CN1295169C - 制造光纤预型件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供制作光纤预型件的方法，包括：(a)提供由第一材料制成的靶子棒，第一材料是二氧化硅或掺杂有掺杂物的二氧化硅；(b)借助等离子体焊炬，同时在靶子棒上面淀积和烧结按第一浓度掺杂有第一掺杂物的第一二氧化硅层，将第一二氧化硅层淀积和烧结到预定的第一厚度；(c)将淀积有第一二氧化硅层的靶子棒下拉到预定的第一直径，以形成掺杂的二氧化硅棒；(d)重复步骤(b)和(c)达到预定次数，或者直至第一材料包含了预定比例的所述掺杂的二氧化硅棒；(e)在掺杂的二氧化硅棒上淀积按第二浓度掺杂有第二掺杂物的由二氧化硅构成的第二层，将第二二氧化硅层淀积到预定的第二厚度以形成中间结构；(f)在中间结构上淀积第三层，将第三层淀积到预定的第三厚度以形成预型件构造，第三层的材料是纯二氧化硅或掺杂有掺杂物的二氧化硅。

Description

制造光纤预型件的方法
技术领域
本发明涉及到采用等离子体外部蒸气淀积法制造单模和多模构造的光纤预型件的方法。
背景技术
现有技术提出了制作二氧化硅玻璃预制管和制造光纤预型件的各种方案。可以通过加热二氧化硅并且通过一个缝隙将其挤出而形成预制管。预制管和光纤预型件都可以通过在一个靶子上淀积掺杂或非掺杂的二氧化硅而制成，可采用的技术例如有改性化学蒸气淀积(MCVD)，蒸气轴向淀积(VAD)，外部蒸气淀积(OVD)。每一种方法都从一个旋转的靶子开始，一般的形状是一个管或实心棒，并且是由玻璃、陶瓷或若干种材料之一制成。在某些情况下，棒或管和预型件是一个整体，在其他情况下，棒可以拆除。将一个热源例如一个燃烧器或等离子源定位在旋转靶子的下面、上面或是横向上。热源为玻璃成形反应提供所需的能量，形成玻璃颗粒。根据工艺的特点为下一步的处理例如VAD或OVD工艺的干燥和烧结步骤制备这些淀积的玻璃颗粒。如果采用MCVD工艺，就用同一个热源将这些玻璃颗粒熔化成玻璃状石英体。
当靶子被水平安装时，为了保证均匀淀积，热源沿着靶子的长度运动。如果靶子是一个管，可以在管的内侧表面或外侧表面上淀积玻璃形成颗粒和材料，如果在内侧淀积，则外径保持不变，如果在外侧淀积，则外径变大。
如果靶子是垂直安装的，它绕着其垂直轴线旋转，而燃烧器位于垂直的上方或是在横向上，同时在径向和轴向上生长。这样会形成大致呈圆筒形的产品，其直径和长度随着淀积而增加。
Keck等人的UPS3737292公开了一种制造光纤的方法。在一个预制棒或部件的外壁上通过火焰水解和淀积形成具有预定折射率的多个层。在这些玻璃层覆盖在棒上之后使所得的空心圆筒受热并塌解形成光纤。
Izawa等人的USP4224046提出了一种制造光纤预型件的方法。在燃烧器中，朝着竖直安装的旋转的圆筒形预制件向上喷射两种玻璃形成材料、氧、氢和氩。在预制件的下端通过火焰水解和淀积形成粉尘状玻璃颗粒。将预制件逐渐朝上拉，以在其生长端和燃烧器之间保持一个恒定的间隔。在淀积完成之后，干燥和烧结所得到的粉尘状玻璃预型件，以形成透明的玻璃预型件。
MacChesney等人的UPS4217027提出了一种制造预型件的技术，它通常被称为Modified Chemical Vapor Deposition(MCVD)方法。按照这种方法，向玻璃管的内侧喷射由硅和锗与氧的氯化物或氢化物构成的蒸气。优选由一个横向的热区在这些化学物质之间引起的化学反应按照正确的条件可以在管的内壁上形成玻璃。淀积在管上的特殊物质在通过热区时被熔化。
Partus的USP4412853公开了一种用来制造光纤预型件预制管的MCVD方法。该方法是从一种水平安装的旋转的管状玻璃靶子开始的，并且具有预定的成分和光学特性。从位于管状靶子下方并与其长度方向垂直的一个热源向管状靶子内部送入蒸气。这样产生的蒸气反应产品淀积并且熔结在管状靶子的内表面上。淀积的材料与管状靶子具有相同的折射率，但是成分不同。该文献中还提出了可以通过外部气相氧化方法或是一种外部气相轴向淀积方法获得相同的效果，但没有解释如何实现。
Geittner等人的USP4741747涉及到制造光纤的等离子体化学蒸气淀积(PCVD)方法。在这种PCVD方法中，首先将玻璃管加热到1100℃到1300℃之间的温度，然后在1到30hPa的压力下通入反应气体混合物，使等离子体在玻璃管内侧往复运动，从而将玻璃层淀积在玻璃管的内壁上。在淀积完玻璃层之后，使这一玻璃管塌解形成一个固体预型件。可以从这种预型件拉制出光纤。
Drouart等人的USP5522007提出了采用等离子体淀积来制造具有高氢氧基离子浓度的光纤预型件。在这一文献中，在气体进入具有一个电感线圈的等离子体焊炬的一端之前使其通过一个水罐，在等离子体发生气体中吸入氢氧基离子。等离子体焊炬在旋转的基底预型件上喷出混合有氢氧基离子的熔融二氧化硅颗粒。这样形成的淀积在靶子预型件上的预型件其氢氧基离子的平均浓度大约是50-100ppm。按照Drouart等人的方法，用这种技术制成的光纤的衰减在1310nm和1550nm处分别是0.32dB/km和0.195dB/km。
制造预型件的上述方法除了需要多重处理步骤之外还存在以下的缺点：
1.MCVD和PCVD方法是比较慢的处理方法，因为淀积速度很低；
2.MCVD和PCVD方法中使用的淀积管的尺寸限制了预型件尺寸；及
3.OVD和VAD方法是基于火焰水解的方法，它会产生过量的水并且需要额外的干燥和烧结步骤才能制成高质量的光纤预型件。
发明内容
本发明的目的是通过减少制造过程中必须的步骤、增大预型件尺寸并且提高淀积速度来提供一种以低廉的成本制造一种低氢氧基含量的光纤预型件的方法。上述和其他目的是通过本发明的光纤预型件制造方法来实现的。
为此，本发明提供一种制作光纤预型件的方法，包括以下步骤：(a)提供一个由第一材料制成的靶子棒，其中所述第一材料是二氧化硅或者掺杂有掺杂物的二氧化硅；(b)借助等离子体焊炬，同时在该靶子棒上面淀积和烧结按第一浓度掺杂有第一掺杂物的第一二氧化硅层，将所述第一二氧化硅层淀积和烧结到预定的第一厚度；(c)将上面淀积有所述第一二氧化硅层的该靶子棒下拉到预定的第一直径，以形成一个掺杂的二氧化硅棒；(d)重复步骤(b)和(c)，(d1)达到预定次数，或(d2)直至第一材料包含预定比例的所述掺杂的二氧化硅棒；(e)在所述掺杂的二氧化硅棒上淀积按第二浓度掺杂有第二掺杂物的由二氧化硅构成的第二层，将所述第二二氧化硅层淀积到预定的第二厚度，以形成中间结构；(f)在中间结构上淀积第三层，将第三层淀积到预定的第三厚度，从而形成预型件构造，第三层的材料是纯二氧化硅或者掺杂有掺杂物的二氧化硅。
该方法还包括以下步骤：(g)在预型件构造上面施加一外壳层，外壳层主要由纯二氧化硅构成并被施加到预定的第四厚度。该方法进一步包括：步骤(f)之后和步骤(g)之前将预型件构造下拉到预定的第三直径。
此外，第二浓度从刚刚开始淀积该二氧化硅层时的最大值逐渐变成第二二氧化硅层的淀积接近完成时的最小值。此时，该方法还包括：(g)在预型件构造上面施加一外壳层，外壳层主要由纯净的二氧化硅构成并被施加到预定的第四厚度。该方法可以进一步包括：在步骤(f)之后和在步骤(g)之前将该预型件构造下拉到预定的第三直径。此外，第一掺杂物和第二掺杂物可以是相同的，第一浓度和第二浓度可以是相同的。
按照本发明的一个方面，将等离子体源置于用一种原料制成的一个预制棒附近。预制棒的两端被水平地夹持，并且绕着其纵轴线旋转。等离子体源被用来淀积按照已知的第一掺杂浓度掺杂的二氧化硅。沿着预制棒的长度淀积掺杂的二氧化硅，直至预制棒生长到所需的直径。然后将由预制棒和掺杂的二氧化硅构成的复合体向下拉，并且抽取变细的一段用做一个二次棒。二次棒具有由原料构成的中心和由掺杂的二氧化硅构成的外层。在这个二次棒的上面再淀积具有相同掺杂浓度的二氧化硅，直至其也达到所需的直径，然后向下拉，并且抽取一段。淀积，下拉，抽取和淀积的步骤可以重复多次。这种动作的结果是一个掺杂的二氧化硅棒，它具有由第一直径的原料构成的中心以及有第二外径的并由掺杂的二氧化硅构成的环形层。
对掺杂的二氧化硅棒进行进一步处理。具体地说，用等离子体源在掺杂的二氧化硅棒上面淀积一个掺杂的二氧化硅外层，并且和以前一样将所得的结构下拉并且抽取变细的一段。在形成外层时使用的掺杂物可以被选择成增加或减小二氧化硅的折射率。
如果随着淀积外层的过程改变掺杂物浓度，就形成一个渐次改变的外层。在这种情况下，掺杂物浓度从开始淀积外层时的最高初始浓度等级逐渐改变到接近完成外层淀积时的最低结束浓度等级。
如果不随着淀积外层的过程改变掺杂物浓度，就形成一个分级的层。在这种情况下，在淀积外层的全过程中采用不同于第一掺杂物浓度的第二掺杂物浓度。
按照本发明的再一方面，对由掺杂的二氧化硅棒和外层构成的复合体进行进一步处理。用等离子体源在外层上面淀积一个覆盖层。如果外层是渐变的，就可以用掺杂有同样的掺杂物和相同最低结束浓度等级的二氧化硅形成这一覆盖层。或者是可以用纯二氧化硅或是掺杂有其他掺杂物和第三掺杂物浓度的均匀二氧化硅形成覆盖层。在必要时，覆盖层也可以采取渐变的掺杂。
按照本发明的又一方面，为由掺杂的二氧化硅棒、外层和覆盖层构成的复合体提供一个外壳。可以通过进一步的等离子体淀积来增加外壳，或者是在这一复合体上面提供一种遮盖材料，然后加热使遮盖材料塌解变成最终的预型件。
在等离子体淀积过程中，采用具有低氢氧基浓度的干燥等离子气体形成等离子体。一种由SiCl4构成的干燥石英源气体或是具有低氢氧基浓度的其他类似的源气体、和一种有时共掺杂有POCl3或PCl5的掺杂物源气体例如GeCl4被引入等离子体附近。这样就会使材料转变成二氧化硅(SiO2)或是掺杂有锗氧化物(GeO2)和/或五氧化二磷(P2O5)的二氧化硅，并且被淀积到靶子上且直接一步熔化成玻璃态石英。
所述掺杂物是从F、GeO2、P2O5、TiO2和Al2O3构成的组中选出的一种折射率改性材料。此外，该淀积步骤(e)和(f)中的至少一个步骤是采用等离子体外部蒸气淀积来完成的，它包括以下步骤：提供一个包括线圈的高频等离子体焊炬，其线圈具有围绕着一个线圈轴线的多个绕组，该等离子体焊炬可以沿着该靶子的长度选择定位，该靶子和该线圈相隔的间隙有30-55mm；为该等离子体焊炬引入一种氢氧基含量小于2ppm的等离子气体，以形成等离子体；在连通所述等离子体的区域内注入一种至少包括SiCl4和一种掺杂物的源气体，该源气体的氢氧基含量小于0.5ppm；在维持靶子与线圈之间的间隙不变的同时，将该等离子体和该源气体的至少一种反应产物淀积到靶子上。
附图说明
在附图中可以看出本发明的上述和其他特征、各个方面及其优点，在附图中：
图1表示用来执行等离子体淀积的装置；
图2表示在图1的装置中使用的等离子体管的局部侧视图；
图3表示与图2中所示的类似的一个等离子体管的顶视图；
图4表示等离子体在图3的等离子体管内部的流程图；
图5表示按照本发明的方法制成的一个光纤预型件。
具体实施方式
图1表示用于等离子体外侧蒸气淀积的装置20。该装置包括一个密封的舱室22，以防止在最终的产品中引入杂质。
在舱室22内有一个车床24，例如是Heathway Ltd.或LittonEngineering Lab.提供的产品。车床24有一个主轴箱25和一个尾架26。主轴箱25和尾架26上装有一对相对的旋转主轴卡盘28，用来夹持具有大致呈圆筒形外壁的一个细长靶子30的两端。主轴卡盘28在箭头A1的方向上转动靶子30。移动地安装在车床24上的一个移动车架32可以在沿着靶子的方向上移动，如箭头A2所示。
等离子体源40被支撑在车架32上。车架32沿着靶子30的长度方向移动等离子体源40。从而将材料淀积在靶子30的顶部上以形成一个光纤预型件。主轴卡盘28旋转靶子30，使得等离子体源40围着靶子均匀地淀积材料，从而形成具有接近理想的圆筒形外壁的一个管件34。
在优选实施例中，装在车架32上的等离子体源40沿着靶子30的主要长度部分双向移动。这样，就能使等离子体源40沿着靶子30的这一部分移动并且沿着它淀积材料。
不采用使等离子体源40沿着靶子的长度方向移动，而是使靶子30移动且使等离子体源40保持静止。只要用车床的主轴箱25和尾架26往复移动靶子以使靶子上所有有关的部位到达等离子体源40的正上方就可以做到。
另一种方式是沿着靶子的长度间隔地布置多个等离子体源。这样可以减少车床24的主轴箱25和尾架26或是上面装有等离子体源的车架32的移动，这取决于二者当中哪一个更适合移动。在极端的情况下，沿着靶子的长度方向上布满了许多等离子体源，车床24的车架32或是主轴箱25和尾架26都不需要移动。
在优选实施例中，等离子体源40是一个等离子体管焊炬，通过第一气体管线42为其引入干等离子气体，而通过第二气体管线44引入一种源气体。
等离子气体主要是由预定比例的氮和氧构成的。空气就可以作为等离子气体。在这种情况下，过滤的空气首先通过第一干燥器46，在进入第一气体管线42之前去掉湿气。这样就能保证等离子气体的氢氧基浓度低于2.0ppm的量级。用一个流量控制器(MFC)80或是用一个流量计就可以调节输送气体的总量。
源气体包括一种源化学物质例如SiCl4和至少一种载体气体例如氧O2或氮N2。载体气体进入第二干燥器48以去掉湿气，以确保源气体的氢氧基浓度也能很低，达到0.5ppm的量级。在载体气体被干燥之后，在进入一个扩散器55之前先经过一个MFC 81，以获取源化学物质。根据MFC的特性，它也有可能在扩散器55的下游使用。然后将运载源化学物质的载体气体流送到第二气体管线44。只要打开阀门57就可以在气流到达等离子体焊炬之前引入一种掺杂物气体。
在优选实施例中，源化学物质是SiCl4。选择这种化学物质是因为它在等离子体中的反应性质。具体地说，SiCl4作为Si的一种来源，用来形成淀积到靶子30上的SiO2。掺杂物可以采取SiF4或SiF6形式的氟化物掺杂气体。氟化物掺杂物会降低折射率并且改变石英的粘度。另外，氮化物掺杂物还可以增加光纤预型件的设计灵活性。然而，众所周知，如果希望增加折射率，可以采用GeO2或其他等效物质作为掺杂物。
在优选实施例中，用于GeO2的源化学物质是GeCl4。之所以选择这种纯度的化学物质是因为它与SiCl4具有相似的物理和化学性质。GeCl4的输送方式与SiCl4类似。来自干燥器48的载体气体在进入扩散器83获取源化学物质GeCl4之前可以分离到另一个分支，在此由一个MFC82来调节。与控制化学物质SiCl4的方式类似，这一MFC也可以位于扩散器的下游。可以将这种气流送入气体管线44并且在进入等离子体焊炬之前形成一种混合物。也可以用一条单独的线路84直接向等离子体焊炬引入GeCl4气流。采用独立输送线路的优点在于可以尽量减少GeCl4和SiCl4之间的竞争化学反应。用来代替氧化锗(GeO2)用于掺杂或是和氧化锗共掺杂的其他源化学物质有例如POCl3，POCl5等等材料，以及其它能增加折射率的掺杂物，例如含有化学物质的铝和钛。
图2表示位于靶子30下方的等离子体管焊炬40的侧面剖视图。等离子体管焊炬40包括用石英制成的一个大致管状焊炬外壳50。外壳的直径是60mm，高度为220mm。然而也可以采用40-80mm的直径范围和180-400mm的高度范围。
在外壳50上部的周围装有铜感应线圈52。线圈52包括多个绕组54，其直径约为72mm，彼此间隔6mm。外壳与线圈之间的间隙可以在2-10mm之间。如最高层绕组54’所示的线圈52的最上部与管状件34的外表面相距的距离用L表示，该距离大约是30-55mm。
随着石英玻璃的淀积，其外径逐渐增加。然而可通过调节其上用来安放等离子体焊炬40的支撑台56的高度来维持这一距离L。支撑台56则被安装在车架32上，并且随其横向移动。最初，支撑台56位于预定的高度，这一高度在淀积过程中随着淀积材料直径的增加而减少。这样就能维持等离子体焊炬40与淀积材料之间的预定距离。安装在车架32上并且连接到一个控制器的光学或其他传感器可以用来测量径向生长的管状件34与车架的距离，并且相应地调节支撑台56的高度。
在外壳50最上部的每一侧设有一个等离子体稳定棒58。每个稳定棒都是用石英体制成的，并且包括一个从外壳50的边缘横向延伸的U-形槽。稳定棒58的直径是60mm，从外壳边缘向两侧径向伸出各20mm，可以采用的直径和长度范围分别是40-80mm和15-40mm。在使用等离子体焊炬40时，稳定棒58平行地对准靶子。这种布局有助于淀积到生长的管状件34上的反应源化学物质的散布。
一对注射口60将输送源化学物质的第二气体管线44连接到等离子体管焊炬40。注射口60沿着外壳50在线圈52的最高层绕组54’和稳定棒58之间的一点上从基本上相同的高度进入外壳。注射口60是由直径5mm的石英管构成的，本发明的等离子体管焊炬40可以使用的管径范围是3-10mm。在优选实施例中，一对注射口60在相同的高度进入外壳50，并且其径向位置彼此相对。然而也可以用对称布置的三个以上注射口60来代替这两个口。在图2中表示了直接设在稳定棒下方的两个注射口60。然而，这并非是绝对必要的，从图3所示的等离子体管焊炬的上方看，注射口60与稳定棒58可以有角度上的偏移。
一对等离子气体入口62将输送等离子气体的第一气体管线42连接到等离子体管焊炬40。等离子气体入口62在接近外壳底座处以基本上相同的高度进入外壳。这些入口62是由直径5mm的不锈钢管构成的，这种钢管的直径也可以在一定范围内选择。
等离子体管焊炬40还设有冷却剂入口64和出口66。在使用过程中，冷却剂例如是水通过入口64在外壳50的外壁内循环并且从出口66流出。冷却剂入口和出口是由直径5mm的不锈钢管构成的。和等离子气体入口和注射口一样，这一直径也是可以改变的。
等离子气体入口62，冷却剂入口64和冷却剂出口66都被设在一个不锈钢舱室68中。舱室68是侧边长80mm并且高度大约为40mm的一个不锈钢方块。舱室68被安装到支撑台56上，支撑台又安装在沿着靶子30移动的车架32上。
一个高频发生器(未示出)用电路连接到线圈52，以大约5.0MHz的频率为其提供高达80KW的可变功率输出。在优选实施例中，发生器的型号是Lepel Corporation出产的T-80-3MC。用60Hz三相460V电源驱动这种发生器以激发等离子体管焊炬40。或者是采用德国的FritzHuttinger Electronic GmbH出产的型号IG 60/5000发生器。
图4表示在通过入口62送入干燥的等离子气体时在等离子体管焊炬40内部形成的等离子体喷射流70。等离子体喷射流70围绕着焊炬的纵轴线A’是大致对称的。注射口60的位置是这样的，刚好在等离子体的垂直速度等于零的一点V的上方将源化学物质引入等离子体。这样就形成了所需的流体动力学结构并且使源化学物质的热流喷射到边缘层内，并有效地淀积到生长的管状件34上。尽管优选实施例中具有横向进入外壳的注射口，但并非是绝对必要的。另一种方式为可以用沿着等离子体管焊炬40的纵轴线A’延伸的水冷探针将源气体引入等离子体喷射流70的中心。
图5表示可以用车床124完成的一种公知的过程。例如可以采用Heathway制造的PFH842XXLS Precision Quartz and Glass WorkingLathe。车床124的主轴箱125和尾架126可以彼此相对地纵向移动。这样就便于装载和卸载已经淀积在初始靶子上的长度为L3的完成的工件130。具体地说，还可以将工件的一部分向下拉制成一个比原始靶子直径缩小的二次棒。可行的方法是保持主轴箱125静止，并且将尾架126从主轴箱125移开，同时使等离子体源140在与尾架126相反的方向上移动。或者是通过将等离子体源140或其它热源放置在工件130的一端使其软化来实现。然后在同一方向上但是用不同的速度分别将主轴箱125和尾架126移动一个距离L5，L4，到达图中虚像的位置125’，126’。这样就能获得一个细的二次棒，它可以(但是不需要)和原始靶子具有相同的直径。按照本领域的技术人员所知，二次棒和用来形成它的工件具有相同的截面组成，有一个与原始靶子的成分大致相同的中心，并且其外层与制作工件过程中淀积在靶子上面的材料大致相同。
车床124可以使主轴箱125和尾架126纵向移动到足够远，将二次棒伸展到距离L4，这一长度与生成它的工件的长度L3大致相等。可以从工件上切下二次棒，安装到车床上取代工件130，并且在下一次用等离子体源140淀积时用做靶子。这样，原始或是首次产生的靶子就可以用来产生首次产生的工件，从中拉出的二次棒可以用做二次产生的靶子。在二次产生的靶子上面淀积就可以形成二次产生的工件，依此类推。在靶子上执行等离子体淀积形成工件，伸展工件的一端以形成一个缩小直径的棒，并且用这一缩小直径的棒作为下一个靶子用于进一步淀积的这一反复过程可以重复任意次数。
如果淀积在靶子上面的材料在整个反复过程中是不变的，N次反复步骤的结果就是一个N次产生的棒，其中心很小但是成分却和原始靶子基本相同，而环形层是淀积在靶子上面的材料。例如，如果原始靶子的直径是D1而最后工件的直径是D2＝M×D1，原始靶子材料在首次产生的工件中的比例就大约是1/M2。如果直径为D1的二次产生的靶子是从这一工件拉制而成的，并且在上面淀积的材料足够形成直径为D2的二次产生的工件，二次产生的工件中所含的原始靶子材料的比例就大约是1/M4。由此可以看出，只要随着反复的总次数在淀积过程中控制M就可以形成这样的一种工件，它的内部具有预定比例的原始靶子材料。
以下要说明用上述反复技术形成一种多模光纤预型件的方法。为了提供更加详尽的说明而给定了一些尺寸。然而必须要注意到在实际过程中还可以采用多种不同的值。
该方法首先是提供一个水平安装在车床上的首次产生的靶子，例如图5所示。靶子优选用纯净的二氧化硅制成，它可以从市场供应商那里采购，例如Georgia的Heraeus Amersil提供的产品型号F300。首次产生的靶子也可以是用现行方法形成的N次产生的掺杂的二氧化硅棒。在优选实施例中，首次产生的靶子长度为1米，直径D1＝6mm。
使用上述的等离子体源在首次产生的靶子上面淀积掺杂有GeO2的二氧化硅。GeO2的掺杂物浓度取决于需要生产的多模光纤所需的数值孔径(NA)。例如，为了形成NA为0.2的光纤，GeO2掺杂物浓度的最大值约为10％。如果要形成NA为0.275的光纤，则GeO2掺杂物浓度的最大值约为18％。
在淀积过程中可以将掺杂物浓度保持不变，这样就会形成分级的层。或者是通过逐渐改变掺杂物浓度而形成一种渐变的层。这一过程是由一个微型控制器等来自动控制一个可以调节的流量计引入掺杂物来实现的。值得注意的是，分级和渐变的层在依次产生的工件中是一个接一个的，也可以一个接一个地形成具有不同的恒定掺杂浓度的层。这样就能在首次产生的靶子上淀积一个渐变的层，然后在将首次产生的工件下拉之后形成的二次产生的靶子上面淀积一个分级的层。同样，也可以在已经淀积在原始的首次产生的靶子上面的一个渐变的层上面淀积一个分级的层。也可以在一个靶子上面淀积具有第一掺杂物浓度的第一分级层，并且在随之产生的靶子上面淀积具有第二掺杂物浓度的第二分级层。在上述的任何构造上面还可以淀积其它的渐变或是分级的层。
在优选实施例中，掺杂有18％GeO2的二氧化硅在6mm直径的首次产生的靶子上面淀积成一个分级的层，直至形成一个长度为1米，直径D2＝48mm的工件(也就是M＝8)。这样获得的首次产生的工件的截面面积大约是原始的首次产生的靶子的64倍。然后将这一首次产生的工件下拉成64根首次产生的掺杂的二氧化硅棒，各自的长度为1米，直径是6mm。然后可以将这些掺杂的二氧化硅棒分别用做一个二次产生的靶子。
将二次产生的靶子装在车床上，并且施加一个二次淀积层，形成直径为48mm的一个二次产生的工件。二次淀积是按照和首次淀积相同的恒定掺杂物浓度来执行的。在淀积过程中自始至终保持同样的掺杂物浓度，形成一个首次产生的掺杂的二氧化硅棒，它有一个由原始靶子材料构成的中心和具有基本上相同成分的一个环形层。这样就能保证第二层的光学特性和以前淀积在原始靶子上的第一层基本上相同。然后将这种二次产生的工件下拉成144根二次产生的掺杂的二氧化硅棒，各自的长度为1米，直径是4mm。可以将它们分别用作一个三次产生的靶子。值得注意的是可以继续执行这一反复过程，进一步淀积具有相同掺杂物浓度的层。然而，在某一程度上就可以形成具有原始靶子材料的理想特性的工件，此后就不必再反复了。实际上，甚至在形成首次产生的工件之后就可以获得这种理想的效果。
在优选实施例中，在4mm直径的三次产生的靶子上面淀积一个外径大约为80mm的渐变淀积层。掺杂物浓度从最接近三次产生的靶子的外表面处以18％GeO2的最大值开始，并逐渐减少到最外层部位的约为0.1％GeO2的最小值，在此，其外径大约是80mm。这样就形成了一个三次产生的工件，它有一个由原始靶子构成的中心和具有基本上相同的光学特性并且彼此基本没有区别的两个层和一个第三渐变层。
在优选实施例中进一步处理这一80mm直径的三次产生的工件，形成一个基本的光纤预型件。具体地说，在三次产生的工件上面淀积一个覆盖层或屏障层。覆盖层的厚度取决于最终需要制作的光纤预型件的型号。以62.5/125光纤预型件为例，最终的基本预型件应该具有大约93mm的成品直径。对于50/125光纤预型件，最终的基本预型件应该具有大约96mm的成品直径。覆盖层是通过淀积掺杂GeO2的二氧化硅而形成的，掺杂的浓度与形成第三层时采用的最小掺杂浓度相同，也就是10％的GeO2。这样形成的构造在中心具有原始靶子材料的中心，具有相同光学特性的一对恒定掺杂量的第二层，掺杂物浓度从最大值到最小值渐变的一个渐变层，以及由按照最小值掺杂的二氧化硅构成的一个覆盖层。
在加上覆盖层之后还需要拉伸最终的基本预型件，以形成成品预型件。以单个直径为93mm的1米长的62.5/125预型件为例，可以获得8个1米长的预型件，各自的外径是32mm。从单个直径为96mm的1米长的50/125预型件可以获得12个1米长的预型件，各自的外径是27mm。
在这些预型件的覆盖层上面可以提供一个外壳层。外壳层最好具有与纯净的二氧化硅相同的折射率。可以使用纯净二氧化硅通过等离子体外部蒸气淀积而形成这一外壳。或者是在预型件***提供一个具有适当直径或宽度的纯净二氧化硅的管或是片，并且加热使外壳熔化到预型件上以形成成品的光纤预型件。在优选实施例中，成品光纤预型件的外径大约是56mm。然后可以用这种成品预型件拉制成直径为125μm的大约200Km的光纤。
尽管为了获得优选性能而提供了覆盖和进一步的外壳层，值得注意的是，也可以放弃覆盖步骤而直接为拉伸后的三次产生的工件提供一个作为外壳的管。
制作单模光纤预型件的一种类似的方法可以采用以下步骤来实现。原始靶子可以是一个纯净的二氧化硅棒，它可以是从Heraeus那里采购的F300棒或是自家制作的纯净二氧化硅的N-次产生的棒。在靶子上按照恒定的浓度淀积多个掺杂氟化物的二氧化硅层，直至达到所需的直径。可以从这种预型件拉制出单模光纤。有许多种不同的玻璃折射率改性物质例如F，GeO2，P2O5，TiO2，Al2O3等等及其适当组合物都可以用来制作掺杂的芯和/或掺杂的覆盖层。优选实施例中使用的靶子是一种N-次产生的掺杂GeO2的棒，在上面淀积纯净二氧化硅或是掺杂的二氧化硅覆盖层。在达到所需直径时就制成了这种预型件。
尽管本发明是参照着具体的优选实施例来描述的，但它们不应该被视为对本发明的限制。本领域的技术人员完全可以认识到这些实施例是可以修改的，而这些修改都落在权利要求书所述的本发明的范围之内。

Claims (19)

1.一种制作光纤预型件的方法，包括以下步骤：
(a)提供一个由第一材料制成的靶子棒，其中所述第一材料是二氧化硅或者掺杂有掺杂物的二氧化硅；
(b)借助等离子体焊炬，同时在该靶子棒上面淀积和烧结按第一浓度掺杂有第一掺杂物的第一二氧化硅层，将所述第一二氧化硅层淀积和烧结到预定的第一厚度；
(c)将上面淀积有所述第一二氧化硅层的该靶子棒下拉到预定的第一直径，以形成一个掺杂的二氧化硅棒；
(d)重复步骤(b)和(c)
(d1)达到预定次数，或者
(d2)直至第一材料包含了预定比例的所述掺杂的二氧化硅棒；
(e)在所述掺杂的二氧化硅棒上淀积按第二浓度掺杂有第二掺杂物的由二氧化硅构成的第二层，将所述第二二氧化硅层淀积到预定的第二厚度，以形成中间结构；
(f)在所述中间结构上淀积一个第三层，将该第三层淀积到预定的第三厚度，从而形成预型件构造，其中所述第三层的材料是纯二氧化硅或者掺杂的二氧化硅。
2.按照权利要求1的方法，其特征是，该方法进一步包括以下步骤：(g)在该预型件构造的上面施加一个外壳层，该外壳层主要由纯二氧化硅构成并且被施加到预定的第四厚度。
3.按照权利要求2的方法，其特征是，该方法进一步包括以下步骤：步骤(f)之后和步骤(g)之前将该预型件构造下拉到预定的第三直径。
4.按照权利要求1至3之一的方法，其特征是，所述掺杂物是从F、GeO2、P2O5、TiO2和Al2O3构成的组中选出的一种折射率改性材料。
5.按照权利要求1的方法，其特征是，在该步骤(e)中的第二浓度不同于所述第一浓度，该方法进一步包括以下步骤：在淀积该第二二氧化硅层的过程中将该第二浓度保持在恒定值，从而使所述掺杂的二氧化硅棒和所述第二二氧化硅层的折射率形成一种分级的折射率断面。
6.按照权利要求1的方法，其特征是，包括在淀积第二二氧化硅层的过程中改变第二浓度的步骤。
7.按照权利要求6的方法，其特征是，第二掺杂物是氟并且该第二浓度从刚刚开始淀积所述二氧化硅层时的最小值逐渐变成所述第二二氧化硅层的淀积接近完成时的最大值。
8.按照权利要求6的方法，其特征是，所述第二浓度从刚刚开始淀积该二氧化硅层时的最大值逐渐变成该第二二氧化硅层的淀积接近完成时的最小值。
9.按照权利要求8的方法，其特征是，所述第二浓度的最大值大致等于所述第一浓度。
10.按照权利要求8的方法，其特征是，在步骤(f)中淀积的第三层是一个通过等离子体外部蒸气淀积而成的覆盖层，该覆盖层主要是由按照所述最小值用该第二掺杂物掺杂的二氧化硅构成的。
11.按照权利要求8的方法，其特征是，在步骤(f)中淀积的第三层是一个通过等离子体外部蒸气淀积而成的覆盖层，该覆盖层主要是由掺杂有氟的二氧化硅构成的。
12.按照权利要求1的方法，其特征是，在步骤(f)中淀积的第三层是一个通过等离子体外部蒸气淀积而成的覆盖层，该覆盖层主要是由掺杂有氟的二氧化硅构成的。
13.按照权利要求8的方法，其特征是，进一步包括以下步骤：(g)在该预型件构造上面施加一个外壳层，该外壳层主要由纯净的二氧化硅构成并且被施加到预定的第四厚度。
14.按照权利要求13的方法，其特征是，进一步包括以下步骤：在步骤(f)之后和在步骤(g)之前将该预型件构造下拉到预定的第三直径。
15.按照权利要求1的方法，其特征是，该淀积步骤(e)和(f)中的至少一个步骤是采用等离子体外部蒸气淀积来完成的，它包括以下步骤：提供一个包括线圈的高频等离子体焊炬，其线圈具有围绕着一个线圈轴线的多个绕组，该等离子体焊炬可以沿着该靶子的长度选择定位，该靶子和该线圈相隔的间隙有30-55mm；为该等离子体焊炬引入一种氢氧基含量小于2ppm的等离子气体，以形成等离子体；在连通所述等离子体的区域内注入一种至少包括SiCl4和一种掺杂物的源气体，该源气体的氢氧基含量小于0.5ppm；在维持靶子与线圈之间的间隙不变的同时，将该等离子体和该源气体的至少一种反应产物淀积到靶子上。
16.按照权利要求15的方法，其特征是，在等离子体焊炬中恰好位于等离子体在该线圈轴线方向上的速度为零的一点上方引入该源气体。
17.按照权利要求15的方法，其特征是，该靶子与其最接近的绕组相隔所述间隙。
18.按照权利要求16的方法，其特征是，进一步包括在等离子气体被引入等离子体焊炬之前干燥等离子气体的步骤。
19.按照权利要求1的方法，其特征是，所述的第一掺杂物和第二掺杂物是相同的，所述的第一浓度和第二浓度是相同的。
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