制造具有降低的偏振模式色散 的光纤远程通信光缆的方法 【技术领域】
本发明涉及具有降低的偏振模式色散的光纤通信光缆，以及制造的方法。本发明还涉及适用于光纤远程通信光缆的光纤，以及对应的制造方法。
背景技术
从“光纤通信系统(Fiber-Optic Communication System)”，Govind Agrawal，John Wiley and Sons，Inc.，第二版，中已经知道，具有完全对称芯区以及均匀直径的单模光纤允许传输两个简并的正交模式(一般称为TE和TM)，这两个模式具有相同的模式折射率(或有效折射率)n，它定义为n＝β/k0，其中β为传播常数，k0是自由空间的波数。
芯区的圆柱对称性可以通过光芯形状的变化来干扰，这可以是由于诸如光纤牵引工艺的过程而获得。
光纤的牵引工艺通常通过一个称为“牵引塔”的这样一个适当的设备从一个适当准备的玻璃预制棒中实现。在实际中，预制棒被置于炉子中的一个竖直地位置，其中预制棒的下端被加热至软化点以上。从预制棒中流出的材料以一个受控的速率被向下牵引，这制造出了形成光纤的丝状部分。在该工艺中，光纤芯区形状的变化可以是由于诸如预制棒中结构和几何缺陷的原因，或是由于工艺中操作条件的所不希望的变化。
由于光纤芯区的前述变形，在芯区的截面上两个正交轴x和y的光学性质就变得不同，从而光纤就获得了双折射。如果nx和ny是沿两个迪卡尔坐标x和y偏振的模式的模式折射率，那么双折射就由B＝|nx-ny|给出。
当一个光信号在双折射的光纤中经过时，一个称为“偏振模式色散”(PMD)的现象就会发生，这将会导致两个具有正交偏振的模式以不同的相速和群速传播。对于脉冲信号的情况，PMD一般会导致脉冲的展宽。这是因为，如果入射的脉冲激励起两个偏振分量，这两个偏振分量会由于它们不同的群速而沿光纤发生色散，从而离开光纤的脉冲就会变宽。
PMD现象通常会限制信号传输的带宽，并且也就会使光纤的性能恶化。所以该现象在光纤通信系统中是不希望出现的，尤其是长距离系统，在长距离系统中需要将信号所有的损耗和色散减小以提供传输和接收的高性能。
典型地，PMD现象关于光纤的长度呈线性变化。然而，光纤纵向的缺陷和不规则会导致两个偏振模式之间的功率交换，从而产生“模式耦合”现象。由于该现象，两个偏振模式之间的延时沿光纤轴发生缓慢变化，特别地，该变化与传输距离的平方根成正比。
还可以通过适当的方法故意引入模式耦合，例如通过在牵引中将光纤“自旋”的方法，这包括了给光纤加上关于它的轴的预设自旋，这就像AT&T贝尔实验室的美国5,298,047中所描述的。自旋方法可以将单模光纤的PMD降到低于0.1ps/km1/2。这个量级大小的值对于那些构建通信系统的情况通常是需要的。然而，可接受的PMD值会随着其它系统参数而发生变化，所述系统参数尤其指传输速率和链路的长度。
该自旋方法还可以被应用于制造用于光放大器的掺杂光纤的制造工艺，这就像Corning的美国5,704,960中所描述的，这是为了降低这种光纤中存在的称为“偏振烧孔”(PHB)和“依赖偏振的增益”(PDG)的两种现象。还是根据美国5,704,960，为了清楚地定义光纤所需要的自旋以及反向长度(换句话说，就是在一个交替自旋中存在的两个自旋方向反向之间的距离)，该光纤通过椭圆度或应力被制造成具有有限的双折射。这个有限的双折射必须能够相对于制造过程中引入的无意双折射起主导作用。
申请者发现，尽管美国5,704,960没有指出所加的有限双折射的定量值，仍然需要光纤中的高椭圆度，以获得一个能够相对于无意双折射起主导作用的双折射(所以和无意双折射比起来就相当大)。特别地，申请者认为所需的双折射会增加制造光纤以及装配通信系统的工艺复杂度以及成本。这是因为，在制造过程中，如果光纤需要被做成具有高的椭圆度，那么对光纤光学特性的控制就不可避免的变得不精确。这是由于这样的事实，在光纤的制造过程中，也必须考虑到光纤的高椭圆度以及它对于其它工艺参数的影响，所述制造过程是一个复杂的过程，这是因为它有很多的自由度。此外，在通信系统的装配过程中，如果光纤的椭圆度很高，光纤的正确连接将变得很困难，而且需要复杂且昂贵的设备。
通常，在牵引工艺后，用于信号传输的光纤会被制成光缆。典型地，该成缆工艺包括通过积压工艺制造一个包含光纤的聚合物材料体，接下来是加上外保护以及加强层和部分。
在称为“紧的”光缆中，光纤被直接地与中心支持部分一起包含在聚合物材料体中。在称为“松的”光缆中，多个管状聚合物材料体被安排在中心部分周围，并且每个包含多根光纤，所述管状聚合物材料体被置于也是聚合物材料制成的外管状体内。
前述的成缆操作尤其对“紧的”光缆包括，给光纤加上非均匀的力，然后产生由光纤侧向压力或弹性自旋带来的双折射。
更具体一些，申请者已经发现，在成缆工艺的不同步骤中，径向应力被引入了光纤中，这在光缆的整个长度上延伸，并且尤其在“紧的”光缆中，能够导致光纤的侧向变形。例如，在挤压工艺的最后，拉力会被“冻结”在聚合物材料体中，这产生了连续径向应力的状态。类似的效应还会由挤压工艺后冷却中挤压材料的收缩(“shrinkage”)而造成。
其它应力贡献可以产生于后续工艺步骤中产生的径向应力，就如同给包含光纤的聚合物材料体加压的步骤或在聚合物材料体周围加上聚乙烯护套的标准工艺。
尽管这些应力状态通常在角向是均匀分布的，但是既然光纤不是沿着光缆的轴，就存在光纤的一个非均匀变形(也就有双折射的增大)。
此外，由于外加强和保护涂层的椭圆化也会增大双折射。在该情况下，应力是轴向作用的，但沿角向不是均匀分布，这是由于它们主要作用于集中了变形的光缆的侧向部分。这些应力可以以连续或周期的方式作用在光纤上，这依赖于光纤是彼此平行的还是缠绕于中心部分的(按一个圆柱螺旋)。在后一种情况中，应力的影响能够依赖于光纤绕转的周期。
所以，由于成缆工艺而造成的光纤芯区所具有的变形就会影响光纤的PMD特性。
申请者已经发现，尽管在牵引的过程中加入自旋的方法对于降低牵引过程中引入的内在缺陷而造成的PMD是有效的，它对降低由于成缆所导致的PMD就不太有效。这是由于，既然成缆所导致的双折射贡献不是随机的，所以它们决定性的，所以成缆的光纤的PMD通常很难被预测。为了克服该缺点，特别注意到了现有技术关于光缆设计以及构建，它们是为了尽可能实现光纤中的小的应力。
Corning Incorporated的美国5,867,616提出了一个用于控制PMD的方法，该法与牵引工艺后的工艺是完全无关的，所述牵引工艺后的工艺例如“缓冲”(换句话说，就是加上第二保护涂层，这可以是“松的”或“紧的”)和成缆工艺。该专利提出通过芯区椭圆度周期性的变化，通过芯区和包层的同心度的周期性的变化，或通过光纤中剩余应力周期性的变化，可以产生光纤中偏振模式的耦合。这些变化的产生中，它们的对称平面在实质上长度相同的相邻光纤段上彼此正交。所以得到的净双折射就为零。
申请者发现，在美国5,867,616中，故意引入的双折射需要具有足够的范围以使得它能够自己减小由于成缆和“缓冲”工艺所带来的双折射效应。申请者已经计算出，由于成缆工艺所导致的双折射的折射率变化一般小于3×10-7，所以就注意到故意引入的折射率变化比由于光缆制造工艺所带来的双折射折射率变化大得多，所述故意引入的折射率变化例如美国5,867,616中所提出的，换句话说就是至少1×10-6。申请者认为引入该水平的双折射所需要的修改会带来光纤制造工艺以及通信系统装配阶段的更大复杂性或更高成本，其原因在参考的美国专利5,704,960中有讨论。
申请者已经解决了这样的问题，该问题是关于提供降低成缆工艺带来的前述不利的方法，所述方法还不会带来光纤和光缆制造工艺或通信系统装配阶段的复杂性加大或成本升高。
申请者已经发现，通过制造具有芯区椭圆度以及处于预设限度内的自旋的光纤，能够大幅降低前述的成缆工艺导致的不利，而不会带来光纤和光缆制造工艺或通信系统装配阶段的复杂性加大或成本升高，还不会对其它光纤特征参数带来很大干扰。
芯区椭圆度被做成沿光纤主要均匀的，并且它的平均值必须处于一个较低极限和一个较高极限之间，所述较低极限的选择使得与它相联系的双折射至少等于成缆带来的双折射(其方式使得它能够抵消后者的效果)，所述较高极限的选择使得椭圆度不会超过一个值，一旦超过该值就会在前述的制造和装配工艺上或光纤的特性参数上出现显著影响。尤其在实际中，申请者已经发现前述的优点会在下列情况中出现，平均椭圆度处于大约0.25到0.55的范围内，希望处于从大约0.3到0.5的范围内，更希望处于从大约0.35到0.5的范围内，甚至更希望处于从大约0.35到0.45的范围内。
在牵引中加给光纤的自旋希望是交替的，并且最大自旋极限的选择使得存在足够的模式耦合来抵消由光纤本征双折射带来的效应，所述光纤本征双折射是由芯区的处在上述极限范围内的椭圆度所带来的。申请者认为，为了前述的目标，自旋必须至少是4转每米，希望至少5转每米，更希望至少6转每米，甚至更希望至少10转每米。申请者还注意到，高于30转每米时，在方便的牵引速度(尤其是在超过10m/s的速度)下通过自旋方法施加自旋就变得很困难。
申请者已经证实，所提出的方法获得的光缆可以保证其中的单根光纤的双折射与成缆前的光纤本征双折射相比没有实质的变化。所以，光缆的PMD就很低且可预测。
【发明内容】
在第一方面中，本发明涉及一远程通信用的光缆，它包括一个包含多根光纤的光芯，其中至少一根所述的光纤具有最大值至少为4转每米的关于它自己的轴的自旋，还包括一个芯区，该芯区的平均椭圆度处于从大约0.25到大约0.55的范围内，希望是从大约0.3到0.5的范围内，更希望处于从大约0.35到0.5的范围内，甚至更希望处于从大约0.35到0.45的范围内。
更适宜地，光芯包括了包含所述光纤中至少一根所述光纤的聚合物材料体。
更有利地，光缆包含了安排在所述光芯周围的加强部分以及置于所述加强部分周围的至少一个保护层。
在进一步的方面中，本发明涉及一远程通信用的光缆，它包括一个包含多根光纤的光芯(2)，其中至少一根所述光纤具有一个关于它自己的轴的预设的自旋，以及包括一个具有至少为0.25的平均椭圆度的芯区，所述自旋和所述平均椭圆度使得光纤的PMD小于或等于大约0.2ps/km1/2。
在进一步的方面中，本发明涉及用来制造通信用光缆的方法，包括步骤：
-制造至少一根光纤，这依次包括的步骤有，制造至少一个玻璃材料的预制棒以及从所述的至少一个预制棒中牵引出所述的至少一根光纤；
-制造包含所述至少一根光纤的聚合物材料体；
其中制造至少一个预制棒的步骤包括工艺参数的调整，所述调整使所述预制棒在内部具有一个处于0.25到0.55范围内的平均椭圆度，以及所述光纤的所述牵引步骤给所述光纤加上希望是交替的自旋的步骤，所述自旋具有至少4转每米的最大值。
制造所述预制棒的所述步骤最好包括在一个圆柱支柱上沉积化学物质，所述圆柱支柱绕它自己的轴旋转，以及所述的调整工艺参数的步骤包括的步骤是用周期性的方式调整所述圆柱支柱的旋转速度。
本方法还希望包括的步骤是，在所述聚合物材料体外面加上至少一个保护和/或加强部分。
在进一步的方面中，本发明涉及用来制造远程通信用的光缆的方法，它包括步骤：
-制造至少一根光纤，该光纤反过来包括的步骤是，制造至少一个玻璃材料的预制棒，以及从所述至少一个预制棒中牵引出所述至少一根光纤；
-制造包括所述光纤的聚合物材料体；
其中所述的制造至少一个预制棒的步骤包括工艺参数的调整，所述调整使所述预制棒在内部具有一个至少为0.25平均椭圆度，所述的牵引所述光纤的步骤包括给所述光纤加上自旋的步骤，所述平均椭圆度以及所述自旋使得所述光纤的PMD小于或等于大约0.2ps/km1/2。
在进一步的方面中，本发明涉及一适于用在光缆中的光纤，它包括一个用于传输光信号的芯区以及一个围绕所述芯区的包层，其中该光纤具有一个关于它自己的轴的自旋，该自旋具有至少4转每米的最大值，其中所述芯区具有的平均椭圆度处于从大约0.25到大约0.55的范围内，希望处于从大约0.3到大约0.5的范围内，更希望处于从大约0.35到大约0.5的范围内，甚至更希望处于从大约0.35到0.45的范围内。
在进一步的方面中，本发明涉及用来制造适于用在光缆中的光纤的方法，这包括的步骤是，制造一个玻璃材料的预制棒以及从所述预制棒中牵引出所述的光纤，其中所述制造所述预制棒的步骤包括调整工艺参数的步骤，所述调整使所述预制棒在内部具有一个处于0.25到0.55范围内的平均椭圆度，所述的牵引所述光纤的步骤包括给所述光纤加上最好是交替的自旋的步骤，所述自旋具有至少4转每米的最大值。
有利的是，制造所述预制棒的所述步骤包括在一个圆柱支柱上沉积化学物质，所述圆柱支柱绕它自己的轴旋转，以及所述的调整工艺参数的步骤包括用周期性的方式调整所述圆柱支柱的旋转速度的步骤。
更适宜地，制造一个预制棒的所述步骤包括执行一个OVD工艺。
所述自旋希望具有至少为5转每米的最大值，更希望是至少6转每米，甚至更希望是至少10转每米。
【附图说明】
下面将通过对附图的参考来描述本发明，这表现了一个应用的非限制性的例子。具体地，
-图1表示了根据本发明的光远程通信光缆的截面图，图不是按规定比例；
-图2表示了图1中光缆的光芯的放大的图，图不是按规定比例；
-图3表示了用来制造一个玻璃材料预制棒的OVD工艺步骤中的一个；
-图4表示了在前述的OVD工艺步骤中预制棒支柱的角速度变化；
-图5示意性地表示了用来从前述玻璃材料预制棒中制造出一根光纤的牵引塔；
-图6表示了用来对光纤成缆的设备；
-图7作为指导，表示了实验测量中用的玻璃材料预制棒的折射率分布；以及
-图8表示了实验测量的结果。
【具体实施方式】
图1表示了一个用于远程通信的水下光缆1的截面，由于光纤是直接与聚合物材料体结合在一起的，所以该光缆的类型被称为“紧的”。可替换地，该光缆也可以是这样的类型，它包括多个用“松的”方式来放置的光纤，换句话说就是光纤具有在聚合物材料的管状体中移动的自由，所述的聚合物材料依次被置于也是用聚合物材料的更大尺寸的管状体中。
该光缆1具有一个轴10，并且包括一个位于中心的，实际是圆柱的，光芯2，以及优选地包括多个保护和/或加强层和/或围绕所述芯的组成部分7，11和13。
下面通过参考图2详细讲述的光芯2包括一个聚合物材料体5以及多个包括在聚合物材料体5光纤3(在所示的具体例子中数量为六)。该光芯2更希望还包括一个也是包括在聚合物材料体5中的中心加强部分4，以及一个覆盖聚合物材料体5且是用热塑聚合物制成的的薄护套6。光芯2的外直径更希望小于4mm。
更适宜地，在护套6的周围存在多个加强部分7a，7b和7c，这些加强部分最好是包括绕成圆柱螺旋的钢丝。在图1的例子中，所述的多个加强部分包括：
-第一组加强部分组7a，它具有第一直径，并且彼此接触地形成一个自支持结构，这就形成了护套6外且不与护套接触的加强层8；
-具有第二半径的第二加强部分组7b，它位于第一组7a的部分的外围，所述第二半径小于第一半径；以及
-具有第三半径的第三加强部分组7c，所述第三半径小于第二半径，该加强部分组位于第一组7a的外围并且与第二组7b中的部分交替，交替的方式使得第三组与第二组一起在加强层8外围形成了第二加强层9。
加强部分7c在角向位置的摆放方式对应于加强部分7a的角向摆放方式，使得第二加强层9实际上具有圆柱形外轮廓，该外轮廓同时与加强部分7b以及加强部分7c相切。
两个加强层8和9一起形成了技术领域中熟知的“Warrington”结构。
也可能在第二加强层9的加强部分7b，7c外围存在一个管状敷层11，该敷层和前面所述的“Warrington”结构一起形成了一个加强结构，该结构具有的机械特性使得它向光缆1提供了对应力的高低抗性，尤其是对深水中存在的静水压。该管状敷层11更希望是用金属材料制成的，尤其适宜的是黄铜。该敷层11也形成了一个导电部分，它可以被用来向远程通信系统中的信号中继器提供电能，其中光缆1组成了所述通信系统的一部分。最后，该敷层11保护了内部以避免潮湿。
可替换地，加强部分根据使用得情况，可以按其它形式，按一排或多排来放置。
该光缆1还可以包括一聚合物材料层13，更希望是聚乙烯，它位于敷层11外围并且能够将敷层11和Warrington结构与外界电绝缘。
在没有进一步的敷层的情况下，层13的外直径也就是光缆1的外直径。如果需要的话，该层13可以用金属带敷层(没有示出)以及位于金属敷层外的一个或多个聚合物类型的敷层(没有示出)来保护。
上述的光缆1一般适合用于水深达约达到7000m的情况。在一些情况下，例如在浅海有鱼的情况下，该光缆可以被配以外铠装(没有示出)，该铠装包括一层或多层本质是圆柱形的加强部分，这更希望是用钢与诸如聚丙烯的聚合物材料交替制成的。
在图2中，光芯2被单独表示并且被放大。中心部分4是一个本质上为丝状的部分，它能够在制造光缆1的各个阶段中提供对轴向应力的足够的抵抗。该中心部分4更希望是用钢或树脂制成，该树脂采用玻璃丝、强化聚合物材料(例如芬芳聚酰胺，如Kevlar)或碳纤维或类似的来强化，中心部分具有从0.5mm到0.7mm的优选直径范围。
聚合物材料体5形成了对光纤的连续支撑，并且能够将光纤3保持在中心部分4周围的一个稳定位置，并且还能够“吸收”作用于光芯2上外来应力。聚合物材料体5可以由诸如弹性聚酯的热塑性树脂制成，并且通过单个挤压工艺可以形成一个没有中断的均匀体，或通过两个连着的挤压工艺形成两个连续的层。在后一种情况中，光纤被置于两个聚合物层之间。聚合物材料体5具有从0.9mm到1.5mm的优选厚度(测量从中心部分4到护套6的距离)范围，这样可以提供足够的保护。
护套6提供了热的和机械的保护，它更希望是用从下面所述的材料组中所选择的材料制成，所述材料组包括聚对苯二甲酸亚烷基酸、聚烯烃以及聚酰胺，从中选择的材料例如聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚乙烯、聚丙烯或尼龙。护套6的具有从0.05mm到0.15mm的优选厚度范围。
每根光纤3具有一个通过其传输光信号的芯区12，位于芯区12外围的包层13，以及由丙烯酸树脂形成的一层或多层的外层保护14。光纤3可以是单模的或多模的。在第一种情况下，它们一般具有125μm的外径，而在第二种情况下它们可以具有几百微米的外径。在图2所示的例子中，光纤3彼此之间隔开相等的距离，并且与轴10相距从0.4mm到1.2mm范围的相同距离，它们的组成方式形成了光纤的单个皇冠状。然而，既然光纤也可以被放置成两个同轴皇冠，所以该例子并不是限制性的。在单个皇冠的情况下，光纤的数量也可以与图示的不一样，但更希望小于或等于十二(12)，而在双皇冠的情况下，光纤总数更希望小于或等于二十四(24)。
根据本发明，光纤3的(或这些的一个子集的)芯区12沿光纤本质上具有一致的椭圆度，椭圆度的平均值使得存在一个双折射，它至少等于由成缆带来的双折射(这样的方式使得成缆的效果被抵消)，但又不是太高，这样由于上文中的原因，就不至于导致更大的复杂性或制造或装配工艺成本的增加。该平均椭圆度的范围大约是0.25到0.55，希望是大约0.3到0.5，更希望是大约0.35到0.5，甚至更希望是大约0.35到0.45。
此外，还是根据本发明，该光纤3具有关于它们的轴的自旋，这个自旋更希望是交替的并且希望是在牵引过程中通过自旋方法施加上的。该自旋带来了足够的传输信号中的模式耦合以抵消光纤中的由上述芯区中的椭圆度所带来的本征双折射效应。该自旋的最大值至少是4转每米，希望至少5转每米，更希望至少6转每米，甚至更希望至少10转每米。然而，申请者已经发现，高于30转每米时，在方便的牵引速度(尤其是在超过10m/s的速度)下通过自旋方法施加自旋就变得很困难。
光纤可以被放置在直路径上(假设光缆位于直的位置)，也就是它们平行于中心部分4延伸，或沿“闭的”或“开的”圆柱螺旋路径延伸。在“闭的”类型的路径中，绕的方向总是一样的(顺时针或逆时针)，而在一个“开的”路径中(也称为”SZ”路径，下面将用这样的名称)当达到一个预设的绕转角(希望大于或等于360°)，在一个方向或另一个，绕转的方向会反向。这两种路径都处于圆柱面上，并且它们是由一个平行于中心轴方向上的平动和一个关于所述轴的转动(在SZ路径的情况下会有交替)组合而成的。该SZ路径与一个反向音调P相联系，该音调定义为在旋转方向上两个连续的反向点之间的距离，该SZ路径还与一个绕转周期p相联系，它定义为轨迹开始在同一方向上旋转的连续两点之间的距离。通常，绕转周期是反向音调P的两倍。该反向音调P希望处于0.5m到5m的范围内。
制造光缆1的工艺包括一些步骤。首先，进行一个希望是OVD(外部蒸汽沉积)类型的工艺，以形成玻璃材料的预制棒。然后实行牵引工艺来从玻璃材料预制棒中形成光纤。最后，进行成缆工艺。每个工艺将在下文中简单介绍。
OVD工艺包括下面所述的步骤。
在参考图3描述的第一步中，通过一个或多个燃烧器20进行了化学沉积工艺，这在一个陶瓷材料的圆柱直线支柱22上沉积了适合用来制造光纤的化学物质21。这些物质一般包括以化合物形式(SiO2和GeO2)沉积的硅和锗。一般直径大约是5-6mm的支柱22经常被维持在水平位置，但也可以替换地置于竖直位置。通过这样的方式，一个玻璃材料的本质上是圆柱的预制棒23被制成，该预制棒被称为“芯区预制棒”，接下来这会形成光纤的芯区和包层的内部。
燃烧器20希望是安装在一个结构(没有示出)上，所述结构提供有一个装有发动机的移动零件以将它们平行于支柱22移动。在第一步中，燃烧器20被多次平行于支柱22的部分进行扫描，预制棒就是在所述支柱上生长的。
同时，支柱22通过一个装有发动机的零件绕它的轴旋转，旋转的方式使得它的表面的全部都暴露在反应物流中。对于燃烧器20的一个预设的扫描次数，形成了制造芯区预制棒所特定的扫描次数的一部分X，支柱22的角速度会随一个预设的周期变化而变化，这样形成的芯区预制棒的内部具有一个椭圆截面。该角速度的变化可以是例如图4中表示的方法，换句话说就是具有角向周期π的0与180r.p.m.之间的锯齿变化。在后面的扫描中，支柱22的角速度希望保持恒定并且等于一个预设的值，该预设值希望在100到250r.p.m.，例如150r.p.m.。X的值以及角速度的变化的选择是根据在传输信号时光纤中所得到的电磁场的椭圆度。例如，可能选择一个高的X值(直到最大值100％)以及一个在远小于上面指出的范围内的角速度变化，这样就提供了一个本质上延伸整个芯区预制棒的椭圆度。另一个诸如正弦类型的周期变化可以被选择来作为对锯齿变化的一个替换。
在该工艺中，反应物流的变化方式产生了化学物质21的可控沉积，这样也就获得了理想的折射率。芯区预制棒的分布可以是例如图7中所示(定性)的类型，其中n是折射率，r是半径。三角形的中心部分与预制棒中的将要形成芯区的部分相联系。该分布可以通过沉积硅和锗的氧化物以及后续的仅仅沉积二氧化硅获得，沉积的硅和锗的氧化物比例可以逐渐变化直到完成与三角形部分相联系的部分。在中心三角形的一边的两个阶梯是通过在一个预设时间内加入更多的二氧化锗来产生的。
在OVD工艺的第二步中，直线陶瓷支柱22被从芯区预制棒中取出，这在预制棒中留下了一个中心空洞。
在第三步中，芯区预制棒常要在炉中经过一个烘干和压实的工艺，其间Cl2以及其它气体会通过中心空洞以去除氢氧根离子(-OH)以及存在于预制棒中的水原子。这样就得到了一个玻璃化的芯区预制棒，它仍然具有一个中心空洞但具有的直径小于原先预制棒的直径(通常是2mm)。
在第四步中，在芯区预制棒的中心空洞被封闭(例如用塞子)后并且在其内部已产生真空后，该玻璃化的芯区预制棒(一般具有的直径量级为50-100mm)被置于一个竖直的炉子中，在其中预制棒的下端被融化。下端的融化导致了空洞的壁由于洞中的真空而坍塌。融化的玻璃材料冷却形成一个具有预设直径(一般的范围大约是5到20mm)的拉长的圆柱部分(也称为芯杆)，该部分被一个牵引设备向下牵引。然后，该拉长圆柱部分被进一步冷却并按多个等间距的点被截断为多个拉长的部分，这也被称作“棍(canes)”(通常具有的长度为一米的量级)。
在第五步中，每个拉长部分需要经过一个类似第一步的化学沉积工艺(“过包层”)。尤其是，接着将要形成光纤包层最外围部分的多种化学物质(一般包括二氧化硅)通过至少一个炉子被沉积在每一个部分上。在该工艺的最后，一个最终的低密度圆柱预制棒被得到：既然光纤就从它拉制出来，所以它就被称为“最终预制棒”。
在第六以及最后步骤中，该低密度最终预制棒通过类似第三步中讲述的工艺被烘干和固化。这样一个玻璃化的最终预制棒就被得到，准备用于牵引工艺。
下面通过参考图5来描述牵引工艺，图5表示了一个牵引塔31。该牵引塔31可以用来从玻璃化的最终预制棒来形成光纤3，最终预制棒在这里标为32。
该塔31包括多个本质上沿竖直牵引方向对齐的部件，所述牵引方向由轴39定义。选择竖直方向是由于需要利用重力从预制棒32中获得用以牵引出光纤的融化材料流。更具体地，该塔31包括：
-一个能够将预制棒32加热到软化点以上的炉子34；该炉子34可以是适合产生预制棒可控软化的任何类型，例如美国专利4,969,941中所描述一个；
-一个用来向光纤3加保护涂层的涂层设备35；该涂层设备可以是诸如美国专利5,366,527中描述的类型；
-一个能够将光纤3向下以预设速度(对应于牵引速度)牵引的牵引设备37(例如，单滑轮或双滑轮类型中的一个)；以及
-一个接收盘38，光纤3在牵引工艺的最后被缠绕在它上面。
该塔31还可以包括一个位于炉子34和涂层设备35之间的直径测量设备40，它能够在光纤3通过时，在加保护涂层之前测出光纤的直径。由直径测量设备40产生的信号可以被用来例如控制牵引设备37速度以获得光纤3的一个预设的直径。
该塔1还包括一个一般位于涂层设备35和牵引设备37之间的自旋设备36，它可以给光纤3加上预设的自旋。该自旋设备36提供有至少一个能够与光纤3相互作用的活动零件。
对于本发明的目标，该“自旋”表示了光纤转动的角速度dθ/dt(其中θ是光纤对固定参考物的转动角)与牵引速度之间的比值。这样定义的自旋可以用转每米来衡量。
如上所述，这个预设自旋的选择方式可以在光纤中产生传输基模的耦合(换句话说就是交换能量)，从而光纤芯区的椭圆度的效应至少在拍长(beat length)的光纤长度上保持一致。这样就可以很大程度上减小由芯区椭圆度带来的PMD负面效应。
该自旋设备36可以是诸如Corning的专利申请WO 9846536中所述的类型。特别地，该设备36可以包括一对辊子(没有示出)，所述辊子具有与光纤相互作用的表面，以及具有垂直于牵引轴39的对应轴，其中至少一个辊子沿它的轴作交替的运动，其运动方式使得交替的自旋被加在光纤3上。特别地，该自旋设备36能给光纤3加上一个具有预设最大自旋值和反向频率的交替自旋。
对光纤3施加自旋的可替换方法被描述于AT&T Bell实验室的美国专利5,298,047中，以及FOS的专利申请EP 0842909中。在美国5,298,047中，转矩是通过适当的移动来施加的，该移动具有交替的顺时针和逆时针方向的震荡，光纤的一个引导辊子的轴垂直于光纤前进轴。根据EP 0842909，转矩的施加是通过制造在牵引工艺中施加保护涂层旋转的设备，其方式使得该设备的旋转传送给光纤。所以在后一种情况下，自旋设备与涂层设备是相联系的并且不像图5中那样分离的。
牵引速度的选择通常根据牵引塔31的各个部件的特性，并且牵引速度与炉子34的温度一起决定了光纤3的直径。该速度对于单模光纤的典型值处于5m/s到20m/s范围内。
所施加的自旋值的选择产生了性能规格所要求的双折射特性。特别地，自旋值的选择使得一根光纤中椭圆度指向变化存在的相当数量(例如大于10)，所述椭圆度指向变化是在长度等于一拍长的光纤段中的。所述拍长(典型范围是1m到100m)对应于一个给定偏振状态重现所需的光纤长度。换句话说，拍长对应于原先同相的两个基模分量又一次同相所必需的光纤长度，这是基于光纤在该长度上保持一个恒定双折射的假设的。
由于在光纤上施加的自旋，在传输信号过程中，能量在基模分量之间重新混合。申请者已经发现，为了实现本发明的目标，如果假设正常的光纤牵引速度，给光纤施加的自旋值最大至少取4转每米是有利的，希望至少5转每米，更希望至少6转每米，甚至更希望至少10转每米。
该塔1还包括一个连接于塔1多个部件的控制单元41，它用于处理多个工艺参数以及用于工艺中多个操作的自动控制。
牵引工艺按下文的方式进行。
塔1通过将预制棒32置于炉子34中做好准备，该炉子已经事先被加热到软化点以上。在炉子34中，预制棒32的一个端部(被称为“瓶底(neckdown)”)被融化，这样就产生了一滴融化的材料。这一滴在重力的作用下被向下拉长，这牵引着进一步融化的材料和它一起形成一个丝状的逐渐冷却(所以就固化)的流动材料。该丝状部分穿过直径测量设备40、涂层设备35、自旋设备36以及牵引设备37，并且它的多个圈被绕在接收盘38上。
接着该牵引设备37和涂层设备35被启动，该牵引设备以一个预设的速度将光纤3向下牵引，使它不断地形成于所述瓶底，而所述涂层设备35对通过它的光纤3加上保护涂层。同时，自旋设备36按反向频率以及它的活动零件的最大变化范围的预设值进行移动，以产生光纤3的一个交替自旋。
然后，已经通过牵引设备37的光纤3被绕在接收盘38上。该牵引工艺将一直连续进行，直到预制棒的预设长度的部分被处理，或直到制造出预设长度的光纤。
在牵引后，光纤常常要经过一个拉力试验，这也被称为“筛除测试”，在该试验中它被从第一绞盘(例如用于牵引工艺的绞盘)上展开并通过具有滑轮的路径被绕到第二绞盘上，在该路径中一个预设的拉力被加在光纤上。
然后通信光纤会被制成光缆，这会给光纤提供支撑结构以使它们能被运输、安装和用于预定的情况。
如上所述，形成光缆1的工艺一般包括，通过挤压工艺制造光芯2，接着是加上外保护和加强层7，11和13，其中“层”包括金属部分7a，7b和7c皇冠所形成的层。
参考图6，数字50表示了用来制造“紧的”光缆中光芯的整个装置，在这个特别情况中是用来制造光芯2。
装置50在它的主要部件中包括一个开卷和馈送部分51，一个挤压部分52以及一个收线部分53，它们在一个本质上是直线的工艺70方向上一个接一个。
该馈送部分51包括一个单元54以及多个单元55，它们分别用来将中心部分4和光纤3馈送给挤压部分52。
该单元包括一个用来给中心部分4开卷的绞盘56，以及一个用来调节中心部分4的开卷张力的缓冲设备57。在“SZ”光缆的情况下，可能在工艺70的方向上会有一个自旋设备58，它能够在中心部分4通过时对中心部分施加可控的交替的自旋。
该自旋设备58可以包括诸如装有发动机的旋转零件，它在中心部分4前进时与之相作用，给中心部分加上关于其轴的交替旋转。
每个馈送单元55包括一个对应于光纤3的开卷绞盘60，一个用来调节开卷拉力的已知类型的缓冲设备61，以及用来将对应的光纤3在预设方向上馈送给挤压部分52的返回滑轮62。
该挤压部分52在工艺70的方向上包括一个能够在中心部分4以及光纤3周围挤压聚合物材料以形成聚合物材料体5的第一挤压机65，以及用来在挤压后冷却聚合物层5的第一冷却箱66。该挤压部分52也可以包括一个位于第一冷却箱66下游的用于在聚合物体5上沉积保护护套6的第二挤压器84，以及一个用于固化护套6的第二冷却箱85。在第一冷却箱66与第二挤压器84之间可以存在一个热气干燥设备82用来消除聚合物体5表面的微量水分。
该挤压器65可以包括诸如一个挤压头(没有示出)，它包括一个与轴70相共轴的硬模，它能够将中心部分4以及光纤3引导到挤压区，在这里聚合物材料被注入进来以形成光芯2。特别地，该硬模可以具有一个用于通过中心部分4的中心通道和用于通过光纤3的多个其它通道，这多个通道组成围绕中心通道的一个环。
该收线部分53包括一个已知类型的牵引设备86，例如一个具有连续垫子的牵引设备或一个具有轮子(“绞盘”)类型的设备，它能够以一个受控的速度牵引光芯2。收线部分53还包括一个装有发动机的能够接收以及存储光芯2的接收盘87，以及位于接收盘87上游的能够调节光芯2的绕转拉力的一个缓冲设备88。
装置70按下文的描述工作。中心部分2与光纤3通过单元54和55被馈送给挤压部分52。在部分52中，第一挤压器65在中心部分4和光纤3的周围挤压聚合物材料，而第一冷却箱66在挤压后对聚合物体5进行冷却。
然后，该第二挤压器84在聚合物体5上沉积保护护套6，第二冷却箱85将形成护套6的材料固化。干燥设备82如果存在的话，会通过喷射热气消除聚合物体5表面上的微量水分。
同时，牵引设备86以一个受控的速度牵引光芯2，接收盘87接收并存储光芯2。其间，缓冲设备88调节着光芯2的绕转拉力。
在“SZ”光缆的情况下，该自旋设备58对中心部分4施加了一个交替的自旋，聚合物材料和光纤3从挤压区经历了一个关于方向70的交替旋转运动，该运动具有的绕转角本质上等于中心部分4的旋转角。作为该旋转运动、沿工艺70方向的匀速前进以及挤压硬模中通道的特别配置(一个环)的结果，光纤3沿“开的”螺旋路径彼此隔开相等的距离。在这种情况下，光芯2的聚合物体5不存在不连续，这是因为它是用单个挤压工艺形成的并且完全包含了光纤3以及中心部分4。
可替换地，聚合物体5可以用两个连续的挤压工艺来制成，而光纤3可以被置于用这种方式形成的两个聚合物层的交接面处。为了这个目标，挤压部分52可以进一步包括另一个挤压器和另一个冷却箱。
双挤压可以像诸如STC PLC的美国4,902,097中所描述的那样来实现。该专利建议在一个中心部分周围挤压一层热塑性弹性体，将该表面加热至超过它的熔点，在该表面内包含多根光纤，以及挤压上用来覆盖该光纤的第二层热塑性弹性体。
上面描述的光缆可以被修改和变化而不偏离本发明的保护范围。
例如，光缆可以包括不同类型的光纤，其中至少一个具有上述的特性，而剩下的光纤中至少有一个具有不同的特性；例如，它可以是标准型的。
实验测量结果
申请者已经使用上述的OVD工艺制造了三个不同的芯区预制棒，下面分别记为P1，P2和P3，如图7所示，它们具有“分段芯区”类型(换句话说就是用分段的线来定义的)的折射率分布和色散位移类型，以及具有最内部分(后来光纤的芯区从这里形成)的不同的椭圆度值。这些预制棒的主要特性总结在下面的表1中。 芯区预制棒 X (％) ΔLTCmax (％) 光纤芯区的 CO(％) 光纤芯区的 椭圆度 P1 0.5 12 20 0.6 P2 0.25 7 10 0.45 P3 0.12 4 5 0.3
表1
表1表示了多个值，它们的意义将在下文中讲述。
如上所述，值X表示了在OVD工艺的第一步中燃烧器20扫描总次数的部分，它用来完成芯区预制棒中具有椭圆截面的部分。
ΔLTCmax表示了一个称为“中心三角形宽度”(LTC)的参数的最大变化，它表示了如图7中所示折射率分布的中心三角形的底边的半长，该半长具有沿所述分布被测量的方向的变化。
对ΔLTCmax的测量实施于不同芯区预制棒产生的棍(canes)上。既然这些预制棒的最内部具有一个截面上的预定的椭圆度，值ΔLTCmax提供了椭圆度的一个指示，其被作为关于椭圆轴的测量角度变化的函数来决定的。ΔLTCmax的最大变化是作为LTC的平均值LTCave的百分比来测量的。
ΔLTCmax的测量时通过York公司生产的适应于分析预制棒和棍的P104测量仪器来实现的。该仪器的工作原理是基于测量横向入射到预制棒或棍的激光束的偏转。激光束的偏转是折射率径向变化的函数。从激光束的偏转，利用Hankel变换就可以确定预制棒或棍的折射率分布。折射率基于圆柱对称分布的假设而重现。这就意味着当测量发生在最内部的最小和最大直径处(换句话说，就是椭圆的长轴和短轴)时，仪器所决定的分布不确切地表达“真实”分布。然而，该测量提供了存在于预制棒或棍中的椭圆度的指示，并且在如上所述的OVD工艺的步骤五(过包层)以及牵引工艺执行前通常是有用的。图8表示了(LTC/LTCave·100)关于测量角的变化，所述测量是对预制棒P1，P1和P3形成的棍使用前述P104仪器来确定。
值CO，或“芯区椭圆度”是一个与光纤芯区椭圆度e相联系的值，其联系是根据表达式CO≅50·e2,]]>并且根据上式来定义。CO的值可以直接用Photon Knetics公司的PK2400测量仪器来测量，该设备根据的是欧洲标准IEC-793-1-A2中所指定的程序。表1中的值就是用该方法在前述棍所形成的光纤样品中测量得到的。特别地，该PK2400仪器能够在光纤的端面进行几何测量。该测量是用633nm的辐射通过长度大约为2米的一段光纤，然后测量离开该光纤的前述端面的近场光分布来实现的。在实际中，该测量仪器通过处理离开该端面的光分布(使用“fitting”操作)直接给出CO值。
表1中的光纤芯区椭圆度值是通过适当的近似来得到的，该近似是从前述的CO值利用上述两值之间的关系来得到的。
申请者已经估计出由于成缆所导致的双折射会小于或等于椭圆度0.3所导致的双折射(例如用预制棒P3制造的光纤的双折射)，并且会小于或等于椭圆度0.45(例如用预制棒P2制造的光纤的双折射)所导致的双折射的一半。
然后，申请者测量了用预制棒P1，P2以及P3形成的光纤样品的本征PMD。在预制棒P2的情况中，使用了两种不同的棍，分别记为“棍a”以及“棍b”。特别地，测量实施在从预制棒P1形成的光纤F1上，实施在从预制棒P2和棍a形成的光纤F2a上，实施在从预制棒P2和棍b形成的光纤F2b上，以及实施在从预制棒P3形成的光纤F3上。所有的样品都被做成1km长。对于每一类型的光纤，制作了一个带有自旋(自旋值表示于下文中)的样品和一个不带自旋的样品。在测量带有自旋的光纤的PMD的情况时，对光纤F2a和F3中的每一个都使用了具有相同自旋的两根光纤样本。
对PMD的测量使用了EG&G公司制造的CD3测量仪器，并且是根据了美国标准FOTP-113(“通过波长扫描测量单模光纤的极化偏振模式色散(Polarization-mode dispersion measurement forsingle-mode optical fiers by wavelength scanning)”，Telecommunication Industry Association(TIA)，1993)所指定的测量程序。特别地，该测量的实现是通过将一个具有可变波长的测试辐射通过前述的不受拉力的光纤样品。在光纤的输出处存在一个检光器(polarizer)，检光器输出的光强在不同的波长上被分析，该分析使得PMD的值得到确定。
前述的PMD的测量结果被总结于表2。 光纤类型不带自旋的光纤PMD[ps/km1/2] 带有自旋的光纤 自旋 [转/米] PMD [ps/km1/2] F1＞1.5(不可测量) 6 ＞1.5(不可测量) F2a1-1.5 5 5 0.32(场1) 0.20(场2) F2b≈0.7 20 0.07 F30.2-0.3 6 6 0.07(场1) 0.10(场2)
表2
与光纤F1相联系的PMD值被发现是不可测量的，这是因为它们超出了所用仪器的测量极限。
在考虑不带自旋的光纤的PMD情况时，在一些样品上所做测量的变化范围或近似值被表示出来。可以看到，在光纤F1的情况下，6转每米的自旋不足以将PMD降到可接受的值，所述光纤F1具有一个相对高椭圆度(0.6)的芯区。
在光纤F2a的情况下，大约5转每米的自旋就足够实现可接受的PMD值，所述光纤F2a具有芯区椭圆度0.45。申请者认为对于大于10转每米的自旋，该光纤的PMD值甚至会更小。
在光纤F2b的情况下，大约20转每米的自旋就足够实现特别低的PMD值，所述光纤F2b也具有芯区椭圆度0.45。申请者认为对于该光纤，大于10转每米的自旋足够实现低的PMD值。
光纤F3具有的椭圆度值也可以用标准制造(其中“标准制造”表示的制造中，OVD工艺中的支柱22的角速度是恒定的)局部地和不规则地来达到。对于该光纤，6转每米的自旋足以提供一个低的PMD(小于或等于0.1/km1/2)。
为了检验光纤对于成缆的敏感度(按照PMD)，PMD测量被重复地用同样的方法作用于同样的样品，这是在每个样品没有交叠地(换句话说，就是单层)被绕到直径为300mm的绞盘上以后，并且样品受的拉力为150±10g。这样就得到了在光纤上大约1g/mm的侧向压力，并且，根据申请人，这就以足够的准确性模拟了由于成缆所导致的侧向压缩力。
通过应用S.C.Rashleigh的文献单模光纤中偏振效果的起源和控制(Origins and Control of Polarization Effects in Single-ModeFibers)，Journal of Lightwave Technology，Vol，LT-1，No.2，June1983中的信息，尤其是该文献中的公式(2)和(10)以及值Δn＝0.003(其中Δn是芯区与包层的折射率差)，F＝1.5N(其中F是加在光纤上的拉力)，和R＝150mm(其中R是绕转绞盘的半径)，申请者还发现，由于绕在绞盘上而带来的用来模拟成缆情况的双折射大约等于由于椭圆度0.3所带来的双折射(例如用预制棒P3形成的光纤中的双折射)，并且大约是由于椭圆度0.45所带来的双折射(例如用预制棒P2形成的光纤中的双折射)的一半。这就确认了上文有关由于成缆导致的双折射值与光纤芯区椭圆度所带来的双折射值之间的比较的估计。
前述的测量都是作用在光纤F2a、F2b、F3上，以及为了比较的目的作用在用标准沉积工艺(并且在牵引过程中加入自旋)制造的色散位移(DS)型的STD光纤上。这些测量的结果被示于表3中。为了比较，表3还示出了实际上拉力为零的这些光纤先前的测量值。 光纤类型 PMD[ps/km1/2] 零拉力 PMD[ps/km1/2] 拉力150g STD 0.08 0.07 0.17 0.20 F2a 0.32 0.20 0.30 0.21 F2b 0.07 0.11 F3 0.07 0.10 0.11 0.11
表3
可以看到，尽管一个标准成缆光纤具有大于成缆前同样光纤的PMD值两倍的PMD，在使用本发明中方法制造光纤的情况下，成缆工艺没有给光纤的PMD带来显著的增加。这样就有双重优点：首先，成缆的光纤的PMD值可以被维持得很低；其次成缆的光纤的PMD值可以在一个很好的精度内被预测。
该实验测量特别地表示了，对于处于范围0.3到0.45的光纤芯区平均椭圆度，以及对于超过5÷6转每米的自旋值，成缆光纤的PMD与未成缆的光纤的PMD是可比的。
申请者认为本发明的优点对于所有的情况都是存在的，所述情况是指椭圆度值在范围0.25到0.55内，希望是从大约0.3到0.5，更希望是从大约0.35到0.5，甚至更希望是从大约0.35到0.45，以及自旋值至少是4转每米，希望至少5转每米，更希望至少6转每米，而且更希望至少10转每米。
对侧向压力的敏感性被估计是小于下述光纤的敏感性一半，即具有了用通常OVD和牵引工艺所制成的光纤中典型存在的椭圆度的光纤。
申请者已经发现光纤F2a，F2b和F3的其它光学表现特性与用标准工艺制造的STD光纤是相似的。申请者还发现，利用将本质上是圆柱芯区的光纤接合在一起的典型方法，将椭圆度大约为0.45的两光纤接合所导致的耦合损耗小于0.1dB。最后，申请者已经发现根据本发明的光纤所需要的椭圆度，并不对制造过程中的光纤光学性能规格的控制带来负面影响。