專利名稱：對摻氟光纖預(yù)制管進行等離子覆層的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光纖、光纖預(yù)制件以及制造通過在初級預(yù)制件周圍用外部等離子沉積得到的最終光纖預(yù)制件的方法。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的光纖如單模光纖(SMF)具有從光纖中心開始隨半徑變化的折射率剖面分布，典型地如圖1所示。折射率為n1的纖芯1被折射率為n2的包層2包圍。纖芯1的折射率n1高于包層2的折射率n2，從而光在光纖內(nèi)傳播。由于包層2是未摻雜的二氧化硅，因此纖芯1應(yīng)當(dāng)是摻有摻雜物的二氧化硅，該摻雜物可以增大二氧化硅的折射率。習(xí)慣地，這種摻雜物是鍺。由于隨著鍺含量百分比的增加，衰減會惡化，因此圖1所示光纖的衰減通常特別高。
為了改善光纖的衰減，已知的是設(shè)計降低光纖纖芯1內(nèi)鍺的含量。然而，由于纖芯和包層折射率的差取決于光纖期望的傳播性質(zhì)，因此就需要降低包層的折射率，從而包層(cladding)應(yīng)當(dāng)是摻有減小折射率的摻雜物的二氧化硅。這種摻雜物習(xí)慣上是氟。為了確保光纖不會對微彎曲過于敏感因而不會顯示出太高的彎曲損耗，這種摻氟二氧化硅包層(其折射率低于二氧化硅)需要達(dá)到臨界半徑，該臨界半徑的值取決于纖芯的半徑。考慮到生產(chǎn)預(yù)制件的成本(cast)，超過該臨界半徑之外的包層仍舊是未摻雜的二氧化硅，這是由于在預(yù)制件內(nèi)提供摻雜二氧化硅層比提供未摻雜二氧化硅層更加昂貴。得到的光纖示出在圖2中。這種光纖包括半徑為“a”的摻鍺二氧化硅纖芯11，其折射率n1高于二氧化硅的折射率，包圍纖芯11且半徑為rc的摻氟二氧化硅內(nèi)包層13，其折射率n3低于二氧化硅的折射率，以及包圍內(nèi)包層13且折射率為n2的未摻雜二氧化硅外包層12。纖芯11周圍的折射率相對于外包層12所降低的量“h”出現(xiàn)在內(nèi)包層13埋入外包層12的位置處。假定半徑rc至少等于臨界半徑，則這種得到的光纖不會顯示出微彎曲損耗的任何惡化。舉一個標(biāo)準(zhǔn)光纖的例子，其纖芯11是均勻分段的；無論是何種光纖，例如具有幾個纖芯段(也可以是埋入的)的補償色散型光纖，也都可以設(shè)計。
內(nèi)包層13用摻氟二氧化硅構(gòu)成。
在例如由日本專利JP55100233的摘要所披露的第一種現(xiàn)有技術(shù)中，這種內(nèi)包層13可以由包圍著摻雜纖芯的初級預(yù)制件的摻氟二氧化硅管構(gòu)成。要么是外管半徑與外芯半徑的比相對較高從而初級預(yù)制件非常昂貴，要么是外管半徑與外芯半徑的比相當(dāng)小從而光纖對微彎曲過于敏感，光纖都顯示出過高的微彎曲損耗，其中該光纖是在借助于裝套管操作(sleeving operation)添加低質(zhì)量二氧化硅管之后拉制最終預(yù)制件而得到。JP55100233涉及一種制造預(yù)制件的方法，其中用作纖芯材料的摻雜石英玻璃棒插在高純度的合成石英玻璃管內(nèi)，通過用外部的加熱源加熱至高溫使其固化，從而得到不完全的預(yù)制棒(semi-preform rod)。由此得到的預(yù)制件進一步地插進低純度的石英玻璃管如天然石英玻璃管內(nèi)，并用外部的加熱源加熱至高溫進行固化，從而制造出預(yù)制棒。但該日本文獻沒有涉及外部等離子包覆形成(buildup)的方法。
在第二種現(xiàn)有技術(shù)中，涉及用化學(xué)氣相沉積(CVD)(包括MCVD、FCVD沉積以及相同類型的任何沉積)得到的初級預(yù)制棒，內(nèi)包層13可以由摻氟二氧化硅管構(gòu)成，在該摻氟二氧化硅管內(nèi)已經(jīng)沉積有CVD類型的光學(xué)包層，外包層12由天然硅細(xì)粒構(gòu)成，該天然硅細(xì)粒的折射率略高于摻氟二氧化硅管的折射率。通常摻鍺的纖芯借助于CVD類型沉積沉積在光學(xué)包層內(nèi)部。然而，再一次地，類似于上面情形那樣，要么是外管半徑與外芯半徑的比相對較高從而初級預(yù)制件非常昂貴，要么是外管半徑與外芯半徑的比相當(dāng)小從而光纖對微彎曲過于敏感，光纖都具有過高的微彎曲損耗，其中該光纖是在借助于裝套管操作(sleeving operation)添加低質(zhì)量二氧化硅管之后拉制最終預(yù)制件而得到。
在本發(fā)明中，內(nèi)包層13的一部分(該部分設(shè)在摻氟二氧化硅管的外部而且位于其外表處)通過在摻氟二氧化硅內(nèi)沉積合成細(xì)粒得到，從而很顯然比用CVD或用相當(dāng)大橫截面的摻氟二氧化硅管來提供包層要便宜得多，因此可以提供與初級預(yù)制棒纖芯的外半徑相比具有足夠大外半徑的內(nèi)包層13，以得到對微彎曲相當(dāng)敏感同時將制造成本(cast)保持在合理水平上的光纖。關(guān)于外包層12，通過用天然二氧化硅細(xì)粒沉積進行覆層(overcladding)來得到，因為采用摻氟合成二氧化硅細(xì)粒對于所完成的最終預(yù)制件來說過于昂貴。事實上，以兩級操作對初級預(yù)制件進行覆層，首先采用摻氟的合成二氧化硅細(xì)粒，然后采用天然的二氧化硅細(xì)粒，這使得光纖同時具有低而良好的衰減以及對微彎曲的低敏感性，同時可以相對便宜地來制造。
US2002/0144521涉及一種制造光纖預(yù)制件的方法，該方法包括下面的步驟提供與摻雜的氯相比摻有足夠氯和足夠氟的二氧化硅襯底管，以得到比天然二氧化硅低的折射率；在襯底管內(nèi)部沉積內(nèi)包層和光學(xué)纖芯；塌陷(collapse)襯底管形成初級預(yù)制件；以及在得到的初級預(yù)制件上沉積所述天然二氧化硅外包層。
這種外部沉積可以用各種不同的方式實施，例如等離子沉積，其中天然二氧化硅的細(xì)粒借助于重力從平行于初級預(yù)制件平移移動的送料管進行沉積，然后在約2300℃的溫度下借助于等離子體進行熔合和玻璃化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供原始的最終預(yù)制件，得到該最終預(yù)制件的覆層方法，拉制所述最終預(yù)制件得到的光纖，以及采用由此得到的數(shù)根光纖的光纜。
因而，本發(fā)明提供一種外部等離子包層形成方法，其中最終光纖預(yù)制件通過用二氧化硅細(xì)?；蚓w覆層初級預(yù)制件來得到，初級預(yù)制件的外周圍層由摻氟二氧化硅管構(gòu)成，其特征在于所述外部等離子包層形成方法包括在第一步驟中，用合成的摻氟二氧化硅細(xì)粒進行外部等離子覆層，然后在第二步驟中，用天然二氧化硅細(xì)粒進行覆層。
同時提供一種最終光纖預(yù)制件，包括初級預(yù)制件，該初級預(yù)制件的周圍層由摻氟二氧化硅構(gòu)成，和包圍所述初級預(yù)制件的外部等離子沉積覆層層，其特征在于所述沉積覆層層包括包圍所述管、由摻氟合成二氧化硅細(xì)粒得到的第一覆層子層(sublayer)，和包圍所述第一覆層子層、由天然二氧化硅細(xì)粒得到的第二覆層子層。


從下面結(jié)合附圖、借助于實施例給出的描述，可以更好地理解本發(fā)明，而且本發(fā)明其它的特征和優(yōu)點會變得更加明顯，在附圖中圖1是示出依照現(xiàn)有技術(shù)的一個光纖折射率剖面分布實施例的視圖；圖2是示出對于依照現(xiàn)有技術(shù)和依照本發(fā)明的光纖，其一個折射率剖面分布實施例的視圖；圖3是示出對于依照本發(fā)明的最終光纖預(yù)制件，其一個折射率剖面分布實施例的視圖。
具體實施例方式
圖3示意性示出對于依照本發(fā)明的最終光纖預(yù)制件，其一個折射率剖面分布實施例的視圖。在圖3中，類似于圖1和2，最終預(yù)制件或光纖的光軸用虛線ao表示。給出的半徑I從最終預(yù)制件的中心開始。該最終光纖預(yù)制件從中心向外逐漸包括折射率為n1、半徑為“a”的纖芯21，借助于CVD沉積法沉積而且摻鍺；內(nèi)包層；以及折射率為n2的外包層22，用天然的二氧化硅細(xì)粒借助于等離子二氧化硅沉積法沉積，而且未摻雜，該外包層在下面也稱作第二覆層子層。該內(nèi)包層從中心向外逐漸包括折射率為n3、半徑為“b”的光學(xué)包層23，借助于CVD沉積法沉積而且摻氟；折射率為n4、半徑為“c”的摻氟二氧化硅管24；以及用摻氟合成二氧化硅細(xì)粒借助于等離子二氧化硅沉積法沉積的層，該層在下面也稱作折射率為n5且半徑為“c1”的第一覆層子層。初級預(yù)制棒由纖芯21、光學(xué)包層23和管24構(gòu)成。
這種等離子覆層沉積法在初級預(yù)制件上進行構(gòu)造，從而借助于二氧化硅細(xì)粒沉積得到最終的預(yù)制件。初級預(yù)制件具有由管24構(gòu)成的摻氟二氧化硅外周圍層。這個周圍層是初級預(yù)制件的最外層。初級預(yù)制件可以例如是借助于如VAD(氣相軸向沉積)或OVD(外部氣相沉積)并借助于用摻氟二氧化硅管進行裝套管操作而得到的圓柱體。初級預(yù)制件優(yōu)選借助于CVD類型的沉積在管24內(nèi)用摻氟二氧化硅得到，類似于圖3所示的情形?，F(xiàn)在，該初級預(yù)制件從中心向外包括纖芯21，至少一部分摻有例如鍺以提供比二氧化硅高的折射率，和摻氟二氧化硅的管24。這種等離子覆層沉積法在最初步驟中首先包括第一操作，用摻氟合成二氧化硅細(xì)粒進行覆層以得到第一覆層子層25，接下來，在第二覆層操作中，用未摻雜的天然二氧化硅細(xì)粒進行沉積以得到第二覆層子層22。不論該第一覆層子層還是第二覆層子層，都屬于覆層，而且優(yōu)選地構(gòu)成覆層。通常，天然的二氧化硅細(xì)粒是未摻雜的，而且是一種廉價材料，以成本價提供的摻有少量摻雜物的天然二氧化硅細(xì)粒明顯比合成二氧化硅細(xì)粒便宜，從而也可以用來提供第二覆層子層22。在本發(fā)明的覆層法中，使用兩種類型的細(xì)粒質(zhì)量很好而且相對便宜的摻氟合成二氧化硅細(xì)粒，和更便宜但質(zhì)量較差的天然二氧化硅細(xì)粒。所使用的天然細(xì)粒的成本價要比所使用的這種合成細(xì)粒的成本價便宜，從而可用于本發(fā)明。所使用的天然細(xì)粒的價格通常比使用的合成細(xì)粒的價格便宜數(shù)倍，從而使本發(fā)明極其有利。習(xí)慣上，天然二氧化硅細(xì)粒的價格至少是合成二氧化硅細(xì)粒特別是摻氟合成二氧化硅細(xì)粒的一半。優(yōu)選地，第二覆層子層由摻氟合成二氧化硅細(xì)粒制成為達(dá)到臨界的最終預(yù)制件半徑，將各個覆層子層相互分開，術(shù)語“臨界”指的是由這種最終預(yù)制件得到的光纖對微彎曲的靈敏度，同時，在這個臨界半徑外，第二覆層子層由天然二氧化硅細(xì)粒構(gòu)造。很顯然，第一覆層子層可以終止在這個臨界半徑之前或之后，盡管沒有完全最優(yōu)化，然而在得到的光纖對微彎曲的靈敏度和最終預(yù)制件與現(xiàn)有技術(shù)相比的成本價之間的平衡(tradeoff)仍然是有所改進的。當(dāng)所述臨界半徑將第一覆層子層與第二覆層子層分開時，這種平衡的最優(yōu)化就可以獲得。最終預(yù)制件的臨界半徑對應(yīng)于光在相應(yīng)光纖內(nèi)傳播的區(qū)域與光未在相應(yīng)光纖內(nèi)傳播的區(qū)域之間的邊界。
優(yōu)選地，為了使第一覆層子層25正好延伸直到微彎曲靈敏度的臨界半徑周圍，第一覆層子層25的外直徑應(yīng)當(dāng)比沉積纖芯21的外直徑至少大五倍。有利的是，第一覆層子層25的外直徑約比沉積纖芯21的外直徑大六倍。回到圖3，可以看出d/a的比約為6，而c/a的比大大小于6；然而在現(xiàn)有技術(shù)中，對于相同質(zhì)量但成本價明顯升高的包覆層，“d”的不存在導(dǎo)致c/a的比接近于6。
優(yōu)選地，第一覆層子層25的徑向厚度大于管24外半徑的一半。這使得d-c的值大于c/2。若覆層子層25的厚度太小，則即使存在著質(zhì)量/價格的平衡收益(tradeoff gain)，質(zhì)量/價格的平衡收益也會保持相當(dāng)小，因而沒有太多價值。
優(yōu)選地，沉積纖芯21摻有鍺。但其它增大纖芯折射率的摻雜物也可以任意地使用。有利的是，整個沉積纖芯21是摻鍺的，以便其折射率恒定地大于二氧化硅的折射率，類似于例如在最終預(yù)制件在拉制以后設(shè)計用來提供標(biāo)準(zhǔn)單模光纖的情形中那樣。
光學(xué)包層23、管24和第一覆層子層25的折射率優(yōu)選是彼此接近的，以便拉制預(yù)制件后得到的光纖的折射率剖面分布既不顯示為環(huán)帶也不顯示為下沉(dip)，該環(huán)帶或下沉都會惡化光纖的微彎曲性能。在圖2中，環(huán)是向上的階，而下沉是向下的階。然而，與向上的階相比，向下的階并不嚴(yán)重。如圖3所示，折射率n3、n4和n5并沒有全部在同一水平上，因為粘度(viscosity)并不完全相同。在光纖拉制期間，折射率和粘度的稍微差別都會導(dǎo)致非平衡，從而得到的光纖的折射率剖面分布類似于圖2所示的情形。最終預(yù)制件的部分23、24和25基本處于相同的水平，如同光纖的各個部分那樣，若這些部分基本沒有惡化光纖的微彎曲性能，則可以保持小的差別。
本發(fā)明也涉及通過拉制本發(fā)明的最終預(yù)制件得到的光纖。優(yōu)選地，由光學(xué)包層23、管24和第一覆層子層25分別得到的光纖其折射率剖面分布的各個部分全部具有相同的折射率，其都低于二氧化硅的折射率。優(yōu)選地，本發(fā)明所涉及的這種光纖是一種很少對微彎曲敏感而且具有很低衰減的光纖。
本發(fā)明還涉及一種光纖光纜，包括數(shù)根本發(fā)明的光纖。由于在這種光纖的折射率剖面分布中下沉特別是向上階的不存在，因此在這些光纖內(nèi)不會傳播任何副振蕩模(spurious mode)(模式寄生)。
權(quán)利要求
1.一種外部等離子包層形成方法，其中通過用二氧化硅細(xì)粒對初級預(yù)制件進行覆層得到最終的光纖預(yù)制件，所述初級預(yù)制件的周圍層由摻氟的二氧化硅管構(gòu)成，其特征在于所述外部等離子包層形成方法包括第一步驟，用合成的摻氟二氧化硅細(xì)粒進行外部等離子覆層，接著的第二步驟，用天然的二氧化硅細(xì)粒進行覆層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的外部等離子覆層方法，其特征在于所述初級預(yù)制件借助于CVD類型的沉積在摻氟二氧化硅管內(nèi)得到，而且所述初級預(yù)制件從中心向外包括沉積的纖芯，其至少一部分摻雜以具有比二氧化硅高的折射率；和摻氟二氧化硅的沉積光學(xué)包層，以及所述管。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的外部等離子覆層方法，其特征在于所用的天然二氧化硅細(xì)粒的價格比所用的合成二氧化硅細(xì)粒的價格便宜數(shù)倍。
4.一種最終光纖預(yù)制件，包括初級預(yù)制件，其周圍層由摻氟二氧化硅管構(gòu)成；包圍所述初級預(yù)制件的外部等離子沉積覆層，其特征在于所述沉積覆層包括包圍所述管、由摻氟合成二氧化硅細(xì)粒得到的第一覆層子層，和包圍所述第一覆層子層、由天然二氧化硅細(xì)粒得到的第二覆層子層。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的最終光纖預(yù)制件，其特征在于所述初級預(yù)制件借助于CVD類型的沉積在管內(nèi)得到，而且所述初級預(yù)制件從中心向外包括沉積纖芯，其至少一部分摻雜以具有比二氧化硅高的折射率；和摻氟二氧化硅的沉積光學(xué)包層，以及所述管。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的最終光纖預(yù)制件，其特征在于所述光學(xué)包層、所述管和所述第一覆層子層的折射率都彼此接近，從而通過拉制所述最終預(yù)制件得到的光纖的折射率剖面分布既不顯示出向上的階也不顯示出向下的階，而這些階能夠惡化所述光纖的微彎曲性能。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6任一項所述的最終光纖預(yù)制件，其特征在于所述第一覆層子層的外直徑比所述沉積纖芯的外直徑大至少五倍。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的最終光纖預(yù)制件，其特征在于所述覆層子層的外直徑約比所述沉積纖芯的外直徑大六倍。
9.根據(jù)權(quán)利要求5至8中任一項所述的最終光纖預(yù)制件，其特征在于所述沉積纖芯是摻鍺的。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的最終光纖預(yù)制件，其特征在于所述整個沉積芯是摻鍺的，從而其折射率恒定地保持高于二氧化硅的折射率。
11.根據(jù)權(quán)利要求4-10中任一項所述的最終光纖預(yù)制件，其特征在于所述第一覆層子層的徑向厚度大于所述管的外半徑的一半。
12.一種通過拉制根據(jù)權(quán)利要求4-11中任一項的最終預(yù)制件而得到的光纖。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的光纖，其特征在于所述光纖其折射率剖面分布的各個部分分別對應(yīng)于所述光學(xué)包層、所述管和所述第一覆層子層，這些部分基本顯示出比二氧化硅低的相同的折射率。
14.依照權(quán)利要求12-13中任一項所述的光纖，其特征在于所述光纖對微彎曲相對不敏感，同時顯示出很低的衰減。
15.一種光纖光纜，包括數(shù)根依照權(quán)利要求12至14中任一項的光纖，其特征在于在所述光纖內(nèi)不傳播任何副振蕩模。
全文摘要
本發(fā)明涉及對摻氟光纖預(yù)制管進行等離子覆層的方法。它屬于提供通過在初級預(yù)制件周圍通過外部等離子覆層而得到的光纖最終預(yù)制件的領(lǐng)域。該方法包括從初級預(yù)制件開始、在初級預(yù)制件周圍通過外部等離子沉積二氧化硅細(xì)粒得到最終預(yù)制件，該初級預(yù)制件的外周圍層由摻氟二氧化硅管構(gòu)層。這種構(gòu)造過程包括用摻氟合成二氧化硅細(xì)粒形成第一覆層子層，然后用天然二氧化硅細(xì)粒進行第二覆層步驟。同時，本發(fā)明還披露了得到的光纖和相聯(lián)的光纖預(yù)制件。
文檔編號G02B6/036GK1629664SQ200410101230
公開日2005年6月22日 申請日期2004年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月15日
發(fā)明者皮埃里萊·茹爾迪勒, 克萊爾·瓦納·恩居伊拉, 盧多維克·弗勒里 申請人:德雷卡通信技術(shù)公司