CN1188364C - 具有氢氧根阻挡层的光纤预型坯及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种光纤预型坯及其制备方法。在本发明中，不含P2O5的一个外OH阻挡层和一个内OH阻挡层在沉积过程中分别沉积于基质管与包层之间，包层与核心层之间。另外，在指向核心层中心的方向上折射指数增加。

Description

具有氢氧根阻挡层的光 纤预型坯及其制造方法
发明背景
发明领域
本发明基本上涉及由MCVD(改性化学蒸汽沉积)形成的光纤预型坯，尤其涉及具有OH(氢氧根)阻挡层的光纤预型坯及其制造方法。
相关技术描述
由于自单元预型坯拉伸一根长光纤所具有的优点，应该形成具有大直径的预型坯以增加光纤的产率。在通过改性化学蒸汽沉积形成光纤预型坯中，核心层可以沉积多厚对于大直径预型坯的生产来说是一个关键的问题。然而，对于大直径光纤预型坯，由于管烧缩和沉积过程中增加的管厚使得热不能完全传递到核心层，以至于烧结变差，核心层发生合并。
单模光纤是通过沉积一个包层和一个核心层形成的。对于DC-SM(凹陷型包层单模)型光纤预型坯的制造来说，包层是通过沉积掺杂了P2O5、GeO2和F的SiO2(二氧化硅)形成的，P2O5、GeO2和F用于降低沉积温度和折射指数，作为光传输通道的核心层是通过沉积掺杂了GeO2的SiO2形成的，而且，所沉积的包层和核心层是烧缩并封闭的。
在通过改性化学蒸汽沉积制造光纤预型坯的过程中，当沉积层变厚时，一个管在沉积中自我烧缩，从而使沉积层的厚度进一步增加。需要一个高温炉燃烧器来烧结与合并该厚沉积层。结果是长时间的烧缩和封闭过程使得基质管长时间暴露于高温之下。因此，难以形成可以拉伸300km或更长光纤的预型坯。
用这种方法形成的预型坯，其包层与核心层的直径比(b/a)小，OH吸收损耗显著增加。也就是说，基质管中包含的非常少量的水分(一般情况下为几个ppm)被引入沉积层上并与沉积在包层中的SiO2或P2O5结合，产生P-O-H或Si-O-H键。OH甚至穿透到核心层与SiO2或GeO2结合，释放出Si-O键或Ge-O键并产生Si-O-H键或Ge-O-H键以取而代之。
上述O-H键或P-O-H键增加了由一种特定波长范围的吸收带所引起的光学损耗。在单模光纤中，O-H键显著地影响波长为1.24μm和1.385μm的光学损耗，P-O-H键则影响波长范围为1.2-1.8μm的光学损耗。引入到核心区域的OH形成一个非桥联氧(NBO)。所导致的核心层的密度波动增加了散射损耗。
另外，在烧结、合并与沉积同时进行的过程中，由于沉积层变得更厚，管的内层与外层直径减小。因此，难以得到合适的直径比(包层直径/核心层直径＝b/a)，以具有足以阻止OH扩散的层厚，从而导致OH引起的损耗增加。
现有技术中可以形成厚包层以阻止OH从基质管穿透到核心层之中。然而，在用此方法制备大直径预型坯时，管收缩使得难以得到合适的直径比，而且在核心层的沉积过程中，管层厚度的增加降低了热传递效率。因此，采用一个更高温的炉燃烧器，并使该管长时间暴露于高温下，从而更进一步增加了由OH引起的损耗。
常规技术中光纤和预型坯的例子参见下述美国专利。Asam等人的美国专利4114980，标题为低损耗多层光纤，描述了一种由沉积的二氧化硅管制备的光纤。在二氧化硅管和包层之间插入阻挡层以阻止OH的迁移。
Blaszyk等人的美国专利4 385 802，标题为长波长、低损耗光学波导，描述了一种光纤，其具有一个核心、一个具有P2O5的第一内包层、一个位于第一内包层与核心之间用于阻止P2O5扩散到核心的第二内包层。
Cohen等人的美国专利4 447 127，标题为低损耗单模光纤，描述了一种双包层光纤。
Le Sergent等人的美国专利5 090 979，标题为一种具有掺杂包层的光纤预型坯的制备方法，描述了一种光纤的预型坯。该预型坯具有一个支撑层、一个基质层、一个核心和一个包层。
Antos等人的美国专利5 838 866，标题为抗氢致衰减的光纤，描述了一种光纤，其具有一个中心核心、一个含有GeO2的内包层区域和一个外包层区域。
Oh等人的美国专利5 942 296，标题为光纤预型坯，描述了一种光纤预型坯，它由一种用作包层、具有一种沉积层和一种包层的第一石英管和一种围护第一石英管的第二石英管制成。第一石英管的作用在于降低OH浓度。
然而，在这些专利中描述的发明并没有解决上面提到的问题。
发明简述
因此，本发明的一个目的在于提供一种改进的光纤预型坯。
本发明的另一目的在于提供一种制备光纤预型坯的改进方法。
本发明更进一步的目的在于提供一种更大的光纤预型坯。
本发明还进一步的目的在于提供一种可以从中拉伸多于300km光纤的光纤预型坯。
本发明还有一个目的在于提供一种光纤预型坯及其制备方法，其中由此拉伸的单模光纤的折射指数分布得到了改进。
本发明的另一个目的在于提供一种得到具有低直径比的光纤的光纤预型坯。
本发明还有一个目的在于提供一种得到具有低羟基所致损耗光纤的光纤预型坯。
上述目的通过提供一种光纤预型坯而得到。该光纤预型坯包括一个基质管、一个包层、一个折射指数比包层的折射指数更大，而且越靠近中心，其数值越大的核心层，和一个形成于基质管与包层之间的第一阻挡层，它通过沉积具有低OH扩散系数的物质而形成，并用来阻止包含在基质管中的OH穿透到包层之中。
附图简述
结合附图，参考如下的详细描述，可以更好地理解本发明，而且本发明更完全的评价及其相应的优点将会变得更显而易见。附图中，同样的参考符号表示相同或相似的组分，其中：
图1给出了一种典型的凹陷型包层-单模光纤的折射指数分布；
图2A表示本发明的凹陷型包层-单模光纤的折射指数图分布；和
图2B清晰地描绘了根据本发明完成的光纤预型坯的纵向剖面图。
优选实施方案详细说明
下面将参考附图阐述本发明的一种优选实施方案。在下面的描述中，在非必要详细描述不会影响本发明的地方，没有详细描述众所周知的功能或结构。
图1给出了一种典型的DC-SM光纤折射指数分布。在图1中，数字11表示一种基质管，12表示一种包层，13表示一种核心层，符号Δ+和Δ-分别表示核心层和包层对于基质管折射指数的差值。符号a和b分别表示中心层和包层的直径。
由于沉积形成包层12的P2O5在相对低的温度，570℃下熔化，所以P2O5与其他物质一起使用可以降低加工温度，提高沉积效率。另一方面，由于P2O5的吸湿能力强，所以P2O5作为一种将基质管11中包含的OH传递到核心层13的OH桥，导致核心层13中由OH引起的损耗增加。
图2A表示本发明的一种DC-SM光纤折射指数分布。在图2A中，21表示基质管，24表示作为第一阻挡层的外包层，22表示中间包层，25表示作为第二阻挡层的内包层，23表示核心层。符号ΔN+和ΔN-分别表示核心层23和中间包层22对于基质管21的折射指数差值。符号a和b分别表示核心层23和中间包层22的直径。
如图2A所示，本发明的光纤预型坯具有三个不同化学组成的包层，即，作为第一阻挡层的外包层24，中间包层22和作为第二阻挡层的内包层25。
外包层24介于基质管21和中间包层22之间，阻止基质管21中的OH穿透基质管进入中间包层22，其中基质管21的OH浓度高，中间包层22包含作为OH传递介质的P2O5。内包层25介于中间包层22与核心层23之间，阻止从基质管21中引入的OH进入中间包层22或阻止在中间包层22沉积过程中由包括在化学物质中的水分产生的OH穿透核心层23光学波导区域之中。
基质管中的OH含量为几十个ppb，沉积的二氧化硅的OH含量为几个ppb。在沉积的化学物质中，二氧化硅在结构上对OH最稳定，因此，外包层24和内包层25中不包含P2O5，其折射指数用SiO2或SiO2+GeO2来控制。
从折射指数方面看，核心层23的折射指数比中间包层22的折射指数高，而且，在指向核心的方向上以确定的比率增加。当快速拉伸光纤时，快速冷却产生了热应力。这里，核心层23的折射指数从外围的ΔN0增加至中心的ΔN，从而避免了由热应力引起的光学损耗和光纤的机械性能变差。因此，在高速下可得到具有低损耗和低直径比的光纤，例如，优选核心层23外围的折射指数达到核心层中心的75-99％。
内包层25和外包层24的折射指数可以调整为等于或近似于中间包层22的折射指数，但不大于基质管21或核心层23的折射指数。
一般情况下，基质管中沉积层的OH浓度为基质管的1/1000或更小。用于沉积包层中的P2O5用以降低包层沉积过程中的加工温度。由于它的强吸湿性，P2O5作为将OH从基质管传递到核心层的桥，从而增加核心层中由OH所造成的损耗。因此，一种掺杂了具有低OH扩散系数材料的OH阻挡层沉积于OH浓度高的基质管与包含OH传递介质，P2O5的包层之间，以及该包层与核心层之间，以阻止OH从管扩散到核心层。
图2B表示了本发明的一种完成的光纤预型坯的纵向剖面图，并图示了基质管21a、外包层24a、中间包层22a、内包层25a和核心层23a。在该预型坯的制造过程中，包括SiCl4、GeCl4、POCl3和BCl3的高纯度载气和氧气被注入玻璃基质管21a中。加热基质管21a，从而使煤灰状的氧化物通过热氧化沉积到管21a的表面上。
在本发明中，外包层是通过沉积具有低OH扩散系数的材料，而没有使用有强吸湿性的P2O5来形成。中间包层是考虑到热传递性质和折射指数，通过更进一步地掺杂能够降低加工温度、增加沉积效率的材料形成的，之后，内包层的形成是通过沉积具有低OH扩散系数的物质，而没有使用有强吸水性的P2O5。用于传输光学信号的核心层的形成要使其折射指数在指向核心中心的方向上以确定的比率增加。因此，对于每一种沉积包层，通过控制混合阀与截止阀来将源气体以不同的组成施加。
沉积加工中，在核心沉积、烧缩或封闭过程中，通过沉积不含OH桥，P2O5的内包层25a和外包层24a可以有效地阻止OH从基质管21a到核心层23a的扩散。因此，当保持合适的直径比(b/a)时，核心层中由OH吸收带造成的损耗可以减到最小。另外，因为可以降低直径比，因此可以缩短加工时间。这里，优选包层直径b与核心层直径a的比例(b/a)为1.13.0。
与此同时，在沉积的同时进行烧结的过程中，当煤灰状颗粒被玻璃熔封时，由于内表面张力发生自我烧缩。一种缓冲层(其粘度类似于一种位于粘度高的基质管与相对来说粘度低的包层之间的管的粘度)的存在可以增加该管的阻滞力并减少管收缩。
在用MCVD法制造光纤预型坯的过程中，较小的直径比能减少整个加工时间并有利于大直径预型坯的制造。由于OH损耗随着小直径比快速增加，负面影响光纤的质量，所以现有技术中直径比为大约3.0。然而，当直径比为3.0或更低，如本发明的1.1-3.0之间时，OH吸收损耗可以降低，热应力造成的损耗可以减到最小。
与本发明含有OH阻挡层的光纤预型坯及其制备方法相一致，不含P2O5的外OH阻挡层和内OH阻挡层在沉积时，分别沉积于基质管与包层之间，包层与核心层之间，而且，核心层的折射指数在指向核心中心的方向上增加。因此，在核心沉积过程中，可以有效地阻止OH从基质管穿透到核心层。也能防止烧缩或封闭以及由光纤快速拉伸导致的光学特性的恶化。
尽管参考一些本发明的优选实施方案，对本发明进行了展示和描述后，本领域技术人员就能够理解，可以作出各种形式和细节上的变化不会背离如下述权利要求中定义的本发明的实质和范围。

Claims (17)

1.一种光纤预型坯，其包括：
一种基质管；
一个位于基质管内部的包层；
一个位于包层内部的核心层，所述核心层的折射指数大于包层的折射指数，且在指向核心层中心的方向上数值增加；和
一个通过沉积一种具有低氢氧根扩散系数的材料形成于基质管与包层之间的第一阻挡层，用来阻止包括在基质管中的氢氧根穿透到包层之中；以及
一个通过沉积一种具有低氢氧根扩散系数的材料形成于包层与核心层之间的第二阻挡层，用来阻止包层中的氢氧根穿透到核心层之中，
其中第一和第二阻挡层的其中之一由一种选自SiO2和SiO2+GeO2的组合物形成。
2.权利要求1的光纤预型坯，其中第一和第二阻挡层其中之一的折射指数不大于基质管和核心层中任一种的折射指数。
3.权利要求1的光纤预型坯，其中包层与核心层的直径比为1.1-3.0。
4.权利要求1的光纤预型坯，其中核心层的外围的折射指数为核心层中心的折射指数的75-99％。
5.一种光纤预型坯的制备方法，其包括如下步骤：
通过将一种具有低氢氧根扩散系数的材料沉积到基质管的内表面上形成第一阻挡层；
在第一阻挡层上形成包层；
通过将一种具有低氢氧根扩散系数的材料沉积到包层上形成第二阻挡层；以及
通过沉积形成具有折射指数在指向核心层的中心的方向上增加的核心层，用于光学信号传输，
其中第一和第二阻挡层的其中之一由一种选自SiO2和SiO2+GeO2的组合物形成。
6.权利要求5的方法，其进一步包括在包层形成步骤与核心层形成步骤之间通过沉积一种具有低氢氧根扩散系数的材料形成第二阻挡层。
7.一种光纤预型坯，其包括：
一种圆柱形核心，该核心的折射指数从核心的外围向核心中心平缓增加；
一个包围核心的内包层，所述内包层包含SiO2并不包含P2O5，该内包层的折射指数小于该核心的折射指数；
一个包围内包层的中间包层，所述中间包层包含SiO2和P2O5，该中间包层的折射指数小于该核心，并等于所述内包层的折射指数；
一个包围中间包层的外包层，所述外包层包含SiO2并不包含P2O5，该外包层的折射指数小于该核心，并等于所述内包层的折射指数；
一个包围外包层的基质管，所述基质管的折射指数大于内包层、中间包层和外包层的折射指数。
8.权利要求7的光纤预型坯，所述内包层进一步包括用于调节内包层折射指数的GeO2。
9.权利要求7的光纤预型坯，所述外包层进一步包括用于调节外包层折射指数的GeO2。
10.权利要求7的光纤预型坯，其中该核心外围的折射指数为该核心中心折射指数的75-99％。
11.权利要求7的光纤预型坯，其外包层与核心的直径比为1.1-3.0。
12.一种制备光纤的方法，其包括如下步骤：
在基质管的内表面用改性化学蒸汽沉积法沉积一个包含SiO2并不包含P2O5的外包沉积层，以制备折射指数低于基质管折射指数的外包层；
在外包沉积层的内表面沉积一个包含SiO2和P2O5的中间包沉积层，以制备折射指数等于外包层折射指数的中间包层；
在中间包沉积层的内表面沉积一个包含SiO2并不包含P2O5的内包沉积层，以制备折射指数等于外包层和中间包层折射指数的内包层；
在内包层的内表面沉积一个从外围到中心有不同组成的核心沉积层，以制备一个折射指数高于外包层，中间包层和内包层，且折射指数从核心的外围到中心平缓增加的核心，用以防止由于光纤中热应力引起的光学损耗；以及
烧缩带沉积层的基质管以形成光纤预型坯。
13.权利要求12的方法，所述沉积外包沉积层的步骤进一步包括与SiO2一起沉积GeO2，以控制外包层的折射指数。
14.权利要求12的方法，所述沉积内包沉积层的步骤进一步包括与SiO2一起沉积GeO2，以控制内包层的折射指数。
15.权利要求12的方法，该光纤预型坯中外包层与核心的直径比为1.1-3.0。
16.权利要求12的方法，光纤预型坯的核心外围的折射指数为核心中心折射相数的75-99％。
17.权利要求12的方法，其进一步包括步骤：快速拉伸光纤预型坯以形成光纤。
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