用來生產用於光纖的預成型坯件的基底管和過程的製作方法
2023-06-19 10:56:21 2
專利名稱：用來生產用於光纖的預成型坯件的基底管和過程的製作方法
技術領域：
本發明涉及周來生產用於光學數據傳輸技術的光纖的預成型坯件的過程，包括提供一種石英玻璃的基底管，該管在徑向的方向上有不同的摻雜物，引入合成石英玻璃的芯玻璃，並且用一個套筒管圍繞著該基底管。
還有，本發明涉及用來生產用於光學數據傳輸技術的光纖的預成型坯件的石英玻璃的基底管，其中預成型坯件包括由一個套筒區域圍繞的芯玻璃，此套筒區域的至少一部分的以基底管的形式設置，該管在徑向的方向上有不同的摻雜物。
背景技術：
一般說來，用於光纖的預成型坯件有一個芯，它被一種折射率較低的材料的一個包層包圍著。用於由合成石英玻璃生產預成型坯件芯的生產的前導過程是那些被記作VAD(蒸氣相軸向沉積)、OVD(外部蒸氣相沉積)、MCVD(改進的化學蒸氣相沉積)和PCVD(等離子體化學蒸氣相沉積)的過程。在所有這些過程中，以把SiO2顆粒沉積在一個基底上並且實現玻璃化的方式產生芯。在VAD和OVD過程中對芯的沉積由外面進行沉積到一個基底上進行；而在MCVD和PCVD過程中沉積在被稱為基底管的內側面上進行。基底管可以形成光學活性包層或者形成該包層的一部分。取決於光纖的設計，基底管可以由摻雜的或者不摻雜的石英玻璃構成。此外，已經知道可以按照所謂的杆和管方法生產預成型坯件，把由一種芯玻璃製成的杆引入一個套筒管中，並與該管一起熔融。由此通過拉長預成型坯件由其獲得光纖。
取決於過程，可以在一個分開的過程(OVD、MCVD、等離子體過程、杆和管過程)中生產包層玻璃，或者如通常在所謂的VAD過程中那樣同時生產包層玻璃和芯玻璃。通過添加適當的摻雜物調節芯玻璃與包層玻璃之間的折射率差。已經知道，氟和硼可以降低折射率，而多種摻雜物適宜於用來提高折射率，特別是鍺、磷和鈦。
在一種簡單的光纖設計中，由有較低的第二折射率的石英玻璃製成的一個套筒圍繞著由有第一折射率的石英玻璃製成的芯。然而，在使光纖達到最佳的過程中，特別是在同時傳輸幾個波長和傳輸速率較高的情況下，已經發展了光纖設計，這些光纖有複雜得多的折射率分布。例如，專利文件EP-A1785448描述了一種石英玻璃光纖，它的光纖設計被稱為「雙芯+雙包層」設計，設想這種設計可以降低所謂的偏振模式色散。
由專利文件EP-A2434237已經知道一種過程，用來生產適用於在開始描述的那種預成型坯件和基底管。該專利描述了單模光纖的生產，在那裡這種光纖被稱為「被壓下的包層型」光纖。用內部沉積(MCVD過程)生產用於這種光纖的預成型坯件。為此，首先在一個基底管的內壁上沉積一層摻氟石英玻璃的內包層玻璃層，接著用摻雜Ge的石英玻璃的一層芯玻璃進行沉積。在那裡使用的石英玻璃基底管橫截著它的壁厚度可以有一些有不同數量的摻雜氟的區域。使這樣在內側面上塗層的管塌縮，並且隨後用由一種套筒玻璃製作的所謂「套筒管」包圍它，形成一個預成型坯件。
儘管藉助於已知的過程可以生產出移動色散的或者所謂色散補償的光纖，但是，在已知的基底管中形成多個內層可能是必須的。
在MCVD沉積的過程中，層的數目和它們的厚度的增加導致基底管的內徑的相應減小，並且因此導致內表面的減小。因此，隨著過程的發展，沉積的有效性降低。通過增加內徑僅只可以把這種情況克服到有限的程度，這是因為通常用外部加熱產生沉積所必需的溫度。然而，增加基底管的內徑或壁厚需要提高外部溫度，以便在基底管的內側面上保持沉積條件。但是，由於基底管的變軟和塑性變形，這樣做是受到限制的。還有，用厚壁的基底管或較大的基底管以及用厚的內層，塌縮變得越來越困難。
發明內容
因此，本發明的目的是提供一種有效的和經濟的過程，用來生產預成型坯件，從而可以以高生產率的方式生產出複雜的折射率分布，並且提供適用於此的一種基底管，在該基底管中只需要較少的芯玻璃，或者用於內部沉積過程，或者用作在管中杆過程中的芯玻璃杆。
關於過程，本發明的目的是在開始時所描述的過程的基礎上實現的，在該過程中，使用一種基底管，該基底管是通過把設有芯玻璃層的管狀的多孔SiO2坯料玻璃化獲得的，通過在玻璃化之前把提高石英玻璃的折射率的第一摻雜物添加到SiO2坯料的第一徑向部分中已經生產出芯玻璃。
用於該過程的基底管包括一個芯玻璃層。芯玻璃層是指基底管的整個壁厚的徑向部分，一個通常為圓柱形的部分，有一個環形的截面，它有一定厚度在基底管徑向上向外的方向上伸展，這部分包含一種提高石英玻璃折射率的摻雜物。這樣的摻雜物包括例如鍺、磷、氯、鉺和鈦。因此，通常芯玻璃層的折射率比不摻雜的石英玻璃的折射率高。在文獻中認為不摻雜的石英玻璃的折射率在589.3nm(鈉蒸氣燈的D線)的測量波長下為在nD＝1.4585與1.4589之間。基底管可以有一個或多個芯玻璃層。除了芯玻璃層之外，設置至少一個附加的層，它的摻雜與芯玻璃層不同。因此，當橫截著壁的厚度看時，基底管有不同摻雜的幾層。不是通過例如把幾個摻雜不同的管連接在一起或者通過在一個石英玻璃管的表面上沉積玻璃層產生這些層，而是直接在多孔坯料的製作過程中或者在接續的處理中產生這些層。通過將SiO2坯料玻璃化獲得該基底管。
芯玻璃層來自多孔坯料的一個徑向部分，在玻璃化前已經把提高石英玻璃的折射率的第一種摻雜物添加到該坯料中。通常按照所謂的『菸灰過程』，藉助於含矽的化合物的火焰水解作用並把SiO2顆粒沉積在一個基底上產生SiO2坯料。在一個分開的燒結過程中實現多孔的SiO2坯料的玻璃化，與所謂的直接玻璃化相反。由於它的多孔性，在進行玻璃化之前很容易對SiO2坯料進行處理，比如清潔、乾燥或者附加的摻雜。多孔的SiO2坯料的乾燥使得可以製造出OH含量低的芯玻璃層。
除了對選定的部分進行摻雜以外，SiO2坯料也可以首先有在它的整個壁厚度內均勻分布的第一種摻雜物，而在後面的過程中至少部分地由一個徑向部分除去第一種摻雜物，或者第一種摻雜物所造成的折射率增加完全地或部分地被第二種摻雜物抵消，甚至被第二種摻雜物過度補償。在芯玻璃層中摻雜物的分布可以是均勻的，這種分布也可以有一個梯度、有一個最大值或者有一個最小值。
可以對玻璃化的坯料進一步進行化學的或機械的處理，達到基底管的預先確定的表面品質或幾何形狀，例如通過表面的刻蝕或拋光，以及通過拉長到所要求的最後尺寸。在剩餘的芯玻璃通過在基底管中的內部沉積(MCVD或PCVD)製作的情況下，使在內部沉積之後形成的基底管與芯玻璃的組合體塌縮。同時，可以添加形式為所謂套筒管的附加的包層玻璃，並拉伸光纖。在把剩餘的芯玻璃添加到形式為芯玻璃杆的基底管上的情況下，把所形成的基底管與芯玻璃杆的組合體一起熔化，而可以以外管(套筒管)的形式添加附加的包層玻璃。在基底管已經有適當的尺寸的情況下，一個附加的套筒可能是不必要的。
由按照本發明製作的預成型坯件可以得到用於數據傳輸的光纖，其中芯玻璃層用於光的傳輸。至少一個芯玻璃層通常是複雜的折射率分布的一部分。基底管提供預成型坯件的那些部分，直到芯玻璃本身產生之前無法在已知的過程中產生基底管。可以通過更經濟和生產率更高的OVD過程產生基底管本身。這樣，本發明用一種生產率更高的製作方式替代對於光纖的芯區域的昂貴並且效率低的生產過程。例如在MCVD過程中由基底管提供的芯玻璃層可能必須附加地由基底管的內部塗層產生。內層的數目和厚度可能相應地增加，而可能不得不接受存在上面列出的與沉積的有效性有關的缺點。相反，在按照本發明的過程中，光傳輸層的一部分由基底管提供。這樣，使得高生產率地並且有效地生產有複雜折射率分布的大體積預成型坯件成為可能。基底管所提供的芯玻璃層對光的傳輸做出貢獻，因此該芯玻璃層屬於光纖的芯區域。因此，減少了需要添加的附加的芯玻璃的數量，其中『芯玻璃』在本發明的含義下表示完成該芯區域所需的石英玻璃材料。按照本發明的過程主要適用於單模光纖的生產，但是也適用於多模光纖的生產。
在過程的一種優選的實現中，由一種矽化合物的火焰水解作用並把SiO2顆粒沉積在一個載體上產生多孔的SiO2坯料，而在沉積的過程中添加第一種摻雜物。在這種情況下，按照OVD過程產生基底管，包括芯玻璃層。通過把這樣的摻雜物或者一種化合物形式的摻雜物添加到矽化合物中，或者通過維持包合第一種摻雜物的環境，在沉積SiO2顆粒的過程中實現第一種摻雜物的添加。橫截著SiO2坯料的壁厚折射率的不均勻分布可以通過隨著時間改變摻雜物的有效濃度或改變溫度，通過後續地由一部分SiO2坯料除去第一種摻雜物，或者通過採用另一種摻雜物進行部分補償來實現。
可以藉助於管中杆的方法或者通過內部沉積(MCVD和PCVD)把芯玻璃引入基底管中，而後一種方法是優選的，因為這樣簡化了高純度特別是低OH含量內層的生產。
實現下述的過程特別有效在沉積之後並且在玻璃化之前，用改變石英玻璃折射率的第二種摻雜物至少摻雜多孔的SiO2坯料的至少一個第二徑向部分。橫截著SiO2坯料的壁厚，第二種摻雜物可以均勻地分布，通過用包含第二種摻雜物的液體浸透SiO2坯料或者通過氣相擴散可以特別簡單和經濟地實現第二種摻雜物的這樣的分布。這使產生複雜的折射率變得容易。在玻璃化之後，芯玻璃層可以包括第一種摻雜物和第二種摻雜物的混合。
通過加熱SiO2坯料，把它暴露在包含第二種摻雜物的環境中，可以有利地實現對第二徑向區域的摻雜。這一過程(後面把它成為『氣相摻雜過程』)使得用第二種摻雜物特別有效地和均勻地摻雜SiO2坯料成為可能。
最好採用氟作為第二種摻雜物。氟降低石英玻璃的折射率。對多孔的SiO2坯料或者它的徑向區域之一進行摻雜簡化了有複雜折射率分布的基底管的製作。因此，在玻璃化之後，基底管可以有一個包層，該包層有比石英玻璃低的折射率。這樣的基底管特別適用於生產補償色散的單模光纖(所謂的DC光纖)。這種光纖的折射率分布一般包括一個折射率低的區域和一個折射率高的區域。與已知的過程相比，採用按照本發明的過程製作這樣的光纖特別有效和簡單，在於通過基底管可以使兩個區域整個地或者至少部分地可供使用。
有利的是，把一種包含鍺的化合物用作第一種摻雜物。鍺在石英玻璃中以氧化鍺GeO2的形式存在。由於它的傳輸性能，氧化鍺特別適用於紅外光譜的光波傳輸。
已經發現在由1.4593到1.490的範圍內調節芯玻璃層的折射率是有用的。這使得可以特別經濟和有效地製作出有寬模式場帶的光纖，特別是在1550nm左右的傳榆波長。芯玻璃層意味著基底管的徑向上的部分，該部分的折射率在上面給出的範圍以內。折射率可以在芯玻璃層的整個厚度上是相同的，但是也可以有任何分布。
關於基底管，可以在開始描述的基底管的基礎上實現上面提到的目的，該基底管包括折射率至少為1.459的一個芯玻璃層。
該基底管包括一個芯玻璃層。芯玻璃層是指基底管的整個壁厚的徑向部分，它的折射率至少為1.459。此折射率是在589.3nm的波長下測量的，因此比不摻雜的石英玻璃的折射率高，在文獻中後者為在1.4585與1.4589之間。基底管可以有一個或多個芯玻璃層。除了芯玻璃層之外，設置至少一個附加的層，它的摻雜與芯玻璃層不同。因此，當橫截著其壁厚度看時，基底管有不同摻雜的幾層。不是通過例如把幾個摻雜不同的管連接在一起或者通過在一個石英玻璃管的表面上沉積玻璃層產生這些層，而是直接在多孔的SiO2坯料的製作過程中或者在接續的處理中產生這些層。如上面所描述的那樣，通過將SiO2坯料玻璃化獲得該基底管，通常按照所謂的『菸灰過程』，藉助於含矽化合物的火焰水解作用並把SiO2顆粒沉積在一個基底上產生SiO2坯料。在一個分開的燒結過程中實現多孔的SiO2坯料的玻璃化，與所謂的直接玻璃化相反。
在由採用基底管制作的預成型坯件得到的光纖中，芯玻璃層用於光的傳輸，而這一層常常是複雜的折射率分布的一部分。因此，由基底管提供預成型坯件的一些區域，否則，在已知的過程中在生產芯玻璃的過程中以很大的花費製作出預成型坯件。這使有效地生產出有複雜的折射率分布的大體積的預成型坯件變得容易。可以藉助於更經濟和生產率更高的OVD過程產生基底管本身。在這種情況下，基底管所提供的芯玻璃層對光的傳輸做出貢獻，在這一方面，該芯玻璃層屬於光纖的芯區域。因此，減少了需要添加的附加芯玻璃的數量。
按照本發明的基底管可以用來生產用於單模光纖的預成型坯件，也用於多模光纖的預成型坯件。在任何情況下，都要把芯玻璃引入基底管中。這通常按照MCVD或者PCVD過程實現，藉助於把石英玻璃層沉積在基底管的內壁上，並且接著使內側面被塗層的基底管塌縮。按照本發明的基底管也適用於藉助管中杆技術製作預成型坯件。化學或者機械處理可能是需要的，以便調節所要求的表面品質和幾何形狀，例如藉助於表面刻蝕和拋光，或者通過把基底管拉長到所要求的最後尺寸。
在這一方面，要注意到前面關於生產按照本發明的預成型坯件的詳細解釋。
有利的是，把芯玻璃層設置成連接到預成型坯件的芯玻璃上。在這裡，預成型坯件的傳輸光的區域中相當大的一部分由基底管提供，而芯玻璃層可以形成均勻地摻雜的中心芯玻璃區域的一部分，或者形成複雜折射率分布的一部分。在任何一種情況下，芯玻璃層和與它相連接的芯玻璃的折射率可以是相同的或者是不同的。
已經表明如果基底管包括由摻雜氟的石英玻璃製成的玻璃包層特別有用。這樣的基底管特別適用於生產補償色散的單模光纖(所謂的DC光纖)。這種光纖的折射率分布一般包括一個折射率低的區域和一個折射率高的區域。與已知的過程相比，採用按照本發明的過程製作這樣的光纖特別有效和簡單，而通過基底管可以使兩個區域完全地或者至少部分地可供使用。
有利的是，芯玻璃層包含鍺。鍺提高石英玻璃的折射率，而它在石英玻璃中以氧化鍺GeO2的形式存在。由於它的傳輸性能，氧化鍺特別適用於紅外光譜的光波傳輸。
已經證明折射率在由1.4593到1.490的範圍內是有利的。這種基底管使得可以特別經濟和有效地製作出在1550nm左右的傳輸波長有寬模式場帶的光纖。芯玻璃層意味著基底管的徑向部分，該部分的折射率在上面給出的範圍以內，而不管折射率在芯玻璃層的整個厚度上是相同的，還是有不同的分布。
如果芯玻璃層的氫氧根離子的含量最大為按重量計1ppm是有利的，特別是採用按照本發明的基底管制作出的光纖在紅外波長區域的損失很小。因為氫氧根在紅外波長區域有吸收效應，所以，氫氧根OH的含量低在重視這一波長區域有低損失的光纖中特別重要。例如對於在1310nm左右或者1550nm左右的傳輸波長，或者在它們之間的波長範圍，這是真實的，如在光學數據傳輸技術中所使用的那樣。
按照本發明的基底管的一個證明特別好的實施例是與芯玻璃層連接起來提供一個擴散阻擋層。該擴散阻擋層使製作階梯形的折射率分布變得容易，它在於，在包含摻雜物的環境中對多孔的SiO2坯料進行後處理的過程中，它阻止進入各部分的摻雜物越過該擴散阻擋層的不希望的擴散。也可以有幾個擴散阻擋層。通過例如在沉積過程中壓縮SiO2坯料的某些區域很容易形成擴散阻擋層。
下面將通過示例性的實施例和附圖更詳細地解釋本發明。特別是，這些圖示意性地示出圖1a是由按照本發明生產出的預成型坯件獲得的單模光纖的第一折射率分布；圖1b是按照本發明的基底管，用於生產具有按照圖1a的折射率分布的光纖；圖2a是由按照本發明生產出的預成型坯件獲得的單模光纖的第二折射率分布；圖2b是按照本發明的基底管的另一實施例，用於生產具有按照圖2a的折射率分布的光纖；圖3a是由按照本發明生產出的預成型坯件獲得的單模光纖的第三折射率分布；以及圖3b是按照本發明的基底管的又一實施例，用於生產具有按照圖3a的折射率分布的光纖。
具體實施例方式
下面在圖1a、2a和3a的基礎上更詳細地描述的折射率分布中，在每種情況下的y軸表示相對摺射率差Δ＝(n1-n2)/n2(以折射率％表示)，其中n1是指在光纖的對應的光傳輸區域中的絕對摺射率。參考點n2與在每個光纖的外套筒區域中的折射率對應，並且在後面的示例性實施例中它的值總是在589.3nm波長下為1.4589。在x軸上光纖的半徑以微米表示。
按照圖1a的折射率對於被稱為LEAF光纖(大有效面積光纖)是典型的。在專利文件EP-A2775924中描述了這樣的光纖。與移動色散光纖相比，其折射率分布使得有擴大的模式場直徑，並因此在光纖中有較低的平均能量密度。為了降低非線性效應比如所謂的自相位調製(SPM)，這是希望的。進而，折射率的分布使得色散的增加較小。
折射率分布被分成總共五個芯部段。在直徑為4.5微米(半徑2.25微米)的內芯部段A，相對摺射率差為Δ＝0.6。在外面與之鄰接的芯部段B，它的層厚為2.25微米，相對摺射率差為Δ＝0(在那裡n1＝n2)。接著芯部段B的是芯部段C，它的厚度為1.875微米，相對摺射率差為Δ＝0。芯部段D的相對摺射率差為Δ＝0.234，它的厚度為1.125微米。芯部段D進而被芯部段E包封，它的相對摺射率差為Δ＝0，它的厚度為1.18微米。接著芯部段E的是由不摻雜的石英玻璃製成的光纖的外光學區域。
由按照本發明的基底管提供芯部段C、D和E，而通過內部沉積在基底管中產生芯部段A和B。芯部段B與C之間的邊界表面在圖1a中用虛線表示。
在圖1b中示意性地示出了用於有這樣的折射率分布的光纖的基底管。基底管1的外徑為25毫米，總的壁厚為3毫米。基底管1的內層2由不摻雜的石英玻璃製成，其折射率在589.3nm波長為大約1.4589。內層2的厚度為1.21毫米。與它鄰接的是中間層3，該中間層是用GeO2按重量計大約3％摻雜的，這樣在芯部段D中形成上面提到的Δ＝0.234的折射率增加。中間層3的層厚度為0.84毫米。基底管1的外層4的厚度為0.95毫米，它又是由不摻雜的石英玻璃製成。至於涉及到通過使用基底管1得到的光纖的折射率分布，芯部段C與內層2相對應，芯部段D與中間層3相對應，而芯部段E與外層4相對應。
按照OVD過程生產基底管1。按照已知的過程，藉助於SiCl4的火焰水解作用生產SiO2顆粒，並把這些顆粒沉積在旋轉的心軸上的層中。在沉積中間層的過程中把GeCl4添加到SiCl4中，從而獲得摻雜Ge的中間層3。得到多孔的SiO2/GeO2菸灰本體。為了把氫氧根集團清除達到按重量計30ppb以下的水平，這樣生產出的菸灰本體要在升高的溫度下經受氯氣處理。然後在形成中空的圓柱體的情況下將多孔的SiO2菸灰本體玻璃化。用機械的方法使中空圓柱體的表面平滑，隨後用化學方法刻蝕。再把以此方式經過預處理的中空圓柱體拉長到基底管的最後長度。
為了生產用於有在圖1中表示的折射率分布的光纖的預成型坯件，首先藉助於MCVD過程用不摻雜的SiO2層把如在圖1b中所示的基底管1的內壁5塗層到大約1.01毫米的厚度，同時直接進行玻璃化。隨後生產厚度為0.37毫米的摻雜Ge的層，在此過程中，把GeCl4添加到開始的材料中，其方式使得生產出的石英玻璃有按重量計鍺的濃度大約為9％。所形成的折射率為大約9×10-3，這與在圖1a中所示的芯部段A相對應。
隨後使內部塗敷的基底管塌縮。這樣生產出的芯杆的外徑為19毫米。隨後用不摻雜的石英玻璃的外管(套筒)把它覆蓋。這樣生產出的預成型坯件的外徑大約為137毫米。這樣生產的預成型坯件具有約137毫米的外徑。這樣的坯件拉出的光纖有125微米的外徑，且其芯區域的折射率分布如在圖1中所示出的那樣。
按照圖2a的折射率分布示出了在圖1a中示出的光纖設計的一種改型。這種折射率分布也造成了模式場直徑的增加，並且因此使得在光纖中的平均光強度較低。在專利文件EP-A2775924中也描述了這樣的光纖。
按照圖2a的折射率分布有總共四個芯部段。在直徑為7微米(半徑3.5微米)的芯部段A，相對摺射率差Δ由最大值0.9(與超過n2大約13×10-3相對應，其中n2＝1.4589)到0(零)線性地降低。在下一個芯部段B，它的層厚為2.5微米，相對摺射率差為A＝0(在那裡的絕對摺射率＝n2)。第三芯部段C的厚度為1微米，在此芯部段中相對摺射率差被設定為0.1485。在下一個在外面接著的第四芯部段D中，相對摺射率差再一次為0，層的厚度為4.08微米。
由按照本發明的基底管提供芯部段C/D。在這一基底管中通過內部沉積製作出芯部段A和B。在芯部段的外部與內部之間的邊界表面在圖2a中用虛線表示。
在圖2b中示意性地示出了用來生產有按照圖2a的折射率分布的光纖的基底管。基底管21的外徑為25毫米，總的壁厚為3毫米。基底管21的內層22由摻雜Ge的石英玻璃製成。內層22的厚度為0.45毫米，鍺的濃度按重量計大約為2％，這樣在芯部段C中形成如圖2a中所示出的折射率增加。基底管21的外層23的厚度為2.55毫米，又是由不摻雜的石英玻璃構成。在通過採用基底管21獲得的光纖的折射率分布情況下，芯部段C由內層22形成，而芯部段D由外層23形成。
按照OVD過程生產基底管21。按照已知的過程，藉助於SiCl4的火焰水解作用生產SiO2顆粒，並把這些顆粒沉積在旋轉的心軸上的層中。在沉積內層22的過程中把GeCl4添加到SiCl4中，從而獲得摻雜Ge的內層22。在已經沉積出摻雜Ge的菸灰材料層之後，該層的厚度與內層22相對應，停止供應GeCl4，並繼續形成不摻雜的材料。這樣，得到多孔的SiO2本體。在除去該載體之後，為了把氫氧根集團清除達到按重量計30ppb以下的水平，這樣生產出的菸灰本體要在升高的溫度下經受氯氣處理。然後將多孔的脫水SiO2菸灰本體在形成基底管21的情況下玻璃化。隨後用機械方法使基底管21的內表面和外表面平滑，並用化學方法刻蝕。
為了生產出用於有在圖2a中表示的折射率分布的光纖的預成型坯件，首先藉助於MCVD過程用不摻雜的SiO2層把如在圖2b中所示的基底管21的內壁24塗層到大約0.88毫米的厚度，同時直接進行玻璃化。隨後生產厚度為0.48毫米的摻雜Ge的層，在此過程中，把GeCl4添加到開始的材料中。在摻雜Ge的層內的GeO2的相應的濃度梯度產生在芯部段A中的折射率曲線(圖2a)。
隨後使從內部塗層的基底管21塌縮。這樣生產出的芯杆的外徑為19毫米。隨後用不摻雜的石英玻璃的外管把它覆蓋。這樣生產出的預成型坯件的外徑大約為103毫米。由這樣的坯件拉出的光纖有125微米的外徑，其芯區域的折射率分布如在圖2a中所示出的那樣。
在圖3a中示出的折射率分布對於被稱為DC光纖是典型的。在專利文件EP-A2598554中描述了這樣的光纖。這種DC光纖的突出特點在於在1550nm的傳輸波長下有強的負色散。使用它是為了補償標準的單模光纖在1550nm的正色散，這種正色散在文獻中被認為大約為17ps/(nm·km)。這樣，在1550nm的傳輸波長下即使使用標準的單模光纖也可以獲得高的傳輸速率。
折射率分布被分成總共四個芯部段。在直徑大約為3.8微米(半徑1.9微米)的芯部段A，相對摺射率差Δ由Δ＝1.9的最大值到0按照拋物線方式降低。在向外的方向上接著設置的芯部段B，它的層厚為3.8微米，相對摺射率差為Δ＝-0.4。接著芯部段B的是芯部段C，它的厚度為1.9微米，相對摺射率差為Δ＝0.4。芯部段D的相對摺射率差Δ再一次為0，此部段的層厚度為1.49微米。接著芯部段D的是由不摻雜的石英玻璃構成的光纖的外光學包層區域。
由按照本發明的基底管提供芯部段B、C和D。芯部段A與B之間的邊界區域在圖3a中用虛線表示。
在圖3b中示意性地示出了用來生產有按照圖3a的折射率分布的光纖的基底管。下面將是對基底管和它的生產方法的更詳細的描述。
基底管31的外徑為25毫米，總的壁厚為3毫米。基底管31的內層32由摻雜氟的石英玻璃製成，其折射率比純石英玻璃的折射率低5.8×10-3。在芯部段B中氟的濃度按重量計大約為2％，層厚為1.19毫米。接著它的是中間層33，該中間層是用GeO2按重量計大約10％摻雜的，且也用氟按重量計2％摻雜，這樣在芯部段C中形成上面提到的0.4％的通常折射率的增加。中間層33的厚度為0.95毫米。基底管31的外層34的厚度為0.86毫米，它也是由摻雜氟和鍺的混合物的石英玻璃製成，氟的濃度按重量計為2％，而GeO2的濃度按重量計為5％。GeO2的使折射率升高的效應和氟使折射率降低的效應在這些摻雜物的上面給出的濃度下造成相對於不摻雜的石英玻璃的折射率的改變為0。在通過使用基底管31得到的光纖的折射率分布的情況下，芯部段B與內層32相對應，芯部段C與中間層33相對應，而芯部段D與外層34相對應。
按照OVD過程生產基底管21。按照已知的過程，藉助於SiCl4的火焰水解作用生產SiO2顆粒，並把這些顆粒沉積在旋轉銷柱上的層中。在沉積中間層33和外層34的過程中添加GeCl4。
隨後把多孔的SiO2菸灰本體在含氟的環境中加熱到大約800攝氏度，並且橫截著它的整個壁厚度用氟均勻地摻雜。同時降低氫氧根集團的含量。
然後將多孔的SiO2菸灰本體在形成中空的圓柱體的情況下玻璃化。用機械的方法使中空圓柱體的表面平滑，隨後用化學方法刻蝕。隨後把這樣處理過的中空圓柱體拉長到基底管的最終尺寸。
下面將更詳細地描述用於生產有按照圖3a的折射率分布的光纖的基底管的第二實施例和它的生產過程。
基底管的外徑為25毫米，總的壁厚為3毫米。基底管的內層由摻雜氟的石英玻璃製成，其折射率比純石英玻璃的折射率低5.8×10-3。在芯部段B中氟的濃度按重量計大約為1％。層厚為1.19毫米。接著它的中間層用GeO2按重量計大約5.4％摻雜，這樣在芯部段C中形成按照圖3a所示的Δ＝0.4的通常折射率的增加。中間層的厚度為0.95毫米。基底管的外層的厚度為0.86毫米，它由不摻雜的石英玻璃製成。在通過使用這種基底管得到的光纖的折射率分布的情況下，芯部段B與內層相對應，芯部段C與中間層相對應，而芯部段D與外層相對應。
下面將描述按照本發明的基底管的這一實施例的生產過程。按照OVD過程生產此基底管。為此，按照已知的過程藉助於SiCl4的火焰水解作用生產SiO2顆粒，並採用沉積燃燒器把這些顆粒沉積在旋轉的心軸上的層中。在沉積過程中正在形成的菸灰本體的表面溫度大約為1400攝氏度。為了產生內層，使用SiC14，並且在沉積中間層的過程中把GeCl4加到它之中。在產生外層的過程中再一次停止GeCl4的供應。這樣得到的多孔的SiO2菸灰本體有摻雜鍺的中間層。此過程的突出特點在於緊接在中間層的沉積之前產生一個厚度大約為0.5毫米的一個擴散阻擋層。在此擴散阻擋層中SiO2菸灰本體有較高的密度。獲得這樣的結果是由於在沉積形成擴散阻擋層的菸灰層的過程中，正在形成的SiO2菸灰本體維持了較高的表面溫度。為此，要適當地增加對沉積燃燒器的燃氣供應。
為了生產內部摻雜氟的層，把多孔的SiO2菸灰本體加熱，並且通過內部開孔送入含氟的氣體。擴散阻擋層阻止含氟的氣體擴散進入摻雜鍺的中間層。這樣，只有內層用氟摻雜，而中間層或者外層不用摻雜。由含氟的氣體處理同時將在內層中OH的濃度降低到低於50ppb的水平。
然後將多孔的SiO2菸灰本體在形成基底管的情況下玻璃化，。用機械方法使基底管的表面平滑，隨後用化學方法刻蝕。
為了生產用於有在圖3a中示出的折射率分布的光纖的預成型坯件，通過在基底管中的內部MCVD沉積產生形成芯部段A(圖3a)的芯玻璃。這將在下面藉助於圖3b更詳細地描述。
藉助於MCVD過程把摻雜GeO2的SiO2層沉積在按照圖3b的基底管31的內表面35上，並且直接進行玻璃化。在沉積過程中，持續地增加GeCl4的添加，使得建立一種GeO2的濃度分布，該分布與在圖3a中所示出的在芯A中的折射率的拋物線分布相對應。這樣產生的摻雜Ge的層的厚度為0.16毫米。層中的鍺濃度最大為按重量計大約30％，這樣將形成大約30×10-3的折射率增加，如在圖3a中所示出的那樣。
隨後使這樣產生的基底管塌縮。這樣生產出的芯杆的外徑為16.6毫米。隨後用不摻雜的石英玻璃的外管把它包封。這樣製作出的預成型坯件的外徑大約為114毫米。由這樣的坯件拉出的光纖有125微米的外徑，其折射率分布如在圖3a中所示出的那樣。
權利要求
1.一種生產用於光學數據通信技術的預成型坯件的過程，這一過程是通過提供一種石英玻璃基底管，所述基底管在徑向方向的區域中有不同的摻雜物，引入一個合成石英玻璃製成的芯，以及用一個套筒管把基底管套起來，其特徵在於，使用一種基底管，通過管狀的多孔SiO2坯料的玻璃化形成所述基底管，其中所述基底管設有芯玻璃層，通過在玻璃化之前把第一摻雜物添加到SiO2坯料的第一徑向部分產生所述芯玻璃層，所述第一摻雜物可以提高石英玻璃的折射率。
2.按照權利要求1所述的過程，其特徵在於，在一個載體上通過矽化合物的火焰水解作用和SiO2顆粒的沉積形成所述多孔的SiO2坯料，其中，在沉積的過程中添加第一摻雜物。
3.按照權利要求1或2所述的過程，其特徵在於，通過內部沉積把芯玻璃引入基底管中。
4.按照上述權利要求中任一項所述的過程，其特徵在於，在沉積之後和在玻璃化之前，用改變石英玻璃的折射率的第二摻雜物對多孔的SiO2坯料的至少第二徑向區域進行摻雜。
5.按照權利要求4所述的過程，其特徵在於，為了對第二徑向區域進行摻雜，將SiO2坯料加熱，並且同時把所述SiO2坯料暴露在包含第二摻雜物的環境中。
6.按照權利要求3或4所述的過程，其特徵在於，氟被用作所述第二摻雜物。
7.按照上述權利要求中任一項所述的過程，其特徵在於，一種包含鍺的化合物被用作所述第一摻雜物。
8.按照上述權利要求中任一項所述的過程，其特徵在於，芯玻璃層被調節成折射率在由1.459到1.490的範圍內。
9.一種由石英玻璃製成的基底管，用來生產用於光學數據通信技術的光纖的預成型坯件，而所述預成型坯件有被一個套筒玻璃圍繞的芯玻璃，套筒玻璃的至少一部分以基底管的形式提供，所述基底管在徑向方向上有不同的摻雜物，其特徵在於，所述基底管有一個芯玻璃層，所述層的折射率至少為1.459。
10.按照權利要求9所述的基底管，其特徵在於，所述芯玻璃層設置成鄰接預成型坯件的芯玻璃。
11.按照權利要求9或10所述的基底管，其特徵在於，所述基底管包括一個由摻雜氟的石英玻璃製成的包層。
12.按照上述權利要求9到11中任一項所述的基底管，其特徵在於，所述芯玻璃層包含鍺。
13.按照上述權利要求9到12中任一項所述的基底管，其特徵在於，所述芯玻璃層還包含氟。
14.按照上述權利要求9到13中任一項所述的基底管，其特徵在於，所述芯玻璃層的折射率在由1.4593到1.490的範圍內。
15.按照上述權利要求9到14中任一項所述的基底管，其特徵在於，在所述芯玻璃層中氫氧根離子的含量最大為按重量計1ppm。
16.按照上述權利要求9到15中任一項所述的基底管，其特徵在於，鄰近所述芯玻璃層設置擴散阻擋層。
17.一種對於生產用於光纖的預成型坯件有用的過程，所述過程包括如下步驟形成一個管狀的多孔SiO2坯料，其在徑向的厚度上有第一層和第二層；所述第一層在其中有第一數量的第一種摻雜物，所述第一種摻雜物提高用它摻雜的石英玻璃的折射率；第二層或者基本上沒有所述第一種摻雜物，或者包含與所述第一數量不同的第二數量的所述第一種摻雜物，將所述坯料玻璃化，以形成石英玻璃基底管，使得所述基底管有一個芯玻璃層和另一個玻璃層，所述玻璃層之一包含所述第一種摻雜物，所述玻璃層中的另一層基本上沒有所述第一種摻雜物，或者包含不同濃度的所述第一種摻雜物。
18.按照權利要求17所述的過程，其特徵在於，其還包括把基底管用一個石英玻璃的套筒管套起來。
19.按照權利要求17所述的過程，其特徵在於，在一個載體上通過矽化合物的火焰水解作用和SiO2顆粒的沉積形成多孔的SiO2坯料。
20.按照權利要求19所述的過程，其特徵在於，在顆粒沉積的過程中添加所述第一種摻雜物。
21.按照權利要求17所述的過程，其特徵在於，所述第一層形成在所述基底管中在徑向上面朝裡的表面。
22.按照權利要求17所述的過程，其特徵在於，其還包括在進行玻璃化之前在包含氯或氟的環境中在大約1300攝氏度或較低的溫度下使SiO2坯料脫水。
23.按照權利要求17所述的過程，其特徵在於，其還包括通過內部沉積把芯玻璃層引入所述基底管中。
24.按照權利要求17所述的過程，其特徵在於，在沉積之後和在玻璃化之前，用改變石英玻璃的折射率的第二種摻雜物對多孔的SiO2坯料的第二層進行摻雜。
25.按照權利要求24所述的過程，其特徵在於，通過同時加熱SiO2坯料並把SiO2坯料暴露在包含第二種摻雜物的環境中，對第二層進行摻雜。
26.按照權利要求24所述的過程，其特徵在於，所述第二種摻雜物是氟。
27.按照權利要求25所述的過程，其特徵在於，所述第二種摻雜物是氟。
28.按照權利要求17所述的過程，其特徵在於，所述第一種摻雜物包含鍺。
29.按照權利要求20所述的過程，其特徵在於，所述第一種摻雜物包含鍺。
30.按照權利要求17所述的過程，其特徵在於，所述芯玻璃層的折射率至少大約為1.459。
31.按照權利要求17所述的過程，其特徵在於，所述芯玻璃層的折射率在由1.4593到1.490的範圍內。
32.一種用於生產光纖的光纖預成型坯件，所述預成型坯件包括一個玻璃芯；以及一個包圍著所述玻璃芯的玻璃包層；所述包層包括一個基底管，其有一個在徑向上的內玻璃層和一個在徑向上的外玻璃層；所述玻璃層之一在其中有第一種濃度的一種摻雜物，玻璃層中的另一個或者有與第一濃度不同的第二濃度的所述摻雜物，或者基本上沒有所述摻雜物；內玻璃層的折射率至少為大約1.459。
33.按照權利要求32所述的預成型坯件，其特徵在於，所述玻璃芯鄰近所述基底管的所述內玻璃層。
34.按照權利要求32所述的預成型坯件，其特徵在於，所述基底管包括一個由摻雜氟的石英玻璃製成的套筒玻璃層。
35.按照權利要求32所述的預成型坯件，其特徵在於，所述摻雜物包含鍺。
36.按照權利要求35所述的預成型坯件，其特徵在於，所述內玻璃層還包含氟。
37.按照權利要求32所述的預成型坯件，其特徵在於，所述內玻璃層的折射率的範圍為由1.4593到1.490。
38.按照權利要求32所述的預成型坯件，其特徵在於，所述內玻璃層的氫氧根離子的含量按重量計不大於1ppm。
39.按照權利要求32所述的預成型坯件，其特徵在於，所述基底管還包括一個鄰近所述內玻璃層的擴散阻擋層。
全文摘要
在已知的用來生產用於光學數據傳輸技術的光纖的預成型坯件的過程的基礎上，通過提供石英玻璃基底管提高用來產生複雜折射率分布的過程的生產率，該基底管在徑向的方向上實現不同的摻雜，把用合成石英玻璃製成的芯玻璃引入該基底管中，並且用一個套筒管把該基底管套起來。也提供了一種適用的基底管，不管是在內部沉積的過程中還是對於在管中杆技術中的芯玻璃杆，為了生產預成型坯件這種管都只需要較少的芯玻璃材料。在該過程中，使用一種基底管，該基底管由將多孔的管狀SiO
文檔編號C03B37/012GK1454187SQ00819586
公開日2003年11月5日 申請日期2000年3月25日 優先權日2000年3月25日
發明者H·沙佩爾, N·特雷貝爾, O·胡姆巴赫, U·哈肯, D·P·亞布羅諾夫斯基 申請人:赫羅伊斯·坦尼沃有限公司, 菲特爾美國公司