CN101007702B - 制造光纤预制棒的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的主题是一种通过对具有一定横截面面积的初级预制棒进行外包而制造最终光纤预制棒的方法，所述方法至少包括一个通过在掺氟石英管内部淀积内包层和中央芯而制造初级预制棒的步骤，这样选择所述管，其横截面面积最多比所述初级预制棒的横截面面积小15％。通过本发明的方法，可以低成本的制造大容量的预制棒，允许拉丝具有降低的传输损耗的光纤。

Description

制造光纤预制棒的方法
技术领域
本发明涉及一种制造光纤预制棒的方法。
背景技术
通过在拉丝机(drawing tower)上对预制棒进行拉丝来形成光纤。预制棒例如包括初级预制棒，初级预制棒由形成部分包层的高质量的玻璃管和光纤的芯构成。该初级预制棒然后经受外包或套层工艺以增加其直径，形成可在拉丝机上使用的预制棒。在本说明书的上下文中，术语内包层是指形成在管内侧的包层，外包层是指形成在管外侧的包层。类似的光纤拉丝操作包括将预制棒垂直放入机器中并从预制棒的一端拉出一束光纤。为此，对预制棒的一端局部地施加高温直到石英软化，由于拉丝速度和温度决定光纤的直径，因此在光纤拉丝操作期间持续地控制拉丝速度和温度。
预制棒的几何尺寸必须严格符合芯与光纤包层的直径和折射率的比率，从而拉制的光纤具有所需分布。对于光纤，折射率分布通常关于将折射率与光纤的半径相关联的函数的图形轨迹来描述。传统上，沿着横坐标轴显示到光纤的中心的距离r，并且沿着纵坐标显示折射率和光纤外包层的折射率之间的差值。因此折射率分布按照阶梯、梯形或者三角形形状的图形轨迹而被称为“阶梯”、“梯形”或者“三角形”折射率。这些曲线通常表示光纤的理论或者设定分布，光纤的制造约束可能导致略微不同的分布。
光纤通常包括光芯和光包层，其中光芯的作用是传输和可选地放大光信号，光包层的作用是将光信号限制在芯内。为此，芯的折射率nc和包层的折射率ng的关系为nc＞ng。众所周知，光信号在单模光纤内的传播分解为在芯中传导的基本模式，以及在芯-包层组件中在一定距离上传导的称为包层模式的次级模式。
通常使用单模光纤(SMF)作为光纤传输系统的线路光纤。SMF光纤通常具有掺锗石英芯以提高其折射率，以及具有纯石英包层。为了改善光纤中的衰减，通常降低芯中的掺杂物的量。然而，由于芯和包层之间的折射率的差值由所需的光纤的传播属性而固定，包层的折射率必须降低，或者至少例如掺杂了氟的内包层的折射率必须降低。芯的折射率nc和包层的折射率ng必须满足条件nc＞ng以确保沿着光纤传导光信号。
具有纯石英芯的光纤也是公知的，通常也称为纯石英芯光纤-PSCF。PSCF光纤的芯中掺杂物的缺乏，使得可以限制光损耗。因此PSCF光纤通常具有这样的石英包层，其中石英中掺杂了氟，以降低包层的折射率。PSCF光纤可以从包括初级预制棒的预制棒制成，该初级预制棒包括通常为石英的管，其中已经淀积了一个或者多个掺氟石英层以形成内包层，并且已经淀积了一个或者多个纯石英层以形成光纤的中央芯。在淀积与芯和内包层对应的层之后，在所谓的缩棒(collapsing)操作期间对管本身关闭。这样，得到初级预制棒。然后初级预制棒经受外包(overcladded)工艺，由于成本相关的原因，此时通常用天然石英颗粒。
因此传统的PSCF光纤或者具有稀疏掺杂锗的中央芯以及掺杂氟的包层的光纤具有半径a，以及对应于石英折射率或者略微高于石英折射率的折射率nc的中央芯，以及外半径为b的内埋藏包层。内包层被称为是埋藏的是因为它具有小于通过对初级预制棒进行外包或者套层而获得的外包层的折射率ne的折射率ng。在PSCF光纤中，所述外包层通常为纯石英玻璃，并且具有与中央芯基本相同的折射率。
在上述结构中，由于外包层具有与中央芯基本相同的折射率，基本模式并不完全传导，并且表现另外损耗，称为泄漏。为了最小化这些泄漏损耗，在外部纯石英包层中传播的能量百分比必须降低。掺氟内包层的外半径和芯半径之间的比率(b/a)因此必须足够高，即掺杂石英的内包层必须至少延伸到临界半径b，其值依赖于芯半径以及芯折射率和内包层折射率之间的差值Δn＝nc-ng；对于单模光纤，认为内包层半径和芯半径之间的比率为8或者更大(b/a＞8)确保能够较好的将光信号限制在中央芯以及可接受的泄漏损耗水平。
为了扩大掺氟包层的外直径，文献JP 55100233提出了使用掺氟石英的管以制造初级预制棒。
预制棒的容量定义为可以从该预制棒拉丝产生的光纤长度量。预制棒直径越大，容量越大。为了降低制造成本，要求从一个相同的预制棒提供很长长度的光纤。因此需要制造大直径的预制棒，同时满足上述的关于中央芯和掺氟包层的直径的约束。
在此情况下，或者初级预制棒的外半径和中央芯的半径之间的比率相对较高，待在管内淀积的石英的量较高，初级预制棒成本很高，并且这种方法生产率较低；或者管的外半径和中央芯半径之间的比率相对较低，通过对最终预制棒拉丝获得的光纤不具有良好属性，并且其衰减相当高。
EP 1 544 175提出了制造具有一部分外包层是掺氟石英的预制棒，以增加掺氟包层的总直径而不增加成本较高的初级预制棒的直径。通过在掺氟石英的管中连续淀积掺杂石英层而获得该初级预制棒，然后用第一层掺氟合成石英颗粒外包该初级预制棒，然后用天然石英颗粒层外包。通过用掺氟合成石英颗粒进行外包使得可以对相同的芯直径增加掺氟包层的直径，并且降低泄漏损耗。使用掺氟石英颗粒对初级预制棒进行外包比在管内淀积掺氟石英成本更低。然而掺氟石英颗粒是合成颗粒，比天然石英颗粒更加昂贵。
US 2002/0144521描述了一种用于制造大容量预制棒的方法。该文献提出通过在掺杂有氯和氟的管内淀积大直径的中央芯而制造初级预制棒。该管掺杂有氟以补偿由于掺杂有氯而导致的折射率的增加。该管掺杂有氯以限制OH基的存在，所述OH基损害中央芯的光传输性能。采用这种掺杂有氯和氟的管可以减小淀积在管内的内包层的厚度，以制造具有增大中央芯直径的初级预制棒。然后对该初级预制棒进行外包，以获得大直径因而大容量的最终预制棒。掺杂有氯和氟的管保护中央芯不会受到因为使用天然石英颗粒进行外包产生的杂质的影响。然而该管的折射率基本与纯石英的折射率相同。
对具有不掺杂或者仅稀疏掺杂的中央芯并且具有掺氟内包层的降低光损耗的光纤制造具有较大拉丝容量的低成本预制棒之间的折衷仍待改善。
发明内容
因此本发明提出使用足够厚的掺氟石英管以限制在管内部淀积石英的量并且支持用天然石英颗粒进行外包，同时确保掺氟包层的直径和芯直径之间的比率(b/a)足够高以保证将光信号限制在中央芯内。
特别地，本发明提出了一种制造具有一定横截面面积的光纤预制棒的方法，所述方法包括步骤：在掺氟石英管内淀积内包层和中央芯，其后对这样获得的管进行缩棒以形成初级预制棒，以及使用石英颗粒对初级预制棒进行外包以获得所述初级预制棒的外表面上的外包层，其中这样选择所述管，其横截面面积最多比在缩棒之后从所述管获得的初级预制棒的横截面面积小15％，其中仅使用天然石英颗粒执行所述外包。优选地最多小10％。
此外，本发明提出了一种制造光纤预制棒的方法，通过使用石英颗粒对由此获得的初级预制棒进行外包以获得所述初级预制棒的外表面上的外包层。
在一个实施例中，本发明提出了一种通过对具有预定总横截面面积的初级预制棒进行外包而制造最终光纤预制棒的方法，所述方法至少包括一个通过在掺氟石英管内部淀积内包层和中央芯而制造初级预制棒的步骤，这样选择所述管，其横截面面积最多比所述初级预制棒的横截面面积小l 5％，优选地最多小10％。
根据一个实施例，使用天然石英颗粒执行所述外包。
根据一个特征，选择的管具有大于700mm2的横截面面积。
根据一个特征，选择的管具有小于1500mm2的横截面面积。
根据一个特征，选择的管具有小于1000mm2的横截面面积。
根据一个特征，所述管内部的淀积被控制以使得初级预制棒的外半径与中央芯的半径之间的比率大于或者等于8。
根据一个特征，内包层的淀积是由掺氟石英或者掺氟和掺锗石英形成的。
根据一个特征，中央芯的淀积是由纯石英、略微掺锗石英或者略微掺锗和掺氟石英形成的。
本发明还提出了一种最终光纤预制棒，包括：
-初级预制棒，具有预定横截面面积，并且包括掺氟石英的管，所述管的横截面面积最多比所述初级预制棒的总横截面面积小15％，优选地最多小10％，在所述管中存在内包层和中央芯的淀积；
-所述初级预制棒的外表面上的外包层，其中所述外包层仅由天然石英形成。
根据一个特征，所述石英管包含重量浓度在1％和2％之间的氟。
根据一个实施例，内包层的淀积是由掺氟石英或者掺氟和掺锗石英形成的。
根据一个实施例，中央芯的淀积是由纯石英、略微掺锗石英或者略微掺锗和掺氟石英形成的。
根据一个实施例，所述外包层是由石英优选地由天然石英形成的。
根据一个特征，初级预制棒的外直径与中央芯的直径之间的比率大于或者等于8。
本发明还涉及一种光纤预制棒，其中所述预制棒从中心至外围包括中央芯，所述中央芯具有折射率nc和半径a，通过内包层的淀积(11)而形成的内包层的第一部分，具有折射率ng1并且具有对应于
Figure GSB00000542526000051
的外半径，通过管(10)形成的内包层的第二部分，具有折射率ng2并且具有对应于
Figure GSB00000542526000052
的外半径，以及外包层(16)，具有折射率ne并且具有半径ROC，其中
Figure GSB00000542526000053
根据一个特征，通过所述管形成内包层的第二部分的折射率和通过内包层的淀积形成的内包层的第一部分的折射率之间的差的绝对值，为|ng2-ng1|，等于或者小于中央芯和通过所述管形成的内包层的第二部分的折射率之间的差，|nc-ng2|，的10％。
根据另一个特征，|ng2-ng1|等于或者小于|nc-ng2|的1％。
本发明还涉及通过对本发明的最终预制棒进行拉丝形成的光纤。
根据一个特征，对于1550nm的波长，所述光纤具有0.18dB/km或者更低的损耗。
附图说明
本发明的其他优点和特征可以通过下面的作为示例的参考附图的本发明实施例的详细描述而更加明白，其中：
图1为本发明的预制棒的示意横截面图；
图2为通过对本发明的预制棒进行拉丝形成的光纤的设定折射率分布的例子，该设定折射率分布与本发明的预制棒的示意横截面图相关(不按比例)；以及
图3为通过对本发明的预制棒进行拉丝形成的光纤的设定折射率分布的另一个例子，该设定折射率分布与本发明的预制棒的示意横截面图相关(不按比例)。
具体实施方式
本发明提出了一种制造光纤预制棒的方法。
初级预制棒是从掺氟石英的厚管制成的。厚管表示管具有较大壁厚度。管的横截面面积最多比初级预制棒的总横截面面积小15％，优选地最多小10％，即初级预制棒的内包层的大部分(内包层的第二部分)包括掺氟的厚管。初级预制棒的内包层的小部分(内包层的第一部分)是通过在管内部的内包层淀积而形成的。对于所需要的内包层的厚度进行以下说明。形成内包层的管壁的厚度越大，则所需要的内包层的淀积的厚度越小。因此管内部的淀积量被限制，并且可以低成本制造大容量的初级预制棒。管可以具有大于700mm2例如900mm2的横截面面积，以及重量浓度在1％和2％之间的氟。目前使用的制造初级预制棒的大部分管具有小于400mm2的横截面面积。
初级预制棒是通过在管内部连续淀积掺氟石英层以形成内包层并且淀积纯石英或者略微掺锗石英层以形成中央芯而制造的。管中的淀积是化学气相淀积--CVD类型。通过将包含例如四氯化硅(SiCl4)、四氯化锗(GeCl4)、氯氧化磷(POCl3)、四氟化硅(SiF4)或者六氟化二碳(C2F6)和氧气等前驱物的气体混合物注入管内而进行这种类型的淀积。这些前驱物的氧化使得可以合成形成初级预制棒的芯和内包层的不同层。CVD型淀积包括改进的化学气相淀积MCVD、熔炉化学气相淀积FCVD和等离子体增强化学气相淀积PCVD。
在内包层和中央芯的淀积之后，对初级预制棒进行缩棒。在缩棒之后，用石英颗粒优选地低成本的天然石英颗粒对获得的初级预制棒进行外包以获得最终预制棒。最终预制棒的外包可以通过等离子体淀积而进行，其中通过等离子体喷枪在2300℃的温度下吹和熔化(天然)石英颗粒，从而天然石英颗粒在初级预制棒周边上玻璃化。通常在受控气压下在封闭的室中进行外包操作，以确保避免电磁干扰以及等离子体喷枪发出的臭氧的释放。
图1显示了本发明的最终光纤预制棒的横截面图。该最终光纤预制棒是通过初级预制棒15的外包16获得的。初级预制棒15具有关于所需光纤拉丝容量而预先确定的总横截面面积。初级预制棒15是通过管10内部掺杂和/或纯石英层的CVD淀积11而制造的。根据本发明，用来制造初级预制棒15的管10是掺氟石英管10，优选地氟的重量浓度在1％和2％之间。并且，本发明方法中使用的掺氟石英管10很厚，即具有较大的壁厚度，其横截面面积(由缩写CSA代表)最多比所述初级预制棒15的横截面面积小15％，优选地最多小10％。例如，管10可以具有大于700mm2的横截面面积，优选地小于1500mm2的横截面面积，更加优选地小于1000mm2的横截面面积。横截面面积表示如下：
CSA = π 4 ( Φ e 2 - Φ i 2 )
其中
Figure GSB00000542526000072
和
Figure GSB00000542526000073
分别为管10的外半径和内半径。ROC表示外包层的半径。
为了获得较大值的CSA，其大于700mm2，优选地小于1500mm2，更加优选地小于1000mm2，管10必须具有较大的外直径和较小的内直径，即它必须具有较大的壁厚度。
为了制造具有不掺杂或者仅略微掺锗的中央芯的光纤，管10中氟的存在和管10较大的壁厚度使得可以限制将在管10内部淀积的掺氟内包层的厚度，不需要淀积掺氟外包层，以确保信号传播在芯内的特性。掺氟的优点在于降低了水峰(water peak)的影响，特别是在PCVD工艺中。
管10的较小的内直径使得可以限制在管10内部淀积的层的厚度，CVD类型淀积成本相对高昂。只有中央芯和小部分掺氟内包层在管10内部淀积。管10的较大的外直径允许使用天然石英颗粒对初级预制棒15进行外包16，天然石英颗粒成本较低，同时保证光纤拉丝之后获得的光纤上较大的埋藏包层。
因此可以制造具有占据淀积在管10内部的层11的大部分的较大中央芯的初级预制棒15，因此提高了最终光纤预制棒的光纤拉丝容量，而没有恶化光信号传播特性。
例如，从具有900mm2横截面面积的管10，可以通过经由CVD淀积11仅淀积135mm2石英而制造横截面面积为1035mm2的初级预制棒15。由此降低了制造所述初级预制棒15的成本。更一般地说，初级预制棒15的横截面面积仅比管10的横截面面积大10％至15％。因此在本发明方法中限制了管10内部的淀积11的量。并且，从所述具有1035mm2数量级的横截面面积的初级预制棒15，可以在进行外包16之后获得大直径的最终光纤预制棒，支持拉丝产生大量光纤，即对于1米的最终光纤预制棒可以产生大约250km的光纤。
可以使用所谓的溶胶-凝胶技术制造掺氟石英的厚管10，其中包括制造塑模为管形状并且烘干的石英凝胶。获得刚性但是多孔的管，其中其在热空气流中硬化。可以直接添加氟掺杂物到石英凝胶中，或者在加热烘干管时通过注入氟化气体而添加。
图2显示了通过本发明的光纤预制棒的类似拉丝产生的光纤的设定折射率分布，在图2中该设定折射率分布与根据本发明的预制棒的横截面图相关(不按比例)。
在图2中，中央芯具有半径a和折射率nc，该折射率基本等于对应于纯石英折射率的外包层的折射率ne。芯可以为纯石英或者略微掺杂石英，并且外包层由于上述的成本因素优选地为纯石英。折射率为ng的内包层将芯与外包层隔开。内包层被埋藏，即其折射率ng小于外包层折射率ne。该条件是由于如下事实确定的，即中央芯具有接近于纯石英的折射率的折射率nc，并且必须保持关系nc＞ng以确保光信号的传播。
基于此目的，内包层为掺氟石英。如上所述，光纤的内包层对应于这样的本预制棒的区域，其覆盖管10和淀积在管10内部的内包层。更具体地说，埋藏的包层包括通过例如PCVD淀积在管10内淀积的掺氟石英层和管10自身。
在图2中显示了芯半径a，淀积在管10中的内包层的半径(对应于管10的内半径)
Figure GSB00000542526000091
并且管10的外半径
Figure GSB00000542526000092
(对应于掺氟包层的外半径b)。因此掺氟包层的外半径b对应于在外包之前通过本发明的制造方法获得的初级预制棒15的外半径。因此，根据先前给出的定义，比率b/a或者为8或者更大。因此，不管略微掺杂还是不掺杂，在具有图2所示的折射率分布的光纤中传播的光信号可以有效限制在中央芯中。
在图3中，显示了本发明的另一个实施例。图3显示了通过本发明的光纤预制棒的类似拉丝获得的光纤的另一个设定折射率分布，在图3中该设定折射率分布与根据本发明的预制棒的横截面图相关(不按比例)。在此实施例中，内包层的折射率包括两个级别，首先是通过内包层的淀积11形成的内包层的小部分或者第一部分的折射率ng1，第二是通过管10形成的内包层的较大或者第二部分的折射率ng2。优选地，这两个级别相同，即ng1＝ng2。然而，在管10内部淀积内包层时可能发生小的变化。通过管(10)形成的内包层和通过内包层的淀积(11)形成的内包层之间的折射率的差的绝对值即ng2和ng1之间的差的绝对值|ng2-ng1|优选地等于或者小于中央芯和通过管(10)形成的内包层之间的折射率差值即nc和ng2之间的差值|nc-ng2|的10％，更加优选地1％。这意味着ng1的级别可以略微高于或者略微低于ng2的级别。
通过本发明的预制棒拉丝产生的光纤的光损耗对于1550nm的传输波长为0.18dB/km或者更低。通过本发明的方法，可以低成本的制造大容量的预制棒，允许拉丝具有降低的传输损耗的光纤。

Claims (19)

1.一种制造具有一定横截面面积的光纤预制棒的方法，所述方法包括步骤：在掺氟石英管(10)内部进行内包层和中央芯的淀积(11)，其后对这样获得的管进行缩棒以形成初级预制棒(15)，以及使用石英颗粒对初级预制棒(15)进行外包以获得所述初级预制棒(15)的外表面上的外包层(16)，其特征在于，这样选择所述管(10)，其横截面面积最多比通过对所述管进行缩棒之后获得的初级预制棒(15)的横截面面积小15％，其中仅使用天然石英颗粒执行所述外包。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述管(10)的横截面面积最多比所述初级预制棒(15)的横截面面积小10％。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述管(10)内部的淀积(11)被控制，从而初级预制棒(15)的外半径与中央芯的半径之间的比率大于或者等于8。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述内包层的淀积(11)是由掺氟石英或者掺氟和掺锗石英形成的。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述中央芯的淀积(11)是由纯石英、掺锗石英或者掺锗和掺氟石英形成的。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述管(10)具有大于700mm2的横截面面积。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述管(10)具有小于1500mm2的横截面面积。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述管(10)具有小于1000mm2的横截面面积。
9.一种光纤预制棒，包括：
-初级预制棒(15)，具有一定横截面面积，并且包括掺氟石英管(10)，所述管(10)具有最多比所述初级预制棒(15)的横截面面积小15％的横截面面积，在所述管(10)中存在内包层和中央芯的淀积(11)；
-所述初级预制棒(15)的外表面上的外包层(16)，其中所述外包层(16)仅由天然石英形成。
10.根据权利要求9所述的光纤预制棒，其中所述管(10)的横截面面积最多比所述初级预制棒(15)的横截面面积小10％。
11.根据权利要求9所述的光纤预制棒，其中所述管(10)包含重量浓度在1％和2％之间的氟。
12.根据权利要求9所述的光纤预制棒，其中所述内包层的淀积(11)是由掺氟石英或者掺氟和掺锗石英形成的。
13.根据权利要求9所述的光纤预制棒，其中所述中央芯的淀积(11)是由纯石英、掺锗石英或者掺锗和掺氟石英形成的。
14.根据权利要求9所述的光纤预制棒，其中所述初级预制棒(15)的外直径与中央芯的直径之间的比率大于或者等于8。
15.根据权利要求9所述的光纤预制棒，其中所述预制棒从中心至外围包括中央芯，所述中央芯具有折射率nc和半径a；通过内包层的淀积(11)而形成的内包层的第一部分，具有折射率ng1并且具有对应于
Figure FSB00000542525900021
的外半径；通过管(10)形成的内包层的第二部分，具有折射率ng2并且具有对应于
Figure FSB00000542525900022
的外半径；以及外包层(16)，具有折射率ne并且具有半径ROC，其中
Figure FSB00000542525900023
16.根据权利要求15所述的光纤预制棒，其中通过所述管(10)形成的内包层的第二部分和通过内包层的淀积(11)形成的内包层的第一部分的折射率之间的差的绝对值|ng2-ng1|，等于或者小于中央芯和通过所述管(10)形成的内包层的第二部分的折射率之间的差|nc-ng2|的10％。
17.根据权利要求16所述的光纤预制棒，其中|ng2-ng1|等于或者小于|nc-ng2|的1％。
18.一种光纤，从根据权利要求9-17中任何一个的光纤预制棒拉丝形成。
19.根据权利要求18所述的光纤，其中所述光纤在1550nm波长处具有小于或者等于0.18dB/km的传输损耗。
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