CN103687825B - 用于制备具有低折射率凹槽的光纤预制件的方法 - Google Patents

Abstract

公开了用于形成具有低折射率凹槽的光纤预制件的方法。根据一种实施方式，该方法包括将基于二氧化硅的玻璃烟炱沉积到饵棒上，以形成光纤预制件的低折射率凹槽区域。沉积基于二氧化硅的玻璃烟炱，从而该低折射率凹槽区域具有第一密度。然后，在低折射率凹槽区域的周围形成具有大于第一密度的第二密度的阻挡层。然后，在该阻挡层周围形成外部包覆区域。然后，将饵棒从凹槽外包覆的组件的中央通道移除。将独立的芯体组件插入该中央通道。然后，当加热低折射率凹槽区域时，引导负掺杂剂气体穿过凹槽外包覆的组件的中央通道，以掺杂该低折射率凹槽区域。该阻挡层阻止负掺杂剂从低折射率凹槽区域扩散进入该外部包覆区域。

Description

用于制备具有低折射率凹槽的光纤预制件的方法

背景

相关申请交叉参考

本申请要求2011年6月30日提交的美国申请登记No.13/173,777号的优先权，本文以该文为基础且该文的全部内容通过引用纳入本文。

领域

本说明书总体涉及光纤，更具体地，涉及用于制备具有低折射率凹槽的光纤预制件的方法。

技术背景

相对于没有低折射率(low-index)凹槽而形成的对比光纤，有低折射率凹槽环绕光纤芯体的光纤具有改进的弯曲性能和/或更大的有效面积。因此，这些光纤改进的光学和物理性能，使得它们能用于多种应用。

但是，在光纤的芯体周围形成低折射率凹槽额外的增加了制造光纤预制件的工艺步骤，并因此显著增加了制造光纤工艺的成本。更具体的，所述低折射率凹槽这样形成：将基于二氧化硅的玻璃沉积在所述光纤的芯体的周围，并用负掺杂剂（down-dopant）掺杂所述基于二氧化硅的玻璃，该负掺杂剂减小所述基于二氧化硅的玻璃相对于所述光纤的芯体的折射率。但是，为了防止污染预制件与该负掺杂剂邻近的部分，所述低折射率凹槽独立形成，在芯体部分已固结之后且在沉积光纤的外包覆部分之前，直接固结在光纤的芯体部分。更具体的，首先形成光纤预制件的芯体部分并固结至固体玻璃。因此，所述低折射率凹槽沉积在芯体部分的周围，且随后在独立的步骤中掺杂和固结，以防止掺杂剂扩散进入芯体部分和外包覆部分。最后，在所述低折射率凹槽层周围形成外包覆，并在另一步骤中固结。

因此，需要一种形成包括围绕芯体部分的低折射率凹槽区域的光纤预制件的替代方法。

概述

根据一种实施方式，用于形成光纤预制件的方法包括将基于二氧化硅的玻璃烟炱沉积到饵棒(baitrod)上，以形成所述光纤预制件的低折射率凹槽。可沉积基于二氧化硅的玻璃烟炱，从而所述低折射率凹槽区域具有第一密度，且初始时基本上没有任何掺杂材料。然后，用基于二氧化硅的玻璃烟炱形成环绕所述低折射率凹槽区域的阻挡层。所述阻挡层具有大于第一密度的第二密度。然后，将基于二氧化硅的玻璃烟炱沉积在所述阻挡层周围，以形成所述光纤预制件的外包覆区域，由此形成凹槽外包覆的组件。然后，从凹槽外包覆的组件的中央通道移除饵棒，并将独立形成的芯体组件插入该中央通道。在加热所述凹槽外包覆的组件时，可将包括负掺杂剂的前体气体引导通过所述凹槽外包覆的组件的中央通道，从而用负掺杂剂掺杂低折射率凹槽区域，其中阻挡层防止所述负掺杂剂从所述低折射率凹槽区域扩散进入所述外包覆区域。

在另一实施方式中，用于形成光纤预制件的方法包括，当火焰沿着轴向以第一速度横贯于饵棒之上时，使基于二氧化硅的玻璃的前体材料在进气燃烧器的火焰中反应，由此将基于二氧化硅的玻璃烟炱沉积在所述饵棒上，并形成所述光纤预制件的低折射率凹槽区域，其中所述进气燃烧器的火焰具有第一温度，所述低折射率凹槽区域具有第一密度，且所述低折射率凹槽区域初始时基本上没有任何掺杂剂。随后，将进气燃烧器的火焰的温度升高至第二温度以及，当进气燃烧器的火焰横贯饵棒时将进气燃烧器的横贯速度减小至第二速度，由此形成在低折射率凹槽区域周围的基于二氧化硅的玻璃烟炱的阻挡层，其中所述阻挡层具有大于第一密度的第二密度。然后，将基于二氧化硅的玻璃烟炱沉积在所述阻挡层上，以形成所述光纤预制件的外包覆区域，从而形成光纤预制件的凹槽外包覆的组件。

在另一实施方式中，用于形成光纤预制件的方法包括，当火焰沿着轴向以第一速度横贯饵棒之上时，使基于二氧化硅的玻璃的前体材料在进气燃烧器的火焰中反应，由此将基于二氧化硅的玻璃烟炱沉积在所述饵棒上，并形成所述光纤预制件的低折射率凹槽区域，其中所述进气燃烧器的火焰具有第一温度，所述低折射率凹槽区域具有第一密度，且所述低折射率凹槽区域初始时基本上没有任何掺杂剂。随后，将进气燃烧器的火焰的温度升高至第二温度以及，当进气燃烧器的火焰横贯饵棒时降低提供给进气燃烧器的基于二氧化硅的玻璃前体材料的浓度，由此在低折射率凹槽区域周围形成基于二氧化硅的玻璃烟炱的阻挡层，其中所述阻挡层具有大于第一密度的第二密度。然后，将基于二氧化硅的玻璃烟炱沉积在所述阻挡层上，以形成所述光纤预制件的外包覆区域，从而形成光纤预制件的凹槽外包覆的组件。

在以下的详细描述中提出了本发明所述方法的其他特征和优点，其中的部分特征和优点对本领域的技术人员而言，根据所作描述就容易看出，或者通过实施包括以下详细描述、权利要求书以及附图在内的本文所述的本发明而被认识。

应理解，前面的一般性描述和以下的详细描述介绍了各种实施方式，用来提供理解要求保护的主题的性质和特性的总体评述或框架。包括的附图提供了对各种实施方式的进一步的理解，附图被结合在本说明书中并构成说明书的一部分。附图以图示形式说明了本文所述的各种实施方式，并与说明书一起用来解释要求保护的主题的原理和操作。

附图简要说明

图1A示意性绘出了根据本说明书所显示和描述的一个或多个实施方式形成的光纤预制件的横截面；

图1B示意性的显示了图1A所示的、根据本说明书所显示和描述的一个实施方式形成的光纤预制件的相对折射率分布；

图1C示意性的显示了如图1A所示的、根据本说明书所显示和描述的另一个实施方式形成的光纤预制件的相对折射率分布；

图2A示意性绘出了根据本说明书所显示和描述的另一实施方式形成的光纤预制件的横截面；

图2B示意性的显示了图2A所示的、根据本说明书所显示和描述的一个实施方式形成的光纤预制件的相对折射率分布；

图3A-3C示意性的显示了光纤预制件的凹槽外包覆的组件的形成；

图4示意性的显示了根据本说明书所显示和描述的一个实施方式形成的光纤预制件的凹槽外包覆的组件的固结和掺杂；

图5示意性的显示了将光纤的芯体组件插入该光纤预制件的凹槽外包覆的组件；以及

图6示意性的显示了根据本发明所述方法形成的光纤预制件的低折射率凹槽区域、外包覆区域的折射率分布。

详细描述

下面将详细参考用于形成具有低折射率凹槽的光纤预制件的方法的实施方式，附图展示了它们的实施例。只要有可能，在所有附图中使用相同的附图标记来表示相同或类似的部分。图3A-3C示意性的显示了用于形成具有低折射率凹槽的光纤预制件的方法的一实施方式。该方法总体包括在饵棒上形成凹槽外包覆的组件，通过：将初始时基本上没有掺杂剂的基于二氧化硅的玻璃烟炱沉积在饵棒上，以形成具有第一密度的低折射率凹槽区域；在所述低折射率凹槽区域形成阻挡层，从而所述阻挡层具有大于第一密度的第二密度；以及将基于二氧化硅的玻璃烟炱沉积在所述阻挡层上以形成外包覆区域。然后，将饵棒从所述组件移除，固结该组件，以及用负掺杂剂掺杂低所述折射率凹槽区域从而降低该低折射率凹槽区域的折射率。本文将参考具体的附图，详细描述用于形成所述光纤预制件的方法和根据该方法形成的光纤预制件。

本文将使用以下术语来描述光纤预制件和由此拉制的光纤：

在本文中，术语“折射率分布”表示折射率或相对折射率与光纤半径之间的关系。

在本文中，术语“相对折射率”定义如下:

Δ(r)%=100x[n(r)²–n_参比 ²)]/2n(r)²，

其中，除非另有说明，n(r)是在半径r处的折射率。除非另有说明，相对折射率限定在1550纳米处。

在一方面中，参比折射率n_参比是基于二氧化硅的玻璃。

在另一方面中，参比折射率n_参比是包覆层的最大折射率。除非另有说明，否则，本文所用的相对折射率用Δ表示，其值以“%”为单位。在一个区域的折射率小于参比折射率n_参比的情况下，相对折射率是负数，称作具有凹陷区域或者凹陷折射率，并且除非另有说明，否则，最小相对折射率在相对折射率为最大负值时计算得到。在一个区域的折射率大于参比折射率n_参比的情况下，相对折射率是正数，该区域可称为凸起或者具有正折射率。

如本文所使用，术语“正掺杂剂(up-dopant)”指能增加玻璃相对于纯的、未掺杂SiO₂折射率的掺杂剂。如本文所使用，术语“负掺杂剂”指能降低玻璃相对于纯的、未掺杂SiO₂折射率的掺杂剂。正掺杂剂可存在于光纤中具有负的相对折射率的区域，同时伴有一种或多种不是正掺杂剂的其他掺杂剂。类似地，一种或多种不是正掺杂剂的其他掺杂剂可存在于光纤中具有正的相对折射率的区域。负掺杂剂可存在于光纤中具有正的相对折射率的区域，同时伴有一种或多种不是负掺杂剂的其他掺杂剂。类似地，一种或多种不是负掺杂剂的其他掺杂剂可存在于光纤中具有负的相对折射率的区域。

本文中，术语“α-分布”或者“阿尔法分布”指相对折射率分布，用Δ表示，单位为“%”，其中r为半径，可用以下方程式表示，

$\mathrm{\Δ}={\mathrm{\Δ}}_0[1-{\left(\frac{r}{r_0}\right)}^{\mathrm{\α}}],$

式中Δ₀是最大相对折射率，r_o是芯体半径，r的范围是r_i<r<r_f,其中Δ如上文所定义,r_i是α分布的起点,r_f是α分布曲线的终点,α是指数，它是实数。对于台阶式折射率分布，阿尔法值大于或等于10。对于渐变式折射率分布，所述阿尔法值小于10。本文所用的术语“抛物线”包括基本上呈抛物线形的折射率分布曲线，它在纤芯中的一个或多个点上可稍微偏离α值为2.0的情况；“抛物线”还包括有少量变化和/或中心线下沉的分布曲线。

参考图1A，示意性的显示了根据本说明书所描述的一个或多个实施方式形成的光纤预制件100的横截面；所述光纤预制件100一般的包括位于凹槽外包覆的组件110中的芯体组件102。在如图1A所示光纤预制件的实施方式中，所述芯体组件102一般的包括芯体区域104和内部包覆区域106。所述芯体区域104被所述内部包覆区域106包围，且与其直接接触。在本文所显示和描述的实施方式中，所述芯体区域104和内部包覆区域106由二氧化硅、具体为基于二氧化硅的玻璃形成。所述光纤预制件100一般的相对于芯体区域104的中心呈圆形对称，且所述芯体区域104的半径可为R_c。所述内部包覆区域106包围所述芯体区域104，并从半径Rc延伸至半径R_ic，从而所述内部包覆区域106的径向厚度为T_ic=R_ic-R_c。所述芯体区域104和内部包覆区域106一般的形成为具有具体的径向尺寸，从而可从所述光纤预制件100拉制具有所需径向尺寸的光纤。

在本文所述的实施方式中，所述芯体区域104可具有台阶式折射率分布或渐变式折射率分布（即阿尔法分布）。例如，在一实施方式中，如图1B所示，所述芯体区域104具有台阶式折射率分布。在这些实施方式中，所述芯体区域104具有相对于所述内部包覆区域106的最大相对折射率Δ_cMAX%，且在横跨所述芯体区域104的径向横截面基本上相等。在其他实施方式中，所述芯体区域104可具有如图1C所示阿尔法分布的渐变式折射率分布，从而从芯体区域104的中心到半径R_c，所述相对折射率降低。

所述芯体区域104可由纯的基于二氧化硅的玻璃(SiO₂)形成，例如当所述光纤预制件具有类似如图1B所示的台阶式折射率分布时。或者，所述光纤预制件100的芯体区域104可有包括一种或更多种基于二氧化硅的玻璃形成，所述掺杂剂增加所述玻璃相对于纯的、未掺杂的基于二氧化硅的玻璃的折射率，例如当所述光纤预制件100具有类似如图1B所示的台阶式折射率分布或如图1C所示的渐变式折射率分布时。用于增加所述芯体折射率的合适的正掺杂剂包括，但不限于：GeO₂,Al₂O₃,P₂O₅,TiO₂,ZrO₂,Nb₂O₅,Ta₂O₅,Cl和/或及其组合。

在本文所述的实施方式中，所述内部包覆区域106具有相对于纯的基于二氧化硅的玻璃的最大相对折射率百分比Δ_icMAX%，从而使Δ_cMAX%>Δ_icMAX%。只要所述芯体区域104的最大相对折射率Δ_cMAX%大于所述内部包覆区域106的最大相对折射率Δ_icMAX%，所述内部包覆区域106可由纯的基于二氧化硅的玻璃(SiO₂)形成，由包括一种或更多种增加折射率的正掺杂剂(例如GeO₂,Al₂O₃,P₂O₅,TiO₂,ZrO₂,Nb₂O₅,Cl和/或Ta₂O₅)的基于二氧化硅的玻璃形成，例如当所述内部包覆区域106是“正掺杂的”时，或者由包括一种或更多种降低折射率的负掺杂剂(例如氟，硼等)的基于二氧化硅的玻璃形成，例如当所述内部包覆区域是“负掺杂的”时。例如，在一实施方式中，所述内部包覆区域106是纯的基于二氧化硅的玻璃。在另一实施方式中，所述内部包覆区域106可包括用GeO₂,TiO₂或类似的正掺杂剂掺杂的基于二氧化硅的玻璃。

再次参考图1A，所述凹槽外包覆的组件110一般的包括低折射率凹槽区域112，所述低折射率凹槽区域112被阻挡层116包围，且与其直接接触。所述阻挡层116依次被外部包覆区域114包围，且与其直接接触。所述低折射率凹槽区域112，阻挡层116和内部包覆区域106全部由基于二氧化硅的玻璃形成。

所述低折射率凹槽区域112是基于二氧化硅的玻璃的环形区域，包围所述芯体组件102。所述低折射率凹槽区域112有助于改善从所述光纤预制件100拉制而成的光纤的弯曲性能，和/或有助于增加所述光纤的有效面积。如图1A所示，在所述光纤预制件100包括内部包覆区域106的实施方式中，所述内部包覆区域106位于所述芯体区域104和所述低折射率凹槽区域112之间，从而所述低折射率凹槽区域112与所述芯体区域104隔开（即低折射率凹槽区域112没有与所述芯体区域104直接接触）。所述低折射率凹槽区域112从半径R_ic延伸至半径R_T，从而所述低折射率凹槽区域的径向厚度为T_T=R_T-R_ic。

在本文所述的实施方式中，所述低折射率凹槽区域112一般的包括负掺杂的基于二氧化硅的玻璃，从而降低所述低折射率凹槽区域112相对于纯的、基于二氧化硅的玻璃的折射率。例如，可用氟负掺杂所述低折射率凹槽区域112，从而降低所述低折射率凹槽区域112相对于纯的、基于二氧化硅的玻璃的相对折射率Δ_TMIN%。因此，在本文所述的实施方式中，应理解所述低折射率凹槽区域中的相对折射率小于芯体区域104的相对折射率Δ_cMAX%和所述内部包覆区域106的相对折射率Δ_icMAX%。

所述阻挡层116包围所述低折射率凹槽区域112，并与其直接接触。在本文所述的实施方式中，如下文所进一步描述，所述阻挡层116阻止在固结和掺杂所述凹槽外包覆的组件110时，负掺杂剂从所述低折射率凹槽区域112扩散进入包围所述阻挡层116的所述外部包覆区域114。在本文所述的实施方式中，所述阻挡层116由基于二氧化硅的玻璃形成，且一般的包括与所述外部包覆区域114相同的组合物。因此，在图1B和1C所示的相对折射率分布中，所述阻挡层116的相对折射率等于外部包覆区域114的相对折射率。在本文所述的实施方式中，所述阻挡层116具有已经形成的密度（即，在所述凹槽外包覆的组件固结之前），且大于或等于1.5克/立方厘米，更优选的大于或等于1.75克/立方厘米以及，甚至更优选的大于2克/立方厘米。所述阻挡层116一般的从半径R_T延伸至半径R_B从而所述阻挡层116的厚度为T_B=R_B-R_T。在本文所述的实施方式中，所述阻挡层116的厚度T_B一般的大于约10微米，更优选的大于约50微米，甚至更优选的的大于约100微米。在一些实施方式中，所述阻挡层116的厚度T_B小于100微米。例如，所述阻挡层116可大于或等于约10微米，且小于或等于约400微米。在其他实施方式中，所述阻挡层116可大于或等于约50微米，且小于或等于约400微米。在其他实施方式中，所述阻挡层116可大于或等于约100微米，且小于或等于约400微米。但是，当阻挡层的厚度大于2.0克/立方厘米时，所述阻挡层116都能有效的阻止所述掺杂剂的扩散，而与所述阻挡层的厚度无关。因此，在这些实施方式中，应理解可使用具有任意厚度的阻挡层。

仍然参考图1A，所述外部包覆区域114包围所述阻挡层116，且与其直接接触。所述外部包覆区域114一般的从半径R_B延伸至半径R_oc从而所述阻挡层114的厚度为T_oc=R_oc-R_B。一般的，所述外部包覆区域114相对于纯的、未掺杂的基于二氧化硅的玻璃的相对折射率Δ_oc%大于所述低折射率凹槽区域112的相对折射率Δ_TMIN%且小于所述芯体区域104的最大相对折射率Δ_cMAX%。在一些实施方式中，如图1B所示，Δ_oc%≥Δ_ic%。因此，只要所述外部包覆区域114的相对折射率Δ_oc%小于所述芯体区域104的最大相对折射率Δ_cMAX%且大于所述低折射率凹槽区域112的相对折射率Δ_TMIN%，所述外部包覆区域114可包括纯的基于二氧化硅的玻璃(SiO₂)（基本上没有任何掺杂剂的基于二氧化硅的玻璃），或者具有一种或更多种增加折射率的正掺杂剂(例如GeO₂,Al₂O₃,P₂O₅,TiO₂,ZrO₂,Nb₂O₅,Cl和/或Ta₂O₅)的基于二氧化硅的玻璃，例如当所述外部包覆区域114是“正掺杂的”时。

现在参考图2A，示意性的显示光纤预制件101的另一实施方式。在该实施方式中，形成的芯体组件没有内部包覆区域。因此，如图2A所示，所述芯体区域104与所述低折射率凹槽区域112直接接触。所述芯体区域104可形成为具有如图2B所示台阶式折射率分布，或者，具有如上所述的渐变式折射率分布。在该实施方式中，所述低折射率凹槽区域112，阻挡层116和所述外部包覆114可如上文参考图1A所述。

下面将参考图3A-6，更加详细的描述用于形成如图1A和2A所示的光纤预制件100，101的方法。如上所述，本文所述实施方式的光纤预制件由芯体组件和凹槽外包覆的组件建造而成，它们独立的形成且随后组装以建造所述光纤预制件。在本文所述的实施方式中，芯体组件和凹槽外包覆的组件全部通过使用外部气相沉积(OVD)法在饵棒上沉积基于二氧化硅的玻璃烟炱的连续层来形成。

参考图3A，作为示例，所述低折射率凹槽区域112通过在饵棒120上沉积基于二氧化硅的玻璃烟炱而形成。所述基于二氧化硅的玻璃烟炱通过将基于二氧化硅的玻璃气相前体材料如SiCl₄或八甲基环四硅氧烷(OMCTS)提供至燃烧器来形成。为所述进气燃烧器122提供燃料，如CH₄、D₂(氘)、CD₄或CO，以及氧气，它们燃烧并形成火焰126。在一些实施方式中，所述基于二氧化硅的玻璃的气相前体材料是SiCl₄，且所述为所述进气燃烧器122提供燃料如D₂、CD₄或CO，从而限制沉积的、基于二氧化硅的玻璃烟炱中的残留的OH数量。当使用这样的组合来形成阻挡层的基于二氧化硅的玻璃时，减少了所述阻挡层中矿物和任何残留的水分之间的相互作用。所述基于二氧化硅的玻璃的气相前体材料可以以从约4升/分钟到约10升/分钟的流速递送至所述燃烧器，同时可以以从约10升/分钟到约40升/分钟的流速将燃料提供至所述燃烧器。

所述基于二氧化硅的玻璃的气相前体材料在火焰126中反应，以制备基于二氧化硅的玻璃烟炱128，其沉积于所述饵棒120之上，此时所述饵棒以从约150rpm到约400rpm(转/分钟)的速度旋转。在本文所述的实施方式中，所述用于形成凹槽区域的基于二氧化硅的玻璃的气相前体材料基本上没有掺杂剂，因此当基于二氧化硅的玻璃烟炱128沉积在所述饵棒120之上以形成低折射率凹槽区域112时，沉积在所述饵棒120的所述基于二氧化硅的玻璃烟炱128基本上没有掺杂剂。如箭头124所示，当饵棒旋转时，所述进气燃烧器122的火焰126以第一速度来回横贯于所述饵棒120的轴向长度之上，从而形成在饵棒120上的基于二氧化硅的玻璃烟炱，并形成低折射率凹槽区域112。在本文所述的实施方式中，所述火焰126的横贯速度大于2厘米/秒钟，优选的大于或等于3厘米/秒钟。

在本文所述的实施方式中，所述基于二氧化硅的玻璃烟炱沉积在所述饵棒120上，从而所述低折射率凹槽区域112具有第一密度，该密度小于0.6克/立方厘米,，优选的小于0.5克/立方厘米。如上所述，沉积以形成低折射率凹槽区域112的基于二氧化硅的玻璃烟炱128基本上没有改变所述基于二氧化硅的玻璃烟炱折射率的任何掺杂剂。因此，应理解形成的低折射率凹槽区域112，至少初始时没有掺杂剂。

参考图3B，所述阻挡层116在所述低折射率凹槽区域112周围形成。所述阻挡层116一般的具有第二密度，该密度大于所述低折射率凹槽区域112的第一密度。如上所述，所述阻挡层116刚形成时，所述阻挡层116的密度大于或等于1.5克/立方厘米，更优选的大于或等于1.75克/立方厘米以及，甚至更优选的，大于或等于2克/立方厘米。在一实施方式中，所述阻挡层116在所述低折射率凹槽区域112周围形成，其方法为通过将所述进气燃烧器122的火焰126从第一温度升高至第二温度，并且将所述燃烧器的火焰的横贯速度从第一速度降低至第二速度。可通过增加提供给所述进气燃烧器122的燃料和氧气的流速来升高所述火焰126的温度。在一实施方式中，所述进气燃烧器122的火焰126的温度从500℃-2000℃的范围升高至大于2000℃。所述燃烧器的火焰的横贯速度可从用于沉积所述低折射率凹槽区域112的第一速度降低至第二速度，所述第二速度优选的小于1厘米/秒，更优选的小于0.5厘米/秒以及，甚至更优选的小于0.25厘米/秒。升高所述进气燃烧器122的火焰126的温度以及降低所述火焰的横贯速度，增加了沉积在饵棒上的烟炱的密度，由此在所述低折射率凹槽区域112周围形成阻挡层116，其具有降低的可渗透性。

在另一实施方式中，所述阻挡层116在所述低折射率凹槽区域112周围形成，其方法为通过将所述进气燃烧器122的火焰126从第一温度升高至第二温度，并且降低提供给所述进气燃烧器122的基于二氧化硅的玻璃的气相前体材料的浓度。例如，基于二氧化硅的玻璃的气相前体材料的流量可从沉积低折射率凹槽区域112的约4-10升/分钟降低至形成阻挡层116的小于1升/分钟。在一实施方式中，所述基于二氧化硅的玻璃的气相前体材料的浓度降低至零。降低所述基于二氧化硅的玻璃的气相前体材料的浓度增加了火焰的温度，并减缓或甚至停止（例如，当二氧化硅的玻璃的气相前体材料的浓度为零）将基于二氧化硅的玻璃烟炱沉积在所述低折射率凹槽区域112上。但是，升高火焰126的温度致使所述低折射率凹槽区域112的基于二氧化硅的玻璃烟炱的外层发生致密化，从而基于二氧化硅的玻璃烟炱外层的密度大于所述低折射率凹槽区域112的其余厚度的基于二氧化硅的玻璃烟炱的密度。该致密层烟炱形成所述阻挡层116。在一实施方式中，所述火焰126的温度可升高至2000℃或更高，以致密化所述低折射率凹槽区域的基于二氧化硅的玻璃烟炱外层。

在另一实施方式中，所述阻挡层116在所述低折射率凹槽区域112周围形成，其方法为通过将所述进气燃烧器122的火焰126从第一温度升高至第二温度，如上所述的且将所述燃烧器的横贯速度从第一速度降低至第二速度，以及降低提供给所述进气燃烧器122的载气中的基于二氧化硅的玻璃的气相前体材料的浓度。如上所述，降低所述基于二氧化硅的玻璃的气相前体材料的浓度减缓或停止将基于二氧化硅的玻璃烟炱沉积在所述低折射率凹槽区域112上，如上所述。但是，升高火焰126的温度和降低所述火焰126的横贯速度致使所述低折射率凹槽区域112的基于二氧化硅的玻璃烟炱的外层发生致密化，从而基于二氧化硅的玻璃烟炱外层的密度大于所述低折射率凹槽区域112的其余的基于二氧化硅的玻璃烟炱的密度。该致密层烟炱形成所述阻挡层116。在该实施方式中，所述火焰126的温度可升高至2000℃或更高，以致密化所述低折射率凹槽区域112的基于二氧化硅的玻璃烟炱外层。在该实施方式中，所述火焰126的横贯速度可从用于沉积所述低折射率凹槽区域112的第一速度降低至第二速度，所述第二速度优选的小于1厘米/秒，更优选的小于0.5厘米/秒以及，甚至更优选的小于0.25厘米/秒。

虽然在本文所述的一些实施方式中，阻挡层116通过使用进气燃烧器加热沉积的基于二氧化硅的玻璃烟炱以致密化所述烟炱来形成，但应理解，在其他实施方式中可使用其他的热源。例如，在另一实施方式中，利用CO₂激光器来加热所述低折射率凹槽区域的基于二氧化硅的玻璃烟炱外层，并由此致密化所述烟炱。

此外，在本文所述的实施方式中，应理解在形成所述阻挡层116时可以调节所述饵棒的转速，以获得具有所需密度的阻挡层。更具体的，降低所述饵棒的转速有助于增加所述阻挡层的密度。

现在参考图3C，当在所述低折射率凹槽区域112的周围形成所述阻挡层116之后，在所述阻挡层116的周围形成所述外部包覆区域114。在本文所述的实施方式中，所述外部包覆区域114可以用与形成所述低折射率凹槽区域112类似的方式来形成。具体的，将基于二氧化硅的玻璃的气相前体材料如SiCl₄或OMCTS提供给进气燃烧器122并在火焰126中反应，以形成基于二氧化硅的玻璃烟炱，所述基于二氧化硅的玻璃烟炱在饵棒旋转时沉积在饵棒上的阻挡层116周围。如上所述以及如箭头124所示，当饵棒旋转时，所述进气燃烧器122的火焰126以第一速度来回横贯于所述饵棒120的轴向长度之上，从而形成在饵棒120上的基于二氧化硅的玻璃烟炱，并形成所述外部包覆区域114。用于形成所述外部包覆区域114的基于二氧化硅的玻璃烟炱可以是纯的基于二氧化硅的玻璃(SiO₂)（基本上没有任何掺杂剂的基于二氧化硅的玻璃），或者具有一种或更多种增加所述外部包覆区域114折射率的掺杂剂的基于二氧化硅的玻璃。

所述芯体组件用和构建所述凹槽外包覆的组件类似的方式独立构建。具体的，使用如上所述的外部气相沉积工艺，将对应于所述预制件芯体区域的基于二氧化硅的玻璃烟炱沉积在饵棒上。用于形成所述芯体区域的基于二氧化硅的玻璃烟炱可用掺杂剂掺杂或可包括纯的、基于二氧化硅的玻璃，其中所述掺杂剂增加所述芯体区域相对于纯的、未掺杂的基于二氧化硅的玻璃（即，基本上基于二氧化硅的玻璃）的折射率。将用于形成所述芯体区域的基于二氧化硅的玻璃烟炱和气相掺杂剂一起提供给所述燃烧器，以获得所需的芯体区域的正掺杂。在所述芯体组件还包括内部包覆区域的实施方式中，所述内部包覆区域可利用类似的沉积技术，在所述饵棒上的芯体区域周围形成。如上所述，只要内部包覆区域的相对折射率小于所述芯体区域的相对折射率，所述内部包覆区域可由纯的、基于二氧化硅的玻璃，或者用正掺杂剂或负掺杂剂掺杂的基于二氧化硅的玻璃形成。

一旦已经在所述饵棒上形成了所述芯体组件，将所述饵棒从所述芯体组件移除，并且将所述芯体组件固结成固体玻璃。具体的，首先在流动脱水气体如氯中干燥所述芯体组件。然后，将所述芯体组件加热到1450℃，以将所述芯体组件烧结成固体玻璃。

现在参考图4，当已经在所述饵棒120上沉积所述低折射率凹槽区域112，所述阻挡层116和所述外部包覆区域114并由此形成光纤预制件的凹槽外包覆的组件110之后，将所述饵棒120从所述凹槽外包覆的组件110中移除，得到穿过所述凹槽外包覆的组件110延伸的中央通道118。然后，将固结的芯体组件102插入所述凹槽外包覆的组件110的中央通道。当固结的芯体组件102位于因移除所述饵棒120而留下的中央通道中时，在所述凹槽外包覆的组件没有完全固结成致密玻璃之前，所述固结的芯体组件102和所述低折射率凹槽区域112之间有一狭缝。

然后，将凹槽外包覆的组件110和固结的芯体组件102置于固结炉130中，在那里所述凹槽外包覆的组件固结成固体玻璃，由此将凹槽外包覆的组件110粘附至固结的芯体组件102。固结中，首先干燥所述凹槽外包覆的组件，其方法为使脱水气体在所述固结的芯体组件和所述凹槽外包覆的组件110之间（即，通过所述中央通道118）以及环绕所述凹槽外包覆的组件110的外部表面流动。在一种实施方式中，所述脱水气体包括2%-6%的氯在氦气中的混合物。当在达1-2小时的时期内将所述凹槽外包覆的组件110的温度从约800℃加热至约850℃时，引导所述混合物以从约10升/分钟到约20升/分钟的流速穿过和围绕所述凹槽外包覆的组件。穿过和围绕所述凹槽外包覆的组件110的氯气流，在同一步骤中干燥了低折射率凹槽区域112和所述外部包覆区域114。

然后，掺杂所述低折射率凹槽区域，其方法为当将所述固结的芯体组102的温度从约1400℃加热至约1500℃时，使包含掺杂剂如氟的前体气体132从中央通道118穿过所述凹槽外包覆的组件110。在一种实施方式中，所述前体气体包括掺杂剂如SiF₄或CF₄与He的混合物。在该实施方式中，所述混合物可包括25%的掺杂剂和75%的氦。引导所述前体气体以从约0.1到约1.0升/分钟的流速穿过所述凹槽外包覆的组件110。所述前体气体扩散进入所述低折射率凹槽区域112，由此用氟掺杂所述低折射率凹槽区域112。但是，阻挡层116增加的密度阻止所述前体气体扩散进入外部包覆区域114以及，因此阻止了用前体气体132污染所述外部包覆区域114。此外，因为所述芯体组件102完全固结，所述前体气体132没有扩散进入芯体组件102，由此阻止了对芯体组件102的污染。

在一些实施方式中，当引导所述前体气体132穿过所述凹槽外包覆的组件110时，将惰性马弗炉气体(mufflegas)134如氦气、氮气或氩气引入所述固结炉。引导所述马弗炉气体以从约20升/分钟到约50升/分钟的流速围绕所述凹槽外包覆的组件的外部表面，由此稀释从中央通道118排出的前体气体132，并阻止前体气体从所述凹槽外包覆的组件110的外面扩散进入所述外部包覆区域114。然后，通过穿过所述固结炉130的热区，以约5mm/分钟到50mm/分钟的速率向下驱动所述凹槽外包覆的组件110和所述芯体组件102来将所述凹槽外包覆的组件烧结成固体玻璃。一般的，热区的温度为约1400℃到约1500℃。在所述向下驱动步骤之后，所述凹槽外包覆的组件110和所述芯体组件102是单一的、固体玻璃光纤预制件100。

现在参考图6，示意性的显示了凹槽外包覆的组件的示例性相对折射率分布，其表明低折射率凹槽区域112的相对折射率和所述外部包覆区域114的相对折射率为所述凹槽外包覆的组件的径向厚度的函数。如图6所示，所述阻挡层116阻止包含所述负掺杂剂的前体气体从所述低折射率凹槽区域112扩散进入所述外部包覆区域114以及，因此所述外部包覆区域的相对折射率在所述外部包覆区域的全部径向厚度上都基本上是相同的。

如本文所述建造的预制件，可拉制成包括类似如图1B,1C或2B所示的相对折射率分布。

实施例

下面通过实施例进一步阐述本发明。

实施例1

用外部气相沉积（OVD）工艺制备了凹槽外包覆的组件。所述凹槽外包覆的组件的低折射率凹槽区域通过将基本上纯的、基于二氧化硅的玻璃烟炱沉积在外径为9毫米的饵棒上来形成。所述基于二氧化硅的玻璃烟炱通过基于二氧化硅的玻璃的气相前体材料在进气燃烧器的火焰中的吸热水解反应来形成。所述基于二氧化硅的玻璃的前体材料是SiCl₄，并以从约4升/分钟到约10升/分钟的速率提供给所述燃烧器。火焰通过CH₄和O₂的混合物创建，它们全部以从约10升/分钟到约40升/分钟的速率提供给燃烧器。SiCl₄在燃烧器火焰中的反应根据下述方程式进行：

SiCl₄+2H₂O→SiO₂+HCl

当在火焰中产生基于二氧化硅的玻璃烟炱时，所述燃烧器的火焰以大于约2厘米/秒的速度横贯于所述饵棒之上，同时所述饵棒以约150rpm到约400rpm的速率旋转，由此致使烟炱沉积在所述饵棒周围。通过该反应制备的基于二氧化硅的玻璃烟炱沉积在饵棒上，从而所述低折射率凹槽区域具有小于约0.6克/立方厘米的密度。

然后，通过将SiCl₄进入所述燃烧器的流量降低到零，在所述低折射率凹槽区域形成阻挡层，由此升高所述火焰的温度。CH₄/O₂火焰的温度升高，火抛光和致密化所述低折射率凹槽区域的烟炱的最外层，以形成密度大于1.9克/毫升的阻挡层。

然后，在所述阻挡层上沉积外部包覆区域。具体的，进入燃烧器的气相SiCl₄流的流速从约4升/分钟升高至10升/分钟，从而基于二氧化硅的玻璃烟炱沉积在阻挡层上，以形成凹槽外包覆的组件的外部包覆区域。

然后，将氧化铝饵棒从凹槽外包覆的组件移除，并将直径为9毫米的玻璃芯体管插入氧化铝饵棒留下的中央通道。该芯体管组件通过OVD工艺独立形成，从而该芯体管组件具有所需的折射率分布。随后，将包括插入的芯体管组件的、凹槽外包覆的组件装载进入用于固结的固结炉，包括干燥及随后F-烧结掺杂该低折射率凹槽区域。具体的，使3%氯和97%的氦混合物在固结炉中流动60分钟来干燥，温度为1125℃且流速为20升/分钟。然后，F-烧结掺杂低折射率凹槽区域，其方法为通过使25%SiF₄和75%氦的混合物以0.5升/分钟的流速流经中央通道（即在芯体组件和低折射率凹槽区域之间），且使氦以40升/分钟的流速流经固结炉的底部，以稀释从中央通道排出的任何SiF₄。然后，凹槽外包覆的组件在芯体管组件周围固结，其方法为通过向下驱动该凹槽外包覆的组件进入固结炉的烧结区，速率为5毫米/分钟且烧结区中心的温度为1450℃，由此形成具有低折射率凹槽区域和外部包覆区域的、具有如图6所示的折射率的光纤预制件。

基于上文所述，现在应理解本文所述的方法可用于以更少的步骤，形成具有低折射率凹槽区域包围芯体的光纤预制件。具体的，独立的形成具有位于低折射率凹槽区域和外部包覆区域之间的致密阻挡层的凹槽外包覆的组件，使得能将低折射率凹槽区域和外部包覆区域形成为同一组件，并且负掺杂该低折射率凹槽区域却不用该负掺杂剂污染所述外部包覆区域。该构造还允许低折射率凹槽区域和外部包覆区域在同一步骤中干燥，由此消除在两个区域的水分污染。因此，应理解在凹槽外包覆的组件中结合阻挡层，消除了分别形成和固结低折射率凹槽区域和外部包覆区域的需要。

本领域的技术人员显而易见的是，可以在不偏离要求专利权的主题的精神和范围的情况下，对本文所述的实施方式进行各种修改和变动。因此，本说明书旨在涵盖本文所述的各种实施方式的修改和变化形式，只要这些修改和变化形式落在所附权利要求及其等同内容的范围之内。

Claims (14)

1.一种用于形成光纤预制件的方法，所述方法包括：

将基于二氧化硅的玻璃烟炱沉积到饵棒上，以形成所述光纤预制件的低折射率凹槽，其中沉积所述基于二氧化硅的玻璃烟炱，从而使所述低折射率凹槽区域具有第一密度，且初始时没有任何掺杂材料；

在所述低折射率凹槽区域的周围形成基于二氧化硅的玻璃烟炱的阻挡层，其中所述阻挡层具有大于第一密度的第二密度；

将基于二氧化硅的玻璃烟炱沉积在所述阻挡层周围，以形成所述光纤预制件的外包覆区域，由此形成凹槽外包覆的组件；

将饵棒从凹槽外包覆的组件的中央通道移除；

将独立形成的芯体组件插入该中央通道；以及

在加热所述凹槽外包覆的组件时，使包括负掺杂剂的前体气体流经所述凹槽外包覆的组件的中央通道，从而用负掺杂剂掺杂所述低折射率凹槽区域，其中阻挡层防止所述负掺杂剂从所述低折射率凹槽区域扩散进入所述外包覆区域，其中所述负掺杂剂是能降低玻璃相对于纯的、未掺杂SiO₂折射率的掺杂剂。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述芯体组件包括芯体区域。

3.如权利要求1所述的方法，其中所述芯体组件包括被内部包覆区域围绕并直接接触内部包覆区域的芯体区域。

4.如权利要求1所述的方法，其中：

(I)当火焰沿着轴向以第一速度横贯于饵棒之上时，使基于二氧化硅的玻璃的前体材料在进气燃烧器的火焰中反应，从而将低折射率凹槽区域的、基于二氧化硅的玻璃烟炱沉积在所述饵棒上，其中所述进气燃烧器的火焰具有第一温度；以及

(II)将进气燃烧器的火焰温度升高至第二温度以及，当基于二氧化硅的玻璃的前体材料在所述火焰中反应时将进气燃烧器的横贯速度减小至第二速度，从而在低折射率凹槽区域上形成阻挡层。

5.如权利要求1所述的方法，其中：

当火焰沿着轴向以第一速度横贯于饵棒之上时，使基于二氧化硅的玻璃的前体材料在进气燃烧器的火焰中反应，从而将低折射率凹槽区域的、基于二氧化硅的玻璃烟炱沉积在所述饵棒上，其中所述进气燃烧器的火焰具有第一温度；以及

将进气燃烧器的火焰温度升高至第二温度以及，当火焰横贯于所述饵棒之上时降低提供给进气燃烧器的基于二氧化硅的玻璃的前体材料的浓度，从而在低折射率凹槽区域上形成阻挡层。

6.如权利要求1所述的方法，其中：

当火焰沿着轴向以第一速度横贯于饵棒之上时，使基于二氧化硅的玻璃的前体材料在进气燃烧器的火焰中反应，从而将低折射率凹槽区域的、基于二氧化硅的玻璃烟炱沉积在所述饵棒上，其中所述进气燃烧器的火焰具有第一温度；以及

将进气燃烧器的火焰温度升高至第二温度，当火焰横贯于所述饵棒之上时降低提供给进气燃烧器的基于二氧化硅的玻璃的前体材料的浓度，以及将火焰的横贯速度减小至第二速度，从而在低折射率凹槽区域上形成阻挡层。

7.如权利要求1-6任一项所述的方法，其中所述阻挡层的密度大于1.5克/立方厘米。

8.如权利要求1－6任一项所述的方法，其中所述阻挡层的径向厚度大于或等于10微米且小于或等于400微米。

9.如权利要求1-6任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括当包含负掺杂剂的前体气体流经所述凹槽外包覆的组件时，使马弗炉气体围绕所述凹槽外包覆的组件的外部流动，由此阻止负掺杂剂从外部包覆区域的外部表面扩散进入所述外部包覆区域。

10.一种用于形成光纤预制件的方法，所述方法包括：

当火焰沿着轴向以第一速度横贯于饵棒之上时，使基于二氧化硅的玻璃的前体材料在进气燃烧器的火焰中反应，由此将基于二氧化硅的玻璃烟炱沉积在所述饵棒上，并形成所述光纤预制件的低折射率凹槽区域，其中所述进气燃烧器的火焰具有第一温度，所述低折射率凹槽区域具有第一密度，且所述低折射率凹槽区域初始时没有任何掺杂剂；

将进气燃烧器的火焰温度升高之第二温度，以及

(i)当进气燃烧器的火焰横贯于所述饵棒之上时，将所述进气燃烧器的横贯速度降低至第二速度；和/或

(ii)当进气燃烧器的火焰横贯于所述饵棒之上时，降低提供给进气燃烧器的基于二氧化硅的玻璃的前体材料的浓度

由此在所述低折射率凹槽区域的周围形成基于二氧化硅的玻璃烟炱的阻挡层，其中所述阻挡层具有大于第一密度的第二密度；以及

将基于二氧化硅的玻璃烟炱沉积在所述阻挡层上，以形成所述光纤预制件的外包覆区域，从而形成所述光纤预制件的凹槽外包覆的组件。

11.如权利要求10所述的方法，所述方法还包括：

将饵棒从所述凹槽外包覆的组件的中央通道移除；以及

在加热所述凹槽外包覆的组件时，使包括负掺杂剂的前体气体流经所述凹槽外包覆的组件的中央通道，从而用负掺杂剂掺杂低折射率凹槽区域，其中阻挡层防止所述负掺杂剂从所述低折射率凹槽区域扩散进入所述外包覆区域，其中所述负掺杂剂是能降低玻璃相对于纯的、未掺杂SiO₂折射率的掺杂剂。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

形成独立的芯体组件；以及

将所述芯体组件插入凹槽外包覆的组件，从而在用所述负掺杂剂掺杂所述低折射率凹槽区域之前，形成预制件组件。

13.如权利要求10或11所述的方法，其中所述阻挡层的第二密度大于1.5克/立方厘米，和/或所述阻挡层的径向厚度为从10微米到400微米。

14.如权利要求4、6、10和11中任一项所述的方法，其中所述第二速度小于1厘米/秒。