專利名稱：光纖制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及制造光纖的方法，具體涉及改進的光纖預(yù)型件制造方法。
背景技術(shù)：
改進的化學(xué)蒸氣沉積(MCVD)方法是制造光纖廣泛采用的方法。在這種方法中，從上拉出光纖的預(yù)型件的制造包括玻璃加工機，在該機器中，用化學(xué)蒸氣沉積法使純玻璃或者玻璃灰形成在轉(zhuǎn)動管的內(nèi)部。在管子中沉積玻璃灰的方法可以高度控制化學(xué)沉積氣氛，因而可以控制預(yù)型件玻璃的成份、純度和光學(xué)質(zhì)量。具體是，構(gòu)成預(yù)型件中心部分或者芯的玻璃應(yīng)當具有最高純度和光學(xué)質(zhì)量，因為在此區(qū)域中承載大部分光纖中的光能。因此需要特別注意芯的生產(chǎn)狀態(tài)和特性。在先有技術(shù)中，特別關(guān)心的是，在芯的很中心部分眾所周知的折射率下降。這是一種主要由MCVD工藝塌縮步驟中所用的高溫形成的現(xiàn)象。這是由于在處理溫度下，Ge物種的不平衡升華造成的。這種升華耗盡了表面層的Ge，造成預(yù)型件很中心部分的折射率較低。如果這種折射率降低是一種原本很受控的預(yù)型件制造工藝中的變化源，或者如果這種下降涉及足夠大的光纖部分，大到足以損害光纖設(shè)計目標，則這不是一種要求的特性。
另外，除折射率分布改變外，氧通過塌縮表面的損失，增加了中心芯中缺氧Ge和Si缺陷(低價氧化物)格點的濃度。氧化硅和氧化鍺的化學(xué)計量式分別是SiO2和GeO2，在理想混合的玻璃例如摻Ge的石英玻璃中保持這種計量式。但是應(yīng)當明白，表達式SiO2和GeO2是指原子鍵合結(jié)構(gòu)，其中各個Si或者Ge原子鍵合四個O原子。各個O原子鍵合兩金屬原子(Si或者Ge)。因此，對于金屬和氧的比例，其摩爾比為1∶2，即SiO2和GeO2。稱為低氧化合物缺陷的分子式SiO和GeO是指原子鍵合結(jié)構(gòu)的變型，其中各個金屬原子(Si或者Ge)鍵合到低于四個O原子。
對于公開的發(fā)明重要的是，富含GeO缺陷(由于在塌縮處理中過度損耗氧造成的)的區(qū)域遠超過損耗Ge造成中心分布下降的區(qū)域。這兩種作用，即折射率下降和缺陷濃度增加是眾所周知的，并進行了各種努力，來消除這些作用。一個方法是，在工藝的最后階段，腐蝕管子內(nèi)部表面層，即損耗層。在降低折射率下降方面，這是相當成功的，但是在控制低氧化物缺陷濃度方面，則不是完全有效的。另一種方法是，重摻雜沉積的最后一層或多層，以補償損耗的鍺。在消除折射率下降方面，這僅僅是有限的成功，實際上，這促使Ge缺陷中心的形成。
MCVD方法廣泛用在工業(yè)領(lǐng)域中，已經(jīng)成為一種成功的或者可靠的工藝。但是如上所述，仍需要改進這種工藝的某些方面。本發(fā)明預(yù)定的改進涉及芯很中心部分的特性。
在文獻中已經(jīng)指出，在MCVD生產(chǎn)的光纖芯中，大的光損耗機理可能由固化和塌縮之后留在預(yù)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]在光纖曝露于氫或者電離輻射時，可以明顯看出，這種損耗機構(gòu)的存在。在玻璃灰沉積期間不足的氧供應(yīng)，促進了這種低氧化物缺陷的形成。在高溫處理玻璃期間，也可以產(chǎn)生這些缺陷。當在塌縮期間提高溫度時，這種缺陷既可以形成在純石英玻璃上，也可以形成在摻雜石英玻璃上，其濃度遵循典型的熱激活指數(shù)函數(shù)關(guān)系。然而，如果局部原子濃度不改變時，則在除去熱源，這些缺陷中的很多缺陷可以愈合。然而在靠近由塌縮桿內(nèi)徑形成的氣體-固體界面處，包含Ge和/或者O的動態(tài)原子或者分子亞群將永久不可逆地逸出玻璃。當O原子從玻璃表面射出時，它們將留下鍺的低價氧化物(GeO)和硅的低價氧化物(SiO)缺陷中心。
在塌縮的預(yù)型件中確認GeO缺陷是很直接的，因為這些缺陷受到紫外光照射時將產(chǎn)生熒光，GeO缺陷中心比SiO缺陷中心更容易地與分子氫發(fā)生反應(yīng)，形成具有強紫外線吸收中心的氫化物物種，該吸收中心在通信窗中具有很大的尾部。(引起過度損耗的假定機理細節(jié)不應(yīng)當解釋為對本發(fā)明的限制)。因此GeO缺陷最有可能最后造成光纖中的過度損耗。
發(fā)明概要為了降低MCVD工藝產(chǎn)生的GeO缺陷中心數(shù)目，在開始高溫塌縮步驟之前，作為玻璃沉積工藝的最后步驟，我們增加了非摻雜石英玻璃的緩沖層。該緩沖層最好是不摻雜的石英玻璃，因為Si的低價氧化物缺陷對長期光纖損耗增加的影響小于Ge低價氧化物缺陷產(chǎn)生的影響。形成最后層的作用有二點，該最后層是管子內(nèi)部的表面層。第一，在塌縮期間變成缺氧的表面層上，存在較少量的Ge摻雜物原子，因而降低了Ge缺陷中心形成的可能性。第二，又是更基礎(chǔ)的，緩沖層可以防止O、O2和GexOy直接擴散出沉積的摻Ge的石英玻璃。Ge原子仍能通過純石英玻璃區(qū)域擴散出摻Ge的區(qū)域，然后通過石英玻璃緩沖層的自由表面擴散出去，因此具有改變折射率分布的凈作用(然而由于固態(tài)擴散的固有緩慢性，該緩沖層減慢了這一過程達若干數(shù)量級)。最重要的是，玻璃中原子O的損耗(不管是作為O，還是作為O2，GexOy，SixOy，等)只能通過固體-氣體界面上的自由表面發(fā)生。這種凈結(jié)果是顯著降低GexOy的損耗，導(dǎo)致基本上消除中心折射率下降，并顯著降低摻Ge區(qū)域中氧的凈損耗，形成更少量鍺低價氧化物缺陷格點。相對于預(yù)型件芯其余部分的Ge量，該內(nèi)表面層輕度摻Ge(或者F)時，這種方法也是有效的。在此時應(yīng)當明白，Ge摻雜物種額定濃度的任何降低將降低，影響這種耗散機理的可能缺陷數(shù)目。對于折射率指數(shù)下降，加入石英層可以除去這種特性的變化性，即使不需要分布中心可重現(xiàn)地下降，大部分石英層可以在塌縮的后階段腐蝕掉，從而既避免在該區(qū)域的分布下降，并避免GeO缺陷的增加。
附圖的簡要說明

圖1是折射率兩階梯分布型的預(yù)型件折射率分布曲線，一條曲線沒有石英緩沖層，一條曲線有石英緩沖層，該緩沖層的厚度被極大地放大，超出本發(fā)明的需要。x軸的單位為毫米；圖2是階梯折射率類型的熒光分布曲線，一條曲線代表沒有石英緩沖層，一條曲線代表有花崗石緩沖層，該厚度上又極大地被放大，超出本發(fā)明的需要。此圖的x軸范圍(任意單位)包括圖1中x軸上-5和+5mm之間的范圍；圖3是示意圖，示出由本發(fā)明提出的缺陷形成機理；圖4是MCVD工藝的示意圖，示出在MCVD起始管的內(nèi)壁上沉積的高純玻璃；圖5是折射率隨徑向距離變化的代表性曲線，該徑向距離是離開常規(guī)先有技術(shù)預(yù)型件中心的距離，該圖示出典型的折射率分布；圖6是折射率隨徑向距離變化的代表性曲線，該徑向距離是離開預(yù)型件中心的距離，圖中示出本發(fā)明制造的預(yù)型件的折射率分布；圖7更詳細示出本發(fā)明處理的一部分預(yù)型件；圖8示出本發(fā)明加上的緩沖層對圖3所示缺陷機理的影響；圖9和10是示意圖，示出制造光纖預(yù)型件的管中桿的方法；圖11是示意圖，示出光纖拉伸裝置，該裝置可用來將本發(fā)明制造的預(yù)型件拉成連續(xù)長度的光纖。
詳細說明參考圖1，圖中示出折射率階梯分布型的兩條預(yù)型件折射率分布曲線。該光纖的中心階梯折射率芯表記為1。釘子形結(jié)構(gòu)表示個別的MCVD層，這些層顯示出特有的MCVD變化，從一定層外徑上的較高折射率變化到一定層內(nèi)徑上的較低折射率。這種結(jié)果是由于在燒結(jié)各個層時，鍺從沉積粒子表面的蒸發(fā)造成的。這種結(jié)果對于最內(nèi)層即最厚的標記為2的層，是最明顯的，在最內(nèi)層中，折射率的明晰漸次變化標記為3，從最大的約0.325％Δ變化到最小約0.225％Δ。標記為4的也稱為燒盡的技術(shù)人員熟悉的中心下降，是在塌縮步驟高溫期間，由于Ge通過空心MCVD芯管的內(nèi)表面的損耗而造成的。在另一分布中，最后的沉積層4可以用相當厚的石英層代替，即本發(fā)明的一個夸大的實施例。
圖2示出與圖1所示折射率分布相關(guān)的熒光分布。標準分布的最大熒光(實線)靠近預(yù)形件的中心線產(chǎn)生。重要的是，最大熒光區(qū)域超過燒盡區(qū)域。燒盡區(qū)域的存在表明，在高溫下，鍺通過內(nèi)塌縮表面而損耗。強熒光的存在證明在塌縮期間靠近MCVD桿內(nèi)表面外的氧損耗，該氧損耗按比例高于鍺單獨和自然導(dǎo)到燒盡的損耗。如果以GeO2的狀態(tài)損耗Ge是唯一發(fā)生過程，則不能期待增強的熒光。然而Ge可能作為GeOx而損耗，其中x大于2，因為Ge具有四個可用的化學(xué)鍵。x大于2的SiOx可能也從表面升華，也可能存在其他的損耗氧的機理。氧在內(nèi)表面(固體-液體界面)的耗盡引起深入沉積芯的[O]濃度梯度，超過[Ge]濃度梯度。凈結(jié)果是，在很靠近表面的區(qū)域中，Ge損耗導(dǎo)致繞盡，而O的耗盡更深入到預(yù)型件芯，產(chǎn)生大量熒光Ge低價氧化物缺陷。該低價氧化物缺陷可以在例如拉光纖期間與氫反應(yīng)，形成強烈吸收紫外線的GeH，并影響WDM信號帶的光損耗。虛線表示在塌縮表面上形成花石英層情況下熒光分布。
參考圖3，圖中示出在典型的MCVD工藝期間預(yù)型件內(nèi)表面的一部分11。應(yīng)當明白，上述圖3所示的機理和實際的例示說明機理可看作為缺陷形成過程自然現(xiàn)象的必要條件。這一過程的細節(jié)還沒有完全研究清楚。因此，圖3以及相關(guān)的說明不能以任何方式解釋為對本發(fā)明的限制。
在圖3中，靠近MCVD管-沉積物組合件的內(nèi)部塌陷表面的摻Ge層用編號11表示。在石英玻璃基體中Ge摻雜物的典型狀態(tài)表示為GeO2。在塌縮溫度(通常為2200-2300℃)下，GeO缺陷受到熱激活，用13標記。另外，在塌縮溫度下，Ge原子，不管是鍵合為GeO2還是GeO，均在一個大距離范圍內(nèi)擴散，形成濃度梯度。達到表面12的鍺例如摻雜物種14通過不嚴格表示為升華的過程將脫離該表面，留下Ge摻雜物相對耗盡的區(qū)域16。對形成低價氧化物缺陷很重要的是，O原子也通過塌縮管內(nèi)徑自由表面離開玻璃，該氧原子或者作為GeOx或者SiOx(x大于2)中氧原子或者其他一些分子中氧而離開，用編號17表示。盡管在區(qū)域11中Ge濃度降低，但是相對于其余的預(yù)型件芯，在這一區(qū)域中塌縮表面的較大部分的氧損耗增加了氧欠缺GeO格點百分率。這種狀態(tài)起著一種前體格點的作用，在同氫或者電離輻射相互作用時，這種前體格點便形成能夠直接吸收典型WDM信號波帶中能量的吸收格點O消除和降低這些前體缺陷格點是本發(fā)明的主要目的。
通過改進MCVD工藝，在玻璃沉積期的末尾形成緩沖層，我們達到了這一目的，如圖4所示。一般說來，MCVD工藝如圖4所示進行。起始管用21表示。用編號22示意表示的氧-氫焰，沿管子的外側(cè)長度來回移動，同時轉(zhuǎn)動管子。本發(fā)明范圍內(nèi)的等效方法可以用等離子源的熱量代替氧-氫焰。玻璃前體材料通常為SiCl4和摻雜物例如GeCl4，將這些前體材料用編號23表示，將其引入到管內(nèi)部。當玻璃前體達到高溫區(qū)域時，這些前體在火焰下游的管壁上形成如圖所示的玻璃灰沉積物24。當來回移動的火焰移動下游的高溫區(qū)域時，在同一次火焰通過時，該前體灰層燒結(jié)成玻璃。多次火焰通過便形成較厚的沉積物，并使得玻璃沉積物的組成隨距管心的距離而改變。在常規(guī)的MCVD工藝中形成一個或多個這些層，從而在預(yù)型件中形成折射率分布。MCVD工藝是眾所周知的，其細節(jié)在此不必進行說明，請參看例如J.B.Mac Chesney等的論文(“Preparation of Low Loss OpticalFibers Using Simultaneous Vapor Phase Deposition and Fusion”，XthInt.Congress on Glass，Kyoto，Japan(1973)6-40)，該論文已作為參考文獻包含在本文中。
為了進行說明，下面說明具有已知三個外包層結(jié)構(gòu)的典型預(yù)型件。在此說明中，可以利用MCVD形成改進的層。該外包層也可以用同樣的方法形成，但是在現(xiàn)有工藝水平中的MCVD工藝，可以采用已知的管中桿方法形成外包層，甚至內(nèi)改進層。應(yīng)當明白，上述的實施例是各種各樣的光纖預(yù)型件結(jié)構(gòu)的代表。本發(fā)明的目的在于形成預(yù)型件芯結(jié)構(gòu)，這種芯結(jié)構(gòu)可以用在這些預(yù)型件結(jié)構(gòu)中的任一種結(jié)構(gòu)。在很多情況下，本發(fā)明適用于芯桿的生產(chǎn)，該芯桿然后再插入到包覆管中，形成最后的預(yù)型件。
下面說明典型的完成加工的預(yù)型件。用預(yù)型件生產(chǎn)的光纖其折射率分布是預(yù)型件折射率分布的較小復(fù)制分布。在這些例中預(yù)型件折射擊率分布包括四個區(qū)域，這些區(qū)域是芯區(qū)、溝槽區(qū)、環(huán)形區(qū)和包層區(qū)。
該芯部由高折射率區(qū)域構(gòu)成，該區(qū)域從預(yù)型件的中心軸延伸到半徑a，歸一化的折射率差的徑向變化Δr遵從以下方程Δr＝Δ(1-(r/a)α)-Δdip((b-r)/b)γ(1)式中，r是徑向位置；如果Δdip＝0，Δ是在軸上歸一化折射率差；a是預(yù)型件芯的半徑；α是形狀參數(shù)；Δdip是中心下降深度。
參數(shù)Δdip、b和r，即分別為中心下降深度、中心下降寬度和中心下降形狀分別是MCVD生產(chǎn)方法的人為參數(shù)。
描述芯形狀的公式是由兩項之和組成，第一項一般控制整個形狀，并描述普通稱作為α輪廓的形狀。第二項描述位于中心折射率的降低(相對于α輪廓的降低)。該芯區(qū)域一般由摻鍺的石英構(gòu)成鍺的重量百分濃度在最大折射率位置小于10％，并沿半徑漸次變化，形成由方程(1)表示的形狀。
產(chǎn)生具有要求傳輸特性光纖的上述參數(shù)額定值是Δ＝50％，a＝3.51μm，α＝12，Δdip＝0.35％，b＝1.0μm，y＝3.0一般來講，這些參數(shù)的變化范圍在Δ＝0.30-0.70％；a＝2.0-4.5μm；α＝1-15溝槽區(qū)域是包圍芯區(qū)的環(huán)形區(qū)域，該溝槽區(qū)域的折射率比SiO2包層區(qū)比折射率小。在此區(qū)域中的折射率作為半徑的函數(shù)通常接近于常數(shù)，但不要求是平的。該溝槽區(qū)域一般由摻有適量氟和二氧化鍺的SiO2構(gòu)成，以便達到要求的折射率和玻璃缺陷量。
額定的溝槽參數(shù)是Δ＝-0.21％，寬度＝2.51μm一般說來，這些參數(shù)的變化范圍是Δ＝-0.25～-0.10％，a＝4.0-8.0μm
環(huán)區(qū)域是包圍溝槽區(qū)域的環(huán)形區(qū)域，該環(huán)區(qū)域的折射率大于SiO2包層區(qū)域的折射率，在該區(qū)域的折射率作為半徑的函數(shù)通常是常數(shù)，但是不要求是平的。該環(huán)區(qū)域一般由摻有適當量二氧化鍺的SiO2組成，以達到要求的折射率。
額定的環(huán)參數(shù)是Δ＝0.18％，寬度＝2.0μm一般說來，這些參數(shù)的變化范圍是Δ＝-0.10～-0.60％；a＝7.0～10.0μm包層區(qū)域是包圍環(huán)區(qū)域的環(huán)形區(qū)域，通常由不摻雜的SiO2組成。然而，在包層區(qū)域的內(nèi)部也可以有摻氟玻璃的附加區(qū)域、折射率和徑向尺寸適當?shù)母郊訁^(qū)域，以改進彎曲損耗特性。該包層區(qū)域一般延伸到62.5微米半徑。
圖5示出理想的預(yù)型件分布，這種分布是一般具有上述結(jié)構(gòu)預(yù)型件代表。圖中芯區(qū)用編號31表示，溝槽區(qū)域用編號32表示，環(huán)區(qū)域用編號33表示，而非摻雜的包層區(qū)用編號34表示。用虛線35表示特有的中心下降。如前所述，該中心下降是MCVD工藝的一種現(xiàn)象，不能看作為理想的特征。事實上，需要做出相當大的努力才能消除這種芯部下降。
相反，我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，如果芯部下降是由不摻雜的沉積緩沖層，或者輕度摻的石英層引起的，而且這種下降與芯的直徑相比不是太大，則特意形成的這種芯部下降是有利的。該緩沖層可以消除氧直接擴散出最后MCVD管的新?lián)诫s區(qū)域的可能性，由此可以降低上述缺陷低價氧化物。在圖6中用區(qū)域45表示緩沖層，在此實施例中，該緩沖層是不摻雜的石英層。該層45的厚度為了進行說明，而被放得很大。為了形成外擴散有效阻擋層的最小寬度，我們采用Nelson等的文獻，該文獻示出在大氣壓下典型的MCVD塌縮，這種塌縮可以盡量增大預(yù)型件芯中的氧擴散[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]。在該文獻中約4mm2的預(yù)型件橫截面積顯示出與GeO格點相關(guān)的增強熒光。在普通工業(yè)單模預(yù)型件中，4mm2的面積將轉(zhuǎn)變成拉出光纖中約1微米半徑的芯。這種折射率分布的變化盡管很大，但是可以看作為是光纖結(jié)構(gòu)的微擾(不是質(zhì)的變化)，除光纖損耗(例如色散、截止波長)外，通過調(diào)節(jié)其他部分的光纖分布，可以補償它對其它光學(xué)特性的影響。圖7示出MCVD沉積之后和塌縮之前MCVD管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，圖中外包層用層51表示，環(huán)層用52表示，溝槽層用53表示，芯層用54表示，而緩沖層用55表示。在說明本發(fā)明時，明顯的特征是，不摻雜的或者輕度摻雜的石英層是在塌縮之前沉積在MCVD管內(nèi)部的最后層。如果最后層55是輕度摻雜的，則其摻雜量小于與最后沉積層相鄰一層即芯層54的摻雜量。在通常情況下，在表面上的摻雜量即最后部分緩沖層55的摻雜量小于芯層摻雜量的50％?；蛘?，這種摻雜量可以規(guī)定為相對Δ或者％Δ(＝(nbuffer layer-nSiO2)/nSiO2)小于0.05％。在一些情況下，要求漸次變化緩沖層中的摻雜量，從芯層54的摻雜量變到0，或者接近于0。為了確定這一特征，將上述摻雜量漸次變化的緩沖層稱為具有反向漸次變化摻雜量(a retro-gradeddoping level)的緩沖層。
按照本發(fā)明的作用特征，要求具有LP01模即主信號模的電場，該電場在光纖芯的中心線具有最大。
技術(shù)人員可以明顯看出，實施本發(fā)明是很簡單的，只需在臨近沉積工藝結(jié)束時，簡單地切斷或者降低GeCl4氣流量。
在完成MCVD玻璃灰沉積和固化時，利用已知的技術(shù)例如將管子加熱到玻璃軟化溫度即大于2000-2400℃，使管子塌縮，從而利用玻璃管的表面張力慢慢使管的直徑縮小，在多次通過火焰之后，最后得到要求的實心桿。在常規(guī)工藝中，形成上述大部分缺陷正是發(fā)生在這一步驟期間。
圖8示意示出緩沖層對缺陷形成過程的影響，該圖應(yīng)當與圖3相比較，在圖8中，外加的緩沖層用編號55表示。其作用是使固體-氣體界面(在該界面上可以失去氧原子)移離摻鍺的區(qū)域54，并急劇減慢熱激活物種射出摻雜區(qū)域54。用編號52表示的相當少量摻雜物擴散進行緩沖層。
從圖8可以看到，對層55要求的優(yōu)選厚度應(yīng)等于停留在最后摻雜層(圖7中的54)表面的摻雜物例如14的擴散長度。該長度可以用已知的擴散數(shù)據(jù)計算出來。因為造成缺陷的大部分擴散發(fā)生在塌縮期間，所以可以應(yīng)用塌縮操作匯聚的大量高溫物種來預(yù)測最大的擴散長度。然而由于在隨后來回移動加熱部件期間，MCVD管內(nèi)表面局部區(qū)域的溫度變化很大，所以較好的方法是用經(jīng)驗法來確定擴散長度。然而如上所述，任何大厚度層例如1微米的層將會在一定程度上降低摻雜物的向外擴散。因此，這一厚度值被看成緩沖層厚度的實際下限。
在可能的范圍內(nèi)，通常需要使緩沖層的厚度和摻雜物的擴散長度大致匹配。這樣便容易產(chǎn)生類似于圖5所示的分布以及特有的芯部下降。然而即使在工藝結(jié)束時，芯部下降分布看起來類似，但是它們可能由不同的方法形成，并且表面玻璃具有不同的經(jīng)歷。在圖5的常規(guī)情況下，摻雜物從玻璃內(nèi)表面向外擴散或者損耗便產(chǎn)生這種下降。在本發(fā)明的方法中，中心芯部下降的分布代表摻雜物種的內(nèi)擴散，例如從圖7的層54擴散到層55。在后一種情況下，這種摻雜物的損耗可以降到最小。
如果需要，可以沉積比上述厚度大得多的層，較厚的層同樣有效。在兩種情況下，在塌縮的后階段期間，工藝中的選擇性步驟將腐蝕MCVD管的內(nèi)表面。可以大部分摻雜物向外擴散后(即固化期間)的工藝階段，用這種后腐蝕步驟來除去至少部分緩沖層。在先有技術(shù)中，通常在MCVD工藝塌縮期間進行腐蝕方法是，通常在存在O2的情況下，加入含氟的物質(zhì)例如C2F6，SF6或者SiF4。
在一些光纖設(shè)計中，不需要芯部下降大的分布(見圖6)，在這些情況中的一些情況下，需要漸次變化的芯部下降。這是容易作到的，方法是慢慢降低最后沉積層的摻雜量。由于摻雜物從最后沉積層擴散到緩沖層，所以通常均會發(fā)生一些漸次變化。在這些條件下，最后的分布將類似于圖5的分布。原理上，可以精確控制預(yù)型件的溫度經(jīng)歷，并準確選擇緩沖層的厚度，采用這種方法，可以形成分布很接近于沒有緩沖層得到的分布的這種預(yù)型件。主要差別是，具有緩沖層的預(yù)型件其光學(xué)特性相對地缺少上述缺陷。
用MCVD方法生產(chǎn)的光纖，由于實施本發(fā)明而得到的所有有利之點同樣可以在用等離子CVD或PCVD方法生產(chǎn)的具有芯的光纖上實現(xiàn)。在這些方法中，像MCVD，材料沉積在襯底管的內(nèi)部，使得芯的外層首先沉積，最后沉積最內(nèi)層(光纖的中心線)。等離子體CVD是一種理想的化學(xué)蒸氣沉積工藝，其中要求的材料直接沉積在底襯上，和MCVD工藝不一樣，在MCVD中，顆粒物形成在氣相中，然后再沉積在底襯上，并在隨后的步驟中被燒結(jié)。盡管存在差別，但是兩種方法產(chǎn)生空心芯，這種空心芯必須在高溫操作下進行塌縮，以便形成實心桿。二種方法均容易損耗Ge，造成中心下降以及氧的凈損耗，從而形成可能影響光纖損耗的鍺低價氧化物缺陷。因此，對于PCVD光纖，像對MCVD光纖一樣，加上新的石英緩沖層將具有所有相隨的優(yōu)點。
本發(fā)明也適用于外部蒸氣沉積工藝(OVD)，因為在此工藝中也需要塌縮步驟。在OVD制造的光纖中，包括最近時期制造的光纖中，分布的中心下降也是眾所周知的問題；可以看出，仍然伴隨著形成GeO缺陷，如上所述。在OVD方法中，制造芯的方法是將石英和摻雜的石英玻璃灰沉積在芯軸上，隨后進行脫水和固化。留下具有中心孔的燒結(jié)玻璃體。作為最后步驟，必須塌縮該芯，或者在拉光纖步驟之前塌縮，或者在拉光纖步驟期間塌縮。如果在OVD工藝中，首先沉積上述石英緩沖層，使得它形成芯的最內(nèi)層，即在塌縮期間的露出表面，則這種緩沖層可以起到類似于上述MCVD工藝中的有利作用。OVD和MCVD(或者PCVD)之間的原理差別是，對于OVD，可以更加確定Ge擴散到石英緩沖層中，因為在存在Cl2時，在脫水操作期間，擴散是更為容易的。這可能增加石英層的摻雜物量，并增加鍺低價氧化物缺陷，然而仍然可以得到本發(fā)明的大部分優(yōu)點。
本發(fā)明利用MCVD(或者PCVD或者OVD)來形成整個預(yù)型件是有效的，或者本發(fā)明可利用管中桿方法、OVD方法、VAD方法或者等離子體外部噴涂方法來形成芯桿。管中桿方法是本發(fā)明的優(yōu)選實施例。下面結(jié)合圖9和10說明典型的管中桿方法。應(yīng)當明白，這些圖沒有必要按比例畫出。代表工業(yè)上實用尺寸特征的包套管其典型的長度直徑比為10-15。芯桿92在圖中被插入到包套管91。對于芯桿的成份有若干普通的選擇。然而在實施本發(fā)明時，該芯桿具有上摻雜的(up-doped)例如摻鍺的芯區(qū)域。相鄰的包層區(qū)域可以是純石英包層區(qū)域，或者該區(qū)域是下?lián)诫s的(down-doped)包層區(qū)域。這些選擇性、很多變化和精心的制作在這種技術(shù)中是周知的，因此在此圖中不再進一步說明。
在組合桿92和管91之后將管塌縮在桿上，產(chǎn)生最后的預(yù)型件93，如圖10所示，除較小的折射率差別外，芯桿94和包套管沒有什么差別。制造預(yù)型件的其他細節(jié)和管中桿方法在2002年3月14日提出的美國專利申請No.10/366,888中已進行說明，該申請已作為參考文獻包含本文中。
在標準管中桿方法的各種有用變型中，可以用MCVD芯桿作沉積灰的底襯。這樣可以用積灰方法沉積包層或者局部的包層。
雖然上述MCVD工藝采用焰炬和混合的氫和氧燃料，但是在這些工藝中，還可以采用等離子炬或者電熱爐。另外，還可以用除氫氧炬外的燃氣炬。
然后使用上述的光纖預(yù)型件拉光纖。圖11示出用預(yù)型件101拉光纖的裝置和接收器102，該接收器代表爐子(未示出)，該爐子用來軟化玻璃預(yù)型件和起動光纖的拉出。拉出的光纖表示為103。然后使新拉出的光纖表面穿過總的用編號104表示的涂層杯，該杯具有包含涂層預(yù)聚合物106的室85，涂上液體的光纖穿過模具111從涂層室拉出。該模具111與預(yù)聚合物的流體動力學(xué)特性相結(jié)合可以控制涂層厚度。然后使涂有預(yù)聚合物的光纖114暴露于紫外燈115，以便固化該預(yù)聚合物，完成涂層工藝。如果適合，也可以采用其他固化輻射光。涂層固化的光纖然后由卷線盤117卷起來。該卷線盤控制光纖的拉絲速度，該拉制速度通常在1-35m/s范圍內(nèi)。重要的是，光纖應(yīng)定中在涂層杯中，特別是要定中在出口模具111中，以保持光纖和涂層的同心性。工業(yè)用裝置通常具有控制光纖準直的托輥。在模具中的液壓有助于定中光纖。由微步進分度器(未示出)控制的步進馬達控制該卷線盤。
光纖的涂料通常是尿烷、丙烯酸酯，或者尿烷-丙烯酸酯，再加上紫外光光源。圖11所示的裝置具有單一涂層杯，但是普通采用具有雙涂杯的雙涂層裝置，在雙涂層光纖上，典型的初次或者內(nèi)部涂層材料是軟的低模量材料，例如硅酮、熱溶石蠟或者具有相對低模量的許多聚合物材料中的任一種材料。第二或者外層涂料是高模量聚合物，通常為尿烷或者丙烯酸衍生物。在工業(yè)常規(guī)中，兩種材料是低模量和高模量的丙烯酸酯。涂層厚度其直徑通常在150-300微米之間，約240-250微米是標準的。
先有技術(shù)中存在光纖結(jié)構(gòu)，在這種結(jié)構(gòu)中，關(guān)鍵特征是，在靠近光纖中心線附近存在折射率局部最小的區(qū)域。這些結(jié)構(gòu)可以使用折射率的中心線值，該值可以大于、等于或者小于外包層玻璃(名義上的純石英)的值，而周圍環(huán)的較高折射率主要負責形成光波導(dǎo)。這些結(jié)構(gòu)有時稱為“共軸電纜結(jié)構(gòu)”或者“環(huán)形結(jié)構(gòu)”，通常由于將光能推離光纖中心線而形成大的有效面積。相反，本發(fā)明在處理芯材料時，采用石英緩沖層來提高玻璃的光學(xué)質(zhì)量。本發(fā)明與共軸電纜結(jié)構(gòu)或者環(huán)形結(jié)構(gòu)的另一差別在于，對光纖光傳輸特性的任何影響一般很小，約為10％或者更小。一般說來，如果沒有在塌縮的最后階段腐蝕除去，并保留在預(yù)型件中，則緩沖層在最后光纖中的直徑小于1微米，更好小于0.5微米，最好小于0.25微米。對于給定波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，在存在或者不存在石英(或者輕度摻雜的石英)緩沖層時，通過少量調(diào)節(jié)其他結(jié)構(gòu)參數(shù)例如圖3和4所示特征寬度和折射率值，可以得到很相似的特性。
還可以采用這種方法來消除多模光纖制造中不需要燒蝕影響。其中光纖的帶寬嚴格地取決于芯α形狀(見前面的定義)的準確控制。在先有技術(shù)中的一個方法基于在塌縮期間腐蝕除去中心下降區(qū)。雖然這種方法在消除中心下降區(qū)域或者燒蝕區(qū)域是有效的，但是它不能解決缺陷和相關(guān)損耗增加的問題。多模光纖具有高Δ(1-2％Δ)的芯，并且自然地允許大量GeO缺陷。在850nm窗口中通常也采用多模光纖，和近1550nm的單模光纖傳輸情況相比，多模光纖更靠近GeH的紫外共振帶。
技術(shù)人員可以想出本發(fā)明各種其他的變型。在說明的和要求的本發(fā)明的范圍內(nèi)，應(yīng)當適當考慮與具體技術(shù)規(guī)格的所有差別，這些差別基本取決于原理和使這種技術(shù)取得進步的等效部件。
權(quán)利要求
1.一種制造光纖的方法，包括(a)制備光纖預(yù)型件；(b)加熱該預(yù)型件到軟化溫度；(c)從該預(yù)型件拉出光纖；本發(fā)明的特征在于，該光纖預(yù)型件用以下方法形成(i)在起始管的內(nèi)側(cè)形成摻雜的芯層，該芯層具有摻雜量L；(ii)在摻雜的芯層上形成緩沖層，該沉積的緩沖層其摻雜量為L′，L′＜L；(iii)塌縮該管，制成實心的玻璃圓柱體。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，摻雜量L′接近于0。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在緩沖層中的摻雜量是反向漸次變化的。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，L′＜L的50％。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，L′的Δ＜0.05％。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在光纖的中心線，LP01電場具有最大值。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，該實心玻璃圓柱體是桿，該方法還包括將該桿插入到包套管中，并將該管塌縮在該桿上，形成預(yù)型件。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，該實心玻璃圓柱體是桿，該方法還包括在該桿上形成外包層的步驟，方法是將玻璃沉積在桿上。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，緩沖層的厚度大于1μm。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，緩沖層的厚度在2-100μm之間。
11.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在最后光纖中存在緩沖層可使波長1550nm的色散、色散斜率、有效面積和模電場直徑組成的光傳輸特性中各個特性的變化小于10％。
12.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，該預(yù)型件用MCVD制造。
13.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，該預(yù)型件用PCVD制造。
14.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，還包括在塌縮管之前腐蝕緩沖層的外加步驟。
15.一種制造光纖預(yù)型件的方法，包括(a)在起始管的內(nèi)側(cè)形成摻雜的芯層，該芯層的摻雜量為L；(b)在摻雜的芯層上形成緩沖層，該緩沖層其摻雜量為L′，L′＜L；(c)塌縮該管，形成實心的玻璃圓柱體。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，摻雜量L′約為0。
17.如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，L′＜L的50％。
18.如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，緩沖層的厚度2-100μm之間。
19.一種制造光纖的方法，包括(a)用OVD制造光纖預(yù)型件；(b)將該預(yù)型件加熱到軟化溫度；(c)用該預(yù)型件拉出光纖；本發(fā)明的特征在于，該光纖預(yù)型件采用以下方法形成(i)在芯軸上形成緩沖層，該緩沖層的摻雜量為L′；(ii)在該緩沖層上形成摻雜的芯層，該摻雜的沉積芯層其摻雜量為L，L′＜L；(iii)取出該芯軸，留下管；(iv)塌縮該管，形成實心的固體玻璃圓柱體。
全文摘要
本發(fā)明說明一種處理光纖芯中心區(qū)缺陷的方法，這些缺陷在高溫操作步驟期間形成，這些操作步驟是塌縮由MCVD、PCVD或者OVD方法制造的空心芯。這些缺陷形成吸收中心，并損害光纖的光傳輸特性。按照本發(fā)明，可以減少或者消除這些缺陷，方法是，在塌縮之前形成作為最后沉積層的緩沖層。該緩沖層是不摻雜的或者輕度摻雜的，構(gòu)成一種擴散阻擋層，從而可以防止或者減慢氧化物玻璃化學(xué)劑量成份的變化。結(jié)果是，在塌縮期間，更小量的摻雜物和氧原子從芯層通過自由表面擴散出去，從而造成較少的缺陷和較小的光纖衰減。
文檔編號C03B37/02GK1715226SQ20051007869
公開日2006年1月4日 申請日期2005年6月28日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月29日
發(fā)明者G·貝納姆, P·F·格洛迪斯, 小羅伯特·林格爾 申請人:古河電子北美公司