CN1346447A - 光纤的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示一种光纤,在沿其长度有不同直径的各区间交替,其中,该光纤折射率和直径形成波长大于1480nm处正和负色散交变的区域,还最好具有低的纯色散和色散斜率。一种较佳分布包含包层区围绕的芯区,该芯区包含对包层区上渗杂的中央芯区,该中央芯区由对包层区下渗杂的壕区围绕,该壕区由相对于包层区上渗杂的环区围绕。该族分布与交变正和负色散区连同使用时,产生低色散斜率光纤。该族分布在常规WDM应用中是有用的。

Description

光纤的制造方法
技术领域
本发明涉及光特性沿长度规则变化的光纤的制造方法。该方法对制造色散受控(DM)单模光波导光纤特别有用。
背景技术
波分复用器和放大器最近大量出现，系统要求降低光纤的色散和色散斜率。前已揭示过一些致力于这些特性的制造色散受控光纤的独特方法。例如参见美国专利申请U.S.Patent application Serail NO.08/844997(Berkey等人)(1997年4月23日提出)和U.S.Patent application Serial NO.08/584868(1996年1月11日提出)。这里通过引用，这些申请文件与本申请结合。
至今的许多方法相对复杂，从而因其复杂性而可能比更标准的方法成本高。希望发展另一种较简便的光纤制造方法，该光纤的色散特性沿其纵向，尤其1550nm工作窗中，在正和负间变化。
发明内容
本发明的一个方面涉及一种沿其长度有不同直径的光纤及制造该光纤的方法。光纤预制件的折射率分布选成，当该光纤预制件拉制成沿其长度有不同直径的光纤时，得到的光纤在1550nm工作窗中，沿其纵向(即对应于不同直径的各区域)色散在负区域和正区域之间变化，该工作窗最好包含至少约1480nm和约1625nm间的窗。在一些实施例中，光纤色散斜率在1550nm工作窗中沿其长度在负区域和正区域间变化，和/或沿光纤长度保持很低的色散斜率。用本法制造的光纤，对色散受控光纤应用是极好的候选对象。
现代反馈控制环可用于控制下馈率和拉丝率以控制光纤直径。通过改变牵引机(光纤拉制)速率，从而改变拉丝速率可最快获得光纤外径变化。结果，随着牵引机速率变化，光纤纤芯直径改变，从而使不同直径之间的过渡区域保持相对短。在较佳实施例中，光纤拉制成使不同直径光纤段在光纤直径外侧测得的外侧光纤直径幅度差异大于3微米，较好大于5微米，最好大于10微米。另外，光纤较好在长度为100m和3Km的区段间交替，最好交替段至少长度为250m且小于2Km。
不是任何折射率分布均可用于产生具有这种色散特性沿其长度方向在正和负间变化的光纤。例如，标准单模光纤色散随直径变化很小，尤其在1550nm。一族较佳折射率分布使光纤拉制成沿长度方向直径不同时，具有期望的交替色散特性，该光纤包含包层区域围绕的纤芯区，其中纤芯区包含相对于所述包层区上掺杂(updoped)的中央纤芯区，该中央纤芯区由相对于所述包层区下掺杂(down doped)的壕区围绕，而该壕区由相对于所述包层区上掺杂的环区围绕。该分布包括中央上掺杂段折射率增量百分比在约+0.5至1.5间，围绕中央纤芯区的压低的壕纤芯区增量百分比在约-0.1至-0.7范围中，上掺杂环区增量百分比在0.1至1.0间。这3段的半径(从光纤中心线测至该段折射率分布与X轴的外延交点，X轴等于包层折射率)选择为，若第1中心线上掺杂段半径为a、壕部半径为b，则b/a在约1.5至3.0间较好；若任选环的外侧半径为c，则c/a在约2.5至3.7间。对这种分布更好的半径和增量百分比值下文进一步讨论。
结果得到一种光纤，其色散沿长度方向在负和正色散区之间变化，且其纯色散(net despersion)和色散斜率均相对较低。根据本发明制作的光纤设计成在局部正负色散间交替，在1550nm处其幅值在1.5和20ps/nm-km之间，而且在1550nm处纯色散小于1.0ps/nm-km较好，小于0.5ps/nm-km更好，最好小于0.1ps/nm-km。根据本发明制造的光纤在1480nm至1625nm波段其色散斜率小于0.3ps/nm2-km较好，小于0.01ps/nm2-km更好，最好小于0.005ps/nm2-km。
本发明另一方面涉及一种由一族折射率分布形成的光纤，在1550nm工作窗口呈现很低的色散，也许更重要的是，呈现很低的色散斜率。该较佳族折射率分布可获得很多种色散幅度，同时，可获得极低的色散斜率。
从而，根据本发明的上述讨论，即通过在其长度方向改变直径，该折射率分布可制作很有用的色散受控光纤产品，结果是光纤色散斜率仍保持在很低等级。光纤预制件的折射率分布选择成，当光纤预制件拉制成这种沿长度方向有不同直径的光纤时，所得到的光纤，沿其纵向(即对应于不同直径区)，在1550nm工作窗口，最好在约1480nm和1625nm间的工作窗口，其色散在负色散区和正色散区间变化。该族分布可获得很多种色散幅度，同时呈现较低色散斜率，因而该族分布尤其适用于制作沿长度方向直径变交，从而色散特性交变的光纤。根据本发明制作的这种光纤，在1550nm工作窗口有很多种正、负色散值，且沿光纤整个长度纯色散仍保持相对较低。同样，色散斜率可保持在低的值，即在1480nm至1625nm波长范围，小于0.03ps/nm2-km，更好的是小于0.01ps/nm2-km，最好小于0.005ps/nm2-km。用该较佳分布族获得最佳低斜率特性，除上面讨论的折射率对半径关系外，上掺杂环段与中心线上掺杂段折射率增量百分比之比在约0.6至0.9间较好。
此外，该独特的较佳族折射率分布，对用于制造沿其长度具有单一直径、色散和色散斜率特性的较传统的光纤，也是有价值的。例如，已制得光纤，沿光纤轴长方向有均匀折射率分布(及均匀纤芯和包层直径)，且在1480nm至1625nm波长范围，局部色散大于1.0ps/nm2-km，色散斜率小于0.03ps/nm2-km，更好的是小于0.01ps/nm2-km，最好小于0.005ps/nm2-km。这种特性特别适用于波分复用应用。另外，为了以该族折射率获得最佳低斜率特性，除上面讨论的折射率对半径关系外，上掺杂环段对中心线上掺杂段的折射率增量百分比之比位于约0.4至1.1间，位于约0.6至0.9间更好。
本发明的其它特点和优点将在下文详细叙述，从下文(包括说明书、 书和附图)叙述中，或通过实施本发明，这些特点和优点对本领域技术人员将是显而易见的。
根据本发明的另一方面，提供的含折射率分布的光纤包括上掺杂中心线区、围绕所述中心线区的下掺杂壕区、和围绕所述壕区的上掺杂环区，选择折射率分布和上述区域的半径，提供一种光纤，其有效面积大于约35μm2，在1480nm至1625nm波长范围色散斜率小于0.03ps/nm2-km。
应理解，上述一般说明和下述详细说明均仅是本发明的示范，只是试图提供理解要求保护的本发明本质和特征的概述或框架。附图提供对本发明的进一步理解，因而编入这些附图并构成本说明书的一部分。附图说明本发明的各种实施例，并与说明书一起，用于说明本发明的原理和工作。
附图说明
图1是根据本发明、用于制作沿其长度色散特性在负和正间变化的光纤的第1折射率分布的说明图。
图2是根据本发明、可用于制作沿其长度方向色散特性变化的光纤的第2折射率分布的说明图。
图3是根据本发明、可用于制作沿其长度方向色散特性变化的光纤的第3折射率分布的说明图，该折射率分布用于沿长度有单一直径和色散特性的光纤时也很有用。
较佳实施例的详细说明
在本发明的较佳实施例中，制作玻璃光纤预制件，其具有的折射率分布足以使得，当它拉制成在长度方向有不同直径的光纤时，所得光纤沿其纵长(即对应于不同直径区)，在1550nm工作窗口，最好是1480nm与1625nm间的工作窗口，色散在负色散区和正色散区间变化，色散斜率也在负色散斜率区的正色散斜率区间变化。
这种纤芯折射率分布示于图1和图2。在两图中，包层折射率相应于Y轴0。示于图1和图2的分布呈现上掺杂中心线区，该区由壕区和下掺杂环区围绕。中心线区和环区间的壕区最好对于包层下掺杂。
示于图1和图2的分布包含相对于包层的增量百分比(增量＝(n1 2-n2 2)/2n1 2)在约+4至1.1间的中央纤芯区和围绕该中央纤芯区的压低的壕芯区。后者最好相对于包层在-0.15增量百分比或更低(但最好不低于-0.6增量百分比)范围，其中增量＝(n1 2-n2 2)/2n1 2。可应用任选的上掺杂环。在某些使用上掺杂环的较佳实施例中，环呈现的增量百分比在+0.10至0.8间。在图1所示实施例中，中央纤芯增量百分比为约+0.85，压低的壕区为0.4增量百分比，用绕压低壕区的环区增量百分比约0.4。
从光纤中心线至折射率分布与X轴外延交点测量这三段半径，X轴等于包层折射率。在图1～图3所示实施例中，包层是二氧化硅，在图1～图3中，从中心线至中央段折射率分布与X轴交点测量中央段外半径，从中央线至壕段折射率分布与X轴交点测量壕段半径，从中央线至环区折射率分布相对平直部分外侧(最靠近包层的环最外区域的尾区不认为是环区的一部分)与X轴交点，测量环区半径。折射率分布最好选择成，设第1中心线上掺杂段半径为“a”，壕段半径为“b”，则b/a在约1.5至3.0间较好，在约2至2.5间更好。或设任选环的外半径为“c”，则c/a在约2.5至3.2之间较好。
图1和图2所示分布符合这些半径限制且也包含增量百分比在约+0.7至1.0之间的中央纤芯区、增量百分比在-0.25至-0.5之间的压低壕芯区和围绕压低壕区且增量百分比在约+0.2至0.8之间的环区。
这种折射率分布可用任一已有技术制作，最好用化学汽相沉积技术，例如外汽相沉积(OVD)工艺、汽相轴向沉积(VAD)工艺或内汽相沉积(MCVD)工节，进行制作。常规渗杂材料可用于石英渗杂，例如锗可用于上渗杂，而氟可用于下渗杂。
在制作具有期望纤芯折射率分布的预制件后，从该预制件拉制沿长度有不同直径的光纤。这意味着，这些交变部分间的直径差足以产生沿光纤长度的不同特性。例如，不同直径可相差大于3微米，更好的是大于5微米。
图1所示纤芯分布的色散特性对纤芯直径十分敏感。通常这认为是不好的属性，因为光纤制造通常愿意要宽的纤芯直径容限，以便于控制制造过程以得到较高的产量，通过应用本发明的方法，我们发现，图1所示分布的敏感性可用于通过简单地把预制棒坯件拉制成不同外侧光纤直径而获得色散控制。
表I中所示为根据本发明从具有图1所示折射率的光纤预制件拉制的光纤在1550nm的色散特性。图1分布对于纤芯以不同直径控制时与色散和色散斜率两者基本匀称匹配方面是显著的。表1说明拉制具有图1所示折射率分布光纤时直径115微米、125微米、135微米所获得的色散特性。
                                  表1
  光纤外径   1550处色散     斜率   零色散波长
    115     -7.08     -.03     1315
    125     +1.87     +.001
    135     +9.3     +.025     1179
通过把具有图1所示折射率的光纤预制件拉制成其外径在115微米和约133.5微米间变化的光纤，可获得在光纤长度上具有很低斜率的近似零的纯色散。表II表示如上所述交替拉制的光纤，即拉制成每500米其外径在115微米和133.5微米间变化(即交替相邻部分直径差大于10微米)的光纤的色散特性。自然，各段长度不必等长以最佳补偿各分布的色散，反而这些长度可根据光纤期望的色散特性变化。因为光纤控制成具有变化的外径，从而光纤的物理纤芯也类似有变化的直径。所得光纤在1480nm至1625nm波长范围的纯总色散是-0.17ps/nm-km，斜率是约-0.00158ps/nm2-km。也重要的事实是，所有外径情况中的零色散波长都在1500nm至1700nm范围外。表II所示光纤也呈现约25.5微米的模场直径和约1440.68的零色散波长。
                                    表II
  波长(nm)   总色散-14km
    1500     -0.09362
    1505     -0.10151
    1510     -0.10941
    1515     -0.11730
    1520     -0.12519
    1525     -0.13308
    1530     -0.14097
    1535     -0.14886
    1540     -0.15675
    1545     -0.16465
    1550     -0.17254
    1555     -0.18043
    1560     -0.18832
    1565     -0.19621
    1570     -0.20410
    1575     -0.21199
    1580     -0.21988
    1585     -0.22778
    1590     -0.23567
    1595     -0.24356
    1600     -0.25145
虽然以这种方式制成光纤的缺点是该光纤不是均匀125微米外径，优点是由于用简单的制造技术制造，可以比其它单个色散受控光纤低得多的成本提供该光纤。
图3表示一种较佳折射率分布，可根据本发明用于形成其色散沿光纤纵长在1550nm工作窗口在正和负间变化的光纤。图3实施例所示的该族折射率分布，特别适用于生产在1550nm工作窗口或1550nm具有正和负色散间交变的各种色散幅度的低色散斜率光纤。例如，可选择折射率对半径的关系，使通过用上述方法，沿光纤长度以不同直径拉制光纤，可获得在正色散和负色散间交变的各种色散幅度，而仍保持低色散和色散斜率。从而使其色散在幅值为1.5和20ps/nm-km之间的相对匹配正负色散值间变化的光纤的构成，仍在光纤长度上保持很低的纯色散。例如，可选择折射率分布使产生的光纤，在1550nm沿其长度在约+5.0和-5.0ps/nm-km段间变化，纯总色散小于1.0ps/nm-km，较好的是小于0.5/nm-km，更好的是小于0.1ps/nm-km，光纤的色散斜率在1480nm至1625nm波长范围总小于0.03ps/nm2-km，较好的是小于0.01ps/nm2-km，更好的是小于0.005ps/nm2-km。可使该色散斜率在正和负色散斜率区间变化，或者，沿光纤的整个长度完全是正或负。
这里叙述的折射率分布，尤其是参照图3叙述的分布族，也有助于形成相对一致的色散和色散斜率特性。该族折射率分布可用于提供在1550工作窗口的宽范围幅值的正或负色数值(取决于期望色散值)，而仍保持相对低的色散斜率。
该分布具有上渗杂中心线段，具有的对于包层折射率最大增量较好为约4％至1.0％之间，更好的增益百分比是约0.6至0.95之间(相当于包层折射率，在一较佳实施例中，该包层是不渗杂的石英)。上掺杂的中心线段由下渗杂环段围绕，后者又由上渗杂环段围绕。在中心线上渗杂段和上渗杂环段之间，下渗杂壕区较好是增量在约-0.1％至-0.4％之间，更好的是在约-0.15％至-0.3％之间。位于壕区外侧的环区其增量在约0.2％至1.0％之间较好，在约0.4％至0.8％之间更好。
上渗杂环最好其高度近似于纤芯中央段的高度，以获得最佳色散斜率特性。这样，为获得最佳斜率特性，上渗杂环段与中心线上渗杂段折射率增量百分比之比值在约0.6至1.1之间，较好是在约0.7至1.0之间。
这3段的外半径(测至与X轴外延交点，X轴等于包层折射率)最好选择成，如果设第1中心线上掺杂段外侧半径为a、壕区外侧半径为b、环区外侧半径为c，则b/a位于约1.8至2.7间，较好的是在约2至2.5之间；c/a位于约2.8至3.7间，较好的是约3至3.5之间。例如，在图3所示实施例中，b/a是约2.36，c/a是约3.43。
以图3所示折射率分布制成光纤预制件并以变化的拉制速率控制，从而制得光纤的外径在约118微米与132微米之间。所得光纤段在1550nm呈现表III所示色散特性。
                                表III
  1550处色散     色散斜率     有效面积
    -7.1801     -0.0011     48.5717
    -1.5082     -0.0019     45.9591
    3.4363     0.0061     44.8433
    7.4290     0.0164     44.6727
注意，即使1550nm处的色散可选择成无论何处在约-7至+7ps/nm-km间变化(例如通过改变光纤直径)，但色散斜率总是小于0.02ps/nm2-km。从而，使用图3所示折射率分布可使光纤构成在1550nm波段范围即在约1480nm至1625nm间，具有极低色散斜率。
还要注意，在任何时候，所得光纤的有效面积大于44。使用图3所示折射率分布，易于得到有效面积大于30μm2，较好的是大于35μm2，最好大于40μm2。
因为该族折射率分布可产生在1550nm波长处或1550nm工作窗口具有各种正、负色散幅值的光纤，此外，可在1550工作窗口保持大的有效面积(例如大于40μm2)和低色散斜率的期望组合，因而相信该折射率分布作为一种沿其长度具有单一色散和色散斜率特性(而不是控制成可变直径)的光纤，是非常有用的。这些分布可用作用于所有DWM传输应用，包含弧立、NRZ和RZ应用的光纤。
本领域技术人员清楚，不脱离本发明的精神和范围，可对本发明作出各种修改和改变。从而，本发明试图复盖落入所附权利要求及其等同范围中的本发明的修改和变换。

Claims (7)

1.一种光纤，其特征在于包含一折射率分布，该分布包括上掺杂中心线区、围绕所述中心线区的下渗杂壕区、围绕所述壕区的上渗杂环区；选择折射率分布和所述区的半径以提供一种光纤，其在1480nm至1625nm波长范围的有效面积大于约35μm2，色散斜率小于0.03ps/nm2-km。
2.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，还包括在1550nm处的色散小于1.0ps/nm-km。
3.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，选择所述折射率分布和半径，使光纤的有效面积大于约40μm2，1550nm处所述光纤长度上的纯色散小于0.5ps/nm-km，在1480nm至1625nm波长范围的色散斜率小于0.01ps/nm2-km。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，选择所述预制件的折射率，使所述中央纤芯区包含对于所述包层的折射率增量在0.6％至0.95％之间；
所述压低壕纤芯区包含对于包层的折射率增量在约-0.1％至-0.4％范围中；
所述环区包含相对于所述包层折射率增量在约0.2％至0.8％范围中。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，选择所述预制件，使所述纤芯包含的b/a比率在约1.8至2.7之间，其中b是壕区外半径，a是中央上渗杂区外半径。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，上掺杂环段与中心线上渗杂段增量折射率百分比的比值在约0.6与1.1之间。
7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，上渗杂环段与中心线上渗杂段增量折射率百分比之比值为约0.7至1.0之间。
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