專利名稱：多模光纖的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種多模光纖。
背景技術：
周知的是，對于長距離光纖通信來說，由于多模光纖的結構，其傳輸損耗高于單模光纖。另一方面，由于多模光纖易于連接，且可以采用性能要求較低的裝置，因而容易構建網絡，這種光纖已在采用局部區域信息通信的應用中廣泛使用，諸如LAN (局域網)中。最近，以改進上述局部區域信息通信中的信號質量為目的，積極研究用于降低上述多模光纖中的傳輸損耗以及擴展通信帶寬(轉變為寬帶通信)的技術。

發明內容
本發明人研究的用于制造寬帶多模光纖的技術具有良好穩定性。在本說明書中，表述“光纖”指“多模光纖”，除非另有特別說明。因此，為了制 造具有良好穩定性的寬帶多模光纖，必須使在光纖直徑方向上的折射率分布與期望形狀精確匹配。為了獲得期望形狀的折射率分布，首先，需要添加GeO2,以于直徑方向獲得正確的濃度，但這樣的措施并不總是充分的。例如，在預制棒拉絲之后所得到的光纖中，在光纖內部殘余應力的影響下折射率分布會輕微變化。在這種情況下，重要的是在光纖生產過程中設法減少殘余應力對折射率波動的影響、或者任何時候都維持相同的分布。殘余應力受到預制棒拉絲時施加至光纖的張力以及拉絲所制成光纖進行固化的條件影響。理想的是，將殘余應力減少至零，但實際上這很困難。例如，當拉絲之后使光纖冷卻時，隨著光纖冷卻過程進行，光纖溫度從光纖表面朝其內部降低，并且，作為光纖材料的玻璃發生固化，結果，在一定的固化條件下應力會殘留在光纖內。特別地，由于已將GeO2添加至芯部并且芯部的膨脹系數高于包層部的膨脹系數，在光纖冷卻期間芯部顯著收縮，并且，由這種收縮導致的應力也殘留在所得到的光纖中。考慮到上述事實，本發明人已經發現，通過有目的地對正在制造的多模光纖中的氯濃度分布進行控制，可以使在沿直徑方向的截面中的玻璃固化時機彼此非常接近。這一發現導致本發明的產生。為了解決上述問題研發了本發明。本發明的目的是提供一種多模光纖，這種多模光纖所具有的結構使其能以良好穩定性制造，并且具有比常規結構更寬的通信帶寬。本發明涉及一種GI (漸變折射率)型多模光纖，并且，這種多模光纖明顯區別于長距離傳輸用的單模光纖。因此，根據本發明的多模光纖，包括摻雜有GeO2 (二氧化鍺)并沿預定軸線延伸的芯部、以及設置于芯部外周并且折射率低于芯部的包層部。在多模光纖直徑方向的折射率分布中，與芯部對應的部分的a值為1.擴2. 2，芯部與包層部中的基準區之間的最大相對折射率差A為0. 8 1. 2%，以及，芯部的直徑2a為47. 5 52. 5微米。在上述結構的多模光纖中，芯部摻雜有氯，并且芯部中的氯濃度分布在多模光纖直徑方向上具有這樣的形狀，使得在芯部半徑方向與芯部中心的距離在0. 9a^l. Oa范圍內的第二測量位置處的氯濃度，高于在芯部半徑方向與芯部中心的距離為a/2的第一測量位置處的氯濃度。因此，在多模光纖的芯部中，在包括芯部外周(此處GeO2摻雜濃度的變化尤其高)并且圍繞芯部中心(具有最大相對折射率差的位置)的環形區域內，有意控制氯濃度。更具體地，通過提高靠近于芯部外周面的外側部分中的氯濃度，使其超過靠近于芯部中心的環形區域內側部分中的氯濃度，可以降低芯部的中心部與外周部之間在玻璃粘度方面的差異。結果，可以使通過預制棒拉絲得到的多模光纖中的殘余應力降低，并且，可以實現通信帶寬的擴展。此外，在根據本發明的多模光纖中，芯部中的氯濃度分布優選具有這樣的形狀，使得在第一測量位置與第二測量位置之間的范圍中，氯濃度沿芯部半徑方向單調增加。如上所述，在根據本發明的多模光纖中，預制棒拉絲前后狀態之間在折射率分布方面的差異得到抑制。所以，本發明特別適用于寬帶多模光纖。更具體地，本發明可以適用于由國際標準IS0/IEC 11801規定的稱為0M3和0M4的寬帶多模光纖。例如，0M3多模光纖代表這樣的光纖，其中，稱為最小有效帶寬的帶寬等于或大于2000兆赫 千米，以及，全模振蕩下的帶寬(由國際標準IEC 60793-1-41規定的OFL帶寬)在850納米時等于或大于1500兆赫 千米，而在1300納米時等于或大于500兆赫 千米。根據下文給出的具體描述以及附圖可以更為全面地理解本發明，所給出的具體描述以及附圖只是出于說明的目的，而不應視為對本發明的限制。通過下面給出的詳細描述，本發明適用的進一步范圍將更加明了。然而，應當理解，本領域普通技術人員根據本文給出的詳細描述可以在本發明范圍內進行多種變化及修改，因此，盡管這些詳細描述和具體示例指出了本發明的優選實施方式，但其只以示例方式
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圖1A示出了根據本發明多模光纖的代表性橫截面結構；以及，圖1B不出其折射率分布；圖2示出了在根據本發明的多模光纖中使用的芯部中的氯濃度分布；圖3示出了圖2中所示氯濃度分布形狀中的容許變化；圖4A示出了 OVD方法及其設備配置；圖4B示出了脫水工藝(氯摻雜工藝)及其設備配置；以及，圖4C示出了燒結工藝(玻璃化工藝)及其設備配置；圖5A示出為得到根據本實施例的多模光纖而執行燒結(圖4C)之后的透明玻璃體(拉絲之后作為芯部的部分)的氯濃度分布；以及，圖5B示出為得到根據比較例的多模光纖而執行燒結(圖4C)之后預制棒的中心部(拉絲之后作為芯部的部分)中的氯濃度分布，比較例是為與本實施例進行比較而另行生產的； 圖6圖示了拉伸之后芯部預制棒的結構；圖7示出了 VAD方法及其設備配置；以及圖8示出了光纖預制棒的拉絲工藝及其設備配置。
具體實施例方式下面，參照圖1A、圖1B、圖2、圖3、圖4A至圖5B、以及圖6至圖8，具體說明根據本發明的多模光纖的實施例。在附圖的描述中，相同或相應的部件用相同的附圖標記表示，并且省略重復的說明。圖1A示出了根據本發明的多模光纖的代表性橫截面結構。圖1B示出其折射率分布。特別地，根據本實施例的多模光纖100 (圖1A)是漸變型(GI型)多模光纖，其主要由石英玻璃構成，并且至少包括沿預定軸線(與光軸AX—致)延伸的芯部110以及設置于芯部110外周的包層部120。在圖1A所示的多模光纖100中，芯部110摻雜有用于調節折射率分布形狀的二氧化鍺(GeO2),并具有直徑2a以及最大折射率n2。包層部120具有低于芯部110的折射率nl。除了上述GeO2之外，芯部110還摻雜有氯，氯的濃度在芯部110各部分可調節，以形成期望的濃度分布形狀。此外，根據本實施例的多模光纖100具有圖1B中所示的折射率分布150。圖1B中所不的折射率分布150代表在正交于光軸AX的直線L(與多模光纖100的直徑方向相匹配)上各部分中的折射率。更具體地，區域151表示芯部110沿直線L的各部分中的折射率，以及，區域152表示包層部120沿直線L的各部分中的折射率。特別地，圖1B中所示折射率分布150中的區域151具有拱頂形狀，使得在與光軸AX匹配的芯部110中心處折射率為最大值。所以，為調節折射率而摻雜的GeO2的濃度也從芯部110中心朝包層部120迅速降低。限定拱頂形狀的a值為1. 9^2. 2。芯部110中心與包層部(圖1A所示的示例中，包層部由單層構成，并且成為定義相對折射率差的基準區域)120之間的相對折射率差A (芯部110與包層部120之間的最大相對折射率差)為0. 8 1. 2%，芯部110的直徑2a為47. 5 52. 5微米(ym)。與GeO2 —起摻入芯部110的氯的濃度分布具有諸如圖2中所示的形狀。在圖2中，橫軸對應于具有直徑2a的芯部110在直線L上的各部分，并且代表了原點位于與光軸交點處的坐標。 圖2所示的氯濃度分布250是沿多模光纖100直徑方向(正交于光軸AX的方向)的分布，并且，氯濃度分布的形狀為，使得氯濃度在芯部110中心處為最小值，而在芯部110半徑方向與芯部110中心距離在0.9a 1.0a (幾乎等于芯部110半徑的距離)的范圍內處為最大值。此外，在圖2中，為了方便，示出的氯濃度在1. Oa位置處為最大值。因此，在芯部110中，有意控制氯濃度，以使其在圍繞芯部110中心的環形區域中表現出特別明顯的變化，該環形區域是包括GeO2芯部110外周的外周區，在此區域中摻雜濃度變化特別大。更具體地，在芯部110半徑方向與芯部110中心(匹配光軸AX)的距離為a/2的第一測量位置處氯濃度(單位ppm)設定為Pe2,而具有氯濃度(單位ppm)Pa OPe2)的部分設定于在芯部110半徑方向與芯部110中心(匹配光軸AX)的距離在0. 9a 1.0a范圍內的第二測量位置處。在與芯部110中心的距離在a/2到a的范圍內，相對于更靠近于芯部110中心的部分中的氯濃度，使更靠近于包層部120的外周部中的氯濃度增大，藉此，能夠減小芯部110的中心區與外周區之間在玻璃粘度方面的差異。結果，使通過預制棒拉絲所得到的多模光纖內的殘余應力減小，并且可以實現通信帶寬的擴展。與芯部110中心的距離在a/2 a范圍內的氯濃度分布形狀并不局限于圖2所示。因此，芯部110中的氯濃度分布可以具有圖3中所示的任意形狀，只要該形狀使得氯濃度在上述距離a/2 a范圍內沿芯部110半徑方向單調增加即可。例如，圖3中所示的濃度分布251具有與圖2中所示濃度分布250匹配的形狀。濃度分布252具有的形狀使得氯濃度(Cl濃度)的增長率從芯部110中心朝包層部120減小。濃度分布253具有的形狀使得氯濃度(Cl濃度)的增長率從芯部110中心朝包層部120增大、減小、然后再增大。濃度分布254具有的形狀使得氯濃度(Cl濃度)的增長率從芯部110中心朝包層部120減小、增大、然后再減小。濃度分布25f254中的任一種都可以用作芯部110中的氯濃度分布。類似于圖2，為了方便，在圖3中，氯濃度示為在1. Oa位置處具有最大值。下面說明根據本實施例多模光纖100的制造方法。為了得到多模光纖100，首先，制造光纖預制棒600 (參見圖8)。通過用OVD (外部氣相沉積)法制造摻雜有GeO2 (二氧化鍺)的芯部預制棒，然后，進行脫水、燒結、以及拉伸，然后在所得到芯部預制棒外周上用VAD (氣相軸向沉積)工藝制造外周部，可以得到光纖預制棒600。用OVD法制造的芯部預制棒是拉絲之后成為芯部110 (具有a值為1. 9^2. 2的折射率分布)的部分。由VAD法制造的外周部是拉絲之后成為包層部120的部分。在用OVD法進行的最初制造步驟中，由圖4A中所示的粉塵沉積(sootdeposition)裝置生產多孔預制棒510。粉塵沉積裝置具有如下結構，其中，中心桿310 (也可以是中空玻璃管)保持處于這樣一種狀態，使中心桿可以于箭頭S I所示方向旋轉。粉塵沉積裝置設置有用于沿中央芯部310形成多孔預制棒510的燃燒器320，以及，供給原料氣體用的供氣系統330。可以由預定移動機構使燃燒器320于圖4A中箭頭S2a、S2b所示方向移動。當制造多孔預制棒510時，在燃燒器320的火焰中，供自供氣系統330的原料氣體水解反應而產生玻璃微粒，并且使這些玻璃微粒沉積在中央芯部310的側面。在此過程中，使中央芯部310于箭頭S I所示方向旋轉，并且使燃燒器320沿箭頭S2a、S2b所示方向移動。作為這些操作的結果，多孔玻璃體沿中央芯部310生長，并且得到將成為芯部110的多孔預制棒510 (粉塵預制棒)。然后對以上述方式用OVD法制造的多孔預制棒510進行圖4B所示的脫水(氯摻雜工藝)。在脫水工藝之前，將中央芯部310從所得到的多孔預制棒510中拉出，但在中央芯部310是中空玻璃管時，可以在水解和燒結工藝之后，通過向中空玻璃管中引入蝕刻氣體而將其除去。將經過這種預處理的多孔預制棒510布置在圖4B所示設置有加熱器360的加熱容器350中，并在含氯氣氛中進行脫水處理。加熱容器350設置有供給含氯氣體用的導入口 350a以及排出口 350b。在脫水工藝過程中，支撐機構340使整個多孔預制棒510于箭頭S3a、S3b所示的方向移動，同時使多孔預制棒510圍繞多孔預制棒510中心軸為中心于箭頭S4所示方向旋轉，從而，改變多孔預制棒510相對于加熱器360的位置。利用這些工藝，得到摻雜有預定量氯的多孔預制棒520。為了在預制棒內有效地摻雜氯，按兩個階段實施脫水工藝。 因此，在第一階段，將容器350內的溫度設定為1150°C (加熱器溫度)，將氯氣濃度為4%的氯氣(Cl2)和氦氣的混合氣體從導入口 350a供入容器350，并進行多孔預制棒510的脫水。在第二階段，將容器350內的溫度重新設定為1350°C (加熱器溫度)，將氯氣濃度為7%的氯氣(Cl2)和氦氣的混合氣體從導入口 350a供入容器350，從而得到摻雜有預定量氯的多孔預制棒520。
然后，在上述加熱容器350中，對上述脫水工藝(氯摻雜工藝)中所得到的多孔預制棒520進行燒結(玻璃化)。因此，如圖4C所示，將由支撐機構340支撐的多孔基材520容納在容器350內。此時，將容器350內的溫度(加熱器溫度)設定為1500°C，并將氦氣通過導入口 350a供入容器350。在燒結工藝過程中，支撐機構340使整個多孔預制棒520于箭頭S3a所示方向移動，同時使多孔預制棒520圍繞多孔預制棒520的中心軸為中心于箭頭S4所示方向旋轉，從而改變多孔預制棒520相對于加熱器360的位置。在此工藝之后，通過降低中央孔內的壓力并傳熱以使中央孔塌縮，得到具有直徑D I的緊密透明玻璃體530。圖5A示出由上述工藝得到的透明玻璃體530的氯濃度分布260 (沿與透明玻璃體530中心軸正交的透明玻璃體530直徑方向的分布)。在圖5A中，橫坐標不出在正交于透明玻璃體530中心軸(AX)的直線D上透明玻璃體530各部分的位置。所得到的透明玻璃體530中的平均氯濃度為1500ppm。從圖5A中可以看出，在半徑方向與中心(為了方便起見，圖中該中心用AX示出)的距離為D1/2位置處(透明玻璃體530表面)的氯濃度Pa，高于在半徑方向與透明玻璃體530中心(為了方便起見，圖中該中心用AX示出)的距離為D1/4位置處(透明玻璃體530半徑D1/ 2的中間值)的氯濃度PC2。比較例用于與利用具有上述氯濃度分布260的透明玻璃體最終制成的根據本實施例的多模光纖進行光學特性比較，為了制造根據該比較例的多模光纖，本發明人還制造了一種具有下列氯濃度分布的透明玻璃體，其中，氯濃度在與中心軸AX匹配的中心處成為最大濃度Pm如圖5B所示，并且在外周區中迅速降低。通過只實施上述脫水工藝中的第一階段，制造出這種透明玻璃體。通過對以上述方式制造的透明玻璃體530于其縱向進行拉伸以得到直徑D2(本實施例中，20毫米(mm)),得到芯部預制棒540。上述制造多孔預制棒的工藝、脫水工藝、以及燒結工藝可以在同一容器中進行。在由上述各工藝得到的芯部預制棒540的表面上，通過用VAD法形成玻璃區，最終制造出多模光纖用的預制棒。更具體地，在使用VAD法的制造工藝中，由圖7所示的粉塵沉積裝置在芯部預制棒540的表面形成多孔玻璃體550。粉塵沉積裝置設置有容器450，該容器450至少具有排出口 450b以及支撐芯部預制棒540用的支撐機構440。因此，在支撐機構440中設置可以于箭頭S6所示方向旋轉的支撐桿，并將芯部預制棒540 (用于在其表面生長多孔玻璃體550(粉塵體))安裝至支撐桿末端。圖7中所示的粉塵沉積裝置設置有在芯部預制棒540表面沉積多孔玻璃體550(粉塵體)用的燃燒器460。將期望的原料氣體(例如，SiCl4)、燃氣(H2和02)、以及載氣諸如氬氣(Ar)或氦氣(He)從供氣系統470供至燃燒器460。在多孔玻璃體550的制造過程中，在燃燒器460的火焰中，由供自供氣系統490的原料氣體水解反應而產生玻璃微粒，并且使這些玻璃微粒沉積在芯部預制棒540表面。在此工藝中，支撐機構440執行下述操作使設置于其末端的芯部預制棒540于箭頭S5a所示方向移動，然后，沿箭頭S5b所示方向(芯部預制棒540縱向)向上拉芯部預制棒540，同時，使芯部預制棒于箭頭S6所示方向旋轉。作為這些操作的結果，多孔玻璃體550在芯部預制棒540表面上向芯部預制棒540下方生長，最終，在芯部預制棒540表面上得到將成為包層部120的多孔預制棒(粉塵預制棒)。對由上述工藝得到的多孔預制棒再次進行脫水工藝(圖4B)和燒結工藝(圖4C)，得到多模光纖用的預制棒600。 如圖8所示，這種光纖預制棒600設置有拉絲之后應作為芯部110的區域以及應作為包層部120的外周區域。在圖8所示的拉絲工藝中，于箭頭S7所示方向牽拉光纖預制棒600的一端，同時，用加熱器630進行加熱。結果，得到具有圖1A所示橫截面結構的多模光纖100。由具有圖5A中所示氯濃度分布260的透明玻璃體530最終得到根據本實施例的多模光纖，其被確認為寬帶多模光纖(0M3型多模光纖)，具有5600兆赫 千米(MHz - km)的最小有效帶寬，以及850納米(nm)時4720兆赫 千米的滿注入(OFL)帶寬。另一方面，由具有圖5B中所示氯濃度分布的透明玻璃體最終得到根據比較例的多模光纖，其具有1520兆赫 千米的最小有效帶寬，以及850納米時1250兆赫 千米的OFL帶寬，結果，無法得到0M3型多模光纖。如上所述，根據本發明，可以抑制預制棒拉絲前后狀態之間在折射率分布方面的差異。所以，本發明特別適用于寬帶多模光纖。更具體地，本發明可應用于由國際標準ISO/IEC 11801規定的稱為0M3和0M4的寬帶多模光纖。根據所描述的本發明，顯然本發明的實施方式可以以多種方式變化。這些變化不應被認為偏離本發明的精神及范圍，而且，本領域的技術人員容易理解，所有這些改動均在本發明權利要求范圍內。
權利要求
1.一種多模光纖,包括 芯部，其摻雜有GeO2，并且沿預定軸線延伸；以及 包層部，其設置于所述芯部的外周，以及，具有低于所述芯部的折射率， 其中，在所述多模光纖的直徑方向的折射率分布中，與所述芯部對應的部分的a值為1.9^2. 2，所述芯部與所述包層部中的基準區之間的最大相對折射率差A為0. 8^1. 2%，以及，所述芯部的直徑2a為47. 5飛2. 5微米，以及 其中，所述芯部摻雜有氯，以及，所述芯部中的氯濃度分布在所述多模光纖直徑方向上具有這樣的形狀，使得在所述芯部的半徑方向上與所述芯部的中心的距離在0. 9a^l. Oa范圍內的第二測量位置處的氯濃度，高于在所述芯部半徑方向與所述芯部中心的距離為a/2的第一測量位置處的氯濃度。
2.根據權利要求1所述的多模光纖，其中，所述芯部中的所述氯濃度分布具有這樣的形狀，使得在所述第一測量位置與所述第二測量位置之間的范圍內，所述氯濃度沿所述芯部半徑方向單調增大。
全文摘要
本發明涉及一種多模光纖，與常規結構相比，這種多模光纖所具有的結構使其能穩定制造并且加寬了通信帶寬。多模光纖具有摻雜有GeO2和氯且直徑為2a的芯部。芯部中沿多模光纖直徑方向的氯濃度分布具有這樣的形狀，使得在芯部半徑方向與芯部中心的距離在0.9a~1.0a范圍內的第二測量位置處的氯濃度，高于在芯部半徑方向與芯部中心的距離為a/2的第一測量位置處的氯濃度。
文檔編號C03B37/018GK103030269SQ20121037463
公開日2013年4月10日 申請日期2012年9月29日 優先權日2011年10月5日
發明者星野壽美夫, 米澤和泰 申請人:住友電氣工業株式會社