專利名稱：?jiǎn)文９饫w及制造單模光纖的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到一種單模光纖的制造方法，該光纖包括一個(gè)光傳導(dǎo)芯部，圍繞上述芯部的內(nèi)覆層部分，以及圍繞上述內(nèi)覆層部分的外套部分，其中芯部的折射率比覆層和外套部分區(qū)域的折射率要大，而且覆層和外套部分區(qū)域的折射率實(shí)際上相等，通過這種方法，可以在內(nèi)部用一種或多種反應(yīng)氣體充滿用作外套部分的石英襯管，以便分別形成內(nèi)覆層部分和芯部，然后收縮這種設(shè)置有層的襯管并且拉制成單模光纖。另外，本發(fā)明還涉及到一種單模光纖，它包括一個(gè)光傳導(dǎo)芯部，圍繞上述芯部的一個(gè)覆層部分，以及圍繞上述內(nèi)覆層部分的外套部分。
這種類型的光纖是公知的并且主要應(yīng)用于電信技術(shù)領(lǐng)域。例如可以參見歐洲專利申請(qǐng)0127227和美國(guó)專利5,242,476號(hào)及5,838,866號(hào)。本文中使用的術(shù)語“單?！笔潜绢I(lǐng)域技術(shù)人員所公知的，無需進(jìn)一步解釋。由于其低衰減和散射的特性，這種光纖特別適合用來構(gòu)筑往往要跨越數(shù)千公里的遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)鏈路，在這樣遠(yuǎn)的距離上，如果光信號(hào)的傳輸是用數(shù)量很少的中間放大站完成的，將光纖中的累積信號(hào)損失控制在最小是至關(guān)重要的。在電信業(yè)常用的1550nm傳輸波長(zhǎng)上，通常要求這種光纖中的總衰減不能超過0.25dB/km，最好是不超過0.2dB/km。
盡管目前制造的光纖能夠滿足有關(guān)可允許衰減的所有這些要求，但是往往經(jīng)過一段時(shí)間就會(huì)發(fā)現(xiàn)有些光纖呈現(xiàn)出明顯的衰減增大。深入研究發(fā)現(xiàn)這種現(xiàn)象可以歸因于氫氣從光纖周圍逐漸滲出進(jìn)入光纖，隨后會(huì)在光纖內(nèi)形成SiH和SiOH等聚集。這些化合物呈現(xiàn)很強(qiáng)的紅外線吸收性，衰減峰值是在約1530和1385nm的波長(zhǎng)上。
歐洲專利申請(qǐng)0477435公開了一種解決這一氫氣所致衰減問題的方法。根據(jù)這種方法，在制造過程中將熔化的光纖完全暴露于含氫的氣體，在實(shí)際制成光纖之前就保證光纖中所有的結(jié)構(gòu)缺陷點(diǎn)都已被氫原子占據(jù)。然而，這種公知方法的缺點(diǎn)在于它對(duì)氫氣所致的衰減治標(biāo)不治本。另外，這種公知方法會(huì)使制造工藝復(fù)雜化，并且因采用了含氫氣體會(huì)給成品光纖帶來額外的污染風(fēng)險(xiǎn)。
美國(guó)專利5,090,979公開了一種制造光纖的方法，它依次包括一純二氧化硅芯部，一個(gè)摻雜氟的二氧化硅外層，摻雜氟的二氧化硅襯底層，以及純二氧化硅的一個(gè)載體層，而芯部的折射率和載體層的折射率實(shí)際上相等。
美國(guó)專利5,033,815公開了一種多模光纖，這種光纖與本發(fā)明的單模光纖有明顯不同。另外，該文獻(xiàn)公開的這種多模光纖依次包含一個(gè)GeO2-或Sb2O3-摻雜的芯部，一個(gè)F-摻雜的覆層部，最后還可能有一個(gè)TiO2-摻雜的外套部分，其中芯部的折射率比覆層和外套部分區(qū)域的折射率要高，而且外套部分的折射率要明顯低于覆層部的折射率，這種折射率分布與本發(fā)明的分布截然不同。上述文獻(xiàn)中沒有公開有關(guān)壓縮軸向應(yīng)力的數(shù)據(jù)。
歐洲專利申請(qǐng)0762159公開了一種散射補(bǔ)償型光纖，它依次包括至少帶10mol％的GeO2的一個(gè)芯部和一個(gè)覆層部，覆層部包括第一氟摻雜覆層部，第二氯摻雜覆層部和第三氯或氟摻雜覆層部。對(duì)三個(gè)覆層部的摻雜是這樣選擇的，使其玻璃粘度在拉制瞬間低于純二氧化硅玻璃的粘度，這樣就能在拉制過程中采用比較低的溫度。該文獻(xiàn)沒有公開有關(guān)壓縮軸向應(yīng)力的數(shù)據(jù)。
因此本發(fā)明的目的是提供一種單模光纖的制造方法，使得在1550nm波長(zhǎng)上由氫氣所致的衰減足夠低，以確保在該波長(zhǎng)上的總衰減最多只有0.25dB/km，優(yōu)選是最多只有0.2dB/km。
如前言所述，根據(jù)本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了這一目的，這是由于是用了本發(fā)明制造單模光纖的方法，其特征在于，內(nèi)覆層部分是用包括摻雜在0.1-8.5wt.％范圍內(nèi)的氟的SiO2制成的，這樣能使芯部在其整個(gè)截面上承受一個(gè)壓縮軸向應(yīng)力。
本發(fā)明人認(rèn)為在光纖芯內(nèi)產(chǎn)生軸向壓縮能防止出現(xiàn)上述缺陷，這樣就能顯著減少由氫氣所致的衰減。根據(jù)本發(fā)明，由于光纖芯內(nèi)存在軸向張力而容易形成在二氧化硅芯中的結(jié)構(gòu)缺陷，存在于光纖芯內(nèi)的軸向壓縮能夠基本上排除出現(xiàn)這種缺陷，這樣就能顯著降低氫氣所致的衰減。
本發(fā)明人做過許多實(shí)驗(yàn)，按以下步驟制成預(yù)成型件，為襯管的內(nèi)表面提供一二氧化硅的內(nèi)覆層部分，這一覆層部分是用包括摻雜的氟的SiO2構(gòu)成的，以及二氧化硅的第二摻雜層，該第二層的折射率比內(nèi)覆層部分的折射率要高，并且形成最終的光纖芯部。將設(shè)有芯部和內(nèi)覆層部分的這一襯管連續(xù)加熱，經(jīng)過收縮工藝制成一個(gè)棒，最終從棒的一個(gè)熔化的端點(diǎn)將其拉制成所需的光纖。
根據(jù)本發(fā)明，內(nèi)覆層部分最好是摻雜0.1-8.5wt.％范圍內(nèi)的氟，以0.2-2.0wt.％為最佳。不希望氟摻雜超過8.5wt.％，否則會(huì)在沉積這些層時(shí)產(chǎn)生問題。氟含量小于0.1wt.％不能起到在芯部中提供所需壓縮軸向應(yīng)力的明顯作用。如果需要很低的衰減損失，2.0wt.％的最大摻雜量為最佳，Rayleigh散射的增大對(duì)衰減損失有不利影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示內(nèi)覆層部分的一部分也能作為在光纖芯部之內(nèi)傳輸?shù)墓獾墓饴贰?br> 在內(nèi)覆層部分中采用氟摻雜能夠降低這一層的折射率。為了調(diào)節(jié)這種降低的折射率，最好是讓這一折射率實(shí)際上等于外套部分區(qū)域的折射率，為內(nèi)覆層部分提供所謂的折射增大摻雜材料，例如是P2O5，TiO2，ZrO2，SnO2，GeO2，N或是Al2O3，或者是一種或多種此類化合物的組合。
根據(jù)本發(fā)明方法的某些實(shí)施例，特別優(yōu)選的是在外套部分和內(nèi)覆層部分之間插入一個(gè)緩沖層，這一緩沖層的折射率比芯部的折射率要低，并且實(shí)際上與覆層部分和外套部分區(qū)域的折射率相等。
如果外套部分的光學(xué)質(zhì)量差，也就是說外套部分含有雜質(zhì)，就特別需要這一緩沖層。在收縮制成預(yù)成型件并用預(yù)成型件隨后拉制成光纖的連續(xù)熱處理過程中，這種雜質(zhì)會(huì)滲入光纖的光傳導(dǎo)部，從而造成高度衰減。采用緩沖層能夠防止雜質(zhì)到達(dá)光纖的光傳導(dǎo)部。
根據(jù)本發(fā)明方法的一個(gè)具體實(shí)施例，還優(yōu)選在芯部和內(nèi)覆層部分之間插入了一個(gè)中間層，這一中間層的折射率比芯部的折射率要低，并且實(shí)際上等于內(nèi)覆層部分和外套部分區(qū)域的折射率。
單模光纖內(nèi)的光傳導(dǎo)有一部分是在直接圍繞芯部的層中進(jìn)行的。如果這一層摻雜過多，就會(huì)明顯增大Rayleigh散射的作用，造成衰減增加。然而，為了使芯部受到所需的壓縮軸向應(yīng)力，可能需要高度摻雜。因而最好是插入一低摻雜的中間層來防止過度Rayleigh散射可能的負(fù)面影響。
在制成的光纖中，內(nèi)覆層部分的厚度最好是3-21微米。
所需的層厚取決于層中的摻雜。測(cè)試顯示出小于3微米的層厚度不足以使芯部根據(jù)本發(fā)明的要求受到所需的壓縮軸向應(yīng)力。內(nèi)覆層部分最大層厚的上限主要是由最終被拉制成光纖的預(yù)成型件的可加工性來確定的。
在特定實(shí)施例中，還需要的是，設(shè)置有一種或多種摻雜質(zhì)的光傳導(dǎo)芯部是由SiO2構(gòu)成的，包括摻雜在0.2-2wt.％范圍內(nèi)的氟和一種或多種摻雜質(zhì)，確保芯部能達(dá)到根據(jù)本發(fā)明所要求的折射率，該芯部的折射率比覆層部分的折射率高，該摻雜質(zhì)例如可以包括P2O5，TiO2，ZrO2，SnO2，GeO2，N和Al2O3，或者是一種或多種此類化合物的組合。
根據(jù)一個(gè)具體實(shí)施例，最好是為包括芯部、內(nèi)覆層部分和外套部分的預(yù)成型件補(bǔ)充提供一個(gè)緩沖和/或中間層，并且在外套部分的外表面上提供一附加層，例如是采取玻璃管的形式，或是利用外部CVD工藝施加的一層。
根據(jù)本發(fā)明，采用化學(xué)蒸氣沉積工藝，特別是采用一種優(yōu)選由等離子體感應(yīng)的PCVD工藝來形成上述的芯部和內(nèi)覆層部分以及可能有的中間和/或緩沖層。由于常規(guī)襯管的軸向長(zhǎng)度比其直徑要大許多倍，要根據(jù)諸如濺射沉積或激光燒蝕沉積等常規(guī)的沉積工藝在這種襯管的內(nèi)表面上可控制地沉積一層均勻的材料是很困難的。在PCVD實(shí)施例中施加的化學(xué)蒸氣能夠有效分布到襯管內(nèi)表面的全長(zhǎng)，這樣就能在內(nèi)壁上形成很均勻的沉積。另外，采用PVCD工藝有可能在沉積各層時(shí)控制摻雜水平，這樣就能用這種工藝成功地沉積芯部和內(nèi)覆層部分以及可能還有的中間和/或緩沖層。
本發(fā)明進(jìn)一步涉及到一種單模光纖，它包括一個(gè)光傳導(dǎo)芯部，圍繞上述芯部的內(nèi)覆層部分，以及圍繞上述內(nèi)覆層部分的外套部分，其中芯部的折射率比內(nèi)覆層部分和外套部分區(qū)域的折射率要大，并且內(nèi)覆層部分和外套部分區(qū)域的折射率實(shí)際上相等，根據(jù)本發(fā)明的這種單模光纖的特征在于，內(nèi)覆層部分是由SiO2構(gòu)成的，包括摻雜在0.1-8.5wt.％，最好是0.2-2.0wt.％范圍內(nèi)的氟，使得芯部在其整個(gè)截面上承受一個(gè)壓縮軸向應(yīng)力。
在一個(gè)具體實(shí)施例中，進(jìn)一步優(yōu)選的是，單模光纖是這樣構(gòu)成的，在芯部和內(nèi)覆層部分之間插入一個(gè)中間層，這一中間層的折射率比芯部的折射率要低，并且實(shí)際上等于內(nèi)覆層部分和外套部分區(qū)域的折射率。
另外，在本發(fā)明的單模光纖的一個(gè)具體實(shí)施例中，最好是在外套部分和內(nèi)覆層部分之間有一個(gè)緩沖層，這一緩沖層的折射率比芯部的折射率要低，并且實(shí)際上與內(nèi)覆層部分和外套部分區(qū)域的折射率相等。
另外，在某些實(shí)施例中，在外套部分的外側(cè)上最好有一個(gè)外覆層部分。
以下要利用許多附圖來解釋本發(fā)明，這些附圖僅僅是用于解釋的目的，而并非要對(duì)本發(fā)明的保護(hù)范圍構(gòu)成任何限制。


圖1表示根據(jù)本發(fā)明的單模光纖的一個(gè)實(shí)施例；圖2表示根據(jù)本發(fā)明的單模光纖的一個(gè)具體實(shí)施例，在其中安置了緩沖層；圖3表示根據(jù)本發(fā)明的單模光纖的一個(gè)具體實(shí)施例，在其中設(shè)置了一個(gè)中間層；圖4-6分別對(duì)應(yīng)著圖1-3，然而其中的外套部分設(shè)有一個(gè)外覆層部分；圖7代表根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)狀態(tài)的張力與光纖半徑的關(guān)系曲線；以及圖8代表根據(jù)本發(fā)明的張力與光纖半徑的關(guān)系曲線。
在圖1中示意性表示了一根單模光纖6，光纖6是在將預(yù)成型件收縮并且拉制成光纖之后而獲得的?？梢詫文９饫w6當(dāng)作光傳導(dǎo)芯部4，這一光傳導(dǎo)芯部4被一個(gè)內(nèi)覆層部分3包圍，而內(nèi)覆層部分3又被一個(gè)外套部分1包圍。一個(gè)襯管例如適合作為外套部分。芯部4的折射率比內(nèi)覆層部分3和外套部分1的折射率要大，這其中后兩部分的折射率實(shí)際上是相等的。應(yīng)該注意到在圖1-6中使用的相同標(biāo)號(hào)是彼此一致的。
在圖2中示意性表示了單模光纖6的一個(gè)具體實(shí)施例，這種單模光纖6包括一個(gè)光傳導(dǎo)芯部4，光傳導(dǎo)芯部4被一個(gè)內(nèi)覆層部分3包圍，內(nèi)覆層部分3又被一個(gè)緩沖層2包圍，而緩沖層2最終被一個(gè)外套部分1包圍。這種單模光纖6是根據(jù)本發(fā)明的方法制造的，采用一個(gè)石英襯管作為外套部分1，然后是分別利用PCVD工藝沉積緩沖層2、內(nèi)覆層部分3和最后的芯部4。在石英襯管上沉積完上述各層時(shí)執(zhí)行一個(gè)熱收縮步驟，之后獲得一個(gè)預(yù)成型件，從預(yù)成型件的端部拉制出單模光纖6。
圖3中示意性表示了單模光纖6的一個(gè)具體實(shí)施例，單模光纖6包括被一個(gè)中間層5包圍的芯部4，中間層5被內(nèi)覆層部分3包圍，內(nèi)覆層部分3又被一個(gè)緩沖層2包圍，緩沖層2最終被一個(gè)外套部分1包圍。圖3中示意性表示的單模光纖6是根據(jù)與圖2所示方式相同的方式制造的。然而，在某些實(shí)施例中可以省去圖3所示的緩沖層2，結(jié)果將內(nèi)覆層部分3直接沉積在外套部分1上，然后是中間層5，最后是芯部4。但是沒有示意性表示出這樣的實(shí)施例。
在圖4中，外套層1設(shè)有一個(gè)外覆層部分7，在圖5和6中也適用。本發(fā)明特別值得注意的是，通過為內(nèi)覆層部分摻雜0.1-8.5wt.％，最好是0.2-2.0wt.％的氟，使單模光纖的芯部經(jīng)受壓縮軸向應(yīng)力。
圖7中表示根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)狀態(tài)的應(yīng)力(它隨單模光纖的半徑r而變化)曲線，光纖包括摻雜有GeO2和F的SiO2構(gòu)成的芯部和沒有摻雜的SiO2構(gòu)成的覆層部分。用一條垂直虛線表示芯部的位置，因此這就能立即清楚地顯示出芯部是處在正應(yīng)力也就是拉伸應(yīng)力下。
圖8中表示根據(jù)本發(fā)明的應(yīng)力(它隨單模光纖的半徑r而變化)曲線，光纖包括摻雜有GeO2和F的SiO2構(gòu)成的芯部和根據(jù)圖5的摻雜有F和GeO2的SiO2構(gòu)成的另一內(nèi)覆層部分，其余區(qū)域是由沒有摻雜的SiO2構(gòu)成的。同樣用一條垂直虛線表示芯部的位置，這就能立即清楚地顯示出芯部是處在根據(jù)本發(fā)明所要求的壓縮軸向應(yīng)力下。
權(quán)利要求
1.一種單模光纖，其包括光傳導(dǎo)芯部(4)，圍繞該芯部(4)的內(nèi)覆層部分(3)以及圍繞該內(nèi)覆層部分(3)的外套部分(1)，其中芯部(4)的折射率比覆層部分和外套部分區(qū)域(3，1)的折射率要大，并且覆層部分和外套部分區(qū)域(3，1)的折射率實(shí)際上相等，其特征在于，內(nèi)覆層部分(3)是用包括摻雜在0.1-8.5wt.％范圍內(nèi)的氟的SiO2制成的，這樣導(dǎo)致芯部(4)在其整個(gè)截面上承受壓縮軸向應(yīng)力。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單模光纖，其特征在于，內(nèi)覆層部分(3)內(nèi)的含氟量處于0.2-2.0wt.％的范圍內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1-2中任一項(xiàng)所述的單模光纖，其特征在于，在外套部分(1)和內(nèi)覆層部分(3)之間有緩沖層(2)，該緩沖層(2)的折射率比芯部(4)的折射率要低，并且實(shí)際上與內(nèi)覆層部分(3)和外套部分(1)區(qū)域的折射率相等。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的單模光纖，其特征在于，在芯部(4)和內(nèi)覆層部分(3)之間有中間層(5)，該中間層(5)的折射率比芯部(4)的折射率要低，并且實(shí)際上等于內(nèi)覆層部分(3)和外套部分(1)區(qū)域的折射率。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)所述的單模光纖，其特征在于，在外套部分(1)的外側(cè)上有外覆層部分(7)，該外覆層部分(7)的折射率實(shí)際上等于內(nèi)覆層部分(3)和外套部分(1)區(qū)域的折射率。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的單模光纖，其特征在于，內(nèi)覆層部分(3)的厚度在3-21微米的范圍內(nèi)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)所述的單模光纖，其特征在于，芯部(4)是用包括摻雜在0.2-2.0wt.％范圍內(nèi)的氟的SiO2構(gòu)成的。
8.一種用于制造單模光纖的方法，該光纖包括光傳導(dǎo)芯部，圍繞該芯部的內(nèi)覆層部分以及圍繞該內(nèi)覆層部分的外套部分，其中芯部的折射率比內(nèi)覆層部分和外套部分區(qū)域的折射率要大，并且內(nèi)覆層部分和外套部分區(qū)域的折射率實(shí)際上相等，根據(jù)該方法，用作外套部分的石英襯管被充有一種或多種反應(yīng)氣體，以便分別形成內(nèi)覆層部分和芯部，然后將襯管收縮并且拉制成單模光纖，其特征在于，內(nèi)覆層部分(3)是用包括摻雜在0.1-8.5wt.％范圍內(nèi)的氟的SiO2制成的，這樣導(dǎo)致芯部(4)在其整個(gè)截面上承受壓縮軸向應(yīng)力。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，內(nèi)覆層部分(3)內(nèi)的含氟量處于0.2-2.0wt.％的范圍內(nèi)。
10.根據(jù)權(quán)利要求8-9中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，在外套部分(1)和內(nèi)覆層部分(3)之間插入緩沖層(2)，該緩沖層(2)的折射率比芯部(4)的折射率要低，并且實(shí)際上與內(nèi)覆層部分(3)和外套部分(1)區(qū)域的折射率相等。
11.根據(jù)權(quán)利要求8-10中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，在芯部(4)和內(nèi)覆層部分(3)之間插入中間層(5)，該中間層(5)的折射率比芯部(4)的折射率要低，并且實(shí)際上等于內(nèi)覆層部分(3)和外套部分(1)區(qū)域的折射率。
12.根據(jù)權(quán)利要求8-11中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，在外套部分(1)的外側(cè)上設(shè)置外覆層部分(7)，該外覆層部分(7)的折射率實(shí)際上等于內(nèi)覆層部分(3)和外套部分(1)區(qū)域的折射率。
13.根據(jù)權(quán)利要求8-12中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，利用PCVD工藝形成芯部(4)和內(nèi)覆層部分(3)以及可能有的外覆層部分(7)、中間層(5)和/或緩沖層(2)。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，PCVD工藝是在等離子體感應(yīng)條件下執(zhí)行的。
全文摘要
本發(fā)明涉及到一種單模光纖的制造方法，它包括一個(gè)光傳導(dǎo)芯部(4)，圍繞上述芯部的內(nèi)覆層部分(3)以及圍繞上述內(nèi)覆層部分的外套部分(1)，這其中芯部的折射率比覆層和外套部分區(qū)域要大，而且覆層和外套部分區(qū)域的折射率實(shí)際上相等。
文檔編號(hào)C03B37/018GK1436310SQ01810914
公開日2003年8月13日 申請(qǐng)日期2001年6月8日 優(yōu)先權(quán)日2000年6月9日
發(fā)明者D·R·西蒙斯, A·H·E·布羅伊爾斯 申請(qǐng)人:德拉卡纖維技術(shù)有限公司