[发明专利]一种用于大尺寸光纤预制棒的石英套管及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种可用于大尺寸光纤预制棒芯棒外包材料的石英套管及其制造方法，其具有折射率值可调节，且折射率值的参数分布均匀等优点。

背景技术

在光纤制造领域，所谓的套管是一种石英材质的空心管状材料。功能上，它可作为沉积掺杂二氧化硅或纯二氧化硅的基体，并具有增加光纤预制棒尺寸等作用。因此，套管可以理解为是一种具有特定几何尺寸的人造石英预制件。目前公知的光纤预制件的制造工艺，典型的有管内法气相沉积工艺，如改进化学气相沉积工艺（MCVD，modified chemical vapor deposition）和等离子体激发化学气相沉积工艺（PCVD，plasma chemical vapor deposition），以及管外法气相沉积工艺，如外部气相沉积工艺（OVD，outside vapor deposition）和外部轴向沉积工艺（VAD，vapor axial deposition）。

美国专利US 5837334，描述了一种利用管外沉积工艺人工合成二氧化硅来制造石英套管的方法。该法采用VAD或OVD外部气相沉积工艺制造出大尺寸的疏松材质的石英母棒，在高温下玻璃化后，钻孔获得空心圆柱体，根据目标尺寸的需要，可选择拉伸工艺将空心圆柱体制成有特定尺寸要求的石英套管。该类工艺在沉积纯的二氧化硅材料时，具有沉积速率高的特点。但在制造具有一定氟掺杂剂的低折射率材料时，疏松的粉料在未完全玻璃化前，高温下掺杂剂会发生挥发或扩散，因此很难将掺杂二氧化硅材料的折射率控制在精确的范围，特别是在沉积诸如较大量氟掺杂剂以获取较低折射率值的套管时，有的甚至沿套管半径方向和轴向方向上表现出折射率值的大幅波动。

中国专利CN101314515A提出了一种光纤预制棒用石英套管的生产方法。该法利用等离子体热源将石英砂粉料均匀熔化后沉积形成石英毛砣，再通过机械加工对石英毛砣的内孔、外圆进行处理，最后在中频炉中采用无接触式拉管方式将石英砣拉制成一定几何尺寸的石英套管。该法原料为天然石英砂，因此所产套管的质量受石英砂原材料的杂质含量的影响。该法很难通过加入掺杂剂均匀调控衬管的折射率，所以利用该法所制衬管的折射率基本固定，如该专利所述，为1.45728。

传统的套管因用途有限，并不要求具备高的光学质量。但是随着光纤的发展，对一些特定折射率剖面结构的光纤，其套管的材料和工艺也需要随之进化，以满足光纤制造的高效低成本需要。除了发挥沉积二氧化硅层作为沉积基体或增加光纤预制棒外形尺寸的功能外，渐渐的，套管也开始参与组成有折射率变化的光纤光学包层的角色。但前提条件是，在套管的制造过程中，其折射率要具有可控性，能根据光纤产品的需求灵活变化，并且折射率参数的分布要达到一定的均匀性，以满足批量化的生产。

专利CN1203335C设计了一种低色散斜率非零色散位移光纤的折射率剖面，该设计形式上基于普通单模光纤折射率的剖面，在直径方向上向外增加了若干台阶式的纤芯分层，各层折射率不同，这种折射率剖面可以实现调节色散斜率、弯曲损耗、PMD值、有效面积等性能参数的功能。在专利要求的限制范围内，可以使光纤在维持良好的抗弯曲性能、较低PMD值的同时具有大有效面积和低色散斜率。但剖面结构复杂的特点也使得制造这种光纤的工艺难度大，制造成本高，并且很难实现预制棒尺寸的大型化。

在专利CN101598834中，描述了一种具有优异抗弯曲性能的单模光纤，从其折射率剖面来看，较普通阶越型单模光纤多了一层下陷包层。下陷包层为掺氟石英材料，其作用为提高光纤的抗弯曲性能。专利CN101281275提出了一种具有大有效面积的光纤，相对标准单模光纤而言，有效面积增大，必将导致光纤抗弯曲性能的恶化，所以，该专利亦通过增加一层下陷包层达到了改进光纤的抗弯曲性能的目的，并且下陷包层在光纤里的积分体积越大，抗弯曲性能的作用越好。

总而言之，与普通阶越型的标准单模光纤相比，类似折射率分层多的复杂结构光纤，或者芯层直径尺寸较大的光纤，其诸如下陷包层的部分无疑会带来芯棒直径的增加，在制造大尺寸预制棒时，便增加了大尺寸芯棒的制造难度，对制造设备提出了更高的挑战。另一方面，由于芯棒作为光纤预制棒的核心部分，其制造成本也是最高的，增大芯棒的尺寸总体上来说也不利于光纤制造成本的降低。作为增大预制棒尺寸的一种方法，套管工艺可通过套入间隙套管来实现预制棒的逐步增大。但现有的折射率固定的纯二氧化硅石英套管无法满足光纤折射率剖面里含有多光学包层结构的要求。

发明内容

为方便介绍发明内容，定义部分术语：

芯棒：含有芯层和部分包层的预制件；