CN1417602A - 光纤、光纤预制棒及其制造方法 - Google Patents

光纤、光纤预制棒及其制造方法 Download PDF

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Abstract

一种光纤和光纤预制棒，通过控制其芯体中的折射率的变化值，使其光学特性，诸如波长色散，接近于设计值，由此实现高质量和高速度的传输，以及相应的制造方法。光纤或光纤预制棒是以这样一种方式制造的，使得在芯体的相对于包层的相对折射率为其最大值的80％或更高的区域中的每个位置处，相对折射率沿包层的直径的位置的变化率绝对值为0.5或更小，其中沿包层直径的位置是由相对于包层直径的百分数来定义的。

Description

光纤、光纤预制棒及其制造方法
                      背景技术
发明领域
本发明涉及光纤、光纤预制棒(optical fiber preform)(即：基础材料)及其制造方法，尤其是涉及一种控制其折射率分布来进行高质量和高速度的传输的光纤，和一种相应的光纤预制棒，以及这种光纤和光纤预制棒的制造方法。
相关技术的描述
在光纤通信领域，主要设计其折射率分布呈矩形或三角形的光纤。图5和图6中的图表显示了这种折射率分布的设计值的例子。在每幅图中，横轴表示光纤径向的位置，其中规定包层(cladding)的外径为100％，图中用百分比显示了从包层中心(0％)到外边缘(50％)的位置(即，图中省略了左半部分(0-50％))。另一方面，纵轴表示相对于包层折射率的相对折射率。
在这些例子中，折射率的分布值是关于光纤芯体中心对称的。因此，在图5和图6中，每幅图表的左端对应于芯体的中心，图表的右端对应于包层的外边缘。因此，图5显示了一个呈矩形的光纤折射率分布，其中，在芯体中，折射率是恒定的，图6显示了一个呈三角形的光纤折射率分布，其中，在芯体的中心处折射率最大，然后在芯体中以一个固定的速率减小。具有上述折射率分布的光纤是普遍使用的，因为可以很容易根据其折射率分布来估算这些光纤的光学特性。
也就是说，光纤有一个具有较高折射率的芯体，和一个具有较低折射率的包层。为了获得一个这样的折射率分布，光纤的芯体和包层的主要成分采用了高纯度的硅玻璃(SiO2)，在整个材料的一部分或全部中掺入一种掺杂物，来提高折射率，或掺入一种掺杂物，来降低其折射率。
用于提高折射率的掺杂物可以是GeO2、TiO2、SnO2、ZrO2、Nb2O5、Ta2O5、Yb2O3、La2O3、Al2O3等等。用于降低折射率的掺杂物可以B2O3，F等等。此外，为了改善玻璃(即SiO2)的光学性能，如软化点、热膨胀系数、抗化学性、转变点、色散损失，在SiO2中掺入一种上述的杂质或P2O5，如果需要，进一步掺入另外一种已知的杂质。作为关于光纤成分的更具体的例子，芯体由其中掺有GeO2的SiO2制成，包层由SiO2制成。
但是，实际制造的光纤的折射率分布往往具有与图5和图6中的设计值不同的值。特别是，当采用一种VAD(汽相轴向沉积)方法来制造光纤时，对应于芯体的部分是在一个单独工序中产生的；这样，制备出与设计值不同的折射率分布的光纤的可能性较高。
此外，在常规的制造光纤的处理中(包括一个热处理)，仅加在芯体区域的用于控制折射率的掺杂物的浓度难免会不均匀，并且这样的添加物(即掺杂物)也不可避免地朝着包层区域扩散。
因此，在芯体和包层间的边缘附近往往会产生添加物浓度的不规则。这种添加物浓度的不规则产生一个折射率急剧变化的部分(此后称之为“折射率急剧变化部分”)。
在折射率分布曲线的常规设计中，都没有考虑这种折射率急剧变化部分。但是，在实际制造的光纤中，这种折射率急剧变化影响光纤的光学性能，特别是波长色散，使波长色散具有一个与设计中的预期值不同的值。这样的一个波长色散的误差在光纤传输中引起波形畸变，由此影响了高质量和高速度的传输。
另一方面，当采用VAD方法制造光纤时，(i)测量一个制造的光纤预制棒的折射率分布，并根据该测量值确定光纤预制棒的拉制量，(ii)拉制之后，再次测量光纤预制棒的折射率分布，并根据该测量值确定外部沉积的数量。(iii)在外部附着之后，再次测量光纤预制棒的折射率分布来进行确认，和(iv)拉制前面制备的光纤预制棒来制备光纤。
这里，如果光纤预制棒包括一个如上所述的折射率急剧变化部分，则不能精确地进行上述的折射率分布的测量，这样，很难生产出具有预期特性的光纤。
发明内容
鉴于上述情况，本发明的一个目的是提供(i)一种光纤，通过控制芯体中的折射率变化数量，使其光学特性，诸如波长色散，接近于设计值，由此实现高质量和高速度的传输，(ii)一个相应的光纤预制棒，和(iii)相应的制造方法。
因此，本发明提供了一种制造具有一个芯体和一个包层的光纤预制棒的方法，其包括如下的步骤：
以某种方法控制折射率的分布，使得在芯体的相对于包层的相对折射率为折射率最大值的80％或更高区域中的每个位置处，相对折射率沿包层的直径的变化率的绝对值为0.5或更小，其中沿包层直径的位置是由相对于直径的百分数来定义的。
作为典型的例子，当制作一个作为光纤预制棒前身的多孔玻璃预制坯时，控制折射率分布的步骤，控制折射率分布的步骤包括(i)控制将芯体材料喷射到沉积有材料的靶上的燃烧器的相对位置，或(ii)控制由喷射芯体材料的燃烧器和沉积有材料的靶位置所形成的角度。
本发明还提供一种由上述方法制造的光纤预制棒。
本发明还提供了一种制作光纤的方法，包括如下的步骤：
拉制如上所述的制成的光纤预制棒，来制作光纤，其中在相对于包层的芯体的相对折射率为相对折射率最大值的80％或更高区域中的每个位置处，相对折射率沿包层的直径的绝对值变化率为0.5或更小，其中沿包层直径的位置是由相对于直径的百分数来定义的。
本发明还提供了一种由上述的方法所制造的光纤。
依照本发明，可以制造一种光纤预制棒和一种光纤，其中在相对于包层的芯体的相对折射率为相对折射率最大值的80％或更高区域中的每个位置处，相对折射率沿包层的直径的绝对值变化率为0.5或更小。因此，诸如波长色散的光学特性可以接近于设计值，由此利用光纤实现高质量和高速度的传输。
附图说明
图1示出一个关于本发明的折射率分布的例子。
图2A和2B示出一个光纤相对折射率变化的例子。
图3A和3B示出另一个光纤相对折射率变化的例子。
图4A示出，相对于折射率急剧变化部分的相对折射率的梯度，在1300nm处的波长色散，该部分最靠近相对折射率为最大相对折射率的80％或更高的区域中的包层。图4B所示的是相对于折射率急剧变化部分的相对折射率梯度，光纤预制棒在1300nm处的波长色散的估计值和由该光纤预制棒制成的光纤的波长色散的测量值之间的差别，该部分最靠近相对折射率为最大相对折射率的80％或更高的区域中的包层。
图5显示的是一个光纤的折射率分布设计值的例子。
图6显示的是另一个光纤的折射率分布设计值的例子。
图7图示了一个依照本发明的生产用于制造光纤的多孔玻璃预制棒的系统的例子。
优选实施方案
下面，将结合附图来说明依照本发明的实施方案。
图1示出一个涉及本发明的折射率分布的例子。在图1中，参考数字1表示一个芯体部分，参考数字2表示一个包层部分。参考符号1a表示芯体中心的折射率峰值，参考符号1b表示在芯体和包层间的边界处产生的折射率峰值。该例中的光纤是以这样一种方式制成的，使芯体中的折射率的变化率处在一个预定的范围之内。
更确切地说，芯体中的折射率的变化是通过沿包层直径上的每个位置的相对折射率的变化来表示的，在相对折射率为最大值(即最大相对折射率)的80％或更高的区域中的每个位置，相对折射率关于包层直径的变化率的绝对值为0.5或更小。
此处，相对折射率的变化率(％)对应于在光纤的径向方向上每百分之一的包层直径(100％)的相对折射率的变化量。之所以规定在相对折射率为最大相对折射率的80％或更高的区域中的折射率变化率，是因为在大多数情况下，上述的折射率急剧变化部分都出现在这样的一个区域中。
为了测量光纤的折射率分布，采用了一个诸如由约克技术协会(York Technology Association)生产的“折射率剖面测量仪(Refractive Index Profiler)S14”或EXFO生产的光纤分析仪的测量系统。
图2A和2B显示的是一个光纤的特性，其折射率分布不包含折射率急剧变化的部分。
在图2A中，横轴表示沿包层直径的位置，由从中心(0％)到包层的外边缘(50％)的百分数表示，纵轴表示相对于包层的折射率的相对折射率(％)。在该图表中，参考符号1b代表芯体和包层之间的相对折射率的一个峰值，由参考符号A表示的曲线显示的是相对于包层(以此为标准)的相对折射率，由参考符号B表示的曲线显示的是关于相对折射率为最大值的80％的标志线。
图2B显示的是图2A的放大图；即，该图显示的是芯体部分的光学特性(左端也是对应于芯体的中心)。在图2B中，曲线A和直线B与图2A中的含义相同，曲线C表示的是计算出的相对折射率(由曲线A表示的)关于沿直径位置的一阶微分值，即，曲线C表示的是相对折射率的梯度，在数值上表示折射率的变化程度。
在图2B中，折射率峰值1b的变化是缓慢的，折射率的分布显示了一个很小的变化。因此，一阶微分值通常很小。结果满足上述的条件；即，在相对折射率为光纤的最大相对折射率的80％或更高的区域中的每个位置，相对折射率关于沿包层直径(100％)轴向位置(％)的变化率的绝对值为0.5或更小。
图3A和3B中显示了依照本发明的关于折射率分布的相类似的例子，图中显示了包含折射率急剧变化部分的光纤折射率的变化。
在图3A和3B中，横轴和纵轴以及每个参考符号的含义与图2A和2B中相同。如图3B所示，折射率峰值1b的变化是很陡的；这样，在该折射率急剧变化部分，一阶微分的绝对值超过1.0，与图2B中的情况相比，是较大的。
下面将解释为什么要确定如上所述的相对折射率的梯度绝对值。
图4A显示的是最靠近相对折射率为最大值的80％或更高的包层的折射率急剧变化部分的光学特性。其中横轴表示相对折射率的梯度，纵轴表示1300nm处的波长色散。在图4A中，波长色散的设计值为1.33ps/(nm.km)。当横轴上波长色散接近于1.33ps/(nm.km)时，意味着可以实现一个具有对应于设计值的波长色散的光纤。然而，随着波长色散相对于该设计值的减小，不可避免地产生具有较大波长色散误差的光纤。
在图4A中，在梯度为“0”的附近，没有表现出折射率的急剧变化，折射率是不变的，这是一个理想的状态。如果可以制造一个具有对应于设计值的折射率分布的光纤，那么该光纤则具有对应于设计值的波长色散。为了实现可用于高质量和高速度传输的光纤，波长色散应该接近于设计值的95％或更高。根据图4A，在相对折射率为最大值的80％或更高的区域中，相对折射率的变化率，即相对折射率梯度的绝对值最好为0.5或更小。
在本实施方案中，光纤是以这样一种方式制造的，使得在每点都具有一个最大相对折射率的80％或更高的相对折射率(芯体1相对于包层2)的区域中，相对折射率关于沿包层直径(100％)轴向位置(％)的变化率的绝对值为0.5或更小。从而，可以实现其光学特性，诸如波长色散，接近于设计值的光纤，由此实现高质量和高速度的传输。
下面将解释作为本发明的一个实施方案的光纤预制棒。
在图4B中，纵轴表示(i)光纤预制棒在1300nm处的波长色散的估算值，和(ii)由该光纤预制棒制成的光纤的实测波长色散之间的差值，横轴表示的是最靠近相对折射率为最大值的80％或更高的包层的折射率急剧变化部分的相对折射率梯度。
相对折射率的变化率对应于在光纤预制棒的径向方向上，每百分之一的包层直径(100％)的相对折射率的变化量。此处，光纤预制棒的折射率分布是在40μm或更小的测量间距下测量的。
在图4B中，在梯度“0”附近，没有折射率急剧变化部分，折射率不发生变化，这是一个理想状态。如果可以制造一个具有对应于设计值的折射率分布的光纤，那么可以通过使用一个已知的拉制系统拉制上述的光纤预制棒来生产出一个波长色散对应于设计值的光纤。为了实现可用于高质量和高速度传输的光纤，波长色散应该接近于设计值的95％或更高。根据图4B，在相对折射率为最大值的80％或更高的区域中，相对折射率的变化率，即梯度的绝对值最好为0.5或更小。
下面将参考图7来解释一个用于制造上述光纤预制棒和光纤的实施方案。
在图7中，参考数字21表示一个反应容器，参考数字22表示一个抽气管，参考数字23表示一个棒状的靶，参考数字24表示一个靶23的旋转提升机构，参考数字25和26表示用于合成玻璃微粒的燃烧器，参考数字27和28表示玻璃原料提供系统，分别具有质量流量控制器29和30。
正如所知，在反应容器21上方设置有旋转提升机构24，以便将由机构24垂直固定的靶23插入反应容器21和从反应容器21中抽出。
燃烧器25和26具有一个已知的结构，其中，在一个同心圆的形状上排列多个供气通道。供气通道可以提供作为主要材料的气体(SiCl4)、作为附加材料的气体(即作为掺杂材料的气体，如GeCl4)、燃料气体(H2)、辅助燃料气体(O2)、缓冲气体(Ar)等等。除了质量流量控制器29和30之外，每个玻璃原料提供系统27和28都包含一个液化材料箱、一个载体气体供应箱、一个用于产生原料气体的起泡容器，等等。
如图7所示，上述的燃烧器25和26是通过容器的壁表面连接在反应容器21的侧面和最底部之间。燃烧器25和26的头部是朝着靶23的下端，它是通过旋转提升机构来放下的。
图7显示了用于执行VAD方法的系统，以便产生一个多孔玻璃预制棒10，它是光纤预制棒的前身，其中多孔玻璃预制棒10包括一个用于芯体的多孔玻璃层11和一个用于包层的多孔玻璃层12。下面将解释生产多孔玻璃预制棒10的方法。
首先，通过旋转提升机构24单方向旋转靶23，将其放下并插入到反应容器21中。上述的燃烧器25和26被分别分配给芯体和包层，向对应于芯体燃烧器25的通道提供SiCl4、GeCl4、H2、O2和Ar，向对应于包层燃烧器26的通道提供SiCl4、H2、O2和Ar。这些燃烧器25和26要保持燃烧状态。
在燃烧状态下的每个燃烧器中，发生一个熟知的“火焰水解反应”，由此产生烟灰状的玻璃微粒。从每个燃烧器的头部将这些玻璃微粒喷向靶23的下端，以便将这些微粒沉积在该下端。
于是，在靶23的下端，产生多孔玻璃预制棒10，它包括用于芯体的多孔玻璃层11和用于包层的玻璃层12，其中，这些层是集成在一个同心圆的形状中。当多孔玻璃预制棒10沿着靶的方向生长时，通过旋转提升机构24提升靶23。
除了针对包层采用单一的燃烧器26之外，还可以为其配置多个燃烧器。
在本实施方案中，为了生产多孔玻璃预制棒10，可执行下面的一个或两个方法：(i)相对于靶23位置，沿垂直、纵向和横向方向相对移动芯体燃烧器的位置，和(ii)控制和改变由燃烧器25(针对芯体)和靶23形成的角度。根据这些方法，可以获得一个光纤预制棒，其中，在每个位置都具有一个最大相对折射率的80％或更高的相对折射率的区域中，相对折射率相对于沿包层直径(100％)轴向位置的变化率的绝对值为0.5或更小。
也就是说，当采用一个已知的电炉将多孔玻璃预制棒10的多孔玻璃层11和12制成透明的时，可以得到具有芯体和包层的透明玻璃层的光纤预制棒。
可以使用一个熟知的拉制系统，通过拉制上述生产的光纤预制棒来得到光纤，在拉制处理之后，立即为光纤涂上一次涂层、二次涂层等等，由此产生一个具有涂层的光纤。这一涂层处理是与上述的拉制处理同时进行的。
也可以采用下面的变化的形式来生产光纤预制棒。
在第一种变更形式中，首先，采用图7所示的VAD方法仅生产芯体的多孔玻璃层11，并采用一个用于生产透明玻璃的系统对该层进行纯化，以便制成透明的芯体玻璃层。在下一个步骤中，利用一个已知的OVD(外部汽相沉积)方法，在芯体的透明玻璃层周围形成用于包层的多孔玻璃层12，采用一个用于生产透明玻璃的装置对该层进行纯化，以便制成透明的包层玻璃层。
在第二种变更形式中，首先，利用图7所示的VAD方法形成用于芯体的多孔玻璃层11和用于包层的玻璃层12(与多孔玻璃层具有一个特定的比例)。采用一个用于生产透明玻璃的系统对这些玻璃层进行纯化，以便制成透明的芯体玻璃层和包层玻璃层。在下面的处理中，采用OVD方法，在包层透明玻璃层周围形成一个附加的包层玻璃层12，因为仅有先前形成的包层玻璃层是不够的。然后采用一个用于生产透明玻璃的系统对该附加层12进行纯化，以便制成透明的包层玻璃层。
在每种变更形式中，都可以制备满足依照本发明的上述条件(有关折射率分布)的光纤预制棒。

Claims (6)

1.一种具有一个芯体和一个包层的光纤预制棒的制造方法，所述方法包括以下步骤：
以某种方式控制折射率分布，使得在相对于包层的芯体的相对折射率为相对折射率最大值的80％或更高的区域中的每一个位置处，相对折射率关于沿包层的直径的位置的变化率绝对值为0.5或更小，其中沿包层直径的位置是由相对于直径的百分数来定义的。
2.一种依照权利要求1的方法，其中：
当制备作为光纤预制棒前身的多孔玻璃预制棒时，实施控制折射率分布的步骤；和
控制折射率的步骤包括控制喷射芯体材料的燃烧器相对于其上沉积有材料的靶的位置。
3.一种依照权利要求1的方法，其中：
当制备作为光纤预制棒的前身的多孔玻璃预制棒时，实施控制折射率分布的步骤；和
控制折射率的步骤包括控制喷射芯体材料的燃烧器与其上沉积有材料的靶所形成的角度。
4.一种光纤预制棒，所述光纤预制棒利用依照权利要求1的方法制造。
5.一种制造光纤的方法，所述包括以下步骤：
拉制依照权利要求4的的光纤预制棒，以便制备光纤，其中，在具有相对于包层的芯体的相对折射率为相对折射率最大值的80％或更高的区域中的每一个位置处，相对折射率关于沿包层直径(100％)的位置的变化率的绝对值为0.5或更小，其中沿包层直径的位置是由相对于直径的百分数来定义的。
6.一种光纤，所述光纤利用依照权利要求5的方法制造。
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