專利名稱：具有多級(jí)芯線結(jié)構(gòu)單模光纖及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到一個(gè)在1550nm波長(zhǎng)基帶具有低離散和低損耗的單模光纖，尤其涉及到一個(gè)具有多級(jí)芯結(jié)構(gòu)的光纖以及制造該光纖的方法。由于近來超高速光纖傳輸和大容量通訊技術(shù)的迅猛發(fā)展，而光纖的損耗和離散就限制了超高速和大容量的傳輸。為了克服由于光纖損耗的限制，一種單模二氧化硅的光纖用在損耗值最低的1550nm波長(zhǎng)區(qū)域，并且采用一種能夠在1550nm波長(zhǎng)區(qū)域放大光信號(hào)的光放大器。因此，這個(gè)損耗不再限制超高速的大容量傳輸，并且離散的控制也被認(rèn)為是相當(dāng)重要的技術(shù)問題。
然而，現(xiàn)在廣泛使用的典型單模光纖在波長(zhǎng)1310nm區(qū)域設(shè)計(jì)具有零離散值。所以，即使損耗在1550nm波長(zhǎng)區(qū)域是低的，而在該區(qū)域離散值是高的，這也限制了1550nm波長(zhǎng)區(qū)域的使用。
一般講，單模光纖的總離散由材料離散與波導(dǎo)離散的和來決定。在此，材料離散由形成光纖的材料的特殊性能決定，而波導(dǎo)離散由光纖的結(jié)構(gòu)決定。


圖1是一個(gè)描述常規(guī)1550nm單模光纖的材料離散，波導(dǎo)離散以及總離散的關(guān)系圖。圖1描述了取決基于大約1550nm波長(zhǎng)區(qū)域具有零離散的單模光纖中光信號(hào)波長(zhǎng)的材料與波導(dǎo)損耗之間的關(guān)系。如圖1中所示，材料離散DM顯示了因?yàn)檎凵渎矢鶕?jù)光信號(hào)的波長(zhǎng)變化，則長(zhǎng)波長(zhǎng)光信號(hào)傳播快而短波長(zhǎng)光信號(hào)傳播慢，而且它在1300nm或更高波長(zhǎng)區(qū)域具有正離散值。波導(dǎo)離散DW相對(duì)于材料離散具有負(fù)的離散。結(jié)果如圖1中所示總的離散DTOTAL被確定，并且總的離散DTOTAL是“0”的地方的波長(zhǎng)被成為零離散波長(zhǎng)。
因此，通過合適地調(diào)整材料離散DM和波導(dǎo)離散DW，總的離散DTOTAL在要用的高波長(zhǎng)區(qū)域能夠降低。然而，光纖的材料必須變化以控制歸因于材料的離散。所以，一種改變波導(dǎo)離散DW的方法用于控制單模光纖的總離散值。在此，波導(dǎo)離散DW能夠通過調(diào)整光纖的芯線直徑，芯線和外覆蓋層的折射率分布，以及兩折射率之間的差來控制。換句話講，為了制造一種在具有低損耗1550nm波長(zhǎng)區(qū)域中具有低離散值單模光纖，光纖芯線的折射率必須增加，與1310nm波長(zhǎng)的典型單模光纖比，而芯線的直徑必須減小。
具有圖2A所示的折射率描繪公開在美國(guó)專利號(hào)No.4,715,679中，而具有圖2B所示的折射率描繪公開在美國(guó)專利號(hào)No.4,516,826中。
在美國(guó)專利號(hào)No.4,516,826中芯線的折射率的分布是三角形或者如圖2B所示的梯形，芯線直徑2a與摸域直徑2Wo小于在1310波長(zhǎng)的典型單模光纖，并且通過在1550波長(zhǎng)區(qū)域控制波導(dǎo)離散降低離散值。然而，這樣一種結(jié)構(gòu)必須精確地控制幾何結(jié)構(gòu)，原因是當(dāng)芯線與模域的直徑減小時(shí)光纖彼此之間連接的連接損耗(α=4.3(a/Wo)2)增加，以及原因是當(dāng)要控制波導(dǎo)離散芯線直徑明顯地減小時(shí)光纖的微折射損耗迅速增加。因此，在美國(guó)專利號(hào)No.4,516,826中，為了減小光纖的微折射損耗該芯線的折射率分布應(yīng)該是梯形。
然而，制造具有小直徑芯線和一種芯線三角形折射率描繪的光纖需要精確的過程控制。尤其是，當(dāng)一種具有三角形圖示的光纖是通過改良化學(xué)氣相(MCVD)沉積制造時(shí)，折射率傾斜地方的中心傾斜現(xiàn)象在芯線中心發(fā)生。因此，制造具有期望直徑芯線和期望芯線折射率光纖需要較精確的過程控制，使其難以重復(fù)。
要解決上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種在1550nm波長(zhǎng)波段具有低離散和低損耗的多級(jí)芯線的單模光纖并且能夠容易制造以及再生產(chǎn)。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種制造具有多級(jí)芯線的單模光纖的方法。
因此，要達(dá)到第一個(gè)目標(biāo)，這里提供的一種單模光纖包括一個(gè)具有自中心軸具有預(yù)定直徑a1和折射率n1的中心芯線；一個(gè)具有直徑a2和小于折射率n1的折射率n2并且圍繞中心芯線的第一外層芯線；一個(gè)具有直徑a3和小于折射率n2的折射率n3并且圍繞第一外層芯線的第二外層芯線；以及一個(gè)具有直徑a4和小于折射率n3的折射率n0并且圍繞第二外層芯線的外包層。
要達(dá)到第二個(gè)目標(biāo)，這里提供的一種制造單模光纖的方法，包括一些步驟形成具有一預(yù)定直徑和預(yù)定折射率的中心芯線；形成至少兩層具有折射率小于中心芯線折射率并且從而圍繞中心芯線的外層芯線；以及形成具有折射率小于外層芯線折射率并且從而圍繞外層芯線的外包層。
本發(fā)明的上述目的和優(yōu)點(diǎn)通過參照附圖詳細(xì)地描述將更明顯圖1是一個(gè)描述常規(guī)1550nm單模光纖的材料離散、波導(dǎo)離散以及總離散的關(guān)系圖；圖2A和2B是說明一個(gè)常規(guī)光纖的折射率描繪圖；圖3是圖解說明根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例具有多級(jí)芯線的單模光纖的折射率分布；圖4A到4C是一些分別描述中心芯線直徑與零離散波長(zhǎng)之間的關(guān)系，第一外層芯線直徑與零離散波長(zhǎng)之間的關(guān)系，以及第二外層芯線直徑與零離散波長(zhǎng)之間的關(guān)系的圖；圖5A到5C是一些分別描述中心芯線直徑與零離散斜率之間的關(guān)系，第一外層芯線直徑與零離散斜率之間的關(guān)系，以及第二外層芯線直徑與零離散斜率之間的關(guān)系的圖；圖6A到6C是一些分別描述中心芯線的折射率差的比與零離散波長(zhǎng)之間的關(guān)系，第一外層芯線的折射率差的比與零離散波長(zhǎng)之間的關(guān)系，以及第二外層芯線的折射率差的比與零離散波長(zhǎng)之間的關(guān)系的圖；圖7A到7C是一些分別描述中心芯線的折射率差的比與零離散斜率之間的關(guān)系，第一外層芯線的折射率差的比與零離散斜率之間的關(guān)系，以及第二外層芯線的折射率差的比與零離散斜率之間的關(guān)系的圖；以及圖8A和8B是一些描述現(xiàn)有技術(shù)與本發(fā)明針對(duì)具有所需芯線直徑及具有所需芯線折射率的材料的再生方法的比較。
參照?qǐng)D3，一個(gè)中心芯線2具有自中心軸的預(yù)定直徑a1和折射率n1。一個(gè)具有直徑a2和低于折射率n1的折射率n2，并且圍繞中心芯線2的第一外層芯線4。一個(gè)具有直徑a3和低于折射率n2的折射率n3，并且圍繞第一外層芯線4的第二外層芯線6。最后，一個(gè)具有直徑a4和低于折射率n3的折射率n0，并且圍繞第二外層芯線6的外包層8。
第一和第二外層芯線4和6的折射率可以是由下面公式1描述折射率的任何分布n(r)=n1(1-Δ(γ/a)α)(1)其中r是自光纖中心的距離，a是芯線的直徑，n1是光纖中心的折射率，而α是折射率描繪參數(shù)。例如，當(dāng)α等于1時(shí)，折射率描繪是三角形。當(dāng)α等于2時(shí)，折射率描繪是小山形，而當(dāng)α等于∞時(shí)，折射率描繪是階梯形。
圖4A到圖7C顯示第二外層芯線從第一外層芯線的邊界表面到外包層邊界表面折射率逐漸變小的光纖特性的模擬結(jié)果圖。
圖4A到圖4C是一些分別描述中心芯線2的直徑(μm)與零離散波長(zhǎng)(nm)之間的關(guān)系，第一外層芯線4的直徑(μm)與零離散波長(zhǎng)(nm)之間的關(guān)系，以及第二外層芯線6的直徑(μm)與零離散波長(zhǎng)(nm)之間的關(guān)系的圖。參照?qǐng)D4A，當(dāng)中心芯線2的直徑是大約3.3μm時(shí)，零離散波長(zhǎng)是1560nm。當(dāng)中心芯線2的直徑是大約3.9μm時(shí)，零離散波長(zhǎng)是1540nm。因此，中心芯線的直徑必須是在3.3μm和3.9μm之間才能使零離散波長(zhǎng)在1540nm與1560nm之間。參照?qǐng)D4B和4C，當(dāng)?shù)谝煌鈱有揪€的直徑大約是4.4μm到5.2μm時(shí)，并且當(dāng)?shù)诙鈱有揪€的直徑大約是17.5μm到23.5μm時(shí)，零離散波長(zhǎng)在1540nm與1560nm之間。
圖5A到5C是一些分別描述中心芯線2的直徑(μm)與零離散斜率(ps/nm2/Km)之間的關(guān)系，第一外層芯線4的直徑(μm)與零離散斜率(ps/nm2/Km)之間的關(guān)系，以及第二外層芯線6的直徑(μm)與零離散斜率(ps/nm2/Km)之間的關(guān)系的圖。可以看出如果光纖有一個(gè)允許直徑(看圖4A到4C)零離散波長(zhǎng)存在1540nm與1560nm之間，則零離散斜率一般在0.068與0.072之間。
圖6A到6C是一些分別描述中心芯線2的折射率差的比(％)與零離散波長(zhǎng)(nm)之間的關(guān)系，第一外層芯線4的折射率差的比(％)與零離散波長(zhǎng)(nm)之間的關(guān)系，以及第二外層芯線的折射率差的比(％)與零離散波長(zhǎng)(nm)之間的關(guān)系的圖。參照?qǐng)D6A，當(dāng)中心芯線2的折射率差(Δ1=(n1-n0)/n1)的相對(duì)外包層8的折射率的比是0.74％時(shí)，零離散波長(zhǎng)是1540nm。當(dāng)折射率差(Δ1)的比是0.81％時(shí)，零離散波長(zhǎng)是1560nm。為了使零離散波長(zhǎng)在1540nm與1560nm之間，第一外層芯線4的折射率差(Δ2=(n2-n0)/n2)相對(duì)外包層8的折射率的比必須是在0.22％與0.33％之間，并且第二外層芯線6的折射率差(Δ3=(n3-n0)/n3)相對(duì)外包層8的折射率的比必須是在0.13％與0.17％之間。
圖7A到7C是一些分別描述中心芯線2的折射率差的比(％)與零離散斜率(ps/nm2/Km)之間的關(guān)系，第一外層芯線4的折射率差的比(％)與零離散斜率(ps/nm2/Km)之間的關(guān)系，以及第二外層芯線6的折射率差的比(％)與零離散斜率(ps/nm2/Km)之間的關(guān)系的圖?？梢钥闯鲈谠试S零離散波長(zhǎng)在1540nm與1560nm之間的折射率差比的范圍內(nèi)一個(gè)零離散斜率存在于0.068與0.072之間。
在根據(jù)本發(fā)明的光纖中，外包層是由純二氧化硅(SiO2)形成，中心芯線2和第一外層芯線4是由SiO2-GeO2或者SiO2-GeO2-F形成，而第二外層芯線6由SiO2-GeO2-F形成。在此，一個(gè)摩爾克分子百分比的P2O3或者更少被加到第二外層芯線6。
在本發(fā)明中，芯線是分為中心芯線和外層芯線，并且至少兩層外層芯線，它們具有低于中心芯線折射率的折射率并且包圍著中心芯線，形成在中心芯線的外圍。芯線的直徑與折射率必須調(diào)整去控制離散。本發(fā)明具有一個(gè)由多層組成的芯線，因此允許較容易光特性的控制和容易實(shí)現(xiàn)多種光纖具有相同特性的生產(chǎn)。
圖8A是當(dāng)制造一些預(yù)制件時(shí)，對(duì)應(yīng)于具有目標(biāo)芯線直徑的多少預(yù)制件能夠再生產(chǎn)的已有技術(shù)與本發(fā)明比較描述圖。圖8B是當(dāng)制造一些預(yù)制件時(shí)，對(duì)應(yīng)于具有目標(biāo)芯線折射率的多少預(yù)制件能夠再生產(chǎn)的已有技術(shù)與本發(fā)明的比較描述圖。在此，圖8A和8B的水平軸分別是芯線直徑(mm)和芯線折射率，而垂直軸是預(yù)制件的占有比例。
參照?qǐng)D8A，當(dāng)根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例該預(yù)制件的折射率分布被使用時(shí)，具有目標(biāo)芯線直徑的光纖預(yù)制件能夠比使用已有技術(shù)時(shí)更多地制造。參照?qǐng)D8B，當(dāng)根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例該預(yù)制件的折射率分布被使用時(shí)，具有目標(biāo)芯線折射率的光纖預(yù)制件能夠比使用已有技術(shù)時(shí)更多地制造。
本發(fā)明通過一個(gè)實(shí)際的實(shí)施例為例子進(jìn)行描述，但是明顯的是在本發(fā)明的范圍內(nèi)可以做各種修改。因此，本發(fā)明的范圍沒有限制在上述實(shí)施例，并且它必須不僅由附加的權(quán)利要求確定還由等效的條件確定。
根據(jù)上述本發(fā)明，一種具有芯線和外包層的單模光纖通過形成多級(jí)芯線的折射率分布具有一個(gè)大的芯線直徑，因此結(jié)果是容易制造。再者，光纖的連接損耗能夠通過增加模區(qū)域的直徑而被減小。進(jìn)一步，該光纖具有能夠容易制造的結(jié)構(gòu)，并且在1550nm波長(zhǎng)具有低離散值，所以它能夠?qū)崿F(xiàn)超速長(zhǎng)距離通訊。
根據(jù)本發(fā)明的光纖多級(jí)芯線結(jié)構(gòu)，包括離散的光纖特性能夠容易地通過變化每個(gè)芯線的折射率差、折射率形狀、以及直徑來改變。
還有，甚至當(dāng)一種如在本發(fā)明中具有相同結(jié)構(gòu)的光纖是用中心傾斜存在芯線中心的MCVD方法制造時(shí)，在芯線折射率和芯線直徑上由于中心傾斜該光特性對(duì)于細(xì)小變化不敏感。
權(quán)利要求
1．一種單模光纖，其特征在于包括一個(gè)具有自中心軸預(yù)定直徑a1和折射率n1的中心芯線；一個(gè)具有直徑a2和小于折射率n1的折射率n2并且圍繞中心芯線的第一外層芯線；一個(gè)具有直徑a3和小于折射率n2的折射率n3并且圍繞第一外層芯線的第二外層芯線；以及一個(gè)具有直徑a4和小于折射率n3的折射率n0并且圍繞第二外層芯線的外包層。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的單模光纖，其特征在于中心芯線，第一外層芯線，以及第二外層芯線的折射率分布是由下面公式所描述折射率分布的一種n(r)=n1(1-Δ(γ/a)α)
3．根據(jù)權(quán)利要求1所述的單模光纖，其特征在于外包層是由二氧化硅(SiO2)形成，而中心芯線和第一與第二外層芯線是由SiO2-GeO2形成。
4．根據(jù)權(quán)利要求3所述的單模光纖，其特征在于第一與第二外層芯線是由SiO2-GeO2-F形成。
5．根據(jù)權(quán)利要求3所述的單模光纖，其特征在于第一與第二外層芯線是由SiO2-GeO2-F-P2O5形成。
6．根據(jù)權(quán)利要求1所述的單模光纖，其特征在于零離散波長(zhǎng)存在于1500nm和1600nm之間，而零離散斜率是從0.068到0.072ps/nm2/Km。
7．根據(jù)權(quán)利要求1所述的單模光纖，其特征在于中心芯線，第一外層芯線，以及第二外層芯線的直徑分別是3.3μm-3.9μm、4.4-5.2μm和17.5μm和23.5μm。
8．根據(jù)權(quán)利要求1所述的單模光纖，其特征在于中心芯線，第一外層芯線，以及第二外層芯線的折射率差的比分別是0.74-0.81％，0.23-0.30％和0.13-0.17％。
9．一種制造單模光纖的方法，其特征在于包括步驟形成具有一預(yù)定直徑和預(yù)定折射率的中心芯線；形成至少兩層具有折射率小于中心芯線折射率并且從而圍繞中心芯線的外層芯線；以及形成具有折射率小于外層芯線折射率并且從而圍繞外層芯線的外包層。
10．根據(jù)權(quán)利要求9所述的制造單模光纖的方法，其特征在于形成外層芯線的步驟包括步驟形成一個(gè)具有折射率小于中心芯線的折射率并且圍繞中心芯線的第一外層芯線；和形成一個(gè)具有折射率小于第一外層芯線的折射率并且圍繞第一外層芯線的第二外層芯線。
11．根據(jù)權(quán)利要求9所述的制造單模光纖的方法，其特征在于中心芯線，第一外層芯線，以及第二外層芯線的直徑分別是3.3μm-3.9μm,4.4μm-5.2μm和17.5μm和23.5μm。
12．根據(jù)權(quán)利要求9所述的制造單模光纖的方法，其特征在于中心芯線，第一外層芯線，以及第二外層芯線的折射率差的比分別是0.74-0.81％,0.23-0.30％和0.13-0.17％。
全文摘要
提供一種具有多級(jí)結(jié)構(gòu)的光纖和一種制造這種光纖的方法。該光纖包括一個(gè)具有自中心軸預(yù)定直徑a1和折射率n1的中心芯線;一個(gè)具有直徑a2和小于折射率n1的折射率n2并且圍繞中心芯線的第一外層芯線;一個(gè)具有直徑a3和小于折射率n2的折射率n3并且圍繞第一外層芯線的第二外層芯線;以及一個(gè)具有直徑a4和小于折射率n3的折射率n0并且圍繞第二外層芯線的外包層。芯線的直徑通過制造多級(jí)芯線的折射率分布來增加,因此提供制造容易。
文檔編號(hào)G02B6/04GK1218187SQ9812445
公開日1999年6月2日 申請(qǐng)日期1998年11月5日 優(yōu)先權(quán)日1997年11月6日
發(fā)明者金真漢, 都文顯, 李知?jiǎng)?申請(qǐng)人:三星電子株式會(huì)社