CN1128528A - 光纤用母材及光纤的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示光纤用母材及光纤的制造方法。将单模光纤用芯棒的多孔质玻璃体脱水、玻璃化，用作光纤用芯棒，在该光纤用芯棒的周围堆积包层，使其外径达到所希望的大小，而后脱水、玻璃化制造单模光纤母材。然后，使将光纤用母材拉丝得到的光纤中相当于光纤用芯棒的部分的直径，在波长1.55μm的光波通过时，为模式场直径的1.9倍以上。结果，可以制成能得到结构缺陷影响小的光纤的单模光纤用玻璃母材。

Description

光纤用母材及光纤的制造方法
技术领域
本发明涉及色散移位单模(DSF)光纤及单模光纤等光学纤维，更具体地说，是涉及制造用于这些光纤的芯棒，使其能成为具有所希望的特性的DSF光纤或单模光纤的制造方法。
背景技术
首先对分散变换单模光纤加以说明。
通常使用的外径125μm的色散移位单模光纤(下面简称色散移位光纤或DSF光纤)，其中心具有折射率比周围高的芯部。这DSF光纤的构造，从光的强度分布的观点看来，其光纤中心光的强度最大，随着与中心的距离增大，越向外围越小，这光强度变化的分布如同山麓下降。通常，在这样的情况下，把DSF光纤的中心部分称为模式场部分，其直径称为模式场直径(MFD)。而且模式场直径因某些条件的不同而有若干差异。传播的光波波长为1.55μm时，DSF光纤一般是模式场直径为约8μm的结构。
具有前述结构的DSF光纤用的玻璃母材(preform)的制造方法如下。(a)首先用VAD法等方法合成至少含有存在金属掺杂剂的芯部的DSF光纤用的芯棒的多孔质玻璃体(现在往往是与芯部一起合成包层部的一部分，下面把这包层部也包含在内，称为DSF光纤用的芯棒)。(b)接着，把多孔质玻璃体烧结、脱水，形成光纤用的芯棒。(c)再把DSF光纤用的芯棒当作靶棒，在其外围用外部生长法(CVD法)等形成具有与包层相当的、具有所要求的厚度的多孔玻璃层。而后，(d)把该多孔质玻璃层脱水、玻璃化，得到DSF光纤用的母材。(e)将该DSF光纤用母材加热，拉成线材，得到所要求的粗细的DSF光纤。
近年来，由于各种技术的进步，已经有可能得到大型DSF光纤用的玻璃母材。在这种情况下，在前述制造工序中，往往把后部分的采用外部生长法等的多孔质玻璃层制造工序及多孔质玻璃层的脱水、玻璃化工序反复进行，以此制造大型的DSF光纤用母材。
前述已有的大型DSF光纤的制造方法具有易于控制传输特性的特征，现在还没有找到取代这种方法的有效的制造方法。
但是，前述制造方法，对于一根玻璃母材的制造工序至少包含VAD法和外部生长法两种不同的制造工序。因此，显然存在不同工序制造的玻璃的界面，而且在该界面容易产生玻璃的结构缺陷。此外，玻璃因杂质含量不同粘性也不同。通常用外部生长法等形成的芯棒部的外围存在的玻璃的纯度与芯棒部的纯度相比，倾向于较低一些。而且，在芯棒部，为了控制折射率分布，径向上的金属掺杂浓度不是一定的。因此，色散移位光纤的玻璃粘性不均匀。
前述玻璃的结构缺陷对DSF光纤有如下影响。例如，把用已有方法制造的DSF光纤长时间放置于氢环境中，氢即向DSF光纤内部扩散。接着，扩散的氢进入玻璃的结构缺陷中，形成Si-H链。该Si-H链吸收在DSF光纤中传播的光当中的波长为1.52μm的光，造成损耗，引起“氢损”增加，加大传输损耗。
氢在大气中也存在，因而如果DSF光纤存在这样的倾向的话，把DSF光纤放置于大气中，显然会对DSF光纤造成某种影响。在这样的背景下，需要不同制造工序所形成玻璃界面中结构缺陷影响小的DSF光纤。
又，DSF光纤母材中，用外部生长法形成的玻璃的纯度比芯棒部的纯度低。而且在芯棒内部，金属掺杂剂浓度随着径向上的折射率变化。特别是与芯部同时在芯棒的外层部形成不含金属掺杂剂的包层的情况下，从光纤中心向外分布着，纯度高且含金属掺杂剂的层，纯度高但不含金属掺杂剂的层和纯度低而且实质上不含金属掺杂剂的层，三层形成同心圆。含有金属掺杂剂和杂质等的玻璃比不含这些东西的玻璃粘性要低，因而，与DSF光纤的结构相对应，形成了粘性低、高、低三个部分的三个同心圆的结构。
这样的粘性分布的DSF光纤母材一旦拉拔制造成线材，粘性高的部分拉伸应变增加。因此，拉拔成线材后的DSF光纤上留有变形，DSF光纤的强度大幅度下降。
下面对已有的单模光纤加以叙述。
通常，所用的外径为125μm的单模光纤，在中心有约10μm直径的芯，在其外围形成有直径125μm的包层。单模光纤中心处纤芯的折射率比其周围的包层高。该单模光纤的结构，从光的强度分布的观点看来，光的强度在光纤的中心(芯部)最大，随着与中心的距离增加，光的强度减小，亦即，呈山麓下降那样的分布。通常，在这样的情况下，把单模光纤的中心部分称为模式场部分，其直径称为模式场直径。并且，该模式场因某些条件不同而有若干差异，在传输的光的波长为1.55μm的情况下，光纤通常具有模式场直径为约9—11μm的单模光纤的结构。
具有上述结构的单模光纤用玻璃母材的制造方法如下。(1)首先，用VAD法合成至少含有芯部的光纤用芯棒的多孔质玻璃体(现在往往是与芯部一起合成包层部的一部分，下面把这包层部也包含在内，称为DSF光纤用的芯棒)。(2)接着，把多孔质玻璃体烧结、脱水，形成DSF光纤用的芯棒。(3)再把该光纤用的芯棒作为靶棒，(4)在其外围用外部生长法等形成与包层相当的、具有所要求的厚度的多孔质玻璃层。而后，(5)把该多孔质玻璃层脱水、玻璃化，得到光纤用母材。
近年来，由于各种技术的进步，已有可能得到大型的光纤用玻璃母材。在这种情况下，在前述制造工序中，往往把后部分中采用外部生长法等的多孔质玻璃层制造工序及该多孔质玻璃层的脱水、玻璃化工序反复进行，以此制造大型的DSF光纤用母材。
前述已有的大型光纤用母材的制造方法具有易于控制中心部分的折射率分布的特征，现在还没有找到替代的制造方法。
但是，前述制造方法，对于一根母材的制造工序，至少包含VAD法和外部生长法两种不同的制造工序。因此，显然存在不同工序制造的玻璃的界面，而且在该界面易于产生玻璃的结构缺陷。
前述玻璃的结构缺陷给光纤造成下述影响。例如，用已有的方法制得的光纤用母材经拉丝制得的单模光纤长时间放置于氢环境中，氢即向光纤内部扩散。接着，扩散的氢进入玻璃的结构缺陷部分，形成Si-H链。该Si-H链吸收在光纤中传播的光当中的波长为1.52μm的光，引起“氢损”增加，加大传输损耗。
而且，由于大气中也有氢存在，光纤如果存在这样的倾向，单模光纤在放置于大气中的情况下显然也会受到某种影响。
发明内容
在这样的背景下，有必要寻找制造光纤用母材的新方法，以便取得受不同制造工序形成的玻璃界面的结构缺陷影响小的光纤。
因而，本发明的目的在于，提供结构缺陷的影响小的、而且强度高的色散移位光纤(DSF光纤)用的玻璃母材，进而据此提供DSF光纤。
本发明的目的还在于提供结构缺陷的影响小，而且强度高的单模光纤用的玻璃母材，进而提供单模光纤。
色散移位单模光纤
本发明的特征在于，(1)把色散移位单模光纤(DSF光纤)用的芯棒的多孔质玻璃体脱水、玻璃化，作为光纤用芯棒，(2)在DSF光纤用的芯棒的周围堆积实质上不含金属掺杂剂的包层，使其外径达到所希望的大小，(3)而后，脱水，玻璃化，制造石英玻璃光纤母材，(4)将其加热拉拔成线材，得到的DSF光纤中，相当于所述光纤用芯棒的部分的直径，在传输波长为1.55μm的光时，为模式场直径的1.9倍以上，而且，对于直径为125μm的光纤，存在于前述芯棒的外层部的包层厚度在0—6μm的范围内。
首先，叙述结构缺陷引起的氢损的增加。在DSF光纤内传输的光在光纤径向的强度分布以中心为最大，越向外围强度越小，呈山麓下降那样的形状。而如果在传输光的部分存在吸收光的要素，则在该部分光被吸收，强度减小，导致传输损耗增加。但是，由于光的强度在光纤的径向上不是均匀的，所以因光吸收而减小的光强度在光纤的径向上不同。具体地说，在前述强度分布的麓部存在吸光要素的情况下，对光强度的总体影响小，而随着吸收光的要素越接近中心部分，其吸收的光量度变得越多，光的总强度将减小。
将这一理论用于已有的色散移位光纤，即吸光要素Si-H链的形成源(玻璃的结构缺陷)离开光传输部分(也就是模式场部分)越远，被吸收的光就越少，可以说，超过某一限度，该影响即可忽略不计。具体地说，不同制造工序的界面只要在某种程度上离开模式场部分就行。因此，发明人进行了能够对此加以证实的实验，成功地以用模式场直径除色散移位光纤中的前述界面直径得出的值(下称界面直径/模式场直径)表示前述界面离开模式场部分多远才行。
但是，在使存在于芯棒外围部的包层的厚度加厚，加大界面直径/模式场直径的情况下，如前所述，不含金属掺杂剂的高纯度玻璃层的厚度变大。因此，拉丝后留有拉伸变形的部分变大，强度下降。为了防止发生这种情况，只要限制芯棒外围的不含金属掺杂剂的包层的厚度，使其强度在实用上没有问题即可。
在这里，发明者又进行了实验，找出了芯棒外围的不含金属掺杂剂的包层的厚度的极限值。
单模光纤
本发明是将单模光纤用的芯棒的多孔质玻璃体脱水、玻璃化，作为光纤用的芯棒，在该光纤用芯棒的周围堆积包层，形成所要求的外径后，脱水、玻璃化，制造单模光纤母材的方法，其特征在于，相当于将该单模光纤用母材拉丝得到的单模光纤所用芯棒部分的直径，在传输波长为1.55μm的光时为模式场直径的1.9倍以上。
经单模光纤内部传输的光在光纤径向上的强度分布以中心为最高，外围的强度如山麓下降那样，越向外越低。一旦在传输光的部分存在吸收光的要素，光即在该部分被吸收而减少其强度，导致传输损耗的增加。而且，光的强度相对于光纤的径向不是均匀的，因而吸收造成的强度减小在光纤的径向上是不同的。具体地说，前述强度分布的麓部存在吸光要素的情况下，光的总强度受到的影向是小的，而随着吸光要素向中心部分靠近，被吸收的光量变多，光的总强度的减小明显了。
将这一理论应用于已有的光纤，则可以说使吸光要素Si-H链的形成源(玻璃的结构缺陷)离开传输光的部分(也就是模式场部分)越远，被吸收的光量就越少，超过某一限度，则其影响可以忽略不计。具体地说，只要不同制造工序的界面在某种程度上离开模式场部份即可。在这里，发明者进行了证实这一理论的实验，成功地以用模式场直径除光纤中的前述界面的直径得到的值(下称界面直径/模式场直径)表示前述界面离开模式场部分多远才行。
附图概述
图1是本发明的光纤的截面特性图。
图2是作为本发明第1实施例的色散移位单模光纤的实施例中进行的，界面直径/模式场直径与1.52μm波长光波吸收量的关系的实验曲线。
图3是作为本发明第1实施例的色散移位单模光纤的实施例得到的，芯棒外围的不含金属掺杂剂的包层的厚度与光纤断裂率的关系曲线。
图4的曲线表示对本发明第二实施例的单模光纤进行的实验结果。
本发明的最佳实施方式
第1实施例：色散移位单模光纤
下面参照附图对本发明的光纤的第1实施例色散移位单模光纤(DSF光纤)的实施例进行详细说明。
发现本发明的DSF光纤的实验是按下述方式进行的。(1)首先用例如VAD法合成至少含有所谓芯部的DSF光纤用芯棒的多孔质玻璃体(现在往往采取与芯部同时合成包层部的一部分的方法)而且不限于VAD法，也可以用外部生长法合成多孔质玻璃体。下面实施例表示采用VAD法的例子。(2)将该多孔质玻璃体脱水、烧结作为芯棒。(3)以该芯棒作为靶棒，在其外围用外部生长法形成相当于包层的多孔质玻璃层，而后，(4)将该多孔质玻璃层脱水、玻璃化，得到DSF光纤用的玻璃母材，(5)用人们所熟悉的常用方法加热拉丝制得DSF光纤。
该光纤的结构与特性示于图1。
这时使DSF光纤用芯棒在后道工序制成DSF光纤时相当的外径除以模式场直径得到的值慢慢变化，制造光纤用芯棒。
接着，将得到的光纤在常温、1大气压的氢环境中放置8小时，再在常温大气中放置48小时，而后测定在波长1.52μm处吸光量的大小，即氢损增量的大小。其结果示于图2。又，在图2中，横轴表示界面直径/模式场直径，纵轴表示氢损增量的大小。
由图1及图2可知，当界面直径/模式场直径的值在1.9以上时，对波长为1.52μm的光的吸收可以忽略不计。而该界面直径/模式场直径的值在2.1以上时，完全测不出光的吸收。因而可以认为当界面直径/模式场直径的值在2.1以上时，光吸收的影响完全可以忽略不计。
而且，测定了实验中使用的光纤的总长度上每秒种加以0.5％延伸率时的断裂率。图3表示光纤芯棒外围不含金属掺杂剂的包层的厚度与断裂率的关系。从这一结果可以了解到，断裂率有取决于芯棒外围不含金属掺杂剂的包层的厚度的倾向。特别是该包层厚度一超过6μm，断裂率即迅速增加。因此，为了得到强度高的纤维，要把该包层的厚度定为6μm以下。
如上所述，采用本发明的DSF光纤用母材及DSF光纤的制造方法，可提供结构缺陷的影响小，不产生氢损增量，且强度高的DSF光纤。
第二实施例：单模光纤
下面参照图1及图4，对本发明的光纤的第2实施例单模光纤详细加以说明。
发现本发明的单模光纤的实验按如下方法进行。首先，用例如VAD法合成至少含有所谓芯部的光纤用芯棒的多孔质玻璃体(现在往往与芯部同时合成包层部的一部分)。而且，不限于VAD法，也可以用外部生长法合成多孔质玻璃体，下面实施例表示采用VAD法的情况。将该多孔质玻璃体脱水、烧结作为芯棒。接着，以该芯棒为靶棒，在其外围用外部生长法形成相当于包层的多孔质玻璃层后，将该多孔质玻璃层脱水、玻璃化，得到光纤用玻璃母材，而后用人所共知的方法加热拉丝，制得单模光纤。
这时，与第1实施例一样，使光纤用芯棒在后道工序制成光纤时相当的外径除以模式场直径得到的值(界面直径/模式场直径)慢慢变化，制得光纤用芯棒。
接着，将得到的光纤放置于常温、1大气压的氢环境中8小时，再在常温大气中放置48小时、而后测定在1.52μm波长的光吸收值，亦即测定氢损增量的大小。其结果示于图4。又，在图4中横轴表示界面直径/模式场直径，纵轴表示氢损增量的大小。
根据图4可以看出，当界面直径/模式场直径的值在1.9以上时，1.52μm波长的光吸收可以忽略不计。而在界面直径/模式场直径的值为2.1以上时，完全检测不出光吸收。因而，当界面直径/模式场直径的值在2.1以上时，可以认为光吸收的影响完全可以忽略不计。
采用本发明，可以提供能够得到结构缺陷影响小、强度高的单模光纤的单模光纤用玻璃母材，进而可由该母材提供所希望的单模光纤。
工业应用性
本发明的色散移位单模光纤及单模光纤可用于各种光通信和测量等。

Claims (9)

1.一种制造石英玻璃光纤母材的方法，将色散移位单模光纤用芯棒的多孔质玻璃体脱水、玻璃化，作为光纤用芯棒，在该光纤用芯棒的周围堆积实质上不含金属掺杂剂的包层，使其成为所希望的外径后，进行脱水、玻璃化后制得所述母材，其特征在于，能使相当于所述光纤用芯棒的部分的直径，在将所述光纤母材加工制成色散移位单模光纤，用该光纤传送波长1.55μm的光波时，为模式场直径的1.9倍，并且存在于所述芯棒的外层部，实质上不含金属掺杂剂的包层的厚度范围，对于直径125μm的光纤为0—6μm。
2.根据权利要求1所述的色散移位单模光纤的制造方法，其特征在于，将所述光纤母材拉丝制造所述光纤，该光纤传送波长1.55μm的光波时，相当于所述光纤用芯棒的部分的直径为模式场直径的1.9倍以上，且对于125μm直径的光纤，所述芯棒的外层部存在的包层厚度在0—6μm范围内。
3.一种色散移位单模光纤，其制造方法为，将色散移位单模光纤用芯棒的多孔质玻璃体脱水、玻璃化，用作光纤用芯棒，在该光纤用芯棒的周围堆积实质上不含金属掺杂剂的包层，使其外径达到所希望的大小，而后脱水、玻璃化，制造石英玻璃系光纤母材，再将该光纤母材拉丝制成，所述单模光纤其特征在于，在所述色散移位单模光纤传送1.55μm的光时，相当于所述光纤用芯棒的部分的直径为模式场直径的1.9倍以上，且对于直径为125μm的光纤，存在于所述芯棒的外层部的包层厚度在0—6μm的范围内。
4.一种色散移位单模光纤，其特征在于，传送波长为1.55μm的光波时，相当于所述光纤用芯棒的部分的直径是模式场直径的1.9倍，且对于直径为125μm的光纤，在芯棒的外层部存在的包层厚度在0—6μm的范围内。
5.一种单模光纤用母材的制造方法，将单模光纤用芯棒的多孔质玻璃体脱水、玻璃化，作为光纤用芯棒，在该光纤用芯棒的周围堆积包层，使其外径达到所希望的值，而后脱水、玻璃化制成所述母材，其特征在于，该单模光纤用母材拉丝得到的单模光纤中相当于前述光纤用芯棒的部分的直径，在拉丝制成的单模光纤传送波长1.55μm的光时，为模式场直径的1.9倍以上。
6.根据权利要求5所述的单模光纤制造方法，其特征在于，将所述光纤用母材拉丝，使得该光纤传送波长1.55μm的光波时，相当于所述光纤用芯棒的部分的直径为模式场直径的1.9倍以上。
7.一种单模光纤，是将单模光纤用芯棒的多孔质玻璃体脱水、玻璃化，作为光纤用芯棒，在该光纤用芯棒的周围堆积包层，形成所希望的大小的外径，而后脱水、玻璃化，制成单模光纤母材，再拉丝制成的，其特征在于，制成该单模光纤传送波长1.55μm的光波时，相当于所述光纤用芯棒的部分的直径为模式场直径的1.9倍以上。
8.一种单模光纤，其特征在于，被制成在传送波长1.55μm的光波时，相当于所述光纤用芯棒的部分的直径为模态场径的1.9倍以上。
9.根据权利要求7所述的单模光纤，其特征在于，脱水、玻璃化的所述单模光纤母材料为石英玻璃光纤母材。
CN95190428A 1994-04-25 1995-04-25 光纤用母材及光纤的制造方法 Expired - Lifetime CN1048231C (zh)

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