CN1282879A - 色散控制光纤及其大尺寸预制坯的制造方法 - Google Patents

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Abstract

色散控制光纤和大尺寸预制坯的制造方法。该色散控制光纤包括纤芯和包层,该纤芯由SiO2、GeO2和P2O5构成,该包层由SiO2、GeO2、P2O5和氟利昂构成。选择P2O5的含量不超过构成该纤芯复合物总重量的10%。用于MCVD法色散控制光纤的大尺寸预制坯的制造方法包括,在沉积管的内周边沉积SiO2、GeO2、P2O5和氟利昂以便形成包层,并且在该包层的内周边上沉积SiO2、GeO2和P2O5以便形成纤芯层。

Description

色散控制光纤及其大尺寸预制坯的制造方法
本发明涉及光纤及其制造方法，并具体涉及色散控制光纤及其大尺寸预制坯(preform)的制造方法。
作为传送信息新介质而广为使用的光纤根据传送方式分为单模光纤和多模光纤两大类。单模光纤还可分类为单模光纤和色散控制光纤。
色散控制光纤包括将零色散波段移至1．5μm波段的色散位移光纤，在宽波长带1．3～1．6μm具有恒定色散值的色散扁平光纤(dispersion flattened fiber)和在1．5～1．6μm具有低色散值的非零色散位移光纤。在授予Kato等的美国专利US5721800中公开了色散位移光纤，在授予Nouchi等的美国专利US 5675690中公开了色散扁平光纤。
虽然光纤由原料直接制造，但是其大多数通常在熔炉由加热到软化点以上的单独预制坯制造。
可由预制坯拉伸的光纤长度取决于预制坯的直径。特别是，由于光纤的牵伸量和该预制坯直径成比例，已经提出了大尺寸预制坯的制造方法。通过增大第一预制坯的直径和通过加大用于外包覆的管直径可加大预制坯尺寸，该第一预制坯是通过沉积和致密(collapse)形成的。
图1是显示常规光纤制造方法的流程图。如图1所示，光纤的一般制造方法包括以下步骤：形成预制坯(步骤10)，拉伸光纤(步骤20)，围绕光纤外部周边涂覆皮层(步骤30)和卷绕该光纤(步骤40)。一般说，拉伸和涂覆步骤通常在纤维拉伸装置中连续进行。
步骤10是形成以便拉伸成光纤的基本预制坯的过程。形成预制坯的方法包括气相轴向沉积(VAD)法、外化学气相沉积(OCVD)法、等离子化学气相沉积(PCVD)法和改进的化学气相沉积(MCVD)法，广泛使用MCVD法。
在此将详细说明通过MCVD法制造预制坯的过程。将气体例如SiCl4或GeCl4导入以恒定的速度旋转的沉积管中，并用可左右移动的燃烧器加热该管的外周。颗粒被沉积在沉积管的内表面上。用燃烧器的热量烧结、致密并闭合(closed)这些沉积的颗粒以便形成有芯层和包层的第一预制坯。对第一预制坯进行外包覆(over-cladding)处理以形成产物预制坯。
调节供入沉积管的气体组分可选择纤芯和包层间的折射差，而且在美国专利US 4389230和5397372中详细公开了用MCVD法制造预制坯的过程。
在带有熔炉和涂层机的光纤制造装置中连续进行拉伸和涂覆步骤20和30，以便从预制坯拉制光纤。当在熔炉中将预制坯加热到软化点以上时，经位于熔炉下端的拉伸孔拉伸光纤。然后经过涂层机涂覆光纤，并经过冷却器冷却。
在卷绕步骤40中，光纤受到绞盘施加的应力，并被卷绕在卷筒上。
图2是说明一般单模光纤结构的横截面图，图3是说明常规色散控制光纤结构的横截面图。所示光纤主要由SiO2构成。
如图2和3所示，通常的单模光纤和常规的色散控制光纤分别包括纤芯110或210、包层120或220和皮层130或230。
SiO2是纤芯110或210的主组分，并添加GeO2调节折射率分布。包层120或220除了含SiO2之外，还含有GeO2、P2O5和氟利昂以调节折射率分布或降低沉积温度。尽管为便于理解以单层示出包层120和220，但也可采用经外包覆形成的多层包层。
通常，单模光纤100的纤芯直径为8～12μm且相对折射率为0．35，而色散控制光纤200的纤芯直径为5～8μm且相对折射率为0．7～0．15。换言之，色散控制光纤200的纤芯210直径小于一般单模光纤100的直径，但折射率却比单模光纤的高。相对折射率用(n12-n22)／(2n12)*100表示，其中n1是纤芯的最大折射率，且n2是最小折射率。
皮层130和230的作用是内部的保护层，用于防止纤芯110和210以及包层120和220不受机械或化学破坏。皮层130和230由塑性材料例如热固性树脂制成。
表1显示一般单模光纤和现有色散控制光纤的光学特性改变。表2表明，光学特性改变和沉积管形变依赖于预制坯直径增量和拉伸温度。表1中，S代表SiO2，G代表GeO2，P代表P2O5且F代表氟利昂。
表1
    光学 特性 改变
现有技术 预制坯 类别 纤芯组分 包层组分 零色散波长 模场直径 色散斜率 沉积管
实例 直径(mm) (nm) (μm) (ps/μm2km) 收缩形变
 1  50  S.M.F  S+G  S+G+P+F  0～2  0～0.5  0～0.001  无
 2  66  S．M.F.  S+G  S+G+P+F  0～2  0～0.2  0～0.001  无
 3  50  D.C.F.  S+G  S+G+P+F  1～3  0～0.2  0～0.001  无
 4  66  D.C．F.  S+G  S+G+P+F  20～40  0.2～0.5  0.004～0.009     无
 依赖于预制增加直径的拉伸温度：20℃，纤芯直径0～8μm，相对折射率(％)：0.35
(“S．M．F．”代表单模光纤，“D．C．F．”代表色散控制光纤)
如实例1和2看到的，在一般单模光纤情形中，即使在升高的拉伸温度下拉制该光纤，光特性例如零色散波长、模场直径和色散斜率也不改变或很少改变，甚至和使用不涉及尺寸增大的预制坯拉制情况相比，所用预制坯尺寸从50毫米增加到66毫米条件下进行的光纤拉伸也是如此。
但如实例3和4所见，在色散控制光纤的情形，即使用直径由50毫米变到66毫米的预制坯拉制光纤，与使用不涉及尺寸增大的预制坯拉制情况相比，光特性例如零色散波长、模场直径和色散斜率也发生显著改变。这是因为和单模光纤相比，色散控制光纤的纤芯和包层由不同组合物制成，而且因为色散控制光纤的纤芯直径较小。
这就是说，常规色散控制光纤含SiO2和CeO2构成的纤芯以及SiO2、GeO2、P2O5和氟利昂构成的包层，并且纤芯直径比单模光纤的小。所以，在提高的拉伸温度下，用加大直径的预制坯拉制这样的色散控制光纤时，由于纤芯和包层之间的温度分布不均匀，可能产生应力。此外，纤芯中的折射率分布也可能因纤芯和包层之间的粘度差异而不同。
如从实例3和4看到的，纤芯中不同的折射率分布导致色散控制光纤的光学特性改变。例如，对于预制坯直径较小的色散控制光纤来说，零色散波长改变20-40纳米，模场直径改变0．2～0．5微米并且色散斜率改变O．004～0．009ps／nm2。
本发明的一个目的是解决现有技术中存在的这些问题，并提供色散控制光纤和大尺寸预制坯的制造方法。
为了达到上述目的，按照本发明的一个方面，提供—种色散控制光纤，包括SiO2、GeO2和P2O5构成的纤芯以及SiO2、GeO2、P2O5和氟利昂构成的包层。
按照本发明的另一个方面，提供—种色散空制光纤，包括SiO2、GeO2、P2O5和氟利昂构成的纤芯以及SiO2、GeO2、P2O5和氟利昂构成的包层。
按照本发明的另一个方面，提供—种色散控制光纤，包括SiO2、GeO2和P2O5构成的纤芯，SiO2、GeO2、P2O5和氟利昂构成并围绕该纤芯外周设置的第一包层以及仅由SiO2构成并围绕该第一包层外周设置的第二包层。
再按照本发明的另一个方面，提供MCVD方法制色散控制光纤中所用到的大尺寸预制坯制造方法，该方法包括以下步骤：在沉积管的内周边沉积SiO2、GeO2、P2O5和氟利昂以便形成包层，和在该包层的内周边沉积SiO2、GeO2和P2O5以便形成纤芯层。
经参照以下附图详述的优选实施方案，本发明的上述目的和优点会更加明显：
图1是表示常规光纤制造方法的流程图；
图2是说明一般单模光纤结构的横截面图；
图3是说明常规色散控制光纤结构的横截面图；
图4是说明本发明第一实施方案色散控制光纤结构的横截面图；
图5是说明本发明第二实施方案色散控制光纤结构的横截面图；
图6是说明本发明第三实施方案色散控制光纤结构的横截面图；
图7是表示本发明优选实施方案色散控制光纤大尺寸预制坯制造方法的流程图；和
图8a和8b是表示光纤拉制温度与零色散波长改变量之间关系的曲线图，分别属于按照现有技术及按照本发明色散控制光纤的大尺寸预制坯。
现参考附图详细说明本发明的优选实施方案。在本发明的下列描述中，当详述本文包括的已知功能和构型反而使本发明的主题内容相当不鲜明时，其将被省略。
图4是说明本发明第一实施方案色散控制光纤结构的横截面图，图5是说明本发明第二实施方案色散控制光纤结构的横截面图，并且图6是说明本发明第三实施方案色散控制光纤结构的横截面图。在这些图中，纤芯和包层分别用固有的组分的缩写表示；S代表SiO2，G代表GeO2，P代表P2O5和F代表氟利昂。
如图4所示，根据本发明第一实施方案的色散控制光纤300包括SiO2、GeO2和P2O5构成的纤芯310和SiO2、GeO2、P2O5以及氟利昂构成的包层320。围绕包层320的外周设置皮层330。
SiO2是纤芯310和包层320的主组分，且加入GeO2调节纤芯310和包层320的折射率分布。P2O5起减少纤芯和包层间粘度差异及沉积温度的作用。另外，氟利昂起降低包层折射率的作用。
纤芯310复合物中将要加入的P2O5含量应当不超过构成纤芯复合物总重量的10％。纤芯310所含P2O5的作用是减少纤芯和包层间的粘度差异。纤芯和包层的不同组成可导致这种粘度差异。因此，在拉伸时可将纤芯和包层间粘度差异引起的温度分布不平衡最小化。如果纤芯310的P2O5含量大于构成纤芯复合物总重量的10％，那末因纤芯310吸收损失增加和粘度降低，可发生几何变形。
可调节GeO2、P2O5和氟利昂的含量以使纤芯310和包层320之间的相对折射差大于0．35，该值是—般单模光纤纤芯对包层的相对折射比。可选择P2O5相对构成纤芯310复合物的复合物比以使其从纤芯中心到其周边增加或减少，或单独将其维持在纤芯横截面的任何位置上。
如图5所示，根据本发明第二实施方案的色散控制光纤400包括SiO2、GeO2、P2O5和氟利昂构成的纤芯410以及SiO2、GeO2、P2O5和氟利昂构成的包层420。围绕包层420的外周设置皮层430。具体地说，根据本发明第二实施方案的色散控制光纤400与本发明第一实施方案的大体相似，不同的是，纤芯中另外加入了氟利昂。
纤芯410复合物中将要加入的P2O5含量应当不超过构成纤芯复合物总重量的10％。纤芯410所含P2O5会减少纤芯和包层间的粘度差异，各自构成纤芯和包层的不同组分引起该粘度差异。因此，在拉伸时可将纤芯410和包层420间粘度差异引起的温度分布不平衡最小化。如果纤芯410的P2O5含量大于构成纤芯复合物总重量的10％，因纤芯410吸收损失增加和粘度降低，可发生几何变形。
SiO2是纤芯410和包层420的主组分，且加入GeO2调节纤芯410和包层420的折射率分布。P2O5起减少纤芯和包层间粘度差异及沉积温度的作用。另外，氟利昂不仅起降低包层折射率的作用，而且起降低纤芯410和包层420间粘度差异的作用。
如图6所示，根据本发明第三实施方案的色散控制光纤500包括SiO2、GeO2和P2O5构成的纤芯510，SiO2、GeO2、P2O5和氟利昂构成的第一包层530以及仅由SiO2构成的第二包层520。围绕包层520的外周设置皮层540。
如上第一和第二实施方案所述，纤芯510复合物中将要加入的P2O5含量也将选择不超过构成纤芯复合物总重量的10％。纤芯510中所含P2O5减少纤芯和包层间的粘度差异，此粘度差异由各自构成纤芯和包层的不同组分引起。因此，在拉伸时可将纤芯510和包层520间粘度差异引起的温度分布不平衡最小化。
SiO2是纤芯510与第一和第二包层530和520的主组分，且加入GeO2调节纤芯510和第—包层530的折射率分布。P2O5起减少纤芯510和第—包层530间粘度差异及沉积温度的作用。另外，氟利昂不仅起降低第一包层530折射率的作用，而且起降低纤芯510和第一包层530间粘度差异的作用。
图7是表示本发明优选实施方案色散控制光纤的大尺寸预制坯制造方法的流程图，其中用MCVD法完成该方法。
根据本发明优选实施方案色散控制光纤的大尺寸预制坯的制造方法主要包括：包层沉积步骤50，纤芯沉积步骤60和致密和闭合步骤70。
包层沉积步骤50中，在可回转的沉积管内部供入SiO2、GeO2和P2O5，并用燃烧器加热该管，将由SiO2、GeO2和P2O5构成的包层沉积在沉积管的内周边。另外，可将SiO2、GeO2、P2O5和氟利昂构成的包层沉积在沉积管的内周边。
在纤芯沉积步骤60中，将由SiO2、GeO2、P2O5和氟利昂构成的纤芯层沉积在沉积于沉积管上的包层的内周边上。此时，调节P2O5含量使之不超过构成包层组分总重量的10％。如果P2O5的重量定额超过包层总重量的10％，可能发生几何变形。
在致密和闭合步骤70中，沿沉积管的纵向移动燃烧器并加热该管，从而填充纤芯层中心剩余的中空部分。
本领域熟练人员将会理解，可用VAD、OCVD或PCVD法以及上述的MCVD法制造大尺寸预制坯。
表2列出色散控制光纤光学特性的变化，该光纤是用按本发明实施方案制造的大尺寸预制坯拉制的。表2中，光学特性变化及沉积管变形说明它们依赖于预制坯直径增加以及拉伸温度。另外，经参考分别对应于本发明两个实施方案的对比例也说明光学特性的改变。在每一个对比例中，其纤芯和包层均未加P2O5，这不同于本发明的实施例。
    光学特性改变
实施例 预制坯直径(mm) 类别 纤芯组分 包层组分 零色散波长(nm) 模场直径(μm) 色散斜率(ps/nm2km) 沉积管收缩形变
1* 66  D.C.F S+G S+G+P+F     20～40  0.2～0.5  0.004～0.009 无
2* 66  D.C.F S+G+P S+G+P+F     0～2  0～0.2  0～0.001 无
3* 66  D.C.F S+G+P+F S+G+P+F     1～3  0～0.2  0～0.001 无
4* 66  D.C.F S+G S+G     3～5  0～0.2  0～0.002 严重
5* 66  D.C.F S+G S+G+F     3～7  0～0.2  0～0.001 严重
依赖于预制坯增加直径的拉伸温度变化：20℃，纤芯直径5～8μm，相对折射率(％)：0.15～0.7
表2(1*：现有技术的实例4，2*：本发明的实施例1，3*：本发明的实施例2，4*：对比例1，5*：对比例2。“D．C．F．”代表色散控制光纤。)
实施例1是如图4所示的，由纤芯和包层构成的大尺寸预制坯，该纤芯由SiO2、GeO2和P2O5构成，该包层由SiO2、CeO2、P2O5和氟利昂构成。由该预制坯拉制光纤并测试其光学特性，如零色散波长、模场直径和色散斜率以及沉积管的收缩变形。
将实施例1和现有技术的，其光纤由SiO2和GeO2构成芯的大尺寸预制坯拉制而成的实例4进行对比，发现光学特性的改变明显减少。具体地，零色散波长从20～40纳米变为0～2纳米，模场直径从0．2～0．5微米变为0～0．2微米，且色散斜率从0．004～0．009ps／nm2变为0～0．001ps／nm2。
实施例2是如图5所示的，由纤芯和包层构成的大尺寸预制坯，该纤芯由SiO2、GeO2、P2O5和氟利昂构成，该包层由SiO2、GeO2、P2O5和氟利昂构成。由此预制坯拉制光纤并测试其光学特性，如零色散波长、模场直径和色散斜率以及沉积管的收缩变形。
将实施例2和现有技术的，其光纤由SiO2和GeO2构成芯的大尺寸预制坯拉制而成的实例4进行对比，发现光学特性的改变明显减少。具体地，零色散波长从20～40纳米变为1～3纳米，模场直径从0．2～0．5微米变为0～0．2微米，且色散斜率从0．004～0．009ps／nm2变为0～0．001ps／nm2。
图8a和8b是表示光纤拉制温度与零色散波长改变量之间关系的曲线图，分别属于按照现有技术及按照本发明色散控制光纤的大尺寸预制坯。
如可从图8a看到的，如果将按照现有技术预制坯的直径从50毫米改变到66毫米，根据拉伸温度的零色散波长改变会变大。但是如可从图8b看到的，如果将按照本发明预制坯的直径从50毫米改变到66毫米，根据拉伸温度的零色散波长改变会变小。
按照本发明的色散控制光纤其优点在于，即使为了由本发明大尺寸预制坯拉制色散控制光纤而增加拉伸温度，光学特性的变化也被最小化。
另外，按照本发明，将沉积纤芯的温度降低以便阻止沉积管的收缩，而且还可降低烧结温度。并且可减少致密所要求的加工时间。
尽管已结合目前认为最可行和优选的实施方案描述了本发明，但是应当理解，可不背离本发明范围地进行其它改变。因此，本发明不应当限于所公开的实施方案，而应当由所附权利要求和它们的等效物进行限定。

Claims (12)

1．一种色散控制光纤包括：由SiO2、GeO2和P2O5构成的纤芯；以及由SiO2、GeO2、P2O5和氟利昂构成的包层。
2．如权利要求1中所述的色散控制光纤，其中选择P2O5的含量不超过构成该纤芯复合物总重量的10％。
3．如权利要求1中所述的色散控制光纤，其中该纤芯和该包层之间的相对折射差为0．35以上。
4．如权利要求1中所述的色散控制光纤，其中选择P2O5对构成该纤芯的复合物的配混比以便使其从该纤芯中心到其周边增加或减少。
5．如权利要求1中所述的色散控制光纤，其中选择P2O5对构成该纤芯的复合物的配混比以便使其单独维持在该纤芯横截面中任何位置。
6．一种色散控制光纤，包括：由SiO2、GeO2、P2O5和氟利昂构成的纤芯；以及由SiO2、GeO2、P2O5和氟利昂构成的包层。
7．如权利要求6中所述的色散控制光纤，其中选择P2O5的含量不超过构成该纤芯复合物总重量的10％。
8．如权利要求6中所述的色散控制光纤，其中该纤芯和该包层之间的相对折射差为0．35以上。
9．如权利要求6中所述的色散控制光纤，其中选择P2O5对构成该纤芯的复合物的配混比以便使其从该纤芯中心到其周边增加或减少。
10．一种色散控制光纤，包括：由SiO2、GeO2和P2O5构成的纤芯；由SiO2、GeO2、P2O5和氟利昂构成的，并围绕该纤芯外周设置的第一包层；以及仅由SiO2构成的，并围绕该第一包层外周设置的第二包层。
11．如权利要求10中所述的色散控制光纤，其中选择P2O5的含量不超过构成该纤芯复合物总重量的10％。
12．用于MCVD法色散控制光纤的大尺寸预制坯的制造方法，该方法包括以下步骤：在沉积管的内周边沉积SiO2、GeO2、P2O5和氟利昂以便形成包层，并且在该包层的内周边上沉积SiO2、GeO2和P2O5以便形成纤芯层。
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