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CN101305305A - 微结构化光纤及其制造方法 - Google Patents

微结构化光纤及其制造方法 Download PDF

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CN101305305A CNA2006800415145A CN200680041514A CN101305305A CN 101305305 A CN101305305 A CN 101305305A CN A2006800415145 A CNA2006800415145 A CN A2006800415145A CN 200680041514 A CN200680041514 A CN 200680041514A CN 101305305 A CN101305305 A CN 101305305A
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D·C·布克宾德
R·M·菲亚克
M·-J·李
M·T·穆塔格
P·坦登
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Abstract

微结构化的光纤及其制造方法。先沉积玻璃烟灰，然后在一定的条件下固结，所述条件足以使得一部分固结气体被捕获在所述玻璃中，从而制得非周期性的空穴阵列，其可用来形成光纤中包含孔穴的区域。优选的产生孔穴的烧结气体包括氮气、氩气、CO2、氧气、氯气、CF4、CO、SO2以及它们的混合物。

Description

微结构化光纤及其制造方法
相关申请交叉引用
本申请根据35U.S.C.§119(e)要求2005年11月8日提交的美国临时申请系列第60/734,995号，2006年4月5日提交的临时申请系列第60/789,798号，以及2006年9月20日提交的临时申请系列第60/845,927号的优先权，这些申请的全部内容都参考结合入本文中。
发明背景
1.发明领域
本发明一般涉及光纤，更具体来说涉及微结构化光纤和制备微结构化光纤的方法。
2.技术背景
由玻璃材料形成的光纤已经在工业应用中应用了二十多年。尽管这些光纤代表了通讯领域的一个巨大飞跃，但是人们仍在不断地对可供替代的光纤设计进行研究。一种有希望的替代光纤是微结构化的光纤，其包括沿光纤的轴纵向连续的空穴(hole)或孔穴(void)。所述空穴通常包含空气或惰性气体，但是也可包含其它材料。大多数微结构化的光纤具有位于芯周围的大量的空穴，所述空穴沿所述纤维长度方向的较长距离(例如数十米或更长)上连续分布，通常所述空穴会沿着光纤的整个长度延伸。这些包覆空穴最优选以规则的周期性的形式围绕光纤的芯排列。换而言之，如果沿光纤的长度取光纤的横截面，则可以在基本相同的周期性空穴结构中发现相同的独立的空穴。这些微结构化的纤维包括美国专利第6,243,522号中描述的那些。
微结构化的光纤可设计成具有很宽范围的性质，可用于许多种应用。例如，人们已经设计出一种微结构化的光纤，该光纤包括实心的玻璃芯，以及位于围绕所述玻璃芯的包覆区域内的大量的空穴。可以对所述空穴的位置和尺寸进行设计，得到具有从高负值到高正值范围内任意位置分散的微结构化光纤。这些光纤可用于例如色散补偿。实心芯微结构化的光纤还可设计成在很宽的波长范围内为单模形式。大多数实心芯微结构化光纤通过全内反射机理传导光；空穴的低折射率会降低该空穴所处的包覆区域的有效折射率。
微结构化的光纤通常通过所谓的“堆叠-拉制”法制造，此方法以密堆叠方式将二氧化硅棒和/或管阵列堆叠起来，形成预成形体，然后使用常规的塔装备将其拉制成纤维。所述堆叠-拉制法存在一些缺陷。将数百根极薄的条料(cane)(通过棒或管形成)装配起来非常困难，而且还可能在堆叠和拉伸圆柱形条料的时候存在间隙空腔，这些空腔可能会引入可溶性杂质和颗粒杂质，从而显著地造成光纤的衰减，还会产生不希望有的界面，以及带来起始空穴的重新成形或变形。另外，较低的生产率和较高的成本使得这种方法并不十分适于工业生产。
发明内容
本发明的一个方面涉及一种制造光纤的方法，该方法包括通过化学气相沉积(CVD)操作形成包含烟灰的光纤预成形体。在一定的条件下，所述烟灰预成形体在围绕该预成形体的气体气氛中固结，所述固结的条件能够使得在所述固结步骤中，将一部分所述气体气氛有效地捕获在所述预成形体中，从而在所述固结的预成形体中形成非周期性分布的空穴或孔穴，各个空穴对应于至少一种捕获在所述固结的玻璃预成形体内的固结的气体的区域。然后使用所述其中包含空穴的固结的预成形体制备光纤。在固结步骤中，在所述光纤预成形体中形成的孔的至少一部分保留在拉制的光纤之内。通过将包含空穴的区域设计成对应于光纤的包覆层，使得这些所得的光纤包括芯区和包覆层区，所述芯区具有第一折射率，所述包覆层区具有低于芯的折射率的第二折射率，所述较低的折射率至少部分是由于包覆层中存在的空穴造成的。可以使用本文所述方法的替代方法或另外的方法在包覆层中提供含空穴的区域，从而改进光纤的弯曲性能。例如，通过使用本文所述的光纤设计和方法，可以制得一种光纤，该光纤在围绕10毫米的芯轴弯曲的时候，其在1550纳米的衰减增大，增大幅度小于20dB/圈，更优选小于15dB/圈，更优选小于10dB/圈。类似地，使用本文所述的光纤设计和方法，可以制得一种光纤，其在围绕直径为20毫米的芯轴弯曲的时候，在1550纳米的衰减增大，增大幅度小于3dB/圈，更优选小于1dB/圈，更优选小于0.5dB/圈，最优选小于0.25dB/圈。本文所述的方法和光纤设计可用来制造在1550纳米下为单模和多模的纤维。
较佳的是，所述孔穴基本上位于所述光纤的包覆层内，更优选完全位于所述光纤的包覆层内，使得它们在包含孔穴的区域内包围所述芯，优选在芯区域内基本没有所述孔穴。在一些优选的实施方式中，所述孔穴位于与所述光纤的芯隔开的含孔穴区域内。例如，较薄的(例如径向宽度小于40微米，更优选小于30微米)的含孔穴区域的环可以与所述光纤的芯隔开，但是没有完全延伸到所述光纤的外周。将含孔穴的区域与芯隔开将有助于降低所述光纤在1550纳米的衰减。使用薄环将会有助于使得光纤在1550纳米处为单模。所述光纤可包含氧化锗(germania)或氟，或者也可不包含氧化锗(germania)或氟，同样用来调节光纤的芯和/或包覆层的折射率，但是这些掺杂剂也可避免使用，而单独使用孔穴来调节包覆层相对于芯的折射率，使得光被引导着沿光纤的芯传输。通过使用本文揭示的固结技术，可以形成空穴在横截面中呈非周期性分布的光纤。非周期性分布表示当观察光纤的横截面的时候，孔穴随机地或非周期性地分布在光纤的一部分上。沿光纤长度方向的不同位置所取的横截面会呈现不同的横截面空穴图案，即各横截面将具有略微不同的随机取向的空穴图案、分布和尺寸。这些空穴沿光纤的长度(即平行于纵轴)延伸(伸长)，但是并不是沿整个光纤的整个长度延伸。尽管不希望被理论所限制，但是人们认为所述空穴沿光纤长度延伸小于数米，在许多情况下延伸小于1米。
通过使用本文所述的产生孔穴的固结技术，可以制得具有以下性质的光纤：该光纤具有包覆层区域，该包覆层区域的总光纤孔穴面积百分数(即孔穴的总横截面积除以光纤的总横截面积×100)大于0.01％，更优选大于0.025％，更优选大于0.05％，更优选约大于0.1％，更优选约大于0.5％。已经制备了光纤，其总孔穴面积百分数约大于1％，实际上更大于约5％，甚至10％。但是，人们认为根据光纤设计，当总孔穴面积百分数小于1％，甚至小于0.7％的时候，将会获得显著提高的弯曲性能。在一些优选的实施方式中，所述光纤中的总孔穴面积百分数小于20％，更优选小于10％，最优选小于5％。这些含孔穴的包覆层区域可用来降低相对于芯的折射率，从而形成引导光沿光纤的芯传输的包覆层区域。通过选择合适的烟灰固结条件(将在下文中描述)，可以完成许多种有用的光纤设计。例如，通过选择包覆层中的最大孔穴尺寸，使其小于将要传输的光的波长(例如对于一些远程通信系统是小于1550纳米)，优选小于将要沿光纤传输的光的波长的一半，可以在无需使用昂贵的掺杂剂的条件下得到低衰减的纤维。因此，对于各种应用，需要形成所述空穴，使得所述光纤中至少大于95％、优选所有的空穴都具有光纤的包覆层中的最大空穴尺寸，即小于1550纳米，更优选小于775纳米，最优选约小于390纳米。类似地，优选光纤中空穴的平均直径小于7000纳米，更优选小于2000纳米，更优选小于1550纳米，最优选小于775纳米，所有这些平均直径都可使用本文所述的方法获得。使用本文所述的方法制造的光纤可获得这些平均直径，其标准偏差在1000纳米以内，更优选在750纳米以内，最优选在500纳米以内。在一些实施方式中，本文所述的光纤在特定的光纤垂直截面内包含小于5000个空穴，在一些实施方式中包含小于1000个空穴，在一些实施方式中，总空穴数小于500。当然，最优选的光纤将表现出这些特征的组合。因此，例如，光纤的一个特别优选的实施方式将在一个光纤中具有小于200个空穴，所述空穴的最大直径小于1550纳米，平均直径小于775纳米，但是使用更大直径的和更多数量的空穴可以得到有用的耐弯曲的光纤。空穴数量、空穴的平均直径、最大直径和总孔穴面积百分数均可通过放大约800倍的扫描电子显微镜和图像分析软件(例如ImagePro，其购自美国马里兰州银春市(Silver Spring，Maryland，USA)的米迪赛博奈提科斯有限公司(Media Cybernetics，Inc.))的帮助来计算。
本发明的另一个方面涉及可以使用上文所述的方法制备的微结构化的光纤。一种这样的微结构化的光纤包括芯区域和包覆层区域，所述芯区域具有第一折射率，所述包覆层区域具有低于所述芯区域折射率的第二折射率，这至少部分是因为其中存在非周期性分布的孔穴。因此，传输通过所述光纤的光大体上保留在所述芯内。所述孔穴的最大直径优选等于或小于1550纳米，所得的光纤在600-1550纳米的至少一种波长下(最优选波长为1550纳米)的衰减小于500dB/千米，更优选在1550纳米小于200dB/千米。在本文中，“衰减”如未具体写作“多模衰减”或“单模衰减”，则如果所述光纤在1550纳米为多模的，则表示所述光纤的多模衰减，如果所述光纤在1550纳米是单模的，则表示单模衰减。通过使用本文所述的产生孔穴的固结技术，可以制得一种光纤，该光纤具有包封区域，该包封区域的区域孔穴面积百分数大于0.5％，更优选约大于1％，更优选约大于5％，最优选约大于10％。具体来说，可以在与所述光纤的芯相距10微米的距离之内制备这种包含孔穴的包覆区域。尽管通过使用本文所述的技术可以避免使用用来调节折射率的掺杂剂，但是优选将至少一种氧化锗或氟或类似的折射率调节掺杂剂与位于所述光纤的包覆区域内的非周期性分布的孔穴结合使用。但是，是否使用氧化锗和/或氟并不是关键因素，例如，如果需要的话，所述光纤可以完全或基本不含氧化锗和氟。在本文中，“非周期性分布”表示孔穴或空穴是非周期性的，即它们没有周期性地设置在纤维结构之内。尽管本发明的方法不能使得各个独立的孔穴相对于其它的独立的孔穴周期性地设置(许多其它种类的微结构化的纤维是这样周期性设置的)，但是本文所述的方法能够在光纤径向分布的各种位置设置较大量或较小量的孔穴。例如，通过使用本文所述的方法，可以使得与光纤芯相邻的区域内孔穴的区域孔穴面积百分数高于光纤中其它区域(例如光纤芯之内或外部包覆区域)的百分数。类似地，可以沿着光纤的径向和轴向(即沿长度方向)控制所述含孔穴的区域内的平均空穴尺寸和空穴尺寸分布。因此，可以在光纤内的一个区域设置空穴的均匀非周期性阵列，沿着所述纤维的长度，将相对孔穴面积百分数和此区域内平均空穴尺寸保持恒定。尽管所述光纤不限于任意特定的直径，但是优选所述光纤的外径小于775微米，更优选小于375微米，最优选小于200微米。
这种纤维可用于远程通信网络(通常是850，1310和1550纳米窗口)，包括远程通信、地铁、存取、楼宇和数据中心，以及建筑物和移动物(小汽车、公共汽车、货车、飞机)用途的数据远程通信应用和控制区域网络(通常为600-1000纳米范围)。这种远程通信网络通常包括与光纤光学连接的发送机和接收机。因此，对于许多应用，需要形成空穴，使得光纤包覆层中的最大空穴尺寸小于1550纳米，更优选小于775纳米，最优选约小于390纳米。
这种光纤还可用作医学、照明、光刻和工业应用的紫外至红外光导管。一种优选的光纤的包覆层包括位于包覆层之内、优选与芯径向相距10微米以内的大量非周期性分布的孔穴区域，沿光纤的径向(垂直于光纤纵轴的横截方向)测得所述孔穴的最大直径等于或小于1550纳米，更优选等于或小于775纳米。另一种优选的光纤的包覆层，在包覆层中包含大量非周期性分布的孔穴区域，它们与芯间隔开，与芯径向距离相距在20微米以内，所述孔穴沿光纤径向测量的最大直径等于或小于1550纳米，更优选等于或小于775纳米，最优选约小于390纳米。另一种优选的光纤的包覆层，在包覆层中包含大量非周期性分布的孔穴区域，它们与芯的外边缘的径向距离在40微米以内，沿所述光纤的径向距离测得，所述孔穴的最大直径等于或小于1550纳米，更优选等于或小于775纳米，最优选约小于390纳米。与现有技术已知的各种光纤相比，本文所揭示的光纤表现出大量优点。例如，与现有技术的光纤相比，本文所揭示的光纤能够具有优良的抗弯曲性能，同时表现出极佳的模场直径。说它优良，是指通过使用本文所揭示的方法，可以制造一种光纤，该光纤在1550纳米为单模，在进行直径20纳米的弯曲的时候，能够表现出每圈小于0.5dB的衰减增加，同时在1550纳米表现出大于10微米、更优选大于11微米的模场直径。这种极佳的弯曲性能使得这些光纤成为以下应用的吸引人的候选材料：光纤到户、接入光纤(access fiber)、户内光纤应用以及光纤跨接线(这些通常是短的光纤段(1-20米)，在各端具有连接器以与光学系统或器件相连)。例如，本文所揭示的光纤可用于包括发送器、接收器、与所述发送器和接收器光学连接的光纤在内的光纤远程通信系统。较佳的是，在这些应用中(即当所述光纤在远程通信系统中作为传导光纤的时候)，所述光纤不含铒之类的任意活性元素。
另外，本文所述的光纤可支承具有高数值孔径(例如在1550纳米大于0.2，更优选大于0.4，最优选大于0.6)，这促进了它们与其它光学激光源相连的能力和提高光纤连接器的耐受性。这种光纤还是用于车辆用途的极佳候选材料。在这样的应用中，最优选光纤的最大孔穴尺寸约小于1550纳米，更优选小于775纳米，最优选约小于390纳米。
本文揭示的光纤可通过较低成本的制造工艺来制造，因为如果需要的话，可以避免使用氟和/或氧化锗之类的昂贵的掺杂剂，类似地，可以避免堆叠-拉制制造法。本发明还可进行灵活的色散控制(正的，平的或负的)，例如，对于信号处理完成大的正色散(在1550纳米＞30ps/nm/Km)，或者可以用于色散补偿的负色散光纤(例如在1550纳米＜-200ps/nm/Km)。或者本文所述的方法可简单地为光纤的包覆层添加孔穴以提高其抗弯曲性，所述包覆层中掺杂了一种或多种以下材料：氧化锗、磷、铝、镱、铒、氟或其它常规光纤掺杂剂材料。在另一个实施方式中，本文所述的方法可用来制备二氧化硅芯的光纤(即芯内不含锗掺杂剂的光纤)，其截止波长低于800纳米，在1550纳米下，其数值孔径约大于0.08，更优选约大于0.10。
在下文的详述中将更具体地描述本发明的其它特征和优点，本领域普通技术人员通过本文的描述或者通过实施本发明，可以很容易认识到这些特征和优点，本文的内容包括以下的详述、权利要求书以及附图。
应当理解，以上概述和以下本发明实施方式的详述是用来提供概况或框架，以便理解所要求的本发明的性质和特征。用附图来进一步理解本发明，附图结合在说明书中，构成说明书的一部分。附图显示了本发明的各个实施方式，与说明书一起用来解释本发明的原理和操作。
附图简述
图1显示了用来形成烟灰预成形体的OVD法。
图2显示了根据本发明的固结法的侧视截面图。
图3显示了用来形成芯条料的再拉制法。
图4显示了已经沉积在芯条料上的烟灰的固结。
图5显示了通过图4所示固结步骤得到的完全固结的预成形体。
图6显示了根据本发明的一个实施方式制造的光纤的显微照片。
图7和图8一起显示了可用于本发明的各种方法的管材制造法中的棒。
图9显示了可用于本发明的方法的拉制法和设备。
图10显示了根据本发明的一个实施方式制造的光纤的SEM显微照片。
优选实施方式的详述
本发明的方法采用预成形体固结条件，该条件足以使得显著量的气体被俘获在固结的玻璃坯件中，从而在所述固结的玻璃光纤预成形体中形成孔穴。我们没有通过一些步骤除去这些孔穴，而是使用所得的预成形体形成其中具有孔穴的光纤。
在通过常规的烟灰沉积法(例如外部气相沉积(OVD)法或气相轴向沉积(VAD)法)中，二氧化硅和掺杂的二氧化硅颗粒在火焰中通过火烧形成，以烟灰的形式沉积。对于OVD，通过使带有烟灰的火焰横过圆柱形靶棒的轴，逐层地将颗粒沉积在所述圆柱形靶棒的外面。然后，这种多孔的烟灰预成形体用干燥剂(例如氯)处理，以除去水和金属杂质，然后在固结炉内，在1100-1500℃的温度下进行固结或煅烧，形成不含孔穴的玻璃坯件。表面能驱动粘性流烧结是烧结的主要机理，造成密实化和烟灰孔的封闭，从而形成密实化的玻璃预成形体。在烧结的最后阶段，随着开放孔封闭，用于固结的气体会被捕获。如果玻璃内被捕获的气体在煅烧温度下的溶解性和渗透性很高，则所述气体将能够在固结过程中迁移，穿过玻璃并到达玻璃以外。或者，在光纤制造过程的固结阶段之后仍然被捕获的气体可通过以下方式排出：保持所述光纤预成形体一段时间，直至气体迁移通过所述玻璃预成形体而排出，从而在所述预成形体内留下一个或多个中为真空的孔穴。在由所述预成形体拉制光纤的拉制操作过程中，这些孔穴会闭合，留下无孔穴或基本无孔穴的光纤。在用来制造常规传输光纤的固结过程中，目标是使制得的光纤的芯区域和包覆层区域中都完全不含孔穴。氦气是一种在对常规光纤预成形体进行固结的过程中常用来形成气氛的气体。因为氦气在玻璃中具有极高的可渗透性，其很容易在固结过程中从烟灰预成形体和玻璃中排出，使得在氦气中固结之后，所述玻璃基本不含空穴或孔穴。
本发明使用一种预成形体固结条件，该条件能够导致显著量的气体被捕获在固结的玻璃坯件中，从而在固结的玻璃光纤预成形体中形成非周期性分散的孔穴。人们不是采取一些步骤来除去这些孔穴，而是故意地使用制得的预成形体形成其中具有孔穴的光纤。具体来说，通过使用可渗透性较低的气体和/或较高的烧结速率，可以在固结过程中将孔穴捕获在固结的玻璃内。在本文中，术语烧结玻璃或固结玻璃表示在化学气相沉积烟灰沉积法(例如OVD或VAD沉积工艺)之后，经历过烟灰固结步骤的玻璃。在所述烟灰固结步骤中，所述烟灰通过受到高热而经历致密化过程，从而除去开放的空隙(即没有被致密化的玻璃包围烟灰之间的孔穴或孔)，留下完全致密化的玻璃(尽管在本发明中仍然明显剩余一些封闭的孔(即被完全致密化的玻璃包围的孔穴或孔))。这种烟灰固结步骤优选在烟灰固结炉内进行。所述烧结速率可通过提高烧结温度和/或提高烟灰预成形体通过固结炉的烧结区的向下进料速率而提高。在某些烧结条件下，可以制得一种玻璃，其中捕获的气体所占的面积分数占预成形体总面积或体积的显著一部分。
在本发明的一个优选的实施方式中，通过使用本文所述的方法形成的光纤中的非周期性分布的空穴或孔穴位于光纤的包覆层中。这种孔穴用来降低折射率。通过设计固结参数，使空穴或孔穴的最大直径小于将要沿所述光纤长度传输的光的波长(即对于用于远程通信应用的光纤，为小于1550纳米)，该光纤可有效地用来传输特定波长的信息。
图1显示了可根据本发明使用的烟灰光纤预成形体20的制造方法。在图1所示的实施方式中，通过将含二氧化硅的烟灰22沉积在旋转并平移的芯轴或饵棒(bait rod)24上，形成了烟灰预成形体2。该工艺被称为OVD或外部气相沉积法。芯轴24优选是锥形的。所述烟灰22通过以下方式形成：将气态形式的玻璃前体28送入燃烧器26的火焰30使其氧化。向燃烧器26提供甲烷(CH4)之类的燃料32以及氧气之类的燃烧支持气体34，并引燃以形成火焰30。质量流量控制器标为V，向燃烧器26计量提供合适量的合适掺杂剂化合物36二氧化硅玻璃前体28、燃料32和燃烧支持气体34，所有这些组分都优选是气态形式的。玻璃形成体化合物28、36在火焰30中氧化，形成大体呈圆柱形的烟灰区23。具体来说，如果需要，可包含掺杂剂化合物36。例如，可以包含锗化合物作为提高折射率的掺杂剂(例如提高光纤芯内的折射率)，或者可以包含含氟的化合物以降低折射率(例如光纤的包覆层和/或含孔穴的区域的折射率)。
如图2所示，包含所述圆柱形烟灰区域23的烟灰预成形体20可以在固结炉29内固结，以形成固结的坯件31(下面的图3中所示)。在固结之前，除去图1所示的芯轴24以形成空心的圆柱形烟灰坯件预成形体。在固结过程中，烟灰预成形体20例如通过固定机械结构21悬置在固结炉29的纯石英马弗管27中。较佳的是，在固结步骤之前，所述预成形体20暴露于干燥气氛。例如，合适的干燥气氛可包含约95-99％的氦气以及1-5％的氯气，干燥温度约为950-1250℃，合适的干燥时间约为0.5-4.0小时。如果需要的话，可以使用例如包含氟或其它光纤掺杂剂的掺杂剂气体对所述烟灰预成形体进行掺杂。例如，为了用氟掺杂，可以使用SiF4和/或CF4气体。这种掺杂剂气体可使用常规的掺杂温度，例如在约950-1250℃下掺杂0.25-4小时。
在固结步骤(优选在烟灰干燥步骤之后进行)中，升高固结炉的温度，预成形体20在合适的温度下固结，例如在大约1390-1535℃下固结，以形成固结的预成形体。或者可以采用梯度烧结，使烟灰预成形体20被向下驱动通过固结炉29中温度保持在大约1225-1550℃、更优选约1390-1535℃的热区。例如，所述预成形体可保持在等温区(在该区域内保持所需的干燥温度(950-1250℃))，然后以一定的速率驱动所述烟灰预成形体通过保持在所需固结温度(例如1225-1550℃，更优选1390-1535℃)的区域，所述速率足以使预成形体20的温度以大于1℃/分钟的速率升高。所述固结炉的上部区域可保持在较低的温度，这有助于干燥和杂质去除步骤。下部区域可保持在固结所需的较高温度。在一个优选的实施方式中，所述包含烟灰的预成形体以第一向下进料速率向下进料通过固结热区，然后该预成形体以第二向下进料速率向下进料通过第二热区，所述第二向下进料速率小于第一向下进料速率。这种固结技术导致烟灰预成形体的外部比该预成形体其余部分更早地烧结，从而有助于捕获气体，这又有助于在所得的固结的玻璃中形成孔穴和保留这些孔穴。例如，所述预成形体可以以第一速度接触这些合适的固结温度(例如约高于1390℃)，所述第一速度足以使得预成形体的温度以大于15℃/分钟、更优选大于17℃/分钟的速率升高，然后采用至少第二向下进料速率/固结温度的组合，该组合足以使得所述预成形体以至少约12℃/分钟、更优选大于14℃/分钟的速率加热。较佳的是，所述第一固结速率造成所述预成形体外部的升温速率比所述第二固结速率的升温速率高2℃/分钟以上，更优选高10℃/分钟以上，更优选约高20℃/分钟以上，最优选高50℃/分钟以上。如果需要的话，可以采用第三固结步骤甚至五个或更多个另外的固结步骤，这些步骤以更慢的速率(例如小于10℃/分钟)进行加热。或者，所述烟灰预成形体可以通过以下方式以更快的速率烧结，以产生更多的孔穴：驱动烟灰预成形体通过温度高于1550℃、更优选高于1700℃、更优选高于1900℃的烧结炉热区。或者，可以使用与烟灰接触的明火或者等离子炬在固结炉以外，以更快的速率使所述烟灰预成形体烧结。
可用于所述固结步骤的优选的烧结气体(即在烧结步骤中围绕所述预成形体的气体)包含选自以下的至少一种气体：氮气、氩气、CO2、氧气、氯气、CF4、CO、SO2、氪以及它们的混合物。这各种气体在等于或低于所述根据本发明的方法适于形成孔穴的固结温度的条件下在二氧化硅玻璃中具有较低的可渗透性。优选这些产生孔穴的气体单独或结合使用，其用量为5-100体积％，更优选约为20-100体积％，最优选约为40-100体积％。剩余的烧结气体气氛由合适的稀释剂或载气组成，例如氦气、氢气、氘或其混合物。在本文所述的一些实施方式中，例如当计划在所述产生孔穴的固结过程之后，要通过OVD法在所得的玻璃预成形体或条料上沉积另外的烟灰的时候，优选使用包含小于10％的氧气、更优选包含小于5％的氧气、最优选基本不含氧气的烧结气体，否则便会由于与OVD过程中形成的氢气接触，造成一些种子(seed)的损失。一般来说，在烧结气体中使用的产生孔穴的气体(氮气，Ar，CO2，O2，Cl2，CF4，CO，SO2，氪，或其混合物)的体积百分数越大，则所得的固结玻璃中会产生更大和更多的孔穴。更佳的是，用来在固结步骤过程中形成孔穴的烧结气体包含选自以下的至少一种气体：氮气、氩气、CO2、氧气和氪，以及它们的混合物。这些气体可以完全单独使用，或者以这些气体与氦气之类的载气的混合物的形式使用。一种特别优选的产生孔穴的气体是氮气。申请人已经发现，当氮气和/或氩气一起使用或独立使用，作为产生孔穴的气体的时候，优选所述氮气和/或氩气在所述烧结气氛中的用量大于10体积％，更优选大于30体积％，更优选约大于50体积％，最优选约大于65体积％，剩余的烧结气氛为氦气之类的载气。这些气体已经以大于85体积％的浓度成功地使用。实际上，最高100％的氮气、最高100％的氩气，以及最高100％的氧气已经被成功地使用。人们还通过在部分真空(，例如其中将预成形体置于压力约40-750托的烧结气氛中)，在低可渗透性气体(例如氮气，氩气，CO2，氧气，氯气，CF4，CO，SO2)中烧结烟灰来产生孔穴。通过使用本文所述的产生孔穴的固结技术，可以制得一种光纤，该光纤具有包覆层，所述包覆层包括具有孔穴的区域，该区域的孔穴区域孔穴面积％大于0.5％，更优选约大于1％，更优选约大于5％，最优选约大于10％。在本文中，区域孔穴面积％表示含孔穴的区域内孔穴的总面积除以所述含孔穴区域的总面积(沿垂直于所述光纤轴的横截面观察所述光纤)×100，所述含孔穴的区域由所述含孔穴区域的内边界和外边界限定。例如，如果光纤中最靠内的孔穴的最内边缘的径向位置与光纤轴中线相距4微米，而所述光纤中最靠外的孔穴的外部边界的径向位置与中线相距60微米，则所述包含孔穴的区域的面积约为11309-50＝11259平方微米。如果所述含孔穴的区域内所含的孔穴的总横截面积为1100平方微米，则所述含孔穴的区域的孔穴面积％约为9.8％。
使用上述优选的烧结气体时，需要使用一种固结方法，该方法包括以一定的速率和温度条件，将所述预成形体向下进料，所述速率和温度条件足以使得至少一部分所述固结气体被故意捕获。这可通过以下方式进行，例如：以至少约10℃/分钟，更优选大于约12℃/分钟，更优选大于约14℃/分钟的方式对烟灰预成形体的至少一部分进行加热。用于本发明的烧结温度优选高于1100℃，更优选高于1300℃，更优选高于1400℃，最优选高于1450℃。一种特别优选的烧结温度约为1490℃。
图3显示了用来拉制用于本发明的芯条料的方法。例如在一个这样的实施方式中，如上文结合图1所述形成了烟灰预成形体，然后使用常规的固结技术(例如使用高于1300℃的固结温度，使用100％的氦气气氛)使得所述烟灰预成形体固结，形成不含孔穴的预成形体。例如，在使用光纤预成形体制备纯二氧化硅芯光纤的时候，所述芯预成形体由较纯的二氧化硅组成，其中不含显著量的折射率调节掺杂剂。或者，在使用光纤预成形体制造纯氧化锗掺杂的芯光纤的时候，所述芯预成形体可由氧化锗掺杂的芯区域以及任选的一部分包覆层(例如未掺杂的二氧化硅包覆层)组成。所得的固结的芯坯件31置于芯条料拉制炉37中，由其拉制至少一类具有减小的外直径的棒形芯条料段33。将所述预成形体坯件31加热至例如约1700-2000℃的温度。控制器38通过给张力机械装置40(此处显示为两个驱动轮)提供合适的控制信号，以便以合适的速度下拉所述条料33，从而控制对所述条料施加的张力。通过这种方式，可以得到外径为例如约1-16毫米的一定长度的芯条料33。然后将所述芯条料用作靶或芯轴24进行另外的烟灰沉积，或者在管内棒(rodin tube)过程中用作棒，这将在下文中进一步进行描述。
在一个优选的实施方式中，使用上文结合图3所述的方法形成芯条料试件，其可作为另外的烟灰沉积的靶或者芯轴，然后其可使用本文所述的孔穴形成技术进行固结，从而最终成为光纤的包覆层。在一个这样的实施方式中，例如，可使用完全固结的、无孔穴的玻璃芯条料作为图1所示烟灰沉积步骤中的饵棒24。所述玻璃芯条料可以是未掺杂的二氧化硅，因而所得的光纤将是芯基本为纯二氧化硅的二氧化硅芯光纤。或者，所述芯条料可以由一个或两个掺杂的区域组成，这些掺杂的区域一起形成光纤的光传输芯区域。在将烟灰沉积在玻璃芯条料上之后，所述外部烟灰区域120可以如图4所示在固结炉129内完全固结。较佳的是，在此固结步骤中，如图5所示，如上所述进行形成孔穴的固结过程，以形成包含孔穴的固结的光纤预成形体150。
如上所述，用于形成孔穴的固结步骤的优选的气体包括选自以下的至少一种气体：氮气、氩气、CO2、氧气、氯气、CF4、CO、SO2、氪以及它们的混合物。优选这些产生孔穴的气体单独或组合使用，其用量为5-100体积％，更优选约为20-100体积％，最优选约为40-100体积％。剩余的烧结气氛由合适的稀释剂或载气组成，例如氦气、氢气、氘或其混合物。一般来说，用于烧结气体中的产生孔穴的气体(氮气，Ar，CO2，Kr，O2，Cl2，CF4，CO，SO2)的百分数越大，则所得的固结的玻璃中的孔穴将会越大和越多。一种特别优选的产生孔穴的气体是氮气，其用量优选大于10体积％，更优选大于30体积％，更优选约大于50体积％，最优选约大于65体积％，剩余的烧结气氛为载气，例如氦气。人们还通过在部分真空(例如其中将预成形体置于压力约40-750托的烧结气氛中)，在低可渗透性气体(例如氮气，氩气，CO2，氧气，氯气，CF4，CO，SO2)中烧结烟灰来产生孔穴，在此情况下不需要使用可渗透性较高的稀释气体，例如氦气。通过使用本文所述的产生孔穴的固结技术，可以制得一种光纤，该光纤的包覆层包括含有孔穴的区域，该区域的区域孔穴面积百分数大于0.5％，更优选约大于1％。甚至还可能使用这些技术获得约大于5％、甚至约大于10％的区域孔穴面积％。所述区域孔穴面积％优选小于50％，更优选小于20％。最优选的是，所述具有空穴的区域不会延伸到包覆层外部边缘，以使得光纤外部之上具有开放的孔穴或空穴。
本发明所用的烧结温度优选为1100-1550℃，更优选为1300-1500℃，最优选为1350-1500℃。一种优选的烧结温度约为1490℃。对固结过程中使用的气氛、在固结炉内的温度以及预成形体固结速率进行选择，使得在烟灰固结过程中，气体被故意地捕获在预成形体中，在固结的玻璃中形成空穴。这些包含气体的孔穴优选在光纤拉制过程之前和/或过程中不会完全脱气，使得在拉制成光纤之后，所述孔穴残留在所述光纤中。可以对许多种工艺参数进行控制，以改变和控制孔穴的尺寸。例如，通过延长固结试件或升高固结温度可以增大孔穴的尺寸，这是因为升高的温度会造成捕获在孔穴内的气体膨胀。类似地，所述孔穴的尺寸和面积会受拉制条件的影响。例如，拉制炉内较长的加热区和/或较快的拉制速度会增大所述孔的尺寸以及孔的面积百分数。通过选择在固结温度下在玻璃内渗透性更高的气体，将会得到较小的孔穴。烧结速率还会对空穴尺寸和空穴数量造成显著的影响。较快的烧结速率将会导致形成更多和更大的孔穴。但是采用过慢的烧结速率会导致不形成孔穴，这是因为气体将会有时间通过玻璃而排出。因此，预成形体的向下进料速率和/或所用的固结温度优选足够高，以便对所述预成形体的至少一部分以约高于10℃/分钟、更优选约高于12℃/分钟、更优选约高于14℃/分钟的速率进行加热。一般来说，具有较低烟灰密度的光纤预成形体将会导致形成更多的孔穴。但是，在需要的时候，特殊光纤预成形体中沉积的烟灰的密度可以改变，以产生更多的空穴(更高的区域孔穴面积百分数)。例如，可以将高密度烟灰区域直接设置在固结的玻璃(例如纯二氧化硅)芯条料上，然后在其上沉积密度低于第一烟灰区域的第二烟灰区域。我们发现这会使得芯附近(即在高密度烟灰区域)具有更高的孔穴面积百分数。所述含二氧化硅的烟灰的堆积密度优选约为0.10-1.7g/cc，更优选约为0.30-1.0g/cc。这种效果还可用来形成固结的包含孔穴的预成形体，其在包含低孔穴或不含孔穴的区域与含较高孔穴的区域之间交替；在至少100微米的距离内初始烟灰密度径向变化大于3％。这种预成形体可用来例如制造具有包覆层区域的光纤，所述包覆层区域在无孔穴的玻璃和含孔穴的玻璃区域之间交替变化。具有这种交替的含孔穴区域和不含孔穴区域的纤维将表现出用作布拉格栅(Bragg grating)的性质。
参见图5，使用上述技术，可以形成光纤预成形体150，其包括无孔穴的芯区域151，该芯区域151被包含大量孔穴的包覆层152包围。通过在包覆层152中形成包含足量的具有合适尺寸孔穴的含孔穴区域，包覆层152将作为光学包覆层，在所述光纤预成形体被拉制成光纤之后，用来导引光通过芯区域151。或者所述含孔穴的区域可用来提高光纤的弯曲性能。如果需要的话，在将预成形体150拉制成光纤之前，可以将另外的烟灰沉积在包覆层区域152上并进行固结。所述另外的沉积的包覆材料可根据需要固结成包括孔穴，也可固结成不包括孔穴。
图6显示了由这种预成形体拉制成的光纤的一个例子。所述图6的光纤包括纯二氧化硅芯区域，该芯区域被包覆层区域包围，所述包覆层区域包含孔穴，这些孔穴的位置能够有效地引导光通过所述二氧化硅芯。图6的光纤的基谐模式在1550纳米下的衰减为0.28dB/km，即使该光纤是由较为粗糙的试验制造设备制成的。但是，通过使用更为合适的设备，肯定可以达到在1550纳米下小于0.2dB/km的衰减。
或者，可以不将烟灰沉积在已经形成的芯条料上，而采用上述的成形方法形成上文结合图2所述的其中具有含孔穴的区域的固结玻璃管材，该管材可作为芯条料的套管。例如，上述方法可用来在可移除的芯轴24上形成烟灰预成形体，然后移除所述芯轴，如上所述使所述烟灰预成形体固结，形成固结的包含孔穴的玻璃管。所得的其中包含孔穴的管材65可作为芯条料35的套管。这种套管可通过例如管材制造技术中的常规的棒完成，如图7和图8所示。在图7中，将纯(即基本不含增大折射率的掺杂剂，例如锗)二氧化硅芯条料35插入包含孔穴的包覆套管部分65中，但是所述芯区域或包覆层也可用常规的折射率调节剂(例如锗或氟)进行掺杂。在图8中，将芯条料35和包覆套管部分65加热至合适的温度(例如约高于1300℃至1500℃)，然后使用管材制造工艺步骤中公知的棒再拉制至较小直径，从而形成光纤预成形体，该预成形体可以拉制成光纤，该光纤具有根据本发明被包含孔穴的包覆层区域包围的纯的二氧化硅芯区域。
在本文所述的任意实施方式中，所得的最终固结的光纤预成形体50可通过以下方式拉制成光纤：将所述预成形体置于图9所示的拉制炉52内，然后用常规的方法和设备加热和拉制光纤54。然后将光纤54在冷却室55内冷却，并用无接触传感器56测量最终直径。可以使用涂敷设备58(也是常规设备)施涂一层或多层涂层并固化。在拉制过程中，所述光纤54通过张力组件60，从而施加张力，由所述预成形体50拉制光纤54。通过控制设备61控制所述张力，以将光纤的直径保持在预定的设定点。最后，用进料头62将涂敷后的光纤54缠绕在光纤储存线轴64上。
上面结合图3所述用来形成芯条料的相同方法还可用来对包含孔穴的固结的管材进行再拉制。这种再拉制法可用来改变所述管材中包含的孔穴的尺寸。例如，在对包含孔穴的预成形体进行再拉制的时候，直径减小得越厉害，则该预成形体中的孔穴尺寸将越小。
通过使用本文所述的产生孔穴的固结技术，我们制得了光纤，该光纤由具有第一折射率的芯区域和具有第二折射率的包覆层区域组成，所述第二折射率低于芯区域的第一折射率，使得传输通过所述光纤的光基本保持在芯内，使得所述孔穴位于其中，形成所述光纤的包覆层，所述孔穴的孔穴面积百分数基本不为零。
通过使用本文所述的技术，可以制得一种光纤，其中在光的功率分数大于80％的区域之内的任意孔穴的最大尺寸小于将要用于远程通信自动化应用的传输的光的波长。所谓最大尺寸表示在沿着光纤轴向观察的垂直横截面中，任意特定孔穴的最大直径。例如，人们已经制得这样的光纤，其中在光的功率分数大于80％(更优选大于90％)的区域内，所有所述孔穴的最大尺寸小于5微米，更优选小于2微米，更优选小于1微米，最优选小于0.5微米。
通过使用本文所述的技术，可以制得具有含孔穴区域的光纤，其中区域孔穴面积百分数大于1％，更优选大于10％，最优选大于30％。
上述方法主要局限于制造二氧化硅芯光纤，即具有被含孔穴的包覆区包围的较纯的二氧化硅芯区的光纤。或者，如果需要，可以使用调节折射率的掺杂剂(单独使用或共同使用)，以进一步相对于包覆层的折射率调节芯的折射率。例如，在一个这样的优选实施方式中，将锗芯条料用作起始棒，优选使用上述OVD沉积技术在其上沉积另外的烟灰包覆材料。然后如上所述使所述烟灰包覆区域固结，在掺杂氧化锗的二氧化硅芯区域周围形成包含孔穴的包覆区域。在包括折射率调节掺杂剂的另一个实施方式中，使用二氧化硅芯条料作为烟灰包覆区的起始棒。但是，在产生孔穴的固结步骤中，除了产生孔穴的掺杂剂气体以外，还提供了氟掺杂剂源(例如SiF4气体)以同时用氟掺杂所述含孔隙的区域。通过这种方式，可以在二氧化硅芯区域周围形成氟掺杂的含孔穴的区域。
实施例
下面将通过以下实施例更进一步描述本发明。
步骤1-芯条料制备：通过标准OVD工艺制备了直径为8毫米和15毫米的纯二氧化硅芯条料。首先将SiO2烟灰(密度为0.5g/cc)沉积在可移除的饵棒上，然后移除所述饵棒，所得的烟灰使用标准固结法(在氦气+3％的氯气中，在1000℃下干燥2小时)固结，然后在仅含He的气氛中，以6毫米/分钟的向下进料速率使其向下驱动通过热区(相当于3℃/分钟的加热速率)，以将烟灰烧结成透明的无孔穴的固结玻璃试件。该试件在500托的压力(部分真空)下，在1900℃下沿中线再拉制，使得中线的空穴闭合，得到直径为8毫米或15毫米的无空穴固结二氧化硅芯条料。除非另外说明，在下面的各个实施例中，当拉制光纤的时候，使用常规涂料(即常规的丙烯酸制剂一次涂料和二次涂料)对所述光纤进行涂敷。
实施例1：
使用外部气相沉积法(即通过沉积在1米长×10毫米直径的可移除氧化铝饵棒上)沉积3000克SiO2(密度为0.48g/cc)烟灰，形成SiO2烟灰试件。然后移除所述氧化铝饵棒，将由纯(未掺杂)的固结的二氧化硅形成的直径为8毫米的芯条料插入所述SiO2烟灰试件。然后如下对所述烟灰内的棒组件进行烧结。该组件首先在97％氦气和3％氯气的气氛中，在1000℃下干燥，然后以32毫米/分钟的速度驱动该组件在100％的氮气烧结气氛中，通过(使预成形体的升温约为16℃/分钟)设定在1500℃的热区。然后所述预成形体组件再次向下驱动(即第二次)，以25毫米/分钟的速率(预成形体加热速率约为12.5℃/分钟)通过热区，最后以6毫米/分钟的速率(约3℃/分钟的加热速率)进行最后烧结，以将所述烟灰烧结成接种氮气(nitrogen-seeded)的外部包覆试件。使用所述第一个较高的向下进料速率以使得光纤预成形体的外部变光滑，这有助于将气体捕获在所述预成形体之内。然后将所述试件置于设定在1000℃的氩气吹扫的保持加热炉内24小时。
使用热区长度约2.54厘、设定在2100℃的拉制炉，以1米/秒的速度将所得的光纤预成形体拉制成直径为125微米的光纤。对所得光纤的横截面端面的SEM分析(图6)显示了大约22微米直径的实心二氧化硅芯和包覆层，所述包覆层的区域空穴面积％(空穴面积除以含空穴的区域的面积×100)为3.5，平均直径为0.3微米(300纳米)，最大空穴直径为0.50微米(500纳米)，标准偏差为0.08微米，包括约3400个空穴，在整个光纤横截面上得到共约7900个空穴。光纤的总空穴面积％(空穴的面积除以光纤横截面总面积×100)约为3.4％。该光纤的光学性质为：在1550纳米下的多模衰减为2.2dB/Km，在1550纳米下的基谐模式的衰减为0.28dB/km。
实施例2：
将3000克SiO2(密度为0.47g/cc)烟灰以火焰沉积方式沉积在1米长×8毫米直径的纯二氧化硅芯条料上。然后该组件如下所述进行烧结。该组件首先在由氦气和3％的氯气组成的气氛中在1000℃下干燥2小时，然后在70体积％氮气和30体积％氦气的气氛中，以32毫米/分钟的速率向下驱动通过设定在1500℃的热区，然后以25毫米/分钟的速率再向下驱动通过所述热区，最后以6毫米/分钟的速率烧结，以烧结所述烟灰，形成氮气/氦气接种的外覆试件。然后所述试件置于设定在1000℃的氩气吹扫的保持加热炉内24小时，以从试件中排出氦气。
依照与实施例1所述类似的方式将所述试件拉制成直径为125微米的光纤。对所得光纤的端面的SEM分析显示了大约22微米直径的实心二氧化硅芯和包覆层，所述包覆层的区域空穴面积氮气填充孔穴％为4.5，平均直径为0.45微米，最小直径的空穴为0.03微米，最大直径为1.17微米，标准偏差为0.19微米，包括约2300个空穴，在整个光纤横截面上总共得到约8400个空穴。总光纤空穴面积％(空穴面积除以光纤总横截面积×100)约为4.4％。按照多模衰减测量的时候，该光纤在1550纳米下的光学性质为9.8dB/Km。
实施例3：
将3000克SiO2(密度为0.46g/cc)烟灰以火焰沉积方式沉积在来自步骤1的1米长×8毫米直径的纯二氧化硅芯条料上。然后该组件如下所述进行烧结。该组件首先在由3％的氯气和余量的氦气组成的气氛中在1000℃下干燥2小时，然后在50体积％氮气和50体积％氦气的气氛中，以32毫米/分钟的速率向下驱动通过设定在1500℃的热区。然后该组件以25毫米/分钟的速率再次向下驱动通过相同的热区，然后以6毫米/分钟的速率再次通过相同的热区以进行最后烧结，以烧结所述烟灰，形成氮气/氦气接种的外覆试件。然后将所述试件置于设定在1000℃的氩气吹扫的保持加热炉内24小时，以从预成形试件中排出氦气。
依照与实施例1所述类似的方式将所述试件拉制成直径为125微米的光纤。对所得光纤的端面的SEM分析显示了22微米直径的实心二氧化硅芯和包覆层，所述包覆层的区域空穴面积(氮气)％为2.6，平均直径为0.42微米，最小直径的空穴为0.03微米，最大直径为0.80微米，标准偏差为0.14微米，包括约2300个空穴，在整个光纤横截面上总共得到约5700个空穴。总光纤空穴面积％(空穴面积除以光纤总横截面积×100)约为2.5％。按照多模衰减测量的时候，该光纤在1550纳米下的光学性质为11.9dB/Km。
实施例4：
将3000克SiO2(密度为0.40g/cc)烟灰以火焰沉积方式沉积在来自步骤1的1米长×8毫米直径的纯二氧化硅芯条料上。然后该组件如下所述进行烧结。该组件首先在由氦气和3％的氯气组成的气氛中在1000℃下干燥2小时，然后在30体积％氮气和70体积％氦气的气氛中，以32毫米/分钟的速率向下驱动通过设定在1500℃的热区。然后该组件以25毫米/分钟的速率再次向下驱动通过相同的热区，然后以6毫米/分钟的速率再次通过相同的热区以进行最后烧结，以烧结所述烟灰，形成氮气/氦气接种的外覆试件。然后所述将试件置于设定在1000℃的氩气吹扫的保持加热炉内24小时，以从试件中排出氦气。
依照与实施例1所述类似的方式将所述试件拉制成直径为125微米的光纤。对所得光纤的端面的SEM分析显示了22微米直径的实心二氧化硅芯和包覆层，所述包覆层的区域空穴面积(氮气)％为2.0，平均直径为0.37微米，最小直径的空穴为0.03微米，最大直径为0.89微米，标准偏差为0.13微米，包括约2100个空穴，在整个光纤横截面上总共得到约8100个空穴。总光纤空穴面积％(空穴面积除以光纤总横截面积×100)约为2.6％。按照多模衰减测量的时候，该光纤在1550纳米下的光学性质为4.4dB/Km。
实施例5：
将3000克SiO2(密度为0.38g/cc)烟灰以火焰沉积方式沉积在来自步骤1的1米长×8毫米直径的纯二氧化硅芯条料上。然后该组件如下所述进行烧结。该组件首先在由3％的氯气和余量的氦气组成的气氛中在1000℃下干燥2小时，然后在15体积％氮气和85体积％氦气的气氛中，以32毫米/分钟的速率向下驱动通过设定在1500℃的热区。然后该组件以25毫米/分钟的速率再次向下驱动通过相同的热区，然后以6毫米/分钟的速率再次通过相同的热区以进行最后烧结，以烧结所述烟灰，形成氮气/氦气接种的外覆试件。然后将所述试件置于设定在1000℃的氩气吹扫的保持加热炉内24小时，以从试件中排出氦气。
依照与实施例1所述类似的方式将所述试件拉制成直径为125微米的光纤。对所得光纤的端面的SEM分析显示了22微米直径的实心二氧化硅芯和包覆层，所述包覆层的区域空穴面积(氮气)％为2.0，平均直径为0.37微米，最小直径的空穴为0.03微米。按照多模衰减测量的时候，该光纤在1550纳米下的光学性质为9.1dB/Km。
实施例6：
将3000克SiO2(密度为0.5g/cc)沉积在1米长×10毫米直径的可移除氧化铝饵棒上；沉积烟灰之后，移除氧化铝饵棒。然后该组件如下所述进行烧结。该组件首先在由3％的氯气和余量的氦气组成的气氛中在1000℃下干燥2小时，然后在100％氮气气氛中，以32毫米/分钟的速率向下驱动通过设定在1500℃的热区。然后该组件以25毫米/分钟的速率再次向下驱动通过相同的热区，然后以6毫米/分钟的速率再次通过相同的热区以进行最后烧结，以烧结所述烟灰，形成氮气/氦气接种的外覆试件。然后将所述试件置于设定在1000℃的氩气吹扫的保持加热炉内24小时，以排出氦气。将来自步骤1的3毫米的纯二氧化硅芯条料插入氮气接种的SiO2玻璃试件的中线。
然后依照与实施例1相类似的方式将所得的光纤预成形体拉制成直径为125微米的光纤，在中线上从试件顶部以＜250托(真空)的压力牵拉，以确保在拉制过程中，包覆层与芯条料相匹配。对光纤端面的SEM分析显示出8微米直径的实心二氧化硅芯和包覆层，所述包覆层的区域空穴面积百分数(氮气)为4.0％，平均直径为0.33微米，最小直径的空穴为0.03微米，最大直径为0.82微米，标准偏差为0.14微米，包含约4100个空穴。该光纤的光学性质显示其在大于大约800纳米的波长下的单模形式，在850纳米和1550纳米下的衰减分别为4.8和4.5dB/Km，在1550纳米下的模场直径约为11微米。该光纤表现出高的抗弯曲性；其具有极低的衰减增大，在围绕直径10毫米的芯轴绕曲的时候，在1550纳米下的衰减增大仅为每周2-8dB(相比之下，标准的市售SiO2-GeO2 0.35Δ阶跃折射率的常规单模光纤，对于相同的径向弯曲，在1550纳米下每周约为25dB的Δ衰减)。这说明本发明的含孔穴的包覆光纤在1550纳米(即在直线长度上测得的衰减减去在绕芯轴绕转(绕直径为10毫米的芯轴卷绕)的相同长度的光纤上测得的衰减)可以具有小于40，更优选小于30，更优选小于20，最优选小于10dB/周的弯曲产生的Δ衰减(即衰减增大)。
实施例7：
将3000克SiO2(0.5g/cc密度)以火焰沉积方式沉积在1米长×8毫米直径的条料上，其具有小基座(pedestal)，且具有阶跃折射率(与条料中心相距0-1.3毫米半径为0.39％Δ阶跃(step)，与条料中心相距1.3-2.3毫米半径为0.06％Δ基座，与条料中心相距2.3-4毫米半径为纯二氧化硅)，即GeO2-SiO2芯-基座，SiO2包覆条料依照与制备步骤1的条料类似的方法制造。然后该组件如下所述进行烧结。该组件首先在100％的空气气氛(～78体积％N2+～21体积％O2+～1体积％Ar+～0.03体积％CO2)中，在1000℃下保持2小时，然后在100％的空气气氛(～78体积％N2+～21体积％O2+～1体积％Ar+～0.03体积％CO2)中，该组件以6毫米/分钟的速度向下驱动通过设定在1500℃的热区，以烧结所述烟灰，形成空气接种的(～78体积％N2+～21体积％O2+～1体积％Ar+～0.03体积％CO2)外包覆试件。该试件置于用氩气吹扫的设定在1000℃的保持加热炉内24小时。
依照与实施例1类似的方式将所得的光纤预成形体拉制成直径为125微米的光纤。对光纤端面的SEM分析显示，其具有半径约为22微米的无孔穴实心芯条料(包含上面条料中所述的GeO2-SiO2芯)，其被外径约为39微米的含孔穴的包覆区以及空穴包覆环包围，空穴的区域孔穴面积百分数(～78体积％N2+～21体积％O2+～1体积％Ar+～0.03体积％CO2)为2.9％，平均直径为0.29微米，最小直径的空穴为0.03微米，最大直径为1.4微米，其又被外径为125微米的不含孔穴的纯二氧化硅外包覆层包围(所有的径向尺寸是从所述光纤的中心测量的)，光纤横截面中总共具有约350个空穴。因为较慢的向下驱动和烧结速率，所述空穴位于某一区域附近，该区域对应于GeO2-SiO2芯-SiO2包覆层芯条料在固结时的位置，从与光纤中线径向距离22微米的位置延伸到光纤横截面上径向距离约为39微米处。总孔穴面积％(空穴的面积除以光纤总横截面积×100)约为0.12％。该光纤的光学性质为：当作为多模衰减测量的时候，在850纳米、1310纳米和1550纳米下分别为2.94，1.58和1.9dB/Km，当叠接成单模光纤的时候，对于基谐模式，在1310纳米和1550纳米下分别为0.42和0.29dB/Km。
实施例8：
在1900℃下，在再拉制炉内，将实施例2制得的固结的试件再拉制成8毫米的条料。将750克SiO2(密度为0.54g/cc)烟灰的外包覆层以火焰沉积方式沉积在1米长×8毫米直径的包覆的芯条料上(即纯二氧化硅芯，通过在实施例2中用70％氮气+30％氦气制成的空气衬里(airline)包覆层)。然后该组件如下所述进行烧结。该组件首先在由氦气和3％的氯气组成的气氛中在1000℃下干燥2小时，然后在100％氦气的气氛中，以6毫米/分钟的速率向下驱动通过设定在1500℃的热区。然后将所述试件置于设定在1000℃的氩气吹扫的保持加热炉内24小时，以将氦气从试件中排出。位于包含空穴的包覆层区域外部的外包覆部分是不含空穴的无孔穴固结玻璃。
依照与实施例1所述类似的方式将所述试件拉制成直径为125微米的光纤。对所得光纤的端面的SEM分析显示了大约4微米半径的实心二氧化硅芯，其被半径约为18微米的含空气衬里的近包覆层区域包围，区域孔穴面积％(氮气)为2.9％，平均直径0.45微米，最小直径空穴为0.03微米，最大直径为1.26微米，标准偏差为0.19微米，包含约300个空穴。所述含空气衬里的包覆区域外面的外包覆部分是不含空穴的无孔穴固结玻璃(所有的径向尺寸从中心测量)。总光纤孔穴面积％(空穴面积除以光纤总横截面积×100)约为3.4％。该光纤在1550纳米的多模衰减为10.5dB/Km。
实施例9：
将7000克SiO2(密度为0.5g/cc)以火焰沉积方式沉积在1米长×22毫米直径的、具有阶跃折射率的(0.35％Δ，0.33芯/包覆层直径比)GeO2-SiO2芯-SiO2包覆层条料上(类似于用来制备步骤1的条料的方法)。然后该组件如下所述进行烧结。该组件首先在由氦气和3％的氯气组成的气氛中在1000℃下干燥2小时，然后在2体积％CO+98体积％氦气的气氛中，以32毫米/分钟的速率向下驱动通过设定在1500℃的热区。然后该组件以25毫米/分钟的速率，再次向下驱动通过相同的热区和烧结气氛，然后所述组件以6毫米/分钟的速率再次向下驱动通过相同的热区和烧结气氛，以烧结所述烟灰，形成CO/氦气接种的外包覆试件。将该试件置于用氩气吹扫的设定在1000℃的保持加热炉内24小时。
所得的光纤预成形体依照与实施例1类似的方式拉制成直径为125微米的光纤。对光纤末端的SEM分析显示，其具有直径24微米的实心芯和内包覆层(8微米直径的GeO2-SiO2芯，24微米直径的SiO2内包覆层)，以及外包覆层，所述外包覆层的区域孔穴面积％(CO)为1.8％，平均直径为0.41微米，最小直径空穴为0.03微米，最大直径为0.84微米，标准偏差为0.21微米，包括约1100个空穴。该光纤的光学性质为，当作为多孔衰减测量的时候，在850、1310和1550纳米分别为1.95，1.44和0.72dB/Km，当叠接成单模光纤，测量该光纤的基谐模式的时候，在1310纳米和1550纳米分别为0.30和0.43dB/Km。
实施例10：
将3000克SiO2(密度为0.4g/cc)沉积在1米长×10毫米直径的可移除氧化铝饵棒上；沉积烟灰之后，移除所述氧化铝饵棒。然后该组件如下所述进行烧结。该组件首先在氦气+3％氯气的气氛中，在1000℃下干燥2小时，然后在100％CF4的气氛中，以32毫米/分钟的速率向下驱动通过设定在1500℃的热区。然后该组件以25毫米/分钟的速率再次向下驱动通过相同的热区和气氛，然后该组件以6毫米/分钟的速率再次向下驱动通过相同的热区和气氛以进行最后的烧结，将所述烟灰烧结成CF4(以及/或者CF4-气体与二氧化硅的反应产物，包括CO和CO2)-接种的外包覆试件。然后将该试件置于设定在1000℃的氩气吹扫的保持加热炉中24小时。
然后依照与实施例1类似的方式将所得的光纤预成形体拉制成直径为125微米的光纤，不同之处在于，在中线上保持约850托氮气正压力的背压，以保持中间的孔开放。对光纤端面的SEM分析显示125微米的光纤，其具有直径28微米的空穴作为芯，还具有包覆层，所述包覆层的区域孔穴面积％(CF4/CO/CO2)为2.8％，平均直径为0.67微米，最小直径的空穴为0.17微米，最大直径为1.4微米，标准偏差为0.26微米，包括约700个空穴。
实施例11：
在再拉制炉中，在1900℃下，将实施例2中制得的固结的试件再拉制成8毫米的条料。将750克SiO2(密度为0.56g/cc)烟灰的外包覆层以火焰沉积方式沉积在1米长×8毫米直径的纯二氧化硅芯、空气衬里包覆层(在实施例17中，通过100％的氮气制成)条料上。然后该组件如下所述进行烧结。该组件首先在氦气+3％氯气的气氛中、在1000℃下干燥2小时，然后在100体积％氮气气氛中，以32毫米/分钟的速率向下驱动通过设定在1500℃的热区，然后以25毫米/分钟的速率再次向下驱动通过所述热区，然后以6毫米/分钟的速率进行最后的烧结，以烧结所述烟灰，形成氮气/氦气接种的外包覆试件。然后将该试件置于设定在1000℃的氩气吹扫的保持加热炉中24小时。
依照与实施例1类似的方式将所述试件拉制成直径为125微米的光纤。对光纤端面的扫描电子显微图像分析显示半径约4微米的实心二氧化硅芯区域被外径约16微米的含孔穴邻近包覆层区域包围，其包含约11.6体积％的空穴(氮气)，平均空穴直径为0.70微米，其被外径为125微米的含孔穴二氧化硅外包覆层包围(所有的径向尺寸都是从光纤中心测量)，其包含4.7体积％的空穴(氮气)，平均空穴直径为0.54微米，最小直径空穴为0.03微米，最大直径为0.87微米，标准偏差为0.23微米。这就证明，相对于光纤半径可以形成不同的孔穴含量，因此可以得到不同孔穴百分数的不同水平的折射率曲线。作为多模衰减测得，该光纤的光学性质为在1550纳米为17.4dB/Km。
实施例12：
将500克SiO2(密度为0.46g/cc)烟灰以火焰沉积方式沉积在1米长×15毫米直径的纯二氧化硅芯条料上。然后该组件如下所述进行烧结。该组件首先在氦气+3％氯气的气氛中，在1000℃下干燥2小时，然后在70体积％氮气+30体积％CF4的气氛中，以32毫米/分钟的速率向下驱动通过设定在1500℃的热区。然后该组件以25毫米/分钟的速率再次向下驱动通过相同的热区和气氛，然后该组件以6毫米/分钟的速率再次向下驱动通过相同的热区和气氛以进行最后的烧结，将所述烟灰烧结成F掺杂+氮气接种的外包覆试件。然后将该试件置于设定在1000℃的氩气吹扫的保持加热炉中24小时。
依照与实施例1类似的方式将所述试件拉制成直径为125微米的光纤。对光纤端面进行的放大200倍和500倍的光学图像分析显示直径约82微米的实心二氧化硅芯和包覆层，所述包覆层包含约9.0体积％的空穴(氮气)，平均空穴直径为0.73微米，最小直径的空穴为0.03微米，最大直径为2.0微米，标准偏差为0.40微米，包括约1200个空穴。当作为多模衰减测量的时候，该光纤的光学性质为在850纳米、1310纳米和1550纳米分别为16.1、14.5和13.2dB/Km。当所述光纤围绕半径为5毫米的芯轴卷绕一圈的情况下，光学弯曲性能数据显示在850和1550纳米的衰减增加分别为1.85和0.67dB。制造了没有孔穴的参比光纤，在包覆的时候使用SiF4+He烧结气氛，得到没有孔穴的光纤。该参比光纤的光学弯曲性质为：当所述光纤围绕半径为5毫米的芯轴卷绕一圈的情况下，光学弯曲性能数据显示在850和1550纳米的衰减增加分别为8.06和9.33dB。这些结果说明，包覆层中包含孔穴的光纤具有优良的弯曲性能。
实施例13：
将500克SiO2(密度为0.53g/cc)烟灰以火焰沉积方式沉积在1米长×15毫米直径的GeO2-SiO2渐变折射率实心玻璃条料上(具有抛物线形折射率分布，峰上Δ折射率为2％(相对于二氧化硅))。然后该组件如下所述进行烧结。该组件首先在氦气+3％氯气的气氛中，在1000℃下干燥2小时，然后在100％氮气气氛中，以32毫米/分钟的速率向下驱动通过设定在1500℃的热区。然后该组件以25毫米/分钟的速率再次向下驱动通过相同的热区和气氛，然后该组件以6毫米/分钟的速率在100％的氮气中进行最后的烧结，以烧结所述烟灰，形成氮气接种的外包覆试件。然后将该试件置于设定在1000℃的氩气吹扫的保持加热炉中24小时。
然后依照与实施例1类似的方式将所述试件拉制成直径为125微米的试件。对光纤端面进行的放大200倍和500倍的光学图像分析显示，具有直径约为81微米的实心氧化锗掺杂的二氧化硅芯和包覆层，所述包覆层包含约3.5体积％的空穴(氮气)，平均空穴直径为0.46微米，最小直径的空穴为0.04微米，最大直径为0.97微米，标准偏差为0.16微米，包括约1500个空穴。当作为多模衰减测量的时候，所述光纤的光学性质为，在850纳米、1310纳米和1550纳米下分别为3.36、1.09和0.84dB/Km。当所述光纤围绕半径为5毫米的芯轴卷绕一圈的情况下，光学弯曲性能数据显示在850和1550纳米的衰减增加分别小于0.70dB和0.55dB。测量了市售的62.5微米芯(GeO2-SiO2渐变折射率(具有抛物线形折射率分布，峰上Δ折射率为2％(相对于二氧化硅)))、直径为125微米的无孔穴参比光纤的抗弯曲性能。当所述光纤围绕半径为5毫米的芯轴卷绕一圈的情况下，光学弯曲性能数据显示在850和1550纳米的衰减增加分别为1.13和1.20dB。这些结果说明包覆层中包含孔穴的光纤具有优良的弯曲性能。
实施例14：
将1200克SiO2(密度为0.47g/cc)烟灰以火焰沉积方式沉积在1米长×15毫米直径的GeO2-SiO2渐变折射率实心玻璃条料上(具有抛物线形折射率分布，峰上Δ折射率为2％(相对于二氧化硅))。然后该组件如下所述进行烧结。该组件首先在氦气+3％氯气的气氛中，在1000℃下干燥2小时，然后在100％氧气气氛中，以32毫米/分钟的速率向下驱动通过设定在1500℃的热区。然后该组件以25毫米/分钟的速率再次向下驱动通过相同的热区和气氛，然后该组件再以6毫米/分钟的速率在100％的氧气中进行最后的烧结，以烧结所述烟灰，形成氧气接种的外包覆试件。然后将该试件置于设定在1000℃的氩气吹扫的保持加热炉中24小时。
然后依照与实施例1类似的方式将所述试件拉制成直径为125微米的试件。对光纤端面进行的放大200倍和500倍的光学图像分析显示，具有直径约62.5微米的实心二氧化硅-氧化锗芯和包覆层，所述包覆层包含约9.0体积％的空穴(氧气)，平均空穴直径为0.45微米，最小直径的空穴为0.03微米，最大直径为1.2微米，标准偏差为0.21微米，包括约400个空穴。当作为多模衰减测量的时候，所述光纤的光学性质为，在850纳米、1310纳米和1550纳米下分别为3.00、0.74和0.45dB/Km。当所述光纤围绕半径为5毫米的芯轴卷绕一圈的情况下，光学弯曲性能数据显示在850和1550纳米的衰减增加分别小于0.03dB和0.01dB。测量了市售的62.5微米芯(GeO2-SiO2渐变折射率(具有抛物线形折射率分布，峰上Δ折射率为2％(相对于二氧化硅)))、直径125微米的无孔穴参比光纤的抗弯曲性能。当所述光纤围绕半径为5毫米的芯轴卷绕一圈的情况下，光学弯曲性能数据显示在850和1550纳米的衰减增加分别为1.13和1.20dB。这些结果说明包覆层中包含孔穴的光纤具有优良的弯曲性能。带宽测量(过满激励(overfill launch))结果为，在850nm＝200MHz*km，在1300nm＝500MHz*km。该实施例说明了在1550纳米为多模的微结构化的光纤。该光纤包括具有第一折射率的芯区域和具有第二折射率的包覆层区域，所述第二折射率低于芯区域的第一折射率，使得将要传输通过所述光纤的光基本保持在芯内，所述包覆层中包括至少一个包括大量非周期性设置的孔穴的区域。该光纤优选在1550纳米下是多模的，当围绕半径为5毫米的芯轴卷绕一周的时候，在1550纳米下的衰减增加小于1dB/km，更优选小于0.75，最优选小于0.5db/km。
实施例15：
在具有长8英寸的设定在2000℃的热区的炉内，以3米/秒的速率将实施例8所述的光纤预成形体拉制成直径为125微米的光纤。对光纤端面的SEM分析显示半径约为4微米的实心二氧化硅芯被半径约18微米的含空气衬里的邻近包覆层区域包围，其区域孔穴面积％(氮气填充的)为8.5％，平均空穴直径为0.63微米，最小空穴直径为0.03微米，最大直径为1.9微米，标准偏差为0.32微米，其又被外径为125微米的不含孔穴的纯二氧化硅外部包覆层包围(所有的径向尺寸都是从光纤的中心测量的)。实施例8中拉制的光纤的区域孔穴面积百分数(氮气)仅为2.9％，平均直径为0.45微米；因此证明拉制条件(此时为较长的热区和更快的拉制速度)可用来控制空穴空气填充比例和空穴直径。位于含空气衬里的包覆层区域外面的外包覆部分是不含空穴的无孔穴固结玻璃。
实施例16：
将3000克SiO2(密度为0.53g/cc)烟灰以火焰沉积方式沉积在1米长×8毫米直径的纯二氧化硅芯条料上。然后该组件如下所述进行烧结。该组件首先在氦气+3％氯气的气氛中，在1000℃下干燥2小时，然后在100体积％氩气气氛中，以32毫米/分钟的速度通过设定为1500℃的热区，然后以25毫米/分钟的速度再次向下驱动通过所述热区，然后以6毫米/分钟的速度在氩气中进行最后烧结，以烧结所述烟灰，形成氩气接种的外包覆试件。然后将该试件置于设定在1000℃的氩气吹扫的保持加热炉中24小时。该试件以与实施例1类似的方式拉制成直径为125微米的光纤。SEM对光纤端面的分析显示了直径约22微米的实心二氧化硅芯和包覆层，所述包覆层的区域孔穴面积％(氩气)约为8.0％，平均空穴直径为0.35微米，最小直径空穴为0.03微米，最大直径为0.85微米，标准偏差为0.15微米。当作为多模衰减测量的时候，该光纤的光学性质为：在1310纳米和1550纳米下分别为1.65和1.20dB/Km。
实施例17：
将3000克SiO2(密度为0.55g/cc)烟灰以火焰沉积方式沉积在1米长×8毫米直径的纯二氧化硅芯条料上。然后该组件如下所述进行烧结。该组件首先在氦气+3％氯气的气氛中，在1000℃下干燥2小时，然后在100体积％氮气气氛中，以32毫米/分钟的速度通过设定为1500℃的热区，然后以25毫米/分钟的速度再次向下驱动通过所述热区，然后以6毫米/分钟的速度进行最后烧结，以烧结所述烟灰，形成氮气接种的外包覆试件。然后将该试件置于设定在1000℃的氩气吹扫的保持加热炉中24小时。该试件以与实施例1类似的方式拉制成直径为125微米的光纤。SEM对光纤端面的分析显示了直径约为22微米的实心二氧化硅芯和包覆层，所述包覆层的区域孔穴面积％(氮气)为2.0％，平均直径为0.22微米，最小直径空穴为0.03微米，最大直径为0.50微米，标准偏差为0.08微米。当作为多模衰减测量的时候，该光纤的光学性质为：在1310纳米和1550纳米下分别为1.28和0.87dB/Km，当该光纤叠接成单模光纤的时候，测量该光纤的基谐模式，在1550纳米下为0.28dB/Km。
实施例18：
将4600克SiO2(密度为0.42g/cc)烟灰以火焰沉积方式沉积在1米长×10毫米直径的、具有阶跃折射率的(0.35％Δ，0.33芯/包覆层直径比)GeO2-SiO2芯-SiO2包覆层条料上(类似于用来制备步骤1的条料的方法)。然后该组件如下所述进行烧结。该组件首先在由氦气和3％的氯气组成的气氛中在1000℃下干燥2小时，然后在100体积％氧气的气氛中，以6毫米/分钟的速率向下驱动通过设定在1500℃的热区，以烧结所述烟灰，形成氧气接种的外包覆试件。将该试件置于用氩气吹扫的设定在1000℃的保持加热炉内24小时，以将氦气从所述试件中排出。
所得的光纤预成形体以18米/秒的速度，在具有设定在2000℃的8英寸长的热区的炉内拉制成直径为125微米的光纤。该试件以与实施例15类似的方式拉制成直径为125微米的光纤。对光纤端面的SEM分析显示，其具有半径约为4微米的GeO2-SiO2中心芯区域，其被外半径约12微米的无孔穴邻近包覆层区域包围，后者又被外半径约为18微米的含孔穴的包覆层区域包围，而所述半径约为18微米的含孔穴的包覆层区域又被外直径为125微米的无孔穴的纯二氧化硅包覆层包围(所有的径向尺寸都是从光纤中心测量的)。所述含孔穴的环区域在该区域内的区域空穴面积％为4.2％(100体积％的O2)，平均直径为0.53微米，最小直径的空穴为0.18微米，最大直径为1.4微米，光纤横截面中空穴总数约为85。由于较慢的向下驱动和烧结速率，孔的位置与某一区域相邻，所述区域对应于GeO2-SiO2芯-SiO2包覆层芯条料在固结过程的位置，在光纤横截面上从与光纤中线径向相距12微米的位置延伸到约18微米的径向距离。总光纤孔穴面积％(空穴面积除以光纤总横截面积×100)约为0.21％。该光纤的光学性质为：在1310和1550纳米下分别为0.34和0.21dB/Km，光纤截止(fiber cutoff)显示该光纤在高于1230纳米时为单模形式，使得光纤在高于1230纳米的波长下为单模形式。测量该光纤的一部分围绕直径为10毫米的芯轴的弯曲性能，光纤在1550纳米下的衰减增加约为0.7dB/圈，从而证明使用本发明揭示的方法，围绕直径为10毫米的芯轴甚至可以达到小于5dB/圈的衰减增大。测量了光纤的相同部分围绕直径为20毫米的芯轴的弯曲性能，光纤在1550纳米下的衰减增加约为0.08dB/圈，因此证明使用本发明的方法，在围绕直径为20毫米的芯轴的时候，衰减增大可以小于1dB/圈，更优选小于0.5dB/圈。
实施例19
通过OVD将290克SiO2(密度为0.47g/cc)烟灰沉积在完全固结的1米长×10.4毫米直径的、具有阶跃折射率的(0.35％Δ，0.33芯/包覆层直径比)GeO2-SiO2芯-SiO2包覆层芯条料上，从而制得一种预成形体，该预成形体包括固结的芯区域，该芯区域被固结的二氧化硅包覆区域包围，后者又被烟灰二氧化硅区域包围。然后如下所述对该组件的烟灰包覆层进行烧结。该组件首先在氦气和3％氯气的气氛中，在1000℃下干燥2小时，然后以200毫米/分钟的速度向下驱动该组件在100％的氧气烧结气氛中，通过设定在1490℃的热区(使得在向下驱动的过程中，烟灰预成形体外部的升温速率约为100℃/分钟)。然后所述预成形体组件再次向下驱动(即第二次)，以100毫米/分钟的速率通过热区(使得在向下驱动的过程中，烟灰预成形体外部的升温速率约为50℃/分钟)。然后，所述预成形体组件再次向下驱动(即第三次)，以50毫米/分钟的速率通过热区(使得在向下驱动的过程中，烟灰预成形体外部的升温速率约为25℃/分钟)。然后，所述预成形体组件再次向下驱动(即第四次)，以25毫米/分钟的速率通过热区(使得在向下驱动的过程中，烟灰预成形体外部的升温速率约为12.5℃/分钟)。然后，在6毫米/分钟的速度下(约3℃/分钟的加热速率)进行最后的烧结，以将所述烟灰烧结成接种氧气的外部包覆试件。利用所述第一系列较高的向下进料速率使光纤预成形体的外部变光滑，这有助于将气体捕获在所述预成形体之内。然后，将所述试件置于设定在1000℃的氩气吹扫的保持加热炉内24小时。然后将所述预成形体放回车床内，在其中通过OVD再沉积3600克另外的SiO2(密度为0.42g/cc)烟灰。然后，用于该组件中该包覆层(可称为外部包覆层)的烟灰如下所述进行烧结。该组件首先在97％氦气和3％氯气的气氛中，在1000℃下干燥2小时，然后在100体积％氦气的气氛中，以6毫米/分钟的速度向下驱动其通过设定在1500℃的热区，以烧结所述烟灰，形成含氧化锗的无孔穴芯、二氧化硅无孔穴内部包覆层、二氧化硅氧气接种环(即具有含氧气的空穴的二氧化硅)，以及不含孔穴的外部包覆试件。然后将该试件置于设定在1000℃的氩气吹扫的保持加热炉中24小时，以使氩气从试件中排出。然后在具有8英寸长的设置在2000℃的热区的炉内，在20米/秒的速度下将所述光纤预成形件拉制成直径约为125微米的光纤。对光纤端面的SEM分析显示，其具有半径约为4微米的GeO2-SiO2芯，该芯被外部半径为12微米的无孔穴邻近包覆层区域包围，后者又被外部半径为18微米的含孔穴的包覆层区域(环厚度约6微米)包围，所述外部半径为18微米的含孔穴的包覆层区域又被外部直径约为125微米的无孔穴纯二氧化硅外部包覆层包围(所有的径向尺寸都是从光纤的中心测量)。所述含孔穴的环区域中区域空穴面积百分数为2.7％(100体积％的氧气)，平均直径为0.36微米，最小直径空穴为0.05微米，最大直径为0.8微米，在光纤横截面中总共有大约105个空穴。光纤总空穴面积百分数(空穴面积除以光纤总横截面积×100)约为0.1％。该光纤的光学性质为：在1310和1550纳米分别为0.33和0.19dB/Km，光纤截止波长约为1250纳米，使得该光纤在高于1250纳米的波长下为单模形式。测量该光纤的一部分围绕直径为10毫米的芯轴的弯曲性能，光纤在1550纳米下的衰减增加约为0.2dB/圈，从而证明围绕直径为10毫米的芯轴甚至可以达到小于1dB/圈、优选小于0.5dB/圈的衰减增大。测量了光纤的相同部分围绕直径为20毫米的芯轴的弯曲性能，光纤在1550纳米下的衰减增加约为0.02dB/圈，因此证明在围绕直径为20毫米的芯轴的时候，衰减增大可以小于1dB/圈，更优选小于0.1dB/圈，更优选小于0.05dB/圈。测量了光纤的相同部分围绕直径为6毫米的芯轴的弯曲性能，光纤在1550纳米下的衰减增加约为2dB/圈，因此证明在围绕直径为6毫米的芯轴的时候，衰减增大可以小于10dB/圈，更优选小于5dB/圈，更优选小于3dB/圈。
实施例20
通过OVD将450克SiO2(密度为0.37g/cc)烟灰沉积在完全固结的1米长×22毫米直径的、具有阶跃折射率的(0.35％Δ，0.33芯/包覆层直径比)GeO2-SiO2芯-SiO2包覆层芯条料上，从而制得一种预成形体，该预成形体包括固结的芯区域，该芯区域被固结的二氧化硅包覆区域包围，后者又被烟灰二氧化硅区域包围。然后如下所述对该组件的烟灰包覆层进行烧结。该组件首先在氦气和3％氯气的气氛中，在1000℃下干燥2小时，然后以200毫米/分钟的速度向下驱动该组件在100％的氮气烧结气氛中，通过设定在1490℃的热区(使得在向下驱动的过程中，烟灰预成形体外部的升温速率约为100℃/分钟)。然后，所述预成形体组件再次向下驱动(即第二次)，以100毫米/分钟的速率通过热区(使得在向下驱动的过程中，烟灰预成形体外部的升温速率约为50℃/分钟)。然后，所述预成形体组件再次向下驱动(即第三次)，以50毫米/分钟的速率通过热区(使得在向下驱动的过程中，烟灰预成形体外部的升温速率约为25℃/分钟)。然后，所述预成形体组件体再次向下驱动(即第四次)，以25毫米/分钟的速率通过热区(使得在向下驱动的过程中，烟灰预成形体外部的升温速率约为12.5℃/分钟)，然后在6毫米/分钟的速度下(约3℃/分钟的加热速率)进行最后的烧结，以将所述烟灰烧结成接种氮气的外部包覆试件。利用所述第一系列较高的向下进料速率使光纤预成形体的外部变光滑，这有助于将气体捕获在所述预成形体之内。然后将所述试件置于设定在1000℃的氩气吹扫的保持加热炉内24小时。然后在再拉制炉内，在1900℃的温度下将该试件再拉制成直径为13毫米的条料。将之前步骤制得的1米长×13毫米直径的条料放回车床内，在其中通过OVD再沉积4700克另外的SiO2(密度为0.37g/cc)烟灰。然后，用于该组件中该包覆层(可称为外部包覆层)的烟灰如下所述进行烧结。该组件首先在97％氦气和3％氯气的气氛中，在1000℃下干燥2小时，然后在100体积％氦气的气氛中，以6毫米/分钟的速度向下驱动其通过设定在1500℃的热区，以烧结所述烟灰，形成含氧化锗的无孔穴芯、二氧化硅无孔穴内部包覆层、二氧化硅氮气接种环(即具有含氮气的空穴的二氧化硅)，以及不含孔穴的外部包覆试件。然后将该试件置于设定在1000℃的氩气吹扫的保持加热炉中24小时，以使得氩气从试件中排出。然后在具有8英寸长的设置在2000℃的热区的炉内，在10米/秒的速度下将所述光纤预成形件拉制成直径约为125微米的光纤。对光纤端面的光学纤维图像分析显示，其具有半径约为4微米的GeO2-SiO2芯，该芯被外部半径为12微米的无孔穴邻近包覆层区域包围，后者又被外部半径为15微米的含孔穴的包覆层区域(环厚度约为3微米)包围，所述外部半径为15微米的含孔穴的包覆层区域又被外部直径约为125微米的无孔穴纯二氧化硅外部包覆层包围(所有的径向尺寸都是从光纤的中心测量)。所述含孔穴的环区域中，区域空穴面积百分数约为3％(100体积％的氮气)，平均直径为0.2微米。光纤总空穴面积百分数(空穴面积除以光纤总横截面积×100)约为0.1％。该光纤的光学性质为：在1310和1550纳米分别为0.34和0.196dB/Km，光纤截止波长约为1290纳米，使得该光纤在高于1290纳米的波长下为单模形式。测量该光纤的一部分围绕直径为10毫米的芯轴的弯曲性能，光纤在1550纳米下的衰减增加约为0.11dB/圈，从而证明围绕直径为10毫米的芯轴甚至可以达到小于1dB/圈、优选小于0.5dB/圈的衰减增大。测量了光纤的相同部分围绕直径为20毫米的芯轴的弯曲性能，光纤在1550纳米下的衰减增加约为0.016dB/圈，因此证明在围绕直径为20毫米的芯轴的时候，衰减增大可以小于1dB/圈，更优选小于0.1dB/圈，更优选小于0.05dB/圈。
实施例21
通过OVD将130克SiO2(密度为0.37g/cc)烟灰沉积在完全固结的1米长×10.5毫米直径的、具有阶跃折射率的(0.35％Δ，0.33芯/包覆层直径比)GeO2-SiO2芯-SiO2包覆层芯条料上，从而制得一种预成形体，该预成形体包括固结的芯区域，该芯区域被固结的二氧化硅包覆区域包围，后者又被烟灰二氧化硅区域包围。然后如下所述对该组件的烟灰包覆层进行烧结。该组件首先在氦气和3％氯气的气氛中，在1000℃下干燥2小时，然后以200毫米/分钟的速度向下驱动该组件在100％的氩气烧结气氛中，通过设定在1490℃的热区(使得在向下驱动的过程中，烟灰预成形体外部的升温速率约为100℃/分钟)。然后，所述预成形体组件再次向下驱动(即第二次)，以100毫米/分钟的速率通过热区(使得在向下驱动的过程中，烟灰预成形体外部的升温速率约为50℃/分钟)。然后，所述预成形体组件再次向下驱动(即第三次)，以50毫米/分钟的速率通过热区(使得在向下驱动的过程中，烟灰预成形体外部的升温速率约为25℃/分钟)。然后，所述预成形体组件再次向下驱动(即第四次)，以25毫米/分钟的速率通过热区(使得在向下驱动的过程中，烟灰预成形体外部的升温速率约为12.5℃/分钟)，然后在6毫米/分钟的速度下(约3℃/分钟的加热速率)进行最后的烧结，以将所述烟灰烧结成接种氩气的外部包覆试件。利用所述第一系列较高的向下进料速率使光纤预成形体的外部变光滑，这有助于将气体捕获在所述预成形体之内。然后将所述试件置于设定在1000℃的氩气吹扫的保持加热炉内24小时。然后将所述预成形体放回车床内，在其中通过OVD再沉积5000克另外的SiO2(密度为0.44g/cc)烟灰。然后，用于该组件中该包覆层(可称为外部包覆层)的烟灰如下所述进行烧结。该组件首先在97％氦气和3％氯气的气氛中，在1000℃下干燥2小时，然后在100体积％氦气的气氛中，以6毫米/分钟的速度向下驱动其通过设定在1500℃的热区，以烧结所述烟灰，形成含氧化锗的无孔穴芯、二氧化硅无孔穴内部包覆层、二氧化硅氩气接种环(即具有含氩气的空穴的二氧化硅)，以及不含孔穴的外部包覆试件。然后将该试件置于设定在1000℃的氩气吹扫的保持加热炉中24小时，以使得氩气从试件中排出。然后在具有8英寸长的设置在2000℃的热区的炉内，在20米/秒的速度下将所述光纤预成形件拉制成直径约为125微米的光纤。对光纤端面的光学纤维图像分析显示，其具有半径约4微米的GeO2-SiO2芯，该芯被外部半径为12微米的无孔穴邻近包覆层区域包围，后者又被外部半径为16微米的含孔穴的包覆层区域(环厚度约为4微米)包围，所述外部半径为16微米的含孔穴的包覆层区域又被外部直径约为125微米的无孔穴纯二氧化硅外部包覆层包围(所有的径向尺寸都是从光纤的中心测量)。所述含孔穴的环区域中包含氩气，孔穴的平均直径约0.3微米。该光纤的光学性质为：在1310和1550纳米分别为0.37和0.226dB/Km，光纤截止波长约为1270纳米，使得该光纤在高于1270纳米的波长下为单模形式。测量该光纤的一部分围绕直径为10毫米的芯轴的弯曲性能，光纤在1550纳米下的衰减增加约为0.27dB/圈，从而证明围绕直径为10毫米的芯轴甚至可以达到小于1dB/圈、优选小于0.5dB/圈的衰减增大。测量了光纤的相同部分围绕直径为20毫米的芯轴的弯曲性能，光纤在1550纳米下的衰减增加约为0.026dB/圈，因此证明在围绕直径为20毫米的芯轴的时候，衰减增大可以小于1dB/圈，更优选小于0.1dB/圈，更优选小于0.05dB/圈。
比较例：
依照与实施例1类似的方式制备了试件，不同之处在于在仅含氦气的气氛中进行烧结。该组件首先在氦气+3％氯气的气氛中，在1000℃下干燥2小时，然后在100％氦气气氛中，以32毫米/分钟的速度向下驱动所述组件通过设定在1500℃的热区。然后该组件以25毫米/分钟的速度通过相同的热区和气氛，然后该组件以6毫米/分钟的速度再次通过相同的热区和气氛以进行最后的烧结。如我们所预期，发现所述包覆玻璃不含种子。该试件在设定在1000℃的氩气吹扫的保持加热炉内放置24小时以排出氦气。然后依照与实施例1类似的方式将所述试件拉制成125微米的光纤，发现其不含空穴(如预期)。通过回切法(cutback method)测得2.4Km长的光纤无法传输光(说明衰减大于100dB/Km)；这是预料之中的，因为在芯和包覆层之间没有折射率差异。
比较例：
依照与实施例1类似的方式制备了试件，不同之处在于在仅含氦气的气氛中进行烧结。该组件首先在氦气+3％氯气的气氛中，在1000℃下干燥2小时，然后在100％氦气气氛中，以32毫米/分钟的速度向下驱动所述组件通过设定在1500℃的热区。然后该组件以25毫米/分钟的速度通过相同的热区和气氛，然后该组件以6毫米/分钟的速度再次通过相同的热区和气氛以进行最后的烧结。如我们所预期，发现所述包覆玻璃不含种子。该试件在设定在1000℃的氩气吹扫的保持加热炉内放置24小时以排出氦气。然后依照与实施例1类似的方式将所述试件拉制成125微米的光纤，发现其不含空穴(如预期)。通过回切法测得2.4Km长的光纤无法传输光(说明衰减大于100dB/Km)；这是预料之中的，因为在芯和包覆层之间没有折射率差异。
本领域技术人员可以很明显地看出，可以在不背离本发明精神和范围的前提下进行各种改良和改变。因此本发明包括所有的这些改良和改变，只要其包括在所附权利要求书及其等价内容的范围内。

Claims (41)

1.一种微结构化的光纤，其包括：
具有第一折射率的芯区域和具有第二折射率的包覆层区域，所述第二折射率小于芯区域的第一折射率，使得通过所述光纤传输的光基本被保持在所述芯内，所述包覆层中包括至少一个由大量非周期性定位的孔穴组成的区域，大于95％的所述孔穴的最大直径等于或小于1550纳米，所述光纤在600-1550纳米之间的至少一种波长下的衰减小于500dB/km。
2.如权利要求1所述的微结构化的光纤，其特征在于，所述光纤中大于95％的所述孔穴的最大直径等于或小于775纳米。
3.如权利要求1所述的微结构化的光纤，其特征在于，所述光纤在1550纳米的衰减小于200dB/km。
4.如权利要求3所述的微结构化的光纤，其特征在于，所述光纤的包覆层中整个含孔穴的区域的区域孔穴面积百分数约大于0.5％且约小于20％。
5.如权利要求1所述的微结构化的光纤，其特征在于，所述包含非周期性分布的空穴的区域不是与芯直接相邻的。
6.如权利要求3所述的微结构化的光纤，其特征在于，与所述芯相距在10微米以内的所述光纤包覆层的至少一部分的区域孔穴面积百分数约大于1.0％。
7.如权利要求1所述的微结构化的光纤，其特征在于，所述芯包含锗。
8.如权利要求3所述的微结构化的光纤，其特征在于，所述芯包含锗。
9.如权利要求7所述的微结构化的光纤，其特征在于，所述光纤在围绕直径为10毫米的芯轴弯曲的时候，在1550纳米下的衰减增大小于20dB/圈。
10.如权利要求1所述的微结构化的光纤，其特征在于，所述各个孔穴的最大直径小于375纳米。
11.一种微结构化的光纤，其包括：
具有第一折射率的芯区域和具有第二折射率的包覆层区域，所述第二折射率低于芯区域的第一折射率，使得在所述光纤中传输的光基本保持在芯区域内，所述包覆层中包括含有孔穴的区域，所述含有孔穴的区域由大量非周期性定位的孔穴组成，所述含孔穴的区域中至少95％的孔穴的最大直径等于或小于1550纳米，所述光纤的总光纤孔穴面积百分数大于0.01％。
12.如权利要求11所述的微结构化的光纤，其特征在于，所述光纤的总光纤孔穴面积百分数小于10％。
13.如权利要求11所述的微结构化的光纤，其特征在于，所述光纤的平均光纤直径小于1550纳米，所述空穴的标准偏差小于1微米。
14.如权利要求11所述的微结构化的光纤，其特征在于，所述光纤在围绕直径为10毫米的芯轴弯曲的时候，其在1550纳米下的衰减增大小于20dB/圈。
15.如权利要求12所述的微结构化的光纤，其特征在于，所述含孔穴的区域与所述芯隔开。
16.如权利要求11所述的微结构化的光纤，其特征在于，所述含孔穴的区域包含至少25个空穴，所述含孔穴的区域中空穴的平均直径小于2000纳米。
17.如权利要求11所述的微结构化的光纤，其特征在于，所述含孔穴的区域包含至少25个空穴，所述含孔穴的区域内空穴的平均直径小于775纳米。
18.一种微结构化的光纤，其包括：
具有第一折射率的芯区域和具有第二折射率的包覆层区域，所述第二折射率低于芯区域的第一折射率，使得在所述光纤中传输的光基本保持在芯区域内，所述包覆层中包括一个区域，所述区域包围所述芯区域，由平均直径约小于2000纳米、标准偏差约小于750纳米的孔穴组成，所述包含孔穴的区域与所述光纤的芯区域隔开。
19.如权利要求18所述的微结构化的光纤，其特征在于，所述包含空穴的区域包含约25-200个空穴。
20.如权利要求18所述的微结构化的光纤，其特征在于，所述包含空穴的区域内空穴的平均直径小于775纳米。
21.如权利要求18所述的微结构化的光纤，其特征在于，所述光纤在围绕直径为10毫米的芯轴弯曲的时候，其在1550纳米下的衰减增大小于20dB/圈。
22.如权利要求18所述的微结构化的光纤，其特征在于，所述光纤在围绕直径为10毫米的芯轴弯曲的时候，其在1550纳米下的衰减增大小于15dB/圈。
23.一种制造光纤的方法，该方法包括：
通过CVD操作形成包含烟灰的光纤预成形体；
在一定的气体气氛和条件下使得所述含烟灰的预成形体中的烟灰固结，所述条件足以在所述固结步骤中将所述气体气氛的一部分捕获在所述预成形体中，从而形成在所述预成形体中具有孔穴的固结的预成形体，
在制造过程中使用所述预成形体制造光纤，所述光纤包括具有第一折射率的芯区域和具有第二折射率的包覆层区域，所述第二折射率小于芯区域的第一折射率，所述包覆层中包括一个区域，该区域中包含围绕所述芯的非周期性定位的孔穴，在从横截面观察所述光纤的时候，总光纤孔穴面积百分数大于0.05％。
24.如权利要求23所述的方法，其特征在于，所述固结步骤包括：在炉内，在高于1500℃的温度下使得所述包含烟灰的预成形件固结，以大于10℃的至少一个第一温度变化速率加热所述预成形件，所述气体气氛包括选自以下的至少一种气体：氮气、氩气、CO2、氧气、氯气、CF4、CO、SO2和它们的混合物，在制造过程中使用所述预成形体的步骤包括用所述预成形体拉制光纤，使得在固结步骤中形成的所述孔穴保留在所述光纤中。
25.如权利要求23所述的方法，其特征在于，在所述固结步骤中，所述包含烟灰的预成形体包括至少一个无孔穴的芯区域，在其上已经通过所述CVD操作沉积了另外的烟灰，所述固结步骤得到在所述固结的预成形体的所述包覆层区域中具有孔穴的所述预成形体。
26.如权利要求23所述的方法，其特征在于，各个所述孔穴的最大横截面直径小于1550纳米。
27.如权利要求24所述的方法，其特征在于，所述烟灰预成形体包括管形预成形体，所述固结的预成形体包括管形预成形体。
28.如权利要求23所述的方法，其特征在于，所述形成包含烟灰的光纤预成形体的步骤包括：通过CVD将烟灰沉积在玻璃芯棒的外面，所述固结步骤在所述形成包含烟灰的光纤预成形体的步骤之后进行。
29.如权利要求23所述的方法，其特征在于，所述将所述预成形体用于制造过程的步骤还包括：将所述固结的预成形体拉制成光纤，在所述固结步骤中形成的所述孔穴在所述拉制步骤中保留下来并变形，在所述拉制步骤之后，所述孔穴保留在所述光纤中。
30.如权利要求23所述的方法，其特征在于，所述气体气氛包括选自以下的至少一种气体：氩气、氮气、一氧化碳、二氧化碳、氧气、CF4、C2F6、Kr以及它们的混合物。
31.一种制造光纤的方法，该方法包括：
通过CVD操作形成包含烟灰的光纤预成形体；
在一种气体气氛中、在一定的条件下固结所述烟灰预成形体，所述气体包含选自以下的至少一种气体：氮气、氩气、CO2、氧气、氯气、CF4、CO、SO2和它们的混合物，所述条件能够在所述固结步骤中有效地将所述气体气氛的一部分捕获在所述预成形体中，从而在所述固结的预成形体中形成孔穴，
在制造过程中使用所述固结的预成形体形成光纤，所述光纤包括具有第一折射率的芯区域和具有第二折射率的包覆层区域，所述第二折射率低于所述芯的第一折射率，使得通过所述光纤传输的光基本上都保持在芯之内，所述孔穴至少基本上位于所述光纤的包覆层中。
32.如权利要求31所述的方法，其特征在于，所述固结步骤包括：首先对所述预成形体施加约高于1500℃的温度，并以一定的进料速率向固结炉内进料，所述温度和进料速率足以使得所述预成形体的至少一部分以约大于12℃/分钟的速率升温。
33.如权利要求31所述的方法，其特征在于，所述固结步骤包括：首先对所述预成形体施加一定的温度，并以一定的进料速率向固结炉进料，所述温度和进料速率足以使得所述预成形体以约大于14℃/分钟的速率升温。
34.如权利要求33所述的方法，其特征在于，所述固结步骤包括将所述预成形件置于保持在等于或高于1390℃的温度的炉内。
35.如权利要求32所述的方法，其特征在于，所述固结步骤还包括：在所述第一次经受处理的步骤之后，对所述预成形体施加一定温度并以一定进料速度向固结炉内进料，所述温度和进料速度足以使得所述预成形体的升温速率至少比第一次经受处理步骤中的升温速率低2℃/分钟。
36.如权利要求32所述的方法，其特征在于，所述固结步骤还包括在所述第一次经受处理步骤之后，对所述预成形体施加一定温度并以一定进料速度向固结炉内进料，所述温度和进料速度足以使得所述预成形体的升温速率至少比第一次经受处理步骤中的升温速率低2℃/分钟。
37.如权利要求35所述的方法，其特征在于，所述气氛包括85体积％以上选自以下的至少一种气体：氮气、氩气以及它们的组合，所述气氛中剩余的气体至少基本由氦气组成。
38.如权利要求31所述的方法，其特征在于，所述气氛包含大于65体积％的氮气和/或氩气。
39.如权利要求31所述的方法，其特征在于，所述方法还包括以下(1)或(2)：(1)通过将所述烟灰沉积在用锗掺杂的芯条料上，形成所述包含烟灰的预成形体，或者(2)将锗掺杂的芯条料插入通过所述固结步骤形成的包含孔穴的包覆层区域。
40.如权利要求31所述的方法，其特征在于，所述包含非周期性分布的空穴的区域不与所述芯直接相邻。
41.一种在1550纳米下为多模形式的微结构化的光纤，所述光纤包括：
具有第一折射率的芯区域和具有第二折射率的包覆层区域，所述第二折射率小于芯区域的第一折射率，使得通过所述光纤传输的光基本被保持在所述芯内，所述包覆层中包括至少一个由大量非周期性定位的孔穴组成的区域，所述光纤在1550纳米下是多模的，当所述光纤围绕半径为5毫米的芯轴卷绕一圈的时候，所述光纤在1550纳米下的衰减增大小于1dB/圈。
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