【技术聚焦】基于OVD法制备光纤预制棒及折射率剖面研究

作   者：江苏斯德雷特通光光纤有限公司  王秋安

摘   要：本文简单介绍OVD工艺方法制备光纤预制棒，并通过改变工艺条件，来优化折射率剖面，使光纤性能指标得以提升。

关键词：OVD；光纤预制棒；模场直径；截至波长

一、背景

目前制备光纤预制棒的主要方法有：MCVD（改进的化学气相沉积法），VAD（气相轴向沉积），OVD（外部气相沉积法），PCVD（等离子体化学气相沉积法）。由于降低成本及提高生产效率的需求，开发出采用混合工艺的两步法，即采用MCVD、VAD、OVD、PCVD等工艺制备芯棒，然后通过RIC／RIT、OVD方法制备外包层。芯棒由内包层和芯层组成。芯棒的结构必须满足最终光纤的传输要求，即：为了满足光在芯层内传输，芯层必须相对于包层具有更高的折射率。目前普遍采用的方法是在芯层中掺入GeO₂来提高芯层折射率。此外还可以通过降低包层折射率的方式提高芯层和包层的折射率差△n。通常在内包层沉积过程中掺入氟，即可降低内包层折射率。为了满足光纤的传输要求，必须设计合理的折射率，本文主要介绍OVD法制备光纤预制棒，并对折射率剖面设计方面进行讨论。

二、OVD工艺介绍

OVD工艺法，又称作“外部汽相沉积法”，或“粉尘法”，是1970年美国康宁公司的Kapron研发的简捷工艺，化学反应机理为火焰水解。沉积过程中主要原料掺杂剂以气态形式与氢氧气或者甲烷/氧气一起通入喷灯，使之在氢氧焰或者甲烷火焰中水解，生成石英玻璃微粒粉尘，沉积于石英、石墨或氧化铝材料制作的“饵棒”外表面，经一层层沉积形成一定尺寸的多孔粉尘预制棒，达到需要尺寸后停止工作，去掉饵棒，再将中空的疏松预制棒在高温下脱水、烧结成透明的实心的玻璃棒，通过拉伸获得所需要的光纤预制棒芯棒。再利用OVD方法沉积外包层，经过脱水、烧结、脱气等步骤形成成品预制棒。

三、剖面设计

通信单模光纤剖面结构常见的有凹陷包层型和匹配包层型。剖面结构如图所示。本文主要针对于G.652D类光纤的剖面结构进行讨论。

为了达到光纤小的弯曲半径要求，必须增加芯层的折射率，或者降低包层的折射率。同时必须适当降低芯层直径来最终达到G657A2的要求。通常的剖面设计如图1所示，其中2a为芯径，2b为内包层直径，2c为外包层直径，△n₁为芯层与纯硅包层的相对折射率差，△n₂为内包层与纯硅包层的相对折射率差。

根据波导结构设计要求，通常我们可以调节△n₁，△n₂，2a，2b。△n₁的提高可以增加沉积过程中的GeO₂的含量来实现，由于高温情况下GeO₂会转变为GeO而产生缺陷，造成衰减的增加。所以可以在OVD沉积内包层过程通入CF₄或者CCl₂F₂气体，通过反应生成SiO_1.5F,同时降低芯层GeO₂的含量，为了达到足够的△n₂，必须增大CF₄的流量，随着CF₄流量的增加，疏松体的密度会降低，由于OVD沉积过程中条件的变化，会造成内外密度不均匀现象的加重，沉积过程中容易出现开裂的情况。此外疏松体在烧结过程中掺的氟会出现挥发，造成折射率分布发生变化。

为了解决以上的问题我们对芯棒的剖面设计进行了优化，芯棒采用如下图2、图3、图4、图5的设计，内包层与外包层之间采用掺氟石英管代替凹陷内包层。最外层采用Heraeus F300高纯石英套柱。极大的提高了产品的合格率，实现了规模化生产。

其中2a为芯层直径，2b为内包层直径，2c为掺氟层直径，2d为外包层直径，△n₁为芯层与纯硅层的相对折射率差，△n₂为内包层与纯硅层的相对折射率差，△n3为掺氟层与纯硅层的相对折射率差。为了调节波导结构，通常可以调节2a、2b、2c及△n₁、△n₂、△n₃来实现。

图1

图1，典型的折射率剖面，b/a取值在3.5-5.5之间，△n₁取值在0.32%~0.4%，△n₂取值在-0.42%~-0.28%之间。

图2

图2，芯棒内包层未掺杂，即△n₂=0。b/a在2.2~3之间，△n₁取值在0.32%~0.4%，掺氟凹陷包层采用德国Heraeus高纯掺氟石英管代替，△n₃取值在-0.42%~-0.28%之间，c/a在3.5-5.0之间。

图3

图3，芯棒内包层掺入少量的GeO₂。b/a在2.2~3之间，△n₁取值在0.32%~0.4%，△n₂在0.01%~0.035%，掺氟凹陷包层采用德国Heraeus高纯掺氟石英管代替，△n₃取值在-0.42%~-0.28%之间，c/a在3.5-5.0之间。

图4

图4，芯棒内包层掺入少量的氟降低内包层折射率。b/a在2.2~3之间，△n₁取值在0.32%~0.4%，△n₂在-0.04%~-0.1%，掺氟凹陷包层采用德国Heraeus高纯掺氟石英管代替，△n₃取值在-0.42%~-0.28%之间，c/a在3.5-5.0之间。

图5

图5，芯棒内包层掺入少量的氟降低内包层折射率，但不同于图4之处为内包层折射率从内到外逐渐降低。b/a在2.2~3之间，△n₁取值在0.32%~0.4%，△n₂从0逐渐降低到-0.25%~-0.05%，掺氟凹陷包层采用德国Heraeus高纯掺氟石英管代替，△n₃取值在-0.42%~-0.28%之间,c/a在3.5-5.0之间。

四、结果分析

针对不同的剖面结构分别进行试验，通过OVD沉积所需芯棒，除图1结构采用OVD沉积内包层外，其它全部采用Heraeus高纯掺氟石英管代替凹陷包层。最外层采用Heraeus F300高纯石英套柱。通过RIC工艺在延伸塔上延伸成150-180mm的成品光纤预制棒。在拉丝塔上以1800-2600m/min的速度进行拉丝。然后用筛选机在100KPsi的张力条件下，分成小盘，对每个小盘进行测试，测试结果参照表1。

表1

从结果看，不同的结构设计都可以满足G657A2标准的要求。实际应用过程需要考虑到制造成本，选取合适的工艺及剖面设计。

五、结论及讨论

1、根据G657A2标准的要求，采用不同的剖面设计均可以生产出合格的光纤。

2、凹陷包层采用Heraeus掺氟石英管代替，从工艺上实现难度更小，从成本方面考虑，采用合适规格的掺氟石英管。

3、通过OVD沉积芯棒可以设计不同形式的剖面结构。