專利名稱：具有摻鉭包層的光纖的制作方法
背景美國專利4,715,679描述了一種在一較寬的波長帶上幾乎沒有或沒有色散的光纖。該光纖具有一中央纖芯，周圍包裹著內(nèi)包層，再外面包裹著外包層。纖芯和包層有一個或多個折射率比鄰接區(qū)凹下的區(qū)域。纖芯具有一最大折射率，并且折射率隨離開中心的距離而減小。與纖芯相鄰的是內(nèi)包層第一環(huán)形區(qū)，它具有一凹陷的折射率。與凹陷區(qū)相鄰的是第二環(huán)形區(qū)，其折射率大于凹陷的第一環(huán)形區(qū)。折射率凹陷改變了光纖的光能量傳播特性，從而在波導色散和波長之間提供了所需的關(guān)系。因此，通過降低與中央纖芯相鄰的內(nèi)包層區(qū)的折射率，可以控制色散。通過添加諸如氟或硼等起降低作用的合適摻雜劑可以產(chǎn)生折射率凹陷。
但是，用氟和硼摻雜劑制成的凹陷區(qū)有不希望有的局限。用氟制成的凹陷區(qū)具有約0.5％Δ的折射率最大凹陷量，但更一般的結(jié)果是0.3％Δ。由于氟有腐蝕性，并且目市場上不能獲得用于一般外部汽相沉積(OVD)工藝的干燥氟氣，所以氟氣存在制造上的問題。硼對傳播1200納米以上波長光有較大的副作用。因此，硼不適用于一般傳輸波長約1500納米的光的單模光纖。
有人提出用鍺來提高包層的折射率，而不是降低某個區(qū)的折射率。但是，鍺不適于增加包層的折射率。在干燥和熔凝期間，鍺會與氯氣反應，形成一氧化鍺。在氯氣干燥和熔凝步驟中，一氧化物相當容易揮發(fā)，并會移出包層。所以，難以將鍺保持在包層中和因此難以相對諸如熔融石英等折射率凹陷的相鄰區(qū)提高包層的折射率。
因此，未實現(xiàn)的需要是一種光纖結(jié)構(gòu)，它該結(jié)構(gòu)適合熔融的石英玻璃，并用一種摻雜劑提高包層區(qū)的折射率，其中所述摻雜劑不會移離它的初始位置，并且不吸收通過光纖傳輸?shù)牟ㄩL光。
概述當用鉭對包層摻雜從而將包層的折射率提高到纖芯一相鄰凹陷區(qū)之上時，我們發(fā)現(xiàn)了未曾料想的且非常需要的結(jié)果。本發(fā)明產(chǎn)生了一種光纖，該光纖只用使折射率增大的摻雜劑來改善色散。本發(fā)明避免了使折射率降低的摻雜劑(例如，硼和氟)的副作用，因為用本發(fā)明制造的光纖不需要這類摻雜劑。
鉭具有許多技術(shù)上的優(yōu)勢。其一，鉭不會移離它的初始位置。鉭具有較低的揮發(fā)性，所以即使在干燥和熔凝期間光纖要經(jīng)受高溫，鉭也抵抗移動。通過抵抗移動，摻鉭區(qū)的摻雜分布曲線保持陡峭的界限。其第二個優(yōu)點是對在傳輸選定的波長處的光衰減較小。這些波長在1300納米和1550納米附近。在這些波長處，鉭對光的衰減相當小。同樣，在這些波長處，由鉭引起的瑞利散射也相對小。第三個優(yōu)點是摻鉭的玻璃比摻鍺的玻璃具有更小的熱膨脹。第四個優(yōu)點是按重量計算，鉭對折射率的影響比鍺大。所以，只需要較少的鉭就能產(chǎn)生等同于鍺所產(chǎn)生的折射。衰減還與量相關(guān)。因此，由于使用了較少的鉭，所以光在用鉭的光纖中的衰減較少。第五個優(yōu)點是，鉭在化學上是穩(wěn)定的。它不溶于水和大部分的酸和堿。熱的氫氟酸對它只作緩慢的腐蝕。本發(fā)明可應用于所有的光纖，包括但不局限于單模光纖、多模光纖、色散位移光纖、具有較大有效面積的光纖，以及具有受控線性色散的高性能、超長光纖。
在制造光纖時，用具有最小光衰減特性的玻璃制造光纖的纖芯和包層(內(nèi)和外)的材料。盡管可以使用光學質(zhì)量的玻璃，但熔融石英是特別適合的玻璃。出于結(jié)構(gòu)和其它的實際考慮，纖芯玻璃和包層玻璃應該具有相似的物理特性。由于纖芯玻璃的折射率必須大于包層玻璃，所以纖芯玻璃用包層所用的相同類型的玻璃形成，并摻入少量材料，使纖芯的折射率略微增大。所以，用氧化鍺對纖芯摻雜。可以在內(nèi)包層的開始部分、纖芯和內(nèi)包層的鄰接部分，或者整個纖芯外環(huán)內(nèi)形成第一環(huán)形凹陷區(qū)。在較佳實施例中，用鍺摻雜纖芯的中心區(qū)。纖芯的外環(huán)不摻雜。用鉭摻雜與不摻雜的纖芯外環(huán)相鄰的并包裹在纖芯周圍的包層區(qū)，以增大它的折射率。摻鉭的包層區(qū)從不摻雜的纖芯環(huán)延伸至光纖的外側(cè)。
附圖描述

圖1是依照本發(fā)明制造的光纖的截面圖。
圖2是本發(fā)明一光纖的摻雜劑分布曲線。
圖3和圖4示出了用本發(fā)明制造的其它光纖的摻雜劑分布曲線。
圖5是一曲線圖，示出了摻鉭石英外包層光纖的色散結(jié)果。
圖6是一曲線圖，示出了作為波長之函數(shù)的鉭和熔融石英的折射率曲線。
詳細描述圖1示出了依照本發(fā)明制造的單模光纖1的截面圖。該光纖具有由外表面11確定的中央纖芯10。內(nèi)包層區(qū)12具有形成于纖芯10之外表面11上的內(nèi)表面。內(nèi)包層區(qū)12具有外表面13。內(nèi)包層12周圍包裹著具有外表面15的外包層14。
纖芯10的材料是摻鍺的熔融石英。內(nèi)包層12至少具有一個基本上由純的熔融石英制成的環(huán)形區(qū)20。第二環(huán)形區(qū)22包含摻鉭的熔融石英。虛線21表示區(qū)域20與22之間的交界線。鉭摻雜劑從虛線21向外表面15延伸。盡管本發(fā)明打算使內(nèi)包層具有不摻雜的區(qū)域20和摻鉭的區(qū)域22，但它也可以包括這樣的光纖，其整個內(nèi)包層12不摻雜，而外包層14摻鉭。
圖2示出了一般的用本發(fā)明制造的光纖摻雜劑分布曲線。纖芯區(qū)10摻鍺或鍺與鉭的組合物，以提供從中心為最大至纖芯10之外表面11為零的傾斜的折射率。與纖芯10相鄰的是由基本上為純的熔融石英制成的第一環(huán)形區(qū)20。第二環(huán)形區(qū)22摻鉭。摻鉭區(qū)22的折射率大于區(qū)域20的折射率，但小于纖芯10的最大值。因此，折射率在區(qū)域20和22之間存在明顯的變化。因此，區(qū)域20形成一個位于兩個鄰接區(qū)域10和22之間的凹陷的環(huán)形區(qū)，即區(qū)域10和22的折射率都大于凹陷區(qū)20。不摻雜區(qū)域與摻鉭區(qū)域之間的交界線可以與內(nèi)包層12的外表面13重合。
在光纖1中，纖芯的最大折射率為I0。與纖芯相鄰的是第一環(huán)形區(qū)20，其折射率為I1。第二環(huán)形區(qū)22包裹在第一環(huán)形區(qū)20的周圍，并且其折射率為I2?？墒拱枷菡凵渎蕿镮1的第一環(huán)形區(qū)20整個地形成于纖芯10的外環(huán)中、纖芯和內(nèi)包層的鄰接環(huán)形區(qū)中、或者整個地形成于內(nèi)包層內(nèi)。所以，I0＞I2＞I1。
本發(fā)明的一個特征是有一個包層區(qū)，其范圍從最外環(huán)A的外側(cè)邊緣至光纖B的外側(cè)邊緣。該包層區(qū)包含SiO2和鉭，使包層折射率至少高于一個一般由純石英制造的內(nèi)環(huán)。包層還可以包含其它的摻雜劑，例如用于增加強度的鈦。其它有用的分布曲線如圖3和4所示。
圖3的光纖具有通過對光纖的環(huán)形部分摻鍺而制成的階躍型折射率區(qū)域30。摻鉭區(qū)32從階躍型折射率區(qū)域30延伸到光纖的外表面。圖4的光纖具有兩個階躍型折射率區(qū)域30和31，每個區(qū)域皆通過對光纖的環(huán)形部分摻鍺而形成。區(qū)域30的摻雜量比區(qū)域31的大。摻鉭區(qū)域32的折射率大于區(qū)域31的折射率，但小于區(qū)域30的折射率。它延伸至光纖的外側(cè)。
圖5示出了摻鉭的石英外包層光纖的色散結(jié)果。這些結(jié)果表明，摻鉭石英材料的色散非常類似于摻鍺石英材料的色散。
上述期望已被進一步的實驗所證實。將摻7.26wt％鉭之石英的實驗結(jié)果與熔融石英和摻5.9wt％GeO2和9.26wt％GeO2的石英比較。圖6所示的數(shù)據(jù)表明，摻鉭石英沿摻7.5wt％鍺石英的期望折射率。
本發(fā)明還打算提供纖芯折射率不變或可變的光波導。依照美國第4,715,679號專利原理可以對纖芯10和包層5、12及14的分布作進一步的改變和變化，該專利的內(nèi)容通過引用包含在此。例如，纖芯10可以具有階躍型折射率分布、α型折射率分布、以常比率變化的分布、或者以一種或多種比率的組合變化的分布。還可以通過在完成纖芯之前結(jié)束摻鍺而在纖芯中形成凹陷區(qū)。纖芯的剩余部分是不摻雜的熔融石英。
本發(fā)明可以用于希望提高包層折射率的任何合適的光纖。所以，本發(fā)明不僅適用于單模光纖，而且適用于多模光纖、色散位移光纖、具有較大有效面積的光纖以及具有受控線性色散的高性能、超長光纖。利用本發(fā)明，可以改變?nèi)魏喂饫w的色散。本發(fā)明消除了不希望有的使折射率降低的摻雜劑(例如，硼和氟)的副作用，因為用本發(fā)明制造的光纖不需要這樣的摻雜劑。
如上所述，使用鉭有許多技術(shù)優(yōu)勢。鉭具有較低的揮發(fā)性，所以即使光纖在干燥和熔凝期間受高溫作用，它也不會遷移。因此，摻鉭區(qū)域的摻雜分布保持相當陡的形狀。在選擇進行傳輸?shù)牟ㄩL處，鉭具有較低的光衰減和較低的瑞利散射。這些波長處于1300納米和1550納米附近。摻鉭玻璃的熱膨脹比摻鍺玻璃的熱膨脹小。按重量計，鉭對光的作用比鍺大。所以只需要較少的鉭就可以產(chǎn)生鍺所產(chǎn)生的同等的折射。由于衰減也正比于量，所以因使用較少的鉭，故使用鉭的光纖的衰減較少。在化學上，鉭是穩(wěn)定的。它不溶于水以及大多數(shù)的酸和堿，并且熱的氫氟酸對其只作緩慢的腐蝕。
具有凹陷折射率區(qū)域的本發(fā)明光纖1可以用任何常規(guī)的光纖制造工藝制造。
依照本發(fā)明，通過引入適當濃度的諸如TaCl5的鉭的前體，改進了常規(guī)教導中施加由最終形成包層14的微粒體組成的第二被覆層的剩余部分的工藝。本領域的技術(shù)的員將認識到，其它材料也可以提高折射率。這類其它材料包括鋯、鑭、釔、鈰和鍺。另外，硝酸咪康唑(florid)、鋯、四氯化物、hexaflorin和六氟乙酰丙酮化物(hexafluoroacetylactonate)，以及鑭、釔和鈰的類似物適合于外部汽相沉積(OVD)工藝。具有適當濃度的上述任何物質(zhì)可以在區(qū)14產(chǎn)生使折射率增大的摻雜劑。在較佳實施例中，Ta2O5前體在SiO2微粉體成份中的濃度范圍可高達約10重量百分比，并且最好約為3至5重量百分比。這里，我們注意到盡管以上描述說明了本發(fā)明的過程，但除了將鉭添加在內(nèi)包層區(qū)12中以外的過程完全是傳統(tǒng)的。因此，可以對本領域普通技術(shù)人員已知的傳統(tǒng)工藝步驟進行改進。例如，可以使用各種沉積工藝，包括(但不局限于)外部汽相沉積法、內(nèi)部汽相沉法、汽相軸向淀積法、改進化學汽相沉積法或者等離子體外部和內(nèi)部沉積法。
在實施本發(fā)明時，本領域的普通技術(shù)人員容易使用傳統(tǒng)的波導光纖技術(shù)，因此通過引用將所有內(nèi)容包括在此，并且作為非限制性的舉例，包括以下內(nèi)容。
關(guān)于可用作微粉體前體(soot precursor)的原材料，參見Dobbins的美國專利5,043,002；和Blackwell的美國專利5,152,819。
關(guān)于汽化或霧化微粉體前體的工藝，參見Antos的美國專利5,078,092；Cain的美國專利5,356,451；Blankenship的美國專利4,230,744；Blankenship的美國專利4,314,837；和Blackenship的美國專利4,173,305。
關(guān)于燃燒微粉體前體及沉積纖芯和包層，參見Abbott的美國專利5,116,400；Abbott的美國專利5,211,732；Berkey的美國專利4,486,212；Powers的美國專利4,568,370；Powers的美國專利4,639,079；Berdey的美國專利4,684,384；Powers的美國專利4,714,488；Powers的美國專利4,726,827；Schultz的美國專利4,230,472；和Sarkar的美國專利4,233,045。
關(guān)于纖芯預制棒熔凝、纖芯棒(core cane)拉絲和外包層預制棒熔凝步驟，參見Lane的美國專利4,906,267；Lane的美國專利4,906,268；Lane的美國專利4,950,319；Blankenship的美國專利4,251,251；Schultz的美國專利4,263,031；Bailey的美國專利4,286,978；Powers的美國專利4,125,388；Powers的美國專利4,165,223；和Abbott的美國專利5,396,323。
關(guān)于從熔凝的外包層預制棒拉絲成的光纖，參見Harvey的美國專利5,284,499；Koening的美國專利5,314,517；Amos的美國專利5,366,527；Brown的美國專利4,500,043；Darcangelo的美國專利4,514,205；Kar的美國專利4,531,959；Lane的美國專利4,741,748；Deneka的美國專利4,792,347；Ohls的美國專利4,246,299；Claypoole的美國專利4,264,649；和Brundage的美國專利5,410,567。
權(quán)利要求
1.一種具有纖芯和內(nèi)包層的光纖波導，其特征在于，包括中心區(qū)，它具有最大折射率I0；第一環(huán)形區(qū)，它與中心區(qū)相鄰，并其折射率I1小于I0；第二環(huán)形區(qū)，它包裹在所述第一環(huán)形區(qū)的周圍，并具有折射率I2，所述第二環(huán)形區(qū)包含鉭，用使折射率增大足夠量的摻雜劑增大所述區(qū)的折射率，從而將第二環(huán)形區(qū)的折射率I2提高到第一環(huán)形區(qū)的折射率I之上。
2.如權(quán)利要求1所述的光纖，其特征在于，中心區(qū)包括纖芯，而第二環(huán)形區(qū)包括多個子區(qū)，其中至少有一個子區(qū)的折射率I1小于I2。
3.如權(quán)利要求1所述的光纖，其特征在于，I0＞I2＞I1。
4.如權(quán)利要求1所述的光纖，其特征在于，第二環(huán)形區(qū)的摻雜劑包含鉭。
5.如權(quán)利要求1所述的光纖，其特征在于，所述光纖是從由單模光纖、多模光纖、色散位移光纖、具有較大有效面積的光纖，以及具有受控色散的高性能、超長光纖組成的群中選出的一種。
6.一種光纖，其特征在于，包括纖芯，它具有最大折射率I0；內(nèi)包層，它位于纖芯上，具有包裹在所述纖芯周圍的第一環(huán)形區(qū)，其折射率I1小于I0；第二環(huán)形區(qū)，它包裹在所述第一環(huán)形區(qū)的周圍，并具有折射率I2，它摻雜了足量的鉭，以便將第二環(huán)形區(qū)的折射率I2提高到第一環(huán)形區(qū)的折射率I1之上，但小于I0。
7.如權(quán)利要求6所述的光纖，其特征在于，第一環(huán)形區(qū)包含熔融石英，而第二環(huán)形區(qū)包含摻鉭的熔融石英。
8.如權(quán)利要求6所述的光纖，其特征在于，纖芯包含摻鍺的熔融石英。
9.如權(quán)利要求6所述的光纖，其特征在于，所述光纖是從由單模光纖、多模光纖、色散位移光纖、具有較大有效面積的光纖，以及具有受控線性色散的高性能、超長光纖組成的群中選出的一種。
10.一種光纖，它包括纖芯區(qū)以及分別包裹在所述纖芯區(qū)周圍的第一和第二環(huán)形區(qū)，其特征在于，第一環(huán)形區(qū)的折射率相對相鄰纖芯區(qū)和第二環(huán)形區(qū)的折射率向下凹陷，并且第二環(huán)形區(qū)包含鉭。
11.如權(quán)利要求11所述的光纖，其特征在于，纖芯區(qū)包含熔融石英和鉭。
12.如權(quán)利要示11所述的光纖，其特征在于，纖芯區(qū)包含熔融石英、鍺和鉭。
13.如權(quán)利要求10所述的光纖，其特征在于，第二環(huán)形區(qū)包含熔融石英和鉭。
14.如權(quán)利要求10所述的光纖，其特征在于，第二環(huán)形區(qū)中鉭的數(shù)量范圍高達約10重量百分比。
15.如權(quán)利要求14所述的光纖，其特征在于，第二環(huán)形區(qū)中鉭的數(shù)量范圍從大約3重量百分比至大約5重量百分比。
16.如權(quán)利要求10所述的光纖，其特征在于，所述光纖是從由單模光纖、多模光纖、色散位移光纖、具有較大有效面積的光纖，以及具有受控線性色散的高性能、超長光纖組成的群中選出的一種。
全文摘要
改進的波導光纖(1)包括中央纖芯(10)區(qū),周圍被內(nèi)包層區(qū)(12)包裹著。第二環(huán)形區(qū)(14)摻雜鉭。纖芯摻雜鍺。第一環(huán)形區(qū)(20)位于折射率相對較高的兩個相鄰的區(qū)域之間。兩個鄰接區(qū)(10,20)的折射率都大于中心區(qū)(20)。
文檔編號C03C13/00GK1196799SQ97190759
公開日1998年10月21日 申請日期1997年6月27日 優(yōu)先權(quán)日1996年7月1日
發(fā)明者占姆斯·P·莫非, 大衛(wèi)·K·施密斯 申請人:康寧股份有限公司