CN100389083C - 制造具有变化折射率的光纤的方法 - Google Patents

Abstract

一种制造光纤的方法，该方法包括下列步骤：i)提供一个光学预制坯，ii)加热所述光学预制坯的一端，iii)从光学预制坯的加热端抽出光纤，iv)冷却从步骤iii)中抽出的光纤，v)将冷却的光纤缠绕在卷轴上，并将变化的张力累积引入到步骤iv)的光纤中，从而使得作为纵向位置的函数的光纤折射率发生变化。

Description

制造具有变化折射率的光纤的方法

本发明涉及一种制造光纤的方法，其包括下列步骤：

i)提供一个光学预制坯，

ii)加热所述光学预制坯的一端，

iii)从光学预制坯的加热端抽出光纤，

iv)冷却从步骤iii)中抽出的光纤，

v)将冷却的光纤缠绕在卷轴上，并将变化的张力累积引入到步骤iv)的光纤中，从而使得作为纵向位置的函数的光纤折射率发生变化。

本发明进一步涉及一种用于传播不同模式信号的光纤。

上述方法本质上可以从授予本申请人的美国专利No.5992181获知，从该美国专利中可以获知一种制造光纤的方法，其中用来自随机脉冲激光源的放射线照射从预制坯熔融端抽出的光纤。所用放射线为UV或蓝/绿光，UV光波长范围为230-260nm，而蓝/绿光波长为460-520nm。用该放射线照射光纤能改变光纤芯部分掺杂物的电子结构，使所述照射部分中掺了杂物的芯材料的折射率局部增加。当这种折射率的局部变化沿纤维芯的长度以无规律的间隔分布时，能引起芯内传播信号的各种偏振模式之间的连续模式耦合，这将显著减小PMD。

国际WO02/32820涉及一种制造光纤的方法，其中在抽出光纤时用激光照射光纤以局部加热光纤至高于纤维软化温度的温度，从而在沿光纤长度的方向上引入直径的变化。没有提及张力累积的改变。所述变化的纵向距离可以以公里表示。所述文献中没有提及所述变化的纵向长度。

英国专利申请No.2213142描述了一种制造光纤的方法，其中通过使用激光照射加热纤维至高于光纤软化温度的温度，以引入直径或折射率的周期性微弯(perturbation)。但是，所述文献中没有提及张力累积的改变，也没有提及变化的纵向长度和两个该变化之间的纵向距离之间的比例。

美国专利No.4039062涉及一种制造光纤的方法，其中使用激光照射光纤，使纤维加热至纤维软化温度以上的温度，从而在光纤的纵向上引入几何微弯。但是，所述文献中没有提及张力累积的改变，也没有提及变化的纵向长度和两个该变化之间的纵向距离之间的比例。

日本专利申请No.2001287927涉及一种制造光纤的方法，其中在抽出光纤时在多个方向上强制冷却纤维。所述文献中没有提及张力累积的改变，也没有提及变化的纵向长度和两个该变化之间的纵向距离之间的比例。

美国专利No.4176911涉及一种制造光纤的方法，其中在轴向上引入折射率的周期性微变。但是，所述文献中没有提及张力累积的改变，也没有提及变化的纵向长度和两个该变化之间的纵向距离之间的比例。

美国专利No.2001/0019643涉及一种制造光纤的方法，其中间隔地用激光照射加热和软化，其结果是在光纤的纵向上获得了光纤包层与芯之间折射率的周期性变化。变化的纵向长度等于两个该变化之间的纵向距离。

美国专利申请No.2002/003926描述了一种制造光纤栅元件的方法。所述文献中没有提及作为光纤纵向位置的函数的张力累积的变化。也没有提及变化的纵向长度和两个该变化之间的纵向距离之间的比例。

美国专利No.3909110涉及一种折射率随空间位置变动的光纤。所述文献中没有提及张力累积的改变，也没有提及变化的纵向长度和两个该变化之间的纵向距离之间的比例。

美国专利No.4212660涉及一种制造光学波导管的方法，其中通过用激光照射预制坯调整预制坯的折射率。但是，所述文献中没有提及张力累积的改变，也没有提及变化的纵向长度和两个该变化之间的纵向距离之间的比例。

术语“偏振模色散”(PMD)指通过光纤传播的信号的色散，这是由光纤芯部分的双折射引起的。所述双折射是由纤维内的缺陷比如芯横截面的轻度不圆整、不对称的横向张力等引起的。在理想的光纤中，不会出现PMD，所述两种模式将以共同的速度各自独立地传播。

过去，已经尝试过通过耦合两种偏振模式来消除上述PMD现象。因此，可以从美国专利Nos.5897680和5298047获知的方法是，用来回运动的滚轮接触当时仍有轻微塑性的光纤向光纤施加旋转或自旋，之后通过冷却光纤将自旋冻结在光纤中。由于该方法中有与光纤的机械接触，因此其缺点是降低了纤维抽出过程(该过程中，光纤以非常高的速度传送)的稳定性。这种不稳定性一般以光纤振动的形式表现出来，这会导致有关施加保护涂层的问题，或者甚至会导致光纤的破裂。因此，很明显，当在超过约15m/sec的高速抽出速率下使用该机械方法时，它难以有效地降低PMD。此外，上面讨论的美国专利No.5992181的缺点是，因为采用稳定的、激发的掺杂物态，尤其是通过辐射，会使将要传播的信号出现不希望的额外的衰减。

在所谓的多模光纤中能传播大量不同的模式。在实践中，希望能通过光纤同时传播所有模式，因此在其开始时向光纤中引入特定的脉冲，随后在光纤的末端显示出最小量的加宽。为了获得该结果，多模光纤具有一个对应于下列公式的梯度指数分布：

$n\left(r\right)=n_1*\sqrt{(1-\frac{n_1^2-n_2^2}{n_1^2}*{\left(\frac{r}{a}\right)}^a)}$

其中：

n(r)＝作为半径的函数的折射率，

n₁＝芯中心部分的折射率，

n₂＝芯边缘的折射率，

r＝半径位置，和

a＝芯的半径。

如果分布参数α具有最佳值，则各种模式之间延迟的差值将最小。因为折射率取决于所使用的波长，所以不同的的波长具有不同的最佳α值。两种普遍用于多模光纤信号传播的波长即850nm和1300nm之间的最佳α值的差值约为0.06。这意味着使波长为850nm时延迟差值最小将导致波长为1300nm时延迟差值的增大，反之亦然。选择中间波长如1100nm时的最佳α值将是一个折衷的办法，这样虽然不是最佳，但波长为850nm和波长为1300nm时延迟的差值都是实践中可以接受的。因此，希望制造出在整个最宽的可能的波长范围内都具有最佳特性的多模光纤。

在实践中，还有一点也是很明显的，折射率分布并不总是符合上述公式。因此，折射率分布的细小差异会导致很大的延迟差值。此外，难以维持预制坯足够长度上的所述折射率分布为一常数，因此仅有部分从该预制坯获得的光纤符合特定的质量要求。因此希望获得一种制造光纤的方法，其能减少折射率分布上的严格要求，但又能通过该方法获得传播模式之间的延迟差值足够小的光纤。

为了获得最小的各种传播模式之间的延迟差值，公知的方法是在多模光纤中混合这些模式。因此，从美国专利No.4038602中可以获知促进多模光纤中的模式混合，其中在光纤的纵向上引入几何微变。但是，应明白，这里提到的几何微弯会对光纤的直径有消极影响，会在实际使用中耦合光纤时出现严重的问题，在该情形中要使用严格的公差。

从欧洲专利申请No.1101744中可进一步获知一种自旋(spinning)非圆形对称光纤的方法，以达到促进多模光纤中模式混合的目的。

因此本发明的一个目的是实现单模光纤中传播信号的两个正交模式之间的模式耦合，从而有效地降低偏振模色散(PMD)。

本发明的另一个目的是促进多模光纤中各种模式之间的模式混合，使得这些模式之间的延迟差值减小。

本发明的另一个目的是提供一种DMD值比现有技术中已知的光纤明显降低的多模型光纤。

本发明还有一个目的是提供一种获得光纤的方法，其中向光纤中引入作为纵向位置的函数的变化的折射率，而光纤的直径基本保持一致。

根据本发明，所提到的引入的方法其特征在于通过局部加热光纤至介于光纤退火温度和软化温度之间的某个温度，以实现步骤iv)中的张力累积的改变。

本发明人发现通过向光纤中引入短的局部的折射率差异，可以使单模光纤中传播信号的两个正交模式之间模式耦合，从而以这种方式有效地降低偏振模色散(PMD)。而且，很明显地，使用本发明的方法能促进多模纤维中各种模式之间的混合，使各种模式之间的延迟差值减小。

通过在抽出过程的冷却步骤中局部加热光纤，向光纤中引入该折射率的变化，会产生将被局部冻结在光纤中的热张力，这将会导致不同的折射率值。所述加热优选在高于退火温度(即该温度下粘度值约为10^12.4Pa·s)而低于软化温度(该温度下粘度值约为10^6.65Pa·s)的某个温度下进行。

加热光纤至低于软化温度的某个温度可以防止光纤的直径出现不希望的波动。该波动是不利的，因为光纤必须符合特定的标准，这样光纤才能焊接和连接至连接器。

特别优选实施步骤iv)中进行的局部加热发生在光纤还没有冷却到低于150℃温度的位置。

优选地，使用红外波长范围即8-12μm的脉冲激光、特别是来自CO₂激光的激光来实现所希望的局部加热。

在该情形中，入射激光将与待加热的光纤的纵轴之间形成直角。

优选地，考虑到纤维的圆周，所述局部加热是不对称进行的。这应理解成所述加热不是绕着纤维圆周以圆形对称的方式进行的，但是所述加热在围绕光纤的圆周上几个分开的位置上进行。为此，光纤可以曝光在来自一个或多个激光器的各个方向的激光中。特别希望的是通过用激光从一个方向照射光纤来进行所述的局部加热。

为了实现有效的模式耦合或模式混合，特别希望从不同的半径位置向光纤中引入连续的局部微变的折射率值。在一个特定的实施方式中，相对于光纤改变光纤上入射激光的位置能有效实现该局部加热。

在一个特定的实施方式中还希望相对于入射激光改变待辐射的光纤的表面的位置，以此实现所述的局部加热。例如，这可以通过使入射激光照射在一个旋转镜上反射到围绕光纤的各个镜上而实现。但是，也可以从固定位置照射光纤，在这种情形中，相对于所述的固定位置，光纤是旋转的。

在一个优选的实施方式中，两个该变化之间的光纤中张力累积变化的纵向长度“a”和纵向距离“L”符合下列方程：

a＜＝0.5L

这适用于至少部分光纤。

折射率的变化导致模式耦合，在单模光纤中使PMD值降低，而在多模光纤中使带宽增加。但是，在折射率不对称变化的纵向长度“a”内，在单模光纤中PMD值增加，而在多模光纤中带宽减小。因此，光纤张力累积变化的纵向长度“a”比两个该变化之间的纵向长度“L”短是很重要的。发明人发现，在a＜＝0.5L时耦合的积极效果可以消除PDM值增加或带宽减小的消极效果。

如果“a”和“L”符合下列方程，则可观察到PMD值明显降低(在单模光纤中)或者带宽明显增加(在多模光纤中)：

a＜＝0.2L

下表显示了在有变化的纵向长度“a”与两个该变化之间的纵向距离“L”的不同比例下的PMD降低因数。

PMD降低因数定义为没有引入张力累积变化的单模光纤的PMD值与引入张力累积变化的单模光纤的PMD值之间的比例。

表1

a/L	PMD降低因数
		1	0.7
0.75	0.9
		0.5	1
0.4	1.1
		0.3	1.3
0.2	1.5

因此，使用CO₂激光能有效地降低单模光纤的PMD值，即使是在约15m/sec以上的高速抽出速率下。正如前面所指出的，当采用机械接触这样的降低PMD的常规方法时，难以在约15m/sec以上的高速抽出速率下有效地降低PMD值。

本发明的方法还能很有效地促进多模光纤中的模式混合。使用本方法一方面能减少制造所谓的梯度指数分布的要求，另一方面能获得改进了传播特性的光纤。此外，很明显模式混合不取决于波长，因此能获得在宽波长范围内具有改进了传播特性的光纤。

本发明进一步涉及一种以不同模式传播信号的光纤，该纤维的特征在于光纤张力累积变化的纵向长度“a”与两个该变化之间的纵向距离“L”符合下列方程：

a＜＝0.5L

这适用于至少部分光纤。

在一个特定的实施方式中，光纤张力累积变化的纵向长度“a”与两个该变化之间的纵向距离“L”符合下列方程：

a＜＝0.2L

这适用于至少部分光纤。

对本领于技术人员而言显而易见的是，在单模光纤传播信号时，术语“不同模式”是指通过光纤传播的两个偏振模式。

为了完成本发明的目的，对于多模光纤而言，在850nm波长范围最优化的最大PMD值优选至多为0.35。850nm波长范围应理解为810-890nm的范围。

更特别地，对于多模光纤而言，在1100nm波长范围最优化的最大DMD值优选至多为0.8。1100nm波长范围应理解为780-1310nm的范围。

本发明进一步涉及一种单模光纤，其PMD值至多为0.06ps/√km。

本发明尤其涉及一种PMD降低因数超过或等于1的光纤，PMD降低因数定义如前所述。

下面将通过实施例更详细的解释本发明，但是有一点应指出，本发明不受这些特定实施例的任何限制。

单模光纤的实施例1-2和对比实施例1

实施前述本方法的步骤抽出单模光纤，采用20m/sec的抽出速率和100Hz频率的脉冲CO₂激光。相对于入射激光旋转光纤，使用所谓的量化器(scrambler)。重复上述操作，不同之处在于采用频率在25-200Hz范围变化的CO₂激光源。采用激光辐射的单模光纤中的PMD值为0.06ps/√km(实施例1)，而不经CO₂激光处理的光纤的PMD值为0.1ps/√km(对比实施例1)。在实验中采用变化的频率，PMD值能进一步降低至0.04ps/√km(实施例2)。

多模光纤的实施例3-6和对比实施例2-5

采用本发明的方法抽出多模光纤，在从熔炉出来之后用来自脉冲CO₂激光的激光照射光纤。重复相应的实验制造多模光纤，不同之处在于不使用激光。在下表2中，DMD值为测量范围中一个波长下的最大DMD值。

表2

实施例No.	波长	DMD值(ps/m)
			根据本发明的实施例3对比实施例2根据本发明的实施例4对比实施例3根据本发明的实施例5对比实施例4根据本发明的实施例6对比实施例5	850850810-890810-89013001300780-1310780-1310	0.8510.330.40.50.60.70.9

DMD值的测量按照光纤光学检验程序(FOTP-220)。

根据本发明那的实施例4和对比实施例3涉及梯度指数分布符合上述公式(在850nm波长为最佳)的光纤。根据本发明的实施例6和对比实施例5涉及梯度指数分布符合上述公式(在1100nm波长为最佳)的光纤。根据本发明的实施例3和5和对比实施例2和4涉及无最佳梯度指数分布的光纤。

通过上述实验，可以很明显地看到，采用本方法可以显著地降低单模光纤的PMD值，特别地能降至低于0.06ps/√km。此外，相比于不用CO₂激光处理的光线，采用本方法能显著地降低多模光纤的DMD值。

Claims (18)

1.一种制造光纤的方法，该方法包括下列步骤：

i)提供一个光学预制坯，

ii)加热所述光学预制坯的一端，

iii)从光学预制坯的加热端抽出光纤，

iv)冷却从步骤iii)中抽出的光纤，

v)将冷却的光纤缠绕在卷轴上，并将变化的张力累积引入到步骤iv)的光纤中，从而使得作为纵向位置的函数的光纤折射率变化，其特征在于通过局部加热光纤至介于光纤退火温度和软化温度之间的温度实现所述的张力累积的变化，所述张力累积变化的纵向长度“a”与两个张力累积变化之间的纵向距离“L”符合下列方程：

a＜＝0.5L

这适用于至少部分光纤，并且光纤的直径保持不变。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于光纤的局部加热发生在光纤温度至少150℃的沿冷却路径的位置。

3.根据权利要求1的方法，其特征在于通过用激光辐射光纤实施所述的局部加热。

4.根据权利要求3的方法，其特征在于使用波长在红外范围的激光。

5.根据权利要求3的方法，其特征在于用脉冲激光实施所述辐射。

6.根据权利要求3的方法，其特征在于激光辐射相对于光纤的圆周不对称地实施。

7.根据权利要求6的方法，其特征在于通过用激光从一个方向辐射光纤来实施所述的局部加热。

8.根据权利要求6的方法，其特征在于通过用来自不同径向位置的激光辐射光纤来实施所述的局部加热。

9.根据权利要求3-8中任一项的方法，其特征在于通过相对于光纤改变光纤上入射激光的位置来实施所述的局部加热。

10.根据权利要求3-8中任一项的方法，其特征在于通过相对于入射激光改变将要辐射的光纤表面的位置来实施所述的局部加热。

11.根据权利要求1的方法，其特征在于光纤张力累积变化的纵向长度“a”与两个张力累积变化之间的纵向距离“L”符合下列方程：

a＜＝0.2L

这适用于至少部分光纤。

12.一种用不同模式传播信号的光纤，其特征在于光纤张力累积变化的纵向长度“a”与两个张力累积变化之间的纵向距离“L”符合下列方程：

a＜＝0.5L

这适用于至少部分光纤，并且光纤的直径保持不变。

13.根据权利要求12的光纤，其特征在于a＜＝0.2L。

14.根据权利要求12或13的光纤，其特征在于所述光纤为多模光纤，并且在850nm波长范围的DMD值至多为0.35。

15.根据权利要求12或13的光纤，其特征在于所述光纤为多模光纤，并且在1100nm波长范围的DMD值至多为0.8。

16.根据权利要求12或13的光纤，其特征在于所述光纤为单模光纤，并且PMD值至多为

17.根据权利要求12或13的光纤，其特征在于所述光纤为单模光纤，并且PMD降低因数大于或等于1，其中PMD降低因数定义为没有引入张力累积变化的单模光纤的PMD值与引入张力累积变化的单模光纤的PMD值之间的比例。

18.根据权利要求17的光纤，其特征在于PMD降低因数大于或等于1.5。