CN107001108A - 具有单步氟凹槽与外包覆的光纤预成形件的制造方法 - Google Patents

具有单步氟凹槽与外包覆的光纤预成形件的制造方法 Download PDF

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Abstract

提供了一种方法，其包括：形成具有第一密度的低折射率凹槽区域；以大于第一密度的第二密度形成围绕凹槽区域的包含二氧化硅的内阻隔层(116a)；绕着第一阻隔层沉积基于二氧化硅的烟炱从而以小于第二密度的第三密度形成外包覆区域(114)；将芯棒(102)插入凹槽‑外包覆结构；以大于第三密度的第四密度在外包覆区域的外部部分中形成包含二氧化硅的外阻隔层(116b)；使含负掺杂剂的气体流动通过凹槽‑外包覆结构(110)从而用负掺杂剂掺杂凹槽区域，以及其中，阻隔层(116a，116b)减轻了负掺杂剂扩散进入外包覆区域(114)；以及对凹槽‑外包覆和芯棒进行固结。还提供了制造具有内外阻隔层的固结的凹槽‑外包覆结构的方法。

Description

具有单步氟凹槽与外包覆的光纤预成形件的制造方法
本申请根据35U.S.C.§119，要求2014年9月16日提交的美国临时申请系列第62/050,907号的优先权，本文以该申请为基础并将其全文通过引用结合于此。
背景技术
本文一般地涉及光纤，更具体地，涉及用于制备具有低折射率凹槽的光纤预成形件的方法。
相对于没有低折射率凹槽而形成的对比光纤，具有低折射率凹槽环绕光纤芯体的光纤可具有改进的弯曲性能和/或更大的有效面积。因此，此类光纤的改进的光学和物理性质使得它们合乎希望地被用于各种应用。
绕着光纤的芯体形成低折射率凹槽使得光纤预成形件的制造工艺增加了额外的步骤，并且作为结果，使得光纤的制造工艺的成本明显增加。具体来说，可以通过如下方式形成低折射率凹槽：将基于二氧化硅的烟炱绕着光纤的芯体部分沉积，用负掺杂剂(down-dopant)掺杂基于二氧化硅的烟炱，所述负掺杂剂减小了固结的基于二氧化硅的烟炱(即，基于二氧化硅的玻璃)相对于光纤的芯体的折射率。但是，为了防止负掺杂剂污染预成形件的相邻部分，在芯体部分已经固结之后以及在沉积光纤的外包覆部分之前，单独地形成低折射率凹槽并直接固结在光纤的芯体部分上。具体来说，首先形成光纤预成形件的芯体部分并固结至固体玻璃。这之后，绕着芯体部分沉积低折射率凹槽部分，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，在另一步骤中绕着低折射率凹槽层形成外包覆，并固结。
在具有较少制造步骤的其他光纤制造工艺中，可以在产生凹槽层和与包覆区域相关的任意固结步骤之前，形成外包覆。然后进行掺杂以产生低折射率凹槽层，并且低折射率凹槽和外包覆层同时进行固结。虽然这些方法可以节省制造时间和成本，但是存在与在存在外包覆的情况下对预成形件进行掺杂相关的问题。值得注意的是，部分掺杂前体材料(例如，SiF4)会被引入目标低折射率凹槽区域外侧的外包覆区域中。作为结果，由于在旨在用降低折射率的试剂进行掺杂的低折射率凹槽区域的外侧的外包覆区域内存在降低折射率的试剂，会对光纤的光学性质造成负面影响。
因此，存在对于形成光纤预成形件的替代方法的需求，所述光纤预成形件环绕其芯体部分具有低折射率凹槽区域，所述方法是高效的并且没有倾向于对低折射率凹槽区域外侧的预成形件的区域发生掺杂。
发明内容
根据本文的一个方面，提供了用于形成光纤预成形件的方法，该方法包括以下步骤：将基于二氧化硅的烟炱沉积到饵棒上以形成低折射率凹槽区域，其中，基于二氧化硅的烟炱的沉积使得凹槽区域具有第一密度；绕着凹槽区域形成包含二氧化硅的内阻隔层，其中，内阻隔层具有大于第一密度的第二密度；绕着第一阻隔层沉积基于二氧化硅的烟炱以形成光纤预成形件的外包覆区域，其具有第三密度，其中，第二密度大于第三密度；以及从凹槽-外包覆结构的中心通道取出饵棒，所述凹槽-外包覆结构包括凹槽区域、内阻隔层和外包覆区域。该方法还包括以下步骤：在去除了饵棒的步骤之后，将芯棒插入凹槽-外包覆结构的中心通道中；在外包覆区域的外部部分中形成包含二氧化硅的外阻隔层，其中，外阻隔层具有大于第三密度的第四密度；在插入芯棒的步骤之后，使含负掺杂剂的气体流动通过凹槽-外包覆结构的中心通道，其中，对凹槽-外包覆结构进行充分加热，从而用负掺杂剂掺杂凹槽区域，以及其中，阻隔层减轻了负掺杂剂扩散进入外包覆区域；以及在将芯棒插入光纤预成形件的步骤之后，对凹槽-外包覆结构和芯棒进行固结。
根据本文的一个方面，提供了用于形成光纤预成形件的方法，该方法包括以下步骤：将基于二氧化硅的烟炱沉积到饵棒上以形成低折射率凹槽区域，基于二氧化硅的烟炱的沉积使得凹槽区域具有第一密度；绕着凹槽区域形成包含二氧化硅的内阻隔层，其中，内阻隔层具有大于第一密度的第二密度；以及绕着第一阻隔层沉积基于二氧化硅的烟炱以形成光纤预成形件的外包覆区域，其具有第三密度；其中，第二密度大于第三密度以及凹槽-外包覆结构包括凹槽区域、内阻隔层和外包覆区域。该方法还包括以下步骤：在外包覆区域的外部部分中形成包含二氧化硅的外阻隔层，其中，外阻隔层具有大于第三密度的第四密度；从凹槽-外包覆结构取出饵棒，其中，余下步骤在凹槽-外包覆结构中限定了中心通道；使含负掺杂剂的气体流动通过凹槽-外包覆结构的中心通道并且对凹槽-外包覆结构进行充分加热，从而用负掺杂剂掺杂凹槽区域，以及其中，阻隔层减轻了负掺杂剂扩散进入外包覆区域；以及对具有经掺杂的凹槽区域的凹槽-外包覆结构进行固结，以形成具有中心通道的经固结的凹槽-外包覆结构。在一些实践方式中，该方法用于形成光纤预成形件并且还包括以下步骤：将芯棒插入经固结的凹槽-外包覆结构的中心通道中。在一些方面，该方法还可包括将经固结的凹槽-外包覆结构和芯棒一起拉制成光纤预成形件。在其他方面，该方法涉及形成光纤，因而包括从光纤预成形件拉制和形成光纤的步骤。
在以下的详细描述中提出了本文的其他特征和优点，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各种实施方式而被认识。
应理解，前面的一般性描述和以下的详细描述都描述了各种实施方式且都旨在提供用于理解所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理解，附图并入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。
附图说明
图1A示意性绘出了根据本文所示和所述的一个或多个实施方式的光纤预成形件的横截面。
图1B示意性绘出根据本文所示和所述的一个实施方式的图1A的光纤预成形件的相对折射率分布；
图1C示意性绘出根据本文所示和所述的一个或多个实施方式的图1A的光纤预成形件的相对折射率分布；
图2A示意性绘出了根据本文所示和所述的替代实施方式的光纤预成形件的横截面；
图2B示意性绘出根据本文所示和所述的一个实施方式的图2A的光纤预成形件的相对折射率分布；
图3A-3D示意性绘出光纤预成形件的凹槽-外包覆结构的形成；
图4示意性绘出根据本文所示和所述的一个或多个实施方式的光纤预成形件的凹槽-外包覆结构的掺杂和固结；
图4A示意性绘出根据本文所示和所述的一个或多个实施方式的光纤预成形件的凹槽-外包覆结构的掺杂和固结；
图5示意性绘出根据本文所示和所述的一个或多个实施方式，将光纤预成形件的芯体组件插入光纤预成形件的凹槽-外包覆结构中；以及
图6绘出根据本文所述方法形成的具有内阻隔以及具有和不具有外阻隔层的光纤预成形件的低折射率凹槽区域和外包覆区域的折射率分布。
具体实施方式
下面将详细参考用于形成具有低折射率凹槽的光纤预成形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-3D示意性显示用于形成具有光纤预成形件的方法的一个示例性实施方式。方法一般地包括通过如下方式在饵棒上形成凹槽-外包覆结构：将初始不含掺杂剂的基于二氧化硅的烟炱沉积到饵棒上，以形成具有第一密度的低折射率凹槽区域；绕着低折射率凹槽区域形成包含二氧化硅的阻隔层，使得阻隔层具有大于第一密度的第二密度；将基于二氧化硅的烟炱沉积到阻隔层上，以形成外包覆区域，其具有小于第二密度的第三密度；以及在外包覆区域的外侧部分形成包含二氧化硅的外阻隔层，其具有大于第三密度的第四密度。这之后，从凹槽-外包覆结构取出饵棒，以及将芯棒插入凹槽-外包覆结构的中心通道中。接着，两个结构都进行固结，以及用负掺杂剂掺杂低折射率凹槽区域从而降低低折射率凹槽区域的折射率。本文将具体参考附图，更详细描述用于形成光纤预成形件的其他特定方法和根据本文的方法方面形成的光纤预成形件。
本文将使用以下术语来描述光纤预成形件和由此拉制的光纤：
如本文所用术语“折射率分布”是折射率或相对折射率与光纤半径之间的关系。
如本文所用术语“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，否则n(r)是半径r处的折射率。除非另有说明，否则相对折射率限定在1550nm处。在一个方面，参比折射率n参比是纯二氧化硅玻璃。在另一个方面，n参比是包覆的最大折射率。除非另有说明，否则，如本文所用的相对折射率用Δ表示，其数值以“％”为单位。在区域的折射率小于参比折射率n参比的情况下，相对折射率百分比是负的，并且称作凹陷区域或者凹陷折射率，以及除非另有说明，否则在相对折射率最为负值的点计算最小相对折射率。在区域的折射率大于参比折射率n参比的情况下，折射率百分比是正的，并且该区域可以被称为提升或正折射率。
本文所用术语“正掺杂剂”和“正向掺杂剂”指的是增加玻璃相对于纯的、未掺杂SiO2折射率的掺杂剂。本文所用术语“负掺杂剂”和“负向掺杂剂”指的是倾向于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中，同时伴有一种或多种不是正掺杂剂的其他掺杂剂。类似地，不是正掺杂剂的一种或多种其他掺杂剂可存在于光纤中具有正的相对折射率的区域中。负掺杂剂可存在于光纤中具有正的相对折射率的区域中，同时伴有一种或多种不是负掺杂剂的其他掺杂剂。类似地，不是负掺杂剂的一种或多种其他掺杂剂可存在于光纤中具有负的相对折射率的区域中。
如本文所用术语“α-分布”或者“阿尔法分布”指的是相对折射率分布，用Δ表示，单位为“％”，其中r为半径，可用以下方程式表示，
式中，Δ0是最大相对折射率，r0是芯体的半径，r的范围是ri≤r≤rf，其中Δ如上文所定义，ri是α分布的起点，rf是α分布的终点，以及α是指数，它是实数。对于台阶式折射率分布，α值大于或等于10。对于渐变式折射率分布，α值小于10。如本文所用术语“抛物线”包括基本抛物线形状的折射率分布。在一些实施方式中，α值约为2，并且在芯体中的一点或多个可以略微偏离数值2，以及分布可以具有小的变化和/或中心线下沉。
如本文所用术语“芯棒”和“芯组件”指的是可用于制造光纤的经掺杂的二氧化硅棒。在一些实施方式中，芯棒或组件具有经掺杂的中心区域和二氧化硅包覆。
本文所用术语“um”指的是单位为微米的距离。
本文所用术语“低折射率凹槽区域”和“凹槽区域”指的是光纤预成形件或光纤包括相对于纯二氧化硅折射率降低的掺杂剂的部分。还应理解的是，如本文所用术语“较低折射率凹槽区域”和“凹槽区域”还包括光纤或预成形件中含有经掺杂的烟炱的过渡区域(其尚未固结，但是最终会限定含降低折射率的掺杂剂的经固结的区域)。
本文所用术语“内阻隔层”和“外阻隔层”指的是未固结的预成形件中，可以降低、最小化或消除不合乎希望的预成形件内的掺杂剂扩散的层。应理解的是，在固结之后，这些阻隔层会留在预成形件或光纤中。
除非另有说明，否则在本文中，光纤预成形件和/或光纤中的掺杂剂浓度表述为以重量计(例如，重量ppm，ppm(重量计)，重量百分比，重量％)。
在本文中，气相中的组分浓度表述为以体积计(例如，体积ppm，ppm(体积计)，体积百分比，体积％)。
术语“基于二氧化硅的玻璃烟炱”、“基于二氧化硅的烟炱”和“烟炱”在本文中可互换使用，指的是SiO2或经掺杂的SiO2颗粒。还应理解的是，单独的烟炱颗粒的尺寸通常约为5nm至约为10微米直径，以及在一些实施方式中，约为5nm至约为1微米直径。
术语“烟炱预成形件”指的是由烟炱颗粒制造的具有至少部分开放孔隙度的制品。
术语“经固结的玻璃”指的是处于闭孔状态的玻璃。在一些实施方式中，玻璃没有空穴。
术语“烧结”指的是从多孔玻璃状态到封闭孔隙度状态的步骤。在一些实施方式中，玻璃在烧结步骤中变得不含空穴。
术语“光纤预成形件”、“经固结的预成形件”、“经烧结的预成形件”和“坯体”指的是可以由此拉制光纤的玻璃制品。术语“光纤预成形件”和“光纤坯体”可互换使用。
参见图1A，示意性显示根据本文所述一个或多个实施方式的光纤预成形件100(例如，预成形件以经固结的状态存在)的横截面。光纤预成形件100一般地包括位于凹槽-外包覆组件110(本文也称作“凹槽-外包覆结构110”)内的芯组件102。在图1A所示的光纤预成形件的实施方式中，芯组件102一般地包括芯体区域104和内包覆区域106。芯体区域104被内包覆区域106环绕且与其直接接触。在本文所示和所述的实施方式中，芯体区域104和内包覆区域106由二氧化硅(具体地，基于二氧化硅的玻璃)形成。光纤预成形件100相对于芯体区域104的中心呈大致圆形对称，以及芯体区域104的半径可以为RC。内包覆区域106环绕芯体区域104并从半径RC延伸至半径RIC，从而内包覆区域106的径向厚度为TIC＝RIC-RC。芯体区域104和内包覆区域106一般形成为具有具体的径向尺寸，从而可以从光纤预成形件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，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，α分布)。例如，在一个实施方式中，如图1B示意性所示，芯体区域104具有台阶式折射率分布。在这些实施方式中，芯体区域104具有相对于内包覆区域106的最大相对折射率Δc最大％，且在芯体区域104的径向横截面上是基本均匀的。在其他实施方式中，芯体区域104可具有如图1C所示的α分布的渐变式折射率，使得相对折射率从芯体区域104的中心到半径RC是减小的。
芯体区域104可由纯的二氧化硅玻璃(SiO2)形成，例如当光纤预成形件具有类似如图1B所示的台阶式折射率时。或者，光纤预成形件100的芯体区域104可由具有一种或多种掺杂剂的基于二氧化硅的玻璃形成，所述掺杂剂增加玻璃芯体区域相对于纯的、未掺杂的基于二氧化硅的玻璃的折射率，例如当光纤预成形件100具有如图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。用于增加芯体区域的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，内包覆区域106具有相对于纯二氧化硅玻璃的最大相对折射率百分比ΔIC最大％，从而使ΔC最大％>ΔIC最大％。内包覆区域106可由纯的二氧化硅玻璃(SiO2)形成，可由具有一种或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，例如当内包覆区域106是“正掺杂的”时，或者内包覆区域106可由具有一种或多种降低折射率的负掺杂剂(例如氟或硼等)的基于二氧化硅的玻璃形成，例如当内包覆区域是“负掺杂的”时，只要芯体区域104的最大相对折射率ΔC最大值％大于内包覆区域106的最大相对折射率ΔIC最大值％即可。例如，在一个实施方式中，内包覆区域106是纯二氧化硅玻璃。在另一个实施方式中，内包覆区域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。
再次参见图1A，凹槽-外包覆组件110一般地包括低折射率凹槽区域112，其被内阻隔层116a环绕并与其直接接触。内阻隔层116a进而被外包覆区域114包围并与其直接接触。此外，外阻隔层116b环绕外包覆区域114。折射率凹槽区域112、内阻隔层116a、外包覆区域114和外阻隔层116b分别是由基于二氧化硅的玻璃形成。
低折射率凹槽区域112是环绕芯体组件102的基于二氧化硅的玻璃的环形区域。根据一些实践方式，低折射率凹槽区域112的刚形成的密度(例如，在低折射率凹槽区域112的固结之前)约为0.5g/cm3。一旦固结，低折射率凹槽区域112有助于改善从光纤预成形件100拉制的光纤的弯曲性能，和/或有助于增加光纤的有效面积。如图1A所示，在光纤预成形件100包括内包覆区域106的实施方式中，内包覆区域106位于芯体区域104和低折射率凹槽区域112之间，从而低折射率凹槽区域112与芯体区域104间隔开(即，低折射率凹槽区域112没有与芯体区域104直接接触)。低折射率凹槽区域112从半径RIC延伸至半径RT，使得低折射率凹槽区域的径向厚度为TT＝RT-RIC。
在本文所述的实施方式中，低折射率凹槽区域112一般地包括基于二氧化硅的玻璃，其经过负掺杂以降低低折射率凹槽区域112相对于纯二氧化硅玻璃的折射率。例如，可用氟对低折射率凹槽区域112进行负掺杂，从而降低低折射率凹槽区域112相对于纯二氧化硅玻璃的相对折射率ΔT最小值％。因此，在本文所述的实施方式中，应理解的是，低折射率凹槽区域的相对折射率小于芯体区域104的相对折射率ΔC最大值％和内包覆区域106的相对折射率ΔIC最大值％。
在一些实施方式中，相对于纯二氧化硅，低折射率凹槽区域112的折射率可以小于-0.02％。在一些实施方式中，相对于纯二氧化硅，低折射率凹槽区域112的折射率可以小于-0.1％。在一些实施方式中，相对于纯二氧化硅，低折射率凹槽区域112的折射率可以小于-0.25％。在一些实施方式中，相对于纯二氧化硅，低折射率凹槽区域112的折射率可以小于-0.4％。在一些实施方式中，相对于纯二氧化硅，低折射率凹槽区域112的折射率可以小于-0.6％。在一些实施方式中，相对于纯二氧化硅，低折射率凹槽区域112的折射率可以小于-0.02％且大于-1％。在一些实施方式中，相对于纯二氧化硅，低折射率凹槽区域112的折射率可以小于-0.2％且大于-1％。在一些实施方式中，相对于纯二氧化硅，低折射率凹槽区域112的折射率可以小于-0.2％且大于-0.6％。
在一些方面中，低折射率凹槽区域112的氟浓度可以大于0.1重量％。在一些实施方式中，低折射率凹槽区域112的氟浓度可以大于0.4重量％。在一些实施方式中，低折射率凹槽区域112的氟浓度可以大于0.8重量％。在一些实施方式中，低折射率凹槽区域112的氟浓度可以大于1.4重量％。在一些实施方式中，低折射率凹槽区域的氟浓度可以大于2重量％。
内阻隔层116a环绕低折射率凹槽区域112并与其直接接触。在本文所述的实施方式中，如下文进一步详述，当对凹槽-外包覆组件110进行固结和掺杂时，内阻隔层116a防止负掺杂剂从低折射率凹槽区域112扩散到环绕内阻隔层116a的外包覆区域114。在本文所述的实施方式中，内阻隔层116a由二氧化硅形成，且通常具有与外包覆区域114相同的组成。因此，在如图1B和1C所示的相对折射率分布中，内阻隔层116a的相对折射率是外包覆区域114的那样(即，如同以经固结状态存在的那些区域)。在本文所述的实施方式中，内阻隔层116a的刚形成的密度(即，在凹槽-外包覆组件固结之前)大于或等于1.5g/cm3，更优选大于或等于1.75g/cm3以及甚至更优选大于2g/cm3。在一些优选实施方式中，内阻隔层116a的刚形成的密度约为1-1.5g/cm3。在一些优选实施方式中，内阻隔层116a的刚形成的密度约为1.5-2.2g/cm3。根据一些实践方式，内阻隔层116a的刚形成的密度通常大于低折射率凹槽区域112的刚形成的密度。
如图1A所示，内阻隔层116a通常从半径RT延伸至半径Rba，从而内阻隔层116a的径向厚度Tib＝Rba-RT。在本文所述的实施方式中，阻隔层116a的径向厚度Tib通常大于约10μm，更优选地大于约50μm，甚至更优选地大于约100μm。在一些实施方式中，内阻隔层116a的径向厚度Tib小于100μm。例如，内阻隔层116a可以大于或等于约10μm且小于或等于约400μm。在其他实施方式中，内阻隔层116a可以大于或等于约50μm且小于或等于约400μm。在其他实施方式中，内阻隔层116a可以大于或等于约100μm且小于或等于约400μm。在额外的实施方式中，内阻隔层116a可以约为100-700μm。但是，当内阻隔层116a的密度超过2.0g/cm3时，内阻隔层116a对于减轻掺杂剂的扩散是有效的，而不论内阻隔层116a的厚度如何。因此，在这些实施方式中，应理解的是，可以使用任意厚度的内阻隔层116a。
仍然参考图1A，外包覆区域114环绕内阻隔层116a并与其直接接触。外包覆区域114通常从半径Rba延伸至半径ROC，从而外包覆区域114的径向厚度TOC＝ROC-Rba。此外，在一些实施方式中(参见例如图1B)，外包覆区域114包括内阻隔层116a，且TOC＝ROC-RT。相对于纯二氧化硅玻璃，外包覆区域114的相对折射率ΔOC％通常大于低折射率凹槽区域112的相对折射率ΔT最小值％且小于芯体区域104的最大相对折射率ΔC最大值％。在一些实施方式中，如图1B所示，ΔOC％≥ΔIC％。因此，外包覆区域114可以包括纯二氧化硅玻璃(SiO2)(即，基本上没有任何掺杂剂的二氧化硅玻璃)，或者可以包括具有一种或多种增加折射率的掺杂剂(例如GeO2、Al2O3、P2O5、TiO2、ZrO2、Nb2O5、Cl和/或Ta2O5)的基于二氧化硅的玻璃，例如当外包覆区域114是“正掺杂的”时，只要外包覆区域114的相对折射率ΔOC％小于芯体区域104的最大相对折射率ΔC最大值％且大于低折射率凹槽区域112的最小相对折射率ΔT最小值％即可。
外阻隔层116b环绕外包覆区域114并与其直接接触。外阻隔层116b可以被视为是外包覆区域114的一部分或者外包覆区域114内的子层。在本文所述的实施方式中，外阻隔层116b防止在对低折射率凹槽区域112进行加工过程中(例如，在低折射率凹槽区域112固结之前)引入的负掺杂剂经由凹槽-外包覆组件110的外侧部分和表面的扩散发生扩散到达外包覆区域114。在本文所述的实施方式中，外阻隔层116b由二氧化硅形成，且通常具有与外包覆区域114和内阻隔层116a相同的组成。因此，在如图1B和1C所示的相对折射率分布中，外阻隔层116b的相对折射率是外包覆区域114的那样。在本文所述的实施方式中，外阻隔层116b的刚形成的密度(即，在凹槽-外包覆组件固结之前)大于或等于1.5g/cm3，更优选大于或等于1.75g/cm3以及甚至更优选大于2g/cm3。在一些优选实施方式中，外阻隔层116b的刚形成的密度约为1-1.5g/cm3。在一些其他实施方式中，外阻隔层116b的刚形成的密度约为1.5-2.2g/cm3。
如图1A所示，外阻隔层116b通常从半径Rbb延伸至半径ROC，从而外阻隔层116b的径向厚度Tob＝ROC-Rbb。在本文所述的实施方式中，外阻隔层116b的径向厚度Tob通常大于约10μm，更优选地大于约50μm，甚至更优选地大于约100μm。在一些实施方式中，外阻隔层116b的径向厚度Tob小于100μm。例如，外阻隔层116b可以大于或等于约10μm且小于或等于约700μm。在其他实施方式中，外阻隔层116b可以大于或等于约50μm且小于或等于约700μm。在其他实施方式中，外阻隔层116b可以大于或等于约100μm且小于或等于约400μm。在额外的实施方式中，外阻隔层116b可以约为500-3000μm。但是，当外阻隔层116b的密度超过2.0g/cm3时，外阻隔层116b对于减轻掺杂剂的扩散是有效的，而不论外阻隔层116b的厚度如何。因此，在这些实施方式中，应理解的是，可以使用任意厚度的外阻隔层116b。
现参见图2A，示意性显示光纤预成形件101(例如，预成形件101以经固结的状态存在)的另一个实施方式。在该实施方式中，形成的芯体组件没有内包覆区域(例如，图1A所示的内包覆区域106)。因此，在该实施方式中，如图2A所示，芯体区域104与低折射率凹槽区域112直接接触。形成的芯体区域104可以具有台阶式折射率分布(如图2B所示)或者可以具有渐变式折射率分布(如上文所述)。在该实施方式中，低折射率凹槽区域112、内阻隔层116a、外包覆114和外阻隔层116b可以如上文关于图1A所述的那样。
下面将更详细参见图3A-3D和图4-6描述用于形成图1A和2A所示的光纤预成形件100、101的方法。如上文所述，本文所述实施方式的光纤预成形件由芯体组件和凹槽-外包覆的组件建造成，它们独立的形成且随后组装以建造成光纤预成形件。在本文所述的实施方式中，芯体组件和凹槽-外包覆组件分别通过气相沉积工艺(例如，外部气相沉积(OVD)工艺)在饵棒上沉积基于二氧化硅的烟炱的连续层来形成。
例如，参考图3A，通过在饵棒120上沉积基于二氧化硅的烟炱形成低折射率凹槽区域112。在一些实施方式中，饵棒120的直径约为10mm且其组成基本由Al2O3或者其他合适的难熔材料构成。通过向燃烧器122提供气相沉积二氧化硅玻璃前体材料(例如，SiCl4或八甲基环四硅氧烷(OMCTS))来形成基于二氧化硅的烟炱。为气体进料燃烧器122提供燃料，例如CH4、D2(氘)、CD4或CO，以及氧气，它们燃烧以产生火焰126。在一些实施方式中，气相二氧化硅前体材料是SiCl4，以及为气体进料燃烧器122提供燃料(例如，D2、CD4或CO)，从而限制沉积的基于二氧化硅的烟炱中的OH残留量。当使用此类组合来形成阻隔层的二氧化硅玻璃时，减轻了阻隔层中模式(mode)和任何残留的水分之间的相互作用。可以以约4-10L/分钟的流量将气相二氧化硅前体材料传递到燃烧器，同时可以以约10-40L/分钟的流量将燃料供给至燃烧器。
气相二氧化硅前体材料在火焰126中反应，以产生基于二氧化硅的烟炱128，当饵棒以从约150-400rpm的速率旋转时，其沉积到饵棒120上。在本文所述的实施方式中，用于形成凹槽区域112的气相二氧化硅前体材料基本上不含掺杂剂，作为结果，当其沉积到饵棒120上以形成低折射率凹槽区域112(即，在固结之前存在的区域112)时，沉积到饵棒120上的基于二氧化硅的烟炱128基本不含掺杂剂。如箭头124所示，当饵棒旋转时，气体进料燃烧器122的火焰126以第一速度横贯来回于饵棒120的轴向长度上，从而建造在饵棒120上积累了基于二氧化硅的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，火焰126的横贯速度大于2cm/s，优选大于或等于3cm/s。
在本文所述的实施方式中，基于二氧化硅的烟炱沉积在饵棒120上，从而低折射率凹槽区域112具有第一密度，其小于0.8g/cm3，以及在一些实施方式中小于0.5g/cm3。如上文所述，沉积以形成低折射率凹槽区域112的基于二氧化硅的烟炱128基本上不含会改变区域112中的二氧化硅的折射率的任意掺杂剂(即，在固结之后测量)。因此，应理解的是，刚形成的低折射率凹槽区域112至少初始时不含掺杂剂。
参见图3B，绕着低折射率凹槽区域112形成内阻隔层116a。通常来说，内阻隔层116a具有第二密度，其大于低折射率凹槽区域112的第一密度。如上文所述，在紧接内阻隔层116a形成之后，内阻隔层116a的密度大于或等于1.5g/cm3，更优选大于或等于1.75g/cm3以及甚至更优选大于或等于2g/cm3。此外，在一些优选实施方式中，如上文所述，内阻隔层116a的刚形成的密度约为1-1.5g/cm3。在一些优选实施方式中，内阻隔层116a的刚形成的密度约为1.5-2.2g/cm3。在一个实施方式中，通过如下方式绕着低折射率凹槽区域112形成内阻隔层116a：将气体进料燃烧器122的火焰126的温度从第一温度增加至第二温度，以及将燃烧器的火焰的横贯速度从第一速度降低至第二速度。可以通过增加供给到气体进料燃烧器122的燃料和氧气的流量来增加火焰126的温度。在一个实施方式中，气体进料燃烧器122的火焰126的温度从1500℃-2000℃的范围增加到大于2000℃。燃烧器的火焰的横贯速度可以从用于沉积低折射率凹槽区域112的第一速度降低至第二速度，所述第二速度优选小于1cm/s，更优选小于0.5cm/s以及甚至更优选小于0.25cm/s。增加气体进料燃烧器122的火焰126的温度和降低火焰的横贯速度，这增加了沉积在饵棒上的烟炱的密度，由此绕着低折射率凹槽区域112形成的阻隔层116具有降低的可渗透性。
在另一个实施方式中，通过如下方式绕着低折射率凹槽区域112形成内阻隔层116a：将气体进料燃烧器122的火焰126的温度从第一温度增加至第二温度，以及降低供给到气体进料燃烧器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前体材料的流量可以从沉积低折射率凹槽区域112期间的约4-10L/分钟降低至形成内阻隔层116a期间的小于1L/分钟。在一个实施方式中，基于二氧化硅的玻璃的气相前体材料的浓度降低至零。降低基于二氧化硅的玻璃的前体材料的浓度增加了火焰的温度并减缓了或者甚至暂停了(例如，当基于二氧化硅的玻璃的前体材料的流量为零时)基于二氧化硅的玻璃烟炱在低折射率凹槽区域112上的沉积。但是，增加火焰126的温度导致低折射率凹槽区域112的基于二氧化硅的烟炱的外层致密化，从而基于二氧化硅的烟炱的外层的密度大于低折射率凹槽区域112的余下厚度中的基于二氧化硅的烟炱的密度。烟炱的该致密层形成内阻隔层116a。在该实施方式中，火焰126的温度可增加至2000℃或更高，从而使得低折射率凹槽区域112的基于二氧化硅的烟炱的外层致密化。
在另一个实施方式中，可以通过如下方式绕着低折射率凹槽区域112形成内阻隔层116a：将气体进料燃烧器122的火焰126的温度从第一温度增加至第二温度，以及如上所述，将燃烧器的横贯速度从第一速度降低至第二速度，同时降低供给到气体进料燃烧器122的载气中的基于二氧化硅的气相前体材料的浓度。如上文所述，降低基于二氧化硅的前体材料的浓度减缓了或者暂停了基于二氧化硅的烟炱在低折射率凹槽区域112上的沉积，如上所述。但是，增加火焰126的温度和降低火焰126的横贯速度导致低折射率凹槽区域112的基于二氧化硅的烟炱的外层发生致密化，从而基于二氧化硅的烟炱的外层的密度大于低折射率凹槽区域112的其余部分中的基于二氧化硅的烟炱的密度。烟炱的该致密层形成内阻隔层116a。在该实施方式中，火焰126的温度可增加至2000℃或更高，从而使得低折射率凹槽区域112的基于二氧化硅的烟炱的外层致密化。在该实施方式中，火焰126的横贯速度可以从用于沉积低折射率凹槽区域112期间的第一速度降低至第二速度，所述第二速度优选小于1cm/s，更优选小于0.5cm/s以及甚至更优选小于0.25cm/s。
虽然在本文所述的一些实施方式中，内阻隔层116a是通过用气体进料燃烧器加热沉积的基于二氧化硅的烟炱以使烟炱致密化来形成的，但是应理解的是，在其他实施方式中可以使用其他的热源。例如，在替代实施方式中，可以利用CO2激光器来加热低折射率凹槽区域的基于二氧化硅的烟炱的外层，并由此使得烟炱致密化。在替代实施方式中，可以采用等离子体火炬或燃烧器(其中，通过例如直流、交流和/或射频等产生热等离子体)来加热低折射率凹槽区域的基于二氧化硅的烟炱的外层，以使其致密化。
此外，在本文所述的一些实施方式中，预期可以在形成内阻隔层116a的过程中调节饵棒的转速，从而实现具有所需密度的阻隔层。具体来说，降低饵棒的转速可有助于增加内阻隔层116a的密度。
现参见图3C，当绕着低折射率凹槽区域112形成内阻隔层116a之后，绕着内阻隔层116a形成外包覆区域114。在本文所述的实施方式中，可以以与低折射率凹槽区域112类似的方式来形成外包覆区域114，包括具有大致相当的刚形成时的密度。具体来说，将基于二氧化硅的玻璃的气相前体材料(如SiCl4或OMCTS)供给到气体进料燃烧器122并在火焰126中反应，以形成基于二氧化硅的烟炱，当饵棒转动时，其绕着内阻隔层116a沉积在饵棒120上。如上所述，如箭头124所示，当饵棒旋转时，气体进料燃烧器122的火焰126以第一速度来回横贯于饵棒120的轴向长度上，从而在饵棒120上积累了基于二氧化硅的烟炱并形成外包覆区域114。用于形成外包覆区域114的基于二氧化硅的烟炱可以是纯的基于二氧化硅的烟炱(SiO2)(即，基本不含掺杂剂的基于二氧化硅的烟炱)，或者可以是包含一种或多种用于增加外包覆区域114的折射率的掺杂剂的基于二氧化硅的烟炱。
现参见图3D，可以从刚形成的内阻隔层116a、外包覆区域114和低折射率凹槽区域112取出饵棒120。然后可以将芯体组件102插入区域112、114、116a的中心孔或中心通道中。芯体组件102、低折射率凹槽区域112、外包覆区域114和内阻隔层116a然后可以固结成封闭孔隙度和/或无空穴的玻璃，允许刚形成的凹槽-外包覆组件100的中心线坍塌到芯体组件102上，以形成光纤预成形件100的凹槽-外包覆组件110。在固结过程期间，可以通过使得脱水气体(例如，氯气)流动通过这些组件的中心线和沿着外套筒流动，使芯体组件102和凹槽-外包覆组件110脱水。作为该过程的一部分，可以在外包覆区域114内和/或环绕外包覆区域114形成外阻隔层116b。如图3D所示，也可以使用之前列举和图3B示意性所示的用于制备内阻隔层116a的方法(例如，火琢(fire polish)方法)来形成外阻隔层116b。根据一些实施方式，可以采用之前关于形成内阻隔层116a所述的任意其他方法来形成外阻隔层116b。
还如上文所述，制备的外阻隔层116b的刚形成的密度(即，在固结之前)大于或等于1.5g/cm3，更优选大于或等于1.75g/cm3以及甚至更优选大于2g/cm3。在一些优选实施方式中，外阻隔层116b的刚形成的密度约为1-1.5g/cm3。在一些其他实施方式中，外阻隔层116b的刚形成的密度约为1.5-2.2g/cm3。根据一些实践方式，外阻隔层116b的刚形成的密度通常大于外包覆区域114的刚形成的密度。
在本文所述方法的实施方式中，刚形成的外阻隔层116b的径向厚度Tob通常大于约10μm，更优选地大于约50μm，甚至更优选地大于约100μm。在一些实施方式中，外阻隔层116b的径向厚度Tob小于100μm。例如，外阻隔层116b可以大于或等于约10μm且小于或等于约400μm。在其他实施方式中，外阻隔层116b可以形成为大于或等于约50μm且小于或等于约400μm。在其他实施方式中，外阻隔层116b可以大于或等于约100μm且小于或等于约400μm。在额外的实施方式中，外阻隔层116b可以形成为约为500-3000μm。
根据一个实践方式，可以通过上釉(glazing)工艺来形成外阻隔层116b，这导致外包覆区域114的表面上的封闭孔隙度层。产生外阻隔层116b的上釉工艺可以包括例如：使凹槽-外包覆组件110(以及插入凹槽-外包覆组件110中的芯体组件102)向下移动通过(例如约为1450-1550℃)的炉的热区(例如，升温速率约为25℃/分钟)，持续约30-60分钟，然后向上(例如，以100℃/分钟的冷却速率)至约900℃多次，直至外包覆区域114的所需部分致密化成具有所需密度的外阻隔层116b。以较快移动速度多次移动凹槽-外包覆组件110允许外包覆区域114的外侧致密化，而没有使得烧结前行到预成形件100内的明显和有害深度。在固结过程期间，可以通过使得脱水气体(例如，氯气)流动通过这些组件的中心线和沿着外套筒流动，使芯体组件102和凹槽-外包覆组件110脱水。
还如图3D所示，在形成外阻隔层116b的过程中，饵棒120可以留在原地。在这些实践方式中，在任何固结步骤之前，采用上文所列举的任意工艺来形成外阻隔层116b。在形成了外阻隔层116b之后，取出饵棒102，并将芯体组件102插入区域112、114、116a和116b的中心孔或中心通道中。芯体组件102、低折射率凹槽区域112、外包覆区域114、内阻隔层116a和外阻隔层116b然后可以固结成玻璃，允许刚形成的凹槽-外包覆组件100的中心线坍塌到芯体组件102上，以形成光纤预成形件100的凹槽-外包覆组件110。
以与凹槽-外包覆组件类似的方式单独构建具有或不具有内包覆层(例如，内包覆106)的芯体组件(例如，芯体组件102)。具体来说，使用如上所述的外部气相沉积(OVD)工艺，通常在单沉积步骤中，将对应于预成形件的芯体区域104的基于二氧化硅的烟炱坯体沉积到饵棒上。或者，可以采用气相轴向沉积(VAD)工艺来产生芯体组件102的芯体区域104。在一些实践方式中，芯体区域104的直径约为40-60mm，以及芯体组件102的长度约为100cm。
用于形成芯体区域104的基于二氧化硅的烟炱可用掺杂剂进行掺杂或者可以包括纯二氧化硅玻璃，所述掺杂剂增加芯体区域相对于纯二氧化硅玻璃(即，基本不含掺杂剂的二氧化硅玻璃)的折射率。将用于形成芯体区域104的基于二氧化硅的玻璃的气相前体材料与气相掺杂剂一起提供到燃烧器，以实现所需的芯体区域的正掺杂。在芯体组件102还包括内包覆区域106的实施方式中，可以采用类似的沉积技术，在饵棒上绕着芯体区域104形成内包覆区域。如上文所述，内包覆区域可由纯的、基于二氧化硅的玻璃形成或者可由用正掺杂剂或负掺杂剂掺杂的基于二氧化硅的玻璃形成，只要内包覆区域的相对折射率小于芯体区域的相对折射率即可。
在一些实施方式中，芯体区域104的密度目标是大于约0.8g/cm3，或者更优选大于约1g/cm3，从而减轻负掺杂剂(例如氟)迁移通过整个芯体组件102。最优选地，将芯体区域104加工成刚形成的密度约为1-1.6g/cm3，特别是为了使得负掺杂剂的迁移最小化。通常来说，采用OVD/VAD工艺，将芯体组件102加工成重量是2000-5000克。
一旦在饵棒上形成了芯体组件102，将饵棒从芯体组件取出并将芯体组件102固结成固体玻璃。具体来说，首先在流动的脱水气体(例如氯)中对芯体组件102进行干燥。之后，将芯体组件加热至约为1450-1550℃持续足够的时间段(例如，约3小时)，从而将芯体组件固结成固体玻璃。可以将经烧结的芯体组件102再拉制成较小直径的芯棒，用于与凹槽-外包覆组件(例如，凹槽-外包覆结构100)进行整合之前的进一步加工。
现参见图4，在饵棒120上沉积或者任意其他方式形成了低折射率凹槽区域112、内阻隔层116a、外包覆区域114和外阻隔层116b并由此形成光纤预成形件的凹槽-外包覆组件110之后，从凹槽-外包覆组件110取出饵棒120，留下延伸穿过凹槽-外包覆组件110的中心通道118。同样如上文所述，方法的一些实践方式在形成内阻隔层116b之前取出了饵棒120。在任一方法中，将固结的芯体组件102插入凹槽-外包覆组件110的中心通道中。当经固结的芯体组件102被置于由于去除饵棒120所留下的中心通道中，经固结的芯体组件102与低折射率凹槽区域112之间略微存在间隙，因为凹槽-外包覆组件尚未被完全固结成完全致密的玻璃。
然后，将凹槽-外包覆组件110和经固结的芯体组件102置于固结炉130中，在其中，凹槽-外包覆组件固结成固体玻璃，由此使得凹槽-外包覆组件110与芯体组件102粘附。在固结过程中，首先通过使脱水气体在经固结的芯体组件和凹槽-外包覆组件110之间流动(即，通过中心通道118)以及绕着凹槽-外包覆组件110的外部表面流动，来干燥凹槽-外包覆组件110。在一个实施方式中，脱水气体包含2-6％的氯气在氦气中的混合物。当在0.5-4小时的时间段内，将凹槽-外包覆组件110从约800℃加热至约1250℃的温度时，引导混合物以约5L/分钟至约20L/分钟的流量通过和绕着凹槽-外包覆组件。穿过和绕着凹槽-外包覆组件110的氯气流，在单个步骤中同时促进干燥了低折射率凹槽区域112和外包覆区域114。
之后，如图4所示，当凹槽-外包覆和芯体组件110和102这两者分别被加热到约为1400-1500℃的温度时，将包含掺杂剂(例如氟)的前体气体132在中心通道118中导向穿过凹槽-外包覆组件110，来对低折射率凹槽区域112进行掺杂。在一个实施方式中，前体气体包括掺杂剂(例如SiF4或CF4)以及余量He气的混合物。在该实施方式中，混合物可包含25％的掺杂剂和75％的氦气。导向通过凹槽-外包覆组件110的前体气体的流量约为0.1-1.0L/分钟。前体气体扩散进入低折射率凹槽区域112，由此用氟掺杂了低折射率凹槽区域112。但是，内阻隔层116a和外阻隔层116b的密度增加防止了前体气体扩散进入外包覆区域114。作为结果，防止了外包覆区域114被前体气体132所污染。此外，因为芯体组件102是完全固结的，前体气体132没有扩散进入芯体组件102，从而防止了对芯体组件102的污染。
在一些实施方式中，除了前体气体132之外，将惰性马弗炉气体(muffle gas)134(例如氦气、氮气或氩气)引入固结炉，并导向通过凹槽-外包覆组件110，如图4所示。引导马弗炉气体134以约2-50L/分钟的流量(例如，在一些方面，5L/分钟的流量是可接受的)绕着凹槽-外包覆组件110的外部表面，由此稀释从中心通道118排出的前体气体132，并抑制了前体气体132从凹槽-外包覆组件110的外侧扩散进入外包覆区域114中。此外，外阻隔层116b还防止或者以任意其他方式抑制了来自前体气体132的掺杂剂扩散进入外包覆区域114。
之后，通过以约5-50mm/分钟的速率向下驱动凹槽-外包覆组件110和芯体组件102通过固结炉130的热区(参见图4)，从而将凹槽-外包覆组件110烧结成固体玻璃。热区的温度通常约为1400-1500℃。在向下驱动步骤之后，凹槽-外包覆组件110和芯体组件102是单个的固体玻璃光纤预成形件100(参见图5)。
参见图4A，还可以是在通道118中不存芯体组件102的情况下，对低折射率凹槽区域112进行掺杂和固结。在这些实践方式中，芯体组件102独立于凹槽-外包覆组件110进行完全固结。一旦完成了掺杂过程形成低折射率凹槽区域112，可以将完全固结的芯体组件102插入经固结的凹槽-外包覆组件110中。可以将这些组件一起再拉制成组合坯体，然后进一步再拉制成光纤预成形件(例如，如图5所示的光纤预成形件100)。在某些实施方式中，在不存在芯体组件(例如，芯体组件102)的情况下，对凹槽-外包覆组件110进行完全固结。这样，形成的组件110是以管状构造存在的光纤预成形件产品。例如，然后可以采用本领域技术人员所理解的管中棒工艺，将该预成形件进一步加工成光纤预成形件。
现参见图6，“比较例1”曲线是提供了光纤预成形件100(例如，如图1A那样构造，但是没有外阻隔层116b)的凹槽-外包覆组件110的示例性相对折射率分布的比较例。具体来说，“比较例1”显示了对于比较例的低折射率凹槽区域112的相对折射率和外包覆区域114的相对折射率与凹槽-外包覆组件的径向厚度之间的关系。如图6所示，“比较例1”比较例的内阻隔层116b防止了含有负掺杂剂的前体气体从低折射率凹槽区域112扩散进入外包覆区域114。但是，由于比较例1没有外阻隔层，进入炉气氛134的前体掺杂剂气体132可以发生掺杂(例如，形成F掺杂的二氧化硅)，作为结果，在外包覆区域的整个径向厚度，外包覆区域的相对折射率明显降低。
再次参见图6，“实施例1”和“实施例2”反映了本发明的实施例1和2，其是包含外阻隔层116b的光纤预成形件100(例如，如图1A所构造)的凹槽-外包覆组件110的示例性相对折射率分布。具体来说，“实施例1”和“实施例2”显示了对于本发明的实施例1和2的低折射率凹槽区域112的相对折射率和外包覆区域114的相对折射率与凹槽-外包覆组件的径向厚度之间的关系。如图6所示，“实施例1”和“实施例2”光纤预成形件的内阻隔层116a和外阻隔层116b一起起作用，以防止预成形件的加工过程中，含负掺杂剂的前体气体从低折射率凹槽区域112扩散进入外包覆区域114和防止其从预成形件100的外侧扩散进入外包覆区域。作为结果，在本发明的这些实施例中，外包覆区域114的相对折射率在外包覆区域的整个径向厚度上是基本均匀的。
图6所示的比较例1、实施例1和实施例2曲线分别对应于具有内阻隔层的光纤预成形件以及具有内阻隔层和外阻隔层的光纤预成形件的曲线。对于比较例1曲线，外包覆区域在近似RT的径向位置处的内部部分展现出-0.05％的相对折射率，然后随着整个外包覆区域上的径向距离的增加，跌落至约-0.16％。在比较例1曲线中，外包覆区域(从RT开始，或者从低于0.0％的相对折射率开始)的相对折射率的略微跌落可归结于一些残余量的负掺杂剂(即，氟)在低折射率凹槽区域加工和后续的高温加工过程中扩散进入外包覆区域中。在比较例1曲线中，外包覆区域中明显的残余负掺杂剂的百分比可归结于由于前体气体沿着固结炉130的外侧所导致的负掺杂剂扩散通过凹槽-外包覆组件的最外部分(参见图4)。
不同于比较例1，表示为同时具有内阻隔层和外阻隔层的光纤预成形件的实施例1曲线在外包覆区域中展现出较低的相对折射率“跌落”。在RT时，实施例1曲线的相对折射率略低于0.0％。在外包覆区域中的径向位置增加处，相对折射率仅从约为-0.08％略微跌落至约-0.12％。因此，实施例1曲线的外包覆区域中从0.0％开始的相对折射率的跌落明显小于实施例1曲线在其外包覆区域中的外包覆区域所观察到的跌落。因此，用于产生实施例1曲线的光纤预成形件中存在的外阻隔层起到了明显降低外包覆区域中负掺杂剂的有害扩散的作用。
同样地，不同于比较例1，表示为同时具有内阻隔层和外阻隔层的光纤预成形件的实施例2曲线在外包覆区域中展现出基本没有相对折射率“跌落”。因此，用于产生实施例2曲线的光纤预成形件中存在的外阻隔层起到了明显降低外包覆区域中负掺杂剂的有害扩散的作用。
如本文所述构建的预成形件可以拉制成具有类似于图1B、1C或2B那些所示的相对折射率分布的光纤。
实施例
下面通过以下实施例进一步阐述本发明。
实施例1
用外部气相沉积(OVD)工艺制造了1m长、2000g二氧化硅烟炱预成形件形式的具有阻隔层的凹槽-外包覆组件。通过将200g基本上纯的、基于二氧化硅的烟炱沉积到车床中的外径为10mm的转动的氧化铝饵棒上来形成凹槽-外包覆组件的低折射率凹槽区域。通过基于二氧化硅的玻璃的气相前体材料在气体进料燃烧器的火焰中的吸热水解反应来形成基于二氧化硅的烟炱。基于二氧化硅的玻璃前体材料是供给到燃烧器的SiCl4。通过分别供给到燃烧器的CH4和O2的混合物来产生火焰。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，燃烧器的火焰以大于约2cm/s的速度横贯于饵棒上，同时饵棒以约150rpm至约400rpm的速率旋转，由此导致烟炱绕着饵棒沉积。通过该反应产生的基于二氧化硅的玻璃烟炱沉积在饵棒上，使得低折射率凹槽区域的密度约为0.4-0.5g/cm3。
之后，通过将SiCl4进入燃烧器的流量降低到零，在低折射率凹槽区域上形成内阻隔层，由此降低或消除SiO2烟炱的沉积和增加火焰的温度。火焰对烟炱预成形件火琢(firepolish)10次并使得凹槽区域的最外层烟炱致密化，以形成密度约为2-2.2g/cm3且厚度约为0.1-0.7mm的内阻隔层。
随后，在阻隔层上沉积外包覆区域。具体来说，恢复了达到燃烧器的气相SiCl4流量，从而约2000g的(密度约为0.4-0.5g/cm3的)基于二氧化硅的烟炱沉积在内阻隔层上，以形成凹槽-外包覆组件的外包覆区域。
然后，将氧化铝饵棒从凹槽-外包覆组件取出，并将8.5mm直径的玻璃芯棒组件插入氧化铝饵棒留下的中心通道中。芯棒组件由7.5重量％的GeO2掺杂的SiO2芯体和SiO2内包覆构成，芯/包覆比约为0.4。通过OVD工艺独立地形成芯棒组件，从而芯棒组件具有所需的折射率分布。然后将具有插入的芯棒组件的凹槽-外包覆组件装载到固结炉中进行固结，这包括：在包含约3体积％的Cl2气体和余量He气体的气氛中，在900℃进行干燥，上述两种气体都绕着预成形件的外侧流动和流动通过SiO2柄，进而在芯棒和烟炱预成形件之间的环面流动。
然后将组件横贯(下驱动)通过峰值温度约为1500℃、升温速率约为25℃/分钟的热区，然后上驱动通过热区，并以100℃/分钟冷却回到约900℃。然后该下驱动和上驱动过程再重复两次，得到密度约为1.7g/cm3的近似约1mm厚的外阻隔层，其构造成防止或限制外包覆区域中的内阻隔层与外阻隔层之间的预成形件的掺杂。
之后，组件冷却到约900℃，以及低折射率凹槽区域通过如下方式进行F烧结掺杂：流动10体积％的SiF4和余量He气体的混合物通过SiO2柄，进而流动通过中心通道(即，芯体组件和低折射率凹槽区域之间)，对芯棒和内阻隔层之间的二氧化硅烟炱进行氟掺杂，流量为1.1L/分钟，以及使He气体以5L/分钟的流量流动通过固结炉的底部。然后凹槽-外包覆组件在暴露于这些气体和流量的同时进行固结，这是通过将凹槽-外包覆组件下驱动进入固结炉的烧结区实现的，其峰值温度为1500℃，升温速率为5℃/分钟，从而对内环面SiO2烟炱进行氟掺杂和使得SiO2烟炱坍塌到芯棒上。具体来说，由此制备了完全致密的光纤预成形件，其具有GeO2掺杂的SiO2芯、SiO2内包覆、氟掺杂的SiO2低折射率凹槽区域和SiO2外包覆区域。此外，以这种方式制备的凹槽-外包覆组件的相对折射率分布如图6所示(即，“实施例1”所反映的曲线)。
实施例2
对实施例2的光纤预成形件建模。具体来说，以与实施例1所述一致的方式制造实施例2光纤预成形件，不同之处在于，然后使得组件采用下驱动和上驱动过程通过热区总计4次，得到密度约为2.1g/cm3的近似1mm厚的外阻隔层，其构造成防止或限制外包覆区域中的内阻隔层与外阻隔层之间的预成形件的掺杂。然后对预成形件进行氟掺杂，和以实施例1所述过程进行烧结。以这种方式制备的凹槽-外包覆组件的相对折射率分布如图6所示(即，“实施例2”所反映的曲线)。
比较例1
使用如实施例1所述的类似工艺来制造比较例的光纤组件，不同之处在于，没有使用外阻隔层。也就是说，将二氧化硅烟炱沉积到饵棒上以形成凹槽区域，用燃烧器实现阻隔层的形成，沉积额外的二氧化硅烟炱来形成外包覆，取出饵棒，以及将芯棒组件插入中心线环面(例如，中心通道)。接着，将该组件放入固结炉，对预成形件组件应用氯干燥步骤，然后使相同量的SiF4加上氦气流动通过中心线环面，以及氦气流动通过固结炉的底部。在预成形件组件下驱动通过热区的同时引导这些气体，从而用氟掺杂内环面和对预成形件进行烧结。具体来说，由此制备了完全致密的光纤预成形件，其具有GeO2掺杂的SiO2芯、SiO2内包覆、氟掺杂的SiO2低折射率凹槽区域和部分F掺杂的SiO2外包覆区域。此外，以这种方式制备的凹槽-外包覆组件的相对折射率分布如图6所示(即，“比较例1”曲线)。
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环绕芯体的光纤预成形件。具体地，形成具有位于低折射率凹槽区域和外包覆区域之间的致密阻隔层的独立的凹槽-外包覆组件，允许将低折射率凹槽区域和外包覆区域形成为一个组件，并且对低折射率凹槽区域进行负掺杂而不会使得外包覆区域被负掺杂剂污染。该构造还允许低折射率凹槽区域和外包覆区域在单步骤中干燥，由此消除在两个区域的水污染。因此，应理解的是，在凹槽-外包覆组件中结合阻隔层消除了单独形成和固结低折射率凹槽区域和外包覆区域的需要。

Claims (20)

1.一种用于形成光纤预成形件的方法，所述方法包括：
在饵棒上沉积基于二氧化硅的烟炱以形成低折射率凹槽区域，其中，所述基于二氧化硅的烟炱的沉积使得所述凹槽区域具有第一密度；
绕着所述凹槽区域形成包含二氧化硅的内阻隔层，其中，所述内阻隔层具有大于所述第一密度的第二密度；
绕着所述第一阻隔层沉积基于二氧化硅的烟炱，以形成具有第三密度的光纤预成形件的外包覆区域，其中，所述第二密度大于所述第三密度；
从凹槽-外包覆结构的中心通道去除所述饵棒，所述凹槽-外包覆结构包括所述凹槽区域、所述内阻隔层和所述外包覆区域；
在去除所述饵棒的步骤之后，将芯棒插入所述凹槽-外包覆结构的所述中心通道中；
在所述外包覆区域的外部部分中形成包含二氧化硅的外阻隔层，其中，所述外阻隔层具有大于所述第三密度的第四密度；
在插入所述芯棒的步骤之后，使含负掺杂剂的气体流动通过所述凹槽-外包覆结构的所述中心通道，其中，对所述凹槽-外包覆结构进行充分加热，从而用所述负掺杂剂掺杂所述凹槽区域，以及其中，所述阻隔层减轻了所述负掺杂剂扩散进入所述外包覆区域；以及
在将所述芯棒插入所述光纤预成形件的步骤之后，对所述凹槽-外包覆结构和所述芯棒进行固结。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在形成外阻隔层的步骤之前，进行去除饵棒和插入芯棒的步骤。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在形成外阻隔层的步骤之后，进行去除饵棒和插入芯棒的步骤。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述负掺杂剂是氟，以及所述含负掺杂剂的气体包括CF4和SiF4中的一个或两个。
5.如权利要求1所述的方法，所述方法还包括：
从所述光纤预成形件拉制单模或多模光纤。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述内阻隔层的所述第二密度和所述外阻隔层的所述第四密度大于约1.5g/cm3。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述内阻隔层的所述第二密度和所述外阻隔层的所述第四密度大于约1.75g/cm3。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述内阻隔层的所述第二密度和所述外阻隔层的所述第四密度大于约2g/cm3。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述内阻隔层和外阻隔层分别具有范围约为10-700微米的厚度。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，以火琢过程进行形成外阻隔层的步骤，其包括：从靠近或接近所述外包覆区域的燃烧器引导含火焰的二氧化硅颗粒，所述燃烧器配置成以小于或等于约1cm/s相对于所述凹槽-外包覆结构横向移动。
11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，以火琢过程进行形成外阻隔层的步骤，其包括：从靠近或接近所述外包覆区域的燃烧器引导含火焰的二氧化硅颗粒，所述燃烧器配置成以小于或等于约0.5cm/s相对于所述凹槽-外包覆结构横向移动。
12.一种用于形成光纤预成形件的方法，所述方法包括：
在饵棒上沉积基于二氧化硅的烟炱以形成低折射率凹槽区域，所述基于二氧化硅的烟炱的沉积使得所述凹槽区域具有第一密度；
围绕所述凹槽区域形成包含二氧化硅的内阻隔层，其中，所述内阻隔层具有大于所述第一密度的第二密度；
绕着所述第一阻隔层沉积基于二氧化硅的烟炱，以形成具有第三密度的光纤预成形件的外包覆区域，其中，所述第二密度大于所述第三密度，以及凹槽-外包覆结构包括所述凹槽区域、所述内阻隔层和所述外包覆区域；
在所述外包覆区域的外部部分中形成包含二氧化硅的外阻隔层，其中，所述外阻隔层具有大于所述第三密度的第四密度；
从所述凹槽-外包覆结构去除所述饵棒，其中，去除步骤限定了所述凹槽-外包覆结构中的中心通道；
使含负掺杂剂的气体流动通过所述凹槽-外包覆结构的所述中心通道，以及对所述凹槽-外包覆结构进行充分加热，从而用所述负掺杂剂掺杂所述凹槽区域，以及其中，所述阻隔层减轻了所述负掺杂剂扩散进入所述外包覆区域；以及
对具有经掺杂的凹槽区域的所述凹槽-外包覆结构进行固结，以形成具有中心通道的经固结的凹槽-外包覆结构。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述负掺杂剂是氟，以及所述含负掺杂剂的气体包括CF4和SiF4中的一个或两个。
14.如权利要求12所述的方法，所述方法还包括以下步骤：
将芯棒插入所述经固结的凹槽-外包覆结构的所述中心通道。
15.如权利要求12所述的方法，所述方法还包括以下步骤：
从所述光纤预成形件拉制单模或多模光纤。
16.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述内阻隔层的所述第二密度和所述外阻隔层的所述第四密度大于约1.5g/cm3。
17.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述内阻隔层的所述第二密度和所述外阻隔层的所述第四密度大于约1.75g/cm3。
18.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述内阻隔层的所述第二密度和所述外阻隔层的所述第四密度大于约2g/cm3。
19.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述内阻隔层和外阻隔层分别具有范围约为10-700微米的厚度。
20.如权利要求12所述的方法，其特征在于，以火琢过程进行形成外阻隔层的步骤，其包括：从靠近或接近所述外包覆区域的燃烧器引导含火焰的二氧化硅颗粒，所述燃烧器配置成以小于或等于约1cm/s相对于所述凹槽-外包覆结构横向移动。
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