高數值孔徑光纖的製作方法

2023-06-14 22:59:16

專利名稱：高數值孔徑光纖的製作方法
技術領域：
本發明主要涉及高數值孔徑光纖，包括用於短程通信系統的具有高數值孔徑大纖芯的光纖，或者在帶有高功率光源的情況下使用或用在光纖雷射器和光放大器中的雙包層光纖中具有大數值孔徑包層的光纖。
背景技術：
由於光纖容量大、不受電噪聲的影響的特點，它己經成為通信中最受歡迎的介質。光纖也已經在汽車用品中使用，因為光纖能提供高帶寬並且價格相對便宜，能夠使用在汽車光學數據系統中為信息系統、娛樂、發動機管理和安全系統提供光學數據。在這些情況下使用的光纖要求有高數值孔徑和粗纖芯，以便將光有效地耦合進光纖。目前有兩種光纖在汽車用品中
使用。分別是聚合物光纖(POF)和聚合物包層矽(PCS)光纖。正是聚合物的折射率相對較低才造就了大纖芯的數值孔徑。聚合物光纖的主要缺點在於其對於感興趣波段的光有較高的衰減(對630nnKA〈650nm,衰減達0.3dB/m到0.4dB/m)，並且操作溫度範圍較窄(-45°C至[j80°C)。對於諸如在安全傳感系統、發動機管理系統等應用來說，比較適宜採用有較大操作溫度範圍的光纖，而在諸如視頻處理系統等應用中，需要光纖有更好的衰減。與POF光纖相比，PSC光纖能夠在較寬的溫度範圍(-65°C到125。C)內操作並且有相對較低的衰減。然而，在較高的溫度上，光纖的PCS溫度很高，外包層表面的聚合物材料會碳化或者點燃，從而導致設備故障，尤其是在光纖彎曲時。即使是溫度在85。C到125'C之間，聚合物包層老化相對較快，喪失其機械和光學特性，變得十分易碎，因而縮短了設備壽命。還有一點就是這兩種光纖都容易受彎曲損耗的影響。
單包層稀土摻雜光纖在光放大器和光纖雷射器領域廣泛使用。由於很難發明中也稱作光泵浦或泵浦)發出的多模光耦合進稀土摻雜光纖纖芯，這種類型的光纖處理高功率多模光源的能力較差。
為了解決上述問題並且增加光纖雷射器的輸出功率，本領域技術人員採用雙包層結構(本發明稱作雙包層光纖)的光纖。雙包層稀土摻雜光纖是指有纖芯、包裹該纖芯的內包層和包裹該內包層的外包層的光纖。
雙包層光纖已經應用在需要採用能提供10到IOO瓦功率光源的應用中，
因為與單包層光纖相比，雙包層光纖能夠更有效地保持和利用泵浦提供的光能量。這種效率的提高是因為光纖利用了光泵浦功率的內包層一纖芯耦合。更具體地說，稀土摻雜雙包層光纖將來自泵浦的光接收到內包層中，然後沿著光纖的長度通過纖芯一內包層界面將光傳輸到稀土摻雜纖芯中去。這樣，通過將光耦合到稀土摻雜纖芯中去，這種光纖可以將通過內包層傳輸的大部分多模光轉化為在較長波長上的單模輸出。
雙包層光纖的內包層比外包層具有更高的折射率，因此泵浦能量被限制在內包層中並且被重新定向引入纖芯中。由於在纖芯中摻雜稀土，該光纖具有旋光性，當該光纖被強光泵浦源泵浦時能夠被激發到高電場能級。包層泵浦能夠在光纖放大器中使用，或者被用來製造高功率單模光纖泵浦雷射器。
在雙包層雷射器中，光纖的外包層將光泵浦源所提供的泵浦光限制在光纖多模內包層中。光纖纖芯小得多的橫截面區域通常至少摻雜一種稀土元素，比如釹或鐿，以便在單模輸出信號中提供振蕩能力。雙包層結構便於對光纖進行泵浦，使用第一多模包層接收並沿著設備的長度將泵浦能量傳輸到纖芯中去。
泵浦光耦合進雙包層光纖的內包層中去的數量取決於包層的大小和數
值孔徑NA。通常，希望內包層的數值孔徑大，這與內外包層的折射率之差有關。在眾所周知的設計中，第一包層(內包層)是由玻璃材料製成而第二包層(外包層)由折射率較低的塑料(例如氟化聚合物)製成，以便提高內包層數值孔徑NA。對於許多的應用而言，這種塑料並不具有理想的熱穩定性，會從第一包層脫落，容易受到潮氣的破壞。此外，這類雙包層光纖僅僅適合用在相對較低的光源功率(低於20瓦)下持續使用。當利用高功率的光源(高於100瓦)時，這類光纖溫度升高，外包層的聚合物材料方式碳化或者點燃，從而導致設備故障，尤其是在光纖彎曲時。在中等功
率(20瓦到100瓦之間)時，聚合物外包層老化得較快，喪失其機械和光
學特性，變得十分易碎，因而縮短了設備壽命。

發明內容
本發明的一個方面是激活光纖，包括具有第一折射率ni的石英基纖芯；至少一層包裹該纖芯的石英基包層，所述至少一層石英基包層具有第二折
射率ni，使得n戶ni;所述至少一層石英基包層包含能降低折射率的非周期性的含氣空穴，其中空穴中的至少80。/。橫截面的最大尺寸小於2000nm。與該至少一層帶有空穴的石英基包層緊鄰並位於其內的光纖層的數值孔徑至少為0.2，優選至少為0.25，更優選至少為0.3，再優選至少為0.35，最優
選至少為0.4或者更高。較佳地，光纖的橫截面包含至少50個空穴。
較佳地，在這種光纖中有；,/D, >2，更優選的是義^/A >4，其中的4,是測量NA所用的波長，D,是指空穴的直徑。同樣，較佳地，所述空穴中至少80%橫截面最大尺寸低於500nm。
在本發明的一個具體實施方式
中，光纖為激活光纖，包括(i)具有第一折射率n,的石英基稀土摻雜纖芯；(ii)具有第二折射率n2、包裹著該纖芯的
石英基內包層，使得n^Il2; (iii)包裹著該內包層的石英基外包層，該外包
層還包含能降低折射率的含氣空穴，其中空穴的至少80%最大的(橫截面)尺寸小於2000nm。較佳地，內包層數值孔徑在0.2到0.8之間或者更高，例如0.3、 0.4、 0.5、 0.6、 0.7或0.8。
在接下來的詳細說明中陳述本發明的其他特徵和優點，部分的其他特徵和優點容易從該說明中為本領域技術人員所顯見，或者通過實施在此，包括以下的詳細說明、權利要求書和附圖中所描述的本發明來認識。
要理解，上述一般說明和下面的詳細說明給出了本發明的具體實施方式
，都旨在提供理解權利要求書中的本發明的本質和特徵所要求的縱覽和框架。包含附圖是為了進一步提供對本發明的理解，其構成說明書中的一組成部分。附圖描述了本發明的各種具體實施方式
，與說明書結合起來可以解釋本發明的原理和運作。
附圖概述


圖1A是本發明一個具體實施方式
的橫截面示意圖；圖1B是對應於圖1A中光纖的折射率分布示意圖；圖1C是本發明另一具體實施方式
的橫截面示意圖1D和圖1E是本發明兩個具體實施方式
的縱向截面示意圖；圖2A-2C是本發明光纖的其他具體實施方式
的橫截面示意圖；圖3是根據本發明的一個具體實施方式
的包含充氣空穴的示例光纖和不包含此類空穴的光纖的彎曲性能曲線圖。
較佳實施方式的詳細說明下面詳細參照本發明的當前優選實施方式，其示例如附圖所示。只要可能，在所有附圖中都用相同的附圖標記指代相同的或者相似的部件。有高
數值孔徑層光纖IO的兩個具體實施方式
示意性地示於附圖1A和1C。
附圖1A-1E中的光纖10包括具有第一折射率m的石英基纖芯12;包裹纖芯12的至少一層石英基包層16。所述至少一層石英基包層包含能降低折射率的含氣空穴，其中的空穴有至少80%其橫截面的最大尺寸小於2000nm。較佳地，光纖橫截面包括至少50個空穴。與該至少一層帶有空穴的石英基包層16緊鄰並位於其內的光纖層的數值孔徑優選至少為0.2，更優選至少為0.3，再優選至少為0.35，最優選至少為0.5或者更高。通過定義能被接受並通過光纖傳播的光對於光纖軸的最大角度，光纖的數值孔徑NA確定了其"光線收集能力"。數值孔徑NA二sir^，其中^是例如耦合進纖芯或者內包層(參見圖1D和1E)的光線的入射角的1/2。對於處於折射率為I!2的另一均質材料層內部、折射率為iM的勻質材料層(即無空穴的固體玻璃)，在而言，數值孔徑NA可以用(nf-nP"2來計算。然而對於處於包含空穴的層內部的均質材料層而言，這個簡單的公式並不適用。相反，該光纖層的數值孔徑可以通過測量該光纖層的最大光線接收角26，或者耦
合出該光纖的最大擴散角20。測得的NA是接收角或者擴散角26 (參見圖1D和IE)的一半的正弦值，在這個角度內包含了能被光纖層(纖芯或者內包層)捕獲的光線能量中的90%。較佳地，目標波長(即，信號、泵浦波長、或者測量NA所用的波長)對空穴平均直徑之比至少為2，更優選至少為3，再優選至少為4，在某些實施方式中至少為5，在有些實施方式中大約為10(即，4,/D,>2，其中A^是測量NA所用的波長，A是指空穴的平均直徑)。
在圖1A的光纖中，高數值孔徑層是內包層14，其與外包層16相鄰並被外包層16包裹。圖1B對應於圖1A的光纖，示意性地示出了其折射率分布。該圖顯示，包層16折射率的相對百分比在n產-28y。(在本例中為空穴氣體相對於矽的折射率)和空穴周圍玻璃的折射率(本例中為矽，折射率!15的折射率相對百分比為0%)之間波動。典型的相對摺射率ri5百分數在-2%到3%之間，這個值是相對於矽而言，並且取決於空穴周圍玻璃中的摻雜劑。也就是說，包層16的折射率有波動，在圖1B的例子中，充氣空穴的寬度和/或充氣空穴之間填充了玻璃的空間&是隨機分布的，以及/或者彼此並不相等。也就是說，空穴是非周期性的。優選空穴間的平均距離小於5000誰,更優選為小於2000nm，再優選小於1000nm，例如為750nm、500nm、 400nm、 300nm、 200nm或100nm。相對摺射率n5對應於包層17。在汽車領域應用中的示例性光纖(如圖1C所示)中，高數值孔徑層是纖芯層12，該層與包含空穴的外包層16相鄰且被該外包層包裹。較佳地，在這兩種光纖中，至少80%的空穴，更優選至少90%的空穴其橫截面最大尺寸"小於500nm。更優選的是空穴的平均直徑小於500nm ，小於300nm更好。空穴16A是封閉的(被矽材料環繞)並且是非周期性的。也就是說，空穴16A可以有相同的大小或者大小各異。空穴之間的距離可以是均勻的(即相同的)或者是有差異的。
對於汽車領域應用而言，優選纖芯直徑在50pm到400jam之間。典型的示例性汽車用的包層有空穴的光纖在1550nm波長上的衰減低於20dB/km，優選低於10dB/km，更優選低於5dB/km。較佳的是，當將光纖繞在直徑10mm的軸(對於芯徑為125微米的光纖而言)上時，光纖的彎曲損耗為ldB/圈。對於高功率雷射器和放大器應用，光纖芯徑更小(5nm到50pm)並且摻雜一種或更多種激活(稀土)摻雜劑。
更具體地，圖1A所示的光纖IO包括具有第一折射率m的石英基稀土摻雜纖芯12;包裹纖芯且具有第二折射率Il2的第一包層14(這裡也稱作內包層)，使得n^ii2;包裹著內包層的石英基外包層，其具有第三折射率nR， nR二是波動的、且包括折射率為ri5 (玻璃)和113 (氣體)的區域。這些折射率示意性地用圖1B表示。
對於在雷射器或放大器應用中的光纖，纖芯12、內包層14和外包層16都是由玻璃製成的。例如，在圖1A和1B所示的具體實施方式
中，石英基纖芯12摻雜了Yb，但也可以使用其它的稀土材料，比Er。纖芯12還可包括至少一種提升折射率的摻雜劑。在本激活光纖實施方式中，優選的纖芯相對摺射率(相對於氧化矽)變化是0.1%-0.5%，優選的纖芯軸寬或半徑是4pm到25pm。在本具體實施方式
中，內包層14數值孔徑大於0.2。較佳地，內包層14數值孔徑大於0.2，優選在0.25到0.9之間，例如等於或者大於0.3、 0.33、 0.35、 0.38、 0.4、 0.45、 0.48、 0.5、 0.55、 0.6、 0.65、 0.7、 0.75、0.8或0.85。外包層16包含能降低折射率的含氣(也稱作氣泡、充氣空穴、氣孔或氣線)的空穴。其中的氣體可包含Ar或N2或02或C02、或其混合物，例如可以是空氣。最優選的氣體為氬氣或者氦氣。優選的是，空穴16A的最大橫截面尺寸D,小於2000prn。(這裡所稱的橫截面是與光纖軸向垂直的橫截面)。較佳地，為了儘可能地減小泵浦光散射、提高泵浦效率，外包層16有含氣空穴16A，其最大(橫截面)尺寸D,小於泵浦波長，例如小於1480nm或980nm，更優選小於750nm，再優選小於500nm，在部分具體實施方式
中更優選小於200nm，在部分實施方式中更優選小於100nm，在實施方式中最優選小於50nm。由於更多的泵浦光進入了纖芯12，其結果是能夠提高雷射振蕩或放大效率。如果需要，還可以使用額外的光學玻璃包層17。外包層16和光學玻璃包層17外包裹保護塗層18。外塗層18可以是例如有機塗層，諸如聚醯亞胺或者紫外固化的丙烯酸酯或聚氨酯丙烯酸酯。如上所述，石英基纖芯12可以摻雜Yb，但也可以使用其它諸如Er的稀土材料掾雜。摻雜Yb的纖芯光激射作用範圍在1.03到1.11微米範圍內。纖芯12還可包括至少一種提升折射率的摻雜劑。
較佳地，在雷射器光纖應用中，內包層直徑"w至少為卯Mm，更優選至少為125pm。如果內包層不具有環形的橫截面，則Z^定義為從內包層橫截面的一邊到相對的另一邊的最小距離。優選的是內包層直徑Z^是90pm到2000pm，更優選是在lOOpm到1700pm之間，再優選是在100|iun到1500(im。甚至更優選的Z^是在100nm到350pm之間，例如是125(im、150^n或者200)am。優選的是內包層的橫截面面積是纖芯12的橫截面面積的至少200倍。更優選的則是內包層14的橫截面面積是纖芯12的橫截面面積的100倍到3000倍。例如，內包層14的橫截面面積可以是纖芯12的橫截面面積的300、 500、 700、 1000、 1200、 1500、 1600、 2000或2500倍。厚的內包層14，外包層16的含氣空穴16A，以及光纖的全玻璃結構共同作用使得光纖能夠耦合高能量的光源、並且在不損壞光纖的情況下將高功率耦合進入纖芯。因此，這樣的光纖特別適合高功率光源應用。
較佳的是本具體實施方式
中石英基外包層16相對較薄，優選其厚度等於或者小於100pm，更優選小於80nm，再優選甚至小於50pm。例如，外包層16的示例性厚度是等於或者大於10|am、 15nm、20|^m、30|_mi、40|im、50jam、 60Mm、 70pm、 80pm 、 90)am 、 95pm、或99jam 。優選的外包層16的壁厚在10pm到50pm之間，更優選在10 nm到30pm之間。優選的外包層直徑(D。w)在約120nm到2100lam之間，更優選為約125pm到1600^un之間，再優選在約130pm到500pm之間。還應指出，外包層可能不是圓形的。如果外包層不是圓形的，0。 .定義為從外包層橫截面的一邊到相對的另一邊的最小距離.
根據一個具體實施方式
，按照重量百分數，激活纖芯12包括稀土元素 0.1至l」2.5重量％;P 0至lj 5重量％;
Al 0.5至U 15重量％;Ge 0到15重量％; F 0至lj 1重量％.
纖芯12中的稀土摻雜劑提供了激活離子，以便能夠產生增益或者雷射 振蕩作用。示例性稀土摻雜劑是Yb、 Er、 Nd、 Tm、 Sm和Tb。優選的纖 芯12中稀土摻雜劑的用量是0.5重量％到1.5重量％之間。還可以在纖芯 原料中添加磷以便降低纖芯玻璃的軟化溫度，這對於用內氣相沉積工藝(後 文將描述)生產的纖芯是有利的。還可以用磷來提高折射率。然而，優選 使用少於10%的磷，因為過多的磷(10%或者更多)會產生受激拉曼散射 等非線性效應，這會抑制雷射振蕩作用。可以在纖芯中添加鋁作為解團簇 劑(例如，作為Yb的解團簇劑，優選的Al與Yb之比為5: 1到10: 1)。 纖芯12還可包括提高折射率的摻雜劑鍺元素，和/或作為降低折射率同時作 為解團簇劑的氟元素。
優選激活光纖內包層14包含5重量％到20重量％的Ge以便提供高 NA(數值孔徑)，但是，如果含氣空穴16A充分降低了外包層16的折射率， 則內包層14也可以是無摻雜(純)氧化矽。
選擇外包層16中氣泡16A的數量，以使內包層的NA在0.2到0.8之間 (例如，至少為0.3、 0.35、 0.4、 0.45、 0.5或者更高)。外包層也可以摻雜 降低折射率的摻雜劑，例如，氟或者硼(F,B)，或者兩者兼用，以有助於 在外包層16中建立所需的低折射率，因而相應地提高內包層14的NA。 製造外包層中含有氣體空穴的光纖的一種方法包括用化學氣相沉積法 (CVD)獲得包含玻璃微珠(soot)的光纖預製棒。更具體地，可以在固化 了的包含纖芯和內包層的光纖棒上沉積一個對應於外包層16的玻璃微珠 層，因而形成最終的包含玻璃微珠的預製棒。最終的預製棒在包圍著預製 棒的氣體環境中進行固化，固化的條件是在固化步驟中可以有效地將一部 分的氣體捕獲在預製棒中。固化步驟的結果是在固化後的預製棒的外包層 中形成非周期性分布的孔或空穴，每個孔都相應於一個包括至少一個含氣 空穴的區域。然後，再使用這種固化的、在第二層(外層)帶有空穴16A (含氣空穴)的預製棒製造光纖。在固化步驟中形成在光纖預製棒外層之 中的含氣空穴，至少有一部分保留在了拉伸光纖的第二包層16中。通過設計含空穴的區域對應於光纖外包層，所得到的這些光纖呈現出具有第一折 射率的第一包層和具有顯著低於第一包層折射率的第二折射率的第二包
層，而第二包層的折射率較低至少部分是因為在第二 (外)包層中存在含 氣空穴16A。
如上所述，預製棒的玻璃微珠區域是包圍著預製棒的氣體環境中，在能 夠在固化步驟中有效地將一部分環境氣體捕獲在預製棒中的條件下被固化
的。這可以通過控制捕獲在預製棒中的氣體(包括Ar或N2或02或C02、 或其混合物)的量和壓力、玻璃微珠厚度、燒結速率、和/或固化溫度來實 現；結果是得到具有封閉孔隙的包含空穴的燒結預製棒。該包含空穴的預 制棒可以直接用作光纖預製棒，或者任選地再次拉伸，進一步用含Si02的 玻璃微珠包覆(overcladded)，然後置於固化爐中燒結成最終的光纖預製 棒。捕獲空穴的固化步驟的結果是在固化預製棒的一個層中形成非周期性 分布的孔或空穴，每一個孔都對應於一個包括至少一個含氣空穴的區域。 在其第二 (外)層中有空穴(含氣的孔)的固化預製棒，隨後通過在可以 改變光纖拉伸速率和溫度的光纖拉伸熔爐中拉伸此包含空穴的固化預製 棒，被用來製造光纖。製造含氣空穴16A的示例性燒結和固化步驟在下列 兩個美國專利中詳細描述，其中一件於2006年IO月18日提出申請，申請 號為11/583，另一件於2005年11月8日提出申請，申請號為60/734，這 裡通過引用納入本申請。
本發明雙包層光纖10的其他實施方式示意性地示於圖2A-2C，在這裡 參考若干示例性、有代表性的實施方式做一般性描述和圖示，用相同的附 圖標記指代相似的或者功能相近的部件。圖2A-2C所示的光纖橫截面與圖 1A所示的光纖橫截面類似，但是內包層14是非圓環狀的結構。非圓環狀 結構的優點在於這種非圓環狀結構可以提高泵浦光在纖芯12中的吸收。
光纖纖芯12或者是圓形的(圖2A)或者是橢圓形的，如圖2B、 2C所 示。由於橢圓纖芯使得光纖具有保偏特性，首選橢圓纖芯12。優選橢圓纖
芯12的縱橫比為至少1.5: 1，更優選在2: l到5: l之間，因為這些縱橫
比能改善纖芯12的雙折射性，這樣光纖就是保偏光纖。例如，縱橫比(長 軸和短軸之比)為2: 1的橢圓纖芯如圖2C所示。這樣，如果稀土摻雜光纖是橢圓結構，光纖10就是保偏(PM: polarization maintaining)光纖。本
發明中，術語"保偏"是指光纖能在至少50米的長度上提供偏振保持。
為了獲得保偏單模放大/雷射器光纖，纖芯12的縱橫比值至少應為1.5 比l，數值孔徑在0.05 (對於高功率雷射器)到0.2 (對於低功率應用)之 間。纖芯的數值孔徑NA定義為(W-^)"2。如果纖芯12不是圓形的，優 選其縱橫比在3: l到10: l之間。
多包層光纖的石英基內包層1 4可以具有圓環狀外周，如圖1A (優選處 於非同心位置的纖芯)所示，或者具有非圓環狀的外周。上面所定義的內 包層14的(泵浦)數值孔徑NA優選為大於0.2。
總體來說，可以用於光纖雷射器或者放大器的雙包層結構包括兩個包 層。第一 (內)多模包層14作為多模泵浦纖芯。內包層14與纖芯12相鄰， 而第二 (外)包層16包裹第一包層14。纖芯12在纖芯雷射振蕩波長上可 以是多模的也可以是單模的。內包層14作為輸入(泵浦)光的高數值孔徑 NA波導。內包層半徑越大，從光源耦合進內包層的泵浦光就越多。第一多 模內包層橫截面(如圖2A-2C所示，Z^是內包層橫截面較小的維度)可以 設計成所需的形狀，例如與泵浦源的近場外形匹配或者是具有能夠提高從 光源耦合進內包層的(泵浦)光效率的形狀。內包層14的數值孔徑要大到 足以捕獲諸如雷射器二極體等光源的輸出。外包層16中的含氣空穴16A顯 著地提高了內包層14的數值孔徑NA。較佳地，氣體填充區域的比例，亦 即外包層16中氣體填充的比例(也就是空穴的總橫截面面積除以包含空穴 區域的光纖總橫截面面積，再乘以100)在1%到75%之間，更優選為2% 到55%，最優選為6%到50%，通常在6%到20%。氣體填充比例(％)越 高，內包層14的NA就越大。典型的光纖含空穴區域的氣體填充比例在8% 到50%之間，其對應的內包層的NA為0.2到0.8——假如外包層未進行下 降性摻雜。如果外包層還進行了下降性摻雜，例如摻雜硼或氟，則內包層 的NA會更大。
例如， 一個相對較薄(例如，徑向寬度小於40微米，更優選小於30微 米)的環型空穴區域16可以環繞著光纖的內包層14，但是卻並不完全延伸 到光纖的外周。光纖可以摻雜了鍺或氟，也可以沒有同時慘雜鍺或氟來調節纖芯或者光纖包層的折射率，但可以避免這些摻雜劑，而是相反地單獨 使用空穴來調節外包層相對於內包層的折射率，從而使泵浦光被限制在內 包層14中，於是泵浦光就不會洩漏出內包層。採用所揭示的固化技術，可 以得到其橫截面非周期性地分布著含氣空穴的光纖。所謂"非周期性分布" 是指從光纖橫截面來看，含氣空穴隨機地或非周期性地分布在外包層16的 至少一個區域上。沿光纖的長度在不同點所取的橫截面具有不同的空穴橫 截面圖案，也就是說，不同的橫截面具有略有不同的隨機取向的空穴一例
如，不同的孔圖案、分布和大小。這些孔(空穴16A)沿著光纖長度(即
與光纖縱軸平行)伸展(細長)，但是並不延伸到整個光纖的這個長度。 儘管希望不受理論的約束，但是據信空穴或孔延伸不超過數米，在許多情 況下沿光纖長度延伸不足1米。
採用所述的產生孔(空穴)的固化技術，有可能得到包層區域所含總光 纖空穴面積的百分比(即，空穴的總橫截面面積除以光纖的總橫截面面積，
再乘以100)大於0.01%，更優選大於0.05%，更優選大於0.1%，再優選大 於1%。例如，光纖中總空穴面積百分比大於約5%，或者大於約8%甚至 10%。外包層或第二包層中的含氣空穴16A (本發明中也稱作孔或空穴)可 以被用來減小外包層16相對於內包層14的折射率，這樣形成能在光纖內 包層中引導泵浦光的包層區域。通過選擇合適的玻璃微珠固化條件，正如 下面作為例子所描述的，可以實現多種有用的光纖設計結構。例如，通過 選擇包層中的最大空穴尺寸使之小於提供給內包層14的泵浦光波長(例如 小於980讓或者1680nm)，優選小於泵浦光波長的一半，無需使用昂貴的 摻雜劑即可獲得非常高效率的雷射器和/或放大光纖。因此，對於很多應用 來說，優選以這樣的方式來形成孔，使得光纖IO外包層16中的孔中有至 少80%以上(更優選的是大於95%)的或者優選全部的孔的最大孔寬(即 最大橫截面Z)i )小於2000nm，更優選為1480nm或980 nm，更優選小於 500 nm，再優選小於400 nm，在某些實施方式中優選小於300 nm，在某些 實施方式中優選小於200 nm，甚至在某些實施方式中更優選小於100 nm， 在某些實施方式中優選小於50nm。同樣的，優選光纖中孔的平均直徑小於 2000 nm，更優選小於1000 nm，更優選小於500 nm，在某些實施方式中甚至更優選小於350 nm，在某些實施方式中最優選小於200 nm，這裡所說的 平均直徑都可以通過所述的方法實現。使用本發明揭示的方法所製得的光 纖能實現這些平均直徑，其標準偏差小於1000nm，更優選標準偏差在500nm 以內，再優選的標準偏差在200nm以或更小。在某些實施方式中，所揭示 的光纖在對光纖長度上的橫截面所測得的孔數小於5000，在某些實施方式 中孔數小於1000，而在某些實施方式中在光纖垂直橫截面上孔總數小於 500。當然，絕大多數光纖綜合了這些特性。這樣，例如一個最優選的光纖 的具體實施方式
中，在光纖中的孔數小於200，孔的最大直徑小於1500nm， 平均直徑小於750nm，雖然可以使用更大和數目更多的可來實現有效的、 抗彎曲的光纖。孔的數目、平均半徑、最大半徑、包含空穴的光纖部中空 穴面積的百分比、以及孔的總空穴面積百分百都可以藉助於800倍放大率 的掃描電子顯微鏡和圖像分析軟體如美國馬裡蘭州銀春市的Media Cybernetics公司的ImagePro來計算。
如在下面的例4中所述，為了分析空穴16A對纖芯12的數值孔徑NA 的影響，我們比較了沒有含氣空穴的純氧化矽外包層光纖(光纖樣品A) 和具有含氧空穴(光纖空穴總面積百分比6.8%，空穴平均半徑0.45pm， 標準偏差為0.21pm)，的類似光纖(光纖樣品B，參見圖1C和1D)來。 沒有含氧空穴的光纖其纖芯NA為0.262 (在波長1380nm下測得)。有空 穴16A的光纖其纖芯NA為0.344 (在波長1380nm下測得)。如此，當增 加了充氧空穴後，纖芯的數值孔徑NA提高了 31% (從0.262到0.344)。
實施例
通過下面的實施例來進一步澄清本發明。
實施例1
實施例1中的光纖IO示意性地示於圖1A和1B，包括Yb摻雜的纖芯 12、 Ge02-Si02內包層(折射率百分比A^0.46)和摻雜了氟和硼的外包層 16。"折射率百分比A"定義為(n,2-n〗)/2nf,其中i=l、 2或3， ^是純氧化 矽的折射率。纖芯12 (相對於內包層14)相對摺射率差(百分比A)大約為0.56。光纖外包層16摻雜了氟/硼並且包含含氮空穴(孔隙度16%)。 慘雜Yb纖芯12對于波長lpm以上是單模。如果纖芯12摻雜Er，則光纖 在1.55)am的光激射波長是單模的。光纖10的纖芯12的NA相對較低(大 約0.065)，內包層NA較高(在1380nm波長下測得為0.39)。內包層NA 優選高於泵浦源，使泵浦源耦合效率達卯％或者更高。纖芯的NA小(0.065) 就能夠在大纖芯(直徑10.5微米)條件下進行單模作業。如果纖芯的NA 變大(例如0.13)，為了獲得單模方式，纖芯的直徑必須要減小(例如5 微米)。較大的纖芯直徑和較小的纖芯NA，使得纖芯12可以維持在單模 狀態，同時使纖芯能夠從內包層獲得更多的泵浦能量，而且還提高光纖功 率處理能力。在本示例性光纖的具體組成是
纖芯12: 0.6重量％ Yb203; 4.5重量％ A1203; 3.0重量％
Ge02;
內包層14: 8.5重量。/。Ge02;
外包層16: 9重量％的硼和2.7重量％的氟，外包層的孔隙 度(充氮空穴)16%，空穴平均直徑為200nm，標準偏差為100nm。在本實施 例中，諸相對摺射率A 115和113分別約為-1.5%和-28% (相對於純氧化矽)。 光纖IO可以用外氣相沉積法(OVD)來製造。OVD法是製造光纖的一 種方式，具體是從在火焰中與氧氣發生反應的所需氣體成分中通過沉積在 餌棒上形成玻璃微珠粒子，得到光纖玻璃微珠-預製棒。然後，將餌棒去掉， 將玻璃微珠-預製棒在高溫熔爐中固化成實心透明玻璃。在玻璃微珠-預製棒 形成過程中利用針對各個不同層的不同氣體成分實現纖芯/內包層/外包層 的組成。首先生成纖芯/內包層預製棒，然後將其固化，接著是外包層外氣 相沉積過程，然後再次進行固化。正如說明書中所描述，至少利用一個固 化步驟將含氣空穴引入固化的光纖預製棒中去。然後將最終的預製棒用已 知的光纖拉伸法拉伸成雙包層光纖。
實施例2
本實施例中的光纖示意性地示於圖1A和1B，包括在1100pm的雷射 振蕩波長上為多模的Yb摻雜的石英基纖芯12、、純氧化矽內包層14(A%s0)和在包含空穴(氬氣)的區域孔隙度為16%的純氧化矽外包層 16。在本實施例中，諸相對摺射率A 115和113分別約為0%和-28% (相對於 純氧化矽)。內包層14的NA為0.3 (在1380nm波長下測得)。纖芯12 相對於內包層"的折射率差(A%)約為0.7。纖芯12和內包層14的第一 部分是通過內氣相沉積法(IVD)製造。纖芯的Ge02-Si02玻璃微珠沉積在 玻璃管的內部(內包層的第一部分)，然後是纖芯玻璃微珠的溶腋Yb摻雜。 然後將該結構燒結成實心預製棒。接著將該預製棒作為OVD過程的餌棒用 於外包層沉積。正如說明書中所描述，至少利用一個固化步驟將含氣空穴 引入固化的光纖預製棒。
實施例2中光纖的具體組成是
纖芯12: 0.8重量％ Yb203; 9.5重量％ P203; 5.4重量％ Ge02; 內包層14:純氧化矽
外包層16:純氧化矽，其外包層內孔隙度(含氬空穴)為16%， 平均孔徑為300nm，標準偏差為150nm。在本實施例中，諸相對摺射率A 115和113分別是約0%和-28% (相對於純氧化矽)。
實施例3
實施例3的激活光纖(同樣示意性地示於圖1A和1B)包括Yb摻雜 的纖芯12、 NA為0.3 (在1380nm波長下測得)的Ge02摻雜的石英基內 包層14、以及摻雜氟/硼且含有空穴的外包層16。纖芯12 (相對於內包層) 的折射率差(A%)是約0.7。本光纖實施例的具體組成是
纖芯12: 0.8重量％ Yb203; 9.5重量％ P203; 5.4重量％ Ge02; 內包層14: 6重量％ Ge02;
外包層16: 9重量％的硼和2.7重量％的氟，在外包層內的 孔隙度(含氬空穴)為5%，平均孔徑為300nm，標準偏差為150nm。在本實 施例中，諸相對摺射率A !15和113分別是約-1.5%和-28%(相對於純氧化矽)。 充氣空穴16A改善了內包層16的NA，這樣就獲得了高得多的雷射泵浦效 率，而且因為泵浦光被限制在了光纖內，這些空穴能夠防止泵浦光洩漏帶 來的災難性故障，如果發生洩漏，會致使聚合物塗層點燃並引起火災。實施例4
實施例4中的光纖(樣品B)示意性地示於圖1C和1D。對照光纖(樣 品A)與樣品B光纖類似，但是外包層中沒有空穴。下面詳述樣品A和樣 品B光纖及其性能。樣品B製造如下1200克Si02 (密度0.47g/cc)玻璃 微珠被火焰沉積(flame deposited)至長1米、直徑15毫米的Ge02-Si02 遞變折射率(拋物線型，峰值為2MA折射率(相對於氧化矽))實心玻璃 棒上。這個組合件首先在由氦氣和3%的氯氣組成的氣氛中於1000。C乾燥 2小時，然後以32mm/min的速度向下驅動通過溫度設定在1500°C 、處於 100%氧氣氛中的高溫區，然後以25mm/min的速度重新向下驅動(re-down driven)通過處於同樣氣氛中的高溫區，最後在100%的氧氣氛中以6mm/min 的速度燒結，以便將玻璃微珠燒結成有小氧氣泡的包層毛坯。將所得玻璃 毛坯在設定於1000。C的氬氣淨化夾持爐中放置24小時。
然後，在熱區長度為20cm、溫度設定在約2000。C的拉伸熔爐中，以 20m/s的速度將毛坯拉成10km長、直徑125微米的光纖(樣品B光纖)。 對光纖端面以800倍的放大倍數進行SEM圖像分析表明，實心氧化矽-氧 化鍺纖芯直徑為62.5微米，氧化矽包層(相對於氧化矽，115約為0%)直 徑125微米，氧化矽包層包含體積比為約9.0%的氣線(airlines)(氧氣， 相對於氧化矽，n3=-28%)，自纖芯的邊緣開始，分別在整個包層之中直至 逼近光纖的外徑，平均孔徑為0.45微米，最小直徑的氣線(airline)為0.21 微米，最大直徑為1.2微米，標準偏差為150nm，在光纖橫截面上大約包含 3000個孔。光纖總空穴面積百分比(空穴的橫截面總面積除以光纖的橫截 面總面積，再乘以IOO)約為6.8%。在測定多模衰減時，該光纖的光性能 是小於20dB/km，更具體的是3.00 dB/km、 0.74 dB/km和0.45 dB/km，分 別對應于波長850nm、 1310nm和1550nm。當將光纖繞半徑為5mm (直徑 10mm)的心軸繞一周時，其光學彎曲性能數據(圖3)在850nm和1550nm 波長的衰減分別增加了不足0.03 dB和0.01 dB。
對市售的對照光纖也進行了抗彎曲測試，其芯徑(Ge02-Si02遞變折射 率(為拋物線形，(相對於氧化矽)峰值為2。/。A折射率)為62.5微米、實 心氧化矽外包層直徑為125微米、無空穴(樣品A光纖)。該對照光纖(樣表明，當光纖繞半徑為5mm的心軸繞一 周時，在850nm和1550nm波長的衰減分別增加1.13 dB和1.20 dB。這個 結果驗證了包層中包含空穴的光纖具有優異的抗彎曲特性。沒有含氧空穴 的對照光纖(樣品A光纖)，其纖芯NA為0.262 (在約1380nm下測得)。 具有空穴16A的光纖(上述樣品B)其纖芯NA為0.344 (在約1380nm下 測得)。這樣，當增加了充填了空氣的空穴後，纖芯的數值孔徑NA增大 了 31% (從0.262到0.344)。
因此，採用本發明所揭示的光纖設計和製造方法，有可能得到一種光纖， 當其繞直徑為10mm的心軸繞一周時，其在目標波長(例如915nm、 976 nm、 980 nm、 1480 nm禾B 1550 nm)的衰減增加值小於ldB/圈，優選小 於0.5dB/圈，再優選小於0.25dB/圈，最優選小於0.15dB/圈。
實施例4中製造光纖的光學毛坯還被拉伸成直徑為300微米的光纖，其 氧化鍺摻雜氧化矽的纖芯沒有空穴、半徑為75微米。該纖芯被上述含空穴 的氧化矽包層所包裹，這樣得到一種具有大纖芯和高NA的光纖。直徑為 125或300微米的光纖都適用於汽車數據通信應用。
實施例5
實施例5中的光纖IO示意性地示於圖1C和1D，是設計用於汽車數據 通信應用的。該光纖包括一個無空穴的氧化矽纖芯12，纖芯半徑為90微米 並且被包含空穴、徑向厚度為20微米的氧化矽包層16所包裹，該包層包 括16%的含氮氣空穴16A，空穴平均直徑為200nm，標準偏差為150nm， 該包層又被無空穴的徑向厚度為IO微米的氧化矽外包層17所包裹。光纖 總的空穴面積百分比(空穴的橫截面總面積除以光纖的橫截面總面積，再 乘以100)大約為4.4%。纖芯的NA為0.3 (在1380nm波長下測得)。該 光纖適用於汽車數據通信應用。
較佳地，氣體充填區域的比例，即包含空穴的包層中充填了氣體的比例 (也就是空穴的橫截面總面積除以光纖的橫截面總面積，再乘以100)在 1%到75%之間，更優選在2%到55%之間，更優選在6%到50%之間。充填 了氣體的比例(％)越高，纖芯12的NA就越大。本發明人還發現，相對 於目標波長(例如光源波長)而言空穴的尺寸越小，光纖的光學性能越好，高數值孔徑層(在本實施例中為纖芯12)的NA越大，光纖10的彎曲性能
越好。因此，優選義^/^>2，更優選大於3，更優選大於4，甚至更優選大 於5，最優選大於10 (4,是測量NA所用的波長，A是平均空穴直徑)。 在本實施例中，諸相對摺射率A 115和!!3分別約為0%和-28% (相對於純氧 化矽)。
實施例6
實施例6中的光纖IO示意性地示於圖1C和1D，設計用於汽車數據通 信應用。該光纖製造如下500克Si02 (密度0.46g/cc)玻璃微珠(soot) 被火焰沉積至長1米、半徑15微米的純氧化矽纖芯棒上。然後對該組合件 進行燒結，更具體地說，這個組合件在由氦氣和3%氯氣組成的氛圍中於 1000°C乾燥2小時，接著以32mm/min的速度向下驅動通過溫度設定於 1500°C 、處於70%氮氣和30%SiF4 (體積比)氣氛下的高溫區，再以 25mm/min的速度重新向下驅動(re-down driven)通過處於相同氣氛下的高 溫區，最後在100%氮氣中以6mm/min的速度進行燒結，以便將玻璃微珠 燒結成氟摻雜且有氮氣小泡(nitrogen-deeded)的包層毛坯。將該毛坯在設 定於1000°C的氬氣淨化夾持爐中放置24小時。
用與實施例1相似的方法將該毛坯拉伸成直徑135微米的光學。對光 纖端面的200倍和500倍放大率下的光學圖像分析表明，實心氧化矽纖芯 直徑為82微米，摻氟氧化矽(約1.2重量％的氟，相對於純氧化矽，n5=-0.4%) 包層包含大約9.0體積％的氣線(氮氣)，平均孔徑為0.73微米，最小氣 線直徑是0.03微米，最大氣線直徑是2.0微米，標準偏差為0.40微米，在 光纖橫截面內包含大約1200個孔。本實施例中，相對摺射率A 113約為-28% (相對於純氧化矽)。總空穴面積百分比(空穴的橫截面總面積除以光纖 的橫截面總面積，再乘以IOO)大約為5.1%。當測量多模衰減時，該光纖 的光學性能在波長850nm、 1310nm和1550nm分別為小於16.1dB/km、 14.5 dB/km和13.2 dB/km。當將光纖繞半徑為5mm的心軸繞一周時，其光學彎 曲性能數據在850nm和1550nm波長衰減增加值分別是1.85 dB和0.67 dB。 製作了一條無空穴的對照光纖；在包層中採用了 SiF4和He燒結氣氛，得到的是無空穴的光纖。對該對照光纖端面的200倍和500倍放大率下的光學
圖像分析表明，實心氧化矽纖芯直徑為82微米，摻氟氧化矽包層(大約1.2 重量％的氟)無空穴。當將光纖繞半徑為5mm (直徑10mm)的心軸繞一 周時，其光學彎曲性能在850nm和1550nm波長的衰減增加值分別是8.06dB 和9.33dB。這些結果驗證了在包層中含有空穴的光纖抗彎曲性能更好。具 有空穴16A (上述)的光纖內包層NA為0.258 (在約1380nm測得)。無 空穴的對照光纖內包層NA為0.13 (在約1380nm測得)。因此，當增加了 充填空氣的空穴16A時，內包層的數值孔徑NA提高了98% (從0.13到 0.258)。還上述光學毛坯拉伸成直徑300微米的光纖，其無空穴纖芯徑向 距離大約為100微米，並且被含有空穴的氟摻雜氧化矽包層所包裹，如上 所述，從而得到的光纖纖芯大、NA高。直徑125或300微米的光纖都適用 於汽車數據通信應用。
對於本領域技術人員顯而易見，可以對本發明做出各種修改和變動而不 背離本發明的精髓和範圍。因此，本發明目的在於涵蓋本發明的這些修改 和變動，只要它們落在所附權利要求書和其等效方案的範圍之內。
權利要求
1.一種光纖，包括(i)具有第一折射率為n1的石英基纖芯；以及(ii)至少一層包裹所述纖芯的石英基包層，所述至少一層石英基包層具有第二折射率ni，使得n1＞ni；所述至少一層石英基包層包含能降低折射率的、非周期性的、包含氣體的空穴，其中所述空穴中的至少80％具有小於2000nm的橫截面最大尺寸，與所述至少一層石英基包層緊鄰並在其內部的光纖層的數值孔徑至少為0.2。
2. 如權利要求1所述的光纖，其中與所述至少一層石英基包層緊鄰並在 其內部的光纖層的數值孔徑至少為0.5。
3. 如權利要求l所述的光纖，其中與所述至少一層石英基包層緊鄰並在 其內部的光纖層是纖芯，且所述纖芯的直徑在50pm到400pm之間。
4. 如權利要求1所述的光纖，其中與所述至少一層石英基包層緊鄰並在 其內部的光纖層是纖芯，且纖芯的數值孔徑至少是0.4，纖芯的直徑在50pm到400nm之間。
5. 如權利要求l所述的光纖，其中義^/A〉2，其中義^是測量所述NA所用的波長，A是平均空穴直徑。
6. 如權利要求5所述的光纖，其中所述空穴中至少80%具有小於500nm的橫截面最大尺寸。
7. 如權利要求l所述的光纖，其中所述空穴的平均直徑小於500nm。
8. 如權利要求2所述的光纖，其中^JA〉5。
9. 如權利要求l所述的光纖，其特徵在於充填氣體的區域比例至少為 1%。
10. 如權利要求l所述的光纖，其特徵在於充填氣體的區域比例至少為 5%。
11. 如權利要求l所述的光纖，其中所述纖芯直、徑至少為200nm。
12. 如權利要求1所述的光纖，其中當所述光纖繞直徑為10mm的心軸 一周時，其彎曲衰減小於0.25dB/km。
13. 如權利要求l所述的光纖，其中所述光纖在A二850 nm時，其纖芯 衰減小於20 dB/km。
14. 如權利要求1所述的光纖，其中所述氣體包括Ar、 N2、 02、 C02、或它們的混合物。
15. 如權利要求l所述的光纖，其中所述纖芯是稀土摻雜的纖芯；所述 光纖進一步包括包裹纖芯的石英基內包層，所述石英基內包層具有第二折 射率112，使得m〉n2;其中所述至少一層包含能降低折射率的非周期性空穴 的石英基包層是包裹所述第一包層的外包層。
16. 如權利要求15所述的光纖，其中所述內包層直徑至少為125pm。
17. 如權利要求15所述的光纖，其中(i)按重量百分比，所述纖芯包括Yb和/或Er 0.1至U 2.5重量％;P 0至U 5重量％;Al 0至(J 15重量％;Ge 0至ij 15重量％;;和F 0至ij 1重量％;和(ii)所述內包層包括0到20重量％的Ge。
18. 如權利要求15所述的光纖，其中所述纖芯是伸長形的，纖芯的縱橫 比至少為1.5比1，纖芯直徑(沿短軸)為5)im到50pm，所述光纖為保偏(PM)光纖。
19. 如權利要求15所述的光纖，其中所述纖芯是圓形的，纖芯的直徑 為9拜至lJ 30,。
20. 如權利要求15所述的光纖，其中所述內包層直徑為lOO)am到 350拜，外包層直徑為120)am到500|am 。
21. 如權利要求15所述的光纖，其中石英基內包層數值孔徑在0.25到 0.9之間。
22. 如權利要求15所述的光纖，其中包含能降低折射率的非周期性分布 空穴的外包層厚度在lOiam到lOO)im之間。
全文摘要
一種光纖，包括折射率ni的矽基纖芯；至少一層包裹纖芯的矽基包層，所述至少一層矽基包層包含能降低折射率的、非周期性的、包含氣體的空穴，其中至少80％的空穴橫截面最大尺寸小於2000nm，與該至少一層帶有空穴的矽基包層緊鄰並在其內部的光纖層的數值孔徑至少為0.2。
文檔編號G02B6/02GK101627327SQ200780050591
公開日2010年1月13日 申請日期2007年11月8日 優先權日2007年1月31日
發明者D·A·諾蘭, D·C·布克班德, M·-J·李, M·T·穆塔格, P·坦登, 吉 王 申請人:康寧股份有限公司