專利名稱：光纖的制造方法和設(shè)備的制作方法
發(fā)明的領(lǐng)域本發(fā)明總體上涉及對光纖波導(dǎo)及其制造的改進(jìn)。更具體地說，本發(fā)明涉及采用管中絲和管中棒的光纖制造方法形成光纖波導(dǎo)的新方法和設(shè)備。
發(fā)明的背景在通訊中光纖起著越來越重要的作用。必須制得具有不同尺寸、折射率分布、工作波長、材料等的各種類型的光纖以滿足不同系統(tǒng)的用途。另外，對有源器件(如放大器、激光器、轉(zhuǎn)換器和色散補償器)的需要逐日遞增。此外，光纖電纜必須拼接在一起而無過分的操作困難。重要的是在連接電纜的現(xiàn)場必須能容易地采用這些拼接技術(shù)。在許多用途中尤其重要的是將新的光纖容易地拼接在已經(jīng)安裝就位的已有光纖上。換言之，取出所有已有的光纖，而用不同特性的新光纖取代之往往不是個辦法。
已有多種技術(shù)用于制造光纖。在一種方法(參見美國專利3,659,915)中，將纖芯材料棒置于低折射率包層材料管中，形成緊密的同心配合。纖芯材料在橫截面上必須是均勻的，并具有光滑的表面。隨后升高溫度，將纖芯棒和包層管拉制至所需的橫截面積。用這種方法形成的光纖在通訊中會不理想，因為它有嚴(yán)重的損耗和色散。
另一種方法(參見美國專利5,651,083)包括將纖芯材料插入熔融的包層材料中形成預(yù)制棒。纖芯的插入要迅速，以便在插入過程中纖芯不會軟化或溶解。隨后將形成的預(yù)制棒拉制成光纖。用這種方法制得的氟玻璃(如ZBLAN)不能與石英纖維熔融拼接，容易析晶，并且耐久性差。
用于制造低損耗光纖的煙炱的許多重要的制造方法中的一種，是化學(xué)氣相沉積法(CVD)。在CVD法的一個實例中，使相對純的化學(xué)物質(zhì)(如四氯化硅)與氧一起通入一導(dǎo)管。這兩種物質(zhì)混合并加至一燃燒器中，該燃燒器在一根快速旋轉(zhuǎn)的餌棒或高純?nèi)勰⒐芟路揭苿?。結(jié)果在餌棒或石英管上硅被氧化成氧化硅。沉積物可摻雜各種材料。將此形成的預(yù)制棒固結(jié)之，隨后拉制成光纖。該方法是一種外部CVD即OVD法。而內(nèi)部CVD即MCVD法也是一種已知的CVD法。
用于制造光纖的現(xiàn)有CVD法限于幾乎全部由石英組成的組合物。僅可摻入少量的稀土元素而不發(fā)生團聚或結(jié)晶。揮發(fā)性組分(如堿金屬和鹵素)不易加入，因為在沉積過程中它們會揮發(fā)。由于缺乏高蒸氣壓的CVD前體，因此無法加入其它重要的玻璃改性劑(如堿土金屬)。即使能用CVD沉積玻璃煙炱，它也必須隨后進(jìn)行固結(jié)，而固結(jié)時會導(dǎo)致玻璃組分的結(jié)晶或高蒸氣壓的玻璃組分的損失。
近來開發(fā)了稱為管中碎玻璃方法的另一種制造技術(shù)。該方法描述在1997年10月2日提交的美國專利申請08/944,932中，該申請已轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人，其全文參考結(jié)合于本發(fā)明中。在管中碎玻璃方法中，將纖芯碎玻璃原料(粒徑通常為100-5000微米)加入包層結(jié)構(gòu)中。在加熱爐中將纖芯/包層結(jié)構(gòu)的一端加熱至接近包層的軟化溫度并拉制成光纖。這種方法克服了典型CVD法的某些缺點，使包層組分由純石英組成，纖芯組分則由多組分玻璃組成。
但是，仍需要由各種玻璃和玻璃陶瓷組合物制造光纖的方法和設(shè)備，它能克服已知方法的缺點，比常規(guī)的方法更實用、有效和經(jīng)濟。
作為例子，各種現(xiàn)有的CVD技術(shù)的缺點包括能用現(xiàn)有CVD技術(shù)制造的組成有限，僅可加入少量的稀土元素才不發(fā)生團聚，因為在沉積過程中會揮發(fā)而無法加入大量的揮發(fā)性組分(如堿金屬和鹵素)，由于缺乏高蒸氣壓的CVD前體因此難以加入其它重要的玻璃改性劑(如堿土金屬)，即使用CVD能沉積玻璃煙炱，該玻璃煙炱必須隨后進(jìn)行固結(jié)，固結(jié)會導(dǎo)致結(jié)晶或蒸氣壓高的玻璃組分的損失。
典型的管中桿技術(shù)的缺點包括要求纖芯和包層材料非常相似。要求它們的膨脹系數(shù)和粘度溫度關(guān)系均相似，否則在冷卻后最終產(chǎn)品會開裂或斷裂。
本發(fā)明還涉及一種數(shù)值孔徑大于約0.35的光纖。這種光纖包括玻璃的纖芯和包層區(qū)，并摻雜選自鐿、釹和鉺的稀土元素，可用于光纖激光器。這種光纖激光器可用耦合至高數(shù)值孔徑光纖的抽運源制得。使用本發(fā)明所述的方法可使數(shù)值孔徑約為0.40或更大(如0.45)。
發(fā)明的概述本發(fā)明采用管中絲或管中棒的纖維化方法提供制造各種光纖的方法和設(shè)備。一方面，本發(fā)明包括用所需材料的玻璃絲或玻璃棒填充玻璃管，隨后在高溫下拉制即伸長該玻璃管的步驟。在拉制溫度所述玻璃管中的材料熔化并填入該管形成連續(xù)的纖芯。可通過重力使松弛填入的原料自動加入和熔入以使原料熔體保持恒定的深度，形成均勻的可復(fù)現(xiàn)的產(chǎn)品。所述原料可包括纖芯材料或纖芯/包層材料。同樣，玻璃管可包括附加的纖芯材料(例如該材料可用于形成外包層區(qū))、纖芯/包層材料或者包層材料。本發(fā)明可用于直接拉制光纖(管中絲法)，或者可用于制造芯棒預(yù)制棒或纖芯包層預(yù)制棒，接著用附加的材料進(jìn)行外包層，然后再拉制成光纖(管中棒法)。
本發(fā)明能使可用化學(xué)技術(shù)(溶膠凝膠、氣相沉積等)或物理技術(shù)(配料然后熔制)生產(chǎn)的幾乎任何玻璃經(jīng)濟地制成連續(xù)的包層絲材。這種技術(shù)中的快速驟冷能使以前不穩(wěn)定的玻璃和玻璃陶瓷形成穩(wěn)定的光纖。
由下面的詳細(xì)描述和附圖可更完整地了解本發(fā)明及其進(jìn)一步的特征和優(yōu)點。
附圖簡述
圖1是本發(fā)明用于實施拉制光纖的管中絲方法合適設(shè)備的剖面圖；圖2是本發(fā)明用于實施拉制光纖的管中棒方法合適設(shè)備的剖面圖；圖3說明用于對本發(fā)明形成的光學(xué)芯棒預(yù)制棒進(jìn)行外包覆的合適設(shè)備，根據(jù)本發(fā)明該光學(xué)芯棒預(yù)制棒隨后可拉制成光纖；圖4是本發(fā)明管中絲法制得的長5米光纖的損耗與波長的關(guān)系圖；圖5是本發(fā)明制得的纖芯包層預(yù)制棒的折射率分布圖；圖6是本發(fā)明管中棒法制得的長5米光纖的損耗與波長的關(guān)系圖；圖7是本發(fā)明制得的光纖的損耗和模場直徑(MFD)與光纖長度的關(guān)系。
詳細(xì)描述本發(fā)明提供采用下面將詳細(xì)描述的管中絲和管中棒制造光纖的方法和設(shè)備。在參照附圖描述本發(fā)明以前，先總體描述總的概況和優(yōu)點。首先，獲得具有所需纖芯組成的玻璃或晶體棒。該棒的橫截面是圓形的、方形的還是三角形的或者其它不同的橫截面沒有什么關(guān)系，只要配合其使用的包層管即可。與眾所周知的管中桿方法不同，由于纖芯絲熔化后會貼合包層壁，因此本發(fā)明方法無需纖芯棒緊配在包層管中并與之同心。同樣，管孔無需是圓形的，可以是矩形、橢圓形或其它非圓形狀，以便形成具有非圓形纖芯的光纖。在本發(fā)明中由于纖芯玻璃即纖芯棒與包層管的內(nèi)徑形狀配合，因此使用矩形的管孔時，纖芯玻璃會變形成管的形狀，從而固結(jié)后形成矩形的纖芯區(qū)。可使用具有矩形內(nèi)徑的包層管制造具有大致矩形纖芯的光纖。拉制光纖后，纖芯仍保持基本矩形的橫截面形狀(矩形的角會有點圓化)。業(yè)已使用本發(fā)明所述的方法制得具有矩形纖芯的光纖，其數(shù)值孔徑(NA)大于約0.35，具體地說，我們已得到約0.45的數(shù)值孔徑。這樣大數(shù)值孔徑的光纖一般不能用CVD技術(shù)制得，因為這種折射率變化需要的大量改性劑會在制造過程中導(dǎo)致纖芯材料結(jié)晶、開裂或凹陷。這種具有矩形纖芯的光纖可用于有效地耦合來自條形激光二極管的光線。例如，典型的大功率條形激光二極管發(fā)射大致100×1微米矩形的光束。因此，本發(fā)明制得的纖芯形狀與該激光束的形狀大致相同的光纖能更有效地捕獲這種形狀的光束。
也可使用其它非圓形的管孔，包括橢圓形，這種包層管可用于制造保持偏振的光纖。同樣，也可使用具有橫截面非圓形的外周的包層管，用以制造外周是非圓形的光纖。在需保持非圓形內(nèi)徑或外徑的每一個這些實例中，較好具有高的拉制粘度，以便光纖或芯棒預(yù)制棒至少基本保持外徑、內(nèi)徑或這兩者的形狀。具體地說，在一個用于制造具有非圓形纖芯或非圓形光纖外徑或這兩者的較好的實例中，要保持預(yù)制棒的拉制速度和溫度，以便形成的光纖或芯棒預(yù)制棒至少大致保持包層管的內(nèi)外形狀。保持拉制或再拉制(在制造芯棒預(yù)制棒的情況下)溫度使包層管的粘度保持在高于約107泊就有利于獲得這種結(jié)果。
與現(xiàn)有的管中桿技術(shù)不同，本發(fā)明方法還無需纖芯棒的截面是均勻的并具有光滑的表面。
纖芯棒可用常規(guī)的坩堝熔制和澆注、拉制、熔膠凝膠法或其它技術(shù)制得。隨后將纖芯棒裝入包層管中。成為光纖包層的包層管的組成并無限制，可以是純SiO2玻璃直至多組分玻璃。如下所述，唯一的要求是該纖芯玻璃在包層管的軟化點或低于該軟化點熔化，并且纖芯與包層的熱膨脹系數(shù)之差不可太大，以免冷卻后形成的光纖破裂。
填充好包層管以后，可將其拉制成光纖或拉制成芯棒預(yù)制棒以便進(jìn)行外包覆。加熱填充的包層管，使包層玻璃軟化以便拉伸。在拉制過程中當(dāng)包層管軟化時，纖芯棒會熔化、澄清(除去氣泡)并貼合包層管的壁，形成由包層管內(nèi)表面決定的界面。包層管的外徑(OD)與內(nèi)徑(ID)之比與光纖或芯棒預(yù)制棒的OD/ID大致相當(dāng)，盡管可通過在纖芯熔體上相對于包層管外部施加壓力(正壓或負(fù)壓)進(jìn)行控制。也可使用拉制溫度來控制纖芯直徑，對于同樣給定的光纖外徑，較高的拉制溫度將產(chǎn)生較小的纖芯直徑。與一旦制成坯件后該比例就固定的常規(guī)預(yù)制棒相比，這種控制具有明顯的優(yōu)點。拉制包層管時采用較高溫度(對于純SiO2包層的情況為2000℃)，能均化纖芯熔體并驅(qū)除玻璃中的有害水分。另外，可向包層管的中心線施加真空，幫助水分的除去和澄清。
在第一拉制步驟中采用開口的中心線能在拉制溫度下對熔體進(jìn)行氣氛控制?？稍谌垠w上加入氧化性氣氛以及還原性氣氛用來控制纖芯材料的氧化還原狀態(tài)，或者保持還原的金屬纖芯或介電包層中的超導(dǎo)體。用這種方法還可制得多個同心的或平行的纖芯，其中一個纖芯傳遞光信息，其它纖芯傳遞電信息。例如，可將應(yīng)力棒(如摻雜B2O3的SiO2玻璃棒)置于鉆在管壁中的孔內(nèi)。這種應(yīng)力棒可用CVD法制得，然后固結(jié)成玻璃，隨后置于鉆在包層管側(cè)壁上的孔內(nèi)?；蛘?，應(yīng)力棒可以是非CVD法形成的玻璃(例如熔制法形成的玻璃)，置于包層管側(cè)壁的孔內(nèi)。無論是上述兩種制法的哪一種玻璃應(yīng)力棒，在將其放入在包層管相反兩個側(cè)壁上的孔內(nèi)以后，可如下所述將纖芯玻璃原料裝入包層管的內(nèi)徑中?？呻S后拉制形成的預(yù)制棒來制造保持偏振的光纖。或者，可使用兩根導(dǎo)電線代替應(yīng)力棒(同樣插入包層管側(cè)壁上的孔內(nèi))，形成用作電光開關(guān)的光纖(例如能在兩根導(dǎo)線之間施加一定電壓來改變纖芯的折射率)。
還可控制包層管中纖芯上的壓力來調(diào)節(jié)纖芯的直徑。這種類型的控制對于現(xiàn)有的預(yù)制棒纖維化方法是不可能的，而在本發(fā)明中，這種控制能大大有助于形成包層管和纖芯玻璃的某些組合。例如，對于較厚管壁的包層管，這種施加真空的輔助措施作用不大。但是，對于有些較薄管壁的包層管或者在包層管中纖芯玻璃具有較大熔體深度的情況下，可在包層管中纖芯玻璃上施加這種真空，用來抵消熔體玻璃施加在管壁上的向外推力，從而有助于保持管壁的內(nèi)部形狀。
還可控制玻璃的組成和熱歷史情況形成漸變的折射率分布。由于纖芯是熔融狀態(tài)并且包層發(fā)生了軟化，因此擴散過程相對較快，所以可在位地形成漸變的折射率分布。適當(dāng)?shù)剡x擇包層材料，可將制得的光纖熔融拼接在常規(guī)的光纖上，所以對現(xiàn)有的光纖網(wǎng)絡(luò)非常實用，并使器件的制造方便。
管中棒方法可用于產(chǎn)生復(fù)雜的折射率分布。例如，可以使第一包層管的折射率在纖芯和外包層管的折射率之間，就能控制光纖的數(shù)值孔徑，或者可含有插入的一定折射率的層和環(huán)來控制光纖的色散和模場直徑。第一次拉制使折射率分布的徑向尺寸降低至六至八分之一，第二次拉制使之再下降至四百至五百分之一，從而可獲得非常精細(xì)的結(jié)構(gòu)。
下面將結(jié)合附圖更詳細(xì)地描述本發(fā)明，附圖顯示的是幾個目前本發(fā)明較好的實例。但是，本發(fā)明可用各種形式實施而不應(yīng)視為僅限于這些較好的實例。發(fā)明人提供這些實例是為了充分而完整地描述本發(fā)明，并將本發(fā)明的范圍讓本領(lǐng)域的技術(shù)人員了解，這些技術(shù)人員就能容易地將這些描述擴展至更大范圍的實例和用途。
例如，盡管本發(fā)明主要是就波導(dǎo)光纖進(jìn)行描述，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員不難理解本發(fā)明所述的光學(xué)制品還可包括但不限于平面放大器、耦合器、光纖激光器、法拉第旋轉(zhuǎn)器、濾波器、光隔離器和非線性波導(dǎo)光纖。另外，可制造用作導(dǎo)體的連續(xù)包層絲，形成超導(dǎo)線。還可制得電光和光子晶體復(fù)合物。
圖1是一個設(shè)備100的剖面圖，它適合實施本發(fā)明拉制光纖的管中絲法。首先，用干燥氣體(如氯氣(Cl2)或混有惰性氣體的氯氣)吹掃具有內(nèi)壁118的包層管112(在一個較好的實例中，該包層管的外徑為57mm，內(nèi)徑為2mm)，除去不合需求的水汽。在該包層管112中裝有纖芯原料即絲110(在一個較好的實例中，其直徑為1.5mm)。這種原料即絲110較好是細(xì)長的單根材料棒，但是也可在包層管112中將多根細(xì)長的棒一根接一根地相疊形成原料。使用多根棒特別適合制造色散控制的光纖。如下所述，包層管112和纖芯絲110構(gòu)成具有開口中心線122的填充的包層管，該包層管用加熱爐114加熱。加熱爐114在拉制溫度下操作，該溫度為纖芯絲110的熔融溫度或高于該熔融溫度，但是僅使包層管112發(fā)生軟化。當(dāng)包層管112軟化時，纖芯絲110會在拉制溫度下熔化，形成包含在包層管112中的纖芯熔體120。目前較好的拉制溫度為纖芯絲的液相線溫度或高于該溫度，這樣能消除纖芯熔體120中的晶體。在本文中，術(shù)語“熔體”是指纖芯絲110能流動并填入或在包層管112內(nèi)部變形的狀態(tài)，結(jié)果形成填充的包層結(jié)構(gòu)。
根據(jù)本發(fā)明的一個較好的實例，在纖芯在包層管內(nèi)部熔化并變形的過程中，纖芯的粘度宜小于106泊，較好小于104泊，更好小于1000泊或更小，并且包層結(jié)構(gòu)所保持的粘度足以使包層結(jié)構(gòu)保持其內(nèi)部形狀。較好的是，包層管112在該溫度的粘度大于107.6泊。這一點是本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)的常規(guī)方法如管中桿或CVD法不同的，常規(guī)方法中纖芯和包層的粘度通常匹配，使得在拉制光纖或預(yù)制棒的溫度下桿和包層管的粘度差只小于約10倍。隨后拉制出光纖116。纖芯絲110在熔化的同時，其熔體應(yīng)澄清并貼合著包層管112的內(nèi)壁118，形成由內(nèi)表面118決定的界面，并完全填充包層管112的內(nèi)部。
玻璃包層材料112在軟化點的粘度約為107.6泊。對于某些類型的SiO2，這在約2000℃的溫度發(fā)生。應(yīng)選擇包層材料，以便在纖芯材料填充包層管的溫度下，該包層材料的粘度大于107泊，較好大于107.6泊，最好大于108泊。但是，在相同的溫度下，纖芯120(例如69.86摩爾％石英(SiO2)、18.63摩爾氧化鋁(Al2O3)、4.66摩爾％氧化鈉(Na2O)和6.85摩爾％氟化鑭(La2F6))的粘度只約為10泊，比包層112小幾個數(shù)量級。纖芯120的合適粘度小于或等于約104.5泊。而在典型的管中桿方法中，使用的是基本相同粘度的纖芯和包層材料。
本發(fā)明的一個明顯的優(yōu)點在于纖芯絲110可用任何方法(常規(guī)的坩堝熔制、澆注、拉制、熔膠凝膠法等)制成各種形狀(圓形、正方形、三角形等)。唯一的物理要求是纖芯絲110能配合在包層管112的內(nèi)壁內(nèi)。因此，在制造纖芯絲110的過程中工藝控制的嚴(yán)格要求較小。另外，在包層覆中裝得較松的纖芯絲110在其底部熔融時會自動下流或下降以便保持纖芯熔體120的恒定深度，形成均勻而可復(fù)現(xiàn)的光纖116。纖芯絲110上述限制的熔融溫度低于包層112的軟化溫度，并且纖芯絲110與包層112之間的熱膨脹差異不大，所以不會使光纖116冷卻時發(fā)生破裂。包層112的組成較好是硅酸鹽玻璃，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解，包層112的組成基本上無限制，可為純SiO2直至多組分玻璃。
圖2是一個設(shè)備200的剖面圖，它適合實施本發(fā)明拉制光纖的管中棒方法。用干燥氣體吹掃一根1米長的石英包層管212(外徑55mm，內(nèi)徑6mm)，除去不合需求的水分。將一根5mm直徑的纖芯棒210裝入包層管212中形成填充的包層管。用加熱爐214將填充的包層管212加熱至1700℃以便對其軟化以備拉伸。當(dāng)包層管212軟化時，纖芯棒210熔化，隨后以標(biāo)準(zhǔn)的方法拉制出6mm外徑的光學(xué)芯棒預(yù)制棒216。在本文中術(shù)語“芯棒預(yù)制棒”是指一種包含纖芯玻璃材料的光纖前體部件，在拉制成光纖前必須再向該芯棒預(yù)制棒上加上附加的外包層。這種附加的外包層可例如通過將該芯棒預(yù)制棒插入玻璃包層套筒中，或者通過外部氣相沉積或其它方法沉積上附加的纖芯和/或包層玻璃來施加。在熔化時，纖芯棒210會澄清并貼合包層管212的內(nèi)壁，形成由包層管212的內(nèi)表面決定的界面。
在本實例中纖芯原料和包層管先再拉制成芯棒預(yù)制棒，在拉伸溫度(例如對某些形式的石英約1700℃)下包層材料212的粘度較好約108泊，在該拉制溫度纖芯棒210的粘度約為104泊或更小。
在圖2所示的本發(fā)明實例中，隨后將形成的芯棒預(yù)制棒裝入外包層管220中。用加熱爐222加熱填充的外包層管220使其軟化以備拉伸。當(dāng)外包層管220軟化時，芯棒預(yù)制棒216也會軟化，拉制得到光纖224。
在采用本發(fā)明管中棒方法制造光纖的一個典型實例中，由摩爾組成為70.0SiO2-11.25Al2O3-7.5Ta2O5-10CaO-2CaF2-0.5Er2O3纖芯玻璃的高純原料粉末配料、混合、在400℃焙燒12小時使配料干燥，隨后在1650℃帶蓋的高純石英坩堝中熔制4小時。用熔凝石英棒攪拌玻璃熔體使之均勻，隨后冷卻至1500℃，然后從熔體拉制成直徑4-5mm的纖芯玻璃棒。
接著將直徑為5mm的纖芯玻璃棒插入長1m、外徑(OD)55mm、內(nèi)徑(ID)為6mm經(jīng)固結(jié)的SiO2包層管中，該包層管事先用外部氣相沉積法制得。用干氦氣吹掃該管除去不合需求的水分，然后加熱至1800℃使該SiO2包層管軟化，隨后拉制成6mm直徑的纖芯/包層預(yù)制棒，將其火焰切割成1米長。隨后將該1m長的預(yù)制棒固定在CVD設(shè)備中，包覆上石英煙炱得到所需的32∶1的包層直徑/纖芯直徑之比。隨后在1440-1500℃的溫度下對該外包層的芯棒預(yù)制棒進(jìn)行固結(jié)，形成含纖芯的整體石英坯件。接著在石墨電阻爐中將該坯件加熱至1950-2000℃，并以2m/s的速率將其拉制成標(biāo)準(zhǔn)的125微米直徑的光纖。這樣制得的具有摻雜Er纖芯的光纖適合用作光放大器。
圖3是本發(fā)明采用一種CVD法對預(yù)制棒進(jìn)行外包覆，隨后拉制成光纖的設(shè)備300的示意圖。將本發(fā)明圖2所示實例制得的預(yù)制棒216切割成1米長。接著將其固定在CVD設(shè)備332中，用石英對其進(jìn)行外包覆，得到所需的包層直徑與纖芯直徑之比，形成外包層的芯棒預(yù)制棒330。隨后在1400-1500℃的溫度下對外包層的芯棒預(yù)制棒330進(jìn)行固結(jié)，形成整體石英坯件336。在加熱爐338中將該坯件336的一端加熱至1950-2000℃的拉制溫度，將其拉制成標(biāo)準(zhǔn)的125微米直徑的光纖340。
圖4是顯示本發(fā)明制得的5米長的光纖其損耗與波長的關(guān)系圖400。在超過2000米長的范圍內(nèi)，該低損耗光纖(在1310納米為0.07dB/m)由始至終每米呈現(xiàn)相同的損耗。由980nm和1500nm的吸收帶可見，該光纖的纖芯成功地?fù)诫s了鉺離子(Er3+)。另外，當(dāng)將980nm的激光輸入該光纖時，由該光纖觀察到Er3+的熒光。圖4說明，使用本發(fā)明方法制得的光纖可摻雜稀土元素，本底衰減小于2dB/m。
圖5是顯示本發(fā)明使用圖2所示裝置制得的芯棒預(yù)制棒(其纖芯玻璃組成就是圖2實施例所用的)的折射率分布500。該芯棒預(yù)制棒的拉制直徑為2.74mm，其纖芯直徑為0.21mm，纖芯/包層的厚度之比為0.077。由圖5可見，纖芯(石英纖芯)的折射率偏差約為0.11，或者相對未摻雜的石英包層的折射率百分偏差約為6.76％。這里觀察到的最大偏差6.76％明顯高于典型的CVD法制得的光纖的偏差。隨后將該預(yù)制棒進(jìn)行外包覆并拉制成10,000m均勻的光纖。在10,000m長度范圍內(nèi)纖芯直徑的偏差為±0.25微米，相比之下管中碎玻璃法產(chǎn)生的偏差為±4微米。因此，本發(fā)明制得的光纖，其纖芯直徑的偏差至少改進(jìn)一個數(shù)量級。另外，使用石英作為包層材料使得形成的光纖能采用常規(guī)的熔融拼接器進(jìn)行熔融拼接。當(dāng)將本發(fā)明光纖拼接在SMF-28光纖上時，拼接損耗小于0.5dB，當(dāng)本發(fā)明光纖拼接在CS-980光纖上時拼接損耗小于0.2dB。
圖6是顯示本發(fā)明制得的5米長光纖的損耗與波長的關(guān)系圖600。通過純石英沉積、接著沉積摻雜氧化鍺的石英隨后沉積純石英包層制得一根管。將形成的煙炱預(yù)制棒固結(jié)成管。隨后，將上面圖2所述的相同類型的纖芯玻璃棒插入此玻璃管中，拉制成光纖。此時制得的多組分纖芯包括被石英包層圍繞的中央高折射率區(qū)，所述石英包層又被摻雜氧化鍺(GeO2)的石英環(huán)所包圍。這證明可得到復(fù)雜的折射率分布，本底衰減小于0.5dB/m。
圖7是顯示本發(fā)明制得的光纖的損耗和模場直徑與光纖長度的關(guān)系圖700。圖7表明，在纖芯的中央高折射率區(qū)外部使用提高的折射率環(huán)可擴大模場直徑，從而使模場直徑會擴大超過使用單獨提高的折射率纖芯得到的模場直徑。如圖7所示，不同光纖長度損耗和模場直徑很少發(fā)生變化。
本發(fā)明方法具有許多優(yōu)點。本發(fā)明方法能用各種組合物制造光纖，這是用于制造光纖的常規(guī)CVD法不能得到的。可容易地將具有高稀土溶解度、改進(jìn)的增益平坦度和改進(jìn)的光學(xué)性能的新組合物制成光纖形式。本方法還適用于纖芯絲110或纖芯棒210與包層材料112或包層材料212之間熱膨脹系數(shù)有很大差異的情況，因為在纖芯絲110或纖芯棒210形成光纖形式或芯棒預(yù)制棒形式以前，纖芯110、210與包層112、212是較松接觸的，此時熱膨脹失配產(chǎn)生的應(yīng)力遠(yuǎn)低于大尺寸的剛性單塊預(yù)制棒中產(chǎn)生的應(yīng)力，因為該應(yīng)力與光纖、預(yù)制棒等的半徑的平方成反比。因此，用本發(fā)明方法可制得數(shù)值孔徑很大適用于有效耦合器和激光器的光纖。
本發(fā)明方法還能在拉制溫度下控制纖芯熔體120、220上的氣氛。可以采用向開口中央線加入氧化性、還原性或化學(xué)活性氣體來控制氧化還原狀態(tài)?？梢钥刂评w芯絲110或纖芯棒210上的壓力以便調(diào)節(jié)纖芯直徑，控制拉制溫度同樣可以調(diào)節(jié)纖芯直徑。對于同樣給定的光纖外徑(OD)，較高的拉制溫度會導(dǎo)致較小的纖芯直徑，這與一旦制得坯件后該比例是固定的常規(guī)預(yù)制棒不同。例如，使用本發(fā)明可采用這些因素在±50％的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)纖芯直徑。包層管外徑OD與內(nèi)徑ID之比大致與光纖的OD與ID之比相同，盡管如上所述，這個比例可以通過施加在纖芯熔體120、220上分別相對于包層管112或包層管212外部的正壓或負(fù)壓加以控制。另外，用于拉制光纖116、216的高溫有使纖芯熔體120、220均勻化并驅(qū)除纖芯熔體120、220中有害水分的作用。
盡管上面的描述包括能使本領(lǐng)域的技術(shù)人員實施本發(fā)明的細(xì)節(jié)，但是應(yīng)當(dāng)理解，這些描述是說明性的，并且閱讀了這些描述以后本發(fā)明的許多改進(jìn)和變化對本領(lǐng)域的技術(shù)人員是顯而易見的。例如，盡管目前纖芯原料(如纖芯原料110)較好是實心棒，但是纖芯原料可以是空心的、或者可分成數(shù)大段。另外，術(shù)語“原料”包括細(xì)絲、較粗的棒、捆在一起可插入包層管的許多長絲、或者軸向一個接一個可插入包層管的細(xì)絲或棒等，熔融后這些形式的原料會下降。另一方面，本文所述的原料較好不是煙炱和碎玻璃。此外，該原料可由單獨的纖芯材料制成，或者由上面覆有包層材料的纖芯材料制成。任何一種這些材料均可放入包層材料形成的包層管中。同樣，包層管可由纖芯材料和包層材料制成。因此，可制得具有許多纖芯材料和包層材料的同心環(huán)的預(yù)制棒，各環(huán)與預(yù)制棒中的其它環(huán)可具有相同或不同的光學(xué)性能。另外，可將制成的預(yù)制棒冷卻后儲存之，以后再進(jìn)行加熱和拉制，盡管目前這并不認(rèn)為是最好的。此外，本發(fā)明中的術(shù)語光纖包括各種用途的光纖或光纖部件，其這些用途包括，但不限于光波導(dǎo)、單模光纖、多模光纖、放大器、電光光纖、耦合器、激光器等。
在不偏離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，本發(fā)明的各種變化和改進(jìn)對本領(lǐng)域的技術(shù)人員是顯而易見的。因此本發(fā)明包括在所附權(quán)利要求及其相當(dāng)范圍內(nèi)對本發(fā)明的這些變化和改進(jìn)。
權(quán)利要求
1．一種光纖的制造方法，它包括下列步驟將一根實心的細(xì)長原料放入一根空心管內(nèi)；將所述管和原料的至少一部分加熱至足以使所述原料變形至所述管的形狀的溫度；將管的外徑減小，其中所述原料的軟化點低于所述管的軟化點。
2．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述管具有包層結(jié)構(gòu)。
3．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述空心管中有纖芯材料。
4．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述原料包括基本連續(xù)的作為纖芯材料的原料。
5．如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于所述原料包括多種原料。
6．如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于所述減少外徑的步驟包括形成芯棒預(yù)制棒，所述方法還包括用包層材料對所述芯棒預(yù)制棒進(jìn)行外包覆，形成纖芯-包層預(yù)制棒，并將所述纖芯-包層預(yù)制棒拉制成光纖的步驟。
7．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述原料包括纖芯原料并且所述管具有包層結(jié)構(gòu)。
8．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述減小外徑的步驟包括將所述管和原料直接拉制成光纖。
9．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述纖芯原料的軟化點和所述包層結(jié)構(gòu)的軟化點至少相差100℃。
10．如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于在所述管的粘度為107.6泊的溫度下，所述原料的粘度小于106泊。
11．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于在所述管的粘度為107.6泊的溫度下，所述原料的粘度小于106泊。
12．如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于在所述管的粘度為107.6泊時，所述原料的粘度小于104泊。
13．如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于在所述管的粘度為107.6泊時，所述原料的粘度小于1000泊。
14．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述纖芯原料的熱膨脹系數(shù)大于所述管的熱膨脹系數(shù)。
15．如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于所述包層結(jié)構(gòu)主要是石英。
16．如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于所述包層結(jié)構(gòu)至少含90重量％由化學(xué)氣相沉積法制得的石英。
17．如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于所述化學(xué)氣相沉積法包括外部化學(xué)氣相沉積法。
18．如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于所述原料的加料速率快于所述管的加料速率。
19．如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于所述包層結(jié)構(gòu)包括許多縱向穿孔，并且所述方法還包括下列步驟將金屬放入由所述包層結(jié)構(gòu)限定的所述許多穿孔中的至少一個中；將所述預(yù)制棒拉制成電光光纖。
20．如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于所述包層結(jié)構(gòu)包括許多縱向穿孔，并且所述方法還包括下列步驟將組成與所述包層不同的玻璃棒放入由所述包層結(jié)構(gòu)限定的所述許多穿孔中的至少一個中；將所述預(yù)制棒拉制成保持偏振的光纖。
21．如權(quán)利要求8所述的方法，它還包括用稀土元素?fù)诫s所述原料的步驟。
22．如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于所述稀土元素選自鐿、鉺、鐠和釹。
23．一種使用權(quán)利要求22所述方法制得的光纖制造放大器的方法，它還包括下列步驟將所述光纖與光通訊中波長分配復(fù)用器相耦合，與抽運激光和信號源一起形成光纖放大器。
24．如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于所述稀土元素選自鐿、釹和鉺。
25．一種用權(quán)利要求24所述方法制得的光纖制造光纖激光器的方法，它還包括將所述光纖與抽運源耦合形成光纖激光器的步驟。
26．一種用下列方法制得的光纖將細(xì)長的基本連續(xù)的原料放入空心管中；將所述管的至少一部分加熱至足以使所述原料變形至所述管的形狀的溫度，從而形成預(yù)制棒。
27．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述管的內(nèi)孔不是圓形的。
28．如權(quán)利要求27所述的方法，其特征在于所述管的內(nèi)孔是矩形的。
29．如權(quán)利要求27所述的方法，其特征在于所述管的內(nèi)孔是橢圓形的。
30．一種光纖，其數(shù)值孔徑約為0.35或更大。
31．如權(quán)利要求30所述的光纖，其特征在于所述光纖包括由玻璃組成的纖芯區(qū)和包層區(qū)。
32．如權(quán)利要求31所述的光纖，其特征在于所述光纖的纖芯摻雜選自鐿、釹和鉺的稀土元素。
33．一種光纖激光器，它包括與權(quán)利要求32所述光纖耦合的抽運源。
34．如權(quán)利要求32所述的光纖，其特征在于所述光纖的數(shù)值孔徑約為0.40或更高。
全文摘要
公開了制造光纖的管中絲和管中棒方法。將實心即整體的纖芯原料(110)置于空心的包層結(jié)構(gòu)(112)中,形成松填充的包層結(jié)構(gòu)。將該填充的包層結(jié)構(gòu)加熱至大致等于包層結(jié)構(gòu)軟化點溫度的拉制溫度。原料(110)熔化并填入包層結(jié)構(gòu)的加熱部分,形成填充的纖芯,可將其拉制成光纖或預(yù)制棒,該預(yù)制棒可進(jìn)一步包覆、固結(jié)并拉制成光纖。可使用膨脹系數(shù)明顯不同的原料(110)和包層結(jié)構(gòu)(112)。形成的光纖可容易地用來與已安裝的光纖熔接。
文檔編號C03B37/026GK1324334SQ99812479
公開日2001年11月28日 申請日期1999年8月24日 優(yōu)先權(quán)日1998年8月25日
發(fā)明者P·W·朱, R·V·H·達(dá)爾曼, M·J·德內(nèi)卡, J·W·索羅斯基, O·L·小威爾遜, K·J·約斯特 申請人:康寧股份有限公司