低水峰光纤预制棒的研究与制作工艺

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低水峰光纤预制棒的研究与制作工艺

李岩 秦皓天 刘耀午 高凌越 赵天宇

哈尔滨理工大学荣成校区,山东省威海市, 264300

摘    要:

低水峰光纤预制棒通常采用全合成法工艺来制备。从气相轴向沉积法(VAD)沉积、粉末棒脱羟、芯棒热处理等方面对该工艺进行了讨论。通过合理控制芯棒的d/a值、粉末棒密度以及优化粉末棒脱羟与芯棒酸蚀工艺等,可有效消除由低水峰光纤预制棒拉制的G.652D光纤在1 383nm波长处的水峰,使其满足密集型光波复用技术(DWDM)的运行需求,从而提高网络容量与传输速率。

一、什么是低水峰光纤

网络泡沫破灭后,光纤厂家纷纷将重点逐渐转向城域网。低水峰光纤逐渐被专家推荐为城域网光纤的最佳选择。
根据国际国内市场的需求和CWDM技术的发展应用前景,浙江富通光纤技术有限公司(FTO)依托光纤预制棒全合成技术的领先优势和严格的工艺控制,在2003年,率先在国内开发成功G652C低水峰光纤预制棒和低水峰光纤,并达到大规模生产、应用的程度。目前,已经安装使用的大部分光纤为G652A普通单模光纤,由于有残留水分,故受OH-吸收峰的影响,1383m波长附近的光信号衰减较大(采用MCVD工艺制造的光纤预制棒,其光纤水峰衰减速甚至达2.0dB/km以上), 所以普通G652A光纤仅能使1用30m150m两窗口,且一般只能提供8个CWDM信道。

而低水峰光纤通过消除内部的氢氧根(OH)离子,可以彻底地消除由之引起的1383m波长附近的附加水峰衰减,1383m处的衰减可可低至.28BAxm(接近于理论值)。
由图可见,低水峰光纤在消除1383nm波长附近的附加水峰衰减后,由原来分离的1310mm和1550am传输窗口,变成了一个很宽的大传输窗口,光纤的工作波长增加了100nm左右,使用波长可以从1290nm -直延伸到1610m,故低水峰光纤也称之为全波光纤。低水峰光纤的优势如下:
1、相比普通单模光纤,增加了50%以上的可用波长空间和带宽,故可开放更多的波分复用信道,可完全支持16信道CWDM系统或更高。

2、由于低水峰光纤内部已消除了氢氧根,不再受到1383nm水吸收峰的抬升影响,故1310nm和1550nm的衰减相比普通单模光纤要略低一些,且具有长期的衰减稳定性。
3、在日液(130m1460m的延伸波段),低水峰光纤的色教只有10m放段时
的米左右所以。低水峰光纤的无色散补偿传能断离将150m波段的的传输距离增加1倍以上,达70-100Km。
综上,低水峰光纤的优异性能,使之成为最适合于CWDM系统的光纤。低水峰光纤和CWDM相结合,将为网络运营商提供了额外的选择,以较低的成本增加光纤的总带宽及网络系统的传输距离。
相信CWDM和低水峰光纤的结合,将极大地促进CWDM技术的“泛普及。

二、低水峰光纤预制棒制作工艺过程

低水峰光纤预制棒采用气相轴向沉积法(VAD)沉积芯棒,外气相沉积法(OVD)沉积外包层的制造工艺,即全合成法(VAD+OVD)。典型的全合成法制造低水峰光纤预制棒的工艺流程。首先采用VAD法纵向沉积芯棒;沉积得到的粉末棒在烧结炉中进行脱羟、玻璃化,之后进行剖面检测;检测合格后,制成合适的目标棒径,并以此为靶棒,采用OVD法沉积外包层;外包层是未掺杂的SiO2,通过来回逐层沉积附着在芯棒表面,直至达到预期重量或棒径;粉末棒再次脱羟、玻璃化处理,最后得到透明的光纤预制棒。

芯棒VAD沉积工序是制造低水峰光纤预制棒的关键工序。典型的芯棒VAD沉积设备组成,其主要由原料和燃烧气体供应系统、反应沉积腔体(或称沉积室)、机械牵引系统、排废系统四个部分组成。供气系统中卤化物原料(如SiCl4、GeCl4等)由氩气载送,并从氢氧喷灯中喷出,经火焰水解反应形成SiO2、GeO2细玻璃粉末,进而沉积在沿轴向旋转的靶棒端部。随着粉末在靶棒上的不断沉积,通过监视、反馈系统,牵引装置自动提升靶棒,从而生长成圆柱状的多孔粉末棒。同时,通过PID(比例—积分—微分)自动排风、补风控制系统,保持沉积室中气氛环境和气压稳定,以保证棒体的轴向均匀性。沉积得到的粉末棒在Cl2、He氛围的烧结炉内进行脱羟、玻璃化,最终形成透明的玻璃棒。芯棒沉积层的折射率通过控制SiCl4、GeCl4以及H2、O2进料比例来控制,芯棒沉积层的厚度通过进料的流量来控制。 外包层的沉积与烧结工艺与芯棒的相似。

在低水峰光纤预制棒制造工序中芯棒粉末棒沉积工艺和脱羟工艺最为关键,必须对其进行严格控制。

在实际生产过程中,脱羟时间(提棒速度)、脱羟温度和脱水剂Cl2流量等脱羟工艺参数均对芯棒粉末棒脱羟效果有较大影响。在设定脱羟工艺参数时应综合考虑提棒速度、脱羟温度和Cl2流量的三者平衡。

此外,石墨烧结炉的结构设计对粉末棒脱羟效果也有较大影响,加热区较长、温度梯度较小的烧结设备的脱羟效果明显优于加热区短、温度梯度大的烧结设备。在实际生产中,还应注意根据不同的烧结炉结构进行脱羟工艺参数设定,以获得最佳的脱羟效果。

三、全贝低水峰光纤生成工艺
PCVD低水峰光纤生产的核心技术是PCVD制备芯棒的工艺:一根洁净的石英管作为PCVD沉积的衬管, 被固定在真空泵与气流控制器 (MFC) 之间。该装置可控制四氯化硅 (SiCl4) 、四氯化锗 (Ge Cl4) 与氧气 (O2) 发生类似反应后, 产生可提高折射率的掺杂物质二氧化锗 (GeO2) 。同时, 氟里昂气体 (C2F6) 中的主要成份氟反应生成物降低了折射率。通过这种方法可灵活地改变光纤折射率, 且沉积直接在透明的管壁上进行, 无任何粉尘产生。

通过对PCVD设备的改造, 大大提高了其密封性能, 使其更适合大尺寸预制棒的制造。同时开发了原材料的在线纯化技术, 使PCVD工艺更适合于高品质光纤的大规模工业化生产。

后续工艺依次为熔缩、套棒 (RIT) 、拉丝。拉出的光纤要经过各种测试, 以确定光纤的几何、光学、机械性能和环境性能等。

对于低水峰光纤, 还要求光纤具有良好的抗氢损老化能力, 以确保光纤光缆在使用寿命 (20年) 内衰减具有良好的稳定性。采用功能梯度的PCVD芯层和包层设计, 加上对制造工艺的优化, 使其具有优异的抗氢损老化性能, 能满足光纤使用寿命期间全波段范围内衰减稳定性的要求。

同时, PCVD低水峰光纤的PMD值很低, 并具有极高的稳定性, 在成缆、铺设和运行过程中保持不变。

此外, 精确的几何参数, 如光纤翘曲 (≥4m) 、芯圆度 (≤12%) , 芯/包同心度 (≤0.6μm) , 包层圆度 (≤1%) , 确保了其低熔接损耗和高熔接效率。表1为大量熔接实验结果, 结果表明, PCVD低水峰光纤不仅自身熔接损耗低, 还与其它G.652光纤能很好的兼容。

四、结论

G.652D光纤1383nm处水峰与低水峰光纤预制棒的生产工艺密切相关。本文对低水峰光纤预制棒的关键控制工序———芯棒制备进行了详细研究。通过在芯棒沉积、脱羟过程中,合理控制并优化芯棒d/a值、粉末棒密度、脱羟提棒速度、脱水剂Cl2流量以及芯棒酸蚀处理等工艺,从而消除拉丝后光纤在1 383nm处水峰,最终制备出了性能优异的低水峰或零水峰的G.652D光纤。充分发挥PCVD的工艺优势, 将光纤的波导结构设计和材料组成及结构设计有机地结合起来, 是确保PCVD低水峰光纤优良性能的基础。合理的掺杂量, 确保了光纤具有良好的光学特性和化学稳定性;在实现所设计的波导结构的同时, 材料组成和结构遵循功能梯度材料的设计, 有效地降低了光纤的PMD, 提高了其抗氢损和抗弯曲等特性。高纯均匀的机械包层和性能优越的双涂覆层, 进一步确保了全贝低水峰光纤良好的光学、机械和环境性能。

PCVD工艺制备的低水峰光纤的各项性能指标全面符合或优于最严格的ITU-T G.652.C/D光纤技术规范。随着PCVD工艺的不断发展, 在大规模工业化生产高性能价格比的光纤方面, 其技术和工艺优势也已日益突现。

参考文献

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[2]胡先志.光纤与光缆技术[M].北京:电子工业出版社,2007.

 

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