光纖基材的制造方法以及光纖的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種通過在堿金屬元素熱擴散工序中抑制玻璃管內(nèi)表面上異物的生成從而能夠制造高質(zhì)量光纖預制件的方法，該方法包括：(1)熱擴散工序，其中，在將通過加熱堿金屬鹽原料而生成的堿金屬鹽蒸汽從石英玻璃管的一端供給至內(nèi)部的同時，用熱源加熱玻璃管外部，從而將堿金屬元素熱擴散到玻璃管內(nèi)側(cè)；(2)在熱擴散工序后，通過使玻璃管塌縮并固化而形成芯棒的工序；以及(3)用于在芯棒周圍附加包層部的工序。在熱擴散開始時，將堿金屬鹽原料加熱到使堿金屬鹽的蒸汽壓為0.1kPa以下的溫度，之后將堿金屬鹽原料加熱到使堿金屬鹽的蒸汽壓高于0.1kPa的溫度。
【專利說明】光纖基材的制造方法以及光纖
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及光纖預制件的制造方法以及光纖。
【背景技術】
[0002]具有包含堿金屬芯的石英玻璃光纖是已知的(參見專利文獻1-10)。據(jù)說當光纖預制件被拉伸時，如果其芯部含有幾百ppm至幾萬ppm級的堿金屬，則能夠降低其芯部的粘度，因此石英玻璃網(wǎng)絡結(jié)構的松弛得以進行，從而能夠降低所得光纖的衰減。
[0003]擴散法已知作為將堿金屬元素添加到石英玻璃內(nèi)的方法(參見專利文獻I和2)。擴散法是這樣的方法，使得在通過外部熱源將玻璃管加熱到1500°C至2200°C范圍內(nèi)的溫度的同時，將用作原料的堿金屬或堿金屬鹽的原料蒸汽隨載氣引入到玻璃管內(nèi)，從而將堿金屬元素擴散摻雜到玻璃管的內(nèi)表面中。
[0004]在以這樣的方式將堿金屬元素添加到玻璃管的內(nèi)表面和鄰近部分之后，通過加熱使玻璃管縮徑?？s徑之后，將玻璃管的內(nèi)表面蝕刻適宜的厚度，從而除去在添加堿金屬元素時同時被添加的過渡金屬元素(諸如鎳、鐵等)。因為堿金屬比過渡金屬元素的擴散快，即使通過將玻璃表面蝕刻一定厚度來除去過渡金屬兀素，仍可能殘留堿金屬。
[0005]蝕刻之后，通過加熱使玻璃管塌縮來制造含有堿金屬元素的芯棒。然后通過在含堿金屬芯棒的外部形成包層部來制造光纖預制件。由此，通過拉伸該光纖預制件就能夠制造光纖。
[0006]在擴散法中，通過將堿金屬鹽加熱至熔點(例如，溴化鉀的熔點:734°C )或更高的溫度以得到足夠的蒸汽壓而產(chǎn)生的堿金屬鹽的蒸汽隨載氣從玻璃管的一端供給到玻璃管的內(nèi)部。然后借助于沿著玻璃管的縱向進行相對運動的熱源對玻璃管加熱，使堿金屬元素被氧化，從而熱擴散到玻璃管的內(nèi)側(cè)。由此，通過進行兩次以上這樣的熱擴散，即可制造含有堿金屬元素的玻璃管。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]發(fā)明目的
[0008]本發(fā)明的目的在于提供一種制造高質(zhì)量光纖預制件的方法，其中，在進行堿金屬元素熱擴散的工序中，能夠抑制玻璃管內(nèi)表面上異物的生成。
[0009]實現(xiàn)目的的手段
[0010]為了實現(xiàn)該目的，本發(fā)明的方法包括:(I)在將通過加熱堿金屬鹽而生成的堿金屬鹽的蒸汽隨載氣從玻璃管的一端供給至其內(nèi)部的同時，借助于沿所述玻璃管的縱向進行相對運動的熱源對所述玻璃管加熱，由此將堿金屬元素氧化并熱擴散到石英玻璃管內(nèi)側(cè)的熱擴散工序；(2)在所述熱擴散工序后，通過使所述玻璃管塌縮而形成芯棒的塌縮工序；以及(3)用于在所述芯棒周圍增加包層部的包覆工序，其中，在所述熱擴散工序中，在開始將所述堿金屬元素熱擴散到所述玻璃管內(nèi)側(cè)時，在使該堿金屬鹽的蒸汽壓為0.1kPa以下的溫度下加熱所述堿金屬鹽，之后，在通過熱源加熱所述玻璃管的過程中，將所述堿金屬鹽加熱到使該堿金屬鹽的蒸汽壓高于0.1kPa的溫度。
[0011]根據(jù)本發(fā)明的光纖預制件的制造方法，在所述熱擴散工序中，在開始將所述堿金屬元素熱擴散至所述玻璃管內(nèi)側(cè)時，可使該堿金屬鹽的蒸汽壓為0.05kPa以下。在將所述堿金屬鹽加熱到使該堿金屬鹽的蒸汽壓為高于0.1kPa的溫度時，升溫速度可為5°C /分鐘以上15°C /分鐘以下，并且將該加熱溫度在中間溫度下維持給定的時間。在開始將所述堿金屬元素熱擴散至所述玻璃管內(nèi)側(cè)時，所述堿金屬鹽的加熱溫度可為該堿金屬鹽的熔點以下，或者可為734°C以下。所述堿金屬鹽的例子為溴化鉀或碘化鉀。所述載氣可含有氧。
[0012]根據(jù)本發(fā)明另一方面的光纖是由本發(fā)明的光纖預制件制造方法制造的光纖預制件而制得的光纖，并且在1550nm波長下，所述光纖的衰減率為0.170dB/km以下。在1550nm波長下，所述光纖的衰減率可為0.165dB/km以下。
[0013]本發(fā)明的效果
[0014]根據(jù)本發(fā)明，在進行堿金屬元素的熱擴散的工序中，通過抑制玻璃管內(nèi)表面上異物的生成，能夠制造高質(zhì)量的光纖預制件。
[0015]附圖簡要說明
[0016]圖1為示出在開始加熱玻璃管時溴化鉀的晶體生成頻率與蒸汽壓之間的關系的圖。
[0017]圖2為示出在開始加熱玻璃管時碘化鉀的晶體生成頻率與蒸汽壓之間的關系的圖。
[0018]圖3為示出堿金屬鹽的升溫速率與晶體生成頻率之間的關系的圖。
[0019]圖4為示出堿金屬鹽的升溫速率與沿玻璃管縱向上的堿金屬濃度變化量之間的關系的圖。
[0020]圖5為示出制造實施例1的光纖的工序的概念圖。
[0021]圖6為示出實施例1中堿金屬升溫的溫度曲線和堿金屬鹽的蒸汽壓曲線的圖。
[0022]圖7為示出實施例1中制造的光纖的折射率曲線的圖。
[0023]圖8為示出制造實施例2的光纖的工序的概念圖。
[0024]圖9為示出實施例2中堿金屬升溫的溫度曲線和堿金屬鹽的蒸汽壓曲線的圖。
[0025]圖10為示出實施例2中制造的光纖的折射率曲線的圖。
[0026]圖11為示出光纖的折射率曲線的其他例子的概念圖。
【具體實施方式】
[0027]以下將參照附圖對本發(fā)明的實施方案進行說明。提供這些附圖僅僅為了解釋的目的，而非意在限制本發(fā)明的范圍。在這些附圖中，相同的標記代表相同的元素，從而可省去重復說明。附圖中的尺寸比例未必精確。
[0028]已出現(xiàn)這種情況:在熱擴散工序中，在玻璃管內(nèi)表面上產(chǎn)生異物，導致在含有堿金屬的玻璃中產(chǎn)生裂紋，從而無法通過拉伸來制造光纖。另外，即使制造了光纖，也會出現(xiàn)諸多問題的情況:光纖的衰減率增加；光纖強度降低等等。
[0029]根據(jù)專利文獻10，據(jù)推測，通過降低玻璃管的氯(Cl)濃度能夠抑制結(jié)晶化，從而能解決以上問題。但是，根據(jù)本發(fā)明人所知，即使玻璃管的Cl濃度為50ppm以下，也會有在玻璃管的內(nèi)表面上出現(xiàn)異物的情況。[0030]本發(fā)明人分析了熱擴散工序中在玻璃管的內(nèi)表面上產(chǎn)生的異物，并且還研究了熱擴散工序中出現(xiàn)異物時的狀態(tài)。從而證實了，異物是由于石英玻璃結(jié)晶而產(chǎn)生的方石英。發(fā)現(xiàn)異物大都是在玻璃管進行多次加熱的第一次加熱時出現(xiàn)的。從這些發(fā)現(xiàn)可以推測，產(chǎn)生這樣的異物是因為:由于在堿金屬開始熱擴散到玻璃管內(nèi)時堿金屬鹽已經(jīng)過量地累積在玻璃管的內(nèi)表面上，因此當開始加熱玻璃管時，堿金屬以過高的濃度擴散到玻璃管內(nèi)。
[0031]此外據(jù)推測，如果溴化鉀(KBr)用作堿金屬鹽，由于KBr的熔點相對較高，為734°C，需要相對較長的時間才能把KBr加熱到750°C以上的溫度以獲得足夠的用于擴散的蒸汽壓，因此當加熱溫度達到設定溫度時，堿金屬鹽已經(jīng)過量地累積在玻璃管內(nèi)表面上了。
[0032]因此可取的是，為了抑制在熱擴散工序中在玻璃管的內(nèi)表面上產(chǎn)生異物，當堿金屬鹽的加熱溫度和堿金屬鹽的蒸汽壓都低時，將玻璃管加熱至1500°C以上2200°C以下的溫度，在此溫度下，堿金屬能夠熱擴散。并且，在玻璃管被加熱的同時，優(yōu)選地，將堿金屬鹽的加熱溫度逐漸升高到用于達到目標蒸汽壓的所需溫度，然后在維持該溫度的同時進行多次熱擴散。這樣的做法使得能夠在熱擴散開始之前防止堿金屬鹽過量沉積在玻璃管的內(nèi)表面上，并且抑制在玻璃管的內(nèi)表面上發(fā)生結(jié)晶化。
[0033]圖1和圖2為示出在開始加熱玻璃管時，晶體生成頻率與堿金屬鹽的蒸汽壓之間的關系的圖。在圖1中，堿金屬鹽是溴化鉀(KBr)，而在圖2中是碘化鉀(KI)。在這種情況下，用氧氫燃燒器來加熱玻璃管，使得石英玻璃管外表面的溫度可達2150°C。用O2氣作為載氣，并將O2氣的流速設定為lOOOsccm。該玻璃管的外徑為25mm,內(nèi)徑為IOmm,長度為550mm,而氯(Cl)和氟的濃度分別為25原子ppm和5000原子ppm。通過沿著玻璃管總共移動5次氧氫燃燒器來進行熱擴散。熱擴散在設定溫度下開始，在第一次移動氧氫燃燒器的過程中，將堿金屬源的加熱溫度升高至820°C，在隨后的第二次到第五次移動氧氫燃燒器的過程中，在保持820°C溫度的同時進行熱擴散。
[0034]如圖1和2所示，可發(fā) 現(xiàn)對于KBr和KI 二者，在開始加熱玻璃管時，當堿金屬鹽被加熱到堿金屬鹽的蒸汽壓變得高于0.1kPa的溫度時，結(jié)晶化更容易發(fā)生。另外，為了抑制關于KBr和KI 二者的結(jié)晶化，優(yōu)選使蒸汽壓為0.05kPa以下。發(fā)現(xiàn)在蒸汽壓為0.05kPa以下時的溫度低于各自的熔點(KBr的熔點734°C ；KI的熔點681 °C )。
[0035]從制造再現(xiàn)性方面考慮，優(yōu)選的是在開始加熱玻璃管時，堿金屬鹽的蒸汽壓為0.02kPa以上。在這種情況下，對于KBr而言，堿金屬鹽的加熱溫度等于或高于700°C，對于KI而言，則等于或高于653°C。
[0036]圖3為示出堿金屬鹽的升溫速率與晶體生成頻率之間的關系的圖。圖4為示出堿金屬鹽的升溫速率與沿玻璃管縱向上的堿金屬濃度變化量之間的關系的圖。如圖3所示，通過將堿金屬鹽的升溫速率設定為15°C/分鐘以下，能夠抑制結(jié)晶的生成。如圖4所示，通過使堿金屬鹽的升溫速率為5°C /分鐘以上，能夠使沿著玻璃管縱向上的堿金屬濃度的變化量低至100原子ppm以下。因此，優(yōu)選地，升溫速率為5°C /分鐘以上15°C /分鐘以下。
[0037]以下，將參照圖5給出實施例1的說明，圖5為示出了制造實施例1的光纖的工序的概念圖。在實施例1中，KBr用作堿金屬源。
[0038]首先，為了提供原料供給部，減小放置于玻璃車床上的處理用玻璃管3的兩個部位的內(nèi)徑，在其中放入5g KBr作為堿金屬源5 (區(qū)域(a))。然后，將石英玻璃管I連接到處理用玻璃管3 (區(qū)域(b))。玻璃管I的尺寸為:外徑32mm ;內(nèi)徑15mm ;長度500mm,并且含有200原子ppm濃度的Cl和4000原子ppm濃度的氟。在用熱源(電爐)4在600°C溫度下將原料供給部加熱30分鐘的同時，通過流入干燥的N2來干燥堿金屬源5 (區(qū)域(c))。
[0039]在使載氣O2以ISLM流動的同時，將原料供給部加熱到720V的溫度(低于KBr的熔點734°C)。此時，用于加熱原料的熱源4的溫度被設定至750°C。在確定熱源4升溫之后，用以40mm/分鐘的速度移動的熱源2加熱玻璃管1，進行鉀到玻璃管I內(nèi)表面的擴散摻雜，從而使得玻璃管I的表面溫度為2200°C以上。另外，在開始鉀擴散摻雜的同時，原料供給部上的原料的溫度以10°C /分鐘的加熱速率升高至750°C。此時熱源4的設定溫度為780。。。
[0040]保持這樣的溫度5分鐘之后，確定熱源4的溫度已經(jīng)升高至780°C，然后不管熱源
2的往復運動，進一步將原料溫度以10°C /分鐘的速率升高至820°C。此時熱源4的設定溫度為850°C。關于熱源4，確定其溫度已升至850°C之后，一邊調(diào)控電源以將溫度恒定保持在850°C，一邊進行總共15次熱源2的往返移動，由此將鉀擴散到玻璃管I的內(nèi)表面中(區(qū)域(d))。
[0041]圖6為示出實施例1中用熱源4加熱的堿金屬5的升溫曲線和堿金屬鹽的蒸汽壓曲線的圖。當將堿金屬源5加熱到使堿金屬鹽的蒸汽壓為高于0.1kPa的預期值的溫度時，優(yōu)選地在中間溫度下維持一定時間，因為晶體的產(chǎn)生由此能夠得以減弱，并且能夠制造含有堿金屬而不含結(jié)晶的玻璃體。
[0042]在后續(xù)工藝中，將含鉀的玻璃管I的內(nèi)壓設定至表壓為-0.05kPa以下，并按照與擴散工序中相同的方式用熱源2的火焰繼續(xù)在2200°C以上的溫度下加熱玻璃管1，直到玻璃管I的內(nèi)徑變?yōu)?mm以下。玻璃管I的內(nèi)徑變?yōu)?mm之后，在使SF6 (0.1SLM)和氧(0.2SLM)流入玻璃管I內(nèi)部的同時，加熱玻璃管I`，并通過蝕刻約600 μ m的厚度，從玻璃管I的內(nèi)表面上除去含有已經(jīng)與鉀同時擴散的過渡金屬雜質(zhì)的層。
[0043]當這樣的蝕刻之后玻璃管I的內(nèi)部表壓降低到_2kPa以下時，使溫度為2200°C以上的熱源(氧氫燃燒器)2的火焰以30mm/分鐘的速率往復移動，從而使玻璃管I塌縮，由此得到透明的芯棒。通過機械拋光，將由于氧氫燃燒器加熱而形成的OH基濃度高并且厚度為2_的外層從芯棒表面除去。
[0044]在由此獲得的芯棒的外周周圍，使含有13，OOOppm濃度Cl的石英玻璃管塌縮，從而得到具有直徑擴大部的芯棒。這樣直徑擴大了的芯棒的外徑是第一次制造的含鉀的芯棒的直徑的3.5倍大。通過使含有氟的用于制造包層部的玻璃管塌縮，在直徑擴大了的芯棒周圍形成光學包層部，以使得相對于芯部的相對折射率差為0.34%。
[0045]將具有光學包層的這樣的芯棒拉長到預定的直徑，之后在芯棒外部周圍合成摻雜氟的石英玻璃，從而制造物理包層部，由此制備具有125_直徑的光纖預制件。在這種情況下，在整個長度上都沒有生成晶體。在2300m/分鐘的線速度下用50g的張力將光纖預制件拉伸成光纖。圖7為示出實施例1中制造的光纖的折射率曲線的圖。實施例1中制造的光纖的特性如表1所示。由此，得到了具有低衰減率的光纖。
[0046]表1
[0047]
【權利要求】
1.一種光纖預制件的制造方法，包括: 用于氧化并將堿金屬元素熱擴散到石英玻璃管內(nèi)側(cè)的熱擴散工序，其中，在將通過加熱堿金屬鹽而生成的堿金屬鹽的蒸汽隨載氣從所述玻璃管的一端供給至其內(nèi)部的同時，使用沿所述玻璃管的縱向進行相對運動的熱源對所述玻璃管加熱； 在所述熱擴散工序后，通過使所述玻璃管塌縮而形成芯棒的塌縮工序；以及 用于在所述芯棒周圍增加包層部的包覆工序，其中 在所述熱擴散工序中，在開始將所述堿金屬元素熱擴散到所述玻璃管內(nèi)側(cè)時，在使該堿金屬鹽的蒸汽壓為0.1kPa以下的溫度下加熱所述堿金屬鹽，之后，在通過熱源加熱所述玻璃管的過程中，將所述堿金屬鹽加熱到使該堿金屬鹽的蒸汽壓高于0.1kPa的溫度。
2.根據(jù)權利要求1所述的光纖預制件的制造方法，其中 在所述熱擴散工序中，在開始將所述堿金屬元素熱擴散至所述玻璃管內(nèi)側(cè)時，使該堿金屬鹽的蒸汽壓為0.05kPa以下。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的光纖預制件的制造方法，其中 在將所述堿金屬鹽加熱到使該堿金屬鹽的蒸汽壓為高于0.1kPa的溫度時，升溫速度為5°C /分鐘以上15°C /分鐘以下。
4.根據(jù)權利要求1至3中任一項所述的光纖預制件的制造方法，其中 在將所述堿金屬鹽加熱到使該堿金屬鹽的蒸汽壓為高于0.1kPa的溫度時，將該加熱溫度在中間溫度下維持給定的時間。`
5.根據(jù)權利要求1至4中任一項所述的光纖預制件的制造方法，其中 在開始將所述堿金屬元素熱擴散至所述玻璃管內(nèi)側(cè)時，所述堿金屬鹽的加熱溫度為該堿金屬鹽的熔點以下。
6.根據(jù)權利要求1至5中任一項所述的光纖預制件的制造方法，其中 在開始將所述堿金屬元素熱擴散至所述玻璃管內(nèi)側(cè)時，所述堿金屬鹽的加熱溫度為734°C以下。
7.根據(jù)權利要求1至6中任一項所述的光纖預制件的制造方法，其中 在所述熱擴散工序中，所述堿金屬鹽為溴化鉀或碘化鉀。
8.根據(jù)權利要求1至7中任一項所述的光纖預制件的制造方法，其中 在所述熱擴散工序中，所述載氣含有氧。
9.一種光纖，其由根據(jù)權利要求1至8中任一項所述的制造方法所制造的光纖預制件制得，其中 在1550nm波長下，所述光纖的衰減率為0.170dB/km以下。
【文檔編號】C03B37/014GK103502164SQ201280021801
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2012年12月28日 優(yōu)先權日:2012年1月11日
【發(fā)明者】春名徹也, 平野正晃, 田村欣章 申請人:住友電氣工業(yè)株式會社