g/min；就一设备而言，确定其工艺参数之后即可通过反复测量得到沉积速度，该沉积速度的统计平均值，可作为该确定工艺条件下的工艺常量]，G_i为光纤外径对第i层的归一化结构系数，Ro、Ro_i分别为靶棒和靶棒第i层的直径。

实施例1：

图1所示是本发明实施例1的一种G655光纤波导折射率分布曲线，光纤剖面采用五分层设计，其结构参数⊿_i（%）和R _i (um)分别为：层1，0.52,5.2；层2, -0.08,10.2；层3，0.29，15；层4，-0.08，20；层5，0，125。为了体现光纤波导结构的几何特征，方便工艺计算与控制，按层1的直径（R1）作归一化处理，即各层归一化直径R_i’=R_i/R₁(i=1～5),得到归一化尺寸：1，1.96，2.88，3.58，24.04。

图3是本发明的工艺流程示意图。按照图3制备本发明实施例1的G655光纤。图4和图5是本发明实施例1中采用MCVD法制作芯棒的过程。在图4 MCVD法芯棒制造中，采用外径33 mm，壁厚2 mm，长度1100 mm的进口合成石英管为基管，从管的一端向管内通入一定比例的四氯化硅蒸汽、三氯氧磷蒸汽、四氯化锗蒸汽和高纯氧气的混合气流，管的另一端用旋转密封接头与反应尾气处理系统相接。维持管内微正压10—20mm水柱。氢-氧焰喷灯加热石英玻璃管，温度1800—1900℃，引发化学反应，并在石英玻璃管内表面形成石英玻璃薄膜的沉积层，没有沉积的反应产物排除到尾气处理系统。先沉积包层，再沉积芯层，从外向内的包层到芯层分别沉积3，5，4，3层。如图5所示，通过高温（2000—2200℃）塌缩,把内表面沉积了包层和芯层的基管熔缩成一根实心玻璃棒，即为芯棒。制备的G.655芯棒外径为19.95mm，有效长度约950mm。

基于MCVD工艺沉积的自然锥度效应，在其它工艺参数保持相同的情况下，通过调节氢-氧焰喷灯的移动速度控制从内到外1-4层的厚度尺寸，使归一化尺寸为1，1.96，2.88，3.58。即在光纤设计范围内，各层折射率与归一化尺寸沿轴向保持一致。经预制棒分析仪测试合格后，得到芯棒的测试其剖面结构参数。图7所示是本发明实施例1芯棒中1-4层的直径沿轴向的分布，虽然芯棒存在明显锥度，但是1-4层直径的变化趋势相同。图8所示是本发明实施例1芯棒归一化尺寸的分布轴向分布，在工艺许可的控制精度范围内，芯棒归一化尺寸均匀一致，而折射率参数符合设计且波动较小，证明芯棒1-4层的波导结构沿轴向是相同的。

由于芯棒沉积SiO₂粉尘外包层后烧结成透明预制棒的过程中，产生轴向缩短而径向增粗的变化，烧结后预制棒的实际芯包层比例的控制，必须考虑收缩效应的影响。芯棒收缩比η为烧结后的长度与起始长度比。经过反复测试，芯棒的η的值为0.8，由此计算出预制棒外径和外包层曲线（所述的计算是设预制棒外径为R_P，预制棒外包层厚度为R_C，延伸芯棒第4层的直径为R₀₄，延伸芯棒的外径为R₀，预制棒外径对第4层的归一化系数为G₄；根据收缩比的物理意义和归一化波导系数的关系，预制棒R_P=η^-1/2 G₄ R₀₄，此为芯棒进行延伸的关系式；预制棒外包层厚度为预制棒的外径减去芯棒的外径，按照收缩比的物理意义，芯棒的外径=η^-1/2 R₀，R_C=η^-1/2 G₄ R₀₄-η^-1/2 R₀=η^-1/2（G₄ R₀₄-R₀），将各个位置的数据代入上述两个关系式，得到预制棒外径和外包层曲线）。将芯棒延伸，其平均外径17.84mm，长度约为1180mm。测量延伸芯棒的外径Ro和第四层的直径Ro₄。将延伸棒的1160mm制成VAD沉积靶棒进行外包层制作。图6所示是本发明实施例1采用VAD法制作外包层的示意。四氯化硅蒸汽和燃料气体用不同的管路通入喷灯，在喷灯的喷口处发生混合，氢－氧火焰使四氯化硅蒸汽发生水解反应生成白色的SiO₂粉尘。沉积过程中，靶棒围绕其轴心旋转并提升。火焰喷灯发生水解反应生成SiO₂粉尘堆积在靶棒表面成为多孔疏松的SiO₂外包层。SiO₂粉尘外包层的沉积速度为18 g/min，根据需要的SiO₂外包层设定VAD提升速度V, V=10.422/(45.16Ro₄ ²-Ro²),单位cm/min。通过提升速度控制沉积需要的足够量的SiO₂外包层。沉积完成以后，把形成多孔质坯棒垂直置入专用脱水－烧结炉内，炉中通入氧气和氯气，驱除水分和其它各种杂质；然后，将脱水－烧结炉升温到1600℃左右,多孔质坯棒经过高温烧结使疏松的多孔质坯棒转变为透明的光纤预制棒。经过预制棒分析仪检测，平均外径约为73.9mm，长度约900mm，芯棒内各层比例保持不变，预制棒的结构可简单地以第4层与外径来表示。图9所示是本发明实施例1的预制棒与第4层的直径轴向分布，图10所示是预制棒外径对第4层直径的比值。从图9看出，预制棒外径的锥度依然存在，但是从图10可以看出其归一化尺寸光学结构是均匀的，意味着拉成125um光纤后，其光纤的光学性能将是均匀的。预制棒共拉成光纤约300km,平均分成28盘光纤进行测试。光纤的各项指标都满足产品要求，主要性能指标：1530,1550,1565,1625nm的色散（Dispersion, D）均值分别为2.20,4.06，5.42,10.71 ps/nm/km, 零色散斜率（Zero Dispersion Slop, D_S0）为0.080ps/nm² /km,零色散波长（Zero Dispersion Wavelength，λ0）为1506nm,光纤截止波长（Cutoff wavelength,λc）为1334nm, 光缆截止波长（Cable cutoff wavelength,λcc）为1284nm，模场直径（Mode Field Diameter, MFD）为9.92um。图11所示是本发明实施例1所拉光纤的MFD、λ₀、λc、 S₀和D的分布，横坐标对应光纤长度。可见光纤的性能均匀性高，由于有效利用了锥度部分，预制棒的长度增加约15%，光纤的生产效率增加了近16%。

实施例2：

图2所示是本发明实施例2的一种G656光纤波导折射率分布曲线，光纤剖面采用六分层设计，其结构参数⊿_i（%）和R _i (um)分别为：层1，0.46,5.8；层2, 0.25,6.8；层3, -0.09,11.8；层4，0.25，16.8；层5，-0.16，19.8；层6，0，125。为了体现光纤波导结构的几何特征，方便工艺计算与控制，按层1的直径（R1）作归一化处理，即各层归一化直径R_i’=R _i /R₁(i=1～6),得到归一化尺寸：1，1.17，2.03，2.9，3.41，21.55。

图3是本发明的工艺流程示意图。按照图2制备本发明实施例2的G656光纤。图4和图5是本发明实施例2中采用MCVD法制作芯棒的过程。在图4 MCVD法芯棒制造中，采用外径33 mm，壁厚2 mm，长度1100 mm的进口合成石英管为基管，从管的一端向管内通入一定比例的四氯化硅蒸汽、三氯氧磷蒸汽、四氯化锗蒸汽和高纯氧气的混合气流，管的另一端用旋转密封接头与反应尾气处理系统相接。维持管内微正压10—20mm水柱。氢-氧焰喷灯加热石英玻璃管，温度1800-1900℃，引发化学反应，并在石英玻璃管内表面形成石英玻璃薄膜的沉积层，没有沉积的反应产物排除到尾气处理系统。先沉积包层，再沉积芯层，从外向内的包层到芯层分别沉积3，5，4，1，2层。如图5所示，通过高温（2000-2200℃）塌缩,把内表面沉积了包层和芯层的基管熔缩成一根实心玻璃棒，即为芯棒。制备的G.656芯棒平均外径约为20mm，有效长度约970mm。

基于MCVD工艺沉积的自然锥度效应，在其它工艺参数保持相同的情况下，通过调节氢-氧焰喷灯的移动速度控制从内到外1-5层的厚度尺寸，使归一化尺寸为1，1.17，2.03，2.9，3.41，即在光纤设计范围内，各层折射率与归一化尺寸沿轴向保持一致。经预制棒分析仪测试合格后，得到芯棒的测试其剖面结构参数。图12所示是本发明实施例2芯棒中1-5层的直径沿轴向的分布，虽然芯棒存在明显锥度，但是1-5层直径的变化趋势相同。图13所示是本发明实施例2芯棒归一化尺寸的分布轴向分布，在工艺许可的控制精度范围内，芯棒归一化尺寸均匀一致，而折射率参数符合设计且波动较小，证明芯棒1-5层的波导结构沿轴向是相同的。

由于芯棒沉积SiO₂粉尘外包层后烧结成透明预制棒的过程中，产生轴向缩短而径向增粗的变化，烧结后预制棒的实际芯包层比例的控制，必须考虑收缩效应的影响。芯棒收缩比η为烧结后的长度与起始长度比。经过反复测试，芯棒的η实验值为0.80，由此计算出预制棒外径和外包层曲线（所述的计算是设预制棒外径为R_P，预制棒外包层厚度为R_C，延伸芯棒第5层的直径为R₀₅，延伸芯棒的外径为R₀，预制棒外径对第5层的归一化系数为G₅；根据收缩比的物理意义和归一化波导系数的关系，预制棒R_P=η^-1/2 G₄ R₀₅，此为芯棒进行延伸的关系式；预制棒外包层厚度为预制棒的外径减去芯棒的外径，按照收缩比的物理意义，芯棒的外径=η^-1/2 R₀，R_C=η^-1/2 G₅ R₀₅-η^-1/2 R₀=η^-1/2（G₅ R₀₅-R₀），将各个位置的数据代入上述两个关系式，得到预制棒外径和外包层曲线）。将芯棒延伸，其平均外径17.94mm，长度约1200mm，测量延伸芯棒的外径Ro和第五层的直径Ro₅。将延伸棒的1180mm制成VAD沉积靶棒进行外包层制作。图5所示是本发明实施例1采用VAD法制作外包层的示意。四氯化硅蒸汽和燃料气体用不同的管路通入喷灯，在喷灯的喷口处发生混合，氢－氧火焰使四氯化硅蒸汽发生水解反应生成白色的SiO₂粉尘。沉积过程中，靶棒围绕其轴心旋转并提升。火焰喷灯发生水解反应生成SiO₂粉尘堆积在靶棒表面成为多孔疏松的SiO₂外包层。SiO₂粉尘外包层的沉积速度为20g/min，根据需要的SiO₂外包层设定VAD提升速度V, V=11.58/(39.94Ro₅ ²-Ro²)，单位cm/min。通过提升速度控制沉积需要的足够量的SiO₂外包层。沉积完成以后，把形成多孔质坯棒垂直置入专用脱水－烧结炉内，炉中通入氧气和氯气，驱除水分和其它各种杂质；然后，将脱水－烧结炉升温到1600℃左右,多孔质坯棒经过高温烧结使疏松的多孔质坯棒转变为透明的光纤预制棒。经过预制棒分析仪检测，平均外径为71.89mm，长度约910mm，芯棒内各层比例保持不变，预制棒的结构可简单地以第5层与外径来表示。图14所示是本发明实施例2的预制棒与第5层的直径轴向分布，图15所示是预制棒外径对第5层直径的比值。从图14看出，预制棒外径的锥度依然存在，但是从图15可以看出其归一化尺寸光学结构是均匀的，意味着拉成125um光纤后，其光纤的光学性能将是均匀的。预制棒共拉成光纤300km,平均分成28盘光纤进行测试。光纤的各项指标都满足产品要求，主要性能指标：1460，1530,1550,1565,1625nm的色散（Dispersion, D）均值分别为1.18，5.90,7.23，8.25,11.0 4ps/nm/km, 零色散斜率（Zero Dispersion Slop, D_S0）为0.064 ps/nm² /km,零色散波长（Zero Dispersion Wavelength，λ0）为1443nm,光纤截止波长（Cutoff wavelength, λc）为1333nm, 光缆截止波长（Cable cutoff wavelength, λcc）为1236nm，模场直径（Mode Field Diameter, MFD）为9.55um。图16所示是本发明实施例2所拉光纤的MFD、λ₀、λc、 S₀和D的分布，横坐标对应光纤长度。可见光纤的性能均匀性高，由于有效利用了锥度部分，预制棒的长度增加约14%，光纤的生产效率增加了近15%。

本发明中术语的定义：

相对折射率差Δ_i由以下方程式定义：

相对折射率差Δ_i = (n _i ²-n ₀ ²)/2n _i ²         (1)

其中n _i 为第i层的光纤折射率的最大值，n ₀ 为最外包层（纯二氧化硅玻璃部分）的折射率，在本申请中它为第六层的折射率，作为参考折射率。

光纤波导结构归一化结构尺寸直径R_i’定义为第i结构层直径R_i对第一层直径R₁的比值：

R_i’=R_i/R₁，i为结构层代号。

VAD包层沉积中轴向控制是实现预制棒外包层匹配的关键技术。按照光纤波导结构，光纤外径对第i层直径R_i的归一化结构系数G_i定义：

G_i=125/R_i,

延伸后的芯棒外径为Ro,对应第i层直径Ro_i,预制棒的理论外径设为D,则有D= G_i·Ro_i。

设VAD工艺SiO₂粉尘的沉积速度为W(g/min)，棒体提升速度为V(cm/min)，理论上外包层纯石英玻璃的密度为2.2g/cm²，可得到棒体提升速度的控制式V=f(W,Ro,Ro_i),

V=0.579W/( G_i ²·Ro_i ²- Ro²) 

芯棒收缩比η定义为

η=L₁/L₀，

其中，L₀为芯棒起始长度比，L₁为SiO₂粉尘外包层烧结后的长度。

Claims (4)

1.一种光波导轴向均匀的光纤预制棒制作方法，其特征是包括以下步骤：

A、采用管内化学气相沉积方法制备芯棒，经轴向控制使芯棒各层的归一化尺寸和折射率一致；

B、将芯棒延伸制成靶棒；

C、根据靶棒的规格尺寸数据以及光纤波导归一化尺寸的要求设定需要的外包层及沉积外包层时对靶棒的提升速度；对靶棒的提升速度V=0.579W/(G_i ²·Ro_i ²-Ro²)，其中W为SiO₂粉尘的沉积速度，G_i为光纤外径对第i层的归一化结构系数，Ro、Ro_i分别为靶棒和靶棒第i层的直径；采用轴向化学气相沉积法在靶棒上制备SiO₂粉尘外包层，经轴向控制沉积由光纤波导的归一化尺寸决定的外包层，将疏松的SiO₂粉尘外包层烧结致密化即得到光纤波导均匀的预制棒；

其中，归一化尺寸为各层相对于其中一层的比例系数。

2.根据权利要求1所述的光波导轴向均匀的光纤预制棒制作方法，其特征是：所述的管内化学气相沉积方法是将原料气体通入石英玻璃基管中，在高温条件下进行化学反应得到粉尘沉积到基管内表面，当芯棒的包层和芯层沉积完毕后，在更高温度下使基管、芯棒的包层和芯层塌缩成一实心玻璃棒成为芯棒。

3.根据权利要求1所述的光波导轴向均匀的光纤预制棒制作方法，其特征是：根据目标预制棒的外径和芯棒的收缩比例设定延伸目标来延伸芯棒制成靶棒。

4.根据权利要求1所述的光波导轴向均匀的光纤预制棒制作方法，其特征是：所述的轴向化学气相沉积法在靶棒上制备SiO₂粉尘外包层是将反应原料通入输送系统送入沉积腔，用火焰水解反应产生SiO₂粉尘，SiO₂粉尘沉积在靶棒上形成疏松的SiO₂粉尘外包层。

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