ЛЕГИРОВАННОЕ БРОМОМ ОПТИЧЕСКОЕ ВОЛОКНО Российский патент 2020 года по МПК C03C13/04 C03C3/06 

[0001] Это изобретение испрашивает приоритетное преимущество согласно разделу 35 кодекса законов США 119 предварительной заявки на получение патента США с порядковым номером 62/270703, поданной 22 декабря 2015 г., содержание которой является документом и включено во всей своей полноте посредством этой ссылки.

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[0002] Это описание относится к оптическим волокнам. Конкретней, это описание относится к оптическим волокнам, легированным бромом. Наиболее конкретно, это описание относится к оптическому волокну, имеющему сердцевину с высоким показателем преломления, легированную бромом.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0003] Эксплуатационные качества оптического волокна зависят от возможности регулировать профили показателя преломления в среде с малыми потерями. Наиболее конкретно, кварцевое стекло применяют в качестве основы оптического волокна, которую используют для пропускания света с длинами волн больше, чем несколько метров-сотни километров, поскольку спектральное затухание в диапазоне 1300-1500 нм является низким, практически всего лишь 0,18 дБ/км для типичных одномодовых волоконных продуктов. Оптические потери определяются релеевским рассеянием среды на основе диоксида кремния, концентрацией примесей, а также факторами, зависящими длины волны, такими как поглощение хвостов УФ и ИК излучений. В большинстве одномодовых волокон оксид германия (GeO₂) используют для легирования области сердцевины кварцевого стекла, увеличивая показатель на 0,35%. Хотя GeO₂ является относительно дорогой легирующей примесью, только примерно 8% по весу его содержится в области сердцевины волокна, и только примерно 0,5 вес.% от всей стеклянной части волокна (сердцевина+оболочка). Легирование германием также относительно легко осуществлять во время формирования заготовки и сложные профили показателя преломления можно получать просто путем варьирования отношения прекурсоров диоксида кремния и германия, подаваемых в горелки в OVD (Outside Vapor Deposition) процессе внешнего осаждения из паровой фазы. SiCl₄ и GeCl₄ являются обычными прекурсорами для образования Ge-легированного кварцевого стекла в процессе формирования сердцевины. Недостатком применения Ge в качестве повышающей показатель преломления легирующей примеси для кварцевых сердцевин заключается в том, что присутствие Ge увеличивает релеевское рассеяние волокна относительно чистых кварцевых волокон. В результате, существует интерес в определении альтернативных легирующих примесей, у которых есть возможность регулировать профиля показателя преломления, необходимого в оптических волокнах для достижения волокнами разумной цены, которые дают более низкие потери на затухание из-за релеевского рассеяния.

[0004] Два подхода для получения волокон со сверхнизкими потерями использовались в промышленном производстве. В одном подходе, кварцевую сердцевину модифицируют путем легирования щелочными металлами в низкой концентрации (например, 0,1 вес.% K₂O или менее). Концентрацию легирующей примеси щелочного металла устанавливают такой, чтобы была (1) достаточно высокой, чтобы уменьшать релеевское рассеяние путем снижения вязкости стекла до степени, достаточной для получения сердцевины волокна с низкой фиктивной температурой и (2) достаточно низкой, чтобы исключать повышения релеевского рассеяния, получающегося от неоднородностей по составу. Поскольку легирование щелочными металлами в низкой концентрации не ведет к значительному увеличению показателя преломления относительно нелегированного кварца, профиль показателя преломления регулируется путем легирования окружающей кварцевой оболочки с помощью F(фтора). Присутствие фтора в кварцевой оболочке снижает показатель преломления оболочки относительно нелегированного кварца и обеспечивает механизм для достижения контраста показателей преломления сердцевины и оболочки для эффективного направленного распространения волны в оптическом волокне. Необходимый способ для изготовления волокон с сердцевинами, легированными щелочными металлами является сложным и дорогим, но возможно затухание сигнала ~0,15 дБ/км.

[0005] Вторым подходом к изготовлению волокна с низкими потерями является использование Cl (хлора) в качестве легирующей примеси в сердцевине. Поскольку легирование хлором может быть завершено на этапе консолидации, параметры технологического процесса (например, размер заготовки, прекурсор кварца), влияя на затраты, связанные с изготовлением сердцевины, могут быть повторно оптимизированы. Присутствие Cl в сердцевине, даже в наилучших концентрациях, не сильно влияет распределение негомогенности состава на механизм релеевского рассеяния и волокна с Cl-легированными сердцевинами могут давать низкие потери из-а релеевского рассеяния. Что касается регулирования профиля показателя преломления, данные для промышленных волокон указывают, что добавление 1 вес.% Cl к сердцевине увеличивает показатель (преломления) сердечника на примерно 0,08% в сердечнике. Правильное регулирование профиля показателя преломления требует легирования в оболочке примерно 0,5-1% вес.% фтора. Волокно с Cl-легированной сердцевиной и F-легированной оболочкой может давать потери на затухание <0,16 дБ/км. Хлор, однако, не снижает вязкость кварца настолько же, сколько калий. Следовательно, для того чтобы держать низкой фиктивную температуру в сердцевине и минимизировать напряжения во время вытяжки, волокно необходимо вытягивать с очень медленными скоростями. Медленные скорости вытягивания увеличивают затраты на производство.

[0006] Легирование оболочки с помощью F является также высокозатратным этапом, который было бы желательно исключить. F-легирование оболочки необходимо для снижения показателя (преломления) оболочки для достижения правильного контраста показателей сердцевины и оболочки. Необходимость F-легирования оболочки отражает ограничение в максимальной концентрации легирования кварцевого стекла сердцевины с помощью Cl. В типичных промышленных условиях легирование ограничено примерно 1 вес.%. Показатель преломления увеличивается, связанный с легированием сердцевины 1 вес.% Cl, является недостаточным относительно нелегированного кварцевого стекла для обеспечения показателя сердцевина-оболочка, желательного для оптического волокна. В результате, оболочку легируют с помощью F для снижения показателя оболочки.

[0007] Продолжаются попытки дополнительно увеличить уровни содержания Cl легирования, но они ограничивались практическими рекомендациями технологического оборудования. Современные процессы консолидации проводят в печах, которые оборудованы для подачи составных частей в газовой фазе при атмосферном давлении или менее. Легирование Cl во время консолидации с использованием SiCl₄ или другими частицами хлорида кремния, по-видимому, показывают термодинамическое равновесие, которое ограничивает концентрацию Cl([Cl]), введенного в кварцевое стекло сердцевины, до количества, согласующегося с эмпирическим соотношением: [Cl]=2,3*P_SiCl4^1/4, где P_SiCl4 представляет собой давление прекурсора (SiCl₄) Cl-легирования через стекло. В результате, в процессе с максимальным давлением в 1 атм, наивысшая концентрация Cl легирования составляет 2,3 вес.%. Показатель преломления относительно нелегированного кварца для легирования с 2,3 вес.% составляет только примерно Δ=0,18%, который является недостаточным для достижения волокон, имеющих соответствующую эффективную площадь и низкие потери изгибов при использовании нелегированного кварца в качестве материала оболочки. F-легирование оболочки делается, таким образом, необходимым. Уровни легирования Cl порядка 3% или выше необходимы для достижения достаточно высокого показателя преломления сердцевины, чтобы исключить необходимость легирования фтором оболочки. Расчетные рабочие давления для легирования Cl порядка от 3 до 5 атмосфер необходимы, чтобы позволять использование нелегированного кварца в качестве материала оболочки. Такие рабочие давления находятся за пределами возможностей стандартного технологического оборудования и требуют дорогостоящего специального оборудования.

[0008] Было бы желательно разработать оптическое волокно, имеющее легированную кварцевую сердцевину, которая совместима с применением нелегированной или слаболегированной кварцевой оболочки.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0009] Наглядно показано легирование бромом кварцевого стекла. Легирование бромом может быть осуществлено с помощью SiBr₄ в качестве прекурсора. Легирование бромом может происходить во время нагревания, консолидации или спекания тела пористой кварцевой заготовки. Легирующие концентрации брома увеличиваются с повышением давления прекурсора легирования и могут быть смоделированы свыше давлений легирующей примеси вплоть до, по меньшей мере, 1 атм, со степенным уравнением, в котором концентрация легирования пропорциональна корню квадратному из давления прекурсора для легирования. Бром является легирующей примесью для увеличения показателя преломления кварца и относительный показатель преломления кварца увеличивается почти линейно с концентрацией легирования. Бром может быть использован в качестве легирующей примеси для оптических волокон и может быть введен в сердцевину и/или области оболочки. Концентрации брома для легирования сердцевины достаточны, чтобы допускать использование нелегированного кварца в качестве материала внутренней оболочки в волокнах, имеющих провал в профиле показателя преломления. Также наглядно показано совместное легирование кварцевого стекла бромом и хлором.

[0010] Концентрация Br в сердцевине кварцевого стекла может находиться в интервале от 0,01 вес.% до 4,0 вес.%, или в интервале от 0,5 вес.% до 4,0 вес.%, или в интервале от 1,0 вес.% до 3,5 вес.%, или от 1,5 вес.% до 3,0 вес.%, или от 1,75 вес.% до 2,75 вес.%.

[0011] Концентрация Br легирования в сердцевине кварцевого стекла может находиться в интервале от 0,5% вес.% до 4,0 вес% и область внутренней оболочки может быть нелегированным кварцевым стеклом, или концентрация Br для легирования в сердцевине кварцевого стекла может находиться в интервале от 1,0% вес.% до 3,5 вес%, и область внутренней оболочки может быть нелегированным кварцевым стеклом, или концентрация Br для легирования в сердцевине кварцевого стекла может находиться в интервале от 1,5% вес.% до 3,0 вес% и область внутренней оболочки может быть нелегированным кварцевым стеклом, или концентрация Br для легирования в сердцевине кварцевого стекла может находиться в интервале от 1,75% вес.% до 2,75 вес.%, и область внутренней оболочки может быть нелегированным кварцевым стеклом.

[0012] В одном варианте осуществления область внешней оболочки представляет собой кварцевое стекло, легированное с помощью Br и концентрация Br находится в интервале от 0,01 вес.% до 3,0 вес.%, или в интервале от 0,01 вес.% до 2,5 вес.%, или в интервале от 0,01 вес.% до 2,0 вес.%. В другом варианте осуществления сердцевина представляет собой Br-легированное кварцевое стекло и наружная оболочка представляет собой Br-легированное кварцевое стекло, где концентрация Br легирования в сердцевине превышает концентрацию Br легирования внешней оболочки.

[0013] Настоящее раскрытие охватывает:

оптическое волокно, содержащее Br.

[0014] Настоящее раскрытие охватывает:

способ, содержащий легирование пористого тела с помощью Br.

[0015] Дополнительные признаки и преимущества будут изложены в подробном описании, которое следует, и частично будут легко очевидны специалистам в данной области из описания или определены путем воплощения вариантов осуществления, как описано в составленном описании и формуле изобретения, а также прилагаемых чертежах.

[0016] Следует понимать, что как вышеуказанное общее описание, так и нижеследующее подробное описание являются лишь примерами и предназначены для обеспечения общего обзора или рамок для понимания природы и характера формулы изобретения.

[0017] Прилагаемые чертежи включены для обеспечения дополнительного понимания и введены в эту спецификацию и составляют часть этой спецификации. Чертежи являются иллюстрациями выбранных аспектов настоящего описания и вместе со спецификацией служат для объяснения принципов и действия способов, продуктов, а также композиций, охватываемых настоящим описанием. Признаки, показанные на чертеже, иллюстрируют выбранные варианты воплощения настоящего описания и необязательно изображены в надлежащем масштабе.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0018] Хотя спецификация завершается формулой изобретения, в частности, указывающей и четко заявляющей о предмете составленного описания, считается, что спецификация будет понятна лучше из следующего составленного описания, взятая вместе с прилагаемыми чертежами, в которых:

[0019] Фигура 1 изображает поперечное сечение оптического волокна, имеющего сердцевину, внутреннюю оболочку, внешнюю оболочку, первичное покрытие, а также вторичное покрытие.

[0020] Фигура 2 изображает профиль относительного показателя преломления для оптического волокна, имеющего сердцевину, внутреннюю оболочку и внешнюю оболочку.

[0021] Фигура 3 изображает профиль относительного показателя преломления для оптического волокна, имеющего сердцевину, внутреннюю оболочку и внешнюю оболочку.

[0022] Фигура 4 изображает профиль относительного показателя преломления для оптического волокна, имеющего сердцевину, внутреннюю оболочку и внешнюю оболочку.

[0023] Фигура 5 изображает профиль относительного показателя преломления для оптического волокна, имеющего сердцевину и оболочку.

[0024] Фигура 6 изображает профиль относительного показателя преломления для оптического волокна, имеющего сердцевину и оболочку.

[0025] Фигура 7 изображает профиль относительного показателя преломления для оптического волокна, имеющего сердцевину, внутреннюю оболочку и внешнюю оболочку.

[0026] Фигура 8 представляет собой схематическое описание осаждения пористой преформы посредством OVD (outside vapour deposition) процесса наружного парофазного осаждения.

[0027] Фигура 9 изображает устройство для легирования и консолидирования пористой преформы.

[0028] Фигура 10 изображает концентрационный профиль Br в нескольких кварцевых стеклах.

[0029] Фигура 11 изображает концентрационные профили Br и Cl в нескольких кварцевых стеклах.

[0030] Фигура 12 показывает зависимость концентрации Br легирования в кварцевом стекле от давления прекурсора легирования SiBr₄.

[0031] Фигура 13 показывает относительный показатель преломления кварцевого стекла как функцию от концентрации Br легирования.

[0032] Фигура 14 изображает концентрационные профили Br и Cl в нескольких совместно легированных кварцевых стекол.

[0033] Фигура 15 показывает относительный показатель преломления консолидированного стеклянного стержня, который включает в себя Br-легированную область сердцевины и F-легированную область внутреннего защитного покрытия.

[0034] Фигура 16 показывает сравнение спектрального затухания для Br-легированного оптического волокна и GeO₂-легированного оптического волокна.

[0035] Варианты осуществления, приведенные в чертежах, носят иллюстративный характер и не предназначены для ограничения объема подробного описания или формулы изобретения. Когда это возможно, то же самое позиционное обозначение будет использовано на всех чертежах для ссылки на одинаковый или подобный признак.

[0036] Настоящее раскрытие предлагает достаточную идею и легко может быть понятным со ссылкой на следующие описание, чертежи, примеры, а также формулу изобретения. С этой точки зрения, специалисты в соответствующей области техники признают и оценят, что могут быть внесены многие изменения в различные аспекты описанных здесь вариантов осуществления, при этом все еще получающие полезные результаты. Будет также очевидно, что некоторые из желаемых преимуществ настоящих вариантов осуществления могут быть получены путем выбора некоторых признаков без использования других признаков. Соответственно, те, кто работает в этой области, признают, что многие модификации и приспособления возможны и даже могут быть желательными при определенных обстоятельствах и являются частью настоящего раскрытия. Поэтому следует понимать, что это раскрытие не ограничено конкретными композициями, изделиями, устройствами, а также раскрытыми способами, пока не указано иное. Следует также понимать, что используемая в настоящем документе терминология предназначена только для описания конкретных аспектов и не предназначена быть ограничительной.

[0037] Раскрыты материалы, соединения, композиции и компоненты, которые могут быть использованы для, могут быть использованы в сочетании с, могут быть использованы в подготовке для, или являются вариантами осуществления раскрытого способа и композиций. В этом документе раскрыты эти и другие материалы, при этом понятно, что когда раскрыты комбинации, разновидности, взаимодействия, группы и т.д. этих материалов, что, хотя конкретная ссылка на различные отдельные и общие комбинации и перестановки этих соединений не могут быть явно раскрыты, каждое специально рассматривается и описывается в настоящем документе. Таким образом, если класс заместителей A, B, и/или C раскрыты, а также класс заместителей D, E, и/или F, а также раскрыт пример варианта осуществления сочетания A-D, тогда каждый рассматривается отдельно или совместно. Таким образом, в этом примере, каждое из сочетаний A-E, A-F, B-D, B-E, B-F, C-D, C-E и C-F рассмотрено, и следует полагать раскрытым из раскрытия A, B, и/или C; D, E и/или F; и пример сочетания A-D. Эта концепция использует все аспекты этого раскрытия, включающие в себя, но не ограничивающими, любые компоненты композиций и этапы в способах изготовления и использования раскрытых композиций. Таким образом, при наличии множества дополнительных этапов, которые могут быть осуществлены, понятно, что каждый из этих дополнительных этапов может быть выполнен с помощью любого конкретного варианта осуществления или сочетания вариантов осуществления раскрытых способов, и что каждое такое сочетание конкретно рассматривается и должно считаться раскрытым.

[0038] В этой спецификации и формуле изобретения, которая следует, ссылка будет сделана на ряд терминов, которые должны быть определены как имеющие следующие значения:

[0039] "Включать в себя", "включает в себя" или тому подобные термины означают охватывание, но не ограничение, то есть охватывающий и не исключительный.

[0040] Термин "примерно" относится ко всем терминам в диапазоне, пока не указано иное. Например, примерно 1, 2 или 3 эквивалентно примерно 1, примерно 2 или примерно 3, при этом дополнительно включает от примерно 1-3, от примерно 1-2, а также примерно 2-3. Конкретные и предпочтительные величины, раскрытые для композиций, компонентов, ингредиентов, добавок, и тому подобных аспектов, а также их интервалы, приведены только для иллюстрации; они не исключают другие определенные величины или другие величины в пределах определенных интервалов. Композиции и способы раскрытия включают в себя те, которые имеют любую величину или любое сочетание величин, конкретные величины, более конкретные величины, а также предпочтительные величины, описанные в этом документе.

[0041] Неопределенный артикль "a" или "an" и им соответствующий определенный артикль "the", как использовано в настоящем документе, означает, по меньшей мере, одно, или одно или более, пока не указано иное.

[0042] "Радиальное положение" или радиальная координата "r" относится к осевой линии (r=0) волокна. Размерность длины "микрон" может относиться в настоящем документе к микрону (или микронам) или μм. Относящиеся к площади размеры на основе микрон может относиться в настоящем документе к микрону² или μм².

[0043] "Профиль показателя преломления" представляет собой взаимосвязь между показателем преломления или относительного показателя преломления и радиусом волокна. Для профилей относительного показателя преломления, изображенных в настоящем документе, как имеющих границы шага между смежными областями сердцевины и/или оболочки, нормальные изменения условий обработки могут препятствовать получению резких границ шага на границе раздела смежных областей. Следует понимать, что хотя границы профилей показателя преломления могут быть изображены в настоящем документе как изменения шага в показателе преломления, границы на практике могут быть округлены или иным образом отклоняться от характеристик функции возможного лишь теоретически шага. Дополнительно понятно, что величина относительного показателя преломления может изменяться с радиальным положением внутри области сердечника и/или любой из областей оболочки. Когда относительный показатель преломления изменяется с радиальным положением в конкретной области волокна (область сердечника и/или любая из областей оболочки), он может быть выражен в терминах его фактической или приближенной функциональной зависимости, или в терминах средней величины, применимой к области. До тех пор, пока не указано иное, если относительный показатель преломления области (область сердечника и/или любая из областей оболочки) выражен одним значением, то понятно, что относительный показатель преломления в области является постоянным или приблизительно постоянным, и соответствует единственному значению, или что единственное значение представляет среднюю величину зависимости непостоянного относительного показателя преломления от радиального положения в области. Зависимость относительного показателя преломления от радиального положения может быть наклонной, изогнутой или иным образом непостоянной, как в силу конструкции, так и вследствие изменчивости производственного процесса.

[0044] "Относительный показатель преломления" или "процент относительного показателя преломления" оптического волокна определяется как:

где n(r) представляет собой показатель преломления волокна на радиальном расстоянии от осевой линии волокна, пока не указано иное, и n_Ref составляет 1,44413, каков показатель преломления нелегированного кварцевого стекла при длине волны 1550 нм. Как использовано в настоящем документе, относительный показатель преломления представлен как Δ (или "дельта") или Δ% (или "дельта%") и его значения даны в единицах %, пока не указано иное. Относительный показатель преломления выражен как Δ(r) или Δ(r)%.

[0045] Термин "α-профиль" (также называемый как "альфа профиль") относится к профилю Δ(r) относительного показателя преломления, который имеет следующую функциональную форму:

где r₀ представляет собой точку, в которой Δ(r) максимальна, r₁ представляет собой точку, в которой Δ(r) равна 0, и r находится в интервале r_i≤r≤r_f, где r_i представляет собой начальную точку α-профиля, r_f представляет собой конечную точку α-профиля, при этом α является действительным числом. В некоторых вариантах осуществления, примеры, показанные в настоящем документе, могут иметь альфа сердцевины 1≤α≤100. В некоторых вариантах осуществления примеры, показанные в настоящем документе, могут иметь альфа сердцевины 1≤α≤10. В некоторых вариантах осуществления примеры, показанные в настоящем документе, имеют альфа сердцевины 10≤α≤100. В некоторых вариантах осуществления примеры, показанные в настоящем документе, могут иметь α сердцевины 10≤α≤30.

[0046] "Объем провала" определяется как:

где r_Trench,inner представляет собой внутренний радиус области провала профиля показателя преломления, r_Trench,outer представляет собой внешний радиус области провала профиля показателя преломления, Δ_Trench(r) представляет собой относительный показатель преломления области провала профиля показателя преломления, при этом r является радиальным положением в волокне. Объем провала является абсолютной величиной и положительной величиной и будет выражаться в настоящем документе в единицах %Δмикрон², %Δ-микрон², %Δ-μм², или %Δμм², в силу чего эти единицы могут использоваться в настоящем документе взаимозаменяемо.

[0047] Как использовано в настоящем документе, контакт относится к прямому или непрямому контакту. Прямой контакт относится к контакту в отсутствие промежуточного материала и непрямой контакт относится к контакту через один или более промежуточных материалов. Элементы в прямом контакте касаются друг друга. Элементы в непрямом контакте не касаются друг друга, но касаются промежуточного материала или расположенных последовательно промежуточных материалов, где промежуточный материал или, по меньшей мере, один из расположенных последовательно промежуточных материалов касается другого. Элементы в контакте могут быть соединены жестко или нежестко. Контактирование относится к расположению двух элементов в прямом или непрямом контакте. Можно сказать, что элементы в прямом (непрямом) контакте напрямую (косвенно) контактируют друг с другом.

[0048] Теперь будет сделана подробная ссылка на иллюстративные варианты осуществления настоящей спецификации.

[0049] Настоящая спецификация описывает оптические волокна. Волокна включают в себя сердцевину и оболочку, окружающую сердцевину. Волокна могут также включать в себя первичное покрытие, окружающее область оболочки, а также вторичное покрытие, окружающее первичное покрытие. Оболочка может быть непосредственно прилежащей к сердцевине. Первичное покрытие может быть прилежащим непосредственно к оболочке. Вторичное покрытие может быть прилежащим непосредственно к первичному покрытию. Область оболочки может включать в себя область внутренней оболочки и область внешней оболочки. Область внешней оболочки может быть непосредственно прилежащей к области внутренней оболочки. Область внешней оболочки может быть непосредственно прилежащей к области внутренней оболочки. Область внутренней оболочки может быть непосредственно прилежащей к сердцевине. Первичное покрытие может быть непосредственно прилежащим к областям внешней оболочки. Как использовано в настоящем документе, "непосредственно прилежащий" означает прямой контакт со взаимосвязью, когда прямой контакт относится к соприкосновению. В альтернативных вариантах осуществления промежуточные слои или области могут присутствовать между сердцевиной и оболочкой, или между оболочкой и первичным покрытием, или между первичным покрытием и вторичным покрытием, или между областью внутренней оболочки и сердцевиной, или между областью внешней оболочки и областями внутренней оболочки, или между первичным покрытием и областью внешней оболочки. Элементы в волокне, которые отделены одной или более промежуточных областями или слоями в настоящем документе относятся к являющимся "косвенно прилежащим" и находятся в непрямом контакте друг с другом.

[0050] Всякий раз использованные в настоящем документе радиус r₁ и относительный показатель преломления Δ₁(r) относятся к сердцевине, радиус r₂ и относительный показатель преломления Δ₂(r) относятся к области внутренней оболочки, а также радиус r₃ и относительный показатель преломления Δ₃(r) относятся к области внешней оболочки. Понятно, что сердцевина образует центральную часть волокна и по форме является по существу цилиндрической. Дополнительно понятно, что окружающая область внутренней оболочки и окружающая область внешней оболочки по форме являются по существу кольцеобразной. Кольцеобразные области могут быть характеризованы в терминах внутреннего радиуса и внешнего радиуса. В настоящем документе радиальные положения r₁, r₂, а также r₃, относятся к наиболее удаленному от центра радиусу сердцевины, области внутренней оболочки и области внешней оболочки, соответственно. Когда две области являются непосредственно смежными друг с другом, внешний радиус внутренней области совпадает с внутренним радиусом внешней области. В одном варианте осуществления, волокно, например включает область внутренней оболочки, окруженную и непосредственно смежную с областью внешней оболочки. В таком варианте осуществления радиус r₂ соответствует внешнему радиусу области внутренней оболочки и внутреннему радиусу области внешней оболочки.

[0051] Относительные показатели преломления (по направлениям) сердцевины, области внутренней оболочки, а также области внешней оболочки, могут различаться. Каждая из областей может быть образована из кварцевого стекла или стекла на основе кварца. Стекло на основе кварца представляет собой кварцевое стекло, легированное или модифицированное одним или более элементами, причем кварц является основной составляющей частью. Изменения показателя отражения могут быть осуществлены путем введения легирующих примесей для увеличения показателя преломления или легирующих примесей для уменьшения показателя преломления на известных уровнях содержания с целью обеспечения целевого показателя преломления или профиля показателя преломления с использованием технологий, известных специалистам в области техники. Легирующие примеси для увеличения показателя преломления представляют собой легирующие примеси, которые увеличивают показатель преломления стекла относительно состава нелегированного стекла. Легирующие примеси для уменьшения показателя преломления представляют собой легирующие примеси, которые уменьшают показатель преломления стекла относительно состава нелегированного стекла. В одном варианте осуществления нелегированным стеклом является чистое кварцевое стекло. Области постоянного показателя преломления могут быть образованы путем нелегирования или легирования с однородной концентрацией. Области меняющегося показателя преломления могут быть образованы за счет неоднородных пространственных распределений легирующих примесей.

[0052] Схематическое изображение поперечного сечения первого из многих волокон с покрытиями в соответствии с настоящим раскрытием показано на фиг.1. Волокно 11 включает в себя сердцевину 12, оболочку 13, первичное покрытие 16, а также вторичное покрытие 17. Оболочка 13 включает в себя область внутренней оболочки 14 и область внешней оболочки 15.

[0053] Профиль показателя преломления для стеклянной части (областей сердцевины и оболочки) оптического волокна представлен на фигуре 2. Фигура 2 показывает профиль показателя преломления для волокна, имеющего сердцевину (1) с наружным радиусом r₁ и относительным показателем преломления Δ₁, область (2) внутренней оболочки, простирающейся от радиального положения r₁ до радиального положения r₂ и имеющая относительный показатель преломления Δ₂, а также область (3) внешней оболочки, простирающаяся от радиального положения r₂ до радиального положения r₃ и имеющую относительный показатель преломления Δ₃. Область (1) сердцевины имеет наивысший относительный показатель преломления в профиле. Область (1) сердцевины может включать в себя область низкого показателя преломления на осевой линии или вблизи нее (известной в области техники как "провал осевой линии") (не показано). В варианте осуществления, показанном на фиг.2, область (3) внешней оболочки является непосредственно смежной с областью (2) внутренней оболочки, которая является непосредственно смежной с сердцевиной 1.

[0054] В профиле показателя преломления, изображенного на фиг.2, есть профиль шага показателя, в котором относительный показатель преломления в сердцевине, областях внутренней оболочки и внешней оболочки является постоянным или приближенно постоянным. Понятно, однако, что профиль показателя преломления может включать в себя области, имеющие непостоянный относительный показатель преломления. В одном варианте осуществления, например, относительный показатель преломления области сердцевины описан с помощью α-профиля.

[0055] Профиль относительного показателя преломления типа показанного на фиг.2 может быть получен путем легирования с помощью Br кварцевого стекла для увеличения показателя преломления, чтобы образовать область (1) сердцевины, легирования (например, с помощью F) кварцевого стекла для уменьшения показателя преломления, чтобы образовать область (2) внутренней оболочки, а также использования нелегированного кварцевого стекла для области (3) внешней оболочки.

[0056] Фиг.3 показывает альтернативный профиль 11 относительного показателя преломления, который может быть получен путем легирования с помощью Br кварцевого стекла для увеличения показателя преломления с целью образования области (1) сердцевины, использования нелегированного кварцевого стекла для области (2) внутренней оболочки, а также легирования с помощью Br кварцевого стекла для увеличения показателя преломления с целью образования области (3) внешней оболочки. Для гарантии того, что Δ₁>Δ₃, концентрация Br легирования является более высокой в области (1) сердцевины, чем в области (3) внешней оболочки. В другом варианте воплощения профиль 11 относительного показателя преломления, показанный на фиг.3, может быть получен путем включения Br в качестве легирующей примеси только в одно из области (1) сердцевины и области (3) внешней оболочки и использования отличающейся примеси для увеличения показателя преломления (например, Ge, Cl) в другом из области (1) сердцевины и области (3) внешней оболочки.

[0057] Фиг.4 показывает вариант воплощения 12 профиля относительного показателя преломления, который может быть получен путем легирования с помощью Br кварцевого стекла для увеличения показателя преломления с целью образования области (1) сердцевины, легирования кварцевого стекла для уменьшения показателя преломления области (например, с помощью F) с целью образования области (2) внутренней оболочки, а также легирования с помощью Br кварцевого стекла для увеличения показателя преломления с целью образования области (3) внешней оболочки. Для гарантии того, что Δ₁>Δ₃, концентрация Br легирования выше в области (1) сердцевины, чем в области (3) внешней оболочки. В другом варианте воплощения профиль 12 относительного показателя преломления, показанный на фиг.4, может быть получен путем включения Br в качестве легирующей примеси в кварцевом стекле в только одно из области (1) сердцевины и области (3) внешней оболочки и использования отличающейся примеси для увеличения показателя преломления (например, Ge, Cl) в другом из области (1) сердцевины и области (3) внешней оболочки.

[0058] Фиг.5 показывает вариант воплощения 13 профиля относительного показателя преломления, который может быть получен путем легирования с помощью Br кварцевого стекла, легированного для увеличения показателя преломления с целью образования области (1) сердцевины, и использования нелегированного кварцевого стекла для области (3) внешней оболочки. В этом варианте воплощения область (2) внутренней оболочки отсутствует и волокно включает в себя единственную область оболочки.

[0059] Фиг. 6 показывает вариант воплощения 14, который является разновидностью варианта воплощения 13, в котором область (1) сердцевины легирована с помощью Br и область (3) внешней оболочки легирована с помощью F (или другой легирующей примесью для уменьшения показателя преломления).

[0060] Фиг.7 показывает вариант воплощения 15 профиля относительного показателя преломления, который может быть получен путем легирования с помощью Br кварцевого стекла для увеличения показателя преломления с целью образования области (1) сердцевины, легирования кварцевого стекла (например, с помощью F) для уменьшения показателя преломления с целью образования области (3) внешней оболочки, где легирование области (2) внутренней оболочки для уменьшения показателя преломления больше, чем легирование области (3) внешней оболочки для уменьшения показателя преломления (например, уровень F легирования области (2) внутренней оболочки превышает уровень F легирования области (3) внешней оболочки).

[0061] Относительные величины относительных показателей преломления Δ₁, Δ₂, а также Δ₃, влияют на свойства волноводные и потери изгиба волокна. Во многих применениях для волокна желательно иметь большую эффективную площадь (например, для подавления нелинейностей в оптическом сигнале). Эффективная площадь регулируется частично относительным показателем преломления Δ₁ сердцевины, радиусом r₁ сердцевины, и/или разницей относительных показателей преломления Δ₁-Δ₂ между сердцевиной и областью внутренней оболочки.

[0062] Кроме того, желательно свести к минимуму потери сигнала, которые растут, когда волокно изогнуто. Обычными являются вставки в волокне, что развернуть волокно в изогнутой конфигурации. Напряжения, связанные с изгибом, однако, ведут к потерям в интенсивности оптических сигналов, наведенным волокном. Желательно разрабатывать волокна, имеющие низкие потери изгиба. Потери изгиба частично регулируются относительным показателем преломления Δ₂ области внутренней оболочки, радиусом r₂ области внутренней оболочки, радиальной разницей r₂-r₁, объемом провала области внутренней оболочки, разницей Δ₁-Δ₂ относительных показателей преломления между сердцевиной и областью внутренней оболочки и/или разницей Δ₃-Δ₂ относительных показателей преломления между областью внутренней оболочки и областью внешней оболочки. Включение области (2) внутренней оболочки, имеющей уменьшенный показатель преломления между областью (1) сердцевины и областью (3) внешней оболочки, уменьшает потери изгиба в волокне. Степень уменьшения в потерях изгиба зависит от относительного упорядочения (Δ₂<Δ₃) и разницы (Δ₃-Δ₂) относительных показателей преломления области внутренней оболочки (2) и области (3) внешней оболочки. Толщина r₂-r₁ области (2) внутренней оболочки является также важным.

[0063] Профиль относительного показателя преломления, изображенный на фиг.2 является представителем профилей, используемых для волокон, имеющих большую эффективную площадь и низкие потери изгиба. Относительные показатели преломления удовлетворяют условию Δ₁>Δ₃>Δ₂, где Δ₁ больше нуля и каждое из Δ₂ и Δ₃ может быть равно нулю, меньше нуля или больше нуля. В одном варианте воплощения область (3) внешней оболочки представляет собой чистое кварцевое стекло (Δ=0), область (1) сердцевины является легированной для увеличения показателя преломления относительно чистого кварцевого стекла, а область (2) внутренней оболочки является легированной для уменьшения показателя преломления относительно чистого кварцевого стекла. В другом варианте воплощения, область (2) внутренней оболочки представляет собой чистое кварцевое стекло (Δ=0), область (1) сердцевины является легированной для увеличения показателя преломления относительно чистого кварцевого стекла, а область (3) внешней оболочки является легированной для увеличения показателя преломления относительно чистого кварцевого стекла.

[0064] В предусматриваемых в настоящее время волокнах с низкими потерями легирование для увеличения показателя преломления области сердцевины осуществляют путем легирования с помощью Ge или Cl. Ge дает преимущество обеспечения высокого увеличения показателя преломления сердцевины при невысоких уровнях легирования, но ухудшается из-за недостатка от повышенного затухания из-за релеевского рассеяния. Потери из-за релеевского рассеяния для Cl ниже, чем для Ge, но трудно достигнуть концентраций Cl легирования сердцевины, которые достаточно высоки относительно внутренней оболочки, для обеспечения адекватного удерживания оптического сигнала в области сердцевины. В результате, легирование с помощью Cl для увеличения показателя преломления области сердцевины осуществляют путем легирования с помощью F (фтора) для снижения показателя преломления области внутренней оболочки. Необходимость легирования фтором, однако, усложняет обработку и ведет к более высоким производственным затратам.

[0065] Настоящая спецификация описывает использование брома (Br) в качестве легирующей примеси для увеличения показателя преломления для кварцевого стекла. Рассмотрено легирование Br кварца и стекол на основе кварца (включая сыпучие стекла и волокна). Стекла на основе кварца представляют собой стекла, которые содержат диоксид кремния (SiO₂) как первичный компонент. Стекла на основе кварца включают в себя легированные кварцевые стекла, кварцевые стекла, модифицированные структурообразователями, а также комбинации из этого, но не ограничены ими. Br-легирование оптических волокон распространяется до легирования с целью увеличения показателя преломления одной или более области сердцевины, области внутренней оболочки, а также области внешней оболочки, включая волокна, имеющие профили относительного показателя преломления, удовлетворяющие условиям Δ₁>Δ₃>Δ₂, Δ₁>Δ₂=Δ₃, Δ₁>Δ₂=Δ₃=0, Δ₁>Δ₃, Δ₁>Δ₂, а также Δ₃>Δ₂. Область внутренней оболочки является необязательной в настоящих волокнах, и область внешней оболочки может быть непосредственно смежной с областью сердцевины. Область внешней оболочки может быть единственной областью оболочки волокна, и волокно может быть выполнено с возможностью так, чтобы область внешней оболочки окружала и была непосредственно смежной с областью сердцевины, а также, чтобы покрытие было непосредственно смежным с областью внешней оболочки и окружало ее.

[0066] Настоящая спецификация наглядно показывает, что Br является эффективной примесью для увеличения показателя преломления для кварцевого стекла и может быть использован вместо (или в сочетании с) Ge или Cl в качестве легирующей примесью для области сердцевины оптического волокна. Далее наглядно показано, что Br может быть введен в качестве легирующей примеси в кварцевое стекло в концентрациях, достаточных для увеличения показателя преломления относительно нелегированного кварцевого стекла до уровня, который обеспечивает контраст показателя достаточной величины, чтобы делать возможной большую эффективную площадь, низкие потери изгиба с Br-легированной областью сердцевины и областью нелегированной кварцевой внутренней оболочки. Br может быть введен в одно или более из сердцевины, областей внутренней оболочки, а также внешней оболочки, волокна. Br может присутствовать в качестве единственной легирующей примеси, или в качестве одной легирующей1 примеси в сочетании легирующих примесей. Br может быть скомбинирован с одной или более другими легирующими примесями для увеличения показателя преломления (например, Ge, Cl) или с одной или более легирующими примесями для уменьшения показателя преломления (например, F, B).

[0067] Функциональные характеристики оптических волокон зависят от взаимосвязи между показателями преломления сердцевины, внутренней оболочки, а также внешней оболочки. Поскольку оптические волокна из настоящего описания пригодны для использования во множестве применений (включая без ограничения, одномодовое пропускание, передачу на короткое расстояние, передачу на большое расстояние, передачу с низким рассеянием, а также передачу с низкой потерей изгиба), оптические волокна имеющие профили относительного показателя преломления, охватывающие интервал величин Δ₁, Δ₂, Δ₃, r₁, r₂ и r₃, могут быть разработаны в соответствии с принципами и схемами легирования, раскрытыми в настоящем документе. Последующее обсуждение описывает величины Δ₁, Δ₂, Δ₃, r₁, r₂ и r₃, в соответствии с настоящим описанием. Хотя величины каждого параметра (Δ₁, Δ₂, Δ₃, r₁, r₂ и r₃) описаны отдельно, понятно, что профили относительного показателя преломления реальных волокон включают в себя величины для всех параметров (за исключением того, что внутренняя оболочка является необязательной, так величины для Δ₂ и r₂ не могут быть применимы), и что оптические волокна с профилями относительного показателя преломления, имеющими любую или все сочетания величин Δ₁, Δ₂, Δ₃, r₁, r₂ и r₃, описанных в настоящем документе, находятся в пределах объема настоящего описания.

[0068] Относительный показатель преломления Δ₁ сердцевины может находиться в интервале от 0,10% до 0,65%, или в интервале от 0,15% до 0,60%, или в интервале от 0,20% до 0,55%, или в интервале от 0,25% до 0,50%, или в интервале от 0,30% до 0,45%. Радиус r₁ сердцевины может быть в интервале от 3,0 μм до 10,0 μм, или в интервале от 3,0 μм до 8,0 μм, или в интервале от 4,0 μм до 6,0 μм, или в интервале от 5,0 μм до 10,0 μм, или в интервале от 6,0 μм до 10,0 μм, или в интервале от 6,0 μм до 9,0 μм, или в интервале от 6,0 μм до 8,0 μм, или в интервале от 6,5 μм до 7,5 μм, или в интервале от 7,0 μм до 10,0 μм.

[0069] Относительный показатель преломления Δ₂ области внутренней оболочки может быть 0%, или в интервале от -0,40% до 0%, или в интервале от -0,25% до 0%, или в интервале от -0,20% до -0,05%, или в интервале от -0,20% до -0,10%. Радиус r₂ области внутренней оболочки может находиться в интервале от 10 μм до 40 μм, или в интервале от 10 μм до 35 μм, или в интервале от 15 μм до 40 μм, или в интервале от 15 μм до 38 μм, или в интервале от 20 μм до 38 μм, или в интервале от 20 μм до 35 μм, или в интервале от 20 μм до 30 μм, или в интервале от 22 μм до 38 μм, или в интервале от 22 μм до 35 μм, или в интервале от 24 μм до 38 μм, или в интервале от 24 μм до 35 μм.

[0070] Объем провала области внутренней оболочки может быть больше 20%Δμм² или больше 30%Δμм², или больше 40%Δμм², или больше 60%Δμм², или больше 80%Δμм², или больше 100%Δμм², или в интервале от 20%Δμм² до 200%Δμм², или в интервале от 30%Δμм² до 170%Δμм², в интервале от 40%Δμм² до 140%Δμм².

[0071] Относительный показатель преломления Δ₃ области внешней оболочки может находиться в интервале от -0,40% до 0,15%, или в интервале от -0,30% до 0,15%, или в интервале от -0,20% до 0,15%, или в интервале от -0,10% до 0,20%, или в интервале от -0,05% до 0,20%, или в интервале от 0% до 0,20%, или в интервале от 0,05% до 0,20%, или в интервале от -0,10% до 0,15%, или в интервале от -0,05% до 0,15%, или в интервале от 0% до 0,15%, или в интервале от 0,05% до 0,15%, или в интервале от -0,10% до 0,10%, или в интервале от -0,05% до 0,10%, или в интервале от 0% до 0,10%, или в интервале от 0,05% до 0,10%. Радиус r₃ области внешней оболочки может быть, по меньшей мере, 55μм, или, по меньшей мере, 60μм, или в интервале от 55μм до 70μм, или в интервале от 55μм до 65μм, или в интервале от 60μм до 65μм, или примерно 62,5μм.

[0072] Разница Δ₁-Δ₂ показателей преломления может быть, по меньшей мере, 0,15%, или, по меньшей мере, 0,20%, или, по меньшей мере, 0,25%, или, по меньшей мере, 0,30%. Разница Δ₃-Δ₂ показателей преломления может быть, по меньшей мере, 0,05%, или, по меньшей мере, 0,06%, или, по меньшей мере, 0,08%, или, по меньшей мере, 0,10%, или, по меньшей мере, 0,12%, или, по меньшей мере, 0,15%, или, по меньшей мере, 0,20%.

[0073] Разница Δ₁-Δ₂ относительных показателей преломления может быть, по меньшей мере, 0,15%, и разница Δ₃-Δ₂ относительных показателей преломления может быть, по меньшей мере, 0,05%. Разница Δ₁-Δ₂ относительных показателей преломления может быть, по меньшей мере, 0,15%, и разница Δ₃-Δ₂ относительных показателей преломления может быть, по меньшей мере, 0,06%. Разница Δ₁-Δ₂ относительных показателей преломления может быть, по меньшей мере, 0,15%, и разница Δ₃-Δ₂ относительных показателей преломления может быть, по меньшей мере, 0,08%. Разница Δ₁-Δ₂ относительных показателей преломления может быть, по меньшей мере, 0,15%, и разница Δ₃-Δ₂ относительных показателей преломления может быть, по меньшей мере, 0,10%. Разница Δ₁-Δ₂ относительных показателей преломления может быть, по меньшей мере, 0,15%, и разница Δ₃-Δ₂ относительных показателей преломления может быть, по меньшей мере, 0,12%. Разница Δ₁-Δ₂ показателей преломления может быть, по меньшей мере, 0,15%, и разница Δ₃-Δ₂ относительных показателей преломления может быть, по меньшей мере, 0,15%. Разница Δ₁-Δ₂ относительных показателей преломления может быть, по меньшей мере, 0,15%, и разница Δ₃-Δ₂ относительных показателей преломления может быть, по меньшей мере, 0,20%. Разница Δ₁-Δ₂ относительных показателей преломления может быть, по меньшей мере, 0,15%, и разница Δ₃-Δ₂ относительных показателей преломления может быть, по меньшей мере, 0,25%.

[0074] Разница Δ₁-Δ₂ относительных показателей преломления может быть, по меньшей мере, 0,20%, и разница Δ₃-Δ₂ относительных показателей преломления может быть, по меньшей мере, 0,05%. Разница Δ₁-Δ₂ относительных показателей преломления может быть, по меньшей мере, 0,20% и разница Δ₃-Δ₂ относительных показателей преломления может быть, по меньшей мере, 0,06%. Разница Δ₁-Δ₂ относительных показателей преломления может быть, по меньшей мере, 0,20%, и разница Δ₃-Δ₂ относительных показателей преломления может быть, по меньшей мере, 0,08%. Разница Δ₁-Δ₂ относительных показателей преломления может быть, по меньшей мере, 0,20%, и разница Δ₃-Δ₂ относительных показателей преломления может быть, по меньшей мере, 0,10%. Разница Δ₁-Δ₂ относительных показателей преломления может быть, по меньшей мере, 0,20%, и разница Δ₃-Δ₂ относительных показателей преломления может быть, по меньшей мере, 0,12%. Разница Δ₁-Δ₂ относительных показателей преломления может быть, по меньшей мере, 0,20%, и разница Δ₃-Δ₂ относительных показателей преломления может быть, по меньшей мере, 0,20%. Разница Δ₁-Δ₂ относительных показателей преломления может быть, по меньшей мере, 0,20%, и разница Δ₃-Δ₂ относительных показателей преломления может быть, по меньшей мере, 0,20%. Разница Δ₁-Δ₂ относительных показателей преломления может быть, по меньшей мере, 0,20%, и разница Δ₃-Δ₂ относительных показателей преломления может быть, по меньшей мере, 0,25%.

[0075] Разница Δ₁-Δ₂ относительных показателей преломления может быть, по меньшей мере, 0,25%, и разница Δ₃-Δ₂ относительных показателей преломления может быть, по меньшей мере, 0,05%. Разница Δ₁-Δ₂ относительных показателей преломления может быть, по меньшей мере, 0,25%, и разница Δ₃-Δ₂ относительных показателей преломления может быть, по меньшей мере, 0,06%. Разница Δ₁-Δ₂ относительных показателей преломления может быть, по меньшей мере, 0,25%, и разница Δ₃-Δ₂ относительных показателей преломления может быть, по меньшей мере, 0,08%. Разница Δ₁-Δ₂ относительных показателей преломления может быть, по меньшей мере, 0,25%, и разница Δ₃-Δ₂ относительных показателей преломления может быть, по меньшей мере, 0,10%. Разница Δ₁-Δ₂ относительных показателей преломления может быть, по меньшей мере, 0,25%, и разница Δ₃-Δ₂ относительных показателей преломления может быть, по меньшей мере, 0,12%. Разница Δ₁-Δ₂ относительных показателей преломления может быть, по меньшей мере, 0,25%, и разница Δ₃-Δ₂ относительных показателей преломления может быть, по меньшей мере, 0,15%. Разница Δ₁-Δ₂ относительных показателей преломления может быть, по меньшей мере, 0,25%, и разница Δ₃-Δ₂ относительных показателей преломления может быть, по меньшей мере, 0,20%. Разница Δ₁-Δ₂ относительных показателей преломления может быть, по меньшей мере, 0,25%, и разница Δ₃-Δ₂ относительных показателей преломления может быть, по меньшей мере, 0,25%.

[0076] В одном варианте осуществления оптическое волокно представляет собой одномодовое волокно, имеющее профиль относительного показателя преломления, показанный на фиг.5 со следующими величинами параметров: относительный показатель преломления Δ₁ сердцевины может быть 0,35%, или в интервале от 0,2% до 0,4%, или в интервале от 0,1% до 0,45%; радиус r₁ области сердцевины может находиться в интервале от 3μм до 8μм, или в интервале от 4μм до 6μм; относительный показатель преломления Δ₃ области внешней оболочки может быть 0%, или в интервале от 0,05% до -0,1%, или в интервале от -0,05% до -0,20%, или в интервале от -0,10% до -0,20%; радиус r₃ области внешней оболочки может быть примерно 62,5μм или в интервале от 60μм до 65μм; и разница Δ₁-Δ₃ относительных показателей преломления может быть, по меньшей мере, в интервале от 0,3 до 0,45 или примерно 0,35%.

[0077] В одном варианте осуществления оптическое волокно представляет собой волокно с низкой потерей изгиба, имеющее профиль относительного показателя преломления, показанный на фиг. 3 со следующими величинами параметров: относительный показатель преломления Δ₁ области сердцевины может быть 0,40%, или в интервале от 0,20% до 0,45%, или в интервале от 0,10% до 0,50%; область сердцевины может иметь альфа профиль; радиус r₁ области сердцевины может находиться в интервале от 3μм до 8μм, или в интервале от 4μм до 6μм; относительный показатель преломления Δ₂ области внутренней оболочки может быть примерно 0%, или в интервале от 0,05% до -0,35%, или в интервале от 0,10% до -0,30%; радиус r₂ области внутренней оболочки может быть примерно 13μм или в интервале от 10μм до 20μм, или в интервале от 8μм до 30μм; относительный показатель преломления Δ₃ области внешней оболочки может быть примерно 0,05%, или в интервале от 0,1% до -0,2%, или в интервале от 0,15% до -0,30%; радиус r₃ области внутренней оболочки может быть примерно 62,5μм или в интервале от 60μм до 65μм; разница Δ₁-Δ₃ относительных показателей преломления может быть, по меньшей мере, 0,35% или в интервале от 0,30% до 0,45% или примерно 0,40%; разница Δ₃-Δ₂ относительных показателей преломления может быть, по меньшей мере, 0,0% или в интервале от 0,020% до 0,10% или примерно 0,05%; и объем провала области внутренней оболочки может быть больше 20%Δμм², или больше 30%Δμм², или больше 40%Δμм², или в интервале от 20%Δμм² до 100%Δμм², или в интервале от 25%Δμм² до 75%Δμм², или в интервале от 30%Δμм² до 50%Δμм².

[0078] В одном варианте осуществления оптическое волокно представляет собой волокно с низкой потерей изгиба, имеющее профиль относительного показателя преломления, показанный на фиг.2 со следующими величинами параметров: относительный показатель преломления Δ₁ области сердцевины может быть 0,4%, или в интервале от 0,3% до 0,45%; радиус r₁ области сердцевины может находиться в интервале от 3μм до 8μм, или в интервале от 4μм до 6μм; относительный показатель преломления Δ₂ области внутренней оболочки может быть примерно -0,3 до -0,5, или в интервале от -0,2% до -0,6%; радиус r₂ области внутренней оболочки может быть примерно 13μм или в интервале от 10μм до 20μм, или в интервале от 8μм до 30μм; относительный показатель преломления Δ₃ области внешней оболочки может быть примерно 0,05%, или в интервале от 0,1% до -0,2%; радиус r₃ области внутренней оболочки может быть примерно 62,5μм или в интервале от 60μм до 65μм; разница Δ₁-Δ₃ относительных показателей преломления может быть, по меньшей мере, 0,35 или в интервале от 0,30% до 0,45%, или примерно 0,40%; разница Δ₃-Δ₂ относительных показателей преломления может быть, по меньшей мере, 0,20% или в интервале от 0,20% до 0,60% или в интервале 0,30% до 0,05%. Объем провала области внутренней оболочки может быть больше 20%Δμм² или больше 30%Δμм², или больше 40%Δμм², или больше 80%Δμм².

[0079] В одном варианте осуществления оптическое волокно имеет большую эффективную площадь, причем волокно с маленькими потерями имеет профиль относительного показателя преломления, показанный на фиг.3 со следующими величинами параметров: относительный показатель преломления Δ₁ области сердечника может составлять примерно 0,24%, или в интервале от 0,10% до 0,30%; радиус r₁ области сердцевины может быть в интервале от 4μм до 9μм или в интервале от 5,5μм до 7,5μм; относительный показатель преломления Δ₂ области внутренней оболочки может составлять примерно -0,10%, или в интервале от 0,05% до -0,25%; радиус r₂ области внутренней оболочки может составлять примерно 20μм или в интервале от 20μм до 30μм, или в интервале от 15μм до 35μм; относительный показатель преломления Δ₃ области внешней оболочки может быть примерно 0%, или в интервале от 0,10% до -0,20%, или в интервале от 0,15% до -0,30%; радиус r₃ области внутренней оболочки может быть примерно 62,5μм или в интервале от 60μм до 65μм; разница относительных показателей преломления Δ₁-Δ₃ может быть, по меньшей мере, 0,20%, или в интервале от 0,20% до 0,30% или примерно 0,25%; разница относительных показателей преломления Δ₃-Δ₂ может составлять, по меньшей мере, 0,03%, или в интервале от 0,20% до 0,10% или примерно 0,05%; и объем провала области внутренней оболочки может быть больше, чем 30%Δμм² или больше чем 40%Δμм², или больше чем 50%Δμм², или примерно 40%Δμм², или в интервале от 30%Δμм² до 100%Δμм², или в интервале от 35%Δμм² до 80%Δμм², или в интервале от 40%Δμм² до 70%Δμм².

[0080] Легирующая концентрация Br в кварцевом стекле может быть в интервале от 0,01 вес.% до 4,0 вес.%, или в интервале от 0,5 вес.% до 4,0 вес.%, или в интервале от 1,0 вес.% до 3,5 вес.%, или в интервале от 1,5 вес.% до 3,0 вес.%, или в интервале от 1,75 вес.% до 2,75 вес.%. Концентрация Br легирования в кварцевом стекле сердцевины может быть в интервале от 0,5 вес.% до 4,0 вес.% и область внутренней оболочки может быть нелегированным кварцевым стеклом, или концентрация Br легирования в кварцевом стекле сердцевины может быть в интервале от 1,75 вес.% до 2,75 вес.% и область внутренней оболочки может быть нелегированным кварцевым стеклом. В каждом из вышеуказанных вариантов воплощения сердцевина может быть свободной от Ge и K.

[0081] В альтернативных вариантах осуществления внутренняя оболочка представляет собой кварцевое стекло, легированное с помощью F. Концентрация F легирования в области внутренней оболочки может быть в интервале от 0,01% до 1,0 вес.%, или в интервале от 0,01%до 0,75 вес.%, или в интервале от 0,01%до 0,50 вес.%, или в интервале от 0,01%до 0,50 вес.%, или в интервале от 0,01%до 0,25 вес.%, или в интервале от 0,05% до 0,80 вес.%, или в интервале от 0,05% до 0,60 вес.%, или в интервале от 0,05 вес.% до 0,40 вес.%. Концентрация Br легирования в сердцевине может быть в интервале от 0,01 вес.% до 4,0 вес.%. Концентрация Br легирования в сердцевине может быть в интервале от 0,5 вес.% до 4,0 вес. % и концентрация F легирования в области внутренней оболочки может быть в интервале от 0,01% до 1,0%. Концентрация Br легирования в сердцевине может быть в интервале от 0,5 вес.% до 4,0 вес. % и концентрация F легирования в области внутренней оболочки может быть в интервале от 0,01 вес.% до 1,0 вес.%. концентрация Br легирования в сердцевине может быть в интервале от 1,0 вес.% до 3,5 вес. % и концентрация F легирования в области внутренней оболочки может быть в интервале от 0,01 вес.% до 0,50 вес.%. Концентрация Br легирования в сердцевине может быть в интервале от 0,5 вес.% до 2,5 вес. % и концентрация F легирования в области внутренней оболочки может быть в интервале от 0,01 вес.% до 1,0 вес.%. Концентрация Br легирования в сердцевине может быть в интервале от 0,5 вес.% до 2,5 вес. % и концентрация F легирования в области внутренней оболочки может быть в интервале от 0,05 вес.% до 0,90 вес.%. Концентрация Br легирования в сердцевине может быть в интервале от 0,5 вес.% до 2,5 вес. % и легирующая концентрация F в области внутренней оболочки может быть в интервале от 0,10 вес.% до 0,80 вес.%.

[0082] Область внешней оболочки может быть нелегированным кварцевым стеклом, кварцевым стеклом, легированным для увеличения показателя преломления (например, Br-легированное кварцевое стекло или Cl-легированное кварцевое стекло), или кварцевым стеклом, легированным для уменьшения показателя преломления (например, F-легированное кварцевое стекло). В одном варианте воплощения область внешней оболочки представляет собой кварцевое стекло, легированное с помощью Br, и концентрация Br находится в интервале от 0,01 вес.% до 3,0 вес.%, или в интервале от 0,01 вес.% до 2,5 вес.%, или в интервале от 0,01 вес.% до 2,0 вес.%. В другом варианте воплощения сердцевина представляет собой Br-легированное кварцевое стекло и наружная оболочка представляет собой Br-легированное кварцевое стекло, где концентрация Br легирования в сердцевине больше, чем концентрация Br легирования внешней оболочки. Концентрация Br легирования сердцевины может быть, по меньшей мере, на 10% больше, чем концентрация Br легирования внешней оболочки, или концентрация Br легирования сердцевины может быть, по меньшей мере, на 25% больше, чем концентрация Br легирования внешней оболочки, или концентрация Br легирования сердцевины может быть, по меньшей мере, на 50% больше, чем концентрация Br легирования внешней оболочки, или концентрация Br легирования сердцевины может быть, по меньшей мере, на 100% больше, чем концентрация Br легирования внешней оболочки. В каждом из вышеупомянутых вариантов воплощения область внутренней оболочки может представлять собой нелегированное кварцевое стекло. В каждом из вышеупомянутых вариантов воплощения сердцевина может включать в себя или не включать в себя Ge и/или K. В определенных вариантах воплощения сердцевина может быть свободной от Ge, или свободной от K, или свободной от Cl, или свободной от Ge и K, или свободной от Ge и Cl, или свободной от K и Cl. В других вариантах воплощения сердцевина может включать в себя одно или более из Ge, Cl и K.

[0083] Оптические волокна на основе композиций стекла, раскрытых в настоящем документе, могут быть получены в одноэтапной операции или многоэтапной операции способами, которые хорошо известны в этой области техники. Пригодные методы включают в себя: методы пламенного горения, методы пламенного окисления, методы гидролиза в пламени, внешнее осаждение из паровой фазы (OVD, outside vapor deposition), осаждение из паровой фазы на внутреннюю поверхность (IVD, inside vapor deposition), осевое осаждение из паровой фазы VAD (vapor axial deposition), метод двойного тигля, метод "штабик в трубке", метод стержня в пористой заготовке, а также технологии легированного кварца. Ряд CVD способов, использованных в оптических волокнах из настоящего изобретения, известны и пригодны для получения сердцевины, области внутренней оболочки, а также области внешней оболочки. Они включают в себя внешние CVD способы, способы осевого осаждения из паровой фазы, модифицированное CVD (MCVD, modified chemical vapour deposition, модифицированный метод химического парофазного осаждения), осаждение из паровой фазы на внутреннюю поверхность, плазмостимулированное CVD (PECVD, plasma enhanced chemical vapor deposition, плазмостимулированное газофазное осаждение; плазмохимическое газофазное осаждение; ПХГФО).

[0084] Пригодные прекурсоры для диоксида кремния включает в себя OMCTS (octamethylcyclotetrasiloxane, октаметилциклотетрасилоксан) и SiCl₄. Пригодные прекурсоры для легирования хлором включают в себя Cl₂, SiCl₄, Si₂Cl₆, Si₂OCl₆ и CCl₄. Пригодные прекурсоры для легирования фтором включают в себя F₂, CF₄ и SiF₄.

[0085] Оптические волокна, раскрытые в настоящем описании, могут быть изготовлены путем образования тела пористой заготовки, консолидации тела пористой заготовки и вытягивания волокна. На фиг. 8 и 9 иллюстрировано образование тела пористой заготовки или тела пористой заготовки из легированного кварца в соответствии с OVD способом в качестве примера и не предназначенного быть ограничивающим. На фиг. 8 тело пористой заготовки 20 образовано путем осаждения содержащих кварц частиц 22 на наружную поверхность вращающегося и поступательно перемещающегося затравочного стержня 24. Затравочный стержень 24 предпочтительно суживается к концу. В пористой заготовке 22, образованной путем обеспечения прекурсора 28 в стекле/пористой заготовке в газообразной форме в пламя 30 горелки 26 для его окисления. Топливо 32, такое как метан (CH₄), а также поддерживающий горение газ 34, такой как кислород, подают в горелку 26 и воспламеняют для образования пламени 30. Регуляторы массового расхода, маркированные как V, подают измеренные соответствующие количества прекурсора 28 в стекле/пористой заготовке, топлива 32 и поддерживающего горение газа 34, все предпочтительно в газообразной форме, в горелку 26. Прекурсор 28 в стекле/пористой заготовке представляет собой стеклообразующее соединение и окисляется в пламени 30, чтобы образовать, как правило, область 23 цилиндрической по форме пористой заготовки, которая может соответствовать сердцевине преформы оптического волокна.

[0086] После образования тела пористой заготовки сердцевины, как иллюстрировано на фиг.9, тело пористой заготовки сердцевины 20, включающего область 23 цилиндрической заготовки, может быть легировано (например, бром, хлором и т.д.) и консолидировано в печи 29 для консолидации, чтобы образовать консолидированную преформу пористой заготовки сердцевины. До момента консолидации затравочный стержень 24, иллюстрированный на фиг.8, удаляют, чтобы образовать полую цилиндрическую преформу пористой заготовки сердцевины. Во время легирования и процесса консолидации тело 20 пористой заготовки сердцевины подвешивают, например, внутри муфельной трубки 27 из чистого кварца печи 29 с помощью удерживающего механизма 21. До или во время этапа консолидации тело 20 пористой заготовки сердцевины может быть подвергнуто воздействию прекурсора легирующей примеси. Прекурсор легирующей примеси обеспечивают предпочтительно в форме газа или пара, и может подаваться непосредственно к телу 20 пористой заготовки сердцевины до или после консолидации. Прекурсор легирующей примеси может подаваться чистым или в сочетании с газом-растворителем. Концентрация легирования может регулироваться путем управления, без ограничения, температурой легирования, температурой испарения жидкого прекурсора легирования, давлением газообразного или испарившегося прекурсора легирования в окружающей среде обработки преформы пористой заготовки, временем легирования, числом циклов легирования, а также пористостью или площадью поверхности тела пористой заготовки (высокая пористость и/или большая площадь поверхности способствуют более высоким концентрациям легирования).

[0087] В некоторых вариантах осуществления легирование происходит во время процесса спекания, т.е. заготовочное тело сердцевины легируется до и/или вплоть до точки, где тело пористой заготовки сердцевины превращается в полностью уплотненное, в состояние с закрытыми порами и становится преформой сердцевины.

[0088] Во время или после этапа легирования тело пористой заготовки сердцевины может быть спечено. В одном варианте воплощения процесс спекания является изотермическим процессом, в котором температура спекания может быть в интервале от 1100°C до 1600°C, или в интервале от 1000°C до 1500°C, или в интервале от 1350°C до 1550°C, или в интервале от 1250°C до 1450°C, или в интервале от 1380°C до 1500°C, или в интервале от 1280°C до 1400°C. Изотермический процесс спекания может быть предпочтителен, когда прекурсор легирования подается как чистый газ или пар. В другом варианте воплощения процесс спекания является ведомым (downdrive) процессом, в котором фронт спекания устанавливается с помощью локализованного нагрева, и прекурсор легирования предусмотрен во фронте спекания в концентрации (чистый или в сочетании с газом-растворителем) достаточной для установления равновесной растворимости. В зависимости от размера тела пористой заготовки теплопроводность тела пористой заготовки, а также скорость (downdrive) нагревания тела пористой заготовки, фронт спекания может иметь радиальный температурный градиент. То есть, во фронте спекания наружная поверхность тела пористой заготовки подвергается воздействию высоких температур и нагревается, а нагревание внутренней части следует в то время, как тепло передается от наружной поверхности во внутреннюю часть тела пористой заготовки. После спекания преформа сердцевины полностью уплотняется и может быть вытянута до меньшего диаметра и разрезана на отрезки для образования консолидированных стержней сердцевины из легированного кварцевого стекла.

[0089] Дополнительная пористая заготовка для образования области внутренней оболочки (или, в зависимости от желательного профиля показателя преломления, как описано выше в этом описании, области единственной оболочки) может быть осаждена на стеклянный стержень сердцевины с использованием того же самого способа, как объяснено ранее относительно процесса осаждения пористой заготовки сердцевины. Дополнительная пористая заготовка представляет собой заготовочное тело, поддерживаемое стержнем сердцевины. Как описано выше в этом документе, внутренняя оболочка может быть нелегированным кварцем или легированным кварцем. Легирование внутренней оболочки может быть закончено с помощью подвергания внутренней оболочки тела пористой заготовки воздействию прекурсора перед консолидацией тем же самым способом, описанным выше для тела пористой заготовки сердцевины. Температуры спекания для тела пористой заготовки внутренней оболочки находятся в интервале от 1100°C до 1600°C, более предпочтительно между примерно 1400°C и 1550°C, и наиболее предпочтительно между примерно 1480°C и 1550°C. Тело пористой заготовки внешней оболочки может быть образовано подобным образом, и необязательно легировано осаждением пористой заготовки на внутреннюю оболочку (до или после консолидации и/или легирования тела пористой заготовки внутренней оболочки) и необязательно подверганием внешней оболочки тела пористой заготовки воздействию прекурсора легирования. Тело пористой заготовки внешней оболочки тогда может быть консолидировано до плотного или полностью уплотненного состояния.

[0090] Волокна, раскрытые в настоящем описании, могут быть вытянуты из преформ оптических волокон, изготовленных с использованием обычных технологий производства и с использованием известных способов вытяжки волокон и устройств, например, как описано в патенте США № 7565820, 5410567, 7832675, 6027062, описания которых включены таким образом посредством ссылки. В частности, преформа оптических волокон (полностью консолидированная стеклянная преформа с центральной областью сердцевины и одной или более окружающих областей оболочки) вставляют в печь для вытягивания и нагревают до размягчения стекла. Оптическое волокно вытягивают из корневой части преформы оптического волокна с помощью тянущего устройства. После выхода из печи для вытягивания оголенное оптическое волокно попадает на монитор (измерения) диаметра, который обеспечивает сигнал, который используется в замкнутой системе управления с обратной связью, чтобы регулировать скорость тянущего устройства для сохранения постоянным диаметра волокна. Оголенное оптическое волокно затем проходит через устройство измерения натяжения волокна, которое измеряет натяжение оптического волокна, вызванное вытягиванием волокна из преформы. Это натяжение может увеличиваться в зависимости от скорости вытягивания волокна, температуры и вязкости корня преформы и т.д. Один пример устройства измерения натяжения волокна раскрыто в EP 0479120 A2, который таким образом включен в настоящее описание посредством ссылки. После выхода из печи для вытягивания волокно может быть дополнительно обработано в этапах охлаждения, отжига, подогрева, нанесения покрытия и намотки.

ПРИМЕРЫ

[0091] Теперь будут описаны иллюстративные примеры, которые иллюстрируют легирование Br кварцевого стекла. В иллюстративных примерах в качестве прекурсора Br легирования использован SiBr₄. SiBr₄ при комнатных условиях представляет собой жидкость и имеет температуру кипения примерно 154°C. Жидкий SiBr₄ может быть нагрет для образования испарившегося SiBr₄. SiBr₄ доставляют к телам кварцевых пористых заготовок в испаренном виде, чтобы служить источником легирования Br для тел кварцевых пористых заготовок. Жидкий SiBr₄ загружали в стальной сосуд вместимостью 10 см3, оснащенный запорным клапаном. Сосуд продували с помощью азота перед добавлением SiBr₄ для удаления воды и других загрязняющих веществ. Реактор, использованный для образования Br-легированного кварцевого стекла, состоит из трубчатой печи (Sentrotech STT-1600-3-24) с корундовой трубкой, которая герметизирована в обоих концах фланцами из нержавеющей стали. Сосуд из нержавеющей стали, содержащий SiBr₄ прикрепляли к печи с помощью VCR (variable compression ratio) фиттингов с изменяемой затяжкой, и погружали в масляную ванну для нагрева. Заданного давления для SiBr₄ достигали путем нагревания сосуда из нержавеющей стали до температуры, необходимой для испарения SiBr₄ при давлении пара, не расходящимся с заданным давлением. Корундовую трубку присоединяли к вакуумному насосу и выполняли с возможностью получать подачу продувочных газов, обезвоживающих газов, а также испарившегося SiBr₄. Все компоненты трубчатой печи поддерживались при температурах достаточно высоких для предотвращения конденсации SiBr₄. Отходящие газы из трубчатой печи проходили через скруббер для удаления галоидов перед выпуском в вытяжной колпак.

[0092] Легирование Br различных типов нелегированного кварца продемонстрировано в иллюстративных примерах. Нелегированные кварцевые исходные материалы являются телами пористых заготовок и могут называться здесь как подложки или кварцевые подложки. Кварцевые подложки отличались по плотности и предусмотрены, чтобы показать возможность легирования кварцевых подложек различной пористости с помощью Br. Список кварцевых подложек представлен в таблице 1. В описанных ниже иллюстративных примерах с использованием SiBr₄ в качестве прекурсора легирования для Br были использованы многочисленные образцы каждой подложки.

Таблица 1 - Сводный обзор кварцевых подложек, использованных в экспериментах по Br-легированию.

Кварцевая
подложка Источник Плотность (г/см³) Площадь поверхности (м²/г) 1 OVD заготовка 0,45 12 2 Прессованный заготовочный
слиток 0,8 22 3 Прессованный заготовочный
слиток 0,7 44 4 OVD контрольный 0.5 12 5 Промышленный 0,45 150

[0093] Кварцевые подложки 1 и 4 изготавливали с использованием процесса OVD внешнего осаждения из паровой фазы. Октаметилтетрациклосилоксан (OMCTS) испаряли и подавали в горелку вместе с O₂, N₂ и CH₄. Газообразную смесь сжигали для образования частиц диоксида кремния. Поток продукта направляли на корундовый затравочный стержень, который вращался и проходил относительно выхода горелки. Пористую заготовку собирали как унитарное пористое тело на затравочном стержне, пока не достигали желательного размера тела. Тело пористой заготовки удаляли от затравочного стержня путем механического выпуска стержня через цилиндрический центр тела пористой заготовки. Кварцевые подложки 2 и 3 были приготовлены из пористой заготовки, которую получали при сгорании OMCTS с O₂ в горелке. Площадь поверхности заготовки регулировали путем изменения параметров горелки, таких как скорость потока OMCTS и температура горелки. Пористая заготовка, полученная при сгорании, собиралась в тефлоновых мешочных пылеуловителях и подавалась как сыпучие порошки. Слитки были приготовлены путем прессования соответствующего порошка в цилиндрической пресс-форме под давлением сжатия примерно 150 psi и извлечения. Кварцевая подложка 5 представляла собой промышленный заготовочный образец, полученный от Evonik, Inc. (Product No. A 150).

[0094] Измерения показателя преломления были завершены для нескольких образцов Br-легированного кварцевого стекла. Относительный показатель преломления измеряли при 1549 нм на частицах образца, имеющих размеры >5 мм в диаметре, с использованием призменной системы Metricon. Измерения относительных показателей преломления, полученные от призменной системы Metricon, калибровали с помощью образцов сравнения из плавленого кварца и, где получали цилиндрический стержень (образец 4), на основании величин относительных показателей преломления, полученных по технологии York index technique. Реперные данные York измеряли на анализаторе для измерения профилей показателей преломления преформ оптического волокна (Photon Kinetics 104 Fiber Preform Index profile instrument). Образцы сравнения включали в себя консолидированный высушенный хлором кварца, полученного (с помощью) OVD (Δ%=0,006) и Ge-легированного кварца (Δ%=0,417). Отличное согласование в результатах, полученных от системы Metricon и York технологии, наблюдали для стандартных образцов. Относительные показатели преломления образцов Br-легированного кварцевого стекла, описанных в этом документе, были получены с использованием системы Metricon.

ПРИМЕР 1

[0095] Пробы (10-20 г) кварцевых подложек 1, 2 и 3 загружали в в трубчатую печь и подвергали воздействию следующего режима обработки: (1) подложки нагревали в атмосфере азота (P=1 атм) со скоростью 10°C/мин до температуры 1000°C; (2) нагретые подложки обезвоживали с помощью Cl₂ (2 об.% в N₂ при общем давлении 1 атм) при 1000°C в течение 20 мин; (3) температуру печи повышали до 1060°C и печь продували с помощью N₂ (P=1 атм) в течение 20 мин для удаления Cl₂; (4) печь вакуумировали с помощью вакуумного насоса в течение 15 мин при 1060°C для уменьшения давления в трубке ниже ~0,05 атм; (5) подложки легировали под фиксированным вакуумом при 1060°C путем нагревания жидкого прекурсора SiBr₄ до 130°C для испарения SiBr₄, испарившийся SiBr₄ подавали в трубку печи в течение 30 мин, давление SiBr₄ в трубке составляло <0,5 атм; (6) при поддержании в трубке давления SiBr₄ в 0,45 атм температура печи повышалась за период в 45 мин до 1400°C; (7) при поддержании в трубке давления SiBr₄ в 0,45 атм Br-легированные подложки спекали при 1400°C в течение 30 мин; и (8) печь выключали и Br-легированные подложки охлаждались при продувке с помощью N₂ (P=1 атм) до комнатной температуры, чтобы получать консолидированные образцы Br-легированного кварцевого стекла. В этом примере образец Br-легированного кварцевого стекла, полученные от подложек 1, 2 и 3, называются в этом документе образцы 1-1, 1-2 и 1-3; соответственно.

[0096] После консолидации три образца разрезали и исследовали с помощью рентгеновской флюоресценции для определения концентрационного профиля Br Фиг.10 показывает концентрацию Br как функцию расстояния (соответствующую глубине от поверхности) над выбранными представительными частями образца 1-1 (запись 50), образец 1-2 (запись 52) и образец 1-3 (запись 54). Данные показывают концентрации Br легирования примерно 1,58 вес.%, 1,7 вес.% и 1,8 вес% для образцов 1-1, 1-2 и 1-3; соответственно.

ПРИМЕР 2

[0097] В этом примере кварцевые подложки подвергают воздействию более высоких давлений SiBr₄, чем в примере 1, для достижения более высоких концентраций Br легирования. Пробы (10-20 г) подложек 1, 2 и 3 загружали в трубчатую печь и подвергали воздействию следующего режима обработки: (1) подложки нагревали в атмосфере N₂ (P=1 атм) со скоростью 10°C/мин до температуры 1000°C; (2) нагретые подложки обезвоживали с помощью Cl₂ (2 об.% в N₂ при общем давлении 1 атм) при 1000°C в течение 20 мин; (3) температуру печи повышали до 1060°C и печь продували с помощью N₂ (P=1 атм) в течение 20 мин для удаления Cl₂; (4) печь вакуумировали с помощью вакуумного насоса в течение 15 мин при 1060°C для уменьшения давления в трубке ниже >0,05 атм; (5) подложки легировали под фиксированным вакуумом при 1060°C путем нагревания жидкого прекурсора SiBr₄ до 150°C-160°C для испарения SiBr₄, испарившийся SiBr₄ подавали в трубку печи в течение 30 мин, давление SiBr₄ в трубке составляло 0,92 атм; (6) при поддержании в трубке давления SiBr₄ в 0,92 атм температуру печи повышали за период в 45 мин до 1400°C; (7) при поддержании в трубке давления SiBr₄ в 0,92 атм Br-легированные подложки спекали при 1400°C в течение 30 мин; и (8) печь выключали и Br-легированные подложки охлаждались при продувке воздухом (P=1 атм) до комнатной температуры, чтобы дать консолидированные образцы Br-легированного кварцевого стекла. В этом примере образец Br-легированного кварцевого стекла, полученный от подложек 1, 2 и 3, в этом описании называют как образцы 2-1, 2-2 и 2-3; соответственно.

[0098] После консолидации три образца разрезали и исследовали с помощью рентгеновской флюоресценции для определения концентрационного профиля Br. Фиг.11 показывает концентрацию Br как функцию расстояния (соответствующую глубине от поверхности) над выбранными представительными частями образца 2-1 (запись 60), образец 2-2 (запись 62) и образец 2-3 (запись 64). Данные показывают концентрации Br легирования примерно 2,25 вес.%, 2,5 вес.% и 2,5 вес% для образцов 2-1, 2-2 и 2-3; соответственно.

[0099] Соответствующие эксперименты осуществляли для легирования кварцевых подложек 1, 2 и 3 с помощью Cl при условиях обработки из примера 2. SiCl₄ использовали в качестве прекурсора легирования для кварца и процедура легирования является такой, как описана выше для Br-легированных образцов 2-1, 2-2 и 2-3. Подобные концентрационные профили для Cl получали для трех подложек и изображены как перекрывающиеся записи 66, 67 и 68 на фиг.11. Наблюдалась концентрация Cl легирования примерно 0,125 вес.%. Данные показывают, что для данного рабочего давления достигнуты более высокие концентрации (как на основе вес.%, так и основе мол.%) для Br, чем для Cl.

[0100] Фигура 12 объединяет результаты из примеров 1 и 2 и показывает изменение концентрации Br легирования ([Br]SiO2, выраженно в единицах вес.%) как функцию от давления прекурсора легирования SiBr₄ (PSiBr4, выражено в единицах атм). Экспериментальная точка 70 соответствует образцу нелегированного кварца. Экспериментальная точка 72 соответствует образцу 1-3 и экспериментальная точка 74 соответствует образцу 2-3. Фигура 12 также включает в себя соответствия экспоненциальному закону экспериментальных точек. Соответствия экспоненциальному закону основаны на взаимосвязи между концентрацией Br легирования и давления SiBr₄:

[Br]SiO2=k(PSiBr4)^x

где х является экспоненциальным показателем степени и k является константой, которая корректируется для обеспечения наилучшего соответствия уравнения данным. Запись 76 показывает наилучшее соответствие с использованием х=0,25 и запись 78 показывает наилучшее соответствие с использованием х=0,5. Результаты показывают, что экспоненциальное уравнение с х=0,5 обеспечивает отличное соответствие данным. Подобные данные для легирования кварцевого стекла Cl показывают, что зависимость концентрации легирования от давления прекурсора SiCl₄ лучше всего описывается уравнением экспоненциального закона с х=0,25. Результаты показывают, что легирование кварца с помощью Br, используя SiBr₄, является более чувствительным к давлению, чем легирование кварца с помощью SiCl₄. Это наблюдение согласуется с более высокими концентрациями легирования, наблюдаемыми для Br относительно Cl при фиксированном рабочем давлении.

[0101] Фигура 13 показывает измерения относительного показателя преломления Δ% кварцевого стекла как функцию концентрации Br легирования (вес.%). Экспериментальная точка соответствует образцу, описанному ниже в примере 3, имеющему концентрацию Br легирования 1,63 вес.%. Экспериментальные точки 82, 83 и 84 соответствуют так образцам 1-1, 1-2 и 1-3, соответственно. Экспериментальные точки 85, 86 и 87 соответствуют так образцам 2-1, 2-2 и 2-3, соответственно. Показана лучшая линия соответствия данным. Результаты показывают, что относительный показатель преломления стекол повышается на примерно 0,125 для каждого повышения на 1% в концентрации Br легирования. Напротив, данные для Cl-легированного кварца (не показано) показывают, что 1% повышения в концентрации Cl легирования ведет к увеличению в Δ% только на 0,075.

ПРИМЕР 3

[0102] В этом примере описано изделие из Br-легированного кварцевого стекла, пригодное для использования в качестве стержня сердцевины. Кварцевую подложку 4 (длина ~18ʺ, вес ~80 г) помещали в трубчатую печь и подвергали воздействию следующего режима обработки: (1) подложку нагревали в атмосфере азота (P=1 атм) со скоростью 10°C/мин до температуры 1060°C; (2) нагретую подложку обезвоживали с помощью Cl₂ (2 об.% в N₂ при общем давлении 1 атм) при 1060°C в течение 1 ч; (3) температуру печи поддерживали при 1060°C и печь продували с помощью N₂ (P=1 атм) в течение 30 мин для удаления Cl₂; (4) печь вакуумировали с помощью вакуумного насоса в течение 30 мин при 1060°C для уменьшения давления в трубке до <0,5 атм; (5) подложку легировали под фиксированным вакуумом при 1060°C путем нагревания жидкого прекурсора SiBr₄ до 147°C для испарения SiBr₄, испарившийся SiBr₄ подавали в трубку печи в течение 60 мин, давление SiBr₄ в трубке составляло ~1 атм; (6) при поддержании в трубке давления SiBr₄ в ~1атм температуру печи повышали за период в 45 мин до 1400°C; (7) при поддержании в трубке давления SiBr₄ в ~1 атм Br-легированные подложки спекали при 1400°C в течение 30 мин; и (8) печь выключали и Br-легированные подложки охлаждались при продувке воздухом (P=1 атм) до комнатной температуры, чтобы дать консолидированный стержень сердцевины из Br-легированного кварцевого стекла. Стержень сердцевины был плотным и матово-белого цвета. Сегмент стержня сердцевины проанализировали с помощью рентгеновской флуоресценции и было обнаружено, что концентрация Br легирования составляет 1,63 вес.%. Стержень сердцевины был оснащен ручкой, и его прогоняли через горячую зону печи для консолидации с целью очистки стекла. Был получен высокопрозрачный стержень сердцевины, пригодный для вытяжки и изготовления волокна.

ПРИМЕР 4

[0103] В этом примере наглядно показано совместное легирование с помощью Cl и Br.

[0104] Пробы (10-20 г) кварцевых подложек 2, 3 и 5 загружали в трубчатую печь и подвергали воздействию следующего режима обработки: (1) подложки нагревали в атмосфере N₂ (P=1 атм) со скоростью 10°C/мин до температуры 1000°C; (2) нагретые подложки обезвоживали с помощью Cl₂ (2 об.% в N₂ при общем давлении 1 атм )при 1000°C в течение 20 мин; (3) температуру печи повышали до 1060°C и печь продували с помощью N₂ (P=1 атм) в течение 20 мин для удаления Cl₂; (4) печь вакуумировали с помощью вакуумного насоса в течение 15 мин при 1060°C для уменьшения давления в трубке ниже ~0,05 атм; (5) подложки легировали с помощью Br под фиксированным вакуумом при 1060°C путем нагревания жидкого прекурсора SiBr₄ до 130°C для испарения SiBr₄, испарившийся SiBr₄ подавали в трубку печи в течение 30 мин, давление SiBr₄ в трубке составляло 0,45 атм; (6) при поддержании в трубке давления SiBr₄ в 0,45 атм легирование с помощью Cl происходило путем введения SiCl₄ в трубчатую печь при давлении 0,5 атм (общее давление в трубке 0,95 атм); (7) при легировании Cl температуру печи повышали за период в 40 мин до 1400°C; (8) при поддержании давления SiBr₄ 0,45 атм и давления SiCl₄ 0,5 атм Br-, Cl-легированные подложки спекали при 1400°C в течение 30 мин; и (9) печь выключали и Br-, Cl-легированные подложки охлаждались при продувке N₂ (P=1 атм) до комнатной температуры, чтобы дать консолидированные образцы совместно легированных с помощью Br и Cl кварцевых стекол. В этом примере образец совместно легированного кварцевого стекла, полученный от подложек 2, 3 и 5 называются в этом описании как образцы 4-2, 4-3 и 4-5; соответственно.

[0105] Рентгенофлюоресцентные измерения на совместно легированных стеклах проводили для определения концентраций легирования Br и Cl как функцию расстояния над выбранными представительными частями образцов 4-2, 4-3 и 4,5. Результаты показаны на фиг.14. Записи 91, 92 и 93 показывают, что концентрация легирования Br образцов 4-2, 4-3 и 4,5, соответственно Записи 94, 95 и 96 показывают концентрацию Cl легирования образцов 4-2, 4-3 и 4,5, соответственно. Наблюдали похожие концентрации Br и Cl легирования для образцов. Концентрация Br составляла 1,8 вес.%-1,9 вес.% и концентрация Cl легирования составляла примерно 0,3 вес.%.

[0106] Легирование кварцевого заготовочного тела может быть достигнуто путем подвергания нагретого тела кварцевой пористой заготовки воздействию испарившегося SiBr₄. Время воздействия испарившегося SiBr₄ на тело кварцевой пористой заготовки может составлять, по меньшей мере, 5 мин или, по меньшей мере, 10 мин, или, по меньшей мере, 15 мин, или, по меньшей мере, 30 мин, или в интервале от 1 мин до 60 мин, или в интервале от 5 мин до 45 мин, или в интервале от 10 мин до 35 мин,

[0107] Образование испарившегося SiBr₄ может быть выполнено путем нагревания жидкого SiBr₄. Температура нагревания может составлять, по меньшей мере, 100°C, или, по меньшей мере, 110°C, или, по меньшей мере, 120°C, или, по меньшей мере, 130°C, или, по меньшей мере, 140°C, или в интервале от 100°C до 200°C, или в интервале от 100°C до 175°C, или в интервале от 100°C до 155°C, или в интервале от 110°C до 150°C, или в интервале от 120°C до 145°C. Испарившийся SiBr₄ также может быть образован путем впрыскивания жидкого SiBr₄ в горячий паровой поток и прохождения парового потока над телом кварцевой полой заготовки.

ПРИМЕР 5

[0108] В этом примере волокно вытягивали из преформы, которая заключала в себе элемент Br-легированной сердцевины. Спектральное затухание Br-легированного волокна сравнивали также со спектральным затуханием GeO₂-легированного оптического волокна.

[0109] Волокно с бром-легированной сердцевиной было приготовлено путем следующей двухэтапной процедуры стержень в пористой заготовке:

[0110] Этап 1: Во-первых, изготовили сегмент сердцевины. 2507 г пористой заготовки осаждали на затравочный стержень, используя метод пламенного гидролиза с SiCl₄. После удаления затравочного стержня пористую заготовку помещали в печь для консолидации, оснащенной барботажной системой для SiCl₄. Барботажное устройство было установлено на температуру примерно 153°C для обеспечения давления пара примерно 0,55 атм в газовом потоке He-носителя с 2 ст.л/мин. Пористую заготовку подвергали воздействию следующих условий обработки в печи для консолидации:

Этап Скорость изменения Температура Газовый поток Время (мин) Подогрев Нет данных 1175°C He 30 Сушка Нет данных 1175°C 5% Cl₂ в He 60 Легирование 1°C/мин 1200°C 55% SiBr₄ в He 40 Спекание 16 мм/мин 1540°C 55% SiBr₄ в He

[0111] Спеченную заготовку охлаждали и повторно вытягивали в стержни сердцевины из Br-легированного стекла, имеющие диаметр 8 мм. Показатель преломления стержней сердцевины составлял 0,23 Δ% относительно кварца.

[0112] Этап 2: Часть внутренней оболочки волокна изготавливали с использованием метода стержня в пористой заготовке. 1773 г пористой заготовки длиной 1 м были приготовлены методом, сходным с методом, описанным на этапе 1 для заготовки сердцевины. После удаления пористой заготовки внутреннего защитного покрытия от затравочного стержня полученный в этапе 1 стержень Br-легированной сердцевины диаметром 8 мм устанавливали в центральной полости вдоль осевой линии пористой заготовки внутреннего защитного покрытия. Последовательность консолидации завершали, используя следующую процедуру: этап Cl₂-сушки, этап легирования фтором и последующий этап спекания. Условиями, использованными в последовательности консолидации, были:

Этап Скорость изменения Температура Газовый поток Время Подогрев Нет данных 1200°C 1% O₂ в He 45 мин Сушка Нет данных 1200°C 3%Cl₂ в He 75 мин Легирование Нет данных 1200°C 2.5%SiF₄ в He 60 мин Спекание 5 мм/мин 1450°C 1% SiF₄ в He

[0113] Из консолидированной заготовки (с Br-легированной сердцевиной и частями F - легированной внутреннего защитного покрытия) опять повторно вытягивали консолидированные стеклянные стержни до диаметра 8 мм. Профиль показателя преломления измеряли, используя анализатор преформ Photon Kinetics P106, представленный показателем преломления кварца 1,444374@1550 нм. Профиль показателя преломления показан на фиг.15.

[0114] Один из стержней, приготовленных на этапе 2 выбирали для наружной укладки. 1015 г заготовки осаждали непосредственно на однометровую часть выбранного стержня. Получившуюся пористую заготовку консолидировали с помощью следующей процедуры:

[0115]

Этап Скорость изменения Температура Газовый поток Время Подогрев Нет данных 1200°C 1% O₂ в He 45 мин Сушка Нет данных 1200°C 3%Cl₂ в He 75 мин Легирование Нет данных 1200°C 2,5%SiF₄ в He 60 мин Спекание 5 мм/мин 1450°C 1% SiF₄ в He

[0116]

[0117] Конечную консолидированную заготовку (которая включает в себя Br-легированную сердцевину, F-легированную внутреннее защитное покрытие, а также F-легированную внешнее защитное покрытие, вытягивали в волокно. Спектральное затухание волокна измеряли на длине в 3 км, используя систему анализа оптического волокна PK2500 Optical Fibber Analysis System. Спектральное затухание волокна сравнивают со спектральным затуханием GeO₂-легированным волокном, полученном на том же самом технологическом оборудовании в фиг.16. Сравнение затухания показывает больше подобных оптических потерь при всех представляющих интерес длинах волн для Br-легированных и GeO₂-легированных волокон.

Длина волны (нм) Затухание в волокне с Br-легированной сердцевиной (дБ/км) Затухание в волокне с GeO₂-легированной сердцевиной (дБ/км) 1000 0,952 0,990 1310 0,334 0,338 1550 0,204 0,195

[0118]

[0119] Если прямо не указано иное, то ни в коей мере не предполагается, что какой-либо способ, изложенный в этом документе, должен трактоваться как требующий выполнения в определенном порядке. Соответственно, в тех случаях, когда пункт формулы изобретения на способ фактически описывает порядок, которому надо следовать по его этапам или по-иному он не установлен в формуле изобретения или описаниях, что этапы ограничены определенным порядком, никоим образом не предполагается, что будет получен какой-либо определенный порядок.

[0120] Специалистам в области техники будет очевидно, что различные модификации и варианты могут быть сделаны без отступления от сущности или объема иллюстрированных вариантов осуществления. Поскольку модификации, комбинации, субкомбинации и изменения раскрытых вариантов осуществления, которые входят в сущность и предмет иллюстрированных вариантов осуществления, могут встречаться специалистам в области техники, описание должно толковаться, как включающее все в рамках объема прилагаемой формулы изобретения и их эквивалентов.

Изобретение относится к получению одномодовых оптических волокон из легированного бромом кварцевого стекла. Оптическое волокно содержит сердцевину и оболочку, причем упомянутая сердцевина включает в себя кварцевое стекло, легированное с помощью Br, причем концентрация Br в сердцевине кварцевого стекла составляет от 1,75 вес.% до 4 вес.%. Упомянутая оболочка также может содержать бром. Дополнительно оптическое волокно может содержать хлор. упомянутая оболочка включает в себя внутреннюю оболочку и внешнюю оболочку, причем упомянутая внутренняя оболочка имеет более низкий относительный показатель преломления, чем упомянутая внешняя оболочка, а упомянутая внешняя оболочка имеет более низкий относительный показатель преломления, чем упомянутая сердцевина. Легирования бромом достигали с помощью SiBr₄ в качестве прекурсора. Легирование бромом может происходить во время нагревания, консолидации или спекания пористого тела из кварцевого стекла. Бром является примесью для увеличения показателя преломления в кварце и относительный показатель преломления кварца увеличивается почти линейно с легирующей концентрацией. 2 н. и 22 з.п. ф-лы, 16 ил., 5 табл., 5 пр.

1. Оптическое волокно, содержащее сердцевину и оболочку, причем упомянутая сердцевина включает в себя кварцевое стекло, легированное с помощью Br, причем концентрация Br в сердцевине кварцевого стекла составляет от 1,75 вес.% до 4 вес.%.

2. Оптическое волокно по п. 1, дополнительно содержащее Cl.

3. Оптическое волокно по п. 1, в котором упомянутая оболочка содержит Br.

4. Оптическое волокно по п. 1, в котором упомянутая сердцевина дополнительно содержит Cl.

5. Оптическое волокно по п. 1, в котором упомянутая оболочка включает в себя внутреннюю оболочку и внешнюю оболочку, причем упомянутая внутренняя оболочка имеет более низкий относительный показатель преломления, чем упомянутая внешняя оболочка, а упомянутая внешняя оболочка имеет более низкий относительный показатель преломления, чем упомянутая сердцевина.

6. Оптическое волокно по п. 5, в котором упомянутая внутренняя оболочка включает в себя нелегированное кварцевое стекло.

7. Оптическое волокно по п. 5, в котором упомянутая внутренняя оболочка включает в себя кварцевое стекло, легированное с помощью F.

8. Оптическое волокно по п. 7, в котором концентрация F в упомянутом кварцевом стекле упомянутой внутренней оболочки находится в интервале от 0,05 вес.% до 0,80 вес.%.

9. Оптическое волокно по п. 8, в котором концентрация Br в упомянутом кварцевом стекле упомянутой сердцевины находится в интервале от 1,75 вес.% до 2,5 вес.%.

10. Оптическое волокно по п. 5, в котором упомянутая внешняя оболочка включает в себя кварцевое стекло, легированное Br.

11. Оптическое волокно по п. 10, в котором концентрация Br в упомянутом кварцевом стекле упомянутой сердцевины больше, чем концентрация Br в упомянутом кварцевом стекле упомянутой внешней оболочки.

12. Оптическое волокно по п. 11, в котором упомянутая внутренняя оболочка включает в себя нелегированное кварцевое стекло.

13. Оптическое волокно по п. 1, в котором упомянутая сердцевина имеет относительный показатель преломления в интервале от 0,15% до 0,60%.

14. Оптическое волокно по п. 5, в котором упомянутая сердцевина имеет относительный показатель преломления в интервале от 0,08% до 0,60%.

15. Оптическое волокно по п. 14, в котором упомянутая наружная оболочка имеет относительный показатель преломления в интервале от 0,05% до 0,20%.

16. Оптическое волокно по п. 1, в котором упомянутая сердцевина испытывает недостаток в Ge.

17. Способ изготовления преформы оптического волокна, содержащего сердцевину и оболочку, указанный способ включает

изготовление кварцевой пористой преформы из OMCTS (octamethylcyclotetrasiloxane, октаметилциклотетрасилоксан),

легирование тела пористой кварцевой заготовки сердцевины с помощью Br и консолидирования указанной легированной Br кварцевой пористой преформы, где концентрация Br составляет от 1,75 до 4,0 вес.%.

18. Способ по п. 17, в котором упомянутое легирование включает в себя подвергание упомянутого тела кварцевой пористой заготовки воздействию SiBr₄.

19. Способ по п. 17, дополнительно содержащий легирование упомянутого тела кварцевой пористой заготовки с помощью Cl.

20. Способ по п. 17, дополнительно содержащий образование пористой заготовки на упомянутом консолидированном теле пористой заготовки.

21. Способ по п. 20, в котором упомянутая пористая заготовка представляет собой кварцевую пористую заготовку.

22. Способ по п. 21, дополнительно содержащий легирование кварцевой пористой заготовки с помощью Br.

23. Способ по п. 20, дополнительно содержащий консолидирование упомянутой пористой заготовки с целью образования консолидированного тела, причем упомянутое консолидированное тело содержит упомянутое консолидированное тело пористой заготовки, легированное Br, и упомянутую консолидированную пористую заготовку.

24. Способ по п. 23, дополнительно содержащий вытягивание оптического волокна из упомянутого консолидированного тела.