利用化学汽相沉积制造光纤预成型的方法 相关申请的交叉参照
本申请是1995年6月7日提交的美国专利申请No.08/477,679的延续部分，上述美国专利申请是1993年12月27日提交的美国专利申请08/172,937的分案。
【发明领域】
本发明涉及拉制光纤用预成型的制造方法；这些方法特别适于制造电信系统用的高速数据光纤。
背景技术
已知当传输功率处于非线性区域时光纤内将产生孤立子。由于非线性折射率下的色散平衡，光孤立子在沿光纤传播时保持较窄的瞬间脉冲不变。在数学上这种现象适于用众所周知的非线性薛定谔方程描述。例如参见C.Sien的“Concatenated Soliton Fibre Link”(Electronics Letters，volume 12，pages 237-238(1991))一文。在非线性薛定谔方程中有三个重要项。这些项涉及衰减、群速度色散和非线性折射率效应。群速度色散项与非线性折射率项的平衡至今仍然吸引着众多的注意力并且已经有相当的了解。但是实际光纤中脉冲的传播要发生衰减；这可能使孤立子脉冲形成线性调频脉冲并随后展宽，从而成为线性的。
这里所用地术语“色散”指的是群速度色散，它是材料色散与折射率分布色散之和。
有人提出，如果群速度色散随距离近似于指数下降，则有损耗的光纤中可以有孤立子存在(K.Tajima，“Compensation of Soliton Broadening in NonlinearOptical Fibers with Loss”，Optical Letters，volume 12(1)，pp.54-56，1987)。这样，群速度色散连续变化从而与变化着的功率水平匹配。该篇文献提出通过使光纤逐渐变细的方式改变内芯直径可以做到这一点并且可以通过控制光纤拉制速度制造出这种光纤。图1示出了这种光纤，其中光纤5的直径从输入端部6呈指数形式减小至输出端部7。光纤5的内芯直径正比于光纤外径。在Tajima提出的理论实验中，这种光纤的有效内芯直径在100公里的距离上从10微米左右呈指数形式减小至5微米左右。
色散减小光纤实际上是通过改变光纤拉制速度制造出来的，光纤的外径从175微米减小至115微米，从而使得测得的色散在1公里长度内从10ps/nm-km减小至1ps/nm-km(V.A.Bogatyrev等人，“A single-mode fiber with chromaticdispersion varing alongthe length”，Journal of Lightwave Technology，volume 9(5)，pages 561-566，1991)。随后光纤被用来产生70 GB/s下的一连续孤立子脉冲序列(S.V.Chernikov，“70 Gbit/s Fibre based source of fundamental solitons at 1550 nm”，Electronics Letters，volume 28(13)，pages 1210-1211，1992)。这种光纤潜在的应用是图2孤立子通信系统中所示的典型超高比特率电信系统。脉冲序列被输入放大器11并耦合至色散减小光纤DDF-15，输入端a的色散大于输出端b的色散。在传播一定的距离(该距离受最大色散范围所限)之后，光信号在放大器12处再次放大并耦合至色散减小光纤DDF-16，它包括高色散端a相邻放大器12和低色散端b相邻放大器13。
也有人提出在孤立子通信线路中采用色散减小光纤可以延伸例如放大器11与12之间的距离。虽然色散减小光纤可以有许多应用，但是对于外径和内芯直径如Tajima和Bogatyrev文章中所述那样变化的锥形光纤来说，将会在例如光纤拼接和敷设方面存在问题。
【发明内容】
因此本发明的目标是提供一种直径恒定光纤的制造方法，该光纤的色散沿长度方向变化。本发明的另一个目标是提供一种色散减小光纤的制造方法，该光纤的色散沿轴向的变化并不完全依从于光纤外径的变化。本发明的另一个目标是提供一种光纤制造方法，该光纤的折射率分布沿长度方向变化。
简而言之，本发明涉及这类色散减小光纤的制造方法。按照一个实施例，通过使基料玻璃反应剂与掺杂玻璃反应剂流动至伸长状衬底附近的反应区并将反应区从衬底一端移动至另一端形成层状物制成内芯预成型。层的沉积一直延续到形成预成型。在沉积预成型期间，当反应区沿衬底纵向移动以形成其中一层时，作为反应区位置函数的掺杂玻璃反应剂流速根据掺杂反应剂第一配比变化。当反应区沿衬底纵向移动以形成靠近上层的一层时，掺杂玻璃反应剂的流速根据掺杂反应剂第二配比变化。第二配比与第一配比不同，并且在移动反应区以形成该层时掺杂玻璃反应剂的流速发生了变化。
在另一实施例中，通过在伸长的芯轴上沉积多层涂层形成光纤内芯预成型，每层涂层由多层玻璃微粒层组成并具有独有的折射率分布。抽去芯轴后就形成了多孔的预成型，并且加热多孔预成型以形成紧密的玻璃预成型。改进的方法包括在沉积其中一层涂层时使其厚度不均匀，其中在预成型一端的厚度大于相对一端的厚度。
附图的简要说明
图1为用于孤立子传播的现有技术光纤的示意图。
图2示出了采用色散减小光纤的孤立子通信系统。
图3为色散偏移单模光纤内芯的折射率分布。
图4(a)-4(j)和图5(a)-5(d)为按照本发明方法制造的单模光纤输入端与输出端处内芯的折射率分布。
图6和8为包含平顶中央内芯区域的两种光纤的折射率分布。
图7和9分别为色散和模场直径作为图6和8截面内平顶长度x的函数的曲线图。
图10为可以用来形成本发明光纤的装置示意图。
图11为利用改进工艺形成的多孔内芯预成型的剖面图。
实施发明的较佳实例
在色散减小光纤的潜在应用中，光纤输入与输出端之间要求有较大的色散差。此外对于孤立子传输，色散必须为正并且在光纤输出端变得很小或者为零。其它必须考虑的光纤特性是模场直径和截止波长，这是由于影响色散的折射率变化也可能会影响这此特性。
由于孤立子要求低损耗，所以比较好的是工作在电磁谱的1550纳米区域，在该区域以二氧化硅为基本材料的光纤具有极低的损耗。按照美国专利No.4,715,679方法制造的色散偏移光纤被设计为在1550纳米左右处色散为零。在T.D.Croft等人的“Low-Loss Dispersion-Shifted Single-Mode Fiber Manufacturedby the OVD Process”(Journal of Lightwave Technology，Volume LT-3，No.5，October1985，pp.9313-934)和V.A.Bhagavatula等人的“Bend-Optimized Dispersion-Shifted Single-Mode Designs”(Journal of Lightwave Technology，Volume LT-3，No.5，October 1985，pp.954-957)中对色散偏移光纤作了进一步的讨论。
图3示出了典型的商用色散偏移光纤的折射率分布，光纤在1550纳米处的色散为零。光纤内芯包含中央内芯区域20，它由折射率色散的区域22将其与外环21分开。中央三角形区域20的直径为7.20微米，环21内外颈直径分别为10.08微米和12.94微米。区域20和21的峰值折射率(用Δρ表示)分别为0.9％和0.3％。Δρ项为相对于夹层的相对内芯折射率并且表示为：
Δρ＝(n12-n22)/2n12
这里n1为内芯区域的峰值折射率而n2为夹层折射率。为简单起见，常常用百分数表示Δ，即将Δ乘以100。值得指出的是，有些光纤制造工艺会使折射率在光纤中心线上降低。在这种光纤中，n1指的是中央内芯区域的最大折射率。
根据本发明的一个方面，色散减小光纤的折射率分布与图3的色散偏移截面在整个长度范围内有所差异，其截面沿光纤长度保持变化以使色散从输入端取较大值变为在输出端取较小值或为零。在较佳实施例中，光纤输出端的截面为色散偏移截面，其在工作波长上色散基本为零。有些截面形状有利于以最小的折射率分布变化实现较大的色散变化。但是在改进截面的复杂程度与群速度色散可能取值范围之间存在设计上的折衷。通常将使横截面折射率分布作为长度函数变化的设计划分为三类：
类型I：它们不改动图3标称的色散偏移光纤的中央内芯区域，只改动外环结构；
类型II：只改动中央内芯区域；以及
类型III：同时改动中央区域和外环区域。
由于光纤整个长度方向上的中央内芯区域保持不变，所以类型I的一组截面只需对光纤内芯制造工艺中的玻璃微粒沉积步骤作稍许改动。但是它们的色散还是可能在较小范围内变化。对截面形状另外两种可能的限制是光纤必须为单模并且色散必须为正。
表1列出了图3、4(a)-4(j)和图5(a)-5(d)中折射率分布相关的参数。表1列出的色散、模场直径和截止波长值通过计算机模拟技术得出。
表1
包散(ps/nm/km) 模场直径 截止波长分布 在1550nm (um) (nm)图3 0.0 8.7 1106图4(a) 1.978 10.1 1524图4(b) 1.485 9.9 1480图4(c) 0.919 9.5 936图4(d) 0.599 9.5 1372图4(e) 7.267 10.3 1526图4(f) 7.794 10.0 1385图4(g) 2.969 9.2 1089图4(h) 7.267 10.3 1526图4(i) 6.386 9.3 1277图4(j) 5.794 9.7 1393图5(a) 3.513 6.4 1276图5(b) 14.396 6.8 1552图5(c) 2.940 8.4 1193图5(d) 8.902 8.3 1447
图3和4(a)-4(j)示出了类型I的截面；这些截面的不同之处在于外芯区域环具有不同的掺杂浓度和形状，在图4(c)中环完全消失。这种类型截面的性质归纳于表1中。图4(a)-4(j)所代表光纤的光学特性使得其可以用于色散减小光纤的高色散输入端(假定另一端截面的色散较小)。例如，如果在低色散的输出端采用图3所代表的截面，则图4(a)-4(j)所代表的任一截面可以用于光纤高色散的输入端。在另一实例中，图4(i)所代表的截面可以用于光纤的高色散端而图4(g)所代表的截面可以用于低色散端。具有图4(a)-4(d)和4(g)所示截面的光纤的色散小于3ps/nm/km。因此除非通过改变光纤拉制速度使内芯呈锥形，否则这样的光纤由于色散变化不够，无法用于分立放大器间距较大的系统。
表1表明，最大色散发生在靠近内芯中央的折射率分布内的陡峭边缘处(例如参见图4(e)、4(f)和4(i))。但是实践中考虑到注入二氧化锗的扩散可能会钝化截面边缘。因此在图4(e)-4(j)这组截面中，图4(g)-4(h)的截面更容易形成。
表1还表明，随着中央内芯区域直径的增加，色散也随之增大；将图5(c)和5(d)的截面色散与图3截面产生的零色散进行比较。
表1中图5(a)和5(b)的项表明，通过将中央内芯区域做成平顶状可以在合理的模场直径下获得较大的色散。图5(a)与5(b)的比较表明色散高度依赖于中央内芯部分外径位置。而且也依赖于斜率。环截面的变化可以用来调节模场直径或截止波长。
图6和8示出了平顶折射率分布的进一步实例，图7和9分别示出了这些截面的色散和模场直径。当x等于零时，图6和8的截面被优化为在1550纳米范围内色散为零。下列讨论表明，通过插入平顶中央区域可以引入较大的正色散。将这种平顶中央区域加入任何优化的零色散截面可以引入较大的正色散。
在图6的折射率分布中，中央内芯区域包括平顶部分47和区域48，区域48的折射率随半径减小。区域47的半径为x微米。与中央内芯区域相隔的是环形外芯区域49。如果x等于0，则截面与图3的相同。如果区域47的半径为x微米，则区域49的内径为(x＋5)微米。
图7为色散和模场直径作为平顶长度x的函数的曲线图。曲线50和51分别表明色散随平顶长度x增大而模场直径随平顶长度x减小。
在图8的折射率分布中，中央内芯区域给定折射率的平顶中央内芯区域53，它被低于给定折射率的外芯区域55包围。这种类型的折射率分布与美国专利No.4,755,022(Ohashi等人)所揭示的类似，该专利作为参考文献包含在这里。而区域53和55为台阶型截面，但它们也可以象Ohashi等人专利中所建议的那样是分级的。
图9的曲线57表明色散随平顶长度x的增加而增大。当x从0增加至5微米左右时，模场直径(曲线58)开始是减小，然后是增大。
图6和8中的折射率分布具有共同的特征。每种截面都具有中央内芯区域和折射率低于中央区域的外芯区域。外侧区域的作用相当于高折射率物质，它位于该内芯半径外部，其功率随波长增加而增大。质量的大小由包括其半径之内的折射率分布确定。折射率分布可以设计成使外芯区域质量的功率加权积分与具有所需色散值(可能为零)的内芯区域相等。类似图6色散46的折射率色散允许比较灵活地设置外芯质量，这样就可以在其它光纤性质方面(例如模场直径和截止波长)获得所需的效果。
色散减小的单模光纤可以按照图10来制造，图10示出了外部汽相沉积(OVD)工艺，其中玻璃微粒沉积在芯轴的纵向表面。其它玻璃沉积工艺也可以用来形成至少一部分色散减小光纤。这些工艺包括改进的化学沉积(MVCD)工艺(它将玻璃层沉积在衬底管内表面上)和轴向汽相沉积(AVD)工艺。
参见图10，由二氧化硅或其它高温材料构成的芯轴60分别如箭头64a和64b所示围绕并沿纵轴平移。燃烧器65产生沉积到芯轴60上的玻璃微粒气流66，每次经过其或其作横向运动时都沿芯轴沉积一粘结层。每层涂层68、69、70和71由多层这样的层组成。燃烧器横向运动的速度可以调节。
每层涂层由玻璃微粒组成，它包含诸如二氧化硅(SiO2)之类的基料玻璃，并选择性地含有诸如GeO2、P2O5、B2O3之类改变基料玻璃折射率的掺杂剂。掺杂剂GeO2和P2O5的加入提高了二氧化硅的折射率，而B2O3则降低了折射率。为了形成掺杂GeO2的二氧化硅微粒，诸如SiCl4和GeCl4之类的反应剂连同氧气被输送至燃烧器65。在图10系统中，SiCl4和GeCl4蒸汽分别在储存容器77和78内形成。如美国专利No.4,314,837中所揭示的那样，这些蒸汽分别由流量控制器77和78计量。氧气源76的氧气由流量控制器79计量。流经控制器77、78和79的反应剂量由系统控制器80控制。
在沉积整个玻璃微粒层期间所有反应剂的流量有时候保持不变。作为另一种选择，其中的一个或多个流量可以作为燃烧器在纵轴上位置的函数发生变化。连接燃烧器65与系统控制器80的虚线81表示控制器80被提供表示燃烧器在芯轴纵轴上位置的信号。
每种玻璃成份的浓度在形成单层期间作为燃烧器在芯轴纵轴上位置的函数，被称为配比。如果燃烧器横向运动的速率保持不变，则每次经过燃烧器时的配比作为燃烧器位置的函数由所有反应剂的流速定义。
如果两层相同的层紧挨着沉积，则第一和第二层的沉积可以从芯轴第一端开始，或者第一层的沉积从芯轴第一端开始而第二层从第二端开始。如果第一和第二层相同，都由基料玻璃和掺杂玻璃组成，其浓度沿芯轴上的位置变化，则不管燃烧器是从芯轴同一端还是从芯轴不同端沉积第一和第二层，第一和第二配比都是相同的。其理由是配比决定了沉积玻璃微粒的组份，而该组份是燃烧器沿芯轴上位置的函数而非从沉积层开始算起时间的函数。
值得指出的是，在图10的OVD工艺中，可以沿燃烧器横向运动的两个方向沉积层；但是如果从同一轴向端开始沉积每层则可以提高沉积效率。
假定需要在一端形成如图4(g)所示折射率分布而在另一端形成如图3所示折射率分布的光纤。如果整个光纤例如有25公里长，则可以沉积能拉制到25公里长的预成型72。在图4(g)和3所示的截面中，中央内芯区域的直径为7.2微米并且Δρ为0.9％。而且在图4(g)和3中，外芯区域或环的半径宽度为1.43微米。图4(g)与图3所示截面唯一的区别在于外芯区域的位置。在图4(g)中，这些区域紧邻中央内芯区域，而在图3所示的光纤成品中，这些区域与中央内芯区域相隔1.44微米。
在形成这种光纤的一种技术中，微粒形成涂层68，首先沉积包含掺杂足够GeO2的SiO2的第一层，它提供了0.9％的Δρ。在为沉积形成涂层68而形成的随后各层内，流至燃烧器的GeCl4的数量持续减小直到最后一层包含最小增量的GeO2(对应光纤半径3.6微米)。随着GeCl4流的关断，沉积得到了一层纯二氧化硅(SiO2)的涂层69，其厚度从预成型端部62的预定厚度到端部63变为零。通过在端部62处提供预定的SiCl4流并随后减小SiCl4流直到燃烧器到达端部63时完全切断为止可以形成这种结构。SiCl4流速也可以保持不变而改变燃烧器的速度。
随后通过沉积多层玻璃微粒形成涂层70，第一层不含GeO2，接着使GeCl4流以一定斜率升高从而在中间层内包含足以提供且0.9％Δρ的GeO2，此后逐渐减小GeCl4流直到沉积形成不含GeO2的外层为止。随后可以沉积纯SiO2的外涂层71。涂层71如图10所示可以具有均匀的厚度。但是也可以通过沉积工艺使端部63的厚度大于端部62的厚度，从而使之抵消涂层69的效应并使型芯预成型72的直径在整个长度方向上均匀。比较好的是在涂覆夹层玻璃微粒剩余物之前先固化预成型。为此可以从多孔预成型内抽去芯轴60并在固化炉内将预成型加热至足够高的温度从而固化玻璃微粒并形成致密的玻璃型芯预成型。随后将夹层材料涂覆在型芯预成型上。为此将型芯预成型插入卡盘使其旋转并相对燃烧器65平移从而沉积一层例如是未掺杂的二氧化硅微粒。光纤预成型成品经过固化形成拉制光纤的坯料。
所制成的坯料虽然可以拉制成一定长度的色散减小光纤，但是也可以制成更大的坯料，并由此拉制许多这样的光纤。图10所示的涂层式样可以沿预成型长度方向重复。因此，当预成型拉制为光纤时，色散沿着例如25公里长的拉制光纤一个剖面从大变小。随后色散又突然变大并沿下一25公里减小。这种色散减小的式样将重复到所有从坯料拉制出来的光纤长度上。
图11示出了预成型沉积实施例，其中与图10中相似的单元用基本相同的标号表示。由于燃烧器和反应剂控制系统与图10的相同，因此图11中没有示出。没有沉积图10中的锥形涂层69。在沉积中央内芯涂层68’之后，GeCl4流速(并且可以选择SiCl4流速)随燃烧器从预成型端部62’到端部63’横向运动逐渐变化。对于本实例，燃烧器66在端部62’处开始沉积微粒，并在不沉积颗粒的情况下迅速从端部63’跨越至端部62’。在涂层68’沉积之后，GeCl4的流速为零而SiCl4的最大。此时，燃烧器位于端部62’处，图3的截面正待形成。在形成涂层85第一层期间燃烧器第一次经过预成型期间，其位于端部62’时GeCl4的流速为零，并且GeCl4流只从端部63’开始出现。在形成涂层85第二层期间燃烧器第二次经过预成型期间，GeCl4的流速从距离端部63’一小段处开始出现，并且随燃烧器靠近端部63’，GeCl4流增大。在相应于沉积位于端部62’的降低折射率区域22的通过期间，在端部63’处向燃烧器输送足够的GeCl4以形成0.3％Δρ的的玻璃微粒，对应的是图4(g)外侧区域的峰值折射率。在向燃烧器输送GeCl4以恰好在端部62’处开始形成折射率环21(图3)内径时，在余下的通过中停止供应GeCl4气流。向燃烧器提供以一定斜率增加的GeCl4气流直到最后形成涂层85，由于环21外侧区域(图3)不含GeO2，并且相应的图4(g)截面半径内不含GeO2，所以此时无GeCl4流。随后如上所述沉积SiO2涂层71’。接着固化预成型87，用SiO2作包层并拉制成光纤。
利用图11所示方法制造的类似光纤可以采用MCVD工艺。燃烧器沿二氧化硅衬底管外表面从第一端向第二端移动从而在管内形成移动的热区和反应区。燃烧器随后快速返回第一端。基料玻璃反应剂和至少一种掺杂玻璃反应剂流入管子的第一端；这些微粒沉积在管子内表面反应区的下游。随着反应区从第一端移动至第二端，形成了微粒的第一层。反应区返回第二端并重复跨越管子以形成第二层。在第一和第二层上还沉积了其它层以形成涂层。一层或更多层的涂层构成了拉制光纤的预成型。
在沉积预成型部分期间，随着反应区沿衬底管纵向移动以形成其中的一层，掺杂玻璃反应剂的流速根据给定的配比变化。当反应区沿衬底纵向移动以形成紧挨上述层的下一层时，掺杂玻璃反应剂的流速按照与给定配比不同的配比变化。这种方法的效果是所形成的预成型在第一端部具有第一形状(例如图4(g)所示)的折射率分布而在第二端部具有第二形状(如图3所示)的折射率分布，并且在第一与第二端部之间的预成型区域具有逐渐变化的折射率分布。如上所述，这种预成型拉制的光纤的色散沿其一端到另一端减小。
同样，在预成型一端也可以沉积任意一种所揭示的折射率分布，而在其另一端沉积任意一种其它的折射率分布，截面从一端逐渐变化至另一端。
为实现图6和8的实施例，开始时可以在形状60上沉积一层楔形涂层。整个楔形涂层的折射率与内芯区域47或53的相同。随后形成厚度均匀的涂层。楔形涂层厚度使得在成品光纤中其一端内芯区域半径为x微米，大于光纤另一端的半径。
对于要求厚度无变化区域(例如区域69)的色散减小光纤，其一端的截面如图4(d)所示而另一端如图3所示。外芯区域的位置是相同的。只是外侧区域的形状不同。