CN103011577A - 光纤初级预制件、光纤最终预制件和光纤及其制造方法 - Google Patents

光纤初级预制件、光纤最终预制件和光纤及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及光纤初级预制件、光纤最终预制件和光纤及其制造方法。该光纤初级预制件的制造方法是用于使用等离子体化学内部气相沉积工艺制造光纤初级预制件的方法，其中，向中空玻璃基管的内部供给掺杂或未掺杂的玻璃形成前体，使等离子体形式的反应区沿着所述中空玻璃基管的长度在所述中空玻璃基管的位于供给侧附近的换向点和位于排出侧附近的换向点之间往返移动，所述中空玻璃基管被配置在加热炉内，并且在所述反应区内创建使得在所述中空玻璃基管的内部沉积由至少两个单独玻璃层构成的一个或多个玻璃层封装体的条件。

Description

光纤初级预制件、光纤最终预制件和光纤及其制造方法
技术领域
本发明涉及使用等离子体化学内部气相沉积工艺制造光纤初级预制件的方法，其中：向中空玻璃基管的内部供给掺杂或未掺杂的玻璃形成前体，使等离子体形式的反应区沿着前述中空玻璃基管的长度在该中空基管的位于供给侧附近的换向点和位于排出侧附近的换向点之间往返移动；该基管被配置在加热炉内；并且在前述反应区内创建条件以在前述基管的内部沉积由至少两个单独玻璃层构成的一个或多个玻璃层封装体。本发明还涉及用于制造最终预制件的方法、用于制造光纤的方法以及利用这些方法所获得的初级预制件、最终预制件和光纤。
背景技术
在内部气相沉积技术中，在中空玻璃基管的供给侧供给包括玻璃形成气体和可选掺杂物的反应混合物，之后在反应区内将所述气体转换成玻璃。未反应的气体和/或剩余产物经由中空玻璃基管的排出侧被排出。
在PCVD(等离子体化学气相沉积)型的内部气相沉积工艺中，反应区是沿着中空玻璃基管的长度往返移动的等离子体。在PCVD工艺中，与反应区正移动的方向无关地，在中空玻璃基管的内部直接沉积玻璃层。此外，PCVD工艺已公知，特别可参考US 4,741,747、US 5,145,509、US 5,188,648、WO2004/101458和US 2008/0044150。
在MCVD(Modified Chemical Vapor Deposition,改进的化学气相沉积)或FCVD(Furnace Chemical Vapor Deposition,加热炉化学气相沉积)型的内部气相沉积工艺中，通过分别使用燃烧器或加热炉对中空玻璃基管的外部加热来使玻璃形成气体和可选掺杂物能起反应。在位于燃烧器或加热炉附近的反应区中，玻璃形成气体被转换成所谓的粉尘(soot)，其中该粉尘在热泳的影响下沉积在中空玻璃基管的内部。通过加热使所述粉尘转换成玻璃。在MCVD或FCVD工艺中，仅在反应区向着中空玻璃基管的排出侧移动时沉积玻璃层。PCVD、MCVD和FCVD工艺在本领域已公知。
JP 57-51139公开了产生光纤所用的起始材料的MCVD工艺。按照周期，通过在供给侧附近的位置处开始沉积、并且反应区向着排出侧移动的距离根据各玻璃层而改变，在基管的内部沉积多个玻璃层。该起始材料通过连续执行多个周期来产生。
光纤包括纤芯和包住所述纤芯的外层(还称为“包层”)。该纤芯与该包层相比通常具有较高的折射率，使得光可以经由光纤传播。
光纤的纤芯可以包括各自在径向上具有特定厚度和特定折射率或特定折射率梯度的一个或多个的同心层。
具有包括径向上的折射率恒定的一个或多个同心层的纤芯的光纤还被称为(多)阶梯折射率光纤。同心层的折射率ni和包层的折射率ncl之间的差可以以所谓的德尔塔值(表示为Δi%)来表示，并且可以根据以下公式来计算。
Δ i % = n i 2 - n cl 2 2 n i 2 * 100 %
其中：
ni=层i的折射率值
ncl=包层的折射率值
还可以以获得具有所谓的渐变折射率分布的纤芯的方式来制造光纤。利用Δ值Δ%和所谓的阿尔法值α来定义这种径向折射率分布。纤芯的最大折射率用于确定Δ%值。可以利用以下公式来确定α值。
n ( r ) = n 1 ( 1 - 2 Δ % ( r a ) α ) 1 2
其中：
n1=光纤中心的折射率值
a=渐变折射率纤芯的半径[μm]
α=阿尔法值
r=光纤的径向位置[μm]
将光纤的径向折射率分布视为表示作为光纤的径向位置的函数的折射率。同样，还可以以图形表示相对于包层的折射率差作为光纤的径向位置的函数，也被视为径向折射率分布。
径向折射率分布的形式、特别是纤芯的径向上同心层的厚度以及折射率或折射率梯度确定了光纤的光学性质。
初级预制件包括一个或多个预制件层，其中该一个或多个预制件层构成可以从最终预制件获得的光纤的纤芯的一个或多个同心层和/或部分包层的基础。
预制件层由多个玻璃层构成。在内部气相沉积工艺中，玻璃层是在反应区从供给侧向着排出侧移动或者从排出侧向着供给侧移动时所沉积的层。
这里所指的最终预制件是使用光纤拉丝工艺制造光纤所利用的预制件。
为了获得最终预制件，从外部向初级预制件提供附加玻璃层，其中该附加玻璃层包括包层或包层的一部分。可以将所述附加玻璃层直接施加至初级预制件。还可以将初级预制件放置在已形成的玻璃管(还称为“套管”)内。可以使所述套管箍在初级预制件上。最终，初级预制件可以包括光纤的纤芯和包层，使得无需施加附加玻璃层。在这种情况下，初级预制件相当于最终预制件。可以针对初级预制件和/或最终预制件测量径向折射率分布。
最终预制件的长度和直径确定了根据该最终预制件可以获得的光纤的最大长度。
因此，为了降低光纤的制造成本和/或提高每初级预制件的产量，希望基于最终预制件制造满足所需质量标准的最大长度的光纤。
可以通过向初级预制件施加较厚的附加玻璃层来增加最终预制件的直径。由于光纤的光学性质由径向折射率分布来确定，因此附加玻璃层相对于将形成光纤内的纤芯、更具体为该纤芯的一个或多个同心层的初级预制件的预制件层的层厚度必须总是成适当比例。结果，施加至初级预制件的附加玻璃层的层厚度受限于通过内部气相沉积工艺所形成的预制件层的厚度。
可以通过增加初级预制件的长度、更具体为可用长度来增加最终预制件的长度。术语“可用长度”应当被理解为初级预制件的光学性质保持在预定容许极限内沿线的长度，其中已选择了容许极限以获得满足期望质量标准的光纤。
为了确定初级预制件的可用长度，在沿着该初级预制件的长度的多个位置处测量径向折射率分布，之后可以根据需要来基于所述测量值确定各预制件层的所谓的纵向折射率分布和纵向几何分布。
因而，纵向折射率分布可被看作图形表示作为初级预制件内的纵向位置的函数的预制件层的折射率。当然，还可以使用折射率差而不是折射率来确定纵向折射率分布。
纵向几何分布可被看作图形表示作为初级预制件的纵向位置的函数的预制件层的截面面积的厚度。可以基于径向折射率分布来计算还被称为CSA的截面面积。可以如下计算CSA。
CSA i = π 4 ( d i , u 2 - d i , i 2 )
其中，
CSAi=预制件层i的截面面积[mm2]
di,u=预制件层i的外径[mm]
di,i=预制件层i的内径[mm]
初级预制件的可用长度特别受到所谓的“锥形(taper)”的不利影响。术语“锥形”应当被理解为初级预制件在其端部附近的区域内的光学性质/几何性质的偏差。光学锥形和几何锥形存在区别。
光学锥形是指折射率(或折射率差)的偏差，而几何锥形是指预制件层的截面面积的偏差。
在初级预制件包括几个预制件层的情况下，预制件层的光学锥形和几何锥形可能彼此不同。
本领域内已知有用于减轻光学锥形和/或几何锥形的方法。
例如，美国专利US 4,741,747公开一种用于根据PCVD工艺制造光学预制件的方法，其中除了反应气体混合物的玻璃管的温度为1100°C~1300°C且压力为1hPa~30hPa以外，还通过使等离子体在该玻璃管内部的两个换向点之间往返移动来沉积玻璃层。通过使等离子体在这些换向点中的至少一个附近根据时间而非线性地移动，使在光纤预制件的端部处展现出非恒定的沉积几何形状的区域的范围缩小。
本发明人已发现这种方法的确使得几何锥形有所减轻，但光学锥形并未得到改善、甚至变得更差。此外，本发明人已发现，在一些情况下，还有必要改变位于所谓的锥形区域外的其它位置处的沉积玻璃的折射率。
因而，尽管使用现有技术的方法可增加初级预制件的可用长度，但需要可以使可用长度进一步增加的方法。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种用于制造可用长度大的光纤初级预制件的方法。
本发明的另一目的在于提供一种用于制造光纤初级预制件的方法，其中光学锥形的改变可以与几何锥形无关地进行。
本发明的又一目的在于提供一种方法，利用该方法，可以根据初级预制件的纵向上的位置来精确设置所需的折射率和/或截面面积。
根据本发明的用于制造可用长度大的光纤初级预制件的方法是用于使用等离子体化学内部气相沉积工艺制造光纤初级预制件的方法，其中，向中空玻璃基管的内部供给掺杂或未掺杂的玻璃形成前体，使等离子体形式的反应区沿着所述中空玻璃基管的长度在所述中空玻璃基管的位于供给侧附近的换向点和位于排出侧附近的换向点之间往返移动，所述中空玻璃基管被配置在加热炉内，并且在所述反应区内创建使得在所述中空玻璃基管的内部沉积由至少两个单独玻璃层构成的一个或多个玻璃层封装体的条件，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
i)针对要彼此相邻地沉积的多个玻璃层的沉积定义沉积条件，并且在所定义的沉积条件下形成玻璃层封装体；
ii)针对要彼此相邻地沉积的连续多个玻璃层的沉积定义沉积条件，并且在所定义的沉积条件下形成后续的玻璃层封装体，其中针对i)和ii)所定义的沉积条件彼此不同；以及
iii)在可能的情况下重复步骤i)和ii)，
其中，在iii)中所定义的沉积条件与在i)和ii)中所定义的沉积条件可能相同。基于上述方法，由此实现了本申请的一个或多个目的。
本发明人已发现，要通过等离子体化学内部气相沉积工艺沉积的玻璃层的折射率的轴向分布和层厚度依赖于多个工艺因素，其中可以提及的有沉积程度、配置于基管周围的加热炉的温度分布、可移动的反应区的速度分布以及氧供给量等。基于前述工艺参数，可以设置折射率分布和层厚度这两者沿着基管的长度的非常均匀的分布。因而，本发明人旨在设置这样的方法，该方法的目的是获得关于折射率和层厚度这两者的均匀性的最好结果。
因而，本发明基于如下假设：为了获得关于折射率和/或层厚度沿着基管的长度的更加均匀的分布，使用玻璃层封装体的组合，其中这些玻璃层封装体在单独考虑的情况下在折射率或层厚度方面不具有期望性质，但在彼此组合的情况下具有期望性质。因而，本发明人已通过使用等离子体化学内部气相沉积工艺形成玻璃层封装体实现了本发明，其中使用了层的组合，这样获得了对于玻璃层封装体的折射率和截面面积这两者而言作为位置的函数的更加恒定的结果。
如本申请中所使用的术语“玻璃层封装体”应被看作彼此相邻配置的玻璃层的集合体。特别地，这适用于：包括彼此相邻配置的多个玻璃层的玻璃层封装体内的沉积条件彼此相同的情况。因而，步骤i)中所获得的玻璃层封装体的沉积条件对于存在于该玻璃层封装体内的各玻璃层而言是相同的。根据本方法的步骤ii)，使用等离子体化学内部气相沉积工艺来获得后续的玻璃层封装体，其中所述后续的玻璃层封装体所使用的沉积条件不同于根据步骤i)所获得的玻璃层封装体所用的沉积条件。可以根据需要重复前述的步骤i)和ii)，由此获得玻璃层封装体a、b、c、d等，其中玻璃层封装体a、b、c、d所用的沉积条件彼此不同。因而，可以使用等离子体化学内部气相沉积工艺来获得几个玻璃层封装体，其中在彼此相邻配置的玻璃层封装体所用的沉积条件必须彼此不同的前提下，可以使用任何随机顺序的沉积条件。因此，例如a、b、c、b、a的玻璃层封装体组合是可以的，a、b、c、d、a、b、c等的组合也是可以的。本发明并未限制玻璃层封装体的数量，因此根据玻璃光纤的特定分布条件，可以包括两个、三个、四个或更多个的玻璃层封装体。在这方面，如下条件很重要：在玻璃层封装体内使用相同的沉积条件，并且后续的玻璃层封装体所用的沉积条件不同于先前通过沉积所获得的相邻玻璃层封装体所使用的沉积条件。因而，期望同一个玻璃层封装体内彼此相邻配置的玻璃层的沉积条件彼此相对应。更特别地，期望在特定玻璃层封装体内，通过沉积所获得的一个玻璃层的折射率值与通过沉积所获得的另一玻璃层的折射率值相对应。玻璃层封装体内的玻璃层的数量不应当被构造成限制性的。除此之外，一个玻璃层封装体内的玻璃层的数量在本质上不同于另一玻璃层封装体内的玻璃层的数量。
玻璃层是在反应区的移动期间形成的。这意味着在反应区例如从供给侧向排出侧移动时将形成单个玻璃层。在相同工艺条件仍适用的情况下，在反应区从排出侧向供给侧移动时也将形成玻璃层。如此沉积在玻璃基管的内部的玻璃层的组合形成玻璃层封装体。在例如通过增加反应混合物内的掺杂物量使沉积条件中的一个或多个改变、从而导致与前述玻璃层封装体不同的折射率的情况下，“新”玻璃层封装体的沉积将开始。并且，这种“新”玻璃层封装体可以包括几个玻璃层，即这些玻璃层的数量可能不同于存在于先前的玻璃层封装体内的玻璃层的数量。并且，各玻璃层封装体的折射率值可能不同于其它玻璃层封装体的折射率值。本发明基于如下想法：由彼此相邻配置的多个个体玻璃层封装体的组合构成的玻璃层封装体的平均折射率值至关重要，其中玻璃层封装体的组合构成所谓的预制件层；并且各玻璃层封装体的个体折射率值可能不同于“组合”值。该“组合”值是重要因素。并且，很明确，初级预制件可以包括几个预制件层。
在前述说明中，仅参考了折射率值，但本发明还适用于如以下将详细说明的截面面积(CSA)的技术特征。
此外，本发明人已发现：由彼此相邻配置的多个个体玻璃层封装体的组合构成的玻璃层封装体的平均折射率值应被看作各个体玻璃层封装体的折射率值的组合，其中前述组合玻璃层封装体内的至少两个这种个体玻璃层封装体的折射率值彼此不同。
此外，还适用于：由彼此相邻配置的多个个体玻璃层封装体的组合构成的玻璃层封装体的截面面积(CSA)应被看作各个体玻璃层封装体的C SA值的组合，其中前述组合玻璃层封装体内的至少两个这种个体玻璃层封装体的CSA值彼此不同。
然而，本发明决没有限制玻璃层封装体的特定数量，也决没有限制特定玻璃层封装体内的玻璃层的数量。
本发明基于如下认识：当对最终预制件进行拉丝时，在该最终预制件内通过使用内部气相沉积工艺所沉积的玻璃层的层厚度大幅减小。一般光纤的直径为125μm。例如，单模光纤的最终预制件的直径约为100mm~150mm、或者更大。因此，在光纤的制造期间，预制件层的厚度以及最终预制件内的玻璃层的厚度以约为800~1200量级或者更大的倍数减小。
本发明人已意识到光经由光纤传播的方式受多个相邻玻璃层的平均性质而不是各个体玻璃层的性质所影响。因而，本发明人已发现：可以利用玻璃层封装体来构成预制件层，其中各玻璃层封装体包括至少两个玻璃层并且这些玻璃层封装体的光学性质彼此不同；但玻璃层封装体的组合不会对光经由光纤的传播产生影响。
因此，使用本发明，可以对玻璃层的沉积条件进行设置，使得几何锥形最小而光学锥形根本未受影响。此外，使用本发明，可以对玻璃层的沉积条件进行设置，使得光学锥形最小而几何锥形根本未受影响。换句话说，使用本发明，已发现可以彼此独立地对光学锥形和几何锥形进行设置。结果，与现有技术的方法相比，可以增加初级预制件的可用长度。
本发明还提供制造初级预制件的可能性，其中各预制件层的截面面积的比沿着初级预制件的长度大致恒定，但预制件层的层厚度沿着初级预制件的长度不恒定。在另一处理步骤中，这种初级预制件可以配置有附加玻璃层，其中选择该附加玻璃层的层厚度，以使得附加玻璃层的截面面积和预制件层的截面面积之间的比沿着初级预制件的长度恒定。这样，获得了如下的最终预制件，在该最终预制件中，附加层和预制件层之间的比沿着该最终预制件的长度恒定。这种最终预制件的外径在纵向上通常不恒定。前述技术还被称为“分布包覆(profilecladding)”。在被拉制成外径恒定的光纤之后，基于分布包覆技术所制作的最终预制件将导致纤芯的同心层和包层的层厚度在纵向上大致恒定的光纤，而这导致展现出纵向上大致恒定的光学性质的光纤。
在优选实施例中，玻璃层封装体的玻璃层各自在径向上的厚度为0.1μm~10μm，优选为0.5μm~5μm。
在另一优选实施例中，构成玻璃层封装体的玻璃层的数量为2~100，优选为2~50，并且更优选为4~30。相对高的玻璃层数量使得可以精确控制玻璃层封装体的平均光学性质。小的玻璃层数量相对容易控制，但考虑到设置玻璃层封装体的平均光学性质的可能性而施加了限制。可以通过使用包括约10~20个玻璃层的玻璃层封装体来执行实践上容易控制的工艺。
优选对玻璃层封装体的玻璃层的数量进行设置，以使得满足以下条件。
N ≤ 0,1 * λ * Q final d * Q fibre
其中，
N=玻璃层封装体内的玻璃层的数量[-]
λ=光纤所使用的最小波长[μm]
d=初级预制件的玻璃层封装体内的玻璃层的厚度[μm]
Qfinal=基于初级预制件所制作的最终预制件的直径[mm]
Qfibre=光纤的直径[mm]
定义沉积条件优选包括从以下组中选择的一个或多个工艺参数的设置：在供给侧测定的气体形成前体的流量、掺杂物的百分比、反应区的速度、反应区的等离子体的强度以及反应区的长度。
注意，必须将反应区的移动方向视为沉积条件。
在本发明中，期望在用于形成玻璃层封装体的玻璃层的沉积期间，使各沉积条件沿着沉积长度、即基管中的反应区在两个换向点之间移动的长度保持恒定。因而，在特定实施例中，适用于：针对由多个玻璃层构成的一个玻璃层封装体的沉积所确定的沉积条件在所述一个玻璃层封装体的沉积期间恒定，并且针对由多个玻璃层构成的另一玻璃层封装体的沉积所确定的沉积条件在所述另一玻璃层封装体的沉积期间也恒定，但所述一个玻璃层封装体所使用的沉积条件不同于所述另一玻璃层封装体所使用的沉积条件。
掺杂物可以是使折射率增大或减小的介质。本发明不限于使用一种掺杂物，并且还可以使用掺杂物的组合。此外，所使用的掺杂物可以针对玻璃层封装体的各玻璃层而改变。适当的掺杂物例如有GeCl4、PO2Cl5、N2CF4、SiF4、C2F6、C4F8、CCl2F2、SiF4、Si2F6、SF6、NF3和F2。
通过沿着初级预制件的长度设置掺杂物的量，可以获得期望的纵向折射率分布。如果需要，则还可以根据纵向上位置来设置反应区的速度从而影响玻璃层的厚度。因而，还可以影响几何锥形。
根据情况，诸如O2、Ar和He等的气体在被供给至反应区时可能对等离子体的强度产生影响，其结果是可以使掺杂物的混入效率增大或减小。此外，沉积玻璃的总量、因而玻璃层的层厚度可能在一定程度上受到影响。
沉积长度被视为中空玻璃基管的在供给侧附近的反应区换向点和排出侧附近的反应区换向点之间的距离。因而，针对玻璃层封装体的玻璃层，可以通过设置反应区的换向点的位置来设置沉积长度。改变沉积长度是对玻璃层封装体在供给侧和/或排出侧附近的层厚度产生影响的一个可能手段。优选地，供给侧的沉积长度被缩减不大于等离子体的长度。此外，优选地，排出侧的沉积长度被缩减不大于等离子体的长度。PCVD工艺期间等离子体的长度约为5cm~60cm，优选为15cm~25cm。注意，设置沉积长度不应当被理解为定义沉积条件。
反应区优选是利用微波所生成的等离子体，该反应区优选以2m/min~40m/min、优选为15m/min~25m/min的平均速度在两个换向点之间沿着中空玻璃基管的纵向往返移动。
初级预制件优选包括至少一个预制件层，其中，该预制件层至少部分由玻璃层封装体构成，该预制件层的径向上平均折射率大致恒定。本发明的原理适用于(平均)折射率恒定的预制件层(还称为“阶梯折射率”预制件层)、以及折射率不恒定的预制件层这两者。例如，本发明还可用于制造纤芯为渐变折射率型或者纤芯为三角形折射率分布的光纤预制件。
在初级预制件包括几个不同的预制件层的情况下，构成所述不同预制件层的玻璃层封装体可能彼此不同。第一预制件层例如可以由包括10个玻璃层的玻璃层封装体构成，而第二预制件层由包括16个玻璃层的玻璃层封装体构成。各种玻璃层封装体所用的沉积条件还可以彼此不同，但对于这种玻璃层封装体内的各玻璃层使用相同的沉积条件。
本发明还涉及一种用于制造光纤最终预制件的方法，包括以下步骤：
i)根据本发明制造初级预制件；
ii)在热源的影响下，使在步骤i)中所获得的初级预制件收缩成实心初级预制件，
iii)可选地向在步骤ii)中所获得的实心初级预制件的外侧施加附加量的玻璃，从而形成所述最终预制件。
随后，可以通过对最终预制件的一端加热并从被加热的一端拉制出光纤来制造光纤。
附图说明
现在将参考若干附图通过示例来更详细地说明本发明，然而应当注意，本发明不限于此。
图1示意性示出等离子体化学内部气相沉积工艺。
图2示意性示出阶梯折射率光纤的径向折射率分布。
图3示出所谓的单模光纤的折射率分布的两个示例。
图4示出不同玻璃层封装体的作为位置的函数的截面面积分布(CSA)的示例。
图5示出不同玻璃层封装体的作为位置的函数的折射率值的示例。
图6示出作为预制件棒中的位置的函数的单模光纤的折射率值。
图7示出作为预制件棒中的位置的函数的单模光纤的截面面积分布。
图8示出针对由三个玻璃层封装体构成的纤芯的、作为位置的函数的折射率分布。
图9示出针对由三个玻璃层封装体构成的纤芯的、作为位置的函数的平均折射率分布。
图10示出针对由三个玻璃层封装体构成的纤芯的、作为位置的函数的平均截面面积分布。
图11示出根据现有技术使用PCVD工艺所制造的初级预制件的纵向折射率分布。
图12示出根据比较例的初级预制件的纵向几何分布。
具体实施方式
图1示意性示出用于制造光纤初级预制件的内部气相沉积工艺。中空玻璃基管5具有供给侧6和排出侧7。供给侧6和排出侧7可以分别配置在进气口和出气口(未示出)之间。例如可以利用配置有O形环密封的圆筒通路对供给侧6和排出侧7进行钳制，使得中空玻璃基管5的内部容积与外部大气隔离。在泵(未示出)连接至出气口的情况下，这种结构使得可以在减压下执行内部气相沉积工艺。在气相沉积工艺期间，在供给侧6供给包含玻璃形成气体和可选掺杂物的反应混合物。在根据本发明的方法中所供给的任何附加掺杂物，可以在供给侧6直接供给，或者可以在供给之前与反应混合物混合。
在图1中还示出反应区8，在内部气相沉积工艺期间，反应区8在位于供给侧6附近的换向点11和位于排出侧7附近的换向点12之间往返移动。反应区8在基管5的纵向上的长度9相对于沉积长度而言相对小。对于PCVD工艺，长度9约为5cm~60cm。
两个换向点之间的距离为沉积长度10，其中沉积长度10与在中空玻璃基管5的内部沉积玻璃层的长度相对应。在PCVD型的内部气相沉积工艺中，至少沉积长度10和两个换向点可以被加热炉(未示出)包住，其中将该加热炉的温度设置为约800°C~1300°C，优选为950°C~1100°C。
在内部气相沉积工艺期间，经由中空玻璃基管5的供给侧6供给掺杂或未掺杂的玻璃形成气体的气体混合物，其中这些玻璃形成气体在反应区8内被转换成玻璃。通过反应区8在换向点11和12之间的往返移动，从而在中空玻璃基管5的内部沉积了多个玻璃层3(参见图3和4)。
本发明涉及PCVD型的内部气相沉积工艺，其中微波经由在纵向上部分包住中空玻璃基管5的谐振空间(还称为谐振器)耦合至中空玻璃基管5的内部，从而形成反应区8、即等离子体。反应区8的长度9特别依赖于谐振器的结构和工艺设置。在纵向上，反应区9的长度和谐振器的长度之间的比约为0.5~3。
在PCVD工艺中，使谐振空间沿着中空玻璃基管的长度在换向点11和12之间往返移动。谐振器在本领域内已公知，例如，所公开的美国专利申请US 2007/0289532、US 2003/0159781和US 2005/0172902以及美国专利US 4,844,007、US 4,714,589和US 4,877,938。PCVD工艺是所谓的低压工艺，这意味着将内部气相沉积工艺期间的压力设置为1mbar~40mbar、优选为5mbar~30mbar。
在图2中，示意性示出收缩型光纤初级预制件的径向折射率分布。该初级预制件包括纤芯1和包层2。将纤芯1和包层2之间的折射率差表示为Δn1。纤芯1和包层2这两者均具有径向上恒定的折射率值。因而，提供了阶梯折射率型光纤的初级预制件。在制造根据图2的初级预制件时，包层2包括基管5，并且可能包括一个或多个附加预制件层(未示出)；所述附加预制件层应被看作由几个玻璃层3构成的预制件层。玻璃层3是在内部气相沉积工艺期间通过反应区8的往返移动所沉积的。注意，初级预制件内的基管5不应当被视为预制件层。
在将初级预制件加工成光纤期间，该初级预制件内的玻璃层的层厚度减小了多倍。PCVD型工艺的玻璃层封装体内的个体玻璃层的层厚度为每玻璃层0.1μm~10μm。依赖于所制造的光纤的类型，最终预制件的外径为50mm~200mm，使得初级预制件内的玻璃层的层厚度分别缩减了400~1600倍。这对通过PCVD工艺所制造的初级预制件造成的结果是，光纤内的玻璃层的层厚度会比经由该光纤传播的光的波长小很多倍，使得所述光受彼此相邻的相对大量玻璃层所影响但受个体玻璃层的影响不大。
光纤主要用于约为850nm~1700nm的波长范围。此外，一般光纤的直径约为125μm，更通常该直径在80μm~250μm的范围内。
本发明人认为，除了玻璃层的层厚度的影响以外，在将初级预制件加工成光纤期间，存在于玻璃层内的掺杂物略微扩散到相邻的玻璃层。其结果是，相邻的玻璃层之间的折射率差略微减小。
图3示出所谓的单模光纤的折射率分布的两个示例。左手侧所示的分布是理想单模光纤的分布，其中折射率在整个径向上表现出恒定值。右手侧示意性示出根据本发明的原理。纤芯的沉积受到了形成几个还被称为“堆叠体(stack)”的玻璃层封装体的影响，其中这些玻璃层封装体表现出不同的折射率值。然而，在这种玻璃层封装体内，折射率值恒定。通过对不同的玻璃层封装体使用不同的沉积条件并组合由此获得的玻璃层封装体的折射率值，获得了与如该图的左手侧所示的值相同的纤芯的平均折射率值。尽管在图3中可以区分出七个不同的玻璃层封装体，但应当理解，应用不限于该数量。此外，在右手侧，“高”堆叠体和“低”堆叠体(实际为堆叠体A和堆叠体B的组合)的折射率值总是相同的。此外，在这方面，应当注意，应用不限于堆叠体A和堆叠体B的组合，而且例如可以是A B C B C A等的许多实施例。
图4示出不同玻璃层封装体的作为位置的函数的截面面积分布(CSA)的示例。在该图左手侧CSA值最高的线可被看作第一堆叠体的CSA。在该图左手侧CSA值最低的线可被看作第二堆叠体的CSA。剩余的线是前述两条线的总和的一半。
图5示出不同玻璃层封装体的作为位置的函数的折射率值的示例。在该图左手侧折射率值最高的线可被看作第一堆叠体的折射率。在该图左手侧折射率值最低的线可被看作第二堆叠体的折射率。剩余的线是前述两条线的总和的一半。
在图4和图5中均显而易见，作为位置的函数，平均值表现出更加均匀的特性。
图6示出作为预制件棒中的位置的函数的单模光纤的折射率值，而在预制件棒的两端处可以区分出相对于中央区域、即200mm~1000mm偏离的区域。这些偏离值限制了可以获得光纤的预制件棒的长度的使用。
图7示出作为预制件棒中的位置的函数的单模光纤的截面面积分布。与图6相同，在该图的两端处可以区分出相对于中央区域、即200mm~1000mm偏离的区域。
图8示出针对根据本发明的由三个玻璃层封装体构成的纤芯的、作为位置的函数的折射率分布。可以获得光纤的预制件棒的可用长度大于图6和图7所示的可用长度。
图9示出针对根据本发明的由三个玻璃层封装体构成的纤芯的、作为位置的函数的平均折射率分布。同样在该图中，可以看出预制件棒的可用长度与图6和图7所示的可用长度相比有所增加。
图10示出针对根据本发明的由三个玻璃层封装体构成的纤芯的、作为位置的函数的平均截面面积分布。可以清楚地看出预制件棒的可用长度与图6和图7所示的可用长度相比有所增加。
比较例
图11示出根据现有技术使用PCVD工艺所制造的初级预制件的纵向折射率分布。在横轴上标绘沿初级预制件的长度的位置，而在纵轴上标绘折射率。根据比较例的初级预制件具有三个预制件层，即将构成光纤纤芯的折射率高的预制件层13、预制件层14和预制件层15。在预制件层13、14和15各自的折射率值附近示出两条水平线，这两条线与预制件层的折射率的容许极限相对应。
针对根据比较例的初级预制件的预制件层的折射率的测量在约为-175mm的位置处开始并且在约为950mm的位置处结束。
如从所述图可以观察到的，在部分长度上，特别是预制件层13的折射率不在容许极限内。结果，根据比较例的初级预制件的考虑到折射率的可用长度被限制为长度上在约为-20mm的位置与约为800mm的位置之间的部分或更短。其结果是，根据比较例的初级预制件的可用长度最多约为820mm。
图12示出根据比较例的初级预制件的纵向几何分布。在横轴上标绘沿预制件的长度的位置，而在纵轴上标绘预制件层的直径。根据初级预制件的位置示出预制件层13、14和15的直径。在预制件层13、14和15各自的直径值附近示出两条水平线，这两条线与预制件层的直径的容许极限相对应。
如从所述图可以观察到的，在部分长度上，特别是预制件层14的直径不在容许极限内。结果，根据比较例的初级预制件的考虑到几何性质的可用长度局限于长度上在约为0mm的位置和约为1125mm的位置之间的部分。
由于根据比较例的初级预制件的可用长度已因考虑到折射率而限制在约为-20mm的位置和约为800mm的位置之间，根据比较例的初级预制件的可用长度局限于长度上在位置0mm~位置800mm之间的部分。换句话说，根据比较例的初级预制件的可用长度约为800mm。

Claims (18)

1.一种用于使用等离子体化学内部气相沉积工艺制造光纤初级预制件的方法，其中，向中空玻璃基管的内部供给掺杂或未掺杂的玻璃形成前体，使等离子体形式的反应区沿着所述中空玻璃基管的长度在所述中空玻璃基管的位于供给侧附近的换向点和位于排出侧附近的换向点之间往返移动，所述中空玻璃基管被配置在加热炉内，并且在所述反应区内创建使得在所述中空玻璃基管的内部沉积由至少两个单独玻璃层构成的一个或多个玻璃层封装体的条件，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
i)针对要彼此相邻地沉积的多个玻璃层的沉积定义沉积条件，并且在所定义的沉积条件下形成玻璃层封装体；
ii)针对要彼此相邻地沉积的连续多个玻璃层的沉积定义沉积条件，并且在所定义的沉积条件下形成后续的玻璃层封装体，其中针对i)和ii)所定义的沉积条件彼此不同；以及
iii)在可能的情况下重复步骤i)和ii)，
其中，在iii)中所定义的沉积条件与在i)和ii)中所定义的沉积条件可能相同。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，玻璃层封装体内的彼此相邻的玻璃层的沉积条件彼此相对应。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在特定玻璃层封装体内，通过沉积所获得的一个玻璃层的折射率值与通过沉积所获得的另一玻璃层的折射率值相对应。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，由彼此相邻配置的多个个体玻璃层封装体的组合构成的玻璃层封装体的平均折射率值被看作各个体玻璃层封装体的折射率值的组合，其中组合得到的玻璃层封装体内的至少两个个体玻璃层封装体的折射率值彼此不同。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，由彼此相邻配置的多个个体玻璃层封装体的组合构成的玻璃层封装体的截面面积即CSA被看作各个体玻璃层封装体的CSA值的组合，其中组合得到的玻璃层封装体内的至少两个个体玻璃层封装体的CSA值彼此不同。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，各玻璃层封装体的各玻璃层在径向上的厚度为0.1微米~10微米，优选为0.5微米~5微米。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中，玻璃层封装体内的玻璃层的数量为2~100，优选为2~50，更优选为4~30。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其中，玻璃层封装体内的玻璃层的数量被设置成满足以下条件：
N ≤ 0,1 * λ * Q final d * Q fibre
其中，
N=玻璃层封装体内的玻璃层的数量[-]
λ=光纤所使用的最小波长[μm]
d=初级预制件的玻璃层封装体内的玻璃层的厚度[μm]
Qfinal=基于所述初级预制件所制造的最终预制件的直径[mm]
Qfibre=所述光纤的直径[mm]。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其中，所述沉积条件的定义包括从以下组中选择的一个或多个工艺参数的设置：在所述供给侧测定的玻璃形成前体的流量、掺杂物的百分比、所述反应区的速度、所述反应区的等离子体的强度以及所述反应区的长度。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，在用于形成玻璃层封装体的玻璃层的沉积期间，使各沉积条件沿着沉积长度保持恒定，即沿着所述中空玻璃基管中的、所述反应区在两个换向点之间移动的长度保持恒定。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，针对由多个玻璃层构成的一个玻璃层封装体的沉积所确定的沉积条件在所述一个玻璃层封装体的沉积期间恒定，并且针对由多个玻璃层构成的另一玻璃层封装体的沉积所确定的沉积条件在所述另一玻璃层封装体的沉积期间也恒定，但所述一个玻璃层封装体所使用的沉积条件不同于所述另一玻璃层封装体所使用的沉积条件。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，其中，所述反应区以2m/min~40m/min、优选为15m/min~25m/min的平均速度沿着所述中空玻璃基管的长度移动。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的方法，其中，所述初级预制件包括至少一个预制件层，该预制件层至少部分由玻璃层封装体构成，并且所述预制件层在径向上具有大致恒定的平均折射率以及/或者恒定的平均截面面积。
14.一种用于制造光纤最终预制件的方法，包括以下步骤：
i)根据权利要求1至13中任一项所述的方法制造初级预制件；
ii)在热源的影响下，使步骤i)中所获得的初级预制件收缩成实心初级预制件；以及
iii)可选地向步骤ii)中所获得的实心初级预制件的外侧施加附加量的玻璃，从而形成所述最终预制件。
15.一种用于制造光纤的方法，包括：根据权利要求14所述的方法制造最终预制件，之后对所述最终预制件的一端加热，并随后从被加热的一端拉制出光纤。
16.一种初级预制件，其能够通过使用根据权利要求1至13中任一项所述的方法来获得。
17.一种最终预制件，其能够通过使用根据权利要求14所述的方法来获得。
18.一种光纤，其能够通过使用根据权利要求15所述的方法来获得。
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