Патент на изобретение №2271025

(54) ОДНОМОДОВОЕ ОПТИЧЕСКОЕ ВОЛОКНО И СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОДНОМОДОВОГО ОПТИЧЕСКОГО ВОЛОКНА

(57) Реферат:

Одномодовое оптическое волокно содержит светопроводящую область (4) сердцевины, внутреннюю область (3) оболочки, окружающую эту область (4) сердцевины, и область (1) покрытия, окружающую эту внутреннюю область (3) оболочки. Показатель преломления области (4) сердцевины превышает показатели преломления областей (3, 1) оболочки и покрытия, которые практически равны. Внутренняя область (3) оболочки выполнена из SiO₂, содержащего легирующий фтор в пределах 0,1-8,5 мас.%, в результате чего область (4) сердцевины подвержена сжимающему осевому напряжению по всему ее поперечному сечению. Внутренняя область (3) оболочки дополнительно снабжена легирующими примесями, повышающими преломление, для получения показателя преломления, практически равного показателю преломления области (1) покрытия. В способе изготовления в трубке основы из диоксида кремния, функционирующей как область покрытия, с помощью одного или нескольких реакционноспособных газов формируют внутреннюю область оболочки и область сердцевины, после чего трубку основы усаживают и вытягивают в одномодовое оптическое волокно. Обеспечивается изготовление одномодового оптического волокна с низким водородоиндуцированным ослаблением на длине волны 1550 нм. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 8 ил.

Настоящее изобретение относится к способу изготовления одномодового оптического волокна, содержащего светопроводящую область сердцевины, внутреннюю область оболочки, окружающую указанную область сердцевины, и область покрытия, окружающую указанную внутреннюю область оболочки, в котором показатель преломления области сердцевины превышает показатели преломления областей оболочки и покрытия и в котором показатели преломления областей оболочки и покрытия практически равны, причем согласно данному способу трубку основы из диоксида кремния, используемую в качестве области покрытия, продувают внутри одним или несколькими химически активными (реакционноспособными) газами для формирования внутренней области оболочки и области сердцевины соответственно, после чего трубку основы, снабженную, таким образом, слоями, схлопывают и вытягивают в одномодовое оптическое волокно. Кроме того, настоящее изобретение относится к одномодовому оптическому волокну, содержащему светопроводящую область сердцевины, область оболочки, окружающую указанную область сердцевины, и область покрытия, окружающую указанную внутреннюю область оболочки.

Оптические волокна такого типа общеизвестны и применяются, главным образом, в области телекоммуникаций. Смотри, например, европейскую патентную заявку 0 127 227, патент США №5,242,476 и патент США №5,838,866. Термин “одномодовое”, используемый в данном описании, хорошо известен специалистам в данной области техники и потому не нуждается в дополнительном объяснении. Благодаря тому что для таких оптических волокон характерны низкие ослабление и дисперсия, они особенно пригодны для создания линий передачи данных большой протяженности, нередко простирающихся на многие тысячи километров. На таких значительных расстояниях крайне важно свести к минимуму накопленные потери сигнала в случае, если передача оптических сигналов осуществляется посредством малого количества промежуточных усилительных станций. Традиционная технология связи предусматривает, что на длине волны передачи 1550 нм, обычно применяемой в таких оптических волокнах, суммарное ослабление не превышает 0,25 дБ/км и предпочтительно не превышает 0,2 дБ/км.

Хотя волокна, изготавливаемые в настоящее время, могут удовлетворять всем этим требованиям в отношении допустимого ослабления, тем не менее часто наблюдается, что по прошествии времени те же оптические волокна демонстрируют заметное увеличение ослабления. Обширное исследование показало, что это явление объясняется постепенным просачиванием газообразного водорода в волокно из его окружения, из-за чего в волокне образуются группы наподобие SiH и SiOH. Эти соединения демонстрируют сильное поглощение в инфракрасном диапазоне с пиками поглощения на длинах волн около 1530 и 1385 нм.

Решение проблемы водородоиндуцированного поглощения предложено в европейской патентной заявке 0 477 435. Согласно раскрытому в ней способу расплавленное оптическое волокно экстенсивно выдерживают в атмосфере водородосодержащего газа в ходе изготовления, чтобы гарантировать, что все позиции структурных дефектов в волокне уже представлены атомом водорода до фактической реализации волокна. Однако этот известный способ обладает тем недостатком, что он обращается только к проявлениям водородоиндуцированного ослабления, но не к его причинам. Кроме того, эта известная мера значительно усложняет процесс изготовления и увеличивает опасность загрязнения волоконного изделия применяемым водородосодержащим газом.

Из патента США №5,090,979 известен способ изготовления оптического волокна, последовательно содержащего область сердцевины из чистого диоксида кремния, наружный слой из диоксида кремния, легированного фтором, слой основы из диоксида кремния, легированного фтором, и несущий слой из чистого диоксида кремния, в котором показатель преломления области сердцевины практически равен показателю преломления несущего слоя.

Из патента США №5,033,815 известно оптическое волокно многомодового типа, которое существенно отличается от данного одномодового оптического волокна. Кроме того, многомодовое оптическое волокно, известное из упомянутого патента, последовательно содержит область сердцевины, легированную GeO₂ или Sb₂O₃, область оболочки, легированную F, и, наконец, область покрытия, которая может быть легирована TiO₂, в результате чего показатель преломления области сердцевины превышает показатель преломления областей оболочки и покрытия, и показатель преломления области покрытия значительно ниже показателя преломления области оболочки, вследствие чего профиль показателя преломления существенно отличается от данного профиля. Из упомянутого патента ничего не известно о сжимающем осевом напряжении.

Из европейской патентной заявки 0 762 159 известно волокно с компенсацией дисперсии, последовательно содержащее область сердцевины с содержанием GeO₂ по меньшей мере 10 мол.% и область оболочки, содержащую первую область оболочки, легированную фтором, вторую область оболочки, легированную хлором, и третью область оболочки, легированную хлором или фтором. Легирующую примесь третьей области оболочки выбирают так, чтобы вязкость стекла на момент вытягивания была ниже вязкости стекла из чистой двуокиси кремния, что обеспечивает сравнительно низкую температуру в процессе вытягивания. Из этой заявки ничего не известно о сжимающем осевом напряжении.

Таким образом, задачей настоящего изобретения является способ изготовления одномодового оптического волокна с достаточно низким водородоиндуцированным ослаблением (затуханием) на длине волны 1550 нм, которое обеспечивает суммарное ослабление на этой длине волны не более 0,25 дБ/км и предпочтительно не более 0,2 дБ/км.

Как отмечено во введении, настоящее изобретение позволяет решить эту задачу, поскольку данный способ изготовления одномодового оптического волокна отличается тем, что внутренняя область оболочки выполнена из SiO₂, содержащего легирующий фтор в пределах 0,1-8,5 мас.%, в результате чего область сердцевины подвергается сжимающему осевому напряжению по всему поперечному сечению.

Авторы настоящего изобретения полагают, что наличие осевого сжатия в сердцевине оптического волокна препятствует возникновению вышеупомянутых дефектов и, таким образом, существенно снижает водородоиндуцированное ослабление. Поскольку, по мнению авторов настоящего изобретения, наличие осевого растяжения в сердцевине оптического волокна способствует формированию структурных дефектов в сердцевине из двуокиси кремния, наличие осевого сжатия в сердцевине оптического волокна будет существенно подавлять появление таких дефектов, приводя к значительному снижению водородоиндуцированного ослабления.

Авторы настоящего изобретения провели ряд экспериментов по изготовлению заготовки (преформы) путем последовательного снабжения внутренней поверхности трубки основы внутренней областью оболочки из оксида кремния, причем область оболочки выполнена из SiO₂, содержащего легирующий фтор, и вторым легированным слоем оксида кремния, причем второй слой имеет более высокий показатель преломления, чем внутренняя область оболочки, и образует готовую (от англ. final) сердцевину волокна. Затем трубку основы, снабженную таким образом областью сердцевины и внутренней областью оболочки, термически подвергают процедуре схлопывания (усаживания), чтобы сформировать стержень, который в итоге вытягивают с образованием требуемых волокон на одной из его расплавленных оконечностей.

Согласно настоящему изобретению внутренняя область оболочки предпочтительно легирована фтором в пределах 0,1-8,5 мас.% и более предпочтительно 0,2-2,0 мас.%. Легирование фтором свыше 8,5 мас.% нежелательно, поскольку такое легирование затрудняет последующее осаждение таких слоев. Количество фтора менее 0,1 мас.% не дает заметного результата в отношении нужного сжимающего осевого напряжения в области сердцевины. В качестве максимальной степени легирования особенно предпочтительна величина 2,0 мас.% в том случае, если требуются очень низкие потери за счет ослабления, причем рост релеевского рассеяния отрицательно влияет на потери за счет ослабления. В действительности, эксперименты показали, что часть внутренней области оболочки также функционирует как световод для света, транспортируемого внутри сердцевины волокна.

Применение легирования фтором во внутренней области оболочки приводит к снижению показателя преломления этого слоя. Чтобы отрегулировать этот сниженный показатель преломления, который предпочтительно должен быть практически равен показателю преломления области покрытия, внутреннюю область оболочки снабжают так называемыми легирующими материалами, повышающими преломление, например P₂O₅, TiO₂, ZrO₂, SnO₂, GeO₂, N или Al₂O₃, или комбинацией из двух или большего числа таких соединений.

Согласно определенным вариантам осуществления данного способа особенно предпочтительно вставлять буферный слой между областью покрытия и внутренней областью оболочки, причем показатель преломления буферного слоя ниже показателя преломления области сердцевины и практически равен показателям преломления областей оболочки и покрытия.

Такой буферный слой особенно необходим в случае низкого оптического качества области покрытия, т.е. когда область покрытия содержит загрязнения. При последующих термических обработках для схлопывания с целью изготовления заготовки и последующего вытягивания волокон из заготовки такие загрязнения могут диффундировать в светопроводящую часть оптического волокна, приводя к повышению ослабления. Таким образом, применение буферного слоя препятствует проникновению загрязнений в светопроводящую часть волокна.

Согласно особому варианту осуществления данного способа предпочтительно также вставлять промежуточный слой между областью сердцевины и внутренней областью оболочки, причем показатель преломления промежуточного слоя ниже показателя преломления области сердцевины и практически равен показателям преломления внутренней области оболочки и области покрытия.

В одномодовом оптическом волокне свет частично распространяется в слое, непосредственно окружающем область сердцевины. Если этот слой сильно легирован, то увеличение релеевского рассеяния дает заметные результаты, выражающиеся в повышенном ослаблении. Однако высокая степень легирования может требоваться для создания в области сердцевины нужного сжимающего осевого напряжения. Таким образом, слабо легированный промежуточный слой предпочтительно вставлять для предотвращения возможного негативного влияния повышенного релеевского рассеяния.

В готовом волокне толщина внутренней области оболочки предпочтительно составляет 3-21 мкм.

Нужная толщина слоя зависит от легирующих примесей в слое. Испытания показали, что толщины слоя менее 3 микрометров недостаточно для создания в области сердцевины нужного сжимающего осевого напряжения, необходимого согласно настоящему изобретению. Верхний предел максимальной толщины слоя для внутренней области оболочки в основном определяется обрабатываемостью заготовки, из которой впоследствии вытягивают оптическое волокно.

Согласно определенному варианту осуществления дополнительно требуется, чтобы светопроводящая область сердцевины, снабженная одной или несколькими легирующими примесями, была выполнена из SiO₂, содержащего легирующий фтор в пределах 0,2-2 мас.% и одну или несколько легирующих примесей, которые обеспечивают требуемый в соответствии с настоящим изобретением показатель преломления области сердцевины, т.е. более высокий показатель преломления области сердцевины по сравнению с областью оболочки, причем указанные легирующие примеси могут содержать P₂O₅, TiO₂, ZrO₂, SnO₂, GeO₂, N или Al₂O₃, или комбинацию из двух или большего числа таких соединений.

Согласно особому варианту осуществления предпочтительно, чтобы заготовка, содержащая область сердцевины, внутреннюю область оболочки и область покрытия, а также, возможно, буферный и/или промежуточный слой, была снабжена на внешней поверхности области покрытия дополнительным слоем, например, в виде стеклянной трубки или слоя, наложенного посредством процедуры внешнего ХОПФ (химического осаждения из паровой фазы, от англ. CVD).

Согласно настоящему изобретению формирование области сердцевины и внутренней области оболочки, а также, возможно, вышеупомянутых промежуточного и/или буферного слоя осуществляется посредством процедуры химического осаждения из паровой фазы, в частности посредством процедуры плазменного ХОПФ (от англ. PCVD), предпочтительно плазмоиндуцированного. Поскольку осевая длина традиционной трубки основы, в частности, многократно превышает ее диаметр, управляемое осаждение однородного слоя материала на внутреннюю поверхность такой трубки основы очень сложно осуществлять посредством традиционных процедур осаждения, например осаждения распылением или осаждения с лазерной абляцией. Согласно варианту осуществления с плазменным ХОПФ осаждаемый из паровой фазы химикат можно успешно распределять по всей длине внутренней поверхности трубки основы, тем самым обеспечивая очень однородное осаждение на внутреннюю стенку. Кроме того, применяя процедуру плазменного ХОПФ, можно осуществлять осаждение слоев с регулируемыми уровнями легирования, что позволяет успешно использовать эту процедуру для осаждения области сердцевины и внутренней области оболочки, возможно, с добавлением промежуточного и/или буферного слоев.

Настоящее изобретение также относится к одномодовому оптическому волокну, содержащему светопроводящую область сердцевины, внутреннюю область оболочки, окружающую указанную область сердцевины, и область покрытия, окружающую указанную внутреннюю область оболочки, в котором показатель преломления области сердцевины больше показателя преломления внутренней области оболочки и области покрытия и в котором показатели преломления внутренней области оболочки и области покрытия практически равны, причем одномодовое оптическое волокно, отвечающее настоящему изобретению, отличается тем, что внутренняя область оболочки выполнена из SiO₂, содержащего легирующий фтор в пределах 0,1-8,5 мас.%, предпочтительно 0,2-2,0 мас.%, в результате чего область сердцевины подвергается сжимающему осевому напряжению по всему поперечному сечению.

Согласно особому варианту осуществления предпочтительно также формировать одномодовое оптическое волокно таким образом, чтобы между областью сердцевины и внутренней областью оболочки находился промежуточный слой, показатель преломления которого ниже показателя преломления области сердцевины и практически равен показателям преломления внутренней области оболочки и области покрытия.

Кроме того, согласно особому варианту осуществления данного одномодового оптического волокна предпочтительно, чтобы между областью покрытия и внутренней областью оболочки присутствовал буферный слой, показатель преломления которого ниже показателя преломления области сердцевины и практически равен показателям преломления внутренней области оболочки и области покрытия.

Кроме того, согласно определенным вариантам осуществления предпочтительно, чтобы поверх наружной стороны области покрытия присутствовала внешняя область оболочки.

Ниже настоящее изобретение проиллюстрировано посредством ряда чертежей, которые приведены исключительно в иллюстративных целях и никоим образом не ограничивают объем защиты настоящего изобретения.

Фиг.1 – иллюстрация варианта осуществления одномодового оптического волокна, отвечающего настоящему изобретению.

Фиг.2 – иллюстрация особого варианта осуществления одномодового оптического волокна, отвечающего настоящему изобретению, в котором имеется буферный слой.

Фиг.3 – иллюстрация особого варианта осуществления одномодового оптического волокна, отвечающего настоящему изобретению, в котором имеется промежуточный слой.

Фиг.4-6 – схемы, соответствующие фиг.1-3, в которых область покрытия снабжена внешней областью оболочки.

Фиг.7 – график зависимости напряжения от радиуса волокна согласно уровню техники.

Фиг.8 – график зависимости напряжения от радиуса волокна согласно настоящему изобретению.

На фиг.1 изображена схема одномодового оптического волокна 6, полученного после схлопывания (усаживания) заготовки и вытягивания из нее волокна. Одномодовое оптическое волокно 6 можно рассматривать как светопроводящую область 4 сердцевины, окруженную внутренней областью 3 оболочки, которая, в свою очередь, окружена областью 1 покрытия. Трубку основы можно использовать, например, в качестве области покрытия. Показатель преломления области 4 сердцевины превышает показатели преломления внутренней области 3 оболочки и области 1 покрытия, причем показатели преломления двух последних областей практически одинаковы. Следует заметить, что одинаковые номера позиций, используемые на фиг.1-6, соответствуют друг другу.

На фиг.2 показана схема особого варианта осуществления одномодового оптического волокна 6, содержащего светопроводящую область 4 сердцевины, окруженную внутренней областью 3 оболочки, которая, в свою очередь, окружена буферным слоем 2, который, наконец, окружен областью 1 покрытия. Такое одномодовое оптическое волокно 6 изготавливают согласно данному способу с использованием трубки основы из диоксида кремния в качестве области 1 покрытия, после чего соответственно осаждают буферный слой 2, внутреннюю область 3 оболочки и, наконец, область 4 сердцевины посредством процедуры плазменного ХОПФ. После осаждения вышеупомянутых слоев на трубку основы из диоксида кремния выполняют термическую процедуру схлопывания или усаживания, в результате чего получают заготовку, из которой, наконец, вытягивают одномодовое оптическое волокно 6.

На фиг.3 изображена схема особого варианта осуществления одномодового оптического волокна 6, содержащего область 4 сердцевины, окруженную промежуточным слоем 5, поверх которого располагается внутренняя область 3 оболочки, окруженная буферным слоем 2, который, наконец, окружен областью 1 покрытия. Одномодовое оптическое волокно 6, схематически изображенное на фиг.3, изготавливают таким же образом, как волокно, изображенное на фиг.2. Однако согласно определенным вариантам осуществления буферный слой 2, показанный на фиг.3, можно исключить, т.е. осаждать на область 1 покрытия сразу внутреннюю область 3 оболочки, затем промежуточный слой 5 и, наконец, область сердцевины 4. Однако схема этого варианта осуществления на фигурах отсутствует.

Согласно фиг.4 слой покрытия 1 снабжен внешней областью 7 оболочки, которая также изображена на фиг.5 и 6. Сущность настоящего изобретения состоит в создании в области сердцевины одномодового оптического волокна сжимающего осевого напряжения за счет легирования внутренней области оболочки фтором в пределах 0,1-8,5 мас.% и предпочтительно 0,2-2,0 мас.%.

На фиг.7 показан график напряжения (как функции радиуса r одномодового оптического волокна), отвечающий уровню техники, причем волокно состоит из области сердцевины, выполненной из SiO₂, легированного GeO₂ и F, и нелегированной области оболочки, состоящей из SiO₂. Положение области сердцевины указано вертикальной пунктирной линией, из чего следует, что в области сердцевины присутствует положительное напряжение, т.е. напряжение растяжения.

На фиг.8 показан график напряжения (как функции радиуса r одномодового оптического волокна), отвечающий настоящему изобретению, причем волокно состоит из области сердцевины, выполненной из SiO₂, легированного GeO₂ и F, внутренней области оболочки, выполненной из SiO₂, легированного F и GeO₂, и других областей, состоящих из нелегированного SiO₂, согласно фиг.5. Положение области сердцевины также указано вертикальной пунктирной линией, из чего следует, что в области сердцевины присутствует сжимающее осевое напряжение, необходимое согласно настоящему изобретению.

Формула изобретения

1. Одномодовое оптическое волокно, содержащее светопроводящую область (4) сердцевины, внутреннюю область (3) оболочки, окружающую эту область (4) сердцевины, и область (1) покрытия, окружающую эту внутреннюю область (3) оболочки, в котором показатель преломления области (4) сердцевины превышает показатели преломления областей (3, 1) оболочки и покрытия и в котором показатели преломления областей (3, 1) оболочки и покрытия практически равны, отличающееся тем, что внутренняя область (3) оболочки выполнена из SiO₂, содержащего легирующий фтор в пределах 0,1-8,5 мас.%, в результате чего область (4) сердцевины подвержена сжимающему осевому напряжению по всему ее поперечному сечению, и внутренняя область (3) оболочки дополнительно снабжена повышающими преломление легирующими примесями для получения показателя преломления, практически равного показателю преломления области (1) покрытия.

2. Одномодовое оптическое волокно по п.1, отличающееся тем, что количество фтора во внутренней области (3) оболочки находится в пределах диапазона 0,2-2,0 мас.%.

3. Одномодовое оптическое волокно по п.1, отличающееся тем, что между областью (1) покрытия и внутренней областью (3) оболочки имеется буферный слой (2), показатель преломления которого ниже показателя преломления области (4) сердцевины и практически равен показателям преломления внутренней области (3) оболочки и области (1) покрытия.

4. Одномодовое оптическое волокно по п.1, отличающееся тем, что между областью (4) сердцевины и внутренней областью (3) оболочки имеется промежуточный слой (5), показатель преломления которого ниже показателя преломления области (4) сердцевины и практически равен показателям преломления внутренней области (3) оболочки и области (1) покрытия.

5. Одномодовое оптическое волокно по п.1, отличающееся тем, что на наружной стороне области (1) покрытия имеется внешняя область (7) оболочки, показатель преломления которой практически равен показателям преломления внутренней области (3) оболочки и области (1) покрытия.

6. Одномодовое оптическое волокно по п.1, отличающееся тем, что внутренняя область (3) оболочки имеет толщину в пределах диапазона 3-21 мкм.

7. Одномодовое оптическое волокно по п.1, отличающееся тем, что область (4) сердцевины выполнена из SiO₂, содержащего легирующий фтор в пределах диапазона 0,2-2,0 мас.%.

8. Способ изготовления одномодового оптического волокна, содержащего светопроводяшую область сердцевины, внутреннюю область оболочки, окружающую эту область сердцевины, и область покрытия, окружающую эту внутреннюю область оболочки, в котором показатель преломления области сердцевины превышает показатели преломления внутренней области оболочки и области покрытия и в котором показатели преломления внутренней области оболочки и области покрытия практически равны, причем согласно данному способу внутреннюю область оболочки и область сердцевины, соответственно, формируют в трубке основы из диоксида кремния, функционирующей в качестве области покрытия, с помощью одного или нескольких реакционноспособных газов, после чего трубку основы усаживают и вытягивают в одномодовое оптическое волокно, отличающийся тем, что внутренняя область (3) оболочки выполнена из SiO₂, содержащего легирующий фтор в пределах диапазона 0,1-8,5 мас.%, в результате чего область (4) сердцевины подвержена сжимающему осевому напряжению по всему ее поперечному сечению.

9. Способ по п.8, отличающийся тем, что количество фтора во внутренней области (3) оболочки находится в пределах диапазона 0,2-2,0 мас.%.

10. Способ по п.8, отличающийся тем, что между областью (1) покрытия и внутренней областью (3) оболочки введен буферный слой (2), показатель преломления которого ниже показателя преломления области (4) сердцевины и практически равен показателям преломления внутренней области (3) оболочки и области (1) покрытия.

11. Способ по п.8, отличающийся тем, что между областью (4) сердцевины и внутренней областью (3) оболочки введен промежуточный слой (5), показатель преломления которого ниже показателя преломления области (4) сердцевины и практически равен показателям преломления внутренней области (3) оболочки и области (1) покрытия.

12. Способ по п.8, отличающийся тем, что на наружной стороне области (1) покрытия помещают внешнюю область (7) оболочки, показатель преломления которой практически равен показателям преломления внутренней области (3) оболочки и области (1) покрытия.

13. Способ по п.8, отличающийся тем, что формирование области (4) сердцевины и внутренней области (3) оболочки, а также, возможно, внешней области (7) оболочки, промежуточного слоя (5) и/или буферного слоя (2) осуществляют посредством процедуры плазменного ХОПФ.

14. Способ по п.13, отличающийся тем, что процедуру плазменного ХОПФ осуществляют при индуцировании плазмы.

РИСУНКИ