Заготовка оптического волокна, имеющая барьер для он (варианты) и способ ее изготовления - RU2194025C2

Чертежи

Описание

Настоящее изобретение относится к заготовке обычного оптического волокна, а более конкретно к заготовке оптического волокна, предназначенной для минимизации диффузии ОН из опорной трубки в сердцевину оптического волокна, а также к способу изготовления ее.

Одномодовое оптическое волокно изготавливают путем осаждения слоя оболочки и сердцевинного слоя. При получении сдавленного одномодового волокна в оболочке слой оболочки осаждают при легировании SiO₂ совместно с P₂O₅, GeO₂ и F для того, чтобы понизить температуру осаждения и показатель преломления, сердцевинный слой осаждают при легировании SiO₂ совместно с GeO₂ для того, чтобы повысить показатель преломления, и после этого образуют заготовку оптического волокна с помощью процессов сжатия и смыкания.

В процессе изготовления заготовки оптического волокна при использовании модифицированного метода химического осаждения из паровой фазы во время осаждения происходит самопроизвольное сжатие опорной трубки, происходящее в том случае, когда осажденный слой становится более толстым, что приводит к увеличению толщины трубки. Кроме того, для спекания и уплотнения толстого осажденного слоя требуется высокотемпературная горелка, а продолжительность процесса сжатия и смыкания возрастает, так что опорная трубка подвергается действию высокой температуры в течение длительного периода времени.

Во время этого процесса, хотя и очень небольшое количество Н₂О (в большинстве случаев примерно несколько частей на миллион), содержащейся в опорной трубке, диффундирует в осаждаемый слой, диффундирующая вода взаимодействует с Р₂O₅ или с SiO₂, осажденным в область оболочки, и поэтому образуется связь Р-О-Н или Ge-О-H. ОН, диффундирующий в область сердцевины, взаимодействует с SiO₂ или GeO₂, осажденным в сердцевинный слой, и поэтому образуется связь Si-О-H или Ge-О-H при растворении связи Si-О или Ge-О.

Связь О-Н или Р-О-Н, образованная при взаимодействии с водой в каждой области осаждения, как это описано выше, приводит к дополнительным оптическим потерям, обусловленным полосой поглощения в конкретной области длин волн. В случае одномодового оптического волокна диапазонами длин волн, в которых наблюдаются существенные оптические потери, являются диапазон 1,24-1,385 мкм, обусловленный связью О-Н, а также диапазон 1,2-1,8 мкм, обусловленный связью Р-О-Н. Когда ОН диффундирует в область сердцевины, он образует несвязанный кислород, и поэтому структурная однородность стеклянного материала сердцевинного слоя в отдельных местах нарушается, что вызывает флуктуацию плотности сердцевинного слоя. В результате возрастают потери на рассеяние.

При возрастании осажденного слоя внутренний и наружный диаметры трубки сокращаются во время спекания, выполняемого одновременно с осаждением, так что трудно получить соответствующее отношение диаметров (т.е. отношение: диаметр оболочки/диаметр сердцевины = D/d). Поэтому не может быть обеспечен промежуток, достаточный для предотвращения диффузии ОН, вследствие чего возрастают потери, обусловленные ОН.

В известном уровне техники для предотвращения диффузии ОН из опорной трубки в сердцевинный слой используют способ утолщения слоя оболочки. Однако когда этим способом изготавливают заготовки с большой апертурой, сужение трубки затрудняет получение соответствующего отношения диаметров; во время осаждения сердцевинного слоя требуется горелка с более высокой температурой, поскольку эффективность передачи теплоты к сердцевинному слою ухудшается вследствие увеличения толщины слоя трубки. Поэтому трубка подвергается воздействию высокой температуры в течение продолжительного периода времени, и, следовательно, возрастают потери, обусловленные ОН.

В патенте США 4822136 раскрыто одномодовое оптическое волокно со ступенчатым показателем преломления, причем и оболочка, и сердцевина такого волокна изготовлены из химически чистого плавленого оксида кремния, легированного небольшими количествами (несколько процентов в качестве основы) фтора для удаления гидроксил-ионов и снижения вязкости. Кроме того, оболочка содержит большее количество фтора сверх основного количества для снижения ее показателя преломления по сравнению с сердцевиной и дальнейшего снижения вязкости.

Применительно к решению вышеуказанных проблем задача настоящего изобретения заключается в создании заготовки оптического волокна, позволяющей эффективно снизить потери, обусловленные ОН, при одновременном уменьшении отношения диаметров, путем образования барьерного слоя для блокирования или заметного ослабления диффузии ОН между опорной трубкой и сердцевинным слоем, чтобы предотвратить диффузию ОН из опорной трубки в сердцевинный слой.

Еще одна задача настоящего изобретения заключается в создании способа изготовления заготовки оптического волокна, имеющей барьер для ОН.

В соответствии с этим для решения первой задачи предусмотрена заготовка оптического волокна, имеющая опорную трубку, слой оболочки и сердцевинный слой, при этом заготовка оптического волокна дополнительно содержит первый барьерный слой, осажденный между опорной трубкой и слоем оболочки, из материала, имеющего низкий коэффициент диффузии ОН, в которой первый барьерный слой является, по существу, предотвращающим диффузию ОН, содержащегося в опорной трубке, в слой оболочки.

Является предпочтительным, чтобы заготовка оптического волокна дополнительно содержала второй барьерный слой, образованный между слоем оболочки и сердцевинным слоем путем осаждения материала, имеющего низкий коэффициент диффузии ОН, для, по существу, предотвращения диффузии ОН, который диффундирует в слой оболочки из опорной трубки, далее в сердцевинный слой.

Для решения первой задачи предусмотрена еще одна заготовка оптического волокна, имеющая опорную трубку, слой оболочки и сердцевинный слой, при этом заготовка оптического волокна дополнительно содержит первый барьерный слой, осажденный между опорной трубкой и слоем оболочки из материала, имеющего низкий коэффициент диффузии, в которой первый барьерный слой выполнен для, по существу, предотвращения диффузии ОН, содержащегося в опорной трубке, в слой оболочки, при этом показатель преломления сердцевинного слоя больше, чем показатель преломления слоя оболочки, и постепенно возрастает в направлении от внешней поверхности сердцевинного слоя к центру сердцевинного слоя.

Является предпочтительным, чтобы заготовка оптического волокна дополнительно содержала второй барьерный слой, осажденный между слоем оболочки и сердцевинным слоем, из материала, имеющего низкий коэффициент диффузии, при этом второй барьерный слой выполнен для, по существу, предотвращения диффузии ОН, диффундирующего в слой оболочки, далее в сердцевинный слой.

Для решения второй задачи предусмотрен способ изготовления заготовки оптического волокна, имеющей опорную трубку, слой оболочки и сердцевинный слой, содержащий этапы, при осуществлении которых формируют первый барьерный слой путем осаждения материала, имеющего низкий коэффициент диффузии ОН; формируют слой оболочки при легировании материалом, предназначенным для снижения температуры процесса и повышения эффективности осаждения, и образуют сердцевинный слой, представляющий собой область, через которую передается оптический сигнал.

Является предпочтительным, когда дополнительно до образования сердцевинного слоя, после образования слоя оболочки формируют второй барьерный слой путем осаждения материала, имеющего низкий коэффициент диффузии ОН. Кроме того, является предпочтительным, когда сердцевинный слой образуют так, что показатель преломления постепенно возрастает в направлении от внешней поверхности к центру сердцевинного слоя.

Предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения будут описаны более подробно со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:
фиг. 1 - вид, иллюстрирующий традиционное одномодовое оптическое волокно;
фиг. 2 - вид, иллюстрирующий одномодовое оптическое волокно в соответствии с настоящим изобретением;
фиг. 3 - вид, иллюстрирующий еще одно одномодовое оптическое волокно в соответствии с настоящим изобретением;
фигуры 4А, 4В и 4С - виды, иллюстрирующие способ изготовления одномодового оптического волокна в соответствии с настоящим изобретением с использованием видоизмененного метода химического осаждения из паровой фазы.

Предпочтительные варианты осуществления изобретения более детально описаны со ссылкой на приложенные чертежи.

Обратимся к фиг. 1, на которой показано обычное сдавленное одномодовое оптическое волокно в оболочке, при этом позицией 11 обозначена опорная трубка, позицией 12 - слой оболочки, а позицией 13 - сердцевинный слой. Кроме того, Δ⁺ представляет показатель преломления сердцевинного слоя, а Δ^- - показатель преломления слоя оболочки соответственно по отношению к показателю преломления опорной трубки. Кроме того, Фd представляет диаметр сердцевинного слоя, а ФD представляет диаметр слоя оболочки.

Для образования слоя 12 оболочки осаждают P₂O₅. P₂O₅ имеет относительно низкую температуру плавления, около 570^oС, так что когда его используют совместно с иным материалом источника, температура процесса может быть снижена, а эффективность осаждения может быть повышена. С другой стороны, поскольку P₂O₅, легирующий слой 12 оболочки, имеет большую гигроскопичность, он действует как ОН-мостик для передачи ОН, содержащегося в опорной трубке 11, к сердцевинному слою 13. Поэтому потери, обусловленные наличием ОН в сердцевинном слое 13, возрастают.

На фиг. 2 показан вид одномодового оптического волокна согласно настоящему изобретению. На фиг. 2 позицией 21 обозначена опорная трубка, позицией 22 - первый барьерный слой (внешний слой оболочки), позицией 23 - средний слой оболочки, позицией 24 - второй барьерный слой (внутренний слой оболочки), а позицией 25 - сердцевинный слой. Кроме того, Δ⁺ представляет относительный показатель преломления сердцевинного слоя 25, а Δ^- - показатель преломления среднего слоя 23 оболочки, которые являются относительными показателями по отношению к показателю преломления опорной трубки 21. Δ представляет показатель преломления первого барьерного слоя 22, а Δ - показатель преломления второго барьерного слоя 24, которые являются относительными показателями по отношению к показателю преломления среднего барьерного слоя 23. Фd представляет диаметр сердцевинного слоя 25, ФD₁ - диаметр второго барьерного слоя 24, ФD - диаметр среднего слоя 23 оболочки, а ФDо - диаметр первого барьерного слоя 22.

Как описано выше, слой оболочки заготовки оптического волокна в соответствии с настоящим изобретением состоит из трех слоев, каждый из которых имеет иной химический состав. Другими словами, слой оболочки состоит из первого барьерного слоя (внешнего слоя оболочки) 22, среднего слоя 23 оболочки и второго барьерного слоя (внутреннего слоя оболочки) 24.

Первый барьерный слой (внешний слой оболочки) 22 расположен между опорной трубкой 21, имеющей большую концентрацию ОН, и средним слоем 23 оболочки, содержащем Р₂O₅ как носитель ОН, и предотвращает диффузию ОН, содержащегося в опорной трубке 21, в средний слой 23 оболочки. Второй барьерный слой (внутренний слой оболочки) 24 расположен между средним слоем 23 оболочки и сердцевинным слоем 25 и предотвращает дальнейшее проникновение в сердцевинный слой 25 ОН, диффундирующего из опорной трубки 21 в средний слой 23 оболочки несмотря на первый барьерный слой 22. Первый и второй барьерные слои 22 и 24 не содержат Р₂O₅, который функционирует как ОН-мостик, при этом их показатели преломления регулируют, используя SiО₂, GeO₂ и F, а их толщину регулируют в соответствии с суммарной толщиной слоя оболочки. В частности, между опорной трубкой 21, имеющей большую концентрацию ОН, и средним слоем 23 оболочки может быть расположен только первый барьерный слой 22 либо между средним слоем 23 оболочки и сердцевинным слоем 25 может быть расположен только второй барьерный слой 24.

Что касается характеристик показателей преломления заготовки оптического волокна, то показатель преломления сердцевинного слоя 25 больше, чем показатель преломления слоев 22, 23 и 24 оболочки. Поэтому показатель преломления каждого внешнего и внутреннего слоев 22 и 24 регулируют одинаковым образом или подобным образом, как и показатель преломления среднего слоя 23 оболочки. Кроме того, показатели преломления этих трех слоев можно регулировать одинаковым образом.

В большинстве случаев концентрация ОН в осажденном слое составляет примерно 1/1000 часть или меньше концентрации ОН в опорной трубке. Однако чтобы понизить температуру процесса при осаждении оболочки, слой оболочки осаждают при легировании Р₂O₅. При этом Р₂O₅ имеет большую гигроскопичность. Соответственно Р₂O₅, осажденный в слой оболочки, действует как мостик для передачи ОН из опорной трубки к сердцевинному слою, вследствие чего возрастают потери, обусловленные присутствием ОН в сердцевинном слое. Следовательно, в настоящем изобретении барьер для ОН, легированный материалами, имеющими низкие коэффициенты диффузии ОН, образуют между опорной трубкой, имеющей большую концентрацию ОН, и слоем оболочки, содержащем Р₂O₅ как носитель ОН, и/или между слоем оболочки и сердцевинным слоем. Образованный таким образом барьер для ОН может предотвратить диффузию ОН из опорной трубки 21 в сердцевинный слой 25.

На фиг. 3 представлен вид, иллюстрирующий еще одно одномодовое оптическое волокно в соответствии с настоящим изобретением. На фиг. 3 позицией 31 обозначена опорная трубка, позицией 34 - первый барьерный слой (внешний слой оболочки), позицией 32 - средний слой оболочки, позицией 35 - второй барьерный слой (внутренний слой оболочки), а позицией 33 - сердцевинный слой. Кроме того, ΔN⁺ представляет показатель преломления сердцевинного слоя 33, а ΔN^- - показатель преломления среднего слоя 32 оболочки, которые являются относительными показателями по отношению к показателю преломления опорной трубки 31.

Как описано выше, слой оболочки заготовки оптического волокна в соответствии с настоящим изобретением состоит из трех слоев, каждый из которых имеет иной химический состав. Другими словами, слой оболочки состоит из первого барьерного слоя (внешнего слоя оболочки) 34, среднего слоя 32 оболочки и второго барьерного слоя (внутреннего слоя оболочки) 35.

Первый барьерный слой (внешний слой оболочки) 34 расположен между опорной трубкой 31, имеющей большую концентрацию ОН, и средним слоем 32 оболочки, содержащем Р₂O₅ как носитель ОН, и предотвращает диффузию ОН, содержащегося в опорной трубке 31, в средний слой 32 оболочки. Второй барьерный слой (внутренний слой оболочки) 35 расположен между средним слоем 32 оболочки и сердцевинным слоем 33 и предотвращает диффузию ОН, диффундирующего из опорной трубки 31, в средний слой 32 оболочки или проникновение ОН, выделяющегося из воды, содержащейся в химическом материале, во время осаждения среднего слоя 32 оболочки, в сердцевинный слой 33, который является областью направленного распространения света. Показатель преломления каждого из внешнего и внутреннего слоев 34 и 35 оболочки регулируют тем же самым образом или подобным образом, как и показатель преломления среднего слоя 32 оболочки, и при этом он не должен быть больше, чем показатель преломления опорной трубки 31 или сердцевинного слоя 33.

Количество ОН, содержащегося в опорной трубке, является относительно большим по сравнению с количеством кремнезема, используемого для осаждения. Кремнезем по своей структуре является химическим материалом осаждения, наиболее устойчивым к составляющей ОН, и может эффективно блокировать диффузию ОН при высокой температуре. Следовательно, первый и второй барьерные слои 34 и 35 не содержат Р₂O₅, функционирующего как ОН-мостик, а показатель преломления оболочки регулируют, используя SiО₂, Ge или F, и соответственно толщину этих барьерных слоев регулируют согласно суммарной толщине слоя оболочки.

Что касается характеристик показателей преломления заготовки оптического волокна, то показатель преломления сердцевинного слоя 33 больше, чем показатель преломления слоев 32, 34 и 35 оболочки, а показатель преломления сердцевинного слоя 33 возрастает с постоянной скоростью по направлению к центру сердцевинного слоя. Когда оптическое волокно вытягивают из заготовки с высокой скоростью, возникает тепловое напряжение, обусловленное быстрым затвердеванием. Соответственно показатель преломления сердцевинного слоя 33 постепенно возрастает от показателя ΔN₀ на границе по направлению к его центру, в результате чего показатель ΔN преломления делается наибольшим в центре. Путем осуществления этого в оптическом волокне могут быть снижены оптические потери, обусловленные тепловым напряжением, и может быть предотвращено ухудшение механических характеристик оптического волокна, и поэтому оптическое волокно, имеющее небольшие потери и малое отношение диаметров, может быть вытянуто с большой скоростью. Например, является предпочтительным, чтобы показатель преломления самой удаленной от центра части сердцевинного слоя составлял от 75 до 99% показателя преломления в центре сердцевинного слоя.

На фигурах 4А, 4В и 4С показан способ изготовления одномодового оптического волокна в соответствии с настоящим изобретением, показанного на фиг. 2 или фиг. 3, при использовании модифицированного метода химического осаждения из паровой фазы. В модифицированном методе химического осаждения из паровой фазы транспортирующие газы, такие как SiCl₄, GeCl₄, РОСl₃ или ВСl₃, вводят совместно с кислородом в опорную трубку 41, изготовленную из стекла, и после этого к опорной трубке 41 прикладывают теплоту с помощью нагревательного средства 43, см. фиг. 4А, в результате чего на внутренней поверхности опорной трубки образуется сажа, оксидированный осадок. В данном случае концентрацию газа источника точно регулируют с помощью компьютера, чтобы подогнать показатель преломления и при этом осадить слой оболочки/сердцевинный слой 42. С помощью нагревательного источника 43 прикладывают теплоту к опорной трубке 41, которую вращают в направлении, показанном поворотной стрелкой, в то время как нагревательное средство перемещают в направлении, указанном прямой стрелкой. Газы источника, подлежащие осаждению, вводят в опорную трубку 41 через впускное отверстие, соединенное с резервуаром для хранения материала источника. С помощью смесительного клапана и блокировочного клапана измеряют расход материалов источника, вводимых в опорную трубку, и выполняют регулировку, необходимую для смешивания материалов источника.

В процессе осаждения слоя оболочки согласно настоящему изобретению сначала образуют внешний слой оболочки (первый барьер) путем осаждения материала, имеющего низкий коэффициент диффузии ОН, исключая материал-переносчик ОН, такой как Р₂O₅, имеющий большую гигроскопичность. Примешивают еще один материал, предназначенный для снижения температуры процесса и повышения эффективности, в результате чего образуют средний слой оболочки. Осаждают материал, имеющий низкий коэффициент диффузии ОН, исключая материал-переносчик ОН, такой как Р₂O₅, тем самым образуя внутренний слой оболочки (второй барьер). Затем образуют сердцевинный слой, область, по которой передается оптический сигнал. Следовательно, смесь газов источника, вводимых в опорную трубку 41, является различной для каждого осаждаемого слоя, и это смешивание осуществляют путем соответствующей регулировки смесительного клапана и блокировочного клапана.

В процессе осаждения сердцевинного слоя его осаждают так, чтобы показатель преломления был постоянным от внешней поверхности до центра сердцевинного слоя, или так, чтобы показатель преломления постепенно возрастал в направлении от внешней поверхности к центру его.

На фиг. 4В показан слой оболочки/сердцевинный слой 40, осажденный внутри опорной трубки 41. На фиг. 4В позицией 43 обозначен внешний слой оболочки, позицией 44 - средний слой оболочки, позицией 45 - внутренний слой оболочки, а позицией 46 - сердцевинный слой.

Что касается фиг. 4С, то на ней показаны осажденные слои из фиг. 4В, сжимаемые и смыкаемые при приложении теплоты с помощью нагревательного средства 43 к опорной трубке 41, на которую слой оболочки/сердцевинный слой 40 осажден, в результате чего образуется заготовка 47 оптического волокна.

Во время процесса осаждения осуществляют осаждение внешнего и внутреннего барьеров 43 и 45 для ОН, которые не содержат Р₂O₅ функционирующего как ОН-мостик, и между которыми находится средний слой 44 оболочки, в результате чего эффективно предотвращается диффузия ОН из опорной трубки 41 в сердцевинный слой 46 во время процесса осаждения сердечника, процесса сжатия или процесса смыкания. Соответственно потери, обусловленные полосой поглощения ОН в сердцевинном слое, могут быть предельно уменьшены при сохранении соответствующего отношения (D/d) диаметров. Кроме того, отношение диаметров, может быть сделано небольшим, и поэтому частота осаждения может быть снижена, в связи с чем сокращается время обработки. В данном случае является предпочтительным, чтобы отношение (D/d) диаметров, диаметра (D) слоя оболочки к диаметру (d) сердцевинного слоя составляло от 1,1 до 3,0.

Между тем при спекании, осуществляемом одновременно с осаждением, происходит самопроизвольное сжатие, обусловленное внутренним поверхностным натяжением, возникающим во время процесса спекания и уплотнения сажевых частиц. Буферный слой, имеющий вязкость, аналогичную вязкости опорной трубки, существует между опорной трубкой, имеющей высокую вязкость, и слоем оболочки, имеющей относительно низкую вязкость, так что тормозящая способность трубки улучшается, и поэтому сжатие трубки может быть уменьшено.

Когда заготовку оптического волокна изготавливают, используя видоизмененный метод химического осаждения из паровой фазы, суммарное время процесса сокращается по мере уменьшения отношения диаметров, и небольшое отношение диаметров является весьма благоприятным для изготовления заготовки, имеющей большую апертуру. В известном уровне техники, когда отношение диаметров становится небольшим, потери на ОН резко возрастают, и поэтому качество оптического волокна ухудшается. Поэтому известно, что отношение диаметров обычно составляет примерно 3, 0. Однако в соответствии с настоящим изобретением, даже когда отношение диаметров уменьшается от значения 3,0, находясь в диапазоне, например, от примерно 1,1 до 3,0, потери на поглощение ОН могут быть уменьшены, кроме того, могут быть предельно уменьшены потери, обусловленные тепловым напряжением.

Согласно настоящему изобретению в описанных выше заготовках оптического волокна, имеющих барьер для ОН, и в способе изготовления их внешний и внутренний барьеры для ОН, не содержащие P₂O₅, осаждают во время процесса осаждения между опорной трубкой и слоем оболочки, а также между слоем оболочки и сердцевинным слоем, так что эффективно предотвращается диффузия ОН из опорной трубки в сердцевинный слой во время процесса осаждения сердцевины, процесса сжатия и процесса смыкания. Следовательно, в сердцевинном слое можно исключить потери, обусловленные ОН. Кроме того, сердцевинный слой образован с показателем преломления, повышающемся в направлении от внешней поверхности к центру, так что можно предотвратить ухудшение характеристик вследствие вытягивания оптического волокна из заготовки с большой скоростью.

Реферат

Заготовка оптического волокна содержит опорную трубку, слой оболочки и сердцевинный слой. При этом заготовка дополнительно включает в себя первый барьерный слой, осажденный между опорной трубкой и слоем оболочки, из материала, имеющего низкий коэффициент диффузии ОН, в которой первый барьерный слой является, по существу, предотвращающим диффузию ОН, содержащегося в опорной трубке, в слой оболочки. Кроме того, заготовка оптического волокна включает в себя второй барьерный слой, образованный между слоем оболочки и сердцевинным слоем путем осаждения материала, имеющего низкий коэффициент диффузии ОН, для, по существу, предотвращения диффузии ОН, который диффундирует в слой оболочки из опорной трубки, далее в сердцевинный слой. Внешний и внутренний барьеры для ОН, не содержащие P₂O₅, осаждают между опорной трубкой и слоем оболочки, а также между слоем оболочки и сердцевинным слоем во время процесса осаждения, так что может быть эффективно предотвращена диффузия ОН из опорной трубки в сердцевинный слой во время процесса осаждения, процесса сжатия и процесса смыкания. Техническая задача изобретения - снизить потери, обусловленные OH, при одновременном уменьшении отношения диаметров оболочки и сердцевины. 3 с. и 12 з.п. ф-лы, 4 ил.

Формула