一種制備純硅芯包層摻氟的超低損耗光纖預制棒的方法及其設備的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明一種制備純硅芯包層摻氟的超低損耗光纖預制棒的方法及其設備涉及的是一種采用氣相沉積法獲得的粉末體，在包層中進行摻氟來制備純硅芯包層摻氟的超低損耗光纖預制棒的方法。所述的設備包括靶棒、沉積室、外包層噴燈、中包層噴燈、輔助噴燈、芯層噴燈、吊桿、排氣管、上部沉積腔體和石墨加熱電阻爐；沉積室上部設置有上部沉積腔體，上部沉積腔體內(nèi)裝有吊桿，吊桿設置有掛鉤，吊桿與提升機構相連，靶棒懸掛在與提升機構相連的吊桿的掛鉤上，在沉積室下部一側(cè)依次裝有外包層噴燈、中包層噴燈、輔助噴燈、芯層噴燈；石墨燒結爐包括石英吊桿、密封組件、蓋板、石英爐芯管、石墨爐芯管、氣體管路、靶棒、粉末體、石墨加熱體和氣體質(zhì)量流量控制器。
【專利說明】
一種制備純硅芯包層摻氟的超低損耗光纖預制棒的方法及其設備
技術領域
[0001]本發(fā)明一種制備純硅芯包層摻氟的超低損耗光纖預制棒的方法及其設備涉及的是一種采用氣相沉積法獲得的粉末體，在包層中進行摻氟來制備純硅芯包層摻氟的超低損耗光纖預制棒的方法?！颈尘凹夹g】
[0002]光纖預制棒是光纖制造的原材料，其通常是由不同折射率的材料組成芯層和包層。二氧化硅是制造光纖預制棒的主要基體材料，通過在芯層摻鍺來提高芯層的折射率 /3使得芯層折射率大于純硅包層折射率從而滿足光纖傳輸?shù)娜瓷錀l件，即達到一定的芯包相對折射率差A/3。
[0003]A n —ri core 2—/] si02 ^Tl corecore~^i si02lcore隨著光纖到戶、三網(wǎng)融合、IPTV業(yè)務增長，對網(wǎng)絡帶寬的需求也與日倶增。目前，就光纖而言，可通過降低光纖損耗來提高帶寬，也就是通過降低芯層摻鍺來降低瑞利散射，同時， 還需提高光纖的抗彎性能來滿足光纖在狹小環(huán)境中的安裝。如果只是降低芯層摻雜含量無法實現(xiàn)光纖傳輸所需的An值和光纖的抗彎性能。因此，在制造超低損耗光纖預制棒時，一般采取純硅芯結合包層摻氟的方法，實現(xiàn)與普通G.652光纖相同的A 值。對于超低損耗光纖預制棒相對折射率為八《、其中+ =〇(芯層為純娃芯)，也就是，An =An ^ =n ciacf 2~n si〇2'2/2n ciacf2^n ciacrn si〇2/n dad目前較為有效的方法是在粉末體中摻入氟元素，例如在預制棒制造過程中利用氣相沉積法(VAD，OVD，MCVD，PCVD )等使含氟氣體摻入棒體中。管外法(VAD，0VD )不受尺寸的限制， 沉積效率高，可應用于大尺寸光纖預制棒制造中，但是通過火焰水解法將氣態(tài)的含氟化合物加入到石英玻璃中，由于受火焰溫度、二氧化硅顆粒周圍的氟分壓以及0IT等因素導致?lián)椒鷿舛鹊停瑹o法實現(xiàn)高效的摻氟生產(chǎn)。管內(nèi)法(PCVD、MCVD)雖然可以實現(xiàn)高效摻氟生產(chǎn)，但是受基管尺寸限制，無法實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)或制備大尺寸摻氟光纖預制棒或套管。針對這些問題，專利CN104402213公布了采用軸向氣相沉積制備具有致密層和疏松層的二氧化硅松散體，并通過通入脫水氣體和氟化物氣體，將松散體脫水以及將氟摻入到疏松層中。專利 CN103224325公開了粉末體中具有空隙結構的松散體，也具有致密層和疏松層結構，并向中心孔內(nèi)通入脫水氣體及在氟化物氣氛中摻氟。專利CN1345295公開了具有中空結構的粉末體，在中心軸線空隙中通氦，將含氟氣體自下而上通入燒結爐內(nèi)進行摻氟。但是在實際生產(chǎn)中，由于存在致密層這一結構，若密度大，則不利于松散體脫水，造成光纖水峰高；若密度小，摻入的氟元素仍滲透進入芯層，不利于形成階躍型的折射率剖面。如果在制造過程中將純硅芯芯棒和摻F包層套管分開制作、再熔縮等步驟，也大大增加了過程的復雜性。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明目的是針對上述不足之處，提供一種制備純硅芯包層摻氟的超低損耗光纖預制棒的方法及其設備，是一種采用氣相沉積法制得的粉末體摻氟制備超低損耗光纖預制棒的方法。其中使用的氟化物，其分子中包含元素F，高溫過程中擴散進入粉末體。沉積粉末體的芯層原料為四氯化硅、氧氣、一氧化碳、氦氣，沉積摻氟內(nèi)包層的原料為四氯化硅、氧氣和一氧化碳等氣體，沉積摻氟外包層的原料為四氯化硅、氧氣和氫氣或甲烷等氣體。通過軸向氣相沉積工藝，進行沉積芯層和內(nèi)外包層，形成二氧化硅粉末體。在芯層和包層之間通過沉積中輔助噴燈加熱，使芯層表面玻璃化。然后將粉末體放置于高溫爐中，進行摻氟、玻璃化工藝，最終實現(xiàn)高純、高效的超低損耗光纖預制棒生產(chǎn)，由于無需對粉末棒進行脫羥處理，這樣大大簡化生產(chǎn)流程，為制造大尺寸包層摻氟的超低損耗光纖預制棒，提供了一種操作簡單、節(jié)能實用的新途徑。
[0005]—種制備純硅芯包層摻氟的超低損耗光纖預制棒的方法及其設備是采取以下技術方案實現(xiàn):一種制備純硅芯包層摻氟的超低損耗光纖預制棒的設備包括靶棒、沉積室、外包層噴燈、中包層噴燈、輔助噴燈、芯層噴燈、吊桿、排氣管、上部沉積腔體和石墨加熱電阻爐。沉積室上部設置有上部沉積腔體，上部沉積腔體內(nèi)裝有吊桿，吊桿設置有掛鉤，吊桿與提升機構相連，靶棒懸掛在與提升機構相連的吊桿的掛鉤上，在沉積室下部一側(cè)依次裝有外包層噴燈、中包層噴燈、輔助噴燈、芯層噴燈，在沉積室上部一側(cè)設置有排氣管，用于排除沉積室內(nèi)廢氣。
[0006]石墨燒結爐包括石英吊桿、密封組件、蓋板、石英爐芯管、石墨爐芯管、氣體管路、 靶棒、粉末體、石墨加熱體、氣體質(zhì)量流量控制器。粉末體通過靶棒與石英吊桿相連接，燒結過程中，石英吊桿可上下移動，并自轉(zhuǎn)。氣體管路上安裝有氣體質(zhì)量流量控制器。在摻F燒結過程中，由氣體質(zhì)量流量控制器控制He和含氟化合物混合氣，通入石英爐芯管的氣體管路位于石墨加熱體中上部區(qū)域。粉末體置于石英爐芯管，由上而下通過由石墨加熱體產(chǎn)生的高溫區(qū)。石英爐芯管在石墨爐芯管內(nèi)，石墨加熱體圍繞在石墨爐芯管外。通過蓋板進行密封石英爐芯管，石英吊桿穿過密封組件，密封組件內(nèi)設置4層隔離，每層中由密封組件氣體管路通入N2進彳丁氣封。
[0007]制備純硅芯包層摻氟的超低損耗光纖預制棒的方法，首先選用一根玻璃材質(zhì)的靶棒，通過10%的鹽酸酸洗1?2h，并干燥。將靶棒懸掛在與提升機構相連的吊桿掛鉤上，采用 VAD工藝進行軸向氣相沉積，芯層和包層的二氧化硅粉末堆積在靶棒上。通過采用監(jiān)測器探頭感應棒頭，根據(jù)感應棒頭的范圍，由電控系統(tǒng)PLC方法進行控制吊桿提升速度。當棒頭在設定的感應區(qū)域時，系統(tǒng)相應提升吊桿;一旦沉積棒頭脫離感應區(qū)后，卡盤停止提升。如此， 周而復始，在軸向上逐漸沉積，形成軸向沉積的粉末體。
[0008]沉積過程中，芯層噴燈中通入氧氣、一氧化碳、四氯化硅、氦氣和氮氣混合物，四氯化硅與氧氣通過高溫反應形成二氧化硅，并附著在靶棒端面，形成具有一定密度的疏松層。 圍繞在芯層表面具有一定厚度的二氧化硅層為內(nèi)包層，內(nèi)包層噴燈中通入氧氣、一氧化碳、 四氯化硅和氮氣混合氣體。圍繞在內(nèi)包層表面的二氧化硅層是由內(nèi)包層噴燈上方的外包層噴燈沉積所形成的，外包層噴燈中通入氧氣、氫氣或甲烷、四氯化硅和氮氣。位于芯層噴燈和內(nèi)包層噴燈之間有多個互成一定角度的輔助噴燈，噴燈中通入氧氣、一氧化碳進行灼燒芯層表面，從而在芯層表面形成一定厚度的致密玻璃化層。粉末體沉積到設定長度后停止沉積，將粉末體從VAD卡盤上卸載，移載到運輸機構上。
[0009]將制得粉末體從運輸機構上再次移載到石墨燒結爐的吊桿上，進行粉末層摻氟、 玻璃化。首先，在1100?1200 °C下粉末體摻氟，摻氟時間2?5h，通入含氟氣體、氦氣、氬氣混合氣體;在1300?1500 °C進行玻璃化燒結，8?20h，通入氦氣、氬氣混合氣體。燒結結束后，即可獲得透明無氣泡的純硅芯、摻氟包層的超低損耗光纖預制棒。
[0010]其中，所述的輔助噴燈數(shù)量可2?5個，分散在垂直于軸向的同一平面內(nèi)。沉積的粉末體，內(nèi)包層厚度與芯層厚度之比為4.5?6.5，外包層厚度與芯層厚度之比為7.5?15.5。 [〇〇11]芯層、內(nèi)包層、外包層噴燈中發(fā)生的化學反應如下:CO (g) +〇2 (g) ^C02 (g), AH=-283.0kJ/moLH2 (g) +〇2 (g) —H20 (g)，AH=-243 ? OkJ/moLH20 (g) ^H20 (1), AH=-42.0k J/moLSiCl4(l)+〇2(g)—Si〇2(s)+Cl2(g)，AH=1052kJ/moL一種制備純硅芯包層摻氟的超低損耗光纖預制棒的方法如下:1、靶棒預處理選用石英玻璃材質(zhì)的材料作為沉積靶棒。將選擇的靶棒進行酸洗，采用10%濃度的鹽酸浸泡lh?2h，去除附著在靶棒表面的雜質(zhì)，然后用去離子水反復沖洗，最后烘干。
[0012]2、純硅芯包層摻氟的超低損耗光纖預制棒的制備第一步:將預處理后的靶棒夾持在VAD設備的吊桿掛鉤上，以四氯化硅、氧氣、一氧化碳、氦氣與氮氣混合物作為原料氣體，各種原料氣體的流量比例為1:1.5:1:1:0.3?1:3:3: 1:0.5,通入石英材質(zhì)的芯層噴燈后，原料在火焰中高溫反應生成的二氧化硅微粒，沉積到與噴燈垂直的靶棒表面。根據(jù)棒頭在感應區(qū)內(nèi)的位置，逐漸提升吊桿，形成軸向分布的粉末體。與之對應的輔助噴燈中，通入一氧化碳、氧氣，比例為2:1?1: 2。在輔助噴燈上方的內(nèi)包層噴燈中，通入的四氯化娃、氧氣、一氧化碳和氮氣，其流量比例為1:1:1:0.3?1.5:1: 2: 0.3。最上方的外包層噴燈中，通入的四氯化硅、氧氣、氫氣(或甲烷)和氮氣，其流量比例為 1:1:1:0.5?3:1:3:1第二步:將沉積得到的二氧化硅粉末體置于石墨加熱電阻爐內(nèi)。將爐芯管與石英爐蓋貼合，采用油封方式密封燒結爐蓋板及吊桿與蓋板之間的密封組件。然后，吊桿旋轉(zhuǎn)速度為 3r/min?15r/min。通入Ar、氟化物、He混合氣體，其中氟化物為CF4、C2F6、C3F8、SF6、SiF4、 C2F2C12、S0F2其中一種或兩種以上的組合，氣體流量比為0.2:4:2?0.4:15:3，燒結爐溫度穩(wěn)定在1100°01200°C，通氟時間2h~5h，粉末棒由上而下通過加熱區(qū)。通氟結束后，再次通入 He、Ar混合氣體進行玻璃化，氣體流量比為2:1?10:1，燒結爐溫度穩(wěn)定在1300°01500°C，恒溫8h~20h，粉末棒再次由上而下通過加熱區(qū)，玻璃化結束后，關閉氣源。通過通氟、玻璃化后，即可獲得透明、羥基含量低、純硅芯包層摻氟的超低損耗光纖預制棒包層摻氟的純硅芯超低損耗光纖預制棒。
[0013]本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比技術特點在于:①采用VAD—體式沉積工藝制備多層結構的光纖預制棒，其包含芯層、致密層、內(nèi)包層和外包層。在芯層、內(nèi)包層中通入非含氫化合物的原料進行反應，避免羥基產(chǎn)生;在外包層中通入含氫化合物與四氯化硅反應，可大大提高沉積效率，實現(xiàn)一體式沉積所需的包芯比結構。
[0014]②在芯層和內(nèi)包層之間采用多輔助噴燈加熱，使芯層表面致密、玻璃化，保證了外包層中的羥基不會滲入芯層中。在摻氟過程中，由于芯層表面形成的致密玻璃層阻擋了氟向純硅芯芯層的擴散，可形成階躍式分布的折射率剖面。
[0015]③利用氦氣分子小，傳熱能力高，芯層沉積中通入一定比例的氦氣，可提高粉末棒在玻璃化過程中的傳熱效率，避免因致密玻璃化層引起的傳熱性能差的現(xiàn)象，可有效改善芯層玻璃的透明度。
[0016]④芯層和內(nèi)包層采用無羥基生產(chǎn)的沉積法，簡化了粉末體燒結過程，使得芯層羥基含量低于0.lppm、外包層羥基含量低于3ppm，實現(xiàn)無需通氯脫羥工藝，降低了生產(chǎn)成本， 實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的生產(chǎn)?！靖綀D說明】
[0017]以下將結合附圖對本發(fā)明作進一步說明:圖1是本發(fā)明中制備超低損耗光纖預制棒的粉末體沉積設備示意圖。
[0018]圖2是氣相沉積工藝中配置3個輔助燈的俯視圖。
[0019]圖3是粉末棒的橫截面層結構示意圖圖4是粉末棒的徑向分布結構示意圖。
[0020]圖5本發(fā)明中對比例制備的光纖預制棒，采用傅利葉紅外光譜儀FTIR檢測石英玻璃的光透過率圖。[〇〇21]圖6是本發(fā)明中實施例1制備的光纖預制棒，采用傅利葉紅外光譜儀FTIR檢測石英玻璃的光透過率圖。
[0022]本發(fā)明中對比例(比較例)和實施例1制備的光纖預制棒，采用傅利葉紅外光譜儀 FT IR檢測石英玻璃的光透過率圖(附圖5、6 )，其中，2.7 3um波長處透過率越小，表明樣品中羥基(01含量越高。按照朗伯-比耳定律，可計算出石英玻璃中的羥基濃度，公式如下:C oh =[# oh/( ￡X p)] X (1/d) Xlog1do/I)上述式中，C挪為石英中羥基質(zhì)量濃度，ppm(l(T6) ;#挪為羥基摩爾質(zhì)量，g/mol; e為石英玻璃在2.73wii處的吸光系數(shù)，L/mol ? cm; P為石英密度，g/cm3;d為樣品厚度，mm;2og7(9 」為樣品的吸光度。[〇〇23]圖7是本發(fā)明實施例2制備的光纖預制棒隨徑向分布的階躍式折射率剖面圖。[〇〇24]圖8是本發(fā)明實施例4制備超低損耗光纖預制棒拉制的光纖的譜損圖。
[0025]圖9是本發(fā)明一種制備純硅芯包層摻氟的超低損耗光纖預制棒的設備中石墨燒結爐示意圖。
[0026]圖10是本發(fā)明一種制備純硅芯包層摻氟的超低損耗光纖預制棒的設備中石墨燒結爐中的密封組件放大結構示意圖。[〇〇27]圖中標號說明，1、靶棒，2、沉積室，3、外包層噴燈，4、中包層噴燈，5、輔助燈，6、芯層噴燈，7、吊桿，8、上部沉積腔體，9、排氣管，10、預制棒芯層，11、芯層表面的玻璃化致密層，12、預制棒包層，13、石英吊桿，14、密封組件，15、蓋板，16、石英爐芯管，17、石墨爐芯管， 18、密封組件氣體管路，19、靶棒，20、粉末體，21、石墨加熱體，22、氣體質(zhì)量流量控制器，23、氣體管路?！揪唧w實施方式】
[0028]參照附圖1-10, 一種制備純硅芯包層摻氟的超低損耗光纖預制棒的設備包括靶棒 1、沉積室2、外包層噴燈3、中包層噴燈4、輔助噴燈5、芯層噴燈6、吊桿7、排氣管9、上部沉積腔體8和石墨加熱電阻爐。沉積室2上部設置有上部沉積腔體8，上部沉積腔體8內(nèi)裝有吊桿 7,吊桿7設置有掛鉤，吊桿7與提升機構相連，祀棒1懸掛在與提升機構相連的吊桿的掛鉤上，在沉積室2下部一側(cè)依次裝有外包層噴燈3、中包層噴燈4、輔助噴燈5、芯層噴燈6，在沉積室2上部一側(cè)設置有排氣管9,用于排除沉積室2內(nèi)廢氣。
[0029]參照附圖9、10,一種制備純硅芯包層摻氟的超低損耗光纖預制棒的設備中石墨燒結爐包括石英吊桿13、密封組件14、蓋板15、石英爐芯管16、石墨爐芯管17、密封組件氣體管路18、靶棒19、粉末體20、石墨加熱體21和氣體質(zhì)量流量控制器22。20粉末體通過靶棒19與石英吊桿13相連接，燒結過程中，石英吊桿13可上下移動，并自轉(zhuǎn)。氣體管路23上安裝有氣體質(zhì)量流量控制器22。在摻F燒結過程中，由氣體質(zhì)量流量控制器22控制He和含氟化合物混合氣，通入石英爐芯管16的氣體管路23位于石墨加熱體中上部區(qū)域。粉末體20置于石英爐芯管16,由上而下通過由石墨加熱體21產(chǎn)生的高溫區(qū)。石英爐芯管16安裝在石墨爐芯管內(nèi) 17,石墨加熱體21圍繞在石墨爐芯管17外。通過蓋板15進行密封石英爐芯管16,石英吊桿13 穿過密封組件14,密封組件14內(nèi)設置4層隔離，每層中由密封組件氣體管路18通入N2進行氣封。
[0030]氣體質(zhì)量流量控制器22采用市售MFC氣體質(zhì)量流量控制器。[0031 ] —種制備純硅芯包層摻氟的超低損耗光纖預制棒的方法如下:1、靶棒預處理選用石英玻璃材質(zhì)的材料作為沉積靶棒。將選擇的靶棒進行酸洗，采用10%濃度的鹽酸浸泡lh?2h，去除附著在靶棒表面的雜質(zhì)，然后用去離子水反復沖洗，最后烘干。[〇〇32]2、純硅芯包層摻氟的超低損耗光纖預制棒的制備第一步:將預處理后的靶棒夾持在VAD設備的吊桿掛鉤上，以四氯化硅、氧氣、一氧化碳、氦氣與氮氣混合物作為原料氣體，各種原料氣體的流量比例為1:1.5:1:1:0.3?1:3:3: 1:0.5,通入石英材質(zhì)的芯層噴燈后，原料在火焰中高溫反應生成的二氧化硅微粒，沉積到與噴燈垂直的靶棒表面。根據(jù)棒頭在感應區(qū)內(nèi)的位置，逐漸提升吊桿，形成軸向分布的粉末體。與之對應的輔助噴燈中，通入一氧化碳、氧氣，比例為2:1?1: 2。在輔助噴燈上方的內(nèi)包層噴燈中，通入的四氯化娃、氧氣、一氧化碳和氮氣，其流量比例為1:1:1:0.3?1.5:1: 2: 0.3。最上方的外包層噴燈中，通入的四氯化硅、氧氣、氫氣(或甲烷)和氮氣，其流量比例為 1:1:1:0.5?3:1:3:1第二步:將沉積得到的二氧化硅粉末體置于石墨加熱電阻爐內(nèi)。將爐芯管與石英爐蓋貼合，采用油封方式密封燒結爐蓋板及吊桿與蓋板之間的密封組件。然后，吊桿旋轉(zhuǎn)速度為 3r/min?15r/min。通入Ar、氟化物、He混合氣體，其中氟化物為CF4、C2F6、C3F8、SF6、SiF4、 C2F2C12、S0F2其中一種或兩種以上的組合，氣體流量比為0.2:4:2?0.4:15:3，燒結爐溫度穩(wěn)定在1100°01200°C，通氟時間2h~5h，粉末棒由上而下通過加熱區(qū)。通氟結束后，再次通入 He、Ar混合氣體進行玻璃化，氣體流量比為2:1?10:1，燒結爐溫度穩(wěn)定在1300°01500°C，恒溫8h~20h，粉末棒再次由上而下通過加熱區(qū)，玻璃化結束后，關閉氣源。通過通氟、玻璃化后，即可獲得透明、羥基含量低、包層摻氟的純硅芯超低損耗光纖預制棒。
[0033]其中，所述的輔助噴燈數(shù)量為2?5個，分散在垂直于軸向的同一平面內(nèi)。沉積的粉末體，內(nèi)包層厚度與芯層厚度之比為4.5?6.5，外包層厚度與芯層厚度之比為7.5?15.5。
[0034]以下結合實施例對本發(fā)明作進一步說明:對比例(比較例):制造①200mm X 1600mm的摻氟光纖預制棒(1)選用石英玻璃材質(zhì)的材料作為沉積靶棒。將選擇的靶棒進行酸洗，采用10%濃度的鹽酸浸泡1.5h，去除附著在靶棒表面的雜質(zhì)，然后用去離子水反復沖洗，最后烘干。[〇〇35](2)將預處理后的靶棒夾持在VAD設備的吊桿掛鉤上。以四氯化硅、氧氣、氫氣與氮氣混合物作為原料氣體，各種原料氣體的流量分別為5g/min、ll.3L/min、10L/min、2L/min， 通入石英材質(zhì)的芯層噴燈后，原料在火焰中高溫反應生成的二氧化硅微粒，沉積到與噴燈垂直的靶棒表面，形成相對致密的二氧化硅層。芯層噴燈上方的包層噴燈中，通入的四氯化娃、氧氣、氫氣和氮氣，其流量分別為60g/min、30L/min、60L/min、22.5L/min，沉積形成密度相對疏松的粉末層。系統(tǒng)根據(jù)棒頭在感應區(qū)內(nèi)的位置，逐漸提升吊桿，從而形成軸向分布的粉末體，當達到一定棒長后，停止沉積。將粉末體從吊桿上卸載，轉(zhuǎn)移到運棒車上。[〇〇36](3)將運棒車上沉積得到的二氧化硅粉末體轉(zhuǎn)至于石墨加熱電阻爐的吊桿上，并用插銷鎖定。將粉末體置于燒結爐內(nèi)，并貼合爐芯管與石英爐蓋，采用油封方式密封燒結爐蓋板及吊桿與蓋板之間的密封組件。開啟吊桿旋轉(zhuǎn)速度為9r/min。通過爐芯管底部通入所需的氣體，首先通入Ar、Cl2、He混合氣體進行脫輕，氣體流量分別是6L/min、57L/min、57L/ min，燒結爐溫度穩(wěn)定在1000°C，脫羥時間4h，脫羥結束后。再通入Ar、SiF4、He，氣體流量分別為61^/111；[11、19〇]^/111；[11、5〇]^/111；[11，燒結爐溫度穩(wěn)定在1150<€，通氟時間3.511，粉末棒由上而下通過加熱區(qū)。通氟結束后，再次通入He、Ar混合氣體進行玻璃化，氣體流量為90L/min、 15L/min，燒結爐溫度穩(wěn)定在1400°C，恒溫14h，粉末棒再次由上而下通過加熱區(qū)，玻璃化結束后，關閉氣源。通過通氟、玻璃化后，即可獲得透明、羥基含量低、包層摻氟的純硅芯超低損耗光纖預制棒。[〇〇37]通過傅利葉紅外光譜儀FTIR檢測芯層羥基含量為6.8ppm、外包羥基含量高達 18ppm。通過PK2600儀表檢測折射率剖面，其摻F層的ArT為-0.304%，制備的超低損耗光纖預制棒拉絲后光纖1550nm衰減0 ? 172dB/km，1383nm衰減為1 ? 35dB/km。[OO38] 實施例1:制造?200mmX 1600mm的純娃芯包層摻氟的超低損耗光纖預制棒(1)選用石英玻璃材質(zhì)的材料作為沉積靶棒。將選擇的靶棒進行酸洗，采用10%濃度的鹽酸浸泡lh，去除附著在靶棒表面的雜質(zhì)，然后用去離子水反復沖洗，最后烘干。[〇〇39](2)將預處理后的靶棒夾持在VAD設備的吊桿掛鉤上。以四氯化硅、氧氣、一氧化碳、氦氣與氮氣混合物作為原料氣體，各種原料氣體的流量分別為5g/min、7.5L/min、5L/ min、5L/min、1.5L/min，通入石英材質(zhì)的芯層噴燈后，原料在火焰中高溫反應生成的二氧化硅微粒，沉積到與噴燈垂直的靶棒表面。在芯層上方，配置2個互相垂直的輔助噴燈中，每個噴燈中通入一氧化碳、氧氣，流量分別為8L/min、4L/min，使得芯層表面致密玻璃化。在輔助噴燈上方的內(nèi)包層噴燈中，通入的四氯化硅、氧氣、一氧化碳和氮氣，其流量分別為20g/ min、20L/min、20L/min、6L/min。最上方的外包層噴燈中，通入的四氯化娃、氧氣、氫氣和氮氣，其流量分別為40g/min、40L/min、40L/min、8L/min。系統(tǒng)根據(jù)棒頭在感應區(qū)內(nèi)的位置，逐漸提升吊桿，從而形成軸向分布的粉末體，當達到一定棒長后，停止沉積。將粉末體從吊桿上卸載，轉(zhuǎn)移到運棒車上。
[0040](3)將運棒車上沉積得到的二氧化硅粉末體轉(zhuǎn)至于石墨加熱電阻爐的吊桿上，并用插銷鎖定。將粉末體置于燒結爐內(nèi)，并貼合爐芯管與石英爐蓋，采用油封方式密封燒結爐蓋板及吊桿與蓋板之間的密封組件。開啟吊桿旋轉(zhuǎn)速度為3r/min。通入Ar、CF4與C2F6混合氣體、He，氣體流量分別為4L/min、80L/min、40L/min，燒結爐溫度穩(wěn)定在1100°C，通氟時間2h， 粉末棒由上而下通過加熱區(qū)。通氟結束后，再次通入He、Ar混合氣體進行玻璃化，氣體流量為501^/111；[11、25171]1；[11，燒結爐溫度穩(wěn)定在1300<€，恒溫811，粉末棒再次由上而下通過加熱區(qū)， 玻璃化結束后，關閉氣源。通過通氟、玻璃化后，即可獲得透明、羥基含量低、包層摻氟的純硅芯超低損耗光纖預制棒。
[0041]通過傅利葉紅外光譜儀FTIR檢測芯層羥基含量低于0.lppm，外包羥基含量為 2.16ppm。通過PK2600儀表檢測折射率剖面，其摻F包層的An為-0.326%，包芯比為8.5，制備的超低損耗光纖預制棒拉絲后光纖1550nm衰減0 ? 168dB/km，1383nm衰減為0 ? 316dB/km〇 [〇〇42] 實施例2:制造? 200mm X 1600mm的純硅芯包層摻氟的超低損耗光纖預制棒(1)選用石英玻璃材質(zhì)的材料作為沉積靶棒。將選擇的靶棒進行酸洗，采用10%濃度的鹽酸浸泡1.5h，去除附著在靶棒表面的雜質(zhì)，然后用去離子水反復沖洗，最后烘干。[〇〇43](2)將預處理后的靶棒夾持在VAD設備的吊桿掛鉤上。以四氯化硅、氧氣、一氧化碳、氦氣與氮氣混合物作為原料氣體，各種原料氣體的流量分別為5g/min、ll.3L/min、10L/ min、5L/min、2L/min，通入石英材質(zhì)的芯層噴燈后，原料在火焰中高溫反應生成的二氧化娃微粒，沉積到與噴燈垂直的靶棒表面。在芯層上方，配置3個輔助噴燈且0為120°，每個噴燈中通入一氧化碳、氧氣，流量分別為6L/min、6L/min，使得芯層表面致密玻璃化。在輔助噴燈上方的內(nèi)包層噴燈中，通入的四氯化硅、氧氣、一氧化碳和氮氣，其流量分別為25g/min、 20L/min、30L/min、6L/min。最上方的外包層噴燈中，通入的四氯化娃、氧氣、氫氣和氮氣，其流量分別為60g/min、30L/min、60L/min、22.5L/min。系統(tǒng)根據(jù)棒頭在感應區(qū)內(nèi)的位置，逐漸提升吊桿，從而形成軸向分布的粉末體，當達到一定棒長后，停止沉積。將粉末體從吊桿上卸載，轉(zhuǎn)移到運棒車上。
[0044](3)將運棒車上沉積得到的二氧化硅粉末體轉(zhuǎn)至于石墨加熱電阻爐的吊桿上，并用插銷鎖定。將粉末體置于燒結爐內(nèi)，并貼合爐芯管與石英爐蓋，采用油封方式密封燒結爐蓋板及吊桿與蓋板之間的密封組件。開啟吊桿旋轉(zhuǎn)速度為9r/min。通入Ar、SiF4、He，氣體流量分別為6L/min、190L/min、50L/min，燒結爐溫度穩(wěn)定在1150 °C，通氟時間3.5h，粉末棒由上而下通過加熱區(qū)。通氟結束后，再次通入He、Ar混合氣體進行玻璃化，氣體流量為90L/ min、15L/min，燒結爐溫度穩(wěn)定在1400°C，恒溫14h，粉末棒再次由上而下通過加熱區(qū)，玻璃化結束后，關閉氣源。通過通氟、玻璃化后，即可獲得透明、羥基含量低、包層摻氟的純硅芯超低損耗光纖預制棒。
[0045]通過傅利葉紅外光譜儀FTIR檢測芯層羥基含量低于0.lppm，外包羥基含量為 1.89ppm。通過PK2600儀表檢測折射率剖面，其摻F包層的An為-0.41%，包芯比為12.6，制備的超低損耗光纖預制棒拉絲后光纖1550nm衰減0 ? 170dB/km，1383nm衰減為0 ? 321dB/km〇 [〇〇46] 實施例3:制造? 200mm X 1600mm的純硅芯包層摻氟的超低損耗光纖預制棒(1)選用石英玻璃材質(zhì)的材料作為沉積靶棒。將選擇的靶棒進行酸洗，采用10%濃度的鹽酸浸泡2h，去除附著在靶棒表面的雜質(zhì)，然后用去離子水反復沖洗，最后烘干。
[0047](2)將預處理后的靶棒夾持在VAD設備的吊桿掛鉤上。以四氯化硅、氧氣、一氧化碳、氦氣與氮氣混合物作為原料氣體，各種原料氣體的流量分別為5g/min、15L/min、15L/ min、5L/min、2.5L/min，通入石英材質(zhì)的芯層噴燈后，原料在火焰中高溫反應生成的二氧化硅微粒，沉積到與噴燈垂直的靶棒表面。在芯層上方，配置5個輔助噴燈且0為72°，每個噴燈中通入一氧化碳、氧氣，流量分別為4L/min、8L/min，使得芯層表面致密玻璃化。在輔助噴燈上方的內(nèi)包層噴燈中，通入的四氯化硅、氧氣、一氧化碳和氮氣，其流量分別為30g/min、 20L/min、40L/min、6L/min。最上方的外包層噴燈中，通入的四氯化娃、氧氣、氫氣和氮氣，其流量分別為60g/min、20L/min、60L/min、20L/min。系統(tǒng)根據(jù)棒頭在感應區(qū)內(nèi)的位置，逐漸提升吊桿，從而形成軸向分布的粉末體，當達到一定棒長后，停止沉積。將粉末體從吊桿上卸載，轉(zhuǎn)移到運棒車上。[〇〇48](3)將運棒車上沉積得到的二氧化硅粉末體轉(zhuǎn)至于石墨加熱電阻爐的吊桿上，并用插銷鎖定。將粉末體置于燒結爐內(nèi)，并貼合爐芯管與石英爐蓋，采用油封方式密封燒結爐蓋板及吊桿與蓋板之間的密封組件。開啟吊桿旋轉(zhuǎn)速度為15r/min。通入41~、3(^2、116，氣體流量分別為8171^11、30017111111、6017111111，燒結爐溫度穩(wěn)定在1200°(:，通氟時間511，粉末棒由上而下通過加熱區(qū)。通氟結束后，再次通入He、Ar混合氣體進行玻璃化，氣體流量為150L/ min、15L/min，燒結爐溫度穩(wěn)定在1500°C，恒溫20h，粉末棒再次由上而下通過加熱區(qū)，玻璃化結束后，關閉氣源。通過通氟、玻璃化后，即可獲得透明、羥基含量低、包層摻氟的純硅芯超低損耗光纖預制棒。
[0049]通過傅利葉紅外光譜儀FTIR檢測芯層羥基含量低于0.lppm，外包羥基含量為 2.95ppm。通過PK2600儀表檢測折射率剖面，其摻F包層的An為-0.43%，包芯比為15.2，制備的超低損耗光纖預制棒拉絲后光纖1550nm衰減0 ? 169dB/km，1383nm衰減為0 ? 318dB/km〇 [0〇5〇] 實施例4:制造?200mmX 1600mm的純娃芯包層摻氟的超低損耗光纖預制棒(1)選用石英玻璃材質(zhì)的材料作為沉積靶棒。將選擇的靶棒進行酸洗，采用10%濃度的鹽酸浸泡2h，去除附著在靶棒表面的雜質(zhì)，然后用去離子水反復沖洗，最后烘干。[〇〇51](2)將預處理后的靶棒夾持在VAD設備的吊桿掛鉤上。以四氯化硅、氧氣、一氧化碳、氦氣與氮氣混合物作為原料氣體，各種原料氣體的流量分別為5g/min、15L/min、15L/ min、5L/min、2.5L/min，通入石英材質(zhì)的芯層噴燈后，原料在火焰中高溫反應生成的二氧化硅微粒，沉積到與噴燈垂直的靶棒表面。在芯層上方，配置4個輔助噴燈且0為90°，每個噴燈中通入一氧化碳、氧氣，流量分別為4L/min、8L/min，使得芯層表面致密玻璃化。在輔助噴燈上方的內(nèi)包層噴燈中，通入的四氯化硅、氧氣、一氧化碳和氮氣，其流量分別為30g/min、 20L/min、40L/min、6L/min。最上方的外包層噴燈中，通入的四氯化娃、氧氣、甲燒和氮氣，其流量分別為458/111；[11、1517111；[11、4517111；[11、1517111；[11。系統(tǒng)根據(jù)棒頭在感應區(qū)內(nèi)的位置，逐漸提升吊桿，從而形成軸向分布的粉末體，當達到一定棒長后，停止沉積。將粉末體從吊桿上卸載，轉(zhuǎn)移到運棒車上。[〇〇52](3)將運棒車上沉積得到的二氧化硅粉末體轉(zhuǎn)至于石墨加熱電阻爐的吊桿上，并用插銷鎖定。將粉末體置于燒結爐內(nèi)，并貼合爐芯管與石英爐蓋，采用油封方式密封燒結爐蓋板及吊桿與蓋板之間的密封組件。開啟吊桿旋轉(zhuǎn)速度為15r/min。通入Ar、SF6和S0F2混合氣體、He，氣體流量分別為10171^11、37517111111、7517111111，燒結爐溫度穩(wěn)定在1200°(:，通氟時間5h，粉末棒由上而下通過加熱區(qū)。通氟結束后，再次通入He、Ar混合氣體進行玻璃化，氣體流量為180L/min、18L/min，燒結爐溫度穩(wěn)定在1500°C，恒溫20h，粉末棒再次由上而下通過加熱區(qū)，玻璃化結束后，關閉氣源。通過通氟、玻璃化后，即可獲得透明、羥基含量低、包層摻氟的純硅芯超低損耗光纖預制棒。[〇〇53]通過傅利葉紅外光譜儀FTIR檢測芯層羥基含量低于0.lppm，外包羥基含量為 2.84ppm。通過PK2600儀表檢測折射率剖面，其摻F包層的An為-0.437%，包芯比為14.8，制備的超低損耗光纖預制棒拉絲后光纖1550nm衰減0 ? 163dB/km，1383nm衰減為0 ? 325dB/km〇 [〇〇54] 所述超低損耗光纖(Ultra Low Loss，ULL)，工信部通信科技委主任在2013年7月在“應加強超低損耗光纖的研發(fā)與發(fā)展”(http://www.1ccsz.com/site/cn/News/2013/ 07/02/20130702223713708504.htm)—文中指出:業(yè)內(nèi)根據(jù)光纖損耗，把光纖大致分為普通光纖、低損耗光纖、超低損耗光纖三類，其中，普通光纖1550nm波長處的衰減為0.20dB/km左右，低損耗光纖、超低損耗光纖1550nm波長處的衰減分別小于0.185dB/km、0.170dB/km。
[0055]普通光纖的芯層一般摻鍺元素的二氧化硅材料，提高芯層的折射率，包層為純二氧化硅材料，從而形成芯/包一定的相對折射率差。
[0056]超低損耗光纖的芯層一般為純二氧化硅材料，包層為摻氟的二氧化硅材料，形成芯/包一定的相對折射率差。
[0057]本發(fā)明所述超低損耗光纖預制棒是拉制超低損耗光纖的預制棒。
【主權項】
1.一種制備純硅芯包層摻氟的超低損耗光纖預制棒的設備，其特征在于:包括靶棒、沉 積室、外包層噴燈、中包層噴燈、輔助噴燈、芯層噴燈、吊桿、排氣管、上部沉積腔體和石墨加 熱電阻爐;沉積室上部設置有上部沉積腔體，上部沉積腔體內(nèi)裝有吊桿，吊桿設置有掛鉤， 吊桿與提升機構相連，革巴棒懸掛在與提升機構相連的吊桿的掛鉤上，在沉積室下部一側(cè)依 次裝有外包層噴燈、中包層噴燈、輔助噴燈、芯層噴燈，在沉積室上部一側(cè)設置有排氣管，用 于排除沉積室內(nèi)廢氣；石墨燒結爐包括石英吊桿、密封組件、蓋板、石英爐芯管、石墨爐芯管、氣體管路、靶棒、 粉末體、石墨加熱體和氣體質(zhì)量流量控制器;粉末體通過靶棒與石英吊桿相連接，燒結過程 中，石英吊桿上下移動，并自轉(zhuǎn);氣體管路上安裝有氣體質(zhì)量流量控制器;粉末體置于石英 爐芯管，由上而下通過由石墨加熱體產(chǎn)生的高溫區(qū)，石英爐芯管在石墨爐芯管內(nèi)，石墨加熱 體圍繞在石墨爐芯管外，通過蓋板進行密封石英爐芯管，石英吊桿穿過密封組件。2.根據(jù)權利要求1所述的一種制備純硅芯包層摻氟的超低損耗光纖預制棒的設備，其 特征在于:密封組件內(nèi)設置4層隔離，每層中由密封組件氣體管路通入N2進行氣封。3.根據(jù)權利要求1所述的一種制備純硅芯包層摻氟的超低損耗光纖預制棒的設備，其 特征在于:在摻F燒結過程中，由氣體質(zhì)量流量控制器控制He和含氟化合物混合氣，通入石 英爐芯管的氣體管路位于石墨加熱體中上部區(qū)域。4.一種制備純硅芯包層摻氟的超低損耗光纖預制棒的方法，其特征在于:(1)靶棒預處理選用石英玻璃材質(zhì)的材料作為沉積靶棒，將選擇的靶棒進行酸洗，采用10%濃度的鹽酸 浸泡lh?2h，去除附著在靶棒表面的雜質(zhì)，然后用去離子水反復沖洗，最后烘干:(2)純硅芯包層摻氟的超低損耗光纖預制棒的制備第一步:將預處理后的靶棒夾持在VAD設備的吊桿掛鉤上，以四氯化硅、氧氣、一氧化 碳、氦氣與氮氣混合物作為原料氣體，各種原料氣體的流量比例為1:1.5:1:1:0.3?1:3:3: 1:0.5,通入石英材質(zhì)的芯層噴燈后，原料在火焰中高溫反應生成的二氧化硅微粒，沉積到 與噴燈垂直的靶棒表面，根據(jù)棒頭在感應區(qū)內(nèi)的位置，逐漸提升吊桿，形成軸向分布的粉末 體，與之對應的輔助噴燈中，通入一氧化碳、氧氣，比例為2:1?1: 2;在輔助噴燈上方的內(nèi)包 層噴燈中，通入的四氯化娃、氧氣、一氧化碳和氮氣，其流量比例為1:1:1:0.3?1.5:1: 2: 0.3;最上方的外包層噴燈中，通入的四氯化硅、氧氣、氫氣(或甲烷)和氮氣，其流量比例為 1:1:1:0.5-3:1:3:1；第二步:將沉積得到的二氧化硅粉末體置于石墨加熱電阻爐內(nèi)，將爐芯管與石英爐蓋 貼合，采用油封方式密封燒結爐蓋板及吊桿與蓋板之間的密封組件;然后，吊桿旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn) 速度為3r/min?15r/min;通入Ar、氟化物、He混合氣體，氣體流量比為0.2:4:2?0.4:15:3， 燒結爐溫度穩(wěn)定在1100°〇1200°C，通氟時間2h~5h，粉末棒由上而下通過加熱區(qū)；通氟結束 后，再次通入He、Ar混合氣體進行玻璃化，氣體流量比為2:1?10:1，燒結爐溫度穩(wěn)定在1300 t>150(TC，恒溫8h~20h，粉末棒再次由上而下通過加熱區(qū)，玻璃化結束后，關閉氣源，通過 通氟、玻璃化后，即可獲得透明、羥基含量低、純硅芯包層摻氟的超低損耗光纖預制棒。5.根據(jù)權利要求4所述的一種制備純硅芯包層摻氟的超低損耗光纖預制棒的方法，其 特征在于:所述的氟化物為0?4、(:#6、(^8、3?6、31?4、(:#2(:12、30?2其中一種或兩種以上的組 合。6.根據(jù)權利要求4所述的一種制備純硅芯包層摻氟的超低損耗光纖預制棒的方法，其 特征在于:所述的輔助噴燈數(shù)量可2?5個，分散在垂直于軸向的同一平面內(nèi)。7.根據(jù)權利要求4所述的一種制備純硅芯包層摻氟的超低損耗光纖預制棒的方法，其 特征在于:沉積的粉末體，內(nèi)包層厚度與芯層厚度之比為4.5?6.5，外包層厚度與芯層厚度 之比為7.5?15.5。
【文檔編號】C03B37/014GK106007355SQ201610335588
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月19日
【發(fā)明人】吳椿烽, 沈春, 沈一春, 錢宜剛
【申請人】中天科技精密材料有限公司, 江蘇中天科技股份有限公司