专利名称：具有oh阻挡层的光纤预制品及其生产方法
技术领域：
本发明涉及一种光纤预制品，更具体的涉及一种将从基管扩散到光纤芯中的OH降低到最小的光纤预制品，及其生产方法。
通过沉积包覆层和芯层可形成单模光纤。在DC-SM(施压包覆-单模)型中，通过对SiO2搀杂P2O5、GeO2和F而降低沉积温度和折射率，通过对SiO2搀杂GeO2而沉积用于传输光的芯层以增大折射率，然后通过压平和封闭过程生产光纤预制品。
在使用改进的化学气相沉积(MCVD)生产光纤预制品的过程中，当沉积层变厚时，在沉积过程中会产生基管的自-压平，结果导致管厚度的增大。同时，需要用高温炉对厚的沉积层进行烧结和固化，这样用于压平和封闭的时间变长，从而基管被长时间的暴露到高温下。
在此过程中，虽然基管中的非常少量的水(通常为几个ppm)扩散到沉积层中，扩散的水与在包覆区沉积的P2O5或SiO2结合，于是形成P-O-H或Ge-O-H结合键。扩散到芯区中的OH与在芯层中沉积的SiO2或GeO2结合，由此在破坏Si-O或Ge-O结合键时形成Si-O-H或Ge-O-H结合键。
如上所述，在每个沉积区中在与水的结合中形成的O-H或P-O-H结合键会导致另外的光损耗，这是因为在特定光区存在的吸收带。在单模光纤的情况下，由于O-H结合键而产生的严重光损耗的波带是1.24微米-1.385微米，由于P-O-H结合键所产生的严重光损耗的波带是1.2微米到1.8微米。当OH扩散到芯区中时，其形成无桥氧(NBO)，因此芯层的玻璃材料的同质结构受到局部损害，这造成芯层的密度的波动，结果会增大扩散损耗。
在与沉积同时进行的烧结过程中，随着沉积层的厚度的增大，管的内外直径会缩小，从而难于获得适宜的直径比(即，包覆层直径/芯层直径=D/d)。因此，无法保证防止OH扩散的足够的距离，从而会大大的增大由于OH所造成的损耗。
在现有技术中，使用加厚包覆层的方法以防止OH从基管扩散到芯层中。然而，当通过此方法生产大孔径预制品时，由于管的收缩从而很难保证适宜的直径比，在沉积芯层期间需要高温炉，这是因为由于管层的厚度的增大，向芯层传送热量的效率被降低。因此，管会很长时间的暴露到高温下，从而增大了由于OH所造成的损耗。
为了解决上述的问题，本发明的一个目的在于提供一种光纤预制品，通过形成阻挡层在降低直径比的同时可有效的降低由于OH而产生的损耗，其中的阻挡层用于阻挡或大大缓解在基管和芯层之间的OH的扩散，从而可防止OH从基管扩散到芯层中。
本发明的另外的一个目的在于提供一种生产具有OH阻挡层的光纤预制品的方法。
相应的，为了实现第一个目的，其提供一种光纤预制品，其具有基管、包覆层和芯层，光纤预制品还包含一个第一阻挡层，其是通过在基管和包覆层之间沉积具有低的OH扩散系数的材料而成的，其中第一阻挡层用于防止包含在基管中的OH扩散到包覆层中。
光纤预制品最好还包含一个第二阻挡层，其是通过在包覆层和芯层之间沉积具有低OH扩散系数的材料而形成，用于防止已经从基管扩散到包覆层中的OH再扩散到芯层中。
为了实现第一个目的，提供另外一种光纤预制品，其具有基管、包覆层和芯层，光纤预制品还包含一个第一阻挡层，其是通过在基管和包覆层之间沉积具有低OH扩散系数的材料而形成的，其中第一阻挡层用于防止包含在基管中的OH扩散到包覆层中，其中芯层的折射率大于包覆层的折射率，并在从芯层的外部到中心的方向上逐渐增大。
最好此光纤预制品还包含一个第二阻挡层，其是通过在包覆层和芯层之间沉积具有低OH扩散系数的材料而形成的，其中的第二阻挡层用于防止扩散到包覆层中的OH再扩散到芯层中。
为了实现第二个目的，提供一种生产具有基管、包覆层和芯层的光纤预制品的方法，该方法包含如下的步骤通过沉积具有低OH扩散系数的材料形成第一阻挡层；通过沉积可降低处理温度和增大沉积效率的材料形成包覆层；及形成可传输光信号区域的芯层。
在芯层形成之前和包覆层形成之后，通过沉积具有低OH扩散系数的材料形成第二阻挡层。同时，最好形成芯层，从而在从芯层的外部到中心的方向上折射率逐渐增大。
图1为通常的单模光纤；图2为根据本发明的单模光纤；图3为根据本发明的另外一个单模光纤；图4A、4B和4C为根据本发明的使用改进的化学气相沉积(MCVD)方法生产单模光纤的方法的示意图。
下面将参考附图对根据本发明的最佳实施例进行描述。
参考图1，其示出了通常的压平包覆-单模(DC-SM)光纤，标号11表示基管，标号12表示包覆层，标号13表示芯层。同时，Δ+表示相对基管折射率的芯层的折射率，而Δ-表示相对基管折射率的包覆层的折射率。同时，φd表示芯层的直径，φD表示包覆层的直径。
通过沉积P2O5而形成包覆层12。P2O5具有570摄氏度的相对低的熔点，从而当其和不同的原材料一起使用时，可降低处理温度，并增加沉积效率。另一方面，由于在包覆层12上沉积的P2O5具有大的吸湿性，其作为OH桥，用于将包含在基管11中的OH传递到芯层13。因此，增大了由于芯层13中的OH所造成的损耗。
图2为根据本发明的单模光纤的示意图。在图2中，标号21表示基管，标号22表示第一阻挡层(外包覆层)，标号23表示中间包覆层，标号24表示第二阻挡层(内包覆层)，标号25表示芯层。同时，Δ+表示芯层25的相对折射率，而Δ-表示相对于基管21的中间包覆层23的折射率。Δ0表示第一阻挡层22的折射率，Δ1表示第二阻挡层24的折射率，其都是相对中间阻挡层23的相对折射率。同时，φd表示芯层25的直径，φD1表示第二阻挡层24的直径，φD表示中间包覆层23的直径，φD0表示第一阻挡层22的直径。
如上所述，根据本发明的光纤预制品的包覆层包含三层，每层都具有不同的化学成分比。换句话说，包覆层包含第一阻挡层(外包覆层)22、中间包覆层23和第二包覆层(内包覆层)24。
第一阻挡层(外包覆层)22位于具有大OH浓度的基管21和包含OH阻挡层P2O5中间包覆层23之间，并防止包含在基管21中的OH扩散到中间包覆层23中。第二阻挡层(内包覆层)24位于中间包覆层23和芯层25之间，并防止从基管21扩散到中间包覆层23中的OH进一步透入到芯层25中，不管第一阻挡层22如何。第一和第二阻挡层22和24不包含作为OH桥的P2O5，利用SiO2、GeO2和F控制折射率，并根据包覆层的总的厚度控制其适宜的厚度。特别是，只有第一阻挡层22可形成在具有大的OH浓度的基管21和中间包覆层23之间，或只有第二阻挡层24可形成在中间包覆层23和芯层25之间。
参考光纤预制品的折射率特性，芯层25的折射率大于包覆层22、23和24的折射率。因此，通过控制外和内包覆层22和24的每个折射率使其与中间包覆层23的折射率相近或相等。同时，这三个层的折射率也可被控制为相等。
通常的，在沉积层中的OH的浓度大约为1/1000或小于基管中的OH的浓度。然而，通过搀杂P2O5沉积包覆层，从而在包覆层沉积过程中降低处理温度。这里，P2O5具有大的吸湿性。相应的，在包覆层中沉积的P2O5作为桥用于从基管向芯层传递OH，从而增大了由于芯层中的OH而造成的损耗。因此，在本发明中，在具有大的OH浓度的基管和包含OH阻挡层P2O5的包覆层之间和/或包覆层和芯层之间形成搀杂有具有低OH扩散系数的材料的OH阻挡层。如此形成的OH阻挡层可防止OH从基管21扩散到芯层25中。
图3为根据本发明的另外的一个单模光纤。在图3中，标号31表示基管，标号34表示第一阻挡层(外包覆层)，标号32表示中间包覆层，标号35表示第二阻挡层(内包覆层)，标号33表示芯层。同时，ΔN+和ΔN-分别表示相对基管31的折射率的芯层33和中间包覆层32的折射率。
如上所述，根据本发明的光纤预制品的包覆层包含三层，每层都具有不同的化学成分比。换句话说，包覆层包含第一阻挡层(外包覆层)34、中间包覆层32和第二阻挡层(内包覆层)35。
第一阻挡层(外包覆层)34位于具有大的OH浓度的基管31和包含OH阻挡层P2O5中间包覆层32之间，并防止包含在基管31中的OH扩散到中间包覆层32中。第二阻挡层(内包覆层)35位于中间包覆层32和芯层33之间，并防止从基管31扩散到中间包覆层32中的OH或在沉积中间包覆层32期间在化学材料中包含的水所形成的OH进一步透入到作为光波导区的芯层33中。外和内包覆层34和35的折射率被控制为与中间包覆层32的折射率相等或近似，且不大于基管31或芯层33的折射率。
在基管中所包含的OH的量与用于沉积的二氧化硅的量相比较高。二氧化硅是阻挡结构中OH成分的最稳定的化学沉积材料，可有效的阻挡在高温下OH的扩散。因此，第一和第二阻挡层34和35不包含作为OH桥的P2O5，利用SiO2、Ge或F控制包覆层的折射率，并根据包覆层的总体的厚度控制阻挡层的厚度。
对于光纤预制品的折射率特性，芯层33的折射率大于包覆层32、34和35的折射率，而芯层33的折射率向着芯层的中心以恒定的比例增大。当高速的从预制品中抽出光纤时，由于快速的冷却会产生热应力。相应的，芯层33的折射率从周边的折射率ΔN0向着中心逐渐增大，由此最终使得中心的折射率ΔN成为最大。通过这样做，可防止由于热应力所造成的光纤的光损耗和光纤的机械性能的降低，由此可高速的抽出具有低损耗和低直径比的光纤。例如，芯层的最外部分的折射率最好为芯层的中心的折射率的75％到99％。
图4A、4B和4C为根据图2或图3中所示的使用改进的化学气相沉积(MCVD)方法生产单模光纤的方法的示意图。在MCVD方法中，将诸如SiCL4、GeCl4、POCl3或BCl3等之类的高纯度运载气体和氧一起引入到由玻璃制成的基管41中，并通过加热装置43对基管41提供热量，由此如图4A中所示，通过热氧化在基管的内部上形成作为氧化的沉积物的烟灰。这里，实际上通过计算机控制源气体的浓度以调节折射率，由此沉积包覆层/芯层42。加热装置43向用旋转箭头表示的方向上旋转的基管41提供热量，同时加热装置在直箭头表示的方向上移动。通过与源材料存储部分相连的入口向基管41中提供要沉积的源气。混合阀和阻挡阀测量被引入到基管中的源材料的流动，并通过调节而使原材料进行混合。
在本发明的沉积包覆层的过程中，首先，除了具有大的吸湿性的诸如P2O5的OH运载材料外还通过沉积具有低OH扩散系数的材料而形成外包覆层(第一阻挡层)。并沉积另外的可降低处理温度和提高沉积效率的材料，从而形成中间包覆层。除了诸如P2O5等的OH运载材料外，还沉积具有低OH扩散系数的材料，由此形成内包覆层(第二阻挡层)。然后形成作为传输光信号区域的芯层。因此，根据每个沉积层，被引入到基管41的源气的混合也变的不同，通过适当的控制混合阀和阻挡阀可完成此混合过程。
在沉积芯层的过程中，通过沉积芯层从而从芯层的外部到其中心的折射率都保持恒定，或在从外部到中心的方向上折射率逐渐增大。
图4B示出了在基管41中沉积的包覆层/芯层40的示意图。在图4B中，标号43表示外包覆层，标号44表示中间包覆层，标号45表示内包覆层，而标号46表示芯层。
参考图4C，通过使用加热装置43在上面已经沉积了包覆层/芯层40的基管41上施加热量而进行压平和封闭，由此形成光纤预制品47。
在沉积过程中，在其间具有中间包覆层44且不包含P2O5的外和内OH阻挡层43和45作为OH桥被沉积，从而有效的防止OH在芯层沉积过程、压平过程或封闭过程中从基管41扩散到芯层46中。相应的，可将芯层中由于OH吸收带所造成的损耗降到最小，同时可获得适宜的直径比(D/d)。同时，可使直径比变小，由此可降低沉积频率，缩短处理时间。这里，包覆层的直径(D)与芯层的直径(d)的比最好为1.1到3.0。
同时，在与沉积同时进行的烧结过程中，在烧结和固化煤灰颗粒的过程中，由于内表面的伸张，会产生自压平。在具有高黏度基管和具有相对低黏度的包覆层之间存在黏度与基管类似的一个缓冲层，从而可提高管的阻挡力量，同时可降低管的收缩。
当使用MCVD方法生产光纤预制品时，当直径比变小时，整个过程的时间变短，对于生产具有大孔径的预制品而言小的直径比非常适合。在现有技术中，当直径比变小时，OH损耗会突然增大，由于会降低光纤的质量。因此，通常直径比为3.0。然而，根据本发明，即使当直径比降低到小于3.0时，例如，降低到大约1.1到3.0时，可降低OH吸收损耗，同时也可降低由于热应力而造成的损耗。
在本发明中，根据具有OH阻挡层的光纤预制品和其生产方法，在沉积过程中在基管和包覆层之间和包覆层与芯层之间沉积不包含P2O5的外和内OH阻挡层，从而可有效的防止在芯层沉积过程、压平过程或封闭过程中OH从基管扩散到芯层中。因此，可防止芯层中OH所造成的损耗。同时，通过形成芯层，而增大其从外部到中心方向上的折射率，由此可防止在高速从预制件拉出光纤时所造成的性能的降低。
权利要求
1．一种光纤预制品，其具有基管、包覆层和芯层，光纤预制品还包含一个第一阻挡层，其是通过在基管和包覆层之间沉积具有低的OH扩散系数的材料而成的，其中第一阻挡层用于防止包含在基管中的OH扩散到包覆层中。
2．根据权利要求1所述的光纤预制品，其特征在于还包含一个第二阻挡层，其是通过在包覆层和芯层之间沉积具有低OH扩散系数的材料而形成，用于防止已经从基管扩散到包覆层中的OH再扩散到芯层中。
3．根据权利要求1或2所述的光纤预制品，其特征在于通过搀杂SiO2、GeO2或F和不包含P2O5而对第一或第二阻挡层的折射率进行控制。
4．根据权利要求2所述的光纤预制品，其特征在于将第一或第二阻挡层的折射率控制为等于或大于包覆层的折射率。
5．根据权利要求1所述的光纤预制品，其特征在于包覆层的直径(D)与芯层的直径(d)的比(D/d)为1.1到3.0。
6．一种光纤预制品，其具有基管、包覆层和芯层，光纤预制品还包含一个第一阻挡层，其是通过在基管和包覆层之间沉积具有低OH扩散系数的材料而形成的，其中第一阻挡层用于防止包含在基管中的OH扩散到包覆层中，其中芯层的折射率大于包覆层的折射率，并在从芯层的外部到中心的方向上逐渐增大。
7．根据权利要求6所述的光纤预制品，其特征在于还包含一个第二阻挡层，其是通过在包覆层和芯层之间沉积具有低OH扩散系数的材料而形成的，其中的第二阻挡层用于防止扩散到包覆层中的OH再扩散到芯层中。
8．根据权利要求6或7所述的光纤预制品，其特征在于通过搀杂SiO2、GeO2或F和不包含P2O5而对第一或第二阻挡层的折射率进行控制。
9．根据权利要求6或7所述的光纤预制品，其特征在于将第一或第二阻挡层的折射率控制为等于或大于包覆层的折射率。
10．根据权利要求6所述的光纤预制品，其特征在于包覆层的直径(D)与芯层的直径(d)的比(D/d)为1.1到3.0。
11．根据权利要求6所述的光纤预制品，其特征在于芯层的最外点的折射率为芯层的中心的折射率的75％到99％。
12．一种生产具有基管、包覆层和芯层的光纤预制品的方法，该方法包含如下的步骤通过沉积具有低OH扩散系数的材料形成第一阻挡层；通过沉积可降低处理温度和增大沉积效率的材料形成包覆层；及形成可传输光信号区域的芯层。
13．根据权利要求12所述的方法，其特征在于在芯层形成之前和包覆层形成之后，通过沉积具有低OH扩散系数的材料形成第二阻挡层。
14．根据权利要求12所述的方法，其特征在于形成芯层，使得在从芯层的外部到中心的方向上折射率逐渐增大。
15．根据权利要求12或13所述的方法，其特征在于通过搀杂SiO2、GeO2或F和不包含具有较大的吸湿性的P2O5而对第一或第二阻挡层的折射率进行控制。
全文摘要
具有基管、包覆层和芯层的光纤预制品还包含第一阻挡层,其是通过在基管和包覆层之间的具有低OH扩散系数的材料沉积的。其中第一阻挡层可防止包含在基管中的OH扩散到包覆层中。光纤预制品还包含一个第二阻挡层,其是通过在包覆层和芯层之间沉积具有低OH扩散系数的材料而形成的,用于防止已经从基管扩散到包覆层中的OH再扩散到芯层中。不包含P
文档编号C03B37/018GK1309624SQ99807756
公开日2001年8月22日 申请日期1999年6月22日 优先权日1998年6月25日
发明者吴成国, 徐晚硕, 都文显, 杨镇成 申请人:三星电子株式会社