一种PCVD沉积制备大直径光纤芯棒的方法与流程

本发明涉及一种光纤芯棒的沉积制备方法，具体涉及一种PCVD沉积制备大直径光纤芯棒的方法，属于光纤制造技术领域。

背景技术：

光纤芯棒的制备是光纤制造的第一步，光纤的传输特性主要取决于芯棒的部分，因此芯棒制备工艺被认为是光纤制备工艺的核心部分。主流用于制备石英光纤芯棒的方法可分为管内法和管外法，其中管内法主要包括改进的化学气相沉积工艺(MCVD)和等离子体化学气相沉积工艺(PCVD)，管外法主要包括外部化学气相沉积工艺(OVD)和轴向化学气相沉积工艺(VAD)。而PCVD工艺技术沉积过程是在接近真空的低压环境下，参与反应的混合气体在高频功率的直接作用下电离成携带巨大能量具有极高活性的等离子体，等离子体迅速发生反应形成纯硅或掺杂的高温氧化物，在石英衬管内壁以玻璃态直接沉积。PCVD沉积工艺的机理决定其有以下较明显特征：1，相比于MCVD工艺的反应能量通过衬管传导到管内反应气体，PCVD工艺的是由谐振腔产生的微波直接耦合到石英衬管内的反应区域，因此沉积过程不受衬管传热影响；2，PCVD工艺负压等离子的反应机理不同于其他气相沉积工艺氯化物水解的反应机理，较易实现高掺杂多组分沉积，而且是直接沉积为玻璃态，相比管外法少了脱水烧结前的过渡态，相比MCVD工艺的衬管传导能量的集聚，PCVD反应速率极快；3，PCVD工艺气体电离不受衬管传热影响，高频谐振腔可以快速移动，从而使得每一层的沉积层厚度可以控制在微米级，因此可以非常精确的控制折射率剖面分布；4，PCVD工艺中电离后的等离子体的反应受温度影响很小，因而相对其他工艺所需的沉积环境温度较低，衬管不易变形。因此，PCVD沉积工艺在多组分高掺杂、精确折射率剖面分布以及高反应速率的光纤芯棒制备方面具有显著优势。

随着光纤市场的竞争激烈，对于光纤制造的成本控制和指标要求越来越高，增大芯棒尺寸是一个有效应对手段。PCVD工艺的极限最大制备芯棒尺寸为石英衬管的外径，但在实际制备中并不能达到理想的较大芯棒尺寸，这主要是因为在实际的PCVD沉积中，管内除了反应产生含氯废气外，还会产生大量的非玻璃的固体颗粒粉尘，在管内气流的作用以及温度差异的影响下，向衬管排气端内壁吸附堆积，堆积到一定程度堵塞衬管排气端，导致沉积失败，从而限制了衬管内沉积物质量，导致最终熔缩的光纤芯棒外径尺寸偏小。而且在多组分高掺杂的光纤芯棒制备中，作为普遍应用的氟、锗、硼掺杂元素，沉积到石英玻璃中都会显著降低沉积层玻璃的粘度，使得反应产生的颗粒粉尘也粘度降低，更易吸附堆积从而堵塞导致沉积失败，因而也进一步限制了所制备芯棒的外径尺寸。

在中国专利公布号CN102092936A和中国专利授权号CN101891380B中提到了大尺寸光纤预制棒的制备，采用的是PCVD工艺先在石英衬管上沉积制备相对小尺寸含掺氟层的芯棒，再通过OVD或VAD的其他工艺外部沉积包层，得到大直径光纤预制棒；在中国专利授权号CN1194916C中采取提高PCVD工艺沉积速率制备光纤芯棒；在中国专利授权号CN101182113B中提到了一种大直径光纤芯棒的PCVD制作方法，其中明确指出了沉积过程中产生的较多粉尘容易将沉积管末端堵塞导致沉积失败，而针对此问题，该专利中采取的是采用较大内外径尺寸的石英衬管，由于衬管内径的加大，通过调整管内混合气体的比例与流速，从而解决沉积衬管末端堵塞问题。以上专利针对的多是通信类光纤芯棒制备，掺杂含量相对较少，针对高掺杂多组分的光纤芯棒制备涉及不多；PCVD工艺沉积为连续进行。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题针对上述现有技术存在的不足，提供了一种PCVD沉积制备大直径光纤芯棒的方法，它能有效避免石英衬管沉积排气端的粉尘堵塞，提高衬管的沉积量，特别适用于高掺杂多组分的大直径光纤芯棒的制备。

本发明的为解决上述提出的问题所采用的技术方案如下：

用纯石英玻璃衬管为基管，经腐蚀清洗干燥后，装夹于PCVD沉积机床上，衬管穿过微波谐振腔并置于保温炉内，两端由旋转夹头装夹，保温炉提供800～1200℃的沉积环境温度，谐振腔产生高频功率沿衬管轴向往复移动进行PCVD沉积，参与沉积的混合气体从衬管的一端进入管内，衬管的另一端为排气端，排气端通过管道连接真空泵，其特征在于在衬管排气端内安设一石英玻璃集尘插管，集尘插管外径与衬管内孔相配置，嵌入衬管排气端，收集沉积于排气端的粉尘；沉积过程中，当集尘插管中的粉尘收集量达到一定量时，暂停沉积，关闭混合气体控制阀，衬管停止旋转，谐振腔停止工作，松开排气端旋转夹头，更换集尘插管，再上紧旋转夹头，继续沉积，如此反复，直至沉积完成；取出集尘插管，将沉积完毕的衬管在电熔缩炉上进行熔缩得到实心芯棒。

按上述方案，所述的石英玻璃集尘插管管体为直管、锥管或阶梯管，管体内孔贯通。

按上述方案，所述的石英玻璃集尘插管管体前端设置外翻的翻边，所述的翻边与衬管端口相配置。

按上述方案，所述的石英玻璃集尘插管管体长度为200～450mm，管体后端设置有缩口。

按上述方案，所述的纯石英玻璃衬管外径为31～46mm，内径为22～40mm，管长1.5～2.2m。

按上述方案，所述的微波谐振腔产生3kw-15kw的高频沉积功率；谐振腔相对衬管做轴向往复运动，移动速度12-40m/min，沉积时控制衬管内的压力为5～20mbar。

按上述方案，所述的腐蚀清洗是将纯石英玻璃衬管以AR级的氢氟酸试剂(HF含量>＝36％)浸泡腐蚀，腐蚀去除量以衬管重量减少计0.3％-0.8％，腐蚀后衬管以高纯去离子水冲洗内外表面，再以洁净的压缩空气吹扫衬管内外表面进行充分的干燥。

按上述方案，在沉积暂停期间，保温炉保持温度800～1000℃；衬管内除纯氧气外其它气体流量调节为零，管内压力暂不受真空泵控制。

按上述方案，石英衬管中参与沉积的混合气体种类包括有四氯化硅蒸气、四氯化锗蒸气、纯氧气、氟利昂蒸气及三氯化硼蒸气。

本发明的有益效果在于：1、通过在衬管排气端安设收集粉尘用的集尘插管，并在沉积过程中更换插管，解决了衬管排气端粉尘堵塞导致沉积失败的问题，提高了管内沉积量和沉积效率，利于PCVD工艺对大直径芯棒的沉积制备，特别适用于高掺杂多组分的大直径光纤芯棒的制备；2、相对于其他芯棒制备工艺PCVD工艺不受衬管传热影响，反应速率极快，高频功率点火瞬间等离子体开始反应沉积，功率熄火瞬间管内恢复常规混合气体状态，而且沉积直接反应生成最终芯棒的玻璃态物质，从而确保了沉积暂停的可行性和暂停前后沉积物质的一致性；扩展了PCVD工艺适用性；3、PCVD工艺具有精确控制折射率剖面的优势，本发明在暂停前后沉积气体种类与流量、管内压、高频功率、插入管尺寸等均可不同，从而进一步发挥了PCVD工艺优势，为更复杂剖面和更多组分芯棒制备打下基础；4、本发明集尘插管可以为普通石英玻璃，成本低廉易于加工，且本发明换管操作简便，时间短，安全性高，实用性强，利于推广。

附图说明

图1是本发明一个实施例的集尘插管工作状态示意图。

图2、图3、图4分别为本发明集尘插管三个实施例的正视图。

图5是本发明一个实施例的芯棒折射率剖面的示意图。

图6是本发明另一个实施例的芯棒折射率剖面的示意图。

图7是本发明第三个实施例的芯棒折射率剖面的示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步详细说明。

为方面介绍实施例内容，定义如下术语：

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:光纤芯棒外包层直径，单位为毫米(mm)；

d:光纤芯棒直径,单位为毫米(mm)；

相对折射率Δn_i：

其中n_i和n₀，i＝1,2,3...n_i和n₀分别为两种玻璃材料的折射率，在本发明中，n₀为纯石英玻璃折射率；

折射率分布指数g：

渐变多模芯棒折射率n(r)分布满足下列公式

其中n₁为芯层轴心的折射率，r为离开芯层轴心的距离，r₀为渐变多模芯棒芯层半径，Δ渐变多模为芯/包相对折射率，g为分布幂指数。

本发明制备过程为：用纯石英玻璃衬管2为基管，经腐蚀清洗干燥后，装夹于PCVD沉积机床上，衬管穿过微波谐振腔并置于保温炉1内，两端由旋转夹头装夹，保温炉提供800～1200℃的沉积环境温度，谐振腔产生高频功率沿衬管轴向往复移动进行PCVD沉积，参与沉积的混合气体从衬管的一端进入管内，衬管的另一端为排气端，排气端通过管道连接真空泵，在衬管排气端内安设一石英玻璃集尘插管4，集尘插管外径与衬管内孔相配置，嵌入衬管排气端，收集沉积于排气端的粉尘；沉积过程中，当集尘插管中的粉尘收集量达到一定量时，暂停沉积，关闭混合气体控制阀，衬管停止旋转，谐振腔停止工作，松开排气端旋转夹头3，更换集尘插管，再上紧旋转夹头，继续沉积，如此反复，直至沉积完成；取出集尘插管，将沉积完毕的衬管在电熔缩炉上进行熔缩得到实心芯棒。所述的石英玻璃集尘插管管体6为直管、锥管或阶梯管，管体内孔贯通，所述的石英玻璃集尘插管管体前端设置外翻的翻边7，所述的翻边与衬管端口相配置，管体后端设置有缩口5。

实施例1：

使用外径36mm，内径32mm，管长1.9米纯石英玻璃衬管进行PCVD沉积；制备得到光纤芯棒折射率剖面如图5所示，为阶跃型分布；其中芯棒最外层为衬管形成的纯石英玻璃层，向内为沉积的高掺氟内包层，相对折射率Δn₂为-1.0～-1.9％，再向内为沉积的纯石英或掺锗芯层，相对折射率Δn₁为0～0.5％，内包层直径b和芯层直径a比值在1.05～3之间。

在连续沉积时，所制得的芯棒最大棒径28mm，内包层直径b最大值22.7mm，最大有效棒长1.1m；在目标芯棒剖面一致的条件下采用非连续置换沉积插管方法沉积，开始沉积时衬管排气端嵌入如图2所示的直管形集尘插管，插管长度350～450mm，外径28mm，内径25mm，翻边长度3～4mm，翻边外径33～36mm，缩口长度5～7mm，缩口外径23～25mm，缩口内径22～20mm；在高掺氟内包层沉积完后暂停，更换插管，所换上插管缩口外径23～20mm，缩口内径20～17mm，其他与换下插入管尺寸一致，所制得的芯棒最大有效棒长1.1m，最大棒径32mm，内包层直径b最大值27.5mm。

制备芯棒部分工艺参数对比如下表1：

表1.实施例1芯棒制备部分工艺参数

实施例2：

使用外径46mm，内径40mm，管长1.7mm纯石英衬管沉积；制备得到光纤芯棒折射率剖面如图6所示；其中芯棒最外层为衬管形成的纯石英玻璃层，向内为沉积的掺氟外包层，相对折射率Δn₃为-0.5～-1.2％，再向内为沉积的纯石英或氟锗共掺的内包层，相对折射率Δn₂为-0.1～0.1％，最内为掺锗或氟锗共掺的渐变折射率芯层，最大相对折射率Δn₁为0.8～2.1％，分布幂指数g为1.8～2.2％，该芯棒内包层直径b和芯层直径a之比在1.0～1.2之间，外包层直径c和芯层直径a之比在1.2～1.6之间。

在连续沉积时，所制得的芯棒最大棒径33mm，外包层直径c最大值24.0mm，最大有效棒长1.0m；在目标芯棒剖面一致的条件下采用本发明非连续沉积，开始沉积时衬管排气端嵌入如图2所示集尘插管，插管长度300～400mm，外径36mm，内径33mm，翻口长度4～5mm，翻口外径42～46mm，缩口长度8～10mm，缩口外径30～33mm，缩口内径27～30mm；在掺氟外包层沉积完后暂停，更换插管，所换上插管缩口外径27～30mm，缩口内径24-27mm，其他同之前插入管尺寸一致；在纯石英或氟锗共掺内包层沉积中途或沉积完后可再次暂停，可更换如图3所示阶梯形插管，插管由粗径和细径两部分组成，其中粗径更靠近排气端，长度150～200mm，外径36mm，内径33mm，翻口长度4～5mm，翻口外径42～46mm，细径部分长度150～200mm,外径31mm，内径28mm，缩口长度5～7mm，缩口外径25～28mm，缩口内径23～25mm,继续沉积掺锗或氟锗共掺的渐变折射率芯层；最后所制得的芯棒最大有效棒长1.0m，棒径38mm，外包层直径c为30.4mm。

制备芯棒部分工艺参数对比如下表2：

表2.实施例2芯棒制备部分工艺参数

实施例3：

使用外径31mm，内径22mm，管长2.1mm高纯石英衬管沉积；制备得到光纤芯棒折射率剖面如图7所示；其中芯棒最外层为衬管形成的纯石英玻璃层，向内为沉积的掺硼渐变内包层，最大相对折射率Δn₂为-0.3～-0.5％，再向内为沉积的掺硼芯层，相对折射率Δn₁为-0.5～-0.6％，内包层直径b和芯层直径a比值在1.05～1.15之间。

在连续沉积时，所制得的芯棒最大棒径26.2mm，内包层直径b最大值14.5mm，最大有效棒长0.9m；在目标芯棒剖面一致的条件下采用本发明非连续沉积，开始沉积时衬管排气端嵌入如图2所示集尘插管，插管长度400～500mm，外径21mm，内径19mm，翻口长度4～5mm，翻口外径28～31mm，缩口长度4～5mm，缩口外径19～21mm，缩口内径17～19mm；在掺硼渐变内包层沉积完后暂停，更换如图4所示锥形插管，长度400～450mm，翻口长度4～5mm，翻口外径28～31mm，该插管内外径从与翻口相连处的外径21mm，内径19mm向缩口均匀递减，至缩口处外径18～19mm，内径16～17mm；最后所制得的芯棒最大有效棒长0.9m，棒径27.6mm，内包层直径b 17.0mm。

制备芯棒部分工艺参数对比如下表3：

表3.实施例3芯棒制备部分工艺参数