專利名稱：色散控制光纖及其大尺寸預(yù)制坯的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光纖及其制造方法，并具體涉及色散控制光纖及其大尺寸預(yù)制坯(preform)的制造方法。
作為傳送信息新介質(zhì)而廣為使用的光纖根據(jù)傳送方式分為單模光纖和多模光纖兩大類。單模光纖還可分類為單模光纖和色散控制光纖。
色散控制光纖包括將零色散波段移至1．5μm波段的色散位移光纖，在寬波長(zhǎng)帶1．3～1．6μm具有恒定色散值的色散扁平光纖(dispersion flattened fiber)和在1．5～1．6μm具有低色散值的非零色散位移光纖。在授予Kato等的美國(guó)專利US5721800中公開(kāi)了色散位移光纖，在授予Nouchi等的美國(guó)專利US 5675690中公開(kāi)了色散扁平光纖。
雖然光纖由原料直接制造，但是其大多數(shù)通常在熔爐由加熱到軟化點(diǎn)以上的單獨(dú)預(yù)制坯制造。
可由預(yù)制坯拉伸的光纖長(zhǎng)度取決于預(yù)制坯的直徑。特別是，由于光纖的牽伸量和該預(yù)制坯直徑成比例，已經(jīng)提出了大尺寸預(yù)制坯的制造方法。通過(guò)增大第一預(yù)制坯的直徑和通過(guò)加大用于外包覆的管直徑可加大預(yù)制坯尺寸，該第一預(yù)制坯是通過(guò)沉積和致密(collapse)形成的。


圖1是顯示常規(guī)光纖制造方法的流程圖。如圖1所示，光纖的一般制造方法包括以下步驟形成預(yù)制坯(步驟10)，拉伸光纖(步驟20)，圍繞光纖外部周邊涂覆皮層(步驟30)和卷繞該光纖(步驟40)。一般說(shuō)，拉伸和涂覆步驟通常在纖維拉伸裝置中連續(xù)進(jìn)行。
步驟10是形成以便拉伸成光纖的基本預(yù)制坯的過(guò)程。形成預(yù)制坯的方法包括氣相軸向沉積(VAD)法、外化學(xué)氣相沉積(OCVD)法、等離子化學(xué)氣相沉積(PCVD)法和改進(jìn)的化學(xué)氣相沉積(MCVD)法，廣泛使用MCVD法。
在此將詳細(xì)說(shuō)明通過(guò)MCVD法制造預(yù)制坯的過(guò)程。將氣體例如SiCl4或GeCl4導(dǎo)入以恒定的速度旋轉(zhuǎn)的沉積管中，并用可左右移動(dòng)的燃燒器加熱該管的外周。顆粒被沉積在沉積管的內(nèi)表面上。用燃燒器的熱量燒結(jié)、致密并閉合(closed)這些沉積的顆粒以便形成有芯層和包層的第一預(yù)制坯。對(duì)第一預(yù)制坯進(jìn)行外包覆(over-cladding)處理以形成產(chǎn)物預(yù)制坯。
調(diào)節(jié)供入沉積管的氣體組分可選擇纖芯和包層間的折射差，而且在美國(guó)專利US 4389230和5397372中詳細(xì)公開(kāi)了用MCVD法制造預(yù)制坯的過(guò)程。
在帶有熔爐和涂層機(jī)的光纖制造裝置中連續(xù)進(jìn)行拉伸和涂覆步驟20和30，以便從預(yù)制坯拉制光纖。當(dāng)在熔爐中將預(yù)制坯加熱到軟化點(diǎn)以上時(shí)，經(jīng)位于熔爐下端的拉伸孔拉伸光纖。然后經(jīng)過(guò)涂層機(jī)涂覆光纖，并經(jīng)過(guò)冷卻器冷卻。
在卷繞步驟40中，光纖受到絞盤(pán)施加的應(yīng)力，并被卷繞在卷筒上。
圖2是說(shuō)明一般單模光纖結(jié)構(gòu)的橫截面圖，圖3是說(shuō)明常規(guī)色散控制光纖結(jié)構(gòu)的橫截面圖。所示光纖主要由SiO2構(gòu)成。
如圖2和3所示，通常的單模光纖和常規(guī)的色散控制光纖分別包括纖芯110或210、包層120或220和皮層130或230。
SiO2是纖芯110或210的主組分，并添加GeO2調(diào)節(jié)折射率分布。包層120或220除了含SiO2之外，還含有GeO2、P2O5和氟利昂以調(diào)節(jié)折射率分布或降低沉積溫度。盡管為便于理解以單層示出包層120和220，但也可采用經(jīng)外包覆形成的多層包層。
通常，單模光纖100的纖芯直徑為8～12μm且相對(duì)折射率為0．35，而色散控制光纖200的纖芯直徑為5～8μm且相對(duì)折射率為0．7～0．15。換言之，色散控制光纖200的纖芯210直徑小于一般單模光纖100的直徑，但折射率卻比單模光纖的高。相對(duì)折射率用(n12-n22)／(2n12)*100表示，其中n1是纖芯的最大折射率，且n2是最小折射率。
皮層130和230的作用是內(nèi)部的保護(hù)層，用于防止纖芯110和210以及包層120和220不受機(jī)械或化學(xué)破壞。皮層130和230由塑性材料例如熱固性樹(shù)脂制成。
表1顯示一般單模光纖和現(xiàn)有色散控制光纖的光學(xué)特性改變。表2表明，光學(xué)特性改變和沉積管形變依賴于預(yù)制坯直徑增量和拉伸溫度。表1中，S代表SiO2，G代表GeO2，P代表P2O5且F代表氟利昂。
表1
(“S．M．F．”代表單模光纖，“D．C．F．”代表色散控制光纖)如實(shí)例1和2看到的，在一般單模光纖情形中，即使在升高的拉伸溫度下拉制該光纖，光特性例如零色散波長(zhǎng)、模場(chǎng)直徑和色散斜率也不改變或很少改變，甚至和使用不涉及尺寸增大的預(yù)制坯拉制情況相比，所用預(yù)制坯尺寸從50毫米增加到66毫米條件下進(jìn)行的光纖拉伸也是如此。
但如實(shí)例3和4所見(jiàn)，在色散控制光纖的情形，即使用直徑由50毫米變到66毫米的預(yù)制坯拉制光纖，與使用不涉及尺寸增大的預(yù)制坯拉制情況相比，光特性例如零色散波長(zhǎng)、模場(chǎng)直徑和色散斜率也發(fā)生顯著改變。這是因?yàn)楹蛦文９饫w相比，色散控制光纖的纖芯和包層由不同組合物制成，而且因?yàn)樯⒖刂乒饫w的纖芯直徑較小。
這就是說(shuō)，常規(guī)色散控制光纖含SiO2和CeO2構(gòu)成的纖芯以及SiO2、GeO2、P2O5和氟利昂構(gòu)成的包層，并且纖芯直徑比單模光纖的小。所以，在提高的拉伸溫度下，用加大直徑的預(yù)制坯拉制這樣的色散控制光纖時(shí)，由于纖芯和包層之間的溫度分布不均勻，可能產(chǎn)生應(yīng)力。此外，纖芯中的折射率分布也可能因纖芯和包層之間的粘度差異而不同。
如從實(shí)例3和4看到的，纖芯中不同的折射率分布導(dǎo)致色散控制光纖的光學(xué)特性改變。例如，對(duì)于預(yù)制坯直徑較小的色散控制光纖來(lái)說(shuō)，零色散波長(zhǎng)改變20-40納米，模場(chǎng)直徑改變0．2～0．5微米并且色散斜率改變O．004～0．009ps／nm2。
本發(fā)明的一個(gè)目的是解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的這些問(wèn)題，并提供色散控制光纖和大尺寸預(yù)制坯的制造方法。
為了達(dá)到上述目的，按照本發(fā)明的一個(gè)方面，提供—種色散控制光纖，包括SiO2、GeO2和P2O5構(gòu)成的纖芯以及SiO2、GeO2、P2O5和氟利昂構(gòu)成的包層。
按照本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供—種色散空制光纖，包括SiO2、GeO2、P2O5和氟利昂構(gòu)成的纖芯以及SiO2、GeO2、P2O5和氟利昂構(gòu)成的包層。
按照本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供—種色散控制光纖，包括SiO2、GeO2和P2O5構(gòu)成的纖芯，SiO2、GeO2、P2O5和氟利昂構(gòu)成并圍繞該纖芯外周設(shè)置的第一包層以及僅由SiO2構(gòu)成并圍繞該第一包層外周設(shè)置的第二包層。
再按照本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供MCVD方法制色散控制光纖中所用到的大尺寸預(yù)制坯制造方法，該方法包括以下步驟在沉積管的內(nèi)周邊沉積SiO2、GeO2、P2O5和氟利昂以便形成包層，和在該包層的內(nèi)周邊沉積SiO2、GeO2和P2O5以便形成纖芯層。
經(jīng)參照以下附圖詳述的優(yōu)選實(shí)施方案，本發(fā)明的上述目的和優(yōu)點(diǎn)會(huì)更加明顯圖1是表示常規(guī)光纖制造方法的流程圖；圖2是說(shuō)明一般單模光纖結(jié)構(gòu)的橫截面圖；圖3是說(shuō)明常規(guī)色散控制光纖結(jié)構(gòu)的橫截面圖；圖4是說(shuō)明本發(fā)明第一實(shí)施方案色散控制光纖結(jié)構(gòu)的橫截面圖；圖5是說(shuō)明本發(fā)明第二實(shí)施方案色散控制光纖結(jié)構(gòu)的橫截面圖；圖6是說(shuō)明本發(fā)明第三實(shí)施方案色散控制光纖結(jié)構(gòu)的橫截面圖；圖7是表示本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方案色散控制光纖大尺寸預(yù)制坯制造方法的流程圖；和圖8a和8b是表示光纖拉制溫度與零色散波長(zhǎng)改變量之間關(guān)系的曲線圖，分別屬于按照現(xiàn)有技術(shù)及按照本發(fā)明色散控制光纖的大尺寸預(yù)制坯。
現(xiàn)參考附圖詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案。在本發(fā)明的下列描述中，當(dāng)詳述本文包括的已知功能和構(gòu)型反而使本發(fā)明的主題內(nèi)容相當(dāng)不鮮明時(shí)，其將被省略。
圖4是說(shuō)明本發(fā)明第一實(shí)施方案色散控制光纖結(jié)構(gòu)的橫截面圖，圖5是說(shuō)明本發(fā)明第二實(shí)施方案色散控制光纖結(jié)構(gòu)的橫截面圖，并且圖6是說(shuō)明本發(fā)明第三實(shí)施方案色散控制光纖結(jié)構(gòu)的橫截面圖。在這些圖中，纖芯和包層分別用固有的組分的縮寫(xiě)表示；S代表SiO2，G代表GeO2，P代表P2O5和F代表氟利昂。
如圖4所示，根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施方案的色散控制光纖300包括SiO2、GeO2和P2O5構(gòu)成的纖芯310和SiO2、GeO2、P2O5以及氟利昂構(gòu)成的包層320。圍繞包層320的外周設(shè)置皮層330。
SiO2是纖芯310和包層320的主組分，且加入GeO2調(diào)節(jié)纖芯310和包層320的折射率分布。P2O5起減少纖芯和包層間粘度差異及沉積溫度的作用。另外，氟利昂起降低包層折射率的作用。
纖芯310復(fù)合物中將要加入的P2O5含量應(yīng)當(dāng)不超過(guò)構(gòu)成纖芯復(fù)合物總重量的10％。纖芯310所含P2O5的作用是減少纖芯和包層間的粘度差異。纖芯和包層的不同組成可導(dǎo)致這種粘度差異。因此，在拉伸時(shí)可將纖芯和包層間粘度差異引起的溫度分布不平衡最小化。如果纖芯310的P2O5含量大于構(gòu)成纖芯復(fù)合物總重量的10％，那末因纖芯310吸收損失增加和粘度降低，可發(fā)生幾何變形。
可調(diào)節(jié)GeO2、P2O5和氟利昂的含量以使纖芯310和包層320之間的相對(duì)折射差大于0．35，該值是—般單模光纖纖芯對(duì)包層的相對(duì)折射比?？蛇x擇P2O5相對(duì)構(gòu)成纖芯310復(fù)合物的復(fù)合物比以使其從纖芯中心到其周邊增加或減少，或單獨(dú)將其維持在纖芯橫截面的任何位置上。
如圖5所示，根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施方案的色散控制光纖400包括SiO2、GeO2、P2O5和氟利昂構(gòu)成的纖芯410以及SiO2、GeO2、P2O5和氟利昂構(gòu)成的包層420。圍繞包層420的外周設(shè)置皮層430。具體地說(shuō)，根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施方案的色散控制光纖400與本發(fā)明第一實(shí)施方案的大體相似，不同的是，纖芯中另外加入了氟利昂。
纖芯410復(fù)合物中將要加入的P2O5含量應(yīng)當(dāng)不超過(guò)構(gòu)成纖芯復(fù)合物總重量的10％。纖芯410所含P2O5會(huì)減少纖芯和包層間的粘度差異，各自構(gòu)成纖芯和包層的不同組分引起該粘度差異。因此，在拉伸時(shí)可將纖芯410和包層420間粘度差異引起的溫度分布不平衡最小化。如果纖芯410的P2O5含量大于構(gòu)成纖芯復(fù)合物總重量的10％，因纖芯410吸收損失增加和粘度降低，可發(fā)生幾何變形。
SiO2是纖芯410和包層420的主組分，且加入GeO2調(diào)節(jié)纖芯410和包層420的折射率分布。P2O5起減少纖芯和包層間粘度差異及沉積溫度的作用。另外，氟利昂不僅起降低包層折射率的作用，而且起降低纖芯410和包層420間粘度差異的作用。
如圖6所示，根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施方案的色散控制光纖500包括SiO2、GeO2和P2O5構(gòu)成的纖芯510，SiO2、GeO2、P2O5和氟利昂構(gòu)成的第一包層530以及僅由SiO2構(gòu)成的第二包層520。圍繞包層520的外周設(shè)置皮層540。
如上第一和第二實(shí)施方案所述，纖芯510復(fù)合物中將要加入的P2O5含量也將選擇不超過(guò)構(gòu)成纖芯復(fù)合物總重量的10％。纖芯510中所含P2O5減少纖芯和包層間的粘度差異，此粘度差異由各自構(gòu)成纖芯和包層的不同組分引起。因此，在拉伸時(shí)可將纖芯510和包層520間粘度差異引起的溫度分布不平衡最小化。
SiO2是纖芯510與第一和第二包層530和520的主組分，且加入GeO2調(diào)節(jié)纖芯510和第—包層530的折射率分布。P2O5起減少纖芯510和第—包層530間粘度差異及沉積溫度的作用。另外，氟利昂不僅起降低第一包層530折射率的作用，而且起降低纖芯510和第一包層530間粘度差異的作用。
圖7是表示本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方案色散控制光纖的大尺寸預(yù)制坯制造方法的流程圖，其中用MCVD法完成該方法。
根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方案色散控制光纖的大尺寸預(yù)制坯的制造方法主要包括包層沉積步驟50，纖芯沉積步驟60和致密和閉合步驟70。
包層沉積步驟50中，在可回轉(zhuǎn)的沉積管內(nèi)部供入SiO2、GeO2和P2O5，并用燃燒器加熱該管，將由SiO2、GeO2和P2O5構(gòu)成的包層沉積在沉積管的內(nèi)周邊。另外，可將SiO2、GeO2、P2O5和氟利昂構(gòu)成的包層沉積在沉積管的內(nèi)周邊。
在纖芯沉積步驟60中，將由SiO2、GeO2、P2O5和氟利昂構(gòu)成的纖芯層沉積在沉積于沉積管上的包層的內(nèi)周邊上。此時(shí)，調(diào)節(jié)P2O5含量使之不超過(guò)構(gòu)成包層組分總重量的10％。如果P2O5的重量定額超過(guò)包層總重量的10％，可能發(fā)生幾何變形。
在致密和閉合步驟70中，沿沉積管的縱向移動(dòng)燃燒器并加熱該管，從而填充纖芯層中心剩余的中空部分。
本領(lǐng)域熟練人員將會(huì)理解，可用VAD、OCVD或PCVD法以及上述的MCVD法制造大尺寸預(yù)制坯。
表2列出色散控制光纖光學(xué)特性的變化，該光纖是用按本發(fā)明實(shí)施方案制造的大尺寸預(yù)制坯拉制的。表2中，光學(xué)特性變化及沉積管變形說(shuō)明它們依賴于預(yù)制坯直徑增加以及拉伸溫度。另外，經(jīng)參考分別對(duì)應(yīng)于本發(fā)明兩個(gè)實(shí)施方案的對(duì)比例也說(shuō)明光學(xué)特性的改變。在每一個(gè)對(duì)比例中，其纖芯和包層均未加P2O5，這不同于本發(fā)明的實(shí)施例。
表2(1*現(xiàn)有技術(shù)的實(shí)例4，2*本發(fā)明的實(shí)施例1，3*本發(fā)明的實(shí)施例2，4*對(duì)比例1，5*對(duì)比例2。“D．C．F．”代表色散控制光纖。)實(shí)施例1是如圖4所示的，由纖芯和包層構(gòu)成的大尺寸預(yù)制坯，該纖芯由SiO2、GeO2和P2O5構(gòu)成，該包層由SiO2、CeO2、P2O5和氟利昂構(gòu)成。由該預(yù)制坯拉制光纖并測(cè)試其光學(xué)特性，如零色散波長(zhǎng)、模場(chǎng)直徑和色散斜率以及沉積管的收縮變形。
將實(shí)施例1和現(xiàn)有技術(shù)的，其光纖由SiO2和GeO2構(gòu)成芯的大尺寸預(yù)制坯拉制而成的實(shí)例4進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)光學(xué)特性的改變明顯減少。具體地，零色散波長(zhǎng)從20～40納米變?yōu)?～2納米，模場(chǎng)直徑從0．2～0．5微米變?yōu)?～0．2微米，且色散斜率從0．004～0．009ps／nm2變?yōu)?～0．001ps／nm2。
實(shí)施例2是如圖5所示的，由纖芯和包層構(gòu)成的大尺寸預(yù)制坯，該纖芯由SiO2、GeO2、P2O5和氟利昂構(gòu)成，該包層由SiO2、GeO2、P2O5和氟利昂構(gòu)成。由此預(yù)制坯拉制光纖并測(cè)試其光學(xué)特性，如零色散波長(zhǎng)、模場(chǎng)直徑和色散斜率以及沉積管的收縮變形。
將實(shí)施例2和現(xiàn)有技術(shù)的，其光纖由SiO2和GeO2構(gòu)成芯的大尺寸預(yù)制坯拉制而成的實(shí)例4進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)光學(xué)特性的改變明顯減少。具體地，零色散波長(zhǎng)從20～40納米變?yōu)?～3納米，模場(chǎng)直徑從0．2～0．5微米變?yōu)?～0．2微米，且色散斜率從0．004～0．009ps／nm2變?yōu)?～0．001ps／nm2。
圖8a和8b是表示光纖拉制溫度與零色散波長(zhǎng)改變量之間關(guān)系的曲線圖，分別屬于按照現(xiàn)有技術(shù)及按照本發(fā)明色散控制光纖的大尺寸預(yù)制坯。
如可從圖8a看到的，如果將按照現(xiàn)有技術(shù)預(yù)制坯的直徑從50毫米改變到66毫米，根據(jù)拉伸溫度的零色散波長(zhǎng)改變會(huì)變大。但是如可從圖8b看到的，如果將按照本發(fā)明預(yù)制坯的直徑從50毫米改變到66毫米，根據(jù)拉伸溫度的零色散波長(zhǎng)改變會(huì)變小。
按照本發(fā)明的色散控制光纖其優(yōu)點(diǎn)在于，即使為了由本發(fā)明大尺寸預(yù)制坯拉制色散控制光纖而增加拉伸溫度，光學(xué)特性的變化也被最小化。
另外，按照本發(fā)明，將沉積纖芯的溫度降低以便阻止沉積管的收縮，而且還可降低燒結(jié)溫度。并且可減少致密所要求的加工時(shí)間。
盡管已結(jié)合目前認(rèn)為最可行和優(yōu)選的實(shí)施方案描述了本發(fā)明，但是應(yīng)當(dāng)理解，可不背離本發(fā)明范圍地進(jìn)行其它改變。因此，本發(fā)明不應(yīng)當(dāng)限于所公開(kāi)的實(shí)施方案，而應(yīng)當(dāng)由所附權(quán)利要求和它們的等效物進(jìn)行限定。
權(quán)利要求
1．一種色散控制光纖包括由SiO2、GeO2和P2O5構(gòu)成的纖芯；以及由SiO2、GeO2、P2O5和氟利昂構(gòu)成的包層。
2．如權(quán)利要求1中所述的色散控制光纖，其中選擇P2O5的含量不超過(guò)構(gòu)成該纖芯復(fù)合物總重量的10％。
3．如權(quán)利要求1中所述的色散控制光纖，其中該纖芯和該包層之間的相對(duì)折射差為0．35以上。
4．如權(quán)利要求1中所述的色散控制光纖，其中選擇P2O5對(duì)構(gòu)成該纖芯的復(fù)合物的配混比以便使其從該纖芯中心到其周邊增加或減少。
5．如權(quán)利要求1中所述的色散控制光纖，其中選擇P2O5對(duì)構(gòu)成該纖芯的復(fù)合物的配混比以便使其單獨(dú)維持在該纖芯橫截面中任何位置。
6．一種色散控制光纖，包括由SiO2、GeO2、P2O5和氟利昂構(gòu)成的纖芯；以及由SiO2、GeO2、P2O5和氟利昂構(gòu)成的包層。
7．如權(quán)利要求6中所述的色散控制光纖，其中選擇P2O5的含量不超過(guò)構(gòu)成該纖芯復(fù)合物總重量的10％。
8．如權(quán)利要求6中所述的色散控制光纖，其中該纖芯和該包層之間的相對(duì)折射差為0．35以上。
9．如權(quán)利要求6中所述的色散控制光纖，其中選擇P2O5對(duì)構(gòu)成該纖芯的復(fù)合物的配混比以便使其從該纖芯中心到其周邊增加或減少。
10．一種色散控制光纖，包括由SiO2、GeO2和P2O5構(gòu)成的纖芯；由SiO2、GeO2、P2O5和氟利昂構(gòu)成的，并圍繞該纖芯外周設(shè)置的第一包層；以及僅由SiO2構(gòu)成的，并圍繞該第一包層外周設(shè)置的第二包層。
11．如權(quán)利要求10中所述的色散控制光纖，其中選擇P2O5的含量不超過(guò)構(gòu)成該纖芯復(fù)合物總重量的10％。
12．用于MCVD法色散控制光纖的大尺寸預(yù)制坯的制造方法，該方法包括以下步驟在沉積管的內(nèi)周邊沉積SiO2、GeO2、P2O5和氟利昂以便形成包層，并且在該包層的內(nèi)周邊上沉積SiO2、GeO2和P2O5以便形成纖芯層。
全文摘要
色散控制光纖和大尺寸預(yù)制坯的制造方法。該色散控制光纖包括纖芯和包層,該纖芯由SiO
文檔編號(hào)C03B37/018GK1282879SQ0012627
公開(kāi)日2001年2月7日 申請(qǐng)日期2000年7月21日 優(yōu)先權(quán)日1999年7月22日
發(fā)明者李知?jiǎng)? 都文顯 申請(qǐng)人:三星電子株式會(huì)社