CN1629664A - 对掺氟光纤预制管进行等离子覆层的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及对掺氟光纤预制管进行等离子覆层的方法。它属于提供通过在初级预制件周围通过外部等离子覆层而得到的光纤最终预制件的领域。该方法包括从初级预制件开始、在初级预制件周围通过外部等离子沉积二氧化硅细粒得到最终预制件，该初级预制件的外周围层由掺氟二氧化硅管构层。这种构造过程包括用掺氟合成二氧化硅细粒形成第一覆层子层，然后用天然二氧化硅细粒进行第二覆层步骤。同时，本发明还披露了得到的光纤和相联的光纤预制件。

Description

对掺氟光纤预制管进行等离子覆层的方法
技术领域
本发明涉及光纤、光纤预制件以及制造通过在初级预制件周围用外部等离子沉积得到的最终光纤预制件的方法。
背景技术
传统的光纤如单模光纤(SMF)具有从光纤中心开始随半径变化的折射率剖面分布，典型地如图1所示。折射率为n1的纤芯1被折射率为n2的包层2包围。纤芯1的折射率n1高于包层2的折射率n2，从而光在光纤内传播。由于包层2是未掺杂的二氧化硅，因此纤芯1应当是掺有掺杂物的二氧化硅，该掺杂物可以增大二氧化硅的折射率。习惯地，这种掺杂物是锗。由于随着锗含量百分比的增加，衰减会恶化，因此图1所示光纤的衰减通常特别高。
为了改善光纤的衰减，已知的是设计降低光纤纤芯1内锗的含量。然而，由于纤芯和包层折射率的差取决于光纤期望的传播性质，因此就需要降低包层的折射率，从而包层(cladding)应当是掺有减小折射率的掺杂物的二氧化硅。这种掺杂物习惯上是氟。为了确保光纤不会对微弯曲过于敏感因而不会显示出太高的弯曲损耗，这种掺氟二氧化硅包层(其折射率低于二氧化硅)需要达到临界半径，该临界半径的值取决于纤芯的半径。考虑到生产预制件的成本(cast)，超过该临界半径之外的包层仍旧是未掺杂的二氧化硅，这是由于在预制件内提供掺杂二氧化硅层比提供未掺杂二氧化硅层更加昂贵。得到的光纤示出在图2中。这种光纤包括半径为“a”的掺锗二氧化硅纤芯11，其折射率n1高于二氧化硅的折射率，包围纤芯11且半径为rc的掺氟二氧化硅内包层13，其折射率n3低于二氧化硅的折射率，以及包围内包层13且折射率为n2的未掺杂二氧化硅外包层12。纤芯11周围的折射率相对于外包层12所降低的量“h”出现在内包层13埋入外包层12的位置处。假定半径rc至少等于临界半径，则这种得到的光纤不会显示出微弯曲损耗的任何恶化。举一个标准光纤的例子，其纤芯11是均匀分段的；无论是何种光纤，例如具有几个纤芯段(也可以是埋入的)的补偿色散型光纤，也都可以设计。
内包层13用掺氟二氧化硅构成。
在例如由日本专利JP55100233的摘要所披露的第一种现有技术中，这种内包层13可以由包围着掺杂纤芯的初级预制件的掺氟二氧化硅管构成。要么是外管半径与外芯半径的比相对较高从而初级预制件非常昂贵，要么是外管半径与外芯半径的比相当小从而光纤对微弯曲过于敏感，光纤都显示出过高的微弯曲损耗，其中该光纤是在借助于装套管操作(sleeving operation)添加低质量二氧化硅管之后拉制最终预制件而得到。JP55100233涉及一种制造预制件的方法，其中用作纤芯材料的掺杂石英玻璃棒插在高纯度的合成石英玻璃管内，通过用外部的加热源加热至高温使其固化，从而得到不完全的预制棒(semi-preform rod)。由此得到的预制件进一步地插进低纯度的石英玻璃管如天然石英玻璃管内，并用外部的加热源加热至高温进行固化，从而制造出预制棒。但该日本文献没有涉及外部等离子包覆形成(buildup)的方法。
在第二种现有技术中，涉及用化学气相沉积(CVD)(包括MCVD、FCVD沉积以及相同类型的任何沉积)得到的初级预制棒，内包层13可以由掺氟二氧化硅管构成，在该掺氟二氧化硅管内已经沉积有CVD类型的光学包层，外包层12由天然硅细粒构成，该天然硅细粒的折射率略高于掺氟二氧化硅管的折射率。通常掺锗的纤芯借助于CVD类型沉积沉积在光学包层内部。然而，再一次地，类似于上面情形那样，要么是外管半径与外芯半径的比相对较高从而初级预制件非常昂贵，要么是外管半径与外芯半径的比相当小从而光纤对微弯曲过于敏感，光纤都具有过高的微弯曲损耗，其中该光纤是在借助于装套管操作(sleeving operation)添加低质量二氧化硅管之后拉制最终预制件而得到。
在本发明中，内包层13的一部分(该部分设在掺氟二氧化硅管的外部而且位于其外表处)通过在掺氟二氧化硅内沉积合成细粒得到，从而很显然比用CVD或用相当大横截面的掺氟二氧化硅管来提供包层要便宜得多，因此可以提供与初级预制棒纤芯的外半径相比具有足够大外半径的内包层13，以得到对微弯曲相当敏感同时将制造成本(cast)保持在合理水平上的光纤。关于外包层12，通过用天然二氧化硅细粒沉积进行覆层(overcladding)来得到，因为采用掺氟合成二氧化硅细粒对于所完成的最终预制件来说过于昂贵。事实上，以两级操作对初级预制件进行覆层，首先采用掺氟的合成二氧化硅细粒，然后采用天然的二氧化硅细粒，这使得光纤同时具有低而良好的衰减以及对微弯曲的低敏感性，同时可以相对便宜地来制造。
US2002/0144521涉及一种制造光纤预制件的方法，该方法包括下面的步骤：
提供与掺杂的氯相比掺有足够氯和足够氟的二氧化硅衬底管，以得到比天然二氧化硅低的折射率；
在衬底管内部沉积内包层和光学纤芯；
塌陷(collapse)衬底管形成初级预制件；以及
在得到的初级预制件上沉积所述天然二氧化硅外包层。
这种外部沉积可以用各种不同的方式实施，例如等离子沉积，其中天然二氧化硅的细粒借助于重力从平行于初级预制件平移移动的送料管进行沉积，然后在约2300℃的温度下借助于等离子体进行熔合和玻璃化。
发明内容
本发明提供原始的最终预制件，得到该最终预制件的覆层方法，拉制所述最终预制件得到的光纤，以及采用由此得到的数根光纤的光缆。
因而，本发明提供一种外部等离子包层形成方法，其中最终光纤预制件通过用二氧化硅细粒或晶体覆层初级预制件来得到，初级预制件的外周围层由掺氟二氧化硅管构成，其特征在于所述外部等离子包层形成方法包括：在第一步骤中，用合成的掺氟二氧化硅细粒进行外部等离子覆层，然后在第二步骤中，用天然二氧化硅细粒进行覆层。
同时提供一种最终光纤预制件，包括初级预制件，该初级预制件的周围层由掺氟二氧化硅构成，和包围所述初级预制件的外部等离子沉积覆层层，
其特征在于所述沉积覆层层包括包围所述管、由掺氟合成二氧化硅细粒得到的第一覆层子层(sublayer)，和包围所述第一覆层子层、由天然二氧化硅细粒得到的第二覆层子层。
附图说明
从下面结合附图、借助于实施例给出的描述，可以更好地理解本发明，而且本发明其它的特征和优点会变得更加明显，在附图中：
图1是示出依照现有技术的一个光纤折射率剖面分布实施例的视图；
图2是示出对于依照现有技术和依照本发明的光纤，其一个折射率剖面分布实施例的视图；
图3是示出对于依照本发明的最终光纤预制件，其一个折射率剖面分布实施例的视图。
具体实施方式
图3示意性示出对于依照本发明的最终光纤预制件，其一个折射率剖面分布实施例的视图。在图3中，类似于图1和2，最终预制件或光纤的光轴用虚线ao表示。给出的半径I从最终预制件的中心开始。该最终光纤预制件从中心向外逐渐包括折射率为n1、半径为“a”的纤芯21，借助于CVD沉积法沉积而且掺锗；内包层；以及折射率为n2的外包层22，用天然的二氧化硅细粒借助于等离子二氧化硅沉积法沉积，而且未掺杂，该外包层在下面也称作第二覆层子层。该内包层从中心向外逐渐包括折射率为n3、半径为“b”的光学包层23，借助于CVD沉积法沉积而且掺氟；折射率为n4、半径为“c”的掺氟二氧化硅管24；以及用掺氟合成二氧化硅细粒借助于等离子二氧化硅沉积法沉积的层，该层在下面也称作折射率为n5且半径为“c1”的第一覆层子层。初级预制棒由纤芯21、光学包层23和管24构成。
这种等离子覆层沉积法在初级预制件上进行构造，从而借助于二氧化硅细粒沉积得到最终的预制件。初级预制件具有由管24构成的掺氟二氧化硅外周围层。这个周围层是初级预制件的最外层。初级预制件可以例如是借助于如VAD(气相轴向沉积)或OVD(外部气相沉积)并借助于用掺氟二氧化硅管进行装套管操作而得到的圆柱体。初级预制件优选借助于CVD类型的沉积在管24内用掺氟二氧化硅得到，类似于图3所示的情形。现在，该初级预制件从中心向外包括纤芯21，至少一部分掺有例如锗以提供比二氧化硅高的折射率，和掺氟二氧化硅的管24。这种等离子覆层沉积法在最初步骤中首先包括第一操作，用掺氟合成二氧化硅细粒进行覆层以得到第一覆层子层25，接下来，在第二覆层操作中，用未掺杂的天然二氧化硅细粒进行沉积以得到第二覆层子层22。不论该第一覆层子层还是第二覆层子层，都属于覆层，而且优选地构成覆层。通常，天然的二氧化硅细粒是未掺杂的，而且是一种廉价材料，以成本价提供的掺有少量掺杂物的天然二氧化硅细粒明显比合成二氧化硅细粒便宜，从而也可以用来提供第二覆层子层22。在本发明的覆层法中，使用两种类型的细粒：质量很好而且相对便宜的掺氟合成二氧化硅细粒，和更便宜但质量较差的天然二氧化硅细粒。所使用的天然细粒的成本价要比所使用的这种合成细粒的成本价便宜，从而可用于本发明。所使用的天然细粒的价格通常比使用的合成细粒的价格便宜数倍，从而使本发明极其有利。习惯上，天然二氧化硅细粒的价格至少是合成二氧化硅细粒特别是掺氟合成二氧化硅细粒的一半。优选地，第二覆层子层由掺氟合成二氧化硅细粒制成为达到临界的最终预制件半径，将各个覆层子层相互分开，术语“临界”指的是由这种最终预制件得到的光纤对微弯曲的灵敏度，同时，在这个临界半径外，第二覆层子层由天然二氧化硅细粒构造。很显然，第一覆层子层可以终止在这个临界半径之前或之后，尽管没有完全最优化，然而在得到的光纤对微弯曲的灵敏度和最终预制件与现有技术相比的成本价之间的平衡(tradeoff)仍然是有所改进的。当所述临界半径将第一覆层子层与第二覆层子层分开时，这种平衡的最优化就可以获得。最终预制件的临界半径对应于光在相应光纤内传播的区域与光未在相应光纤内传播的区域之间的边界。
优选地，为了使第一覆层子层25正好延伸直到微弯曲灵敏度的临界半径周围，第一覆层子层25的外直径应当比沉积纤芯21的外直径至少大五倍。有利的是，第一覆层子层25的外直径约比沉积纤芯21的外直径大六倍。回到图3，可以看出d/a的比约为6，而c/a的比大大小于6；然而在现有技术中，对于相同质量但成本价明显升高的包覆层，“d”的不存在导致c/a的比接近于6。
优选地，第一覆层子层25的径向厚度大于管24外半径的一半。这使得d-c的值大于c/2。若覆层子层25的厚度太小，则即使存在着质量/价格的平衡收益(tradeoff gain)，质量/价格的平衡收益也会保持相当小，因而没有太多价值。
优选地，沉积纤芯21掺有锗。但其它增大纤芯折射率的掺杂物也可以任意地使用。有利的是，整个沉积纤芯21是掺锗的，以便其折射率恒定地大于二氧化硅的折射率，类似于例如在最终预制件在拉制以后设计用来提供标准单模光纤的情形中那样。
光学包层23、管24和第一覆层子层25的折射率优选是彼此接近的，以便拉制预制件后得到的光纤的折射率剖面分布既不显示为环带也不显示为下沉(dip)，该环带或下沉都会恶化光纤的微弯曲性能。在图2中，环是向上的阶，而下沉是向下的阶。然而，与向上的阶相比，向下的阶并不严重。如图3所示，折射率n3、n4和n5并没有全部在同一水平上，因为粘度(viscosity)并不完全相同。在光纤拉制期间，折射率和粘度的稍微差别都会导致非平衡，从而得到的光纤的折射率剖面分布类似于图2所示的情形。最终预制件的部分23、24和25基本处于相同的水平，如同光纤的各个部分那样，若这些部分基本没有恶化光纤的微弯曲性能，则可以保持小的差别。
本发明也涉及通过拉制本发明的最终预制件得到的光纤。优选地，由光学包层23、管24和第一覆层子层25分别得到的光纤其折射率剖面分布的各个部分全部具有相同的折射率，其都低于二氧化硅的折射率。优选地，本发明所涉及的这种光纤是一种很少对微弯曲敏感而且具有很低衰减的光纤。
本发明还涉及一种光纤光缆，包括数根本发明的光纤。由于在这种光纤的折射率剖面分布中下沉特别是向上阶的不存在，因此在这些光纤内不会传播任何副振荡模(spurious mode)(模式寄生)。

Claims (15)

1.一种外部等离子包层形成方法，其中通过用二氧化硅细粒对初级预制件进行覆层得到最终的光纤预制件，所述初级预制件的周围层由掺氟的二氧化硅管构成，其特征在于所述外部等离子包层形成方法包括：第一步骤，用合成的掺氟二氧化硅细粒进行外部等离子覆层，接着的第二步骤，用天然的二氧化硅细粒进行覆层。
2.根据权利要求1所述的外部等离子覆层方法，其特征在于所述初级预制件借助于CVD类型的沉积在掺氟二氧化硅管内得到，而且所述初级预制件从中心向外包括：沉积的纤芯，其至少一部分掺杂以具有比二氧化硅高的折射率；和掺氟二氧化硅的沉积光学包层，以及所述管。
3.根据权利要求1或2所述的外部等离子覆层方法，其特征在于所用的天然二氧化硅细粒的价格比所用的合成二氧化硅细粒的价格便宜数倍。
4.一种最终光纤预制件，包括：
初级预制件，其周围层由掺氟二氧化硅管构成；
包围所述初级预制件的外部等离子沉积覆层，其特征在于所述沉积覆层包括包围所述管、由掺氟合成二氧化硅细粒得到的第一覆层子层，和包围所述第一覆层子层、由天然二氧化硅细粒得到的第二覆层子层。
5.根据权利要求4所述的最终光纤预制件，其特征在于所述初级预制件借助于CVD类型的沉积在管内得到，而且所述初级预制件从中心向外包括：沉积纤芯，其至少一部分掺杂以具有比二氧化硅高的折射率；和掺氟二氧化硅的沉积光学包层，以及所述管。
6.根据权利要求5所述的最终光纤预制件，其特征在于所述光学包层、所述管和所述第一覆层子层的折射率都彼此接近，从而通过拉制所述最终预制件得到的光纤的折射率剖面分布既不显示出向上的阶也不显示出向下的阶，而这些阶能够恶化所述光纤的微弯曲性能。
7.根据权利要求5或6任一项所述的最终光纤预制件，其特征在于所述第一覆层子层的外直径比所述沉积纤芯的外直径大至少五倍。
8.根据权利要求7所述的最终光纤预制件，其特征在于所述覆层子层的外直径约比所述沉积纤芯的外直径大六倍。
9.根据权利要求5至8中任一项所述的最终光纤预制件，其特征在于所述沉积纤芯是掺锗的。
10.根据权利要求9所述的最终光纤预制件，其特征在于所述整个沉积芯是掺锗的，从而其折射率恒定地保持高于二氧化硅的折射率。
11.根据权利要求4-10中任一项所述的最终光纤预制件，其特征在于所述第一覆层子层的径向厚度大于所述管的外半径的一半。
12.一种通过拉制根据权利要求4-11中任一项的最终预制件而得到的光纤。
13.根据权利要求12所述的光纤，其特征在于所述光纤其折射率剖面分布的各个部分分别对应于所述光学包层、所述管和所述第一覆层子层，这些部分基本显示出比二氧化硅低的相同的折射率。
14.依照权利要求12-13中任一项所述的光纤，其特征在于所述光纤对微弯曲相对不敏感，同时显示出很低的衰减。
15.一种光纤光缆，包括数根依照权利要求12至14中任一项的光纤，其特征在于在所述光纤内不传播任何副振荡模。
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