CN1215001C - 制造光纤预制棒的方法和制造光纤的方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种制造光纤预制棒的方法和制造光纤的方法，制造出了在整个1.3至1.6μm的波长范围内具有所需传送特性的光纤。制造方法包括，多孔芯棒的制作步骤，用VAD法沉积外径为D的第一包层(3)以包围具有外径d的芯(2)，从而制备出D/d≥4.0的多孔芯棒(1)。然后，使多孔芯棒(1)脱水，以将OH基团浓度减小到按重量比计0.8ppb或更小。使多孔芯棒(1)透明，以得到一个玻璃化的芯棒(4)，再加热和拉伸。此后，用VAD法围绕着玻璃化的芯棒(4)沉积上有待脱水、透明和玻璃化的第二多孔包层(5)。如此制得的光纤预制棒经拉伸形成光纤，然后将其氘气气氛中放置一个预定时间。

Description

制造光纤预制棒的方法和制造光纤的方法

技术领域

本发明涉及制造光纤预制棒的方法和制造光纤的方法，用于生产以低传输损耗在大约1.3至1.6μm波长范围进行单模传输的光纤。

背景技术

近来，随着通信信息量的迅速增长，波分复用(WDM)的时代正在到来。WDM传输系统是一个发射多个信号的系统，其中光通信的波长被分成多个波长，而不是一个波长。WDM是一种适于高容量和高比特率通信的光传输系统。

当以用户网为中心时，用1.31μm波段的零色散单模光纤构成的光通信传输网络，将遍布全世界。

但是，由于羟基团(OH groups)导致的光吸收，传统的单模光纤在1.36至1.43μm波段上有很大的传输损耗。此外，羟基团光吸收峰值的波长在1.24μm和1.38μm。由此考虑，上述用单模光纤进行WDM传输的波长就被局限在1.31至1.55μm波段中了。

而后，为解决单模光纤的问题，提出了一种在1.36至1.43μm波段上减小了吸收峰值的光纤。并且已经提出了采用所提出的光纤并在大约1.3至1.6μm全部波长上实现的WDM传输系统。

例如，日本专利申请(申请号171575/1999)描述了一种制造光纤预制棒的方法，以获得在1.36至1.43μm波段上吸收峰值减小的光纤。该制造光纤预制棒的方法的要点如下：

(1)首先，通过汽相轴向沉积(VAD)制造出多孔芯棒。另外，通过VAD生产出用第一包层来覆盖芯的多孔芯棒。

(2)然后，在多孔芯棒脱水并烧结之后，加热并拉伸该棒。

(3)随后，通过浸蚀处理除去多孔芯棒表面的OH基团。

(4)将OH基团浓度降低的多孔芯棒插入到用作包层套的低OH基团浓度玻璃管内。加热挤压该外套玻璃管，以制作出具有足够厚度包层的光纤预制棒。

发明内容

本发明提供了一种制造光纤预制棒的方法和一种用该方法制造光纤的方法。

本发明制造光纤预制棒的方法包括：

多孔芯棒的制作步骤，用汽相轴向沉积法，在具有外径d的芯周围沉积外径为D的第一包层，从而制备出D/d≥4.0的多孔芯棒；

芯棒脱水步骤，在多孔芯棒制作步骤之后使多孔芯棒脱水，以将多孔芯棒的OH基团浓度减小到按重量比计0.8ppb或更小的程度；

芯棒玻璃化步骤，使多孔芯棒透明和玻璃化，以在芯棒脱水步骤之后形成玻璃化的芯棒；

芯棒拉伸步骤，在芯棒玻璃化步骤之后加热和拉伸该玻璃化的芯棒；

形成第二包层的步骤，在芯棒拉伸步骤之后用汽相轴向沉积法在玻璃化的芯棒周围沉积第二多孔包层；

第二包层脱水步骤，在第二包层形成步骤之后对第二多孔包层脱水，以将OH基团浓度减小到按重量比计50ppm或更小的程度；以及

第二包层玻璃化步骤，在第二包层脱水步骤之后形成透明和玻璃化的第二多孔包层。

其中所述的第二包层形成步骤可以是沉积所述第二多孔包层的微孔体，以使得该第二多孔包层微孔体的密度随着到中心的距离变远而减小。

本发明提供一种制造光纤的方法，包括

拉伸步骤，通过在2000℃温度下加热根据权利要求1的光纤预制棒制造方法制得的光纤预制棒的端头部分，来拉伸所述光纤预制棒；和

保持步骤，在拉伸步骤之后将拉伸的光纤预制棒在氘气氛中放置一个预定时间，使氘气扩散到所述光纤的扩散量与将所述光纤在10％氘气的常温大气压环境中放置1小时时的扩散量相同或更多。

附图说明

现在将结合附图描述本发明的示例性实施例，其中：

图1表示了本发明一个制造光纤预制棒方法实施例中的多孔芯棒制作步骤；

图2表示了上述实施例中的拉伸步骤；

图3表示了上述实施例中的第二多孔包层形成步骤；

图4表示了从上述实施例所制造的光纤预制棒中得到的光纤的传输损耗谱图；和

图5表示了从上述实施例所制造的光纤预制棒中得到的光纤在氢气氛下放置之后的传输损耗谱图。

具体实施方式

所提出的上述制造光纤预制棒方法的实例，是通过刻蚀多孔芯棒的表面来除去上述多孔芯棒表面上的OH基团的。所以，去除OH基团的处理方法需要用于等离子体刻蚀装置的设备成本，而且这种处理方法的成本也随着工时的增加而增加。

此外，在用制造上述光纤预制棒的方法制造光纤预制棒时，通过将芯棒插入到包层外壳玻璃管中而形成足够厚度的包层。所以，当第一包层的厚度较薄时，包层外壳玻璃管的OH基团浓度必须要低。但是，具有低OH基团浓度的包层外壳玻璃管不易制造。

而且，在用光纤预制棒制造方法所得到的光纤预制棒来制造的光纤中，出现了一个问题：当光纤用于高能辐射环境下或H2离子气氛中时，在1.36至1.43μm的带宽上传输损耗增大。

本发明制造光纤预制棒的方法和制造光纤的方法的一个方面，是可以得到下述光纤的光纤预制棒制造方法和光纤制造方法。用本发明得到光纤是一种在1.36至1.43μm的带宽上吸收峰值小，且适于传导利用了1.25至1.60μm全波长的WDM传输的光纤。此外，用本发明光纤预制棒制造方法，可以制造大尺寸的光纤预制棒，该棒能得到上述高生产率地成本的光纤。

而且，用本发明光纤制造方法所制造的光纤可以防止1.36至1.43μm带宽上的传输损耗，即使是用在高能辐射环境和H2气氛中亦如此。

下文中，将结合附图详细描述本发明的一个实施例。该实施例光纤预制棒的制造方法如下。即，制造本实施例的方法通过依次执行下述步骤1)至7)而制造出光纤预制棒。

该步骤1)至7)是：1)用VAD法制作多孔芯棒的步骤；2)芯棒脱水步骤；3)芯棒玻璃化步骤；4)芯棒拉伸步骤；5)形成第二包层的步骤；6)第二包层脱水步骤；以及7)第二包层玻璃化步骤。

下文将描述每个步骤的具体例子。

用VAD法制作多孔芯棒的步骤

该步骤是沉积具有外径D的第一包层3使之包覆在具有外径d的芯2周围的步骤，目的是用VAD法制作出D/d≥4.0的多孔芯棒1。多孔芯棒1的制作是在一个反应容器11内进行的，如图1所示。将籽棒(未示出)插入到反应容器11内，该籽棒可以如图1中箭头A所示进行旋转，还可以拉伸。用于形成多孔芯棒1的细玻璃微粒沉积并生长在籽棒的表面上，以制备出多孔芯棒1。

细玻璃微粒是通过在芯燃烧器12和第一包层燃烧器13外吹气而形成的。芯燃烧器12充有燃料气体(如氢气和氧气)和源气体(如氯化硅和氯化锗)，而且燃料气体产生氢氧焰。氢氧焰在芯燃烧器12喷出的源气体中引起火焰水解反应，以形成芯2的细玻璃微粒。

此外，第一包层燃烧器13充有燃料气体(如氢气和氧气)和源气体(如氯化硅)，而且燃料气体产生氢氧焰。氢氧焰在第一包层燃烧器12喷出的源气体中引起火焰水解反应，以形成第一包层3的细玻璃微粒。

而且，如上所述，芯2掺杂有锗，因而芯2的折射率高于第一包层3的折射率。

而且，在一个实施例中，芯2的外径d设定为30mm，第一包层3的外径D设定为150mm，而上述步骤所述的D/d大约为5。

芯棒脱水步骤

本步骤是多孔芯棒1脱水，以将多孔芯棒1中的OH基团浓度减小到按重量比计0.8ppb或更小的程度。此外，本发明人证实，当多孔芯棒1中的OH基团浓度减小到按重量比计0.8ppb或更小的程度时，1.36至1.43μm带宽上的光吸收可以减小到近乎等于1.31μm带宽处光吸收传输损耗。

多孔芯棒1脱水步骤这样进行：让多孔芯棒在大约1200℃温度下的混有氯或氟的氦气中脱水。而且，脱水可以在加入氧的气氛中进行。该脱水步骤减少了多孔芯棒1中的OH基团和杂质，并使OH基团浓度减小到按重量比计0.8ppb或更小的程度。

而且，多孔芯棒1的脱水步骤是用一简单的方法进行的，其中多孔芯棒1仅仅在高温中逗留。即，不需要如上文所属例子，为了除去OH基团刻蚀多孔芯棒表面而投资等离子体刻蚀装置的设备，而且处理成本也低。

芯棒玻璃化步骤

本步骤是使多孔芯棒1透明和玻璃化的步骤。在1400至1500℃温度下的氦气氛中烧结该脱水的多孔芯棒1，而形成使透明和玻璃化的多孔芯棒1。如果需要，该步骤可在混有氯或氟的气氛中进行。烧结使多孔芯棒1转化成透明的玻璃化的芯棒，其外径为大约80mm。此外，玻璃化的芯棒中OH基团的浓度保持在按重量比计0.8ppb或更小的程度。

芯棒拉伸步骤

本步骤是加热和拉伸玻璃化芯棒的步骤。如图2所示，用电燃烧器14拉伸该玻璃化的芯棒4。电燃烧器14充有惰性气体，且其温度设定在大约1800至2000℃。在此状态下，用夹头15a和15b夹住玻璃化的芯棒4两端。当电燃烧器14提升时，下端夹头15下降，以增加夹头15a与15b之间的距离。从而拉伸玻璃化的芯棒4并使其直径减小。

通过拉伸步骤，玻璃化芯棒4的外径从80mm减小到36mm，而长度为2000mm。

在图2中，14a代表加热器，而16代表测量所拉伸芯棒4外径的外径测量装置。

本步骤可以用电燃烧器14来完成。不同于火焰拉伸，由于不产生OH基团，所以玻璃化芯棒4中OH基团的浓度不增大。

用VAD法形成第二多孔包层的步骤

本步骤是用VAD法在拉伸的玻璃化的芯棒4周围沉积第二多孔包层的步骤。如图3所示，拉伸的玻璃化的芯棒保持垂直地旋转。然后，第二包层燃烧器17吹出细玻璃微粒，以形成外径为250mm的第二多孔包层5。

第二包层燃烧器17充有燃料气体(如氢气和氧气)和源气体(如氯化硅)，而且染料气体产生氢氧焰。该氢氧焰在第二包层燃烧器17喷出的源气体中引起火焰水解反应，从而形成第二多孔包层5的细玻璃微粒。

第二包层燃烧器沿着平行于玻璃化芯棒4的直线垂直提升，并使细玻璃微粒均匀地附着在玻璃化芯棒4的整个长度上。

在下述条件下，第二多孔包层5的合成速率为20g/min。第二多孔包层5的合成条件是：在一个燃烧器17中，氢气设定为200slm，氧气设定为100slm，而氯化硅设定为70g/min，而且燃烧器17的提升速度设定为500mm/min。

如上所述，本步骤可以高速地形成很厚的第二多孔包层。

此外，所用的燃烧器17可以是一个燃烧器，也可以是多个燃烧器以更高的速度合成。而且，第二多孔包层5中微孔体沿半径方向的密度分布，可以通过改变染料和源的流速，燃烧器的提升速度以及玻璃化芯棒4的旋转而任意调节。优选地，微孔体的密度分布是这样的密度分布，即随着到玻璃化芯棒4的距离变远而减小。用这种密度分布，可以高效率地进行下文所述的第二包层脱水步骤

第二包层脱水步骤

本步骤是对上述第二多孔包层5脱水，以将第二多孔包层5中的OH基团浓度减小到按重量比计50ppm或更小的程度。本脱水步骤是这样进行的，加热第二多孔包层5，并使其在1200℃温度等下处于混有氯的氦气气氛中。本脱水步骤除去了第二多孔包层5内的OH基团和杂质，并将OH基团的浓度降低到50ppm或更低的程度。

此外，在形成第二多孔包层5之前，当获得了能高效完成脱水的微孔体密度分布时，可以有效地降低OH基团浓度。即，当密度分布使得第二多孔包层5中的微孔体密度随着距玻璃化芯棒4的距离变远而降低时，该脱水步骤可以有效地完成。本发明人用实验验证了此现象。

第二包层玻璃化步骤

本步骤是在1400至1500℃温度的混有氯或氟的氦气气氛中，烧结脱水的第二多孔包层5，以使其透明和玻璃化的步骤。在完成本步骤之后，便形成了外径大约为100mm的透明的光纤预制棒。

此外，第二包层的重量大约是玻璃化芯棒4的12倍。为了使该包层的OH基团近乎与芯的相等，可以减小包层的密度。但是，当第二多孔包层5的密度接近于与多孔芯棒1相等时，第二多孔包层5的外径将变得很大，对设备而言，这不切实际。

第二多孔包层5的密度必须设定为大于多孔芯棒1的密度。在脱水步骤中，OH基团的除去效率是逐渐减弱。因此，第二多孔包层5的OH基团浓度高于玻璃化的芯棒4。但是当第二多孔包层5的OH基团浓度为50ppm或更低时，在D/d为4.0或更大的情况下，1.36至1.43μm波段上的实际问题——传输损耗就不会发生了。

而且，上述一个实施例的光纤预制棒制造方法是本发明人为研究，调试和执行大尺寸光纤预制棒的制造方法所作的工作，该大尺寸光纤预制棒适用于实现利用了1.25至1.60μm全波长的WDM传输。

换句话说，实施例的光纤预制棒制造方法有制造光纤预制棒的优选地条件，它可以仅仅用VAD以很高生产率制造出上述光纤的预制棒。

例如，在制作多孔芯棒1的步骤中，芯2外径d与第一包层3外径D之间关系D/d，是一个表示从第二包层到芯OH基团分散程度的指标。由于当D/d值大时，OH基团几乎都分散在芯中，所以从这一点出发D/d越大越好。另一方面，当D/d变大，同时由于制作多孔芯棒1的设备配置原因而使D受设备的局限时，芯的直径变得较小。从这方面考虑，D/d需要小一些。

然后，为了拉出更长的光纤，本发明人为了得到D/d和第二包层，通过实验确定OH基团的浓度，这使芯直径d尽可能地大，且将芯2的OH基团浓度减小到按重量比计0.8ppb或更小的程度。

接着，发现当第二包层的OH基团浓度设定为按重量比计50ppm时，为了使芯的OH基团浓度保持按重量比计0.8ppb或更小的程度，D/d要设定为4或更大。换句话说，发现芯直径d可大到D/4，于是如上所述，在制作多孔芯棒1的步骤中设定了D/d≥4.0。

此外，本发明人还实验确定，正确调试和实施了其他的条件。

接下来，将描述本发明光纤制造方法的一个实施例。光纤可以通过加热光纤预制棒的端头部分，在2000℃温度下拉制而得到，其中该预制棒是前述的光纤预制棒制造过程中得到的。成型光纤外径为125μm。在该光纤上涂覆常规的树脂涂层，从而保护光纤表面，使之具有实用的机械强度。

图4表示了如上所述制造的光纤的传输损耗。该光纤在1.36至1.43μm波段上不出现传输损耗峰值。

而且，在光纤制造方法的一个实施例中，可以将上述光纤在含有10％D2(氘气)的常温大气压环境中放置1小时。于是，本实施例光纤制造方法的特征在于：通过实施D2处理，可以抑制1.36至1.43μm波段上的传输损耗峰值，即使经过D2处理的光纤暴露在氢气氛中也无妨。

如图5所示的特征线a是表示，经过D2处理的光纤室温下置于含有1％氢气的氮气氛中4天后传输损耗谱的测量结果。如图5特征线a所表明的，经过D2处理的光纤在1.36至1.43μm波段上不出现传输损耗峰值。另一方面，如图5所示的特征线b是表示，未经过D2处理的光纤在相同条件下置于氢气氛中4天后的结果。如图5特征线b所示，未经过D2处理的光纤在1.36至1.43μm波段上传输损耗明显增加。

此外，本发明人基于下述新证据实施D2处理。即，在通过用一个实施例的光纤预制棒制造方法所得到的光纤中，制造过程中产生的过氧化物原子团缺陷被OD基团所取代。经过D2处理的光纤可以防止光纤中OH基团的增多，即使是用在高能辐射环境下或氢气气氛中亦如此。

而且，上述OD基团的光吸收峰出现在1.26μm和1.66μm，不是在光通信所用的波段(如1.3至1.6μm)之中。考虑到这一点，波段1.36至1.43μm的传输损耗在经过D2处理的光纤中不增大。而且，D2处理过程中D2的浓度、压力、时间都不局限于上述的情况。

但是，在适用波长范围宽的上述光纤中，零色散波长优选地几乎位于所用波长范围的中间(大约1.3至1.6μm)，如接近于1.4至1.5μm。本发明人为用上述光纤制造方法的一个实施例所制造的光纤设定零色散波长。随之，用上述制造方法所得到的光纤会在1280至1600nm波长范围内有很好的传输特性。

Claims (3)

1、一种制造光纤预制棒的方法，包括：

多孔芯棒制作步骤，用汽相轴向沉积法沉积外径为D的第一包层，使其包围具有外径d的芯，从而制备出D/d≥4.0的多孔芯棒；

芯棒脱水步骤，在多孔芯棒制作步骤之后对所述多孔芯棒脱水，以将该多孔芯棒中的OH基团浓度减小到按重量比计0.8ppb或更小的程度；

芯棒玻璃化步骤，在芯棒脱水步骤之后使成型的多孔芯棒透明和玻璃化，以形成玻璃化的芯棒；

芯棒拉伸步骤，在芯棒玻璃化步骤之后加热和拉伸玻璃化的芯棒；

形成第二包层的步骤，在芯棒拉伸步骤之后用汽相轴向沉积法在玻璃化的芯棒周围沉积第二多孔包层；

第二包层脱水步骤，在第二包层形成步骤完成之后对第二多孔包层脱水，以将OH基团浓度减小到按重量比计50ppm或更小的程度；以及

第二包层玻璃化步骤，在完成第二包层脱水步骤之后使所述的第二多孔包层变得透明和玻璃化。

2、根据权利要求1的光纤预制棒制造方法，其中第二包层形成步骤是沉积所述第二多孔包层的微孔体，以使得该第二多孔包层微孔体的密度随着到中心的距离变远而减小。

3、一种制造光纤的方法，包括

拉伸步骤，通过在2000℃温度下加热根据权利要求1的光纤预制棒制造方法制得的光纤预制棒的端头部分，来拉伸所述光纤预制棒；和

保持步骤，在拉伸步骤之后将拉伸的光纤预制棒在氘气氛中放置一个预定时间，使氘气扩散到所述光纤的扩散量与将所述光纤在10％氘气的常温大气压环境中放置1小时时的扩散量相同或更多。

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