CN1097034C - 光学纤维预形体及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种光学纤维预形体,优选的是多-模类光学纤维预形体的制造方法,所述光学纤维按照其纤维轴具有最大折射指数和在表面具有较低折射指数。这种方法是在管(20)内部,沉积了一些相继的层,其折射指数从直径较大的第一层增加直到中心层,每层是由管(20)内彼此反应的气体(24)生成的,并且在不同层之间改变气体的比例以便改变其折射指数。根据本发明,选择管(20)中一些气体(24)的加入速度(v),以便使折射指数的径向曲线沿纵向方向均匀。
Description
本发明涉及一种光学纤维预形体及其制造方法。
光学纤维一般是用二氧化硅制造的;其直径是约125微米(μm)。
多模光学纤维的二氧化硅被掺杂。例如锗在中心,即在纵轴上的掺杂量最高,所述掺杂量从中心到表面降低。这样一来折射指数n在中心是最高的,其值是约1.48,在周边是最低的,其值约1.45,这是纯二氧化硅的折射指数。
这种纤维的性能取决于指数值和指数曲线的规律性。如果该折射指数曲线是有规律的,即如果折射指数从中心到周边是连续地或准连续地改变,和如果这种曲线的曲率选择合理,则该通带是高的。另外,这种通带取决于折射指数曲线的纵向均匀性。与这些条件相比任何偏差,即如果折射指数的梯度具有不连续性和/或沿纵向方向是不均匀的,都可引起这种通带的降低。最后,这种折射指数曲线的变动或波动可能较小地改变通带。
为了制造具有令人满意的折射指数梯度的光学纤维,以下述方式进行操作:由纯的二氧化硅管开始,例如由外径为28-36毫米、内径24-32毫米的二氧化硅管开始,在其内壁上相继沉积其掺杂从开始(直径最大)增加到最后(直径最小)的层。层数一般是几十层。
所使用的方法是一种称之MCVD的方法,即“改进的化学蒸汽沉积法”
为了沉积第一层,在二氧化硅管内循环一种有氧或其他氧化剂的四氯化硅SiCl4流,加热该二氧化硅管,优选的是通过外部加热二氧化硅管。加热的长度相当短;为了在最大部分二氧化硅管上生成这一层,让这种加热设备从管的进口移动到管的出口。一般地,在实施该方法的过程中让这种管沿其轴旋转。
这种加热导致氧化四氯化硅,因此生成了二氧化硅SiO2,放出氯。这种二氧化硅沉积在该二氧化硅管的内壁上,构成第一层。
以同样的方式进行后续的这些层,但是这些层使用的气体还含有用于进行掺杂的四氯化锗。四氯化锗的量从第二层到最后一层的变化方式导致达到每层所要求的掺杂,因此达到每层所要求的折射指数。
在最后一层沉积之后,还有一个由于主要是加热该管的缩口操作而除去的轴向开口。这时得到一个实心圆柱体,其外径为约2厘米、长度约1米。这种圆柱体即棒被称作第一预形体。然后,一般地用二氧化硅包覆(或“再充填”)这种预形体,以便得到所要求的直径,例如3-4厘米。
严格说来光学纤维是用这样一些预形体采用拉制方法制造的。于是,长度约1米、外径3厘米的预形体可提供约50千米直径125微米的光学纤维。
上面已提到的预形体的制造方法例如在欧洲专利申请301797中已描述过。
人们知道,当采用MCVD方法制造一种预形体时,大部分长度的预形体的折射指数曲线与其余部分长度的这种预形体的曲线是不同的。这种纵向不均匀性造成用这部分预形体制造的光学纤维的通带降低。就余下的长度而言,折射指数曲线的不均匀性出现在加入气体的一侧,从进口开始,即其上这些沉积物不足的第一部分之后。这第一部分的长度约十五厘米。第二部分具有的折射指数曲线的曲率是可变的,并且与预形体余下部分的相应曲率不同,这第二部分例如在第一部分之后延伸约10-15厘米。就余下部分而言,第二部分的掺杂梯度不均匀性或折射指数不均匀性影响了由这部分预形体或由余下的预形体得到的光学纤维的通带。简言之,就余下的预形体来说,约15%预形体是无用的,至少同样比例,甚至高得多的比例的这个长度具有折射指数曲线的不均匀性,这些值只是作为提示性给出的,无论如何人们都可看到,上面指出的不均匀性随着沉积层的截面而增加。今天这种缺陷还特别不利,因为人们寻求获得越来越大直径的预形体。
本发明的预形体的特征在于该预形体没有具有不同通带的第二长度。于是,这种预形体仅仅具有两个部分,即无用的、沉积不足的进口部分和管的其余部分,沿着这其余部分,折射指数径向梯度从开始到另一端都是同样的。
本发明还涉及这种预形体的生产方法。这种方法的特征在于对于每一层来说,选择制造一些相继层所使用气体的加入速度,以便达到折射指数曲线的纵向均匀性。优选地,这些层中的任何一层的这种速度不太改变,或基本上是不变的。
本发明从这种事实出发,在多模光学纤维预形体的已知制造方法中,在第一沉积层与最后沉积层之间,通入管中气体的速度变化非常显著,正是速度变化这样大,才导致形成所述管的第二部分,这一部分折射指数曲线的曲率不同于管最后部分同样曲线的曲率。
具有不同曲率的这一部分折射指数曲线的形成可作如下解释:沿着轴向以一定速度v往管中加入的这些气体,仅仅从与该速度v和与暴露于气体之中的壁的半径直接相关的横轴起在管内壁上开始产生沉积。于是,当沉积前面一些层时,这些层的速度v是最高的,在距管的进口最远的距离开始沉积。对于最后一些层,气体加入速度v是最小的,在距管进口显然较近的距离开始沉积。
另外,本发明中气体加入速度v是可控制的,设想可以达到一些层的起始横轴总是相同的。
不过,本发明并不限于这种解释。一些层的起始横轴总是同样的不是必要的。
为了控制一些气体的进入速度,同时保持径向折射指数曲线的纵向均匀性,在一种实施方式中,改变一层与另一层氧(或其他氧化剂)的流量。与已知的方法相反,没有对氧流量进行限定,如允许反应的产率不变。
与现有的已知方法相比,这种氧流量的变化导致(为了保持所希望的曲线)使生成二氧化硅和锗(掺杂产物)的一些气体的流量发生改变成为必要条件,为了保持曲线的品质也应如此。但是试验表明这些生成二氧化硅和锗的一些气体的流量变化对一些气体的速度影响相当小,这使得对这种生产进行控制相当容易。
换句话说,尽管生成二氧化硅和锗的一些气体的流量以及一些层的参数应该与这些气体的加入速度v相关联,但是不管怎样都可以控制这种速度v,因为生成气体的流量变化仅仅对这些气体的速度起二级作用。
通过一些实施方式的描述可体现出本发明的其他特征与优点,参照下面的附图进行了这种描述,其中:
图1a是光学纤维截面图,
图1b是表示图1a纤维内部折射指数(沿径向)变化曲线图,
图2是生产过程中光学纤维预形体的截面图,
图3是在该现有技术中一种预形体的生产方法示意图,
图4是说明本发明预形体和方法的示意图,
图5是涉及本发明方法的图。
图1a是多模纤维光导体剖面图。光学纤维10的直径约125微米。纤维用涂层12加以保护。
这种多模光学纤维10应该具有在图1b上表示的折射指数“n”曲线。在这个图上,坐标原点“O”相应于该截面的中心14,即在纤维10的纵轴上,和横坐标“r”和“-r”相应于该纤维表面16。
纤维10是用二氧化硅SiO2制造的。在表面,二氧化硅SiO2是纯的。因此折射指数值在横坐标r和-r和这些坐标附近是1.45。相反地,中心掺杂了锗,这样改变了折射指数。在中心14,折射指数值是1.48,这个折射指数值沿着朝向表面的方向逐渐降低,如曲线18(图1b)所表示的。
为了这种光学纤维合理运行,特别是为了一种最佳通带,重要的是曲线18应该是有规律的。这种曲线18波动最小也是可取的。
这种结果是通过控制生产纤维10达到的。
为了生产这样一种纤维,(以本身已知的方式)按照下述方式进行:
由内径30毫米、外径34毫米、总长度“L”例如为1-1.4米的二氧化硅管20(图3)开始。在这种二氧化硅管20中,由其进口端22加入用箭头24表示的气体。采用所述的MCVD方法制作许多相继的层261、262......26n,,这些层的掺杂从层261改变到26n(图2),以便得到在图1b上所表示的折射指数曲线18。层261是在管20内壁21上沉积的第一层。第二层262沉积在第一层上,依此类推。
在这个实施例中,一些层的截面从表面261降低直到中心层26n为止。中心层26n的锗掺杂量是最高的,且沿着朝向表面的方向降低。第一层261没有被掺杂。
实际上,为了制作第一层261,气体24只含有四氯化硅SiCl4和氧。其方法是让氧与四氯化硅进行反应,以便按照下述反应得到二氧化硅SiO2:
后续的这些层是以同样的方式得到的,但是加入四氯化锗GeCl4以便进行掺杂。
为了得到其截面从表面261降低直到中心层26n为止的那些层,一般一层一层降低总氯化物流量。
使用一台加热设备30(如燃烧嘴)从进口开口22直到出口28端为止沿纵向方向逐渐地制作每一层,所述的设备从进口22向出口28沿这个方向和箭头“F”的方向移动。因此,这台加热设备30以外部加热方式局部加热管20,一方面启动生成二氧化硅SiO2和掺杂产物的化学反应,另一方面使所得到的物质玻璃化。
为了使一些层的制作一致,该管20沿轴201旋转。
在制作各层之后,得到一种如图2所表示的管状产品,即它有一个中心孔32。进行加热整个产品旨在使中心开口32消失的缩口操作时结束了这种预形体的制造。
人们看到使用直到现在还使用的方法,所得到的这种预形体沿其轴有三个部分:长度为L1的第一部分34,在这一部分不存在这些层,或这些层的厚度很小,长度为L2的第二部分36,有点接近于长度L1,这部分的折射指数曲线18不是最佳的,总是不能满足规格要求,因此往往是接近于废弃的边缘,最后第三部分38,长度为Lp,这部分折射指数曲线18品质实际上是不变的,原则上是最佳的。人们还看到,长度L2随沉积截面和一些层的截面梯度而增加。
为了使这些气体通过管20,这些气体24以必须保持不可忽略不计的速度v穿过这根管20这种事实可解释(简化方式)长度为L1的部分34。因此,只能在横轴L1以外进行这些固体的沉积。在缩口后,部分34构成预形体的圆锥形或截锥形部分。
部分36的折射指数曲线18与部分38的曲线是不同的,其根源在于如下事实:制作第一层261时,气体24的速度v是最高的,而制作最后一层26n时是最低的。于是,对于最后一层来说,这些沉积的出现比第一层更接近端22。箭头242象征性地表示第一层261的生成起点,而箭头243同样象征性地表示层26n的生成起点。
本发明的预形体是只包括两部分34和38(图4)的预形体,该预形体没有部分36。
为了得到这样一种预形体,在一个实施例中,气体24的加入速度在制作各层261、262......26n的过程中基本保持不变。这样一来,部分38在横轴L1处开始。
这种方法可由图4上的箭头244作出说明。
关于“速度基本不变”,应当理解为从第一层到最后一层速度都不改变或很少改变。所述速度不必严格地不变。例如,在第一层与最后一层之间稍微增加该速度可能是有利的。事实上,随着一些层的沉积,其内径减小,这样的结果是,如果该速度不变的话,则在横轴上一些层的生成起点稍微降低。相反地,如果该速度稍微增加,在横轴上一些层的起点可能仍然不变。
与现有的已知技术相反,为了保持从第一层到最后一层气体24的速度244基本不变,改变氧的流量。这种流量的改变导致稀释度的改变。不言而喻,为了保持令人满意的折射指数曲线,相对于已知方法中所使用的流量,改变氧的稀释度导致改变硅和锗氯化物必需的流量。这些流量的改变是以经验方式决定的。人们还看到,尽管通过希望保持(控制)一些气体流量不变这一事实而附加了限制条件,但是人们能够容易得到所要求的折射指数曲线。一些气体的加入速度v实际上可以与SiCl4和GeCl4流量无关的方式进行调节。
一般地,例如借助氧的流量选择一些气体的速度,以便达到折射指数曲线纵向均匀性。
在图5上,横坐标原点相应于轴14,因此相应于最后的制作层。横轴r相应于内壁21,因此相应于第一层。在纵坐标上,标了流量Q。曲线42表示速度v保持不变时氧的流量变化。曲线40和44表示在相同条件下SiCl4和GeCl4各自的流量变化。
在这个实施例中,氧的流量42随该层的次序而降低。不过,这种降低的比例没有一些盐的总流量降低得多。
尽管描述了掺杂锗的二氧化硅纤维实施例,但是不言而喻,本发明也可扩展到任何其他的掺杂剂。另外,除了锗之外,可以考虑补充的掺杂剂,例如磷。
在一种往反应气体添加中性气体(如氦)的实施方案中,这种气体尤其可以用于控制一些气体的速度。
还可以使用能够制备二氧化硅SiO2的任何其他氧化性产品代替氧。
本发明还应用于制造单模纤维,其中折射指数曲线实际上是矩形的。于是,本发明通常涉及一种按照其纤维轴具有最大折射指数,在其表面具有较小折射指数的光学纤维的制造方法,这种方法具体是在管内沉积一些相继的层,如一些前面较大直径层的折射指数比一些中心层的折射指数低,每层都是由该管内彼此进行反应的气体生成的,为了改变折射指数要改变一些气体的比例,这种方法的特征在于选择加入该管中的气体速度v,以便使折射指数径向曲线沿纵轴方向均匀。
Claims (11)
1、一种按照其纤维轴(14)具有最大折射指数(n)和在表面具有较小折射指数的多-模光学纤维预形体(10)的制造方法,该方法具体包括下述步骤:
在管(20)内沉积一些相继的层(261、262......26n),其折射指数从其直径较大的第一层增加直到中心层,每层都是由该管(20)内彼此进行反应的气体(24)生成的,在不同层之间改变气体的比例,以便改变折射指数,
其特征在于选择该管(20)中气体(24)加入速度v,以便使折射指数的径向曲线沿纵向方向均匀,并且为了制作所有这些层(261、262......26n),速度v都应该保持基本相同。
2、一种按照其纤维轴(14)具有最大折射指数(n)和在表面具有较小折射指数的多-模光学纤维预形体(10)的制造方法,该方法具体包括下述步骤:
在管(20)内沉积一些相继的层(261、262......26n),其折射指数从其直径较大的第一层增加直到中心层,每层都是由该管(20)内彼此进行反应的气体(24)生成的,在不同层之间改变气体的比例,以便改变折射指数,
其特征在于选择该管(20)中气体(24)加入速度v,以便使折射指数的径向曲线沿纵向方向均匀,并且一些气体的加入速度v随制作层的次序而增加。
3、根据权利要求1或2的方法,其特征在于所述的管(20)是二氧化硅管。
4、根据权利要求3所述的方法,其特征在于这些气体含有一种硅盐、一种掺杂产品盐和一种氧化剂产品,并且在制作不同层时改变氧化剂产品的流量。
5、根据权利要求4所述的方法,其特征在于一些盐的流量(40)随该层的次序而降低,氧化剂产品的流量(42)也随该层的次序而降低,但是其降低的比例比一些盐流量降低的小。
6、根据权利要求3所述的方法,其特征在于这些气体包括硅的盐、掺杂产品盐和氧化剂产品,并且以与一些硅和掺杂产品盐的流量(40,44)无关的方式调节一些气体(24)的加入速度。
7、根据上述权利要求3的方法,其特征在于将一种中性气体添加到反应气体中。
8、根据上述权利要求3的方法,其特征在于选择速度v以便任何一层在横坐标上起始点(L1)是基本不变的。
9、用于制造一种其折射指数从中心到表面不断改变的多模光学纤维的预形体,所述折射指数按照轴(14)在中心比表面(16)高,其特征在于这种预形体在纵向方向有两个部分(34和38),第一部分(34)是进口圆锥体,第二部分(38)具有的折射指数(18)实际上在整个长度上都是不变的。
10、一种光学纤维(10)的制造方法,该光学纤维按照纤维轴(14)具有最大的折射指数(n),在其表面具有较低折射指数,这种方法具体包括下述步骤:
在管(20)内部,沉积一些相继的层,前面一些较大直径层的折射指数比一些中心层的折射指数低,每层是由管(20)内彼此反应的气体(24)生成的,并且改变一些气体的比例以便改变其折射指数,
其特征在于选择管(20)中一些气体(24)的加入速度(v),以便使折射指数的径向曲线沿纵向方向均匀,并且为了制作所有这些层(261、262......26n),速度v都应该保持基本相同。
11、一种光学纤维(10)的制造方法,该光学纤维按照纤维轴(14)具有最大的折射指数(n),在其表面具有较低折射指数,这种方法具体包括下述步骤:
在管(20)内部,沉积一些相继的层,前面一些较大直径层的折射指数比一些中心层的折射指数低,每层是由管(20)内彼此反应的气体(24)生成的,并且改变一些气体的比例以便改变其折射指数,
其特征在于选择管(20)中一些气体(24)的加入速度(v),以便使折射指数的径向曲线沿纵向方向均匀,并且一些气体的加入速度v随制作层的次序增加。
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