專利名稱：凹陷折射率光纖的制造技術(shù)
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及制作凹陷折射率光纖的方法。
背景技術(shù)：
早在1980的年代，作為有摻雜纖芯和不太重?fù)诫s或無(wú)摻雜環(huán)形包層的光纖的替代，發(fā)展了凹陷包層光纖。例如見(jiàn)美國(guó)專利No.4,439,007。使用凹陷包層，能以相對(duì)低的纖芯摻雜制造光纖。這些纖芯產(chǎn)生低的光學(xué)損耗。更一般地說(shuō)，凹陷包層與常規(guī)纖芯摻雜濃度結(jié)合使用，產(chǎn)生具有現(xiàn)已充分肯定的“W”分布的高Δ纖芯設(shè)計(jì)。凹陷內(nèi)包層允許使用無(wú)摻雜的外包層。沒(méi)有該凹陷內(nèi)包層，則必須使用摻雜的外包層來(lái)實(shí)現(xiàn)相同的“W”分布。
對(duì)單模與多模凹陷包層光纖兩者，已經(jīng)研發(fā)了各種應(yīng)用，也已經(jīng)研發(fā)制造各種凹陷包層光纖的工藝。例如見(jiàn)美國(guó)專利No.4,691,990，本文引用該專利公開(kāi)的內(nèi)容，供參考。
近來(lái)，已經(jīng)重新對(duì)凹陷包層光纖用于光波系統(tǒng)產(chǎn)生興趣，在該光波系統(tǒng)中，非線性效應(yīng)的控制是重要的。例如，在DWDM網(wǎng)絡(luò)工作的1.5-1.6mm波長(zhǎng)區(qū)的光頻四波混合中，需要低斜率、低色散的光纖。滿足該要求的光纖結(jié)構(gòu)，是一種包括一個(gè)或多個(gè)向下?lián)诫s二氧化硅的多個(gè)包層結(jié)構(gòu)。
制造凹陷包層光纖的最普遍的技術(shù)，是以氟或硼摻雜光纖的包層，據(jù)此生產(chǎn)折射率比鍺摻雜或純二氧化硅纖芯低的包層。例如，使用氟摻雜，已經(jīng)獲得負(fù)的歸一化折射率差Δn在0.05-0.7％范圍的光纖。該方案通常用于生產(chǎn)“W”折射率分布，并發(fā)現(xiàn)對(duì)色散控制是理想的。這些光纖的制造，能夠用任何標(biāo)準(zhǔn)的制造工藝實(shí)現(xiàn)，包括汽相軸向淀積(Vapor Axial Deposition，VAD)工藝，但該工藝因選擇性地以氟摻雜殼層區(qū)的步驟而變得復(fù)雜。氟容易擴(kuò)散進(jìn)多孔的結(jié)構(gòu)，因而難于阻止氟遷移進(jìn)鍺摻雜的纖芯區(qū)，因此導(dǎo)致纖芯中氟的反摻雜。氟的反摻雜，消除了向下?lián)诫s的包層的優(yōu)點(diǎn)。克服纖芯反摻雜效應(yīng)的一種方案，是增加纖芯中鍺摻雜的濃度。但是，纖芯中的高摻雜濃度，導(dǎo)致散射損耗的增加。
有凹陷折射率纖芯或包層的光纖，已經(jīng)用任何常規(guī)光纖生產(chǎn)技術(shù)生產(chǎn)。這些技術(shù)包括管棒(RIT)工藝，內(nèi)管淀積工藝改進(jìn)化學(xué)汽相淀積(MCVD)、化學(xué)汽相淀積(CVD)、和等離子化學(xué)汽相淀積(PCVD)，以及外管淀積工藝汽相軸向淀積(VAD)和外汽相淀積(OVD)。對(duì)單模凹陷包層光纖，由于需要大量包層材料，管棒方案是可取的。用于這些光纖的預(yù)制棒，需要高質(zhì)量、低損耗的包層管。
上述多孔粉末體的反摻雜效應(yīng)，也出現(xiàn)而有利于管棒(RIT)工藝。在RIT工藝中，纖芯是已固結(jié)的棒，而包層是已固結(jié)的管。在這種情形中，氟離子的運(yùn)動(dòng)被降至最小，因?yàn)樗羞\(yùn)動(dòng)是通過(guò)固體/固體擴(kuò)散，而不是快得多的在粉末體中發(fā)生的蒸汽/固體滲透。但是，使用玻璃過(guò)包層管的預(yù)制棒制造技術(shù)，要受到污染。即使是污染的微痕量，也有害地影響玻璃的傳輸性質(zhì)。用于外包層的過(guò)包層管是有效的，且常常使用，但把過(guò)包層管用于內(nèi)包層，則沒(méi)有完全成功。
因此，用于內(nèi)包層的現(xiàn)有技術(shù)，是在粉末(soot)法與RIT法之間選擇，粉末法是用費(fèi)時(shí)的粉末淀積，生產(chǎn)整個(gè)內(nèi)包層，而在RIT法中，用于內(nèi)包層的過(guò)包層管則產(chǎn)生損耗。

發(fā)明內(nèi)容
我們已經(jīng)研發(fā)一種方法，至少部分地克服剛才說(shuō)明的問(wèn)題。該方法包含在兩個(gè)步驟中制作氟摻雜的內(nèi)包層。內(nèi)包層的最內(nèi)部分，是用粉末方法生產(chǎn)，從而對(duì)載運(yùn)最多光功率的包層區(qū)，取得粉末方法的優(yōu)點(diǎn)，然后用管棒法步驟，形成內(nèi)包層的其余部分。本方法有效地把兩種方法的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)相配合。


圖1是有凹陷折射率的光纖折射率分布的示意圖，該凹陷折射率是用本發(fā)明兩步驟工藝形成的；
圖2是VAD工藝的表示，該VAD工藝對(duì)生產(chǎn)內(nèi)包層的兩步驟方案中的步驟1有用；圖3和4是RIT方法的表示，該RIT方法適合用于內(nèi)包層形成的第二步驟；圖5是光纖拉制設(shè)備的示意表示；和圖6是A對(duì)距離的關(guān)系曲線，表明按照本發(fā)明生產(chǎn)的光纖的折射率分布。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明針對(duì)至少有一個(gè)凹陷折射率區(qū)的折射率分布光纖的制造。在優(yōu)選實(shí)施例中，該凹陷折射率區(qū)包括光纖的內(nèi)包層。凹陷區(qū)是用兩步驟的組合形成的。第一步驟，用粉末形成法，產(chǎn)生內(nèi)包層的最內(nèi)部分，接著是第二步驟，用RIT法，完成內(nèi)包層。該優(yōu)選實(shí)施例在圖1中示意畫出。
現(xiàn)在參考圖1，圖上按歸一化折射率差對(duì)距離的關(guān)系，示意地以纖芯11、內(nèi)包層12、和外包層13畫出折射率分布曲線。緊鄰纖芯的內(nèi)包層部分15，用粉末方法形成。內(nèi)包層的部分16，用RIT方法形成。歸一化折射率差坐標(biāo)中的零點(diǎn)，代表純二氧化硅的折射率。Δ被定義為半徑r處的折射率與純二氧化硅折射率之間的差Δ＝(n(r)-nSiO2)/nSiO2這里n(r)是作為半徑位置函數(shù)的折射率，而nSiO2是純二氧化硅的折射率。纖芯有正的Δ，內(nèi)包層有負(fù)的Δ，而外包層13有零的Δ。通常外包層區(qū)13用二氧化硅管形成。
纖芯11和最內(nèi)包層區(qū)15，最好用VAD制備。現(xiàn)在參考圖2，圖上畫出用VAD方法提拉粉末毛坯(boule)的示意安排。一般地以21表示的粉末毛坯，是圍繞支承棒22形成的。該棒在提拉工藝中是旋轉(zhuǎn)的，如箭頭所示。旋轉(zhuǎn)使預(yù)制棒成分中x-y的變化降至最小。x軸、y軸、和z軸示于預(yù)制棒的左側(cè)。粉末毛坯包括包層部分24和纖芯部分25。
纖芯通常是鍺摻雜的二氧化硅。在用于演示本發(fā)明的實(shí)施例中，內(nèi)包層是用氟摻雜的二氧化硅制備的凹陷折射率包層。在脫水和燒結(jié)步驟之后，該纖芯與內(nèi)包層的組合，生產(chǎn)出在纖芯與內(nèi)包層之間有折射率差的成品纖芯棒。
眾所周知，纖芯和包層可以用廣泛的各種各樣成分制作，以生產(chǎn)許多類型的折射率分布?？梢灾谱鞫嘤谝粋€(gè)包層。關(guān)于基本的VAD工藝更多的細(xì)節(jié)，可以在美國(guó)專利No.6,928,841中找到，該專利于2005年8月16日授權(quán)，本文引用該專利，供參考。應(yīng)當(dāng)指出，雖然在示出的實(shí)施例中，凹陷折射率包層是內(nèi)包層，但本發(fā)明針對(duì)的是一般凹陷折射率層的制作。然而，本領(lǐng)域熟練人員同樣顯而易見(jiàn)的是，本發(fā)明特別適合于制造的光纖，是具有凹陷折射率層接近光纖中心纖芯，最好是緊鄰中心纖芯的折射率分布的光纖。
纖芯粉末的淀積，是通過(guò)噴燈33產(chǎn)生的，而包層粉末的淀積，則通過(guò)噴燈34。噴燈是氫氧噴燈，向火焰供應(yīng)氫氣和氧氣，按公知的方式控制反應(yīng)區(qū)的溫度。如圖所示，兩個(gè)噴燈一前一后地一個(gè)接著一個(gè)地工作，使纖芯粉末首先淀積，接著在纖芯粉末上淀積包層粉末。流量控制器和兩個(gè)噴燈組件也向反應(yīng)區(qū)提供玻璃先驅(qū)氣體源。用于產(chǎn)生纖芯粉末的玻璃先驅(qū)氣體，通常包括惰性載體氣體中的SiCl4和GeCl4。用于凹陷包層內(nèi)部分15的先驅(qū)氣體，可以是SiCl4和CF4。也可以用其他的氟源，如XeF、SiF4。
按照在尖部位置上檢測(cè)的變化，調(diào)整提拉的速率，通過(guò)與37所示類似的纖芯生長(zhǎng)速率監(jiān)視器、但有來(lái)自被使用的纖芯生長(zhǎng)速率監(jiān)視器的信號(hào)，如圖2中的反饋環(huán)路23所示，以便調(diào)整提拉的速率。參考圖2對(duì)支承棒22的提拉，是要指出，可以包括使預(yù)制棒位置相對(duì)噴燈33和34位置作可控運(yùn)動(dòng)的任何安排。支承棒或噴燈都可以運(yùn)動(dòng)。這些都等于說(shuō)，要求的運(yùn)動(dòng)是相對(duì)的，如果要規(guī)定的話，就是使其中之一或另一個(gè)的運(yùn)動(dòng)必須是相對(duì)運(yùn)動(dòng)。
VAD工藝的改進(jìn)的控制，可以通過(guò)獨(dú)立地監(jiān)視纖芯粉末和包層粉末的生長(zhǎng)速率獲得。這可以把獨(dú)立的監(jiān)視器36和37分別用于包層和纖芯生長(zhǎng)速率實(shí)現(xiàn)。兩者之一中的任何變化，被反饋至計(jì)算機(jī)38，該計(jì)算機(jī)計(jì)算發(fā)送至流量控制單元31的控制動(dòng)作。如剛才說(shuō)明的，流量控制單元控制送至纖芯粉末和包層粉末兩者的反應(yīng)區(qū)的玻璃先驅(qū)氣體的流量，并通過(guò)控制送至噴燈33和34的燃料氣體流量，控制兩種反應(yīng)的溫度。在圖示的安排中，纖芯粉末和包層粉末反應(yīng)的控制是獨(dú)立的，并且也可以通過(guò)控制先驅(qū)氣體、燃料氣體、或兩者的流率實(shí)現(xiàn)。這一點(diǎn)在美國(guó)專利No.6,923,024中有更詳細(xì)的說(shuō)明，該專利于2005年8月2日授權(quán)，本文引用該專利，供參考。
接著粉末淀積之后，多孔的粉末體，通過(guò)加熱到足以使二氧化硅粒子燒結(jié)成固態(tài)的、致密的玻璃棒的溫度而固結(jié)。固結(jié)一般通過(guò)加熱粉末體到1400℃至1600℃的溫度實(shí)施。冷卻后，固態(tài)的棒準(zhǔn)備用于RIT工藝。
用RIT方法，形成凹陷包層12的第二部分16。如更早的說(shuō)明，管是氟摻雜的二氧化硅管。選擇氟管中的摻雜濃度，使該玻璃管的折射率，至少與最內(nèi)包層區(qū)15一樣的負(fù)。管中的摻雜濃度可以漸變，但通常是均勻的。
典型的管棒方案在圖3和4畫出。圖是不按比例的。在圖3中，包層管以56表示。典型的長(zhǎng)度對(duì)直徑的比值是10-15。圖上畫出的纖芯棒57，是插入包層管中的。此時(shí)，棒通常已經(jīng)固結(jié)。在棒57和管56組裝之后，把這樣的組合熔融，產(chǎn)生圖4中所示最后的預(yù)制棒68，纖芯69與包層成一整體，但有小的折射率差。
在以圖1表示的實(shí)施例中，使用兩根過(guò)包層管。第一過(guò)包層管，包括氟摻雜的二氧化硅，形成分布中的區(qū)16。第二無(wú)摻雜的二氧化硅的過(guò)包層管，形成外包層13。對(duì)這些管合適的尺寸，以及RIT技術(shù)，本領(lǐng)域是公知的，從而實(shí)施圖示分布的細(xì)節(jié)，對(duì)本領(lǐng)域熟練人員是不需要說(shuō)明的。
然后，用已完成的預(yù)制棒，按常規(guī)方式拉制光纖。圖5畫出有預(yù)制棒71和接受器72的光纖拉制設(shè)備，該接受器72代表使玻璃預(yù)制棒軟化并開(kāi)始拉制的拉絲爐(未畫出)。已拉制的光纖以73表示。然后，使新生的光纖表面通過(guò)一般以74表示的涂敷杯，該涂敷杯有包含涂層預(yù)聚合物76的室75。被液體涂敷的光纖，從涂敷室通過(guò)模具81離開(kāi)。模具81與預(yù)聚合物的流體動(dòng)力學(xué)的組合，控制涂層厚度。然后，令被預(yù)聚合物涂敷的光纖84對(duì)UV燈85曝光，使預(yù)聚合物固化并完成涂層工藝。只要合適，也可以用其他固化輻射。然后，用卷取輪87卷起有固化涂層的光纖。卷取輪控制光纖的拉制速度?？捎玫睦扑俣韧ǔＴ?-20m/秒的范圍。重要的是，光纖應(yīng)在涂敷杯的中心，并且尤其在出口模具81內(nèi)，要保持光纖和涂層的同心度。商業(yè)上的設(shè)備，通常有控制光纖對(duì)準(zhǔn)度的滑輪。模具中的流體動(dòng)力學(xué)壓力自身有助于使光纖對(duì)準(zhǔn)中心。受微步進(jìn)分度器(未畫出)控制的步進(jìn)電機(jī)，控制卷取輪。
用于光纖的涂層材料，通常是添加UV光觸媒劑的聚氨酯類材料、丙烯酸酯、或氨基甲酸乙酯-丙烯酸酯。圖5中所示的設(shè)備，有單個(gè)涂敷杯，但常常使用雙涂敷杯的雙涂敷設(shè)備。在雙涂敷的光纖中，通常初級(jí)的或靠里的涂層材料，是軟的、低模數(shù)材料，諸如硅酮、熱融蠟、或任何有低模數(shù)的若干聚合物材料。常用作第二或外涂層的材料，是高模數(shù)聚合物，通常有聚氨酯類材料或丙烯酸酯類聚合物。在商業(yè)實(shí)踐中，兩種材料都可以是低模數(shù)的和高模數(shù)的丙烯酸酯。涂層厚度通常直徑在150-300μm范圍，以約240μm為標(biāo)準(zhǔn)。
本發(fā)明的原理已如上所述出示，而按照本發(fā)明的光纖折射率分布的特定設(shè)計(jì)，在圖6中畫出。纖芯是Ge摻雜的二氧化硅，Δ約0.0035。凹陷包層的最內(nèi)部分，用SiCl4和CF4產(chǎn)生，并如圖所示，得到深的凹陷區(qū)。由粉末淀積而產(chǎn)生的凹陷包層部分，從光纖中心伸延約13微米。粉末淀積的內(nèi)包層區(qū)的Δ，約從-0.0003變化到-0.0008。凹陷包層的剩余部分，從約13微米伸延到約23微米，是用氟摻雜的過(guò)包層管產(chǎn)生的。內(nèi)包層(12)直徑對(duì)纖芯(11)直徑的比值，約為5，而正常的比值是在3-8范圍。
本發(fā)明的兩步驟包層形成工藝的使用，使可以制造非常寬且非常深凹陷的折射率區(qū)。圖6中的凹陷折射率區(qū)，約為19微米寬，主要部分的凹陷折射率，比-0.0008更負(fù)。凹陷折射率區(qū)的寬度WD，可以表示為WD＝(DF-DC)/2這里DF是F摻雜區(qū)的直徑(圖6中約為46微米)，而DC是纖芯直徑(圖6中約為8微米)。
因?yàn)閷?duì)最內(nèi)包層使用粉末法生產(chǎn)的玻璃的重要優(yōu)點(diǎn)，是在傳播波的光功率包絡(luò)的外部區(qū)中，提供高質(zhì)量、低損耗的玻璃，所以凹陷包層的粉末法生產(chǎn)部分的寬度，最好基本上，亦即至少為0.25WD，再最好至少大致為0.5WD。同樣在優(yōu)選的情形中，粉末法生產(chǎn)的玻璃凹陷折射率的內(nèi)包層玻璃，至少其寬度的50％，有比-0.0005更負(fù)的Δ。同樣可取的是，基本上全部管法生產(chǎn)的玻璃，有比-0.0005更負(fù)的Δ。組合這些特征，至少凹陷層寬度WD的75％，會(huì)有比-0.0005更負(fù)的Δ。
在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，其中凹陷折射率區(qū)的一部分，是由VAD粉末法生產(chǎn)的，而凹陷折射率區(qū)的一部分，是由RIT過(guò)包層管生產(chǎn)的，分布有如下特征WD[(DF-DC)/2]＞10微米，最好大于14微米＞75％的凹陷內(nèi)包層(12)的Δ，比-0.0005更負(fù)。
外包層13最好是無(wú)摻雜的二氧化硅，并可伸延到光纖的外表面。另外，也可以采用其他的分布特性，諸如向上摻雜環(huán)，以便控制微彎損耗。
在成品預(yù)制棒中，預(yù)期在粉末法生產(chǎn)的玻璃和管法生產(chǎn)的玻璃之間，凹陷區(qū)會(huì)呈現(xiàn)物理分界面或不連續(xù)性。這樣，預(yù)制棒能在結(jié)構(gòu)上以凹陷區(qū)為特征，該凹陷區(qū)包括VAD或OVD粉末法生產(chǎn)的玻璃部分，和過(guò)包層管法生產(chǎn)的玻璃部分。這些特征已經(jīng)在本說(shuō)明書的上下文中獲得具體的意義，從而對(duì)本領(lǐng)域熟練人員是清楚并明確的術(shù)語(yǔ)。因?yàn)楣J(rèn)從預(yù)制棒拉制的光纖，將復(fù)制預(yù)制棒的所有材料特征，所以光纖可以用相同的特征定義。
本文使用的術(shù)語(yǔ)向上摻雜和向下?lián)诫s，對(duì)本領(lǐng)域熟練人員也是熟悉的術(shù)語(yǔ)。向上摻雜的玻璃或玻璃區(qū)，是被摻雜而比純二氧化硅有更高折射率的玻璃或玻璃區(qū)。向下?lián)诫s的玻璃或玻璃區(qū)，是被摻雜而使折射率小于純二氧化硅折射率的玻璃或玻璃區(qū)。
在結(jié)束以上詳細(xì)的描述時(shí)，應(yīng)當(dāng)指出，本領(lǐng)域熟練人員顯然知道，在基本上不偏離本發(fā)明原理的情況下，可以對(duì)優(yōu)選實(shí)施例作出許多變化和修改。所有這類變化、修改、和等價(jià)的替代，因?yàn)槎荚跈?quán)利要求書闡明的本發(fā)明的范圍內(nèi)，所以將認(rèn)為被本文所涵蓋。
權(quán)利要求
1.一種方法，包括步驟(a)在第一VAD噴燈中(i)使一種或多種玻璃先驅(qū)氣體流和燃料氣體流一起流動(dòng)，以形成第一粉末氣體混合物，(ii)點(diǎn)燃第一粉末氣體混合物，以形成第一粉末火焰，從而產(chǎn)生第一玻璃粉末，(b)在第二VAD噴燈中(i)使一種或多種玻璃先驅(qū)氣體流和燃料氣體流一起流動(dòng)，以形成第二粉末氣體混合物，該第二粉末氣體混合物包括氟化合物，(ii)點(diǎn)燃第二粉末氣體混合物，以形成第二粉末火焰，從而產(chǎn)生第二玻璃粉末，(c)把支承棒引向一前一后的第一和第二VAD噴燈，第一VAD噴燈在第二VAD噴燈前面，使第一VAD噴燈淀積第一玻璃粉末，以形成第一粉末，而第二VAD噴燈把第二玻璃粉末淀積在第一玻璃粉末上，(d)從始點(diǎn)到終點(diǎn)相對(duì)噴燈移動(dòng)支承棒，以生產(chǎn)雙層粉末，(g)加熱該雙層粉末，使粉末固結(jié)成玻璃棒，(h)把該玻璃棒插進(jìn)玻璃管中，該玻璃管包括氟摻雜的玻璃，和(i)加熱該玻璃管，使玻璃管圍繞該玻璃棒塌縮。
2.按照權(quán)利要求1的方法，其中的第一玻璃粉末包括鍺。
3.按照權(quán)利要求1的方法，包括附加的步驟把預(yù)制棒加熱到軟化溫度，和從預(yù)制棒拉制玻璃纖維。
4.一種光纖，包括被向下?lián)诫s內(nèi)包層包圍的向上摻雜纖芯，其中該向下?lián)诫s內(nèi)包層，包括緊鄰纖芯的第一向下?lián)诫s包層區(qū)和包圍該第一包層區(qū)的第二向下?lián)诫s包層區(qū)，該第一包層區(qū)包括用VAD或OVD粉末法產(chǎn)生的玻璃，該第二包層區(qū)包括用過(guò)包層管產(chǎn)生的玻璃。
5.按照權(quán)利要求4的光纖，其中的向下?lián)诫s包層區(qū)，是以氟摻雜的。
6.按照權(quán)利要求4的光纖，其中的內(nèi)包層的寬度，由下式定義WD＝(DF-DC)/2這里DF是向下?lián)诫s區(qū)的直徑，而DC是纖芯的直徑，且WD大于12微米。
7.按照權(quán)利要求4的光纖，其中第一向下?lián)诫s區(qū)的寬度，至少為0.25WD。
8.按照權(quán)利要求4的光纖，其中至少50％的第一向下?lián)诫s包層區(qū)，有比-0.0005更負(fù)的Δ。
9.按照權(quán)利要求4的光纖，其中第二向下?lián)诫s包層區(qū)，有比-0.0008更負(fù)的Δ。
10.按照權(quán)利要求4的光纖，其中至少75％的凹陷包層區(qū)寬度WD，有比-0.0005更負(fù)的Δ。
11.權(quán)利要求4的光纖，在1383nm上有小于0.31dB/km的水峰。
全文摘要
本文描述一種制作用于內(nèi)包層光纖的凹陷折射率包層的方法。本方法包括在兩個(gè)步驟中制作凹陷折射率包層。內(nèi)包層的最內(nèi)部分，是用粉末方法生產(chǎn)，從而對(duì)載運(yùn)最多光功率的包層區(qū)，取得粉末方法的優(yōu)點(diǎn)，然后用管棒法步驟，形成內(nèi)包層的其余部分。本方法有效地把兩種方法的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)相配合。
文檔編號(hào)C03C13/04GK101085697SQ20071008467
公開(kāi)日2007年12月12日 申請(qǐng)日期2007年3月1日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月2日
發(fā)明者埃里克·L.·巴里什, 小羅伯特·林格爾, 大衛(wèi)·貝克翰姆, 吳風(fēng)清 申請(qǐng)人:古河電子北美公司