制造低损耗，高强度光纤传输线的系统和方法 【技术领域】
本发明一般涉及改进用于拼接光纤的技术，具体涉及制造低损耗，高强度光纤传输线的系统和方法的有利方面。
背景技术
最近以来已开发了称之为反色散光纤(IDF)的新型光纤，其中包括色散补偿光纤(DCF)，这种光纤有负陡坡的色散特性。DCF的一种用途是优化利用标准单模光纤(SSMF)制成的现有光纤链路的色散特性，它可以工作在不同的波长上。美国专利申请序列号No.09/596,454公开了这种技术，2000年6月19日申请，已转让给本申请的受让人，将它合并在此供参考。
DCF的重要参数是额外损耗，额外损耗是利用DCF与诸如SSMF的其他类型光纤拼接制成光纤传输线时产生的。为了获得高度的负色散，DCF使用有高折射率的小纤芯，其模场直径在1550nm下约为5.0μm，而SSMF的模场直径在1550nm下约为10.5μm。纤芯直径地差别导致利用熔融拼接技术连接DCF到SSMF时产生很大的信号损失。通过选取允许DCF纤芯扩散的拼接参数，从而使DCF纤芯的模场直径逐渐向外变细而产生漏斗效应，可以减小信号损失量。然而，典型DCF中高浓度的氟掺杂剂限制了这种技术的应用，因为产生漏斗效应所需的热量和持续时间可能导致氟掺杂剂的多余散射扩散。
此外，在某些应用中，例如，海缆系统，要求2000kpsi以上的拼接(splice)强度。因此，需要有制造低损耗，高强度光纤传输线的改进系统和方法。
【发明内容】
本发明涉及上述的问题和其他的问题，其特征是提供用于制造低损耗，高强度光纤传输线的系统和方法。在按照本发明一个方面的方法中，第一光纤与第二光纤在拼接点拼接。拼接光纤装入热处理站，其中燃气喷灯火焰用于热处理包含拼接点的拼接区，热处理减小第一光纤与第二光纤之间的拼接损耗。在加热拼接区的同时，吹洗干气到热处理过程期间喷灯火焰的周围，以去除拼接光纤表面的水份。按照本发明的其他特征，吹洗气体馈入到喷灯火焰，以去除火焰中的灰尘颗粒，并在完成热处理之后，喷灯火焰用于恢复拼接光纤的玻璃表面。本发明的其他特征提供用于制造低损耗，高强度光纤传输线的喷灯组件。在参照以下的详细描述和附图之后，本发明的其他特征和优点是显而易见的。
【附图说明】
图1是标准单模光纤(SSMF)样本的径向剖面图，没有按比例画出。
图2是图1所示SSMF的折射率(RI)分布的曲线图。
图3是色散补偿光纤(DCF)样本的径向剖面图，没有按比例画出。
图4是图3所示DCF的RI分布的曲线图。
图5是利用图1所示SSMF和图3所示DCF制造的光纤传输线的纵向剖面图。
图6至图9表示一系列的视图，说明用于减小图3所示DCF和图1所示SSMF制造的光纤传输线中拼接损耗的技术。
图10至图12表示一系列的纵向剖面图，说明利用图6至图9所示技术过程期间SSMF和DCF中掺杂剂分量的变化。
图13表示图12所示SSMF在拼接点处的径向剖面图。
图14表示图13所示SSMF的RI分布。
图15表示图12所示DCF在拼接点处的径向剖面图。
图16表示图15所示DCF的RI分布。
图17表示热处理站例子的透视图，它适用于实现此处描述的技术。
图18表示按照本发明一个方面的燃气喷灯组件。
图19表示按照本发明一个方面的另一种燃气喷灯组件。
图20表示平均拼接强度作为氧气流量函数的曲线图。
图21表示按照本发明一个方面的热扫描技术方案。
图22A-22C表示按照本发明一个方面用于增大和减小喷灯燃气流量的多个视图。
图23是按照本发明一个方面的拼接点的损耗和强度值的表格。
图24是按照本发明一个方面的方法流程图。
【具体实施方式】
本发明的特征是提供用于制造低损耗，高强度光纤传输线的系统和技术，其中利用诸如色散补偿光纤(DCF)的反色散光纤(IDF)和诸如标准单模光纤(SSMF)的第二种光纤。应当理解，在不偏离本发明精神的条件下，此处描述的系统和技术可用于其他类型的光纤和光纤掺杂剂。此外，以下描述的技术可以单独实施，或者与其他的技术进行组合。
图1表示一段SSMF10的剖面图。SSMF通常是利用二氧化硅(SiO2)制成的。SSMF10包括：掺锗的纤芯12和围绕纤芯12的未掺杂外包层14。图2表示SSMF10的折射率(RI)分布20。如图2所示，SSMF RI分布20包含对应于SSMG纤芯12的中央平台22。
图2表示一段DCF30的剖面图。DCF通常也是利用二氧化硅制成的。图2所示的DCF30包括：掺锗的纤芯32，掺氟的第一包层34，和未掺杂的外包层36。图4表示DCF30的RI分布40。如图4所示，DCF RI分布40包含对应于DCF纤芯32的中央尖峰42，和尖峰42两侧的一对深沟槽44，它对应于掺氟的包层34。为了在RI分布40中获得尖峰42和沟槽44，在DCF纤芯32中使用高浓度锗掺杂剂。应当注意，某些DCF光纤可以有与本例不同的RI分布和掺杂剂浓度。然而，根据此处的描述应当理解，本发也可应用于这些其他的DCF光纤。
图5是利用SSMF10与DCF30互相连接制造的光纤传输线50的纵向剖面图。从图5中可以看出，SSMF纤芯12远远大于DCF纤芯32。此外，从图2和图4中可以看出，两种光纤的RI分布20和40有十分不同的形状。这些直径和形状的差别导致很大的拼接损耗。
通过热膨胀DCF纤芯32，使它接近于SSMF纤芯12的尺寸，可以减小纤芯直径失配导致的拼接损耗。然而，由于掺氟包层34的原因，DCF纤芯32的热膨胀是有问题的。与锗相比，氟在较低的温度下开始扩散。因此，加热DCF30使它的纤芯发生热膨胀，可能引起氟的不均匀扩散而造成拼接损耗。
因此，我们开发了这样一种技术，其中热处理站用于热膨胀DCF纤芯32，而仍然产生均匀的氟掺杂剂扩散。这种技术在美国专利申请中有充分的描述。
图6至图9是说明热处理技术一个特征的系列图。在图6中，制备用于拼接的SSMF10和DCF30。例如，这种制备包括：切割光纤末端60和62并剥去其外皮。在图7中，光纤10和30装入到熔融接合器70，其中光纤末端60与62在拼接点72对准并互相对接。电弧电流用于形成一个热区74，提高拼接点72的温度到足以使两个光纤的末端在拼接点72熔融在一起。典型的拼接温度约为2,000℃。在这个例子中，拼接参数的选取是使两个光纤10和30中有最小的掺杂剂扩散。
在图8中，从熔融接合器70中取出拼接光纤10和30。此时，由于模场失配，拼接光纤10和30具有很大的拼接损耗。在图9中，拼接光纤10和30装入到热处理站80，其中燃气喷灯火焰82用于给拼接区84加热。按照本发明的一个特征，燃气喷灯火焰82可以沿SSMF10和DCF30长度的两个方向扫描。此外，如以下所描述的，通过调节进入燃气喷灯82的燃气流量，可以控制燃气喷灯火焰82的强度和拼接区84的尺寸。
按照加热分布86加热拼接区84，加热分布使拼接区84中SSMF10和DCF30的掺杂剂呈锥形扩散。如加热分布86所示，拼接点72加热到约1,300℃。拼接区84的温度在拼接点72的两侧逐渐减小。
图10至图12是一系列的纵向剖面图，用于说明热处理对SSMF10和DCF30中掺杂剂的影响。图10表示拼接之前的光纤10和30。如上所述，SSMF10包括：掺锗的纤芯12和未掺杂的包层14。DCF30包括：掺锗的纤芯32，含重掺杂氟的第一包层34，和未掺杂的外包层36。
在图11中，利用熔融接合器使SSMF10和DCF30在拼接点72拼接在一起。熔融拼接过程的热量造成SSMF和DCF中掺杂剂的扩散。如图11所示，SSMF纤芯12包含略微膨胀的部分90。类似地，DCF纤芯32和第一包层区34分别有略微膨胀的部分92和94。
如上所述，然后把拼接光纤装入到热处理站。图12表示热处理过程的结果。可以看出，SSMF纤芯90的膨胀部分已变形成平滑的锥形通道96。DCF纤芯92和包层94的膨胀部分已熔合在一起，也形成平滑的锥形通道98。
图13表示热处理后的SSMF10在拼接点72的径向剖面图。图1所示的掺锗纤芯12已膨胀成图13所示有较大直径的扩散纤芯96。图14是曲线图100，说明处理前的RI分布22，还利用虚线说明处理后的RI分布102。如图14所示，处理后的RI分布没有直角边缘，现在有弯曲的边缘，这是由于锗掺杂剂的扩散。在拼接区84中，SSMF10在处理前的RI分布22与处理后的RI分布102之间有平滑的过渡。两个RI分布22与102之间的过渡基本上是绝热的，即，没有大的损耗。
图15表示热处理后的DCF30在拼接点72的径向剖面图。图2所示的DCF掺锗纤芯32和掺氟的第一包层34已熔合和膨胀成图15所示的锗氟纤芯98。图16是曲线图110，它说明处理前的RI分布42和44以及处理后的RI分布112。从图16中可以看出，矩形尖峰42和深沟44已熔合成单个曲线分布112。在拼接区84中，DCF在处理前的RI分布42和44与处理后的RI分布112之间有基本平滑的绝热过渡。
从图13至图16中可以看出，SSMF纤芯96和DCF纤芯98在拼接点72有相似的尺寸和RI分布。这种相似性减小了两种光纤之间的拼接损耗。在热处理之后，通过沿拼接区84长度的信号传播方向扫描火焰82，可以进一步减小拼接损耗。这种后处理的扫描技术使模场和掺杂剂过渡更加平滑。此外，当拼接光纤装入到热处理站和从热处理站取出时，通过向下倾斜喷灯燃气流，可以减小弯曲损耗。
应当注意，在不偏离本发明精神的条件下，可以变更上述的技术。例如，可以使用熔融接合器70完成DCF纤芯32的膨胀。然后，热处理站用于产生掺氟包层34的均匀扩散以减小拼接损耗。
图17表示热处理站150的透视图，它适用于实现此处描述的技术。图17所示的热处理站150在美国专利中有进一步的描述。然而，应当理解，在不偏离本发明精神的条件下，利用其他的热处理站也可以实现此处描述的技术，其中包括美国专利中展示和描述的其他热处理站。
图17所示的热处理站150用于加热拼接光纤线路152。光纤152的拼接点154放置在加热装置156之上，在这个例子中加热装置156是利用燃气喷灯实现的，其中利用燃气源160供给火焰158。在不偏离本发明精神的条件下，可以适当地利用其他的加热单元。为了精确地调节燃气喷灯156，燃气源160配置了燃气流量控制器162。烟道164放置在燃气喷灯156之上，以稳定加热过程中的火焰158。利用平板166保持光纤152和烟道164的定位，平板166上包含暴露拼接点154的缺口部分168。缺口部分168两侧的第一夹线板170和第二夹线板172使光纤152保持在平板166上，而夹紧烟道164的悬臂174使烟道164保持在平板166上。
在加热过程期间利用重物176使光纤152中保持轻微的张力，重物176是可拆卸地连接到光纤的一端。这种张力可以避免光纤178在加热过程中有相对于火焰158的运动。必须细心地确定正确的重量以避免光纤加热时被拉伸。在这个例子中，使用的重物为0.7g。第一夹线板170足够松弛地夹持光纤152，使光纤152中所受的张力可以按照这样的方式受到控制，夹线板的功能是作为光纤导向器。为了避免光纤152的弯曲受损，提供一种曲线型导向器178，借助于这种导向器，光纤152的受力部分在加热过程期间是松弛的。
按照本发明的其他方面，我们发现，在某些情况下，需要在热处理过程期间加附加的可控张力到拼接光纤。通过增加拼接光纤上重物176的重量，可以加上这个附加的张力。也可以利用其他的张紧机构。
利用安装了平板166的平移台180，平板166相对于燃气喷灯156是可运动的。位置读出装置182提供平板166位置的信息。当拼接光纤152最初安装到热处理站150时，平板166放置在远离火焰158的上面。在安装以后，利用平移台180使拼接点154移入到火焰中。为了得到可重复的结果，利用位置读出装置182监测平移台180的位置。一旦确定拼接点154相对于火焰158的最佳位置，这个位置在随后的热处理中是有用的。
喷灯156是利用内径约为4mm的石英管制成。由于扩散氟所需的温度估计为1,200℃至1,300℃之间，可以使用没有添加氧气的丙烷或氢的气体。燃气流量控制器162用于保持气体流量在正确的值上。典型的流量约为10ml/min(适用于丙烷)。此外，为了适合于特定的光纤，必须优化这个流量值。
当拼接点154是在火焰158中时，监测拼接损耗。在约为10分钟时间内达到最小拼接损耗时，利用平移台180使拼接点154从火焰158中移出。现在，可以从热处理站150中移出拼接点154。图18所示的热处理站150只要求在拼接点154处有1cm长的裸光纤152。
本发明的其他方面提供用于增大热处理后拼接区强度的系统和方法。按照本发明的一个特征，吹洗干气到热处理站中燃气喷灯火焰的周围，以去除热处理期间拼接光纤表面的水份。我们发现，按重量计算的干气合适含水量小于100ppm。按照本发明的另一个方面，干氧用在火焰的燃烧区。
按照本发明的另一个方面，第二种气体，例如，氮气(N2)，吹洗到喷灯周围以去除火焰附近的灰尘颗粒。这种气体必须过滤，其流速适合于达到最大的拼接强度。
按照本发明的另一个方面，在热处理之后，利用合适的燃气流量沿拼接区扫描喷灯火焰，可以恢复拼接区中拼接光纤的玻璃表面以提高拼接强度。或者，在模场膨胀到使加热区扩大并达到足够高的温度之后，通过短时间内增大燃气流量，也可以恢复拼接区中拼接光纤的玻璃表面。
本发明的方面提供用于增大按照上述处理光纤中拼接强度的系统和方法。通过改变图17所示和上述的热处理站150，可以实现这些系统和方法。这些系统和方法也可以与加热拼接光纤的其他系统相结合。
在一个特征中，干气，例如，干氧等，馈送到喷灯火焰中以去除拼接光纤表面的水份。吹洗气体送到火焰附近以去除火焰附近的灰尘颗粒。图18表示按照本发明一个特征用于热处理拼接光纤202的燃气喷灯组件200。光纤的拼接点204是在喷灯206的火焰上方中央。喷灯206包括：一对同轴的管子208和210。内管208用于给喷灯火焰(未画出)传送丙烷或其他合适的可燃气体。外管210用于给火焰馈送干气，例如，干氧，为的是去除光纤202表面的水份。我们发现，干气的合适含水量小于1ppm。干气的作用是去除热处理过程中拼接光纤表面的水份。
喷灯组件206包括：火焰上方的烟道212，用于稳定火焰并抽取来热处理时的空中浮游残渣。吹洗气体馈送管214围绕烟道212，并传送合适的吹洗气体，例如，氮气，用于吹洗火焰附近的灰尘颗粒。
我们发现，在热处理过程期间，去除拼接光纤202表面的水份和吹洗火焰附近的灰尘颗粒可以增大拼接区的强度。应当注意，这些技术中任何一种技术单独地也能增大拼接区的强度。因此，可以单独地或组合地实施这些技术。
图19表示按照本发明另一个特征的另一种组件250。喷灯组件250是包含三个同轴管252，254和256的“三元组喷灯”。内管252用于给喷灯火焰(未画出)传送合适的可燃气体，例如，丙烷。中管254用于给火焰传送干气，例如，干氧。外管256用于给火焰传送吹洗气体，例如，普通的氧气。同样，干气的作用是去除光纤表面的水份，而吹洗气体的作用是吹洗火焰附近的灰尘颗粒。图19所示的喷灯250可以在它的火焰上方配置烟道(未画出)用于稳定火焰和抽取热处理时的空中浮游残渣。
图20表示在使用图18所示喷灯200时氧气流量与平均拼接强度之间关系的曲线图300。根据这些数据可以看出，增加氧气流量可以增大拼接强度。然而，增加氧气流量也导致升高的温度。
如上所述，在完成IDF和其他DCF的模场膨胀时，温度是一个重要的参数。所以，需要选取导致可接受拼接损耗的氧气/燃气流量比。因此，在某些情况下，同时获得理想的拼接损耗和足够的强度可能是困难的。
克服这种问题的一个方法是，在保持用于模场转换的合适温度的同时，在氧气流中添加惰性气体，例如，氩气，以制造一个足够干燥的环境。
另一个解决方案是，首先使模场在正确的温度范围内膨胀。这种膨胀所需的时间通常约为10-20分钟。此后，如图21所示，在强度优化的温度下，火焰350沿拼接点354附近的拼接光纤350方向扫描一段很短的时间，从而仅产生少量的扩散。扫描火焰350还可用于进一步减小拼接损耗，其中使火焰逐渐减弱可能形成低损耗的过渡。
通常，甚至不需要沿拼接光纤方向扫描火焰以提高强度，只需要最后增大燃气流量就足够了。图22A-22C说明火焰强度的不同值。图22A表示热处理期间使用的正常燃气流量，其中火焰350相对于拼接光纤352的位置是为了在拼接点354周围形成一个热区356。燃气流量的增加引起火焰350区域的增大和热区356宽度的膨胀，如图22B所示。可以让热区356膨胀，使它覆盖模场膨胀过程中加热的整个区域。按照这种方法，可以去除模场膨胀过程中诱发的任何微小裂纹。在DCF的情况下，去除微小裂纹通常要求的温度高于模场变换的最佳温度。
一些拼接试验中的效应也能使强度退化，这个效应是加热过程中的光纤弯曲。例如，这种弯曲可以发生在拼接点放置到火焰中或从火焰中取出热处理后拼接点的时候。防止发生这种弯曲的一个方法是，当光纤放入到火焰或从火焰中取出时，给光纤施加轻微的张力，但不形成实际的锥形。在放置光纤到火焰中和从火焰中取出光纤时改变燃气流量的大小，也可以进一步减轻这个问题。例如，在从装置中取出拼接光纤352之前，如图22C所示，可以减小燃气流量，使火焰350远在拼接点354以下。按照这种方法，拼接点354没有经历可能导致弯曲的突然温度变化。
图23是在热处理之后一系列试验拼接点的拼接损耗和强度数据的表格360，其中一段超波SLA(Ultra Wave SLA)拼接到一段IDF。如表中数据所示，利用此处描述的技术，可以实现的拼接强度超过200kpsi，而拼接损耗小于或等于0.22dB。
图24是按照本发明一个方面的方法流程图400，用于制造高强度和低拼接损耗的光纤传输线。在步骤402，熔融接合器用于拼接第一类光纤到第二类光纤。在步骤404，拼接光纤从熔融接合器中取出，并装入到热处理站。在步骤406，热处理站中的喷灯火焰加热拼接区到不同的扩散温度，造成第一光纤纤芯的热膨胀，还造成第一光纤中另一种掺杂剂的均匀扩散，例如，氟扩散。在步骤408，在加热拼接区的同时，吹洗干气到喷灯火焰的周围，以去除拼接区中拼接光纤表面的水份。在步骤410，在加热拼接区的同时，吹洗气体到喷灯火焰周围，以去除喷灯火焰中的灰尘颗粒。在步骤412，在完成热处理之后，沿拼接区的长度方向扫描喷灯火焰，用于恢复拼接光纤的玻璃表面。
虽然，以上的描述包含本领域专业人员可以实现本发明的细节，应当承认，这种描述是说明性的，理解这些内容优点的专业人员可以作出各种改动和变化。因此，此处描述的本发明仅仅受所附权利要求书的限制，权利要求书可以解释成超出现有技术的范围。