CN1715226A - 光纤制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明说明一种处理光纤芯中心区缺陷的方法，这些缺陷在高温操作步骤期间形成，这些操作步骤是塌缩由MCVD、PCVD或者OVD方法制造的空心芯。这些缺陷形成吸收中心，并损害光纤的光传输特性。按照本发明，可以减少或者消除这些缺陷，方法是，在塌缩之前形成作为最后沉积层的缓冲层。该缓冲层是不掺杂的或者轻度掺杂的，构成一种扩散阻挡层，从而可以防止或者减慢氧化物玻璃化学剂量成份的变化。结果是，在塌缩期间，更小量的掺杂物和氧原子从芯层通过自由表面扩散出去，从而造成较少的缺陷和较小的光纤衰减。

Description

光纤制造方法
发明领域
本发明涉及制造光纤的方法，具体涉及改进的光纤预型件制造方法。
发明背景
改进的化学蒸气沉积(MCVD)方法是制造光纤广泛采用的方法。在这种方法中，从上拉出光纤的预型件的制造包括玻璃加工机，在该机器中，用化学蒸气沉积法使纯玻璃或者玻璃灰形成在转动管的内部。在管子中沉积玻璃灰的方法可以高度控制化学沉积气氛，因而可以控制预型件玻璃的成份、纯度和光学质量。具体是，构成预型件中心部分或者芯的玻璃应当具有最高纯度和光学质量，因为在此区域中承载大部分光纤中的光能。因此需要特别注意芯的生产状态和特性。在先有技术中，特别关心的是，在芯的很中心部分众所周知的折射率下降。这是一种主要由MCVD工艺塌缩步骤中所用的高温形成的现象。这是由于在处理温度下，Ge物种的不平衡升华造成的。这种升华耗尽了表面层的Ge，造成预型件很中心部分的折射率较低。如果这种折射率降低是一种原本很受控的预型件制造工艺中的变化源，或者如果这种下降涉及足够大的光纤部分，大到足以损害光纤设计目标，则这不是一种要求的特性。
另外，除折射率分布改变外，氧通过塌缩表面的损失，增加了中心芯中缺氧Ge和Si缺陷(低价氧化物)格点的浓度。氧化硅和氧化锗的化学计量式分别是SiO2和GeO2，在理想混合的玻璃例如掺Ge的石英玻璃中保持这种计量式。但是应当明白，表达式SiO2和GeO2是指原子键合结构，其中各个Si或者Ge原子键合四个O原子。各个O原子键合两金属原子(Si或者Ge)。因此，对于金属和氧的比例，其摩尔比为1∶2，即SiO2和GeO2。称为低氧化合物缺陷的分子式SiO和GeO是指原子键合结构的变型，其中各个金属原子(Si或者Ge)键合到低于四个O原子。
对于公开的发明重要的是，富含GeO缺陷(由于在塌缩处理中过度损耗氧造成的)的区域远超过损耗Ge造成中心分布下降的区域。这两种作用，即折射率下降和缺陷浓度增加是众所周知的，并进行了各种努力，来消除这些作用。一个方法是，在工艺的最后阶段，腐蚀管子内部表面层，即损耗层。在降低折射率下降方面，这是相当成功的，但是在控制低氧化物缺陷浓度方面，则不是完全有效的。另一种方法是，重掺杂沉积的最后一层或多层，以补偿损耗的锗。在消除折射率下降方面，这仅仅是有限的成功，实际上，这促使Ge缺陷中心的形成。
MCVD方法广泛用在工业领域中，已经成为一种成功的或者可靠的工艺。但是如上所述，仍需要改进这种工艺的某些方面。本发明预定的改进涉及芯很中心部分的特性。
在文献中已经指出，在MCVD生产的光纤芯中，大的光损耗机理可能由固化和塌缩之后留在预型件芯中心部分中的缺陷中心形成[Analysis of the fluorescence method of profiling single mode opticalfiber prefroms-D.L.Philen and W.T.Anderson，Technical Digest，Conference on Optical Fiber Communications(Optical Society ofAmerica，Phoenix，AZ，1982)，paper ThEE7]在光纤曝露于氢或者电离辐射时，可以明显看出，这种损耗机构的存在。在玻璃灰沉积期间不足的氧供应，促进了这种低氧化物缺陷的形成。在高温处理玻璃期间，也可以产生这些缺陷。当在塌缩期间提高温度时，这种缺陷既可以形成在纯石英玻璃上，也可以形成在掺杂石英玻璃上，其浓度遵循典型的热激活指数函数关系。然而，如果局部原子浓度不改变时，则在除去热源，这些缺陷中的很多缺陷可以愈合。然而在靠近由塌缩杆内径形成的气体-固体界面处，包含Ge和/或者O的动态原子或者分子亚群将永久不可逆地逸出玻璃。当O原子从玻璃表面射出时，它们将留下锗的低价氧化物(GeO)和硅的低价氧化物(SiO)缺陷中心。
在塌缩的预型件中确认GeO缺陷是很直接的，因为这些缺陷受到紫外光照射时将产生荧光，GeO缺陷中心比SiO缺陷中心更容易地与分子氢发生反应，形成具有强紫外线吸收中心的氢化物物种，该吸收中心在通信窗中具有很大的尾部。(引起过度损耗的假定机理细节不应当解释为对本发明的限制)。因此GeO缺陷最有可能最后造成光纤中的过度损耗。
发明概要
为了降低MCVD工艺产生的GeO缺陷中心数目，在开始高温塌缩步骤之前，作为玻璃沉积工艺的最后步骤，我们增加了非掺杂石英玻璃的缓冲层。该缓冲层最好是不掺杂的石英玻璃，因为Si的低价氧化物缺陷对长期光纤损耗增加的影响小于Ge低价氧化物缺陷产生的影响。形成最后层的作用有二点，该最后层是管子内部的表面层。第一，在塌缩期间变成缺氧的表面层上，存在较少量的Ge掺杂物原子，因而降低了Ge缺陷中心形成的可能性。第二，又是更基础的，缓冲层可以防止O、O2和GexOy直接扩散出沉积的掺Ge的石英玻璃。Ge原子仍能通过纯石英玻璃区域扩散出掺Ge的区域，然后通过石英玻璃缓冲层的自由表面扩散出去，因此具有改变折射率分布的净作用(然而由于固态扩散的固有缓慢性，该缓冲层减慢了这一过程达若干数量级)。最重要的是，玻璃中原子O的损耗(不管是作为O，还是作为O2，GexOy，SixOy，等)只能通过固体-气体界面上的自由表面发生。这种净结果是显著降低GexOy的损耗，导致基本上消除中心折射率下降，并显著降低掺Ge区域中氧的净损耗，形成更少量锗低价氧化物缺陷格点。相对于预型件芯其余部分的Ge量，该内表面层轻度掺Ge(或者F)时，这种方法也是有效的。在此时应当明白，Ge掺杂物种额定浓度的任何降低将降低，影响这种耗散机理的可能缺陷数目。对于折射率指数下降，加入石英层可以除去这种特性的变化性，即使不需要分布中心可重现地下降，大部分石英层可以在塌缩的后阶段腐蚀掉，从而既避免在该区域的分布下降，并避免GeO缺陷的增加。
附图的简要说明
图1是折射率两阶梯分布型的预型件折射率分布曲线，一条曲线没有石英缓冲层，一条曲线有石英缓冲层，该缓冲层的厚度被极大地放大，超出本发明的需要。x轴的单位为毫米；
图2是阶梯折射率类型的荧光分布曲线，一条曲线代表没有石英缓冲层，一条曲线代表有花岗石缓冲层，该厚度上又极大地被放大，超出本发明的需要。此图的x轴范围(任意单位)包括图1中x轴上-5和+5mm之间的范围；
图3是示意图，示出由本发明提出的缺陷形成机理；
图4是MCVD工艺的示意图，示出在MCVD起始管的内壁上沉积的高纯玻璃；
图5是折射率随径向距离变化的代表性曲线，该径向距离是离开常规先有技术预型件中心的距离，该图示出典型的折射率分布；
图6是折射率随径向距离变化的代表性曲线，该径向距离是离开预型件中心的距离，图中示出本发明制造的预型件的折射率分布；
图7更详细示出本发明处理的一部分预型件；
图8示出本发明加上的缓冲层对图3所示缺陷机理的影响；
图9和10是示意图，示出制造光纤预型件的管中杆的方法；
图11是示意图，示出光纤拉伸装置，该装置可用来将本发明制造的预型件拉成连续长度的光纤。
详细说明
参考图1，图中示出折射率阶梯分布型的两条预型件折射率分布曲线。该光纤的中心阶梯折射率芯表记为1。钉子形结构表示个别的MCVD层，这些层显示出特有的MCVD变化，从一定层外径上的较高折射率变化到一定层内径上的较低折射率。这种结果是由于在烧结各个层时，锗从沉积粒子表面的蒸发造成的。这种结果对于最内层即最厚的标记为2的层，是最明显的，在最内层中，折射率的明晰渐次变化标记为3，从最大的约0.325％Δ变化到最小约0.225％Δ。标记为4的也称为烧尽的技术人员熟悉的中心下降，是在塌缩步骤高温期间，由于Ge通过空心MCVD芯管的内表面的损耗而造成的。在另一分布中，最后的沉积层4可以用相当厚的石英层代替，即本发明的一个夸大的实施例。
图2示出与图1所示折射率分布相关的荧光分布。标准分布的最大荧光(实线)靠近预形件的中心线产生。重要的是，最大荧光区域超过烧尽区域。烧尽区域的存在表明，在高温下，锗通过内塌缩表面而损耗。强荧光的存在证明在塌缩期间靠近MCVD杆内表面外的氧损耗，该氧损耗按比例高于锗单独和自然导到烧尽的损耗。如果以GeO2的状态损耗Ge是唯一发生过程，则不能期待增强的荧光。然而Ge可能作为GeOx而损耗，其中x大于2，因为Ge具有四个可用的化学键。x大于2的SiOx可能也从表面升华，也可能存在其他的损耗氧的机理。氧在内表面(固体-液体界面)的耗尽引起深入沉积芯的[O]浓度梯度，超过[Ge]浓度梯度。净结果是，在很靠近表面的区域中，Ge损耗导致绕尽，而O的耗尽更深入到预型件芯，产生大量荧光Ge低价氧化物缺陷。该低价氧化物缺陷可以在例如拉光纤期间与氢反应，形成强烈吸收紫外线的GeH，并影响WDM信号带的光损耗。虚线表示在塌缩表面上形成花石英层情况下荧光分布。
参考图3，图中示出在典型的MCVD工艺期间预型件内表面的一部分11。应当明白，上述图3所示的机理和实际的例示说明机理可看作为缺陷形成过程自然现象的必要条件。这一过程的细节还没有完全研究清楚。因此，图3以及相关的说明不能以任何方式解释为对本发明的限制。
在图3中，靠近MCVD管-沉积物组合件的内部塌陷表面的掺Ge层用编号11表示。在石英玻璃基体中Ge掺杂物的典型状态表示为GeO2。在塌缩温度(通常为2200-2300℃)下，GeO缺陷受到热激活，用13标记。另外，在塌缩温度下，Ge原子，不管是键合为GeO2还是GeO，均在一个大距离范围内扩散，形成浓度梯度。达到表面12的锗例如掺杂物种14通过不严格表示为升华的过程将脱离该表面，留下Ge掺杂物相对耗尽的区域16。对形成低价氧化物缺陷很重要的是，O原子也通过塌缩管内径自由表面离开玻璃，该氧原子或者作为GeOx或者SiOx(x大于2)中氧原子或者其他一些分子中氧而离开，用编号17表示。尽管在区域11中Ge浓度降低，但是相对于其余的预型件芯，在这一区域中塌缩表面的较大部分的氧损耗增加了氧欠缺GeO格点百分率。这种状态起着一种前体格点的作用，在同氢或者电离辐射相互作用时，这种前体格点便形成能够直接吸收典型WDM信号波带中能量的吸收格点O消除和降低这些前体缺陷格点是本发明的主要目的。
通过改进MCVD工艺，在玻璃沉积期的末尾形成缓冲层，我们达到了这一目的，如图4所示。一般说来，MCVD工艺如图4所示进行。起始管用21表示。用编号22示意表示的氧-氢焰，沿管子的外侧长度来回移动，同时转动管子。本发明范围内的等效方法可以用等离子源的热量代替氧-氢焰。玻璃前体材料通常为SiCl4和掺杂物例如GeCl4，将这些前体材料用编号23表示，将其引入到管内部。当玻璃前体达到高温区域时，这些前体在火焰下游的管壁上形成如图所示的玻璃灰沉积物24。当来回移动的火焰移动下游的高温区域时，在同一次火焰通过时，该前体灰层烧结成玻璃。多次火焰通过便形成较厚的沉积物，并使得玻璃沉积物的组成随距管心的距离而改变。在常规的MCVD工艺中形成一个或多个这些层，从而在预型件中形成折射率分布。MCVD工艺是众所周知的，其细节在此不必进行说明，请参看例如J.B.Mac Chesney等的论文(“Preparation of Low Loss OpticalFibers Using Simultaneous Vapor Phase Deposition and Fusion”，XthInt.Congress on Glass，Kyoto，Japan(1973)6-40)，该论文已作为参考文献包含在本文中。
为了进行说明，下面说明具有已知三个外包层结构的典型预型件。在此说明中，可以利用MCVD形成改进的层。该外包层也可以用同样的方法形成，但是在现有工艺水平中的MCVD工艺，可以采用已知的管中杆方法形成外包层，甚至内改进层。应当明白，上述的实施例是各种各样的光纤预型件结构的代表。本发明的目的在于形成预型件芯结构，这种芯结构可以用在这些预型件结构中的任一种结构。在很多情况下，本发明适用于芯杆的生产，该芯杆然后再插入到包覆管中，形成最后的预型件。
下面说明典型的完成加工的预型件。用预型件生产的光纤其折射率分布是预型件折射率分布的较小复制分布。在这些例中预型件折射击率分布包括四个区域，这些区域是芯区、沟槽区、环形区和包层区。
该芯部由高折射率区域构成，该区域从预型件的中心轴延伸到半径a，归一化的折射率差的径向变化Δr遵从以下方程：
Δr＝Δ(1-(r/a)α)-Δdip((b-r)/b)γ             (1)
式中，r是径向位置；如果Δdip＝0，Δ是在轴上归一化折射率差；a是预型件芯的半径；α是形状参数；Δdip是中心下降深度。
参数Δdip、b和r，即分别为中心下降深度、中心下降宽度和中心下降形状分别是MCVD生产方法的人为参数。
描述芯形状的公式是由两项之和组成，第一项一般控制整个形状，并描述普通称作为α轮廓的形状。第二项描述位于中心折射率的降低(相对于α轮廓的降低)。该芯区域一般由掺锗的石英构成锗的重量百分浓度在最大折射率位置小于10％，并沿半径渐次变化，形成由方程(1)表示的形状。
产生具有要求传输特性光纤的上述参数额定值是：
Δ＝50％，a＝3.51μm，α＝12，Δdip＝0.35％，b＝1.0μm，y＝3.0
一般来讲，这些参数的变化范围在：
Δ＝0.30-0.70％；a＝2.0-4.5μm；α＝1-15
沟槽区域是包围芯区的环形区域，该沟槽区域的折射率比SiO2包层区比折射率小。在此区域中的折射率作为半径的函数通常接近于常数，但不要求是平的。该沟槽区域一般由掺有适量氟和二氧化锗的SiO2构成，以便达到要求的折射率和玻璃缺陷量。
额定的沟槽参数是：
Δ＝-0.21％，宽度＝2.51μm
一般说来，这些参数的变化范围是：
Δ＝-0.25～-0.10％，a＝4.0-8.0μm
环区域是包围沟槽区域的环形区域，该环区域的折射率大于SiO2包层区域的折射率，在该区域的折射率作为半径的函数通常是常数，但是不要求是平的。该环区域一般由掺有适当量二氧化锗的SiO2组成，以达到要求的折射率。
额定的环参数是Δ＝0.18％，宽度＝2.0μm
一般说来，这些参数的变化范围是：
Δ＝-0.10～-0.60％；a＝7.0～10.0μm
包层区域是包围环区域的环形区域，通常由不掺杂的SiO2组成。然而，在包层区域的内部也可以有掺氟玻璃的附加区域、折射率和径向尺寸适当的附加区域，以改进弯曲损耗特性。该包层区域一般延伸到62.5微米半径。
图5示出理想的预型件分布，这种分布是一般具有上述结构预型件代表。图中芯区用编号31表示，沟槽区域用编号32表示，环区域用编号33表示，而非掺杂的包层区用编号34表示。用虚线35表示特有的中心下降。如前所述，该中心下降是MCVD工艺的一种现象，不能看作为理想的特征。事实上，需要做出相当大的努力才能消除这种芯部下降。
相反，我们已经发现，如果芯部下降是由不掺杂的沉积缓冲层，或者轻度掺的石英层引起的，而且这种下降与芯的直径相比不是太大，则特意形成的这种芯部下降是有利的。该缓冲层可以消除氧直接扩散出最后MCVD管的新掺杂区域的可能性，由此可以降低上述缺陷低价氧化物。在图6中用区域45表示缓冲层，在此实施例中，该缓冲层是不掺杂的石英层。该层45的厚度为了进行说明，而被放得很大。为了形成外扩散有效阻挡层的最小宽度，我们采用Nelson等的文献，该文献示出在大气压下典型的MCVD塌缩，这种塌缩可以尽量增大预型件芯中的氧扩散[Defect formation and related radiation andhydrogen response in opticai fiber fabricated by MCVD-K.T.Nelson，R.M.Atkins，P.J.Lemaire，J.R.Simpson，K.L.Walker，S.Wong，D.L.Philen，Technical Digest，Conference on Optical FiberCommunications(Optical Society of America，San Francisco，CA，1990)，paper TuB2]。在该文献中约4mm2的预型件横截面积显示出与GeO格点相关的增强荧光。在普通工业单模预型件中，4mm2的面积将转变成拉出光纤中约1微米半径的芯。这种折射率分布的变化尽管很大，但是可以看作为是光纤结构的微扰(不是质的变化)，除光纤损耗(例如色散、截止波长)外，通过调节其他部分的光纤分布，可以补偿它对其它光学特性的影响。图7示出MCVD沉积之后和塌缩之前MCVD管的内部结构，图中外包层用层51表示，环层用52表示，沟槽层用53表示，芯层用54表示，而缓冲层用55表示。在说明本发明时，明显的特征是，不掺杂的或者轻度掺杂的石英层是在塌缩之前沉积在MCVD管内部的最后层。如果最后层55是轻度掺杂的，则其掺杂量小于与最后沉积层相邻一层即芯层54的掺杂量。在通常情况下，在表面上的掺杂量即最后部分缓冲层55的掺杂量小于芯层掺杂量的50％。或者，这种掺杂量可以规定为相对Δ或者％Δ(＝(nbuffer layer-nSiO2)/nSiO2)小于0.05％。在一些情况下，要求渐次变化缓冲层中的掺杂量，从芯层54的掺杂量变到0，或者接近于0。为了确定这一特征，将上述掺杂量渐次变化的缓冲层称为具有反向渐次变化掺杂量(a retro-gradeddoping level)的缓冲层。
按照本发明的作用特征，要求具有LP01模即主信号模的电场，该电场在光纤芯的中心线具有最大。
技术人员可以明显看出，实施本发明是很简单的，只需在临近沉积工艺结束时，简单地切断或者降低GeCl4气流量。
在完成MCVD玻璃灰沉积和固化时，利用已知的技术例如将管子加热到玻璃软化温度即大于2000-2400℃，使管子塌缩，从而利用玻璃管的表面张力慢慢使管的直径缩小，在多次通过火焰之后，最后得到要求的实心杆。在常规工艺中，形成上述大部分缺陷正是发生在这一步骤期间。
图8示意示出缓冲层对缺陷形成过程的影响，该图应当与图3相比较，在图8中，外加的缓冲层用编号55表示。其作用是使固体-气体界面(在该界面上可以失去氧原子)移离掺锗的区域54，并急剧减慢热激活物种射出掺杂区域54。用编号52表示的相当少量掺杂物扩散进行缓冲层。
从图8可以看到，对层55要求的优选厚度应等于停留在最后掺杂层(图7中的54)表面的掺杂物例如14的扩散长度。该长度可以用已知的扩散数据计算出来。因为造成缺陷的大部分扩散发生在塌缩期间，所以可以应用塌缩操作汇聚的大量高温物种来预测最大的扩散长度。然而由于在随后来回移动加热部件期间，MCVD管内表面局部区域的温度变化很大，所以较好的方法是用经验法来确定扩散长度。然而如上所述，任何大厚度层例如1微米的层将会在一定程度上降低掺杂物的向外扩散。因此，这一厚度值被看成缓冲层厚度的实际下限。
在可能的范围内，通常需要使缓冲层的厚度和掺杂物的扩散长度大致匹配。这样便容易产生类似于图5所示的分布以及特有的芯部下降。然而即使在工艺结束时，芯部下降分布看起来类似，但是它们可能由不同的方法形成，并且表面玻璃具有不同的经历。在图5的常规情况下，掺杂物从玻璃内表面向外扩散或者损耗便产生这种下降。在本发明的方法中，中心芯部下降的分布代表掺杂物种的内扩散，例如从图7的层54扩散到层55。在后一种情况下，这种掺杂物的损耗可以降到最小。
如果需要，可以沉积比上述厚度大得多的层，较厚的层同样有效。在两种情况下，在塌缩的后阶段期间，工艺中的选择性步骤将腐蚀MCVD管的内表面。可以大部分掺杂物向外扩散后(即固化期间)的工艺阶段，用这种后腐蚀步骤来除去至少部分缓冲层。在先有技术中，通常在MCVD工艺塌缩期间进行腐蚀方法是，通常在存在O2的情况下，加入含氟的物质例如C2F6，SF6或者SiF4。
在一些光纤设计中，不需要芯部下降大的分布(见图6)，在这些情况中的一些情况下，需要渐次变化的芯部下降。这是容易作到的，方法是慢慢降低最后沉积层的掺杂量。由于掺杂物从最后沉积层扩散到缓冲层，所以通常均会发生一些渐次变化。在这些条件下，最后的分布将类似于图5的分布。原理上，可以精确控制预型件的温度经历，并准确选择缓冲层的厚度，采用这种方法，可以形成分布很接近于没有缓冲层得到的分布的这种预型件。主要差别是，具有缓冲层的预型件其光学特性相对地缺少上述缺陷。
用MCVD方法生产的光纤，由于实施本发明而得到的所有有利之点同样可以在用等离子CVD或PCVD方法生产的具有芯的光纤上实现。在这些方法中，像MCVD，材料沉积在衬底管的内部，使得芯的外层首先沉积，最后沉积最内层(光纤的中心线)。等离子体CVD是一种理想的化学蒸气沉积工艺，其中要求的材料直接沉积在底衬上，和MCVD工艺不一样，在MCVD中，颗粒物形成在气相中，然后再沉积在底衬上，并在随后的步骤中被烧结。尽管存在差别，但是两种方法产生空心芯，这种空心芯必须在高温操作下进行塌缩，以便形成实心杆。二种方法均容易损耗Ge，造成中心下降以及氧的净损耗，从而形成可能影响光纤损耗的锗低价氧化物缺陷。因此，对于PCVD光纤，像对MCVD光纤一样，加上新的石英缓冲层将具有所有相随的优点。
本发明也适用于外部蒸气沉积工艺(OVD)，因为在此工艺中也需要塌缩步骤。在OVD制造的光纤中，包括最近时期制造的光纤中，分布的中心下降也是众所周知的问题；可以看出，仍然伴随着形成GeO缺陷，如上所述。在OVD方法中，制造芯的方法是将石英和掺杂的石英玻璃灰沉积在芯轴上，随后进行脱水和固化。留下具有中心孔的烧结玻璃体。作为最后步骤，必须塌缩该芯，或者在拉光纤步骤之前塌缩，或者在拉光纤步骤期间塌缩。如果在OVD工艺中，首先沉积上述石英缓冲层，使得它形成芯的最内层，即在塌缩期间的露出表面，则这种缓冲层可以起到类似于上述MCVD工艺中的有利作用。OVD和MCVD(或者PCVD)之间的原理差别是，对于OVD，可以更加确定Ge扩散到石英缓冲层中，因为在存在Cl2时，在脱水操作期间，扩散是更为容易的。这可能增加石英层的掺杂物量，并增加锗低价氧化物缺陷，然而仍然可以得到本发明的大部分优点。
本发明利用MCVD(或者PCVD或者OVD)来形成整个预型件是有效的，或者本发明可利用管中杆方法、OVD方法、VAD方法或者等离子体外部喷涂方法来形成芯杆。管中杆方法是本发明的优选实施例。下面结合图9和10说明典型的管中杆方法。应当明白，这些图没有必要按比例画出。代表工业上实用尺寸特征的包套管其典型的长度直径比为10-15。芯杆92在图中被插入到包套管91。对于芯杆的成份有若干普通的选择。然而在实施本发明时，该芯杆具有上掺杂的(up-doped)例如掺锗的芯区域。相邻的包层区域可以是纯石英包层区域，或者该区域是下掺杂的(down-doped)包层区域。这些选择性、很多变化和精心的制作在这种技术中是周知的，因此在此图中不再进一步说明。
在组合杆92和管91之后将管塌缩在杆上，产生最后的预型件93，如图10所示，除较小的折射率差别外，芯杆94和包套管没有什么差别。制造预型件的其他细节和管中杆方法在2002年3月14日提出的美国专利申请No.10/366,888中已进行说明，该申请已作为参考文献包含本文中。
在标准管中杆方法的各种有用变型中，可以用MCVD芯杆作沉积灰的底衬。这样可以用积灰方法沉积包层或者局部的包层。
虽然上述MCVD工艺采用焰炬和混合的氢和氧燃料，但是在这些工艺中，还可以采用等离子炬或者电热炉。另外，还可以用除氢氧炬外的燃气炬。
然后使用上述的光纤预型件拉光纤。图11示出用预型件101拉光纤的装置和接收器102，该接收器代表炉子(未示出)，该炉子用来软化玻璃预型件和起动光纤的拉出。拉出的光纤表示为103。然后使新拉出的光纤表面穿过总的用编号104表示的涂层杯，该杯具有包含涂层预聚合物106的室85，涂上液体的光纤穿过模具111从涂层室拉出。该模具111与预聚合物的流体动力学特性相结合可以控制涂层厚度。然后使涂有预聚合物的光纤114暴露于紫外灯115，以便固化该预聚合物，完成涂层工艺。如果适合，也可以采用其他固化辐射光。涂层固化的光纤然后由卷线盘117卷起来。该卷线盘控制光纤的拉丝速度，该拉制速度通常在1-35m/s范围内。重要的是，光纤应定中在涂层杯中，特别是要定中在出口模具111中，以保持光纤和涂层的同心性。工业用装置通常具有控制光纤准直的托辊。在模具中的液压有助于定中光纤。由微步进分度器(未示出)控制的步进马达控制该卷线盘。
光纤的涂料通常是尿烷、丙烯酸酯，或者尿烷-丙烯酸酯，再加上紫外光光源。图11所示的装置具有单一涂层杯，但是普通采用具有双涂杯的双涂层装置，在双涂层光纤上，典型的初次或者内部涂层材料是软的低模量材料，例如硅酮、热溶石蜡或者具有相对低模量的许多聚合物材料中的任一种材料。第二或者外层涂料是高模量聚合物，通常为尿烷或者丙烯酸衍生物。在工业常规中，两种材料是低模量和高模量的丙烯酸酯。涂层厚度其直径通常在150-300微米之间，约240-250微米是标准的。
先有技术中存在光纤结构，在这种结构中，关键特征是，在靠近光纤中心线附近存在折射率局部最小的区域。这些结构可以使用折射率的中心线值，该值可以大于、等于或者小于外包层玻璃(名义上的纯石英)的值，而周围环的较高折射率主要负责形成光波导。这些结构有时称为“共轴电缆结构”或者“环形结构”，通常由于将光能推离光纤中心线而形成大的有效面积。相反，本发明在处理芯材料时，采用石英缓冲层来提高玻璃的光学质量。本发明与共轴电缆结构或者环形结构的另一差别在于，对光纤光传输特性的任何影响一般很小，约为10％或者更小。一般说来，如果没有在塌缩的最后阶段腐蚀除去，并保留在预型件中，则缓冲层在最后光纤中的直径小于1微米，更好小于0.5微米，最好小于0.25微米。对于给定波导结构，在存在或者不存在石英(或者轻度掺杂的石英)缓冲层时，通过少量调节其他结构参数例如图3和4所示特征宽度和折射率值，可以得到很相似的特性。
还可以采用这种方法来消除多模光纤制造中不需要烧蚀影响。其中光纤的带宽严格地取决于芯α形状(见前面的定义)的准确控制。在先有技术中的一个方法基于在塌缩期间腐蚀除去中心下降区。虽然这种方法在消除中心下降区域或者烧蚀区域是有效的，但是它不能解决缺陷和相关损耗增加的问题。多模光纤具有高Δ(1-2％Δ)的芯，并且自然地允许大量GeO缺陷。在850nm窗口中通常也采用多模光纤，和近1550nm的单模光纤传输情况相比，多模光纤更靠近GeH的紫外共振带。
技术人员可以想出本发明各种其他的变型。在说明的和要求的本发明的范围内，应当适当考虑与具体技术规格的所有差别，这些差别基本取决于原理和使这种技术取得进步的等效部件。

Claims (19)

1.一种制造光纤的方法，包括：
(a)制备光纤预型件；
(b)加热该预型件到软化温度；
(c)从该预型件拉出光纤；
本发明的特征在于，该光纤预型件用以下方法形成：
(i)在起始管的内侧形成掺杂的芯层，该芯层具有掺杂量L；
(ii)在掺杂的芯层上形成缓冲层，该沉积的缓冲层其掺杂量为L′，L′＜L；
(iii)塌缩该管，制成实心的玻璃圆柱体。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，掺杂量L′接近于0。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在缓冲层中的掺杂量是反向渐次变化的。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，L′＜L的50％。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，L′的Δ＜0.05％。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在光纤的中心线，LP01电场具有最大值。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该实心玻璃圆柱体是杆，该方法还包括将该杆插入到包套管中，并将该管塌缩在该杆上，形成预型件。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该实心玻璃圆柱体是杆，该方法还包括在该杆上形成外包层的步骤，方法是将玻璃沉积在杆上。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，缓冲层的厚度大于1μm。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，缓冲层的厚度在2-100μm之间。
11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在最后光纤中存在缓冲层可使波长1550nm的色散、色散斜率、有效面积和模电场直径组成的光传输特性中各个特性的变化小于10％。
12.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该预型件用MCVD制造。
13.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该预型件用PCVD制造。
14.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括在塌缩管之前腐蚀缓冲层的外加步骤。
15.一种制造光纤预型件的方法，包括：
(a)在起始管的内侧形成掺杂的芯层，该芯层的掺杂量为L；
(b)在掺杂的芯层上形成缓冲层，该缓冲层其掺杂量为L′，L′＜L；
(c)塌缩该管，形成实心的玻璃圆柱体。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，掺杂量L′约为0。
17.如权利要求15所述的方法，其特征在于，L′＜L的50％。
18.如权利要求15所述的方法，其特征在于，缓冲层的厚度2-100μm之间。
19.一种制造光纤的方法，包括：
(a)用OVD制造光纤预型件；
(b)将该预型件加热到软化温度；
(c)用该预型件拉出光纤；
本发明的特征在于，该光纤预型件采用以下方法形成：
(i)在芯轴上形成缓冲层，该缓冲层的掺杂量为L′；
(ii)在该缓冲层上形成掺杂的芯层，该掺杂的沉积芯层其掺杂量为L，L′＜L；
(iii)取出该芯轴，留下管；
(iv)塌缩该管，形成实心的固体玻璃圆柱体。
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