專利名稱：一種單模光纖及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于光通訊的單模光纖的制造方法。尤其是，本發(fā)明涉及一種在1380nm的波長范圍具有低損耗和具有高抗氫性能的單模光釬的制造方法。
光纖在1200到1600nm波長具有低損耗區(qū)，由于存在氫氧基離子(OH)而在1380nm波長范圍存在高損耗峰。損耗峰是由形成光纖的材料造成的。用具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的硅玻璃制成的光纖，其中的SiO2以三維方式隨意地結(jié)合在一起。當(dāng)雜質(zhì)或缺陷存在于網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中時(shí)，就出現(xiàn)新的結(jié)合和破壞。從而，這些因素造成光吸收。從這些光吸收中，可估計(jì)到1380nm波長的損耗可能是硅玻璃中存在的氫氧基離子(OH)造成的。因此，含有越多數(shù)量的氫氧基離子(OH)，1380nm波長出現(xiàn)的損耗越大。
因?yàn)閾p耗峰較寬，在損耗峰兩側(cè)的波長范圍不能用于光通訊。從實(shí)際的觀點(diǎn)看來，如果在1380nm波長范圍的損耗能夠在0.31dB/km以下，光通訊可以在較寬的波長范圍進(jìn)行。
在日本公開特許公報(bào)No.Hei 11-171575中介紹了OH造成的1380波長范圍的損耗可以通過控制芯部/復(fù)層直徑比(D/d比)，使之在一定范圍內(nèi)減少。
通過采用日本公開特許公報(bào)No.Hei 11-171575公開的方法來制造光纖，其1380nm波長的損耗可低于0.33dB/km。這個(gè)方法涉及到使用硅玻璃管制成的護(hù)套進(jìn)行復(fù)層的制造方法，該方法的優(yōu)點(diǎn)在于通過使用硅玻璃管制成的護(hù)套減少了制造成本。然而，存在的問題是氣泡傾向于保留在芯桿和硅玻璃管之間。
還有，光纖的質(zhì)量取決于多種因素，比如OH濃度或硅玻璃管的彎曲，因此，還有的問題是需要進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量控制。結(jié)果是，產(chǎn)品產(chǎn)量下降，因此，制造成本增加。還有，即使1380nm波長范圍的初損耗不高，由于還存在從外面擴(kuò)散進(jìn)入的氫，也使損耗增加。然而，對這些現(xiàn)象和問題還沒有可行的對策。
為了解決上面提到的問題，根據(jù)本發(fā)明的第一方面，單模光纖的制造方法的特征是，其包括步驟形成具有高折射率的芯部和折射率低于芯部的第一復(fù)層的玻璃棒，圍繞所述玻璃棒的外周面進(jìn)行氣相沉積形成SiO2粒子的第二復(fù)層，然后對所述玻璃棒進(jìn)行燒結(jié)產(chǎn)生玻璃預(yù)制棒，和對所述玻璃預(yù)制棒進(jìn)行拉伸產(chǎn)生光學(xué)纖維。其中，D/d的值，如第一復(fù)層部分直徑D和芯部直徑d的比在4.0到8.0的范圍，所述芯部、所述第一復(fù)層、和所述第二復(fù)層的OH濃度是0.1ppm或更小。
通過這些過程，與硅玻璃管用作護(hù)套的情況相比，能夠使芯部和復(fù)層之間，或在第一復(fù)層部分和第二復(fù)層部分之間界面的氣泡減少更多。很容易對進(jìn)行氣相沉積的多孔預(yù)制棒去除水分，因此能夠控制OH濃度。還有，沒使用硅玻璃管，不存在硅玻璃管制成的芯桿和復(fù)層彎曲的問題，因此產(chǎn)品的產(chǎn)量增加。因此，能夠以低制造成本生產(chǎn)單模光纖。
在本發(fā)明的第二方面，提出一種制造單模光纖的方法，其特征在于，包括步驟形成具有高折射率的芯部和折射率低于所述芯部的第一復(fù)層的玻璃棒，圍繞玻璃棒的外周面進(jìn)行氣相沉積形成SiO2粒子第二復(fù)層，然后對所述玻璃棒進(jìn)行燒結(jié)產(chǎn)生玻璃預(yù)制棒，和對所述玻璃預(yù)制棒進(jìn)行拉伸產(chǎn)生光學(xué)纖維。其中，D/d的值，如第一復(fù)層部分直徑D和芯部直徑d的比D/d＞4.8，所述芯部和所述第一復(fù)層的OH濃度是0.1ppm或更?。凰龅诙?fù)層的OH濃度是100ppm或更小。
在本發(fā)明的制造單模光纖的方法的第三方面，光纖在1380nm波長范圍的初損耗是0.31dB/km或更小，在氫擴(kuò)散后的1380nm波長范圍的初損耗是0.35dB/km。
通過這些過程，1380nm波長范圍的峰值變小，在波長范圍兩側(cè)的波長可以用于光通訊。還有，因?yàn)榭梢詫鋽U(kuò)散后的1380nm波長范圍的損耗保持在0.35dB/km以下?？梢缘统杀旧a(chǎn)當(dāng)氫擴(kuò)散發(fā)生時(shí)1380nm波長范圍的損耗很低的單模光纖。
在本發(fā)明的制造單模光纖的方法的第四方面，在拉伸過程中，利用設(shè)置了退火單元的拉伸裝置對玻璃預(yù)制棒進(jìn)行拉伸操作，以便生產(chǎn)出光學(xué)纖維。
通過這樣的操作，可以保持出現(xiàn)的SiO處于低水平。因此，可能制造出一種單模光纖，即使從光纖外面有氫擴(kuò)散進(jìn)入，其在1390nm波長范圍的損耗不增加，所以具有長時(shí)期耐久性。
在本發(fā)明的制造單模光纖的方法的第五方面，退火單元包括具有傾斜加熱區(qū)和退火管的爐子。
在本發(fā)明的制造單模光纖的方法的第六方面，在退火單元中，退火氣氛是空氣、氬氣、氮?dú)饣蜻@些氣體的混合氣中任一種。
在本發(fā)明的制造單模光纖的方法的第七方面，單模光纖是采用根據(jù)本發(fā)明的第一到第六方面的制造方法制造的。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明，通過在包括芯部和第一復(fù)層的玻璃棒的外周面的外側(cè)進(jìn)行氣相沉積SiO2形成第二復(fù)層而形成玻璃預(yù)制棒，光纖可通過拉伸玻璃預(yù)制棒來制成。因此，與硅玻璃管用作護(hù)套的情況相比，可以更多地減少芯部和復(fù)層之間或第一復(fù)層部分和第二復(fù)層部分之間界面上的氣泡。還有，因?yàn)楹苋菀讓M(jìn)行氣相沉積的多孔預(yù)制棒進(jìn)行脫氫，能夠生產(chǎn)光纖并控制OH濃度。還有，因?yàn)闆]有使用硅玻璃管，不會存在芯桿和形成復(fù)層的硅玻璃管的彎曲問題。因此，可能增加產(chǎn)品產(chǎn)量和以低生產(chǎn)成本制造單模光纖。
另外，制造出的光纖可使D/d值，比如第一復(fù)層部分直徑D和芯部直徑d的比在4.0到4.8的范圍，所述芯部、所述第一復(fù)層、和所述第二復(fù)層的OH濃度是0.1ppm或更小；還使得D/d值，如所述第一復(fù)層部分直徑D和所述芯部直徑d的比D/d大于4.8，所述芯部和所述第一復(fù)層的OH濃度不大于O.1ppm、所述第二復(fù)層的OH濃度不大于100ppm。因此可以保持1380波長范圍的初損耗在0.31dB/km之下。還有，因?yàn)?380nm波長范圍的峰值變小，峰值兩側(cè)的波長可用于光通訊。
還有，因?yàn)榭赡軐鋽U(kuò)散后的1380nm波長范圍的損耗限制在0.35dB/km以下，故可以低生產(chǎn)成本來提供單模光纖，其具有1380nm波長范圍的低損耗，即使發(fā)生了氫擴(kuò)散。
還有，在拉伸步驟中，通過使用具有退火裝置的拉伸裝置進(jìn)行拉伸操作，可能將SiO的產(chǎn)生限制在低水平。因此，在1380nm波長范圍由于氫造成的損耗增加很小，即使從光纖有氫從外面擴(kuò)散進(jìn)入。因此，可能生產(chǎn)出具有長期耐久性的單模光纖。
還有，通過上面介紹方法生產(chǎn)的單模光纖的在1380nm波長范圍初損耗是在0.31dB/km以下，在1380nm波長范圍的峰值可以很小。因此，光通訊可以使用波長范圍兩側(cè)的波長。還有，因?yàn)榭蓪鋽U(kuò)散后的1380nm波長范圍的損耗限制在0.35dB/km以下，能夠以很低的損耗在1380nm波長范圍進(jìn)行光通訊，即使有氫擴(kuò)散發(fā)生。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的制造單模光纖的方法所用的玻璃預(yù)制棒的截面圖。
在圖1中，標(biāo)記1表示具有高折射率的芯部。標(biāo)記2表示第一復(fù)層部分，其圍繞芯部1的外周面設(shè)置并且折射率比芯部1低。標(biāo)記3表示第二復(fù)層部分，其折射率與第一復(fù)層2的折射率相同。
下面對一種制造玻璃預(yù)制棒和光纖的方法進(jìn)行說明，其中光纖是通過對預(yù)制棒進(jìn)行拉伸而形成。
首先，使用普通的氣相軸向沉積裝置(后面稱作VAD裝置)制成包括具有高折射率的芯部1和折射率低于芯部的第一復(fù)層的多孔預(yù)制棒。芯部1是通過沉積GeO2和SiO2粒子制成的。第一復(fù)層部分2是通過沉積SiO2粒子形成的。芯部1與第一復(fù)層部分2的折射率差Δ最好是0.3到0.4％。表示芯部1直徑(直徑為d)和第一復(fù)層部分2直徑(直徑為D)的比的D/d值最好是大于4.0。D/d值最好是該值的原因在下面解釋。
當(dāng)D/d值在4.0到4.8的范圍時(shí)，可以通過限制第二復(fù)層3的OH濃度在0.1ppm之下將1380nm波長范圍的初損耗限制在小于0.31dB/km。當(dāng)D/d值滿足條件D/d＞4.8時(shí)，可將1380nm波長范圍的損耗限制在0.31dB/km之下，而不必使用氯氣進(jìn)行脫氫，這是因?yàn)樵诘诙?fù)層部分3中氫濃度的影響很小。
如上所述，如果1380nm波長范圍的損耗可以限制在0.31dB/km之下，就可能使用更寬的波長范圍進(jìn)行光通訊。
然而，如果D/d值處于D/d值＜4的條件下，即使第二復(fù)層部分3的OH濃度限制在0.1ppm之下，1380nm波長范圍的損耗大于0.3 1dB/km。因此，不可能實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的。
如上所作說明，表示第一復(fù)層部分2直徑D和芯部1直徑d比值的D/d值最好在4.0到4.8的范圍，芯部1、第一復(fù)層部分2和第二復(fù)層部分3的OH濃度應(yīng)當(dāng)小于0.1ppm。
另外，表示第一復(fù)層部分2直徑D和芯部1直徑d比值的D/d值最好滿足D/d＞4.8的關(guān)系，芯部1和第一復(fù)層部分2的OH濃度應(yīng)當(dāng)小于0.1ppm。第二復(fù)層部分3的OH濃度應(yīng)當(dāng)小于100ppm。
其后，對多孔預(yù)制棒進(jìn)行脫氫和燒結(jié)，以制造出玻璃棒，這里，如果D/d值是4.0到4.8的范圍，脫氫操作在氯氣，或在氯氣和氧氣的混合氣氛下進(jìn)行。還有，燒結(jié)操作在1450℃的氦氣氛下進(jìn)行。
第二復(fù)層部分3通過在上述玻璃棒外側(cè)進(jìn)行SiO2粒子氣相沉積形成。第二復(fù)層部分3的厚度根據(jù)玻璃棒所形成的直徑來決定。例如，如果光纖的直徑是125μm，其可進(jìn)行外側(cè)SiO2粒子氣相沉積，由此第二復(fù)層部分3的厚度是43μm或更少，這不是最佳，因?yàn)檫@樣的話，1380nm波長范圍的初損耗傾向于變大。
如果根據(jù)D/d值必須進(jìn)行脫氫，則在氯氣或氯氣與氧氣混合氣體氣氛下對玻璃棒進(jìn)行脫氫，其中玻璃棒的外側(cè)進(jìn)行氣相沉積形成了第二復(fù)層3。還有，燒結(jié)操作在1450℃的氦氣氛下進(jìn)行，以便形成玻璃預(yù)制棒。
接下來，通過對玻璃預(yù)制棒進(jìn)行拉伸操作來形成光纖。如果拉伸的很快，例如拉伸速度達(dá)到600米/分或更快，光纖在拉伸操作后快速冷卻。因此，最好使用在拉伸爐出口處設(shè)置了退火裝置的拉伸裝置。
用于此拉伸工藝的拉伸裝置的示例在圖2和圖3中顯示。
在圖2中，標(biāo)記10表示拉伸爐。通過拉伸爐10的加熱器12對玻璃預(yù)制棒11進(jìn)行拉伸操作，以形成原玻璃纖維13。原玻璃纖維13在退火管14中冷卻后，通過樹脂施加裝置將樹脂施加到原玻璃纖維13以形成光纖束。在退火管14的表面上，形成有氣體引入孔15。對于冷卻氣體，可以使用空氣、氬氣、或這些氣體的混合氣。
還有，圖3所示的拉伸裝置設(shè)置了帶有傾斜加熱區(qū)16的爐子，其中傾斜加熱區(qū)取代了圖2顯示的用于冷卻光纖芯13的退火管14。圖3中的各個(gè)標(biāo)記與圖2中的相同標(biāo)記表示同一結(jié)構(gòu)。帶有傾斜加熱區(qū)16的爐子的溫度最好保持在比拉伸爐10中單元內(nèi)的加熱器12更低的溫度，例如400到1800℃。該傾斜的爐子最好可以根據(jù)爐內(nèi)的區(qū)域變化溫度。
相反地，在圖4中顯示了沒有退火裝置的傳統(tǒng)的拉伸爐。圖4中的各個(gè)標(biāo)記與圖2中的相同標(biāo)記表示同一結(jié)構(gòu)。如果使用這種沒有退火裝置的拉伸爐，退火效果是不夠好的，并且SiO傾向于保留在光纖中，因此，氫擴(kuò)散后的1380nm波長范圍的損耗傾向于變高。
通過上述方法制造光纖后，光纖暴露在分壓為0.01大氣壓的氫氣中長達(dá)10天。其后，對氫擴(kuò)散后的損耗進(jìn)行測量。如果氫擴(kuò)散后1380nm波長范圍的損耗是0.35dB/km或更小，使用更寬的波長范圍進(jìn)行光通訊不存在問題，但是，如果氫擴(kuò)散后的1380nm波長范圍的損耗高于0.35dB/km，不可能實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的初始目標(biāo)。
上述制造方法生產(chǎn)的單模光纖示例如下所示。示例1制造出玻璃預(yù)制棒，表示芯部1直徑d和第一復(fù)層部分2直徑D的比的D/d是4.3，且第二復(fù)層部分3的OH濃度是0.1ppm或更少。其后，利用具有退火裝置的拉伸裝置，單模光纖通過拉伸形成。1380nm波長范圍的損耗為0.285dB/km。該值低于0.31dB/km；因此，1380nm波長范圍的損耗暫時(shí)滿足要求。另外，對氫氣實(shí)驗(yàn)后的1380nm波長范圍的損耗進(jìn)行測試。結(jié)果是，損耗為0.320dB/km。該值小于0.35dB/km；因此，作為示例1的最終結(jié)果，1380nm波長范圍的損耗滿足要求。示例2制造出玻璃預(yù)制棒，表示芯部1直徑d和第一復(fù)層部分2直徑D的比的D/d是4.9，且第二復(fù)層部分3的OH濃度是40ppm或更少。其后，利用具有退火裝置的拉伸裝置，單模光纖通過拉伸形成。1380nm波長范圍的損耗為0.308dB/km。該值低于0.31dB/km；因此，1380nm波長范圍的損耗暫時(shí)滿足要求。另外，對氫氣實(shí)驗(yàn)后的1380nm波長范圍的損耗進(jìn)行測試。結(jié)果是，損耗為0.341dB/km。該值小于0.35dB/km；因此，作為示例2的最終結(jié)果，1380nm波長范圍的損耗滿足要求。比較示例1制造出玻璃預(yù)制棒，表示芯部1直徑d和第一復(fù)層部分2直徑D的比的D/d是4.1，且第二復(fù)層部分3的OH濃度是0.1ppm或更少。其后，利用沒有退火裝置的拉伸裝置，單模光纖通過拉伸形成。1380nm波長范圍的損耗為0.292dB/km。該值低于0.31dB/km；因此，1380nm波長范圍的損耗暫時(shí)滿足要求。另外，對氫氣實(shí)驗(yàn)后的1380nm波長范圍的損耗進(jìn)行測試。結(jié)果是，損耗為0.359dB/km。該值高于0.35dB/km；因此，作為比較示例1的最終結(jié)果，1380nm波長范圍的損耗未滿足要求。比較示例2
制造出玻璃預(yù)制棒，表示芯部1直徑d和第一復(fù)層部分2直徑D的比的D/d是3.8，且第二復(fù)層部分3的OH濃度是0.1ppm或更少。其后，利用沒有退火裝置的拉伸裝置，單模光纖通過拉伸形成。1380nm波長范圍的損耗為0.320dB/km。該值高于0.31dB/km；因此，1380nm波長范圍的損耗暫時(shí)未滿足要求。另外，對氫氣實(shí)驗(yàn)后的1380nm波長范圍的損耗進(jìn)行測試。結(jié)果是，損耗為0.371dB/km。該值高于0.35dB/km；因此，作為比較示例2的最終結(jié)果，1380nm波長范圍的損耗未滿足要求。比較示例3制造出玻璃預(yù)制棒，表示芯部1直徑d和第一復(fù)層部分2直徑D的比的D/d是4.3，且第二復(fù)層部分3的OH濃度是35ppm。其后，利用沒有退火裝置的拉伸裝置，單模光纖通過拉伸形成。1380nm波長范圍的損耗為0.317dB/km。該值高于0.31dB/km；因此，1380nm波長范圍的損耗暫時(shí)未滿足要求。另外，對氫氣實(shí)驗(yàn)后的1380nm波長范圍的損耗進(jìn)行測試。結(jié)果是，損耗為0.365dB/km。該值高于0.35dB/km；因此，作為比較示例3的最終結(jié)果，1380nm波長范圍的損耗未滿足要求。
表1顯示了上面提到的示例中得到的結(jié)果。
表1


通過在上面說明的示例中顯示的單模光纖的制造方法，在包括芯部1和第一復(fù)層2的玻璃棒的外周面氣相沉積SiO2粒子構(gòu)成的第二復(fù)層而形成玻璃預(yù)制棒和對玻璃預(yù)制棒11進(jìn)行拉伸，制造出單模光纖。通過這種制造方法，可以極大地減少出現(xiàn)在芯部和復(fù)層之間，或第一復(fù)層2和第二復(fù)層3之間界面上的氣泡。還有，很容易對進(jìn)行氣相沉積的多孔預(yù)制棒脫氫，因此，能夠制成光纖，同時(shí)控制OH濃度。
還有，因?yàn)槲词褂霉璨ＡЧ?，不存在形成芯桿或復(fù)層的硅玻璃管的彎曲問題。因此產(chǎn)品產(chǎn)量增加，并可能以低制造成本生產(chǎn)單模光纖。
還有，制造出的玻璃預(yù)制棒，可使D/d值，如第一復(fù)層部分2直徑D和芯部1直徑d的比值在4.0到4.8的范圍，芯部1、第一復(fù)層部分2、第二復(fù)層部分3的OH濃度是0.1ppm或更少?？墒笵/d值，如第一復(fù)層部分直徑和芯部直徑的比值D/d＞4.8，芯部1和第一復(fù)層部分2的OH濃度是0.1ppm，而第二復(fù)層部分3的OH濃度是100ppm或更少。因此，可以限制1380nm波長范圍的初損耗小于0.31dB/km。而且，因?yàn)?380nm波長范圍的損耗峰值變小，光通訊可以使用波長范圍兩側(cè)的波長。
還有，因?yàn)榭梢詫鋽U(kuò)散后的1380nm波長范圍的損耗限制在0.35dB/km以下，可以低制造成本制造1380nm波長范圍低損耗的單模光纖。
還有，在拉伸過程中利用具有退火裝置的拉伸裝置進(jìn)行拉伸操作可以將SiO的產(chǎn)生限制在低水平，因此，可能提供1380nm波長范圍低損耗的單模光纖，具有長時(shí)期使用耐久性，即使發(fā)生氫從外面擴(kuò)散進(jìn)入。
還有，通過上述制造方法制成的單模光纖的初損耗是0.31dB/km或更小。因此，1380nm波長范圍的峰值可以很小，因此，可以使用峰值兩側(cè)的波長進(jìn)行光通訊。還有，可以將氫擴(kuò)散后的1380nm波長范圍的損耗限制在0.35dB/km或更小。因此，可以在1380nm波長范圍進(jìn)行光通訊，即使出現(xiàn)了氫擴(kuò)散的情況。
權(quán)利要求
1.一種制造單模光釬的方法，包括步驟形成具有芯部和第一復(fù)層的玻璃棒，所述第一復(fù)層的折射率低于所述芯部；在所述第一復(fù)層上氣相沉積形成第二復(fù)層；對包含所述第一和第二復(fù)層的所述玻璃棒進(jìn)行燒結(jié)產(chǎn)生玻璃預(yù)制棒；和對所述玻璃預(yù)制棒進(jìn)行拉伸產(chǎn)生光學(xué)纖維；其中，所述第一復(fù)層部分直徑D和所述芯部直徑d的比在4.0到8.0的范圍，所述芯部、所述第一復(fù)層、和所述第二復(fù)層的OH濃度是0.1ppm或更小。
2.一種制造單模光纖的方法，其包括步驟形成具有芯部和第一復(fù)層的玻璃棒，所述第一復(fù)層的折射率低于所述芯部；在所述第一復(fù)層上氣相沉積形成第二復(fù)層；對包含所述第一和第二復(fù)層的所述玻璃棒進(jìn)行燒結(jié)產(chǎn)生玻璃預(yù)制棒；和對所述玻璃預(yù)制棒進(jìn)行拉伸產(chǎn)生光學(xué)纖維；其中，所述第一復(fù)層部分直徑D和所述芯部直徑d的比大于4.8，所述芯部和所述第一復(fù)層的OH濃度不大于0.1ppm、所述第二復(fù)層的OH濃度不大于100ppm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的單模光纖的制造方法，其特征在于，1380nm波長范圍的初損耗不超過0.31dB/km，在氫擴(kuò)散后所述1380nm波長范圍的初損耗不超過0.35dB/km。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的單模光纖的制造方法，其特征在于，在所述拉伸工藝中，使用設(shè)有退火單元的拉伸裝置對所述玻璃預(yù)制棒進(jìn)行拉伸操作。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的單模光纖的制造方法，其特征在于，所述退火單元是設(shè)有傾斜加熱區(qū)和退火管的爐子。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的單模光纖的制造方法，其特征在于，在所述退火單元中，退火氣氛是空氣、氬氣、或二者的混合氣中的一種。
7.根據(jù)權(quán)利要求1到6中任一項(xiàng)所述制造方法制造的單模光纖。
全文摘要
一種光纖可通過在包括芯部(1)和第一復(fù)層(2)的玻璃棒外面氣相沉積SiO
文檔編號C03B37/029GK1421714SQ02154350
公開日2003年6月4日 申請日期2002年11月27日 優(yōu)先權(quán)日2001年11月29日
發(fā)明者布目智宏, 朽網(wǎng)寬, 齋藤學(xué), 岡田健志, 藤卷宗久, 原田光一 申請人:株式會社藤倉