CN103030269B - 多模光纤 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多模光纤，与常规结构相比，这种多模光纤所具有的结构使其能稳定制造并且加宽了通信带宽。多模光纤具有掺杂有GeO2和氯且直径为2a的芯部。芯部中沿多模光纤直径方向的氯浓度分布具有这样的形状，使得在芯部半径方向与芯部中心的距离在0.9a~1.0a范围内的第二测量位置处的氯浓度，高于在芯部半径方向与芯部中心的距离为a/2的第一测量位置处的氯浓度。
Description
技术领域
本发明涉及一种多模光纤。
背景技术
周知的是，对于长距离光纤通信来说，由于多模光纤的结构，其传输损耗高于单模光纤。另一方面，由于多模光纤易于连接，且可以采用性能要求较低的装置，因而容易构建网络，这种光纤已在采用局部区域信息通信的应用中广泛使用，诸如LAN（局域网）中。
最近，以改进上述局部区域信息通信中的信号质量为目的，积极研究用于降低上述多模光纤中的传输损耗以及扩展通信带宽（转变为宽带通信）的技术。
发明内容
本发明人研究的用于制造宽带多模光纤的技术具有良好稳定性。在本说明书中，表述“光纤”指“多模光纤”，除非另有特别说明。
因此，为了制造具有良好稳定性的宽带多模光纤，必须使在光纤直径方向上的折射率分布与期望形状精确匹配。为了获得期望形状的折射率分布，首先，需要添加GeO2，以于直径方向获得正确的浓度，但这样的措施并不总是充分的。例如，在预制棒拉丝之后所得到的光纤中，在光纤内部残余应力的影响下折射率分布会轻微变化。在这种情况下，重要的是在光纤生产过程中设法减少残余应力对折射率波动的影响、或者任何时候都维持相同的分布。残余应力受到预制棒拉丝时施加至光纤的张力以及拉丝所制成光纤进行固化的条件影响。理想的是，将残余应力减少至零，但实际上这很困难。例如，当拉丝之后使光纤冷却时，随着光纤冷却过程进行，光纤温度从光纤表面朝其内部降低，并且，作为光纤材料的玻璃发生固化，结果，在一定的固化条件下应力会残留在光纤内。特别地，由于已将GeO2添加至芯部并且芯部的膨胀系数高于包层部的膨胀系数，在光纤冷却期间芯部显著收缩，并且，由这种收缩导致的应力也残留在所得到的光纤中。
考虑到上述事实，本发明人已经发现，通过有目的地对正在制造的多模光纤中的氯浓度分布进行控制，可以使在沿直径方向的截面中的玻璃固化时机彼此非常接近。这一发现导致本发明的产生。
为了解决上述问题研发了本发明。本发明的目的是提供一种多模光纤，这种多模光纤所具有的结构使其能以良好稳定性制造，并且具有比常规结构更宽的通信带宽。
本发明涉及一种GI（渐变折射率）型多模光纤，并且，这种多模光纤明显区别于长距离传输用的单模光纤。
因此，根据本发明的多模光纤，包括掺杂有GeO2（二氧化锗）并沿预定轴线延伸的芯部、以及设置于芯部外周并且折射率低于芯部的包层部。在多模光纤直径方向的折射率分布中，与芯部对应的部分的α值为1.9~2.2，芯部与包层部中的基准区之间的最大相对折射率差Δ为0.8~1.2%，以及，芯部的直径2a为47.5~52.5微米。
在上述结构的多模光纤中，芯部掺杂有氯，并且芯部中的氯浓度分布在多模光纤直径方向上具有这样的形状，使得在芯部半径方向与芯部中心的距离在0.9a~1.0a范围内的第二测量位置处的氯浓度，高于在芯部半径方向与芯部中心的距离为a/2的第一测量位置处的氯浓度。
因此，在多模光纤的芯部中，在包括芯部外周（此处GeO2掺杂浓度的变化尤其高）并且围绕芯部中心（具有最大相对折射率差的位置）的环形区域内，有意控制氯浓度。更具体地，通过提高靠近于芯部外周面的外侧部分中的氯浓度，使其超过靠近于芯部中心的环形区域内侧部分中的氯浓度，可以降低芯部的中心部与外周部之间在玻璃粘度方面的差异。结果，可以使通过预制棒拉丝得到的多模光纤中的残余应力降低，并且，可以实现通信带宽的扩展。
此外，在根据本发明的多模光纤中，芯部中的氯浓度分布优选具有这样的形状，使得在第一测量位置与第二测量位置之间的范围中，氯浓度沿芯部半径方向单调增加。
如上所述，在根据本发明的多模光纤中，预制棒拉丝前后状态之间在折射率分布方面的差异得到抑制。所以，本发明特别适用于宽带多模光纤。更具体地，本发明可以适用于由国际标准ISO/IEC11801规定的称为OM3和OM4的宽带多模光纤。例如，OM3多模光纤代表这样的光纤，其中，称为最小有效带宽的带宽等于或大于2000兆赫·千米，以及，全模振荡下的带宽（由国际标准IEC60793-1-41规定的OFL带宽）在850纳米时等于或大于1500兆赫·千米，而在1300纳米时等于或大于500兆赫·千米。
根据下文给出的具体描述以及附图可以更为全面地理解本发明，所给出的具体描述以及附图只是出于说明的目的，而不应视为对本发明的限制。
通过下面给出的详细描述，本发明适用的进一步范围将更加明了。然而，应当理解，本领域普通技术人员根据本文给出的详细描述可以在本发明范围内进行多种变化及修改，因此，尽管这些详细描述和具体示例指出了本发明的优选实施方式，但其只以示例方式给出。
附图说明
图1A示出了根据本发明多模光纤的代表性横截面结构；以及，
图1B示出其折射率分布；
图2示出了在根据本发明的多模光纤中使用的芯部中的氯浓度分布；
图3示出了图2中所示氯浓度分布形状中的容许变化；
图4A示出了OVD方法及其设备配置；图4B示出了脱水工艺（氯掺杂工艺）及其设备配置；以及，图4C示出了烧结工艺（玻璃化工艺）及其设备配置；
图5A示出为得到根据本实施例的多模光纤而执行烧结（图4C）之后的透明玻璃体（拉丝之后作为芯部的部分）的氯浓度分布；以及，图5B示出为得到根据比较例的多模光纤而执行烧结（图4C）之后预制棒的中心部（拉丝之后作为芯部的部分）中的氯浓度分布，比较例是为与本实施例进行比较而另行生产的；
图6图示了拉伸之后芯部预制棒的结构；
图7示出了VAD方法及其设备配置；以及
图8示出了光纤预制棒的拉丝工艺及其设备配置。
具体实施方式
下面，参照图1A、图1B、图2、图3、图4A至图5B、以及图6至图8，具体说明根据本发明的多模光纤的实施例。在附图的描述中，相同或相应的部件用相同的附图标记表示，并且省略重复的说明。
图1A示出了根据本发明的多模光纤的代表性横截面结构。图1B示出其折射率分布。特别地，根据本实施例的多模光纤100（图1A）是渐变型（GI型）多模光纤，其主要由石英玻璃构成，并且至少包括沿预定轴线（与光轴AX一致）延伸的芯部110以及设置于芯部110外周的包层部120。在图1A所示的多模光纤100中，芯部110掺杂有用于调节折射率分布形状的二氧化锗（GeO2），并具有直径2a以及最大折射率n2。包层部120具有低于芯部110的折射率n1。除了上述GeO2之外，芯部110还掺杂有氯，氯的浓度在芯部110各部分可调节，以形成期望的浓度分布形状。
此外，根据本实施例的多模光纤100具有图1B中所示的折射率分布150。图1B中所示的折射率分布150代表在正交于光轴AX的直线L（与多模光纤100的直径方向相匹配）上各部分中的折射率。更具体地，区域151表示芯部110沿直线L的各部分中的折射率，以及，区域152表示包层部120沿直线L的各部分中的折射率。
特别地，图1B中所示折射率分布150中的区域151具有拱顶形状，使得在与光轴AX匹配的芯部110中心处折射率为最大值。所以，为调节折射率而掺杂的GeO2的浓度也从芯部110中心朝包层部120迅速降低。限定拱顶形状的α值为1.9~2.2。芯部110中心与包层部（图1A所示的示例中，包层部由单层构成，并且成为定义相对折射率差的基准区域）120之间的相对折射率差Δ（芯部110与包层部120之间的最大相对折射率差）为0.8~1.2％，芯部110的直径2a为47.5~52.5微米（μm）。
与GeO2一起掺入芯部110的氯的浓度分布具有诸如图2中所示的形状。在图2中，横轴对应于具有直径2a的芯部110在直线L上的各部分，并且代表了原点位于与光轴交点处的坐标。
图2所示的氯浓度分布250是沿多模光纤100直径方向（正交于光轴AX的方向）的分布，并且，氯浓度分布的形状为，使得氯浓度在芯部110中心处为最小值，而在芯部110半径方向与芯部110中心距离在0.9a~1.0a（几乎等于芯部110半径的距离）的范围内处为最大值。此外，在图2中，为了方便，示出的氯浓度在1.0a位置处为最大值。因此，在芯部110中，有意控制氯浓度，以使其在围绕芯部110中心的环形区域中表现出特别明显的变化，该环形区域是包括GeO2芯部110外周的外周区，在此区域中掺杂浓度变化特别大。
更具体地，在芯部110半径方向与芯部110中心（匹配光轴AX）的距离为a/2的第一测量位置处氯浓度（单位：ppm）设定为PC2，而具有氯浓度（单位：ppm）PC1（>PC2）的部分设定于在芯部110半径方向与芯部110中心（匹配光轴AX）的距离在0.9a~1.0a范围内的第二测量位置处。在与芯部110中心的距离在a/2到a的范围内，相对于更靠近于芯部110中心的部分中的氯浓度，使更靠近于包层部120的外周部中的氯浓度增大，藉此，能够减小芯部110的中心区与外周区之间在玻璃粘度方面的差异。结果，使通过预制棒拉丝所得到的多模光纤内的残余应力减小，并且可以实现通信带宽的扩展。
与芯部110中心的距离在a/2~a范围内的氯浓度分布形状并不局限于图2所示。因此，芯部110中的氯浓度分布可以具有图3中所示的任意形状，只要该形状使得氯浓度在上述距离a/2~a范围内沿芯部110半径方向单调增加即可。
例如，图3中所示的浓度分布251具有与图2中所示浓度分布250匹配的形状。浓度分布252具有的形状使得氯浓度（Cl浓度）的增长率从芯部110中心朝包层部120减小。浓度分布253具有的形状使得氯浓度（Cl浓度）的增长率从芯部110中心朝包层部120增大、减小、然后再增大。浓度分布254具有的形状使得氯浓度（Cl浓度）的增长率从芯部110中心朝包层部120减小、增大、然后再减小。浓度分布251~254中的任一种都可以用作芯部110中的氯浓度分布。类似于图2，为了方便，在图3中，氯浓度示为在1.0a位置处具有最大值。
下面说明根据本实施例多模光纤100的制造方法。
为了得到多模光纤100，首先，制造光纤预制棒600（参见图8）。通过用OVD（外部气相沉积）法制造掺杂有GeO2（二氧化锗）的芯部预制棒，然后，进行脱水、烧结、以及拉伸，然后在所得到芯部预制棒外周上用VAD（气相轴向沉积）工艺制造外周部，可以得到光纤预制棒600。用OVD法制造的芯部预制棒是拉丝之后成为芯部110（具有α值为1.9~2.2的折射率分布）的部分。由VAD法制造的外周部是拉丝之后成为包层部120的部分。
在用OVD法进行的最初制造步骤中，由图4A中所示的粉尘沉积（sootdeposition）装置生产多孔预制棒510。粉尘沉积装置具有如下结构，其中，中心杆310（也可以是中空玻璃管）保持处于这样一种状态，使中心杆可以于箭头S1所示方向旋转。粉尘沉积装置设置有：用于沿中央芯部310形成多孔预制棒510的燃烧器320，以及，供给原料气体用的供气系统330。可以由预定移动机构使燃烧器320于图4A中箭头S2a、S2b所示方向移动。
当制造多孔预制棒510时，在燃烧器320的火焰中，供自供气系统330的原料气体水解反应而产生玻璃微粒，并且使这些玻璃微粒沉积在中央芯部310的侧面。在此过程中，使中央芯部310于箭头S1所示方向旋转，并且使燃烧器320沿箭头S2a、S2b所示方向移动。作为这些操作的结果，多孔玻璃体沿中央芯部310生长，并且得到将成为芯部110的多孔预制棒510（粉尘预制棒）。
然后对以上述方式用OVD法制造的多孔预制棒510进行图4B所示的脱水（氯掺杂工艺）。在脱水工艺之前，将中央芯部310从所得到的多孔预制棒510中拉出，但在中央芯部310是中空玻璃管时，可以在水解和烧结工艺之后，通过向中空玻璃管中引入蚀刻气体而将其除去。将经过这种预处理的多孔预制棒510布置在图4B所示设置有加热器360的加热容器350中，并在含氯气氛中进行脱水处理。加热容器350设置有供给含氯气体用的导入口350a以及排出口350b。在脱水工艺过程中，支撑机构340使整个多孔预制棒510于箭头S3a、S3b所示的方向移动，同时使多孔预制棒510围绕多孔预制棒510中心轴为中心于箭头S4所示方向旋转，从而，改变多孔预制棒510相对于加热器360的位置。利用这些工艺，得到掺杂有预定量氯的多孔预制棒520。
为了在预制棒内有效地掺杂氯，按两个阶段实施脱水工艺。因此，在第一阶段，将容器350内的温度设定为1150℃（加热器温度），将氯气浓度为4％的氯气（Cl2）和氦气的混合气体从导入口350a供入容器350，并进行多孔预制棒510的脱水。在第二阶段，将容器350内的温度重新设定为1350℃（加热器温度），将氯气浓度为7％的氯气（Cl2）和氦气的混合气体从导入口350a供入容器350，从而得到掺杂有预定量氯的多孔预制棒520。
然后，在上述加热容器350中，对上述脱水工艺（氯掺杂工艺）中所得到的多孔预制棒520进行烧结（玻璃化）。因此，如图4C所示，将由支撑机构340支撑的多孔基材520容纳在容器350内。此时，将容器350内的温度（加热器温度）设定为1500℃，并将氦气通过导入口350a供入容器350。
在烧结工艺过程中，支撑机构340使整个多孔预制棒520于箭头S3a所示方向移动，同时使多孔预制棒520围绕多孔预制棒520的中心轴为中心于箭头S4所示方向旋转，从而改变多孔预制棒520相对于加热器360的位置。在此工艺之后，通过降低中央孔内的压力并传热以使中央孔塌缩，得到具有直径D1的紧密透明玻璃体530。
图5A示出由上述工艺得到的透明玻璃体530的氯浓度分布260（沿与透明玻璃体530中心轴正交的透明玻璃体530直径方向的分布）。在图5A中，横坐标示出在正交于透明玻璃体530中心轴（AX）的直线D上透明玻璃体530各部分的位置。所得到的透明玻璃体530中的平均氯浓度为1500ppm。从图5A中可以看出，在半径方向与中心（为了方便起见，图中该中心用AX示出）的距离为D1/2位置处（透明玻璃体530表面）的氯浓度PC1，高于在半径方向与透明玻璃体530中心（为了方便起见，图中该中心用AX示出）的距离为D1/4位置处（透明玻璃体530半径D1/2的中间值）的氯浓度PC2。
比较例用于与利用具有上述氯浓度分布260的透明玻璃体最终制成的根据本实施例的多模光纤进行光学特性比较，为了制造根据该比较例的多模光纤，本发明人还制造了一种具有下列氯浓度分布的透明玻璃体，其中，氯浓度在与中心轴AX匹配的中心处成为最大浓度PC3，如图5B所示，并且在外周区中迅速降低。通过只实施上述脱水工艺中的第一阶段，制造出这种透明玻璃体。
通过对以上述方式制造的透明玻璃体530于其纵向进行拉伸以得到直径D2（本实施例中，20毫米（mm）），得到芯部预制棒540。
上述制造多孔预制棒的工艺、脱水工艺、以及烧结工艺可以在同一容器中进行。
在由上述各工艺得到的芯部预制棒540的表面上，通过用VAD法形成玻璃区，最终制造出多模光纤用的预制棒。
更具体地，在使用VAD法的制造工艺中，由图7所示的粉尘沉积装置在芯部预制棒540的表面形成多孔玻璃体550。粉尘沉积装置设置有容器450，该容器450至少具有排出口450b以及支撑芯部预制棒540用的支撑机构440。因此，在支撑机构440中设置可以于箭头S6所示方向旋转的支撑杆，并将芯部预制棒540（用于在其表面生长多孔玻璃体550（粉尘体））安装至支撑杆末端。
图7中所示的粉尘沉积装置设置有在芯部预制棒540表面沉积多孔玻璃体550（粉尘体）用的燃烧器460。将期望的原料气体（例如，SiCl4）、燃气（H2和O2）、以及载气诸如氩气（Ar）或氦气（He）从供气系统470供至燃烧器460。
在多孔玻璃体550的制造过程中，在燃烧器460的火焰中，由供自供气系统490的原料气体水解反应而产生玻璃微粒，并且使这些玻璃微粒沉积在芯部预制棒540表面。在此工艺中，支撑机构440执行下述操作：使设置于其末端的芯部预制棒540于箭头S5a所示方向移动，然后，沿箭头S5b所示方向（芯部预制棒540纵向）向上拉芯部预制棒540，同时，使芯部预制棒于箭头S6所示方向旋转。作为这些操作的结果，多孔玻璃体550在芯部预制棒540表面上向芯部预制棒540下方生长，最终，在芯部预制棒540表面上得到将成为包层部120的多孔预制棒（粉尘预制棒）。
对由上述工艺得到的多孔预制棒再次进行脱水工艺（图4B）和烧结工艺（图4C），得到多模光纤用的预制棒600。
如图8所示，这种光纤预制棒600设置有拉丝之后应作为芯部110的区域以及应作为包层部120的外周区域。在图8所示的拉丝工艺中，于箭头S7所示方向牵拉光纤预制棒600的一端，同时，用加热器630进行加热。结果，得到具有图1A所示横截面结构的多模光纤100。
由具有图5A中所示氯浓度分布260的透明玻璃体530最终得到根据本实施例的多模光纤，其被确认为宽带多模光纤（OM3型多模光纤），具有5600兆赫·千米（MHz·km）的最小有效带宽，以及850纳米（nm）时4720兆赫·千米的满注入（OFL）带宽。
另一方面，由具有图5B中所示氯浓度分布的透明玻璃体最终得到根据比较例的多模光纤，其具有1520兆赫·千米的最小有效带宽，以及850纳米时1250兆赫·千米的OFL带宽，结果，无法得到OM3型多模光纤。
如上所述，根据本发明，可以抑制预制棒拉丝前后状态之间在折射率分布方面的差异。所以，本发明特别适用于宽带多模光纤。更具体地，本发明可应用于由国际标准ISO/IEC11801规定的称为OM3和OM4的宽带多模光纤。
根据所描述的本发明，显然本发明的实施方式可以以多种方式变化。这些变化不应被认为偏离本发明的精神及范围，而且，本领域的技术人员容易理解，所有这些改动均在本发明权利要求范围内。
Claims (2)
1.一种多模光纤，包括：
芯部，其掺杂有GeO2，并且沿预定轴线延伸；以及
包层部，其设置于所述芯部的外周，以及，具有低于所述芯部的折射率，
其中，在所述多模光纤的直径方向的折射率分布中的芯部折射率区域具有拱顶形，限定该拱顶形状的α值为1.9～2.2，所述芯部与所述包层之间的最大相对折射率差Δ为0.8～1.2％，以及，所述芯部的直径2a为47.5～52.5微米，以及
其中，所述芯部掺杂有氯，以及，所述芯部中的氯浓度分布在所述多模光纤直径方向上具有这样的形状，使得在所述芯部的半径方向上与所述芯部的中心的距离在0.9a～1.0a范围内的第二测量位置处的氯浓度，高于在所述芯部半径方向与所述芯部中心的距离为a/2的第一测量位置处的氯浓度。
2.根据权利要求1所述的多模光纤，其中，所述芯部中的所述氯浓度分布具有这样的形状，使得在所述第一测量位置与所述第二测量位置之间的范围内，所述氯浓度沿所述芯部半径方向单调增大。
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