專利名稱：光纖預(yù)制棒的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及了一種用作光纖坯料預(yù)制棒的制備方法。更為準(zhǔn)確地講，本發(fā)明涉及對光纖預(yù)制棒制備方法的改進(jìn)，經(jīng)拉伸操作可以從該預(yù)制棒獲得一種在縱向上具有極為均勻色散特性的石英玻璃光纖。
眾所周知，石英玻璃單模光纖被用于遠(yuǎn)距離通信系統(tǒng)，并通常用1550nm波段的光波為工作波長，這是因為在1550nm波長的附近，石英玻璃光纖的損耗最小。當(dāng)石英玻璃光纖被用于采取1550nm波段光波的大容量通信系統(tǒng)時，就需要它們在1550nm波段的某一波長點處有最小的色散。
單模光纖的色散值由材料色散與結(jié)構(gòu)色散之和來表示，結(jié)構(gòu)色散主要取決于折射率的分布形態(tài)，如光纖的相對折射率差和光纖芯直徑，但是材料色散與這沒有什么聯(lián)系。從此角度出發(fā)，一種所謂色散偏移光纖被提出來，它是一種具有偏移到1550nm波段內(nèi)的零色散波長(即色散值為零的波長)的光纖。
對于色散偏移光纖而言，日本專利公開3-18161公開了一種階躍型色散偏移光纖，它是一種在1.5nm波段內(nèi)有零色散的光纖;且它包括中心芯，環(huán)繞在中心芯上且其折射率比中心芯折射率低的外芯和一個有更低折射率的環(huán)繞于外芯上的色層;該光纖的折射率有一個0＜P1＜1，0＜P2＜1和△1＞0.001的階躍型的橫截分布形態(tài)，中心芯與色層之間相對折射率差△1等于(n21-n22)/2n21，n1中心芯折射率的最大值，而n2是色層的折射率，外芯與色層之間的相對折射率差△2等于(n23-n22)/2n23，n3是外芯折射率的最大值，中心芯的直徑為a1，外芯的直徑為a2，P1＝△1/△2和P2＝a1/a2。當(dāng)參數(shù)P1、P2和△1具有滿足上述所給各不等式的值時，材料色散和結(jié)構(gòu)色散據(jù)說可以相互抵削，以給出光纖的零色散。
附圖中的圖9表示了上述階躍型色散偏移光纖徑向截面內(nèi)折射率的分布形態(tài)，其中中心芯11有折射率n1，相對折射率△1和直徑a1;外芯12有折射率n2，相對折射率△2和直徑a2且色層13有折射率n0和直徑D，并滿足n1＞n2＞n和a1＜a2＜D通過適當(dāng)?shù)剡x擇這些參數(shù)值，能夠得到任意所需要的階躍型色散偏移光纖的色散特性。
上述階躍型色散偏移光纖一般是用

圖10所示的所謂VAD法制備的，其中的石英玻璃多孔預(yù)制棒包含與中心芯、外芯對應(yīng)的部分和色層部分，它們是利用氧焰噴燈，再對多孔玻璃預(yù)制棒做玻璃化處理形成直徑為D1的透明初級預(yù)制棒;而后通過所謂外沉積法在初級預(yù)制棒上和周圍沉積一層有適當(dāng)厚度的多孔層，隨之第二次對附加多孔層做玻璃化處理形成透明石英玻璃層，給出一個有直徑D2的二次預(yù)制棒而形成的，如圖11所示，這個二次預(yù)制棒可以被拉制成具有與截止波長，模域直徑和零色散波長這些參數(shù)相關(guān)的所需特性的所需直徑階躍型色散偏移光纖。
光纖的所需零色散波長可通過下文所述的方式得到。于是，光纖的折射率分布形態(tài)被確定，且其結(jié)果被用來獲得初級預(yù)制棒直徑D1與二次預(yù)制棒直徑D2之間的比率關(guān)系K，即D1/D2，而且零色散波長入。以納米為單位。作為附加色層的多孔玻璃層的外沉積操作，一直到上述方法所確定的零色散波長與所需波長重合時才結(jié)束。
在實際情況中，問題沒這么簡單。比如，初級預(yù)制棒在縱向上是不均勻的，其中不可避免地要出現(xiàn)各種參數(shù)的明顯波動，使得既使在預(yù)制棒一定長度上平均起來或者在長度方向上某一點上述要求得到滿足，k的值也是不夠均勻的，而且沿著縱向有一個輕微的但不可乎略的波動。除了初級預(yù)制棒中的上述波動之外，通過玻璃化而形成色層的附加多孔玻璃層，相對于它的密度和厚度來講在縱向上也是不夠均勻的，致使k值在此方向上不均勻，由于上述無法控制的情況，二次預(yù)制棒的實際k值也是變化的，變化在縱向上有時有±0.01%或更大，以致零色散波長的變化在縱向上達(dá)到±10nm或更大。
當(dāng)然，在此之前已經(jīng)提出過多種對策試圖解決上述問題，包括在縱向上穩(wěn)定初級預(yù)制棒的外徑，改善用外沉積法附加沉積上的多孔色層厚度均勻性等等，但是沒有一種已有的方法能夠全部解決這些難題。
因此，針對現(xiàn)有技術(shù)的上述情況，本發(fā)明有一個目的，即提供一種新穎的、改進(jìn)的、克服現(xiàn)有方法中所存在的上述問題與缺點的制備石英玻璃光纖預(yù)制棒的方法。
于是，本發(fā)明提供的石英玻璃光纖預(yù)制棒制備方法包括在石英玻璃中心芯上和周圍形成一個石英玻璃外芯，外芯石英玻璃的折射率比中心芯石英玻璃的要小，從而得到一個有直徑D1的初級預(yù)制棒;在初級預(yù)制棒上和周圍形成一個石英玻璃色層，色層石英玻璃的折射率比外芯石英玻璃的要小，從而得到一個有直徑D2的二次預(yù)制棒;一種改進(jìn)，包括從滿足不等式｜dλ0/dk｜≤500nm的方式形成色層，這其中k是比值D1/D2，λ0是拉伸二次預(yù)制棒所得光纖零色散波長以納米為單位的數(shù)值，dλ0/dk是事先從初級預(yù)制棒折射率分布中確定的λ0對k的函數(shù)微分。
圖1是解釋本發(fā)明目的的曲線圖，表示了作為參數(shù)k函數(shù)的參數(shù)λ0和dλ0/dk。
圖2a，2b和2c分別表示參數(shù)λ0分別作為△1，△2和a1/a2參數(shù)函數(shù)的曲線圖。
圖3是表示△1＝0.91%且△2＝0.82%時，λ0作為k的函數(shù)的曲線圖。
圖4是表示參數(shù)λ0和dλ0/dk分別作為例1所制預(yù)制棒中k參數(shù)函數(shù)的曲線圖。
圖5是沿著拉伸例1預(yù)制棒所得光纖的長度λ0的分布圖。
圖6是表示λ0和dλ0/dk分別作為例2所制預(yù)制棒中k參數(shù)函數(shù)的曲線圖。
圖7是沿著拉伸例2預(yù)制棒所得光纖的長度λ0分布曲線圖。
圖8是表示沿著拉伸比較例預(yù)制棒所得光纖長度λ0分布的曲線圖。
圖9是現(xiàn)有預(yù)制棒在徑向截面內(nèi)折射率的分布形態(tài)。
圖10是表示制備光纖預(yù)制棒多孔體步驟的示意圖。
圖11是表示在端面附有折射率分布形態(tài)的現(xiàn)有光纖預(yù)制棒透視圖。
以上述說明可知，本發(fā)明涉及的是一種制備階躍型色散偏移光纖預(yù)制棒所用石英玻璃基質(zhì)預(yù)制棒的方法。本發(fā)明制備光纖預(yù)制棒的方法這樣來實現(xiàn)通過在石英玻璃中心芯上和周圍形成石英玻璃外芯，并在外芯上和周圍形成色層的一部分，以得出初級預(yù)制棒，外芯石英玻璃折射率小于中心芯的折射率，然后再在初級預(yù)制棒上和周圍形成一附加石英玻璃色層，色層石英玻璃折射率小于外芯的折射率，同時色層是按照滿足不等式｜dλ0/dk｜≤500nm受控方式形成的，其每個符號都有如前所定含意。這個特殊要求的原理可以參考圖1至圖3得到解釋。
在圖1中，參數(shù)λ0的值被表示為k值的函數(shù)。假設(shè)光纖在1550nm波長點工作，則二次預(yù)制棒通常通過朝著使k值落在k＝0.250的點A1或者k＝0.386的點A2的目標(biāo)進(jìn)行外沉積形成色層來制備，根據(jù)在前所述的日本專利公開3-18161，在超彎曲特征方面點A2優(yōu)于點A1。表示λ0隨k變化曲線梯度的dλ0/dk值，在點A1有1158.1nm大，而在點A2有-1090nm大，以值沿縱向k值的很小波動±0.01%都必會引起λ0值±10nm或更大的變化。
在圖1中，雙向箭頭B所表示的區(qū)段對應(yīng)于不等式｜dλ0/dk｜≤500nm。當(dāng)外沉積所形成的色層厚度落在此區(qū)段內(nèi)時，λ0的波動能夠為±5nm或更小，即使當(dāng)k的變化大到±1%或更大時，它也能保持在允許的范圍內(nèi)。當(dāng)光通信光纖所采用的光波長等于λ0，且外沉積的色層如上所述地形成，即最好滿足等式dλ0/dk＝0地形成時，則通過控制這種預(yù)制棒所得到的光纖會表現(xiàn)出極佳的性能。范圍B內(nèi)的λ0與光通信實際光波長之間的重合，可以通過適當(dāng)選擇參數(shù)△1，即中心芯相對折射率差，△2，即外芯相對折射率差，和a1/a2，即中心芯直徑與外芯直徑的比很容易地得到。下面是關(guān)于滿足這些要求方法的說明。
圖2a，2b和2c分別是通過在圖1所示例子基礎(chǔ)上評價dλ0/dk＝0點處△1，△2和a1/a2對零色散波長λ0＊的影響所得曲線圖。即λ0＊能夠通過適當(dāng)選擇參數(shù)△1，△2和a1/a2中的一個或多個值，很容易地改變。
圖3表示假設(shè)△2和a1/a2分別恒等于0.10%和0.21，而△1從0.91%變到0.82%時，λ0隨k變化曲線的移動。如向下的箭頭所示，λ0＊可以從△1＝0.91%的虛線所示λ0隨k變化特性曲線上的1590nm變到△1＝0.82%實線所示的λ0隨k變化特性曲線上的1555nm。當(dāng)k的目標(biāo)值被定在k＝0.340而dλ0/dk＝-417.6點以滿足｜dλ0/dk｜＝≤500nm的要求時，零色散波長恰好等于1550nm，這是一個光通信所用的光波長，既使當(dāng)沿著二次預(yù)制棒的縱向k的實際值波動為±0.01%時，λ0值也只有±4.2nm的很小變化。
以下將以實例和比較例的方式更詳細(xì)地說明本發(fā)明的改進(jìn)之處例1有受控折射率分布形態(tài)的初級預(yù)制棒，在圖3實線所示的假設(shè)計算結(jié)果基礎(chǔ)上制備。該預(yù)制棒參數(shù)△1，△2和a1/a2的實際值分別為0.82%、0.10%和0.21，它們從用預(yù)制棒分析器所確定的折射率分布形態(tài)中得出，與各自的目標(biāo)值吻合得很好。圖4是表示λ0和dλ0/dk分別作為k的函數(shù)的曲線圖，在其中λ0在k＝0.299而dλ0/dk＝+338或k＝0.335或而dλ0/dk＝-329點可以為1550nm。在考慮彎曲特性的情況下，選擇k＝0.335的值作為外沉積的目標(biāo)值來制備色層。
在二次預(yù)制棒的整體之中參數(shù)k的平均值恰為0.335，與從這個制成的二次預(yù)制棒相對初級預(yù)制棒增加的重量中算出的一樣。
這個所得的預(yù)制棒可被拉伸，得出沿縱向零色散波長λ0在整個長度上被確定的光纖，從而得出如圖5所示結(jié)果，它表示了沿光纖縱向λ0分布的曲線圖。λ0的變化很小，最大值和最小值分別為1552.1nm和1547.5nm。
例2在圖1所示例子的基礎(chǔ)上，折射率分布形態(tài)的參數(shù)△2和a1/a2分別選為0.14%和0.22，△1值為0.91%不變。用這些目標(biāo)值制備出的預(yù)制棒其參數(shù)△1，△2和a1/a2的實際值分別是0.91%，0.14%和0.22，與從用預(yù)制棒分析器確定的折射率分布形態(tài)中算出的目標(biāo)值很好地吻合了。圖6是表示λ0和dλ0/dk分別作為k函數(shù)的曲線圖，其中λ0的值在k＝0.337而dλ0/dk＝0處可以為1550nm，因此該k值在色層的外沉積過程中被作為目標(biāo)值。
如從完成后的二次預(yù)制棒超過初級預(yù)制棒的重量中算出的一樣，參數(shù)k在二次預(yù)制棒全長上的平均值為0.235。
此所得預(yù)制棒被拉伸，得出沿縱向零色散波長λ0在整個長度上都被確定的光纖，從而得出圖7的結(jié)果，它表示了沿光纖縱向λ0分布的曲線圖。λ0的變化很小，最大值和最小值分別為1550.2nm和1548.8nm。
比較例用圖1所示折射率分布形態(tài)中參數(shù)的相同目標(biāo)制備初級預(yù)制棒，即△1＝0.91%，△2＝0.10%和a1/a2＝0.21。折射率的分布形態(tài)在制備時被確定在預(yù)制棒內(nèi)，而λ0和dλ0/dk是從中計算出來的，并給出圖1所示的結(jié)果，即每個k的函數(shù)，從函數(shù)中看出λ0的值在k＝0.250而dλ0/dk＝1158.07處，或者k＝0.386而dλ0/dk＝-1090.8處可以為1550nm?？紤]到彎曲特性，選擇k＝0.386的值作為色層外沉積的目標(biāo)值。
實際制備好的預(yù)制棒被拉伸，得出沿縱向零色散波長λ0在整個長度上都被確定的光纖。從而得到圖8所示的結(jié)果，此圖表示沿光纖縱向λ0的分布曲線圖。λ0的變化比較大，最大值和最小值分別為1561.4nm和1543.1nm。
權(quán)利要求
1.在制備石英玻璃光纖預(yù)制棒的方法中，包括如下步驟在石英玻璃中心芯上和周圍形成一石英玻璃外芯，該外芯石英玻璃的折射率比中心芯石英玻璃的小，從而得出有直徑D1的初級預(yù)制棒；在初級預(yù)制棒上和周圍形成一石英玻璃色層，色層石英玻璃的折射率比外芯石英玻璃的要小，從而得到有直徑D2的二次預(yù)制棒；其改進(jìn)之處包括以滿足不等式。｜dλ0/dk｜=≤500nm的方式來形成色層，其中k是D1/D2的比值，而λ0是拉制二次預(yù)制棒所得光纖中以納米為單位的零色散波長，dλ0/dk是事先從初級預(yù)制棒射率分布中確定的λ0對k函數(shù)之微分。
全文摘要
一種對光纖坯料階躍型石英玻璃預(yù)制棒的制備方法進(jìn)行的改進(jìn)，通過在有中心芯和外芯的初級預(yù)制棒上和周圍進(jìn)行外沉積，形成二次預(yù)制棒的色層，以滿足不等式|dλ0/dk|≤500nm的方式進(jìn)行色層的外沉積，其中k是初級預(yù)制棒直徑與二次預(yù)制棒直徑的比值，而λ0是拉伸二次預(yù)制棒所得光纖的以納米為單位零色散波長，dλ0/dk是事先從初級預(yù)制棒折射率分布中確定的λ0對k的函數(shù)之微分。當(dāng)按此方式可改善光纖的零色散波長的均勻度。
文檔編號C03B37/014GK1108222SQ9411348
公開日1995年9月13日 申請日期1994年12月28日 優(yōu)先權(quán)日1993年12月28日
發(fā)明者小山田浩, 荻野剛, 平?jīng)g秀夫 申請人:信越化學(xué)工業(yè)株式會社