專利名稱：具有oh阻擋層的光纖預(yù)制品及其生產(chǎn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光纖預(yù)制品，更具體的涉及一種將從基管擴散到光纖芯中的OH降低到最小的光纖預(yù)制品，及其生產(chǎn)方法。
通過沉積包覆層和芯層可形成單模光纖。在DC-SM(施壓包覆-單模)型中，通過對SiO2攙雜P2O5、GeO2和F而降低沉積溫度和折射率，通過對SiO2攙雜GeO2而沉積用于傳輸光的芯層以增大折射率，然后通過壓平和封閉過程生產(chǎn)光纖預(yù)制品。
在使用改進的化學(xué)氣相沉積(MCVD)生產(chǎn)光纖預(yù)制品的過程中，當(dāng)沉積層變厚時，在沉積過程中會產(chǎn)生基管的自-壓平，結(jié)果導(dǎo)致管厚度的增大。同時，需要用高溫爐對厚的沉積層進行燒結(jié)和固化，這樣用于壓平和封閉的時間變長，從而基管被長時間的暴露到高溫下。
在此過程中，雖然基管中的非常少量的水(通常為幾個ppm)擴散到沉積層中，擴散的水與在包覆區(qū)沉積的P2O5或SiO2結(jié)合，于是形成P-O-H或Ge-O-H結(jié)合鍵。擴散到芯區(qū)中的OH與在芯層中沉積的SiO2或GeO2結(jié)合，由此在破壞Si-O或Ge-O結(jié)合鍵時形成Si-O-H或Ge-O-H結(jié)合鍵。
如上所述，在每個沉積區(qū)中在與水的結(jié)合中形成的O-H或P-O-H結(jié)合鍵會導(dǎo)致另外的光損耗，這是因為在特定光區(qū)存在的吸收帶。在單模光纖的情況下，由于O-H結(jié)合鍵而產(chǎn)生的嚴(yán)重光損耗的波帶是1.24微米-1.385微米，由于P-O-H結(jié)合鍵所產(chǎn)生的嚴(yán)重光損耗的波帶是1.2微米到1.8微米。當(dāng)OH擴散到芯區(qū)中時，其形成無橋氧(NBO)，因此芯層的玻璃材料的同質(zhì)結(jié)構(gòu)受到局部損害，這造成芯層的密度的波動，結(jié)果會增大擴散損耗。
在與沉積同時進行的燒結(jié)過程中，隨著沉積層的厚度的增大，管的內(nèi)外直徑會縮小，從而難于獲得適宜的直徑比(即，包覆層直徑/芯層直徑=D/d)。因此，無法保證防止OH擴散的足夠的距離，從而會大大的增大由于OH所造成的損耗。
在現(xiàn)有技術(shù)中，使用加厚包覆層的方法以防止OH從基管擴散到芯層中。然而，當(dāng)通過此方法生產(chǎn)大孔徑預(yù)制品時，由于管的收縮從而很難保證適宜的直徑比，在沉積芯層期間需要高溫爐，這是因為由于管層的厚度的增大，向芯層傳送熱量的效率被降低。因此，管會很長時間的暴露到高溫下，從而增大了由于OH所造成的損耗。
為了解決上述的問題，本發(fā)明的一個目的在于提供一種光纖預(yù)制品，通過形成阻擋層在降低直徑比的同時可有效的降低由于OH而產(chǎn)生的損耗，其中的阻擋層用于阻擋或大大緩解在基管和芯層之間的OH的擴散，從而可防止OH從基管擴散到芯層中。
本發(fā)明的另外的一個目的在于提供一種生產(chǎn)具有OH阻擋層的光纖預(yù)制品的方法。
相應(yīng)的，為了實現(xiàn)第一個目的，其提供一種光纖預(yù)制品，其具有基管、包覆層和芯層，光纖預(yù)制品還包含一個第一阻擋層，其是通過在基管和包覆層之間沉積具有低的OH擴散系數(shù)的材料而成的，其中第一阻擋層用于防止包含在基管中的OH擴散到包覆層中。
光纖預(yù)制品最好還包含一個第二阻擋層，其是通過在包覆層和芯層之間沉積具有低OH擴散系數(shù)的材料而形成，用于防止已經(jīng)從基管擴散到包覆層中的OH再擴散到芯層中。
為了實現(xiàn)第一個目的，提供另外一種光纖預(yù)制品，其具有基管、包覆層和芯層，光纖預(yù)制品還包含一個第一阻擋層，其是通過在基管和包覆層之間沉積具有低OH擴散系數(shù)的材料而形成的，其中第一阻擋層用于防止包含在基管中的OH擴散到包覆層中，其中芯層的折射率大于包覆層的折射率，并在從芯層的外部到中心的方向上逐漸增大。
最好此光纖預(yù)制品還包含一個第二阻擋層，其是通過在包覆層和芯層之間沉積具有低OH擴散系數(shù)的材料而形成的，其中的第二阻擋層用于防止擴散到包覆層中的OH再擴散到芯層中。
為了實現(xiàn)第二個目的，提供一種生產(chǎn)具有基管、包覆層和芯層的光纖預(yù)制品的方法，該方法包含如下的步驟通過沉積具有低OH擴散系數(shù)的材料形成第一阻擋層；通過沉積可降低處理溫度和增大沉積效率的材料形成包覆層；及形成可傳輸光信號區(qū)域的芯層。
在芯層形成之前和包覆層形成之后，通過沉積具有低OH擴散系數(shù)的材料形成第二阻擋層。同時，最好形成芯層，從而在從芯層的外部到中心的方向上折射率逐漸增大。


圖1為通常的單模光纖；圖2為根據(jù)本發(fā)明的單模光纖；圖3為根據(jù)本發(fā)明的另外一個單模光纖；圖4A、4B和4C為根據(jù)本發(fā)明的使用改進的化學(xué)氣相沉積(MCVD)方法生產(chǎn)單模光纖的方法的示意圖。
下面將參考附圖對根據(jù)本發(fā)明的最佳實施例進行描述。
參考圖1，其示出了通常的壓平包覆-單模(DC-SM)光纖，標(biāo)號11表示基管，標(biāo)號12表示包覆層，標(biāo)號13表示芯層。同時，Δ+表示相對基管折射率的芯層的折射率，而Δ-表示相對基管折射率的包覆層的折射率。同時，φd表示芯層的直徑，φD表示包覆層的直徑。
通過沉積P2O5而形成包覆層12。P2O5具有570攝氏度的相對低的熔點，從而當(dāng)其和不同的原材料一起使用時，可降低處理溫度，并增加沉積效率。另一方面，由于在包覆層12上沉積的P2O5具有大的吸濕性，其作為OH橋，用于將包含在基管11中的OH傳遞到芯層13。因此，增大了由于芯層13中的OH所造成的損耗。
圖2為根據(jù)本發(fā)明的單模光纖的示意圖。在圖2中，標(biāo)號21表示基管，標(biāo)號22表示第一阻擋層(外包覆層)，標(biāo)號23表示中間包覆層，標(biāo)號24表示第二阻擋層(內(nèi)包覆層)，標(biāo)號25表示芯層。同時，Δ+表示芯層25的相對折射率，而Δ-表示相對于基管21的中間包覆層23的折射率。Δ0表示第一阻擋層22的折射率，Δ1表示第二阻擋層24的折射率，其都是相對中間阻擋層23的相對折射率。同時，φd表示芯層25的直徑，φD1表示第二阻擋層24的直徑，φD表示中間包覆層23的直徑，φD0表示第一阻擋層22的直徑。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明的光纖預(yù)制品的包覆層包含三層，每層都具有不同的化學(xué)成分比。換句話說，包覆層包含第一阻擋層(外包覆層)22、中間包覆層23和第二包覆層(內(nèi)包覆層)24。
第一阻擋層(外包覆層)22位于具有大OH濃度的基管21和包含OH阻擋層P2O5中間包覆層23之間，并防止包含在基管21中的OH擴散到中間包覆層23中。第二阻擋層(內(nèi)包覆層)24位于中間包覆層23和芯層25之間，并防止從基管21擴散到中間包覆層23中的OH進一步透入到芯層25中，不管第一阻擋層22如何。第一和第二阻擋層22和24不包含作為OH橋的P2O5，利用SiO2、GeO2和F控制折射率，并根據(jù)包覆層的總的厚度控制其適宜的厚度。特別是，只有第一阻擋層22可形成在具有大的OH濃度的基管21和中間包覆層23之間，或只有第二阻擋層24可形成在中間包覆層23和芯層25之間。
參考光纖預(yù)制品的折射率特性，芯層25的折射率大于包覆層22、23和24的折射率。因此，通過控制外和內(nèi)包覆層22和24的每個折射率使其與中間包覆層23的折射率相近或相等。同時，這三個層的折射率也可被控制為相等。
通常的，在沉積層中的OH的濃度大約為1/1000或小于基管中的OH的濃度。然而，通過攙雜P2O5沉積包覆層，從而在包覆層沉積過程中降低處理溫度。這里，P2O5具有大的吸濕性。相應(yīng)的，在包覆層中沉積的P2O5作為橋用于從基管向芯層傳遞OH，從而增大了由于芯層中的OH而造成的損耗。因此，在本發(fā)明中，在具有大的OH濃度的基管和包含OH阻擋層P2O5的包覆層之間和/或包覆層和芯層之間形成攙雜有具有低OH擴散系數(shù)的材料的OH阻擋層。如此形成的OH阻擋層可防止OH從基管21擴散到芯層25中。
圖3為根據(jù)本發(fā)明的另外的一個單模光纖。在圖3中，標(biāo)號31表示基管，標(biāo)號34表示第一阻擋層(外包覆層)，標(biāo)號32表示中間包覆層，標(biāo)號35表示第二阻擋層(內(nèi)包覆層)，標(biāo)號33表示芯層。同時，ΔN+和ΔN-分別表示相對基管31的折射率的芯層33和中間包覆層32的折射率。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明的光纖預(yù)制品的包覆層包含三層，每層都具有不同的化學(xué)成分比。換句話說，包覆層包含第一阻擋層(外包覆層)34、中間包覆層32和第二阻擋層(內(nèi)包覆層)35。
第一阻擋層(外包覆層)34位于具有大的OH濃度的基管31和包含OH阻擋層P2O5中間包覆層32之間，并防止包含在基管31中的OH擴散到中間包覆層32中。第二阻擋層(內(nèi)包覆層)35位于中間包覆層32和芯層33之間，并防止從基管31擴散到中間包覆層32中的OH或在沉積中間包覆層32期間在化學(xué)材料中包含的水所形成的OH進一步透入到作為光波導(dǎo)區(qū)的芯層33中。外和內(nèi)包覆層34和35的折射率被控制為與中間包覆層32的折射率相等或近似，且不大于基管31或芯層33的折射率。
在基管中所包含的OH的量與用于沉積的二氧化硅的量相比較高。二氧化硅是阻擋結(jié)構(gòu)中OH成分的最穩(wěn)定的化學(xué)沉積材料，可有效的阻擋在高溫下OH的擴散。因此，第一和第二阻擋層34和35不包含作為OH橋的P2O5，利用SiO2、Ge或F控制包覆層的折射率，并根據(jù)包覆層的總體的厚度控制阻擋層的厚度。
對于光纖預(yù)制品的折射率特性，芯層33的折射率大于包覆層32、34和35的折射率，而芯層33的折射率向著芯層的中心以恒定的比例增大。當(dāng)高速的從預(yù)制品中抽出光纖時，由于快速的冷卻會產(chǎn)生熱應(yīng)力。相應(yīng)的，芯層33的折射率從周邊的折射率ΔN0向著中心逐漸增大，由此最終使得中心的折射率ΔN成為最大。通過這樣做，可防止由于熱應(yīng)力所造成的光纖的光損耗和光纖的機械性能的降低，由此可高速的抽出具有低損耗和低直徑比的光纖。例如，芯層的最外部分的折射率最好為芯層的中心的折射率的75％到99％。
圖4A、4B和4C為根據(jù)圖2或圖3中所示的使用改進的化學(xué)氣相沉積(MCVD)方法生產(chǎn)單模光纖的方法的示意圖。在MCVD方法中，將諸如SiCL4、GeCl4、POCl3或BCl3等之類的高純度運載氣體和氧一起引入到由玻璃制成的基管41中，并通過加熱裝置43對基管41提供熱量，由此如圖4A中所示，通過熱氧化在基管的內(nèi)部上形成作為氧化的沉積物的煙灰。這里，實際上通過計算機控制源氣體的濃度以調(diào)節(jié)折射率，由此沉積包覆層/芯層42。加熱裝置43向用旋轉(zhuǎn)箭頭表示的方向上旋轉(zhuǎn)的基管41提供熱量，同時加熱裝置在直箭頭表示的方向上移動。通過與源材料存儲部分相連的入口向基管41中提供要沉積的源氣。混合閥和阻擋閥測量被引入到基管中的源材料的流動，并通過調(diào)節(jié)而使原材料進行混合。
在本發(fā)明的沉積包覆層的過程中，首先，除了具有大的吸濕性的諸如P2O5的OH運載材料外還通過沉積具有低OH擴散系數(shù)的材料而形成外包覆層(第一阻擋層)。并沉積另外的可降低處理溫度和提高沉積效率的材料，從而形成中間包覆層。除了諸如P2O5等的OH運載材料外，還沉積具有低OH擴散系數(shù)的材料，由此形成內(nèi)包覆層(第二阻擋層)。然后形成作為傳輸光信號區(qū)域的芯層。因此，根據(jù)每個沉積層，被引入到基管41的源氣的混合也變的不同，通過適當(dāng)?shù)目刂苹旌祥y和阻擋閥可完成此混合過程。
在沉積芯層的過程中，通過沉積芯層從而從芯層的外部到其中心的折射率都保持恒定，或在從外部到中心的方向上折射率逐漸增大。
圖4B示出了在基管41中沉積的包覆層/芯層40的示意圖。在圖4B中，標(biāo)號43表示外包覆層，標(biāo)號44表示中間包覆層，標(biāo)號45表示內(nèi)包覆層，而標(biāo)號46表示芯層。
參考圖4C，通過使用加熱裝置43在上面已經(jīng)沉積了包覆層/芯層40的基管41上施加熱量而進行壓平和封閉，由此形成光纖預(yù)制品47。
在沉積過程中，在其間具有中間包覆層44且不包含P2O5的外和內(nèi)OH阻擋層43和45作為OH橋被沉積，從而有效的防止OH在芯層沉積過程、壓平過程或封閉過程中從基管41擴散到芯層46中。相應(yīng)的，可將芯層中由于OH吸收帶所造成的損耗降到最小，同時可獲得適宜的直徑比(D/d)。同時，可使直徑比變小，由此可降低沉積頻率，縮短處理時間。這里，包覆層的直徑(D)與芯層的直徑(d)的比最好為1.1到3.0。
同時，在與沉積同時進行的燒結(jié)過程中，在燒結(jié)和固化煤灰顆粒的過程中，由于內(nèi)表面的伸張，會產(chǎn)生自壓平。在具有高黏度基管和具有相對低黏度的包覆層之間存在黏度與基管類似的一個緩沖層，從而可提高管的阻擋力量，同時可降低管的收縮。
當(dāng)使用MCVD方法生產(chǎn)光纖預(yù)制品時，當(dāng)直徑比變小時，整個過程的時間變短，對于生產(chǎn)具有大孔徑的預(yù)制品而言小的直徑比非常適合。在現(xiàn)有技術(shù)中，當(dāng)直徑比變小時，OH損耗會突然增大，由于會降低光纖的質(zhì)量。因此，通常直徑比為3.0。然而，根據(jù)本發(fā)明，即使當(dāng)直徑比降低到小于3.0時，例如，降低到大約1.1到3.0時，可降低OH吸收損耗，同時也可降低由于熱應(yīng)力而造成的損耗。
在本發(fā)明中，根據(jù)具有OH阻擋層的光纖預(yù)制品和其生產(chǎn)方法，在沉積過程中在基管和包覆層之間和包覆層與芯層之間沉積不包含P2O5的外和內(nèi)OH阻擋層，從而可有效的防止在芯層沉積過程、壓平過程或封閉過程中OH從基管擴散到芯層中。因此，可防止芯層中OH所造成的損耗。同時，通過形成芯層，而增大其從外部到中心方向上的折射率，由此可防止在高速從預(yù)制件拉出光纖時所造成的性能的降低。
權(quán)利要求
1．一種光纖預(yù)制品，其具有基管、包覆層和芯層，光纖預(yù)制品還包含一個第一阻擋層，其是通過在基管和包覆層之間沉積具有低的OH擴散系數(shù)的材料而成的，其中第一阻擋層用于防止包含在基管中的OH擴散到包覆層中。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖預(yù)制品，其特征在于還包含一個第二阻擋層，其是通過在包覆層和芯層之間沉積具有低OH擴散系數(shù)的材料而形成，用于防止已經(jīng)從基管擴散到包覆層中的OH再擴散到芯層中。
3．根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的光纖預(yù)制品，其特征在于通過攙雜SiO2、GeO2或F和不包含P2O5而對第一或第二阻擋層的折射率進行控制。
4．根據(jù)權(quán)利要求2所述的光纖預(yù)制品，其特征在于將第一或第二阻擋層的折射率控制為等于或大于包覆層的折射率。
5．根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖預(yù)制品，其特征在于包覆層的直徑(D)與芯層的直徑(d)的比(D/d)為1.1到3.0。
6．一種光纖預(yù)制品，其具有基管、包覆層和芯層，光纖預(yù)制品還包含一個第一阻擋層，其是通過在基管和包覆層之間沉積具有低OH擴散系數(shù)的材料而形成的，其中第一阻擋層用于防止包含在基管中的OH擴散到包覆層中，其中芯層的折射率大于包覆層的折射率，并在從芯層的外部到中心的方向上逐漸增大。
7．根據(jù)權(quán)利要求6所述的光纖預(yù)制品，其特征在于還包含一個第二阻擋層，其是通過在包覆層和芯層之間沉積具有低OH擴散系數(shù)的材料而形成的，其中的第二阻擋層用于防止擴散到包覆層中的OH再擴散到芯層中。
8．根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的光纖預(yù)制品，其特征在于通過攙雜SiO2、GeO2或F和不包含P2O5而對第一或第二阻擋層的折射率進行控制。
9．根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的光纖預(yù)制品，其特征在于將第一或第二阻擋層的折射率控制為等于或大于包覆層的折射率。
10．根據(jù)權(quán)利要求6所述的光纖預(yù)制品，其特征在于包覆層的直徑(D)與芯層的直徑(d)的比(D/d)為1.1到3.0。
11．根據(jù)權(quán)利要求6所述的光纖預(yù)制品，其特征在于芯層的最外點的折射率為芯層的中心的折射率的75％到99％。
12．一種生產(chǎn)具有基管、包覆層和芯層的光纖預(yù)制品的方法，該方法包含如下的步驟通過沉積具有低OH擴散系數(shù)的材料形成第一阻擋層；通過沉積可降低處理溫度和增大沉積效率的材料形成包覆層；及形成可傳輸光信號區(qū)域的芯層。
13．根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于在芯層形成之前和包覆層形成之后，通過沉積具有低OH擴散系數(shù)的材料形成第二阻擋層。
14．根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于形成芯層，使得在從芯層的外部到中心的方向上折射率逐漸增大。
15．根據(jù)權(quán)利要求12或13所述的方法，其特征在于通過攙雜SiO2、GeO2或F和不包含具有較大的吸濕性的P2O5而對第一或第二阻擋層的折射率進行控制。
全文摘要
具有基管、包覆層和芯層的光纖預(yù)制品還包含第一阻擋層,其是通過在基管和包覆層之間的具有低OH擴散系數(shù)的材料沉積的。其中第一阻擋層可防止包含在基管中的OH擴散到包覆層中。光纖預(yù)制品還包含一個第二阻擋層,其是通過在包覆層和芯層之間沉積具有低OH擴散系數(shù)的材料而形成的,用于防止已經(jīng)從基管擴散到包覆層中的OH再擴散到芯層中。不包含P
文檔編號C03B37/018GK1309624SQ99807756
公開日2001年8月22日 申請日期1999年6月22日 優(yōu)先權(quán)日1998年6月25日
發(fā)明者吳成國, 徐晚碩, 都文顯, 楊鎮(zhèn)成 申請人:三星電子株式會社