製造光纖預製件的方法和形成光纖的方法

2023-06-03 17:45:11

專利名稱：製造光纖預製件的方法和形成光纖的方法
技術領域：
本發明涉及一種用於製造光纖的方法、用於製造光纖的預製件以及光纖。
背景技術：
本發明涉及光纖製造方法，所述方法包括以下步驟i)設置中空基管(substrate tube),ii)使摻雜或未摻雜的活性玻璃形成氣體穿過該中空基管的內部，iii)在該中空基管的內部創建用以使得在該中空基管的內部上發生玻璃層沉積的條件，其中，使非等溫等離子體沿著該基管在兩個換向點之間往返移動，該等離子體的移 動速度從各減速點開始向著各換向點一直減小為零，iv)對由此獲得的基管進行徑向收縮處理從而形成實心預製件，以及V)從所述實心預製件拉制出光纖。除此之外，本發明還涉及ー種用於製造光纖的預製件以及光纖。根據本申請人的美國專利7，522，800可獲知這種方法本身。US 2008/0295541涉及ー種用於使用高頻感應熱等離子體來製造光纖預製件的方法。US 5，318，612涉及ー種用於製造光纖預製件的方法，包括以下步驟對棒的內表面和外表面進行熱施釉；在棒的內表面上沉積玻璃塗層，其中，所述玻璃塗層是為了隨後形成光纖纖芯而設置的；以及對棒進行徑向收縮，其中，施釉步驟、沉積步驟和徑向收縮步驟所需的棒的各種溫度是通過改變爐溫所獲得的。使用本發明，通過內部化學氣相沉積技術(CVD)來製造光纖預製件，其中該エ藝涉及將摻雜或未摻雜的活性玻璃形成氣體沉積到中空基管的內部上。將這種活性氣體供給到基管的ー側、即入口側上，從而在特定エ藝條件的影響下在該基管的內部上形成玻璃層。使反應區沿著基管往返移動從而形成玻璃層。該反應區、具體為等離子體發生器供給高頻能量，結果在基管的內部產生等離子體，在這種等離子體條件下，活性玻璃形成氣體將發生反應(等離子體CVD技木)。然而，還可以通過加熱、具體為通過使用燃燒器將能量供給到基管的外側上，或者經由包圍基管的加熱爐將能量供給到該基管的外側上。前述技術的共同特徵是反應區相對於基管往返移動這一事實。根據等離子化學氣相沉積(PCVD)エ藝，使石英基管沿著其柱軸配置在該諧振腔內，並且將包含例如02、SiCl4的原料氣體與例如GeCl4、C2F6的一種或多種摻雜物的混合物供給至該管內；同時在該諧振腔內產生局部等離子體，這使得Si、Ge、0等發生反應，由此通過在基管的內表面上直接進行沉積來形成主要摻雜有Ge/F的SiOx，從而形成纖芯層以及ー個或多個包層。中空的石英玻璃基管由加熱爐包圍。在該內部沉積步驟期間，諧振腔沿著該基管的柱軸移動，以在該基管的整個長度方向上均勻地塗覆玻璃層。當沉積完成時，使該基管徑向收縮成實心纖芯棒，其中，該實心纖芯棒具有摻雜有例如F、Ge的摻雜物的SiO2纖芯層以及未摻雜或摻雜有F-Ge的SiO2包層。例如通過插入套管內或者通過進行OVD外包層來將這種纖芯棒製成光纖預製件，這樣可以將該纖芯棒拉製成用作通信用傳輸介質的光纖。高溫可能會導致不期望的OH基團混入支撐管的外表面中。由於該支撐管構成尚未拉制出的光纖的一部分，因此預期上述混入的OH基團將引發與最終所獲得的玻璃光纖的光學性質有關的問題。當溫度高時，混入到外側上的OH基團在進一歩的エ藝步驟過程中可能向內、即沿著纖芯方向擴散。明顯地，所述OH基團將對光纖的光傳導部產生不利影響。最終，OH基團在1385nm處表現出較寬的吸收峰。結果，在當前所使用的傳輸波長約為1300nm 1500nm的玻璃光纖內發生附加的信號損耗。此外，1385nm處的所述吸收峰限制了光纖在近年來的研發所需的較大波長範圍內的使用。因而，期望使向內擴散的OH基團的影響最小化，由此使標準傳輸波長處的信號損耗最小化，從而使得該光纖從商業角度來看非常合適。根據美國專利5，397，372已知有用於製造基本無OH雜質的預製件的方法。US 2005/0000253涉及ー種用於通過PV⑶技術來製造低水峰的單模光纖的方法， 其中，由此製造出的單模光纖在1383nm處的衰減低於在1310nm處的指定值。該美國專利申請關注於氣體混合物內的雜質的含量、套管的羥基含量以及沉積エ藝期間環境的相對溼度。美國專利7，519，256涉及ー種用於製造光纖預製件的方法，其中，對用於沉積內包層的反應區的速度進行設置，以使得該反應區在用於沉積內包層的供給側的換向點附近的加速度高於該反應區在用於沉積外包層的供給側的換向點附近的加速度。美國專利4，741，747涉及ー種用於製造光纖的方法，其中，通過使等離子體隨著時間的變化而在換向點的區域內非線性地移動以及/或者通過沿著玻璃管的長度方向改變等離子體的密度來減輕所謂的端部漸縮(end taper) 0美國專利4，857，091涉及ー種用於製造光纖的方法，其中，如下的多個參數被認為會對局部沉積區相對於等離子體發生器的軸向位置產生影響，所述參數包括(i)周期性地改變微波功率，(ii)周期性地改變基管內的壓力，以及(iii)周期性地改變在該管內往返移動的諧振器的行程速度。歐洲專利申請O 038 982涉及ー種用於製造光纖的方法，其中，使等離子體發生器沿著基管移動，該等離子體發生器產生熱區，使得該熱區可被看作至少包括區I和區II這兩個區的所謂的「串聯式熱區」。儘管該文獻提及了可以改變沉積速率或沉積組成以防止發生所謂的漸縮端部，但該文獻並未表明這種處理涉及何種具體操作。歐洲專利申請0333580涉及ー種用於製造光纖預製件的裝置，其中，使用了可變功率微波發生器，而沒有使用沿著基管在兩個換向點之間往返移動的非等溫等離子體。根據英國專利公開GB 2 118 165，已知ー種用於製造光纖的方法，其中，沿著基管軸向移動的熱源的速度符合特定的數學方程式，所述熱源沿著該管的速度是所述熱源沿著基管的位置的函數，以使得在該管的整個長度內，玻璃層的總沉積厚度基本恆定。根據本申請人的美國專利5，188，648，已知ー種用於製造光纖的方法，其中，每當等離子體到達基管的氣體入口點附近的換向點吋，該等離子體的移動都被中斷，同時繼續進行玻璃沉積，並且等離子體的移動被中斷的時間段至少為O. I秒。

發明內容
因而，本發明的目的是提供一種用於製造可以拉製成光纖的預製件的方法，其中，該預製件幾乎沒有表現出幾何光學漸縮。本發明的另一方面提供一種可以拉製成光纖的預製件，其中，該預製件在可能的最大長度內表現出恆定的光學性質。本發明的另一方面提供一種可以拉製成光纖的預製件，其中，該光纖在波長1383nm處的衰減降低了。如前序部分所述的本發明的特徵在於在內部沉積エ藝期間，對反應區的速度進行設置，以使得該反應區在沿長度從供給側到排出側內的速度高於該反應區在沿長度從排出側到供給側內的速度。 通過使用這ー特徵來實現上述目的中的ー個或多個目的。因而，本發明人已發現可以通過從氣體側或供給側到排出側或泵浦側與從泵浦側到氣體側使用不同的移動速度(sledgevelocity)來減小ニ氧化娃光纖在波長1385nm處的衰減。反應區優選是等離子體，並且用於產生微波的諧振器能夠在中空的石英玻璃基管的整個長度內移動。瑞利(Rayleigh)散射、吸收和彎曲的組合通常會導致ニ氧化矽光纖的衰減。該吸收通常是由玻璃內的汙染物所引起的，其中水、具體為OH基團通常是ニ氧化矽光纖內最主要的吸收體。使OH基團混入玻璃層導致了在波長1250nm 1385nm附近的光譜內產生峰。本發明人已發現通過使用不同的移動速度可以實現OH衰減的顯著差異。本發明的沉積方法優選採用PVCD型。該PCVD方法使得可以在石英基管內側直接形成玻璃，而其它エ藝使得可以形成粉塵(soot)，其中在另ー步驟中對該材料進行玻璃化。本發明人意識到還可以通過使例如氟的摻雜物混入要沉積的玻璃層內來減輕所謂的OH峰對衰減的不利影響。使氟混入玻璃層的缺陷是導致折射率值下降，而該下降可通過混入例如鍺的其它種類的摻雜物來進行補償。使鍺混入玻璃層將會導致瑞利散射。因此，為了解決玻璃光纖的衰減問題，本發明並不關注於改變進入中空的石英玻璃基管的玻璃形成氣體內的摻雜物的組成，而涉及在內部沉積エ藝期間在沿長度從供給側到排出側內與在沿長度從排出側到供給側內使用不同的移動速度。不必在整個沉積エ藝中都實施移動速度不同這ー特徵。因此，由於中空基管內的エ藝條件的平衡態，可以對這兩個長度以大致相同移動速度開始內部沉積エ藝。並在特定時刻之後，根據本發明調整移動速度。在該沉積エ藝本身結束時或者甚至在該沉積エ藝本身期間，適當地，可以對移動速度進行修改以使得這些移動速度在本發明方法外。在本發明的優選實施例中，所述反應區在沿長度從排出側到供給側內的速度最多為所述反應區在沿長度從供給側到排出側內的速度的70%，優選50%，更優選30%。本發明人認為等離子體的開始位置受到反應區沿著基管的長度前進的移動方向的直接影響。本發明人認為在使反應區從氣體側向著泵浦側移動時在該氣體側出現較長的等離子體尾(plasma tail)。該現象是由於等離子體在氣體側區域內已發生離子化這一事實所引起的。在反應區向著泵浦側進ー步移動的情況下，氣體側的等離子體尾容易受到微波的影響。另ー方面，當反應區向著氣體側移動時，氣體側的等離子體尾較短，其中，氣體側的等離子體峰(plasma front)被拉回到該反應區附近,或者甚至被拉回到該反應區內。本發明人認為氣體側的這種較長的等離子體尾將影響開始基管內的玻璃層沉積的位置處的密度。此外，本發明人認為等離子體峰的密度對使(O)H分子混入石英基管內產生直接影響。此外，應該保持最小程度地使(O)H分子混入石英基管內。除了所提出的前述機制以外，本發明人認為氯化物含量相對較高的泵浦側等離子體尾將淨化基管的內表面。如果反應區向著氣體側移動，則因此對剛剛沉積的玻璃層進行處理。本發明人認為與反應區向著泵浦側移動時所沉積的層相比，反應區向著氣體側移動時所沉積的層預期含有較少量的(0)H。應該注意，本發明人並不拘束於前述兩種機制。在優選實施例中，所述反應區在沿長度從供給側到排出側內的速度的範圍為2m/min 40m/min,優選為15m/min 25m/min。在反應區的速度小於2m/min的情況下，摻雜物的沉積效率趨向於下降到非常低的值，而這是不期望的。本發明人認為這是因為反應區的速度低導致中空基管內的溫度過高，從而對摻雜物的沉積效率產生不利影響。如果反應區的速度高於前述上限值，則沉積設備將有可能發生若干問題，尤其在換向點的區域。反應區在各個換向點處的速度為零，這表示速度應當在短距離內從40m/min以上的值減小為零。這將有可能導致沉積設備的機械問題。 為了獲得高的沉積效率，本發明人得出如下結論所述反應區的功率輸出優選在沿長度從供給側到排出側內以及在沿長度從排出側到供給側內恆定。為了使特別是GeCl4的摻雜物的沉積效率保持為可接受水平，優選地，所述反應區的速度為2m/min以上，優選為15m/min以上。在根據本發明的內部沉積エ藝的實施例中，首先沉積外包層，然後沉積內包層，其中，優選地，在所述內部沉積エ藝期間，所述反應區在沿長度從排出側到供給側內的速度隨著沉積時間而改變，其中，初始速度高於最終速度。這意味著，由於反應區在沿長度從排出側到供給側內的速度降低了，由此在沉積エ藝期間沉積的玻璃層的總厚度將増大。本發明的經由內部氣相沉積エ藝製造光纖預製件的方法優選採用等離子化學氣相沉積(PCVD)型，其中，在該エ藝中，所述反應區是例如諧振器的等離子體。在本說明書中，對反應區的速度進行設置，以使得反應區在沿長度從供給側到排出側內的速度高於反應區在沿長度從排出側到供給側內的速度。在這種情況下，本領域技術人員應能意識到在供給側的換向點和排出側的換向點這兩個換向點附近，速度變為零。本說明書特別是權利要求書所使用的術語「速度」，是指在石英玻璃基管的大致整個長度內的平均速度、即具有恆定值或特定斜率的速度，其中，該速度在這兩個換向點處將減小為O。因而，這裡的「速度」是指供給側的減速/加速點與排出側的減速/加速點之間的速度。此夕卜，與在該特定距離的開頭處的初始值相比，該距離內的速度可以恆定，但也可以減小或增大。因此，本領域技術人員還可以稱之為平均速度。在這方面，本申請與本申請人的美國專利7，522，800完全不同，在該美國專利中，速度分布與第一端部區域和第二端部區域(即，與供給側和排出側的換向點附近的區域，換句話說在速度為零的點即換向點本身與反應區開始減速/加速的點之間的區域)相關。然而，這些特定區域內的速度無法被解釋為恆定。此外，本發明涉及一種用於形成光纖的方法，其中，在根據本發明所獲得的光纖預製件的隨後拉制出光纖的一端處，對該光纖預製件進行加熱，其中，使用如根據本方法所製造的預製件。


現在將通過若干例子來更加詳細地說明本發明，其中，應當注意這些特定例子間的關聯性，但本發明決不局限於這些特定例子。圖I示出根據本發明的移動的速度分布。圖2示出根據本發明實施例的衰減-光纖位置的圖。
具體實施例方式使用PCVD技術來製造預製件。如圖I所示，反應區在沿長度從供給側到排出側內的速度分布高於反應區在沿長度從排出側到供給側內的速度。基管由爐包圍，並且在沉 積エ藝期間，反應區沿著該基管的長度方向行迸。反應區的功率、即微波功率為7000瓦特(Watt)。中空基管內的壓カ約為14mbar。將爐的溫度設置為1070 960攝氏度。在該中空基管內流動的氣體成分的組成大致為2/3份的氧、4/6份的SiCl4以及O 1/6份的GeCl4。該沉積エ藝需要約620分鐘。實際上，根據圖I所公開的實施例，將反應區在從氣體側到泵浦側內的速度設置為20m/min的恆定值，而將反應區在沿長度從泵浦側到氣體側內的速度設置為10m/min的速度、即減小了 50%。圖I明確公開了供給側(該圖的左手側)和排出側(該圖的右手側)附近的換向點，其中，在各換向點處恆定速度將減小為零。速度從恆定速度開始向著零下降的點被稱為減速點。從圖I可以看出，供給側的減速點位於0(換向點) 約200mm之間的位置，並且排出側的減速點位於1200 1400mm之間的位置。本說明書所使用的術語「速度」是指這兩個減速點之間的速度、即諧振器的速度在基管的特定長度內恆定的區域內的速度。在根據圖I的實施例中，在整個沉積エ藝期間，反應區的速度在這兩個長度內均保持恆定。然而，在特定實施例中，可以初始地針對這兩個長度以相同的速度分布開始內部沉積エ藝，並且在特定沉積時間之後通過使沿長度從排出側到供給側內的速度與沿長度從供給側到排出側內的速度相比減小了來配置該反應區的速度。在圖2中，已將根據圖I的速度分布所製造的預製件拉製成光纖。圖2所示的曲線明確表明與基準光纖相比，反應區的速度向著氣體側變低的多模光纖在1383nm處的衰減基本上較低。基準光纖是根據現有技術中的方法製造出的，在該方法中，反應區在從供給側到泵浦側以及從泵浦側到供給側的這兩個方向上的速度在整個沉積エ藝內相同。另外，圖2明確表明與在反應區向著泵浦側的速度較低的情況下根據PCVD型的內部沉積エ藝所製造出的多模光纖相比，在反應區向著氣體側的速度低於向著泵浦側的速度的情況下根據PCVD型的內部沉積エ藝所製造出的光纖在波長1383nm處的衰減較低。本發明的有益方面在於可以獲得衰減降低了約10% 20%的光纖。
權利要求
1.ー種用於經由內部氣相沉積エ藝製造光纖預製件的方法，其中，使用反應區以及具有供給側和排出側的石英玻璃基管，所述反應區能夠在所述基管的位於供給側的換向點和排出側的換向點之間的整個長度內移動，在所述基管的供給側向所述基管的內部供給ー個或多個玻璃形成前體，並且在所述基管的排出側排出沒有沉積在所述基管的內部上的成分，在所述基管的內部創建使得在所述基管的內部上發生玻璃層的沉積的條件， 其特徵在於，在所述內部氣相沉積エ藝期間，對所述反應區的速度進行設置，以使得所述反應區在沿長度從所述供給側到所述排出側內的速度高於所述反應區在沿長度從所述排出側到所述供給側內的速度。
2.根據權利要求I所述的方法，其特徵在於，所述反應區在沿長度從所述排出側到所述供給側內的速度最多為所述反應區在沿長度從所述供給側到所述排出側內的速度的70 %，優選50 %，更優選30 %。
3.根據權利要求I或2所述的方法，其特徵在於，所述反應區在沿長度從所述供給側到所述排出側內的速度為2m/min 40m/min,優選為15m/min 25m/min。
4.根據權利要求I至3中任一項所述的方法，其特徵在於，所述反應區的功率輸出在沿長度從所述供給側到所述排出側內以及在沿長度從所述排出側到所述供給側內均保持恆定。
5.根據權利要求I至4中任一項所述的方法，其特徵在於，在所述內部氣相沉積エ藝期間 沿長度從所述排出側到所述供給側的速度分布隨著沉積時間而改變；並且，在所述速度分布中，初始速度高於最終速度。
6.根據權利要求I至5中任一項所述的方法，其特徵在於，所述反應區包括等離子體發生諧振器。
7.一種用於形成光纖的方法，包括根據權利要求I至6中任一項所述的製造光纖預製件的方法，其中，對所獲得的所述光纖預製件的一端加熱，井隨後從被加熱的一端拉制出光纖。
8.根據權利要求7所述的用於形成光纖的方法，其特徵在於，所獲得的所述光纖在波長1383nm處的衰減小於O. 75dB/km。
全文摘要
本發明涉及一種用於經由內部氣相沉積工藝製造光纖預製件的方法以及形成光纖的方法，其中，在該內部氣相沉積工藝期間，對反應區的速度進行設置，以使得該反應區在沿長度從供給側到排出側內的速度高於該反應區在沿長度從排出側到供給側內的速度。
文檔編號C03B37/018GK102690054SQ201210080268
公開日2012年9月26日 申請日期2012年3月23日 優先權日2011年3月25日
發明者E·A·庫伊佩斯, E·阿爾迪, I·米莉瑟維克, J·A·哈特蘇克, M·J·N·范·斯特勞倫 申請人:德拉克通信科技公司