[发明专利]一种光纤预制棒的新型制作方法

说明书

【技术领域】：

一种光纤预制棒的新型制作方法，包括一种针对特殊材料玻璃光纤预制棒所设计的恒温浇铸设备和利用此设备，并采用浇铸法的原理，发明的一种特殊材料玻璃光纤预制棒的制作方法。

【背景技术】：

随着光纤应用技术的发展，光纤的制备工艺在近几十年里得到了飞速的提高。众所周知，光纤的制备工艺主要由制作光纤预制棒和光纤拉丝两部分组成，其中光纤预制棒则是当今光纤生产的母体和发展的瓶颈。因此，光纤预制棒被业内誉为光通信产业“皇冠上的明珠”。

然而，现有的光纤预制棒制备工艺及设备主要是针对普通硅酸盐光纤所设计开发的，对于仍停留在实验室阶段的很多特殊材料玻璃光纤则并不适用。但是，很多特殊材料玻璃光纤在光通信领域中存在着巨大的发展潜力及潜在的商业价值，所以，如今乃至以后其必将成为众多实验室的研究热点之一。因此，非常有必要学习、研究光纤预制棒的制作工艺，并对其进行改造，使之更适合于实验室中对特殊材料玻璃光纤的开发。

目前，有关光纤预制棒的发明专利多为国外所设计，综合其制作方法主要分为：芯棒的制造和包层的制造两部分。

芯棒的制造一般采用气相沉积法，具体来讲主要包括：外汽相沉积法(OVD)、汽相轴向沉积法(VAD)、改进的化学汽相沉积法(MCVD)、等离子体化学汽相沉积法(PCVD)四种。其中，OVD是美国康宁公司Kapron在1970年发明的专利。OVD化学反应机理为火焰水解，即通过氢氧焰携带的气态卤化物被火焰水解，产生的“料末”逐渐地一层一层沉积，从而获得所需的纤芯玻璃。OVD分为沉积和烧结两个工艺步骤：(1)按光纤折射分布的要求，进行多孔玻璃预制棒芯棒的沉积；(2)将沉积好的预制棒芯棒进行烧结处理，除去残留水分后，得到一根透明无水分的光纤预制棒芯棒。VAD是1977年日本电报电话公司的伊泽立男等人为避免与康宁公司OVD专利的纠纷而发明的连续工艺专利。VAD化学反应机理与OVD工艺相同，也是火焰水解。与OVD工艺不同的是，VAD是通过在外面沉积精细的粒子到玻璃状“种棒”的顶端上来制成预制棒，这种生长是轴向的生长于“种棒”的顶端，因此称为轴向沉积法。这种方法中，烧结和沉积是在同一台设备中不同空间同时完成的，即预制棒的连续制造。MCVD是由美国AT&T公司贝尔实验室的Machesney等人在1974年所开发的经典工艺专利。MCVD法是将含有纤芯和包层材料的气体分别多次吹入到轴向移动加热的硅管中，气体在加热区域发生反应并在管的内壁上形成连续的沉积层，经过多次沉积形成坯棒，最后烧结塌陷成预制棒。MCVD工艺是由沉积和成棒两个工艺步骤组成：(1)沉积是获得设计要求的光纤芯折射率分布；(2)成棒是将已沉积好的空心高纯石英玻璃管熔缩成一根实心的光纤预制棒芯棒。PCVD是1975年由荷兰飞利埔公司的Koenings提出的微波工艺专利。PCVD与MCVD的相似之处是，它们都是在高纯石英玻璃管管内进行气相沉积和高温氧化反应。所不同之处是PCVD工艺用的热源是微波，其反应机理为微波激活气体产生等离子使反应气体电离，电离的反应气体呈带电离子态。带电离子重新结合时释放出的热能，从而熔化气态反应物而形成透明的石英玻璃沉积薄层。PCVD与MCVD均有沉积和成棒两个具体步骤。

包层的制造主要包括：管套法(Casing)、等离子喷涂(Plasma Spray)、溶胶-凝胶法(Sol-gel)、火焰水解外沉积法(SOOT)四种。Casing是指分别机械加工出包层材料制成的空心管和纤芯材料制成的芯棒，将芯棒插入到空心管中制成预制棒。Plasma Spray是由阿尔卡特发明的，指用石英粉末经等离子焰熔制在芯棒上制成大预制棒的技术。Sol-gel是美国朗讯发明的外包技术，包括两条途径：(1)用Sol-gel法制成合成石英管作为套管，再用套管法制成大预制棒；(2)先用Sol-gel法制成合成石英粉末，再将合成石英粉末经高频等离子焰熔制于芯棒上制成大预制棒。SOOT泛指OVD、VAD等火焰水解外沉积工艺，而不用OVD、VAD以示与芯棒制作工艺的区别。

以上所介绍的光纤预制棒的制备工艺已经被广泛应用于工业生产中，但是它们却有各自的缺点。例如，MCVD法管套的偏心度、弯曲度等难以控制；VAD法耗电多、电极损耗大等等。并且更关键的是：以上的制备工艺过于复杂，设备昂贵，适合于工业大型生产，不能用于实验室中对新型材料玻璃光纤的研发。