CN1108222A - 光纤预制棒的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种对光纤坯料阶跃型石英玻璃预制棒的制备 方法进行的改进，通过在有中心芯和外芯的初级预制 棒上和周围进行外沉积，形成二次预制棒的色层，以 满足不等式|dλ0/dk|≤500nm的方式进行色层的外 沉积，其中k是初级预制棒直径与二次预制棒直径 的比值，而λ0是拉伸二次预制棒所得光纤的以纳米 为单位零色散波长，dλ0/dk是事先从初级预制棒折 射率分布中确定的λ0对k的函数之微分。当按此 方式可改善光纤的零色散波长的均匀度。

Description

本发明涉及了一种用作光纤坯料预制棒的制备方法。更为准确地讲，本发明涉及对光纤预制棒制备方法的改进，经拉伸操作可以从该预制棒获得一种在纵向上具有极为均匀色散特性的石英玻璃光纤。
众所周知，石英玻璃单模光纤被用于远距离通信系统，并通常用1550nm波段的光波为工作波长，这是因为在1550nm波长的附近，石英玻璃光纤的损耗最小。当石英玻璃光纤被用于采取1550nm波段光波的大容量通信系统时，就需要它们在1550nm波段的某一波长点处有最小的色散。
单模光纤的色散值由材料色散与结构色散之和来表示，结构色散主要取决于折射率的分布形态，如：光纤的相对折射率差和光纤芯直径，但是材料色散与这没有什么联系。从此角度出发，一种所谓色散偏移光纤被提出来，它是一种具有偏移到1550nm波段内的零色散波长（即色散值为零的波长）的光纤。
对于色散偏移光纤而言，日本专利公开3-18161公开了一种阶跃型色散偏移光纤，它是一种在1.5nm波段内有零色散的光纤;且它包括中心芯，环绕在中心芯上且其折射率比中心芯折射率低的外芯和一个有更低折射率的环绕于外芯上的色层;该光纤的折射率有一个0＜P1＜1，0＜P2＜1和△1＞0.001的阶跃型的横截分布形态，中心芯与色层之间相对折射率差△1等于（n2 1-n2 2）/2n2 1，n1中心芯折射率的最大值，而n2是色层的折射率，外芯与色层之间的相对折射率差△2等于（n2 3-n2 2）/2n2 3，n3是外芯折射率的最大值，中心芯的直径为a1，外芯的直径为a2，P1＝△1/△2和P2＝a1/a2。当参数P1、P2和△1具有满足上述所给各不等式的值时，材料色散和结构色散据说可以相互抵削，以给出光纤的零色散。
附图中的图9表示了上述阶跃型色散偏移光纤径向截面内折射率的分布形态，其中中心芯11有折射率n1，相对折射率△1和直径a1;外芯12有折射率n2，相对折射率△2和直径a2且色层13有折射率n0和直径D，并满足n1＞n2＞n和a1＜a2＜D通过适当地选择这些参数值，能够得到任意所需要的阶跃型色散偏移光纤的色散特性。
上述阶跃型色散偏移光纤一般是用图10所示的所谓VAD法制备的，其中的石英玻璃多孔预制棒包含与中心芯、外芯对应的部分和色层部分，它们是利用氧焰喷灯，再对多孔玻璃预制棒做玻璃化处理形成直径为D1的透明初级预制棒;而后通过所谓外沉积法在初级预制棒上和周围沉积一层有适当厚度的多孔层，随之第二次对附加多孔层做玻璃化处理形成透明石英玻璃层，给出一个有直径D2的二次预制棒而形成的，如图11所示，这个二次预制棒可以被拉制成具有与截止波长，模域直径和零色散波长这些参数相关的所需特性的所需直径阶跃型色散偏移光纤。
光纤的所需零色散波长可通过下文所述的方式得到。于是，光纤的折射率分布形态被确定，且其结果被用来获得初级预制棒直径D1与二次预制棒直径D2之间的比率关系K，即D1/D2，而且零色散波长入。以纳米为单位。作为附加色层的多孔玻璃层的外沉积操作，一直到上述方法所确定的零色散波长与所需波长重合时才结束。
在实际情况中，问题没这么简单。比如，初级预制棒在纵向上是不均匀的，其中不可避免地要出现各种参数的明显波动，使得既使在预制棒一定长度上平均起来或者在长度方向上某一点上述要求得到满足，k的值也是不够均匀的，而且沿着纵向有一个轻微的但不可乎略的波动。除了初级预制棒中的上述波动之外，通过玻璃化而形成色层的附加多孔玻璃层，相对于它的密度和厚度来讲在纵向上也是不够均匀的，致使k值在此方向上不均匀，由于上述无法控制的情况，二次预制棒的实际k值也是变化的，变化在纵向上有时有±0.01%或更大，以致零色散波长的变化在纵向上达到±10nm或更大。
当然，在此之前已经提出过多种对策试图解决上述问题，包括在纵向上稳定初级预制棒的外径，改善用外沉积法附加沉积上的多孔色层厚度均匀性等等，但是没有一种已有的方法能够全部解决这些难题。
因此，针对现有技术的上述情况，本发明有一个目的，即提供一种新颖的、改进的、克服现有方法中所存在的上述问题与缺点的制备石英玻璃光纤预制棒的方法。
于是，本发明提供的石英玻璃光纤预制棒制备方法包括：在石英玻璃中心芯上和周围形成一个石英玻璃外芯，外芯石英玻璃的折射率比中心芯石英玻璃的要小，从而得到一个有直径D1的初级预制棒;在初级预制棒上和周围形成一个石英玻璃色层，色层石英玻璃的折射率比外芯石英玻璃的要小，从而得到一个有直径D2的二次预制棒;一种改进，包括从满足不等式｜dλ0/dk｜≤500nm的方式形成色层，这其中k是比值D1/D2，λ0是拉伸二次预制棒所得光纤零色散波长以纳米为单位的数值，dλ0/dk是事先从初级预制棒折射率分布中确定的λ0对k的函数微分。
图1是解释本发明目的的曲线图，表示了作为参数k函数的参数λ0和dλ0/dk。
图2a，2b和2c分别表示参数λ0分别作为△1，△2和a1/a2参数函数的曲线图。
图3是表示△1＝0.91%且△2＝0.82%时，λ0作为k的函数的曲线图。
图4是表示参数λ0和dλ0/dk分别作为例1所制预制棒中k参数函数的曲线图。
图5是沿着拉伸例1预制棒所得光纤的长度λ0的分布图。
图6是表示λ0和dλ0/dk分别作为例2所制预制棒中k参数函数的曲线图。
图7是沿着拉伸例2预制棒所得光纤的长度λ0分布曲线图。
图8是表示沿着拉伸比较例预制棒所得光纤长度λ0分布的曲线图。
图9是现有预制棒在径向截面内折射率的分布形态。
图10是表示制备光纤预制棒多孔体步骤的示意图。
图11是表示在端面附有折射率分布形态的现有光纤预制棒透视图。
以上述说明可知，本发明涉及的是一种制备阶跃型色散偏移光纤预制棒所用石英玻璃基质预制棒的方法。本发明制备光纤预制棒的方法这样来实现：通过在石英玻璃中心芯上和周围形成石英玻璃外芯，并在外芯上和周围形成色层的一部分，以得出初级预制棒，外芯石英玻璃折射率小于中心芯的折射率，然后再在初级预制棒上和周围形成一附加石英玻璃色层，色层石英玻璃折射率小于外芯的折射率，同时色层是按照满足不等式｜dλ0/dk｜≤500nm受控方式形成的，其每个符号都有如前所定含意。这个特殊要求的原理可以参考图1至图3得到解释。
在图1中，参数λ0的值被表示为k值的函数。假设光纤在1550nm波长点工作，则二次预制棒通常通过朝着使k值落在k＝0.250的点A1或者k＝0.386的点A2的目标进行外沉积形成色层来制备，根据在前所述的日本专利公开3-18161，在超弯曲特征方面点A2优于点A1。表示λ0随k变化曲线梯度的dλ0/dk值，在点A1有1158.1nm大，而在点A2有-1090nm大，以值沿纵向k值的很小波动±0.01%都必会引起λ0值±10nm或更大的变化。
在图1中，双向箭头B所表示的区段对应于不等式｜dλ0/dk｜≤500nm。当外沉积所形成的色层厚度落在此区段内时，λ0的波动能够为±5nm或更小，即使当k的变化大到±1%或更大时，它也能保持在允许的范围内。当光通信光纤所采用的光波长等于λ0，且外沉积的色层如上所述地形成，即最好满足等式dλ0/dk＝0地形成时，则通过控制这种预制棒所得到的光纤会表现出极佳的性能。范围B内的λ0与光通信实际光波长之间的重合，可以通过适当选择参数△1，即中心芯相对折射率差，△2，即外芯相对折射率差，和a1/a2，即中心芯直径与外芯直径的比很容易地得到。下面是关于满足这些要求方法的说明。
图2a，2b和2c分别是通过在图1所示例子基础上评价dλ0/dk＝0点处△1，△2和a1/a2对零色散波长λ0＊的影响所得曲线图。即：λ0＊能够通过适当选择参数△1，△2和a1/a2中的一个或多个值，很容易地改变。
图3表示假设△2和a1/a2分别恒等于0.10%和0.21，而△1从0.91%变到0.82%时，λ0随k变化曲线的移动。如向下的箭头所示，λ0＊可以从△1＝0.91%的虚线所示λ0随k变化特性曲线上的1590nm变到△1＝0.82%实线所示的λ0随k变化特性曲线上的1555nm。当k的目标值被定在k＝0.340而dλ0/dk＝-417.6点以满足｜dλ0/dk｜＝≤500nm的要求时，零色散波长恰好等于1550nm，这是一个光通信所用的光波长，既使当沿着二次预制棒的纵向k的实际值波动为±0.01%时，λ0值也只有±4.2nm的很小变化。
以下将以实例和比较例的方式更详细地说明本发明的改进之处
例1
有受控折射率分布形态的初级预制棒，在图3实线所示的假设计算结果基础上制备。该预制棒参数△1，△2和a1/a2的实际值分别为0.82%、0.10%和0.21，它们从用预制棒分析器所确定的折射率分布形态中得出，与各自的目标值吻合得很好。图4是表示λ0和dλ0/dk分别作为k的函数的曲线图，在其中λ0在k＝0.299而dλ0/dk＝+338或k＝0.335或而dλ0/dk＝-329点可以为1550nm。在考虑弯曲特性的情况下，选择k＝0.335的值作为外沉积的目标值来制备色层。
在二次预制棒的整体之中参数k的平均值恰为0.335，与从这个制成的二次预制棒相对初级预制棒增加的重量中算出的一样。
这个所得的预制棒可被拉伸，得出沿纵向零色散波长λ0在整个长度上被确定的光纤，从而得出如图5所示结果，它表示了沿光纤纵向λ0分布的曲线图。λ0的变化很小，最大值和最小值分别为1552.1nm和1547.5nm。
例2
在图1所示例子的基础上，折射率分布形态的参数△2和a1/a2分别选为0.14%和0.22，△1值为0.91%不变。用这些目标值制备出的预制棒其参数△1，△2和a1/a2的实际值分别是0.91%，0.14%和0.22，与从用预制棒分析器确定的折射率分布形态中算出的目标值很好地吻合了。图6是表示λ0和dλ0/dk分别作为k函数的曲线图，其中λ0的值在k＝0.337而dλ0/dk＝0处可以为1550nm，因此该k值在色层的外沉积过程中被作为目标值。
如从完成后的二次预制棒超过初级预制棒的重量中算出的一样，参数k在二次预制棒全长上的平均值为0.235。
此所得预制棒被拉伸，得出沿纵向零色散波长λ0在整个长度上都被确定的光纤，从而得出图7的结果，它表示了沿光纤纵向λ0分布的曲线图。λ0的变化很小，最大值和最小值分别为1550.2nm和1548.8nm。
比较例
用图1所示折射率分布形态中参数的相同目标制备初级预制棒，即△1＝0.91%，△2＝0.10%和a1/a2＝0.21。折射率的分布形态在制备时被确定在预制棒内，而λ0和dλ0/dk是从中计算出来的，并给出图1所示的结果，即每个k的函数，从函数中看出λ0的值在k＝0.250而dλ0/dk＝1158.07处，或者k＝0.386而dλ0/dk＝-1090.8处可以为1550nm。考虑到弯曲特性，选择k＝0.386的值作为色层外沉积的目标值。
实际制备好的预制棒被拉伸，得出沿纵向零色散波长λ0在整个长度上都被确定的光纤。从而得到图8所示的结果，此图表示沿光纤纵向λ0的分布曲线图。λ0的变化比较大，最大值和最小值分别为1561.4nm和1543.1nm。

Claims (1)

1、在制备石英玻璃光纤预制棒的方法中，包括如下步骤：在石英玻璃中心芯上和周围形成一石英玻璃外芯，该外芯石英玻璃的折射率比中心芯石英玻璃的小，从而得出有直径D1的初级预制棒；在初级预制棒上和周围形成一石英玻璃色层，色层石英玻璃的折射率比外芯石英玻璃的要小，从而得到有直径D2的二次预制棒；其改进之处包括以满足不等式。
｜dλ0/dk｜=≤500nm
的方式来形成色层，其中k是D1/D2的比值，而λ0是拉制二次预制棒所得光纤中以纳米为单位的零色散波长，dλ0/dk是事先从初级预制棒射率分布中确定的λ0对k函数之微分。
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