微結構化光纖及其制造方法

微結構化光纖及其制造方法
【專利摘要】微結構化的光纖及其制造方法。先沉積玻璃煙灰，然后在一定的條件下固結，所述條件足以使得一部分固結氣體被捕獲在所述玻璃中，從而制得非周期性的空穴陣列，其可用來形成光纖中包含孔穴的區域。優選的產生孔穴的燒結氣體包括氮氣、氬氣、CO2、氧氣、氯氣、CF4、CO、SO2以及它們的混合物。
【專利說明】微結構化光纖及其制造方法
[0001]相關申請交叉引用
[0002]本申請根據35U.S.C.§ 119(e)要求2005年11月8日提交的美國臨時申請系列第60/734，995號，2006年4月5日提交的臨時申請系列第60/789，798號，以及2006年9月20日提交的臨時申請系列第60/845，927號的優先權，這些申請的全部內容都參考結合入本文中。
[0003]本發明專利申請是國際申請號為PCT/US2006/040780，國際申請日為2006年10月19日，進入中國國家階段的申請號為200680041514.5，名稱為“微結構化光纖及其制造方法”的發明專利申請的分案申請。
[0004]發明背景
[0005]1.發明領域
[0006]本發明一般涉及光纖，更具體來說涉及微結構化光纖和制備微結構化光纖的方法。
[0007]2.技術背景
[0008]由玻璃材料形成的光纖已經在工業應用中應用了二十多年。盡管這些光纖代表了通訊領域的一個巨大飛躍，但是人們仍在不斷地對可供替代的光纖設計進行研究。一種有希望的替代光纖是微結構化的光纖，其包括沿光纖的軸縱向連續的空穴(hole)或孔穴(void)。所述空穴通常包含空氣或惰性氣體，但是也可包含其它材料。大多數微結構化的光纖具有位于芯周圍的大量的空穴，所述空穴沿所述纖維長度方向的較長距離(例如數十米或更長)上連續分布，通常所述空穴會沿著光纖的整個長度延伸。這些包覆空穴最優選以規則的周期性的形式圍繞光纖的芯排列。換而言之，如果沿光纖的長度取光纖的橫截面，則可以在基本相同的周期性空穴結構中發現相同的獨立的空穴。這些微結構化的纖維包括美國專利第6，243，522號中描述的那些。
[0009]微結構化的光纖可設計成具有很寬范圍的性質，可用于許多種應用。例如，人們已經設計出一種微結構化的光纖，該光纖包括實心的玻璃芯，以及位于圍繞所述玻璃芯的包覆區域內的大量的空穴。可以對所述空穴的位置和尺寸進行設計，得到具有從高負值到高正值范圍內任意位置分散的微結構化光纖。這些光纖可用于例如色散補償。實心芯微結構化的光纖還可設計成在很寬的波長范圍內為單模形式。大多數實心芯微結構化光纖通過全內反射機理傳導光；空穴的低折射率會降低該空穴所處的包覆區域的有效折射率。
[0010]微結構化的光纖通常通過所謂的“堆疊-拉制”法制造，此方法以密堆疊方式將二氧化硅棒和/或管陣列堆疊起來，形成預成形體，然后使用常規的塔裝備將其拉制成纖維。所述堆疊-拉制法存在一些缺陷。將數百根極薄的條料(cane)(通過棒或管形成)裝配起來非常困難，而且還可能在堆疊和拉伸圓柱形條料的時候存在間隙空腔，這些空腔可能會引入可溶性雜質和顆粒雜質，從而顯著地造成光纖的衰減，還會產生不希望有的界面，以及帶來起始空穴的重新成形或變形。另外，較低的生產率和較高的成本使得這種方法并不十分適于工業生產。


【發明內容】

[0011]本發明的一個方面涉及一種制造光纖的方法，該方法包括通過化學氣相沉積(CVD)操作形成包含煙灰的光纖預成形體。在一定的條件下，所述煙灰預成形體在圍繞該預成形體的氣體氣氛中固結，所述固結的條件能夠使得在所述固結步驟中，將一部分所述氣體氣氛有效地捕獲在所述預成形體中，從而在所述固結的預成形體中形成非周期性分布的空穴或孔穴，各個空穴對應于至少一種捕獲在所述固結的玻璃預成形體內的固結的氣體的區域。然后使用所述其中包含空穴的固結的預成形體制備光纖。在固結步驟中，在所述光纖預成形體中形成的孔的至少一部分保留在拉制的光纖之內。通過將包含空穴的區域設計成對應于光纖的包覆層，使得這些所得的光纖包括芯區和包覆層區，所述芯區具有第一折射率，所述包覆層區具有低于芯的折射率的第二折射率，所述較低的折射率至少部分是由于包覆層中存在的空穴造成的。可以使用本文所述方法的替代方法或另外的方法在包覆層中提供含空穴的區域，從而改進光纖的彎曲性能。例如，通過使用本文所述的光纖設計和方法，可以制得一種光纖，該光纖在圍繞10毫米的芯軸彎曲的時候，其在1550納米的衰減增大，增大幅度小于20dB/圈，更優選小于15dB/圈，更優選小于1dB/圈。類似地，使用本文所述的光纖設計和方法，可以制得一種光纖，其在圍繞直徑為20毫米的芯軸彎曲的時候，在1550納米的衰減增大,增大幅度小于3dB/圈，更優選小于IdB/圈，更優選小于0.5dB/圈，最優選小于0.25dB/圈。本文所述的方法和光纖設計可用來制造在1550納米下為單模和多模的纖維。
[0012]較佳的是，所述孔穴基本上位于所述光纖的包覆層內，更優選完全位于所述光纖的包覆層內，使得它們在包含孔穴的區域內包圍所述芯，優選在芯區域內基本沒有所述孔穴。在一些優選的實施方式中，所述孔穴位于與所述光纖的芯隔開的含孔穴區域內。例如，較薄的(例如徑向寬度小于40微米，更優選小于30微米)的含孔穴區域的環可以與所述光纖的芯隔開，但是沒有完全延伸到所述光纖的外周。將含孔穴的區域與芯隔開將有助于降低所述光纖在1550納米的衰減。使用薄環將會有助于使得光纖在1550納米處為單模。所述光纖可包含氧化鍺(germania)或氟,或者也可不包含氧化鍺(germania)或氟，同樣用來調節光纖的芯和/或包覆層的折射率，但是這些摻雜劑也可避免使用，而單獨使用孔穴來調節包覆層相對于芯的折射率，使得光被引導著沿光纖的芯傳輸。通過使用本文揭示的固結技術，可以形成空穴在橫截面中呈非周期性分布的光纖。非周期性分布表示當觀察光纖的橫截面的時候，孔穴隨機地或非周期性地分布在光纖的一部分上。沿光纖長度方向的不同位置所取的橫截面會呈現不同的橫截面空穴圖案，即各橫截面將具有略微不同的隨機取向的空穴圖案、分布和尺寸。這些空穴沿光纖的長度(即平行于縱軸)延伸(伸長)，但是并不是沿整個光纖的整個長度延伸。盡管不希望被理論所限制，但是人們認為所述空穴沿光纖長度延伸小于數米，在許多情況下延伸小于I米。
[0013]通過使用本文所述的產生孔穴的固結技術，可以制得具有以下性質的光纖:該光纖具有包覆層區域，該包覆層區域的總光纖孔穴面積百分數(即孔穴的總橫截面積除以光纖的總橫截面積X 100)大于0.01% ,更優選大于0.025% ,更優選大于0.05% ,更優選約大于0.1 %，更優選約大于0.5 %。已經制備了光纖，其總孔穴面積百分數約大于I %，實際上更大于約5%，甚至10%。但是，人們認為根據光纖設計，當總孔穴面積百分數小于1%,甚至小于0.7%的時候，將會獲得顯著提高的彎曲性能。在一些優選的實施方式中，所述光纖中的總孔穴面積百分數小于20%，更優選小于10%，最優選小于5%。這些含孔穴的包覆層區域可用來降低相對于芯的折射率，從而形成引導光沿光纖的芯傳輸的包覆層區域。通過選擇合適的煙灰固結條件(將在下文中描述)，可以完成許多種有用的光纖設計。例如，通過選擇包覆層中的最大孔穴尺寸，使其小于將要傳輸的光的波長(例如對于一些遠程通信系統是小于1550納米)，優選小于將要沿光纖傳輸的光的波長的一半，可以在無需使用昂貴的摻雜劑的條件下得到低衰減的纖維。因此，對于各種應用，需要形成所述空穴，使得所述光纖中至少大于95%、優選所有的空穴都具有光纖的包覆層中的最大空穴尺寸，即小于1550納米，更優選小于775納米，最優選約小于390納米。類似地，優選光纖中空穴的平均直徑小于7000納米，更優選小于2000納米，更優選小于1550納米，最優選小于775納米，所有這些平均直徑都可使用本文所述的方法獲得。使用本文所述的方法制造的光纖可獲得這些平均直徑，其標準偏差在1000納米以內，更優選在750納米以內，最優選在500納米以內。在一些實施方式中，本文所述的光纖在特定的光纖垂直截面內包含小于5000個空穴，在一些實施方式中包含小于1000個空穴，在一些實施方式中，總空穴數小于500。當然，最優選的光纖將表現出這些特征的組合。因此，例如，光纖的一個特別優選的實施方式將在一個光纖中具有小于200個空穴，所述空穴的最大直徑小于1550納米，平均直徑小于775納米，但是使用更大直徑的和更多數量的空穴可以得到有用的耐彎曲的光纖。空穴數量、空穴的平均直徑、最大直徑和總孔穴面積百分數均可通過放大約800倍的掃描電子顯微鏡和圖像分析軟件(例如ImagePro，其購自美國馬里蘭州銀春市(SilverSpring, Maryland, USA)的米迪賽博奈提科斯有限公司(Media Cybernetics, Inc.))的幫助來計算。
[0014]本發明的另一個方面涉及可以使用上文所述的方法制備的微結構化的光纖。一種這樣的微結構化的光纖包括芯區域和包覆層區域，所述芯區域具有第一折射率，所述包覆層區域具有低于所述芯區域折射率的第二折射率，這至少部分是因為其中存在非周期性分布的孔穴。因此，傳輸通過所述光纖的光大體上保留在所述芯內。所述孔穴的最大直徑優選等于或小于1550納米，所得的光纖在600-1550納米的至少一種波長下(最優選波長為1550納米)的衰減小于500dB/千米，更優選在1550納米小于200dB/千米。在本文中，“衰減”如未具體寫作“多模衰減”或“單模衰減”，則如果所述光纖在1550納米為多模的，則表示所述光纖的多模衰減，如果所述光纖在1550納米是單模的，則表示單模衰減。通過使用本文所述的產生孔穴的固結技術，可以制得一種光纖，該光纖具有包封區域，該包封區域的區域孔穴面積百分數大于0.5%，更優選約大于1%，更優選約大于5%，最優選約大于10%。具體來說，可以在與所述光纖的芯相距10微米的距離之內制備這種包含孔穴的包覆區域。盡管通過使用本文所述的技術可以避免使用用來調節折射率的摻雜劑，但是優選將至少一種氧化鍺或氟或類似的折射率調節摻雜劑與位于所述光纖的包覆區域內的非周期性分布的孔穴結合使用。但是，是否使用氧化鍺和/或氟并不是關鍵因素，例如，如果需要的話，所述光纖可以完全或基本不含氧化鍺和氟。在本文中，“非周期性分布”表示孔穴或空穴是非周期性的，即它們沒有周期性地設置在纖維結構之內。盡管本發明的方法不能使得各個獨立的孔穴相對于其它的獨立的孔穴周期性地設置(許多其它種類的微結構化的纖維是這樣周期性設置的)，但是本文所述的方法能夠在光纖徑向分布的各種位置設置較大量或較小量的孔穴。例如，通過使用本文所述的方法，可以使得與光纖芯相鄰的區域內孔穴的區域孔穴面積百分數高于光纖中其它區域(例如光纖芯之內或外部包覆區域)的百分數。類似地，可以沿著光纖的徑向和軸向(即沿長度方向)控制所述含孔穴的區域內的平均空穴尺寸和空穴尺寸分布。因此，可以在光纖內的一個區域設置空穴的均勻非周期性陣列，沿著所述纖維的長度，將相對孔穴面積百分數和此區域內平均空穴尺寸保持恒定。盡管所述光纖不限于任意特定的直徑，但是優選所述光纖的外徑小于775微米，更優選小于375微米，最優選小于200微米。
[0015]這種纖維可用于遠程通信網絡(通常是850，1310和1550納米窗口)，包括遠程通信、地鐵、存取、樓宇和數據中心，以及建筑物和移動物(小汽車、公共汽車、貨車、飛機)用途的數據遠程通信應用和控制區域網絡(通常為600-1000納米范圍)。這種遠程通信網絡通常包括與光纖光學連接的發送機和接收機。因此，對于許多應用，需要形成空穴，使得光纖包覆層中的最大空穴尺寸小于1550納米，更優選小于775納米，最優選約小于390納米。
[0016]這種光纖還可用作醫學、照明、光刻和工業應用的紫外至紅外光導管。一種優選的光纖的包覆層包括位于包覆層之內、優選與芯徑向相距10微米以內的大量非周期性分布的孔穴區域，沿光纖的徑向(垂直于光纖縱軸的橫截方向)測得所述孔穴的最大直徑等于或小于1550納米，更優選等于或小于775納米。另一種優選的光纖的包覆層，在包覆層中包含大量非周期性分布的孔穴區域，它們與芯間隔開，與芯徑向距離相距在20微米以內，所述孔穴沿光纖徑向測量的最大直徑等于或小于1550納米，更優選等于或小于775納米，最優選約小于390納米。另一種優選的光纖的包覆層，在包覆層中包含大量非周期性分布的孔穴區域，它們與芯的外邊緣的徑向距離在40微米以內，沿所述光纖的徑向距離測得，所述孔穴的最大直徑等于或小于1550納米，更優選等于或小于775納米，最優選約小于390納米。與現有技術已知的各種光纖相比，本文所揭示的光纖表現出大量優點。例如，與現有技術的光纖相比，本文所揭示的光纖能夠具有優良的抗彎曲性能，同時表現出極佳的模場直徑。說它優良，是指通過使用本文所揭示的方法，可以制造一種光纖，該光纖在1550納米為單模，在進行直徑20納米的彎曲的時候，能夠表現出每圈小于0.5dB的衰減增加，同時在1550納米表現出大于10微米、更優選大于11微米的模場直徑。這種極佳的彎曲性能使得這些光纖成為以下應用的吸引人的候選材料:光纖到戶、接入光纖(access fiber)、戶內光纖應用以及光纖跨接線(這些通常是短的光纖段(1-20米)，在各端具有連接器以與光學系統或器件相連)。例如，本文所揭示的光纖可用于包括發送器、接收器、與所述發送器和接收器光學連接的光纖在內的光纖遠程通信系統。較佳的是，在這些應用中(即當所述光纖在遠程通信系統中作為傳導光纖的時候)，所述光纖不含鉺之類的任意活性元素。
[0017]另外，本文所述的光纖可支承具有高數值孔徑(例如在1550納米大于0.2，更優選大于0.4，最優選大于0.6)，這促進了它們與其它光學激光源相連的能力和提高光纖連接器的耐受性。這種光纖還是用于車輛用途的極佳候選材料。在這樣的應用中，最優選光纖的最大孔穴尺寸約小于1550納米，更優選小于775納米，最優選約小于390納米。
[0018]本文揭示的光纖可通過較低成本的制造工藝來制造，因為如果需要的話，可以避免使用氟和/或氧化鍺之類的昂貴的摻雜劑，類似地，可以避免堆疊-拉制制造法。本發明還可進行靈活的色散控制(正的，平的或負的)，例如，對于信號處理完成大的正色散(在1550納米>30ps/nm/Km)，或者可以用于色散補償的負色散光纖(例如在1550納米〈-200ps/nm/Km)。或者本文所述的方法可簡單地為光纖的包覆層添加孔穴以提高其抗彎曲性，所述包覆層中摻雜了一種或多種以下材料:氧化鍺、磷、鋁、鐿、鉺、氟或其它常規光纖摻雜劑材料。在另一個實施方式中，本文所述的方法可用來制備二氧化硅芯的光纖(即芯內不含鍺摻雜劑的光纖)，其截止波長低于800納米，在1550納米下，其數值孔徑約大于0.08,更優選約大于0.10。
[0019]在下文的詳述中將更具體地描述本發明的其它特征和優點，本領域普通技術人員通過本文的描述或者通過實施本發明，可以很容易認識到這些特征和優點，本文的內容包括以下的詳述、權利要求書以及附圖。
[0020]應當理解，以上概述和以下本發明實施方式的詳述是用來提供概況或框架，以便理解所要求的本發明的性質和特征。用附圖來進一步理解本發明，附圖結合在說明書中，構成說明書的一部分。附圖顯示了本發明的各個實施方式，與說明書一起用來解釋本發明的原理和操作。
[0021]附圖簡述
[0022]圖1顯示了用來形成煙灰預成形體的OVD法。
[0023]圖2顯示了根據本發明的固結法的側視截面圖。
[0024]圖3顯示了用來形成芯條料的再拉制法。
[0025]圖4顯示了已經沉積在芯條料上的煙灰的固結。
[0026]圖5顯示了通過圖4所示固結步驟得到的完全固結的預成形體。
[0027]圖6顯示了根據本發明的一個實施方式制造的光纖的顯微照片。
[0028]圖7和圖8 —起顯示了可用于本發明的各種方法的管材制造法中的棒。
[0029]圖9顯示了可用于本發明的方法的拉制法和設備。
[0030]圖10顯示了根據本發明的一個實施方式制造的光纖的SEM顯微照片。
[0031]優選實施方式的詳述
[0032]本發明的方法采用預成形體固結條件，該條件足以使得顯著量的氣體被俘獲在固結的玻璃坯件中，從而在所述固結的玻璃光纖預成形體中形成孔穴。我們沒有通過一些步驟除去這些孔穴，而是使用所得的預成形體形成其中具有孔穴的光纖。
[0033]在通過常規的煙灰沉積法(例如外部氣相沉積(OVD)法或氣相軸向沉積(VAD)法)中，二氧化硅和摻雜的二氧化硅顆粒在火焰中通過火燒形成，以煙灰的形式沉積。對于0VD,通過使帶有煙灰的火焰橫過圓柱形靶棒的軸，逐層地將顆粒沉積在所述圓柱形靶棒的外面。然后，這種多孔的煙灰預成形體用干燥劑(例如氯)處理，以除去水和金屬雜質，然后在固結爐內，在1100-1500°C的溫度下進行固結或煅燒，形成不含孔穴的玻璃坯件。表面能驅動粘性流燒結是燒結的主要機理，造成密實化和煙灰孔的封閉，從而形成密實化的玻璃預成形體。在燒結的最后階段，隨著開放孔封閉，用于固結的氣體會被捕獲。如果玻璃內被捕獲的氣體在煅燒溫度下的溶解性和滲透性很高，則所述氣體將能夠在固結過程中遷移，穿過玻璃并到達玻璃以外。或者，在光纖制造過程的固結階段之后仍然被捕獲的氣體可通過以下方式排出:保持所述光纖預成形體一段時間，直至氣體遷移通過所述玻璃預成形體而排出，從而在所述預成形體內留下一個或多個中為真空的孔穴。在由所述預成形體拉制光纖的拉制操作過程中，這些孔穴會閉合，留下無孔穴或基本無孔穴的光纖。在用來制造常規傳輸光纖的固結過程中，目標是使制得的光纖的芯區域和包覆層區域中都完全不含孔穴。氦氣是一種在對常規光纖預成形體進行固結的過程中常用來形成氣氛的氣體。因為氦氣在玻璃中具有極高的可滲透性，其很容易在固結過程中從煙灰預成形體和玻璃中排出，使得在氦氣中固結之后，所述玻璃基本不含空穴或孔穴。
[0034]本發明使用一種預成形體固結條件，該條件能夠導致顯著量的氣體被捕獲在固結的玻璃坯件中，從而在固結的玻璃光纖預成形體中形成非周期性分散的孔穴。人們不是采取一些步驟來除去這些孔穴，而是故意地使用制得的預成形體形成其中具有孔穴的光纖。具體來說，通過使用可滲透性較低的氣體和/或較高的燒結速率，可以在固結過程中將孔穴捕獲在固結的玻璃內。在本文中，術語燒結玻璃或固結玻璃表示在化學氣相沉積煙灰沉積法(例如OVD或VAD沉積工藝)之后，經歷過煙灰固結步驟的玻璃。在所述煙灰固結步驟中，所述煙灰通過受到高熱而經歷致密化過程，從而除去開放的空隙(即沒有被致密化的玻璃包圍煙灰之間的孔穴或孔)，留下完全致密化的玻璃(盡管在本發明中仍然明顯剩余一些封閉的孔(即被完全致密化的玻璃包圍的孔穴或孔))。這種煙灰固結步驟優選在煙灰固結爐內進行。所述燒結速率可通過提高燒結溫度和/或提高煙灰預成形體通過固結爐的燒結區的向下進料速率而提高。在某些燒結條件下，可以制得一種玻璃，其中捕獲的氣體所占的面積分數占預成形體總面積或體積的顯著一部分。
[0035]在本發明的一個優選的實施方式中，通過使用本文所述的方法形成的光纖中的非周期性分布的空穴或孔穴位于光纖的包覆層中。這種孔穴用來降低折射率。通過設計固結參數，使空穴或孔穴的最大直徑小于將要沿所述光纖長度傳輸的光的波長(即對于用于遠程通信應用的光纖，為小于1550納米)，該光纖可有效地用來傳輸特定波長的信息。
[0036]圖1顯示了可根據本發明使用的煙灰光纖預成形體20的制造方法。在圖1所示的實施方式中，通過將含二氧化硅的煙灰22沉積在旋轉并平移的芯軸或餌棒(bait rod) 24上，形成了煙灰預成形體2。該工藝被稱為OVD或外部氣相沉積法。芯軸24優選是錐形的。所述煙灰22通過以下方式形成:將氣態形式的玻璃前體28送入燃燒器26的火焰30使其氧化。向燃燒器26提供甲烷(CH4)之類的燃料32以及氧氣之類的燃燒支持氣體34，并引燃以形成火焰30。質量流量控制器標為V，向燃燒器26計量提供合適量的合適摻雜劑化合物36 二氧化硅玻璃前體28、燃料32和燃燒支持氣體34，所有這些組分都優選是氣態形式的。玻璃形成體化合物28、36在火焰30中氧化，形成大體呈圓柱形的煙灰區23。具體來說，如果需要，可包含摻雜劑化合物36。例如，可以包含鍺化合物作為提高折射率的摻雜劑(例如提高光纖芯內的折射率)，或者可以包含含氟的化合物以降低折射率(例如光纖的包覆層和/或含孔穴的區域的折射率)。
[0037]如圖2所示，包含所述圓柱形煙灰區域23的煙灰預成形體20可以在固結爐29內固結，以形成固結的坯件31 (下面的圖3中所示)。在固結之前，除去圖1所示的芯軸24以形成空心的圓柱形煙灰坯件預成形體。在固結過程中，煙灰預成形體20例如通過固定機械結構21懸置在固結爐29的純石英馬弗管27中。較佳的是，在固結步驟之前，所述預成形體20暴露于干燥氣氛。例如，合適的干燥氣氛可包含約95-99%的氦氣以及1-5%的氯氣，干燥溫度約為950-1250°C，合適的干燥時間約為0.5-4.0小時。如果需要的話，可以使用例如包含氟或其它光纖摻雜劑的摻雜劑氣體對所述煙灰預成形體進行摻雜。例如，為了用氟摻雜，可以使用31^和/或CF4氣體。這種摻雜劑氣體可使用常規的摻雜溫度，例如在約950-1250°C下摻雜0.25-4小時。
[0038]在固結步驟(優選在煙灰干燥步驟之后進行)中，升高固結爐的溫度，預成形體20在合適的溫度下固結，例如在大約1390-1535°C下固結，以形成固結的預成形體。或者可以采用梯度燒結，使煙灰預成形體20被向下驅動通過固結爐29中溫度保持在大約1225-1550°C、更優選約1390-1535°C的熱區。例如，所述預成形體可保持在等溫區(在該區域內保持所需的干燥溫度(950-1250°C ))，然后以一定的速率驅動所述煙灰預成形體通過保持在所需固結溫度(例如1225-1550°C，更優選1390_1535°C )的區域，所述速率足以使預成形體20的溫度以大于1°C /分鐘的速率升高。所述固結爐的上部區域可保持在較低的溫度，這有助于干燥和雜質去除步驟。下部區域可保持在固結所需的較高溫度。在一個優選的實施方式中，所述包含煙灰的預成形體以第一向下進料速率向下進料通過固結熱區，然后該預成形體以第二向下進料速率向下進料通過第二熱區，所述第二向下進料速率小于第一向下進料速率。這種固結技術導致煙灰預成形體的外部比該預成形體其余部分更早地燒結，從而有助于捕獲氣體，這又有助于在所得的固結的玻璃中形成孔穴和保留這些孔穴。例如，所述預成形體可以以第一速度接觸這些合適的固結溫度(例如約高于1390°C)，所述第一速度足以使得預成形體的溫度以大于15°C /分鐘、更優選大于17°C /分鐘的速率升高，然后采用至少第二向下進料速率/固結溫度的組合，該組合足以使得所述預成形體以至少約12°C /分鐘、更優選大于14°C /分鐘的速率加熱。較佳的是，所述第一固結速率造成所述預成形體外部的升溫速率比所述第二固結速率的升溫速率高2V /分鐘以上，更優選高10°C /分鐘以上，更優選約高20°C /分鐘以上，最優選高50°C /分鐘以上。如果需要的話，可以采用第三固結步驟甚至五個或更多個另外的固結步驟，這些步驟以更慢的速率(例如小于10°C/分鐘)進行加熱。或者，所述煙灰預成形體可以通過以下方式以更快的速率燒結，以產生更多的孔穴:驅動煙灰預成形體通過溫度高于1550°C、更優選高于1700°C、更優選高于1900°C的燒結爐熱區。或者，可以使用與煙灰接觸的明火或者等離子炬在固結爐以外，以更快的速率使所述煙灰預成形體燒結。
[0039]可用于所述固結步驟的優選的燒結氣體(即在燒結步驟中圍繞所述預成形體的氣體)包含選自以下的至少一種氣體:氮氣、氬氣、CO2、氧氣、氯氣、CF4、CO、SO2、氪以及它們的混合物。這各種氣體在等于或低于所述根據本發明的方法適于形成孔穴的固結溫度的條件下在二氧化硅玻璃中具有較低的可滲透性。優選這些產生孔穴的氣體單獨或結合使用，其用量為5-100體積％，更優選約為20-100體積％，最優選約為40-100體積％。剩余的燒結氣體氣氛由合適的稀釋劑或載氣組成，例如氦氣、氫氣、氘或其混合物。在本文所述的一些實施方式中，例如當計劃在所述產生孔穴的固結過程之后，要通過OVD法在所得的玻璃預成形體或條料上沉積另外的煙灰的時候，優選使用包含小于10%的氧氣、更優選包含小于5%的氧氣、最優選基本不含氧氣的燒結氣體，否則便會由于與OVD過程中形成的氫氣接觸，造成一些種子(seed)的損失。一般來說，在燒結氣體中使用的產生孔穴的氣體(氮氣，Ar, CO2, O2, Cl2, CF4, CO, SO2,氪，或其混合物)的體積百分數越大，則所得的固結玻璃中會產生更大和更多的孔穴。更佳的是，用來在固結步驟過程中形成孔穴的燒結氣體包含選自以下的至少一種氣體:氮氣、氬氣、CO2、氧氣和氪，以及它們的混合物。這些氣體可以完全單獨使用，或者以這些氣體與氦氣之類的載氣的混合物的形式使用。一種特別優選的產生孔穴的氣體是氮氣。 申請人:已經發現，當氮氣和/或氬氣一起使用或獨立使用，作為產生孔穴的氣體的時候，優選所述氮氣和/或氬氣在所述燒結氣氛中的用量大于10體積％，更優選大于30體積％，更優選約大于50體積％，最優選約大于65體積％，剩余的燒結氣氛為氦氣之類的載氣。這些氣體已經以大于85體積％的濃度成功地使用。實際上，最高100%的氮氣、最高100%的氬氣，以及最高100%的氧氣已經被成功地使用。人們還通過在部分真空(例如其中將預成形體置于壓力約40-750托的燒結氣氛中)，在低可滲透性氣體(例如氮氣，氬氣，CO2,氧氣，氯氣，CF4, CO，SO2)中燒結煙灰來產生孔穴。通過使用本文所述的產生孔穴的固結技術，可以制得一種光纖，該光纖具有包覆層，所述包覆層包括具有孔穴的區域，該區域的孔穴區域孔穴面積％大于0.5%，更優選約大于1%，更優選約大于5%，最優選約大于10%。在本文中，區域孔穴面積％表示含孔穴的區域內孔穴的總面積除以所述含孔穴區域的總面積(沿垂直于所述光纖軸的橫截面觀察所述光纖)X 100，所述含孔穴的區域由所述含孔穴區域的內邊界和外邊界限定。例如，如果光纖中最靠內的孔穴的最內邊緣的徑向位置與光纖軸中線相距4微米，而所述光纖中最靠外的孔穴的外部邊界的徑向位置與中線相距60微米，則所述包含孔穴的區域的面積約為11309 - 50 = 11259平方微米。如果所述含孔穴的區域內所含的孔穴的總橫截面積為1100平方微米，則所述含孔穴的區域的孔穴面積％約為9.8%。
[0040]使用上述優選的燒結氣體時，需要使用一種固結方法，該方法包括以一定的速率和溫度條件，將所述預成形體向下進料，所述速率和溫度條件足以使得至少一部分所述固結氣體被故意捕獲。這可通過以下方式進行，例如:以至少約10°c /分鐘，更優選大于約12°C /分鐘，更優選大于約14°C /分鐘的方式對煙灰預成形體的至少一部分進行加熱。用于本發明的燒結溫度優選高于1100°C，更優選高于1300°C，更優選高于1400°C，最優選高于1450°C。一種特別優選的燒結溫度約為1490°C。
[0041]圖3顯示了用來拉制用于本發明的芯條料的方法。例如在一個這樣的實施方式中，如上文結合圖1所述形成了煙灰預成形體，然后使用常規的固結技術(例如使用高于1300°C的固結溫度，使用100%的氦氣氣氛)使得所述煙灰預成形體固結，形成不含孔穴的預成形體。例如，在使用光纖預成形體制備純二氧化硅芯光纖的時候，所述芯預成形體由較純的二氧化硅組成，其中不含顯著量的折射率調節摻雜劑。或者，在使用光纖預成形體制造純氧化鍺摻雜的芯光纖的時候，所述芯預成形體可由氧化鍺摻雜的芯區域以及任選的一部分包覆層(例如未摻雜的二氧化硅包覆層)組成。所得的固結的芯坯件31置于芯條料拉制爐37中，由其拉制至少一類具有減小的外直徑的棒形芯條料段33。將所述預成形體坯件31加熱至例如約1700-2000°C的溫度。控制器38通過給張力機械裝置40 (此處顯示為兩個驅動輪)提供合適的控制信號，以便以合適的速度下拉所述條料33，從而控制對所述條料施加的張力。通過這種方式，可以得到外徑為例如約1-16毫米的一定長度的芯條料33。然后將所述芯條料用作靶或芯軸24進行另外的煙灰沉積，或者在管內棒(rod in tube)過程中用作棒，這將在下文中進一步進行描述。
[0042]在一個優選的實施方式中，使用上文結合圖3所述的方法形成芯條料試件，其可作為另外的煙灰沉積的靶或者芯軸，然后其可使用本文所述的孔穴形成技術進行固結，從而最終成為光纖的包覆層。在一個這樣的實施方式中，例如，可使用完全固結的、無孔穴的玻璃芯條料作為圖1所示煙灰沉積步驟中的餌棒24。所述玻璃芯條料可以是未摻雜的二氧化硅，因而所得的光纖將是芯基本為純二氧化硅的二氧化硅芯光纖。或者，所述芯條料可以由一個或兩個摻雜的區域組成，這些摻雜的區域一起形成光纖的光傳輸芯區域。在將煙灰沉積在玻璃芯條料上之后，所述外部煙灰區域120可以如圖4所示在固結爐129內完全固結。較佳的是，在此固結步驟中，如圖5所示，如上所述進行形成孔穴的固結過程，以形成包含孔穴的固結的光纖預成形體150。
[0043]如上所述，用于形成孔穴的固結步驟的優選的氣體包括選自以下的至少一種氣體:氮氣、氬氣、CO2、氧氣、氯氣、CF4, CO、SO2、氪以及它們的混合物。優選這些產生孔穴的氣體單獨或組合使用，其用量為5-100體積％，更優選約為20-100體積％，最優選約為40-100體積％。剩余的燒結氣氛由合適的稀釋劑或載氣組成，例如氦氣、氫氣、氘或其混合物。一般來說，用于燒結氣體中的產生孔穴的氣體(氮氣，Ar, CO2, Kr, O2, Cl2, CF4, CO, SO2)的百分數越大，則所得的固結的玻璃中的孔穴將會越大和越多。一種特別優選的產生孔穴的氣體是氮氣，其用量優選大于10體積％，更優選大于30體積％，更優選約大于50體積％，最優選約大于65體積％，剩余的燒結氣氛為載氣，例如氦氣。人們還通過在部分真空(例如其中將預成形體置于壓力約40-750托的燒結氣氛中)，在低可滲透性氣體(例如氮氣，氬氣，CO2,氧氣，氯氣，CF4, CO, SO2)中燒結煙灰來產生孔穴，在此情況下不需要使用可滲透性較高的稀釋氣體，例如氦氣。通過使用本文所述的產生孔穴的固結技術，可以制得一種光纖，該光纖的包覆層包括含有孔穴的區域，該區域的區域孔穴面積百分數大于0.5% ,更優選約大于I %。甚至還可能使用這些技術獲得約大于5 %、甚至約大于10%的區域孔穴面積％。所述區域孔穴面積％優選小于50%，更優選小于20%。最優選的是，所述具有空穴的區域不會延伸到包覆層外部邊緣，以使得光纖外部之上具有開放的孔穴或空穴。
[0044]本發明所用的燒結溫度優選為1100_1550°C，更優選為1300_1500°C，最優選為1350-1500°C。一種優選的燒結溫度約為1490°C。對固結過程中使用的氣氛、在固結爐內的溫度以及預成形體固結速率進行選擇，使得在煙灰固結過程中，氣體被故意地捕獲在預成形體中，在固結的玻璃中形成空穴。這些包含氣體的孔穴優選在光纖拉制過程之前和/或過程中不會完全脫氣，使得在拉制成光纖之后，所述孔穴殘留在所述光纖中。可以對許多種工藝參數進行控制，以改變和控制孔穴的尺寸。例如，通過延長固結試件或升高固結溫度可以增大孔穴的尺寸，這是因為升高的溫度會造成捕獲在孔穴內的氣體膨脹。類似地，所述孔穴的尺寸和面積會受拉制條件的影響。例如，拉制爐內較長的加熱區和/或較快的拉制速度會增大所述孔的尺寸以及孔的面積百分數。通過選擇在固結溫度下在玻璃內滲透性更高的氣體，將會得到較小的孔穴。燒結速率還會對空穴尺寸和空穴數量造成顯著的影響。較快的燒結速率將會導致形成更多和更大的孔穴。但是采用過慢的燒結速率會導致不形成孔穴，這是因為氣體將會有時間通過玻璃而排出。因此，預成形體的向下進料速率和/或所用的固結溫度優選足夠高，以便對所述預成形體的至少一部分以約高于10°C /分鐘、更優選約高于12°C /分鐘、更優選約高于14°C /分鐘的速率進行加熱。一般來說，具有較低煙灰密度的光纖預成形體將會導致形成更多的孔穴。但是，在需要的時候，特殊光纖預成形體中沉積的煙灰的密度可以改變，以產生更多的空穴(更高的區域孔穴面積百分數)。例如，可以將高密度煙灰區域直接設置在固結的玻璃(例如純二氧化硅)芯條料上，然后在其上沉積密度低于第一煙灰區域的第二煙灰區域。我們發現這會使得芯附近(即在高密度煙灰區域)具有更高的孔穴面積百分數。所述含二氧化硅的煙灰的堆積密度優選約為0.10-1.7g/cc,更優選約為0.30-1.0g/cc。這種效果還可用來形成固結的包含孔穴的預成形體，其在包含低孔穴或不含孔穴的區域與含較高孔穴的區域之間交替；在至少100微米的距離內初始煙灰密度徑向變化大于3%。這種預成形體可用來例如制造具有包覆層區域的光纖，所述包覆層區域在無孔穴的玻璃和含孔穴的玻璃區域之間交替變化。具有這種交替的含孔穴區域和不含孔穴區域的纖維將表現出用作布拉格柵(Bragg grating)的性質。
[0045]參見圖5，使用上述技術，可以形成光纖預成形體150，其包括無孔穴的芯區域151，該芯區域151被包含大量孔穴的包覆層152包圍。通過在包覆層152中形成包含足量的具有合適尺寸孔穴的含孔穴區域，包覆層152將作為光學包覆層，在所述光纖預成形體被拉制成光纖之后，用來導引光通過芯區域151。或者所述含孔穴的區域可用來提高光纖的彎曲性能。如果需要的話，在將預成形體150拉制成光纖之前，可以將另外的煙灰沉積在包覆層區域152上并進行固結。所述另外的沉積的包覆材料可根據需要固結成包括孔穴，也可固結成不包括孔穴。
[0046]圖6顯示了由這種預成形體拉制成的光纖的一個例子。所述圖6的光纖包括純二氧化硅芯區域，該芯區域被包覆層區域包圍，所述包覆層區域包含孔穴，這些孔穴的位置能夠有效地引導光通過所述二氧化硅芯。圖6的光纖的基諧模式在1550納米下的衰減為0.28dB/km,即使該光纖是由較為粗糙的試驗制造設備制成的。但是，通過使用更為合適的設備，肯定可以達到在1550納米下小于0.2dB/km的衰減。
[0047]或者，可以不將煙灰沉積在已經形成的芯條料上，而采用上述的成形方法形成上文結合圖2所述的其中具有含孔穴的區域的固結玻璃管材，該管材可作為芯條料的套管。例如，上述方法可用來在可移除的芯軸24上形成煙灰預成形體，然后移除所述芯軸，如上所述使所述煙灰預成形體固結，形成固結的包含孔穴的玻璃管。所得的其中包含孔穴的管材65可作為芯條料35的套管。這種套管可通過例如管材制造技術中的常規的棒完成，如圖7和圖8所示。在圖7中，將純(即基本不含增大折射率的摻雜劑，例如鍺)二氧化硅芯條料35插入包含孔穴的包覆套管部分65中，但是所述芯區域或包覆層也可用常規的折射率調節劑(例如鍺或氟)進行摻雜。在圖8中，將芯條料35和包覆套管部分65加熱至合適的溫度(例如約高于1300°C至1500°C )，然后使用管材制造工藝步驟中公知的棒再拉制至較小直徑，從而形成光纖預成形體，該預成形體可以拉制成光纖，該光纖具有根據本發明被包含孔穴的包覆層區域包圍的純的二氧化硅芯區域。
[0048]在本文所述的任意實施方式中，所得的最終固結的光纖預成形體50可通過以下方式拉制成光纖:將所述預成形體置于圖9所示的拉制爐52內，然后用常規的方法和設備加熱和拉制光纖54。然后將光纖54在冷卻室55內冷卻，并用無接觸傳感器56測量最終直徑。可以使用涂敷設備58 (也是常規設備)施涂一層或多層涂層并固化。在拉制過程中，所述光纖54通過張力組件60，從而施加張力，由所述預成形體50拉制光纖54。通過控制設備61控制所述張力，以將光纖的直徑保持在預定的設定點。最后，用進料頭62將涂敷后的光纖54纏繞在光纖儲存線軸64上。
[0049]上面結合圖3所述用來形成芯條料的相同方法還可用來對包含孔穴的固結的管材進行再拉制。這種再拉制法可用來改變所述管材中包含的孔穴的尺寸。例如，在對包含孔穴的預成形體進行再拉制的時候，直徑減小得越厲害，則該預成形體中的孔穴尺寸將越小。
[0050]通過使用本文所述的產生孔穴的固結技術，我們制得了光纖，該光纖由具有第一折射率的芯區域和具有第二折射率的包覆層區域組成，所述第二折射率低于芯區域的第一折射率，使得傳輸通過所述光纖的光基本保持在芯內，使得所述孔穴位于其中，形成所述光纖的包覆層，所述孔穴的孔穴面積百分數基本不為零。
[0051]通過使用本文所述的技術，可以制得一種光纖，其中在光的功率分數大于80%的區域之內的任意孔穴的最大尺寸小于將要用于遠程通信自動化應用的傳輸的光的波長。所謂最大尺寸表示在沿著光纖軸向觀察的垂直橫截面中，任意特定孔穴的最大直徑。例如，人們已經制得這樣的光纖，其中在光的功率分數大于80% (更優選大于90%)的區域內，所有所述孔穴的最大尺寸小于5微米，更優選小于2微米，更優選小于I微米，最優選小于0.5微米。
[0052]通過使用本文所述的技術，可以制得具有含孔穴區域的光纖，其中區域孔穴面積百分數大于1%，更優選大于10%，最優選大于30%。
[0053]上述方法主要局限于制造二氧化硅芯光纖，即具有被含孔穴的包覆區包圍的較純的二氧化硅芯區的光纖。或者，如果需要，可以使用調節折射率的摻雜劑(單獨使用或共同使用)，以進一步相對于包覆層的折射率調節芯的折射率。例如，在一個這樣的優選實施方式中，將鍺芯條料用作起始棒，優選使用上述OVD沉積技術在其上沉積另外的煙灰包覆材料。然后如上所述使所述煙灰包覆區域固結，在摻雜氧化鍺的二氧化硅芯區域周圍形成包含孔穴的包覆區域。在包括折射率調節摻雜劑的另一個實施方式中，使用二氧化硅芯條料作為煙灰包覆區的起始棒。但是，在產生孔穴的固結步驟中，除了產生孔穴的摻雜劑氣體以外，還提供了氟摻雜劑源(例如SiF4氣體)以同時用氟摻雜所述含孔隙的區域。通過這種方式，可以在二氧化硅芯區域周圍形成氟摻雜的含孔穴的區域。
實施例
[0054]下面將通過以下實施例更進一步描述本發明。
[0055]步驟1-芯條料制備:通過標準OVD工藝制備了直徑為8毫米和15毫米的純二氧化硅芯條料。首先將S12煙灰(密度為0.5g/cc)沉積在可移除的餌棒上，然后移除所述餌棒，所得的煙灰使用標準固結法(在氦氣+3%的氯氣中，在1000°C下干燥2小時)固結，然后在僅含He的氣氛中，以6毫米/分鐘的向下進料速率使其向下驅動通過熱區(相當于3°C /分鐘的加熱速率)，以將煙灰燒結成透明的無孔穴的固結玻璃試件。該試件在500托的壓力(部分真空)下，在1900°C下沿中線再拉制，使得中線的空穴閉合，得到直徑為8毫米或15毫米的無空穴固結二氧化硅芯條料。除非另外說明，在下面的各個實施例中，當拉制光纖的時候，使用常規涂料(即常規的丙烯酸制劑一次涂料和二次涂料)對所述光纖進行涂敷。
[0056]實施例1:
[0057]使用外部氣相沉積法(即通過沉積在I米長X 10毫米直徑的可移除氧化鋁餌棒上)沉積3000克S12 (密度為0.48g/cc)煙灰，形成S12煙灰試件。然后移除所述氧化鋁餌棒，將由純(未摻雜)的固結的二氧化硅形成的直徑為8毫米的芯條料插入所述S12煙灰試件。然后如下對所述煙灰內的棒組件進行燒結。該組件首先在97%氦氣和3%氯氣的氣氛中，在1000°C下干燥，然后以32毫米/分鐘的速度驅動該組件在100%的氮氣燒結氣氛中，通過(使預成形體的升溫約為16°C /分鐘)設定在1500°C的熱區。然后所述預成形體組件再次向下驅動(即第二次)，以25毫米/分鐘的速率(預成形體加熱速率約為12.5°C /分鐘)通過熱區，最后以6毫米/分鐘的速率(約3°C /分鐘的加熱速率)進行最后燒結，以將所述煙灰燒結成接種氮氣(nitrogen-seeded)的外部包覆試件。使用所述第一個較高的向下進料速率以使得光纖預成形體的外部變光滑，這有助于將氣體捕獲在所述預成形體之內。然后將所述試件置于設定在1000°C的氬氣吹掃的保持加熱爐內24小時。
[0058]使用熱區長度約2.54厘、設定在2100°C的拉制爐，以I米/秒的速度將所得的光纖預成形體拉制成直徑為125微米的光纖。對所得光纖的橫截面端面的SEM分析(圖6)顯示了大約22微米直徑的實心二氧化硅芯和包覆層，所述包覆層的區域空穴面積％ (空穴面積除以含空穴的區域的面積X100)為3.5，平均直徑為0.3微米(300納米)，最大空穴直徑為0.50微米(500納米)，標準偏差為0.08微米，包括約3400個空穴，在整個光纖橫截面上得到共約7900個空穴。光纖的總空穴面積％ (空穴的面積除以光纖橫截面總面積X 100)約為3.4%。該光纖的光學性質為:在1550納米下的多模衰減為2.2dB/Km，在1550納米下的基諧模式的衰減為0.28dB/km。
[0059]實施例2:
[0060]將3000克S12 (密度為0.47g/cc)煙灰以火焰沉積方式沉積在I米長X 8毫米直徑的純二氧化硅芯條料上。然后該組件如下所述進行燒結。該組件首先在由氦氣和3%的氯氣組成的氣氛中在1000°C下干燥2小時，然后在70體積％氮氣和30體積％氦氣的氣氛中，以32毫米/分鐘的速率向下驅動通過設定在1500°C的熱區，然后以25毫米/分鐘的速率再向下驅動通過所述熱區，最后以6毫米/分鐘的速率燒結，以燒結所述煙灰，形成氮氣/氦氣接種的外覆試件。然后所述試件置于設定在1000°C的氬氣吹掃的保持加熱爐內24小時，以從試件中排出氦氣。
[0061]依照與實施例1所述類似的方式將所述試件拉制成直徑為125微米的光纖。對所得光纖的端面的SEM分析顯示了大約22微米直徑的實心二氧化硅芯和包覆層，所述包覆層的區域空穴面積氮氣填充孔穴％為4.5，平均直徑為0.45微米，最小直徑的空穴為0.03微米，最大直徑為1.17微米，標準偏差為0.19微米，包括約2300個空穴，在整個光纖橫截面上總共得到約8400個空穴。總光纖空穴面積％ (空穴面積除以光纖總橫截面積X 100)約為4.4%。按照多模衰減測量的時候，該光纖在1550納米下的光學性質為9.8dB/Km。
[0062]實施例3:
[0063]將3000克S12 (密度為0.46g/cc)煙灰以火焰沉積方式沉積在來自步驟I的I米長X8毫米直徑的純二氧化硅芯條料上。然后該組件如下所述進行燒結。該組件首先在由3%的氯氣和余量的氦氣組成的氣氛中在1000°C下干燥2小時，然后在50體積％氮氣和50體積％氦氣的氣氛中，以32毫米/分鐘的速率向下驅動通過設定在1500°C的熱區。然后該組件以25毫米/分鐘的速率再次向下驅動通過相同的熱區，然后以6毫米/分鐘的速率再次通過相同的熱區以進行最后燒結，以燒結所述煙灰，形成氮氣/氦氣接種的外覆試件。然后將所述試件置于設定在1000°C的氬氣吹掃的保持加熱爐內24小時，以從預成形試件中排出氦氣。
[0064]依照與實施例1所述類似的方式將所述試件拉制成直徑為125微米的光纖。對所得光纖的端面的SEM分析顯示了 22微米直徑的實心二氧化硅芯和包覆層，所述包覆層的區域空穴面積(氮氣)％為2.6，平均直徑為0.42微米，最小直徑的空穴為0.03微米，最大直徑為0.80微米，標準偏差為0.14微米，包括約2300個空穴，在整個光纖橫截面上總共得到約5700個空穴。總光纖空穴面積％ (空穴面積除以光纖總橫截面積X 100)約為2.5%。按照多模衰減測量的時候，該光纖在1550納米下的光學性質為11.9dB/Km。
[0065]實施例4:
[0066]將3000克S12 (密度為0.40g/cc)煙灰以火焰沉積方式沉積在來自步驟I的I米長X8毫米直徑的純二氧化硅芯條料上。然后該組件如下所述進行燒結。該組件首先在由氦氣和3%的氯氣組成的氣氛中在1000°C下干燥2小時，然后在30體積％氮氣和70體積％氦氣的氣氛中，以32毫米/分鐘的速率向下驅動通過設定在1500°C的熱區。然后該組件以25毫米/分鐘的速率再次向下驅動通過相同的熱區，然后以6毫米/分鐘的速率再次通過相同的熱區以進行最后燒結，以燒結所述煙灰，形成氮氣/氦氣接種的外覆試件。然后所述將試件置于設定在1000°C的氬氣吹掃的保持加熱爐內24小時，以從試件中排出氦氣。
[0067]依照與實施例1所述類似的方式將所述試件拉制成直徑為125微米的光纖。對所得光纖的端面的SEM分析顯示了 22微米直徑的實心二氧化硅芯和包覆層，所述包覆層的區域空穴面積(氮氣)％為2.0，平均直徑為0.37微米，最小直徑的空穴為0.03微米，最大直徑為0.89微米，標準偏差為0.13微米，包括約2100個空穴，在整個光纖橫截面上總共得到約8100個空穴。總光纖空穴面積％ (空穴面積除以光纖總橫截面積X 100)約為2.6%。按照多模衰減測量的時候，該光纖在1550納米下的光學性質為4.4dB/Km。
[0068]實施例5:
[0069]將3000克S12 (密度為0.38g/cc)煙灰以火焰沉積方式沉積在來自步驟I的I米長X8毫米直徑的純二氧化硅芯條料上。然后該組件如下所述進行燒結。該組件首先在由3%的氯氣和余量的氦氣組成的氣氛中在1000°C下干燥2小時，然后在15體積％氮氣和85體積％氦氣的氣氛中，以32毫米/分鐘的速率向下驅動通過設定在1500°C的熱區。然后該組件以25毫米/分鐘的速率再次向下驅動通過相同的熱區，然后以6毫米/分鐘的速率再次通過相同的熱區以進行最后燒結，以燒結所述煙灰，形成氮氣/氦氣接種的外覆試件。然后將所述試件置于設定在1000°C的氬氣吹掃的保持加熱爐內24小時，以從試件中排出氦氣。
[0070]依照與實施例1所述類似的方式將所述試件拉制成直徑為125微米的光纖。對所得光纖的端面的SEM分析顯示了 22微米直徑的實心二氧化硅芯和包覆層，所述包覆層的區域空穴面積(氮氣)％為2.0，平均直徑為0.37微米，最小直徑的空穴為0.03微米。按照多模衰減測量的時候，該光纖在1550納米下的光學性質為9.ldB/Km。
[0071]實施例6:
[0072]將3000克S12 (密度為0.5g/cc)沉積在I米長X 10毫米直徑的可移除氧化鋁餌棒上；沉積煙灰之后，移除氧化鋁餌棒。然后該組件如下所述進行燒結。該組件首先在由3%的氯氣和余量的氦氣組成的氣氛中在1000°C下干燥2小時，然后在100%氮氣氣氛中，以32毫米/分鐘的速率向下驅動通過設定在1500°C的熱區。然后該組件以25毫米/分鐘的速率再次向下驅動通過相同的熱區，然后以6毫米/分鐘的速率再次通過相同的熱區以進行最后燒結，以燒結所述煙灰，形成氮氣/氦氣接種的外覆試件。然后將所述試件置于設定在1000°C的氬氣吹掃的保持加熱爐內24小時，以排出氦氣。將來自步驟I的3毫米的純二氧化娃芯條料插入氮氣接種的S12玻璃試件的中線。
[0073]然后依照與實施例1相類似的方式將所得的光纖預成形體拉制成直徑為125微米的光纖，在中線上從試件頂部以〈250托(真空)的壓力牽拉，以確保在拉制過程中，包覆層與芯條料相匹配。對光纖端面的SEM分析顯示出8微米直徑的實心二氧化硅芯和包覆層，所述包覆層的區域空穴面積百分數(氮氣)為4.0%，平均直徑為0.33微米，最小直徑的空穴為0.03微米，最大直徑為0.82微米，標準偏差為0.14微米，包含約4100個空穴。該光纖的光學性質顯示其在大于大約800納米的波長下的單模形式，在850納米和1550納米下的衰減分別為4.8和4.5dB/Km,在1550納米下的模場直徑約為11微米。該光纖表現出高的抗彎曲性；其具有極低的衰減增大，在圍繞直徑10毫米的芯軸繞曲的時候，在1550納米下的衰減增大僅為每周2-8dB (相比之下，標準的市售S12-GeO20.35 Δ階躍折射率的常規單模光纖，對于相同的徑向彎曲，在1550納米下每周約為25dB的△衰減)。這說明本發明的含孔穴的包覆光纖在1550納米(即在直線長度上測得的衰減減去在繞芯軸繞轉(繞直徑為10毫米的芯軸卷繞)的相同長度的光纖上測得的衰減)可以具有小于40，更優選小于30，更優選小于20，最優選小于1dB/周的彎曲產生的Λ衰減(即衰減增大)。
[0074]實施例7:
[0075]將3000克S12 (0.5g/cc密度)以火焰沉積方式沉積在I米長X 8毫米直徑的條料上，其具有小基座(pedestal)，且具有階躍折射率(與條料中心相距0_1.3毫米半徑為0.39% Δ階躍(skp)，與條料中心相距1.3-2.3毫米半徑為0.06% Δ基座，與條料中心相距2.3-4毫米半徑為純二氧化硅)，即GeO2-S12K-基座，S12包覆條料依照與制備步驟I的條料類似的方法制造。然后該組件如下所述進行燒結。該組件首先在100%的空氣氣氛(?78體積％ N2+?21體積％ O2+?I體積％ Ar+?0.03體積％ CO2)中，在1000°C下保持2小時，然后在100%的空氣氣氛(?78體積％ N2+?21體積％ O2+?I體積％ Ar+?0.03體積％ CO2)中，該組件以6毫米/分鐘的速度向下驅動通過設定在1500°C的熱區，以燒結所述煙灰，形成空氣接種的(?78體積％ N2+?21體積％ O2+?I體積％ Ar+?0.03體積％ CO2)外包覆試件。該試件置于用氬氣吹掃的設定在1000°C的保持加熱爐內24小時。
[0076]依照與實施例1類似的方式將所得的光纖預成形體拉制成直徑為125微米的光纖。對光纖端面的SEM分析顯示，其具有半徑約為22微米的無孔穴實心芯條料(包含上面條料中所述的GeO2-S12芯)，其被外徑約為39微米的含孔穴的包覆區以及空穴包覆環包圍，空穴的區域孔穴面積百分數(?78體積％ N2+?21體積％ O2+?I體積％ Ar+?0.03體積％ CO2)為2.9%，平均直徑為0.29微米，最小直徑的空穴為0.03微米，最大直徑為1.4微米，其又被外徑為125微米的不含孔穴的純二氧化硅外包覆層包圍(所有的徑向尺寸是從所述光纖的中心測量的)，光纖橫截面中總共具有約350個空穴。因為較慢的向下驅動和燒結速率，所述空穴位于某一區域附近，該區域對應于GeO2-S12芯-S12包覆層芯條料在固結時的位置，從與光纖中線徑向距離22微米的位置延伸到光纖橫截面上徑向距離約為39微米處。總孔穴面積％ (空穴的面積除以光纖總橫截面積X 100)約為0.12%。該光纖的光學性質為:當作為多模衰減測量的時候，在850納米、1310納米和1550納米下分別為2.94，1.58和1.9dB/Km,當疊接成單模光纖的時候，對于基諧模式，在1310納米和1550納米下分別為0.42和0.29dB/Km。
[0077]實施例8:
[0078]在1900°C下，在再拉制爐內，將實施例2制得的固結的試件再拉制成8毫米的條料。將750克S12 (密度為0.54g/cc)煙灰的外包覆層以火焰沉積方式沉積在I米長X 8毫米直徑的包覆的芯條料上(即純二氧化硅芯，通過在實施例2中用70%氮氣+30%氦氣制成的空氣襯里(airline)包覆層)。然后該組件如下所述進行燒結。該組件首先在由氦氣和3%的氯氣組成的氣氛中在1000°C下干燥2小時，然后在100%氦氣的氣氛中，以6毫米/分鐘的速率向下驅動通過設定在1500°C的熱區。然后將所述試件置于設定在1000°C的氬氣吹掃的保持加熱爐內24小時，以將氦氣從試件中排出。位于包含空穴的包覆層區域外部的外包覆部分是不含空穴的無孔穴固結玻璃。
[0079]依照與實施例1所述類似的方式將所述試件拉制成直徑為125微米的光纖。對所得光纖的端面的SEM分析顯示了大約4微米半徑的實心二氧化硅芯，其被半徑約為18微米的含空氣襯里的近包覆層區域包圍，區域孔穴面積％ (氮氣)為2.9%，平均直徑0.45微米，最小直徑空穴為0.03微米，最大直徑為1.26微米，標準偏差為0.19微米，包含約300個空穴。所述含空氣襯里的包覆區域外面的外包覆部分是不含空穴的無孔穴固結玻璃(所有的徑向尺寸從中心測量)。總光纖孔穴面積％ (空穴面積除以光纖總橫截面積X 100)約為3.4%。該光纖在1550納米的多模衰減為10.5dB/Km。
[0080]實施例9:
[0081]將7000克S12 (密度為0.5g/cc)以火焰沉積方式沉積在I米長X 22毫米直徑的、具有階躍折射率的(0.35% Λ，0.33芯/包覆層直徑比)GeO2-S12 S-S12包覆層條料上(類似于用來制備步驟I的條料的方法)。然后該組件如下所述進行燒結。該組件首先在由氦氣和3%的氯氣組成的氣氛中在1000°C下干燥2小時，然后在2體積％C0+98體積％氦氣的氣氛中，以32毫米/分鐘的速率向下驅動通過設定在1500°C的熱區。然后該組件以25毫米/分鐘的速率，再次向下驅動通過相同的熱區和燒結氣氛，然后所述組件以6毫米/分鐘的速率再次向下驅動通過相同的熱區和燒結氣氛，以燒結所述煙灰，形成CO/氦氣接種的外包覆試件。將該試件置于用氬氣吹掃的設定在1000°c的保持加熱爐內24小時。
[0082]所得的光纖預成形體依照與實施例1類似的方式拉制成直徑為125微米的光纖。對光纖末端的SEM分析顯示，其具有直徑24微米的實心芯和內包覆層(8微米直徑的GeO2-S12芯，24微米直徑的S12內包覆層)，以及外包覆層，所述外包覆層的區域孔穴面積％ (CO)為1.8%，平均直徑為0.41微米，最小直徑空穴為0.03微米，最大直徑為0.84微米，標準偏差為0.21微米，包括約1100個空穴。該光纖的光學性質為，當作為多孔衰減測量的時候，在850、1310和1550納米分別為1.95，1.44和0.72dB/Km,當疊接成單模光纖，測量該光纖的基諧模式的時候，在1310納米和1550納米分別為0.30和0.43dB/Km。
[0083]實施例10:
[0084]將3000克S12 (密度為0.4g/cc)沉積在I米長X 10毫米直徑的可移除氧化鋁餌棒上；沉積煙灰之后，移除所述氧化鋁餌棒。然后該組件如下所述進行燒結。該組件首先在氦氣+3%氯氣的氣氛中，在1000°C下干燥2小時，然后在100% CF4的氣氛中，以32毫米/分鐘的速率向下驅動通過設定在1500°C的熱區。然后該組件以25毫米/分鐘的速率再次向下驅動通過相同的熱區和氣氛，然后該組件以6毫米/分鐘的速率再次向下驅動通過相同的熱區和氣氛以進行最后的燒結，將所述煙灰燒結成CF4 (以及/或者CF4-氣體與二氧化硅的反應產物，包括CO和CO2)-接種的外包覆試件。然后將該試件置于設定在1000°C的氬氣吹掃的保持加熱爐中24小時。
[0085]然后依照與實施例1類似的方式將所得的光纖預成形體拉制成直徑為125微米的光纖，不同之處在于，在中線上保持約850托氮氣正壓力的背壓，以保持中間的孔開放。對光纖端面的SEM分析顯示125微米的光纖，其具有直徑28微米的空穴作為芯，還具有包覆層，所述包覆層的區域孔穴面積％ (CF4AXVCO2)為2.8%，平均直徑為0.67微米，最小直徑的空穴為0.17微米，最大直徑為1.4微米，標準偏差為0.26微米，包括約700個空穴。
[0086]實施例11:
[0087]在再拉制爐中，在1900°C下，將實施例2中制得的固結的試件再拉制成8毫米的條料。將750克S12 (密度為0.56g/cc)煙灰的外包覆層以火焰沉積方式沉積在I米長X 8毫米直徑的純二氧化硅芯、空氣襯里包覆層(在實施例17中，通過100%的氮氣制成)條料上。然后該組件如下所述進行燒結。該組件首先在氦氣+3%氯氣的氣氛中、在1000°C下干燥2小時，然后在100體積％氮氣氣氛中，以32毫米/分鐘的速率向下驅動通過設定在1500°C的熱區，然后以25毫米/分鐘的速率再次向下驅動通過所述熱區，然后以6毫米/分鐘的速率進行最后的燒結，以燒結所述煙灰，形成氮氣/氦氣接種的外包覆試件。然后將該試件置于設定在1000°c的氬氣吹掃的保持加熱爐中24小時。
[0088]依照與實施例1類似的方式將所述試件拉制成直徑為125微米的光纖。對光纖端面的掃描電子顯微圖像分析顯示半徑約4微米的實心二氧化硅芯區域被外徑約16微米的含孔穴鄰近包覆層區域包圍，其包含約11.6體積％的空穴(氮氣)，平均空穴直徑為0.70微米，其被外徑為125微米的含孔穴二氧化硅外包覆層包圍(所有的徑向尺寸都是從光纖中心測量)，其包含4.7體積％的空穴(氮氣)，平均空穴直徑為0.54微米，最小直徑空穴為0.03微米，最大直徑為0.87微米，標準偏差為0.23微米。這就證明，相對于光纖半徑可以形成不同的孔穴含量，因此可以得到不同孔穴百分數的不同水平的折射率曲線。作為多模衰減測得，該光纖的光學性質為在1550納米為17.4dB/Km。
[0089]實施例12:
[0090]將500克S12 (密度為0.46g/cc)煙灰以火焰沉積方式沉積在I米長X 15毫米直徑的純二氧化硅芯條料上。然后該組件如下所述進行燒結。該組件首先在氦氣+3%氯氣的氣氛中，在1000°C下干燥2小時，然后在70體積％氮氣+30體積％ CF4的氣氛中，以32毫米/分鐘的速率向下驅動通過設定在1500°C的熱區。然后該組件以25毫米/分鐘的速率再次向下驅動通過相同的熱區和氣氛，然后該組件以6毫米/分鐘的速率再次向下驅動通過相同的熱區和氣氛以進行最后的燒結，將所述煙灰燒結成F摻雜+氮氣接種的外包覆試件。然后將該試件置于設定在1000°C的氬氣吹掃的保持加熱爐中24小時。
[0091]依照與實施例1類似的方式將所述試件拉制成直徑為125微米的光纖。對光纖端面進行的放大200倍和500倍的光學圖像分析顯示直徑約82微米的實心二氧化硅芯和包覆層，所述包覆層包含約9.0體積％的空穴(氮氣)，平均空穴直徑為0.73微米，最小直徑的空穴為0.03微米，最大直徑為2.0微米，標準偏差為0.40微米，包括約1200個空穴。當作為多模衰減測量的時候，該光纖的光學性質為在850納米、1310納米和1550納米分別為16.1、14.5和13.2dB/Km。當所述光纖圍繞半徑為5毫米的芯軸卷繞一圈的情況下，光學彎曲性能數據顯示在850和1550納米的衰減增加分別為1.85和0.67dB。制造了沒有孔穴的參比光纖，在包覆的時候使用SiF4+He燒結氣氛，得到沒有孔穴的光纖。該參比光纖的光學彎曲性質為:當所述光纖圍繞半徑為5毫米的芯軸卷繞一圈的情況下，光學彎曲性能數據顯示在850和1550納米的衰減增加分別為8.06和9.33dB。這些結果說明，包覆層中包含孔穴的光纖具有優良的彎曲性能。
[0092]實施例13:
[0093]將500克S12 (密度為0.53g/cc)煙灰以火焰沉積方式沉積在I米長X 15毫米直徑的GeO2-S12漸變折射率實心玻璃條料上(具有拋物線形折射率分布，峰上△折射率為2% (相對于二氧化硅))。然后該組件如下所述進行燒結。該組件首先在氦氣+3%氯氣的氣氛中，在1000°c下干燥2小時，然后在100%氮氣氣氛中，以32毫米/分鐘的速率向下驅動通過設定在1500°C的熱區。然后該組件以25毫米/分鐘的速率再次向下驅動通過相同的熱區和氣氛，然后該組件以6毫米/分鐘的速率在100%的氮氣中進行最后的燒結，以燒結所述煙灰，形成氮氣接種的外包覆試件。然后將該試件置于設定在1000°C的氬氣吹掃的保持加熱爐中24小時。
[0094]然后依照與實施例1類似的方式將所述試件拉制成直徑為125微米的試件。對光纖端面進行的放大200倍和500倍的光學圖像分析顯示，具有直徑約為81微米的實心氧化鍺摻雜的二氧化硅芯和包覆層，所述包覆層包含約3.5體積％的空穴(氮氣)，平均空穴直徑為0.46微米，最小直徑的空穴為0.04微米，最大直徑為0.97微米，標準偏差為0.16微米，包括約1500個空穴。當作為多模衰減測量的時候，所述光纖的光學性質為，在850納米、1310納米和1550納米下分別為3.36、1.09和0.84dB/Km。當所述光纖圍繞半徑為5毫米的芯軸卷繞一圈的情況下，光學彎曲性能數據顯示在850和1550納米的衰減增加分別小于0.70dB和0.55dB。測量了市售的62.5微米芯(GeO2-S12漸變折射率(具有拋物線形折射率分布，峰上△折射率為2% (相對于二氧化硅)))、直徑為125微米的無孔穴參比光纖的抗彎曲性能。當所述光纖圍繞半徑為5毫米的芯軸卷繞一圈的情況下，光學彎曲性能數據顯示在850和1550納米的衰減增加分別為1.13和1.20dB。這些結果說明包覆層中包含孔穴的光纖具有優良的彎曲性能。
[0095]實施例14:
[0096]將1200克S12 (密度為0.47g/cc)煙灰以火焰沉積方式沉積在I米長X 15毫米直徑的GeO2-S12漸變折射率實心玻璃條料上(具有拋物線形折射率分布，峰上△折射率為2% (相對于二氧化硅))。然后該組件如下所述進行燒結。該組件首先在氦氣+3%氯氣的氣氛中，在1000°C下干燥2小時，然后在100%氧氣氣氛中，以32毫米/分鐘的速率向下驅動通過設定在1500°C的熱區。然后該組件以25毫米/分鐘的速率再次向下驅動通過相同的熱區和氣氛，然后該組件再以6毫米/分鐘的速率在100%的氧氣中進行最后的燒結，以燒結所述煙灰，形成氧氣接種的外包覆試件。然后將該試件置于設定在1000°C的氬氣吹掃的保持加熱爐中24小時。
[0097]然后依照與實施例1類似的方式將所述試件拉制成直徑為125微米的試件。對光纖端面進行的放大200倍和500倍的光學圖像分析顯示，具有直徑約62.5微米的實心二氧化硅-氧化鍺芯和包覆層，所述包覆層包含約9.0體積％的空穴(氧氣)，平均空穴直徑為0.45微米，最小直徑的空穴為0.03微米，最大直徑為1.2微米，標準偏差為0.21微米，包括約400個空穴。當作為多模衰減測量的時候，所述光纖的光學性質為，在850納米、1310納米和1550納米下分別為3.00,0.74和0.45dB/Km。當所述光纖圍繞半徑為5毫米的芯軸卷繞一圈的情況下，光學彎曲性能數據顯示在850和1550納米的衰減增加分別小于0.03dB和0.0ldB。測量了市售的62.5微米芯(GeO2-S12漸變折射率(具有拋物線形折射率分布，峰上△折射率為2% (相對于二氧化硅)))、直徑125微米的無孔穴參比光纖的抗彎曲性能。當所述光纖圍繞半徑為5毫米的芯軸卷繞一圈的情況下，光學彎曲性能數據顯示在850和1550納米的衰減增加分別為1.13和1.20dB。這些結果說明包覆層中包含孔穴的光纖具有優良的彎曲性能。帶寬測量(過滿激勵(overfill launch))結果為，在850nm=200MHz*km,在1300nm = 500MHz*km。該實施例說明了在1550納米為多模的微結構化的光纖。該光纖包括具有第一折射率的芯區域和具有第二折射率的包覆層區域，所述第二折射率低于芯區域的第一折射率，使得將要傳輸通過所述光纖的光基本保持在芯內，所述包覆層中包括至少一個包括大量非周期性設置的孔穴的區域。該光纖優選在1550納米下是多模的，當圍繞半徑為5毫米的芯軸卷繞一周的時候，在1550納米下的衰減增加小于IdB/km,更優選小于0.75,最優選小于0.5db/km。
[0098]實施例15:
[0099]在具有長8英寸的設定在2000°C的熱區的爐內，以3米/秒的速率將實施例8所述的光纖預成形體拉制成直徑為125微米的光纖。對光纖端面的SEM分析顯示半徑約為4微米的實心二氧化硅芯被半徑約18微米的含空氣襯里的鄰近包覆層區域包圍，其區域孔穴面積％ (氮氣填充的)為8.5%，平均空穴直徑為0.63微米，最小空穴直徑為0.03微米，最大直徑為1.9微米，標準偏差為0.32微米，其又被外徑為125微米的不含孔穴的純二氧化硅外部包覆層包圍(所有的徑向尺寸都是從光纖的中心測量的)。實施例8中拉制的光纖的區域孔穴面積百分數(氮氣)僅為2.9%，平均直徑為0.45微米；因此證明拉制條件(此時為較長的熱區和更快的拉制速度)可用來控制空穴空氣填充比例和空穴直徑。位于含空氣襯里的包覆層區域外面的外包覆部分是不含空穴的無孔穴固結玻璃。
[0100]實施例16:
[0101]將3000克Si02(密度為0.53g/cc)煙灰以火焰沉積方式沉積在I米長X 8毫米直徑的純二氧化硅芯條料上。然后該組件如下所述進行燒結。該組件首先在氦氣+3%氯氣的氣氛中，在1000°C下干燥2小時，然后在100體積％氬氣氣氛中，以32毫米/分鐘的速度通過設定為1500°C的熱區，然后以25毫米/分鐘的速度再次向下驅動通過所述熱區，然后以6毫米/分鐘的速度在氬氣中進行最后燒結，以燒結所述煙灰，形成氬氣接種的外包覆試件。然后將該試件置于設定在1000°C的氬氣吹掃的保持加熱爐中24小時。該試件以與實施例1類似的方式拉制成直徑為125微米的光纖。SEM對光纖端面的分析顯示了直徑約22微米的實心二氧化硅芯和包覆層，所述包覆層的區域孔穴面積％ (氬氣)約為8.0%，平均空穴直徑為0.35微米，最小直徑空穴為0.03微米，最大直徑為0.85微米，標準偏差為0.15微米。當作為多模衰減測量的時候，該光纖的光學性質為:在1310納米和1550納米下分別為1.65和1.20dB/Km。
[0102]實施例17:
[0103]將3000克S12 (密度為0.55g/cc)煙灰以火焰沉積方式沉積在I米長X 8毫米直徑的純二氧化硅芯條料上。然后該組件如下所述進行燒結。該組件首先在氦氣+3%氯氣的氣氛中，在1000°C下干燥2小時，然后在100體積％氮氣氣氛中，以32毫米/分鐘的速度通過設定為1500°C的熱區，然后以25毫米/分鐘的速度再次向下驅動通過所述熱區，然后以6毫米/分鐘的速度進行最后燒結，以燒結所述煙灰，形成氮氣接種的外包覆試件。然后將該試件置于設定在1000°C的氬氣吹掃的保持加熱爐中24小時。該試件以與實施例1類似的方式拉制成直徑為125微米的光纖。SEM對光纖端面的分析顯示了直徑約為22微米的實心二氧化硅芯和包覆層，所述包覆層的區域孔穴面積％ (氮氣)為2.0%，平均直徑為0.22微米，最小直徑空穴為0.03微米，最大直徑為0.50微米，標準偏差為0.08微米。當作為多模衰減測量的時候，該光纖的光學性質為:在1310納米和1550納米下分別為1.28和0.87dB/Km,當該光纖疊接成單模光纖的時候，測量該光纖的基諧模式，在1550納米下為0.28dB/Km。
[0104]實施例18:
[0105]將4600克S12 (密度為0.42g/cc)煙灰以火焰沉積方式沉積在I米長X 10毫米直徑的、具有階躍折射率的(0.35% Λ，0.33芯/包覆層直徑比)GeO2-S12芯-S12包覆層條料上(類似于用來制備步驟I的條料的方法)。然后該組件如下所述進行燒結。該組件首先在由氦氣和3%的氯氣組成的氣氛中在1000°C下干燥2小時，然后在100體積％氧氣的氣氛中，以6毫米/分鐘的速率向下驅動通過設定在1500°C的熱區，以燒結所述煙灰，形成氧氣接種的外包覆試件。將該試件置于用氬氣吹掃的設定在1000°C的保持加熱爐內24小時，以將氦氣從所述試件中排出。
[0106]所得的光纖預成形體以18米/秒的速度，在具有設定在2000°C的8英寸長的熱區的爐內拉制成直徑為125微米的光纖。該試件以與實施例15類似的方式拉制成直徑為125微米的光纖。對光纖端面的SEM分析顯示，其具有半徑約為4微米的GeO2-S12中心芯區域，其被外半徑約12微米的無孔穴鄰近包覆層區域包圍，后者又被外半徑約為18微米的含孔穴的包覆層區域包圍，而所述半徑約為18微米的含孔穴的包覆層區域又被外直徑為125微米的無孔穴的純二氧化硅包覆層包圍(所有的徑向尺寸都是從光纖中心測量的)。所述含孔穴的環區域在該區域內的區域空穴面積％為4.2% (100體積％的O2)，平均直徑為0.53微米，最小直徑的空穴為0.18微米，最大直徑為1.4微米，光纖橫截面中空穴總數約為85。由于較慢的向下驅動和燒結速率，孔的位置與某一區域相鄰，所述區域對應于GeO2-S12芯-S12包覆層芯條料在固結過程的位置，在光纖橫截面上從與光纖中線徑向相距12微米的位置延伸到約18微米的徑向距離。總光纖孔穴面積％ (空穴面積除以光纖總橫截面積X 100)約為0.21%。該光纖的光學性質為:在1310和1550納米下分別為0.34和0.21dB/Km，光纖截止(fiber cutoff)顯示該光纖在高于1230納米時為單模形式，使得光纖在高于1230納米的波長下為單模形式。測量該光纖的一部分圍繞直徑為10毫米的芯軸的彎曲性能，光纖在1550納米下的衰減增加約為0.7dB/圈，從而證明使用本發明揭示的方法，圍繞直徑為10毫米的芯軸甚至可以達到小于5dB/圈的衰減增大。測量了光纖的相同部分圍繞直徑為20毫米的芯軸的彎曲性能，光纖在1550納米下的衰減增加約為0.0SdB/圈，因此證明使用本發明的方法，在圍繞直徑為20毫米的芯軸的時候，衰減增大可以小于IdB/圈，更優選小于0.5dB/圈。
[0107]實施例19
[0108]通過OVD將290克Si02(密度為0.47g/cc)煙灰沉積在完全固結的I米長X 10.4毫米直徑的、具有階躍折射率的(0.35% Λ，0.33芯/包覆層直徑比)GeO2-S12 S-S12包覆層芯條料上，從而制得一種預成形體，該預成形體包括固結的芯區域，該芯區域被固結的二氧化硅包覆區域包圍，后者又被煙灰二氧化硅區域包圍。然后如下所述對該組件的煙灰包覆層進行燒結。該組件首先在氦氣和3%氯氣的氣氛中，在1000°C下干燥2小時，然后以200毫米/分鐘的速度向下驅動該組件在100%的氧氣燒結氣氛中，通過設定在1490°C的熱區(使得在向下驅動的過程中，煙灰預成形體外部的升溫速率約為100°C /分鐘)。然后所述預成形體組件再次向下驅動(即第二次)，以100毫米/分鐘的速率通過熱區(使得在向下驅動的過程中，煙灰預成形體外部的升溫速率約為50°C /分鐘)。然后，所述預成形體組件再次向下驅動(即第三次)，以50毫米/分鐘的速率通過熱區(使得在向下驅動的過程中，煙灰預成形體外部的升溫速率約為25°C /分鐘)。然后，所述預成形體組件再次向下驅動(即第四次)，以25毫米/分鐘的速率通過熱區(使得在向下驅動的過程中，煙灰預成形體外部的升溫速率約為12.5°C /分鐘)。然后，在6毫米/分鐘的速度下(約:TC /分鐘的加熱速率)進行最后的燒結，以將所述煙灰燒結成接種氧氣的外部包覆試件。利用所述第一系列較高的向下進料速率使光纖預成形體的外部變光滑，這有助于將氣體捕獲在所述預成形體之內。然后，將所述試件置于設定在1000°C的氬氣吹掃的保持加熱爐內24小時。然后將所述預成形體放回車床內，在其中通過OVD再沉積3600克另外的S12 (密度為
0.42g/cc)煙灰。然后，用于該組件中該包覆層(可稱為外部包覆層)的煙灰如下所述進行燒結。該組件首先在97%氦氣和3%氯氣的氣氛中，在1000°C下干燥2小時，然后在100體積％氦氣的氣氛中，以6毫米/分鐘的速度向下驅動其通過設定在1500°C的熱區，以燒結所述煙灰，形成含氧化鍺的無孔穴芯、二氧化硅無孔穴內部包覆層、二氧化硅氧氣接種環(即具有含氧氣的空穴的二氧化硅)，以及不含孔穴的外部包覆試件。然后將該試件置于設定在1000°C的氬氣吹掃的保持加熱爐中24小時，以使氬氣從試件中排出。然后在具有8英寸長的設置在2000°C的熱區的爐內，在20米/秒的速度下將所述光纖預成形件拉制成直徑約為125微米的光纖。對光纖端面的SEM分析顯示，其具有半徑約為4微米的GeO2-S12芯，該芯被外部半徑為12微米的無孔穴鄰近包覆層區域包圍，后者又被外部半徑為18微米的含孔穴的包覆層區域(環厚度約6微米)包圍，所述外部半徑為18微米的含孔穴的包覆層區域又被外部直徑約為125微米的無孔穴純二氧化硅外部包覆層包圍(所有的徑向尺寸都是從光纖的中心測量)。所述含孔穴的環區域中區域空穴面積百分數為2.7% (100體積％的氧氣)，平均直徑為0.36微米，最小直徑空穴為0.05微米，最大直徑為0.8微米，在光纖橫截面中總共有大約105個空穴。光纖總空穴面積百分數(空穴面積除以光纖總橫截面積X 100)約為0.1%0該光纖的光學性質為:在1310和1550納米分別為0.33和0.19dB/Km,光纖截止波長約為1250納米，使得該光纖在高于1250納米的波長下為單模形式。測量該光纖的一部分圍繞直徑為10毫米的芯軸的彎曲性能，光纖在1550納米下的衰減增加約為0.2dB/圈，從而證明圍繞直徑為10毫米的芯軸甚至可以達到小于IdB/圈、優選小于
0.5dB/圈的衰減增大。測量了光纖的相同部分圍繞直徑為20毫米的芯軸的彎曲性能，光纖在1550納米下的衰減增加約為0.02dB/圈，因此證明在圍繞直徑為20毫米的芯軸的時候，衰減增大可以小于IdB/圈，更優選小于0.1dB/圈，更優選小于0.05dB/圈。測量了光纖的相同部分圍繞直徑為6毫米的芯軸的彎曲性能，光纖在1550納米下的衰減增加約為2dB/圈，因此證明在圍繞直徑為6毫米的芯軸的時候，衰減增大可以小于1dB/圈，更優選小于5dB/圈，更優選小于3dB/圈。
[0109] 實施例20
[0110]通過OVD將450克Si02(密度為0.37g/cc)煙灰沉積在完全固結的I米長X 22毫米直徑的、具有階躍折射率的(0.35% Λ，0.33芯/包覆層直徑比)GeO2-S12芯-S12包覆層芯條料上，從而制得一種預成形體，該預成形體包括固結的芯區域，該芯區域被固結的二氧化硅包覆區域包圍，后者又被煙灰二氧化硅區域包圍。然后如下所述對該組件的煙灰包覆層進行燒結。該組件首先在氦氣和3%氯氣的氣氛中，在1000°C下干燥2小時，然后以200毫米/分鐘的速度向下驅動該組件在100%的氮氣燒結氣氛中，通過設定在1490°C的熱區(使得在向下驅動的過程中，煙灰預成形體外部的升溫速率約為100°C /分鐘)。然后，所述預成形體組件再次向下驅動(即第二次)，以100毫米/分鐘的速率通過熱區(使得在向下驅動的過程中，煙灰預成形體外部的升溫速率約為50°c /分鐘)。然后，所述預成形體組件再次向下驅動(即第三次)，以50毫米/分鐘的速率通過熱區(使得在向下驅動的過程中，煙灰預成形體外部的升溫速率約為25°C /分鐘)。然后，所述預成形體組件體再次向下驅動(即第四次)，以25毫米/分鐘的速率通過熱區(使得在向下驅動的過程中，煙灰預成形體外部的升溫速率約為12.5°C /分鐘)，然后在6毫米/分鐘的速度下(約3°C /分鐘的加熱速率)進行最后的燒結，以將所述煙灰燒結成接種氮氣的外部包覆試件。利用所述第一系列較高的向下進料速率使光纖預成形體的外部變光滑，這有助于將氣體捕獲在所述預成形體之內。然后將所述試件置于設定在1000°C的氬氣吹掃的保持加熱爐內24小時。然后在再拉制爐內，在1900°C的溫度下將該試件再拉制成直徑為13毫米的條料。將之前步驟制得的I米長X 13毫米直徑的條料放回車床內，在其中通過OVD再沉積4700克另外的S12 (密度為0.37g/cc)煙灰。然后，用于該組件中該包覆層(可稱為外部包覆層)的煙灰如下所述進行燒結。該組件首先在97%氦氣和3%氯氣的氣氛中，在1000°C下干燥2小時，然后在100體積％氦氣的氣氛中，以6毫米/分鐘的速度向下驅動其通過設定在1500°C的熱區，以燒結所述煙灰，形成含氧化鍺的無孔穴芯、二氧化硅無孔穴內部包覆層、二氧化硅氮氣接種環(即具有含氮氣的空穴的二氧化硅)，以及不含孔穴的外部包覆試件。然后將該試件置于設定在1000°C的氬氣吹掃的保持加熱爐中24小時，以使得氬氣從試件中排出。然后在具有8英寸長的設置在2000°C的熱區的爐內，在10米/秒的速度下將所述光纖預成形件拉制成直徑約為125微米的光纖。對光纖端面的光學纖維圖像分析顯示，其具有半徑約為4微米的GeO2-S12芯，該芯被外部半徑為12微米的無孔穴鄰近包覆層區域包圍，后者又被外部半徑為15微米的含孔穴的包覆層區域(環厚度約為3微米)包圍，所述外部半徑為15微米的含孔穴的包覆層區域又被外部直徑約為125微米的無孔穴純二氧化硅外部包覆層包圍(所有的徑向尺寸都是從光纖的中心測量)。所述含孔穴的環區域中，區域空穴面積百分數約為3% (100體積％的氮氣)，平均直徑為0.2微米。光纖總空穴面積百分數(空穴面積除以光纖總橫截面積X 100)約為0.1 %。該光纖的光學性質為:在1310和1550納米分別為0.34和0.196dB/Km,光纖截止波長約為1290納米，使得該光纖在高于1290納米的波長下為單模形式。測量該光纖的一部分圍繞直徑為10毫米的芯軸的彎曲性能，光纖在1550納米下的衰減增加約為0.1ldB/圈，從而證明圍繞直徑為10毫米的芯軸甚至可以達到小于IdB/圈、優選小于0.5dB/圈的衰減增大。測量了光纖的相同部分圍繞直徑為20毫米的芯軸的彎曲性能，光纖在1550納米下的衰減增加約為0.016dB/圈，因此證明在圍繞直徑為20毫米的芯軸的時候，衰減增大可以小于IdB/圈，更優選小于0.1dB/圈，更優選小于0.05dB/圈。
[0111]實施例21
[0112]通過OVD將130克S12 (密度為0.37g/cc)煙灰沉積在完全固結的I米長X 10.5毫米直徑的、具有階躍折射率的(0.35% Λ，0.33芯/包覆層直徑比)GeO2-S12 S-S12包覆層芯條料上，從而制得一種預成形體，該預成形體包括固結的芯區域，該芯區域被固結的二氧化硅包覆區域包圍，后者又被煙灰二氧化硅區域包圍。然后如下所述對該組件的煙灰包覆層進行燒結。該組件首先在氦氣和3%氯氣的氣氛中，在1000°C下干燥2小時，然后以200毫米/分鐘的速度向下驅動該組件在100%的氬氣燒結氣氛中，通過設定在1490°C的熱區(使得在向下驅動的過程中，煙灰預成形體外部的升溫速率約為100°C/分鐘)。然后，所述預成形體組件再次向下驅動(即第二次)，以100毫米/分鐘的速率通過熱區(使得在向下驅動的過程中，煙灰預成形體外部的升溫速率約為50°C /分鐘)。然后，所述預成形體組件再次向下驅動(即第三次)，以50毫米/分鐘的速率通過熱區(使得在向下驅動的過程中，煙灰預成形體外部的升溫速率約為25°C /分鐘)。然后，所述預成形體組件再次向下驅動(即第四次)，以25毫米/分鐘的速率通過熱區(使得在向下驅動的過程中，煙灰預成形體外部的升溫速率約為12.5°C /分鐘)，然后在6毫米/分鐘的速度下(約3°C /分鐘的加熱速率)進行最后的燒結，以將所述煙灰燒結成接種氬氣的外部包覆試件。利用所述第一系列較高的向下進料速率使光纖預成形體的外部變光滑，這有助于將氣體捕獲在所述預成形體之內。然后將所述試件置于設定在1000°C的氬氣吹掃的保持加熱爐內24小時。然后將所述預成形體放回車床內，在其中通過OVD再沉積5000克另外的S12 (密度為0.44g/cc)煙灰。然后，用于該組件中該包覆層(可稱為外部包覆層)的煙灰如下所述進行燒結。該組件首先在97%氦氣和3%氯氣的氣氛中，在1000°C下干燥2小時，然后在100體積％氦氣的氣氛中，以6毫米/分鐘的速度向下驅動其通過設定在1500°C的熱區，以燒結所述煙灰，形成含氧化鍺的無孔穴芯、二氧化硅無孔穴內部包覆層、二氧化硅氬氣接種環(即具有含氬氣的空穴的二氧化硅)，以及不含孔穴的外部包覆試件。然后將該試件置于設定在1000°C的氬氣吹掃的保持加熱爐中24小時，以使得氬氣從試件中排出。然后在具有8英寸長的設置在2000°C的熱區的爐內，在20米/秒的速度下將所述光纖預成形件拉制成直徑約為125微米的光纖。對光纖端面的光學纖維圖像分析顯示，其具有半徑約4微米的Ge02-Si02芯，該芯被外部半徑為12微米的無孔穴鄰近包覆層區域包圍，后者又被外部半徑為16微米的含孔穴的包覆層區域(環厚度約為4微米)包圍，所述外部半徑為16微米的含孔穴的包覆層區域又被外部直徑約為125微米的無孔穴純二氧化硅外部包覆層包圍(所有的徑向尺寸都是從光纖的中心測量)。所述含孔穴的環區域中包含氬氣，孔穴的平均直徑約0.3微米。該光纖的光學性質為:在1310和1550納米分別為0.37和0.226dB/Km,光纖截止波長約為1270納米，使得該光纖在高于1270納米的波長下為單模形式。測量該光纖的一部分圍繞直徑為10毫米的芯軸的彎曲性能，光纖在1550納米下的衰減增加約為0.27dB/圈，從而證明圍繞直徑為10毫米的芯軸甚至可以達到小于IdB/圈、優選小于
0.5dB/圈的衰減增大。測量了光纖的相同部分圍繞直徑為20毫米的芯軸的彎曲性能，光纖在1550納米下的衰減增加約為0.026dB/圈，因此證明在圍繞直徑為20毫米的芯軸的時候，衰減增大可以小于IdB/圈，更優選小于0.1dB/圈，更優選小于0.05dB/圈。
[0113]比較例:
[0114]依照與實施例1類似的方式制備了試件，不同之處在于在僅含氦氣的氣氛中進行燒結。該組件首先在氦氣+3%氯氣的氣氛中,在1000°C下干燥2小時，然后在100%氦氣氣氛中，以32毫米/分鐘的速度向下驅動所述組件通過設定在1500°C的熱區。然后該組件以25毫米/分鐘的速度通過相同的熱區和氣氛，然后該組件以6毫米/分鐘的速度再次通過相同的熱區和氣氛以進行最后的燒結。如我們所預期，發現所述包覆玻璃不含種子。該試件在設定在1000°C的氬氣吹掃的保持加熱爐內放置24小時以排出氦氣。然后依照與實施例1類似的方式將所述試件拉制成125微米的光纖，發現其不含空穴(如預期)。通過回切法(cutback method)測得2.4Km長的光纖無法傳輸光(說明衰減大于100dB/Km)；這是預料之中的，因為在芯和包覆層之間沒有折射率差異。
[0115]比較例:
[0116]依照與實施例1類似的方式制備了試件，不同之處在于在僅含氦氣的氣氛中進行燒結。該組件首先在氦氣+3%氯氣的氣氛中,在1000°C下干燥2小時，然后在100%氦氣氣氛中，以32毫米/分鐘的速度向下驅動所述組件通過設定在1500°C的熱區。然后該組件以25毫米/分鐘的速度通過相同的熱區和氣氛，然后該組件以6毫米/分鐘的速度再次通過相同的熱區和氣氛以進行最后的燒結。如我們所預期，發現所述包覆玻璃不含種子。該試件在設定在1000°C的氬氣吹掃的保持加熱爐內放置24小時以排出氦氣。然后依照與實施例1類似的方式將所述試件拉制成125微米的光纖，發現其不含空穴(如預期)。通過回切法測得2.4Km長的光纖無法傳輸光(說明衰減大于100dB/Km);這是預料之中的，因為在芯和包覆層之間沒有折射率差異。
[0117]本領域技術人員可以很明顯地看出，可以在不背離本發明精神和范圍的前提下進行各種改良和改變。因此本發明包括所有的這些改良和改變，只要其包括在所附權利要求書及其等價內容的范圍內。
【權利要求】
1.一種微結構化的光纖，其包括: 具有第一折射率并且不含孔穴的芯區域；和 具有第二折射率的包覆層區域； 所述第二折射率小于芯區域的第一折射率，使得通過所述光纖傳輸的光基本被保持在所述芯內，從橫截面觀察，所述包覆層中包括至少一個由大量非周期性定位的孔穴組成的區域，大于95 %的所述孔穴的最大直徑等于或小于775納米，所述光纖在600-1550納米之間的至少一種波長下的衰減小于500dB/km ； 沿光纖長度方向的不同位置所取的橫截面呈現不同的隨機取向的空穴圖案和不同的隨機取向的空穴尺寸。
2.如權利要求1所述的微結構化的光纖，其特征在于，所述光纖在1550納米的衰減小于 200dB/km。
3.一種微結構化的光纖，其包括: 具有第一折射率并且不含孔穴的芯區域；和 具有第二折射率的包覆層區域； 所述第二折射率低于芯區域的第一折射率，使得在所述光纖中傳輸的光基本保持在芯區域內，所述包覆層中包括含有孔穴的區域，從橫截面觀察，所述含有孔穴的區域由大量非周期性定位的孔穴組成，所述光纖在沿光纖長度的不同的點具有不同的所述孔穴的橫截面圖案，所述含孔穴的區域中至少95%的孔穴的最大直徑等于或小于1550納米，所述光纖的總光纖孔穴面積百分數大于0.01%。
4.如權利要求3所述的微結構化的光纖，其特征在于，所述光纖的總光纖孔穴面積百分數小于10%，所述相對孔穴面積百分數沿所述光纖的長度保持固定。
5.如權利要求3所述的微結構化的光纖，其特征在于，所述光纖的平均光纖直徑小于1550納米，所述空穴的標準偏差小于1微米。
6.一種制造光纖的方法，該方法包括: 通過CVD操作形成包含煙灰的光纖預成形體； 在一定的氣體氣氛和條件下使得所述含煙灰的預成形體中的煙灰固結，所述條件足以在所述固結步驟中將所述氣體氣氛的一部分捕獲在所述預成形體中，從而形成在所述預成形體中具有孔穴的固結的預成形體， 在制造過程中使用所述預成形體制造光纖，所述光纖包括具有第一折射率并且不含孔穴的芯區域和具有第二折射率的包覆層區域，所述第二折射率小于芯區域的第一折射率，所述包覆層中包括一個區域，該區域中包含圍繞所述芯的非周期性定位的孔穴，在從橫截面觀察所述光纖的時候，總光纖孔穴面積百分數大于0.05%。
7.如權利要求6所述的方法，其特征在于，所述固結步驟包括:在爐內，在高于1500°C的溫度下使得所述包含煙灰的預成形件固結，以大于每分鐘10°c的至少一個第一溫度變化速率加熱所述預成形件，所述氣體氣氛包括選自以下的至少一種氣體:氮氣、氬氣、0)2、氧氣、氯氣、cf4、co、so2和它們的混合物，在制造過程中使用所述預成形體的步驟包括用所述預成形體拉制光纖，使得在固結步驟中形成的所述孔穴保留在所述光纖中。
8.如權利要求6所述的方法，其特征在于，在所述固結步驟中，所述包含煙灰的預成形體包括至少一個無孔穴的芯區域，在其上已經通過所述CVD操作沉積了另外的煙灰，所述固結步驟得到在所述固結的預成形體的所述包覆層區域中具有孔穴的所述預成形體。
9.如權利要求6所述的方法，其特征在于，各個所述孔穴的最大橫截面直徑小于1550納米。
10.如權利要求9所述的方法，其特征在于，所述固結步驟包括:首先對所述預成形體施加約高于1500°C的溫度，并以一定的進料速率向固結爐內進料，所述溫度和進料速率足以使得所述預成形體的至少一部分以約大于12°C /分鐘的速率升溫。
【文檔編號】G02B6/02GK104238001SQ201410498853
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2006年10月19日 優先權日:2005年11月8日
【發明者】D·C·布克賓德, R·M·菲亞克, M·-J·李, M·T·穆塔格, P·坦登 申請人:康寧股份有限公司