包含孔隙的微结构光纤的制备方法

专利名称：包含孔隙的微结构光纤的制备方法
技术领域：
本发明总体涉及光纤，更具体地，涉及微结构光纤和制备微结构光纤的方法。
背景技术：
由玻璃材料形成的光纤在商业上的应用已超过20年。虽然这种光纤代表了电信领域的一个巨大飞跃，但是对替代性光纤设计的研究仍在继续。 一类有前景的替代性光纤是微结构光纤(microstructured叩tical fiber),它包含沿纤维轴线纵向延伸的孔洞(hole)或孔隙(void)。孔洞一般内含空气或惰性气体，但也可内含其他材料。多数微结构纤维具有多个位于纤芯周围的孔洞，其中孔洞沿着光纤长度方向延续较长距离(例如几十米或更长)，而且通常是沿着整个光纤长度延伸。 一般情况下，这些包覆孔洞多数还有规则地周期性排列在光纤芯周围。换句话说，若沿着光纤长度方向截取光纤横截面，同一单个孔洞基本上可以在彼此相对的同一周期性孔洞结构中找到。这种微结构纤维的例子包括美国专利第6243522号所述的微结构纤维。
微结构光纤经设计可具有许多性质，可用于许多应用。例如，人们已经构建出这样的微结构光纤，它具有实心玻璃芯和多个位于玻璃芯周围的包覆区内的孔洞。孔洞的位置和尺寸经设计后，可产生色散值在很大负值到很大正值范围内的微结构光纤。这种纤维可用于例如色散补偿。实芯微结构光纤经设计也可在宽波长范围内属于单模形式。多数实芯微结构光纤通过全内反射机制传导光；孔洞的低折射率所起的作用是降低设置有孔洞的包覆区的有效折射率。20 微结构光纤一般通过所谓的"堆拉"(stack-and-draw)法制造，其中一个二氧化硅棒和/或管阵列按密堆积方式堆叠起来，形成预制体，然后用常规拉丝塔装置将其拉制成光纤。堆拉法有几个缺点。组装几百根非常细的坯棒(cane)(由棒或管限定)比较棘手，堆叠和拉制圆柱形坯棒时也可能产生间隙型空穴，这些问题会带来可溶的微粒杂质和不利界面，并引发起始孔洞再成形或变形，从而极大地影响光纤的衰减。不仅如此，较低的产率和高成本使此方法不太适合工业生产。

发明内容
本发明一方面涉及制备光纤的方法，它包括在基材上沉积二氧化硅玻璃基烟炱(soot)，形成至少一部分光纤预制体，具体过程是使烟炱沉积燃烧器以大于3cm/s的横移速度相对于所述基材横向移动，在燃烧器多次通过基材的过程中，每次通过都沉积厚度小于20um的烟炱层；在炉子内固结所述至少一部分烟炱预制体，将挟带在所述烟炱预制体内的空气除去50%以上，所述固结发生在包含氪气、氮气或其混合气的气氛中，所用条件可有效地在所述固结步骤将至少一部分所述气氛挟带在所述预制体中，从而形成一种固结预制体，从其横截面看时，它里面至少有50个孔隙。在一个实施方式中，将氮气和任选的氦气用作所述气氛。在另一个实施方式中，将氪气和任选的氦气用作所述气氛。或者，所述气氛可包含氮气和氪气以及任选的氦气的混合气。
烟炱预制体在一定条件下，在包围预制体的气氛中固结，所用条件可有效地在所述固结步骤中将至少一部分所述气氛挟带在所述预制体中，从而在固结预制体中形成非周期性分布的孔洞或孔隙，每个孔洞对应于至少一份挟带在固结玻璃预制体内的固结气所在区域。所述沉积步骤中燃烧器的横移速度优选大于4cm/s，更优选大于5cm/s，甚至更优选大于7 cm/s，甚至更优选大于10 cm/s，且沉积步骤包括燃烧器多次通过基材，每次通过都沉积一层烟炱，其厚度大于0，更优选大于1 U m，但小于20 n m，更优选小于15 y m，最优先小于15 U m。较佳的是，在固结步骤之后和将预制体拉制成光纤的步骤之前，将含孔隙的固结预制体拉制成坯棒，从而将含孔固结预制体的直径减小为预制体外径，该外径优选小于.75，更优选小于.66，但仍大于5mm，该操作所用条件可有效地使
5所述孔隙的直径在再拉步骤中扩大。
然后，利用含孔固结预制体制备光纤。在固结期间形成于光纤预制体中的至少一些孔洞保留在拉制的光纤中。通过将含孔区设计成与光纤包覆层相对应，可使制得的这些光纤具有芯区和包覆区，所述芯区具有第一折射率，所述包覆区具有低于光纤芯折射率的第二折射率，较低的折射率至少部分缘于包覆层中存在孔洞。作为替代情形或除此之外的情形，本文所披露的方法可用来在包覆层内提供含孔区，从而提高光纤的弯折性能。例如，利用本文所披露的纤
维设计和方法，有可能产生这样的光纤，当将其绕10mm心轴弯折时，它在1550nm处的衰减增大程度小于20dB/圈，更优选小于15dB/圈，甚至更优选小于10dB/圈。类似地，利用本文所披露的纤维设计和方法，有可能产生这样的光纤，当将其绕20mm心轴弯折时，它在1550nm处的衰减增加程度小于3dB/圈，更优选小于ldB/圈，甚至更优选小于.5dB/圈，最优先小于.25 dB/圈。本文所述方法和纤维设计既可用于制备在1550nm处的单模纤维，也可用于制备在1550nm处的多模纤维。
孔隙优选基本上、更优选完全位于光纤的包覆层中，这样它们就将纤芯包围在含孔隙的区域里，并且纤芯区域优选基本上不含孔隙。在一些优选实施方式中，孔隙位于含孔隙的区域中，这些区域与光纤芯隔开。例如， 一个较薄的(例如径向宽度小于40"m，更优选小于30um)含孔隙的区域环与光纤芯隔开，但没有完全延伸到光纤外周。将含孔隙的区域与纤芯隔开有助于降低光纤在1550nm处的衰减。采用薄环有利于使光纤在1500nm处呈单模形式。光纤可包含或不含氧化锗或氟，同样用于调节光纤的纤芯和/或包覆层的折射率，但也可避免使用这些掺杂剂，代之以单独用孔隙调节包覆层相对于纤芯的折射率，从而沿纤芯传导光。利用上述固结技术可形成光纤，孔隙在所述光纤的横截面上呈非周期性分布。我们所用的"非周期性分布"是指，若看光纤横截面，孔隙随机地或非周期性地沿着一部分光纤分布。沿光纤长度方向上不同点截取的横截面具有不同的横截面孔隙图案，即各横截面具有稍微不同的随机取向的孔洞图案、分布和尺寸。这些孔洞沿着光纤长度方向(即平行于纵轴)伸展(拉伸)，但不是在整个光纤的整个长度上延伸。虽然无意受限于理论，但是据信，孔洞沿光纤长度方向延伸的距离短于几米，在许多情况下短于1米。
6利用本文所披露的产生孔隙的固结技术，有可能制得这样的光纤，其包覆区的总光纤孔隙面积百分数(孔隙的总横截面积除以光纤的总横截面积x100)
大于.01%,更优选大于.025%，甚至更优选大于0.05%，甚至更优选大于.1°/。，甚至更优选大于约0.5%。已经制成总孔隙面积百分数大于约1%，实际上甚至大于约5%、甚至10%的光纤。然而，据信视光纤的设计情况，总孔隙面积百分数小于1%、甚至小于.7。/。可极大地改善弯折性能。在一些优选实施方式中，所述光纤的总孔隙面积百分数小于20%,更优选小于15%，甚至更优选小于10%，最优选小于5%。在其他优选实施方式中，所述光纤的总孔隙面积百分数小于0.7%而大于0.01%。这种含孔隙的包覆区可用于相对于纤芯降低折射率，从而形成使光沿光纤芯传导的包覆区。通过选择如下文所述的合适的烟炱固结条件，可得到多种有用的光纤设计。例如，通过选择包覆层中的最大孔隙尺寸，使其小于将要传输的光的波长(例如，对于某些电信系统，小于1550nm)，优选小于将要沿光纤传输的光的半波长，可以在不使用昂贵的掺杂剂的情况下制得低衰减光纤。因此，对于许多应用来说，宜形成这样的孔洞，即光纤中至少超过95%的孔洞、优选所有的孔洞在光纤包覆层中的最大孔洞尺寸大于10nm，更优选大于20nm，但小于1550nm，更优选小于775nm，最优选小于约390nm。类似地，光纤中孔洞的平均直径优选大于10nm，更优选大于20nm，但小于7000nm，更优选小于2000nm，甚至更优选小于1550nm，最优选小于775nm，所有这些平均直径都可利用本文所披露的方法达到。利用本文所披露的方法制备的光纤，其所达到的这些平均直径的标准偏差在lOOOrnn以内，更优选在750nm以内，最优选在500nm以内。在一些实施方式中，本文所披露的光纤所具有的孔洞少于5000个，在一些实施方式中少于IOOO个；在一些实施方式中，在给定光纤的垂直横截面上的孔洞总数少于500个。当然，最优选的光纤具有这些特性的组合。因此，例如，光纤的一个特别优选的实施方式在光纤中具有的孔洞少于200个，孔洞的最大直径小于1550nm，平均直径小于775nm，虽然用尺寸更大、数目更多的孔洞也可获得有用的抗弯折光纤。孔洞数目、平均直径、最大直径和孔洞的总孔隙面积百分数均可借助放大倍数约为800倍的扫描电镜和图像分析软件计算，所述图像分析软件如ImagePro，可购自美国马里兰州银泉市媒体控制公司(Media Cybernetics, Inc., Silver Spring,Maryland, USA)。在其他优选实施方式中，为了有利于获得更高的平均数密 度，从横截面看所述光纤时，环形含孔区包含的孔洞多于100个，更优选多于 200个，甚至更优选多于400个，最优选多于600个。实际上，本文所披露的 技术足以在光纤环中得到多于1000个、甚至多于2000个孔洞，甚至对于宽度 小于10iim、更优选小于7um的环也是如此。在其他优选实施方式中，本文 所披露的微结构光纤包含沿纵向中心线设置的芯区和包围芯区的包覆区，所述 包覆区包含环形含孔区，该含孔区包含非周期性设置的孔洞，其中环形含孔区 的最大径向宽度在2ym与10ym之间，环形含孔区的区域孔隙面积百分数在 2%与10。/。之间。非周期性设置的孔洞的平均直径小于500nm，优选小于300nm， 最优选小于200nm，但大于5nm。
本发明另一方面涉及可用上述方法制备的微结构光纤。 一种这样的微结构 光纤包含具有第一折射率的芯区和具有第二折射率的包覆区，其中第二折射率 小于芯区的折射率，至少部分原因是因为包覆区中存在非周期性分布的孔隙。 因此，通过该光纤传输的光一般保留在纤芯内。孔隙的最大直径优选为1550nm 或更小，所得光纤在600nm与1550nm之间的至少一个波长(最优选的波长是 1550nm)上的衰减小于500dB/km，更优选在1550nm处的衰减小于200 dB/km。 本文所用"衰减"若未具体表述为"多模衰减"或"单模衰减"，我们的意思 是，若光纤在1550nm处呈多模形式，则它指所述光纤的多模衰减；若光纤在 1550nm处呈单模形式，则它指所述光纤的单模衰减。利用本发明所披露的产 生孔隙的固结技术，有可能制备这样的光纤，其包覆区的区域孔隙面积百分数 大于0.5%，更优选大于约1%，甚至更优选大于约5%，最优选大于约10%。 特别地，有可能在距光纤芯10ym以内产生这种含孔包覆区。虽然使用本文所 披露的技术时可不用折射率调节掺杂剂，但在利用位于光纤包覆区中的非周期 性分布的孔隙时，优选同时使用氧化锗、氟和类似的折射率调节掺杂剂中的至 少一种。然而，氧化锗和/或氟的使用不是关键因素，例如，若需要，光纤可完 全或部分不含氧化锗和氟。我们在本文中所用的"非周期性分布"是指孔隙或 孔洞是非周期性的，即它们不是周期性地设置在光纤结构内。虽然本发明的方 法不能将每个孔隙相对于其他各孔隙作周期性排布，正如其他一些类型的微结 构光纤的情况那样，但是本文所披露的方法能够将或多或少的孔隙排布在光纤径向分布的不同距离上。例如，利用本文所披露的方法，可将相对于光纤中其 他区域(例如在光纤芯中或光纤外包覆区中的其它区域)区域孔隙面积百分数 更高的孔隙放置在靠近光纤芯的区域中。类似地，在光纤的径向和轴向(即沿 长度方向)上均可控制含孔区中的平均孔洞尺寸和孔洞尺寸分布。因此，均匀 的非周期性孔洞阵列可位于光纤的一个区域中，此区域的相对孔隙面积百分数 和平均孔洞尺寸沿光纤长度方向保持一致。虽然光纤不限于任何特定直径，但
光纤外径优选小于775 ix m，更优选小于375 u m，最优选小于200 u m。
这种光纤可用于电信网络(通常是850nm、 1310nm和1550nm窗口)，
包括长程、城域、接入、驻地和数据中心，以及数据通信应用和建筑物、移动 设施(汽车、公共汽车、火车、飞机)内的控制区域网络应用(通常在600-1000nm 范围内)。这种电信网络通常包括与光纤实现光学连接的收发器。因此，对于 许多应用来说，宜形成这样的孔洞，即光纤包覆层中的最大孔洞尺寸小于 1550nm，更优选小于775nm，最优选小于约390nm。
这种光纤也可用作UV至IR导光管，用于医学、照明、光刻和工业应用。 一种优选光纤的包覆层包含多个非周期性分布的孔隙区，所述孔隙区优选位于 沿径向距纤芯10um的范围内，其中这种孔隙沿光纤径向(在垂直于纵向光纤 轴线的横截面内)测得的最大直径为1550nm或更小，更优选775nm或更小。 另一种优选光纤的包覆层包含多个非周期性分布的孔隙区，所述孔隙区与纤芯 隔开，并位于沿径向距纤芯20nm的范围内，其中这种孔隙沿光纤径向测得的 最大直径为1550nm或更小，更优选775nm或更小，最优选小于约390nm。又 一种优选光纤的包覆层包含多个非周期性分布的孔隙区，所述孔隙区位于沿径 向距光纤芯外边缘40wm的范围内，其中这种孔隙沿光纤径向测得的最大直径 为1550nm或更小，更优选775nm或更小，最优选小于约390nm。与现有技术 中已知的各种光纤相比，本文所披露的光纤具有许多优点。例如，与现有技术 中的光纤相比，本文所披露的光纤具有优越的抗弯折性，同时具有优异的模场 直径。所谓"优越"，我们指的是利用本文所披露的方法，有可能制得这样的 光纤，它在1550nm处是单模形式，按20mm直径弯折一圈时，在1550nm处 的衰减增幅小于0.5dB，同时在1550nm处的模场直径大于10um，更优选大 于llum。这种优异的弯折性能使这些光纤成为光纤到户、接入光纤、户内光纤(fiber-in-the-home)应用和光纤跳线(这些通常是一段段短光纤(l-20m)， 每端有连接到光学系统或设备上的连接器)的有力候选对象。例如，本文所披 露的光纤可用于包含发射器、接收器、与所述收发器光学连接的光纤的光纤通 信系统。在这种应用中(即光纤用作通信系统中的传输光纤)，光纤优选不含 任何活性元素如铒等。
本发明的其他特征和优点将在以下详细描述中陈述， 一部分在本领域的技 术人员阅读该描述后将变得显而易见，或者可通过如本文所述，包括按照以下 详细描述、权利要求书以及附图实施本发明而认识到。
应当理解，前文概述和下文详述都给出了本发明的实施方式，其意图是为 理解要求专利权的本发明的性质和特点提供全面评述或框架。本申请所含附图 用于进一步理解本发明，它们包含在本说明书中并构成其一部分。附图展示了 本发明的不同实施方式i与文字描述一起用于解释本发明的原理和操作方法。


图显示了形成烟炱预制体的OVD方法。
图2显示了本发明的固结方法的横截面侧视图。
图3显示了形成纤芯坯棒的再拉制方法。
图4显示了纤芯坯棒上沉积的烟炱的固结过程。
图5显示了图4所示固结步骤得到的完全固结的预制体。
图6A和6B显示了根据本发明的一个实施方式制得的光纤的显微图。
图7和8 —起显示了套管制造方法中的棒体，它可用于本发明的各种方法中。
图9显示了可用于本发明方法的拉制方法和设备。
具体实施例方式
本发明的方法所采用的预制体固结条件可有效地在固结玻璃坯体中挟带 显著量的气体，从而在固结玻璃光纤预制体中形成孔隙。本发明没有采取步骤 消除这些孔隙，相反地，所得预制体是用于形成含孔光纤。
在用常规烟炱沉积方法，如外气相沉积法(OVD)或气相轴向沉积法
10(VAD)制造传输光纤时，在火焰中热解产生二氧化硅和掺杂二氧化硅颗粒， 它们以烟炱形式沉积。在OVD的情况中，沿着圆柱形靶棒的轴线横向移动带 有烟炱的火焰，在该圆柱形靶棒外面沉积颗粒，逐层形成二氧化硅烟炱预制体。 接着用干燥剂(例如氯气)处理这种多孔烟炱预制体，除去水分和金属杂质， 然后在温度为1100-150(TC的固结炉内固结或烧结成无孔隙的玻璃坯体。受表 面能驱动的黏性流动烧结是烧结的主要机制，它导致烟炱致密化并封闭烟炱 孔，从而形成固结玻璃预制体。在烧结的最后阶段，固结所用气体可随开放孔 的封闭而被挟带。若玻璃中的挟带气体在烧结温度下的溶解性和渗透性较高， 则气体在固结过程中可从玻璃中迁移出来。或者，可将光纤预制体放置一段时 间，直至气体从玻璃预制体中迁移出来，由此脱除在光纤制造法的固结阶段之 后仍被挟带的气体，从而在预制体内留下一个或多个包含真空的孔隙。在由预 制体拉制光纤的拉制操作中，这些孔隙封闭，产生无孔隙或基本无孔隙的光纤。 在制备常规传输光纤所用的固结方法中，其目标是获得在光纤的纤芯和包覆区 中都完全没有孔隙的光纤。在固结常规光纤预制体时，氦气是常用作固结气氛 的气体。由于氦气在玻璃中有很高的渗透性，所以它在固结过程中很容易从烟 炱预制体和玻璃中出来，这样，在氦气中固结之后，玻璃不含孔洞或孔隙。
本发明的方法所采用的预制体固结条件可有效地在固结玻璃坯体中挟带 显著量的气体，从而在固结玻璃光纤预制体中形成孔隙。本发明并未采取步骤 消除这些孔隙，相反地，所得预制体是有目的地用来故意形成含孔光纤。特别 地，通过采用渗透性较低的气体和/或较高的烧结速率，在固结过程中，可在固 结玻璃内挟带孔洞。本文所用术语"烧结玻璃"或"固结玻璃"是指在诸如 OVD法或VAD法这样的化学气相沉积烟炱沉积过程之后，经历了烟炱固结步 骤的玻璃。在烟炱固结步骤中，烟炱通过暴露于高热而经历致密化过程，从而 除去开放孔(即在烟炱之间未被致密化玻璃包围的孔隙或孔)，形成完全致密 化的玻璃[虽然在本发明中显然还留有一些封闭孔(即被完全致密化的玻璃包 围的孔隙或孔)]。这种烟炱固结步骤优选发生在烟炱固结炉中。通过提高烧 结温度和/或提高烟炱预制体通过固结炉烧结区的进给速度，可以提高烧结速 度。在特定烧结条件下，有可能获得这样的玻璃，其中挟带气体的面积在预制 体总面积或体积中占显著比例。图1显示了可用于本发明的烟炱光纤预制体20的制造方法。在图1所示 实施方式中，烟炱预制体2是通过将含二氧化硅的烟炱22沉积到旋转-平移的 心轴或饵棒24外面形成的。此方法称作OVD法，即外气相沉积法。心轴24 优选渐渐变细。烟炱22是通过将气态玻璃前体28送到燃烧器26的火焰30中 氧化而形成的。向燃烧器26供应燃料32如甲烷(CH4)和支持燃烧的气体34 如氧气，点燃后形成火焰30。标记为V的质量流量控制仪向燃烧器26计量供 给合适量的合适掺杂剂化合物36、 二氧化硅玻璃前体28、燃料32和支持燃烧 的气体34，它们均优选为气态形式。玻璃形成剂化合物28、 36在火焰30中氧 化，形成一般呈圆柱形的烟炱区23。特别地，若需要，可加入一种掺杂剂化合 物36。例如，可加入锗化合物，作为提高折射率的掺杂剂(例如在纤芯中)， 或者可加入含氟化合物，以降低折射率(例如在光纤的包覆层和/或含孔区中)。
在一些优选的实施方式中，根据沉积的烟炱是用于形成光纤中的含孔区还 是无孔区，烟炱沉积方法可以不同。申请人确信，在各次沉积的界面处，即在 各烟炱层之间，容易形成孔隙。因此，若每次沉积的烟炱层厚度减小，则可减 小所得光纤中孔隙的尺寸，这些孔隙也可堆积得更好(位于不同成对烟炱层之 间的孔隙之间的距离更小)。因此，对于烟炱沉积燃烧器每次沉积的烟炱，烟 炱层厚度优选小于20n m，更优选小于15nm，最优选小于10ym。采用更快 的横移燃烧器可达到此目标，例如燃烧器的横移速度大于2cm/s，更优选大于 3cm/s，最优选大于4cm/s。然而，对于用来制备光纤无孔区的烟炱沉积步骤， 烟炱沉积法在许多情况下可能要采用较慢的燃烧器横移速度，例如小于5 cm/s、 4cm/s或3cm/s。因此，在用来为同时含有含孔区和无孔区的光纤预制体沉积 烟炱的一些实施方式中， 一部分预制体使用在第一速度下沉积的烟炱制备，另 一部分预制体使用在第二速度下沉积的烟炱制备，其中第一速度不同于第二速 度。在一些实施方式中，同样为了利于沉积更薄的烟炱沉积层，优选采用不超 过4个、更优选不超过3个、最优选不超过2个彼此相邻的燃烧器，同时燃烧 器相对于烟炱沉积基材来回往复移动。
如图2所示，包含圆柱形烟炱区23的烟炱预制体20可在固结炉29中固 结，形成固结坯体31 (示于后面图3)。在固结之前，将图1所示心轴24取 出，形成圆柱形空心烟炱预制坯体。在固结过程中，将烟炱预制体20用固定机构21例如悬挂在固结炉29中，例如悬挂在固结炉29的纯石英马弗管27中。 在进行固结步骤之前，优选将预制体20暴露于干燥气氛中。例如，合适的干 燥气氛可包含约95%-99%的氦气和1%-5%的氯气，温度在约95(TC-125(TC之 间，合适的干燥时间约为0.5-4.0小时。若需要，也可对烟炱预制体进行掺杂， 例如使用含氟或含其他光纤掺杂剂的掺杂气体进行掺杂。例如，为掺氟，可使 用SiF4和/或CF4气体。这种掺杂气体可在常规掺杂温度下使用，例如在约950 °C-1250t:掺杂0.25-4小时。
在烟炱干燥步骤之后进行的固结步骤中，将炉温保持在合适的温度，预制 体20在合适的温度，例如约139(TC-1535。C之间固结，形成固结预制体。或者， 可采用梯度烧结，在此情况下，驱使烟炱预制体向下通过炉子29的热区，其 温度保持在约1225T-155(TC之间，更优选在约139(TC-1535。C之间。例如，先 将预制体保持在等温区，该等温区的温度保持在所需干燥温度(950-125(TC)， 然后驱动该烟炱预制体以一定速度通过保持在所需固结温度(例如1225°C -155(TC，更优选13卯T:-1535。C)的区域，使预制体20的温度以大于rC/min 的速度上升。炉子的上部区域可保持在较低温度，以利于进行干燥和除杂质步 骤。下部区域可保持在固结所需的较高温度。在一个优选实施方式中，使含烟 炱的预制体以第一下进给速度向下进给通过固结热区，然后使预制体以第二下 进给速度向下进给通过第二热区，所述第二下进给速度小于所述第一下进给速 度。这种固结技术导致烟贫预制体的外部先烧结，该预制体的其余部分后烧结， 从而有利于挟带气体，所挟带的气体又有利于在所得固结玻璃中形成和保持孔 隙。例如，预制体可以第一速度暴露于这种合适的固结温度(例如高于约1390 。C)，该速度足以导致预制体的温度以超过15°C/min、更优选超过17°C/min 的速度上升，继之以至少第二下进给速度/固结温度的组合，该组合操作足以导 致预制体以至少约12。C/min、更优选超过14°C/min的速度加热。较佳的是， 所述第一固结速度导致预制体外部升温的速度比第二固结速度导致的加热速 度高2°C/min以上，更优选高10°C/min以上，甚至更优选高约20°C/min以上， 最优选高50°C/min以上。若需要，可采用第三固结步骤，甚至可采用5个或 更多个固结步骤，它们以较低速度加热(例如小于1(TC/min)。或者，烟炱预 制体甚至可以更快的速度烧结，以驱使烟炱预制体通过炉子内温度超过1550。C、更优选超过1700'C、甚至更优选超过190(TC的热区，从而产生更多孔隙。 或者，可让烟炱在炉子外面接触明焰或等离子体焰炬，以更快的速度烧结烟炱 预制体。
可用于固结步骤的优选烧结气(即在烧结步骤中包围预制体的气体)是包 含至少一种选自以下气体的气体氮气、氩气、C02、氧气、氯气、CF4、 CO、 S02、氪气及其混合气。在等于或低于适合按照本发明的方法形成孔隙的固结 温度下，这些气体中的每一种在二氧化硅玻璃中都具有较低的渗透性。这些用 来产生孔隙的气体的单独或组合用量优选在5体积％-100体积％之间，更优选 在约20体积％-100体积％之间，最优选在约40体积％-100体积％之间。烧结 气氛围的余下部分由合适的稀释气体或载气组成，如氦气、氢气、氖气或其混 合气。在本文所述的一些实施方式中，例如，当计划在产生孔隙的固结步骤之 后，通过OVD在所得玻璃预制体或坯棒上再沉积烟炱时，所采用的烧结气优 选包含少于10%的氧气，更优选少于5%的氧气，最优选基本上不含氧气，否 则，由于暴露于OVD过程中形成的氢气，可能会丧失一些晶种。 一般而言， 烧结气中所用产生孔隙的气体(氮气、Ar、 C02、 02、 Cl2、 CF4、 CO、 S02、 氪气或其混合气)的体积百分数越大，所得固结玻璃中的孔隙也就越大、越多。 更佳的是，固结步骤中用于形成孔隙的烧结气包含至少一种选自以下气体的气 体氮气、氩气、C02、氧气和氪气及其混合气。这些气体可完全单独使用， 或者以这种气体与诸如氦气这样的载气的混合气使用。 一种特别优选的产生孔 隙的气体是氮气。申请人发现，当组合或单独使用氮气和/或氩气作为产生孔隙 的烧结气时，氮气和/或氩气在烧结气氛中的用量优选大于10体积％，更优选 大于30体积％，甚至更优选大于约50体积％，最优选大于约65体积％，烧结 气的余下部分是诸如氦气这样的载气。这些气体己经以大于85体积％的浓度 成功使用。实际上，已经成功使用最高达100%的氮气，最高达100%的氩气， 以及最高达100%的氧气。在部分真空(例如将预制体置于压力约为40-750托 的烧结气氛中)下，在低渗透性气体(例如氮气、氩气、C02、氧气、氯气、 CF4、 CO、 S02)中烧结烟炱，也可产生孔隙。利用本文所披露的产生孔隙的 固结技术，有可能制备这样的光纤，其包覆区包含含孔区，所述含孔区的区域 孔隙面积百分数超过0.5%,更优选超过约1%，甚至更优选超过约5%，最优选超过约10%。本文所用"区域孔隙面积百分数"是指含孔区中孔隙的总面积 除以含孔区的总面积(在垂直于光纤轴线截取的横截面中观察光纤)乘以100， 含孔区由含孔区的内外边界限定。例如，若光纤中最里面的孔隙的内边缘在距
光纤中轴线4um的径向位置上，而光纤中最外面的孔隙的外边缘在距中轴线 60um的径向位置上，则含孔区的面积约为11309-50=11259 nm2。若此含孔区 中所含孔隙的总横截面积是1100 wm2，则含孔区的孔隙面积百分数约为9.8%。 当利用上述优选的烧结气时，宜采用这样的固结方法，其中预制体的下进 给速度和温度足以导致至少一些固结气被有意地被挟带。例如，当以超过约10 'C/min、更优选超过约12°C/min、甚至更优选超过约14°C/min的速度加热至少 一部分烟炱预制体时，就会发生这种情况。本发明采用的烧结温度优选高于 IIO(TC，更优选高于130(TC，甚至更优选高于1400°C，最优选高于1450°C。 --个特别优选的烧结温度是大约1490°C。
在所述制造方法涉及在基材上沉积烟炱的每一步中，都可将烟炱固结并拉 制成直径更小的称作坯棒的玻璃体。本文所用"坯棒"是指通过将固结玻璃预 制体拉制到更小直径而形成的中间玻璃预制体。然后，将坯棒用作在坯棒上再 另外沉积烟炱的前体，随后固结再沉积的烟炱，从烟炱预制体中除去显著比例
(例如超过50%)的气体。可采用多个坯棒拉制步骤，以制备本文所披露的光
纤。实际上，在一些情况中，宜在每个烟炱沉积步骤之后就拉制中间坯棒，每 次得到纤芯、第一环形包覆区和含孔隙的第二环形包覆区，所述第二环形区包 围所述第一环形区，并且它与纤芯优选被第一包覆区隔开。最后的坯棒拉制步 骤发生在最后的烟炱沉积步骤之前，例如，在将外环形包覆区沉积到含孔区上
面之前。因此，这种方法可涉及多达3个坯棒拉制步骤，然后在拉制坯棒上再 沉积一个包覆层，形成外包覆层。在此外包覆层固结后，就可将所得光纤预制 体拉制成光纤。图3显示了可用来拉制本发明所用纤芯或包覆层坯棒的方法。 例如，在一个这样的实施方式中，如上面结合图1所述形成烟炱预制体，然后 用常规固结技术(例如在100%氦气气氛中采用高于130(TC的固结温度)固结 该烟炱预制体形成无孔纤芯预制体。例如，在用光纤预制体制备纯二氧化硅芯 纤的情况中，纤芯预制体将由较纯的二氧化硅组成，不含显著量的折射率调节 掺杂剂。或者，在用光纤预制体制备纯氧化锗掺杂的芯纤的情况中，纤芯预制
15体可由氧化锗掺杂的芯区和任选的包覆部分(例如未掺杂的二氧化硅包覆层)
组成。将所得固结纤芯坯体31放入纤芯坯棒拉制炉37中，从其中拉出至少一 个棒形纤芯坯棒片段33，它具有减小的外径。将预制坯体31加热到例如约1700 。C与2000。C之间的温度。若希望在坯棒拉制步骤之前立即沉积和固结的玻璃中 内含随机分布的孔隙，则优选在高达1650-190(TC的温度下，采用较快的拉制 速度(大于5cm/min，更优选大于7 cm/min，最优选大于9 cm/min)进行坯棒 拉制过程。在一些实施方式中，光纤预制体的拉制在约1800-1900'C的温度下 进行。在一些优选实施方式中，光纤预制体的拉制在约1650-1775。C的温度下 进行。若采用更低的再拉制温度和更快的再拉制速度，则孔隙在高温下膨胀的 可能性更小，因为孔隙内存在氮气。另一方面，若不希望在即将坯棒拉制步骤 之前的沉积步骤沉积的玻璃内包含随机分布的孔隙(即希望该特定坯棒的外玻 璃区是无孔玻璃)，则优选在高达1650-190(TC的温度下，釆用较慢的拉制速 度(小于2cm/min，更优选小于3 cm/min，最优选小于4 cm/min)进行坯棒拉 制过程。在一些优选实施方式中，在约1650-1775"C的温度下将光纤预制体(包 含芯区、内包覆区和环形含孔区)拉制成纤芯坯棒。
因此，在用来制备同时包含含孔区和无孔区的光纤预制体的优选实施方式 中，利用包含第一拉制速度的坯棒拉制步骤制备一部分预制体，利用包含第二 拉制速度的坯棒拉制步骤制备另一部分预制体，其中第一速度不同于第二速 度。实际上，优选以较快的坯棒拉制速度进行所有的坯棒拉制步骤，例外的是， 在产生含孔区的固结步骤之后拉制坯棒应优选在较慢的拉制速度下进行。
控制器38控制施加在坯棒上的张力，它向张力机构40 (图中示为两个牵 引轮)发出合适的控制信号，以合适的速度向下牵拉坯棒33。通过这种方式， 有可能得到一定长度的纤芯坯棒33，其外径大小在例如约lmm与16mm之间。 然后，可用此纤芯坯棒作为靶或心轴24再进行烟炱沉积，或者作为下文将进 一步描述的套管方法中的棒。
在一个优选实施方式中，上面结合图3所述的方法可用来形成纤芯坯棒 体，然后可将该坯棒体用作再沉积烟炱的靶或心轴，沉积的烟炱用本文所披露 的孔隙形成技术进行固结，最终变成光纤包覆层。在一个这样的实施方式中， 例如，可将完全固结的无孔玻璃纤芯坯棒用作图1所示烟炱沉积步骤中的饵棒24。玻璃纤芯坯棒可以是未掺杂的二氧化硅，因而所得光纤将是二氧化硅芯纤， 其纤芯基本上由纯二氧化硅组成。或者，纤芯坯棒可包含一个或多个掺杂区， 这些掺杂区一起构成传输光的光纤芯区。烟炱沉积到玻璃纤芯坯棒上之后，外 烟炱区120可如图4所示在固结炉129中完全固结。较佳的是，在此固结步骤 完成上述形成孔隙的固结过程，形成固结的含孔光纤预制体150，如图5所示。 本发明所用烧结温度优选在IIO(TC至155(TC的范围内，更优选在1300°C 与150(TC之间，最优选在1350'C与150(TC之间。一个优选的烧结温度约为1490 'C。对固结过程中所用的气氛、固结炉内的温度和预制体的固结速度进行选择， 使得在烟炱固结过程中，有意将气体挟带在预制体内，在固结玻璃中形成孔洞。 在拉制光纤之前和/或过程中，这些含气孔隙优选不完全脱气，使得拉制光纤之 后，孔隙保留在光纤中。可控制多个工艺参数，以改变和控制孔隙尺寸。例如， 增加固结时间或升高固结温度可增大孔隙尺寸，因为升高的温度导致挟带在孔 隙内的气体膨胀。类似地，孔隙的尺寸和面积百分数受拉制条件的影响。例如， 拉制炉中更长的热区和/或更快的拉制速度倾向于提高孔洞的尺寸以及面积百 分数。若选用在固结温度下更容易在玻璃中渗透的气体，将产生更小的孔隙。 烧结速度也会对孔洞尺寸和孔洞数量产生显著影响。更快的烧结速度将形成更 多、更大的孔隙。然而，采用的烧结速度太慢将不会形成孔隙，因为气体有时 间从玻璃中逃逸出来。因此，所用预制体的下进给速度和/或固结温度优选足够 高，从而以大于约1(TC/min，优选大于约12t:/min，甚至更优选大于约14tVmin 的速度加热至少一部分预制体。 一般而言，具有较低烟炱密度的光纤预制体将 形成更多的孔隙。然而，在特定的光纤预制体中，所沉积烟炱的密度可以变化， 以便在所需的位置设置更多的孔洞(更高的区域孔隙面积百分数)。例如，可 在固结的玻璃(例如纯二氧化硅)纤芯坯棒上直接沉积第一高密度烟炱区，然 后沉积密度低于第一烟炱区的第二烟炱区。我们发现，这样可在纤芯(即高密 度烟炱区)附近产生更高的孔隙面积百分数。含二氧化硅的烟炱的体密度优选 在约0.10g/cc与1.7g/cc之间，更优选在约0.30g/cc与1.0g/cc之间。这种效应 也可用来形成这样的含孔固结预制体，也就是它的低孔或无孔区与高孔区交替 出现；其中初始烟炱密度的径向变化在至少lOOum的距离上大于3%。这种 预制体可用来制备例如包覆区中的无孔玻璃区与含孔玻璃区交替出现的光纤。具有这种交替含孔区和无孔区的光纤具有可用作布拉格光栅的性质。
参见图5,利用上述技术，可形成光纤预制体150，它包含被包覆层152 包围的无孔芯区151，所述包覆层包含多个孔隙。通过在包覆层152中形成具 有足够数量和合适尺寸的孔隙的含孔区，在光纤预制体拉制成光纤之后，该包 覆层152可用作光学包覆层，使光沿着芯区151传导。或者，可利用含孔区改 进光纤的弯折性能。若需要，在将预制体150拉制成光纤之前，可在包覆区152 上再另外沉积烟炱并固结。所述另外沉积的包覆材料可根据需要固结成含孔层 或不固结成含孔层。
从这种预制体拉制出的光纤的一个例子见图6A和6B。图6A和6B所示 光纤包含纯的(即没有锗掺杂剂)二氧化硅芯区，该芯区被包含含孔区的包覆 区包围，掺氟包覆区将该含孔区与纤芯隔开。或者，可采用掺锗芯区，在此情 况下，纤芯与含孔包覆区之间的包覆区可以是纯二氧化硅包覆层。可以看出， 利用本文所披露的技术，例如更快的光纤拉制速度、更慢的坯棒拉制速度、更 高的拉制张力和沉积更薄的烟炱层，可同时显著提高孔洞尺寸的均一性和含孔 区周围的空间分布的均一性。
或者，不将烟炱沉积到已形成的纤芯坯棒上，而是用上述形成孔隙的方法 形成固结玻璃管，它具有上面结合图2所述的含孔区，该管可用于套在纤芯坯 棒上。例如，上述方法可用于在可拆卸心轴24上形成烟炱预制体，然后取下 心轴，如上所述固结烟炱预制体，形成含有孔隙的固结玻璃管。所得含孔的管 65可用于套在纤芯坯棒35上。这种套封操作可利用例如常规的套管制造技术 完成，如图7和8所示。在图7中，将纯的(即基本上不含用于提高折射率的 掺杂剂，如锗)二氧化硅纤芯坯棒35插入含孔包覆套管部分65，尽管芯区或 包覆层也可掺杂常规的折射率调节掺杂剂，如锗或氟。在图8中，将纤芯坯棒 35和包覆套管部分65加热至合适的温度(例如高于约1300-1500°C)，然后 利用公知的套管制造工艺步骤将其再拉制到较小直径，从而形成光纤预制体， 由它可拉制出本发明的光纤，该光纤具有被含孔包覆区包围的纯二氧化硅芯 区。
在本文所披露的任何实施方式中，最终所得的固结光纤预制体50可再拉 制成光纤，具体做法是如图9所示，将预制体放置在拉制炉52中，然后利用常规方法和装置加热并拉制光纤54。申请人发现，利用较快的光纤拉制速度
(例如大于15m/s，更优选大于20m/s，最优选大于25m/s)，可极大地改进光 纤含孔区中的孔隙在空间分布的均一性。利用较快的拉制速度还能改进含孔区 中孔隙的直径的均一性，使其大部分具有200-400nm之间的直径。还优选采用 高拉制张力(例如高于200g，最优选高于250g而低于300g)，因为这样做可 使光纤预制体的颈縮区中的孔隙发生更少的膨胀，从而改进含孔环的均一性。 然后在冷却室55中冷却光纤54，利用非接触传感器56测量其最终直径。可利 用涂布装置58施涂一个或多个涂层并固化，这也是常规技术。在拉制过程中， 光纤54通过张力组件60，由此施加张力，从预制体50拉制光纤54。通过控 制装置61控制张力，将光纤直径维持在预定值。最后，通过进料头(feedhead) 62将经涂布的光纤54巻到光纤贮存线轴64上。
上面结合图3所述用于形成纤芯坯棒的方法也可用来再拉制含孔固结管。 这种再拉制方法可用于改变管中所含孔隙的尺寸。例如，再拉制含孔预制体时 直径减小得越多，该预制体中孔径的尺寸将越小。
利用本文所披露的产生孔隙的固结技术，制备了包含具有第一折射率的芯 区和具有第二折射率的包覆区的光纤，其中第二折射率小于芯区的折射率，因 而通过光纤传输的光总体上保持在纤芯中；所述孔隙位于所述光纤的包覆层 中，从而形成该包覆层，并且孔隙的孔隙面积百分数基本上不为零。
利用本文所述的技术，可以制备这样的光纤，其中在光功率所占比例超过 80%的区域里，任何孔隙的最大尺寸小于该光纤为有关电信、汽车应用所传输 的光的波长。我们所说的"最大尺寸"是指在垂直横截面中沿光纤径向看光纤 时，任何特定孔隙的最大直径。例如，在所制备的光纤中，在光功率所占比例 超过80%的区域里，更优选在光功率所占比例超过90%的区域里，所有所述孔 隙的最大尺寸小于5um，更优选小于2"m，甚至更优选小于1 ^ m，最优选 小于.5 y m。
利用本文所述的技术，可以制备具有含孔区的光纤，所述含孔区的区域孔 隙面积百分数大于1%，更优选大于10%，最优选大于30%。
上述方法总体上限于制备二氧化硅芯光纤，即具有被含孔包覆区包围的较 纯二氧化硅芯区的光纤。或者，若需要，可单独或组合使用折射率调节掺杂剂，如锗或氟，以进一步相对于包覆层的折射率调节纤芯的折射率。例如，在一个 此种优选实施方式中，用锗芯坯棒作起始棒，在其上再沉积烟炱包覆材料，优 选采用上述OVD沉积技术。然后，如上所述固结烟炱包覆区，在掺氧化锗的 二氧化硅芯区周围形成含孔包覆区。在另一个涉及折射率调节掺杂剂的实施方 式中，用二氧化硅纤芯坯棒作为起始棒，用于形成烟炱包覆区。但是，在产生
孔隙的固结步骤，除了产生孔隙的掺杂气体外，还提供氟掺杂剂源(例如SiF4)， 以便同时用氟掺杂含孔区。通过这种方式，可在二氧化硅芯区周围形成掺氟的 含孔区。
对本领域的技术人员来说显而易见的是，在不背离本发明的精神和范围的 前提下，可对本发明作出各种改进和变化。因此，本发明意在涵盖对本发明的 改进和改变形式，只要它们落在所述权利要求及其等价要求的范围内。
权利要求
1.一种制备光纤的方法，它包括通过以下方式在基材上沉积二氧化硅玻璃基烟炱，形成至少一部分光纤预制体使烟炱沉积燃烧器以大于3cm/s的横移速度相对于所述基材横向移动，燃烧器多次通过基材的过程中，每次通过都沉积厚度小于20μm的烟炱层；在炉子内固结所述至少一部分烟炱预制体，将挟带在所述烟炱预制体内的空气除去50％以上，所述固结发生在包含氪气、氮气或其混合气的气氛中，固结所用的条件可有效地在所述固结步骤将至少一部分所述气氛挟带在所述预制体中，从而形成一种固结预制体，从其横截面观察，该预制体中至少有50个孔隙。
2. 如权利要求1所述方法，其特征在于，从横截面观察，所述预制体中 至少有10000个孔隙。
3. 如权利要求1所述方法，其特征在于，所述固结发生在还包含氦气的 气氛中。
4. 如权利要求l所述方法，其特征在于，所述固结发生在包含氪气的气 氛中。
5. 如权利要求1所述方法，其特征在于，在所述沉积步骤中沉积的所述 烟炱包含光纤预制体的一部分包覆区。
6. 如权利要求l所述方法，其特征在于，在所述沉积步骤中的所述燃烧 器横移速度大于7cm/s。
7. 如权利要求l所述方法，其特征在于，在所述沉积步骤中的所述燃烧 器横移速度大于10cm/s。
8. 如权利要求1所述方法，其特征在于，所述沉积步骤包括使燃烧器多 次通过基材的过程中，每次通过都沉积厚度小于15 u m的烟炱层。
9. 如权利要求6所述方法，其特征在于，所述沉积步骤包括使燃烧器多 次通过基材的过程中，每次通过都沉积厚度小于10um的烟炱层。
10. 如权利要求6所述方法，其特征在于，所述沉积步骤包括使燃烧器多 次通过基材的过程中，每次通过都沉积厚度小于15wm的烟炱层。
11. 如权利要求l所述方法，它还包括，在所述固结步骤之后和将预制体拉制成光纤的步骤之前，将含孔的固结的预制体拉制成坯棒，从而将含孔的固结的预制体的直径减小为大于5mm的预制体外径，该操作所用条件可有效地 使所述孔隙的直径在再拉步骤中扩大。
12. 如权利要求ll所述方法，其特征在于，所述将预制体拉制成坯棒的 步骤包括以大于5cm/min的速度拉所述预制体，同时使该预制体暴露于约 1650-1775'C的温度。
13. 如权利要求ll所述方法，其特征在于，所述将预制体拉制成坯棒的 步骤包括以大于7cm/min的速度拉所述预制体，同时使该预制体暴露于约 1650-1775 r的温度。
14. 如权利要求1所述方法，还包括以大于200g的拉制张力拉制所述光纤。
15. 如权利要求ll所述方法，还包括以250-300g的拉制张力拉制所述光纤。
16. 如权利要求1所述方法，还包括以250-300g的拉制张力拉制所述光纤。
全文摘要
一种制备微结构光纤的方法。在基材上沉积二氧化硅玻璃基烟炱，形成至少一部分光纤预制体，具体过程是使烟炱沉积燃烧器以大于3cm/s的横移速度相对于所述基材横向移动，燃烧器多次通过基材，每次通过都沉积厚度小于20μm的烟炱层。在炉子内固结所述至少一部分烟炱预制体，将挟带在所述烟炱预制体内的空气除去50％以上，所述固结发生在包含氪气、氮气或其混合气的气氛中，所用条件可有效地在所述固结步骤将至少一部分所述气氛挟带在所述预制体中，从而形成一种固结预制体，从其横截面看时，它里面至少有50个孔隙。
文档编号C03B37/02GK101687689SQ200880023389
公开日2010年3月31日 申请日期2008年5月8日 优先权日2007年5月8日
发明者D·C·布克班德, M·A·麦克德莫特, P·坦登, R·B·德索里齐 申请人:康宁股份有限公司