CN1101553C - 光纤预制件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及这样一种光纤预制件，它能够避免增加在单模光纤预制件的制备和拉制过程中出现的光损耗，并且提高光传输效率，制造该光纤预制件的方法包括以下步骤：形成具有第一导热率的用作包层的第一石英管；通过对所述第一石英管进行加热将纤芯层和包层沉积到所述第一石英管的内侧，形成初步的预制件；形成具有低于所述第一导热率的第二导热率的第二石英管；以及通过加热将所述第二石英管包到所述初步的预制件上，制造所述光纤预制件。

Description

光纤预制件及其制造方法
本发明涉及光纤，更具体地说涉及这样一种光纤预制件，它能够避免增加在单模光纤预制件的制备和拉制过程中出现的光损耗，并且提高光传输效率，本发明还涉及其制造方法。
如在本领域中已知的那样，光纤大致可分为两类，一类是具有均匀折射率的纤芯的光纤，如单模光纤或多模光纤，另一类是具有不一致分布的折射率的纤芯的渐变折射率光纤。其中多模光纤主要用于中程通信或短程通信，而单模光纤则用于远程通信。
有三种方法来制造单模或多模光纤预制件，即外气相沉积(OVD)、轴向气相沉积(VAD)和改进的CVD(MCVD)。其中MCVD法具有一些优点，即由于它在密封管中进行预制，所以杂质材料很少进入，并且由于非常薄的玻璃膜相互沉积，所以能够很容易地控制折射率的精确分布。因此上述方法中，MCVD法的使用量占60％以上。
下面将参照图1描述根据上述MCVD法的光纤预制件的制造方法。
参照图1，在玻璃板上形成先制备的衬底管2(以下称为“第一衬底管2”)，然后将它按箭头所示方向转动。第一衬底管2属于光纤的一个包层。此外，透明的石英玻璃主要用作第一衬底管2，并且管2的内径大约是26mm。原料气体如SiCl4、POCl3、BCl3和GeCl4以及O2气通过原料气体提供系统4进入第一衬底管2，第一衬底管2被采用O2气和H2气作为燃烧材料的加热燃烧器8加热。加热燃烧器8根据移动加热燃烧器的驱动系统的控制，沿右或左方向运动，以便普遍进行加热。其结果，化学气体的颗粒形成在第一衬底管2中，并且立即被真空沉积。通过这种真空沉积，在第一衬底管2的内侧形成被沉积的玻璃10，如图1中的虚线所示。被沉积的玻璃10由包层和纤芯层构成。通过真空沉积，首先在管2中沉积具有恒定厚度的包层，然后在包层内沉积具有高折射率的纤芯层。包层用来防止管2中的羟基和金属杂质离子由于真空沉积期间的高温扩散进纤芯层中。如果羟基和金属杂质离子扩散进纤芯层中，那么具有这种纤芯层的光纤将引起光的吸收损耗。
接下来，在形成具有被沉积的玻璃10的第一衬底管2以后，不再从提供系统4中的蒸气输送系统6输送原料气体，并且继续加热管2，提供Cl2和O2或He。其结果由于管的热膨胀作用，管2中的空间逐渐减小，于是空间的两侧相互接触，形成作为光纤预制件的无空间衬底管。这之后，通过MCVD法制备的光纤预制件在本发明中被称为“第一光纤预制件”。
由于预制件的体积随着其直径的增大而增大，因此光纤的拉制长度也变得更长，从而光纤的总体制造时间进一步缩短。这样便改善了光纤的成批生产。
作为一种使光纤预制件的直径扩展的已知方法，即对通过MCVD法制备的第一光纤预制件做外包层(或外套)的方法。韩国专利第25712号的申请中具体公开了这一方法，该专利是本申请人于1993年递交的。假如对光纤预制件进行外包层，那么设计者必须考虑光纤预制件的包层厚度和外包层的包层厚度，以适当比例确定纤芯厚度。下面将对光纤预制件的外包层法作简要说明。
把第一光纤预制件引入第二衬底管，第二衬底管的直径比第一光纤预制件的直径大。例如，第二衬底管的内径是21mm，外径是41mm。通常第二衬底管的物质材料与第一光纤预制件的相同。接下来，通过加热燃烧器将第二衬底管加热到大约2000℃。同时利用真空泵将第一光纤预制件和第二衬底管之间的空气抽出。其结果，第二衬底管固定到第一光纤预制件上。最终制成的光纤预制件具有图2A和图2B所示的结构，并用于光纤的拉制处理。图2A是最终的光纤预制件28的剖视图，图2B是其透视图。
参照图2A和2B，参考号10是利用MCVD法形成的沉积层，它由纤芯和包层组成，参考号2是用于MCVD法中并属于包层A的第一衬底管(如图1所示)。参考号20是在外包层时使用并属于包层B的第二衬底管。参考号22是包层2和20之间的界面，称为外套表面。
第一衬底管2的包层2和第二衬底管20的包层20采用具有相同的物质性质(如导热率或粘度系数)的透明石英玻璃。与合成石英玻璃相比，这种透明的石英玻璃价格和纯度相对较低。
然而，由具有相同物质等级的第一和第二衬底管构成的最终的光纤预制件28引起了光损耗，具体地说是拉制处理期间的瑞利散射损耗。如同在本领域中已知的那样，瑞利散射损耗是由于以下原因造成的：(i)纤芯和包层之间界面中的不均匀性，(ii)纤芯中的GeO2成分的不均匀性，以及(iii)根据波长的折射率的变化。
在与最终的光纤预制件28相同的材料和与预制件28相同的拉制的条件下，下面将要说明的光纤的拉制处理引起了光损耗。
光纤的拉制处理将参照图3予以说明。图3是表示拉制步骤的框图。
如图3所示，通过预制件定位控制器42将最终的预制件28缓慢地送入加热炉中。然后，最终的预制件28被加热到几千℃，最好在大约2250℃至2300℃之间。通过这一加热处理，从最终的预制件28拉制出光纤。拉制力来自驱动轮38，并施加到未涂附的光纤。直径检测器32检测未被沉积的光纤的直径是否等于预定直径，例如125μm。来自直径检测器32的检测信号施加到直径检测器4，直径检测器4使得未涂附的光纤的直径保持在125μm。在直径控制器44的控制下，驱动轮旋转，控制光纤的拉制力(拉力)。在第一和第二涂附单元34和36中，将要下落的光纤在冷却状态的条件下用涂附的聚合物材料进行涂附。被涂附的光纤通过驱动轮38的拉力拉伸，并通过收取装置40卷绕。驱动轮38的旋转速度大约是20米/秒，并具有相对高的密封模槽(seal impression)速度。
在上述拉制处理中，瑞利散射损耗是由光纤的拉制条件确定的，具体地说是温度、速度和拉伸。例如，高温和低拉伸力使得瑞利散射损耗和UV吸收损耗增加。提供驱动轮38的拉伸力和加热炉30中的温度用以形成如图4中的参考号48所示的颈状收缩区，它在从最终的预制件的截面减小部分开始到未涂附的光纤的拉伸部分的范围内。颈状收缩区48的形成是由于玻璃的软化点。玻璃具有恒定的软化点，例如在透明的石英管中小于大约1750℃，而在合成石英管中小于大约1600℃。如果玻璃周围的温度大于恒定的软化点，那么玻璃从固态变到液态，并且粘度降低。在这种状态下，由于自身的重力和拉伸力，状态改变的玻璃下落，形成如图4所示的颈状收缩区48。
在颈状收缩区48，光纤的外径大约是125μm，纤芯被加热到最高温度。由于第一和第二石英管在最终的预制件中具有相同的物质特性，所以颈状收缩区的变化是很严重的。颈状收缩区中严重变化的情况是在施加到包层外侧的温度等于施加到纤芯内侧的温度时出现的。在光纤的拉制处理中，图2的最终的预制件在接近纤芯中轴的包层2中的温度比包层20中的温度要低。然而，由于包层2和20之间的温差并不显著，所以造成了颈状收缩区的严重变化。根据颈状收缩区的严重变化，纤芯或包层的折射率改变，导致由光传输效率损失引起的瑞利散射损耗增加。因此在图2的最终的预制件28中，由于颈状收缩区的严重的变化，瑞利散射损耗增加了。
此外，由于光纤拉制期间加热炉的高温(即大约2150℃)，纤芯的使得反射率增加的主要成分具体说是GeO2被离子化，于是GeO2分布不均匀，增加了瑞利散射损耗。
本发明的一个目的是提供一种光纤预制件和制造该光纤预制件的方法，以便制造具有良好的光传输效率的单模光纤。
本发明的另一个目的是提供一种光纤预制件和制造该光纤预制件的方法，以便制造能够降低瑞利散射损耗的单模光纤。
根据本发明的一个方面，一种制造光纤预制件的方法包括以下步骤：形成具有第一导热率的第一石英管，所述第一石英管用作包层；通过对所述第一石英管进行加热将纤芯层和包层沉积到所述第一石英管的内侧，形成初步的预制件；形成具有低于所述第一导热率的第二导热率的第二石英管；以及通过加热将所述第二石英管包到所述初步的预制件上，制造所述光纤预制件。
根据本发明的另一方面，具有纤芯和包围所述纤芯的包层的光纤预制件包括：接近所述光纤预制件的中轴的所述包层具有最高的导热率，并且所述导热率从所述预制件的中轴向外圆周按一定的变化率逐渐降低。
通过参照以下附图，本领域的一般技术人员将对本发明有更好的理解，本发明的目的也将变得非常清楚。附图中：
图1是表示根据常规的改进的化学气相沉积法制备光纤预制件的处理步骤的示意图；
图2A是表示采用图1所示的拉制处理法得到的最终的光纤预制件的剖视图；
图2B是表示图2A所示的最终的光纤预制件的透视图；
图3是表示光纤拉制装置结构的示意图；
图4表示最终的预制件的颈状收缩区；
图5A至5C是表示最终的预制件的导热率和温度之间关系的图；
图6是表示透明石英管和合成石英管的粘度系数与温度之间关系的图；以及
图7是表示根据本发明的实施例制备的最终的预制件的剖视图。
在题为“氟对由拉制引起的光纤损耗的影响”的OFC’94技术文摘的文中，揭示了通过将氟扩散进纤芯来降低瑞利散射损耗的技术。氟略微依赖于纤芯中的拉制温度并且作为防止纤芯中GeO2离子化的元素。
根据本发明，为了防止纤芯中GeO2离子化，接近光纤中轴的包层具有最高的温度，并且根据离开中轴的距离使包层的导热率下降。其结果，光纤拉制处理期间提供给纤芯的温度较低，因此可以避免GeO2从纤芯中分离。
根据本发明物质特性的分布使得纤芯的温度降低，于是防止了光损耗的增加。
在本发明的第一实施例中，采用物质特性值不同的两种石英管形成最终的预制件。第二石英管的包层20是由导热率比第一石英管的包层2低的物质制成的。由于导热率实际上与粘度系数成反比，所以包层20比包层2的粘度系数高。这一关系可以表示如下：
K：包层2＞包层20
μ：包层2＜包层20其中，K是导热率，μ是粘度系数。
’其结果，本发明的最终的光纤预制件28中物质特性的值满足图5A、5B和5C所示的曲线F。
图5A-5C表示根据最终的预制件28的物质特性值，如导热率和粘度系数，纤芯温度的变化。在图5A-5C中，横轴表示最终的预制件的半径，r0是其中轴，r1是从中轴到被沉积的纤芯的半径，r2是从中轴到被沉积的包层的半径，r3是从中轴到包层2的半径，r4是从中轴到包层20的半径。
假如图5A所示的最终预制件28的第一和第二石英管2和20具有与常规的石英管相同的物质特性，那么预制件28的截面区域具有如图5B和5C中曲线E所示的导热率和温度分布。
假如第一和第二石英管2和20具有根据本发明的物质特性，这就是说，第一石英管2的导热率K大于第二石英管20的导热率，并且第一石英管2的粘度系数不大于第二石英管20的粘度系数，那么预制件28的截面区域具有如图5B和5C中曲线F所示的导热率和温度分布。
在由Byurn-Han Co.Ltd.出版的题为《热传导)》一书的第152页中公开了温度和导热率之间的关系。可以看出，书中公开的图具有与图5B和5C类似的曲线。
如图5C所示，在图5的被沉积层10的纤芯中造成了T2和T1之间的温差，其中T1是从根据本发明的光纤施加到纤芯上的温度，T2是从具有相同物质特性的光纤施加到纤芯上的温度。这一温差避免了纤芯中GeO2离子化。
在最低温度下拉制的光纤的损耗降低已属于现有技术。因此如图5B和5C所示，根据本发明的光纤具有降低其散射损耗的效果。
在本发明的最佳实施例中，合成石英管用作第一石英管2，而透明石英管用作第二石英管20。具有合成石英管和透明石英管的最终的预制件28满足图5所示的温度特性。在下面的表(1)中，说明了透明石英管和合成石英管的特性。
                    表(1)
                            透明         合成
导热率(K)                  71×10-6    81.4×10-6
OH基的浓度                 200ppm       5ppm或更低
杂质浓度                    高           低
价格                        不太贵       昂贵
另外参照图6，可以看到透明石英管和合成石英管的温度和粘度系数之间的关系，在1000-2000℃的范围内，透明石英管的粘度比复合石英管的粘度高。
在这一实施例中，采用合成石英管作为第一石英管是为了减小图5A所示的被沉积层10的包层的厚度。被沉积的包层是一保护层，以防止OH-或羟基离子扩散进纤芯中。
假如透明石英管用作第一石英管2，那么D/d最好必须设为大于7，以便减小光的吸收损耗，其中D是中轴和被沉积的包层之间的半径，d是中轴和被沉积的纤芯之间的半径。进一步加厚保护层。假如象在本发明中那样，合成石英管用作第一石英管，那么OH-或羟基离子的浓度减小，然后进一步减薄作为保护层的被沉积包层。减小被沉积的包层的厚度是为了降低根据MCVD法进行沉积的生产价格。
在制造光纤过程中，需要借助于外包层法(或外套法)，以便制造具有大尺寸的预制件并获得良好的质量。因此，当采用外包层法制备光纤时，光损耗必须降低。为了降低光损耗，物质特性如导热率和粘度系数必须满足以下关系：
导热率(K)：            K0＞K1＞K2……＞Kn
粘度系数(μ)：         μ0＜μ1＜μ2……＜μn其中1-n是进行外包层的次数，K0和μ0分别是第一石英管的导热率和粘度系数。
如果采用合成石英管作为第一石英管，那么合成石英管的导热率必须根据离开合成石英管的中轴的距离逐渐降低。
石英管的导热率由羟基离子和金属离子如Li、Na、Al、Fe、Cu等的浓度确定。浓度进一步降低，导热率增加。因此，根据金属离子和羟基离子的浓度可以制成具有不同导热率如K0、K1、K2和Kn的石英管。当进行外包层使得多个石英管的导热率分布为K0＞K1＞K2……＞Kn时，光纤的光损失便下降了。由于制造者可以控制各石英管的厚度，所以纤芯与包层之比可以得到满足。
由于根据本发明的制造最终预制件的方法的制造步骤与常规方法的制造步骤相同，所以没有必要采用另外的制备系统。需要的是控制采用MCVD法沉积的很薄的包层厚度。最终的单模预制件就其长度而言具有一致的特性。
如上所述，本发明的优点在于，可以降低由于光纤的拉制条件引起的光损耗，因为预制件的截面区域具有逐渐变化的导热率和粘度系数。
此外，本发明的光纤就其长度而言具有一致的特性，并且由于提高了产量，成本便下降了。
应懂得，对本领域的一般技术人员来说，在不脱离本发明的范围和精神的前提下其它各种改进都是很显然的，并且很容易实现。因此，以上描述不作为对本发明的限制，所附权利要求书将包括本发明的所有特征。

Claims (9)

1.一种制造用来形成单模光纤的光纤预制件的方法，该方法包括以下步骤：
形成具有第一导热率的第一石英管，所述第一石英管用作包层；
将纤芯层和包层沉积到所述第一石英管的内侧；
通过对其内沉积了所述纤芯层和所述包层的所述第一石英管进行加热形成初步的预制件；
形成具有比所述第一导热率低的第二导热率的第二石英管；以及
通过加热将所述第二石英管包到所述初步的预制件上，制造所述光纤预制件。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，形成第二石英管的所述步骤包括以从所述第一石英管径向向外的梯度变化的导热率形成所述第二石英管。
3.根据权利要求1的方法，其特征在于，形成第二石英管的所述步骤包括用第三包层包第二包层。
4.根据权利要求1至3的任何一项的方法，其特征在于，所述第一石英管是由合成石英管制成的。
5.根据权利要求4的方法，其特征在于，所述第二石英管是由透明石英管制成的。
6.根据权利要求4的方法，其特征在于，所述合成石英管具有不大于百万分之5的羟基离子浓度，所述透明石英管具有百万分之200的羟基离子浓度。
7.一种用来形成单模光纤的光纤预制件，包括：
具有导热率K0的合成石英管，所述合成石英管的内侧沉积了纤芯层和第一包层，沉积了所述纤芯层和所述第一包层的所述合成石英管经过加热，形成初步的预制件；
由第二至第N包层组成的透明石英管，所述第二至第N包层的导热率系数分别为K1-KN，其中K0＞K1＞K2…＞KN；
所述透明石英管通过加热外包在所述初步预制件上，以形成所述光纤预制件。
8.根据权利要求7的光纤预制件，其特征在于所述合成石英管具有粘度系数μ0，所述第二至第N包层的粘度系数分别为μ1-μn，其中μ0＜μ1＜μ2…＜μn。
9.根据权利要求7的光纤预制件，其特征在于所述光纤预制件用于单模。
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