申请/专利权人：江苏亨通光导新材料有限公司;江苏亨通光电股份有限公司

申请日：2018-11-14

公开（公告）日：2021-07-16

公开（公告）号：CN109179981B

主分类号：C03B37/012(20060101)

分类号：C03B37/012(20060101);C03B37/027(20060101)

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2021.07.16#授权;2019.02.12#实质审查的生效;2019.01.11#公开

摘要：本发明涉及光纤领域，具体公开了一种光纤预制棒，其包括芯棒以及包覆在芯棒外的包层；芯棒包括内芯棒以及包覆在内芯棒外的外芯层；内芯棒为掺杂有碱金属的石英棒；外芯层为掺杂有碱金属的石英管；内芯棒的碱金属浓度递减方向与外芯层的碱金属浓度递减方向相反。上述光纤预制棒，由于采用至少两层芯层结构，并且两层芯层中碱金属浓度的递减方向相反，从而通过拉丝，使光纤中碱金属浓度在径向以及纵向上均匀分布，不易出现结晶，进一步降低光线的瑞利散射，降低光纤损耗。本发明还公开了一种光纤预制棒的制备方法、以及光纤及其制备方法。

主权项：1.一种光纤预制棒，其特征在于，包括芯棒以及包覆在所述芯棒外的包层；所述芯棒包括内芯棒以及包覆在所述内芯棒外的外芯层；所述内芯棒为掺杂有碱金属的石英棒；所述外芯层为掺杂有碱金属的石英管；所述光纤预制棒具有第一端、以及与所述第一端相对的第二端；从所述第一端到所述第二端，所述内芯棒的碱金属浓度递减，所述外芯层的碱金属浓度递增。

全文数据：光纤预制棒及其制备方法、光纤及其制备方法技术领域本发明涉及光纤技术领域，特别是涉及一种光纤预制棒及其制备方法、光纤及其制备方法。背景技术超低损耗光纤可以增加传输距离，可以减少中继降低网络的复杂性，能大幅地降低建设成本，随着网络的发展，对带宽的需求越发增大，此时超低损耗光纤越来越受市场青睐。超低损耗的光纤，一般为芯部掺杂有碱金属的石英系玻璃光纤。如果光纤预制棒的芯部包含碱金属元素，则当拉丝成光纤时，碱金属元素可以降低芯部的粘度，使二氧化硅的网状结构变得松弛，使密度变得均匀，降低由密度波动引起的瑞利散射损耗，理论上能够降低光纤的衰减。传统地，超低损耗的光纤通过如下方式制成：利用载气将经外部热源加热后的碱金属蒸汽带到受热的玻璃管内表面，从而将碱金属元素扩散掺杂到玻璃管的内表面浅层；为了去除在掺杂碱金属元素的同时掺杂的过渡金属元素，将玻璃管的内表面蚀刻掉一定厚度。由于碱金属元素的扩散比过渡金属元素的扩散快，蚀刻掉玻璃管内表面一定厚度，去除了过渡金属元素，但是碱金属元素还有不少在玻璃管内部。蚀刻完成后，将蚀刻后的玻璃管通过塌缩制成芯棒。然后在芯棒外套上包层制成光纤预制棒，最后进行拉丝制成光纤。但是，上述方法易造成碱金属分布不均匀、出现结晶等不良现象。发明内容基于此，有必要提供一种新的光纤预制棒。一种光纤预制棒，包括芯棒以及包覆在所述芯棒外的包层；所述芯棒包括内芯棒以及包覆在所述内芯棒外的外芯层；所述内芯棒为掺杂有碱金属的石英棒；所述外芯层为掺杂有碱金属的石英管；所述光纤预制棒具有第一端、以及与所述第一端相对的第二端；从所述第一端到所述第二端，所述内芯棒的碱金属浓度递减，所述外芯层的碱金属浓度递增。上述光纤预制棒，由于采用至少两层芯层结构，并且两层芯层中碱金属浓度的递减方向相反，从而通过拉丝，使光纤中碱金属浓度在径向以及纵向上均匀分布，不易出现结晶，进一步降低光线的瑞利散射，降低光纤损耗。优选地，所述包层包括包覆在所述芯棒外的内包层、以及包覆在所述内包层上的外包层。优选地，所述碱金属选自钾。本发明还提供了一种光纤预制棒的制备方法。一种光纤预制棒的制备方法，包括如下步骤：将内芯棒插入到外芯管中形成芯棒；所述内芯棒为掺杂有碱金属的石英棒；所述内芯棒中的碱金属浓度从第一端到第二端递减；所述外芯管为掺杂有碱金属的石英管；所述外芯管中的碱金属浓度从第一端到第二端递增；所述内芯棒的第一端与所述外芯管的第一端位于同一端；在所述芯棒外包覆包层，形成光纤预制棒。上述光纤预制棒的制备方法，由于采用至少两层芯层结构，并且两层芯层中碱金属浓度的递减方向相反，从而通过拉丝，使光纤中碱金属浓度在径向以及纵向上均匀分布，不易出现结晶，进一步降低光纤的瑞利散射，降低光纤损耗。优选地，所述内芯棒通过如下步骤制备：将碱金属掺杂到石英管的内壁，然后将所述石英管塌缩蚀刻成实心棒，再将所述实心棒去除外表层，形成内芯棒。优选地，所述外芯管通过如下步骤制备：将碱金属掺杂到石英管的内壁，然后将所述石英管塌缩蚀刻，形成外芯管。优选地，所述掺杂的碱金属源选自溴化钾。优选地，在包覆包层之前，还包括去除所述芯棒的外表层。本发明还提供了一种光纤。一种光纤，所述光纤由本发明所提供的光纤预制棒拉丝而成。上述光纤，由于采用本发明所提供的光纤预制棒拉丝而成，故而光纤中碱金属浓度在径向以及纵向上均匀分布，不易出现结晶，进一步降低光线的瑞利散射，降低光纤损耗。本发明还提供了一种光纤的制备方法。一种光纤的制备方法，将本发明所提供的光纤预制棒拉丝形成光纤。上述光纤的制备方法，由于采用本发明所提供的光纤预制棒拉丝而成，故而光纤中碱金属浓度在径向以及纵向上均匀分布，不易出现结晶，进一步降低光线的瑞利散射，降低光纤损耗。附图说明图1为本发明的一实施例的光纤预制棒的截面结构示意图。图2为一实施例的内芯棒的纵向方向的钾浓度分布图。图3为一实施例的外芯管的纵向方向的钾浓度分布图。图4为内芯棒与外芯管的套制关系图。图5为一实施例的光纤的径向方向的钾浓度分布图。图6为一实施例的光纤的剖面折射率分布图。具体实施方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合具体实施方式，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。本发明的发明人通过研究发现，为了获得较多的掺杂碱金属的石英玻璃，第一种方案是增加壁厚；大壁厚的石英管通过降低热源的移动速度获得合适的扩散温度时，为了获得平均浓度达到100ppm～1000ppm的碱金属浓度掺杂，管内壁会由于碱金属浓度过高而出现结晶，从而非但不能获得低衰减光纤还可能导致衰减上升。第二种方案是，不增加石英管壁厚而增加石英管长度，当石英管长度增长时，由于碱金属蒸发源与扩散石英玻璃管材在纵向位置上距离的差异较大，导致碱金属离子扩散石英管材在纵向上的具有较大的浓度差。经发明人试验，溶度呈现出与碱金属源的距离相关，即离碱金属源越近浓度相对越高。碱金属浓度呈现较大线性差异，将出现传输衰减的差异。参见图1，本发明一实施方式的光纤预制棒，包括芯棒以及包覆在芯棒外的包层；芯棒包括内芯棒1、以及包覆在内芯棒1外的外芯层2；内芯棒1为掺杂有碱金属的石英棒；外芯层2为掺杂有碱金属的石英管；光纤预制棒具有第一端、以及与第一端相对的第二端；从第一端到第二端，内芯棒的碱金属浓度递减，外芯层的碱金属浓度递增。也就是说，内芯棒的碱金属浓度递减方向与外芯层的碱金属浓度递减方向相反。其中，内芯棒1以及外芯层2均光轴延伸。其中，包层由折射率比芯棒折射率低的材料制成。在本实施例中，包层包括包覆在芯棒外的内包层3、以及包覆在内包层上的外包层4。当然，可以理解的是，作为一种变型，包层也可以为一层。其中，碱金属是指IA族金属元素。碱金属优选选自Ru、CS、K、Na中一种。在本实施例中，碱金属选自钾。这样可以更进一步提高光纤的性能。上述光纤预制棒，由于采用至少两层芯层结构，并且两层芯层中碱金属浓度的递减方向相反，从而通过拉丝，使光纤中碱金属浓度在径向以及纵向上均匀分布，不易出现结晶，进一步降低光纤的瑞利散射，降低光纤损耗。本发明还提供了一种光纤预制棒的制备方法。一种光纤预制棒的制备方法，包括如下步骤：将内芯棒插入到外芯管中形成芯棒；所述内芯棒为掺杂有碱金属的石英棒；所述内芯棒中的碱金属浓度从第一端到第二端递减；所述外芯管为掺杂有碱金属的石英管；所述外芯管中的碱金属浓度从第一端到第二端递增；所述内芯棒的第一端与所述外芯管的第一端位于同一端；在所述芯棒外包覆包层，形成光纤预制棒。优选地，内芯棒通过如下步骤制备：将碱金属掺杂到石英管的内壁，然后将石英管塌缩蚀刻成实心棒，再将实心棒去除外表层，形成内芯棒。在本实施例中，石英管的尺寸为35mm*25mm*1000mm。当然，可以理解的是，不限于此种尺寸，还可以是本领域技术人员认为合适的其他尺寸。在本实施例中，碱金属源选自溴化钾。当然，可以理解的是，除了溴化钾，可以选取其他碱金属盐作为碱金属源。参见图2，图2为本发明一具体实施例的内芯棒的纵向方向的钾浓度分布图。内芯棒中的碱金属浓度从一端到另一端递减。优选地，外芯管通过如下步骤制备：将碱金属掺杂到石英管的内壁，然后将石英管塌缩蚀刻，形成外芯管。可以理解的是，外芯管的尺寸与内芯棒的尺寸为适合套制的尺寸。在本实施例中，制作外芯管的石英管的尺寸也为35mm*25mm*1000mm。同样地，在本实施例中，碱金属源选自溴化钾。参见图3，图3为本发明一具体实施例的外芯管的纵向方向的钾浓度分布图。外芯管中的碱金属浓度从一端到另一端递减。需要说明的是，内芯棒与外芯管的制备过程没有特殊要求，可以同时进行，也可以先制备其中一个，后制备另一个。参见图4，也就是说，在将内芯棒1插入到外芯管2时，是将内芯棒1的头端从外芯管2的头端插入，当套制好后，内芯棒1的头端与外芯管2的尾端在同一端，而内芯棒1的尾端与外芯管2的头端在同一端。这样可以保证外芯管2碱金属浓度高的一端包裹在内芯棒1碱金属浓度低的一端；同时外芯管2碱金属浓度低的一端包裹在内芯棒1碱金属浓度高的一端；进而使纵向浓度趋于均匀。优选地，在包覆包层之前，还包括去除芯棒的外表层。本发明使用长的玻璃管进行碱金属掺杂，进行高低碱金属浓度匹配，使得碱金属在预制芯部的平均溶度呈现纵向均匀，拉丝加热扩散后光纤径向碱金属浓度也较均匀，可有效地避免一层芯结构因管壁过厚需要碱金属元素掺杂过量导致结晶的损耗增大。上述光纤预制棒的制备方法，由于采用至少两层芯层结构，并且两层芯层中碱金属浓度的递减方向相反，从而通过拉丝，使光纤中碱金属浓度在径向以及纵向上均匀分布，不易出现结晶，进一步降低光线的瑞利散射，降低光纤损耗。本发明还提供了一种光纤。一种光纤，光纤由本发明所提供的光纤预制棒拉丝而成。上述光纤，由于采用本发明所提供的光纤预制棒拉丝而成，故而光纤中碱金属浓度在径向以及纵向上均匀分布，不易出现结晶，进一步降低光线的瑞利散射，降低光纤损耗。本发明还提供了一种光纤的制备方法。一种光纤的制备方法，将本发明所提供的光纤预制棒拉丝形成光纤。上述光纤的制备方法，由于采用本发明所提供的光纤预制棒拉丝而成，故而光纤中碱金属浓度在径向以及纵向上均匀分布，不易出现结晶，进一步降低光线的瑞利散射，降低光纤损耗。在光纤预制棒以及光纤的制备过程中测试碱金属钾的含量如图5所示。从图5可以看出，在光纤形成后，芯棒上钾的浓度在径向上较为均匀。利用PK2200对本发明的光纤的光学参数进行测试，并测试光纤在1550nm和1625nm波长不同弯曲半径下的附加损耗。测试结果表明，本发明光纤的光学参数如模场直径、截止波长和光纤损耗等方面可以做到完全符合ITU-TG.652.DG.654.E标准的要求，并且弯曲性能优于G.652.D标准的要求。利用OTDR对光纤衰减进行测量，测量结果见表1。从表1中可以看出，1550nm波长处的衰减值≤0.160dbkm，具有优异的衰减性能。表1拉丝长度KM1550衰减dBKM24.410.16448.420.15972.430.15796.440.158120.450.153144.460.153168.470.152192.480.153216.490.153240.50.154264.510.152288.520.151312.530.153336.540.154360.550.152384.560.153408.570.152432.580.155456.590.158480.60.157504.610.162利用NR9200对光纤折射率剖面进行测试，测试结果见图6。本发明的光纤，由于超低损耗特性，非常适用于超长距离和大容量，高速率网络传输的应用，如在400G超长距离波分复用传输系统中使用，能减少约40％的再生站数，效益明显。本发明的光纤不仅能为运营商广为使用，考虑到超低衰减特性，在电网系统交直流联网工程的配套通信工程中使用，可以完成300km以上的超长无电中继光传输。而且本发明的光纤的优良特性可提供网络余量，用来扩展网络跃迁跨度、扩增位点、升级到更快的比特率、增加网络组件的灵活性或延长再生器之间的距离，从而能实现更长更宽广的区域网络，来满足全球日益增长的带宽能力需求。本发明的光纤制备方法，工艺路线成熟、重复性好，易于进行产业化生产。以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

权利要求：1.一种光纤预制棒，其特征在于，包括芯棒以及包覆在所述芯棒外的包层；所述芯棒包括内芯棒以及包覆在所述内芯棒外的外芯层；所述内芯棒为掺杂有碱金属的石英棒；所述外芯层为掺杂有碱金属的石英管；所述光纤预制棒具有第一端、以及与所述第一端相对的第二端；从所述第一端到所述第二端，所述内芯棒的碱金属浓度递减，所述外芯层的碱金属浓度递增。2.根据权利要求1所述的光纤预制棒，其特征在于，所述包层包括包覆在所述芯棒外的内包层、以及包覆在所述内包层上的外包层。3.根据权利要求1所述的光纤预制棒，其特征在于，所述碱金属选自钾。4.一种光纤预制棒的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：将内芯棒插入到外芯管中形成芯棒；所述内芯棒为掺杂有碱金属的石英棒；所述内芯棒中的碱金属浓度从第一端到第二端递减；所述外芯管为掺杂有碱金属的石英管；所述外芯管中的碱金属浓度从第一端到第二端递增；所述内芯棒的第一端与所述外芯管的第一端位于同一端；在所述芯棒外包覆包层，形成光纤预制棒。5.根据权利要求4所述的光纤预制棒的制备方法，其特征在于，所述内芯棒通过如下步骤制备：将碱金属掺杂到石英管的内壁，然后将所述石英管塌缩蚀刻成实心棒，再将所述实心棒去除外表层，形成内芯棒。6.根据权利要求4所述的光纤预制棒的制备方法，其特征在于，所述外芯管通过如下步骤制备：将碱金属掺杂到石英管的内壁，然后将所述石英管塌缩蚀刻，形成外芯管。7.根据权利要求4所述的光纤预制棒的制备方法，其特征在于，在包覆包层之前，还包括去除所述芯棒的外表层。8.一种光纤，其特征在于，所述光纤由权利要求1-3任一项所述的光纤预制棒拉丝而成。9.一种光纤的制备方法，其特征在于，将权利要求1-3任一项所述的光纤预制棒拉丝形成光纤。

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