CN1087432C - 色散补偿光纤及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及可以在低温下拉丝并且可以进一步降低光学传输损耗的色散补偿光纤。该色散补偿光纤包括含有高浓度GeO2的芯料部分和围绕着所述芯料部分的外围而形成的皮层部分，该皮层部分包括含有作为折射率降低物的氟或其类似物的第一皮层、具有高于第一皮层的折射率的第二皮层和第三皮层，第三皮层是基本上对信号光的传播没有作用的玻璃区。更进一步地说，第三皮层含有所需的杂质，从而使其玻璃粘度在预定的温度下低于第二皮层或纯石英皮层的。

Description

色散补偿光纤及其制造方法
本发明涉及一种色散补偿光纤，该光纤适用于光学传输系统，该系统包括设计成使零-色散波长落在1.3微米波长带以内并且补偿该系统相对1.5微米波长带的光的色散和波长的依赖性的光纤。
在包含设计成使零-色散波长落在1.3微米波长带以内的光纤(作为补偿该系统相对1.5微米波长带的光的色散和波长的依赖性的色散补偿光纤)的光学传输系统中，人们已经知道了具有如图1所示的折射率曲线的色散补偿光纤(日本专利申请公开7-261048)。这种色散补偿光纤主要由石英玻璃(下文称为“SiO2玻璃”)组成，并且由含有高浓度GeO2的芯料100；围绕着芯料100的外围与其紧密接触而形成的掺氟第一皮层200；和围绕着第一皮层200的外围与其紧密接触而形成的纯石英玻璃区的第二皮层300构成。
在这里，尽管刻度不同，但是图1中所示的色散补偿光纤的光学强度分布和折射率曲线的各个水平轴代表与芯料100的中心轴垂直的沿图中线L2的横截面上的位置。因此，在该折射率曲线中，区域101、201和301分别与线L2上的芯料100的区域、线L2上第一皮层200的区域和线L2上第二皮层300的区域相对应。
在传统的色散补偿光纤中，芯料100、第一皮层200和第二皮层300的折射率限定在图1所示的特定范围内，因此获得了相对于靠近1.5微米波长的光的负色散值并且确定了一个负色散梯度。
一般说来，色散补偿光纤由含有高浓度的GeO2的芯料(以增加折射率)和含有预定浓度的氟的皮料(以降低折射率)组成，该皮料围绕着芯料的外围与其紧密接触而形成。因此这些区域的折射率分别被设置成相对增加芯料和皮层之间的折射率差从而获得较大的色散值。举例来说，在图1所示的色散补偿光纤中，相对预定波长的色散值与图1所示的折射率曲线中的凹陷区A的深度有关。
另一方面，当将GeO2以高达约10％摩尔-30％摩尔的浓度加入到光纤预制件的芯料中时，该光纤预制件适宜在用于制造该光纤的拉丝步骤中在低于通常光纤(含GeO2量不超过5％摩尔)的温度下拉制成形。这是因为当拉丝在高于上述温度下进行时，所获得的纤维的光学传输损耗就会随着掺入的GeO2杂质浓度的增加而增加。
在这里，由于上述传统色散补偿光纤的第二皮层(最外层)是纯石英玻璃，因此通常要在高达1950-2000℃的温度下进行拉丝。这就意味着光纤预制件必须在使芯料的光学传输损耗增加至一定范围的危险下在高温下拉制成形，从而导致使光学传输损耗进一步降低的大障碍。在本说明书中，纯石英玻璃是指纯SiO2玻璃。但是，这些具体温度都是相对值，申请人在这里叙述仅作为参考，因为它们的拉制温度随着测温位置和测温方法不同会有不同的数值。
考虑到上述情况，本发明的目的在于提供与传统光纤相比能够进一步降低光学传输损耗的色散补偿光纤。
本发明的色散补偿光纤例如如图2中所示，是主要由石英玻璃组成的一种光波导，它主要由至少含有10％摩尔GeO2的芯料部分1和皮层部分构成，该皮层部分围绕着芯料部分1的外围而形成并且其折射率低于芯料部分1的。该皮层部分由围绕着该芯料部分1的外围与其紧密接触而形成的第一皮层2、围绕着该第一皮层2的外围与其紧密接触而形成的第二皮层3和围绕着该第二皮层3的外围与其紧密接触而形成的第三皮层4组成。更进一步地说，第三皮层4含有用于控制在预定温度(例如拉制时的温度)下的玻璃粘度的杂质的玻璃区。用于控制玻璃粘度的杂质的特定例子包括氟(F)、氯(Cl)、锗(Ge)、磷(P)、硼(B)等等。图3表示了典型杂质的掺加量和在1500℃下所获得的玻璃粘度之间的关系。
在这里，在该色散补偿光纤中，至少向第一皮层2中加入预定量的杂质以降低折射率，例如氟或硼，从而使芯料部分1和第一皮层2各自的折射率设定为使这些玻璃区域之间折射率差有所增加。因此，当对掺入杂质的浓度进行控制(参见图4)从而在芯料部分1和第一皮层2之间的折射率形成足够大的差值时，可以将该色散补偿光纤的色散值设定为负值，同时将色散梯度设定为负的。此外，这种色散补偿光纤是一种满足特定的单模条件的光波导，其中，芯料部分1的外径和第一皮层2的外径分别设定为2-4微米和4-20微米。
在这样一种单模色散补偿光纤中，在其中传输经过的光还会在靠近芯料部分1的玻璃区(皮层部分的一部分)上传播。由于这种光在纤维直径方向(与光的传输方向相垂直的方向)的传播呈指数下降，因此在该皮层部分的外周上存在一个光很难从其中传播经过的区域。位于这种区域上的皮层还作为物理皮层或壳层而为人们所知，这是因为它主要是用于确保物理强度的玻璃区域。第三皮层4与该物理皮层对应。另一方面，位于该物理皮层以内以及光传输经过其中的玻璃区域作为光学皮层为人们所知。第一和第二皮层2和3对应于光学皮层。
在如上所说的本发明的色散补偿光纤中，用于控制玻璃粘度的杂质，如氟或氯被加入到与基本上对光学信号的传输没有作用的物理皮层相对应的第三皮层4中，从而对第三皮层4在拉制时的预定温度下的玻璃粘度进行控制。由于将在预定温度下的玻璃粘度受到控制的第三皮层4形成物理皮层，在整个横截面区域中(与光的传输方向相垂直的平面面积)在预定温度下具有高玻璃粘度的光学皮层的比例下降了，因此，当进行拉丝时，可以在较低的温度下进行。
更进一步地说，本发明的色散补偿光纤包括含有约10-30％摩尔的GeO2并且外径为2-4微米的芯料部分1。在该芯料部分1的外围形成的皮层部分包括第一皮层2，它构成该光学皮层的一部分，是用作为折射率降低物的氟等掺杂以降低其折射率的玻璃区域，其外径为4-20微米；第二皮层3，它与第一皮层2一起构成该光学皮层，它是在第一皮层2的外围与其紧密接触而成的；以及第三皮层4，它构成该物理皮层，它是在第二皮层3的外围与其紧密接触而形成的，它是一个在拉丝时玻璃粘度低于第二皮层的玻璃区域，其外径为80-150微米。更进一步地说，在该色散补偿光纤中，第一皮层2和第二皮层3之间的折射率差通过调整加入到第一皮层2中的氟或类似物的量进行控制，而无需对第二皮层3的折射率进行控制。此外，该色散补偿光纤的玻璃粘度控制是在第三皮层4上进行的，使在预定温度下的第三皮层4的玻璃粘度低于第二皮层3。
本发明人已经证实当第三皮层是含有1-2％重量的氟或0.25-1％重量的氯时可以获得合格的光波导产品。
另外，优选地，第二皮层3可以掺杂以控制其玻璃粘度。更进一步地说该色散补偿光纤的皮层部分包括第一皮层2，它构成该光学皮层的一部分，它是外径为4-20微米的玻璃区域并且用氟或其类似物掺杂以控制其折射率；第二皮层3，它与第一皮层2一起构成该光学皮层，它是围绕第一皮层2与其紧密接触而形成的，其在预定温度下的玻璃粘度低于纯石英玻璃(纯SiO2玻璃)的；以及第三皮层4，它构成物理皮层，它是围绕第二皮层3与其紧密接触而形成的，它是在预定温度下的玻璃粘度低于纯石英玻璃的玻璃区域，其外径为80-150微米。
结果，该色散补偿光纤的特征在于第二皮层3还可以掺杂以降低在预定温度(例如拉丝时的温度)下第二皮层3的玻璃粘度。这一特征是考虑到下列事实而采用的，即在第二皮层3是纯石英玻璃的情况下，当拉伸张力过分集中在玻璃粘度比第三皮层4高的第二皮层3上时玻璃区域的折射率就会发生变化(由于残余硬力而使折射率下降)。
优选地，在这种情况下，在第二皮层3中所含有杂质是可以增加第三皮层折射率的物质，如氯或其类似物。当第一皮层2的折射率降低而第二皮层3的折射率增加从而对第一和第二皮层2和3之间的折射率差进行控制时，凹陷区A(由对应于芯料部分1的区域10、对应于第一皮层2的区域20和对应于第二皮层3的区域30各自的折射率曲线限定的区域)会变得更深。此外，当以这种方式对折射率曲线进行控制时，可以将该色散补偿光纤的色散特性进行一步改善(在色散梯度的绝对值增加的同时获得足够的负色散值)。
在该色散补偿光纤中，第一皮层2和第二皮层3之间的折射率差的控制(图2的折射率曲线中凹陷区A深度的控制)是通过控制作为第一皮层2的折射率降低物的氟或其类似物的量以及加入到第二皮层3中的氯或其类似物的量而进行的。尽管随着掺杂物，如氟的量增加，技术难度通常会变得更大，但是当用预定量的氯或其类似物对第二皮层3进行掺杂以增加其折射率时可以很容易地在第一和第二皮层2和3之间获得足够大的折射率差(用于获得较大的色散值)。另外，该色散补偿光纤的玻璃粘度控制是在第二和第三皮层3和4上进行的，使得在预定温度下，第二和第三皮层3和4的玻璃粘度均低于石英玻璃。也就是说第二皮层3含有0.25-1％重量的氯，从而实现了对折射率和玻璃粘度的双重控制。另外，在具有上述结构的色散补偿光纤中，本发明人已经证实当第三皮层含有0.1-2％重量的氟或0.25-1％重量的氯时可以获得合格的光波导产品。
在这里，作为控制第三皮层4的玻璃粘度的杂质，可以选择与加入到第二皮层3中用于增加折射率同时降低在预定温度下的玻璃粘度的杂质，如氯相同的杂质，所选择的相同杂质可以以与加入到第二皮层3中的杂质相类似的掺杂量加入到第三皮层4中，从而使制造工艺简化。
另外，在本发明的色散补偿光纤中适用的是，可以用5-6公斤/平方毫米的张力对预先制得的光纤预制件进行拉丝。在这种情况下，可以获得具有低光学传输损耗的色散补偿光纤，该光纤克服了上述问题。
另外，在实践中适用的是，本发明的色散补偿光纤相对于1.55微米波长带的光来说具有1dB/km或更低的低光传输损耗。
更进一步地说，当本发明的色散补偿光纤相对于1.55微米波长带的光来说具有设定为-50ps/km/nm或更低的色散值和负的色散梯度时，它可以有效地补偿包含设计成使零-色散波长落在1.3微米波长带以内的光纤的光学传输系统的色散和波长的依赖性。
从下面所给出的详细描述以及附图可以更加全面地理解本发明，这些部分仅仅是用来说明的，因此不应该将它们认为是对本发明进行限制。
从下面所给出的详细描述，本发明的适用范围将变得显而易见。但是，应该明白这些详细描述和用来说明本发明的优选实施方案的具体实施例仅仅是用来说明的，这是因为在本发明的精神和范围内的各种变化和改动对于熟悉本领域的人员来说是显而易见的。
图1是常规色散补偿光纤的横截面结构图及其相应的折射率曲线；
图2是本发明的色散补偿光纤的横截面结构图，其相应的光强度分布以及相应的折射率曲线；
图3表示了用于控制石英玻璃折射率的典型杂质的掺杂量与在预定温度下的玻璃粘度之间的关系；
图4表示了加入到石英玻璃中的氟的掺杂量(重量％)与所得到的相对纯石英玻璃的相对折射率差(％)之间的关系；
图5表示对应于第二皮层外径的计算值的折射率曲线及其相应的光强度分布；
图6表示色散补偿光纤试样的结构和各种特性(在Δ+＝2.5％的情况下)的框图；
图7表示色散补偿光纤的结构和各种特性(在Δ+＝2.1％的情况下)的框图；
图8是表示用于制备本发明的色散补偿光纤的方法的一部分的工艺图；
图9表示在图8所示的步骤中获得的光纤预制件；
图10表示本发明的色散补偿光纤的第一种实施方案的折射率曲线；
图11表示在第一种实验中制得的第一种具体方案的色散补偿光纤试样中ΔJ(第三皮层相对于纯石英玻璃的相对折射率差)与光学传输损耗之间的关系，其中每一种色散补偿光纤试样相对于1.55微米波长光的色散特性为色散值等于-144ps/km/nm，色散梯度为-0.45ps/km/nm2；
图12表示在第二种实验中制得的第一种具体方案的色散补偿光纤试样中ΔJ(第三皮层相对于纯石英玻璃的相对折射率差)与光学传输损耗之间的关系，其中每一种色散补偿光纤试样相对于1.55微米波长光的色散特性为色散值等于-100ps/km/nm，色散梯度为-0.2ps/km/nm2；
图13表示在第三种实验中制得的第一种具体方案的色散补偿光纤试样中ΔJ(第三皮层相对于纯石英玻璃的相对折射率差)与光学传输损耗之间的关系，其中每一种色散补偿光纤试样相对于1.55微米波长光的色散特性为色散值等于-85ps/km/nm，色散梯度为-0.2ps/km/nm2；
图14表示制造时的拉丝张力与在第一种实验(第4个实验)中制得的色散补偿光纤的光学传输损耗之间的关系；
图15表示在拉伸速度在拉丝时固定的情况下拉丝张力和拉丝温度之间的一般关系；
图16表示根据本发明的色散补偿光纤的第二种具体实施方案折射率曲线；
图17表示根据本发明的色散补偿光纤的第三种具体实施方案折射率曲线；
图18表示根据本发明的色散补偿光纤的第四种具体实施方案折射率曲线；
图19表示第四种具体方案的色散补偿光纤试样中ΔJ(第三皮层相对于纯石英玻璃的相对折射率差)与光学传输损耗之间的关系。
在下文中，将参照图2-19对本发明的色散补偿光纤的各个具体实施方案进行解释。
图2表示本发明的色散补偿光纤的横截面结构、其纤维直径方向(用线L1表示的方向)上的光强度分布及其在纤维直径方向上的折射率曲线。在这里，尽管刻度不同，但是在图2中所示的色散补偿光纤的光强度分布和折射率曲线的各个水平轴代表沿着附图中与芯料部分1中心轴相垂直的线L1在横截面上的位置。因此在该折射率曲线中，区域10、20、30和40分别对应于在线L1上的芯料部分1的区域(下文称为“芯料”)、在线L1上的第一皮层2的区域、在线L1上的第二皮层3的区域以及在线L1上的第三皮层4的区域。此外，该附图中折射率曲线的垂直轴表示相对于纯石英玻璃相对折射率差。
本发明的色散补偿光纤是主要由石英玻璃(下文称为SiO2玻璃)组成的光波导。位于中心的芯料1含有高浓度(约10-30摩尔％，或者更优选地为约20-25摩尔％)的GeO2，因此其折射率被控制成较高。第一皮层2用作为折射率降低物的氟掺杂，从而降低其折射率，它位于芯料1的外面，从而在两者之间获得较大的折射率差。另外在第一皮层2的外面形成第二皮层3，它由掺杂了用于降低玻璃粘度的杂质的纯石英玻璃或SiO2玻璃组成。如上所说，传送经过该光纤的光在第二皮层3的里面围绕着芯料1传播。因此在第二皮层3外面的区域是基本上对信号光的传播没有作用的玻璃区域。在根据本发明色散补偿光纤中，该玻璃区域(第三皮层4)用预定量的氟掺杂，从而获得在预定温度下比纯石英玻璃低的玻璃粘度。
在这里，将对在图2中折射率曲线中的参考记号进行解释。在该折射率曲线中，2a、2b和2c分别表示芯料1的外径(芯料直径)、第一皮层2的外径和第二皮层3的外径。另外，Δ表示如下所说的与纯石英玻璃的相对折射率差：
Δ+＝(n1-n0)/n0
Δ-＝(n2-n0)/n0
ΔP＝(n3-n0)/n0
ΔJ＝(n4-n0)/n0式中n0为纯石英玻璃(纯SiO2玻璃)的折射率，n1为芯料1的折射率，n2是第一皮层2的折射率，n3为第二皮层3的折射率，n4为第三皮层4的折射率。因此，预定玻璃区域的负Δ表示该区域的折射率低于纯石英玻璃的。
在下文中，将对用来测定第二皮层3的外径的方法进行解释。如上所说，在单模光纤中，所传播的光的强度分布不仅存在于芯料1中而且在附近的皮层部分上传播(参见图2)。概括性的说，光在芯料1的周围在大约5-6倍模式场直径(MFD)的范围内传播的同时进行传输。因此，即使将氟或其类似物加入到位于与光学皮层相对应的光在其中传输经过的玻璃区域以外的与物理皮层相对应的玻璃区域中从而改变后一种区域的折射率，该光纤的光学特性也不会由此受到影响。
考虑到传输经过该光纤的光的强度分布，对第二皮层3的外径要更严格地进行限定。如图5中所示，假设芯料1的中心在原点0，芯料1的中心0到第一皮层3的外径的距离为a，在该光纤横截面中0和a之间的光强度为Po-a，而整个光强度为1；它们的关系用下式表示：
              Po-a＝1-exp(-2a2/ω2)
式中ω是该光纤的模式场的直径。当使1-Po-a＝exp(-2a2/ω2)小到可以忽略不计的a的值确定时，在由此确定距离a位置的光强度就可以认为基本上为0。
在这里，假设1-Po-a的值取三种值，即10-30、10-40和10-50来进行计算。计算的结果在图6和7的表中给出。
更具体地说，图6表示Δ+为2.5％时试样1-6的计算结果，而图7表示Δ+为2.1％时试样1-7的计算结果。在该计算中，相对于芯料1的外径(图2中所示的折射率曲线中的2a)和第一皮层2的外径(图2中所示的折射率曲线中的2b)来说，确定了第二皮层3的相对应的各种外径(图2中所示的折射率曲线中的2c)。在这里，这些表还表示了通过有限元方法而计算出的色散特性(色散值和色散梯度值)。
图6和7中所表示的芯料1的外径在适用于色散补偿光纤的芯料直径范围内(2-4微米)。小于该范围低限的芯料直径是不适合的，因为该光纤的弯曲损耗将变大。与其相反，当芯料直径大于该范围的上限时，色散梯度的绝对值将变小，从而使得该光纤不能有效地用作为色散补偿光纤。
在位于由此限定的第二皮层3的外径以外的玻璃区域中，设置了第三皮层4(也称为壳层)，该层掺杂了杂质，例如氟、氯、锗、磷或硼，用它们来降低在预定温度下的SiO2玻璃(即它的主要成分)的玻璃粘度。图3表示了用于控制石英玻璃的折射率的典型杂质掺杂量与在1500℃下的玻璃粘度之间的关系，垂直轴上的玻璃粘度的单位为泊(符号：P，10P＝1N·s/m2)。
在这里，尽管上述计算是在假定1-P0-a为3种值，10-30、10-40和10-50下进行的以确定不影响传输特性的皮层区域；这些值的大小位于设计值的范围内并且可以根据光纤或其类似物的特性进行适当的选择。在下列实施方案中，色散补偿光纤是在1-Po-a＝10-50作为不影响传输特性的一个值的条件下而设计的。
另外，任何满足图6和7中所示条件的光学纤维均具有负色散梯度和约-50ps/km/nm或更低的色散值，从而它可以有效地用作为色散补偿光纤。
在下文中，将参照图8对用来制造本发明的色散补偿光纤的方法进行解释。在下文中所解释的制造方法中，采用用来控制折射率的杂质，例如氟作为降低SiO2玻璃在预定温度下的玻璃粘度的杂质，但是其掺杂比例有所改变，由此制备色散补偿光纤。这种制造方法根据VAD法来进行。
首先，如图8中所示，在将SiO2玻璃中的GeO2掺杂量进行调整从而使折射率以从其中心至周边的距离的二分之一至五分之一次方降低或逐步降低的同时，制备具有折射率n1的柱形芯料部件11。然后，将氟均匀地加入到SiO2玻璃中，从而制备具有降低到n2的折射率的第一皮层部件21，在由此制得的第一皮层部件21的中心沿着图8所示的轴AX形成孔210。然后向在第一皮层部件21中形成的孔210中插入前面所获得的芯料部件11。随后制备折射率为n3的主要由SiO2玻璃组成的柱形第二皮层部件31，并在其中心沿着轴AX形成孔310。虽然当第二皮层部件31为纯石英玻璃(以后所要解释的第一和第二种具体实施方案)时n3＝n0，但是也可以向第二皮层部件31中加入用于控制折射率的杂质(以后所要解释的第三和第四种具体实施方案)。向在第二皮层部件31中所形成的孔310中插入已经合在一起成为圆柱形状的芯料部件11和第一皮层部件21。更进一步地，也可以将氟均匀地加入到SiO2玻璃中以降低其玻璃粘度，从而制得具有折射率n4的柱形第三皮层部件41，在其中心沿着轴AX形成孔410。然后将已经合在一起的芯料部件11、第一皮层部件21和第二皮层部件31插入到孔410中并且加热形成光纤预制件(参见图9)。然后将由此获得的光纤预制件拉丝，从而制得外径为125微米的单模色散补偿光纤。对由此制得的光纤预制件的拉丝步骤例如如USP4123242中所说。第一种实施方案
在下文中将参照图10对本发明的色散补偿光纤的第一种实施方案进行解释。图10表示了第一种实施方案折射率曲线，其中区域10a、20a、30a和40a分别对应于图2中的区域10、20、30和40。因此图10中所表示的实施例曲线的水平轴表示图2中光纤横截面中线L1上的位置。另外，该折射率曲线的垂直轴表示相对于纯石英玻璃的折射率差。
在该方案中，芯料1和第一至第三皮层2-4设计如下：芯料1：含有预定量GeO2的SiO2玻璃(具有增加的折射率)。第一皮层2：含有预定量氟的SiO2玻璃(具有降低的折射率)。第二皮层3：纯石英玻璃(纯SiO2玻璃)。第三皮层4：含有预定量氟的SiO2玻璃(具有降低的折射率)，从而对拉丝时的玻璃粘度进行控制使其低于第二皮层3的。第一种实施方案的第一个实验
本发明人在下列条件下制备具有上述第一种实施方案(图10)的结构的色散补偿光纤。更进一步地说在Δ+＝2.9％，Δ-＝-0.36％以及ΔP＝0％，而ΔJ在0％、-0.1％、-0.3％、-0.4％、-0.6％和-0.7％之间变化的条件下制备多种光纤预制件。然后在拉丝时采用9.8kg/mm2的张力，在恒定的拉伸速度下将每一种光纤预制件拉丝，从而制得2a＝2.25微米，2b＝7.5微米以及2c＝39微米的色散补偿光纤。对于波长为1.55微米的光来说，所获得的每一种色散补偿光纤具有使色散值为-144ps/km/nm、色散梯度为-0.45ps/km/nm2的色散特性。
图11表示对于具有上述ΔJ值的各种色散补偿光纤来说相对于波长为1.55微米的光的光学传输损耗的测定结果。
在图11中，没有掺氟的传统色散补偿光纤(ΔJ＝0％：第三皮层为纯石英玻璃)在约2000℃的高温下拉丝，这是因为其玻璃粘度较高。另一方面当ΔJ＝-0.4％时拉丝温度为约1840℃，而当ΔJ＝-0.7％时拉丝温度为约1820℃(氟的浓度为2％重量)。因此当第三皮层4中的氟的掺加量增加时(当折射率差ΔJ降低时)，拉丝温度将会降低。其原因在于当氟的掺杂量增加时，拉丝时的第三皮层4的玻璃粘度变得低于纯石英玻璃(第二皮层3)。因此，当采用这种第三皮层4时，可以在低于制造传统的色散补偿光纤的温度的温度下进行拉丝，从而降低光学传输损耗。
图4表示SiO2玻璃中氟的掺杂量(重量％)与所得到的相对于纯石英玻璃的折射率差(％)之间的关系。第一种实施方案的第二个实验
另外，本发明人还在下列条件下制备具有上述第一种实施方案(图10)的结构的色散补偿光纤。更进一步地说在Δ+＝2.6％，Δ-＝-0.35％以及ΔP＝0％，而ΔJ在0％、-0.1％、-0.3％、-0.5％、-0.6％和-0.7％之间变化的条件下制备多种光纤预制件。然后在拉丝时采用9.8kg/mm2的张力，在恒定的拉伸速度下将每一种光纤预制件拉丝，从而制得2a＝2.6微米，2b＝8.8微米以及2c＝46微米的色散补偿光纤。对于波长为1.55微米的光来说，所获得的每一种色散补偿光纤具有使色散值为-100ps/km/nm、色散梯度为-0.2ps/km/nm2的色散特性。
图12表示对于具有上述ΔJ值的各种色散补偿光纤来说相对于波长为1.55微米的光的光学传输损耗的测定结果。
在这种情况下(参见图12)，象上述第一个实验中那样，可以看出当第三皮层4中的氟的掺加量增加时(当折射率差ΔJ降低时)，光学传输损耗将会降低。第一种实施方案的第三个实验
另外，本发明人还在下列条件下制备具有上述第一种实施方案(图1 0)的结构的色散补偿光纤。更进一步地说在Δ+＝2％，Δ-＝-0.35％以及ΔP＝0％，而ΔJ在0％、-0.1％、-0.2％、-0.3％、-0.5％、-0.6％和-0.7％之间变化的条件下制备多种光纤预制件。然后在拉丝时采用9.8kg/mm2的张力，在恒定的拉伸速度下将每一种光纤预制件拉丝，从而制得2a＝3微米，2b＝10微米以及2c＝53微米的色散补偿光纤。对于波长为1.55微米的光来说，所获得的每一种色散补偿光纤具有使色散值为-85ps/km/nm、色散梯度为-0.2ps/km/nm2的色散特性。
图13表示对于具有上述ΔJ值的各种色散补偿光纤来说相对于波长为1.55微米的光的光学传输损耗的测定结果。
在这种情况下(参见图13)，象上述第一和第二个实验中那样，可以看出当第三皮层4中的氟的掺加量增加时(当折射率差ΔJ降低时)，光学传输损耗将会降低。第一种实施方案的第四个实验
在下文中，将对拉丝张力和所得到的色散补偿光纤的光学传输损耗之间的关系的实际测试结果进行解释。在该实验中，除了ΔJ＝-0.35％以外，采用在第一个实验中所有的值下制备的预制件，拉丝时采用多种张力值进行拉丝，从而制备色散补偿光纤。图14表示对于在各个拉丝张力值下获得的色散补偿光纤相对于波长为1.55微米的光来说其光学传输损耗的测定结果。
由图14可以看出，当拉丝时的张力增加时光学传输损耗将下降。当采用超过16kg/mm2的张力拉丝时，光纤将会断裂。另外，尽管需要将光学传输损耗尽可能地降低，但是在实践中低于1.0dB/km的值也是合适的。考虑到这些因素采用至少4kg/mm2的张力，更优选地为不小于5kg/mm2但又不超过16kg/mm2的张力对光纤预制件进行拉丝是合适的。
为了进行对比，图15表示了拉丝速度v固定在100米/分钟时拉丝温度和拉丝张力之间的一般关系。光纤预制件的形成过程与第一个实验(ΔJ＝-0.35％)相同。由于这个关系会根据该光纤预制件的外径、窑炉的内径、气氛等等而发生较大波动，因此，该图可以根据这些条件在几十℃的范围内上下变化。图15中所表示的拉丝张力和拉丝温度之间的关系与本发明无关，它没有提出任何用来制备本发明的色散补偿光纤的条件。第二种实施方案
在下文中将参照图16对本发明的色散补偿光纤的第二种实施方案进行解释。图16表示了第二种实施方案折射率曲线，其中区域10b、20b、30b和40b分别对应于图2中的区域10、20、30和40。因此图16中所表示的实施例曲线的水平轴表示图2中光纤横截面中线L1上的位置。另外，该折射率曲线的垂直轴表示相对于纯石英玻璃的折射率差。
在该方案中，芯料1和第一至第三皮层2-4设计如下：芯料1：含有预定量GeO2的SiO2玻璃(具有增加的折射率)。第一皮层2：含有预定量氟的SiO2玻璃(具有降低的折射率)。第二皮层3：纯石英玻璃(纯SiO2玻璃)。第三皮层4：含有预定量氯的SiO2玻璃(具有降低的折射率)，从而对拉丝时的玻璃粘度进行控制使其低于第二皮层3的。
第二种实施方案在结构上根据加入到第三皮层4中的杂质而与上述第一种实施方案不同。另外在该结构中，拉丝时的玻璃粘度将下降。
本发明人在下列条件下制备具有上述第二种实施方案(图16)的结构的色散补偿光纤。更进一步地说在Δ+＝2.1％，Δ-＝-0.35％以及ΔP＝0％，而ΔJ在0％、0.03％、0.08％和0.12％之间变化的条件下制备多种光纤预制件。然后在拉丝时采用9.8kg/mm2的张力，在恒定的拉伸速度下将每一种光纤预制件拉丝，从而制得2a＝2.75微米，2b＝7.9微米以及2c＝47微米的色散补偿光纤。对于波长为1.55微米的光来说，所获得的每一种色散补偿光纤具有使色散值为-85ps/km/nm、色散梯度为-0.2ps/km/nm2的色散特性。第三种实施方案
在下文中将参照图17对本发明的色散补偿光纤的第三种实施方案进行解释。图17表示了第三种实施方案折射率曲线，其中区域10c、20c、30c和40c分别对应于图2中的区域10、20、30和40。因此图17中所表示的实施例曲线的水平轴表示图2中光纤横截面中线L1上的位置。另外，该折射率曲线的垂直轴表示相对于纯石英玻璃的折射率差。
在该方案中，芯料1和第一至第三皮层2-4设计如下：芯料1：含有预定量GeO2的SiO2玻璃(具有增加的折射率)。第一皮层2：含有预定量氟的SiO2玻璃(具有降低的折射率)。第二皮层3：含有预定量氯的SiO2玻璃(具有增加的折射率)，从
       而对拉丝时的玻璃粘度进行控制使其低于纯石英玻璃
       的。第三皮层4：含有预定量氟的SiO2玻璃(具有降低的折射率)，从
       而对拉丝时的玻璃粘度进行控制使其低于纯石英玻璃
       的。
第三种实施方案在结构上由于将氯加入到第二皮层3中而与上述第一种实施方案不同。另外在该结构中，拉丝时的玻璃粘度将下降。在第二皮层3是纯石英玻璃的情况下(第一和第二种实施方案)，当拉丝时拉丝张力过份集中在玻璃粘度高于第三皮层4的第二皮层3上时，它会导致在该玻璃区域中的折射率发生变化(由于残余应力而使折射率下降)。第三种方案的结构克服了这个问题。另外，选择可以增加折射率的物质，如氯作为杂质加入到第二皮层3中，以降低第一皮层2的折射率，同时增加第二皮层3的折射率，从而对第一和第二皮层2和3之间的折射率差进行控制，由此而加深凹陷区域A(由对应于图2芯料部分1的区域10c、对应于图2第一皮层2的区域20c和对应于图2第二皮层3的区域30c的各自的折射率曲线限定的区域)。另外当以这种方式对折射率曲线进行控制时，可以进一步改善色散补偿光纤的色散特性(色散梯度的绝对值可以增加，同时可以获得足够大的负色散值)。
本发明人在下列条件下制备具有上述第三种实施方案(图17)的结构的色散补偿光纤。更进一步地说在Δ+＝2.1％，Δ-＝-0.35％以及ΔP＝0.08％，而ΔJ在0％、-0.04％、-0.1％、-0.2％、-0.35％、-0.5％和-0.7％之间变化的条件下制备多种光纤预制件。然后在拉丝时采用9.8kg/mm2的张力，在恒定的拉伸速度下将每一种光纤预制件拉丝，从而制得2a＝2.8微米，2b＝8微米以及2c＝46微米的色散补偿光纤。对于波长为1.55微米的光来说，所获得的每一种色散补偿光纤具有使色散值为-101ps/km/nm、色散梯度为-0.25ps/km/nm2的色散特性。第四种实施方案
在下文中将参照图18对本发明的色散补偿光纤的第四种实施方案进行解释。图18表示了第四种实施方案折射率曲线，其中区域10d、20d、30d和40d分别对应于图2中的区域10、20、30和40。因此图18中所表示的实施例曲线的水平轴表示图2中光纤横截面中线L1上的位置。另外，该折射率曲线的垂直轴表示相对于纯石英玻璃的折射率差。
在该方案中，芯料1和第一至第三皮层2-4设计如下：芯料1：含有预定量GeO2的SiO2玻璃(具有增加的折射率)。第一皮层2：含有预定量氟的SiO2玻璃(具有降低的折射率)。第二皮层3：含有预定量氯的SiO2玻璃(具有增加的折射率)，从
       而对拉丝时的玻璃粘度进行控制使其低于纯石英玻璃
       的。第三皮层4：含有预定量氯的SiO2玻璃(具有增加的折射率)，从
       而对拉丝时的玻璃粘度进行控制使其低于纯石英玻璃
       的。
第三种实施方案在结构上根据加入到第三皮层4中的杂质而与上述第三种实施方案不同。也就是说在第四种方案中，将氯加入到第二和第三皮层3和4中。更进一步地说，当第二皮层3与第三皮层4拉丝时的玻璃粘度相互之间达到一致(玻璃区域3和4中的氯的掺杂量相互之间达到一致)时，可以简化用来制备色散补偿光纤的工艺。
本发明人在下列条件下制备具有上述第四种实施方案(图18)的结构的色散补偿光纤。更进一步地说在Δ+＝2.1％，Δ-＝-0.35％以及ΔP＝0.08％，而ΔJ在0％、0.03％、0.08％和0.7％之间变化的条件下制备多种光纤预制件。然后在拉丝时采用9.8kg/mm2的张力，在恒定的拉伸速度下将每一种光纤预制件拉丝，从而制得2a＝2.7微米，2b＝7.7微米以及2c＝46微米的色散补偿光纤。对于波长为1.55微米的光来说，所获得的每一种色散补偿光纤具有使色散值为-101ps/km/nm、色散梯度为-0.3ps/km/nm2的色散特性。
图19表示具有上述ΔJ值的各个色散补偿光纤相对于波长为1.55微米的光的光学传输损耗的测定结果，由图17可以看出，当第三皮层4中的氯的掺杂量增加时(当相对折射率差ΔJ变大时)，光学传输损耗将下降。
本发明已经证实在上述第二种实施方案的试样中相对折射率差ΔJ与光学传输损耗之间的关系基本上与图13相一致。另外本发明人还证实在上述第三种实施方案的试样中相对折射率差ΔJ与光学传输损耗之间的关系基本上与图19相一致。
如上所说，在本发明的色散补偿光纤中，在第二皮层3的外面设置了第三皮层4，该皮层4是基本上对光信号的传播没有作用并且其在预定温度下的玻璃粘度被控制成低于纯石英玻璃的玻璃粘度的玻璃区域。因此当进行拉丝时，可以在较低的温度下将光纤预制件拉丝。因此即使是制造在芯料1中含有高浓度GeO2的色散补偿光纤，也可以使光学传输损耗进一步降低。
由上述发明，很显然本发明可以以多种方式变化。这些变化不应该被认为是偏离了本发明的精神和范围，所有这些变化对于熟悉本领域的人员来说是显而易见的，因此应该包含着后面的权利要求书的范围内。
在1995年8月31日提出的基本日本申请223605在这里作为参考文献而引入。

Claims (26)

1.一种色散补偿光纤，它主要由石英玻璃组成，所述色散补偿光纤包括：
至少含有10％摩尔GeO2并且具有2-4微米外径和预定的折射率的芯料部分；和
围绕着所述芯料部分的外围而形成并且其折射率低于芯料部分的皮层部分，所述的皮层部分包括：
围绕着所述芯料部分的外围与其紧密接触而形成的第一皮层，所述的第一皮层含有预定量的用于降低折射率的杂质，其外径为4-20微米，并且构成光学皮层的一部分；
围绕着所述第一皮层的外围与其紧密接触而形成的第二皮层，所述的第二皮层具有高于第一皮层的折射率并且与第一皮层一起构成所述的光学皮层；以及
围绕着所述第二皮层的外围与其紧密接触而形成的第三皮层，所述的第三皮层在拉制光纤的温度下具有低于第二皮层的玻璃粘度并且构成物理皮层。
2.根据权利要求1的色散补偿光纤，其中所述的第一皮层含有预定量的氟作为所述的杂质。
3.根据权利要求1的色散补偿光纤，其中所述的第三皮层含有0.1-2重量％的氟。
4.根据权利要求1的色散补偿光纤，其中所述的第三皮层含有0.25-1重量％的氯。
5.根据权利要求1的色散补偿光纤，其中所述的色散补偿光纤相对波长为1.55微米的光具有不高于1dB/km的光学传输损耗。
6.根据权利要求1的色散补偿光纤，其中所述的色散补偿光纤相对波长为1.55微米的光具有不高于-50ps/km/nm的色散值和负的色散梯度。
7.一种色散补偿光纤，它主要由石英玻璃组成，所述色散补偿光纤包括：
至少含有10％摩尔GeO2并且具有2-4微米的外径和预定的折射率的芯料部分；和
围绕着所述芯料部分的外围而形成并且其折射率低于芯料部分的皮层部分，所述的皮层部分包括：
第一皮层，它是围绕着所述芯料部分的外围与其紧密接触而形成的玻璃区域，所述的第一皮层含有预定量的用于降低折射率的第一种杂质，其外径为4-20微米，并且构成光学皮层的一部分；
第二皮层，它是围绕着所述第一皮层的外围与其紧密接触而形成的玻璃区域，所述的第二皮层在拉制光纤的温度下的粘度低于纯石英玻璃的粘度，并且与第一皮层一起构成所述的光学皮层；以及
第三皮层，它是围绕着所述第二皮层的外围与其紧密接触而形成的玻璃区域，所述的第三皮层在拉制光纤的温度下具有低于纯石英玻璃的玻璃粘度并且构成物理皮层。
8.根据权利要求7的色散补偿光纤，其中所述的第二皮层在拉制光纤的温度下所具有的玻璃粘度与所述的第三皮层在拉制光纤的温度下所具有的玻璃粘度相互之间基本上一致。
9.根据权利要求7的色散补偿光纤，其中所述的第二皮层含有0.25-1重量％的氯作为所述的第二种杂质。
10.根据权利要求7的色散补偿光纤，其中所述的第一皮层含有预定量的氟作为所述的第一种杂质。
11.根据权利要求7的色散补偿光纤，其中所述的第三皮层含有0.1-2重量％的氟。
12.根据权利要求7的色散补偿光纤，其中所述的第三皮层含有0.25-1重量％的氯。
13.根据权利要求7的色散补偿光纤，其中所述的色散补偿光纤对于波长为1.55微米的光具有不高于1dB/km的光学传输损耗。
14.根据权利要求7的色散补偿光纤，其中所述的色散补偿光纤相对波长为1.55微米的光具有不高于-50ps/km/nm的色散值和负的色散梯度。
15.一种用于制备权利要求1所述的色散补偿光纤的方法，所述的方法包括下列步骤：
制备一种主要由石英玻璃组成的部件，所述的部件包括：至少含有10％摩尔GeO2的芯料部分；围绕着所述芯料部分而形成的第一皮层部件，所述的第一皮层部件含有预定量的用于降低折射率的杂质；围绕着所述第一皮层部件的外围而形成的第二皮层部件，所述的第二皮层部件具有高于第一皮层部件的折射率；以及围绕着所述第二皮层部件的外围而形成的第三皮层部件，所述的第三皮层部件在拉制光纤的温度下具有低于第二皮层部件的玻璃粘度；
整体成形上述各部件以形成光纤预制件；以及
将所述的光纤预制件拉丝同时向其上施加预定的张力，从而使其外径变成所需的外径。
16.根据权利要求15的方法，其中施加到所述光纤预制件上的拉丝张力为5-16kg/mm2。
17.根据权利要求15的方法，其中所述的第一皮层部件含有预定量的氟。
18.根据权利要求15的方法，其中所述的第三皮层部件含有0.1-2重量％的氟。
19.根据权利要求15的色散补偿光纤，其中所述的第三皮层部件含有0.25-1重量％的氯。
20.一种用于制备权利要求7所述的色散补偿光纤的方法，所述的方法包括下列步骤：
制备一种主要由石英玻璃组成的部件，所述的部件包括：至少含有10％摩尔GeO2的芯料部分；围绕着所述芯料部分的外围而形成的第一皮层部件，所述的第一皮层部件含有用于降低折射率的杂质；围绕着所述第一皮层部件的外围而形成的第二皮层部件，所述的第二皮层部件在拉制光纤的温度下有低于纯石英玻璃的玻璃粘度；以及围绕着所述第二皮层部件的外围而形成的第三皮层部件，所述的第三皮层部件在拉制光纤的温度下具有低于纯石英玻璃的玻璃粘度；
整体成形上述各部件以形成光纤预制件；以及
将所述的光纤预制件拉丝同时向其上施加预定的张力，从而使其外径变成所需的外径。
21.根据权利要求20的方法，其中施加到所述光纤预制件上的拉丝张力为5-16kg/mm2。
22.根据权利要求20的方法，其中所述的第二皮层部件在拉制光纤的温度下所具有的玻璃粘度与所述的第三皮层部件在拉制光纤的温度下所具有的玻璃粘度相互之间基本上一致。
23.根据权利要求20的方法，其中所述的第二皮层部件含有0.25-1重量％的氯。
24.根据权利要求20的方法，其中所述的第一皮层部件含有预定量的氟。
25.根据权利要求20的方法，其中所述的第三皮层部件含有0.1-2重量％的氟。
26.根据权利要求20的方法，其中所述的第三皮层部件含有0.25-1重量％的氯。
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