CN107619183A - 多芯光纤的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于制造多芯光纤的方法，该多芯光纤包括由纯石英玻璃制成的多个芯，并且表现出较小的传输损耗。根据本发明的制造多芯光纤的方法为制造这样的多芯光纤的方法，该多芯光纤包括由实质上不含Ge的纯石英玻璃制成的多个芯和包围所述多个芯并由含氟石英玻璃制成的包层。该多芯光纤是通过以满足关系0.06g/μm2<T/S<0.4g/μm2的拉制张力T拉制光纤母材而制造的，其中S是所述多个芯的总的截面积。

Description

多芯光纤的制造方法
技术领域
本发明涉及多芯光纤的制造方法。
背景技术
纯石英芯光纤包括由实质上不含Ge的纯石英玻璃制成的芯和包围所述芯并由含氟石英玻璃制成的包层。通常，纯石英芯光纤在芯中的瑞利散射低，因此与包括由含Ge石英玻璃制成的芯的光纤相比，呈现出更小的传输损耗。
当通过拉制光纤母材来制造纯石英芯光纤时，因为芯的粘度高于包层的粘度，所以拉制张力集中在芯中，结果，在芯中产生残余应力。已知的是，芯中的残余应力可使纯石英芯光纤经历折射率分布的变化或表现出会使传输损耗增加的玻璃缺陷(参见Y.Hibino等人，J.Appl.Phys.，第65卷，第30-34页)。因此，制造纯石英芯光纤时的拉制张力优选为较低。
然而，过低的拉制张力增加了光纤在缩颈部和卷取辊之间振动的可能性，并且在纵向方向上显示出纤维直径和芯直径的变化。芯直径的略微变化可导致传输损耗的增加。因此，拉制张力具有优选的范围。
在多芯光纤包括由实质上不含Ge的纯石英玻璃制成的多个芯和包围所述多个芯并由含氟石英玻璃制成的包层的情况中，由芯中的残余应力引起的折射率分布的变化会影响多个芯中的两个相邻芯之间的串扰。据认为，通过使用低的拉制张力或者设置一些用于降低芯中的张力的其它高粘度区域，有效地避免了这样的问题(参见JP 2011-215556A)。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种多芯光纤的制造方法，该多芯光纤包括由纯石英玻璃制成的多个芯，并且表现出较小的传输损耗。
根据本发明的制造多芯光纤的方法制造了这样的多芯光纤，该多芯光纤包括由实质上不含Ge的纯石英玻璃制成的多个芯和包围所述多个芯并由含氟石英玻璃制成的包层。该方法包括以满足关系0.06g/μm2<T/S<0.4g/μm2的拉制张力T来拉制光纤母材，其中S是所述多个芯的总的截面积。在本说明书中，“实质上不含Ge的纯石英玻璃”是指含有浓度为0.01重量％以下的GeO2的石英玻璃，该浓度仅可导致可以忽略不计的折射率增加。
根据本发明的另一方面，该方法包括以满足关系1,200g≤T/(S/Sf)≤11,000g的拉制张力T来拉制光纤母材，其中Sf是所述纤维的截面积，并且S是所述多个芯的总的截面积。
在根据这些方面的制造多芯光纤的方法中，优选以这样的拉制张力来拉制所述光纤母材，该拉制张力使得所述多个芯中的每一个的残余应力为100MPa以下。
根据本发明的又另一方面的制造多芯光纤的方法制造了这样的多芯光纤，该多芯光纤包括由实质上不含Ge的纯石英玻璃制成的N个芯和包围所述N个芯并由含氟石英玻璃制成的包层。该方法包括以满足关系3g×N≤T≤20g×N的拉制张力T来拉制光纤母材。该拉制张力T更优选满足关系3g×N≤T≤10g×N。在根据该方面的制造多芯光纤的方法中，优选以这样的拉制张力来拉制所述光纤母材，该拉制张力使得所述N个芯中的每一个的残余应力为100MPa以下。
根据本发明，可以制造这样的多芯光纤，其包括由纯石英玻璃制成的多个芯并且表现出较小的传输损耗。
附图说明
图1为示出根据一个实施方案的制造多芯光纤的方法的流程图。
图2为示出拉制张力T和传输损耗之间的关系的图。
图3为示出单位芯截面积的张力T/S与传输损耗之间的关系的图。
图4为示出T/(S/Sf)与传输损耗之间的关系的图。
图5为示出拉制张力T和传输损耗之间的关系的图。
图6为示出拉制张力T和传输损耗之间的关系的图。
图7为示出每个芯的拉制张力T/N与传输损耗之间的关系的图。
具体实施方式
现在将参考附图对本发明的优选实施方案进行详细描述。本发明并不限于这些实施方案并且由所附权利要求限定。落入权利要求的等同形式的含义和范围内的所有改变均包括在其范围内。
通过光纤母材的拉制的研究和开发过程，本发明人作出了以下发现。当以这样的拉制张力来制造包括由纯石英玻璃制成的多个芯的多芯光纤时，多芯光纤可能呈现出较大的传输损耗，该拉制张力等于或低于制造包括由纯石英玻璃制成的单个芯的单芯光纤的拉制张力。这可能是因为在多芯光纤中，张力分布在芯上，并且施加在各个芯上的张力过低。因此，优选的是，制造包括由纯石英玻璃制成的多个芯的多芯光纤的拉制张力高于制造包括由纯石英玻璃制成的单个芯的单芯光纤的拉制张力，并且根据芯的数目和总的芯截面积而适当设定拉制张力。
图1为示出根据一个实施方案的制造多芯光纤的方法的流程图。通过芯棒制备步骤、芯棒加工步骤、第一塌缩步骤、玻璃管制备步骤、蚀刻步骤和第二塌缩步骤来制备用于制造多芯光纤的光纤母材。通过在拉制步骤中拉制光纤母材来制造多芯光纤。
在芯棒制备步骤中，制备将作为多芯光纤的芯的芯棒。该芯棒由实质上不含Ge的纯石英玻璃制成。可以通过制备光纤用玻璃棒的常用方法来制备芯棒，例如气相轴向沉积(VAD)、外部气相沉积(OVD)或改性化学气相沉积(MCVD)。该芯棒中优选含有浓度为0.1ppm以下的OH。Ge和其他金属优选以导致0.1dB/km以下的传输损耗的浓度或低于该浓度而包含在芯棒中。VAD适用于制备由这种高纯度石英玻璃制成的芯棒。
在芯棒加工步骤中，通过进行热拉伸和外周磨削将上述芯棒加工成所需尺寸的芯棒。在热拉伸中，使用氢氧燃烧器作为热源。结果，芯棒的外周被氢氧焰引起的OH杂质污染，然后通过外周磨削除去OH杂质。在下述实施例1中，该芯棒通过热拉伸而被加工成具有13mm的直径，然后通过外周磨削成具有7mm的直径。
在第一塌缩步骤中，将上述芯棒***玻璃管中，并且通过棒塌缩法(rod-in-collapse method)将芯棒和玻璃管一体化。这里使用的玻璃管是由含氟石英玻璃制成的管，该玻璃管相对于纯石英玻璃的折射率差(|(n玻璃管-n纯石英)/n纯石英|)为(例如)0.4％至0.7％。多芯光纤中可能出现的问题是多个芯中的两个相邻芯之间的串扰。为了减少这种串扰，优选的是在芯的外周周围设置包层，该包层的折射率充分小于芯的折射率。因此，玻璃管的相对折射率差优选为0.4％以上。过高的氟浓度会导致氟引起的散射损耗的增加。因此，玻璃管中的氟浓度优选为使得相对折射率差为0.7％以下。
在玻璃管制备步骤中，制备了将作为多芯光纤的共同包层的具有多个孔的玻璃管。制备了由含氟石英玻璃制成的圆柱，该圆柱的相对折射率差为(例如)0.1％至0.4％，并且在圆柱内形成多个孔以在轴向方向上贯穿该圆柱，从而制备玻璃管。玻璃管中的孔的数量和位置对应于待制造的多芯光纤中的芯的数量和位置。孔之间的空间优选地被设计成使得每100km的串扰为50dB。在下述实施例1中，在玻璃管中形成7个孔，使得多芯光纤中的芯-芯间距为45μm。
在蚀刻步骤中，进行蚀刻以去除附着在上述玻璃管制备步骤中制备的玻璃管的表面的外来物质。外来物质包括可导致损耗增加的痕量金属，可引起气泡的有机物质，以及可导致OH损耗增加的水。在蚀刻中，将卤素气体供至加热到高温(通常为1500℃以上)的玻璃管的孔内，以使孔的表面的石英玻璃与卤素气体反应，从而气相处理石英玻璃以除去外来物质，同时还将含氟气体(例如，HF、NF3或SF6)供至孔中，从而气相蚀刻孔的表面的石英玻璃以清结玻璃管的内表面。玻璃管的孔的表面的清洁不需要通过气相法进行，并且可以通过使用HF水溶液等的液相法进行。
在第二塌缩步骤中，将已经通过第一塌缩步骤的芯棒***到已经通过蚀刻步骤的玻璃管的多个孔中的每一个孔，并且通过使用诸如氢氧燃烧器、感应加热炉或电阻加热炉之类的热源对玻璃管的外部进行加热来使芯棒和玻璃管一体化，由此制备光纤母材。
在拉制步骤中，通过加热和软化光纤母材的一个端部来拉制该母材以制造多芯光纤。根据多芯光纤的芯的数目和总的芯截面积来适当设定该步骤中的拉制张力。
表1示出了实施例1的多芯光纤的制造条件等。
表1
在表中，T表示拉制张力，S表示总的芯截面积，以及Sf表示光纤截面积。确定1,550nm波长处的传输损耗。在实施例1中，光纤的外玻璃直径为180μm，平均芯直径为8μm，并且芯的数目N为7。
表2示出了实施例2的多芯光纤的制造条件等。
表2
在实施例2中，光纤的外玻璃直径为140μm，平均芯直径为8μm，并且芯的数目N为4。
表3示出了实施例3的多芯光纤的制造条件等。
表3
在实施例3中，光纤的外玻璃直径为180μm，平均芯直径为11μm，并且芯的数目N为4。
表4示出了比较例的单芯光纤的制造条件等。
表4
在比较例中，光纤的外玻璃直径为125μm，平均芯直径为8μm，并且芯的数目N为1。
图2为示出拉制张力T与传输损耗之间的关系的图。图3为示出单位芯横截面积的张力T/S与传输损耗之间的关系的图。实心正方形表示外玻璃直径为180μm且平均芯直径为11μm的4芯光纤，并且空心菱形表示外玻璃直径为160μm且平均芯直径为8μm的4芯光纤。
在拉制步骤中，由于拉制张力分布在多个芯上，所以施加在单位芯截面积的玻璃上的张力随着总的芯截面积S的增加而减小。玻璃上的减小的张力可以抑制传输损耗的增加，该传输损耗可能是由玻璃变形引起的玻璃缺陷导致的。
图2示出了当两根4芯光纤具有不同的平均芯直径时，其在不同的拉制张力下表现出传输损耗的增加。图3示出了不管平均芯直径的差异如何，当单位芯截面积的张力T/S超过0.4g/μm2时，两根4芯光纤都表现出传输损耗的增加。因此，当通过拉制光纤母材来制造多芯光纤时，可以由单位芯截面积的张力T/S来确定拉制张力T的优选范围。从图3中可以看出，单位芯截面积的张力T/S优选为0.05至0.4，并且在该范围内，可以保持小的传输损耗。
图4是示出T/(S/Sf)与传输损耗之间的关系的图。该图表明，当T/(S/Sf)在11,000以下的范围内时，无论芯的数目N、总的芯截面积S和光纤截面积Sf如何，传输损耗对T/(S/Sf)的依赖性相互一致。已知的是，当芯由纯石英玻璃制成时，拉制步骤期间的张力集中在芯部。然而，据认为，由于包层部也具有一定的粘度，所以拉制张力被分布到包层部以减小作用在芯部上的实际张力。因此，据认为，即使光纤具有相同的芯截面积，随着总的芯截面积S与光纤截面积Sf的比率增加，作用在芯上的张力也增加。因此，从图4中可以看出，T/(S/Sf)优选在1,200至11,000的范围内，并且在该范围内，可以保持小的传输损耗。
在制造包括由纯石英玻璃制成的多个芯的多芯光纤中，在拉制步骤中拉制张力分布在多个芯上。因此，可以通过使用比单芯光纤的拉制张力高的拉制张力来降低多芯光纤的传输损耗。在这种情况中，当每个芯的张力T/N小于3g时，会发生与波长无关的损耗增加，这可能是由于芯直径的微小变化而导致的。相反，当每个芯的张力T/N大于20g时，短波长侧的传输损耗增加。这可能是由于由玻璃缺陷导致的传输损耗增加，该增加在波长为630nm处达到峰值。
当每个芯的张力为50g以下时，单芯光纤没有显示出明显的损耗增加，而当每个芯的张力超过20g时，多芯光纤显示出损耗增加。这可能是因为，在多芯光纤中，设置了多个芯而由此减小了包层的截面积，结果拉制张力更可能作用在芯上。
图5示出了拉制张力T与纤维直径为180μm且平均芯直径为8μm的7芯光纤的传输损耗之间的关系。图6示出了拉制张力T与纤维直径为160μm且平均芯直径为8μm的4芯光纤的传输损耗之间的关系。
在图5中，在21g至零的范围内，传输损耗随着张力的减小而增加。在较高的张力下，当张力为140g以下时，对于每10g的张力，损耗增加的张力依赖性低至约0.001dB/km，而当张力为140g以上时，对于每10g的张力，损耗增加的张力依赖性高达约0.02dB/km。从该结果可以推测，用于制造具有较小损耗的多芯光纤的最佳张力为21g至140g。
在图6中，在12g至零的范围内，传输损耗随着张力的减小而增加。在较高的张力下，当张力为100g以下时，对于每10g的张力，损耗增加的张力依赖性低至约0.002dB/km，而当张力为100g以上时，对于每10g的张力，损耗增加的张力依赖性高达约0.01dB/km。从该结果可以推测，用于制造具有较小损耗的多芯光纤的最佳张力为12g至100g。
图7是示出每个芯的张力T/N与传输损耗之间的关系的图。该图示出了T/N与外玻璃直径为180μm且平均芯直径为8μm的7芯光纤(用实心正方形表示)的传输损耗、与外玻璃直径为160μm且平均芯直径为8μm的4芯光纤(由中空菱形表示)的传输损耗、以及与外玻璃直径为125μm且平均芯直径为8μm的单芯光纤(用空心圆表示)的传输损耗之间的关系。
图7示出当每个芯的张力T/N为3g以下时，所有光纤呈现出传输损耗的增加。当每个芯的张力T/N为20g以下时，对于每10g的张力，所有光纤呈现出低至0.05dB/km以下的传输损耗增加，因此实现较小的传输损耗。这表明，优选通过以满足关系3×N≤T≤20×N的拉制张力T拉制光纤母材来制造多芯光纤。更优选地，通过以满足关系3×N≤T≤10×N的拉制张力T拉制光纤母材来制造多芯光纤。
已知的是，当制造包括由纯石英玻璃制成的芯的光纤时，在拉制步骤中拉制张力集中在高粘度的芯部，结果，玻璃缺陷导致传输损耗的增加。如上所述，优选范围内的拉制张力可以实现较小的传输损耗。
然而，当通过试验的方式来实际制造多芯光纤时，特定的芯可能呈现出传输损耗的增加，并且损耗增加的芯的残余应力高于其它芯的残余应力。这可能是因为，由于芯的布置方式或者因玻璃芯中氯浓度的差异引起的芯之间粘度的略微差异，导致张力不一定均匀分布在芯中。在这种情况下，对于各种样品(例如在拉制的早期阶段的纤维样品，和通过拉制具有相同组成的不同光纤母材而制造的光纤样品)，测量芯的残余应力以确定最佳的拉制张力，该最佳拉制张力使每个芯的残余应力为100MPa以下，由此可以降低每个芯的传输损耗。

Claims (7)

1.一种制造多芯光纤的方法，所述多芯光纤包括由实质上不含Ge的纯石英玻璃制成的多个芯和包围所述多个芯并由含氟石英玻璃制成的包层，
所述方法包括以满足关系0.06g/μm2<T/S<0.4g/μm2的拉制张力T来拉制光纤母材，其中S是所述多个芯的总的截面积。
2.根据权利要求1所述的制造多芯光纤的方法，
其中以这样的拉制张力来拉制所述光纤母材，该拉制张力使得所述多个芯中的每一个的残余应力为100MPa以下。
3.一种制造多芯光纤的方法，所述多芯光纤包括由实质上不含Ge的纯石英玻璃制成的多个芯和包围所述多个芯并由含氟石英玻璃制成的包层，
所述方法包括以满足关系1,200g≤T/(S/Sf)≤11,000g的拉制张力T来拉制光纤母材，其中Sf是所述纤维的截面积，并且S是所述多个芯的总的截面积。
4.根据权利要求3所述的制造多芯光纤的方法，
其中以这样的拉制张力来拉制所述光纤母材，该拉制张力使得所述多个芯中的每一个的残余应力为100MPa以下。
5.一种制造多芯光纤的方法，所述多芯光纤包括由实质上不含Ge的纯石英玻璃制成的N个芯和包围所述N个芯并由含氟石英玻璃制成的包层，
所述方法包括以满足关系3g×N≤T≤20g×N的拉制张力T来拉制光纤母材。
6.根据权利要求5所述的制造多芯光纤的方法，
其中所述拉制张力满足关系3g×N≤T≤10g×N。
7.根据权利要求5或6所述的制造多芯光纤的方法，
其中以这样的拉制张力来拉制所述光纤母材，该拉制张力使得所述N个芯中的每一个的残余应力为100MPa以下。
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