具有减小接头损耗的光纤及其制作方法

专利名称：具有减小接头损耗的光纤及其制作方法
技术领域：
本发明一般涉及光纤领域中的改进，具体涉及具有减小接头损耗的改进型光纤优点以及制作该光纤的方法。
背景技术：
在光纤工业中，人们不断开发新型的光纤，例如，掺铒光纤(EDF)等。然而，在这种光纤与其他光纤拼接时，已得到证明很难保持所需的性能，特别是有不同模场直径(MFD)和折射率分布(RIP)的光纤，例如，标准单模光纤(SSMF)。
我们发现，EDF与SSMF的拼接导致接头损耗，它通常高于其他类型光纤与SSMF拼接损耗的0.1-0.2dB。重要的是，在诸如掺铒光纤放大器(EDFA)的器件中保持低的接头损耗以获得可接受的低电平噪声。保持低的接头损耗通常也导致整体功率转换效率的提高。
在光放大器中获得可接受的EDF性能有特别挑战的意义，其中在很宽的信号波长范围内可能要求低的接头损耗。例如，可以在980nm波长下泵浦EDFA以产生1550nm波长下的增益。在这种情况下，可能要求在980nm附近和1550nm附近都有低的接头损耗。
在EDF与SSMF拼接的EDFA中，在拼接时通过热扩散EDF的折射率分布(RIP)，可以减小由于模场失配导致的接头损耗，因此，EDF的RIP接近SSMF的RIP。在这种情况下，两种光纤在拼接点处有相对于波长大致相同的MFD进展。
然而，人们已经证明，利用热扩散技术得到EDF的RIP与SSMF的RIP有所需的相似程度，同时仍保持可接受的低截止波长，这是很困难的。如上所述，EDFA通常是在980nm波长下被泵激。在这种情况下，为了确保放大器中的EDF有单模传播，EDF的截止波长必须保持在低于980nm的水平。
此外，拼接条件的变化使接头损耗的问题更加严重，特别是在批量生产的环境下。这些变化是由若干个很难控制的因素造成的，其中包括磨损的拼接电极和电流控制中的起伏，以及诸如湿度，温度，压力等的环境条件。利用当前的光纤设计技术，这些变化可以极大地增加接头损耗。

发明内容
为了解决以上这些和其他的一些问题，按照本发明一个特征的光纤包括纤芯区和围绕纤芯的体积增大区。给体积增大区掺杂以增大光纤的折射率体积。截止减小区围绕体积增大区。给截止减小区掺杂以减小光纤的截止波长，补偿第一包层区造成的光纤截止波长增大。外包层围绕截止减小区。按照本发明的另一特征，给体积增大区掺杂使折射率分布是从体积增大区的外圆周倾斜增大到它的内圆周。按照本发明的另一特征，截止减小区有包含多个断面的阶跃折射率分布。
参照以下的详细描述和附图，本发明的其他特征和优点是显而易见的。


图1表示按照本发明第一特征的光纤剖面图。
图2表示图1所示光纤的理论折射率分布。
图3表示图1所示光纤原型的折射率分布。
图4和5表示比较原型光纤与控制光纤拼接性能的一对曲线图。
图6和7表示在1550nm和980nm下比较原型光纤与控制光纤拼接性能的一对曲线图。
图8表示按照本发明另一特征的光纤剖面图。
图9表示图8所示光纤的折射率分布。
图10表示按照本发明另一特征的光纤剖面图。
图11表示图10所示光纤的折射率分布。
图12-14表示按照本发明其他特征的方法，它用于制造有改进接头性能的光纤。
具体实施例方式
按照本发明一个特征的光纤具有减小的接头损耗，同时仍保持所需的截止波长。如以下详细描述的，这种光纤有很好限定的模场，光纤的模场直径(MFD)在拼接时发生扩展，通常可以减小锥形损耗。虽然本发明描述掺铒光纤EDF与标准单模光纤(SSMF)的拼接，但在不偏离本发明精神的条件下，本发明也可用于其他光纤和拼接组合。这些其他光纤与拼接组合包括掺其他掺杂剂的光纤，例如，铥(Tm)，镱(Yb)，钕(Nd)等；高度非线性光纤；和用于制造色散补偿模块(DCM)的中间光纤。
通过以下的分析可以明白EDF和其他类型光纤与SSMF拼接的困难，这种分析也适用于阶跃折射率分布的情况。这种光纤的截止取决于纤芯半径r，和相对于包层折射率的折射率变化ΔnCutoff∝r*(Δn)1/2在理想的情况下，在拼接点处，EDF的Δn和r与SSMF的Δn和r完全相同。若我们假设Δn与掺杂剂浓度成正比，扩展的折射率分布是阶跃式，和SSMF在拼接之后没有变化，则可以得到EDF与SSMF之间以下的关系Cutoff(EDF)＝Cutoff(SSMF)这是由于在以上的假设下仍保持EDF的折射率体积Δn*r2。因此，在拼接现有技术EDF与SSMF时，匹配两种光纤模场直径所要求的热芯扩散使EDF的截止在拼接区内接近SSMF的截止。然而，典型的SSMF截止是1250nm，这在某些应用中远远高于对EDF的要求。
图1表示按照本发明第一特征的光纤10横断面，它没有按比例画出。图2表示光纤10的模型折射率分布(RIP)20。如图1所示，光纤10包括多个区中央纤芯区12，以及围绕纤芯区12的第一包层区14，第二包层区16，和第三包层区18，这些包层是同心圆层形式。图2所示的RIP 20说明光纤10折射率的径向变化Δn。
在RIP 20中，中央尖峰22对应于光纤的芯区12。中央尖峰22右侧和左侧的两个斜坡区24对应于第一包层14。斜坡区24右侧和左侧的两个沟槽26对应于第二包层16。沟槽26右侧和左侧的两个平坦区28对应于第三包层18。
在RIP 20中，折射率变化Δn是相对于外包层18的折射率为参考。因此，第三包层18折射率变化Δn等于0.0，该层对应于RIP 20中右侧和左侧的两个平坦区28。如RIP 20所示，图1所示光纤10的第一包层14有增大光纤模场体积的正Δn，以下称它为“体积增大区”。如RIP 20所示，体积增大区14的折射率是倾斜的。按照本发明的一个特征，体积增大区14的Δn是从该区外圆周线性增大到该区内圆周的较高值。可以改变体积增大区14的折射率形状。例如，当MFD是沿光纤轴逐渐扩展时，可以优化该形状以得到低的锥形损耗。
第二包层16有减小光纤截止波长的负Δn，以下称它为“截止减小区”。如以上所讨论的，折射率体积的增大可以增大光纤的截止波长。截止减小区16补偿体积增大区14造成的光纤截止增大。因此，按照本发明这一特征，体积增大区14与截止减小区16的组合可以增大光纤的折射率体积，同时保持所需的截止波长。此外，如以下所讨论的，图1所示的光纤设计10在各种拼接条件下还有改进的拼接质量。
图3表示体现图1所示光纤10设计的原型光纤RIP 30。RIP 30包括对应于纤芯12的中央尖峰32，对应于体积增大区14的一对斜肩34，对应于截止减小区16的一对沟槽36，和对应于光纤10外包层18的一对平坦区38。
利用改良型化学蒸汽沉积(MVCD)技术制造原型光纤。然而，在不偏离本发明精神的条件下，可以利用其他的制造技术。这些其他的技术包括蒸汽轴向沉积(VAD)，外蒸汽沉积(OVD)，或溶液掺杂。在Tankala的U.S.Patent No.6,578,387中描述适用于制造按照本发明光纤的典型MCVD技术，该技术转让给本发明的受让人，并把它合并在此供参考。在MCVD中，由所需外包层材料制成的空心外管可旋转地安装在车床或其他合适装置中。当空心管子旋转时，一系列化学蒸汽流过管子，与此同时，沿管子下侧的长度方向前后移动喷灯。这些化学制剂包括例如，O2，SiCl4，GeCl4等。喷灯产生的热量激励蒸汽沉积到管子内部的多层。每层的折射率是由沉积的SiO2与掺杂剂的比例确定。一旦完成沉积过程，在增大的温度和减小的空气压力下加热管子，使管子和沉积的化学制剂破裂成固体预制件。把预制件装入拉丝塔，在其中被加热和拉制成光纤。
在这个原型中，利用氟(F)作为掺杂剂制作截止减小区16以降低该区的折射率。在上述的MCVD过程中，在克分子浓度为0-3％下，引入silsesquioxane flluoride(SiO1.5F)形式的氟。利用锗(Ge)作为掺杂剂制作体积增大区14以升高该区的折射率。在MCVD过程中，在克分子浓度为0-15％下，引入二氧化锗GeO2形式的锗。在每个沉积层中增加体积增大区的二氧化锗克分子浓度以形成图3所示的斜肩34。
在原型光纤中，利用溶液掺杂技术制作纤芯。按照这种技术，从MCVD车床中去掉有沉积烟灰层的部分成型预制件，然后，把它浸入到含纤芯掺杂剂铝(Al)，镧(La)和铒(Er)的溶液中以形成RIP30的中央尖峰32。把预制件重新装入MCVD车床并使氯气流过预制件管进行干燥。最后，在升高的温度和减小的空气压力下加热预制件使烟灰层烧结，并使预制件破裂成固态圆柱体。
应当明白，这种原型是仅仅作为例子，且本发明不限于该制造技术和上述的具体掺杂剂。在不偏离本发明精神的条件下，可以采用其他的掺杂剂。例如，这些其他的掺杂剂包括P2O5，B2O3等。
在本发明的这个实施例中，应当理解，给体积增大区34掺锗。因此，在纤芯32附近没有氟。以前的研究表明，氟可以升高拼接时的锥形损耗。因此，从大部分光纤模场所在的纤芯32中去掉氟可以减小这种效应。
按照本发明的另一特征，在基本不改变纤芯的条件下，本发明可用于改变现有技术的光纤设计。改变的光纤具有改进的拼接性能，同时仍保留现有设计的光学性质。按照本发明的这一特征，利用体积增大区围绕纤芯改变现有设计，例如，图1所示的体积增大区14。如以上所讨论的，增加体积增大区可以增大光纤的折射率体积。利用截止减小区围绕体积增大区也可以光纤设计，例如，图1所示的截止减小区16。如以上所讨论的，截止减小区补偿体积增大区造成的光纤截止波长增大。因为使用相同的纤芯，改变的光纤仍然保持某些所需的性质，例如，增益曲线，模场直径等，与此同时具有改进的拼接性能。
原型光纤的测试是通过比较它的性能与有相同纤芯的控制光纤性能，但利用不包含体积增大区或截止减小区的传统匹配包层。每个光纤拼接性能的测试是通过引入一系列接头，其中Ericsson的FSU995熔融拼接器用于拼接该光纤与SSMF，电弧电流的范围是从10.0mA至16.0mA以改变掺杂剂的扩散速率。在1550nm下测量接头损耗，测量结果是作为时间的函数画出。图4中曲线100表示控制光纤的拼接性能，而图5中曲线200表示原型光纤的拼接性能。这两种光纤的截止波长是在980nm以下。
在图4中可以看出，利用控制光纤能够得到的最小拼接损耗量约为0.2dB。在图5中可以看出，利用原型光纤能够得到的最小拼接损耗量约为0.1dB。此外，在图5中可以看出，原型光纤的热诱发模场扩展速率远远低于控制光纤的模场扩展速率。图5所示的拼接损耗函数反映这种较低的模场扩展速率，它的范围是17秒，与图4所示的拼接损耗函数比较，它的范围是7秒。这个较低的扩展速率对于模场扩展是多余的其他拼接组合中很重要，例如，在EDF与自身拼接或与有类似RIP的另一种光纤拼接情况下。
图4和5所示的曲线图说明本发明的另一特征。如这些曲线图中所示，除了产生减小的接头损耗以外，按照本发明的光纤有非常稳定的拼接性能，在各种拼接条件变化的范围内，可以制成合适的接头。比较这两个曲线图，我们可以看出，图5中曲线相对于最佳拼接时间和电流的偏差有较大的容限。本发明的这一特征是重要的，因为生产EDFA和其他的光纤装置正在从较小的工厂和实验室发展成专业公司的批量生产。
在批量生产的环境下，对光纤产品的要求是一致性，可靠性和容易操作。在批量生产中，磨损的拼接电极，电流控制中的起伏，以及诸如湿度，温度，压力等的环境条件变化要求总是保持相同的拼接条件是困难的。
如上所述，在评价光纤的拼接性能时，与波长的关系也是重要的参数。因此，我们进行附加的测试，其中在980nm和1550nm下测量与SSMF拼接的接头损耗。图6中曲线60说明控制光纤的这些测试结果，而图7中曲线70说明原型光纤的这些测试结果。在这些测试中，使用Sumitomo型号30的熔融拼接器。熔融时间和电弧功率电平是变化的，在980nm和1550nm下测量拼接之后的相应损耗值。从图7的曲线70中可以看出，对于原型光纤，可以得到独立于波长的损耗值是在0.20dB以下。然而，从图6的曲线60中可以看出，对于控制光纤，独立于波长的损耗值大于0.20dB。
利用上述本发明特征的变化，可以实现所需的折射率体积和截止波长。图8表示按照本发明另一特征的光纤80，而图9表示光纤100的折射率分布90。如图10和11所示，该光纤包括中央纤芯82和围绕纤芯的体积增大区84。按照本发明的这一特征，包含内断面86a和外断面86b的截止减小区86围绕体积增大区84。围绕截止减小区外断面86b的是外包层88。在图9中，中央尖峰92对应于纤芯82，斜肩94对应于体积增大区84，内沟槽区96a对应于截止减小区的内断面86a，外沟槽区96b对应于截止减小区的外断面86b，而外平坦区98对应于外包层88。
内断面86a有较低的掺杂剂浓度，它可以使接头热处理期间的掺杂剂从截止减小区到纤芯和体积增大区的扩散减至最小。这种扩散可以减小拼接点的折射率体积。也可以不给内断面86a掺杂。内断面86a中较低的掺杂剂浓度是有用的，例如，在利用氟掺杂截止减小区的情况下。与其他的掺杂剂比较，氟掺杂剂在光纤中的扩散通常较快。因此，在利用氟掺杂截止减小区时，有利的是，在截止减小区的重掺杂外断面86b与体积增大区84之间有一些间隔。
按照本发明的另一特征，通过组合增大的纤芯直径与合适的截止减小区，也可以得到折射率体积与截止波长的所需组合。图10表示按照本发明这一特征的光纤100横断面，而图11表示对应于图10所示光纤100的RIP 110。如图10所示，光纤100包含直径已增大的纤芯区102，为的是增大光纤的折射率体积。围绕纤芯区102的是截止减小区104，它设计成补偿光纤折射率体积增大造成的截止波长增大。围绕截止减小区104的是外包层。图11表示光纤100的RIP 110。中央尖峰112对应于纤芯102。沟槽114对应于截止减小区104，而外平坦区116对应于外包层区106。
按照本发明的另一特征，可以利用体积增大区而没有对应的截止减小区。本发明的这个特征可用在增大截止波长是可接受的情况。然而，这种光纤仍具有改进的拼接性能。我们回到图1和2，通过去掉区域16并使外包层18一直延伸到体积增大区14的外圆周，可以制成这样的光纤。当然，去掉区域16就去掉了图2中RIP的沟槽26。
图12表示按照本发明另一特征制作有改进拼接性能光纤的方法流程图120。在步骤122，制作包含体积增大区的预制件，例如，以上讨论的图1所示体积增大区14或图8所示体积增大区84。在不偏离本发明精神的条件下，可以改变体积增大区84的折射率分布形状。在步骤124，截止减小区用于补偿体积增大区中折射率体积增大造成的截止波长增大。这个截止减小区可以包含单个断面，例如，图1所示的截止减小区16；或可以包含多个断面，例如，图8所示两个断面的截止减小区86a和86b。在步骤126，把预制件拉制成光纤。
图13表示按照本发明另一特征的方法流程图130，其中MCVD技术用于制作有改进拼接性能的光纤。在步骤132，外管安装到旋转装置，例如，车床。在步骤134，使包含化学制剂的蒸汽流过管子。在步骤136，加热管子使各层化学制剂从蒸汽沉积到管子的内表面。在步骤138，沉积化学制剂以形成截止减小区。如以上所讨论的，这个截止减小区可以包含单个断面或多个断面。在步骤140，沉积化学制剂以形成体积增大区。若需要倾斜的体积增大区，则在建立该区域时逐渐增大掺杂剂的浓度。
在步骤142，沉积化学制剂以形成中央纤芯区。如以上所讨论的，利用溶液掺杂技术，可以完成这个步骤。在不偏离本发明精神的条件下，也可以利用其他的合适技术以形成纤芯区，其中包括蒸汽沉积技术。在步骤144，通过增加热量和降低压力，使管子破裂以形成固态预制件。在步骤146，把预制件拉制成光纤。
图14表示按照本发明另一特征的方法流程图150。在步骤152，制作有增大折射率体积纤芯的预制件。在步骤154，截止减小区用于补偿折射率体积增大造成的截止波长增大。在步骤156，把预制件拉制成光纤。
虽然以上的描述包含能使本领域专业人员实践本发明的细节，但是应当理解，这种描述是例证的性质，在不偏离专业人员熟知这些内容的条件下可以作各种改动和变化。因此，本发明仅受所附权利要求书的限制，而权利要求书应当解释成现有技术所允许的宽广范围。
权利要求
1.一种改进型光纤，包括纤芯区和围绕纤芯的多个区域，其中改进包括围绕纤芯区的体积增大区，给体积增大区掺杂以增大光纤的折射率体积；围绕体积增大区的截止减小区，给截止减小区掺杂以减小光纤的截止波长，截止减小区补偿体积增大区造成的光纤截止波长增大。
2.按照权利要求1的光纤，其中体积增大区的折射率分布是从它的外圆周向上倾斜到它的内圆周。
3.按照权利要求1的光纤，其中截止减小区有阶跃折射率分布。
4.按照权利要求3的光纤，其中截止减小区有不同折射率的内断面和外断面。
5.按照权利要求4的光纤，其中截止减小区外断面的掺杂浓度超过内断面的掺杂浓度。
6.按照权利要求1的光纤，其中给体积增大包层区掺锗，而给截止减小区掺氟。
7.一种制作改进型光纤的方法，其中形成纤芯区和围绕区，其中改进包括利用体积增大区围绕纤芯区；利用截止减小区围绕体积增大区，给截止减小区掺杂以减小光纤的截止波长，截止减小区补偿体积增大区造成的光纤截止波长增大；和利用外包层区围绕截止减小区。
8.按照权利要求7的方法，其中利用体积增大区围绕纤芯区的步骤包括给体积增大区掺杂，使它的折射率分布是从它的外圆周向上倾斜到它的内圆周。
9.按照权利要求8的方法，其中利用截止减小区围绕体积增大区的步骤包括给截止减小区掺杂以得到阶跃折射率分布。
10.按照权利要求9的方法，其中利用截止减小区围绕体积增大区的步骤包括给截止减小区掺杂以得到有不同折射率的内断面和外断面。
全文摘要
一种光纤包括纤芯区和围绕纤芯的第一包层区。给第一包层区掺杂以增大光纤的折射率体积。第二包层区围绕第一包层区。给第二包层区掺杂以减小光纤的截止波长，补偿第一包层区造成的光纤截止波长增大。外包层围绕截止减小区。在另一个实施例中，给体积增大区掺杂，使它的折射率分布是从体积增大区的外圆周倾斜增大到它的内圆周。在另一个实施例中，截止减小区有多个断面的阶跃折射率分布。
文档编号G02B6/02GK1721895SQ200510079458
公开日2006年1月18日 申请日期2005年6月23日 优先权日2004年6月23日
发明者丹·雅各布森, 贝拉·帕尔斯多蒂, 托本·E·翁 申请人:古河电子北美公司