微结构化的传输光纤 有关申请的交叉参照
本申请要求 2008 年 2 月 7 日提交的美国临时专利申请 61/063,986 以及 2008 年 5 月 6 日提交的题为 “Microstructured Transmission Optical Fiber” 的美国临时专利申 请 61/126,608 的优先权， 其内容全部引用在此作为参考。
技术领域
本发明一般涉及光纤， 尤其涉及耐受弯曲的光纤， 这种光纤中含有随机分布的空 隙， 本发明还涉及制造这种光纤的方法。 背景技术 玻璃材料构成的光纤已经用于商业使用达二十多年了。 尽管这种光纤在远程通信 领域已表现出巨大的突破， 但是关于新的光纤设计的工作一直在继续。光纤的一个迄今尚 未成功开发的应用空间是光纤到户。 然而， 要在建筑物和家庭中使用的光纤面临许多挑战。 快速且简单的安装过程对于保持低成本是至关重要的， 这决定了光纤缆线的使用， 这些光
纤缆线和铜一样容易处理和安装， 并且对光功率预算没有任何不利的影响。为了确保与室 外分配网络无缝互连， 同样重要的是， 任何新的光纤缆线都应该与标准 G.652 光纤， 即标准 单模光纤， 兼容。 在建筑物中安装光纤的常见问题是， 标准单模光纤缆线若像铜缆线那样安 装的话， 会有很大的光损耗。 尽管已经存在更耐受弯曲的光纤， 但是这些光纤尚未呈现出色 散特性 ( 比如在 1310nm 处的色散和色散斜率 ) 以使它们与标准 G.652 光纤完全兼容。
因此， 期望开发出另外的耐受弯曲的光纤设计， 特别是对宏观弯曲不敏感的光纤， 这种光纤呈现出与标准单模光纤相似的色散特性， 由此与 ITU-T G.652 标准兼容。 发明内容
本发明的一个方面涉及一种单模微结构化的光纤， 用于传输由光构成的光信号， 该光纤包括芯区域和包层区域， 芯区域绕着纵向中心线而设置并且具有带有第一折射率的 折射率分布， 包层区域围绕着芯区域， 包层区域包括由非周期性设置的空隙构成的环形含 空隙区域 ；
其中， 所述非周期性设置的空隙包括在所述含空隙区域中介于百分之 2 到 6 之间 的百分比区域空隙面积百分比， 并且在所述含空隙区域中空隙的平均个数密度大于 1 个 / 平方微米， 并且所述光纤呈现出小于 1500nm 的 22 米截止波长。例如， 在一些实施方式中， 环形含空隙区域中的非周期性设置的空隙可以较佳地包括在所述含空隙区域中介于百分 之 0.5 到 6 之间的百分比区域空隙面积百分比， 并且在所述含空隙区域中的空隙的平均个 数密度大于 1 个 / 平方微米， 并且所述光纤呈现出小于 1500nm 的 22 米截止波长。
本发明的另一个方面涉及一种包括随机分布的空隙的光纤的制造方法， 该方法包 -7 括如下步骤 ： 在对于产生小于 5x10 的处理参数 Ω 有效的条件下， 从包括随机分布的空隙 的预制棒中拉出所述光纤， 其中并且其中， 单位为 cm2/s 的 Dgas 是 Tavg 处的空隙气体扩散率， 其中Tavg 是单位是℃的光纤预制棒的软化点温度与峰值拉伸炉温的平均值， φf 是区域空隙面积 分数， Lroot 是单位为 cm 的拉伸根部长度 ( 从颈缩区域开始且结束于预制棒已到达最终光纤 拉伸直径时测量到的 )， Vf 是单位为 cm/s 的光纤拉伸速度， Rf 是单位为 cm 的最终光纤半 径。
光纤最好能够在一个或多个工作波长范围内的一个或多个波长处进行单模传输。 在一个较佳的实施方式中， 选择芯和包层区域的设计以提供小于 1310nm( 最好小于或等于 1260nm) 的缆线截止波长， 使得光纤能够在 1310nm 处进行单模传输。 光纤最好在 1310nm 的 波长处提供最好大于 8.0 微米 ( 介于 8.0 和 10.0 微米之间更佳 ) 的模场。较佳地， 空隙基 本上， 且最好， 全部位于光纤包层的环形区域中， 这样就与含空隙区域中的芯间隔开且围绕 着该芯， 并且芯区域中最好基本上没有空隙， 即芯最好是实心的且不含空隙的。例如， 含空 隙区域的相对较薄 ( 例如， 径向宽度约为 1 到 10 微米之间， 2 到 6 微米则更佳 ) 的环可以与 光纤的芯间隔开， 但不完全延伸到光纤的外围。较佳地， 含空隙的环与芯间隔开 3 到 15 微 米， 与芯间隔开 4 到 10 微米更佳。 尽管可以避免折射率调节掺杂剂， 但是锗或氟或相似的折 射率调节掺杂剂中的至少一种与位于光纤的包层区域中的非周期性分布的空隙一起使用。 在一些较佳的实施方式中， 使用掺锗的芯作为光纤的芯。然而， 锗和 / 或氟的使用不是关键 性的， 例如， 如果期望的话， 光纤可以完全或基本上没有锗和氟。 环形含空隙区域中非周期性设置的空隙较佳地包括在所述含空隙区域中介于百 分之 2 到 6 之间的百分比区域空隙面积百分比。使区域空隙面积百分比高于百分之 2， 能 使折射率相对于光纤的芯足够地低从而显著改善宏观弯曲性能。在其它实施方式中， 我们 已经发现， 环形含空隙区域中非周期性设置的空隙较佳地包括在所述含空隙区域中介于百 分之 0.5 到 6 之间的百分比区域空隙面积百分比。在这些实施方式中， 使区域空隙面积百 分比高于百分之 0.5， 也能使折射率相对于光纤的芯足够地低从而显著改善宏观弯曲性能。 我们已经发现， 包括比百分之 6 高很多的区域空隙面积百分比可能导致诸多与无法衰减的 更高阶模式相关联的困难， 因此推断出这种光纤中 1310nm 处有可能不是单模的。
环形含空隙区域中非周期性设置的空隙较佳地也包括在所述含空隙区域中大于 0.5 个 / 平方微米的平均空隙个数密度， 大于 1 个 / 平方微米更佳， 大于 2 个 / 平方微米甚 佳， 在某些实施方式中大于 5 个 / 平方微米。我们已经发现， 具有更高的平均个数密度会极 大地改善弯曲性能沿着光纤长度方向的均匀性， 使得弯曲性能沿着光纤更长的长度方向有 更一致的改善。
含空隙区域最好也包括遍布于环形含空隙区域的周长和宽度且沿着光纤长度的 空隙分布均匀性， 对于大于 1 米的整个光纤长度 ( 大于 2 米甚佳， 大于 100 米更佳， 大于 10 千米最佳 ) 而言， 该均匀性足以使最大弯曲损耗小于 2dB/10mm 直径匝。 更佳地， 含空隙区域 包括遍布于环形含空隙区域的周长和宽度且沿着光纤长度的空隙分布均匀性， 对于大于 1 米的整个光纤长度 ( 大于 2 米甚佳， 大于 100 米更佳， 大于 10 千米最佳 ) 而言， 该均匀性足 以使最大弯曲损耗小于 1dB/10mm 直径匝。甚至更佳地， 含空隙区域包括遍布于环形含空隙 区域的周长和宽度且沿着光纤长度的空隙分布均匀性， 对于大于 1 米的整个光纤长度 ( 大 于 2 米甚佳， 大于 100 米更佳， 大于 10 千米最佳 ) 而言该均匀性足以使最大弯曲损耗小于
0.5dB/10mm 直径匝。
为了实现更高的平均个数密度， 当在横截面中观察光纤时， 环形含空隙区域包括 大于 100 个空隙， 当在横截面中观察所述光纤时大于 200 个空隙甚佳， 当在横截面中观察所 述光纤时大于 400 个空隙更佳， 并且当在横截面中观察所述光纤时大于 600 个空隙最佳。 事 实上， 本文所揭示的技术足以在光纤的环形区域中产生大于 1000 个， 甚至大于 2000 个的空 隙， 即使环形区域的宽度小于 10 微米 ( 小于 7 微米较佳， 例如， 径向宽度介于 1 到 7 微米之 间 )。
通过使用固结技术， 可以在环形含空隙区域中形成非周期性设置的空隙， 所述固 结技术使该区域中的玻璃在固结处理期间具有空隙或捕陷空隙。我们已经发现， 通过在足 以产生上述空隙个数和区域空隙面积百分比的诸多条件下使所述玻璃固结， 就可以同时实 现上述更高的空隙个数和更高的区域空隙面积百分比。 特别是， 我们已经发现， 通过使用一 定的固结步骤就可以促成这些结果， 在该固结步骤中固结气体氛围包括 ： (1) 氪气或二氧 化硫气体 ； 或 (2) 氯加上氮、 二氧化碳或二氧化硫、 氩或氪中的至少一种。 较佳地， 如果在非 周期性空隙形成步骤中将氮、 二氧化碳、 氩、 氪和 / 或二氧化硫用作固结气体， 则干燥步骤 或空隙形成固结步骤中所使用的氯的量足以产生 2000ppm( 按重量计算 )， 大于 3000ppm( 按 重量计算 ) 更佳， 在某些实施方式中氯可以大于 10,000ppm( 按重量计算 )， 被保留在光纤的 环形含空隙区域的玻璃区域内。在固结之前， 从清灰预制棒 (soot preform) 中除去 OH 的 干燥气体可以包括 Cl2、 CO、 COCl2 或 SiCl4。 我们已经发现， 通过使用上述更高的空隙个数和更高的区域空隙面积百分比， 有 可能在整个环形含空隙区域的周长和宽度方面以及沿着光纤的长度方向实现一定的空隙 分布均匀性， 这些均匀性足以使对于大于 1 米的整个光纤长度 ( 大于 2 米甚佳， 大于 100 米 更佳， 大于 10 千米最佳 ) 而言， 最大弯曲损耗小于 2dB/10mm 直径匝 ( 小于 1dB/10mm 直径 匝更佳， 小于 0.5dB/10mm 直径匝最佳 )。
在一些实施方式中， 本文所揭示的微结构化的光纤包括绕着纵向中心线设置的芯 区域以及围绕着芯区域的包层区域， 包层区域包括环形含空隙区域， 环形含空隙区域包括 非周期性设置的空隙， 其中环形含空隙区域具有介于 2 到 10 微米的最大径向宽度， 环形含 空隙区域具有介于百分之 2 到 10 的区域空隙面积百分比。非周期性设置的空隙具有小于 500nm 的平均直径， 小于 300nm 较佳， 小于 200nm 且大于 5nm 则更佳。在一些实施方式中， 非 周期性设置的空隙具有小于 100nm 且大于 2nm 的平均直径。在一些实施方式中， 非周期性 设置的空隙具有小于 50nm 且大于 2nm 的平均直径。
术语 “非周期性设置” 或 “非周期性分布” 是指在取光纤的横截面 ( 比如垂直于纵 轴的横截面 ) 时非周期性设置的空隙是随机地或非周期性地分布在光纤的一部分上的。沿 着光纤长度方向上不同点处所取的相似的横截面将显示不同的横截面空隙图案， 即各种横 截面将会具有不同的空隙图案， 其中空隙的分布和空隙的大小并不匹配。 即， 空隙是非周期 性的， 即， 它们不是周期性设置在光纤结构内的。沿着光纤长度方向 ( 即平行于纵轴 ) 拉长 这些空隙 ( 细长的 )， 但是对于典型长度的传输光纤并不延伸到整个光纤的整个长度。 尽管 不希望受理论限制， 但是我们相信这些空隙延长少于几米， 在许多情况下沿着光纤长度方 向小于 1 米。术语空隙和晶种 (seed) 在本文中可互换使用。
使含空隙区域 ( 含空隙的环或中间环形区域 ) 与芯隔离开， 会帮助降低光纤
1550nm 的衰减。另外， 限制含空隙区域的宽度有助于光纤内的单模传输。
可以用相对低成本的制造工艺来制造本文所揭示的光纤， 因为如果期望的话， 在 含空隙区域中可以避免昂贵的掺杂剂 ( 比如氟和 / 或锗 )， 并且如果期望的话， 同样可以避 免用于在光纤的玻璃部分中安排空间上周期性设置的空隙的堆叠与拉伸制造工艺。或者， 可以将本文所揭示的方法简单地用于将空隙添加到光纤的包层， 该包层掺杂有锗、 磷、 铝、 镱、 铒、 氟或其它常规光纤掺杂材料中的一种或多种， 或者该包层也包含在包层中空间上周 期性设置的空隙， 以增大其弯曲耐受性。 在本文所揭示的一些实施方式中， 光纤不包含或基 本上不包含氟或硼。
本发明的其它特征和优点将在下面的详细描述中得到阐明， 并且本领域技术人员 从说明书中将很容易看得出或通过按详细描述、 权利要求书和附图所描述的那样来实施本 发明而认识到这些特征和优点。
应该理解， 上面的一般性描述和下面的详细描述都呈现出本发明的各种实施方 式， 并且旨在对权利要求书所限定的本发明的本质和特征作概要或框架式的理解。所包括 的附图提供了对本发明的进一步理解， 并入说明书中且构成其一部分。这些图示出了本发 明的各种实施方式， 与说明书一起用于解释本发明的原理和操作。 附图说明
图 1 示出了用于形成清灰预制棒的 OVD 方法。 图 2 示出了根据本发明的固结工艺的横截面图。 图 3 示出了用于形成芯棒的重新拉伸工艺。 图 4 示出了已被沉积在芯棒上的清灰的固结。 图 5 示出了从图 4 所示固结步骤中得到的完全固结的预制棒。 图 6a 和 6b 示出了根据本发明一个实施方式制成的光纤的横截面照片。 图 7 示出了在本发明的方法中可以使用的拉伸工艺和装置。 图 8a 和 8b 示意性地示出了根据本发明制成的光纤的横截面， 图示带有涂层。具体实施方式
可以使用下文所描述的方法制成本文所揭示的光纤， 这些方法利用了诸多预制棒 固结条件， 这些条件有效地在固结的玻璃预制棒中捕陷了大量的气体， 由此在固结的玻璃 光纤预制棒中形成了空隙。并不采取步骤除去这些空隙， 反而使用所得到的预制棒形成带 有空隙的光纤。 在本文中， 当在横断光纤纵轴的垂直横截面中观察光纤时， 空隙的直径是最 长的线段， 将该线段的端点设置在用于定义该空隙的二氧化硅内表面上。
定义 “相对折射率百分比” 为 Δ％＝ 100x(ni2-nc2)/2ni2， 其中 ni 是区域 i 中的最 大折射率， 除非另有指明， 并且 nc 是纯 ( 未掺杂 ) 二氧化硅的折射率。术语 “α- 分布” 是 指相对折射率分布， 用 Δ(r) 来表示且单位是 “％” ， 其中 r 是半径， 满足下列方程， α
Δ(r) ＝ Δ(ro)(1-[|r-ro|/(r1-ro)] )，
其 中 ro 是 Δ(r) 为 最 大 值 的 点， r1 是 Δ(r) ％ 为 零 的 点， 并且 r 是在范围 ri ≤ r ≤ rf 中，
其中 Δ 是按上式定义的， ri 是 α- 分布的始点， rf 是 α- 分布的终点， 并且 α 是为实数的指数。
通过标准 2m 光纤截止测试， 即 FOTP-80(EIA-TIA-455-80)， 来测量本文所使用的 光纤截止波长， 以产生 “光纤截止波长” ， 也被称为 “2m 光纤截止” 或 “光纤截止” 。
通过标准 22m 缆线截止测试， 即 FOTP-170(EIA-455-170)， 来测量本文所使用的缆 线截止波长， 以产生 “缆线截止波长” ， 也被称为 “22m 截止波长” 或 “缆线截止” 。
使用 Peterman II 方法来测量模场直径 (MFD)， 其中， 2w ＝ MFD， 并且 w2 ＝ (2 ∫ f2 r dr/ ∫ [df/dr]2 r dr)， 积分限是 0 到∞。在本文中， 所有光学性质 ( 比如色散、 色散斜 率、 弯曲等 ) 都是在 1550nm 波长处报道的， 除非另有说明。
在通过常规清灰沉积工艺 ( 比如外部汽相沉积 (OVD) 工艺或汽相轴向沉积 (VAD) 工艺 ) 制造传输光纤期间， 在火焰中通过高热产生二氧化硅或掺杂的二氧化硅粒子并且这 些粒子作为清灰而沉积。在 OVD 的情况下， 通过沿着圆柱形靶的轴穿越充满清灰的火焰， 在圆柱形靶的外部沉积上述粒子， 一层一层地形成二氧化硅清灰预制棒。随后用干燥剂 ( 比如 Cl2、 CO、 COCl2 或 SiCl4) 处理这种多孔清灰预制棒以除去水和金属杂质， 接下来在 1100-1500℃的温度范围中固结或烧结成玻璃预制棒。表面能量驱动的粘滞流烧结是主要 的烧结机制， 这使清灰的孔更密且闭合， 由此形成固结的玻璃预制棒。在烧结的最后阶段， 当打开的孔闭合时， 固结过程中所使用的气体可以变为被俘获。如果在烧结温度下玻璃中 所俘获的气体的溶解度和穿透性很高， 则在固结过程中这些气体能够迁移穿透玻璃并到达 玻璃之外。或者， 在光纤制造过程的固结阶段之后仍然被俘获的气体可以通过使光纤预制 棒保持一段时间来进行除气， 直到气体迁移到玻璃预制棒之外， 由此在预制棒内留下了一 个或多个其中是真空的空隙。在拉伸操作期间， 当从预制棒中拉出光纤时， 这些空隙闭合 了， 从而留下无空隙或基本上无空隙的光纤。 在用于制造常规传输光纤的固结工艺中， 目的 是实现一种在芯和包层区域里完全没有空隙的光纤。在常规光纤预制棒的固结过程中， 通 常用氦作为气体氛围。因为氦在玻璃中渗透性很强， 所以在固结过程中氦非常容易从清灰 预制棒和玻璃中出来， 使得在氦中进行固结之后， 该玻璃没有孔或空隙。
本文所揭示的光纤是从预制棒中制成的， 预制棒经历了诸多预制棒固结条件， 这 些条件有效地在固结的玻璃预制棒的区域中捕陷了大量的气体， 由此在固结的玻璃光纤预 制棒的含空隙区域中形成了非周期性分布的空隙。并不采取步骤除去这些空隙， 反而有目 的地使用所得到的预制棒来形成其中带有空隙的光纤。特别是， 通过使用渗透性相对低的 气体和 / 或相对高的固结速率， 就可以在固结过程中在固结的玻璃里俘获空隙。通过增大 烧结温度和 / 或增大清灰预制棒穿过固结炉的烧结区的进给率 (downfeed rate)， 就可以 增大烧结速率。 在一定的烧结条件下， 有可能获得这样的玻璃， 其中俘获的气体的面积分数 是预制棒的总面积或体积中相当大的分数。
在本文所揭示的光纤中， 作为使用本文所揭示的工艺的结果而存在于光纤中的非 周期性分布的空隙是位于光纤的包层中的。可以用这些空隙来降低折射率。通过使用若 干固结参数使得空隙的最大直径小于要沿着光纤长度方向传输的光波长 ( 例如， 在远程通 信应用中使用的光纤的情况下， 小于 1550nm)， 该光纤可以有效地用于在特定波长处传输信 息。
图 1 示出了一种制造清灰光纤预制棒 20 的方法， 可以用该方法制造本文所揭示的 光纤。在图 1 所示的实施方式中， 通过将含二氧化硅的清灰 22 沉积到一个旋转且平移的芯棒或铒棒 24 的外部上， 就形成了清灰预制棒 20。将这一工艺称为 OVD 或外部汽相沉积工 艺。芯棒 24 最好是锥形的。通过将气体形式的玻璃前体 28 提供到燃烧器 26 的火焰 30 中 以使其氧化， 就形成了清灰 22。将燃料 32( 比如甲烷 ) 以及燃烧支持气体 34( 比如氧气 ) 提供到燃烧器 26 并将其点燃从而形成火焰 30。标记为 V 的质量流量控制器监测适量的掺 杂剂化合物 36、 二氧化硅玻璃前体 28、 燃料 32 以及燃烧支持气体 34( 最好全是气体形式 的 ) 到达燃烧器 26。在火焰 30 中使玻璃形成化合物 28、 36 氧化以形成一般圆柱形的清灰 区域 23。特别是， 如果期望的话， 可以包括掺杂剂化合物 36。例如， 可以包括锗化合物作为 折射率增大掺杂剂 ( 例如在光纤的芯中 )， 或者可以包括含氟化合物以降低折射率 ( 例如在 光纤的包层中和 / 或在含空隙区域中 )。
如图 2 所示， 可以在固结炉 29 中固结包括圆柱形清灰区域 23 的清灰预制棒 20， 以形成固结的预制棒 31( 在后续的图 3 中示出 )。在固结之前， 移除图 1 所示芯棒 24， 以 形成中空的圆柱形清灰预制棒。在固结过程中， 固定机构 21 使清灰预制棒 20 悬在炉 29 的纯石英消声管 27 内。较佳地， 在固结步骤之前， 使预制棒 20 暴露于干燥气氛中。例如， 合适的干燥气氛可以包括约百分之 95-99 的氦和百分之 1-5 的氯气或 CO 气体且温度约为 950℃ -1250℃且合适的干燥时间范围约为 0.5-4.0 个小时。如果期望的话， 使用具有氟或 其它光纤掺杂剂的掺杂剂气体， 就可以对清灰预制棒进行掺杂。例如， 为了用氟进行掺杂， 可以使用 SiF4 和 / 或 CF4 气体。通过使用常规掺杂温度 ( 比如约为 950-1250℃ ) 可以使 用这种掺杂剂气体达 0.25-4 小时。
在空隙俘获固结步骤期间 ( 该步骤最好在清灰干燥步骤之后进行 )， 提升炉温并 且使预制棒 20 在合适的温度下固结， 例如， 在约 1390℃ -1535℃之间， 从而形成固结的预制 棒。或者， 更佳地， 可以使用梯度烧结， 由此驱使清灰预制棒 20 向下穿过炉 29 的热区域， 该 热区域维持在约 1225℃ -1550℃的温度， 介于约 1390℃ -1535℃则更佳。例如， 可以将预制 棒保持在等温区域中， 该等温区域维持在期望的干燥温度 (950-1250℃ ) 下， 这之后， 驱使 清灰预制棒穿过一个维持在期望的固结温度 ( 比如 1225℃ -1550℃， 1390℃ -1535℃更佳 ) 下的区域， 其穿行速度足以使预制棒 20 有大于 1℃ / 分钟的温度上升。炉子的上方区域可 以维持较低的温度， 有益于干燥和杂质去除步骤。下方区域可以维持固结过程所期望的较 高的温度。在一个较佳实施方式中， 以第一下行速率穿过固结热区域而进给含清灰的预制 棒， 之后， 以小于第一下行速率的第二下行速率穿过第二热区域而进给该预制棒。 这种固结 技术在该预制棒的其余部分烧结之前先烧结清灰预制棒的外部， 由此有益于俘获气体， 从 而有益于在所得的固结玻璃中形成并保留空隙。例如， 预制棒可以以第一速度暴露于这种 合适的固结温度 ( 比如大于约 1390℃ )， 该第一速度足以使预制棒有大于 15℃ / 分钟的温 度上升 ( 大于 17℃ / 分钟更佳 )， 之后是至少第二进给速率 / 固结温度的组合， 该组合足以 使预制棒有至少约 12℃ / 分钟的加热 ( 大于 14℃ / 分钟更佳 )。较佳地， 第一固结速率使 预制棒外部的温度上升速率大于 2℃ / 分钟 ( 大于 3℃ / 分钟更佳， 大于 4℃ / 分钟最佳 )， 比第二固结速率的加热速率要大。如果期望的话， 可以使用第三固结步骤， 以较慢的速率 ( 比如小于 10℃ / 分钟 ) 进行加热。 或者， 通过驱使清灰预制棒穿过炉子热区域 ( 其温度大 于 1550℃， 大于 1700℃更佳， 大于 1900℃尤佳 )， 可以以更快的速率烧结清灰预制棒从而产 生更多的空隙。 或者， 通过使用与清灰相接触的明火或等离子体喷灯， 可以在炉子外部以更 快的速率烧结该清灰预制棒。如果期望的话， 可以使用一系列不同的固结步骤来产生光纤预制棒， 其中的一些可以包括常规固结步骤以将特定的预制棒区域完全烧结成无空隙的完 全固结的玻璃， 之后， 使用空隙俘获固结步骤来沉积并烧结另外的清灰。 空隙俘获固结步骤 中可使用的较佳烧结气体包括下列组中选择的至少一种气体， 所述组包括 ： 氮； 氩； 二氧化 碳； 氧； 氯； CF 4 ； CO ； SO2 ； 氪； 氖以及它们的混合物。 在根据本发明的方法适于形成空隙的固 结温度处或该温度以下， 这些气体在二氧化硅玻璃中都呈现出相对低的渗透性。 更佳地， 用 于在环形含空隙区域中形成非周期性空隙的烧结气体选自下列组 ： (1) 氪气或二氧化硫气 体； 或 (2) 氯气加上氮、 二氧化碳或二氧化硫、 氩或氪中的至少一种 ； 或 (3) 它们的混合物。 可以在空隙产生固结步骤中提供氯气， 或者可以在固结步骤之前将氯气提供给玻璃区域， 例如， 在干燥步骤中使用足量的氯， 使得氯保留在玻璃内， 在该区域的玻璃中氯的量值按重 量计算大于 2000ppm 较佳， 在该区域的玻璃中氯的量值按重量计算大于 3000ppm 则更佳。 较 佳地， 单独使用或组合使用这些空隙产生气体， 其量值按体积计算约为百分之 5-10， 按体积 计算约为百分之 20-100 更佳， 并且按体积计算约为百分之 40-100 最佳。烧结气体氛围的 其余部分是由合适的稀释气体或载气构成的， 比如氦、 氢、 氘、 或它们的混合物。通常， 在烧 结气体中使用的空隙产生气体 ( 氮 ； 氩； 二氧化碳 ； 氧； 氯； CF4 ； CO ； SO2 ； 氪； 氖以及它们的 混合物 ) 按体积计算的百分比越大， 则所得的固结的玻璃中将会有更大且更多的空隙。更 佳地， 在固结步骤中用于形成空隙的烧结气体包括下列组中的至少一种， 所述主包括 ： 氮； 氩； 二氧化碳 ； 氧； SO2 ； 氪； 氖以及它们的混合物。这些气体可以完全单独使用， 或者这些气 体的混合物与载气 ( 比如氦 ) 一起使用。 一种特别适合的空隙形成气体是氮。 申请人已经发 现， 当使用氮和 / 或氩单独地或一起作为空隙产生烧结气体时， 烧结气氛中使用的氮和 / 或 氩的量值按体积计算大于百分之 10 较佳， 按体积计算大于百分之 30 甚佳， 按体积计算大于 百分之 50 更佳， 并且按体积计算大于百分之 65 最佳， 同时烧结气氛的其余部分是载气 ( 比 如氦 )。这些气体已经成功地用在按体积计算浓度大于百分之 85 的情况中了。事实上， 已 经成功地使用过了高达百分之 100 的氮气、 高达百分之 100 的氩气以及高达百分之 100 的 氧气。通过在部分真空条件下 ( 例如， 其中预制棒处于压力约为 40-750 托的烧结气氛中 ) 使清灰在低渗透性气体 ( 比如氮、 氩、 二氧化碳、 氧、 氯、 CF4、 CO ； SO2) 中进行烧结， 也可以产 生空隙， 并且在这种情况下， 就不必需使用稀释的渗透性相对高的气体了 ( 比如氦 )。通过 使用本文所揭示的空隙产生固结技术， 有可能制造具有包层的光纤， 所述包层包括含空隙 区域， 所述含空隙区域具有约为百分之 2-6 的区域空隙面积百分比， 并且在其它较佳实施 方式中， 我们已经发现， 环形含空隙区域中非周期性设置的空隙最好包括在所述含空隙区 域中介于百分之 0.5-6 的百分比区域空隙面积百分比以及大于 0.2 个 / 平方微米的平均空 隙个数密度 ( 大于 0.5 个 / 平方微米甚佳， 大于 1.0 个 / 平方微米更佳， 大于 2 个 / 平方微 米最佳 )。 在本文中， 区域空隙面积百分比是指含空隙环形区域中总的空隙面积除以含空隙 环形区域的总面积 ( 当在垂直于光纤的轴的横截面中观察光纤时 ) 再乘以 100， 含空隙区 域是由含空隙区域的内边界和外边界定义的。例如， 如果光纤中径向上最里面的空隙的径 向内边缘离光纤轴向中心线的径向距离是 10 微米， 并且光纤中径向上最外面的空隙的径 向外边缘离所述中心线的径向距离是 15 微米， 则含空隙区域的面积约为 (225-100)· pi ＝ 393 平方微米。如果该含空隙区域中包含的总的空隙横截面面积是 15.7 平方微米， 则该含 空隙区域的空隙面积百分比约为百分之 4。 在本文中， 区域空隙面积分数是指含空隙环形区 域中总的空隙面积除以含空隙环形区域的总面积 ( 当在垂直于光纤的轴的横截面中观察光纤时 )。 在本文中， 平均空隙个数密度是指含空隙环形区域中总的空隙个数除以含空隙环 形区域的面积。 我们已经发现， 通过设计光纤使得包层包括与芯区域间隔开的含空隙区域， 并且其中含空隙环形区域包括约为百分之 2-10 的区域空隙面积百分比以及大于 0.5 个空 隙 / 平方微米的平均空隙个数密度 ( 大于 1.0 个空隙 / 平方微米甚佳， 大于 2 个空隙 / 平 方微米更佳， 大于 5 个空隙 / 平方微米最佳 )， 可以在光纤横截面上以及沿着光纤长度方向 实现均匀性更大的空隙分布， 由此沿着光纤长度方向产生更一致的改善的弯曲性能。 例如， 通过设计光纤使其具有在上述范围中的平均空隙个数密度以及区域空隙面积百分比， 就可 以在环形含空隙区域的周长和宽度方面以及沿着光纤的长度方向实现改善的空隙分布均 匀性， 该均匀性足以使对于大于 1 米的整个光纤长度 ( 大于 2 米甚佳， 大于 100 米更佳， 大 于 10 千米最佳 ) 而言最大弯曲损耗小于 2dB/10mm 直径匝。更佳地， 在环形含空隙区域的 周长和宽度方面以及沿着光纤的长度方向， 含空隙区域包括一定的空隙分布均匀性， 该均 匀性足以使对于大于 1 米的整个光纤长度 ( 大于 2 米甚佳， 大于 100 米更佳， 大于 10 千米 最佳 ) 而言最大弯曲损耗小于 1dB/10mm 直径匝。甚佳地， 在环形含空隙区域的周长和宽度 方面以及沿着光纤的长度方向， 含空隙区域包括一定的空隙分布均匀性， 该均匀性足以使 对于大于 1 米的整个光纤长度 ( 大于 2 米甚佳， 大于 100 米更佳， 大于 10 千米最佳 ) 而言 最大弯曲损耗小于 0.5dB/10mm 直径匝。 与上述其它烧结气体相组合， 期望使用一种固结处理， 它包括按某一速率和温度 进给预制棒， 该速率和温度足以有意地俘获至少一些固结气体。 例如， 这可以通过对清灰预 制棒的至少一部分加热大于约 10℃ / 分钟 ( 大于约 12℃ / 分钟更佳， 大于约 14℃ / 分钟甚 佳 ) 来实现。本发明所使用的烧结温度最好可以是 1100℃到 1600℃， 约为 1400-1550℃更 佳， 约为 1480-1550℃最佳。一个特别好的烧结温度约为 1490℃。例如， 可以在美国专利申 请 11/583098 中找到， 在光纤包层内制造这种含空隙区域的其它相关信息， 其说明书全部 引用在此作为参考。
图 3 示出了可用于拉出本发明中使用的芯棒的工艺。例如， 在一个这样的实施方 式中， 如上文结合图 1 所描述的那样， 形成了清灰预制棒， 之后， 使用常规固结技术 ( 例如， 在百分之 100 的氦气氛中使用高于 1300℃的固结温度 ) 使该清灰预制棒固结从而形成无空 隙的芯预制棒。 例如， 对于要用于制造纯二氧化硅芯光纤的光纤预制棒而言， 该芯预制棒将 由相对纯净的二氧化硅构成， 不具有大量的折射率调节掺杂剂。 或者， 对于要用于制造掺纯 氧化锗的芯光纤的光纤预制棒而言， 该芯预制棒可以由掺氧化锗的芯区域以及任选的一部 分包层 ( 比如未掺杂的二氧化硅包层 ) 构成。将所得的固结芯预制棒 31 置于芯棒拉伸炉 37 中， 并且从中拉出至少一个外直径减小的棒状芯棒部分 33。例如， 使预制棒 31 加热到约 1700℃ -2000℃。控制器 38 通过到张力机构 40 的合适的控制信号来控制加到上述棒上的 张力从而以恰当的速度向下拉伸棒 33， 图中将张力机构 40 显示成两个拖拉轮。这样， 有可 能获得一段芯棒 33， 其外直径尺寸约为 1mm-16mm。接下来可以用该芯棒作为靶或芯棒 24 以便进行另外的清灰沉积， 或者作为管子工艺中的棒， 下文会进一步描述。
在一个较佳实施方式中， 可以用上文结合图 3 所描述的工艺来形成芯棒预制棒， 接下来可以用该芯棒预制棒作为靶或芯棒， 以便进行另外的清灰沉积， 该清灰沉积将使用 本文所揭示的空隙形成技术来进行固结， 并最终变为光纤的包层。在一个这样的实施方式 中， 例如， 在图 1 所示清灰沉积步骤中， 可以将完全固结的无空隙的玻璃芯棒用作铒棒 24。
玻璃芯棒可以是未掺杂的二氧化硅， 所以得到的光纤将是二氧化硅芯光纤， 其芯基本上由 纯的二氧化硅构成。 或者， 芯棒可以由一个或多个掺杂的区域构成， 这些区域一起形成光纤 的光传输芯区域。在将清灰沉积到玻璃芯棒上之后， 如图 4 所示， 在固结炉 129 中可以使 外部清灰区域 120 完全固结。较佳地， 在该固结步骤中， 执行上文所描述的空隙形成固结工 艺， 以形成如图 5 所示的固结的光纤预制棒 150。
如上所述， 空隙形成固结步骤中使用的较佳气体包括从下列组中选择的至少一种 气体， 所述组包括 ： 氮； 氩； 二氧化碳 ； 氧； 氯； CF4 ； CO ； SO2 ； 氪； 氖以及它们的混合物。较佳 地， 单独使用或组合使用这些空隙产生气体， 其量值按体积计算约为百分之 5-10， 按体积计 算约为百分之 20-100 更佳， 并且按体积计算约为百分之 40-100 最佳。 由合适的稀释气体或 载气构成烧结气体氛围的其余部分， 比如氦、 氢、 氘、 或它们的混合物。通常， 在烧结气体中 使用的空隙产生气体 ( 氮 ； 氩； 二氧化碳 ； 氪； 氧； 氯； CF4 ； CO ； SO2 ； 氖 ) 的百分比越大， 则所 得的烧结的玻璃中将会有更大且更多的空隙。一种特别好的空隙产生气体是氮， 氮的使用 量按体积计算大于百分之 10 较佳， 按体积计算大于百分之 30 甚佳， 按体积计算大于百分之 50 更佳， 并且按体积计算大于百分之 65 最佳， 同时烧结气氛的其余部分是载气 ( 比如氦 )。 通过在部分真空条件下 ( 例如， 其中烧结气氛的压力约为 40-750 托 ) 使清灰在低渗透性稀 释气体 ( 比如氮、 氩、 二氧化碳、 氧、 氯、 CF4、 CO、 SO2) 中进行烧结， 也可以产生空隙， 并且在这 种情况下， 就不必需使用稀释的渗透性相对高的气体 ( 比如氦 ) 了。通过使用 Cl2、 SiCl4 或 其它含氯掺杂剂， 可以将氯并入到玻璃中。 通过使用本文所揭示的空隙产生固结技术， 有可 能制造这样的光纤， 其包层包括含空隙区域， 所述含空隙区域具有大于约百分之 0.5 的区 域空隙面积百分比， 大于约百分之 1 更佳， 大于约百分之 5 甚佳， 大于约百分之 10 最佳。最 佳地， 具有空隙的区域并不延伸到包层的外边缘， 使得在光纤的外部上有开口空隙或空隙。
本发明所使用的烧结温度最好是 1100℃到 1550℃， 约为 1300℃ -1500℃更佳， 约 为 1350℃ -1500℃最佳。一个较佳烧结温度约为 1490℃。选定固结过程中所使用的气体气 氛、 固结炉内部的温度以及预制棒固结速率， 使得在清灰固结过程中， 将气体有意地俘获在 预制棒之内， 从而在固结的玻璃中形成空隙。在光纤拉伸过程之前和 / 或期间， 最好不完全 除去这些含气体的空隙， 使得在已拉伸光纤之后空隙仍然存在于光纤中。可以控制各种处 理参数， 以改变和控制空隙的尺寸。例如， 增大固结时间或温度就可以增大空隙尺寸， 因为 增大的温度使空隙内所俘获的气体膨胀了。相似地， 诸多拉伸条件可以影响空隙的尺寸和 面积百分比。例如， 拉伸炉中更长的热区域和 / 或更快的拉伸速度往往使空隙的尺寸以及 面积百分比增大。选择一种在固结温度处在玻璃中更具有渗透性的气体会导致空隙更小。 烧结速率也可以对空隙尺寸和空隙数量有很大的影响。 更快的烧结速率将导致形成的空隙 更多且更大。 然而， 使用太低的烧结速率将导致不形成任何空隙， 因为气体将有时间穿过该 玻璃逃走。结果， 预制棒的进给率和 / 或所使用的固结温度最好足够高， 以使预制棒的至少 一部分的加热速率大于约 10℃ / 分钟， 大于约 12℃ / 分钟更佳， 大于约 14℃ / 分钟甚佳。 一般， 具有较低清灰密度的光纤预制棒将形成更多的空隙。 然而， 可以改变特定的光纤预制 棒中所沉积的清灰的密度， 以将更多的空隙 ( 更高的区域空隙面积百分比 ) 置于期望的地 方。例如， 可以将第一高密度清灰区域直接沉积在固结的玻璃 ( 例如纯净的二氧化硅 ) 芯 棒上， 之后是第二清灰区域， 其密度比第一清灰区域低。我们已经发现， 这使更高的空隙面 积百分比形成于芯附近 ( 即在高密度清灰区域中 )。含二氧化硅的清灰最好具有约 0.10g/cc-1.7g/cc 的体密度， 约为 0.30g/cc 到 1.0g/cc 更佳。 也可以用该效果来形成固结的含空 隙预制棒， 这种预制棒在含较低或不含空隙区域与含较高空隙区域之间交替 ； 其中， 初始清 灰密度径向变化在至少 100 微米的距离上大于百分之 3。可以用这种预制棒来制造光纤， 所述光纤的包层区域在无空隙玻璃区域与含空隙玻璃区域之间交替。 具有这种交替的含空 隙与无空隙区域的光纤将会呈现出可用作布拉格光栅的性质。 由本文所描述的方法生产的 光纤预制棒最好由下列构成 ： 无空隙的掺氧化锗的芯 ； 无空隙二氧化硅内包层 ； 含空隙二 氧化硅环 ； 以及无空隙二氧化硅外包层。 在该预制棒的横截面切片中， 含空隙的环区域可以 包含超过约 1,000,000 个空隙， 其中空隙的平均直径可以约为 1-10 微米， 并且由约 1-20 面 积百分比的空隙构成。 这些空隙通常是分立的且隔离的回转椭球形状， 被二氧化硅围绕着， 因此， 沿着光纤预制棒的长度方向， 每个空隙在轴向或径向位置中都是不连续的。 在将该光 纤预制棒拉成光纤时， 这些空隙在拉伸方向上变得细长。 我们发现， 在将光纤预制棒拉成光 纤的过程中， 任何给定横截面中的空隙的个数从预制棒中原始的个数减小到拉成的光纤中 的个数。例如， 在预制棒的横截面环中有 100,000 个空隙的 60mm 直径预制棒可以在拉成的 125 微米直径光纤的横截面环中产生 200 个空隙。 我们认为， 这种个数减少的机制是因为我 们的术语 “扩散聚并” ， 即这些空隙聚并到一起从而形成个数更少的空隙。 我们认为， 任何减 小含空隙预制棒的直径的步骤 ( 比如， 将预制棒拉成光纤， 将预制棒重新拉成更小的预制 棒等 ) 中发生的扩散聚并的程度可以受下列因素影响 ： 直径减小步骤中预制棒的时间 - 温 度历史 ； 空隙中的气体的选择 ； 以及围绕着空隙的玻璃的成分。因此， 在光纤中产生 200 个 横截面空隙的同一预制棒也可以在横截面中产生 500 到 1000 甚至到 10,000 个空隙， 并且 可以通过上述预制棒处理参数和玻璃成分来进行控制。
相反， 通过堆叠 - 拉伸工艺中的一系列连续的管子或通过沿着预制棒轴向长度钻 出空隙而制成的光纤预制棒并不经历这一现象， 即预制棒中空隙的个数基本上相似于拉成 的光纤中的空隙的个数。 因此， 不像这些方法， 我们的不连续的含空隙预制棒具有在光纤中 经调整的微结构， 为的是获得诸多光纤属性。应该注意到， 通过使用常规堆叠 - 拉伸工艺或 者通过沿着预制棒轴向长度钻出空隙， 产生大于 50 个空隙会迅速变得很困难和很麻烦。相 反， 从我们的预制棒中产生的光纤可以在横截面中产生数百个甚至数千个空隙。
当将预制棒拉成光纤时， 光纤中所形成的空隙被拉成细长的空隙。在光纤预制棒 的颈缩或 “根部” 区域中， 玻璃温度从其软化点 ( 对于二氧化硅而言约为 1630℃ ) 以上增 大到约 1900-2100℃ ( 取决于光纤拉伸条件 )。然后， 光纤冷却回到软化点， 在该软化点处 或在其后， 达到最终的光纤直径。 发现因扩散聚并导致空隙个数减少与若干个参数有关， 包 括： 1) 空隙中一种气体 ( 或多种气体 ) 的扩散率， 该气体穿过玻璃而迁移 ； 以及 2) 玻璃在 拉伸颈缩区域中经历的温度 - 时间历史。我们已经证明 ln[ 预制棒中的空隙 / 光纤中的空 隙 ] 的比例正比于参数∑， 定义如下 ：
在方程 [1] 中， z 是沿着预制棒的轴向位置， 积分下限 ‘0’ 对应于预制棒开始颈缩 的轴向位置， 上限 ‘zmax’ 对应于预制棒达到最终光纤直径 ( 通常是 125 微米 ) 时的轴向位 置。我们还发现， 用方程 [2] 中所示的简化的工艺参数 Ω 可以更容易地近似参数∑， 并且工艺参数 Ω 定义如下 ：
， 其中[2] Dgas( 表达为 cm2/s) 是玻璃中的气体 ( 空隙中的气体 ) 扩散率并且因颈缩区域中的 非等温的玻璃温度而从一个轴向位置到一个轴向位置而变化， φf 是区域空隙面积分数， Vf 是单位为 cm/s 的光纤拉伸速度， 并且 Rf 是单位为 cm 的光纤半径。在估计工艺参数 Ω( 无 量纲数 ) 时， 针对二氧化硅玻璃， 我们已经使用了分别由方程 [3] 和方程 [4] 所示的氮与氪 气体扩散率 Dgas 的下列关系式， 其中 e 是数学常数 2.71828( 被显示成舍位至小数点后 5 个 十进位并且也被表示成 “Exp” )：
氮：
以及氪 ：
平均温度 Tavg 是光纤预制棒的单位为℃的软化点温度与峰值拉伸炉温 ( 峰值拉伸 炉温就是峰值炉温并且通常位于光纤预制棒的颈缩根部区域所对应的区域中 ) 的算术平 均， φf 是光纤的区域空隙面积分数， 并且 Lroot 是单位为 cm 的拉伸根部长度 ( 是从颈缩区 域开始且结束于预制棒已到达最终光纤直径时测量到的 ( 通常是 125 微米 ))。
例如， 在预制棒直径为 5.8cm 且被拉伸成 125 微米直径光纤的情况下， 获得表格 1 中的示例 1 中的 Ω 如下 ：
炉子设置点温度 (Tε) ＝ 1985 ℃ ； 玻璃软化点 (Tσ) ＝ 1630 ℃ ； (Tε+Tσ)/2 处的 -9 2 气体扩散率＝ 1.60x10 cm /s ； 光纤中的区域空隙面积分数 φf ＝ 0.042 ； 预制棒根部长度 (Lroot) ＝ 30.9cm ； 光纤拉伸速度 (Vf) ＝ 1000cm/s ； 光纤半径 (Rf) ＝ 0.00625cm， -9 2
Ω ＝ [1.60x10 cm /sx0.042x30.9cm]/[1000cm/sx(0.00625cm)2]
＝ 5.28x10-8
我们已经发现， 在较佳实施方式中 ： -7
Ω ＜ 5x10
低 Ω 等于较低的扩散聚并， 由此， 导致数目更大且直径更小的空隙 ( 与更少且更 大的空隙相反 ) 保留在光纤预制棒和所得到的光纤中。更佳地， Ω 小于 4x10-7， 小于 3x10-7 甚佳， 小于 2.5x10-7 更佳， 小于 2x10-7 最佳。可以用许多工艺参数来帮助减小工艺参数 Ω 的大小使其达到 5x10-7 以下。例如， 使用较低的拉伸炉温， 这依次能够使拉伸张力更高 ( 比 如大于 200 克， 介于 250-300 克之间则更佳 )。 另外， 在拉伸炉中使用较小或较窄的热区域， 这将导致较短的 Lroot( 以及光纤预制棒的更钝的根部区域 )。同样， 使用更快的拉伸速度 ( 比如大于 20m/s， 大于 25m/s 更佳， 大于 30m/s 最佳 ) 将帮助减小工艺参数 Ω， 正如将使 用渗透性较低的玻璃那样， 而这则可以通过使用更高量的氯来实现 ( 例如， 按重量计算大 于 2000ppm， 按重量计算大于 3000ppm 更佳， 并且在一些实施方式中， 氯按重量计算可以大 于 10,000ppm， 被保留在光纤的环形含空隙区域的玻璃区域之内 )。 参照图 5， 通过使用上述 技术， 可以形成光纤预制棒 150， 光纤预制棒 150 包括无空隙芯区域 151， 包层 152 围绕着无 空隙芯区域 151， 包层 152 由多个空隙构成。 通过在包层 152 中形成含空隙区域并且空隙个 数足够多且尺寸适宜， 在将该光纤预制棒拉成光纤之后， 包层 152 将用作一种引导光沿着 芯区域 151 的光学包层。或者， 可以使用含空隙区域来改善光纤的弯曲性能。如果期望的 话， 在将预制棒 150 拉成光纤之前， 可以将另外的清灰沉积在包层区域 152 上并进行固结。 按所期望的， 可以固结或者可以不固结另外沉积的包层材料以包含空隙。 图 6a 和 6b 示出了从这种预制棒中拉出光纤的示例。图 6a 是 125 微米直径光纤 在 1500 倍放大率时的 SEM 显微照片， 图 6b 是图 6a 所示光纤的中心区域在 7500 倍放大率 时的 SEM 显微照片。图 6a 和 6b 中的光纤包括被包层区域围绕着的芯区域， 包层区域包括 许多空隙， 这些空隙被定位成沿着掺氧化锗的二氧化硅芯有效地引导光。
或者， 不在已经形成的芯棒上沉积清灰， 可以用上述空隙形成工艺来形成固结的 玻璃管， 该玻璃管中有含空隙区域， 正如上文结合图 2 所描述的那样， 可以用该玻璃管套住 芯棒。
在本文所揭示的任何实施方式中， 通过将预制棒置于拉伸炉 52 内 ( 如图 7 所示 ) 且接下来用常规方法和装置加热并拉出光纤 54， 就可以将最终固结的光纤预制棒 50 拉成 光纤。然后， 使光纤 54 在冷却腔室 55 中冷却， 并用非接触传感器 56 测量最终的直径。可 以涂敷一个或多个涂层， 并且用涂敷装置 58 使其固化。在拉伸期间， 光纤 54 穿过张力组件 60， 由此， 施加了张力从而从预制棒 50 中拉出了光纤 54。通过控制装置 61， 控制该张力， 以 使光纤直径维持在预定的设置点上。最终， 馈送头 62 将经涂敷的光纤 54 缠绕到光纤存储 卷轴 64 上。
上文结合图 3 所描述的用于形成芯棒的同一工艺可以备选地用于重新拉伸含空 隙的固结管子。可以用这种重新拉伸工艺来修改该管子中所包含的空隙的尺寸。例如， 在 重新拉伸含空隙预制棒时所发生的直径减小越大 )， 则该预制棒中的空隙尺寸就越小。
通过使用本文所揭示的空隙产生固结技术， 已实现了这样的光纤， 所述光纤由芯 区域 ( 具有第一折射率 ) 和包层区域 ( 具有比芯的第一折射率低的第二折射率 ) 构成， 使 得穿过光纤传输的光一般保留在芯内， 由此， 所述空隙位于所述光纤的包层中并且形成该 包层， 并且这些空隙的空隙面积百分比是显著非零的。
通过使用本文所描述的技术， 可以制成这样的光纤， 其中， 在光功率的分数大于百 分之 80 的区域中， 任何空隙的最大尺寸都小于正传输的光的波长。最大尺寸是指当在横断
光纤纵轴的垂直横截面中观察光纤时任何特定空隙的最大直径。例如， 已经制成这样的光 纤， 其中， 含空隙区域中的平均空隙直径介于 5-500nm 之间， 介于 30-300nm 之间更佳， 介于 30-200nm 之间甚佳， 并且介于 30-150nm 之间最佳。在其它较佳实施方式中， 非周期性设置 的空隙具有小于 100nm 且大于 2nm 的平均直径。在其它较佳实施方式中， 非周期性设置的 空隙具有小于 50nm 且大于 2nm 的平均直径。
如果期望的话， 可以使用折射率调节掺杂剂 ( 比如锗和氟 )， 单独使用或一起使 用， 以相对于包层的折射率或相对于纯二氧化硅的折射率来进一步调节芯的折射率。 例如， 在一个这种较佳实施方式中， 使用锗芯棒作为起始棒， 将另外的清灰包层材料沉积在其上， 较佳地， 使用上文所描述的 OVD 沉积技术进行该沉积操作。然后， 如上文所描述的那样固结 清灰包层区域， 以形成含空隙包层区域， 该含空隙包层区域围绕着掺氧化锗的二氧化硅芯 区域。
可以在远程通信网络中使用这种光纤 ( 通常在 850、 1310 和 / 或 1550nm 窗口中工 作 )， 这种网络包括远程、 地铁 (metro)、 接入、 房屋和数据中心以及建筑物内的数据通信应 用和控制区域网络以及移动的 ( 汽车、 公交车、 火车、 飞机 ) 应用。这种远程通信网络通常 包括光学地连接到光纤的发射机和接收机。 在一些实施方式中， 本文所揭示的光纤呈现出非周期性的含空隙区域， 当在横截 面中观察这种区域时， 这种区域呈现出大于 100 个空隙， 大于 200 个空隙更佳， 大于 400 个 空隙甚佳， 并且在一些实施方式中， 给定光纤垂直横截面的环形含空隙区域中有大于 600 个空隙。事实上， 本文所揭示的技术足以在光纤的环形区域中产生大于 1000 个， 甚至大于 2000 个空隙， 即使这种环形区域的宽度小于 10 微米 ( 小于 7 微米更佳， 例如， 径向宽度介于 1-7 微米 ) 也如此。
例如， 与现有技术的光纤相比， 本文所揭示的光纤能够具有优越的弯曲耐受性， 同 时呈现出卓越的模场直径。优越是指通过使用本文所揭示的方法有可能制造这样的光纤， 在一些实施方式中所述光纤在 1550nm 处是单模的， 在其它实施方式中在 1400nm 处也是单 模的， 在另外的实施方式中在 1260nm 处也是单模的， 并且所述光纤能够针对 20mm 直径弯曲 在 1550nm/ 匝处呈现出小于 0.5dB 衰减增量， 同时在 1550nm 处呈现出大于 9 微米的模场直 径 ( 大于 10 微米更佳 )。 这种卓越的弯曲性能使这些光纤有望用于光纤到户、 接入光纤、 家 中的光纤应用以及光纤跨接线 ( 这些通常是短光纤段 (1-20 米 )， 其每个末端上有连接器以 连接到光学系统或器件 )。例如， 可以将本文所揭示的光纤用在光纤远程通信系统中， 该系 统包括发射机、 接收机、 光学地连接到所述发射机和接收机的光纤。较佳地， 在这些应用中 ( 即当光纤用作远程通信系统中的传输光纤时 )， 光纤不具有任何活性元素 ( 比如铒等 )。
通过使用本文所揭示的空隙产生固结技术， 有可能制造这样的光纤， 所述光纤所 具有的包层区呈现出一总的空隙面积百分比 ( 即， 空隙的总的横截面面积除以光纤的总的 横截面面积再乘以 100)。已经将光纤制造成所具有的总的空隙面积百分比大于约 .01％、 大于 0.1 ％、 大于约 1 ％、 大于约 5 ％以及大于 10 ％。然而， 在一些实施方式中， 总的空隙 面积百分比小于 1％、 甚至小于 0.7％， 且在一些实施方式中小于约 .2％， 这可以导致弯曲 性能极大地改善。在一些较佳实施方式中， 总的空隙面积百分比介于 0.01-0.4 ％， 介于 0.02-0.2％更佳。可以用这种含空隙的包层区域来降低相对于芯的折射率， 由此形成包层 区域， 该包层区域沿着光纤的芯引导光。 通过选择恰当的清灰固结条件， 正如下文所描述的
那样， 可以实现各种有用的光纤设计。例如， 通过选择包层中的最大空隙尺寸使其小于要 传输的光波长 ( 例如， 对于一些远程通信系统而言， 要小于 1550nm， 并且小于要沿着光纤传 输的光波长的一半则更佳 )， 就可以实现低损耗光纤而无需使用昂贵的掺杂剂。结果， 对于 各种应用而言， 期望环形含空隙区域中的空隙呈现出约为 5-500nm 的平均空隙尺寸， 约为 30-300nm 更佳， 约为 30-200nm 甚佳， 约为 30-150nm 最佳。在其它较佳实施方式中， 非周期 性设置的空隙具有小于 100nm 且大于 2nm 的平均直径。在其它较佳实施方式中， 非周期性 设置的空隙具有小于 50nm 且大于 2nm 的平均直径。在一些实施方式中， 在横截面中观察本 文所揭示的光纤时， 所述光纤具有大于 100 个空隙， 大于 200 个更佳， 大于 400 个甚佳， 并且 在一些实施方式中大于 600 个空隙。事实上， 本文所揭示的技术足以在光纤的环形区域中 产生大于 1000 个， 甚至大于 2000 个空隙， 即使这种环形区域的宽度小于 10 微米 ( 小于 7 微米更佳， 例如， 径向宽度介于 1-7 微米 ) 也如此。当然， 最佳的光纤将呈现出这些特性的 组合。由此， 例如， 光纤的一个特别好的实施方式将呈现出大于 500 个， 这些空隙的平均直 径介于 30-200nm 之间， 尽管也可以使用更大且个数更多的空隙来实现有用的且耐弯曲的 光纤。可以在放大率约为 800 倍的扫描电子显微镜以及图像分析软件 ( 比如 ImagePro) 的 帮助下计算空隙个数、 平均直径、 最大直径以及空隙的总的空隙面积百分比， 可以从美国马 里兰州 Silver Spring 市的 Media Cybernetics 股份有限公司买到 ImagePro。
本文所揭示的光纤可以包括或者可以不包括氧化锗或氟， 以调节光纤的芯和 / 或 包层的折射率， 但是在中间环形区域中可以避免这些掺杂剂， 相反， 可以用这些空隙 ( 与空 隙内设置的任何气体相结合 ) 调节沿着光纤的芯向下引导光的方式。含空隙区域可以由未 掺杂 ( 纯 ) 二氧化硅构成， 由此完全避免在含空隙区域中使用任何掺杂剂， 以实现减小的 折射率， 或者含空隙区域可以包括具有多个空隙的掺杂的二氧化硅 ( 例如， 掺氟的二氧化 硅 )。
在一组实施方式中， 芯区域包括掺杂的二氧化硅， 以提供相对于纯二氧化硅的正 的折射率， 例如， 掺氧化锗的二氧化硅。芯区域最好是无空隙的。图 8a 示意性地示出了根 据本发明制成的光纤的横截面， 图示带有涂层。图 8b 对应于图 8a 的光纤， 并示意性地示出 了区域 180 中的折射率分布。可以示意性地将在一个横截面中对应于图 8a 的光纤的折射 率分布解释为二氧化硅和空隙各自的折射率成分的组合， 正如图 8b 所示。可以由本文所描 述的扫描电子显微镜 (SEM) 技术来确定精确的空隙分布图。该图示出了区域 180 中的相对 百分比折射率是在 Δ3 ＝ -28％ ( 填充有气体的空隙的折射率相对于二氧化硅的折射率 ) 与围绕着这些空隙的玻璃 ( 在本示例中它是二氧化硅， 相对％折射率 Δ5 约为 0％ ) 的折射 率之间波动。相对于纯二氧化硅玻璃而言， 典型的相对折射率百分比 Δ5 将在 -1％和 +3％ 之间， 在 -1％和 1％之间更佳， 这取决于围绕着空隙的玻璃中存在的传统掺杂剂 ( 比如氟化 和 GeO2)。即， 区域 180 的折射率有波动， 并且在图 8b 的示例中， 填充有气体的空隙的宽度 和 / 或填充有气体的各空隙之间填充了玻璃的距离 Sv 是随机分布的， 和 / 或彼此不相等。 即， 空隙是非周期性的。填充有空隙的区域的折射率显著不同于常规掺杂的二氧化硅的折 射率。较佳地， 各空隙之间的平均距离 Di 小于 5000nm， 小于 2000nm 更佳， 小于 1000nm 甚 佳， 例如， 小于 750nm、 500nm、 400nm、 300nm、 200nm， 或者甚至小于 100nm。 如图 8a 和 8b 所示， 在一些实施方式中， 芯区域 170 包括单个芯部分， 其具有相对于纯二氧化硅 Δ1( 单位是％ ) 的正的最大折射率， 并且单个芯部分从中心线延伸到半径 R1。在一组实施方式中， 0.30％＜ Δ1 ＜ 0.40％且 3.0μm ＜ R1 ＜ 5.0μm。在一些实施方式中， 单个芯部分具有 α 形的折 射率分布， α 是 6 或更大， 在一些实施方式中， α 是 8 或更大。在一些实施方式中， 内部环 形无空隙区域 182 从芯区域延伸到半径 R2， 其中该内部环形无空隙区域具有径向宽度 W12， W12 等于 R2-R1 且 W12 大于 1μm。半径 R2 最好大于 8μm， 大于 10μm 更佳。芯半径 R1 和 R2 之比 R1/R2 最好介于 0.2 和 0.6 之间， 介于 0.3 和 0.5 之间更佳， 介于 0.33 和 0.45 之间甚 佳。中间环形含空隙区域 184 从 R2 到半径 R3 径向向外延伸， 并且具有径向宽度 W23， W23 等 于 R3-R2。外部环形区域 186 从 R3 到半径 R4 径向向外延伸。半径 R4 是光纤的二氧化硅部分 的最外围的半径。可以将一个或多个涂层涂到光纤的二氧化硅部分的外表面上， 从 R4 处开 始， 是光纤的玻璃部分的最外部直径或最外部周边。芯区域 170 和包层区域 180 最好是由 二氧化硅构成的。芯区域 170 最好是掺有一个或多个掺杂剂的二氧化硅。较佳地， 芯区域 170 是无空隙的。含空隙区域 184 具有内部半径 R2， 其不大于 20μm。在一些实施方式中， R2 不小于 10μm 且不大于 20μm。在其它实施方式中， R2 不小于 10μm 且不大于 18μm。在 其它实施方式中， R2 不小于 10μm 且不大于 14μm。含空隙区域 184 具有径向宽度 W23， 其不 小于 0.5μm。在一些实施方式中， W23 不小于 0.5μm 且不大于 20μm。在其它实施方式中， W23 不小于 2μm 且不大于 12μm。在其它实施方式中， W23 不小于 2μm 且不大于 8μm。
包层区域 180 延伸到半径 R4， 其最好不小于 40μm ； 在一些实施方式中， R4 约为 40μm ； 在其它实施方式中， R4 不小于 60μm ； 在其它实施方式中， R4 约为 62.5μm。在一些 实施方式中， 外部环形区域 180 具有不小于 20μm 的径向宽度。在其它实施方式中， 外部无 空隙区域 186 具有不小于 30μm 的径向宽度。在一些实施方式中， 芯区域 170 包括掺氧化 锗的二氧化硅。在其它实施方式中， 芯区域 170 包括掺氟的二氧化硅。
芯区域最好包括中心芯部分， 从中心线径向向外延伸。
在一组实施方式中， 芯区域 170 包括单个芯部分， 其具有相对于纯二氧化硅为正 的相对折射率 Δ1。该单个芯部分可以具有阶跃形或圆滑的阶跃形或其它形状的折射率分 布。在这些实施方式中的一些中， 该单个芯部分具有 α 形的折射率分布， 较佳地， α 不小 于 8。较佳地， 该单个芯部分延伸到半径 R1， 其不小于 3.8μm， 在一些实施方式中， R1 不小于 4.0μm 且不大于 4.5μm。在一些实施方式中， 该芯区域延伸到 R1， 其中含空隙的区域具有 内半径 R2， 其中比例 R1/R2 介于 0.3 和 0.5 之间。
芯区域 170 可以包括多个芯部分， 由此， 该芯区域包括本文所揭示的任何实施方 式中的至少一个芯部分。
在一些实施方式中， 芯区域 170 的折射率分布提供在 1550nm 处的光信号的单模传 输， 较佳地， 还提供在 1300 和 1324nm 之间的零色散波长， 较佳地， 还提供在 1310nm 处大于 8.6μm 的模场直径。
在一些实施方式中， Δ1 不大于 0.40％。在其它实施方式中， Δ1 不大于 0.38％。
较佳地， 本文所揭示的光纤还包括涂层， 该涂层围绕着且直接邻接着包层区域。 在 一些实施方式中， 光纤包括单个涂层， 该涂层围绕着且直接邻接着包层区域。 在一些实施方 式中， 至少一些空隙包含选自下列组的至少一种气体， 所述组包括 ： 氩； 氮； CO ； 二氧化碳 ； 氯； 氧； CF4 ； C2F6 ； SO2 ； 氪； 氖以及它们的混合物。更佳地， 含空隙区域中的空隙包括氪气或 SO2 气体或氯气加上氮、 二氧化碳、 氩、 氪或 SO2 中的至少一种或它们的混合物。
示例将通过示例进一步示出本发明。 除非另有说明， 否则在下面的每个示例中， 当拉伸 光纤时， 用常规涂层 ( 即， 常规的基于丙烯酸的主和次涂层 ) 涂覆光纤。
示例 1-4 ：
通 过 外 部 气 相 沉 积 (OVD) 将 490 克 SiO2(0.39g/cc 密 度 ) 的 清 灰 沉 积 在 完 全 固结的 1 米长乘以 20mm 直径阶跃折射率 ( 约 0.34 ％ Δ， 0.43 芯 / 包层直径比例 ) 固体 GeO2-SiO2 芯 -SiO2 包层无空隙芯棒， 由此产生预制棒 ( 有时候被称为坯料、 光学坯料或光 学预制棒 )， 该预制棒具有固结的无空隙芯区域， 固结的无空隙二氧化硅包层区域围绕着该 无空隙芯区域， 而清灰二氧化硅区域又围绕着无空隙二氧化硅包层区域。接下来烧结该组 件的清灰包层。该组件首先是在氦以及 10％氯和 1％ CO( 全是按体积计算的百分比气体 ) 构成的 1100℃的气氛中且在炉子上区域部分中干燥 2 个小时， 之后， 以 200mm/ 分钟向下驱 动 ( 对于向下驱动过程中的清灰预制棒的外部， 该速度对应于大约 100℃ / 分钟的温度上 升 ) 穿过一个热区域 ( 设置在约 1500℃的 100％氪 ( 按体积计算 ) 烧结气氛中 )。然后， 重 新向下驱动 ( 即第二次 ) 预制棒组件， 以 100mm/ 分钟 ( 对于向下驱动过程中的清灰预制棒 的外部， 该速度对应于大约 50℃ / 分钟的温度上升 ) 穿过上述热区域。 然后， 重新向下驱动 预制棒组件 ( 即第三次 )， 以 50mm/ 分钟 ( 对于向下驱动过程中的清灰预制棒的外部， 该速 度对应于大约 25℃ / 分钟的温度上升 ) 穿过上述热区域。然后， 重新向下驱动预制棒组件 ( 即第四次 )， 以 25mm/ 分钟 ( 对于向下驱动过程中的清灰预制棒的外部， 该速度对应于大 约 12.5℃ / 分钟的温度上升 ) 穿过上述热区域， 然后， 以 6mm/ 分钟进行最终烧结 ( 约 3℃ / 分钟加热速率 )， 为的是将清灰烧结成氪 - 晶种的二氧化硅外包层预制棒。在每一次向下 驱动步骤之后， 以 200mm/ 分钟向上驱动预制棒组件使其到达炉子的上区域部分 ( 该上区域 部分仍然设置在 1100℃ )。使用第一系列更高的进给速率使光纤预制棒的外部釉化， 这有 益于将气体俘获到该预制棒中。然后， 将预制棒放到设置在 1000℃的氩清除式保温炉中达 24 小时， 以对预制棒中任何剩余的氦进行除气。然后， 在设置为约 1780℃的常规石墨重新 拉伸炉子上， 在氩气氛中重新拉伸该预制棒使其成为无空隙 GeO2-SiO2 芯、 无空隙 SiO2 包 层、 氪 - 晶种 ( 即， 包含氪气的非周期性定位的空隙 ) 二氧化硅外包层棒， 该棒直径为 11mm 且长 1 米。将 11mm 棒中之一放回到车床中， 其中通过 OVD 沉积 4000 克另外的 SiO2(0.42g/ cc 密度 ) 清灰。接下来烧结用于这种组件的这种包层 ( 可以称为外包层 ) 的清灰如下。该 组件首先在由氦和 3％氯组成的 1100℃的气氛中干燥 2 个小时， 之后， 以 6mm/ 分钟向下驱 动穿过设置在 1500℃的 100％氦 ( 按体积计算 ) 气氛中的热区域， 为的是将该清灰烧结成 含氧化锗的无空隙的芯、 二氧化硅无空隙的内部包层、 二氧化硅氪 - 晶种的环 ( 即， 空隙包 含氪的二氧化硅 ) 以及无空隙的外包层预制棒。 将预制棒放到设置在 1000℃的氩清除式保 温炉中达 24 小时， 以从预制棒中除去氦。在石墨电阻炉上约 1900-2000℃的氦气氛中， 以 10m/s 将光纤预制棒拉伸成 10km 长的 125 微米直径光纤， 其芯半径约为 4.5 微米， 该石墨 电阻炉具有 4 英寸或 8 英寸的元件长度以及 3.5 英寸内直径， 正如下面的表格 1 所述。通 过监控并控制光纤张力来控制光学预制棒的温度 ； 在光纤拉伸运行的每一部分 ( 比如 10Km 长度 ) 期间光纤张力保持着一个介于 50-600 克之间的值， 表格 1 列出这种情况。在表格 1 中还列出示例 1-4 所示光纤的光学和物理性质 ( 包括 SEM 分析 )。
针对表格 1 中每个实例还阐明了空隙气体， 是指光纤环形部分的空隙内所包含的 气体， 芯 / 包层比例是掺氧化锗的芯的外部半径与内部包层区域的外部半径 ( 也是含空隙区域的内部半径 ) 之比。还阐明了芯 Δ 百分比、 空隙产生固结步骤中所使用的百分比空隙 气体 ( 该固结步骤期间的气体的剩余部分是氦， 接下来在光纤拉伸步骤之前或期间从预制 棒中除去了氦 )。以英寸给出用于拉伸该预制棒的拉伸炉加热元件 ( 即炉子热区域 ) 的长 度。以 cm 提供预制棒直径， 并且给出在固结之后预制棒中的空隙的个数。还提供了玻璃软 化点以及空隙中所包含的气体的扩散率。以 cm/s 给出光纤拉伸速度， 以微米给出最后的光 纤直径。以 cm 给出光纤半径是。以克给出光纤拉伸张力， 以 cm 给出预制棒根部长度。还 提供了缆线截止波长、 1310nm 处的模场直径 ( 单位是微米 )、 零色散波长、 当绕着 10mm 直径 芯棒弯曲时的 dB/ 匝损耗 ( 衰减 ) 增量、 含空隙环的内部半径、 含空隙环的外部半径、 环形 含空隙环的宽度、 环形部分中的区域空隙面积分数、 总的光纤空隙面积百分比、 环形区域中 的空隙的平均空隙直径、 环形区域中的空隙的平均空隙直径、 环形区域中的空隙的空隙直 径的标准偏差、 环形区域中的空隙的近似最大和最小空隙直径、 含空隙环形部分中的空隙 的近似个数以及环形区域中的空隙的平均个数密度。表格 1 还阐明了工艺参数 Ω 以及预 制棒中的空隙与所得光纤中的空隙之比。在一些较佳实施方式中， 预制棒中的空隙与所得 光纤中的空隙之比小于 2000， 小于 1800 更佳， 小于 1700 甚佳， 小于 1500 最佳。
表格 1
上述表格 1 的示例 1-4 中所阐明的每个光纤的测得的衰减在 1310 和 1550nm 处分 别约为 0.34 和 0.20dB/Km， 缆线截止约为 1230nm， 由此使这些光纤在 1230nm 以上的波长处 是单模的。对围绕着 10mm 直径芯棒的弯曲性能测量这些光纤的一部分， 这些光纤呈现出在1550nm 处约为 0.03-0.06dB/ 匝的衰减增量， 由此证明了围绕着 10mm 直径芯棒时衰减增量 小于 5dB/ 匝， 甚至小于 1dB/ 匝， 并且甚至小于 0.1dB/ 匝。图 6 示出了示例 4 中制造的光 纤的芯和环形含空隙区域， 并且示出了掺氧化锗的芯具有约为 4.5 微米的半径， 环形的环 包含非周期性定位的空隙， 与芯间隔开一段约 4 微米的距离。
示例 5-8 ：
通过 OVD 将 730 克 SiO2(0.4g/cc 密度 ) 清灰沉积到完全固结的 1 米长乘以 20mm 直径阶跃折射率 ( 具有约 0.34％ Δ， 0.42 芯 / 包层直径比例 ) 固体 GeO2-SiO2 芯 -SiO2 包 层无空隙芯棒上， 由此产生一种预制棒， 该预制棒包括固结的无空隙芯区域， 固结的无空隙 二氧化硅包层区域围绕着该无空隙芯区域， 而清灰二氧化硅区域依次围绕着该固结的无空 隙二氧化硅包层区域。接下来烧结这种组件的清灰包层如下。该组件首先在氦以及 3％氯 ( 所有气体全是按体积计算的 ) 构成的 1100℃的气氛中且在炉子上区域部分中干燥 2 个小 时， 之后， 以 200mm/ 分钟向下驱动 ( 对于向下驱动过程中的清灰预制棒的外部， 该速度对应 于大约 100℃ / 分钟的温度上升 ) 穿过一个热区域 ( 设置在约 1500℃的 50％氮加上 50％ 氦 ( 按体积计算 ) 烧结气氛中 )。然后， 重新向下驱动预制棒组件 ( 即第二次 )， 以 100mm/ 分钟 ( 对于向下驱动过程中的清灰预制棒的外部， 该速度对应于大约 50℃ / 分钟的温度上 升 ) 穿过上述热区域。然后， 重新向下驱动预制棒组件 ( 即第三次 )， 以 50mm/ 分钟 ( 对于 向下驱动过程中的清灰预制棒的外部， 该速度对应于大约 25℃ / 分钟的温度上升 ) 穿过上 述热区域。然后， 重新向下驱动预制棒组件 ( 即第四次 )， 以 25mm/ 分钟 ( 对于向下驱动过 程中的清灰预制棒的外部， 该速度对应于大约 12.5℃ / 分钟的温度上升 ) 穿过上述热区域， 然后， 以 6mm/ 分钟进行最终烧结 ( 约 3℃ / 分钟加热速率 )， 为的是将清灰烧结成氮 - 晶种 的二氧化硅外包层预制棒。在每一次向下驱动步骤之后， 以 200mm/ 分钟向上驱动预制棒组 件使其到达炉子的上区域部分 ( 该上区域部分仍然设置在 1100℃ )。用第一系列更高的进 给率使光纤预制棒的外部釉化， 这有益于将气体俘获到该预制棒中。 然后， 将预制棒放到设 置在 1000℃的氩清除式保温炉中达 24 小时， 以对预制棒中任何剩余的氦进行除气。然后， 在设置为约 1780℃的常规石墨重新拉伸炉子上， 在氩气氛中重新拉伸该预制棒使其成为无 空隙 GeO2-SiO2 芯、 无空隙 SiO2 包层、 氮 - 晶种二氧化硅外包层棒， 该棒直径为 12mm 且长 1 米。将 12mm 棒中之一放回到车床中， 其中通过 OVD 沉积 4000 克另外的 SiO2(0.42g/cc 密度 ) 清灰。接下来烧结用于这种组件的这种包层 ( 可以被称为外包层 ) 的清灰如下。该 组件首先在由氦和 3％氯组成的 1100℃的气氛中干燥 2 个小时， 之后， 以 6mm/ 分钟向下驱 动穿过设置在 1500℃的 100％氦 ( 按体积计算 ) 气氛中的热区域， 为的是将该清灰烧结成 含氧化锗的无空隙的芯、 二氧化硅无空隙的内部包层、 二氧化硅氮 - 晶种的环 ( 即， 空隙包 含氮的二氧化硅 ) 以及无空隙的外包层预制棒。然后， 将预制棒放到设置在 1000℃的氩清 除式保温炉中达 24 小时， 以对预制棒中的氦进行除气。在示例 1 所描述的石墨电阻炉上约 1900-2000℃的氦气氛中， 以 10m/s 将光纤预制棒拉伸成 10km 长的 125 微米直径光纤， 其芯 半径约为 4.5 微米。通过监控并控制光纤张力来控制光学预制棒的温度 ； 在光纤拉伸运行 的每一部分 ( 比如 10Km 长度 ) 期间光纤张力保持着一个介于 50-600 克的值， 表格 1 列出 这种情况。在上述表格 1 中也列出示例 5-8 所示光纤的光学和物理性质 ( 包括 SEM 分析 )。
表格 1 的示例 5-8 的光学性质呈现出衰减在 1310 和 1550nm 处分别约为 0.34 和 0.20dB/Km， 缆线截止约为 1231nm 或更小， 由此使这些光纤在 1231nm 以上的波长处是单模的。对围绕着 10mm 直径芯棒的弯曲性能， 测量这些光纤中的一部分， 这些光纤呈现出在 1550nm 处约为 0.05-0.09dB/ 匝的衰减增量， 由此证明了围绕着 10mm 直径芯棒时衰减增量 小于 5dB/ 匝， 甚至小于 1dB/ 匝， 并且甚至小于 0.1dB/ 匝。
示例 9-16 ：
用与上述示例 1-4 和 5-8 相似的工艺制成示例 9-16 所示光纤， 不同之处是表格 1 所指出的工艺差异。将光纤预制棒拉成 10km 长的 125 微米直径光纤， 该光纤具有约为 4.5 微米的芯半径。
表格 1 中的示例 9-16 的光学性质呈现出衰减在 1550nm 处约为 .2dB/km 或更小。 对 于围绕着 10mm 直径芯棒的弯曲性能， 测量这些光纤的一部分， 这些光纤呈现出在 1550nm 处 约为 0.05-0.09dB/ 匝的衰减增量， 由此证明了围绕着 10mm 直径芯棒时衰减增量小于 5dB/ 匝， 甚至小于 1dB/ 匝， 并且甚至小于 0.1dB/ 匝。
示例 17 ：
通过 OVD 将 520 克 SiO2(0.4g/cc 密度 ) 清灰沉积到完全固结的 1 米长乘以 20mm 直径阶跃折射率 ( 具有约 0.34％ Δ， 0.40 芯 / 包层直径比例 ) 固体 GeO2-SiO2 芯 -SiO2 包 层无空隙芯棒上， 由此产生一种预制棒， 该预制棒包括固结的无空隙芯区域， 固结的无空隙 二氧化硅包层区域围绕着该无空隙芯区域， 而清灰二氧化硅区域又依次围绕着该无空隙二 氧化硅包层区域。接下来烧结这种组件的清灰包层。该组件首先是在氦以及 2％ CO( 所有 气体全是按体积计算的 ) 构成的 1240℃的气氛中且在炉子上区域部分中干燥 4 个小时， 之 后， 以 200mm/ 分钟向下驱动 ( 对于向下驱动过程中的清灰预制棒的外部， 该速度对应于大 约 100℃ / 分钟的温度上升 ) 穿过一个热区域 ( 设置在约 1500℃的 100％二氧化硫 ( 按体 积计算 ) 烧结气氛中 )。然后， 重新向下驱动预制棒组件 ( 即第二次 )， 以 100mm/ 分钟 ( 对 于向下驱动过程中的清灰预制棒的外部， 该速度对应于大约 50℃ / 分钟的温度上升 ) 穿过 上述热区域。然后， 重新向下驱动预制棒组件 ( 即第三次 )， 以 50mm/ 分钟 ( 对于向下驱 动过程中的清灰预制棒的外部， 该速度对应于大约 25℃ / 分钟的温度上升 ) 穿过上述热区 域。然后， 重新向下驱动预制棒组件 ( 即第四次 )， 以 25mm/ 分钟 ( 对于向下驱动过程中的 清灰预制棒的外部， 该速度对应于大约 12.5℃ / 分钟的温度上升 ) 穿过上述热区域， 然后， 以 6mm/ 分钟进行最终烧结 ( 约 3℃ / 分钟加热速率 )， 为的是将清灰烧结成二氧化硫 - 晶 种的二氧化硅外包层预制棒。在每一次向下驱动步骤之后， 以 200mm/ 分钟向上驱动预制棒 组件使其到达炉子的上区域部分 ( 将该上区域部分重新设置到约 1200℃ )。用第一系列更 高的向进给率使光纤预制棒的外部釉化， 这有益于将气体俘获到该预制棒中。然后， 将预 制棒放到设置在 1000℃的氩清除式保温炉中达 24 小时， 以对预制棒中任何剩余的氦进行 除气。然后， 在设置为约 1780℃的常规石墨重新拉伸炉子上， 在氩气氛中重新拉伸该预制 棒使其成为无空隙 GeO2-SiO2 芯、 无空隙 SiO2 包层、 二氧化硫 - 晶种二氧化硅外包层棒， 该 棒直径约为 10.6mm 且长 1 米。将 10.6mm 棒中之一放回到车床中， 其中约 4100 克另外的 SiO2(0.42g/cc 密度 ) 清灰是通过 OVD 沉积的。接下来烧结用于这种组件的这种包层 ( 可 以被称为外包层 ) 的清灰。该组件首先在由氦和 3％氯组成的 1100℃的气氛中干燥 2 个小 时， 之后， 以 6mm/ 分钟向下驱动穿过设置在 1500℃的 100％氦 ( 按体积计算 ) 气氛中的热 区域， 为的是将该清灰烧结成含氧化锗的无空隙的芯、 二氧化硅无空隙的内部包层、 二氧化 硅二氧化硫 - 晶种的环 ( 即， 空隙包含二氧化硫的二氧化硅 ) 以及无空隙的外包层预制棒。然后， 将预制棒放到设置在 1000℃的氩清除式保温炉中达 24 小时， 以对预制棒中的氦进行 除气。在示例 1 所描述的石墨电阻炉上约 1900-2000℃的氦气氛中， 以 10m/s 将光纤预制 棒拉伸成 5km 长的 125 微米直径光纤， 其芯半径约为 4.5 微米。通过监控并控制光纤张力 来控制光学预制棒的温度 ； 在光纤拉伸运行的每一部分 ( 比如 5Km 长度 ) 期间， 光纤张力保 持着一个介于 50-600 克的值， 表格 2 列出来这种情况。这些光纤的光学和物理特性 ( 包括 SEM 分析 ) 罗列如下 ：
表格 2
特别好的拉伸参数如下。更高的拉伸速度 ( 比如 10m/s 或更大， 20m/s 或更大则 更佳， 25m/s 或更大则最佳 ) 导致 Ω 更低。这些示例中较佳的炉子峰值温度约为 1950 到 2100℃。 使用了相对短的拉伸炉热区域， 使得在大部分情况下预制棒根部长度小于 40cm， 小 于 35cm 更佳， 小于 30cm 最佳， 并且光纤预制棒的横截面中的空隙 ( 在横截面中取的 ) 的近 似个数大于 100,000， 在一些示例中， 大于 200,000， 甚至大于 300,000。上述示例 ( 除了示 -7 例 10、 11 以外 ) 示出了用小于 5x10 的工艺参数 Ω 制成的光纤， 在许多示例中小于 4x10-7， 甚至小于 1x10-7。示例 10、 11 示出了用大于 5x10-7 的工艺参数 Ω 制成的光纤， 在所得的光 纤中呈现出远远更少的空隙。在示例 10 的情况中， 我们认为， 这是因为极长的拉伸根部导 致的 ( 这导致更长的聚并谐振时间 )。 在示例 11 的情况中， 我们认为， 这是因为缓慢的拉伸 速度导致的 ( 这又导致更长的聚并谐振时间 )。
应该理解， 上述许多工艺参数将有可能改变不同尺寸的光纤预制棒。 例如， 如果与 这些示例中所使用的相比较对预制棒进行放大， 则空隙的个数将有可能增多， 正如炉子设 置点和拉伸根部长度那样。然而， 不管预制棒尺寸如何， 我们认为， 仍然期望使工艺参数 Ω -7 维持低于 5x10 。
对于本领域的技术人员而言， 很明显， 在不背离本发明的精神和范围的情况下可 以对本发明做出各种修改和变化。 由此， 本发明旨在覆盖这些修改和变化， 只要它们落在所 附的权利要求书及其等价方案中就可以。