專利名稱：光學(xué)纖維預(yù)形體及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光學(xué)纖維預(yù)形體及其制造方法。
光學(xué)纖維一般是用二氧化硅制造的；其直徑是約125微米(μm)。
多模光學(xué)纖維的二氧化硅被摻雜。例如鍺在中心，即在縱軸上的摻雜量最高，所述摻雜量從中心到表面降低。這樣一來折射指數(shù)n在中心是最高的，其值是約1.48，在周邊是最低的，其值約1.45，這是純二氧化硅的折射指數(shù)。
這種纖維的性能取決于指數(shù)值和指數(shù)曲線的規(guī)律性。如果該折射指數(shù)曲線是有規(guī)律的，即如果折射指數(shù)從中心到周邊是連續(xù)地或準(zhǔn)連續(xù)地改變，和如果這種曲線的曲率選擇合理，則該通帶是高的。另外，這種通帶取決于折射指數(shù)曲線的縱向均勻性。與這些條件相比任何偏差，即如果折射指數(shù)的梯度具有不連續(xù)性和/或沿縱向方向是不均勻的，都可引起這種通帶的降低。最后，這種折射指數(shù)曲線的變動或波動可能較小地改變通帶。
為了制造具有令人滿意的折射指數(shù)梯度的光學(xué)纖維，以下述方式進(jìn)行操作由純的二氧化硅管開始，例如由外徑為28-36毫米、內(nèi)徑24-32毫米的二氧化硅管開始，在其內(nèi)壁上相繼沉積其摻雜從開始(直徑最大)增加到最后(直徑最小)的層。層數(shù)一般是幾十層。
所使用的方法是一種稱之MCVD的方法，即“改進(jìn)的化學(xué)蒸汽沉積法”為了沉積第一層，在二氧化硅管內(nèi)循環(huán)一種有氧或其他氧化劑的四氯化硅SiCl4流，加熱該二氧化硅管，優(yōu)選的是通過外部加熱二氧化硅管。加熱的長度相當(dāng)短；為了在最大部分二氧化硅管上生成這一層，讓這種加熱設(shè)備從管的進(jìn)口移動到管的出口。一般地，在實(shí)施該方法的過程中讓這種管沿其軸旋轉(zhuǎn)。
這種加熱導(dǎo)致氧化四氯化硅，因此生成了二氧化硅SiO2，放出氯。這種二氧化硅沉積在該二氧化硅管的內(nèi)壁上，構(gòu)成第一層。
以同樣的方式進(jìn)行后續(xù)的這些層，但是這些層使用的氣體還含有用于進(jìn)行摻雜的四氯化鍺。四氯化鍺的量從第二層到最后一層的變化方式導(dǎo)致達(dá)到每層所要求的摻雜，因此達(dá)到每層所要求的折射指數(shù)。
在最后一層沉積之后，還有一個由于主要是加熱該管的縮口操作而除去的軸向開口。這時得到一個實(shí)心圓柱體，其外徑為約2厘米、長度約1米。這種圓柱體即棒被稱作第一預(yù)形體。然后，一般地用二氧化硅包覆(或“再充填”)這種預(yù)形體，以便得到所要求的直徑，例如3-4厘米。
嚴(yán)格說來光學(xué)纖維是用這樣一些預(yù)形體采用拉制方法制造的。于是，長度約1米、外徑3厘米的預(yù)形體可提供約50千米直徑125微米的光學(xué)纖維。
上面已提到的預(yù)形體的制造方法例如在歐洲專利申請301797中已描述過。
人們知道，當(dāng)采用MCVD方法制造一種預(yù)形體時，大部分長度的預(yù)形體的折射指數(shù)曲線與其余部分長度的這種預(yù)形體的曲線是不同的。這種縱向不均勻性造成用這部分預(yù)形體制造的光學(xué)纖維的通帶降低。就余下的長度而言，折射指數(shù)曲線的不均勻性出現(xiàn)在加入氣體的一側(cè)，從進(jìn)口開始，即其上這些沉積物不足的第一部分之后。這第一部分的長度約十五厘米。第二部分具有的折射指數(shù)曲線的曲率是可變的，并且與預(yù)形體余下部分的相應(yīng)曲率不同，這第二部分例如在第一部分之后延伸約10-15厘米。就余下部分而言，第二部分的摻雜梯度不均勻性或折射指數(shù)不均勻性影響了由這部分預(yù)形體或由余下的預(yù)形體得到的光學(xué)纖維的通帶。簡言之，就余下的預(yù)形體來說，約15％預(yù)形體是無用的，至少同樣比例，甚至高得多的比例的這個長度具有折射指數(shù)曲線的不均勻性，這些值只是作為提示性給出的，無論如何人們都可看到，上面指出的不均勻性隨著沉積層的截面而增加。今天這種缺陷還特別不利，因?yàn)槿藗儗で螳@得越來越大直徑的預(yù)形體。
本發(fā)明的預(yù)形體的特征在于該預(yù)形體沒有具有不同通帶的第二長度。于是，這種預(yù)形體僅僅具有兩個部分，即無用的、沉積不足的進(jìn)口部分和管的其余部分，沿著這其余部分，折射指數(shù)徑向梯度從開始到另一端都是同樣的。
本發(fā)明還涉及這種預(yù)形體的生產(chǎn)方法。這種方法的特征在于對于每一層來說，選擇制造一些相繼層所使用氣體的加入速度，以便達(dá)到折射指數(shù)曲線的縱向均勻性。優(yōu)選地，這些層中的任何一層的這種速度不太改變，或基本上是不變的。
本發(fā)明從這種事實(shí)出發(fā)，在多模光學(xué)纖維預(yù)形體的已知制造方法中，在第一沉積層與最后沉積層之間，通入管中氣體的速度變化非常顯著，正是速度變化這樣大，才導(dǎo)致形成所述管的第二部分，這一部分折射指數(shù)曲線的曲率不同于管最后部分同樣曲線的曲率。
具有不同曲率的這一部分折射指數(shù)曲線的形成可作如下解釋沿著軸向以一定速度v往管中加入的這些氣體，僅僅從與該速度v和與暴露于氣體之中的壁的半徑直接相關(guān)的橫軸起在管內(nèi)壁上開始產(chǎn)生沉積。于是，當(dāng)沉積前面一些層時，這些層的速度v是最高的，在距管的進(jìn)口最遠(yuǎn)的距離開始沉積。對于最后一些層，氣體加入速度v是最小的，在距管進(jìn)口顯然較近的距離開始沉積。
另外，本發(fā)明中氣體加入速度v是可控制的，設(shè)想可以達(dá)到一些層的起始橫軸總是相同的。
不過，本發(fā)明并不限于這種解釋。一些層的起始橫軸總是同樣的不是必要的。
為了控制一些氣體的進(jìn)入速度，同時保持徑向折射指數(shù)曲線的縱向均勻性，在一種實(shí)施方式中，改變一層與另一層氧(或其他氧化劑)的流量。與已知的方法相反，沒有對氧流量進(jìn)行限定，如允許反應(yīng)的產(chǎn)率不變。
與現(xiàn)有的已知方法相比，這種氧流量的變化導(dǎo)致(為了保持所希望的曲線)使生成二氧化硅和鍺(摻雜產(chǎn)物)的一些氣體的流量發(fā)生改變成為必要條件，為了保持曲線的品質(zhì)也應(yīng)如此。但是試驗(yàn)表明這些生成二氧化硅和鍺的一些氣體的流量變化對一些氣體的速度影響相當(dāng)小，這使得對這種生產(chǎn)進(jìn)行控制相當(dāng)容易。
換句話說，盡管生成二氧化硅和鍺的一些氣體的流量以及一些層的參數(shù)應(yīng)該與這些氣體的加入速度v相關(guān)聯(lián)，但是不管怎樣都可以控制這種速度v，因?yàn)樯蓺怏w的流量變化僅僅對這些氣體的速度起二級作用。
通過一些實(shí)施方式的描述可體現(xiàn)出本發(fā)明的其他特征與優(yōu)點(diǎn)，參照下面的附圖進(jìn)行了這種描述，其中

圖1a是光學(xué)纖維截面圖，
圖1b是表示圖1a纖維內(nèi)部折射指數(shù)(沿徑向)變化曲線圖，圖2是生產(chǎn)過程中光學(xué)纖維預(yù)形體的截面圖，圖3是在該現(xiàn)有技術(shù)中一種預(yù)形體的生產(chǎn)方法示意圖，圖4是說明本發(fā)明預(yù)形體和方法的示意圖，圖5是涉及本發(fā)明方法的圖。
圖1a是多模纖維光導(dǎo)體剖面圖。光學(xué)纖維10的直徑約125微米。纖維用涂層12加以保護(hù)。
這種多模光學(xué)纖維10應(yīng)該具有在圖1b上表示的折射指數(shù)“n”曲線。在這個圖上，坐標(biāo)原點(diǎn)“0”相應(yīng)于該截面的中心14，即在纖維10的縱軸上，和橫坐標(biāo)“r”和“-r”相應(yīng)于該纖維表面16。
纖維10是用二氧化硅SiO2制造的。在表面，二氧化硅SiO2是純的。因此折射指數(shù)值在橫坐標(biāo)r和-r和這些坐標(biāo)附近是1.45。相反地，中心摻雜了鍺，這樣改變了折射指數(shù)。在中心14，折射指數(shù)值是1.48，這個折射指數(shù)值沿著朝向表面的方向逐漸降低，如曲線18(圖1b)所表示的。
為了這種光學(xué)纖維合理運(yùn)行，特別是為了一種最佳通帶，重要的是曲線18應(yīng)該是有規(guī)律的。這種曲線18波動最小也是可取的。
這種結(jié)果是通過控制生產(chǎn)纖維10達(dá)到的。
為了生產(chǎn)這樣一種纖維，(以本身已知的方式)按照下述方式進(jìn)行由內(nèi)徑30毫米、外徑34毫米、總長度“L”例如為1-1.4米的二氧化硅管20(圖3)開始。在這種二氧化硅管20中，由其進(jìn)口端22加入用箭頭24表示的氣體。采用所述的MCVD方法制作許多相繼的層261、262……26n，，這些層的摻雜從層261改變到26n(圖2)，以便得到在圖1b上所表示的折射指數(shù)曲線18。層261是在管20內(nèi)壁21上沉積的第一層。第二層262沉積在第一層上，依此類推。
在這個實(shí)施例中，一些層的截面從表面261降低直到中心層26n為止。中心層26n的鍺摻雜量是最高的，且沿著朝向表面的方向降低。第一層261沒有被摻雜。
實(shí)際上，為了制作第一層261，氣體24只含有四氯化硅SiCl4和氧。其方法是讓氧與四氯化硅進(jìn)行反應(yīng)，以便按照下述反應(yīng)得到二氧化硅SiO2
后續(xù)的這些層是以同樣的方式得到的，但是加入四氯化鍺GeCl4以便進(jìn)行摻雜。
為了得到其截面從表面261降低直到中心層26n為止的那些層，一般一層一層降低總氯化物流量。
使用一臺加熱設(shè)備30(如燃燒嘴)從進(jìn)口開口22直到出口28端為止沿縱向方向逐漸地制作每一層，所述的設(shè)備從進(jìn)口22向出口28沿這個方向和箭頭“F”的方向移動。因此，這臺加熱設(shè)備30以外部加熱方式局部加熱管20，一方面啟動生成二氧化硅SiO2和摻雜產(chǎn)物的化學(xué)反應(yīng)，另一方面使所得到的物質(zhì)玻璃化。
為了使一些層的制作一致，該管20沿軸201旋轉(zhuǎn)。
在制作各層之后，得到一種如圖2所表示的管狀產(chǎn)品，即它有一個中心孔32。進(jìn)行加熱整個產(chǎn)品旨在使中心開口32消失的縮口操作時結(jié)束了這種預(yù)形體的制造。
人們看到使用直到現(xiàn)在還使用的方法，所得到的這種預(yù)形體沿其軸有三個部分長度為L1的第一部分34，在這一部分不存在這些層，或這些層的厚度很小，長度為L2的第二部分36，有點(diǎn)接近于長度L1，這部分的折射指數(shù)曲線18不是最佳的，總是不能滿足規(guī)格要求，因此往往是接近于廢棄的邊緣，最后第三部分38，長度為Lp，這部分折射指數(shù)曲線18品質(zhì)實(shí)際上是不變的，原則上是最佳的。人們還看到，長度L2隨沉積截面和一些層的截面梯度而增加。
為了使這些氣體通過管20，這些氣體24以必須保持不可忽略不計的速度v穿過這根管20這種事實(shí)可解釋(簡化方式)長度為L1的部分34。因此，只能在橫軸L1以外進(jìn)行這些固體的沉積。在縮口后，部分34構(gòu)成預(yù)形體的圓錐形或截錐形部分。
部分36的折射指數(shù)曲線18與部分38的曲線是不同的，其根源在于如下事實(shí)制作第一層261時，氣體24的速度v是最高的，而制作最后一層26n時是最低的。于是，對于最后一層來說，這些沉積的出現(xiàn)比第一層更接近端22。箭頭242象征性地表示第一層261的生成起點(diǎn)，而箭頭243同樣象征性地表示層26n的生成起點(diǎn)。
本發(fā)明的預(yù)形體是只包括兩部分34和38(圖4)的預(yù)形體，該預(yù)形體沒有部分36。
為了得到這樣一種預(yù)形體，在一個實(shí)施例中，氣體24的加入速度在制作各層261、262……26n的過程中基本保持不變。這樣一來，部分38在橫軸L1處開始。
這種方法可由圖4上的箭頭244作出說明。
關(guān)于“速度基本不變”，應(yīng)當(dāng)理解為從第一層到最后一層速度都不改變或很少改變。所述速度不必嚴(yán)格地不變。例如，在第一層與最后一層之間稍微增加該速度可能是有利的。事實(shí)上，隨著一些層的沉積，其內(nèi)徑減小，這樣的結(jié)果是，如果該速度不變的話，則在橫軸上一些層的生成起點(diǎn)稍微降低。相反地，如果該速度稍微增加，在橫軸上一些層的起點(diǎn)可能仍然不變。
與現(xiàn)有的已知技術(shù)相反，為了保持從第一層到最后一層氣體24的速度244基本不變，改變氧的流量。這種流量的改變導(dǎo)致稀釋度的改變。不言而喻，為了保持令人滿意的折射指數(shù)曲線，相對于已知方法中所使用的流量，改變氧的稀釋度導(dǎo)致改變硅和鍺氯化物必需的流量。這些流量的改變是以經(jīng)驗(yàn)方式?jīng)Q定的。人們還看到，盡管通過希望保持(控制)一些氣體流量不變這一事實(shí)而附加了限制條件，但是人們能夠容易得到所要求的折射指數(shù)曲線。一些氣體的加入速度v實(shí)際上可以與SiCl4和GeCl4流量無關(guān)的方式進(jìn)行調(diào)節(jié)。
一般地，例如借助氧的流量選擇一些氣體的速度，以便達(dá)到折射指數(shù)曲線縱向均勻性。
在圖5上，橫坐標(biāo)原點(diǎn)相應(yīng)于軸14，因此相應(yīng)于最后的制作層。橫軸r相應(yīng)于內(nèi)壁21，因此相應(yīng)于第一層。在縱坐標(biāo)上，標(biāo)了流量Q。曲線42表示速度v保持不變時氧的流量變化。曲線40和44表示在相同條件下SiCl4和GeCl4各自的流量變化。
在這個實(shí)施例中，氧的流量42隨該層的次序而降低。不過，這種降低的比例沒有一些鹽的總流量降低得多。
盡管描述了摻雜鍺的二氧化硅纖維實(shí)施例，但是不言而喻，本發(fā)明也可擴(kuò)展到任何其他的摻雜劑。另外，除了鍺之外，可以考慮補(bǔ)充的摻雜劑，例如磷。
在一種往反應(yīng)氣體添加中性氣體(如氦)的實(shí)施方案中，這種氣體尤其可以用于控制一些氣體的速度。
還可以使用能夠制備二氧化硅SiO2的任何其他氧化性產(chǎn)品代替氧。
本發(fā)明還應(yīng)用于制造單模纖維，其中折射指數(shù)曲線實(shí)際上是矩形的。于是，本發(fā)明通常涉及一種按照其纖維軸具有最大折射指數(shù)，在其表面具有較小折射指數(shù)的光學(xué)纖維的制造方法，這種方法具體是在管內(nèi)沉積一些相繼的層，如一些前面較大直徑層的折射指數(shù)比一些中心層的折射指數(shù)低，每層都是由該管內(nèi)彼此進(jìn)行反應(yīng)的氣體生成的，為了改變折射指數(shù)要改變一些氣體的比例，這種方法的特征在于選擇加入該管中的氣體速度v，以便使折射指數(shù)徑向曲線沿縱軸方向均勻。
權(quán)利要求
1.一種按照其纖維軸(14)具有最大折射指數(shù)(n)和在表面具有較小折射指數(shù)的多-模光學(xué)纖維預(yù)形體(10)的制造方法，該方法具體包括下述步驟在管(20)內(nèi)沉積一些相繼的層(261、262……26n)，其折射指數(shù)從其直徑較大的第一層增加直到中心層，每層都是由該管(20)內(nèi)彼此進(jìn)行反應(yīng)的氣體(24)生成的，在不同層之間改變氣體的比例，以便改變折射指數(shù)，其特征在于選擇該管(20)中氣體(24)加入速度v，以便使折射指數(shù)的徑向曲線沿縱向方向均勻。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于為了制作所有這些層(261、262……26n)，速度v都應(yīng)該保持基本相同。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于一些氣體的加入速度v隨制作層的次序而增加。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)的方法，其特征在于所述的管(20)是二氧化硅管。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于這些氣體含有一種硅鹽、一種摻雜產(chǎn)品鹽，具體是鍺鹽，和一種氧化劑產(chǎn)品，優(yōu)選的是氧，其特征還在于在制作不同層時改變氧化劑產(chǎn)品的流量。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于一些鹽的流量(40)隨該層的次序而降低，氧化劑產(chǎn)品的流量(42)也隨該層的次序而降低，但是其降低的比例比一些鹽流量降低的小。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于這些氣體包括硅的鹽、摻雜產(chǎn)品鹽和如氧之類的氧化劑產(chǎn)品，其特征還在于以與一些硅和摻雜產(chǎn)品鹽的流量(40，44)無關(guān)的方式調(diào)節(jié)一些氣體(24)的加入速度。
8.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的方法，其特征在于將一種中性氣體添加到反應(yīng)氣體中。
9.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的方法，其特征在于選擇速度v以便任何一層在橫坐標(biāo)上起始點(diǎn)(L1)是基本不變的。
10.用于制造一種其折射指數(shù)從中心到表面不斷改變的多模光學(xué)纖維的預(yù)形體，所述折射指數(shù)按照軸(14)在中心比表面(16)高，其特征在于這種預(yù)形體在縱向方向有兩個部分(34和38)，第一部分(34)是進(jìn)口圓錐體，第二部分(38)具有的折射指數(shù)(18)實(shí)際上在整個長度上都是不變的。
11.一種光學(xué)纖維(10)的制造方法，該光學(xué)纖維按照纖維軸(14)具有最大的折射指數(shù)(n)，在其表面具有較低折射指數(shù)，這種方法具體包括下述步驟在管(20)內(nèi)部，沉積一些相繼的層，前面一些較大直徑層的折射指數(shù)比一些中心層的折射指數(shù)低，每層是由管(20)內(nèi)彼此反應(yīng)的氣體(24)生成的，并且改變一些氣體的比例以便改變其折射指數(shù)，其特征在于選擇管(20)中一些氣體(24)的加入速度(v)，以便使折射指數(shù)的徑向曲線沿縱向方向均勻。
全文摘要
一種光學(xué)纖維預(yù)形體,優(yōu)選的是多－模類光學(xué)纖維預(yù)形體的制造方法,所述光學(xué)纖維按照其纖維軸具有最大折射指數(shù)和在表面具有較低折射指數(shù)。這種方法是在管(20)內(nèi)部,沉積了一些相繼的層,其折射指數(shù)從直徑較大的第一層增加直到中心層,每層是由管(20)內(nèi)彼此反應(yīng)的氣體(24)生成的,并且在不同層之間改變氣體的比例以便改變其折射指數(shù)。根據(jù)本發(fā)明,選擇管(20)中一些氣體(24)的加入速度(V),以便使折射指數(shù)的徑向曲線沿縱向方向均勻。
文檔編號C03B37/018GK1175558SQ9711610
公開日1998年3月11日 申請日期1997年7月30日 優(yōu)先權(quán)日1996年7月31日
發(fā)明者T·羅賓, J－F·查里特 申請人:阿爾卡塔爾光纖公司