CN114195379A - 一种低损耗截止波长位移单模光纤的拉丝方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光纤制造技术领域，特别是涉及一种低损耗截止波长位移单模光纤的拉丝方法，包括以下步骤：S1：通过设计确定纤芯、内包层、沟槽层的折射率结构；S2：采用VAD工艺进行纤芯和内包层的沉积，对沉积好的松散体依次进行烧结、脱水、玻璃化、拉伸和酸腐，再拉制到预定直径的芯包（内包）层；S3：所述预定直径的预制棒芯包（内包）层为“靶棒”，使用OVD工艺进行沟槽层的疏松体沉积；本发明使用VAD和OVD法结合生产光纤预制棒芯棒的方法，再利用RIC工艺技术生产低损耗截止波长位移单模光纤简化了工艺，对设备的要求相对降低，极大的降低了生产成本。
Description
技术领域
本发明涉及光纤制造技术领域，特别是涉及一种低损耗截止波长位移单模光纤的拉丝方法。
背景技术
随着通信系统传输速率的不断提升，对光纤的色散（CD）、偏振模色散（PMD）、光信噪比（OSNR）及非线性等指标要求越来越高。当长距离通信系统的传输速率从100G/s逐渐提高到400G/s甚至更高时，系统的调试模式要求也越来越高，因此就对系统的光信噪比（OSNR）有更为严格的要求。光纤的OSNR与光纤有效面积成正比，与光纤衰减系数及非线性折射率指数成反比。因此，为了改善光纤的OSNR，一方面需要增加其有效面积，另一方面需要降低光纤的衰减系数。
对于目前用于陆地传输系统的普通单模光纤（SSMF）,其有效面积一般为80μm2左右，而在陆地高速率长距离传输系统中，所使用光纤的有效面积一般都在100μm2以上。为了降低系统铺设成本，需要尽可能较少中继站的使用，则光纤有效面积需要设计的更大。对于无中继传输系统（如海底光缆传输系统），光纤的有效面积最好控制在130μm2以上。
增加光纤有效面积最直接的方法是增大光纤的芯层直径。简单的增大光纤的芯层直径虽然能够有效的增加光纤的有效面积，但同时也会使得光纤的其他相关参数发生变化，比如，光纤截止波长λc会增大。如果对应的光缆截止波长λcc（我们假设光纤光缆的截止波长差异为120nm，即λcc=λc - 120）大于C波段的下限值（1530nm），则无法保证光纤在该波段中光信号处于单模状态；另外，芯层直径增大也会导致光纤的宏弯性能恶化。
由于增加光纤的有效面积Aeff必然会导致λcc增大，所以在G.654光纤及预制棒的设计过程中，需要对Aeff和λcc进行折中处理。根据文献CN104459876 B、CN102944910 B和CN103472525 B提出的大有效面积单模光纤，在光纤芯层设计一个下陷层结构，可以使光强分布从高斯分布转变为扁平化的非高斯分布，从而可以保证在光纤截止波长不增加的前提下，一定幅度的增加光纤的有效面积。另外，根据CN101322057A及国内相关机构的研究结果，光纤芯层下陷结构还可以有效提高受激布里渊散射（SBS）阈值，抑制由于SBS引起的非线性效应。
当光纤被弯曲时，光纤中大量的传导模式被转化为辐射模式，不再继续传输，从而引起光纤的附加损耗。宏弯损耗是指光纤的曲率半径比光纤直径大的多的弯曲引起的附加损耗。光纤的宏弯损耗与MFD成正比，这也是光纤有效面积增大会使宏弯性能恶化的机理。根据CN102313924 A等文献，在光纤包层中相应区域设计一个合适的体积分的沟槽可以有效的改善光纤的宏弯性能。
综上所述，通过在增加光纤芯层直径并在芯层内设计一个下陷结构，可以在保证光缆截止波长λcc控制在小于1530nm的前提下，有效的增到光纤的有效面积。同时，通过在光纤包层相应区域内设计一个合适体积分的沟槽层，可有大幅改善光纤的宏弯性能。
低损耗截止波长位移单模光纤具有行业领先的低衰减性能，其1550nm衰减系数能达到0.175dB/km以下，1625nm衰减系数能达到0.190dB/km以下；30mm弯曲半径100圈，1550nm波长最大弯曲损耗为0.1dB；模场直径要求为12.5±0.4μm，能够适用于高速率、大容量、大长度陆上或海底光缆干线的光缆结构以及应用场景。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种低损耗截止波长位移单模光纤的拉丝方法，本发明使用 VAD和OVD法结合生产光纤预制棒芯棒的方法，再利用RIC工艺技术生产低损耗截止波长位移单模光纤简化了工艺，对设备的要求相对降低，极大的降低了生产成本。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
一种低损耗截止波长位移单模光纤的拉丝方法，包括以下步骤：
S1：通过设计确定纤芯、内包层、沟槽层的折射率结构；
S2：采用VAD 工艺进行纤芯和内包层的沉积，对沉积好的松散体依次进行烧结、脱水、玻璃化、拉伸和酸腐，再拉制到预定直径的芯包（内包）层；
S3：所述预定直径的预制棒芯包（内包）层为“靶棒”，使用OVD 工艺进行沟槽层的疏松体沉积，控制疏松体的重量使沟槽层的玻璃化直径满足一定的要求，对沉积好的松散体依次进行烧结、脱水，同时向其炉芯管内通入四氟化碳CF4生成较大相对折射率的沟槽层，即低损耗截止波长位移单模光纤预制棒芯棒的制造；
S4：采用RIC工艺，把所述光纤预制棒芯棒与外套管即光纤的外包层部分，组装成为完整的光纤预制棒即组装预制棒安装在拉丝塔上，送进感应石墨拉丝炉，加热所述拉丝炉，使光纤组装预制棒（7）熔化抽成直径为 125 um的光纤；
S5：所述光纤依次通过保温炉、裸纤测径仪、张力测试仪（12）、涂覆杯、UV固化炉、涂层直径测试仪、搓钮系统。
作为本发明的一种优选技术方案，所述S3中，所述纤芯层为掺杂少量锗的玻璃棒，所述内包层为掺杂少量氟的玻璃层，所述沟槽层为掺杂少量氟的玻璃层。
作为本发明的一种优选技术方案，所述S5中，到达主牵引装置后，收集到光纤收线机上，即完成了整个低损耗截止波长位移单模光纤的制造。
与现有技术相比，本发明能达到的有益效果是：
本发明使用 VAD和OVD法结合生产光纤预制棒芯棒的方法，再利用RIC工艺技术生产低损耗截止波长位移单模光纤简化了工艺，对设备的要求相对降低，极大的降低了生产成本。
附图说明
图1为本发明的轴向气相法（VAD）的沉积示意图；
图2为本发明的外气相沉积法（OVD）的沉积示意图；
图3为本发明的套管（RIC）工艺示意图；
图4为本发明的光纤制造工艺流程图；
图5为本发明的光纤结构示意图；
图6为本发明的光纤不同折射率玻璃层结构示意图；
图7为本发明的制造流程示意图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例，进一步阐述本发明，但下述实施例仅仅为本发明的优选实施例，并非全部。基于实施方式中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得其它实施例，都属于本发明的保护范围。下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
实施例:
参见图1，本发明的低损耗截止波长位移单模光纤的制造方法，纤芯1和内包层2采用VAD工艺，制造预定折射率结构的芯层和内包层，并且 VAD 工艺沉积效率高；参见图2，沟槽层4采用OVD工艺，沉积好的松散体经过烧结、脱水，同时向其炉芯管内通入四氟化碳CF4生成较大相对折射率的沟槽层，玻璃化后，得到光纤预制棒芯层；参见图3，采用套管RIC工艺，把光纤预制棒芯棒5与外套管即光纤的外包层6部分，组装成为完整的光纤预制棒即组装预制棒安装在拉丝塔上，通过在线拉丝工艺可以拉制低损耗截止波长位移单模光纤，生产过程简化了光纤生产工艺，也降低了成本。
具体包括以下几个步骤：
S1：通过设计确定纤芯1、内包层2和沟槽层4的折射率结构；
通过分析知道，光纤衰减的80%左右来源于瑞利散射，在保证芯包（内保层）折射率差Δtotal一定的情况下，通过在内包层增加掺F量以其降低其相对折射率，从而可以在芯层中相应减少Ge的掺杂量，这样可以有效的降低整体光纤因瑞利散射引起的衰减。
根据文献US9594210B2的降低光纤衰减的方法，使光纤的芯层和内包层材料粘度尽量匹配可以在拉丝过程中降低芯层的内应力，从而降低光纤的衰减。在光纤设计中，考虑到截止波长、有效面积、色散等各项光纤参数的折中，我们设定光纤芯包折射差典型值Δtotal = 0.28%，为使芯层和内包层粘度达到匹配状态，根据粘度匹配的原理对光纤芯层和内包层的相对折射率进行计算，两者的相对折射（芯层定义为Δ1，内包层定义为Δ2）分别为：Δ1 = 0.21%；Δ2 = -0.07%。
在Δtotal = 0.28%的前提下，综合截止波长和有效面积的参数要求，我们将光纤芯层直径的典型值设定为12um。
内包层的直径的设计非常关键。从光纤衰减控制角度出发，较大的内包层直径能够有效的避免内包层和沟槽层界面的缺陷扩散到芯层，同时也可以避免内包层和沟槽层的粘度失配产生的应力传递到芯层，以上两者可以降低对光纤衰减的影响；而从其他光纤参数控制角度出发，较小的内包层可以改善光纤的宏弯性能，且可以将光纤的色散及色散斜率维持在合适的范围内。综合以上光纤各种参数的需求，并结合已有专利案例，我们将光纤内包层直径典型值设定为26.4um。
光纤沟槽层的宽度和深度（相对折射率，定义为Δ3）影响光纤的宏弯性能和截止波长。较大的沟槽层的宽度和深度可以获得较好的宏弯性能，并增大光纤的截止波长，反之亦然。综合考虑光纤宏弯性能和截止波长两个参数的要求，我们将光纤沟槽层Δ3控制在-0.22～-0.4%范围内，将光纤沟槽层外延直径控制在32~48um范围内。
光纤的外包层材料也对光纤衰减有一定的影响。对于采用天然石英砂制备的光纤外包层，由于其材料的熔点比合成石英高30~50℃，拉丝过程中外包层会承担了更多的张力，减少了施加在光纤芯层的内应力，从而可以降低光纤的衰减。
S2:参见图1，使用采用气相轴向法VAD工艺进行纤芯1和内包层2的沉积，对沉积好的松散体依次进行烧结、脱水、玻璃化、拉伸和酸腐，再拉制到预定直径的芯包（内包）层3；
S3：参见图2，预定直径的预制棒芯包（内包）层3为“靶棒”，使用OVD 工艺进行沟槽层4的疏松体沉积，控制疏松体的重量使沟槽层的玻璃化直径满足一定的要求，对沉积好的松散体依次进行烧结、脱水，同时向其炉芯管内通入四氟化碳CF4生成较大相对折射率的沟槽层，即低损耗截止波长位移单模光纤预制棒芯棒5的制造；
其中，纤芯1层为掺杂少量锗的玻璃棒， 内包层2为掺杂少量氟的玻璃层，沟槽层4为掺杂少量氟的玻璃层；
S4：参见图3，采用RIC工艺，把光纤预制棒芯棒5与外套管6即光纤的外包层部分，组装成为完整的光纤预制棒即组装预制棒7安装在拉丝塔上，送进感应石墨拉丝炉8，参见图4，加热拉丝炉8，使光纤组装预制棒7熔化抽成直径为 125 um的光纤9；
S5：参见图4，光纤9依次通过保温炉10、裸纤测径仪11、张力测试仪12、涂覆杯13、UV固化炉14、涂层直径测试仪15、搓钮系统16，到达主牵引装置17后，收集到光纤收线机18上，即完成了整个低损耗截止波长位移单模光纤的制造。
参见图5和图6，本发明的光纤包括纤芯1、内包层2、沟槽层4和外包层6，内包层2、沟槽层4和外包层6内到外依次包裹在纤芯1上；纤芯1、内包层2和沟槽层4的相对折射率分别为Δ1、Δ2和Δ3通过计算得到：Δ1 = 0.21%，Δ2 = -0.07%，Δ3控制在-0.22～-0.4%范围内。
纤芯1内掺杂少量的锗，内包层2为掺杂少量的氟，沟槽层4为掺杂少量的氟。
本发明使用VAD、OVD和RIC工艺结合生产低损耗截止波长位移单模光纤的方法；光纤的纤芯1和内包层2使用VAD方法制造分别具有一定的相对折射率差值，沟槽层4使用OVD方法制造得到较低的相对折射率玻璃部分。该方法使复杂的掺氟工艺变得相对简单，纤芯1相比普通光纤降低了锗的掺杂量，从而降低了芯层部分对光的吸收，光功率基本保持在芯层中传输。此方法生产低损耗截止波长位移单模光纤简化了工艺，对设备的要求相对降低，极大的降低了生产成本。
光纤损耗在1550nm处为≤0.175dB/km，在1625nm处为≤0.190dB/km；30mm弯曲半径100圈，1550nm波长处最大弯曲损耗为≤0.1dB；光纤模场直径为12.5±0.4μm能够适用于高速率、大容量、大长度陆上或海底光缆干线的光缆结构以及应用场景。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于此，在所属技术领域的技术人员所具备的知识范围内，在不脱离本发明宗旨的前提下还可以作出各种变化。
Claims (1)
1.一种低损耗截止波长位移单模光纤的拉丝方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：通过设计确定纤芯（1）、内包层（2）、沟槽层（4）的折射率结构；
S2：采用VAD 工艺进行纤芯（1）和内包层（2）的沉积，对沉积好的松散体依次进行烧结、脱水、玻璃化、拉伸和酸腐，再拉制到预定直径的芯包层（3）；
S3：所述预定直径的预制棒芯包层（3）为“靶棒”，使用OVD 工艺进行沟槽层（4）的疏松体沉积，控制疏松体的重量使沟槽层的玻璃化直径满足一定的要求，对沉积好的松散体依次进行烧结、脱水，同时向其炉芯管内通入四氟化碳CF4生成较大相对折射率的沟槽层，即低损耗截止波长位移单模光纤预制棒芯棒（5）的制造；
S4：采用RIC工艺，把所述光纤预制棒芯棒（5）与外套管（6）即光纤的外包层部分，组装成为完整的光纤预制棒即组装预制棒（7）安装在拉丝塔上，送进感应石墨拉丝炉（8），加热所述拉丝炉（8），使光纤组装预制棒（7）熔化抽成直径为 125 um的光纤（9）；
S5：所述光纤（9）依次通过保温炉（10）、裸纤测径仪（11）、张力测试仪（12）、涂覆杯（13）、UV固化炉（14）、涂层直径测试仪（15）、搓钮系统（16）；
所述S3中，所述纤芯（1）层为掺杂少量锗的玻璃棒，所述内包层（2）为掺杂少量氟的玻璃层，所述沟槽层（4）为掺杂少量氟的玻璃层；
所述S5中，到达主牵引装置（17）后，收集到光纤收线机（18）上，即完成了整个低损耗截止波长位移单模光纤的制造。
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