[发明专利]精确形状的芯式光纤及其制造方法

说明书

发明人：Wolfgang Neuberger

受让人：CeramOptec Industries Inc.

发明背景

1.35USC 119(e)下的本国优先权

本申请要求2009年5月27日由Wolfgang Neuberger提交的题为“具有锋利边缘的芯式光纤及其制造方法”(Sharp Edged Core Fibers and Method of Manufacture)的美国临时申请系列号61/181623的权益和优先权，所述临时专利申请在此引为参考。

2.发明领域

本发明涉及光学波导管、特别是玻璃光纤，其具有被较低折射率区包围的非圆形高折射率区，其中两种区域之间的边界包含具有严格限定的小半径边缘的平坦区。

3.发明公开内容陈述

光纤激光器通常是基于掺杂有激光激活的稀土离子的玻璃纤维。这些离子典型地在比激光器或放大器波长更短的波长处吸收泵浦光，这将它们激发到某些亚稳能级中。这允许通过受激发射进行光放大。这样的光纤通常被称为有源光纤。它们是具有特别高的放大效率的放大介质，这种高放大效率主要得自于光纤波导结构中的强的光限制。大多数激光纤维通过基于预制件的方法制造。目前的大多数包含预制件的结构通过改进的化学气相沉积(MCVD)、外部气相沉积(OVD)、气相轴向沉积(VAD)、等离子体激活化学气相沉积(PCVD)、等离子体外部沉积(POD)和纳米粒子直接沉积(DND)方法来实现。

在MCVD中，将氧气、四氯化硅(SiCl₄)和其他物质例如四氯化锗(GeCl₄)的混合物通过从外部加热至约1600℃的旋转的二氧化硅玻璃管。气体中的化学反应形成二氧化硅细烟尘，其包被玻璃管靠近燃烧器的内表面，并被烧结成透明玻璃层。燃烧器沿着管连续地前后移动。在过程快结束时，改变气体混合物以形成具有更高折射率的层，即纤芯的前体。最后，通过将管加热至约2000℃并将管的内部抽空以便外部大气压将引起管坍塌，将管坍塌。溶液掺杂方法存在一些缺点：盐类具有自身缔合成化学结构的倾向，因此容易在玻璃中形成高的局部浓度变化性。烟尘层的孔隙度以及随后的掺杂物浓度也难以控制。使用溶液掺杂的MCVD是多步骤的重复的过程，产生2-10层掺杂芯。芯的层数少限制了掺杂和折射率情况的准确性和灵活性。此外由于多步骤的过程而导致总处理时间相当长，这使得光纤开发工作缓慢且昂贵。

OVD是将二氧化硅烟尘沉积在一些靶杆、例如玻璃芯棒的表面上的方法。与材料前体例如SiCl₄一起，向燃烧器供应燃料气例如氢气或甲烷，所述燃烧器也沿着旋转杆移动。在沉积后，取出靶杆，并将预制件在熔炉中强化，在其中也用干燥气体吹扫以降低羟基含量。大气条件和所需的燃烧器类型产生相对高的温度。因此，将通过这样的技术包被的任何非圆形结构将会变形，即边缘将变得圆滑或者甚至整个结构将变得再一次接近圆形。

气相轴向沉积(VAD)类似于OVD，但是使用改良的几何构型，其中沉积发生在靶杆的末端。将杆从燃烧器中连续拉出，并可以制造非常长的预制件。材料的强化可以在单独的区域熔化过程中进行。与OVD和MCVD的重要差异在于掺杂情况只由燃烧器的几何构型决定，而不由气体混合物随时间的变化决定。

等离子体激活化学气相沉积(PCVD)与MCVD类似使用管内部的沉积，但是显著的差异在于不发生内壁上的烟尘沉积，并且电源和温度也显著不同。例如，Neuberger等的美国专利US 6,138,478公开了用于将二氧化硅/掺杂的二氧化硅均匀地等离子体化学气相沉积在细长基材上以形成光纤预制件的装置和方法。使用微波代替燃烧器来加热沉积区。最初的沉积缓慢，但是非常精确。此外，与一些其他技术相比，PCVD将产生透明玻璃层。不需要热退火、烧结、玻璃化或类似的程序。由于PCVD程序在低压和相对低的温度水平下发生，掺杂浓度可以在大的值范围内变化。当掺杂物是氟并且以纯二氧化硅芯材作为基材时，可以获得与大多数其他技术相比更大的数值孔径。

用于多模光纤、特别是用于大芯径光纤的预制件，通常使用等离子体外部沉积(POD)来制造，其中使用等离子体焰炬来制造具有低折射率的外部掺氟层，其在后来形成光纤包层。然后可以用不含任何掺杂物的纯二氧化硅制造芯。该程序在大气压下使用高温。因此非圆形基材可能变形。