低損耗光纖及其制造方法
【專利說明】
[0001] 相關(guān)申請的交叉引用
[0002] 本申請要求2014年10月21日提交的申請?zhí)枮?2/066, 520的美國臨時申請和 2014年10月30日提交的申請?zhí)枮?2/072, 606的美國臨時申請的權(quán)益，上述兩個申請文件 通過引用并入本申請。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本發(fā)明設(shè)及一種低損耗光纖，更具體地設(shè)及一種無錯（Ge)光纖，其W-定方式滲 雜有選定量的氯（Cl)和氣（F)，該方式用于在光纖拉制過程中提供忍材和包層之間改善的 粘性匹配。
【背景技術(shù)】
[0004] 一種常規(guī)類型的光纖具有的折射指數(shù)分布設(shè)計為通過在氧化娃玻璃忍材中添加 錯將傳輸?shù)墓庑盘栂拗圃谌滩膮^(qū)域內(nèi)，從而增加忍材相對于周圍包層的折射指數(shù)。但是，已 經(jīng)發(fā)現(xiàn)錯滲雜物引起傳輸信號的光損耗（錯增加了忍材內(nèi)的光的瑞利散射）。為了克服運(yùn) 一問題，已經(jīng)用純氧化娃忍材制造出一些光纖（也即無錯忍材），因而使歸于散射等的光損 耗最小化。當(dāng)使用純氧化娃忍材時，需要一種特殊的包層材料，其通過降低包層相對于忍材 的折射指數(shù)（現(xiàn)有技術(shù)中稱為包層的"下滲雜（down doping)")將傳輸?shù)墓饽Ｊ较拗圃谌?材區(qū)域內(nèi)。氣是一種已用于該目的滲雜物，其中形成包層的氧化娃玻璃中包含的氣滲雜物 將會降低包層相對于忍材的折射指數(shù)，在忍材內(nèi)提供光信號限制。
[0005] 雖然對提供帶有無錯忍材的低損耗光纖結(jié)構(gòu)是非常有益的，但是環(huán)繞有滲雜氣的 包層的純氧化娃忍材的布置顯示出與其制造相關(guān)的問題。由于滲雜氣的氧化娃比純氧化娃 的粘性低，加熱光學(xué)預(yù)制體及隨后將預(yù)制體拉制成光纖的動作會產(chǎn)生運(yùn)樣一種情形：其中 更剛性的忍材會承受主要的拉制張力，導(dǎo)致忍材區(qū)域內(nèi)顯著的指數(shù)降低和高的殘余應(yīng)力。 運(yùn)種機(jī)械應(yīng)力又產(chǎn)生玻璃缺陷，該玻璃缺陷會成為散射點(diǎn)并由此增加光學(xué)衰減。
[0006] 目前，對于運(yùn)種殘余應(yīng)力問題最好的解決辦法是通過增加拉制溫度和/或降低光 纖拉制速率W降低拉制張力，結(jié)果是成本增加。
[0007] 在2005年7月12日頒布的H.化Boek等人的美國專利6, 917, 740針對于在無錯 光纖中存在的粘性失配的問題，并提出了使用氯和氣共滲忍材區(qū)域的方法。忍材內(nèi)包括氯 因而改進(jìn)了與包層的粘性匹配并降低了殘余應(yīng)力，否則殘余應(yīng)力會在拉制光纖中出現(xiàn)。但 是，忍材區(qū)域內(nèi)包括運(yùn)些滲雜物會使得光功率擴(kuò)散到包層內(nèi)（運(yùn)是由于折射指數(shù)差別在一 定程度上被降低了），因而降低了忍材區(qū)域內(nèi)的光功率并增加了包層內(nèi)的光功率，導(dǎo)致更高 的光纖衰減。并且，在忍材和包層區(qū)域之間較小的折射指數(shù)差別進(jìn)一步增加了光纖內(nèi)發(fā)現(xiàn) 的彎曲損耗化ending loss)。
[000引提出了各種其它的現(xiàn)有技術(shù)W降低光纖內(nèi)的粘性失配。例如，參見由M.化teda等 人在IE邸Photonics Technology Letters,第4卷第9期，1992年9月，1023頁上提出的 題目名稱為"Desi即 of Viscosity-Matched Optical Fibers"的文章。
[0009] 在2009年9月22日頒布給I. Siimotak址ara的美國專利7, 593, 612中，介紹了 一種針對于從粘性失配的預(yù)制體拉制的光纖中存在的殘余張力的技術(shù)。在運(yùn)里，在常規(guī)包 覆層上方包括張力吸收包覆層作為外包套，其中張力吸收外包套是由與忍材具有類似折射 指數(shù)的材料（例如，純氧化娃張力吸收層）制成。在拉制過程中，在失配的忍材和包層之間 存在的機(jī)械應(yīng)力會從忍材傳遞出去并通過外包套和包層之間的相互作用而被吸收。雖然能 緩解拉制導(dǎo)致的應(yīng)力程度，但是外包套本身是由需要較高的拉制溫度的堅硬材料形成的， 其增加玻璃假想（fictive)溫度，從而導(dǎo)致更高的衰減。另外，張力吸收層的引入增加了加 工的復(fù)雜程度。張力吸收層相對于包覆層更高的折射指數(shù)還可導(dǎo)致功率從忍材泄露至張力 吸收層，特別是在緊密彎曲光纖中，運(yùn)導(dǎo)致了更高的彎曲損耗。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 本發(fā)明針對于運(yùn)些W及其它的問題，并設(shè)及一種W-定方式滲雜選定量的氯（Cl) 和氣（巧的無錯（Ge)光纖，該方式在光纖拉制過程中提供忍材和包層之間的改進(jìn)的粘性匹 配，同時還使包層內(nèi)存在的光功率的量最小化。
[0011] 根據(jù)本發(fā)明，光纖的忍材區(qū)域內(nèi)滲雜有允許降低忍材區(qū)域的粘性的濃度的氯，優(yōu) 選地與滲雜氣的包層區(qū)域的粘性匹配。在滲雜氯的忍材和高度滲雜氣的包層區(qū)域之間設(shè)置 有環(huán)形界面區(qū)域（下文稱為"應(yīng)力調(diào)節(jié)"區(qū)域）。環(huán)形應(yīng)力調(diào)節(jié)區(qū)域包括中等濃度的氣滲雜 物（即足W匹配忍材的粘性，但是小于包層中所使用的較高濃度W產(chǎn)生用于忍材內(nèi)波導(dǎo)所 必要的折射指數(shù)差別）。由于粘性匹配的忍材和直接相鄰的環(huán)形應(yīng)力調(diào)節(jié)區(qū)域顯著降低了 否則在光纖拉制過程中會產(chǎn)生的應(yīng)力，因此本發(fā)明的構(gòu)造降低了光纖衰減。周圍的包層更 高度地滲雜有氣，從而相對于滲雜氯的忍材提供了折射指數(shù)差別，該折射指數(shù)差別對于保 持將光信號模式限制在忍材區(qū)域和直接相鄰的環(huán)形區(qū)域內(nèi)是必要的。
[0012] 在本發(fā)明的一些實(shí)施方案中，也可在忍材中包括氣滲雜物，從而產(chǎn)生共滲雜的忍 材。認(rèn)為運(yùn)種實(shí)施方案適合于長距離傳輸應(yīng)用，其中低的等待要求是重要的。
[0013] 已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)相比現(xiàn)有技術(shù)中的設(shè)置時，包括應(yīng)力調(diào)節(jié)環(huán)形區(qū)域顯著地降低了包 層中存在的光功率量。實(shí)際上，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明的構(gòu)造在包層區(qū)域中展示出小于2%的功 率份數(shù)，而現(xiàn)有技術(shù)的光纖通常具有存在于包層中的10-20% (或更多）功率份數(shù)，而運(yùn)是 光纖損耗的主要來源。換言之，本發(fā)明光纖的忍材/環(huán)形區(qū)域組合內(nèi)存在的功率份數(shù)顯著 高于常規(guī)光纖的忍材區(qū)域內(nèi)的功率份數(shù)。另外，環(huán)形區(qū)域相對于包層更高的指數(shù)有效地增 加了忍材直徑，產(chǎn)生了更大的有效區(qū)域，運(yùn)對于光纖傳輸應(yīng)用來說是有利的。
[0014] 各種的制造技術(shù)，例如改性化學(xué)氣相沉積（MCVD)，氣相輔助沉積（VAD)等都可用 于產(chǎn)生光纖預(yù)制體，由此可拉制根據(jù)本發(fā)明形成的光纖，拉制速率保持在與最佳的制造工 藝相關(guān)的相對高的值。
[0015] 實(shí)際上，本發(fā)明的特定實(shí)施方案包含光纖，該光纖包括滲雜氯的氧化娃忍材區(qū)域， 環(huán)繞忍材區(qū)域并滲雜有足W展示出與滲雜氯的忍材區(qū)域相似粘性的中等濃度氣滲雜物的 環(huán)形應(yīng)力調(diào)節(jié)區(qū)域，和設(shè)置為環(huán)繞環(huán)形應(yīng)力調(diào)節(jié)區(qū)域的重度滲雜氣的包覆層，其中包覆層 中的滲雜物濃度足W在忍材區(qū)域內(nèi)提供光模式限制。
[0016] 本發(fā)明其它和進(jìn)一步的優(yōu)點(diǎn)和特征在下述論述過程中參照附圖將會明了。
【附圖說明】
[0017] 現(xiàn)在參照附圖，
[0018] 圖1示出了根據(jù)本發(fā)明形成的示例性低損耗光纖，其中圖1(a)是穿過光纖直徑方 向的截面圖，圖1(b)是該示例性光纖的折射指數(shù)分布圖；
[0019] 圖2是包括在1600°C假想溫度下滲雜氯的氧化娃和滲雜氣的氧化娃的密度曲線 的圖；
[0020] 對于滲雜Cl的氧化娃和滲雜F的氧化娃，圖3包含例示分別作為Cl和F濃度函 數(shù)的熱光系數(shù)（圖3(a))的曲線，W折射指數(shù)（n)的變化/單位假想溫度（Tf)的變化給出； 及熱彈性系數(shù)（圖3化)）的曲線，W密度（P)的變化/單位假想溫度（Tf)的變化給出；
[0021] 圖4是根據(jù)本發(fā)明形成的示例性低損耗光纖的折射指數(shù)分布（與右縱軸相關(guān)）和 殘余應(yīng)力分布（左縱軸）的曲線圖；
[0022] 圖5是根據(jù)本發(fā)明形成的示例性的大有效面積、低損耗光纖的折射指數(shù)分布（與 右縱軸相關(guān)）和殘余應(yīng)力分布（左縱軸）的曲線圖；
[0023] 圖6是與具有圖4中所示分布的低損耗光纖相關(guān)的光譜損耗；
[0024] 圖7是根據(jù)本發(fā)明形成的示例性的低損耗、低等待光纖的折射指數(shù)分布。
【具體實(shí)施方式】
[0025] 已知包含未滲雜（例如，純）的氧化娃忍材的光纖相對于滲雜錯（Ge)的光纖具有 較低的衰減，因為忍材區(qū)域內(nèi)較低的瑞利散射。但是，如上面所提到的，純氧化娃忍材光纖 需要較低折射指數(shù)的包層結(jié)構(gòu)W在忍材區(qū)域內(nèi)提供必要的光模式限制?；谶\(yùn)個原因，氣 (巧經(jīng)常用作純氧化娃忍材光纖的包覆層內(nèi)的滲雜物，因為滲雜氣的氧化娃展示出比純氧 化娃低的折射指數(shù)。忍材和包層區(qū)域之間的折射指數(shù)值的相對差（并且因此留在忍材區(qū)域 內(nèi)的總功率份數(shù)）為F滲雜物濃度的函數(shù)。
[0026] 由于滲雜F的包層在光纖拉制過程中具有較低的粘性，由此更剛性的忍材承受了 絕大部分的拉制張力，由此導(dǎo)致在忍材區(qū)域中的高殘余應(yīng)力和顯著的折射指數(shù)降低。運(yùn)導(dǎo) 致了增加光學(xué)衰減的玻璃缺陷。為了減少運(yùn)樣的缺陷的影響，光纖必須被緩慢拉制，從而增 加了制造成本。另外，如果忍材處于顯著的殘余應(yīng)力下，其折射指數(shù)在所拉