专利名称：内包层下凹型多模光纤预制棒的制作方法
技术领域：
本发明涉及光纤制造领域中的一种光纤预制棒及制造方法，特别是一种内包层下凹型多模光纤预制棒及制造方法。
背景技术：
光纤预制棒的制造技术主要分为管内法和管外法。管外法有OVD(外部气相沉积)和VAD(气相轴向沉积)工艺，管内法主要有PCVD(等离子体化学气相沉积)和MCVD(改进的化学气相沉积)。而PCVD工艺具有流量控制精度高、每一层沉积厚度薄，预制棒折射率可以精确设计和制造，预制棒折射率剖面连续而光滑，可以对各种复杂的波导结构进行制造，代表着多模光纤的最先进水平。多模光纤由于具有较大的芯径和数值孔径，有多个稳定的传导模式，大的光传输能量和较为宽松的技术要求，在光通信领域中一直被使用。但是对于多模光纤而言，由于多个模式的存在，其模间色散将导致光脉冲的展宽，极大地限制了多模光纤的带宽特性。衰减和带宽是多模光纤的两大关键指标，降低衰减、提高带宽、减少色散是多模光纤制造中主要解决的技术问题。光纤预制棒波导结构设计是光纤制造的最核心的技术、是决定光纤性能的关键所在，因此光纤制造商都非常重视光纤波导结构的设计。朗迅科技公司专利00117977.2“改进的多模光纤的制造方法和由该方法制造的光纤”，将预制棒波导结构设计为非圆形，改进拉丝工艺获得高带宽具有手性结构的硅基多模光纤；朗迅科技公司专利00117977.2“改进了折射率分布图的多模光纤和包括该光纤的设备”至少用下面的一种方法对普通的折射率分布图进行修改(i)在纤芯和包层区域边界的折射率分布图中，形成与线性修正组合的一个阶跃(ii)邻近纤芯—包层边界的与线性修正组合的一种波纹，附有或不附有折射率阶跃；和(iii)在带有中心凹陷缺陷的α-分布图的折射率分布图中，形成一环状脊；通过对预制棒折射率分布图进行完善，提高多模光纤的带宽。上述两种专利主要是提高多模光纤的带宽，其波导结构设计复杂。多模光纤的衰减则经历了更为复杂而漫长的研究历程，从提高原材料的纯度到调整原材料的种类，从提高系统的密封性能到从粉末状预制棒的脱水，从沉积工艺到拉丝工艺对多模光纤衰减的影响的各种探索经历了漫长而曲折的过程。减少原材料中过渡金属等杂质造成的吸收，降低GeCl4的掺杂用量，改善掺杂均匀性，完善光纤中浓度和密度的波纹度，降低瑞利散射，850nm窗口的衰减得到显著降低。1ppm OH-在1385nm波长处引起39dB/km的吸收，微量的OH-将引起1385nm附近的1300nm传输窗口的衰减的急剧增大，通过提高原材料的纯度，降低原材料的含水量，提高系统的密封性能，以及通过各种途径消除或脱去光纤预制棒工艺过程中导入的羟基，从而降低1300nm窗口的衰减。优化波导结构，改善光纤包层和芯层界面的过渡情况，波导结构引起光信号的衰减主要是指芯子和包层界面的状态，包括形状的畸变、界面残余应力，波导结构引起的衰减一般不会超过0.1dB/km。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是通过对多模光纤凹陷深度和凹陷宽度进行设计及工艺过程进行优化，提供一种内包层下凹型多模光纤预制棒，它可以减少预制棒中GeCl4的掺杂量，减小体系的瑞利散射，降低多模光纤的衰减；通过下凹型内包层的波导结构设计，找到了最佳的掺杂量，降低了瑞利散射，850nm窗口的衰减大幅度降低，消除了羟基峰对整个基底尤其1385nm损耗的影响，1300nm窗口的衰减也得到降低，优化波导结构中芯层与包层界面的过渡性能，降低界面应力，减小波导损耗，以达到整体降低多模光纤衰减的目的，光纤的带宽性能得到了优化，提高光纤产品的整体性能。
本发明人经过大量理论分析和反复试验，设计出的内包层下凹型多模光纤预制棒的波导结构为(如图1)凹陷深度d范围-1.00％≤d≤-0.001％；d的计算方法为d=nclad2-nclad1nSiO2×100%]]>(nclad1为外包层的绝对折射率，nclad2为内包层的绝对折射率，nSiO2为石英玻璃的绝对折射率)；凹陷宽度w与预制棒芯子直径2a比例范围0.10％≤w/2a≤5.00％；芯子起点高度h范围-1.00％≤h≤1.00％；h的计算方法h=ncore1-nclad1nSiO2×100%]]>(ncore为芯子的绝对折射率)本发明优选波导结构为凹陷深度d为-0.80％；凹陷宽度w与预制棒芯子直径2a比例为2％；芯子起点高度h为-0.02％；以下对本发明的原理进行详细说明降低多模光纤的衰减首先要降低光纤中的掺杂量，而降低掺杂量必将导致多模光纤预制棒折射率的降低，进而导致光纤的数值孔径NA偏小乃至不合格。因此，就要寻求既能够降低光纤的掺杂量，达到降低光纤瑞利散射衰减的目的，又能够满足光纤数值孔径合格的标准，这就让我们想到如何在降低掺杂量的情况下，提高光纤的有效数值孔径。本发明通过采用增加预制棒内包层下凹宽度和深度的方法，来增加数值孔径。通过大量理论分析和试验验证，发明人设计了上述下凹型内包层多模光纤波导结构，该波导结构可以有效地减少多模光纤的掺杂量，降低瑞利散射，同时光纤的数值孔径也符合标准。
光波在光纤中传输满足弱导波条件，光电磁波在光纤中传输过程中同时存在轴向的导行电磁场和径向的消逝场，光波电磁场在不同的波导结构其场的分布各不相同，不同的场分布将携带不同的光功率，因此，光功率在芯层与包层界面传输过程中，如果从折射率较大的芯层进入折射率较小的包层而成为消逝场时，光功率急剧降低，结果光纤的衰减增大。采用下凹型内包层的波导结构设计，可以对光波电磁场在弱导波光纤中的传输行为进行引导。
多模光纤预制棒内包层下凹宽度不同，光纤的数值孔径也有所不同。而且，考虑到拉丝过程中，还存在着芯包界面的扩散问题，因此，内包层下凹宽度对光纤数值孔径的影响就显得较困难。试验数据(如表-1所示)说明内包层下凹宽度越宽，对光纤的数值孔径贡献系数就越大。表-1 在不同凹陷宽度情况下对数值孔径的贡献系数ξ值
我们通过理论分析和试验数据的统计分析，找出了内包层下凹宽度对数值孔径的贡献系数。
我们定义φ=w2a]]>式中w-预制棒内包层下凹宽度(mm)；2a-预制棒芯子直径(mm)。
将不同的φ情况下，内包层下凹宽度对光纤数值孔径的贡献系数定义为ξ，采用Boltzmann公式进行曲线拟合分析，得到如下经验公式ξ=1.47-1.161+e(83.81×(φ-0.07))]]>通过上面的经验公式，可以计算出内包层下凹宽度对光纤数值孔径的贡献。
内包层下凹深度对数值孔径的贡献，从定性的角度去理解，凹陷包层的深度是越深对光纤数值孔径的贡献就越大。实际工艺过程中，通过不同的氟利昂/SF6掺杂量实现凹陷深度。但掺杂的同时，又伴随着SiF4的挥发，因此深度有一个理论极限值。这就需要寻求一个最佳下凹深度，既满足数值孔径贡献的需求，又有利于生产工艺的控制。内包层下凹深度对数值孔径的贡献可以从“内包层下凹型波导结构的光纤数值孔径NA计算公式”得出。加大内包层下凹深度，光纤的有效数值孔径增大，可以减少GeO2的掺杂量，瑞利散射得到降低。
匹配包层，也就是PCVD法沉积的内包层(clad2)的相对折射率与外包层(clad1)的相对折射率基本一致。该种剖面的NA的计算式为NA＝((ncore+1.4571)2-(nclad1+1.4571)2)1/2式中，1.4571是玻璃态的SiO2在波长633μm下的折射率；ncore--芯层最大的折射率差；nclad1外包层的折射率差。
内包层下凹型波导结构的光纤数值孔径NA计算可以根据前面的分析，综合下凹宽度和深度对光纤数值孔径的影响，得出如下经验公式。
NA＝((ncore+1.4571)2-(ξ×nclad2+1.4571)2)1/2式中，nclad2下凹内包层的折射率差；ξ内包层下凹宽度对数值孔径的贡献系数。
降低多模光纤的衰减的技术手段是降低光纤的吸收衰减、散射衰减和辐射衰减。通过本发明的光纤波导结构设计和PCVD工艺优化可以实现这个目的。
玻璃是一种过冷却液体，同时也是多成分的物质，因此存在密度起伏造成的散射和因浓度的波动造成的散射。要降低光纤的散射衰减，必须减少光纤预制棒内部的密度和浓度波动。而且多模光纤存在多个模式传输，不同的波导结构会极大地影响多模光纤的模式耦合与辐射，从而影响多模光纤的弯曲损耗。本发明的内包层下凹波导结构，可以减少多模光纤掺杂剂GeO2的浓度和提高掺杂剂的掺杂均匀性，还可以降低多模光纤的弯曲损耗来减少多模光纤的辐射损耗。
在PCVD工艺中，掺杂剂GeO2是由GeCl4与O2反应生成，要降低GeO2的量，可以通过降低GeCl4的量和另外一种掺杂剂氟利昂/SF6的用量匹配来实现，这样可以降低整个基底的吸收衰减。
光纤的整体品质指标很多，影响光纤传输性能的主要是衰减、带宽、几何尺寸和数值孔径。本发明涉及的内包层下凹波导结构设计，对带宽、几何尺寸和数值孔径等指标没有任何不利影响，这是因为(1)光纤的拉制过程是一个仿射变形，因此，光纤的几何尺寸由光纤预制棒的几何尺寸决定，在PCVD工艺中，可以非常精确地控制光纤预制棒的几何尺寸，因此，本发明涉及的内包层下凹波导结构对光纤的几何尺寸没有影响。根据本发明所生产的多模光纤(50/125、62.5/125、100/140)的几何尺寸经测试符合国家标准或ITU-T标准、IEC标准。
(2)光纤的数值孔径由掺杂形成的相对折射率差决定，本发明涉及的内包层下凹波导结构可以提高多模光纤的有效数值孔径，根据本发明所生产的多模光纤(50/125、62.5/125、100/140)的数值孔径经测试符合国家标准或ITU-T标准、IEC标准。
(3)为了降低GeO2的掺杂量，而使NA不变，采用了凹陷剖面的结构，那么凹陷的深度与宽度对带宽有没有影响呢？带宽实际上是多模光纤色散的一种描述方法，就渐变型多模光纤而言，多模光纤的带宽理论上由模式带宽和色度带宽共同决定，BW(带宽)∝1/Δ2，内包层下凹型波导结构，降低了多模光纤的Δ(光纤预制棒的相对折射率差)值，理论带宽得到提高。实际制造过程中，带宽由多模光纤的折射率剖面(RIP)决定，本发明涉及的内包层下凹波导结构对多模光纤的RIP没有影响，所制造的多模光纤的带宽与常规匹配型包层多模光纤的带宽相比大大地提高了。多模光纤带宽的提高和多模光纤衰减的降低，大大地提升了多模光纤的应用前景。
在采用PCVD工艺制造多模光纤预制棒中，原材料GeCl4、氟利昂/SF6的价格较其它原材料而言要高很多，本发明涉及的内包层下凹波导结构设计，可以减少原材料GeCl4、氟利昂/SF6的用量，降低了原材料成本。
本发明的制备方法是将氧气和氟里昂、四氯化硅蒸汽混合气、四氯化锗蒸汽混合气三路气体混合后一起进入沉积床进行沉积反应制备成，其中四氯化硅蒸汽混合气是将氧气通入装有四氯化硅原料液罐中鼓泡制得，控制鼓泡温度为300K-350K；四氯化锗蒸汽混合气是将氧气通入装有四氯化锗原料液罐中鼓泡制得，控制鼓泡温度为300K-350K；三路气体混合时，四氯化硅蒸汽混合气流量控制为200-1000立方厘米/分钟；四氯化锗蒸汽混合气流量控制为10-500立方厘米/分钟；混合区的压力控制为1030-2000毫巴。
本发明下凹型内包层预制棒能够提高光纤的有效数值孔径NA，实现了降低多模光纤衰减的最佳途径。采用该技术可以大幅度地减少预制棒中GeCl4的掺杂量，降低体系的瑞利散射，减小波导损耗系数，同时优化工艺过程，降低多模光纤在1300nm窗口的衰减，提高多模光纤的衰减性能。优化波导结构设计，改善多模光纤的带宽性能，使多模光纤的整体性能得到提升。
图1为本发明的波导结构剖面示意2为本发明的生产工艺流程图1—氧气入口；2—四氯化硅蒸汽混合气出气管；3—氧气和氟里昂/SF6气体入口；4—氧气入口；5—四氯化锗蒸汽混合气出气管；6—四氯化硅原料罐；7—四氯化硅原料液；8—四氯化锗原料罐；9—四氯化锗原料液。
具体实施例方式
以下结合附图列举部分实施例对本发明作进一步描述实施例一 本发明的波导结构为凹陷深度d为-0.60％；凹陷宽度w与预制棒芯子直径2a比例为0.10％；芯子起点高度h为-0.60％；实施例二 本发明波导结构为凹陷深度d为-0.80％；凹陷宽度w与预制棒芯子直径2a比例为2％；芯子起点高度h为-0.02％实施例三 本发明波导结构为凹陷深度d为-0.01％；凹陷宽度w与预制棒芯子直径2a比例为5.00％；芯子起点高度h为0.3％实施例四 本发明波导结构为凹陷深度d为-0.05％；凹陷宽度w与预制棒芯子直径2a比例为1.00％；
芯子起点高度h为0.05％本发明的生产方法如下如图-2所示，原料柜内的反应原料混合气体通过沉积反应的床子的入口端进入反应管的。反应柜中包含三路气体一路是反应的氧气和氟里昂气体从入口3进入；另一路是氧气从入口1进入四氯化硅原料罐6，通过插入管直接进入四氯化硅原料液7中，在四氯化硅原料液内发生鼓泡。精确控制四氯化硅原料罐6中的温度为310K，使四氯化硅蒸汽混合气从四氯化硅蒸汽混合气出气管2出来，经过流量控制器精确控制四氯化硅蒸汽体积流量从500立方厘米/分钟逐渐变化到390立方厘米/分钟，达到精确控制四氯化硅蒸汽在混合气中的浓度；再一路是氧气从入口4进入四氯化锗原料罐8，通过插入管直接进入四氯化锗原料液9中，在四氯化锗原料液内发生鼓泡。精确控制四氯化锗原料罐8的温度为310K，使四氯化锗蒸汽混合气从四氯化锗蒸汽混合气出气管5出来，再经过流量控制器精确控制四氯化锗蒸汽体积流量从20立方厘米/分钟逐渐变化到180立方厘米/分钟，达到精确控制四氯化锗蒸汽在混合气中的浓度。这三路气体混合，并精确控制混合区的压力为1330毫巴，最后管道3来的气体与管道2来的气体以及管道5来的气体汇合一起进入沉积床的反应区。
在反应区，在高能微波功率与高温热源的作用下发生沉积反应，反应原料气体便不断地在反应管的内表面上形成以二氧化硅为主要成分的反应产物，当沉积结束后，将沉积完毕的反应管进行成棒过程，使之成为实心的预制棒。
本发明的制备方法实施例还有很多，它可以在所公开的工艺参数范围内，任意选择组合。四氯化锗原料液罐和四氯化硅原料液罐中的鼓泡温度可以为300K、320K、330K、350K；根据原料不同，四氯化硅蒸汽混合气流量控制为0-1000立方厘米/分钟；四氯化锗蒸汽混合气流量控制为0-500立方厘米/分钟；混合区的压力控制为1030毫巴、1300毫巴、1500毫巴、1900毫巴，2000毫巴。
权利要求
1.一种内包层下凹型多模光纤预制棒，其波导结构为凹陷深度d范围为-1.00％≤d≤-0.001％；凹陷宽度w与预制棒芯子直径2a比例范围为0.10％≤w/2a≤5.00％；芯子起点高度h范围为-1.00％≤h≤1.00％；
2.根据权利要求1的一种内包层下凹型多模光纤预制棒，其波导结构为凹陷深度d为-0.80％；凹陷宽度w与预制棒芯子直径2a比例为2％；芯子起点高度h为-0.02％
3.一种内包层下凹型多模光纤预制棒的制备方法，它是将氧气和氟里昂/SF6、四氯化硅蒸汽混合气、四氯化锗蒸汽混合气三路气体混合后一起进入沉积床进行沉积反应制备成，其中四氯化硅蒸汽混合气是将氧气通入装有四氯化硅原料液罐中鼓泡制得，控制鼓泡温度为300K-350K；四氯化锗蒸汽混合气是将氧气通入装有四氯化锗原料液罐中鼓泡制得，控制鼓泡温度为300K-350K；三路气体混合时，四氯化硅蒸汽混合气流量控制为0-1000立方厘米/分钟；四氯化锗蒸汽混合气流量控制为0-500立方厘米/分钟；混合区的压力控制为1030-2000毫巴。
全文摘要
本发明涉及光纤制造领域中的一种光纤预制棒及制造方法。本发明光纤预制棒的波导结构为凹陷深度d范围为－1.00％≤d≤－0.001％；凹陷宽度w与预制棒芯子直径2a比例范围为0.10％≤w/2a≤5.00％；芯子起点高度h范围为－1.00％≤h≤1.00％；它通过增大多模光纤凹陷深度、凹陷宽度以及减少预制棒中GeCl
文档编号G02B6/00GK1433982SQ0311871
公开日2003年8月6日 申请日期2003年2月28日 优先权日2003年2月28日
发明者李诗愈, 朱明华, 陈伟, 成煜, 陆大方, 胡鹏, 殷江明, 王冬香 申请人:烽火通信科技股份有限公司