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PCVD单模光纤的材料组成、结构与性能研究

作　者: 韩庆荣
导　师: 赵修建
学　校: 武汉理工大学
专　业: 材料物理与化学
关键词: PCVD 材料组成和结构氢损粘度匹配功能梯度材料
分类号: TQ340
类　型: 博士论文
年　份: 2006年
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内容摘要

石英玻璃在可见光及近红外波段具有很高的透明性，此外，它还具有良好的化学稳定性和较高的机械强度以及通过掺杂能改变其折射率，因而石英玻璃成为制备光纤的理想材料。在四大光纤芯棒制造工艺中，PCVD工艺具有高精度的折射率分布控制、高沉积效率和极好的灵活性等特点，一直被公认为是制造多模光纤最好的工艺。本文首先在总结石英光纤研究现状的基础上，分析了石英通信单模光纤技术的未来发展趋势。通过理论分析和系列实验，对PCVD单模光纤的材料组成、结构和性能进行了研究和总结，以提高PCVD单模光纤的性能。本文研究的PCVD单模光纤的制造工艺流程包括PCVD沉积、熔缩、套管和拉丝等过程。PCVD单模光纤在芯层和光学包层中的材料组成为SiO₂-GeO₂-F-（Cl）。通过对各工艺的断面和剖面折射率分布进行对比分析，结果表明PCVD光纤具有材料均匀性好、折射率剖面控制精准的优点。为了确定PCVD光纤中的材料组成和结构设计，研究了掺杂对石英玻璃折射率、粘度和光纤衰减等性能的影响。采用玻璃纤维弯曲和高温拉丝测张力的方法可测试掺F和掺GeO₂石英玻璃的粘度。掺GeO₂和掺F均降低石英玻璃的粘度，在引起相同绝对值折射率变化时，掺F对玻璃粘度的影响是掺GeO₂的三倍。掺F除降低石英玻璃折射率外，还可降低PCVD玻璃中的OH^-含量。实验表明，在PCVD低水峰光纤中，芯层中的最佳掺F量为0.37wt％左右，包层中的最佳掺F量为0.67wt％左右。此外，研究表明PCVD所沉积的石英玻璃中的含Cl量随反应气体中O／Si的增加而降低。在PCVD工艺中，通过化学反应气体直接转变为玻璃，由于脱玻璃中少量OH^-难度较大，因此有效降低OH^-的措施在于前期预防。通过采用分子筛纯化器对原材料进行纯化、在PCVD沉积中利用C₂F₆脱OH^-、采用C₂F⁶和HF酸对表面OH^-污染层进行刻蚀以消除OH^-污染层以及利用大尺寸预制棒的稀释效应等能有效降低PCVD芯棒中的OH^-含量，使PCVD可用于制造低水峰光纤（LWP-SMF）。PCVD所制备的LWP-SMF各项指标均达到或优于ITU推荐的G.652C／D和IEC 6093-2-50B1.3光纤标准。为了探讨光纤中的缺陷对光纤性能的影响，在简单分析石英玻璃结构的基础上，介绍和分析了氢损产生的机理和测试方法。研究表明，加速测试氢损可通过增加H₂的分压（浓度）和提高反应温度来实现。其中使用热加速氢损测试，在0.01atm的H₂，70℃的测试条件时，可大大缩短氢损的周期，实验表明8-20小时的氢损过程是适宜的。使用热加速氢损测试，在8-20小时的氢损过程中，对1240nm造成的附加衰减在0.03-0.06dB／km左右。热加速氢损测试结果表明，PCVD单模光纤中存在NBOHCs和Si-E’缺陷，但Si-E’缺陷会自行愈合。实验表明，光纤的氢损随拉丝速度的增加而增大。氘气处理低水峰光纤，可有效减小乃至消除光纤在1383nm处的氢损。且这种抗损性能不随时间的增加而弱化，表现出良好的稳定性。为了通过波导结构的优化设计以提高PCVD单模光纤的性能，通过理论分析和计算，建立了粘度匹配模型。充分发挥PCVD的工艺优势，将光纤的波导结构设计和材料组成及结构设计有机的结合起来，是确保PCVD光纤优良性能的基础。在实现所设计的波导结构的同时，在材料组成和结构设计方面，采用GeO₂和F的共沉积，并遵循功能梯度材料的设计，在使各层粘度匹配的同时，热应力得到缓和，在光纤制造的后续工艺中，光纤中就不易产生残余热应力和断键，从而降低了光纤的PMD、提高了其抗氢损和抗弯曲等特性。将PCVD低水峰光纤制造技术、粘度匹配和功能梯度的材料组成和结构设计引入弯曲不敏感光纤的设计与制造，使光纤不仅在1260-1625nm具有低的衰减和良好的色散特性及抗氢损性能，还具有优异的抗弯曲性能。这种光纤在FTTH系统中不仅能与普通G.652光纤完全兼容作为信息传输介质，还可以用在器件上实现器件的小型化。此外，采用紫外截止的掺杂石英玻璃作为预制棒的部分外包，可有效阻止在拉丝过程中高能进入光纤芯层进而在光纤中产生的缺陷，从而有利于降低光纤的衰减和提高光纤的抗氢损等性能。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-13
第1章前言  13-32
  1.1 石英通信光纤的研究现状  13-26
    1.1.1 石英通信单模光纤的分类及发展历程  14-19
    1.1.2 石英光纤预制棒的制造技术  19-26
  1.2 石英通信单模光纤技术的未来发展趋势  26-30
    1.2.1 石英通信单模光纤性能的发展  26-28
    1.2.2 单模光纤制造工艺的发展趋势  28-30
  1.3 论文选题的目的及主要研究内容  30-32
    1.3.1 论文选题的来源  30-31
    1.3.2 本论文的主要研究目的及内容  31-32
第2章 PCVD单模光纤的材料组成和结构  32-58
  2.1 单模光纤的波导结构设计  32-48
    2.1.1 波导结构  32-35
    2.1.2 主要性能参数  35-48
  2.2 PCVD单模光纤制造工艺流程  48-49
    2.2.1 PCVD沉积  48
    2.2.2 沉积管的熔缩  48-49
    2.2.3 套棒(RIT)  49
    2.2.4 拉丝  49
  2.3 PCVD单模光纤的材料组成和结构  49-51
  2.4 PCVD单模光纤与其它同类光纤的比较  51-57
    2.4.1 材料组成和均匀性  51-54
    2.4.2 波导结构  54-57
  2.5 本章小结  57-58
第3章掺杂对石英玻璃性能的影响  58-74
  3.1 掺杂石英玻璃的折射率  58-61
    3.1.1 掺杂对折射率的影响  58-60
    3.1.2 应力对折射率的影响  60-61
  3.2 掺杂石英玻璃的粘度  61-67
    3.2.1 粘度的测试方法  62-64
    3.2.2 GeO_2-SiO_2玻璃的粘度  64-65
    3.2.3 SiO_2-F玻璃的粘度  65-67
    3.2.4 SiO_2-GeO_2-F玻璃的粘度  67
  3.3 掺杂石英光纤的衰减  67-73
    3.3.1 瑞利散射  68-71
    3.3.2 红外吸收  71-73
  3.4 本章小结  73-74
第4章降低PCVD光纤水峰的研究  74-91
  4.1 研究目的  74
  4.2 羟基污染来源及预防措施  74-88
    4.2.1 原材料提纯  75-77
    4.2.1 在线纯化  77-80
    4.2.3 表面OH污染物的降低和消除  80-84
    4.2.4 真空和D_2处理脱OH~-  84-87
    4.2.5 大尺寸预制棒的稀释效应  87-88
  4.3 PCVD低水峰光纤的性能  88-89
  4.4 本章小结  89-91
第5章光纤中的缺陷与氢损  91-108
  5.1 石英玻璃的结构  91-92
  5.2 氢损及测试方法  92-103
    5.2.1 氢损机理  93-95
    5.2.2 测试方法  95-97
    5.2.3 测试结果与讨论  97-103
  5.3 D_2处理降低光纤氢敏感性  103-107
    5.3.1 拉丝速率对光纤氢损的影响  103-104
    5.3.2 氘气处理对降低光纤氢损的作用  104-107
  5.4 本章小结  107-108
第6章 PCVD单模光纤的性能优化  108-128
  6.1 粘度匹配  108-115
    6.1.1 粘度匹配模型  108-110
    6.1.2 实验与结果  110-113
    6.1.3 分析讨论  113-115
  6.2 功能梯度的材料组成和结构设计  115-118
    6.2.1 实验内容与方法  115-116
    6.2.2 实验结果与讨论  116-118
  6.3 低水峰弯曲不敏感单模光纤  118-123
    6.3.1 光纤设计  119-120
    6.3.2 测试  120-121
    6.3.3 实验结果与分析  121-123
  6.4 光纤中缺陷的降低  123-127
  6.5 本章小结  127-128
第7章主要结论  128-129
参考文献  129-135
附:作者在攻读博士学位期间已发表论文、专利申请和所获奖励等  135-137
致谢  137

PCVD单模光纤的材料组成、结构与性能研究

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