[发明专利]用于制造单烧结步骤、复杂折射率分布光纤的压制多层二氧化硅烟炱预成形件

说明书

相关申请交叉参考

本申请根据35 U.S.C.§119，要求2011年11月30日提交的美国临时申请系列第61/564912号的优先权，本文以该申请为基础并将其全文通过引用结合于此。

领域

本发明涉及光纤的制造，更具体地，涉及包括压制二氧化硅基烟炱以形成至少一部分的光纤预成形件的制造方法。

背景技术

使用各种方法或技术来制造光纤。这些方法大多包括制造玻璃预成形件以及后续对预成形件进行拉制以产生光纤的步骤。典型的二氧化硅预成形件包括芯截面和至少一个包覆截面，所述包覆截面与所述芯截面是同轴的，并且具有低于芯截面的折射率。可以通过，例如对芯和/或包覆进行适当的掺杂，来实现折射率的差异。最常见地，将氧化锗用作芯截面中的催化剂，以增加芯的折射率。各种已知增加折射率的其他掺杂剂可用于替代锗掺杂剂或与其结合使用。作为替代或附加方式，可以向包覆加入已知降低折射率的掺杂剂，例如含硼或含氟掺杂剂。

通常使用化学气相沉积(CVD)技术来制造光波导预成形件。例子包括改进的化学气相沉积(MCVD)、气相轴沉积(VAD)和外部气相沉积(OVD)。在所有这些化学气相沉积工艺中，通过将玻璃材料(主要是二氧化硅)以非常小的颗粒或烟炱的形式沉积到基材上，来制备称作预成形件的中间产物。预成形件的结构类似于最终光纤的结构，但是具有明显的差异，例如密度、尺寸和孔隙率。通过拉制过程来实现光纤的最终尺寸，其中，光纤的最终直径约为125微米左右。

在改进的化学气相沉积的情况下，反应物与载体气体(例如，氩气和/或氦气)和氧化气体(例如，氧气)的混合物一起，以受控制的量流动通过反应器管。反应管通常是由二氧化硅制造的，并且通过外部燃烧器加热，当管转动时，所述外部燃烧器可横过管的长度。二氧化硅和其他玻璃组分沉积到管的内表面上，并且反应产物从与加入反应物那端的相对端离开管。

外部气相沉积工艺涉及将玻璃颗粒或烟炱沉积到通常由氧化铝或石墨制成的圆柱形棒的外表面上。棒通常是转动的，并且暴露于燃烧器的火焰。将反应物与燃料气体(例如甲烷或氢气)一起注入火焰中。芯材料首先沉积，然后是包覆材料。当沉积完成后，从多孔预成形件的中心取出基材棒(也称作“饵棒”)，并将预成形件放入固结炉中。在固结过程中，从预成形件去除水蒸气。高温固结步骤将预成形件烧结成固体、致密且透明的玻璃。然后将固结的玻璃预成形件放到拉制塔上，并拉制成一条连续的玻璃光纤绳。

外部气相沉积工艺已经被用于光纤的大规模生产。优势包括：生产具有增强的可靠性的完全合成的光纤，制造展现出精确几何和光学一致性的光纤的能力，可规模化能力、高产率和较高的制造独立性(因为无需依赖于用于MCVD工艺中的反应器管的独立供给)。但是，OVD工艺的一个缺点在于起始材料没有得到高效利用。因此，会希望提供一种制造具有复杂折射率分布特征的光纤的方法，其中，在光纤空间中，在小于2微米的距离上存在折射率的阶跃变化，这使得能够更高效地利用材料。

已经开发用于生产具有复杂折射率分布特征的光纤的其他技术包括改进的化学气相沉积，其在单个烧结步骤中对变化的掺杂剂浓度的烟炱进行沉积。MCVD工艺中的掺杂剂是通过燃烧器经由火焰水解传递的。

概述

本文所揭示的方法提供了具有复杂折射率分布特征的光纤。方法步骤提供比常规OVD技术更高效的原材料的使用，从而降低了制造成本。具体地，在本文所揭示的各个实施方式中，采用径向压制步骤，向通过外部气相沉积生产的基材同轴地施加多层粉末二氧化硅。所得主体是整体式二氧化硅烟炱毛坯，其含有压制到采用OVD工艺制造的芯上的多层、同轴烟炱层。

在某些实施方式中，用于制造具有复杂折射率分布特征的方法包括：采用外部气相沉积技术制备基材，在基材上压制一层或多层二氧化硅粉末的同轴层，以得到整体式烟炱毛坯。多层同轴层可具有不同的物理性质。然后在存在折射率改性气态掺杂剂的情况下，对烟炱毛坯进行烧结，从而，由于层的物理性质的差异使得各个层保留不同浓度的气态折射率改性掺杂剂，导致从烧结的毛坯拉制得到的光纤具有复杂折射率分布特征。

根据某些实施方式，可使用的气态掺杂剂包括但不限于，氯(Cl₂)、四氯化硅(SiCl₄)、四氟化硅(SiF₄)、六氟化硫(SF₆)和四氟化碳(CF₄)。