专利名称：制造预制坯料的方法
技术领域：
本发明涉及一种制造一种预制坯料的方法，从该预制坯料中可以拉制单模光导纤维。本发明特别应用于预制坯料的制造，从该预制坯料中可以拉制出扩散漂移(包括非零的扩散漂移)的和稀土掺杂的光导纤维，但可以理解的是本发明的确具有很广阔的应用。
通常应用以下两种不同的方法中的一种制造预制坯料1．内部方法，包括改进的化学气相沉积法(MCVD)、等离子体活化化学气相沉积法(PCVD)或如果是稀土掺杂预制坯料，则有溶液掺杂法。2．外部方法，包括外部化学气相沉积法(OVD)或轴向化学气相沉积法(AVD)。
在一给定条件下所采用的方法主要取决于从预制坯料中拉出的光纤所要求的长度和特性。在本说明书中将要描述本发明的内容。一般来说外部沉积法(OVD或AVD)提供的是对较大的预制坯料较便宜的方法，而内部沉积法(MCVD、PCVD或溶液掺杂)一般用于制造相对较昂贵且较小的预制坯料。
应用内部法制造的预制坯料有时带有玻璃套管以实现最终的足够大的预制坯料的直径，这样才能拉制出较长长度的光纤。然而，在符合纤芯的同轴度的技术参数的范围内安装套管是一种很昂贵的方法，并且拉出的光纤的外径要求所装的套管在其几何结构上具有很低的公差。
在由其拉制光纤的预制坯料制造过程中，各种专用的单模光纤具有最小掺杂剂扩散的指数(折射率)分布。
在非零型漂移扩散纤维中，相对于标准的纤维的分布，纤芯必须具有复合分布。一般地，纤芯包括由具有可交替的高和低的折射率的许多环和内区组成的复合结构。设计方案包括如下结构内区具有高的折射率而附近的环具有低的折射率的结构以及内区具有低的折射率和附近的环具有高的折射率的结构。这些方案使漂移、光点直径、弯曲半径以及其它的特性比如非线性相互作用等最优化，以满足预期的应用。在优选的设计中，纤芯的中心区域具有相对较高的折射率，而在纤芯内由具有较低的折射率的环包围(即“成环形”)着纤芯的中心区域，并且通过一中间芯区域将环从中心区域分离开，该中间芯区域的折射率低于中间区域和包围环的折射率。理想地，中间芯区域的折射率低于纤维包层的折射率，这就要求应用具有较高的电位的掺杂剂(例如，氟)以在层之间扩散。
在稀土元素掺杂的纤维中，要求能够精细地控制掺杂剂的沉积以得到具有不同掺杂剂浓度的区域。然而，可以认为的是，如果包含有掺杂剂的单个沉积层在沉积随后的层之前没有固化，则稀土离子通过扩散趋于聚集。
本发明基于这样的理解，与外部沉积法(OVD或AVD)相比较，内部沉积法(MCVD、PCVD或溶液掺杂)能够有效地控制在沉积层之间的掺杂剂的扩散。因此，内部沉积法有利于精细地控制指数(折射率)分布，或如果是稀土掺杂光纤则便于精细地控制掺杂剂的分布。此外，本发明体现了混合应用内部和外部沉积方法的概念。这就使得能够制造这样一种预制坯料，其具有精细控制的折射率或掺杂剂分布，并且比完全通过内部法常规地生产装有套管的、尺寸相当的预制坯料便宜。
广义上，本发明提供一种制造预制坯料的方法，从该预制坯料中可以拉制出单模光导纤维，该方法包括如下步骤a)应用内部沉积方法在石英管的内面上沉积掺杂的石英层，b)在沉积后续层之前固化每一掺杂的石英层，以使掺杂剂在层之间的扩散最小，c)热收缩石英管并使沉积的材料形成固体芯棒，d)通过外部汽相沉积法在芯棒的外面包覆基本均匀的石英材料，和e)对该包层芯棒进行固化加热以完成预制坯料的制造。
当应用上述方法进行生产预制坯料时本发明还可以依据预制坯料进行限定，而当从该预制坯料拉制光纤时本发明还可以根据光纤进行限定。
本发明有效地涉及一种混合制造方法。在形成预制坯料芯的过程中它具有最小的掺杂剂的层间扩散，而同时允许相对较经济地制造较大直径的预制坯料。
在应用内部沉积法的过程中通过固化每一掺杂的石英层，掺杂剂的扩散基本限制在各自的层内。扩散长度(即，扩散产生的整个距离)取决于沉积烟尘(soot)的空隙度，最初较大，随着固化的进行和所给定的层在高温中的时间变得越来越小。因此，在内部沉积的过程中通过固化这些沉积层使扩散达到最小，这些沉积层比在固化过程中出现的掺杂剂物质的扩散长度小，并且通过在沉积每个后续层之前固化每一层来确保实现这一目标。
在每层固化之后，扩散长度很小，并且随后预制坯料的再加热的影响可以忽略。因此，能够经济地生产较大直径的预制坯料作为混合结构。为生产均匀石英包层通过外部汽相沉积法沉积的烟尘可以在一段时间内、但是分两个步骤熔凝，这段时间可能在掺杂的石英层中引起不能接受的扩散。
此外，通过生产混合结构，两个阶段的制造过程允许在沉积外部包层之前对预制坯料的纤芯分布进行光学测量。
掺杂剂包括稀土掺杂剂(比如铒和镱)、有利于形成较高稀土元素浓度的掺杂剂(比如铝)和/或影响光纤(它是从预制坯料中拉制的)的折射率的掺杂剂(比如锗、铅、硼和氟)。
可取的是，应用外部汽相沉积(OVD)方法在芯棒的外面包以石英。
此外，可取的是，形成的芯棒包括纤芯结构和外部区域，该纤芯结构形成从预制坯料中拉制的光纤的芯，而该外部区域形成光纤包层的径向的里面部分。
可以控制内部汽相沉积法以形成任何所需的折射率分布的纤芯结构。然而，可取的是，控制该沉积法以在纤芯结构内建立三个理论上可区别的同轴区域具有相对较高折射率n1的中心区域；具有相对较低折射率n2的外环；和具有比外环的折射率更低的折射率n3的内环。
最为可取的是，内环的折射率n3低于包层的折射率n4。然而，如先前所指出，可以采纳其它的预制坯料结构以制造非零型扩散漂移光纤，比如具有折射率低于内环的折射率的中心区域的预制坯料。
此外，可以控制内部汽相沉积法以某一方式沉积连续的材料层以在纤芯结构的中心、内环和/或外环区域提供一种分级的折射率分布。
此外，如前文所述，预制坯料结构设计可以采用根据它们的稀土元素或其它的掺杂剂浓度而具有理论上可区别的同轴区域。
从随后的本发明的优选实施例的描述中将能够更充分地理解本发明。该描述是结合附图进行的。
在附图中
图1所示为表示通过本发明的方法制造的一种完整预制坯料的示意性的剖面图。
图2所示为表示制造预制坯料的第一阶段示意图。
图3和4所示为表示在制造预制坯料的第二阶段中所应用的生产工序的示意图。
图5所示为表示在从预制坯料中拉制的光纤的纤芯中的折射率图。
图6至10所示为表示从变化的光纤以及拉制光纤的预制坯料的参数中导出的光纤特性。
参考附图，图1所示为表示通过本发明的两阶段法制造的一种预制坯料的示意性剖面图。然而，可以理解的是在图1所示的不同的同轴区域并不能按比例拉制。预制坯料的外径尺寸一般为预制坯料的纤芯尺寸(由内部整环确定)的10到15倍的量级。所示的预制坯料具有理论上可区别的同轴区域，该同轴区域由如下部分构成一纤芯结构10、一径向内包层部分11、一中间包层部分12和一径向外包层部分13，该径向内包层部分11是在形成纤芯结构10时通过内部汽相沉积法沉积的，该中间包层部分12是在制造预制坯料的第一阶段中通过收缩石英管14形成的，该径向外包层部分13是在第二制造阶段过程中沉积的。预制坯料的不同同轴部分(理论上可区别的)一般具有下面的尺寸。
直径(mm)纤芯结构(10) 4.60-5.20包层部分(11) 12.42-14.04包层部分(12) 21.45-22.42包层部分(13) 62.10-70.70如在图2中所述，通过用在不同程度上改进的常规的化学汽相沉积(MCVD)方法在旋转石英管14内由石英和石英掺杂材料的沉积层实现第一制造阶段，然后收缩石英管并沉积材料以形成固体芯棒15。然后应用芯棒15作为芯轴，在第二阶段中在该芯轴上沉积包层材料，如图3所示。
在第一制造阶段，车床卡具16支撑石英管14，并使其绕其轴旋转。从化学输送系统17将蒸汽输送到管的内部，并且通过来回移动的热源18对管进行加热(同时旋转)，该来回移动的热源18一般包括一种氢氧喷灯。从源19输送燃料给该喷灯。
虽然在图中没有示出，石英管14的下游端通常熔合到一个大直径的玻璃管，其用于收集来自沉积过程中的未耗尽的材料，并且将汽态的未耗尽材料直接输送到排气系统中。
沉积方法可简单地描述为载带挥发性蒸汽成分的高温汽相氧化，该载带挥发性蒸汽成分以亚微粒子沉积，并且被熔合到石英管14。由于从化学输送系统17将蒸汽输送到管14，喷灯18沿着管的长度往返移动，在管的内部发生了氧化反应和微粒成核现象。微粒在其带经管子时进行增长而部分微粒从喷灯18直接加热的区域的管的下游的冷却壁处通过热泳沉积下来。在喷灯18每次经过的过程中，先前沉积在下游的微粒在喷灯经过时通过粘性烧结进行熔凝。
首先沉积高纯度的包层以形成径向包层部分11，接着沉积形成纤芯10的材料层。控制芯层的组分以形成所要求的折射率分布。为此，一般应用锗和磷掺杂剂以将折射率增加到纯的石英的折射率以上，并且氟和硼掺杂剂一般用于将折射率降低到石英的折射率以下。
当制造包括稀土掺杂剂的预制坯料时，可以对芯结构10掺以稀土元素和其它掺杂剂。这些掺杂剂包括铝和有利于加入稀土离子的其它元素，以及稀土离子和稀土离子的混合物。后者包括铒和镱。
图2说明了能够作为汽相成分的源提供的不同化学物质，这些汽相成分能够在被控制的条件下被输送进管14。在图2中的标号30指明一种挥发性稀土元素，在有氧的情况下它能够从固态升华为汽相。
对于在汽相沉积法所属领域的技术人员来说，车床和喷灯的控制操作过程和将蒸汽输送到管的内部的控制过程都是熟知的，因此在本说明书中对此没有作进一步的描述。
当在管14内部已经沉积了所要求的石英层和掺杂石英层的数量时，使复合结构收缩以形成固体芯棒15。在本领域中这种生产过程也是公知的，并且，一般地要求应用喷灯18产生很高的温度多次经过以使包括纤芯10和包层部分11和12的结构进行收缩。
在制造的第二阶段中，如图3和4所示意的，通过包括火焰水解的方法将最后的预制坯料的径向外部包层部分13沉积在芯棒15上。这也称为外部化学汽相沉积法或更通常地称为外部汽相沉积法。
芯棒15起芯轴的作用，支撑在车床卡具21之间，并绕其自身的轴旋转，而同时喷灯22沿着芯棒的长度前后来回移动。通过将形成的石英蒸汽直接从化学输送系统23导引到喷灯并在喷灯火焰中氧化蒸汽成分而实施汽相沉积。燃料源24供应喷灯的燃料。所得微粒以一层又一层地沉积在旋转芯棒15周围，直到积累了所需的质量，接着从车床上取出复合结构并在垂直方向上轴向地移动穿过熔凝炉25，如图4所示。
通过在适当的环境中将复合结构暴露在足以实施在沉积层内整体粘性烧结的温度中，在炉25内使沉积的粉状颗粒或粉尘固化。这种过程与内部汽相沉积法相反，在内部汽相沉积中通过MCVD方法在沉积材料的过程中是一层一层地进行烧结。通常沉积外部包层13以形成纯石英层，如在图3中所示，在沉积过程中加入所选择的掺杂剂以符合特定的包层标准。
可以应用上文所述的制造预制坯料的两阶段法以在预制坯料的纤芯区域以及在由此从预制坯料中拉制的光纤的纤芯中形成不同的折射率分布。通过图1中(在光纤情况下如图5所示)的理论上可区别的点线区域表示一种这样的分布。如前文所述，控制纤芯结构10的汽相沉积以形成具有相对较高折射率n1的中心区域26、具有低于折射率n1但高于纯石英的折射率(n4)的折射率n2的外环区域27和具有比外环折射率低的折射率n3的内环区域28。虽然在附图5中没有示出，内环区域28的折射率n3最为可取的是与纯石英的折射率n4相同或低于纯石英的折射率n4。
图6至10清楚地说明了表示从预制坯料中拉制的光纤的不同参数中导出的光纤特性，结合图1和图5已经描述了该预制坯料。然而，术语“环(Ring)”应该理解为如图1所示的纤芯结构10的外环区域27。
权利要求
1．一种制造预制坯料的方法，从该预制坯料中可以拉制单模光导纤维，该方法包括如下步骤应用内部沉积方法在石英管的里面沉积掺杂的石英层，在沉积后续层之前固化每一掺杂的石英层，以使掺杂剂在层之间的扩散最小，热收缩石英管并使沉积的材料形成固体芯棒，通过外部汽相沉积法在芯棒的外面包覆基本均匀的石英材料，和对该包层芯棒进行熔凝加热以完成预制坯料的制造。
2．如权利要求1所述的制造预制坯料的方法，其中，在沉积掺杂的石英层之前在石英管的里面沉积石英层。
3．如权利要求2所述的制造预制坯料的方法，其中，通过改进的化学汽相沉积(MCVD)方法在石英管的内部沉积石英层和掺杂的石英层。
4．如权利要求3所述的制造预制坯料的方法，其中，控制汽相沉积以使在沉积每一后续层之前在每一沉积层内产生沉积微粒的粘性烧结。
5．如权利要求1至4中的任一权利要求所述的制造预制坯料的方法，其中，通过外部汽相沉积(OVD)方法将包层材料沉积在芯棒的外部，并且其中所沉积的材料以这样一种方式固化，以在沉积包层内实施微粒的整体粘性烧结。
6．如权利要求1至5中的任一权利要求所述的制造预制坯料的方法，其中，掺杂的石英层以这样一种方式沉积在石英管的内部以致在所完成的预制坯料中提供具有至少三个不同折射率的同轴区域。
7．如权利要求1所述的制造预制坯料的方法，其中，形成固体芯棒以包含一纤芯区域和一形成预制坯料包层的径向里面部分的外部区域。
8．如权利要求7所述的制造预制坯料的方法，其中，在沉积掺杂的石英之前石英层沉积在石英管上，以及其中预制坯料包层的径向里面部分是由收缩的石英管和通过内部沉积法沉积在管的内部的石英层形成的。
9．如权利要求7所述的制造预制坯料的方法，其中，石英层和掺杂的石英层以这样一种方式沉积在石英管的内部，以使芯棒是在包括有下三个同轴区域的纤芯区域中形成a)具有相对较高折射率n1的中心区域，b)具有较低的折射率n2的外环，和c)具有比外环折射率更低的折射率n3的内环。
10．如权利要求9所述的制造预制坯料的方法，其中，以这样一种方式在沉积材料中加入掺杂剂，以致形成具有折射率n3的内环，且折射率n3比未掺杂的石英折射率还低。
11．如权利要求9或权利要求10所述的制造预制坯料的方法，其中，以这样一种方式实施掺杂石英的汽相沉积，以致在纤芯区域的外环、内环和中心区域中的至少一个区域中达到分级的折射率。
12．如在前面任一权利要求中所述的制造预制坯料的方法，其中，通过在喷灯火焰中氧化形成无掺杂的石英蒸汽的汽相成分来包覆芯棒的外面，控制该喷灯以使其基本在芯棒的整个长度上来回移动。
13．如权利要求1所述的制造预制坯料的方法，其中，掺杂的石英含有选自锗、硼、铅和氟中的掺杂剂。
14．如权利要求1所述的方法，其中，掺杂的石英含有稀土元素掺杂剂。
15．如权利要求14所述的制造预制坯料的方法，其中，掺杂剂包括铒和/或镱。
16．依据在前述的任一权利要求中所述的方法制造的一种预制坯料。
17．从在权利要求16中所述的预制坯料中拉制的一种光纤。
全文摘要
一种制造预制坯料的方法,从该预制坯料中可以拉制单模光导纤维。该方法包含两阶段的制造过程,其中应用内部沉积法在石英管内部沉积石英层和掺杂的石英层。在沉积后续层之前固化每一掺杂的石英层,以使在层之间的掺杂剂的扩散最小。然后热收缩包含沉积材料的石英管以形成固体芯棒;通过外部沉积法在芯棒的外面包覆以基本均匀的石英材料。对该包层芯棒进行固化加热以完成预制坯料的制造。
文档编号C03C17/245GK1287103SQ0010654
公开日2001年3月14日 申请日期2000年3月7日 优先权日2000年3月7日
发明者马克·G·西茨, 赵裕兴, 阿德里安·卡特 申请人:悉尼大学