CN1196799A - 具有掺钽包层的光纤 - Google Patents

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Abstract

改进的波导光纤(1)包括中央纤芯(10)区,周围被内包层区(12)包裹着。第二环形区(14)掺杂钽。纤芯掺杂锗。第一环形区(20)位于折射率相对较高的两个相邻的区域之间。两个邻接区(10,20)的折射率都大于中心区(20)。

Description

具有掺钽包层的光纤
                    背景
美国专利4,715,679描述了一种在一较宽的波长带上几乎没有或没有色散的光纤。该光纤具有一中央纤芯，周围包裹着内包层，再外面包裹着外包层。纤芯和包层有一个或多个折射率比邻接区凹下的区域。纤芯具有一最大折射率，并且折射率随离开中心的距离而减小。与纤芯相邻的是内包层第一环形区，它具有一凹陷的折射率。与凹陷区相邻的是第二环形区，其折射率大于凹陷的第一环形区。折射率凹陷改变了光纤的光能量传播特性，从而在波导色散和波长之间提供了所需的关系。因此，通过降低与中央纤芯相邻的内包层区的折射率，可以控制色散。通过添加诸如氟或硼等起降低作用的合适掺杂剂可以产生折射率凹陷。
但是，用氟和硼掺杂剂制成的凹陷区有不希望有的局限。用氟制成的凹陷区具有约0.5％Δ的折射率最大凹陷量，但更一般的结果是0.3％Δ。由于氟有腐蚀性，并且目市场上不能获得用于一般外部汽相沉积(OVD)工艺的干燥氟气，所以氟气存在制造上的问题。硼对传播1200纳米以上波长光有较大的副作用。因此，硼不适用于一般传输波长约1500纳米的光的单模光纤。
有人提出用锗来提高包层的折射率，而不是降低某个区的折射率。但是，锗不适于增加包层的折射率。在干燥和熔凝期间，锗会与氯气反应，形成一氧化锗。在氯气干燥和熔凝步骤中，一氧化物相当容易挥发，并会移出包层。所以，难以将锗保持在包层中和因此难以相对诸如熔融石英等折射率凹陷的相邻区提高包层的折射率。
因此，未实现的需要是一种光纤结构，它该结构适合熔融的石英玻璃，并用一种掺杂剂提高包层区的折射率，其中所述掺杂剂不会移离它的初始位置，并且不吸收通过光纤传输的波长光。
                    概述
当用钽对包层掺杂从而将包层的折射率提高到纤芯一相邻凹陷区之上时，我们发现了未曾料想的且非常需要的结果。本发明产生了一种光纤，该光纤只用使折射率增大的掺杂剂来改善色散。本发明避免了使折射率降低的掺杂剂(例如，硼和氟)的副作用，因为用本发明制造的光纤不需要这类掺杂剂。
钽具有许多技术上的优势。其一，钽不会移离它的初始位置。钽具有较低的挥发性，所以即使在干燥和熔凝期间光纤要经受高温，钽也抵抗移动。通过抵抗移动，掺钽区的掺杂分布曲线保持陡峭的界限。其第二个优点是对在传输选定的波长处的光衰减较小。这些波长在1300纳米和1550纳米附近。在这些波长处，钽对光的衰减相当小。同样，在这些波长处，由钽引起的瑞利散射也相对小。第三个优点是掺钽的玻璃比掺锗的玻璃具有更小的热膨胀。第四个优点是按重量计算，钽对折射率的影响比锗大。所以，只需要较少的钽就能产生等同于锗所产生的折射。衰减还与量相关。因此，由于使用了较少的钽，所以光在用钽的光纤中的衰减较少。第五个优点是，钽在化学上是稳定的。它不溶于水和大部分的酸和碱。热的氢氟酸对它只作缓慢的腐蚀。本发明可应用于所有的光纤，包括但不局限于单模光纤、多模光纤、色散位移光纤、具有较大有效面积的光纤，以及具有受控线性色散的高性能、超长光纤。
在制造光纤时，用具有最小光衰减特性的玻璃制造光纤的纤芯和包层(内和外)的材料。尽管可以使用光学质量的玻璃，但熔融石英是特别适合的玻璃。出于结构和其它的实际考虑，纤芯玻璃和包层玻璃应该具有相似的物理特性。由于纤芯玻璃的折射率必须大于包层玻璃，所以纤芯玻璃用包层所用的相同类型的玻璃形成，并掺入少量材料，使纤芯的折射率略微增大。所以，用氧化锗对纤芯掺杂。可以在内包层的开始部分、纤芯和内包层的邻接部分，或者整个纤芯外环内形成第一环形凹陷区。在较佳实施例中，用锗掺杂纤芯的中心区。纤芯的外环不掺杂。用钽掺杂与不掺杂的纤芯外环相邻的并包裹在纤芯周围的包层区，以增大它的折射率。掺钽的包层区从不掺杂的纤芯环延伸至光纤的外侧。
               附图描述
图1是依照本发明制造的光纤的截面图。
图2是本发明一光纤的掺杂剂分布曲线。
图3和图4示出了用本发明制造的其它光纤的掺杂剂分布曲线。
图5是一曲线图，示出了掺钽石英外包层光纤的色散结果。
图6是一曲线图，示出了作为波长之函数的钽和熔融石英的折射率曲线。
                           详细描述
图1示出了依照本发明制造的单模光纤1的截面图。该光纤具有由外表面11确定的中央纤芯10。内包层区12具有形成于纤芯10之外表面11上的内表面。内包层区12具有外表面13。内包层12周围包裹着具有外表面15的外包层14。
纤芯10的材料是掺锗的熔融石英。内包层12至少具有一个基本上由纯的熔融石英制成的环形区20。第二环形区22包含掺钽的熔融石英。虚线21表示区域20与22之间的交界线。钽掺杂剂从虚线21向外表面15延伸。尽管本发明打算使内包层具有不掺杂的区域20和掺钽的区域22，但它也可以包括这样的光纤，其整个内包层12不掺杂，而外包层14掺钽。
图2示出了一般的用本发明制造的光纤掺杂剂分布曲线。纤芯区10掺锗或锗与钽的组合物，以提供从中心为最大至纤芯10之外表面11为零的倾斜的折射率。与纤芯10相邻的是由基本上为纯的熔融石英制成的第一环形区20。第二环形区22掺钽。掺钽区22的折射率大于区域20的折射率，但小于纤芯10的最大值。因此，折射率在区域20和22之间存在明显的变化。因此，区域20形成一个位于两个邻接区域10和22之间的凹陷的环形区，即区域10和22的折射率都大于凹陷区20。不掺杂区域与掺钽区域之间的交界线可以与内包层12的外表面13重合。
在光纤1中，纤芯的最大折射率为I0。与纤芯相邻的是第一环形区20，其折射率为I1。第二环形区22包裹在第一环形区20的周围，并且其折射率为I2。可使凹陷折射率为I1的第一环形区20整个地形成于纤芯10的外环中、纤芯和内包层的邻接环形区中、或者整个地形成于内包层内。所以，I0＞I2＞I1。
本发明的一个特征是有一个包层区，其范围从最外环A的外侧边缘至光纤B的外侧边缘。该包层区包含SiO2和钽，使包层折射率至少高于一个一般由纯石英制造的内环。包层还可以包含其它的掺杂剂，例如用于增加强度的钛。其它有用的分布曲线如图3和4所示。
图3的光纤具有通过对光纤的环形部分掺锗而制成的阶跃型折射率区域30。掺钽区32从阶跃型折射率区域30延伸到光纤的外表面。图4的光纤具有两个阶跃型折射率区域30和31，每个区域皆通过对光纤的环形部分掺锗而形成。区域30的掺杂量比区域31的大。掺钽区域32的折射率大于区域31的折射率，但小于区域30的折射率。它延伸至光纤的外侧。
图5示出了掺钽的石英外包层光纤的色散结果。这些结果表明，掺钽石英材料的色散非常类似于掺锗石英材料的色散。
上述期望已被进一步的实验所证实。将掺7.26wt％钽之石英的实验结果与熔融石英和掺5.9wt％GeO2和9.26wt％GeO2的石英比较。图6所示的数据表明，掺钽石英沿掺7.5wt％锗石英的期望折射率。
本发明还打算提供纤芯折射率不变或可变的光波导。依照美国第4,715,679号专利原理可以对纤芯10和包层5、12及14的分布作进一步的改变和变化，该专利的内容通过引用包含在此。例如，纤芯10可以具有阶跃型折射率分布、α型折射率分布、以常比率变化的分布、或者以一种或多种比率的组合变化的分布。还可以通过在完成纤芯之前结束掺锗而在纤芯中形成凹陷区。纤芯的剩余部分是不掺杂的熔融石英。
本发明可以用于希望提高包层折射率的任何合适的光纤。所以，本发明不仅适用于单模光纤，而且适用于多模光纤、色散位移光纤、具有较大有效面积的光纤以及具有受控线性色散的高性能、超长光纤。利用本发明，可以改变任何光纤的色散。本发明消除了不希望有的使折射率降低的掺杂剂(例如，硼和氟)的副作用，因为用本发明制造的光纤不需要这样的掺杂剂。
如上所述，使用钽有许多技术优势。钽具有较低的挥发性，所以即使光纤在干燥和熔凝期间受高温作用，它也不会迁移。因此，掺钽区域的掺杂分布保持相当陡的形状。在选择进行传输的波长处，钽具有较低的光衰减和较低的瑞利散射。这些波长处于1300纳米和1550纳米附近。掺钽玻璃的热膨胀比掺锗玻璃的热膨胀小。按重量计，钽对光的作用比锗大。所以只需要较少的钽就可以产生锗所产生的同等的折射。由于衰减也正比于量，所以因使用较少的钽，故使用钽的光纤的衰减较少。在化学上，钽是稳定的。它不溶于水以及大多数的酸和碱，并且热的氢氟酸对其只作缓慢的腐蚀。
具有凹陷折射率区域的本发明光纤1可以用任何常规的光纤制造工艺制造。
依照本发明，通过引入适当浓度的诸如TaCl5的钽的前体，改进了常规教导中施加由最终形成包层14的微粒体组成的第二被覆层的剩余部分的工艺。本领域的技术的员将认识到，其它材料也可以提高折射率。这类其它材料包括锆、镧、钇、铈和锗。另外，硝酸咪康唑(florid)、锆、四氯化物、hexaflorin和六氟乙酰丙酮化物(hexafluoroacetylactonate)，以及镧、钇和铈的类似物适合于外部汽相沉积(OVD)工艺。具有适当浓度的上述任何物质可以在区14产生使折射率增大的掺杂剂。在较佳实施例中，Ta2O5前体在SiO2微粉体成份中的浓度范围可高达约10重量百分比，并且最好约为3至5重量百分比。这里，我们注意到尽管以上描述说明了本发明的过程，但除了将钽添加在内包层区12中以外的过程完全是传统的。因此，可以对本领域普通技术人员已知的传统工艺步骤进行改进。例如，可以使用各种沉积工艺，包括(但不局限于)外部汽相沉积法、内部汽相沉法、汽相轴向淀积法、改进化学汽相沉积法或者等离子体外部和内部沉积法。
在实施本发明时，本领域的普通技术人员容易使用传统的波导光纤技术，因此通过引用将所有内容包括在此，并且作为非限制性的举例，包括以下内容。
关于可用作微粉体前体(soot precursor)的原材料，参见：Dobbins的美国专利5,043,002；和Blackwell的美国专利5,152,819。
关于汽化或雾化微粉体前体的工艺，参见：Antos的美国专利5,078,092；Cain的美国专利5,356,451；Blankenship的美国专利4,230,744；Blankenship的美国专利4,314,837；和Blackenship的美国专利4,173,305。
关于燃烧微粉体前体及沉积纤芯和包层，参见：Abbott的美国专利5,116,400；Abbott的美国专利5,211,732；Berkey的美国专利4,486,212；Powers的美国专利4,568,370；Powers的美国专利4,639,079；Berdey的美国专利4,684,384；Powers的美国专利4,714,488；Powers的美国专利4,726,827；Schultz的美国专利4,230,472；和Sarkar的美国专利4,233,045。
关于纤芯预制棒熔凝、纤芯棒(core cane)拉丝和外包层预制棒熔凝步骤，参见：Lane的美国专利4,906,267；Lane的美国专利4,906,268；Lane的美国专利4,950,319；Blankenship的美国专利4,251,251；Schultz的美国专利4,263,031；Bailey的美国专利4,286,978；Powers的美国专利4,125,388；Powers的美国专利4,165,223；和Abbott的美国专利5,396,323。
关于从熔凝的外包层预制棒拉丝成的光纤，参见：Harvey的美国专利5,284,499；Koening的美国专利5,314,517；Amos的美国专利5,366,527；Brown的美国专利4,500,043；Darcangelo的美国专利4,514,205；Kar的美国专利4,531,959；Lane的美国专利4,741,748；Deneka的美国专利4,792,347；Ohls的美国专利4,246,299；Claypoole的美国专利4,264,649；和Brundage的美国专利5,410,567。

Claims (16)

1.一种具有纤芯和内包层的光纤波导，其特征在于，包括：
中心区，它具有最大折射率I0；
第一环形区，它与中心区相邻，并其折射率I1小于I0；
第二环形区，它包裹在所述第一环形区的周围，并具有折射率I2，所述第二环形区包含钽，用使折射率增大足够量的掺杂剂增大所述区的折射率，从而将第二环形区的折射率I2提高到第一环形区的折射率I之上。
2.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，中心区包括纤芯，而第二环形区包括多个子区，其中至少有一个子区的折射率I1小于I2。
3.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，I0＞I2＞I1。
4.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，第二环形区的掺杂剂包含钽。
5.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述光纤是从由单模光纤、多模光纤、色散位移光纤、具有较大有效面积的光纤，以及具有受控色散的高性能、超长光纤组成的群中选出的一种。
6.一种光纤，其特征在于，包括：
纤芯，它具有最大折射率I0；
内包层，它位于纤芯上，具有包裹在所述纤芯周围的第一环形区，其折射率I1小于I0；
第二环形区，它包裹在所述第一环形区的周围，并具有折射率I2，它掺杂了足量的钽，以便将第二环形区的折射率I2提高到第一环形区的折射率I1之上，但小于I0。
7.如权利要求6所述的光纤，其特征在于，第一环形区包含熔融石英，而第二环形区包含掺钽的熔融石英。
8.如权利要求6所述的光纤，其特征在于，纤芯包含掺锗的熔融石英。
9.如权利要求6所述的光纤，其特征在于，所述光纤是从由单模光纤、多模光纤、色散位移光纤、具有较大有效面积的光纤，以及具有受控线性色散的高性能、超长光纤组成的群中选出的一种。
10.一种光纤，它包括纤芯区以及分别包裹在所述纤芯区周围的第一和第二环形区，其特征在于，第一环形区的折射率相对相邻纤芯区和第二环形区的折射率向下凹陷，并且第二环形区包含钽。
11.如权利要求11所述的光纤，其特征在于，纤芯区包含熔融石英和钽。
12.如权利要示11所述的光纤，其特征在于，纤芯区包含熔融石英、锗和钽。
13.如权利要求10所述的光纤，其特征在于，第二环形区包含熔融石英和钽。
14.如权利要求10所述的光纤，其特征在于，第二环形区中钽的数量范围高达约10重量百分比。
15.如权利要求14所述的光纤，其特征在于，第二环形区中钽的数量范围从大约3重量百分比至大约5重量百分比。
16.如权利要求10所述的光纤，其特征在于，所述光纤是从由单模光纤、多模光纤、色散位移光纤、具有较大有效面积的光纤，以及具有受控线性色散的高性能、超长光纤组成的群中选出的一种。
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