专利名称：光纤及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种可用于长途大容量光通信系统的光纤，并更具体地涉及适于波分多路复用(WDM)通信并且其零色散波长设置在预定范围中的色散位移光纤。
应用单模光纤作为传输线路的常规光通信系统经常使用1.3或1.55μm波长带中的光作为通信信号光。然而，从减少传输线路中的传输损耗的观点，1.55μm波长带中的光的使用增加了。特别地，对于应用于1.55μm波长带中的光的传输线路的单模光纤(下面称为1.55μm单模光纤)，因为硅基单模光纤中的传输损耗对于155μm波长带中的光最小，所以对于1.55μm波长带中的光波长色散(由于取决于波长的光传播速度差而引起的脉冲波扩展的现象)也设计为零。这种其零色散波长位移靠近1.55μm波长带的1.55μm单模光纤一般称为色散位移光纤。
作为常规的色散位移光纤，其零色散波长位移靠近1.55μm的色散位移光纤的剖面结构和组成及其制造方法公开在例如日本专利No.2533083(第一现有技术)中。第一现有技术的色散位移光纤具有由GeO2-SiO2(包含二氧化锗的SiO2)构成的内芯、由SiO2构成的外芯和由F-SiO2(含氟的SiO2)构成的包层。第一现有技术的色散位移光纤的折射率分布是所谓的匹配型分布，在对应包层的部位没有压低部分。在本说明书中，具有这种匹配型分布的光纤称为匹配光纤。另一方面，在对应包层的部位有压低部分的折射率分布称为压低包层型分布。在本说明书中，具有这种压低包层型分布的光纤将具体称为压低光纤。在第一现有技术的色散位移光纤结构中，只能实现靠近1.55μm的零色散波长的设置。
日本专利公开文本No.63-208005(第二现有技术)公开了具有压低包层型分布的色散位移光纤，其在芯周围具有比芯的折射率低的第一包层，并在第一包层周围具有比第一包层折射率高的折射率的第二包层。第二现有技术的色散位移光纤的目的是在1.3至1.5μm的宽波长带范围内抑制波长色散。
近年来，对高速大容量传输系统结构进行了广泛的研究，尤其是采用波分多路复用(WDM)的传输系统已受到很大关注。在这个方案中，具有不同波长的多个信号光成分同时通过一条传输线路进行传输，所以能传输的数据量大大增加。
为了实现这样的传输系统，要求用作传输路线的光纤具有多种新的性能。上述常规色散位移光纤不再能满足要求。
本发明者已检查常规色散位移光纤并发现下列问题。常规色散位移光纤的模场直径(MFD)约8μm。当信号光功率增加时，将产生非线性光效应的影响。另外，应用于传输系统的各种色散位移光纤之间的波长色散的变化很大。因此，当信号光波长与光纤零色散波长相匹配时，由于四波混合而趋于产生非线性光效应的噪声。
非线性光效应例如是在光强密度增加时信号光脉冲失真的现象，并且这是限制传输速率的主要因素。
当例如加入氟以调整作为光纤主要成分的硅玻璃的折射率时，可能在预型中形成磁泡，或预型自身可能在烧结(使预型透明)光纤的多孔预型时变形。由于附加杂质在透明玻璃表面(预型表面)上形成的裂纹(flaws)有可能在牵拉时折断光纤。
本发明旨在解决上述问题，其目的是提供一种具有大MFD和有效消除非线性光效应影响的结构的光纤，以及制造上述光纤的方法，该方法可有效地阻止磁泡在透明预型中出现、预型的变形和在光纤制造(牵拉处理)期间预型上的裂纹。
根据本发明的光纤是一种色散位移光纤，其MFD为8.6μm或更大，最好为9μm或更大，并且其零色散波长位移到1.55μm的长或短波长侧，即典型的信号光波长。此光纤是主要包含硅玻璃的单模光纤。在此色散位移光纤中，零色散波长从信号光波长位移一预定数以便有意地产生波长色散并抑制非线性光效应的影响。因此，可构成允许色散位移光纤之间零色散波长变化的传输系统。
根据本发明的第一实施例，提供了一种光纤，包括具有第一折射率n1的第一芯(内芯)、围绕内芯外围设置并具有比第一折射率n1低的第二折射率n2的第二芯(外芯)、围绕外芯外围设置并具有比第二折射率n2低的第三折射率n3的第一包层(内包层)以及围绕内包层外围设置并具有比第三折射率n3高而比第二折射率n2低的第四折射率n4的第二包层(外包层)。
具体地，根据第一实施例的光纤具有压低包层型分布，这一点从上述结构中是显而易见的。外芯具有25-40μm的外直径。
在采用下列基本组分时能实现此压低包层型分布内芯由至少包含作为折射率增加剂的二氧化锗的硅玻璃(GeO2-SiO2)构成；外芯由基本上不含二氧化锗的硅玻璃(SiO2)或包含二氧化锗的硅玻璃(GeO2-SiO2)构成；内包层由至少包含氟(折射率减小剂)的硅玻璃(F-SiO2)构成；而外包层由至少包含氟的硅玻璃(F-SiO2)构成。当外芯的横断面(与信号光传播方向垂直的平面)增大时，如在这个光纤(外直径为25-40μm)中那样，且GeO2搀入外芯时，折射率分布在外芯的径向上几乎不可能平直。因此外芯最好不包含二氧化锗。
根据本发明第一实施例，提供了一种制造光纤的方法，包括第一步，利用气相合成形成一个多孔预型(碳黑预型)，其沿纵向的中心部分对应于内芯，而其围绕中心部分的外围部分对应于外芯；第二步骤，烧结多孔预型以获得纤芯玻璃预型；第三步骤，拉长在第二步骤中得到的纤芯玻璃预型至所期望的外直径，并利用气相合成将对应内包层的第一多孔玻璃体(碳黑体)沉积在拉长的纤芯玻璃预型的外表面上，以便获得第一组合预型；第四步骤，在包含氟原材料的环境中烧结在第三步骤中得到的第一组合预型以获得中间预型；第五步骤，拉长在第四步骤中得到的中间预型至所希望的外直径，并利用气相合成将对应于外包层的第二多孔玻璃体(碳黑体)沉积在拉长的中间预型外表面上以便获得第二组合预型；第六步骤，烧结在第五步骤中获得的第二组合预型以获得光纤预型；和第七步骤，在加热光纤预型一端的同时牵拉在第六步骤中得到的光纤预型。第六步骤中烧结第二组合预型在包含氟原材料的环境中进行。
在第一实施例的制造光纤方法中，由于制造的光纤外芯的外直径大至25-40μm，所以作为内包层的第一多孔玻璃体的玻璃合成(第三步骤)和作为外包层的第二多孔玻璃体的玻璃合成(第五步骤)利用诸如VAD(气相轴向沉积)或OVD(外部汽相沉积)等气相合成进行。如果对应内、外包层的部分不能利用气相合成制造，则利用棒紧裹法(rod-in-collapse)制造。在这种情况中，所得到的预型尺寸受到限制，因此效率很难提高。
在制造第一实施例的光纤的方法中，要制造的光纤外芯的外直径设置为25-40μm，所以能利用气相合成执行第三步骤(也能利用气相合成执行第五步骤)。调整上述每个步骤，使得光纤外芯的外直径落入所希望的范围内。
在制造第一实施例的光纤的方法中，在第一步骤中获得的多孔预型在第二步骤之前在包含卤气的环境中进行加热以便干燥多孔预型。因此，所得光纤的内外芯包含预定浓度的氯。在第三步骤中获得的第一组合预型也在第四步骤之前在包含卤气的环境中进行加热以便干燥第一多孔玻璃体。因此，所得光纤的内包层也具有预定浓度的氯。对应内包层的预型区域要进行干燥，因为即使在外芯的外表面上利用气相合成(利用火焰水解反应(flamehydrolytic reaction)沉积细玻璃颗粒的方法)形成多孔玻璃体(碳黑体)时，也能减轻OH吸收对所得到的光纤的影响。
内包层中的氯含量最好低于内外芯中的氯含量，氯公知为增加折射率的掺杂剂。为氯搀入芯区域(包括内外芯)时，搀入包层区域(包括内外包层)中的氟(折射率减小剂)含量可减少而不改变光纤的折射率分布。
如上所述，可减少包层区域中的氟的含量。因此，在第六步骤中，第二组合预型可不在含氟原材料(包括氟的搀入)的环境中进行烧结，而是代之以在第五步骤中，第二多孔玻璃体通过给第四步骤中得到的中间预型外表面提供氟化物气体进行沉积来获得第二组合预型。在这种情况下，在第六步骤中，只执行第五步骤中得到的第二组合预型的烧结。因此，能缩短烧结时间，并且能大大提高生产效率。
上述干燥过程即在包含卤气的环境中执行的加热过程可以在第六步骤之前对在第五步骤中得到的第二组合预型进行。在这种情况下，所得到的光纤的外包层总是包含氯。
作为用于干燥的卤气，最好使用SiCl4。
根据本发明的第二实施例，提供了一种光纤，包括具有第一折射率n1的第一芯(内芯)、围绕内芯外围设置并具有比第一折射率n1低的第二折射率n2的第二芯(外芯)、围绕外芯外围设置并具有比第二折射率n2低的第三折射率n3的第一包层(内包层)以及围绕内包层外围设置并具有高于第三折射率n3的第四折射率n4的第二包层(外包层)。
光纤内外包层的折射率在从各包层的内侧朝向外侧的径向上增加。内外包层包含氟作为调整折射率的掺杂剂。
第二实施例的光纤具有压低包层型分布，这个折射率分布可在采用下述基本组分时实现内芯由至少包含作为折射率增加剂的二氧化锗的硅玻璃(GeO2-SiO2)构成；外芯由基本上不包含二氧化锗的硅玻璃(SiO2)或包含二氧化锗的硅玻璃(GeO2-SiO2)构成；内包层由至少包含氟(折射率减小剂)的硅玻璃(F-SiO2)构成；和外包层由至少包含氟的硅玻璃(F-SiO2)构成。当GeO2搀入外芯时，折射率分布几乎不可能平直。因此，外芯最好不包含二氧化锗。另外，外芯外直径最好是25-40μm以便有效地防止非线性光效应的影响，如在上述第一实施例中一样。
根据本发明第二实施例，提供了一种制造光纤的方法，包括至少第一步骤，利用诸如VAD(气相轴向沉积)或OVD(外部汽相沉积)等气相合成形成多孔预型，其沿纵向的中心部分对应于内芯，而其围绕中心部分的外围部分对应于外芯，并且烧结多孔预型以获得纤芯玻璃预型；第二步骤，将纤芯玻璃预型拉长至所希望的外直径，在预定温度下在包含预定浓度的氟原材料的环境中加热第一组合预型，此组合预型是利用气相合成将对应内包层的第一多孔玻璃体沉积在拉长的纤芯玻璃预型的外表面上而获得的，并在环境温度上升和包含在环境中的氟原材料浓度改变之后玻璃化第一组合预型，从而获得透明的中间预型；以及第三步骤，将中间预型拉长至预定的外直径，在预定温度下在含有预定浓度的氟原材料的环境中加热第二组合预型，第二组合预型是利用气相合成将对应外包层的第二多孔玻璃体沉积在拉长的中间预型的外表面上而获得的，并在环境温度增加和包含在环境中的氟原材料浓度改变之后使第二组合预型透明，从而获得透明的光纤预型。
在第二实施例制造光纤方法的第二与第三步骤中，对搀入对应于内外包层的预型区域中的作为折射率调整材料的氟原材料供给量进行调整(调整在上述加热与玻璃化过程中环境中的氟浓度)。更具体地，当氟作为折射率调整材料搀入玻璃材料中时，裂纹等容易形成在玻璃表面上。为防止这样的情况，在第二步骤中，加热第一组合预型时环境中所含的氟原材料浓度设置为高于使第一组合预型透明时环境中的氟原材料浓度，同样，在第三步骤中，加热第二组合预型时包含在环境中的氟原材料浓度也设置为高于使第二组合预型透明时环境中的氟原材料浓度。
当对应内包层的预型区域中的氟浓度在从内区至外围区域的径向上降低(预型区域的折射率在径向上增加)时，对应于外包层的预型区域的内区的折射率差变小。换句话说，当调整搀入预定预型区域中的氟浓度使得氟浓度在所得光纤的内包层与外包层之间的界面处降低时，能有效地防止在烧结预型期间在预型中出现磁泡或预型自身的变形。当对应外包层的预型区域中的氟含量也在径向上进行调整时，能有效地防止在制造期间加热过程中的变形、或预型外表面上或处理中的所得光纤外表面上的裂纹。
本发明将从下面给出的详细描述和附图中更全面地得以理解，详细描述和附图只是用于说明而不是限制本发明。
本发明进一步应用范围将从下面给出的详细描述中变得显而易见。然而，应理解，详细描述和特定示例虽表示本发明的优选实施例，但只是通过图示给出，因为落入本发明精神与范围内的各种变化和修改对于本领域的技术人员来说从此详细描述中是明显的。
图1是表示本发明第一实施例光纤的截面结构与折射率分布的视图；图2是解释利用VAD制造光纤的一个步骤，或更具体地说，制造多孔预型过程的视图；图3是解释利用VAD制造光纤的另一步骤，或更具体地说，干燥图2所示利用VAD获得的多孔预型过程的视图；图4是解释利用VAD制造光纤的又一步骤，或更具体地说，烧结多孔预型过程的视图；图5是解释利用OVD制造光纤的一个步骤，或更具体地说，制造多孔预型过程的视图；图6是解释利用OVD制造光纤的另一步骤，或更具体地说，干燥图5所示利用OVD获得的多孔预型过程的视7是解释利用OVD制造光纤的又一步骤，或更具体地说，烧结多孔预型过程的视图；图8是解释在本发明光纤制造过程中拉长预型过程的视图；图9是解释在本发明光纤制造过程中制造组合预型过程的视图；图10是解释在本发明光纤制造过程中干燥过程的视图；图11是解释在本发明光纤制造过程中烧结预型过程的视图；图12是解释在本发明光纤制造过程中纤维牵拉过程的视图；图13是解释本发明第二实施例光纤的截面结构及其制造方法的视图；图14是表示沿光纤径向图13所示光纤的包层区域中折射率与氟含量之间关系的视图；和图15是表示图11所示预型烧结过程中氟原材料供给量沿时间轴变化的视图。
根据本发明的光纤及其制造方法下面将结合图1至15进行描述。同样的标号在全部附图中表示相同部分，并且将省略对它们的详细描述。
图1是表示本发明第一实施例的光纤(具有压低包层型分布的色散位移光纤)的剖面结构和折射率分布的视图。具体地，第一实施例的光纤1是色散位移光纤，其模场直径(MFD)为8.6μm或更大(最好是9μm或更大)并且其零色散波长位移到1.55μm的长或短波长侧。光纤1是主要包含硅玻璃的单模光纤。
在图1中，光纤1包括有具有第一折射率n1并且外直径为a的内芯10，和配置在内芯10周围并具有比第一折射率n1低的第二折射率n2的外芯20。外芯20的外直径设置在25至40μm范围内，因此外芯20具有大的截面面积。
光纤1还具有包围芯区(包括内外芯10与20)的包层区域，包层区域包括有配置在外芯20周围并具有比第二折射率n2低的第三折射率n3且外直径为c的内包层30，以及配置在内包层30周围并具有比第三折射率n3高但比第二折射率n2低的第四折射率n4且外直径为d的外包层40，即玻璃区域，从而实现了在对应包层区的部分上具有压低部分A的压低包层型分布(图1)。
图1所示的折射率分布15的横坐标对应于光纤1(压低光纤)截面(垂直于信号光传播方向的截面)上的线L1。在这个折射率分布15中，区域101对应于线L1上内芯10的折射率(n1)；区域102对应于线L1上外芯20的折射率(n2)；区域103对应于线L1上内包层3 0的折射率(n3)；和区域104对应于线L1上外包层40的折射率(n4)。
第一实施例的光纤1的基本组分如下内芯10由GeO2-SiO2制成；外芯20由SiO2或GeO2-SiO2制成；内包层30由F-SiO2制成；和外包层40由F-SiO2制成。
在第一实施例的光纤1中，如在下面将描述的，因为至少内芯10与外芯20包含氯，所以实际组分以及玻璃区域相对于纯硅玻璃的相对折射率差Δ如下内芯SiO2+GeO2+ClΔ＝(α+0.8)％至(α+0.9)％外芯SiO2+(GeO2)+Cl
Δ＝α％内包层SiO2+F+(Cl)Δ＝(α-0.3)％至(α-0.1)％外包层SiO2+F+(Cl)Δ＝(α-0.15)％至(α-0.05)％其中，α代表氯(Cl)对于折射率变化的影响，而α是0.1％至0.2％(氯公知为增加折射率的掺杂剂，并且对于1000ppm的Cl浓度来说，由于氯而导致的折射率的变化为0.01％)。在本说明书中，每个玻璃区相对于纯硅玻璃的相对折射率差Δ如下Δ＝(nt2-no2)/2no2＝(nt-no)/no其中，no是作为基准的纯硅玻璃的折射率，而nt是每个玻璃区的折射率。
下面将参考图2-12描述制造第一实施例光纤1的方法。
在此制造方法中，在第一步骤中，作为包括内芯10与外芯20的预期芯区的多孔预型50利用诸如VAD(汽相轴向沉积(Axial Deposition))或OVD(外部汽相沉积)等汽相合成来形成，以及在第二步骤中，烧结多孔预型50以获得纤芯玻璃预型51。
图2至图4是用于解释VAD第一与第二步骤的视图，图5至7是用于解释OVD第一与第二步骤的视图。
首先参考图2至4描述VAD的第一与第二步骤。
在第一步骤中，利用图2所示的碳黑(soot)施加设备制造多孔预型50，这个碳黑施加设备包括至少一个具有出口504的容器500，和用于支撑多孔预型50的支撑机构503。支撑机构503具有可旋转的支撑杆502。用于形成多孔预型50的起动杆(starting rod)501连到支撑杆502的末端。
图2所示的碳黑施加设备还具有用于沉积对应于内芯10的多孔玻璃体(碳黑体)的燃烧器552，和用于沉积对应于外芯20的多孔玻璃体(碳黑体)的燃烧器551。供气系统600将预期的源气(例如，GeCl4或SiCl4)、燃气(H2与O2)和诸如Ar或He的运载气体加给燃烧器551与552。
在多孔预型50的制造期间，通过供自供气系统600的源气的水解反应在来自燃烧器551与552的火焰中生成细玻璃颗粒并沉积在起动杆501末端部。在此处理期间，支撑机构503沿箭头S2指示的方向(多孔预型50的纵向方向)上拉支撑杆502末端，同时沿箭头S1指示的方向旋转支撑杆502。利用这个操作，多孔玻璃体从起动杆501向下增长，从而获得多孔预型50(碳黑预型)，其沿纵向的中心部分对应于内芯10而其围绕中心部分的外围部分对应于外芯20。
在第一步骤中获得的多孔预型50装入图3所示的加热容器700中并在含有卤气的环境中进行干燥。加热容器700具有加入卤气的引入口702和出口701。在干燥期间，支撑装置503在箭头S4指示的方向移动多孔预型50，同时在箭头S3指示的方向旋转预型50(利用此操作，加热整个多孔预型50)。
干燥期间容器中的温度是1000℃至1300℃，最好是1050℃至1150℃。在此实施例中，在从引入口702加入具有20,000ppm(2％)浓度的氯气(Cl2)的同时进行干燥。当氯气浓度为10,000至50,000ppm(1％至5％)时，能获得令人满意的效果。
甚至在不是氯气而是诸如SiCl4等卤气用作干燥气体时，也能获得上述相同的效果。具体地，SiCl4能用于增加氯的含量并增加外芯20与内包层30之间的折射率差。
在第一步骤中，调整加给燃烧器551与552的源气，使得所得到的光纤的外芯20的外直径b与内芯10的外直径a的比(b/a)为7.5至15。
通过上面过程得到的多孔预型50在加热容器700中进行烧结(VAD的第二步骤)。图4只示出图3所示加热容器的主要部分。如图4所示，支撑机构503在由箭头S6指示的方向上移动多孔预型50，同时在箭头S5指示的方向上旋转多孔预型50。利用此操作，多孔预型50从其末端插入加热器750(容器中烧结温度是1500℃至1650℃)，因而获得透明纤芯玻璃预型51。
可以在一个容器中执行多孔预型50的制造、干燥和烧结。
下面参考图5至7描述OVD的第一与第二步骤。
在第一步骤中，多孔预型50利用图5所示的碳黑施加设备进行制造。这个碳黑施加设备的容器800具有一中心杆801，中心杆801一端由支撑机构503通过支撑杆502固定，而另一端由辅助机构505固定。碳黑施加设备的容器800也有一出口802和用于沿中心杆801生成多孔预型50的燃烧器850。
在多孔预型50制造期间，利用从供气系统600供给的源气的水解反应在燃烧器850的火焰中生成细玻璃颗粒并沉积在中心杆801外表面。在此过程期间，支撑机构503与辅助机构505在箭头S8与S9指示的方向移动中心杆801，同时在箭头S7指示的方向上旋转中心杆801(支撑机构503与辅助机构505以相同速度运动)。利用此操作，多孔玻璃体沿中心杆801生成，这个过程重复两次，以形成对应于内芯10的多孔玻璃体和对应于外芯20的多孔玻璃体，所以获得多孔预型50(碳黑预型)，其沿纵向的中心部分变为内芯10，而其围绕中心部分的外围部分变为外芯20。
在从第一步骤中得到的多孔预型50中除去中心杆801之后，辅助杆703代之以连到多孔预型50，多孔预型50装入图6所示的加热容器700并在包含卤气的环境中进行干燥。加热容器700具有加入卤气的引入口702和出口701。在干燥期间，支撑机构503在箭头S11指示的方向移动多孔预型50，同时在箭头S10指示的方向旋转多孔预型50。利用此操作，加热整个多孔预型50。注意，诸如容器中干燥温度和要加入的氯气浓度等条件可以与上述VAD(图2至4)中的一样。
由上述过程得到的多孔预型50在加热容器700中进行烧结(OVD的第二步骤)。图7只表示图6所示加热容器的主要部分。如图7所示，支撑机构503在箭头S13指示的方向移动多孔预型50，同时在箭头S12所示的方向旋转多孔预型50。利用这个操作，多孔预型50从其末端插入加热器750，从而获得透明纤芯玻璃预型51。
可以在一个容器中执行多孔预型50的制造、干燥和烧结。利用OVD所得到的纤芯玻璃预型与利用VAD得到的纤芯玻璃预型的差别只在于利用OVD得到的纤芯玻璃预型具有在除去中心杆801时形成的通孔550。
在第三步骤后面的过程(尤其是与汽相合成相关联的各过程)将在VAD基础上详细描述。OVD可用于代替VAD。
在第三步骤中，利用图8所示的拉伸设备将在第二步骤中得到的透明纤芯玻璃预型51拉长至希望的外直径(加工外直径)。在拉伸之前，纤芯玻璃预型51的两端部要进行端部处理，并且杆61与62连到纤芯玻璃预型51以便于处理。
图8所示的拉伸设备具有可在箭头S14所示方向移动的上夹盘63和可在箭头S1 5所示方向移动的下夹盘64。上、下夹盘63与64分别由驱动电机65与66在箭头S14与S15所示方向移动。杆61由上夹盘63固定，而杆62由下夹盘64固定，于是已经过端处理的纤芯玻璃预型51配装到图8所示的拉伸设备。
上夹盘63在箭头S14所示的方向移动以便将纤芯玻璃预型51插入加热器68(例如，立式电阻加热炉)。另一方面，下夹盘64在箭头S15所示方向上移动以便从加热器68中抽拉纤芯玻璃预型51。插入加热器68的纤芯玻璃预型51部分软化。因此，在这个拉伸设备中，下夹盘64的移动速度(从加热器68抽拉纤芯玻璃预型51的速度)与上夹盘63的移动速度(将纤芯玻璃预型51插入加热器68的速度)相比增加以便施加拉伸应力给纤芯玻璃预型51的软化部分，从而拉长纤芯玻璃预型51至所希望的外直径。
控制单元67总是利用外直径测量装置69监视受热软化部分的一预定位置处的外直径并控制驱动电机65与66，以便获得所希望的加工外直径。
在第三步骤后续工序中，作为内包层30的第一多孔玻璃体沉积在由拉伸设备拉长的纤芯玻璃预型51的外表面上，从而得到第一组合预型52。更具体地，利用从供气系统600供给的源气的水解反应在燃烧器900的火焰中生成细玻璃颗粒并沉积在拉长的纤芯玻璃预型51的外表面上，如图9所示。在此过程中，拉长的纤芯玻璃预型51在箭头S16所示方向旋转的同时在箭头S17所示的方向移动。利用此操作，多孔玻璃体(碳黑体)沉积在纤芯玻璃预型51的外表面上，从而获得第一组合预型52。
在第三步骤中，调整要供入燃烧器900的源气，使得所得到的光纤的内包层30的外直径c与外芯20的外直径b之比(c/b)为1.5至2.5(最好是1.8至2.2)。
第三步骤所获得的第一组合预型52暂时在含有卤气的环境中加热以便在第四步骤之前进行干燥(图10)。在此过程中，支撑机构503在箭头S18所示方向旋转第一组合预型52的同时在由箭头S19与S20所示的方向移动第一组合预型52。利用此操作，加热整个第一组合预型52。Cl2用作干燥气体(SiCl4也可以使用)。加入加热容器700的氯气浓度为10,000至50,000ppm(1％至5％，而在此实施例中是20,000ppm(2％))，如上所述。容器中的加热温度是1,000℃至1,300℃，并且最好是1,050℃至1,150℃。
在第四步骤中，已经过干燥的第一组合预型S2在含有氟原材料的环境中进行烧结，如图11所示，以便获得透明的中间预型53。烧结在上述加热容器700中连续进行。支撑机构503在沿箭头S21所示方向旋转第一组合预型52的同时在箭头S22所示方向移动第一组合预型52。利用此操作，第一组合预型52插入加热器750。
更具体地讲，作为供入加热容器700的氟化物气体，可使用SF6或SiF4。在此实施例中，提供具有20,000ppm(2％)浓度的SiF4。容器中的温度是1,000℃至1,200℃(最好是1,050℃至1,150℃)。在这个氟化物气体环境中加热第一组合预型52，从而将氟注入第一多孔玻璃体(在纤芯玻璃预型51的外表面上形成的碳黑体)。此后，容器中的温度增加到1,400℃至1,600℃(最好是1,450℃至1,550℃)以烧结第一组合预型52，从而获得中间预型53。
氟的含量通过调整加入的氟化物气体浓度来调节。换句话说，当在将氟注入第一多孔玻璃体的过程和烧结过程期间适当调整氟化物气体的浓度时，氟的含量能调整到希望值。
在后面的第五步骤中，作为外包层40的第二多孔玻璃体在通过第四步骤获得的中间预型53的外表面上形成以获得第二组合预型54。
在第五步骤中，将在第四步骤中获得的中间预型53利用图8所示的拉伸设备拉长至希望的加工外直径，如在上述第三步骤中那样。此后，第二多孔玻璃体在拉长的中间预型53的外表面上形成(细玻璃颗粒通过供自供气系统600的源气的水解反应在燃烧器900的火焰中生成并沉积在拉长的中间预型53的外表面上)，如图9所示，从而获得第二组合预型54。
在第五步骤中，调整要加入燃烧器900的源气，使得在得到的光纤外直径为125μm时(在第七步骤中牵拉之后)，得到的光纤的外包层40的外直径与内包层30的外直径之比(d/c)具有希望的值。
在后面的第六步骤中，通过第五步骤得到的第二组合预型54在含有氟原材料的环境中烧结，如在上述第四步骤中一样，从而最后得到光纤预型55(图11)。
通过第五步骤得到的第二组合预型54不必总是要经过图10所示的干燥过程，并且干燥过程可以适当地省略。
在第一实施例中，因为利用氯气进行第一组合预型52的干燥，所以得到的光纤1的内芯10、外芯20与内包层30总是含有氯。在这种情况下，内包层30中的氯含量最好低于内外芯10与20中的氯含量。氯公知为增加折射率的掺杂剂。当氯搀入芯区(包括内外芯10与20)时，可减少搀入包层区(包括内外包层30与40)的氟的含量而不改变光纤的折射率分布。
如上所述，可以减少包层区域中的氟含量。因此，当不是在第六步骤中(图11所示的氟搀入过程)在含有氟原材料的环境中烧结第二组合预型而是在由第四步骤获得的中间预型四周加入氟化物气体时，可沉积含有预定浓度氟的第二多孔玻璃体以获得第二组合预型。
在玻璃体沉积期间搀入氟的上述过程中，氟的含量由于下面原因而受到限制。首先形成的细玻璃颗粒沉积部分(第二多孔玻璃体的一部分)上的氟浓度高于细玻璃颗粒沉积的最后步骤所形成的细玻璃颗粒沉积部分上的浓度。因此，沿由第一组合预型52得到的光纤1的纵向在径向上折射率分布不可能均匀，这个现象在搀入的氟含量增加时变得明显。这意味着当含有氟的玻璃区与纯硅玻璃之间的折射率差超过0.2％时，这种可选择的方法不适于氟搀入。
当可减少包层区中的氟含量时，如在本发明中那样，氟可在形成第二多孔玻璃体的同时而不是在烧结的同时，搀入对应于外包层40的第二多孔玻璃体中。在这种情况中，在第六步骤中只进行第五步骤获得的第二组合预型的烧结。因为可缩短烧结时间，所以能大大地提高生产率。
通过上述过程制造的光纤预型55包括对应于光纤1内芯10的内芯玻璃100、对应于外芯20的外芯玻璃200、对应于内包层30的内包层玻璃300和对应于外包层40的外包层玻璃400，如图12所示。
在第七步骤中，具有上面结构的光纤预型55在利用加热器950加热光纤预型55一端的同时被牵拉，从而获得图1所示的具有125μm直径的光纤1。
在上述制造方法中，调整每个步骤，使得得到的光纤1的外芯20的外直径b在第七步骤中牵拉之后变为25μm或更大(最好是28μm或更大)。外芯20外直径b设置为具有防止玻璃合成界面(例如，纤芯玻璃预型51的外表面)接近不受传播信号光功率增加影响的区域的值。当多孔玻璃体为纤芯玻璃预型51(玻璃杆)的外表面进行合成时，预型的外表面由一火焰加热以形成(玻璃合成)玻璃体，所以OH基团(group)容易进入纤芯玻璃预型51的表面层。因此，缓和OH吸收对所得到的光纤1的影响是重要的。
本发明人通过实验结果确认，在具有25μm、30μm与33μm外直径的外芯20的光纤中OH吸收的峰值分别为0.3dB/km、0.8dB/km与1.3dB/km。外芯20外直径b的上限值取决于在1.55μm波长带中设定零色散波长的设计。本发明人证实，当外直径b是40μm或更小时，在多数情况下为25至35μm时，可获得所希望的光纤特性。
下面将描述根据本发明的第二实施例，与第一实施例中相同的部分将参考同一附图进行描述。
图13是表示本发明第二实施例的光纤(具有压低包层型分布的色散位移光纤)的截面结构和折射率分布的视图。特别地，第二实施例的光纤150是色散位移光纤，其模场直径(MFD)为8.6μm或更大(最好是9μm或更大)并且其零色散波长位移到1.55μm的长或短波长侧。光纤1是主要包含硅玻璃的单模光纤。
在图13中，光纤150包括具有第一折射率n1并且外直径为a的内芯160，和配置在内芯160周围并具有低于第一折射率n1的第二折射率n2与外直径b的外芯170。
光纤150还包括配置在外芯170周围并具有低于第二折射率n2的第三折射率n3与外直径c的内包层180和配置在内包层180周围并具有高于第三折射率n3但低于第二折射率n2的第四折射率n4与外直径d的外包层190即玻璃区，作为围绕芯区域(包括内、外芯160和170)的包层区域，从而实现在对应于包层区域的部分处有压低部分A的压低包层型分布(图13)。
特别地，内外包层180与190的折射率分别在从各包层180与190的内区至外区的径向上增加，如图14所示。换句话说，包含在第一、二包层180与190中的氟(用于减小折射率的掺杂剂)浓度在从各包层180与190的内区至外区的径向上减少。
在图14中，fa是内包层180内区中的氟浓度；fb(＜fa)是内包层180外围区中的氟浓度；fc是外包层190内区中的氟浓度；而fd(＜fc)是外包层190外围区中的氟浓度。
图13所示折射率分布250的横坐标对应于光纤150(压低型光纤)截面(与信号光传播方向垂直的截面)上的线L2。在这个折射率分布250中，区域151对应于线L2上内芯160的折射率(n1)；区域152对应于线L2上外芯170的折射率(n2)；区域153对应于线L2上内包层180的折射率(n3)；而区域154对应于线L2上外包层190的折射率(n4)。
根据第二实施例的光纤150的基本组分如下。如在第一实施例中，内芯160由GeO2-SiO2构成；外芯170由SiO2或GeO2-SiO2构成；内包层180由F-SiO2构成；而外包层190由F-SiO2构成。
在第二实施例的光纤150中，由于至少内芯160与外芯170包含氯，如在第一实施例中那样，所以实际组分与玻璃区域相对于纯硅玻璃的相对折射率差Δ如下内芯SiO2+GeO2+ClΔ＝(α+0.8)％至(α+0.9)％外芯SiO2+(GeO2)+ClΔ＝α％内包层SiO2+F+(Cl)(内区)Δ＝(α-0.3)％至(α-0.1)％外包层SiO2+F+(Cl)(外区)Δ＝(α-0.15)％至(α-0.05)％在图13所示的光纤150中，内外包层180与190的折射率设计得在从内区至外区的径向上逐渐变高(外芯170与外围区之间的折射率差小于外芯170与内区之间的折射率差)。每个参数的定义与第一实施例中的一样。
下面将描述制造第二实施例光纤150的方法。第二实施例制造中的某些步骤与第一实施例中的相同，并且也将结合图2-12描述第二实施例的制造方法。
在这个制造方法中，在第一步骤中，利用诸如VAD(气相轴向沉积)(图2-4)或OVD(外部汽相沉积)(图5-7)等气相合成形成作为包括内芯160与外芯170的预期芯区的多孔预型50，并且烧结多孔预型50以获得芯玻璃预型51。
第一步骤与第一实施例的第一和第二步骤相同。
更具体地，在VAD中，制造并干燥与烧结多孔预型50，从而获得透明的芯玻璃预型51，如图2至4所示。
在OVD中，制造并干燥与烧结多孔预型50，从而获得透明的纤芯玻璃预型，如图5至7所示。
在第二实施例中，利用OVD所得到的纤芯玻璃预型与利用VAD得到的预型不同之处仅在于利用OVD获得的纤芯玻璃预型具有在除去中心杆801时形成的通孔550，如在第一实施例中那样。
也在第二实施例中，将在VAD基础上详细地描述在第二步骤之后的处理过程(特别是与气相合成相关联的处理过程)。OVD可用于替代VAD。在第二步骤中，制造对应内包层180的预型区。
在第二步骤中，利用图8所示拉伸设备将在第一步骤(图2至4或图5至7)获得的透明纤芯玻璃预型51拉长至期望的外直径(加工外直径)。
在第二步骤后序工序中，作为内包层180的第一多孔玻璃体沉积在拉伸设备拉长的纤芯玻璃预型51的外表面上，从而获得第一组合预型52，如图9所示。
由上面过程得到的第一组合预型52暂时在含有卤气的环境中加热以便进行干燥(图10)。具体地，当多孔玻璃体要与纤芯玻璃预型51(玻璃杆)的外表面合成时，利用火焰加热预型的外表面以形成(玻璃合成)玻璃体，所以OH基团容易进入纤芯玻璃预型51的表层。因此，进行干燥以缓解OH吸收对所得到的光纤150的影响是重要的。干燥条件与第一实施例中的一样。
在此步骤中，使已经过干燥的第一组合预型52在含有氟原材料的环境中变得透明(烧结)，如图11所示，以便获得透明的中间预型53。在加热容器700中连续进行使预型透明的这个过程。支撑机构503在箭头S21所示方向旋转第一组合预型52的同时在箭头S22所示方向移动第一组合预型52。利用此操作，第一组合预型52插入加热器750。条件与第一实施例中的相同。
通过改变加热过程与使预型透明的过程之间的氟原材料的加入量来调整氟的含量，如图15所示。在图15中，Fh代表加热过程期间氟原材料加入量；以及Fs(＜Fh)代表使预型透明的过程期间氟原材料加入量。由于加热过程中第一组合预型52中含有的氟在使预型透明的过程期间从预型表面逐渐扩散至环境中，所以对应于内包层180的预型玻璃区中的氟浓度在从内区至外围区的径向上降低(玻璃区的折射率在径向上增加)。
在随后的第三步骤中，作为外包层190的第二多孔玻璃体形成在通过第二步骤获得的中间预型53的外表面上(第二组合预型54的制造)，并且绕结第二组合预型54以便获得光纤预型55。
在第三步骤中，利用图8所示的拉伸设备将所得到的中间预型53拉长至希望的加工外直径，如在上述第二步骤中那样。此后，在拉长的中间预型53的外表面上形成第二多孔玻璃体(细玻璃颗粒通过供自供气系统600的源气的水解反应在燃烧器900的火焰中生成并沉积在拉长的中间预型53的外表面上)，如图9所示，从而获得第二组合预型54。
也在此步骤中，在含有氟原材料的环境中烧结所得到的第二组合预型54，如在上述第二步骤中那样，从而最后获得光纤预型55(图10与11)。特别地，也在此第三步骤中，通过改变加热过程与使预型透明的过程之间的氟原材料加入量来调整氟的含量，如图15所示。因此，对应内包层180的预型玻璃区中的氟浓度在从内区至外围区的径向上降低(玻璃区的折射率在径向上增加)。
利用上面过程制造的光纤预型55包括对应于光纤150内芯160的内芯玻璃100、对应于外芯170的外芯玻璃200、对应于内包层180的内包层玻璃300和对应于外包层190的外包层玻璃400，如图12所示。
也在第二实施例中，在最后步骤(图12)中，具有上面结构的光纤预型55在利用加热器950加热光纤预型55一端的同时被牵拉，从而获得图13所示的具有125μm外直径的光纤150。
下面将描述在第一与第二实施例中获得的光纤的特性。组成成分第一与第二实施例的组分如下内芯SiO2+GeO2+Cl外芯SiO2+Cl内包层SiO2+F+Cl外包层SiO2+F折射率分布第一实施例的折射率分布设计如下Δna＝(n1-n2)/n20.85％Δnb＝(n3-n2)/n2-0.25％Δnc＝(n4-n2)/n2-0.1％其中，Δna是内芯10与外芯20之间的相对折射率差；Δnb是内包层30与外芯20之间的相对折射率差；和Δnc是外包层40与外芯20之间的相对折射率差。
第二实施例的折射率分布设计如下Δna＝(n1-n2)/n20.85％Δnb1＝(n3a-n2)/n2-0.25％(Δnb2＝(n3b-n2)/n2-0.2％)Δnc1＝(n4a-n2)/n2-0.1％
(Δnc2＝(n4b-n2)/n2-0.07％)其中，Δna是内芯160与外芯170之间的相对折射率差；Δnb1是内包层180(内区)与外芯170之间的相对折射率差；Δnb2是内包层180(外围区)与外芯170之间的相对折射率差；Δnc1是外包层190(内区)与外芯170之间的相对折射率差；和Δnc2是外包层190(外围区)与外芯170之间的相对折射率差。尺寸第一与第二实施例的尺寸如下外芯外直径b与内芯外直径a之比(b/a)10内包层外直径c与外芯外直径b之比(c/b)2外包层外直径d与内包层外直径c之比(d/c)2.1其中，b/a是外芯外直径b与内芯外直径a之比；c/b是内包层外直径c与外芯外直径b之比(c/b)；和d/c是外包层外直径d与内包层外直径c之比。此时外芯20的外直径为29μm。
在两个实施例中，所得光纤的MFD是9.8μm；在2m基准长度下的截止波长为1.68μm；和零色散波长为1.58μm。
对于选择用来在1.55μm波长带中光传输的色散移位光纤，通常选择1.55μm或更小的截止波长，其短于2m基准长度下的信号光波长(根据CCITT-G.653的测量)。
当用于截止波长的一般评估的基准长度为2m那样短时，不仅传输光的基本模(fundamental mode)而且高次模(higher-order mode)也通过色散位移光纤传播。在本发明中，截止波长比信号光波长(1.55μm)长。然而，高次模与基本模相比以更高的速率在色散位移光纤中传播期间衰减，于是如果传播长度是几千米，则高次模变得比基本模足够地小。因此，当传播距离长至几百至几千千米时，类似于海底通信电缆，高次模没有问题。
在第一与第二实施例的制造方法中，多孔玻璃体(第一多孔玻璃体)直接成形在纤芯玻璃预型51的外表面上。有关每个实施例的光纤本发明人证实，1.38μm光的吸收峰值大小Δα1.38相对地与0.8dB/km一样小，Δα1.38代表OH吸收的影响，且其对信号光波长带的影响小。
本发明人也证实通过第一与第二实施例的制造方法所获得的两个光纤对于1.55μm光具有令人满意的0.22dB/km的传输损耗。
如上所述，第一实施例的光纤1是具有压低包层型分布的色散位移光纤，其中外芯的外直径大至25-40μm，于是能实现较大的MFD。
当外芯的外直径设置为较大时，诸如VAD或OVD等气相合成能重复地用于制造预型(尤其是形成第一与第二多孔玻璃体)。
根据第二实施例，除了第一实施例效果之外还能获得下面的效果。在制造作为预期内外包层的预型区的过程中，在加热(用氟注入多孔玻璃体的过程)第一或第二组合预型时环境中所含的氟原材料浓度设置为高于在使第一或第二组合预型透明时环境中的氟原材料浓度。当氟浓度在所得光纤的内外包层的玻璃区中从内区至外围区沿径向降低(折射率增加)时，能阻止预型中磁泡(bubble)的形成或预型自身的变形。另外，能有效地防止加热过程中的变形或制造期间预型表面上或在所得光纤表面上的裂纹。
因此从上述的发明中，显然本发明可以以多种方式进行变化。这样的变化不认为是离开本发明的精神与范围。
权利要求
1.一种主要含有硅玻璃的光纤，包括具有预定折射率的第一芯；第二芯，围绕所述第一芯的外围设置并具有比所述第一芯的折射率低的折射率和25至40μm的外直径；第一包层，围绕所述第二芯的外围设置并具有比所述第二芯的折射率低的折射率；以及第二包层，围绕所述第一包层的外围设置并具有比所述第一包层折射率高但比所述第二芯折射率低的折射率。
2.根据权利要求1所述的光纤，其中所述第一芯包括至少含有二氧化锗的玻璃区；所述第二芯包括没有故意搀入二氧化锗的玻璃区；所述第一包层包括至少含有氟的玻璃区；和所述第二包层包括含有氟的玻璃区。
3.根据权利要求1所述的光纤，其中，所述第一芯、所述第二芯和所述第一包层含有氯。
4.根据权利要求3所述的光纤，其中，所述第二包层含有氯。
5.根据权利要求3所述的光纤，其中，所述第一包层中的氯含量低于所述第一与第二芯中的氯含量。
6.根据权利要求1所述的光纤，其中，所述第一包层的折射率在从其内侧朝向其外侧的径向上增加，和所述第二包层的折射率在从其内侧朝向其外侧的径向上增加。
7.根据权利要求6所述的光纤，其中，所述第一与第二包层含有氟作为调整折射率的掺杂剂。
8.根据权利要求7所述的光纤，其中，所述第一芯包括至少含有二氧化锗的玻璃区；和所述第二芯包括没有故意搀入二氧化锗的玻璃区。
9.一种制造权利要求1所述光纤的方法，包括第一步骤，利用气相合成形成一个多孔预型，其沿纵向的中心部分对应于所述第一芯，而围绕所述中心部分的外围部分对应于所述第二芯；第二步骤，烧结所述多孔预型以获得纤芯玻璃预型；第三步骤，将所述纤芯玻璃预型拉长至所希望的外直径，并且利用气相合成将对应所述第一包层的第一多孔玻璃体沉积在所述拉长的纤芯玻璃预型的外表面上以便获得第一组合预型；第四步骤，在含有氟原材料的环境中烧结所述第一组合预型以便获得中间预型；第五步骤，将所述中间预型拉长至所希望的外直径，并且利用气相合成将对应于所述第二包层的第二多孔玻璃体沉积在所述拉长的中间预型的外表面上以便获得第二组合预型；第六步骤，烧结所述第二组合预型以便获得光纤预型；和第七步骤，在加热所述光纤预型一端的同时牵拉所述光纤预型。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，在第七步骤中，牵拉所述光纤预型，使得所得到的光纤的所述第二芯的外直径落在25-40μm范围内。
11.根据权利要求9所述的方法，还包括在第一与第二步骤之间设置第一加热过程，所述第一加热过程在含有卤气的环境中加热第一步骤中所得到的所述多孔预型；和在第三与第四步骤之间设置第二加热过程，所述第二加热过程在含有卤气的环境中加热第三步骤中所得到的所述第一组合预型。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，卤气含有SiCl4。
13.根据权利要求11所述的方法，还包括在第五与第六步骤之间设置第三加热过程，所述第三加热过程在含有卤气的环境中加热第五步骤中所得到的所述第二组合预型。
14.根据权利要求9所述的方法，其中，在第六步骤中，在含有氟原材料的环境中烧结所述第二组合预型。
15.根据权利要求9所述的方法，其中，在第五步骤中，在加入氟化物气体的同时，所述第二多孔玻璃体沉积在所述中间预型的所述外表面上。
16.一种主要含有硅玻璃的光纤，包括具有预定折射率的第一芯；第二芯，围绕所述第一芯的外围设置并具有比所述第一芯折射率低的折射率；第一包层，围绕所述第二芯的外围设置，并具有比所述第二芯折射率低的折射率，所述第一包层的折射率在从其内侧朝向其外侧的径向上增加；和第二包层，围绕所述第一包层的外围设置并具有比所述第一包层折射率高的折射率，所述第二包层的折射率在从其内侧朝向其外侧的径向上增加。
17.根据权利要求16所述的光纤，其中，所述第一与第二包层至少含有氟作为调整折射率的掺杂剂。
18.根据权利要求17所述的光纤，其中所述第一芯包括至少含有二氧化锗的玻璃区；和所述第二芯包括没有故意搀入二氧化锗的玻璃区。
19.一种制造权利要求16所述的光纤的方法，包括第一步骤，利用气相合成形成一个多孔预型，其沿纵向的中心部分对应于所述第一芯，而其围绕所述中心部分的外围部分对应于所述第二芯，并烧结所述多孔预型以获得纤芯玻璃预型；第二步骤，将所述纤芯玻璃预型拉长至希望的外直径，在预定温度下在含有预定浓度的氟原材料的环境中加热利用气相合成将对应所述第一包层的第一多孔玻璃体沉积在所述拉长的纤芯玻璃预型外表面上获得的第一组合预型，并且在环境温度增加且环境中所含的氟原材料浓度改变之后使所述第一组合预型透明，从而获得中间预型；和第三步骤，将所述中间预型拉长至预定的外直径，在预定温度下在含有预定浓度的氟原材料的环境中加热利用气相合成将对应于所述第二包层的第二多孔玻璃体沉积在所述拉长的中间预型的外表面上所获得的第二组合预型，并且在环境温度增加和环境中含有的氟原材料浓度变化之后使所述第二组合预型透明，从而获得光纤预型。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，在第二步骤中，加热所述第一组合预型时环境中的氟原材料浓度设置得高于使所述第一组合预型透明时环境中的氟原材料浓度；和在第三步骤中，加热所述第二组合预型时氟原材料浓度设置得高于使所述第二组合预型透明时氟原材料的浓度。
全文摘要
在本发明的光纤中,增加MFD以便有效地抑制非线性光效应的影响。制造光纤的方法有效地阻止磁泡在透明预型中的出现、预型的变形和在制造期间在预型表面上的裂纹。光纤从其中心至外围部分包括:具有第一折射率n
文档编号C03B37/014GK1186248SQ9710937
公开日1998年7月1日 申请日期1997年12月27日 优先权日1996年12月27日
发明者横山佳生, 浦野章, 弹俊雄, 加藤考利 申请人:住友电气工业株式会社