TW385370B - Optical fiber with tantalium doped clad - Google Patents

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五、發明説明（/ ) A7 B7 - -· . (m 經濟部中央榡準局—工消Αχ合作.吐印裝 發明背景： 美國第4715679號專利說明在寬廣波長頻帶内具有很 小或無色散之光纖。光纖具有中央心蕊被内包層圍繞著， 該包層依次地再由外包層圍繞著。心蕊以及包層具有一個 或多個區域，與相鄰區域比較為較小折射率。心蕊具有最 大折射率以及該折射率隨著與中心軸之距離而減小。相鄰 心，游為第一環狀内包層區域，其為減小折射率。相鄰減小 折射率區域為第二環狀區域,其折射率大於減小之第一環 狀區域折射率。折射率減小改變光纖之光線能量傳播特性 而在波導色散與波長間產生所需要之關係。因此色散藉由 減小相鄰於中央心蕊之内包層區域折射率而加以控制。折 射率減小藉由加入適當抑制摻雜劑例如氟或硼而形成。 不過，利用氟及硼產生之減小折射率區域最大減小值 約為0.5%差值，但是〇. 3%差值為最普通之結果。氟在製造 時產生問題因為其為腐蝕性以及使用氟作為一般外側汽相 沉積法(OVD)乾燥原料目前並不被採用。硼對高於12〇〇nm 波長之光線傳播有較大負面之影響β因此领並不適合使用 作為單模光纖，其通常傳送1500nm之光線^ 儘管降低一個區域之折射率，有人建議利用鍺提高包 層折射率。不過鍺並不適合提高包層折射率。因為鍺在乾 燥以及固結過程中與氣侧以形成氧減。在減乾燥以 及固結步射魏錄具抑當揮發性以及遷移離開包層 。因此難以保持錯在包層中以及因而提高包層折射率而相 對於鄰近減小折射率例如熔融矽石。 . . 「 n· —1 HI f — I— (I In I— n _ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) λ 姆尺度適 經濟部中央標準局J工消贤合作.社印裝 A7 B7 五、發明説明（2：) 因此，存在需求使光纖結構與熔融矽石玻璃完全匹配， 利用摻雜劑提高包層自域折射率，該雜劑並不會由最初 位置遷移以及不會吸收傳送通過光纖之光線。 發明大要： 常包層摻雜钽以提高包層折射率高於相鄰心蕊減小折 射率區域時我們發現非常需要之結果。本發明形成光纖， 其只利用提高折轉摻_岐變色散。本發明去除降低 折射率摻雜劑不想要之“儀本發明製造出 之光纖並不需要該摻雜劑。 、具有些技術上優點。—項優點為兹並不會由其最 初位置遷移。蛛树敎之㈣翻絲齡乾燥以及 固結過程中施啸高溫鱗其能舰抗遷移。藉由抵抗遷 移作用，_純域之雜齡雜縣相#线之界定 情況。第二項優點為在傳送波長下為絲減值。這些 =為1j⑼賴及在這些波長下，㈣光線為相 ::之衰ί。同時在這些波長下鈕之Raylei曲散射效應為 备低之衰減。第三項優點為利用隹掺雜之玻璃具有較低 麵航。冑四魏料鈕對折射 率有較大影響社闕。因此需要較少誠產生與▲產生 之相同折料。衰減亦與數量_。因此，组之光纖 中光線衰減為較小，因為使用較頓。第五項優點為组化 f生為穩疋的。其不溶於水中以及大部份酸及驗。其會被 :、鹽酸緩慢地舰β本發明適用於所有光纖，包含(並非作 -限制用）單模光纖，多模光纖，色散偏移光纖，具有較大有 魏度適用 Γ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本I)

五、發明説明（3 ) A7 B7 經濟部中央插準局負工消費合作社印製 效面積之光纖，以及高性能具有受控制線性色散之超長距 離光纖。 在製造光纖時，光纖心蕊及包層材料（内側以及外側） 區域之材料由真有最小衰減特性之玻璃所構成《雖然能夠 使用光學品質玻璃，熔融矽石為特別適用之玻璃。基於結 構或其他實際考慮心蕊及包層玻璃應該具有類似物理特性 。由於心蕊玻璃必需具有較高折射率高於包層玻璃，心蕊 玻璃由與使用作為包層之相同形式玻璃構成以及摻雜少量 材料以些微地提高心蕊折射率。心蕊摻雜鍺。第一環狀減 小區域形成於内包層最初部份，相鄰心蕊以及内側包層部 份，或整個心蕊f卜側環狀區域中。在優先使用實施例中，心 蕊之中央區域摻雜鍺。心蕊外側環狀為未摻雜區域。相鄰 未摻雜心蕊環狀以及圍繞著心蕊之包層區域摻雜组以提高 其折射率。摻雜钽包層區域由未摻雜心蕊環狀延伸至光纖 外側。 附圖簡單說明： 圖1為依據本發明製造出之光纖斷面圖。 圖2為百今比差值曲線圖為距離中心半徑之函數。 圖3為曲線圖，其顯示出摻雜钽之矽石外包層光纖色散 結果以及預期之色散。 圖4為比較不同百分比钽及鍺之折射率為波長之函數。 圖5及6顯示出塗覆心蕊及包層區域玻璃粉塵至心軸之 步驟。 圖7為固結前y蕊斷面縱向圖。 本紙悵尺度適用中國國家標準（CNS ) Λ4現格（2丨〇>^297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本育) 装 -Γ A7 _____B7五、發明説明（午）. 5 經濟部中央標準局負工消費合作社印裒 圖8為固結後心蕊斷面縱向圖。 圖9_為抽拉高溫爐斷面圖。 附圖數字符號說明： ^ 單模光纖1;包層5;中央心蕊10;外側表面ι1;内包 層區域12;外側表面13;外包層14;外側表面15;環狀區 域20;表示界面之虛線21;第二環狀區域22;把柄30;心 軸32;燃燒器34;火焰36;氣流38;心蕊預製件41;抽拉 高溫爐80;外包層預製件81 ^ 詳細說明： 圖1顯示出依據本發明製造出單模光纖1之斷面圖β光 纖具有中央心蕊10,其由外側表面11界定出。内包層區域 12具有内側表面形成於心蕊1〇_之外側表面。内包層區域12 具有外側表面13。内包層12被外包層14圍繞著，該外包層 具有外側表面15。 心蕊10材料為含有鍺之溶融矽石。内側包層12具有至 少一個實質上為純熔融矽石之環狀區域2〇。第二環狀區域 22由摻雜鈕之熔融矽石所構成。虛線21表示界於2〇及22間 之界面。鈕摻雜劑由虛線21延伸至外側表面15 當本發明 設計在内包層中具有不含摻雜劑之區域20以及摻雜钽區域 έ2,其亦包含光纖整個内包層12為不含摻雜劑以及外側包 層14摻雜鈕。 圖2顯示出本發明製造出光纖一般摻雜劑分佈圖《心 蕊區域10摻雜鍺或錯及钽混合物以產生較大梯度折射率由 位於_央最大至心蕊外側表面11凌為零。相鄰心蕊10為純 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝· *va Μ f票準（CNS ) Λ4規格（210X297公釐） 7 A7 ________B7 五、發明説明（5*) 6 經濟部中央標準局贵工消費合作社印- 熔融矽石之第一環狀區域20。第二環狀區域22摻雜钽。摻 雜钽區域22具有折射率大於.區域20但是小於心蕊10之最大 I 值。因此在區域20及22間折射率存在顯著之變化。因此， 區域20形成減小環狀區域位於兩個相鄰區域'1〇, 22之間，每 一區域折射率大於減小區域20。不含摻雜劑以及摻雜钽區 域間之界面21與内包層12之外側表面.13—致。- 在光纖1中心蕊具有最大折射率IQ。相鄰心蕊為第一 環狀區域20,其折射率為11〇第二環狀區域22圍繞著第一 環狀區域20以及折射率為12。具有減小折射率丨丨之第一環 狀區域20整個形成於心蕊1 〇外側環帶中，相鄰於心蕊及内 包層環狀區域，或整個在内包層内，使得〗c>l2>Ii。 本發明特性為包層區域，其範圍為由最外側環帶A之外 側邊緣至光纖B之外側邊緣。包層區域含有μ〇2以及钽，其 在至少一個内側環帶内提高包層折射率高，其通常為純矽 石。包層亦包含其他摻雜劑，例如钽以增加強度。 圖3顯不出摻雜鈕矽石外包層光纖之色散結果。這些 結果顯示出摻雜钽矽石材料十分類似於摻雜鍺矽石之材料 色散。 上述結果預期藉由更進一步試驗而媒認。摻雜7. 26% 重量比鈕之矽石試驗結果與熔融矽石以及摻雜5. 9%重量比 Ge〇2以及9. 重纽吨比較。闕4之數據顯示出 摻雜组梦石依照摻雜7 5%重量比鍺梦石之預期折射。 雄認圖3摻雜_石之色散曲線_摻雜鍺扣之色散°曲 線0 . 本錄尺度適用中面^7^^_97公疫). (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) -裝_ 、^τ

X , A7 _______ ______B7•五、發明説明（έ ). 7 經濟部中央檩準局员工消費合作.社印笈 本發明亦設計光學波導，其具有固定或變化折射率之 品。心蕊10以及包層5,12及14區域之分佈各更進一步改 善’改變以及變化能夠依據美國第4715679號專利說明製造 出，其在此加入作為參考之用。例如，心蕊具有階躍折射 率分佈，α折射率分佈，以固定變化率分佈，以及以一種或 多種變化率組合變化之分钸。減小區域亦形成於心蕊中， 其藉由·在完成心蕊完成前停止摻雜鍺於心蕊中。其餘心蕊 為不含摻雜劑之熔融石夕石。 本發明亦使用於任何適當光纖中，其中需要提高包層 折射率。使得本發明不但適用於單模光纖，但是亦適用於 多模光纖，色散偏移光纖，大有效面積之光纖，以及高性能， 超長光纖具有受到控制之線性色散》利用本發明，任何光 纖之色散能夠加以變化。本發明去除降低折射率摻雜劑之 不想要負面作用，該摻雜劑例如為硼以及氟，因為利用本發 明製造出之光纖並不需要該摻雜劑。 如先前所說明，使用鈕具有一些優點β钽揮發性低，使 得光纖在乾燥及固結過程中承受高溫時钽並不會遷移。因 此，摻雜钽區蟑之摻雜劑分佈保持相當尖銳。鈕具有低光 線衰減值以及低Ray 1 e i gh散射效應於所選擇傳送波長下。 這些波長約為13〇〇nm及1550nm。摻雜艇之玻璃具有較低熱 膨脹性低於摻雜鍺之玻璃。鈕對光線具有較大影響大於鍺 之影響°因此窝要較少量鈕以產生鍺產生之相同折射率。 由於衰減亦與數量呈比例，使用钽之光纖衰減為較小因為 使用較少量鈕。鈕為化學性穩定的。其不溶於水中以及大 ’络•張尺度適用中囷囤家橾準（CNS ) Λ4規^ ( 210X2W公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝

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8 :'?'*mnr,-· 經濟部中央標sit一局負工消f合作社印裝 部份酸以及鹼中以及只受到熱鹽酸緩慢地侵蝕》 本發明具有減小折射率區域之光纖以任何傳统光纖製 造方法製造出。 由於本發明，最終形成包層14之粉塵第二塗層之其餘 塗覆過程由傳統方法加以改變，其加入適當濃度鈕前體例 如Tads。熟知此技術者了解其他材料亦能夠提高折射率 。這些材料包含錯，鋼，镱，鈽以及鍺。除此，氟化物，錯，四 氣化物，六氟化物，六氟乙醯丙輞類，以及鑭，鎮及鈽之似化 合物能夠與OVD處理法相匹配。上述任何一種適當濃度化 合物能夠作為區域14中提高折射率之摻雜劑。在優先實施 例中，在二氧化矽粉塵前體組成份中Ta2〇5濃度範圍高達1〇 %重量比以及最為優先地約為3至5%重量比^我們注意到上 述說明列舉出本發明處理過程，除了钽加入内包層區域12 之處理過程外完全為傳統式。因此，能夠使用業界所熟知 傳統處理過程步驟之改良。例如能夠使用不同沉積處理步 驟，包含外側汽相沉積法，內側汽相沉積法，汽相軸向沉積 法，改良化學汽相沉積法，或等離子外側内側汽相沉積法。 傳統光學波導織維技術能夠立即由熟知此技術者使用 於實施本發明，其所有在此加入作為參考之用，其包含下列 非限制性範例》 關於使用作為粉塵前體之原料可參閱Dobbin之美國第5043002號專利以及Blackwell之美國第5152819號專利。 關於粉塵前體形成喷霧或汽化之處理過程可參閱Antos 之美國第5078092號專利，Cain<美國第5356451號專利， 本紙張尺度適用中國园家標準（CNS ) A4说格（2丨Οχ”7公楚） to (請先閲讀背面之注意事項再填弈本頁) 裝· 訂 A7 B7 經濟部中央標準局員工消费合作社印31 五、發明説明（g5 ) .… Blankenship之美國第4230744號專利，Blankenship之美國 第4314837號專利.，以及Blankenship之美國第4173305號專 利。 關於心蕊及包層燃燒粉塵前體以及沉積可參閲Abbott 之美國第5116400號專利，Abbott之美國第5211732號專利， Berkey之美國第4486212號專利，Powers之美國第4568370 號專利，Powers之美國第4639079號專利，Berkey之美國第4 684384號專利，Powers之美國第4714488號專利，Powers之 美國第4726827號專利，Schultz之美國第4230472號專利， 以及Sarkar之美國第4233045號專利。 關於心蕊預製件固結，心蕊桿抽拉，以及外包層預製件 固結之步驟能夠參閲Lane之美國第4906267號專利，Lane之 养國第4906268號專利，Blankenship之美國第4251251號專 利，Schultz之美國第4263031號專利，Bailey之美國第4286 978號專利，Powers之美國第4215388號專利，Powers之美國 第4165223號專利，以及Abbott之美國第5396323號專利。 關於由固結外包層抽拉出光纖可參閲Harvey之美國第 5284499號專利，Koening之美國第53145Π號專利，Amos之 美國第5366527號專利，Brown之美國第4500043號專利，Dar-cangelo之美國第4514205號專利,Kar之美國第4531959號 專利,Lane之美國第4741748號專利,Deneka之美國第47923 47號專利，Ohls之美國第4246299號專利，Claypoole之美國 第4264649號專利，及Brundage之美國第5410567號專利。 -----------裝-- (I先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -丁 、-'σ S4 本紙烺尺度適用中國國家標準（CNS ) A4現格（210X297公釐） 五、發明説明 A7 B7 w 光學波導粉塵預製件能夠依據圖5,6所親示之方法以傳 统方式製造出。-玻璃粉塵之塗層10藉由火焰水解燃燒器34 供應至圓柱形心轴32上。燃料氣體以及氧氣或空氣由供應 源供應(並未顯示出）至燃燒器。瓦斯/氧氣混合氣體與液 態前身產物一起燃燒以形成玻璃粉塵。該液態前身產物包 含四氣化石夕，聚捷基碎氧烧(例如為八曱基環四矽氧烧)以 形成火焰36 ^燃料氣體，氧氣，以及粉塵前身產物氣態混合 氣體在火焰36内氧化以形成玻璃粉塵，該粉塵離開火焰成 為氣流38朝向心軸32。沉積於心軸32上之第一粉塵塗層（ 許多層）形成為光纖心蕊1〇〇在圓柱形心軸上形成粉塵塗 層之火焰水解方法已詳細說明於美國第3823995號專利以 及Re28029專利中。心轴32藉由把柄30支撐以及能夠加以 旋轉以及移動如圖5箭頭所示以均勻地沉積粉塵。 第二塗層粉塵(許多層)供應於第一塗層1〇之外側週邊 表面上如圖6所示《第二塗層形成内側包層區域12。依據 已知的操作内包層12之第一環帶20之折射率藉由改變在火 焰36中所產生粉塵34之組成份低於心蕊區域1〇折射率而製 造出。後者藉.由省略棒雜劑材料而達成。在本發明中省略 摻雜劑將使純熔融矽石沉積於心蕊10上以形成凹下折射率 區域20。 移除心軸32將產生中空圓柱形多孔性粉塵心蕊預製件 41’如圓7所示。預製件41包含第一及第二多孔性粉塵玻璃 層10及12。在只沉積以及固結心蕊層後抽拉心蕊桿件為可 能的但是為次優先的。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

X 裝- 訂.

A

A ,HI lit m 、纸張尺度適用中國國家標準（〇^)/\4規格（2】0><297公釐） 1 A7 ___ B7 五、發明説明（P ) .-. 心蕊預製件41再加以固結（圖8)，沉積外包層14以形成 外側包層區域以及再加以固結。固結及外包層步驟為業界 所知，然而為f連續性，在此簡單地加以說明。預製件41為 多孔性結構，具有類似粉筆之構造。其藉由在控制情況下 在高溫爐ΐ加熱而加以固結，.其通常存在氣氣及可選擇性 地加上氦氣以去除孔隙·»氯氣使用來使預製件脫水，其在 固結步驟(優先)前或同時地進行。固結心蕊預製件再加以 抽拉以去除中心洞孔以及形成心蕊样件，以及切割為適當 長度之外包層。接著外包層14藉由沉積粉塵於適當長度之 心蕊桿件上。外包層預製件再加以固結以去除外包層.中孔 隙。最後，固結外包層預製件81(參閱圖9)放置於抽拉高溫 爐80中以及抽拉為光學波導纖維1。 1Λ 1 — III------^"*"1 I (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 丁 411 Λ 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Λ4规格（210Χ297公釐）

Claims (1)

1. Α8 Β8 C8 D8 3δ$37δ 六、申請專利範圍 1. 一種具有心蕊及内包層之光纖，其包含 中央區域，其最大折射率為V; .相鄰中央區域之第一環狀區域及折射率為小於^之ll · 第二環狀區域圍繞著第一環狀區域以尽折射率為第 一琢狀&域含有组以提南該區域之折射率，其利用足夠提 高折射率之摻雜劑以提高第二環狀區域之折射率高於第 一環狀區域之折射率I,。 2. 依據申請專利範圍第1項之光纖，其中中央區域包含心蕊 以及第一環狀區域包含多個小區域，其至少一個區域折射 率為I!而小於12。 3. 依據申請專利範圍第1項之光纖，其中l0>i2>Ii。 4依捸申請專利範圍第1項之光纖，其中第二環狀區域之摻 雜劑包含鈕。 5. 依據申請專利範圍第1項之光纖，其中光織由單模光纖， 多模光纖，色散偏移光纖，具有較大有效面積之光纖，以及 高性能具有受控制色散之超長距離光織種類選取出β 6. —種光纖,其包含 具有最大折射率10之心蕊； 在心蕊四週之内包層，其具有第一環狀區域圍繞著心蕊 以及折射率為I!而小於 第二環狀區域圍繞著第一環狀區域以及折射率為其 摻雜足夠组以提高第二環狀區域折射率12高於第一環狀區 域折射率1但是小於L» 7·依據申請專利範圍第6項之光纖，其中第一環狀區域由熔 本紙浪尺度邊用中國國家椟十（CNS ) 格（210X297公釐） 11SS5370 Α8 Β8 C8 D8 經濟部中央標準局。3;工消赍合作枝印$L 六、申請專利範圍 .· 融矽石所構成及摻雜钽第二環狀區域由熔融矽石所構成。 8. 依據申.請專利範圍第6項之光纖，其中心蕊由摻雜鍺之熔 融石夕石所構成。. 9. 依據申請專利範圍第6項之光纖，其中光纖由單模光纖， 多模光纖，色散偏移光纖，具有較大有效面積之光纖，以及 _性能具有受控制色散之超長距離光纖種類選取出。 10. —種光纖，其包含心蕊區域以及第一以及第二環狀區域 ，其分別地圍繞著心蕊區域，其中第一環狀區域折射率相對 於相鄰心蕊及第二環狀區域為被減小以及第二環狀區域含 有叙。 11. 依據申請專利範圍第10項之光纖，其中心蕊區域由熔融 矽石及钽所構成。 12. 依據申請專利範圍第11項之光纖,其中心蕊區域由熔融 矽石，鍺及鉬所構成。 13. 依據申請專利範圍第11項之光纖，其中第二環狀區域由 熔融矽石及钽所;^成》 14. 依據申請專利範圍第10項之光纖，其中第二環狀區域组 含量最高可達到10%重量比。 15. 依據申請專利範圍第14項之光氣其中第二環狀區域叙 含量在3%至5%重量比範圍内。 16·依據申請專利範圍第1〇項之光纖，其中光纖由單模光纖 ，多模光纖，色散偏移光纖，具有較大有效面積之光纖，及高 性能具有受控制色散之超長距離光纖種類選取出。 1紙张用中國國豕梯準（CNS ) ( 210 X 297公庚） —. ........ 丨 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) -裝 訂 線