專利名稱：色散控制光纖及其大尺寸預制坯的制造方法
技術領域：
本發明涉及光纖及其制造方法，并具體涉及色散控制光纖及其大尺寸預制坯(preform)的制造方法。
作為傳送信息新介質而廣為使用的光纖根據傳送方式分為單模光纖和多模光纖兩大類。單模光纖還可分類為單模光纖和色散控制光纖。
色散控制光纖包括將零色散波段移至1．5μm波段的色散位移光纖，在寬波長帶1．3～1．6μm具有恒定色散值的色散扁平光纖(dispersion flattened fiber)和在1．5～1．6μm具有低色散值的非零色散位移光纖。在授予Kato等的美國專利US5721800中公開了色散位移光纖，在授予Nouchi等的美國專利US 5675690中公開了色散扁平光纖。
雖然光纖由原料直接制造，但是其大多數通常在熔爐由加熱到軟化點以上的單獨預制坯制造。
可由預制坯拉伸的光纖長度取決于預制坯的直徑。特別是，由于光纖的牽伸量和該預制坯直徑成比例，已經提出了大尺寸預制坯的制造方法。通過增大第一預制坯的直徑和通過加大用于外包覆的管直徑可加大預制坯尺寸，該第一預制坯是通過沉積和致密(collapse)形成的。
圖1是顯示常規光纖制造方法的流程圖。如圖1所示，光纖的一般制造方法包括以下步驟形成預制坯(步驟10)，拉伸光纖(步驟20)，圍繞光纖外部周邊涂覆皮層(步驟30)和卷繞該光纖(步驟40)。一般說，拉伸和涂覆步驟通常在纖維拉伸裝置中連續進行。
步驟10是形成以便拉伸成光纖的基本預制坯的過程。形成預制坯的方法包括氣相軸向沉積(VAD)法、外化學氣相沉積(OCVD)法、等離子化學氣相沉積(PCVD)法和改進的化學氣相沉積(MCVD)法，廣泛使用MCVD法。
在此將詳細說明通過MCVD法制造預制坯的過程。將氣體例如SiCl4或GeCl4導入以恒定的速度旋轉的沉積管中，并用可左右移動的燃燒器加熱該管的外周。顆粒被沉積在沉積管的內表面上。用燃燒器的熱量燒結、致密并閉合(closed)這些沉積的顆粒以便形成有芯層和包層的第一預制坯。對第一預制坯進行外包覆(over-cladding)處理以形成產物預制坯。
調節供入沉積管的氣體組分可選擇纖芯和包層間的折射差，而且在美國專利US 4389230和5397372中詳細公開了用MCVD法制造預制坯的過程。
在帶有熔爐和涂層機的光纖制造裝置中連續進行拉伸和涂覆步驟20和30，以便從預制坯拉制光纖。當在熔爐中將預制坯加熱到軟化點以上時，經位于熔爐下端的拉伸孔拉伸光纖。然后經過涂層機涂覆光纖，并經過冷卻器冷卻。
在卷繞步驟40中，光纖受到絞盤施加的應力，并被卷繞在卷筒上。
圖2是說明一般單模光纖結構的橫截面圖，圖3是說明常規色散控制光纖結構的橫截面圖。所示光纖主要由SiO2構成。
如圖2和3所示，通常的單模光纖和常規的色散控制光纖分別包括纖芯110或210、包層120或220和皮層130或230。
SiO2是纖芯110或210的主組分，并添加GeO2調節折射率分布。包層120或220除了含SiO2之外，還含有GeO2、P2O5和氟利昂以調節折射率分布或降低沉積溫度。盡管為便于理解以單層示出包層120和220，但也可采用經外包覆形成的多層包層。
通常，單模光纖100的纖芯直徑為8～12μm且相對折射率為0．35，而色散控制光纖200的纖芯直徑為5～8μm且相對折射率為0．7～0．15。換言之，色散控制光纖200的纖芯210直徑小于一般單模光纖100的直徑，但折射率卻比單模光纖的高。相對折射率用(n12-n22)／(2n12)*100表示，其中n1是纖芯的最大折射率，且n2是最小折射率。
皮層130和230的作用是內部的保護層，用于防止纖芯110和210以及包層120和220不受機械或化學破壞。皮層130和230由塑性材料例如熱固性樹脂制成。
表1顯示一般單模光纖和現有色散控制光纖的光學特性改變。表2表明，光學特性改變和沉積管形變依賴于預制坯直徑增量和拉伸溫度。表1中，S代表SiO2，G代表GeO2，P代表P2O5且F代表氟利昂。
表1
(“S．M．F．”代表單模光纖，“D．C．F．”代表色散控制光纖)如實例1和2看到的，在一般單模光纖情形中，即使在升高的拉伸溫度下拉制該光纖，光特性例如零色散波長、模場直徑和色散斜率也不改變或很少改變，甚至和使用不涉及尺寸增大的預制坯拉制情況相比，所用預制坯尺寸從50毫米增加到66毫米條件下進行的光纖拉伸也是如此。
但如實例3和4所見，在色散控制光纖的情形，即使用直徑由50毫米變到66毫米的預制坯拉制光纖，與使用不涉及尺寸增大的預制坯拉制情況相比，光特性例如零色散波長、模場直徑和色散斜率也發生顯著改變。這是因為和單模光纖相比，色散控制光纖的纖芯和包層由不同組合物制成，而且因為色散控制光纖的纖芯直徑較小。
這就是說，常規色散控制光纖含SiO2和CeO2構成的纖芯以及SiO2、GeO2、P2O5和氟利昂構成的包層，并且纖芯直徑比單模光纖的小。所以，在提高的拉伸溫度下，用加大直徑的預制坯拉制這樣的色散控制光纖時，由于纖芯和包層之間的溫度分布不均勻，可能產生應力。此外，纖芯中的折射率分布也可能因纖芯和包層之間的粘度差異而不同。
如從實例3和4看到的，纖芯中不同的折射率分布導致色散控制光纖的光學特性改變。例如，對于預制坯直徑較小的色散控制光纖來說，零色散波長改變20-40納米，模場直徑改變0．2～0．5微米并且色散斜率改變O．004～0．009ps／nm2。
本發明的一個目的是解決現有技術中存在的這些問題，并提供色散控制光纖和大尺寸預制坯的制造方法。
為了達到上述目的，按照本發明的一個方面，提供—種色散控制光纖，包括SiO2、GeO2和P2O5構成的纖芯以及SiO2、GeO2、P2O5和氟利昂構成的包層。
按照本發明的另一個方面，提供—種色散空制光纖，包括SiO2、GeO2、P2O5和氟利昂構成的纖芯以及SiO2、GeO2、P2O5和氟利昂構成的包層。
按照本發明的另一個方面，提供—種色散控制光纖，包括SiO2、GeO2和P2O5構成的纖芯，SiO2、GeO2、P2O5和氟利昂構成并圍繞該纖芯外周設置的第一包層以及僅由SiO2構成并圍繞該第一包層外周設置的第二包層。
再按照本發明的另一個方面，提供MCVD方法制色散控制光纖中所用到的大尺寸預制坯制造方法，該方法包括以下步驟在沉積管的內周邊沉積SiO2、GeO2、P2O5和氟利昂以便形成包層，和在該包層的內周邊沉積SiO2、GeO2和P2O5以便形成纖芯層。
經參照以下附圖詳述的優選實施方案，本發明的上述目的和優點會更加明顯圖1是表示常規光纖制造方法的流程圖；圖2是說明一般單模光纖結構的橫截面圖；圖3是說明常規色散控制光纖結構的橫截面圖；圖4是說明本發明第一實施方案色散控制光纖結構的橫截面圖；圖5是說明本發明第二實施方案色散控制光纖結構的橫截面圖；圖6是說明本發明第三實施方案色散控制光纖結構的橫截面圖；圖7是表示本發明優選實施方案色散控制光纖大尺寸預制坯制造方法的流程圖；和圖8a和8b是表示光纖拉制溫度與零色散波長改變量之間關系的曲線圖，分別屬于按照現有技術及按照本發明色散控制光纖的大尺寸預制坯。
現參考附圖詳細說明本發明的優選實施方案。在本發明的下列描述中，當詳述本文包括的已知功能和構型反而使本發明的主題內容相當不鮮明時，其將被省略。
圖4是說明本發明第一實施方案色散控制光纖結構的橫截面圖，圖5是說明本發明第二實施方案色散控制光纖結構的橫截面圖，并且圖6是說明本發明第三實施方案色散控制光纖結構的橫截面圖。在這些圖中，纖芯和包層分別用固有的組分的縮寫表示；S代表SiO2，G代表GeO2，P代表P2O5和F代表氟利昂。
如圖4所示，根據本發明第一實施方案的色散控制光纖300包括SiO2、GeO2和P2O5構成的纖芯310和SiO2、GeO2、P2O5以及氟利昂構成的包層320。圍繞包層320的外周設置皮層330。
SiO2是纖芯310和包層320的主組分，且加入GeO2調節纖芯310和包層320的折射率分布。P2O5起減少纖芯和包層間粘度差異及沉積溫度的作用。另外，氟利昂起降低包層折射率的作用。
纖芯310復合物中將要加入的P2O5含量應當不超過構成纖芯復合物總重量的10％。纖芯310所含P2O5的作用是減少纖芯和包層間的粘度差異。纖芯和包層的不同組成可導致這種粘度差異。因此，在拉伸時可將纖芯和包層間粘度差異引起的溫度分布不平衡最小化。如果纖芯310的P2O5含量大于構成纖芯復合物總重量的10％，那末因纖芯310吸收損失增加和粘度降低，可發生幾何變形。
可調節GeO2、P2O5和氟利昂的含量以使纖芯310和包層320之間的相對折射差大于0．35，該值是—般單模光纖纖芯對包層的相對折射比。可選擇P2O5相對構成纖芯310復合物的復合物比以使其從纖芯中心到其周邊增加或減少，或單獨將其維持在纖芯橫截面的任何位置上。
如圖5所示，根據本發明第二實施方案的色散控制光纖400包括SiO2、GeO2、P2O5和氟利昂構成的纖芯410以及SiO2、GeO2、P2O5和氟利昂構成的包層420。圍繞包層420的外周設置皮層430。具體地說，根據本發明第二實施方案的色散控制光纖400與本發明第一實施方案的大體相似，不同的是，纖芯中另外加入了氟利昂。
纖芯410復合物中將要加入的P2O5含量應當不超過構成纖芯復合物總重量的10％。纖芯410所含P2O5會減少纖芯和包層間的粘度差異，各自構成纖芯和包層的不同組分引起該粘度差異。因此，在拉伸時可將纖芯410和包層420間粘度差異引起的溫度分布不平衡最小化。如果纖芯410的P2O5含量大于構成纖芯復合物總重量的10％，因纖芯410吸收損失增加和粘度降低，可發生幾何變形。
SiO2是纖芯410和包層420的主組分，且加入GeO2調節纖芯410和包層420的折射率分布。P2O5起減少纖芯和包層間粘度差異及沉積溫度的作用。另外，氟利昂不僅起降低包層折射率的作用，而且起降低纖芯410和包層420間粘度差異的作用。
如圖6所示，根據本發明第三實施方案的色散控制光纖500包括SiO2、GeO2和P2O5構成的纖芯510，SiO2、GeO2、P2O5和氟利昂構成的第一包層530以及僅由SiO2構成的第二包層520。圍繞包層520的外周設置皮層540。
如上第一和第二實施方案所述，纖芯510復合物中將要加入的P2O5含量也將選擇不超過構成纖芯復合物總重量的10％。纖芯510中所含P2O5減少纖芯和包層間的粘度差異，此粘度差異由各自構成纖芯和包層的不同組分引起。因此，在拉伸時可將纖芯510和包層520間粘度差異引起的溫度分布不平衡最小化。
SiO2是纖芯510與第一和第二包層530和520的主組分，且加入GeO2調節纖芯510和第—包層530的折射率分布。P2O5起減少纖芯510和第—包層530間粘度差異及沉積溫度的作用。另外，氟利昂不僅起降低第一包層530折射率的作用，而且起降低纖芯510和第一包層530間粘度差異的作用。
圖7是表示本發明優選實施方案色散控制光纖的大尺寸預制坯制造方法的流程圖，其中用MCVD法完成該方法。
根據本發明優選實施方案色散控制光纖的大尺寸預制坯的制造方法主要包括包層沉積步驟50，纖芯沉積步驟60和致密和閉合步驟70。
包層沉積步驟50中，在可回轉的沉積管內部供入SiO2、GeO2和P2O5，并用燃燒器加熱該管，將由SiO2、GeO2和P2O5構成的包層沉積在沉積管的內周邊。另外，可將SiO2、GeO2、P2O5和氟利昂構成的包層沉積在沉積管的內周邊。
在纖芯沉積步驟60中，將由SiO2、GeO2、P2O5和氟利昂構成的纖芯層沉積在沉積于沉積管上的包層的內周邊上。此時，調節P2O5含量使之不超過構成包層組分總重量的10％。如果P2O5的重量定額超過包層總重量的10％，可能發生幾何變形。
在致密和閉合步驟70中，沿沉積管的縱向移動燃燒器并加熱該管，從而填充纖芯層中心剩余的中空部分。
本領域熟練人員將會理解，可用VAD、OCVD或PCVD法以及上述的MCVD法制造大尺寸預制坯。
表2列出色散控制光纖光學特性的變化，該光纖是用按本發明實施方案制造的大尺寸預制坯拉制的。表2中，光學特性變化及沉積管變形說明它們依賴于預制坯直徑增加以及拉伸溫度。另外，經參考分別對應于本發明兩個實施方案的對比例也說明光學特性的改變。在每一個對比例中，其纖芯和包層均未加P2O5，這不同于本發明的實施例。
表2(1*現有技術的實例4，2*本發明的實施例1，3*本發明的實施例2，4*對比例1，5*對比例2。“D．C．F．”代表色散控制光纖。)實施例1是如圖4所示的，由纖芯和包層構成的大尺寸預制坯，該纖芯由SiO2、GeO2和P2O5構成，該包層由SiO2、CeO2、P2O5和氟利昂構成。由該預制坯拉制光纖并測試其光學特性，如零色散波長、模場直徑和色散斜率以及沉積管的收縮變形。
將實施例1和現有技術的，其光纖由SiO2和GeO2構成芯的大尺寸預制坯拉制而成的實例4進行對比，發現光學特性的改變明顯減少。具體地，零色散波長從20～40納米變為0～2納米，模場直徑從0．2～0．5微米變為0～0．2微米，且色散斜率從0．004～0．009ps／nm2變為0～0．001ps／nm2。
實施例2是如圖5所示的，由纖芯和包層構成的大尺寸預制坯，該纖芯由SiO2、GeO2、P2O5和氟利昂構成，該包層由SiO2、GeO2、P2O5和氟利昂構成。由此預制坯拉制光纖并測試其光學特性，如零色散波長、模場直徑和色散斜率以及沉積管的收縮變形。
將實施例2和現有技術的，其光纖由SiO2和GeO2構成芯的大尺寸預制坯拉制而成的實例4進行對比，發現光學特性的改變明顯減少。具體地，零色散波長從20～40納米變為1～3納米，模場直徑從0．2～0．5微米變為0～0．2微米，且色散斜率從0．004～0．009ps／nm2變為0～0．001ps／nm2。
圖8a和8b是表示光纖拉制溫度與零色散波長改變量之間關系的曲線圖，分別屬于按照現有技術及按照本發明色散控制光纖的大尺寸預制坯。
如可從圖8a看到的，如果將按照現有技術預制坯的直徑從50毫米改變到66毫米，根據拉伸溫度的零色散波長改變會變大。但是如可從圖8b看到的，如果將按照本發明預制坯的直徑從50毫米改變到66毫米，根據拉伸溫度的零色散波長改變會變小。
按照本發明的色散控制光纖其優點在于，即使為了由本發明大尺寸預制坯拉制色散控制光纖而增加拉伸溫度，光學特性的變化也被最小化。
另外，按照本發明，將沉積纖芯的溫度降低以便阻止沉積管的收縮，而且還可降低燒結溫度。并且可減少致密所要求的加工時間。
盡管已結合目前認為最可行和優選的實施方案描述了本發明，但是應當理解，可不背離本發明范圍地進行其它改變。因此，本發明不應當限于所公開的實施方案，而應當由所附權利要求和它們的等效物進行限定。
權利要求
1．一種色散控制光纖包括由SiO2、GeO2和P2O5構成的纖芯；以及由SiO2、GeO2、P2O5和氟利昂構成的包層。
2．如權利要求1中所述的色散控制光纖，其中選擇P2O5的含量不超過構成該纖芯復合物總重量的10％。
3．如權利要求1中所述的色散控制光纖，其中該纖芯和該包層之間的相對折射差為0．35以上。
4．如權利要求1中所述的色散控制光纖，其中選擇P2O5對構成該纖芯的復合物的配混比以便使其從該纖芯中心到其周邊增加或減少。
5．如權利要求1中所述的色散控制光纖，其中選擇P2O5對構成該纖芯的復合物的配混比以便使其單獨維持在該纖芯橫截面中任何位置。
6．一種色散控制光纖，包括由SiO2、GeO2、P2O5和氟利昂構成的纖芯；以及由SiO2、GeO2、P2O5和氟利昂構成的包層。
7．如權利要求6中所述的色散控制光纖，其中選擇P2O5的含量不超過構成該纖芯復合物總重量的10％。
8．如權利要求6中所述的色散控制光纖，其中該纖芯和該包層之間的相對折射差為0．35以上。
9．如權利要求6中所述的色散控制光纖，其中選擇P2O5對構成該纖芯的復合物的配混比以便使其從該纖芯中心到其周邊增加或減少。
10．一種色散控制光纖，包括由SiO2、GeO2和P2O5構成的纖芯；由SiO2、GeO2、P2O5和氟利昂構成的，并圍繞該纖芯外周設置的第一包層；以及僅由SiO2構成的，并圍繞該第一包層外周設置的第二包層。
11．如權利要求10中所述的色散控制光纖，其中選擇P2O5的含量不超過構成該纖芯復合物總重量的10％。
12．用于MCVD法色散控制光纖的大尺寸預制坯的制造方法，該方法包括以下步驟在沉積管的內周邊沉積SiO2、GeO2、P2O5和氟利昂以便形成包層，并且在該包層的內周邊上沉積SiO2、GeO2和P2O5以便形成纖芯層。
全文摘要
色散控制光纖和大尺寸預制坯的制造方法。該色散控制光纖包括纖芯和包層,該纖芯由SiO
文檔編號C03B37/018GK1282879SQ0012627
公開日2001年2月7日 申請日期2000年7月21日 優先權日1999年7月22日
發明者李知勛, 都文顯 申請人:三星電子株式會社