TW418333B - Optical fiber preform having oh barrier and manufacturing method thereof - Google Patents

Description

418333 五、發明說明（1) _ ----- 〈發明的背景> 兔悲玉复德 本發明是有關一種光纖預成形體，特別是有關一種用 以使得0H從光纖的基管擴散至蕊部變得最小之光纖預成形 體，以及其製造方法。， il.il _毯_1^描述 單—模態光纖（single mode optical fiber)係利用 沈積一包覆層與一蕊部層來製得，在DC_SM型（depressed cladding-singie mode type，扁平包覆一單一模態）中， 包覆層係利用將Si〇2與匕〇5、Ge02以及下掺雜而'降低沈積溫 度與折射率而得，用以傳送光的蕊部層則利用將S i 〇2與 Ge〇2^積而增加折射率而得，然後，光纖預成形體即2通過 壓/貝（collapsing)與閉合（closing)製程來製造。 在一個使用内施化學氣相沈積法（MCVD，modified chemical vapor deposition)中，當沈積層變厚的沈積期 間’基管（substrate tube)的自我坍場即會發生，其結果 一致了 g體厚度的增加。而且，必需要一個高溫燃燒器 (burner)以燒結（Sinter)並結合（c〇ns〇η date) 一 厚的沈 積層’因此壓潰與閉合製程時間即變得更長，導致基管曝 露在高溫下一段很長的時間β μ在此製程中，當含在基管中的很少量的水份(Μ)(通 令疋大約是數個ppm)攝散至沈積層中，擴散了的水即盥沈 積在包覆區的1>2〇5或Si〇2相結合，如此形成一p_〇_H或、

Ge-0-H鍵的化合擴散至蕊部區的〇H係與沈積於蕊部層之

苐6頁 d 33 五、發明說明（2)^ 1 ~" ' 一 '

Si〇2或Ge〇2化合’如此形成一 或Ge-0_H鍵化合而分 解Si-Ο或Ge-Ο鍵之化合。 形成於如上述的每一個沈積區而與水化合之0-H或 Ρ-0-Η鍵由於在一特定波長範園的吸收波段（abs〇rpti〇n band)產生了額外的光損失。在單一模態光纖的情況下， 由於0-Η鍵化合而產生的嚴重的光損失乃發生在丨，24m _ 1. 385卿的波段。由於p_〇-H鍵化合者，則在1. 2〜1. 8伽波 段。當0H擴散到蕊部區域内，即形成了一個非架橋式氧 (non-bridging oxygen, ΝΒ0)，導致蕊部層的玻璃材料的 結構同質性呈現部份的降低，其引起了蕊部層的密度變 異°因此’增加了其散射損失（scattering loss)。 再者，由於同時進行燒結與沈積期間所引起之沈積層 厚度的增加所導致管體内外徑的收縮，也就難以獲得適當 的直徑比（亦即，包覆直徑與蕊部直徑之比，D/d) ^因 此，無法獲得防止0H擴散的足夠距離，故大、大地增加因為 0H所引起的損失。 ' 在先前技術中’有一種增加包覆層厚度的方法被使用 來防止0H從基管擴散到蕊部層。然而，當—個大孔穴的預 成形體利用此方法被製造的時候，管體的收縮使得其很難 以把握適當的直徑比，而由於管體層厚度的增加會導致蕊 部層的熱傳效率降低，故需要一個高溫的燃燒器，於是， 管體即.暴露於高溫下一段長的時間，故即會由於〇H的因素 而增加其損失。 〈發明的總論〉

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五、發明說明（3) 為了解決上述的問題’本發明之一目的乃在提供_ 光纖預成形體’其可有效地減少由於0H所引起的損失，種 為了防止Ο Η從基管擴散到蕊部層内，利用形成—阻擒而 阻止或顯著地降低在基管與蕊部層之間的擴散。 來 本發.明之另一目的又在提供一種具有〇{J阻指層 預成形體的製造方法。 之光纖 因此’為了達成上述之第一目的，有—種光纖預 體已被提出，其具有一基管、一包覆層與一蕊部層，此 纖預成形體更包括一第一阻擋層，其係以—具.有低〇Η擴散 係數的材料沈積於基管與包覆層之間，其中第一阻播層係 用來實質上防止基管中所含的0Η被擴散至包覆層内f 較佳的是，本發明的光纖預成形體包含一第二阻播 層’其儀以一具有低0H擴散係數的材料沈積於包覆層與蕊 部層之間，以實質上防止已從基管擴散到包覆層之卯再^ 散到蕊部層之牛。 為了達成上述第一個目的本發明又提供了另一種光 纖預成形體，其具有一基管、一包覆層與—蕊部層，此光 纖預成形體更包括一第一阻擋層，其係以一具有低0H擴散 係數的材料沈積於之間，其中第“阻擋層係用來實質上防 止基管中所含的0H被擴散至包覆層内；其中蕊部層的折射 係數係大於包覆層的折射係數，且從蕊部層的外部逐漸向 ‘品部層的中央增加。 - 本發明較佳的是，光纖預成形體更包含一第二阻擋. 層’其係以一具有低〇H擴散係數的材料沈積於包覆層與蕊

4 183 3 3 五、發明說明（4) ^^ 部層之間’其中第二阻擋層係用以實質上防止已 覆層之中的再擴散到蕊部層内。 頌放至包 為了達成上述第二個目的’本發明再提俾了 光纖預成形體的製造方法，其具有一基管、二包^外一種 蕊部層，此方法包括不下列步驟：利用摻雜一種層與~ 低一製程溫度且增加沈積效率之物質來形成—包$用來降 及形成一個蕊部層作為一個光信號可被傳送之^ ^以 較佳的是，在包覆層形成以後，蕊部層形成 第二阻擋層更藉由沈積一具有一低〇H擴散係數之枒^忐二 成，而且，較佳的是蕊部層係形成為折射係數 2形 漸增加者。 "^卜向内逐 .〈圖式之簡單說明〉 本發明上述之目的與優點，藉由下列參照附圖 父佳具體實施例的詳細描述，將會更為明白，附圖者：之 第1圖係一種習見單一模態光纖的說明團； ^ 2Α圖〜2C圖係本發明之單—模態光纖的說明圖. 第3圖係本發明之另一種單一模態光纖的說明圖；’ 第4Α、4Β與4C圖係說明本發明使用一種内施化遂> 沈積法製造單—模態光纖的方法者、 .虱相 <圖式中元件名稱與符號對照〉 11 12 13 21 基管 包覆層 蕊部層 基管

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4\8333 五'發明說明¢5) 22 :第一阻擋層（外包覆層）

23 :中間包覆層 2 4 :第二阻擋層（内包覆層） 25 :蕊部層 31 :基管 ， 32 :中間包覆層.

33 :蕊部層 34 :第一載體層 35 :第二载體層 4 0 :包覆層/蕊部層 41 :基管 42 :包覆層/蕊部層 4_3 :外包覆層 45 :内包覆層 4 6 :蕊部層 :蕊部層之折射率 :包覆層的折射率 :.蕊部.層的直徑 0D :包覆層的直徑 〈較佳具體實施例的詳細楢述〉 本發明的較佳具體實施例，茲參照附圖說明如下： 請參看第1圖，其奉示一種習見的單一模態光纖 (DC-SM)，參考數字11表示基管，參考數字12表示包覆 層，參考數字1 3表示蕊部層，而zV代表蕊部層之折射

第10頁 “8333 —一· _ 丨 |··_ - — . _ 五 '發明說明（6) f ’且△-代表包覆層的折射率，兩者乃分別係相對於基 苢的折射率。而且，0 d代表蕊部層的直徑，0 d代表包覆 層的直徑。 〇5係用來沈積以形成包覆層1 2，p2 〇5有一相當低的大 約為570 °C的熔點，因此，.當其與一個不同的原料（s〇urce material) —起使用時，製程溫度可以降低，且沈積效率 可以增加’另一方面，由於摻雜在包覆層12上的匕〇5有一 ^的吸濕率，其即可作為0H橋以將包含在基管丨丨|之〇H傳 送至蕊部層1 3。因此，由於在蕊部層丨3内之〇H的損失即增 加了。 、 第2 A圖至第2 C圖係本發明之一種單一模態光纖的說明 ★圖’在胸中，參考數字21表示基管，參考數=示 弟—阻擋層（外包覆層），參考數字23表示中間包覆層， f考數字24表示第二阻擋層（内包覆層），而參考數字25 J示蕊部層。又，代表蕊部層25相對於棊管21的折射 竿，△-代表中間包覆層23相對於基管21的折射率^ △-代 表第一阻擋層22相對於中間包覆層23的折射率，代0表 ，二阻擋層24相對於中間包覆層23的折射率。0 ^ ^ =層25的直徑，代表第二阻擋層24的直榧。0D代"表" 間包覆層23的直徑，而0DG代表第一阻擋層22的直徑。 如上所述，依照本發明之光纖預成形體的包覆層含 層分別有不同化學，組成物比者，換言之，包覆層包 層（：Λ層（外包覆層)22，中間阻擋層23，以及第二阻擋 層（内包覆層）24^

418333 五、發明說明（7) 第一阻擋層（外包覆層）22係設置於大的 與含有0H載體μ之中間包2 ;可農度的 ί含於基管21之中_使之不會擴散至中間1包覆其層= 25 覆層)24係設置於中間包覆層23與蕊部層 2二間，:可防止0Η從基管21擴散到中 -阻；層22可防止其更進-步穿透蕊部層25中第 二::阻擋層22與24並不包含可作績橋樑的ρ ::率係使用Si02，〇2射來控制，其厚度也大:約依昭包 覆=的整體厚度來控#卜特別的，如㈣圖與％圖所 =第—阻撞層22可被插入於有一大〇H濃度之基管21與中 a 2層23之間，或者是’只有第二阻擋層可被插 間包覆層23與蕊部層25之間。 請參照光纖預成形體之折射率特性，蕊部層託的折射 率，r'大於包覆層22、23、24的折射率，因此，每一個外 内包覆層22、24係被控制成與中間包覆層23相同或近似二 而且，此三個包覆層的折射率可控制成為相同的情況。

通常，在沈積層的0H濃度約為0H在基管中濃度的 1=00或更少。然:，包覆層係藉由摻雜％來形成，以 降低在包覆沈積程序中的製程溫度。此處，匕〇有一大的 吸濕率，.因此’沈積於包覆層中的％即像橋^ 一般可將 OH從基管傳送至蕊部層，於是增加了在蕊部層中賴所引 =員失。在本發明t -摻雜了具有低〇H擴散係數之材 的OH載體係形成於有—大的0H濃度的基管與含有〇h載體 1¾之包覆層，及/或包覆層與蕊部層之間，如此形成之〇H

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載體可以防止0H從基管21擴散至蕊部層託。 五、發明說明（8) 第3圖係解釋本發明的另一種 中，參考數字31表示一基管’參考數字34表先纖’在第^ 層（外包覆層），參考數字32表示： = -第-載體 35表示-第二載體層(内包覆層)考；： 層。又，代表蕊部層33之折射率 =3表f 覆層32的折射率，兩折射率都是篡與〗代表中間i 較值。 疋邳對於基s 3 1折射率的比 的包覆層係包含-率。換句話說， 中間包覆層32， 一如上，，依照本發明之光纖預成形體 有三層而每一層均有一不同的化學組成比 包覆層包含著第一阻擋層（外包覆層）34， 以及第一阻撞層（内包覆層）35。 第一阻擋層（外包覆層）34係設置於有一大的〇h濃度的 基管與含有0H載體？2〇5之中間包覆層32，其可阻擋包含於 基管31之中的0H不會擴散至中間包覆層32内。第二阻擋層 (内包覆層）3 5係設置於中間包覆層3 2與蕊部層3 3之間，其 可防止0H從基管31擴散進入中間包覆層32，或是，防止在 沈積中間包覆層時’由於被含於化學物質中的水所導致的 0H ’滲透進入蕊部層3 3中’該蕊部層乃是高導波區。每一 個外與内包覆層3 4與3 5的折射率係被控制成為與中間包覆 層32相同或近似，但是不能比基管31或蕊部層33的折射率 大。 , 包含在基管中之0H量比較用來沈積的二氧化矽 (Si lica)的0H量，是相當高的。對於一結構中的〇11成份而

418333 五、發明說明（9) ： --—- 言，二氧化矽是最穩定的化學沈積材料，其在一高溫的情 況下，可以有效地阻擋〇H的擴散。因此，第一與第二阻擋 層34與35即不含作用如—個011橋樑的Μ，故其折射率係" ^Si02、GeG2_來控制，其厚度也大約依照包覆層的整 體厚度來控制。 ， 請參照光纖預成形體之折射率特性，蕊部層33的折射 t大於t覆層32、34與35的折射率，而蕊部層33的折射 ，個固定比率向蕊部層33的中央增加，由於迅速^ 當一個光纖在—高速的情況下從預成形體 ifr M ^ A M 。因此，蕊部層33的折射率逐漸地從外園 =為最向：f逐：增加’藉此最後使得中央的折射 早為竑大。藉此，由於鼽虛 、…應力所引起之光纖的光損 ί失：二：機械特性的退化，均可以防止，於是-低 比例的光纖即能夠以-高速度來拉出，例 士車乂佳的疋，蕊部層的最外部折射率 的 沈積Sc、： 圖係說明本發明使用-種内施化學氣相

Sicl ,ΓΡΓ1 η在CVD去中，高純度載體氣體，諸如 ϋ4』41 ;、P0C.13规13係與孰一起被引進一以玻璃所 :;ίΓ二，，後熱則利周—加熱器43被施加至基管 成煙塵==内ΙΓ:第4Α圖所示的熱㈣ 確地控制，以熱f氣體的濃度係利用一電腦精 D周整折射率’藉其沈積-包覆層/蕊部層

418333 五、發明說明（10) 42，加熱器43施加熱至基管41 ’基管乃以圖式之箭頭方向 轉動，而加熱器43直箭頭方向移動，要被.沈積的熱源氣體 係通過一入口道連接至一來源物質儲存單元而被引入基管 41中’一混合閥與阻基閥則量測被引入於基管中之來源物 質的流動，並且作混合來源物質所必需的調整β 在沈積本發明的包覆層的製程中，首先，一外包覆層 (第一阻擋層）係藉由沈積一具有低OJJ沈積係數且除去例如 具有一大吸濕率的P2〇s之ΟΗ載體材料而形成。另外一個適 合用來降低製程溫度，且增加沈積效率之村料乃被摻雜， 藉此形成一中間包覆層；而一個具有杈〇Η擴散係數之材嵙 乃被沈積，並去除一例如Ρ2〇5之ΟΗ載體，藉此形成一内包 覆層（一、第二阻擔層）’然後，蕊部層也就是光信號傳輸之 區域乃被形成。因此，被引入基管41的來源氣體的混合即 =隨著每一個沈積層的有所不同，&混合可以利用大概地 控制混合閥與阻塞閥來達成。 在沈積蕊部層的製程中，蕊部層係被沈積使得 =外面到中央均固定，或者，折射率從外面逐漸向中央^ 第4Β圖表示一沈積於基 在第4Β圖中，參考數字43表 一中間包覆層，參考數字4 5 4 6表示一蕊部層。 官41中的包覆層/蕊部層， 示外包覆層，參考數字44表示 表示一内包覆層，而參考數字 請參看第4C圖’在第4Β圖中所+ +、士政旺" 施加至基管41而壓潰且閉合。在其、 者夸… 在基官41上則沈積著包覆層

4 183 33 五'發明說明（π) /蕊部層40，故使闬加熱器43可藉此形成一光纖預成形體 47 ° 在沈積製程中，其中具有中間包覆層44且不含有作用 如一 ΟΗ橋樑之P2〇s的外與内ΟΗ阻擋體43與45乃被沈積，藉 此於蕊部沈積製程’壓潰製程或閉合製程期間，可有效地 防止ΟΗ從基管4 1擴散到蕊部層46中。因此，由於ΟΗ吸收波 段而在蕊部層的損失也可以降至最低，而可维持一個適當 的直徑比（D/d)。又，直徑比可作成較小，如此，沈積的 頻率可減少，藉此縮短製程時間，此處，較佳的是，中間 包覆層的直徑（D )與蕊部層的直徑（d )的比（D / d )係1. 1至3. 同時， 張力所引起 序中，一個 命黏性的.基 1¾•礙力就可. 當一光 製程時間會 大開孔的預 藝中，當一 即降低了光 依照本發明 至3: 0之間， 損失也可變 在與沈積同時進行的燒結程序甲，由於内表面 的自我坍塌會發生在燒結與凝固灰煙粒子的程 對基管具有一近似黏性的緩衝層則存在於有一 管與相當低黏性的包覆層之間，如此，管體的 增強了 ’而管體的收縮更因此減低..。 纖預成形體係使用MCVD方法製得了，其全部的 大為縮短，而直徑比更大為減小，對於製造一 成形體而言，小的直徑比較為有利，在習知技 直徑比變得較小時，OH損失即突然增加，如此 纖的品質，一般所知的直徑比為3, 〇，然而， ’甚至直#比減少至小於3. 〇，例如，大約丨* 1 〇H吸收損失可獲減少，由於熱應力所導致的 得最小0

第16頁 4 183 33 五、發明說明（12) 在本發明中，如上述的具有〇H阻擋層之光纖預成形體 及其製造方法’在滅部沈積過程中，沈積於基管與包覆層 之間，以及包覆層與蕊部層之間的外與内0H阻擋層並不含 匕〇5，如此0H可被有效地阻擋，而在蕊部沈積製程，壓潰 製程或閉合製程中均不會從基管擴散至蕊部層，因此，由 於在蕊部層内的0H即可被防止’而且，形成的蕊部層其折 射率從外侧向内侧增加，由於從預成形體高速抽 特性降低即可被防止。

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Claims (1)

1. __4Γ83^3 3 ________ 六'申請專利範圍 1. —種光纖預成形體’具有一基管、一包.覆層以及一 蕊部層；此光纖預成形體更包括一以一種具有低0H擴散係 數的材料形成於基管與包覆層之間的第一阻擋層，以防止 包含在基管中的0H擴散到包覆層中。 2. 如申請專利範圍第1項之光纖預成形體，其更包括 一第二阻擋層，該第二阻擋層以一種具有低擴散係數的 材料形成於包覆層與蕊部層之間，以防止包含在基管中的 擴散到蕊部層之中。 3.如申請專利範圍第1項或第2項之光纖預成形體，其 中第一或第二阻擋層的折射率是藉由掺雜Si〇2、Ge%或F， 而不含P205來控制。 4. 如申請專利範圍第2項之光纖預成形體，其^第一 或第二阻擋層係被控制成折射、率相同或大於包覆層者。 5. 如申請專利範圍第丨項之光纖預成形體，其中包覆 層對蕊部層之直徑比為1. 1至3. 〇者。 、 .6. —種光纖預成形體， 蕊部層；此光纖預成形體更 數的材料形成於基管與包覆 包含在基管中的0H擴散到包 係大於包覆層的折射率且從 加。 具有一基管、一包覆層以及一 包括一以一種具有低0H擴散係 層之間的第一阻擋層，以防止 覆層中，其中，¾¾部層的.折射率 蕊部層之外侧逐漸向中央增 -第7二預成形趙，其更包括 材料形成於包覆層散係數的 1續之間，以防止包含在基管中的

   418333 1------ 六、申請專利範圍 0H擴散到蕊部層之中。 K6:气第7項之光纖預成形體，其 F，而不含⑽來控制。率疋藉由播雜⑽、Ge〇2或 申第9二範圍第6項或第7項之光纖預成形體，其 者第$—㈣層係被㈣成折射率相同或大於包覆層 声對彳.：//亩气利範圍第6項之先纖預成形體’其中包覆 層對焱部層之直徑比為丨.丨至3. 〇者。 1^如申請專利範圍第6項之光纖預成形體，其中蕊部 層攻外側之折射率為中央的75至99%者、 12. —種製造一種光纖預成形體的方法，是種光纖預 =形體具有-基管、一包覆層以及一蕊部層，此方 下列步驟： 藉著沈積一具有低0H擴散係數的材料來形成一第一 擋層； ' 藉著摻雜一適合來降低一製程溫度並增加沈積效 材料來形成一包覆層；.以及 +的 形成一個蕊部層，作為光信號的傳輪區。 13. 如申請專利範圍第12項之光纖預成形體，其中， 第二阻擋層更在蕊部層形成之前與包覆層形成之後，藉# 沈積一具有一低0H擴敢係數之材料而形成。 者 、14.如申請專利範圍第12項之方法’其中蕊部層係形 成使折射率從蕊部層之外侧逐漸向中央增加。 ’ 418333 六、申請專利範圍 15. 如申請專利範園第12項或第13項之方法，其中第 一或第二阻擋層的折射率係藉由摻雜Si02、Ge〇2*F，且不 包含具有一相當大吸濕性之P205來控制。 16. —種光纖預成形體’具有一基管、一包覆層以及 一蕊部層’此光識預成形體更包括一以一種具有低0H擴散 係數的材料形成於基管與包覆層之間的第一阻擋層，以防 止已從基管擴散進入包覆層中之0H擴散到蕊部層之中者。 17. 如申請專利範圍第16項之光纖預成形體，其更包 括一第二阻擋層，該第二阻擋層以一種具有低0H擴散係數 的材料形成於包覆層與蕊部層之間’以防止'包含在基管_ 之0H擴散到包覆層中者· 18. 如申請專利範圍第16項之光纖預成形體，.其中蕊 部層的折射率係從蕊部層的外部遂漸向内部增加者。