一种光纤预制棒及其制备方法和应用与流程

本发明涉及特种光纤应用领域，尤其是涉及一种光纤预制棒及其制备方法和应用。

背景技术：

偏振保持光纤(Polarization Maintaining Optical Fiber)简称保偏光纤(PMF)，由于将双折射引入到光纤中，使简并的HEx11与HEy11两正交模式的传播常数差别增大，两模式耦合几率减小，从而线偏振光能保持其偏振态在光纤中进行传输。保偏光纤对于线偏振光具有很强的偏振保持能力，主要用于偏振光干涉型角度转动测量中，其典型应用是用于制造光纤陀螺、光纤水听器及相干光通信系统中。

保偏光纤通常是通过光纤预制棒拉制而成，但是对于传统的光纤预制棒而言，如采用刻触法制成的光纤预制棒，刻触法通常会破坏反应管中的圆对称，造成了“先天不足”，使得光纤预制棒自身的予制棒芯通常均为异型(如杏核形)，导致拉制得到的圆保偏光纤等的旋端圆度均无法达标，从而使得保偏光纤的连接耦合难度增大。

中国专利201110123043.5公开了一种光纤预制棒的制造方法，包括：(1)采用轴向气相沉积VAD工艺制备光纤芯棒；(2)采用等离子化学气相沉积PCVD工艺制备掺氟下陷包层，与(1)中制备的光纤芯棒熔缩成光纤芯棒预制件；(3)采用外部气相沉积OVD工艺制备光纤芯棒预制件的外包层，最终烧结成透明的光纤预制棒。该专利虽然提高了弯曲不敏感单模光纤预制棒的制造效率，但是其光纤预制棒的棒芯无法做成正圆，从而导致拉制得到的圆保偏光纤等的圆度不达标。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种光纤预制棒及其制备方法和应用。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种光纤预制棒的制备方法，包括以下步骤：

(1)往石英基管内通入SiCl₄和O₂，加热反应，并沉积得到SiO₂外包层；

(2)外包层沉积好后，通入SiCl₄、BBr₃和O₂，加热进行反应，在外包层上沉积SiO₂/B₂O₃应力区层；

(3)通入刻蚀气体，以石英基管圆心为对称点，刻蚀除去应力区层对称两边的部分应力区，使得剩余部分的应力区层的对称两边互不连接，并替换刻蚀除去的应力区，沉积与外包层组分相同的填充层；

(4)再次通入刻蚀气体，刻蚀除去沉积在应力区层上的填充层；

(5)刻蚀完成后，通入SiCl₄、SF₆和O₂，加热反应，沉积得到内包层；

(6)内包层沉积完成后，通入SiCl₄、GeCl₄和O₂，加热进行反应，沉积得到棒芯层；

(7)沉积完成后，加热石英基管对各层进行烧结，即收缩得到光纤预制棒。

步骤(1)中所述的SiCl₄和O₂的通入量的摩尔比为(1～1.2):1，反应温度为1850℃，沉积得到的外包层的厚度为0.8～2mm。

步骤(2)中所述的SiCl₄、BBr₃和O₂的通入量的摩尔比为(82～85)：(30～36)：150，其反应温度为1650～1850℃，沉积得到的应力区层的厚度为4～6mm。

步骤(3)和步骤(4)中所述的刻蚀气体为SF₆，刻蚀温度为1450～1850℃；

步骤(3)中刻蚀除去的应力区占整个应力区层的体积百分比为30～40％。

步骤(5)中所述的SiCl₄、SF₆和O₂的通入量的摩尔比为(30～40)：1：(80～100)，其加热反应温度为1850～2050℃，沉积得到的内包层的厚度为2.1mm。

步骤(6)中所述的SiCl₄、GeCl₄和O₂的通入量的摩尔比为(2～3)：1：(10～20)，其加热反应温度为1850～2050℃，沉积得到的棒芯层的厚度为0.8～1.2mm。

步骤(7)中所述的烧结温度为2250～2450℃。

一种光纤预制棒，该光纤预制棒的棒芯为正圆形，棒芯与其余各沉积层之间的同心度差小于0.3mm。

一种光纤预制棒的用于拉制圆保偏光纤或宽带光纤波片。

拉制得到圆保偏光纤的纤芯模场的圆度大于90％。

与现有技术相比，本发明中沉积得到的应力区层成分为SiO2和B₂O₃，其中B₂O₃的摩尔分数约为15～18％，其杨氏模量E₂≈4800kg/mm²，远小于成分为SiO₂/F 的内包层的杨氏模量E₁≈7200kg/mm²，从而使得光纤预制棒在收缩成型过程中，收内包层保护的棒芯层的抗变形能力远大于应力区层，则可保证光纤预制棒的棒芯的“正圆”，采用此方法制成的圆保偏光纤，其圆度能达到90％以上，圆度高，有效的减小了光纤连接耦合的难度。

附图说明

图1为本发明制备光纤预制棒时的沉积膜层的结构示意图；

图中，1-石英基管，2-外包层，3-应力区层，4-内包层，5-棒芯层。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

一种光纤预制棒的制备方法，包括以下步骤：

(1)往石英基管1内按摩尔比1.1:1通入SiCl₄和O₂，加热至1850℃进行反应，并沉积得到厚度为1.4mm的SiO₂外包层2；

(2)外包层2沉积好后，按摩尔比为83：33：150通入SiCl₄、BBr₃和O₂，加热至1750℃进行反应，在外包层2上沉积得到厚度为5mm的SiO₂/B₂O₃应力区层3；

(3)通入刻蚀气体SF₆，以石英基管1圆心为对称点，在1650℃下刻蚀除去应力区层3对称两边的占总量体积分数为35％的部分应力区，使得剩余部分的应力区层3的对称两边互不连接，并替换刻蚀除去的应力区，沉积与外包层2组分相同的填充层；

(4)再次通入刻蚀气体SF₆，在1650℃下刻蚀除去沉积在应力区层3上的填充层；

(5)刻蚀完成后，按摩尔比35：1：90通入SiCl₄、SF₆和O₂，加热至1950℃进行反应，沉积得到厚度为2.1mm的SiO₂/F内包层3；

(6)内包层3沉积完成后，按摩尔比2.5：1：15通入SiCl₄、GeCl₄和O₂，加热至1950℃进行反应，沉积得到厚度为1.0mm的SiO₂/GeO₄棒芯层4；

(7)沉积完成后，加热石英基管1至2350℃对各层进行烧结，即收缩得到光纤预制棒。

按上述方法制备得到的光纤预制棒，棒芯为正圆形，棒芯与其余各沉积层之间的同心度差小于0.3mm。

对制得的光纤预制棒的结构性能进行检测，具体检测结果见下表1：

表1

注：芯/包同心度差指棒芯与包覆棒芯的沉积层的同心度差。

采用上述光纤预制棒的拉制圆保偏光纤，拉制得到圆保偏光纤的纤芯模场的圆度大于90％，其结构尺寸如下表2所示：

表2

实施例2

一种光纤预制棒的制备方法，包括以下步骤：

(1)往石英基管1内按摩尔比1:1通入SiCl₄和O₂，加热至1850℃进行反应，并沉积得到厚度为0.8mm的SiO₂外包层2；

(2)外包层2沉积好后，按摩尔比为82：30：150通入SiCl₄、BBr₃和O₂，加热至1650℃进行反应，在外包层2上沉积得到厚度为4mm的SiO₂/B₂O₃应力区层3；

(3)通入刻蚀气体SF₆，以石英基管1圆心为对称点，在1450℃下刻蚀除去应力区层3对称两边的占总量体积分数为30％的部分应力区，使得剩余部分的应力区层3的对称两边互不连接，并替换刻蚀除去的应力区，沉积与外包层2组分相同的填充层；

(4)再次通入刻蚀气体SF₆，在1450℃下刻蚀除去沉积在应力区层3上的填充层；

(5)刻蚀完成后，按摩尔比30：1：80通入SiCl₄、SF₆和O₂，加热至1850℃进行反应，沉积得到厚度为2.1mm的SiO₂/F内包层3；

(6)内包层3沉积完成后，按摩尔比2：1：10通入SiCl₄、GeCl₄和O₂，加热至1850℃进行反应，沉积得到厚度为0.8mm的SiO₂/GeO₄棒芯层4；

(7)沉积完成后，加热石英基管1至2250℃对各层进行烧结，即收缩得到光纤预制棒。

按上述方法制备得到的光纤预制棒，棒芯为正圆形，棒芯与其余各沉积层之间的同心度差小于0.3mm。

采用上述光纤预制棒用于拉制宽带光纤波片。

实施例3

一种光纤预制棒的制备方法，包括以下步骤：

(1)往石英基管1内按摩尔比1.2:1通入SiCl₄和O₂，加热至1850℃进行反应，并沉积得到厚度为2mm的SiO₂外包层2；

(2)外包层2沉积好后，按摩尔比为85：36：150通入SiCl₄、BBr₃和O₂，加热至1850℃进行反应，在外包层2上沉积得到厚度为6mm的SiO₂/B₂O₃应力区层3；

(3)通入刻蚀气体SF₆，以石英基管1圆心为对称点，在1850℃下刻蚀除去应力区层3对称两边的占总量体积分数为40％的部分应力区，使得剩余部分的应力区层3的对称两边互不连接，并替换刻蚀除去的应力区，沉积与外包层2组分相同的填充层；

(4)再次通入刻蚀气体SF₆，在1850℃下刻蚀除去沉积在应力区层3上的填充层；

(5)刻蚀完成后，按摩尔比40：1：100通入SiCl₄、SF₆和O₂，加热至2050℃进行反应，沉积得到厚度为2.1mm的SiO₂/F内包层3；

(6)内包层3沉积完成后，按摩尔比3：1：20通入SiCl₄、GeCl₄和O₂，加热至2050℃进行反应，沉积得到厚度为1.2mm的SiO₂/GeO₄棒芯层4；

(7)沉积完成后，加热石英基管1至2450℃对各层进行烧结，即收缩得到光纤预制棒。

按上述方法制备得到的光纤预制棒，棒芯为正圆形，棒芯与其余各沉积层之间的同心度差小于0.3mm。

采用上述光纤预制棒用于拉制圆保偏光纤，拉制得到的圆保偏光纤的纤芯模场的圆度大于90％。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。