專利名稱:低損耗光纖的設(shè)計(jì)及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一系列光纖的設(shè)計(jì),及采用這些改進(jìn)光傳輸特性的設(shè)計(jì)來生產(chǎn)光纖的方法。更具體說,本發(fā)明涉及一種混合的生產(chǎn)方法,其中,光纖預(yù)制棒用組合的MCVD和VAD技術(shù)制作,其中的VAD-MCVD界面,在折射率分布設(shè)計(jì)的波導(dǎo)形成區(qū)之內(nèi)。
背景技術(shù):
已經(jīng)為光纖的生產(chǎn)提出并開發(fā)了廣泛的各種方法。隨著光纖技術(shù)的成熟,已經(jīng)出現(xiàn)三種主要的生產(chǎn)方法,即MCVD、VAD、和OVD。所有這些方法都要把玻璃微粒(常常稱為“微粉(soot)”)沉積在起始的襯底上,然后使這些微粒固結(jié)成固態(tài)的玻璃體。這些技術(shù)要用到現(xiàn)場(chǎng)汽相反應(yīng)來生產(chǎn)微粒。用噴燈引起汽相反應(yīng),并把噴燈的火焰引到起始的襯底。在MCVD方法中,噴燈被引到玻璃起始管的外側(cè),而玻璃的原始?xì)怏w被引進(jìn)玻璃管內(nèi)部。微粒沉積在管的內(nèi)表面。在VAD和OVD方法中,噴燈和原始?xì)怏w被引到起始棒的外表面,微粒分別沉積在棒的一端或側(cè)面。各技術(shù)效率是高的,且已廣泛應(yīng)用,各有各熟知的優(yōu)點(diǎn)。
要生產(chǎn)非常高質(zhì)量的中心纖芯和內(nèi)包層材料,MCVD處理過程似乎是理想的。在MCVD技術(shù)中,微粒層沿徑向遞增地生長(zhǎng)。由于該遞增的徑向生長(zhǎng),MCVD比VAD方法能生產(chǎn)更復(fù)雜的折射率分布。復(fù)雜的折射率分布,是通過對(duì)每種分布特性,改變微粒層的徑向組分生產(chǎn)的。此外,復(fù)雜的折射率分布,常常有一種或多種凹陷折射率(相對(duì)于純石英)的特性。凹陷折射率區(qū)一般是對(duì)微粒摻雜氟形成的。下面還要更詳細(xì)說明,管內(nèi)沉積方法(MCVD)比棒外兩種方法(VAD或OVD)中任一種更適合氟的沉積。
但是,在MCVD方法中,必需使用起始管是個(gè)限制因素。對(duì)大的最新技術(shù)的預(yù)制棒,一種限制是MCVD起始管中的玻璃質(zhì)量不良和沒有低的損耗(因?yàn)楣夤β实哪承┎糠謱⒂善鹗脊懿牧蟼魉?。如果要避免起始管質(zhì)量的限制,使用超純(通常也是昂貴的)材料制作起始管,則暴露在MCVD通常用作熱源的氫氧焰噴燈中的管,由于羥基離子添加至頗深的深度,可能損害有效的起始管質(zhì)量。最后,要求的折射率分布,可能在起始管玻璃提供的區(qū)中,需要一定的摻雜物濃度,但該起始管玻璃與結(jié)果良好的MCVD處理(從粘滯性、管的穩(wěn)定性、或熱傳導(dǎo)考慮)不相容。
在VAD方法中,石英微粉沿起始餌棒的軸向沉積和生長(zhǎng)。VAD技術(shù)的顯著優(yōu)點(diǎn),是它能作為連續(xù)的處理過程實(shí)施。這樣能實(shí)現(xiàn)一列式的沉積、純化、干燥、和燒縮。沉積完成后,把起始棒與沉積體分離,因此與常規(guī)的MCVD法不同,整個(gè)預(yù)制棒可以用CVD沉積的材料制作。作為一般的建議,VAD方法是有效的并被廣泛運(yùn)用,但它們?nèi)匀槐炔簧螹CVD精確控制折射率變化的摻雜物沿徑向沉積的能力,從而精確控制徑向折射率分布的能力。由于這一原因,VAD方法,和其他的微粉沉積/隨后燒縮方法,諸如Outside Vapor Deposition(OVD)(外部汽相沉積),在高效地生產(chǎn)復(fù)雜的光纖設(shè)計(jì)方面,受到限制。此外,VAD方法不十分適合用于氟摻雜。特別是在一列式VAD處理過程的情形。
現(xiàn)有技術(shù)認(rèn)識(shí)到,在單模光纖中,纖芯和內(nèi)包層共同傳輸?shù)墓夤β?,大?5%,但包括的光纖質(zhì)量,通常卻小于5%,現(xiàn)有技術(shù)的這一認(rèn)識(shí),導(dǎo)致在制作過程中對(duì)該區(qū)的制作給予特別的關(guān)注。已經(jīng)發(fā)展的方法,是用相對(duì)先進(jìn)和昂貴的方法,生產(chǎn)預(yù)制棒的纖芯和內(nèi)包層區(qū),而外包層、預(yù)制棒整體,則用較少要求、較不昂貴的處理過程生產(chǎn)。纖芯棒和包層的整合,則在外包層技術(shù)過程中完成。外包層技術(shù)過程,在美國(guó)專利No.6,105,396(Glodis等人)及PCT/EPT00/02651(2000年3月25日)中有一般的說明,本文引用這些文獻(xiàn),作為一般技術(shù)細(xì)節(jié)供參考。
外包層技術(shù)(overcladding)過程,克服了用VAD技術(shù)生產(chǎn)預(yù)制棒復(fù)雜性方面受到的一些限制。外包層技術(shù)過程,可能牽涉到多個(gè)外包層管,每一個(gè)添加性質(zhì)不同的包層區(qū),以獲得需要的光纖折射率分布的復(fù)雜性。
普通使用的該種過程,是所謂的管內(nèi)棒方法,纖芯棒用非常高質(zhì)量的通用摻雜物的處理過程制成,而包層管由較不昂貴、純度較低的玻璃制成。在一些情形下,有單一組分的玻璃提供低成本的選擇。在管內(nèi)棒的外包層技術(shù)過程中,把纖芯棒插入包層管中,然后,使管包圍棒收縮,形成統(tǒng)一體。可以再次使用多個(gè)外包層技術(shù)步驟,并在一些情形下,一個(gè)或多個(gè)最后外包層技術(shù)步驟可以與光纖拉制操作組合。
如果使用管外包層技術(shù)過程,合適的包層管可以用微粉沉積或熔融石英擠出生產(chǎn)?;谖⒎酆铣刹AУ倪^程制作這些大的包層體,導(dǎo)致高質(zhì)量的玻璃,但要求擴(kuò)展處理并相對(duì)昂貴。大的熔融石英體較不昂貴,但一般純度不高。
總之,VAD方法當(dāng)與管內(nèi)棒外包層技術(shù)組合,提供快速和經(jīng)濟(jì)的方法,用于形成有相對(duì)簡(jiǎn)單折射率分布的大玻璃纖芯棒。但是,對(duì)包括凹陷折射率特性的包層,市場(chǎng)上可購(gòu)得的現(xiàn)有技術(shù)凹陷折射率的包層管,不能提供整個(gè)預(yù)制棒體需要的光學(xué)質(zhì)量。
發(fā)明內(nèi)容
我們?cè)O(shè)計(jì)了一組光纖折射率分布,可以降低與附加的散射損耗有關(guān)的摻雜物濃度,并發(fā)展了用MCVD及VAD組合生產(chǎn)光纖的混合方法,在損耗及高出產(chǎn)率方面極大地提升現(xiàn)有技術(shù)。本混合方法組合每種處理技術(shù)的特性。我們也已經(jīng)注意到用這些方法生產(chǎn)的光纖的損耗特征。認(rèn)識(shí)了這些損耗特征的不同,我們組合了MCVD及VAD技術(shù),使合成的損耗特征優(yōu)化。能夠優(yōu)化分配光功率的折射率分布設(shè)計(jì),以降低Rayleigh散射,同時(shí)獲得近于零水峰(zero water peak)的1385nm損耗性能,并保持良好的宏彎曲性能。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中,用VAD方法生產(chǎn)的纖芯棒,有上摻雜(up-doped)的內(nèi)纖芯和較不重?fù)诫s或無摻雜的外纖芯。用MCVD方法生產(chǎn)的包層,有一個(gè)或多個(gè)凹陷折射率區(qū)。使用該基本預(yù)制棒制作方法,我們改變?cè)摲植己凸夤β拾j(luò),使所有光功率基本上不是包含在VAD材料中就是包含在MCVD材料中,并且使大部分功率包絡(luò)包含在VAD材料中,例如通常有60%的功率包含在VAD內(nèi)纖芯中,其中該VAD內(nèi)纖芯的Ge摻雜濃度,通常小于標(biāo)準(zhǔn)單模光纖纖芯濃度的60%,又例如有20-40%的功率包含在無摻雜或輕摻雜的VAD外纖芯中。
本方法的一種變化,是以超高純度的OVD管取代MCVD包層管來生產(chǎn)類似的預(yù)制棒。
圖1是光纖的示意截面圖,畫出可以用本發(fā)明方法制作的折射率分布的例子;圖2是圖1的分布的曲線;圖3和4是管內(nèi)棒處理過程的示意表示;圖5是光纖拉制設(shè)備的示意圖;圖6是各種例子的衰減對(duì)功率加權(quán)Ge和F濃度的曲線;圖7對(duì)圖6中以63表示的光纖,畫出衰減對(duì)波長(zhǎng)的曲線,該曲線常被稱為衰減譜;圖8是損耗對(duì)功率百分比曲線,表明管內(nèi)棒界面不同特征的影響。
具體實(shí)施例方式
具有低的或零水峰的低損耗光纖,可以通過VAD或OVD方法有效地生產(chǎn)大的經(jīng)濟(jì)的預(yù)制棒尺寸(大于90mm的OD)。最低的1385nm損耗(指定低于0.31dB/km,通常是0.275dB/km),幾乎與用VAD方法生產(chǎn)的纖芯棒獲得的一致,預(yù)制棒的大小可達(dá)150mm。MCVD方法通常用于生產(chǎn)較小的預(yù)制棒(60到90mm),比VAD有較不嚴(yán)格的水峰值指標(biāo)。這種商業(yè)化的實(shí)地應(yīng)用,是因?yàn)閂AD或OVD沉積的纖芯材料,由于燒縮前微粉的脫水,常常本性上更加干燥([OH]<1ppb)。第二個(gè)成因是,用VAD或OVD能制作有大D/d比值的大的纖芯體;這意味著在大的纖芯體中(大大地大于90mm),第一外包層界面能夠遠(yuǎn)離纖芯(即低的光功率)。除非預(yù)制棒的尺寸小(<70mm),否則MCVD處理過程通常生產(chǎn)較低的D/d比值,使它在大預(yù)制棒中更難獲得經(jīng)濟(jì)的、低或零水峰光纖。
商業(yè)化生產(chǎn)的光纖,在1550nm有近似17到20ps/nm/km的色散,而零色散在1310nm波長(zhǎng)附近,這種光纖一般能夠分成兩類有石英包層的Ge摻雜纖芯與有F摻雜包層的石英纖芯光纖。在這兩類的任一類中,波導(dǎo)總的相對(duì)Δ,接近0.35%。前一類光纖一般亦稱匹配包層或標(biāo)準(zhǔn)單模光纖,并有量級(jí)為0.185到0.195dB/km的光損耗。后一類光纖亦稱純石英纖芯光纖,并因純的比摻雜的石英有更低的Rayleigh散射,所以有非常低的接近0.168dB/km的商品化光學(xué)損耗值。
雖然已經(jīng)表明,石英纖芯光纖有優(yōu)良的損耗特征,但遺憾的是,要獲得這種水平的性能,要求拉制速度比匹配包層光纖慢5到10倍。對(duì)拉制速度的這種限制,影響制造廠的生產(chǎn)能力和生產(chǎn)量,使石英纖芯光纖的制造更為昂貴。這一點(diǎn)已經(jīng)在實(shí)際上阻止它廣泛的商業(yè)化采用,使它處于適量生產(chǎn)的狀態(tài),供海底或長(zhǎng)距離無中繼的單跨接應(yīng)用。
下面將要討論本發(fā)明的一類折射率分布,該折射率分布針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)兩個(gè)受限制的方面。在現(xiàn)有技術(shù)中,要么1),光纖損耗更低的極限,如同常規(guī)Ge摻雜的SSMF那樣,由重Ge摻雜纖芯的附加的Rayleigh散射水平確定,要么2),如同純石英纖芯光纖那樣,該種光纖的實(shí)際應(yīng)用范圍,受與非常低速度的光纖拉制必然的特別成本限制。當(dāng)前公開的一類折射率分布,提供一種獲得損耗值接近純石英光纖的手段,同時(shí)保持以標(biāo)準(zhǔn)單模光纖的正常速度拉制這些光纖的能力。此外,本文公開的混合VAD-MCVD處理過程,是制造該類折射率分布的優(yōu)選方法。
現(xiàn)在參考圖1,圖上畫出有摻雜區(qū)12-16的光纖預(yù)制棒11的截面。這些區(qū)代表在各自的層中5種不同的折射率,這些層從光纖中心沿徑向伸延。該種分布以上面討論的復(fù)雜的折射率分布為代表。區(qū)13和10代表純石英折射率,而區(qū)14和15是下?lián)诫s(down-doped)的。
光纖的纖芯區(qū)12有較重的摻雜,典型的是用GeO2。第二纖芯區(qū)13是較輕的摻雜區(qū),且在優(yōu)選的例子中,是本征的。(在這里的討論中,假定玻璃是石英基玻璃,術(shù)語“本征”是指無摻雜石英。)包層區(qū)14是凹陷(下?lián)诫s)區(qū)。包層區(qū)15是稍為不重的摻雜凹陷區(qū),而本實(shí)施例畫出的區(qū)16,是本征區(qū),但也可以是區(qū)15的伸延。
由于本分布中存在凹陷的折射率區(qū),制備光纖的整個(gè)預(yù)制棒的方法,通常選擇MCVD。這是因?yàn)?,在MCVD方法中,用氟摻雜凹陷區(qū)14是比較直接了當(dāng)?shù)摹7膿诫s通常是把微粉微粒暴露在SiF4(通過引入SiF4、SF6、C2F6等等,本領(lǐng)域是公知的)中獲得的。在樣能使氟擴(kuò)散進(jìn)多孔的玻璃結(jié)構(gòu)和擴(kuò)散進(jìn)微粒的表面。因?yàn)镸CVD微粉是以逐層的方式沉積并燒結(jié),所以F不會(huì)因擴(kuò)散而消失。因此,可以獲得相對(duì)高濃度的F摻雜以及對(duì)濃度分布的精確控制。關(guān)于氟摻雜更詳細(xì)的信息,請(qǐng)見共同待決的申請(qǐng),該申請(qǐng)的序列號(hào)是09/755,914,申請(qǐng)日期01/05/01。
這種處理過程可能與某些優(yōu)選的VAD處理過程不相容,特別是微粉沉積后在整個(gè)毛坯上采取的那些純化和固結(jié)步驟。因此,MCVD常常是制作分布中有凹陷折射率特性的優(yōu)先選擇。上述的分布對(duì)低色散斜率光纖和其他最新技術(shù)的光纖產(chǎn)品,是至關(guān)重要的。
雖然這些因素都指出,要使用全MCVD制作有凹陷折射率區(qū)的預(yù)制棒,但我們發(fā)現(xiàn),用VAD制作的預(yù)制棒和用MCVD制作的預(yù)制棒,OH污染本征濃度存在的重要差別,改變了上述結(jié)論。OH含量與相應(yīng)的傳輸或Raman泵浦頻帶中,特別是1460與1530nm間的S波長(zhǎng)頻帶中和在1385nm窗口中的損耗有關(guān)。GeO濃度和其他產(chǎn)生的缺陷的損耗,VAD材料比MCVD材料也可以更低。在兩種情形中,我們已經(jīng)從VAD制作的預(yù)制棒拉制的光纖中,測(cè)量到更佳的損耗結(jié)果。因此,我們已經(jīng)指出用VAD制作光纖預(yù)制棒纖芯區(qū),例如圖1的區(qū)12和13,和用MCVD制作包層區(qū)14和15的效果。
圖2畫出從圖1表示預(yù)制棒拉制的光纖的折射率分布21。請(qǐng)注意,圖1表示預(yù)制棒的設(shè)計(jì)分布(預(yù)制棒OD通常為63mm),而圖2中特定的分布是光纖的折射率分布。一般說,從預(yù)制棒生產(chǎn)的光纖,基本上復(fù)制預(yù)制棒的分布,只是有更小的尺寸。
圖2光纖是由圖1預(yù)制棒中的區(qū)12-16得到的,在圖2的頂部標(biāo)出區(qū)12-16。內(nèi)纖芯區(qū)12以Ge摻雜,在纖芯中心產(chǎn)生折射率Δ≈+0.002。Δ是偏離石英本征折射率的折射率。圖2中的坐標(biāo)以絕對(duì)折射率的差畫出,但常常以百分比表示,需要用100乘以圖示值。本領(lǐng)域熟練人員當(dāng)能識(shí)別,內(nèi)纖芯區(qū)12的折射率高度,與常規(guī)單模光纖比較是較低的,且能用小于2wt%的Ge獲得。在典型的單模纖芯中,纖芯中心的摻雜濃度為3.5wt%或更大。在本發(fā)明的光纖中,纖芯較低的摻雜濃度,降低了光纖中的光損耗。在本例中,內(nèi)纖芯的寬度接近4微米。在本例中,外纖芯區(qū)13是本征石英?;蛘?,外纖芯可以是輕摻雜的。例如,它可以用Ge摻雜到小于+0.001的標(biāo)稱濃度。在又一個(gè)另外的實(shí)施例中,它可以用氟稍稍下?lián)诫s。一個(gè)目的是生產(chǎn)有相對(duì)低摻雜的外纖芯層,從而得到非常低損耗的纖芯材料。從-0.001到+0.0005的Δ范圍是合適的。圖上畫出的外纖芯區(qū)寬度,與內(nèi)纖芯區(qū)寬度相同,即接近4微米。下一個(gè)區(qū)是凹陷折射率區(qū)14,折射率Δ約-0.002,寬度約8微米。該區(qū)用MCVD生產(chǎn)。該區(qū)的折射率作為半徑的函數(shù),通常是接近恒定的,但不要求平坦。凹陷折射率區(qū)一般包括用合適量的氟摻雜的SiO2,以獲得需要的折射率。在本例中,區(qū)15是用MCVD起始管形成的。該起始管稍稍下?lián)诫s到接近0.008的折射率。該區(qū)的寬度由起始管的厚度確定,接近16微米。圖2所示最后一層,是無摻雜區(qū)16。用無摻雜外包層管形成該層是方便的。但是,為降低光纖對(duì)彎曲損耗的敏感度,它可以改為包括與區(qū)15相同的稍稍下?lián)诫s的材料,但仍然保持本發(fā)明的低的損耗、高的拉制生產(chǎn)率特性。因?yàn)榛旧蠜]有光功率在該區(qū)傳播,所以該區(qū)的光傳輸性質(zhì)是較不重要的。
代表圖2例子光纖中光功率分布的光功率包絡(luò),以22表示。豎直尺度是任意的。光功率大部分在內(nèi)纖芯12的中心區(qū)中引導(dǎo),并呈基本的Gauss形狀,按指數(shù)下降通過內(nèi)纖芯外部和通過外纖芯。在纖芯和凹陷包層區(qū)14之間的界面,功率衰減到低的值。本發(fā)明的一個(gè)目的,是把整個(gè)功率包絡(luò)基本上限制于低損耗的VAD和MCVD區(qū)。在MCVD起始管開始的界面,即區(qū)14與15間的界面,基本上沒有光功率。因此,區(qū)15的光損耗及其他的光特征,不如那些基本包含整個(gè)標(biāo)稱功率包絡(luò)的內(nèi)層那樣重要。在某些情形下,例如當(dāng)光纖被彎曲時(shí),外面的區(qū)起作用,并幫助防止損耗。因此,MCVD凹槽層14以外的區(qū)的設(shè)計(jì),可以比圖示那些設(shè)計(jì),有不同的組分和性質(zhì)。例如,區(qū)16可以是下?lián)诫s的,以控制彎曲損耗。或者,MCVD起始管可以摻雜到與區(qū)14相當(dāng)濃度。其他區(qū)可以包括例如上摻雜材料的一個(gè)或多個(gè)環(huán)形區(qū)。
現(xiàn)在回頭參考圖2中的功率包絡(luò)22,該光纖有關(guān)性質(zhì)的測(cè)量值,在下表給出。功率包絡(luò)的這些數(shù)據(jù),是在1550nm上測(cè)量的。
表1
在1385nm上功率包絡(luò)的測(cè)量,得到的纖芯功率容量值為97.8%,和MCVD層功率包絡(luò)接近2.2%。眾所周知,光功率在整個(gè)結(jié)構(gòu)中是指數(shù)下降的,所以包含在VAD/MCVD組合區(qū)中的功率包絡(luò),將不會(huì)是100%,但對(duì)本發(fā)明的設(shè)計(jì),至少應(yīng)是99%。
對(duì)有下表說明的結(jié)構(gòu)的光纖,本發(fā)明的目的一般都能滿足表2
在優(yōu)選實(shí)施例中,組合的內(nèi)纖芯和外纖芯半徑,等于5-12微米。
具有這些一般設(shè)計(jì)分布的特性是,除了把基本上所有功率包絡(luò)限制于VAD/MCVD區(qū)外,主要份額,即>90%,最好>96%,包含在VAD區(qū)內(nèi),在該VAD區(qū)中,OH含量和可能的OH界面污染,兩者都是小的。本征石英的使用,對(duì)設(shè)計(jì)的整個(gè)有效性有顯著貢獻(xiàn),因?yàn)槔w芯的基本部分,在理論上有優(yōu)化的低損耗和能傳送光功率的主要份額。
由VAD纖芯棒和MCVD包層管制成的預(yù)制棒,可以用管內(nèi)棒方法組裝。典型的管內(nèi)棒方法結(jié)合圖3和4說明。應(yīng)當(dāng)指出,所指的圖不一定按比例畫出。表示實(shí)際商品化使用尺寸特征的包層管,有代表性的10-15的長(zhǎng)度對(duì)直徑比值。畫出的纖芯棒32,是插入包層管31中的。管31可以代表單根管或幾根同心的管。此時(shí)的棒通常已經(jīng)固結(jié)。棒可以是已經(jīng)固結(jié)的或仍然是多孔的。正常情況下,纖芯棒的構(gòu)成有若干常見的選擇。它可以僅是中心纖芯,它也可以包括一層或多層另外的層。本發(fā)明的主要實(shí)施例中,在纖芯棒用VAD制作的情形下,纖芯包括層12和13。以非常高質(zhì)量的玻璃形成技術(shù)制作的包層管,可以用作層14。但是,有鑒于可在市場(chǎng)上購(gòu)到的超高純管,有受限制的可用性,層14最好用MCVD生產(chǎn)。下?lián)诫s的層14,由襯底管15內(nèi)表面上的下?lián)诫s的MCVD層形成。
現(xiàn)在參考圖4,在棒32和管31組裝之后,通過收縮把它們組合,生產(chǎn)最后的預(yù)制棒,在最后的預(yù)制棒上,棒的外表面和管的內(nèi)表面之間的界面,基本上是不能察覺的。這一步驟可以在拉制處理過程之前或之中進(jìn)行。
對(duì)添加的包層的操作,例如對(duì)生產(chǎn)層16而添加的包層管,可以基本上遵從與剛說明的管內(nèi)棒方法相同的過程?;蛘?,可以通過使外包層管、MCVD管、及纖芯棒,在一次操作中收縮,完成該預(yù)制棒的組裝。
然后,如上所述,是用光纖預(yù)制棒拉制光纖。圖5畫出的光纖拉制設(shè)備,有預(yù)制棒51和代表加熱爐(未畫出)的接受器52,后者用于使玻璃預(yù)制棒軟化并開始光纖的拉制。已拉制的光纖在53畫出。然后,使初生的光纖表面通過一般以54表示的涂覆杯,涂覆杯有室55,內(nèi)含要涂覆的預(yù)聚合物56。被液體涂覆的光纖,通過模具61從涂覆室離開。模具61與預(yù)聚合物的流體動(dòng)力學(xué)組合,控制涂層的厚度。然后,被預(yù)聚合物涂覆的光纖62暴露在UV燈63下,使預(yù)聚合物固化并完成涂覆的處理過程。只要合適,也可以用其他的固化輻射。然后,涂層已經(jīng)固化的光纖,用卷線盤64卷取。卷線盤控制光纖的拉制速度。通常用1-30m/sec范圍的拉制速度。重要的是,光纖應(yīng)在涂覆杯的中心,特別是在出口模具61的中心,以保持光纖與涂層的同心度。市場(chǎng)上的設(shè)備通常有控制光纖對(duì)準(zhǔn)的滑輪。模具自身中的水動(dòng)壓力,可以幫助光纖的對(duì)心。由微步分度器(micro-step indexer)(未畫出)控制的步進(jìn)電機(jī),控制卷線盤。
光纖的涂覆材料,通常是氨基甲酸乙酯、丙烯酸酯、或氨基甲酸乙酯-丙烯酸酯,有添加的UV光引發(fā)劑。圖5的設(shè)備畫出單個(gè)涂覆杯,但常常使用有兩個(gè)涂覆杯的雙涂覆設(shè)備。在雙涂覆光纖中,典型的最初的或內(nèi)涂層材料,是軟的、低模量材料,諸如硅酮、熱熔石蠟、或其他許多有相對(duì)低模量的聚合物材料。第二或外涂層常用的材料,是高模量聚合物,典型的是氨基甲酸乙酯或丙烯酸酯。在商業(yè)化的實(shí)地應(yīng)用中,兩種材料可以是低和高模量的丙烯酸酯。沿直徑的涂層厚度,通常在150-300μm范圍,以接近245μm為標(biāo)準(zhǔn)。
本發(fā)明的積極作用,表現(xiàn)在已知光纖損耗的機(jī)制方面。制造和設(shè)計(jì)基于石英的光纖的目前技術(shù)水平,已經(jīng)推進(jìn)到這樣的地步,使在1550nm區(qū)中,來自例如OH或微量(trace)金屬污染、或玻璃結(jié)構(gòu)中存在的電子缺陷等的吸收作用,或來自例如彎曲損耗的波導(dǎo)作用,這些作用產(chǎn)生的附加的損耗,已經(jīng)基本上被消除。因此,先進(jìn)技術(shù)的光纖的更低損耗極限,由純石英的Rayleigh散射損耗決定。使折射率變化以形成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的摻雜物,如典型的Ge或F的存在,其不利的作用,是使被摻雜玻璃的Rayleigh散射損耗,附加在純石英的Rayleigh散射損耗之上。Ohashi(“Optical Loss Property of Silica-BasedSingle-Mode Fibers”,JLT Vol 10,No.5 May 1992)確定,Ge摻雜的石英光纖的Rayleigh散射系數(shù)是AGe=A0(1+0.44*ΔGe),
而對(duì)F摻雜的石英光纖的Rayleigh散射系數(shù)是AF=A0(1+0.41*ΔF),這里A0是無摻雜石英的Rayleigh散射系數(shù),ΔGe和ΔF分別是與Ge及F摻雜關(guān)聯(lián)的歸一化折射率的差。這些公式清楚表明,以鍺和氟摻雜的石英,相對(duì)于純石英有升高的Rayleigh散射系數(shù),導(dǎo)致附加的散射損耗。本文公開的折射率分布種類,是在傳播光功率絕大部分的光纖區(qū)中的設(shè)計(jì),與匹配包層光纖的設(shè)計(jì)相比,有降低濃度的鍺和氟摻雜,從而通過降低Rayleigh散射系數(shù),提供一種降低光纖損耗的手段。
為定量表示附加Rayleigh散射損耗對(duì)光纖損耗的作用,該額外Rayleigh散射損耗是波導(dǎo)摻雜區(qū)的Rayleigh散射損耗,超出本征石英Rayleigh散射損耗的部分,為此,我們把額外散射損耗的度量,定義為光纖截面上被光功率密度加權(quán)的Ge及F摻雜濃度的積分。
這里Ge(r)和F(r)是作為徑向位置r函數(shù)的Ge和F摻雜濃度,以重量百分比為單位,E(r)是電場(chǎng),它作為基模的r的函數(shù)。
圖6按無色散位移光纖對(duì)額外散射損耗度量,畫出各種大的有效面積上觀察到的損耗曲線。以61和62標(biāo)記的點(diǎn),分別代表市場(chǎng)上購(gòu)得的純石英纖芯光纖和Ge摻雜纖芯光纖的觀察結(jié)果。假定光纖損耗主要由Rayleigh散射支配,那么,在這兩例光纖值之間有額外散射損耗度量的光纖,其光纖損耗近似落在沿連接該兩點(diǎn)的線65上。以63和64標(biāo)記的點(diǎn),代表本發(fā)明兩例光纖的結(jié)果。這兩例光纖的額外散射損耗度量值,稍稍小于2.0,而測(cè)量的損耗值約為0.180dB/km。本發(fā)明具有圖2所示折射率分布的優(yōu)選實(shí)施例,其額外散射損耗度量值約1.0和期望的光纖損耗為0.174dB/km。本發(fā)明的功率加權(quán)摻雜濃度的積分值范圍,通常落在約1到2的范圍內(nèi)。
圖7畫出圖6中點(diǎn)63代表用18m/s牽引速度拉制的光纖的衰減譜。該光纖在1550nm和1385nm上的衰減,是0.180和0.284dB/km,表明優(yōu)良的低損耗性能。
另一根光纖的損耗性能涉及光纖折射率分布設(shè)計(jì)的問題,而光纖制造方法在于使光纖滿足零水峰(Zero Water Peak,ZWP)特性。ZWP特性要求,在圍繞1385nm波長(zhǎng)區(qū)的OH吸收峰上,有非常低的初始損耗,并在光纖工作的使用期內(nèi)把它暴露在分子氫中,能有非常低的穩(wěn)定的長(zhǎng)期老化損耗。
提供ZWP特性的一個(gè)重要方面,是VAD沉積過程形成的內(nèi)和外纖芯區(qū),有極其“干燥”的性質(zhì)(通常<0.5ppb[OH])。在本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中,通常>95%的光功率在光纖的VAD形成區(qū)內(nèi)傳播。提供ZWP特性的再一個(gè)重要方面,是與外纖芯區(qū)比鄰的凹陷折射率區(qū)非常干燥的本質(zhì)。用標(biāo)準(zhǔn)的MCVD處理可獲得的干燥度,[OH]濃度通常<3.0ppb,這樣的[OH]濃度為該區(qū)提供充足的性能,因?yàn)橥ǔV挥泻苄“俜直鹊墓β试谠搮^(qū)內(nèi)傳播??梢灶A(yù)見,通過用超高純的、[OH]污染濃度與MCVD處理形成的材料相當(dāng)?shù)腇摻雜管,形成與纖芯棒相鄰的整個(gè)凹陷折射率凹槽區(qū),可以實(shí)現(xiàn)這些有ZWP特性的光纖設(shè)計(jì)。但是,因?yàn)槭袌?chǎng)上可購(gòu)得的用合成石英管材的目前技術(shù)水平,[OH]污染濃度約為200ppb,所以這些管目前市場(chǎng)上不能購(gòu)到。本發(fā)明在ZWP性能方面的另一個(gè)貢獻(xiàn)是,大于99%的功率在VAD、MCVD或超高純管材形成的區(qū)內(nèi)傳播。本發(fā)明在這方面的第四個(gè)貢獻(xiàn)是,環(huán)繞VAD纖芯棒與第一包層管之間界面1微米厚的區(qū)內(nèi),包含的光功率百分比小于約2%,最好小于0.5%。最好是,在外包層及外包層步驟之前,纖芯棒的處理,要與環(huán)繞該界面的1微米區(qū)上的處理一致,就是說,保持平均[OH]污染在20ppb或更小。這一要求可能需要下面的技術(shù),諸如加熱爐在干燥環(huán)境中持續(xù)一段時(shí)間、棒和管表面在外包層前進(jìn)行等離子體和/或化學(xué)蝕刻、和外包層過程中在界面空隙采用諸如氯干燥劑來維持干燥環(huán)境。圖8表明在1385nm上對(duì)額外損耗的計(jì)算結(jié)果,該額外損耗是因界面區(qū)的OH污染產(chǎn)生的,并作為圍繞界面1μm厚的環(huán)中傳播的功率百分比的函數(shù)。兩條曲線表明,當(dāng)使用上述干燥的外包層處理,又當(dāng)使用更有代表性的外包層處理時(shí),在典型的OH污染濃度上觀察到的額外損耗。要有良好的ZWP性質(zhì),優(yōu)先使用干燥處理技術(shù),并當(dāng)適當(dāng)?shù)貙?shí)施時(shí),將得到小于約2%的“界面”功率。
本文公開的本發(fā)明,使級(jí)別最好的標(biāo)準(zhǔn)匹配包層光纖的損耗,從0.185降低到~0.175dB,這一點(diǎn)表示,100km的陸上系統(tǒng),跨距損耗降低1dB,而50-70km的海底系統(tǒng),跨距損耗降低~0.5到0.7dB。陸上系統(tǒng)中的這一1dB,表示可以用增加的dB余額延伸總的系統(tǒng)長(zhǎng)度,或降低其他部件的費(fèi)用或指標(biāo)。零(可忽略的)水峰損耗擴(kuò)展了置于1385nm附近的Raman泵浦的能力,而低Rayleigh散射損耗與低水峰的組合,可使Raman泵浦在從1350到1450nm的整個(gè)區(qū)上更有效。在海底的情形,增加的0.5到0.7dB,可以用于延伸極其昂貴的深海中繼器之間的距離,從而降低跨接給定系統(tǒng)長(zhǎng)度需要的中繼器總數(shù)。這一點(diǎn)表明極大地節(jié)省了費(fèi)用。
按照本發(fā)明的光纖,可以結(jié)合色散補(bǔ)償組件使用,色散補(bǔ)償組件以負(fù)色散光纖或高階模光纖為基礎(chǔ)。按照本發(fā)明的光纖還可以配置成色散管理跨距單元,在該單元中,具有正色散(如本發(fā)明)的成纜光纖與具有負(fù)色散及負(fù)色散斜率的成纜光纖配成對(duì)。色散管理跨距的設(shè)計(jì),通常把一段有大有效面積的正色散光纖,緊接發(fā)射器之后放置,使當(dāng)入射功率為最大時(shí)的非線性最小。一段較小有效面積的負(fù)色散光纖,在光功率已經(jīng)被正色散光纖中的光損耗衰減之后,接續(xù)進(jìn)跨距內(nèi),以便使非線性最小。對(duì)Raman放大系統(tǒng),順序可以修改為一段大有效面積的正色散光纖;接著是一段較小有效面積的負(fù)色散光纖;接著是第二段大有效面積的正色散光纖。
在偏僻地區(qū),諸如邊境或島嶼之間,常常需要無中繼(無放大)的系統(tǒng)。在這些系統(tǒng)中,高的入射功率與分布Raman放大的組合,有助于不用一個(gè)一列式的光放大器,實(shí)現(xiàn)200-300km的傳輸。這種系統(tǒng)的傳輸波長(zhǎng),應(yīng)接近光纖的損耗極小,通常在1570到1580nm。本文公開的這類光纖,有降低的信號(hào)頻帶衰減,比純石英纖芯光纖制造更為經(jīng)濟(jì)。它有可忽略的水峰損耗,能在~1375nm上安排效果良好的二階Raman泵浦,該波長(zhǎng)極其接近水峰。它還能有大于100平方微米的有效面積,可以緩解與更高入射功率關(guān)聯(lián)的非線性。
本文公開的新的一類光纖,對(duì)正在浮現(xiàn)的一類10Gbps(和更快)傳輸系統(tǒng),也是理想的,這類10Gbps傳輸系統(tǒng)將利用信號(hào)處理的一些形式,減輕由于色散產(chǎn)生的符號(hào)間干擾。在這些系統(tǒng)中,光學(xué)色散的補(bǔ)償,要么在發(fā)射器上用預(yù)加重補(bǔ)充,要么在發(fā)射器上用預(yù)加重全部更換,和/或在接收器上均衡,所有信號(hào)處理都在電域中完成。這些電子色散減輕方案,對(duì)線性的、確定性的減損,有最佳的響應(yīng)。在本范例中,傳輸系統(tǒng)的性能和費(fèi)用,將極小依賴于色散減損的減輕,但更多依賴于降低衰減損耗和非線性。本文公開的一類光纖,例如有效面積為110μm2和信號(hào)頻帶損耗為0.175dB/km的光纖,當(dāng)與該類系統(tǒng)一起使用時(shí),能夠計(jì)算出比標(biāo)準(zhǔn)匹配包層光纖有2dB的性能改進(jìn)。
本發(fā)明各種另外的修變化,將出現(xiàn)在本領(lǐng)域熟練人員面前。通過本說明書的具體教導(dǎo),本領(lǐng)域技術(shù)已經(jīng)得到推進(jìn),所有偏離本說明書具體教導(dǎo),但基本上依靠本說明書具體教導(dǎo)的原理和它們的等價(jià)敘述,都應(yīng)恰當(dāng)?shù)卣J(rèn)為在已經(jīng)說明和要求的本發(fā)明范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種制作光纖的方法,包括(a)制備光纖預(yù)制棒,(b)把預(yù)制棒加熱到軟化溫度,和(c)從預(yù)制棒拉制光纖,本發(fā)明的特征在于,該預(yù)制棒包括Δ>0.001的內(nèi)纖芯區(qū),Δ從-0.001到0.0005的外纖芯區(qū),Δ<-0.001的第一包層區(qū),本發(fā)明再有的特征在于,內(nèi)纖芯區(qū)和外纖芯區(qū)是用VAD或OVD形成的。
2.按照權(quán)利要求1的方法,其中的第一包層區(qū)是用MCVD形成的。
3.按照權(quán)利要求1的方法,其中的第一包層區(qū)是用羥基濃度小于約50ppb的高純管形成的。
4.按照權(quán)利要求1的方法,其中預(yù)制棒的生產(chǎn),是通過i.形成纖芯棒,該纖芯棒包括內(nèi)纖芯區(qū)和外纖芯區(qū),ii.把該纖芯棒插入管中,該管包括第一包層區(qū),和iii.使該管包圍纖芯棒縮管。
5.按照權(quán)利要求4的方法,其中的纖芯棒,是通過在爐中加熱纖芯體,把纖芯棒拉伸/拉長(zhǎng)而生產(chǎn)的。
6.按照權(quán)利要求4的方法,其中的纖芯棒,是用等離子體蝕刻,清除被拉伸/拉長(zhǎng)的纖芯棒的外表面,到達(dá)至少0.15mm的深度而生產(chǎn)的。
7.按照權(quán)利要求4的方法,其中的纖芯棒,是用酸蝕刻,清除被拉伸/拉長(zhǎng)、被等離子體蝕刻的纖芯棒的外表面,到達(dá)至少30μm的深度而生產(chǎn)的。
8.按照權(quán)利要求4的方法,其中,在纖芯棒插入管之后,但在縮管之前,在有干燥劑和氟源的環(huán)境中,通過加熱纖芯棒和管的組合,使纖芯棒干燥和被蝕刻。
9.按照權(quán)利要求8的方法,其中的干燥劑選自包括氯氣或CCl4的一組干燥劑,而氟源選自包括SiF4、SF6、和C2F6的一組氟源。
10.按照權(quán)利要求1的方法,其中在1383nm上的光纖衰減,小于0.4dB/km。
11.按照權(quán)利要求10的方法,其中在1383nm上的光纖衰減,小于0.35dB/km。
12.按照權(quán)利要求11的方法,其中在1383nm上的光纖衰減,小于0.31dB/km。
13.按照權(quán)利要求4的方法,其中,在中心是關(guān)于纖芯棒與管的界面半徑的1μm厚的環(huán)形區(qū)內(nèi),平均羥基的濃度,小于約25ppb。
14.一種通過光纖發(fā)送光信號(hào)的方法,該光信號(hào)有接近Gauss形狀的功率包絡(luò),該光纖包括Δ>0.001的內(nèi)纖芯區(qū),Δ從-0.001到0.0005的外纖芯區(qū),Δ<-0.001的第一包層區(qū),其中的功率包絡(luò)按如下分布內(nèi)纖芯50-80%外纖芯20-40%第一包層 >5%。
15.按照權(quán)利要求14的方法,其中外纖芯區(qū)的折射率,如果不計(jì)VAD或OVD微粉處理自然出現(xiàn)的鍺擴(kuò)散尾的話,基本上等于無摻雜石英的折射率。
16.一種光纖,包括Δ>0.001的內(nèi)纖芯區(qū),Δ從-0.001到0.0005的外纖芯區(qū),Δ<-0.001的第一包層區(qū)。
17.按照權(quán)利要求16的光纖,其中1550nm的衰減,小于0.180dB/km。
18.按照權(quán)利要求17的光纖,其中1550nm的衰減,小于0.175dB/km。
19.按照權(quán)利要求16的光纖,其中1383nm的衰減,小于0.31dB/km。
20.按照權(quán)利要求16的光纖,其中在1550nm上的Aeff,約80μm2。
21.按照權(quán)利要求20的光纖,其中光纜的截止波長(zhǎng),小于1260nm。
22.按照權(quán)利要求16的光纖,其中在1550nm上的Aeff>100μm2。
23.按照權(quán)利要求22的光纖,其中光纜的截止波長(zhǎng),小于約1530nm。
24.按照權(quán)利要求23的光纖,其中20mm直徑的宏彎曲損耗,小于2dB/m。
25.按照權(quán)利要求20的光纖,其中的外包層是氟摻雜的。
26.按照權(quán)利要求16的光纖,其中的內(nèi)纖芯區(qū)半徑為2-8微米。
27.按照權(quán)利要求26的光纖,其中的外纖芯區(qū)半徑為3-10微米。
28.按照權(quán)利要求16的光纖,其中的第一包層半徑為5-25微米。
29.按照權(quán)利要求16的光纖,其中的內(nèi)纖芯區(qū)和外纖芯區(qū)的組合半徑為5-12微米。
30.一種有VAD纖芯和MCVD包層的光纖預(yù)制棒,該MCVD包層至少有一個(gè)凹陷折射率區(qū)。
31.按照權(quán)利要求17的光纖,其中,該光纖是以約15m/s或更高的速度拉制的。
32.按照權(quán)利要求16的光纖,其中的功率加權(quán)Ge和F濃度之和,在約1.0到2.0wt%的范圍內(nèi)。
全文摘要
本說明書說明一種借助混合VAD/MCVD處理過程生產(chǎn)的改進(jìn)的光纖。光纖的纖芯用VAD生產(chǎn),而內(nèi)包層有凹陷的折射率并用MCVD生產(chǎn)。在優(yōu)選的實(shí)施例中,光功率包絡(luò)基本上全部包含在VAD生產(chǎn)的纖芯材料和MCVD生產(chǎn)的凹陷折射率包層材料中。借助把絕大部分光功率限制在低OH的VAD纖芯,以及借助使無摻雜石英區(qū)中的光功率最大化,使光損耗達(dá)到最小。MCVD襯底管材料中基本上沒有光功率。
文檔編號(hào)C03B37/018GK1891649SQ20061007169
公開日2007年1月10日 申請(qǐng)日期2006年3月28日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月29日
發(fā)明者蘭斯·吉布森, 大衛(wèi)·貝克翰姆, 小羅伯特·林格爾 申請(qǐng)人:古河電子北美公司