專(zhuān)利名稱(chēng)：光纖預(yù)制件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光纖，更具體地說(shuō)涉及這樣一種光纖預(yù)制件，它能夠避免增加在單模光纖預(yù)制件的制備和拉制過(guò)程中出現(xiàn)的光損耗，并且提高光傳輸效率，本發(fā)明還涉及其制造方法。
如在本領(lǐng)域中已知的那樣，光纖大致可分為兩類(lèi)，一類(lèi)是具有均勻折射率的纖芯的光纖，如單模光纖或多模光纖，另一類(lèi)是具有不一致分布的折射率的纖芯的漸變折射率光纖。其中多模光纖主要用于中程通信或短程通信，而單模光纖則用于遠(yuǎn)程通信。
有三種方法來(lái)制造單模或多模光纖預(yù)制件，即外氣相沉積(OVD)、軸向氣相沉積(VAD)和改進(jìn)的CVD(MCVD)。其中MCVD法具有一些優(yōu)點(diǎn)，即由于它在密封管中進(jìn)行預(yù)制，所以雜質(zhì)材料很少進(jìn)入，并且由于非常薄的玻璃膜相互沉積，所以能夠很容易地控制折射率的精確分布。因此上述方法中，MCVD法的使用量占60％以上。
下面將參照

圖1描述根據(jù)上述MCVD法的光纖預(yù)制件的制造方法。
參照?qǐng)D1，在玻璃板上形成先制備的襯底管2(以下稱(chēng)為“第一襯底管2”)，然后將它按箭頭所示方向轉(zhuǎn)動(dòng)。第一襯底管2屬于光纖的一個(gè)包層。此外，透明的石英玻璃主要用作第一襯底管2，并且管2的內(nèi)徑大約是26mm。原料氣體如SiCl4、POCl3、BCl3和GeCl4以及O2氣通過(guò)原料氣體提供系統(tǒng)4進(jìn)入第一襯底管2，第一襯底管2被采用O2氣和H2氣作為燃燒材料的加熱燃燒器8加熱。加熱燃燒器8根據(jù)移動(dòng)加熱燃燒器的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制，沿右或左方向運(yùn)動(dòng)，以便普遍進(jìn)行加熱。其結(jié)果，化學(xué)氣體的顆粒形成在第一襯底管2中，并且立即被真空沉積。通過(guò)這種真空沉積，在第一襯底管2的內(nèi)側(cè)形成被沉積的玻璃10，如圖1中的虛線(xiàn)所示。被沉積的玻璃10由包層和纖芯層構(gòu)成。通過(guò)真空沉積，首先在管2中沉積具有恒定厚度的包層，然后在包層內(nèi)沉積具有高折射率的纖芯層。包層用來(lái)防止管2中的羥基和金屬雜質(zhì)離子由于真空沉積期間的高溫?cái)U(kuò)散進(jìn)纖芯層中。如果羥基和金屬雜質(zhì)離子擴(kuò)散進(jìn)纖芯層中，那么具有這種纖芯層的光纖將引起光的吸收損耗。
接下來(lái)，在形成具有被沉積的玻璃10的第一襯底管2以后，不再?gòu)奶峁┫到y(tǒng)4中的蒸氣輸送系統(tǒng)6輸送原料氣體，并且繼續(xù)加熱管2，提供Cl2和O2或He。其結(jié)果由于管的熱膨脹作用，管2中的空間逐漸減小，于是空間的兩側(cè)相互接觸，形成作為光纖預(yù)制件的無(wú)空間襯底管。這之后，通過(guò)MCVD法制備的光纖預(yù)制件在本發(fā)明中被稱(chēng)為“第一光纖預(yù)制件”。
由于預(yù)制件的體積隨著其直徑的增大而增大，因此光纖的拉制長(zhǎng)度也變得更長(zhǎng)，從而光纖的總體制造時(shí)間進(jìn)一步縮短。這樣便改善了光纖的成批生產(chǎn)。
作為一種使光纖預(yù)制件的直徑擴(kuò)展的已知方法，即對(duì)通過(guò)MCVD法制備的第一光纖預(yù)制件做外包層(或外套)的方法。韓國(guó)專(zhuān)利第25712號(hào)的申請(qǐng)中具體公開(kāi)了這一方法，該專(zhuān)利是本申請(qǐng)人于1993年遞交的。假如對(duì)光纖預(yù)制件進(jìn)行外包層，那么設(shè)計(jì)者必須考慮光纖預(yù)制件的包層厚度和外包層的包層厚度，以適當(dāng)比例確定纖芯厚度。下面將對(duì)光纖預(yù)制件的外包層法作簡(jiǎn)要說(shuō)明。
把第一光纖預(yù)制件引入第二襯底管，第二襯底管的直徑比第一光纖預(yù)制件的直徑大。例如，第二襯底管的內(nèi)徑是21mm，外徑是41mm。通常第二襯底管的物質(zhì)材料與第一光纖預(yù)制件的相同。接下來(lái)，通過(guò)加熱燃燒器將第二襯底管加熱到大約2000℃。同時(shí)利用真空泵將第一光纖預(yù)制件和第二襯底管之間的空氣抽出。其結(jié)果，第二襯底管固定到第一光纖預(yù)制件上。最終制成的光纖預(yù)制件具有圖2A和圖2B所示的結(jié)構(gòu)，并用于光纖的拉制處理。圖2A是最終的光纖預(yù)制件28的剖視圖，圖2B是其透視圖。
參照?qǐng)D2A和2B，參考號(hào)10是利用MCVD法形成的沉積層，它由纖芯和包層組成，參考號(hào)2是用于MCVD法中并屬于包層A的第一襯底管(如圖1所示)。參考號(hào)20是在外包層時(shí)使用并屬于包層B的第二襯底管。參考號(hào)22是包層2和20之間的界面，稱(chēng)為外套表面。
第一襯底管2的包層2和第二襯底管20的包層20采用具有相同的物質(zhì)性質(zhì)(如導(dǎo)熱率或粘度系數(shù))的透明石英玻璃。與合成石英玻璃相比，這種透明的石英玻璃價(jià)格和純度相對(duì)較低。
然而，由具有相同物質(zhì)等級(jí)的第一和第二襯底管構(gòu)成的最終的光纖預(yù)制件28引起了光損耗，具體地說(shuō)是拉制處理期間的瑞利散射損耗。如同在本領(lǐng)域中已知的那樣，瑞利散射損耗是由于以下原因造成的(i)纖芯和包層之間界面中的不均勻性，(ii)纖芯中的GeO成分的不均勻性，以及(iii)根據(jù)波長(zhǎng)的折射率的變化。
在與最終的光纖預(yù)制件28相同的材料和與預(yù)制件28相同的拉制的條件下，下面將要說(shuō)明的光纖的拉制處理引起了光損耗。
光纖的拉制處理將參照?qǐng)D3予以說(shuō)明。圖3是表示拉制步驟的框圖。
如圖3所示，通過(guò)預(yù)制件定位控制器42將最終的預(yù)制件28緩慢地送入加熱爐中。然后，最終的預(yù)制件28被加熱到幾千℃，最好在大約2250℃至2300℃之間。通過(guò)這一加熱處理，從最終的預(yù)制件28拉制出光纖。拉制力來(lái)自驅(qū)動(dòng)輪38，并施加到未涂附的光纖。直徑檢測(cè)器32檢測(cè)來(lái)被沉積的光纖的直徑是否等于預(yù)定直徑，例如125μm。來(lái)自直徑檢測(cè)器32的檢測(cè)信號(hào)施加到直徑控制器44，直徑控制器44使得未涂附的光纖的直徑保持在125μm。在直徑控制器44的控制下，驅(qū)動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)，控制光纖的拉制力(拉力)。在第一和第二涂附單元34和36中，將要下落的光纖在冷卻狀態(tài)的條件下用涂附的聚合物材料進(jìn)行涂附。被涂附的光纖通過(guò)驅(qū)動(dòng)輪38的拉力拉伸，并通過(guò)收取裝置40卷繞。驅(qū)動(dòng)輪38的旋轉(zhuǎn)速度大約是20米/秒，并具有相對(duì)高的光纖拉制速度。
在上述拉制處理中，瑞利散射損耗是由光纖的拉制條件確定的，具體地說(shuō)是溫度、速度和拉伸。例如，高溫和低拉伸力使得瑞利散射損耗和UV吸收損耗增加。提供驅(qū)動(dòng)輪38的拉伸力和加熱爐30中的溫度用以形成如圖4中的參考號(hào)48所示的頸狀收縮區(qū)，它在從最終的預(yù)制件的截面減小部分開(kāi)始到未涂附的光纖的拉伸部分的范圍內(nèi)。頸狀收縮區(qū)48的形成是由于玻璃的軟化點(diǎn)。玻璃具有恒定的軟化點(diǎn)，例如在透明的石英管中小于大約1750℃，而在合成石英管中小于大約1600℃。如果玻璃周?chē)臏囟却笥诤愣ǖ能浕c(diǎn)，那么玻璃從固態(tài)變到液態(tài)，并且粘度降低。在這種狀態(tài)下，由于自身的重力和拉伸力，狀態(tài)改變的玻璃下落，形成如圖4所示的頸狀收縮區(qū)48。
在頸狀收縮區(qū)48，光纖的外徑大約是125μm，纖芯被加熱到最高溫度。由于第一和第二石英管在最終的預(yù)制件中具有相同的物質(zhì)特性，所以頸狀收縮區(qū)的變化是很?chē)?yán)重的。頸狀收縮區(qū)中嚴(yán)重變化的情況是在施加到包層外側(cè)的溫度等于施加到纖芯內(nèi)側(cè)的溫度時(shí)出現(xiàn)的。在光纖的拉制處理中，圖2的最終的預(yù)制件在接近纖芯中軸的包層2中的溫度比包層20中的溫度要低。然而，由于包層2和20之間的溫差并不顯著，所以造成了頸狀收縮區(qū)的嚴(yán)重變化。根據(jù)頸狀收縮區(qū)的嚴(yán)重變化，纖芯或包層的折射率改變，導(dǎo)致由光傳輸效率損失引起的瑞利散射損耗增加。因此在圖2的最終的預(yù)制件28中，由于頸狀收縮區(qū)的嚴(yán)重的變化，瑞利散射損耗增加了。
此外，由于光纖拉制期間加熱爐的高溫(即大約2150℃)，纖芯的使得反射率增加的主要成分具體說(shuō)是GeO被離子化，于是GeO分布不均勻，增加了瑞利散射損耗。
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種光纖預(yù)制件和制造該光纖預(yù)制件的方法，以便制造具有良好的光傳輸效率的單模光纖。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種光纖預(yù)制件和制造該光纖預(yù)制件的方法，以便制造能夠降低瑞利散射損耗的單模光纖。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，一種制造光纖預(yù)制件的方法包括以下步驟形成具有第一導(dǎo)熱率的第一石英管，所述第一石英管用作包層；通過(guò)對(duì)所述第一石英管進(jìn)行加熱將纖芯層和包層沉積到所述第一石英管的內(nèi)側(cè)，形成初步的預(yù)制件；形成具有低于所述第一導(dǎo)熱率的第二導(dǎo)熱率的第二石英管；以及通過(guò)加熱將所述第二石英管包到所述初步的預(yù)制件上，制造所述光纖預(yù)制件。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，具有纖芯和包圍所述纖芯的包層的光纖預(yù)制件包括接近所述光纖預(yù)制件的中軸的所述包層具有最高的導(dǎo)熱率，并且所述導(dǎo)熱率從所述預(yù)制件的中軸向外圓周按一定的變化率逐漸降低。
通過(guò)參照以下附圖，本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員將對(duì)本發(fā)明有更好的理解，本發(fā)明的目的也將變得非常清楚。附圖中圖1.是表示根據(jù)常規(guī)的改進(jìn)的化學(xué)氣相沉積法制備光纖預(yù)制件的處理步驟的示意圖；圖2A是表示采用圖1所示的拉制處理法得到的最終的光纖預(yù)制件的剖視圖；圖2B是表示圖2A所示的最終的光纖預(yù)制件的透視圖；圖3是表示光纖拉制裝置結(jié)構(gòu)的示意圖；圖4表示最終的預(yù)制件的頸狀收縮區(qū)；圖5A至5C是表示最終的預(yù)制件的導(dǎo)熱率和溫度之間關(guān)系的圖；圖6是表示透明石英管和合成石英管的粘度系數(shù)與溫度之間關(guān)系的圖；以及圖7是表示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例制備的最終的預(yù)制件的剖視圖。
在題為“氟對(duì)由拉制引起的光纖損耗的影響”的OFC’94技術(shù)文摘的文中，揭示了通過(guò)將氟擴(kuò)散進(jìn)纖芯來(lái)降低瑞利散射損耗的技術(shù)。氟略微依賴(lài)于纖芯中的拉制溫度并且作為防止纖芯中GeO2離子化的元素。
根據(jù)本發(fā)明，為了防止纖芯中GeO2離子化，接近光纖中軸的包層具有最高的溫度，并且根據(jù)離開(kāi)中軸的距離使包層的導(dǎo)熱率下降。其結(jié)果，光纖拉制處理期間提供給纖芯的溫度較低，因此可以避免GeO2從纖芯中分離。
根據(jù)本發(fā)明物質(zhì)特性的分布使得纖芯的溫度降低，于是防止了光損耗的增加。
在本發(fā)明的第一實(shí)施例中，采用物質(zhì)特性值不同的兩種石英管形成最終的預(yù)制件。第二石英管的包層20是由導(dǎo)熱率比第一石英管的包層2低的物質(zhì)制成的。由于導(dǎo)熱率實(shí)際上與粘度系數(shù)成反比，所以包層20比包層2的粘度系數(shù)高。這一關(guān)系可以表示如下K包層2＞包層20μ包層2＜包層20其中，K是導(dǎo)熱率，μ是粘度系數(shù)。
其結(jié)果，本發(fā)明的最終的光纖預(yù)制件28中物質(zhì)特性的值滿(mǎn)足圖5A、5B和5C所示的曲線(xiàn)F。
圖5A-5C表示根據(jù)最終的預(yù)制件28的物質(zhì)特性值，如導(dǎo)熱率和粘度系數(shù)，纖芯溫度的變化。在圖5A-5C中，橫軸表示最終的預(yù)制件的半徑，r0是其中軸，r1是從中軸到被沉積的纖芯的半徑，r2是從中軸到被沉積的包層的半徑，r3是從中軸到包層2的半徑，r4是從中軸到包層20的半徑。
假如圖5A所示的最終預(yù)制件28的第一和第二石英管2和20具有與常規(guī)的石英管相同的物質(zhì)特性，那么預(yù)制件28的截面區(qū)域具有如圖5B和5C中曲線(xiàn)E所示的導(dǎo)熱率和溫度分布。
假如第一和第二石英管2和20具有根據(jù)本發(fā)明的物質(zhì)特性，這就是說(shuō)，第一石英管2的導(dǎo)熱率K大于第二石英管20的導(dǎo)熱率，并且第一石英管2的粘度系數(shù)不大于第二石英管20的粘度系數(shù)，那么預(yù)制件28的截面區(qū)域具有如圖5B和5C中曲線(xiàn)F所示的導(dǎo)熱率和溫度分布。
在由Byurn-Han Co.Ltd.出版的題為《熱傳導(dǎo))》一書(shū)的第152頁(yè)中公開(kāi)了溫度和導(dǎo)熱率之間的關(guān)系。可以看出，書(shū)中公開(kāi)的圖具有與圖5B和5C類(lèi)似的曲線(xiàn)。
如圖5C所示，在圖5的被沉積層10的纖芯中造成了T2和T1之間的溫差，其中T1是從根據(jù)本發(fā)明的光纖施加到纖芯上的溫度，T2是從具有相同物質(zhì)特性的光纖施加到纖芯上的溫度。這一溫差避免了纖芯中GeO2離子化。
在最低溫度下拉制的光纖的損耗降低已屬于現(xiàn)有技術(shù)。因此如圖5B和5C所示，根據(jù)本發(fā)明的光纖具有降低其散射損耗的效果。
在本發(fā)明的最佳實(shí)施例中，合成石英管用作第一石英管2，而透明石英管用作第二石英管20。具有合成石英管和透明石英管的最終的預(yù)制件28滿(mǎn)足圖5所示的溫度特性。在下面的表(1)中，說(shuō)明了透明石英管和合成石英管的特性。
表(1)透明 合成導(dǎo)熱率(K) 71×10-681.4×10-6OH基的濃度 200ppm 5ppm或更低雜質(zhì)濃度高 低價(jià)格 不太貴昂貴另外參照?qǐng)D6，可以看到透明石英管和合成石英管的溫度和粘度系數(shù)之間的關(guān)系，在1000-2000℃的范圍內(nèi)，透明石英管的粘度比復(fù)合石英管的粘度高。
在這一實(shí)施例中，采用合成石英管作為第一石英管是為了減小圖5A所示的被沉積層10的包層的厚度。被沉積的包層是一保護(hù)層，以防止OH-或羥基離子擴(kuò)散進(jìn)纖芯中。
假如透明石英管用作第一石英管2，那么D/d最好必須設(shè)為大于7，以便減小光的吸收損耗，其中D是中軸和被沉積的包層之間的半徑，d是中軸和被沉積的纖芯之間的半徑。進(jìn)一步加厚保護(hù)層。假如象在本發(fā)明中那樣，合成石英管用作第一石英管，那么OH-或羥基離子的濃度減小，然后進(jìn)一步減薄作為保護(hù)層的被沉積包層。減小被沉積的包層的厚度是為了降低根據(jù)MCVD法進(jìn)行沉積的生產(chǎn)價(jià)格。
在制造光纖過(guò)程中，需要借助于外包層法(或外套法)，以便制造具有大尺寸的預(yù)制件并獲得良好的質(zhì)量。因此，當(dāng)采用外包層法制備光纖時(shí)，光損耗必須降低。為了降低光損耗，物質(zhì)特性如導(dǎo)熱率和粘度系數(shù)必須滿(mǎn)足以下關(guān)系導(dǎo)熱率(K)K0＞K1＞K2……＞Kn粘度系數(shù)(μ)μ0＜μ1＜μ2……＜μn其中1-n是進(jìn)行外包層的次數(shù)，K0和μ0分別是第一石英管的導(dǎo)熱率和粘度系數(shù)。
如果采用合成石英管作為第一石英管，那么合成石英管的導(dǎo)熱率必須根據(jù)離開(kāi)合成石英管的中軸的距離逐漸降低。
石英管的導(dǎo)熱率由羥基離子和金屬離子如Li、Na、Al、Fe、Cn等的濃度確定。濃度進(jìn)一步降低，導(dǎo)熱率增加。因此，根據(jù)金屬離子和羥基離子的濃度可以制成具有不同導(dǎo)熱率如K0、K1、K2和Kn的石英管。當(dāng)進(jìn)行外包層使得多個(gè)石英管的導(dǎo)熱率分布為K0＞K1＞K2……＞Kn時(shí)，光纖的光損失便下降了。由于制造者可以控制各石英管的厚度，所以纖芯與包層之比可以得到滿(mǎn)足。
由于根據(jù)本發(fā)明的制造最終預(yù)制件的方法的制造步驟與常規(guī)方法的制造步驟相同，所以沒(méi)有必要采用另外的制備系統(tǒng)。需要的是控制采用MCVD法沉積的很薄的包層厚度。最終的單模預(yù)制件就其長(zhǎng)度而言具有一致的特性。
如上所述，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，可以降低由于光纖的拉制條件引起的光損耗，因?yàn)轭A(yù)制件的截面區(qū)域具有逐漸變化的導(dǎo)熱率和粘度系數(shù)。
此外，本發(fā)明的光纖就其長(zhǎng)度而言具有一致的特性，并且由于提高了產(chǎn)量，成本便下降了。
應(yīng)懂得，對(duì)本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明的范圍和精神的前提下其它各種改進(jìn)都是很顯然的，并且很容易實(shí)現(xiàn)。因此，以上描述不作為對(duì)本發(fā)明的限制，所附權(quán)利要求書(shū)將包括本發(fā)明的所有特征。
權(quán)利要求
1.一種制造光纖預(yù)制件的方法，包括以下步驟形成具有第一導(dǎo)熱率的第一石英管，所述第一石英管用作包層；通過(guò)對(duì)所述第一石英管進(jìn)行加熱將纖芯層和包層沉積到所述第一石英管的內(nèi)側(cè)，形成初步的預(yù)制件；形成具有低于所述第一導(dǎo)熱率的第二導(dǎo)熱率的第二石英管；以及通過(guò)加熱將所述第二石英管包到所述初步的預(yù)制件上，制造所述光纖預(yù)制件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中附著在所述光纖預(yù)制件上的所述第二石英管的導(dǎo)熱率按一定的變化率從內(nèi)圓周向外圓周逐漸變化，并且具有至少一個(gè)管。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中所述第二石英管是通過(guò)進(jìn)行幾次外包層形成的。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3的任何一項(xiàng)的方法，其中所述第一石英管是由合成石英管制成的。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中所述第二石英管是由透明石英管制成的。
6.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中所述合成石英管具有小于至少5ppm的羥基離子。
7.一種具有纖芯和包圍所述纖芯的包層的光纖預(yù)制件，包括接近所述光纖預(yù)制件的中軸的所述包層具有最高的導(dǎo)熱率，并且所述導(dǎo)熱率從所述預(yù)制件的中軸向外圓周按一定的變化率逐漸降低。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其中所述光纖預(yù)制件在接近所述中軸的所述包層中具有一定的粘度，并且所述粘度根據(jù)與所述中軸的距離逐漸增加。
9.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其中所述光纖預(yù)制件用于單模。
全文摘要
本發(fā)明涉及這樣一種光纖預(yù)制件,它能夠避免增加在單模光纖預(yù)制件的制備和拉制過(guò)程中出現(xiàn)的光損耗,并且提高光傳輸效率,制造該光纖預(yù)制件的方法包括以下步驟:形成具有第一導(dǎo)熱率的用作包層的第一石英管;通過(guò)對(duì)所述第一石英管進(jìn)行加熱將纖芯層和包層沉積到所述第一石英管的內(nèi)側(cè),形成初步的預(yù)制件;形成具有低于所述第一導(dǎo)熱率的第二導(dǎo)熱率的第二石英管;以及通過(guò)加熱將所述第二石英管包到所述初步的預(yù)制件上,制造所述光纖預(yù)制件。
文檔編號(hào)G02B6/036GK1183566SQ9511519
公開(kāi)日1998年6月3日 申請(qǐng)日期1995年10月6日 優(yōu)先權(quán)日1994年10月7日
發(fā)明者吳承憲, 都均海, 姜善雄 申請(qǐng)人:三星電子株式會(huì)社