光纤和光纤母材的制造方法与流程

本发明涉及含有碱金属元素的光纤，以及含有碱金属元素的光纤母材的制造方法。

背景技术：

已有由石英类玻璃构成、且具有含有碱金属元素的芯的光纤。在光纤母材的拉伸过程中，具有含有碱金属元素的芯部的光纤母材使得该芯部具有较低的粘度并且石英玻璃的网状结构发生松弛。因此，可实现光纤衰减的降低。

日本未审查专利申请公布(pct申请的译文)no.2005-537210和美国专利申请公布no.2006/0130530描述了对石英玻璃掺杂碱金属元素的扩散掺杂法。该扩散掺杂法以如下方式进行。在将诸如碱金属或碱金属盐之类的原料的蒸气引入玻璃管中的同时，用外部热源加热该玻璃管或者在该玻璃管内产生等离子体。其结果是，通过扩散对该玻璃管的内表面进行了碱金属元素掺杂。

在玻璃管的内表面区域被碱金属元素掺杂之后，通过加热减小该玻璃管的直径。此后，对玻璃管的内表面进行一定厚度的刻蚀，以除去在碱金属元素掺杂过程中同样被引入的不期望的过渡金属元素，如ni和fe。由于碱金属元素以比过渡金属元素更快的速度扩散，因此即使在对玻璃表面进行一定厚度的刻蚀以除去过渡金属元素之后，碱金属元素也能保留在玻璃表面内。在对玻璃管进行这样的刻蚀之后，通过加热使该玻璃管实心化，从而制造含有碱金属元素的芯棒。然后，用包层部包围含有碱金属元素的该芯棒，其中该包覆部的折射率小于包括该芯棒的芯部的折射率。由此制造了光纤母材。按照已知方式拉伸该光纤母材从而制造光纤。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种光纤、以及用来制造该光纤的光纤母材的制造方法，其中，该光纤表现出较低的衰减。

本发明的一个实施方式提供一种具有中心轴的光纤，所述光纤包括芯和包层，所述芯沿所述中心轴延伸并且含有碱金属元素，所述包层的折射率低于所述芯的折射率，其中，将相对于所述中心轴的径向距离定义为r，将在径向距离r处通过光纤传播的光的能量定义为p(r)，则rp(r)达到最大处的径向距离rmax处的假想温度至少比中心轴处的假想温度低50℃。

本发明的另一个实施方式提供一种具有中心轴的光纤，所述光纤包括芯和包层，所述芯沿所述中心轴延伸并且含有碱金属元素，所述包层的折射率低于所述芯的折射率，其中，将相对于所述中心轴的径向距离定义为r，将在径向距离r处通过光纤传播的光的能量定义为p(r)，则rp(r)达到最大处的径向距离rmax处的碱金属元素的浓度高于中心轴处的碱金属元素的浓度。

在根据本发明的上述实施方式的各个光纤中，芯的半径与碱金属元素的浓度达到最大处的径向距离之比可以是1.2至3.6；芯内残余应力(残余应力为径向距离r的函数)的波动可以为10mpa以下；且1550nm波长处的衰减可以为0.16db/km以下。

本发明的另一个实施方式提供一种光纤母材的制造方法，所述光纤母材包括芯部和包层部，所述芯部包括沿中心轴延伸的第一芯部和围绕所述第一芯部的第二芯部，并且所述包层的折射率低于所述芯部的折射率，所述方法包括：对充当所述第二芯部的玻璃管的内表面进行碱金属元素掺杂；向所述玻璃管中插入充当第一芯部的玻璃棒；通过加热所述玻璃管使玻璃管实心化至所述玻璃棒上，其中所述芯部的半径与所述第一芯部的半径的比值为1.2至3.6。

本发明可提供一种光纤、以及用来制造该光纤的光纤母材的制造方法，其中，该光纤表现出较低的衰减。

附图简要说明

图1为示出光纤中的钾浓度分布、rp(r)、和折射率分布的图。

图2为示出光纤的整个芯上的衰减与平均钾浓度之间的关系的图。

图3为根据本发明的一个实施方式的光纤的横截面图。

图4为示出两种情况下假想温度和衰减之间的关系的图。

图5为示出钾掺杂光纤母材的径向距离与该光纤母材的中心轴上的钾浓度、偏离中心轴的位置处的钾浓度以及由该光纤母材制造的光纤的衰减之间的关系的图。

图6为示出如下两种情况下光纤中的残余应力分布的图，一种情况为钾浓度在光纤的中心轴处达到最大，另一种情况为钾浓度在距光纤的中心轴的径向距离为3μm处达到最大。

图7为根据本发明的一个实施方式的光纤母材的制造方法的流程图。

图8为示出芯半径与钾浓度峰的径向距离的比值与衰减之间的关系的图。

具体实施方式

以下，将基于附图详细说明根据本发明的实施方式。

通过日本未审查专利申请公布(pct申请的译文)no.2005-537210和美国专利申请公布no.2006/0130530所描述的光纤制造方法制造的光纤有时表现出较大的衰减。为了实现衰减的减少，本发明的发明人对由石英类玻璃制成、且包括含有碱金属元素的芯的光纤进行了研究。在研究过程中，本发明人有以下发现。在光纤母材的中心轴区域被碱金属元素掺杂的情况下，该碱金属元素以这样的方式扩散，使得碱金属元素浓度在芯部的中心部分较高，并且在朝向芯部的外周部分的方向上降低。因而，可以预期到，处于拉伸温度下的光纤母材的粘度在芯部的中心部分较低，而在朝向外周部分的方向上粘度升高。

如图1所示，在通过拉伸这种光纤母材而得到的光纤中，碱金属元素的浓度在芯的中心部分较高，并且在朝向该芯的外周部分的方向上浓度降低。因而，可以预期到，光纤的散射损失在芯的中心部分较低，并且在朝向外周部分的方向上散射损失增大。另一方面，当将相对于光纤的中心轴的光纤径向距离定义为r，并将波长为1.55μm、且在芯中于径向距离r处传播的光的能量定义为p(r)时，则r和p(r)的乘积、即rp(r)为在芯的外周部分具有峰的函数。因此，可以预期到，玻璃结构显著影响传播光的区域不会是芯的中心部分，而是芯的外周部分，该外周部分的碱金属元素的浓度较低。

一种减小光纤衰减的技术为提高光纤的整个芯中的碱金属元素的浓度。然而，参见图2，整个芯中的平均碱金属元素浓度为50摩尔ppm以上可能导致大的衰减。(本文中所用的“摩尔ppm”为一百万单元的sio2中的掺杂原子数)。因此，优选的是，碱金属元素的总量尽可能小。鉴于此，本发明人构想了制造这样的光纤的芯，该芯被碱金属元素掺杂，使得碱金属元素浓度在偏离光纤的中心轴(芯的中心轴)的位置处具有峰。

图3为根据本发明的一个实施方式的光纤1的截面图。该光纤1由石英玻璃形成，并且包括芯10和围绕芯10的包层20。芯10包括第一芯11和围绕第一芯11的第二芯12。包层20包括围绕第二芯12的第一包层(光学包层)21、以及围绕第一包层21的第二包层(物理包层)22。参见图1，光纤1中的芯10的折射率高于包层20的折射率。

已知的是，具有低假想温度的玻璃会表现出低的瑞利散射损失。假想温度表示玻璃中原子排列的杂乱程度。具体而言，玻璃的假想温度越高(杂乱程度越高)，则瑞利散射强度变得越大；玻璃的假想温度越低(杂乱程度越低)，则瑞利散射强度变得越小。

一种降低假想温度的技术是对光纤母材的芯部进行碱金属元素掺杂。这种情况下，在使光纤母材形成光纤的步骤中，碱金属元素发生热扩散，从而使得碱金属元素的浓度在掺杂碱金属元素的位置处达到最大(峰)，并且在由该峰的位置向着周围位置的方向上单调递减。因此，在由这种被碱金属元素掺杂的芯部得到的光纤1的芯10中，假想温度在掺杂碱金属元素的位置处达到最小(谷底)，并且在由该谷底位置向着周围位置的方向上单调递增。通过设计这样的光纤，使得最小假想温度处的径向距离r与rp(r)达到最大(最大rp(r))处的径向距离rmax相同，从而可有效减小衰减。

一种降低芯10的外侧区域的假想温度的技术(下面将对该技术进行说明)是调节用碱金属元素掺杂光纤母材的位置，以使得在由该光纤母材制造的光纤中，掺杂碱金属元素处的径向距离与最大rp(r)处的径向距离rmax相同。另一种技术是，使降低假想温度的另一种掺杂剂(如卤素)在芯10的外侧区域的浓度较高。

图4是示出情况1和情况2中的假想温度和衰减之间关系的图。情况1涉及光纤1中最大rp(r)处的径向距离rmax处的衰减与假想温度之间的关系，其中在该光纤1中，芯10的中心轴处的假想温度为1450℃。情况2涉及光纤1中芯10的中心轴处的衰减与假想温度之间的关系，其中在该光纤1中，径向距离rmax处的假想温度为1450℃。

参见图4，与情况2中所示的减小芯的中心轴处的假想温度相比，情况1中所示的减小最大rp(r)处的径向距离rmax处的假想温度能更有效地实现衰减的降低。在情况1中，通过使径向距离rmax处的假想温度比芯10的中心轴处的假想温度低至少50℃，从而可以显著降低衰减。

如上所述，碱金属元素浓度越高，假想温度和瑞利散射越低。然而，如上文中参照图2所述，已经发现，整个芯中的平均碱金属元素浓度较高会导致与波长不相关的衰减(wavelength-independentattenuation)增加，而该衰减的增加与平均浓度相关。因此，在将整个芯中的平均碱金属元素浓度设为小于50摩尔ppm的情况下，需要降低由瑞利散射引起的衰减。与通过增加光纤的中心轴处的碱金属元素浓度相比，通过增加最大rp(r)处的径向距离rmax处的碱金属元素浓度，可有效降低上述平均浓度条件下的衰减。

图5为示出钾掺杂光纤母材的径向距离与该光纤母材的中心轴处的钾浓度、偏离中心轴的位置处的钾浓度、以及由该光纤母材制造的光纤的衰减之间的关系的图。图中横轴表示以“芯半径与钾掺杂位置的径向距离的比值”表示的钾掺杂位置。横轴的值越大，钾掺杂的位置与光纤的中心轴越接近。术语“偏离中心轴的位置”是指光纤母材中对应于光纤中最大rp(r)处的径向距离rmax(3μm，比值为1.6)的径向位置。

参照图5，1550nm波长处的衰减从所述比值为约3.0且光纤母材中径向距离rmax处的钾浓度开始变得高于母材的中心轴处的钾浓度的点处开始急剧降低。相反，在对光纤母材中径向距离rmax的外侧(比值小的一侧)进行钾掺杂的情况下，衰减再次上升。这样，通过调节碱金属元素浓度达到最大处的径向距离r，可将光纤1在1550nm波长处的衰减设为0.16db/km以下。

图6为示出如下两种情况中的残余应力分布的图，在其中一种中，钾浓度在光纤的中心轴处达到最大；在另一种情况中，钾浓度在光纤的径向距离为3μm处达到最大。在钾浓度在光纤的中心轴处达到最大的情况中，在芯10的中心部和外周部分(径向距离约为5μm)的应力之间观察到10mpa的应力差。这可能是由于，在光纤母材的拉伸温度下，光纤母材表现出与径向上的钾浓度分布相关的不同粘度：外周部分表现出高粘度，这导致了应力差。测量光纤1在1550nm波长处的衰减，结果为0.156db/km。

在钾浓度在径向距离为3μm处达到最大的另一种情况下，芯10中的残余应力基本一致。这可能是由于在拉伸过程中碱金属元素向着芯10的中心部分和芯10的外周部分热扩散；因此，与对光纤的中心轴区域进行钾掺杂的情况相比，中心部分与最外周部分之间的钾浓度差更小。发现该光纤1在1550nm波长处的衰减值极低，为0.152db/km。这可能是由于在垂直于芯10的中心轴的横截面内的残余应力差较小。这样，通过将最大rp(r)处的径向距离rmax处的碱金属元素浓度设为高于光纤的中心轴处的碱金属元素浓度，可将芯10的径向上的残余应力的波动降至10mpa以下。

图7为根据本发明的一个实施方式的光纤母材的制造方法的流程图。根据本实施方式的光纤母材的制造方法包括顺次进行的以下步骤：准备步骤(步骤s1)、掺杂步骤(步骤s2)、缩径步骤(步骤s3)、蚀刻步骤(步骤s4)、第一实心化步骤(实心化步骤)(步骤s5)、磨削步骤(步骤s6)、第二实心化步骤(步骤s7)、延伸步骤(步骤s8)和加护套步骤(jacketingstep)(步骤s9)。该制造方法可提供包括芯部和包层部的光纤母材。

在准备步骤(步骤s1)中，准备将向其中扩散碱金属元素的石英玻璃管。

在掺杂步骤(步骤s2)中，对石英玻璃管的内表面进行碱金属元素掺杂。该碱金属元素为(例如)钾；并且使用了诸如溴化钾(kbr)之类的碱金属原料。用诸如电炉或者燃烧器之类的外部热源加热碱金属原料的气体，并将该碱金属原料的气体与载气(如，o2气体)一同供应至玻璃管中。同时，用诸如氢氧燃烧器之类的外部热源加热该玻璃管。这样，使碱金属元素经由玻璃管的内表面对玻璃管进行扩散掺杂。

在缩径步骤(步骤s3)中，将被碱金属元素掺杂的玻璃管的内径减小至这样的尺寸，该尺寸略大于(例如，1.1倍于)将要在第一实心化步骤(步骤s5)中插入该玻璃管内的玻璃棒的直径，该玻璃棒将充当芯部的中心区域。

在蚀刻步骤(步骤s4)中，对该玻璃管的内表面进行蚀刻。其结果是，具有高含量杂质(其与碱金属一同被引入)的管内表面被磨削，从而除去该杂质。

在第一实心化步骤(步骤s5)中，进行插棒实心化(rod-in-collapse)工艺：将充当芯部的中心区域的石英玻璃棒插入经过蚀刻的玻璃管中；在此状态下将玻璃管和玻璃棒一体化，以获得含有碱金属元素的第一棒。该第一棒的中心区域将充当第一芯部。

在磨削步骤(步骤s6)中，对在实心化步骤中所得的第一棒的外周区域进行磨削以提供芯部。芯部的外周区域(除中心区域以外的区域)充当第二芯部。

在第二实心化步骤(步骤s7)中，用第一包层部围绕芯部。将在步骤s6中加工过并且充当芯部的第一棒插入含氟石英玻璃管内，该含氟石英玻璃管将充当第一包层部；通过外部热源加热从而将该第一棒和石英玻璃管一体化。通过该插棒实心化工艺以进行一体化，获得了第二棒。可将芯部以及与该芯部毗邻的第一包层部的部分中的水含量抑制至足够低的量。

在延伸步骤(步骤s8)中，将第二棒(其通过将芯部和第一包层部一体化而获得)延伸，从而使将获得的光纤具有所需的芯直径。

在加护套步骤(步骤s9)中，通过诸如外部气相沉积法(ovd)、气相轴向沉积法(vad)或者插棒实心化法之类的已知方法，用含氟的第二包层部围绕该经过延伸的棒。由此制造光纤母材。

总而言之，光纤1包括芯10和包层20，所述包层20的折射率低于所述芯10的折射率；芯10含有碱金属元素；将相对于芯10的中心轴的径向距离定义为r，将在径向距离r处通过光纤10传播的光的能量定义为p(r)，在rp(r)达到最大处的径向距离rmax处的假想温度至少比中心轴处的假想温度低50℃。在该光纤1中，径向距离rmax处的碱金属元素的浓度高于中心轴处的碱金属元素的浓度。

在这种构造中，可有效降低衰减。具体而言，碱金属元素浓度越高，则假想温度和瑞利散射越低。然而，整个芯中的平均碱金属元素浓度高会导致与波长不相关的衰减增加，该衰减的增加与平均浓度相关。因此，在将整个芯中的平均碱金属元素浓度设为小于50摩尔ppm的情况下，需要有效降低衰减。由此，将掺杂碱金属元素处的径向距离r调节为最大rp(r)处的径向距离rmax，从而满足假想温度和碱金属元素浓度的上述条件。由此，还可抑制与波长不相关的衰减的增加。

在光纤1中，芯10的半径与碱金属元素的浓度达到最大处的径向距离之比为1.2至3.6；并且该光纤1的衰减可降低至0.16db/km以下。将在下文中参照表格和图8对该数值范围进行说明。在光纤1中，芯10中径向上的残余应力的波动为10mpa以下；并且可以降低光纤1在1550nm波长处的衰减。在光纤1中，1550nm波长处的衰减为0.16db/km以下，并且可以有效地传输光。

根据本发明的一个实施方式的光纤母材制造方法为制备这样的光纤母材的方法，该光纤母材包括芯部和包层部，所述芯部包括第一芯部和围绕所述第一芯部的第二芯部，并且所述包层部的折射率低于所述芯部的折射率，所述方法包括：掺杂步骤，其中对将充当所述第二芯部的玻璃管的内表面进行碱金属元素掺杂；实心化步骤，其中向所述玻璃管中插入将充当第一芯部的玻璃棒，并通过加热使该玻璃棒和玻璃管一体化，其中所述芯部的半径与所述第一芯部的半径之比为1.2至3.6。

该方法可以制造这样的光纤母材，通过拉伸该光纤母材可提供衰减得到有效减小的光纤1。以下，将参考表和图8说明上述数值范围。

实施例

在实施例中，如下所述顺次进行图7中的步骤s1至s9从而制造光纤母材。

在准备步骤(步骤s1)中，准备石英玻璃管。该石英玻璃管含有100摩尔ppm的氯(cl)和6,000摩尔ppm的氟；并且其他掺杂剂和杂质的浓度在10摩尔ppm以下。该石英玻璃管的外径为35mm，内径为约20mm。

在掺杂步骤(步骤s2)中，将溴化钾(kbr)用作碱金属原料，并且用热源在840℃下加热以产生kbr蒸气。将kbr蒸气与作为载气的氧气一同引入玻璃管中，同时用氢氧燃烧器从外部加热玻璃管以使该玻璃管表面达到2150℃，其中，氧气的引入速率为1slm(换算为标准状态为1升/分钟)。在该加热过程中，使氢氧燃烧器以40mm/min的速率往复运动总共15次。由此，使钾扩散至玻璃管的内表面。

在缩径步骤(步骤s3)中，在使氧气(0.5slm)通过掺杂有钾的玻璃管的同时，通过外部热源加热玻璃管以使得该玻璃管的外表面温度达到2250℃。在该加热过程中，使外部热源往复运动总共6次，从而将掺杂有钾的玻璃管的内径减小至这样的尺寸，该尺寸比将要在第一实心化步骤(步骤s5)中插入该玻璃管内的棒的直径大约0.1mm至约1mm。

在蚀刻步骤(步骤s4)中，对玻璃管的掺杂有钾的内表面进行气相蚀刻：在向玻璃管中引入sf6(0.2slm)和氧气(0.5slm)的气体混合物的同时，用外部热源加热玻璃管。

按下面方式进行第一实心化步骤(步骤s5)。将石英玻璃棒插入蚀刻过的玻璃管中。在将玻璃管的内压(绝对压力)降至97kpa以下、并且向该玻璃管中引入氧气(2slm)的同时，用外部热源加热该玻璃管以使得该玻璃管的表面温度达到2150℃。由此，将玻璃管和玻璃棒一体化为实心棒，该实心棒为含有碱金属元素的第一棒。该第一棒的最大钾浓度为600摩尔ppm。通过这种方式，利用直径为3.5mm、4.5mm、6mm、10mm、13mm和15mm的不同直径的玻璃棒来制备若干第一棒。另外，作为对比，在与上述相同的条件下制备另一个第一棒(实心棒)，不同之处在于未插入玻璃棒。

在磨削步骤(步骤s6)中，对通过实心化步骤制备的该第一棒的外周区域进行磨削，从而提供直径为16mm的芯部。

按照下面的插棒实心化方法进行第二实心化步骤(步骤s7)：将芯部插入含氟石英玻璃管中；通过用外部热源加热从而将该芯部和石英玻璃管一体化。由此，芯部被第一包层部包围，从而提供了第二棒。芯部与第一包层部之间的最大相对折射率差约为0.34％。

在延伸步骤(步骤s8)中，将第二棒延伸，以使得将要获得的光纤具有所需的芯直径。

在加护套步骤(步骤s9)中，通过ovd用含氟的第二包层部包围经过延伸的棒。由此制得光纤母材。

在拉伸过程中向玻璃部施加0.5n的张力，并以2,300m/min的拉伸速率拉伸该光纤母材，从而制造光纤。发现该光纤具有如下性质。钾浓度(芯中的平均值)约为3摩尔ppm。1550nm波长处的波长色散为+15.9ps/nm/km。1550nm波长处的色散斜率为+0.054ps/nm²/km。零色散波长为1310nm。零色散波长处的色散斜率为+0.083ps/nm²/km。1550nm波长处的有效面积为82μm²。1550nm波长处的模场直径为10.3μm。1310nm波长处的模场直径为9.1μm。2m的光纤的光纤截止波长为1310nm。22m的光纤的光缆截止波长为1230nm。偏振模色散(c带和l带)为0.11ps/√km。随机偏振状态下，1550nm波长处的非线性系数为1.1(w·km)^-1。rp(r)(径向距离r和径向距离r处的光的能量p(r)的乘积)达到最大处的径向距离rmax为3.1μm。

下表示出了第一实心化步骤(步骤s5)中插入不同直径的玻璃棒的情况下的衰减。该表还示出了棒直径d棒，芯棒(第一棒)直径d芯、芯直径为10μm的光纤中钾浓度峰的径向距离d峰、和芯半径与钾浓度峰的径向距离的比值。

表

图8为示出芯半径与d峰的比值与衰减之间的关系的图。该表格和图8表明：通过将芯半径与钾浓度峰的径向距离的比值设在1.2至3.6的范围内，获得了0.16db/km以下的衰减。该表格和图8还表明所述比值在小于1.2或者大于3.6的范围内会导致衰减急剧增大。该比值更优选在1.2至2.7的范围内，这会使衰减为0.155db/km以下。总而言之，在实施所述光纤母材制备方法以使得芯部的半径与第一芯部的半径之比为1.2至3.6的情况下，拉伸所得光纤母材可提供衰减为0.16db/km以下的光纤。