多模光纤及其制造方法技术

改进的ＭＣＶＤ方法减少渐变折射率的折射率分布内的波纹结构，在由其形成光纤的粉尘亚层的沉积过程中，通过在气流内掺入Ｎ↓［２］Ｏ、ＮＦ↓［３］或ＣＯ，形成多模光纤。在随后的粉尘亚层的沉积过程中，烧结该粉尘亚层，形成玻璃亚层。在沉积过程中，在每一粉尘亚层内掺入掺杂剂物质。与常规地制造的纤维所观察到的分布相比，由该掺杂的玻璃亚层制造的纤维具有接近抛物线形状且显著减少的波纹的渐变折射率分布。

【技术实现步骤摘要】

技术介绍
专利
本专利技术一般地涉及通过化学气相沉积(CVD)方法制造的改进的多模(MM)光纤。更特别地，本专利技术涉及通过改进的CVD(MCVD)方法制造的渐变折射率(GI)MM光纤。相关领域光通信体系通常在电磁光谱的可见光或近可见光区域内操作，和通常利用包层玻璃纤维作为传输介质。这种纤维具有至少两个部分芯和包围芯的包层。一般来说，包层相对于芯具有较低的折射率。芯和包层之间的折射率之差的范围可以是约0.005-0.05。用于单模传输的纤维的特征在于直径足够小，以便有效地仅仅适应一阶模(first-order mode)的芯。用于MM传输的纤维的特征在于直径足够大，以便适应多模的芯(典型的MM芯直径范围为50微米-100微米，且典型的包层直径范围为125微米-150微米)。目前，用于MM传输的纤维是令人感兴趣的，因为它们较大的芯直径有助于接合(splicing)且能能量有效地偶合到诸如源极和中继器器件之类的器件上。在传输线路内多模的存在与分散效果有关，所述分散效果通常引起传输的信号模糊或扩散，这是由于不同多模的速度不同所导致的。也就是说，从位置A脉冲传输的信号在一定的时间间隔内在位置B处接收，或者扩散，所述扩散对应于最快的波型和最慢的波型的到达时间之差。脉冲扩散通过降低信号传输的带宽，从而负面影响光通信。通过使用连续聚焦的GI纤维，将降低波型色散的影响。这种纤维的折射率在其芯的中心处具有较高的数值，该数值随着从芯的中心到芯-包层界面的径向距离逐渐下降。基本的波型信号通常局限于最高折射率(最低速度)的区域。较高数量级的波型信号通常在较低折射率(较高速度)区域内行进。生产包层玻璃纤维的许多常规的方法涉及使用蒸气源材料。典型地，由气态的含硅化合物，例如硅的氯化物和硅的氢化物形成纤维。该化合物与氧气反应，产生或沉积由其拉伸成纤维的预型体(preform)的一层或多层玻璃层。为了微调纤维的折射率，通过例如在玻璃层的形成过程中，使气态的含掺杂剂化合物与氧气反应，或者用含液体掺杂剂的溶液涂布玻璃层，然后热处理该涂布层，从而在玻璃层内掺入所需的掺杂剂，正如以下将更加详细讨论的。掺杂剂材料包括例如降低折射率用的氟和/或硼的化合物；和增加折射率用的锗、钛、铝和/或磷的化合物。为了产生GI纤维，可通过选择性改变掺杂剂的类型和/或在多层玻璃层的气相沉积过程中掺入的掺杂剂的用量，从而实现折射率的渐变。然而，溶液掺杂不是生产GI纤维的高产、成本有效的方式。在形成光纤的常规CVD方法中，气态的含硅化合物和氧气在加热的表面上流过，其中在所述表面上气体反应形成玻璃态硅-氧化物材料。该表面通常是玻璃管的内表面。任选地，气态的含掺杂剂化合物也可包括在反应中，以形成掺杂的硅-氧化物玻璃材料。调节并控制加热的表面的温度和在反应中所使用的气体的流速，以便反应仅仅藉助加热的表面(即非均相地)进行，以便沉积的材料是玻璃的连续层。在形成光纤的另一常规方法(常常被称为“粉尘(soot)”方法)中，前体反应物的气体流(其包括氧气，气态的含硅化合物，和任选地气态的含掺杂剂化合物)流经玻璃管。移动的热源，例如火焰，在该管道穿过，以生成移动的炽热区，该移动的炽热区加热该管道和流经该移动的炽热区的部分气流。流经炽热区的前体反应物发生均相反应，其中在所述反应中，在气相内，即没有过渡表面的情况下，形成玻璃颗粒(此处也被称为“粉尘”)。气流使玻璃颗粒移动，并使它们在其形成处下游的管道上沉积。粘附到管道上的粉尘随后被烧结，在管道上形成玻璃层。常规的CVD方法产生玻璃层，所述玻璃层的纯度比通过常规的粉尘方法产生的纯度高，但通常要求较长的沉积时间。另一方面粉尘方法易于污染。此外，通过粉尘方法形成的玻璃层倾向于遭受水化，所述水化将导致在使用粉尘方法制造的纤维的光学特征内与吸水相关的峰值，和这进而影响在这种纤维内电磁光谱的红外区域中信号的传输。典型地由通过使掺杂或未掺杂的玻璃层在其内沉积的玻璃管皱缩(collapse)制造的预型体，形成(拉伸)光纤。该纤维通常具有与所述纤维由其拉伸的预型体相同的径向组成，其中包括对应于芯和包层的组成不同的区域。常规的MCVD方法结合CVD方法和粉尘方法的特征。在生产预型体的常规的MCVD方法中，一种或多种试剂气体，例如SiCl4和GeCl4与氧气一起被引入到旋转玻璃管内部。在外部加热该管道，以引起试剂气体与氧气在加热的玻璃管内壁上的非均相氧化反应(CVD方法)，以及试剂气体与氧气在管道内部的均相氧化反应(粉尘方法)。通过反应形成的粉尘以薄的多孔层形式沉积在管道内表面上。可使用多次沉积或MCVD次数，形成包层和/或预型体的芯。在芯材料之前沉积包层材料。可在芯和/或包层内通过以气态形式引入它们(例如GeCl4)到反应中，从而掺入掺杂剂。在环境条件下并非所有所需的掺杂剂可获得气态形式。例如，一些稀土元素在室温下不以气态化合物形式存在。这种掺杂剂可通过溶液掺杂方法掺入。溶液掺杂涉及用含有所需掺杂剂的溶液浸泡多孔粉尘层，然后排放该溶液，留下含有所需掺杂剂的残渣。烧结残渣覆盖的粉尘层，以便在所得玻璃层内掺入所需的掺杂剂。通过常规MCVD方法形成的玻璃层的溶液掺杂带来许多困难。在浸泡之前烧结玻璃层不是所需的，因为它尤其降低掺入所需掺杂剂的程度。此外，沿着玻璃管孔隙度或烧结程度的变化产生溶液残渣的浓度与不均匀度的变化，这本身会导致不同预型体中掺杂剂浓度的变化以及沿着由这种预型体拉伸的纤维长度方向上掺杂剂浓度的变化。现有技术的MM纤维被设计为具有渐变折射率，其具有从芯-包层边界的边缘到芯中心处以接近抛物线方式增加的折射率分布。这通常通过形成逐渐变化的掺杂剂浓度的多层玻璃层(亚层)来实现。正如本领域的熟练技术人员所理解的，通过溶液掺杂实现可再现的接近抛物线分布具有难度。此外，由于独立的亚层需要独立地浸泡，因此溶液掺杂不是实现具有接近抛物线折射率分布的GI纤维的有效方法。在常规的MCVD方法中，对于通过氧化含掺杂剂的气体的掺杂来说，所得预型体常常具有非所需层结构的掺杂剂浓度分布，所述层结构具有产生预型体的芯截面所使用的多次沉积次数中形成的区分各层的波纹。在具有类似的非所需层结构或波纹的折射率分布中反映了在掺杂剂浓度中的这种不均匀性。尽管波纹的幅度通常低于阈值，其中在所述阈值处，光学传输参数被影响到其中对于GI多模光纤来说预型体不可使用的点，但波纹可限制纤维的带宽以及限制可靠地预测对于预型体来说精确的折射率信息的能力。目前，需要可能在任何可靠地微调其折射率分布之前，由纤维获得折射率数据。认为在掺杂剂浓度和因此折射率内因许多因素的结合引起波纹。首先，在Ge掺杂的二氧化硅玻璃的情况下，具有不同GeO2浓度的二氧化硅颗粒来自于在氧化反应过程中在气相上的热差。GeO2氧化反应的平衡使得在常规MCVD方法中使用的沉积温度下，比较接近基材，即比较接近玻璃管的内表面形成的粉尘(在相对较高的温度下)具有比远离基材，即比较接近管道中心的基材处形成的粉尘(在相对较低的温度下)低的GeO2浓度。因此，在通过常规MCVD方法生产的预型体中，在每一粉尘亚层内的GeO2浓度朝管道中心(因此朝所得芯部分的中心)径向下降。管道中心通常具有比管道内表面附近低的温度。这一径向温度分布影响在管道内本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种减少多模光纤的折射率分布中的波纹的方法，该方法包括下述步骤：　　　　（ａ）提供基材；　　　　（ｂ）沿着基材使气体混合物流动，所述气体混合物包括Ｏ↓［２］、气态的含硅化合物、气态的含掺杂剂化合物和Ｎ↓［２］Ｏ；　　　　（ｃ）沿着基材移动热源，以使含硅化合物和含掺杂剂化合物形成氧化物粉尘颗粒，其中该粉尘颗粒作为第一掺杂的粉尘层在基材上沉积；　　　　（ｄ）通过调节沿着基材流动的Ｏ↓［２］、气态的含硅化合物、气态的含掺杂剂化合物和Ｎ↓［２］Ｏ中的一种或多种的用量，来调节气体混合物；和　　　　（ｅ）沿着基材移动热源，以使所调节的气体混合物中含硅化合物和含掺杂剂化合物形成具有不同掺杂剂浓度的氧化物粉尘颗粒，其中具有不同掺杂剂浓度的粉尘颗粒作为第二掺杂的粉尘层沉积在由第一掺杂的粉尘层形成的第一掺杂的玻璃层之上，　　　　其中，当热源沿着基材移动时，事先沉积的粉尘层被烧结，以形成玻璃层。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：JW鲍姆格特，GE欧伦德森三世，甄文辉，
申请(专利权)人：古河电子北美公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]