專利名稱：含堿金屬氧化物的光纖的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般性涉及摻雜有堿金屬氧化物的光纖以及制造該光纖的方法和設(shè)備。
背景技術(shù)：
衰減是光纖的主要極限屬性。例如，光纖損耗在設(shè)定光纖放大器之間的極限 距離時起到重要的作用。這一點在此類放大器主要占系統(tǒng)的顯著成本并且是影響系 統(tǒng)可靠性的主要因素的遠距離和超遠距離的網(wǎng)絡(luò)，例如海底應(yīng)用中特別重要。因此， 商業(yè)上對將衰減盡可能降至最低水平極有興趣。
發(fā)明概述
本發(fā)明的一個廣義方面涉及光纖，該光纖具有基于二氧化硅的芯體，該芯體 包含氟、氯，以及選自下組的堿金屬氧化物K20、 Na20、 Li02、 Rb20、 Cs20以及它 們的混合物。芯體中存在的堿金屬氧化物在所述芯體中的平均濃度優(yōu)選為約 50-500重量ppm，更優(yōu)選為約100-300重量ppm。所述芯體中的氟的平均濃度優(yōu)選
大于所述芯體中堿金屬氧化物的平均濃度，所述芯體中氯的平均濃度同樣優(yōu)選大于 所述芯體中堿金屬氧化物的平均濃度。本文中所用的平均濃度表示在整個芯體上的 平均濃度。因此，例如，如果芯體的內(nèi)50X具有300重量ppm的K20，并且芯體的 外50%具有400重量ppm的K20，則芯體中K20的平均濃度為350ppm。所述光纖的芯體包含的氯在所述芯體中的平均濃度優(yōu)選大于約750重量ppm。 覆層是基于二氧化硅的覆層，該覆層包圍所述芯體，并優(yōu)選與所述芯體直接相鄰。 覆層優(yōu)選含有大于10000 ppm的氟。較好地，所述芯體基本不含鍺，更優(yōu)選所述芯 體不含鍺。
在一個優(yōu)選的實施方式中，所述光纖的芯體包含沿芯體的中心線設(shè)置的第一 區(qū)域，該區(qū)域中的氯含量小于100 ppm，以及包圍所述第一區(qū)域的第二芯體區(qū)域， 該區(qū)域中的氯含量大于100 ppm。第一區(qū)域的最大氟含量還優(yōu)選大于在所述第二區(qū) 域中的最小氟含量。
所述芯體中的平均氯濃度優(yōu)選大于500ppm，更優(yōu)選大于750ppm，甚至更優(yōu)選 大于1000ppm，最優(yōu)選大于約1500ppm。所述芯體中的平均氟濃度優(yōu)選大于500ppm， 更優(yōu)選大于750ppra，甚至更優(yōu)選大于1000ppm，最優(yōu)選大于約1500ppm。
采用本文公開的堿金屬氧化物摻雜技術(shù)制造的光纖呈現(xiàn)，在1310納米處的衰 減小于約0. 30 dB/km，在1550納米處的衰減小于約0. 175 dB/km;優(yōu)選在1550 納米處的衰減小于約O. 170 dB/km，更優(yōu)選在1550納米處的衰減小于約0. 16 dB/km。
較好地，光纖的芯體和覆層都含有堿金屬氧化物摻雜劑。光纖的覆層玻璃可 包含氟(F)。所述光纖具有至少一個芯體段；在一些優(yōu)選實施方式中，光纖包括多 個芯體段。在半徑等于光纖模場半徑處的堿金屬氧化物濃度優(yōu)選至少約為0.001 重量％。
本發(fā)明提出的一種具有芯體的光纖，所述芯體包含選自下組的堿金屬氧化物
K20、 Na20、 Li02、歸、Cs20以及它們的混合物，其中，所述芯體包含小于20 ppb 的OH。
在以下的詳細描述中提出了本發(fā)明的附加特征和優(yōu)點，其中的部分特征和優(yōu) 點對本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言根據(jù)所作描述即容易理解，或者通過實施包括以下詳細 描述、權(quán)利要求書以及附圖在內(nèi)的本文所述的本發(fā)明而被認識。
應(yīng)理解，前面的一般性描述和以下的詳細描述都只是本發(fā)明的示例，用來提 供理解要求保護的本發(fā)明的性質(zhì)和特性的總體評述或框架。包括的附圖提供了對本 發(fā)明的進一步的理解，附圖被結(jié)合在本說明書中并構(gòu)成說明書的一部分。附示 說明了本發(fā)明的各種實施方式，并與說明書一起用來說明本發(fā)明的原理和操作。在 適當(dāng)之處，類似的特征注以同樣的編號。附圖簡述


圖1是階躍率光纖折射率分布的一部分的圖示說明，該光纖的堿金屬氧化物 濃度隨該光纖的半徑而變化。
圖2圖示說明本發(fā)明的光纖的例子，示出該光纖的芯體和一部分覆層中的K、
C1和F的濃度。
圖3圖示說明根據(jù)本發(fā)明制造摻雜堿金屬氧化物的光纖的方法。 圖4示出沉積玻璃煙炱(glass soot)的方法。 圖5示出用堿金屬氧化物對玻璃管摻雜的方法。 圖6示出拉制玻璃棒的工藝。
發(fā)明詳述
本發(fā)明涉及低損耗光纖以及該光纖的制造方法。更具體地，本發(fā)明涉及摻雜 有堿金屬氧化物摻雜劑的光纖及其制造方法和相關(guān)的預(yù)制件。本文中使用的以下術(shù) 語具有以下含義
-模場直徑是對單模光纖的端面上光功率的度量，可表示為下式-
sin O cos
式中，2co。是模場直徑(因此0)。是模場半徑)，X是光的平均波長，O是相對 于輻射方向圖的中心的角度，這些積分優(yōu)選從0°至90°進行。例如，可按照 ANSI/TIA/EIA-455-191-A-2001的測試程序來測量模場直徑。
_有效面積如下
Aeff = 2兀(JE2 r dr)7(jE4 r dr) (2)
式中，積分限為O至oo， E是與所傳播的光相關(guān)的電場。
-相對折射率八由等式Ai = (ni2- n。/2ni2定義，式中，rii是該率分布段 i的最大折射率，n。是通常取作覆層的最小折射率的參照區(qū)中的折射率。相對 折射率一般表示為百分率，并且在本文中以術(shù)語y。A表示。除非另外指出，否則 。/。A表示芯體相對于覆層的最小折射率而言的最大相對折射率。
術(shù)語折射率分布或簡稱為率分布是在光纖的選定部分，通常是芯體上呢A 與半徑之間的關(guān)系。
術(shù)語a分布指遵照以下等式的芯體折射率分布，
n(r) = n。 (1-[r/a]a) (3)
式中，r是芯體半徑，a是該分布中的末點，在該分布的首點選擇r為零，n。是關(guān)注的芯體區(qū)域的最大折射率，oc是定義芯體分布形狀的指數(shù)(exponent)。 其他常見的芯體折射率分布的形狀包括階躍率，梯形率和圓化的階躍率 (rounded st印index),其中，圓化的原因是在折射率快速變化的區(qū)域中摻雜 劑的擴散。
-芯體指光纖中折射率普遍高于覆層的部分，因此傳輸?shù)墓夤β手饕ㄟ^ 芯體傳播。芯體可包含一個或多個段。單獨芯體段的折射率可大于純的二氧化 硅、等于純的二氧化或小于純的二氧化硅的折射率。
除非另外說明，否則"PPm"指每百萬的重量份，或"重量百萬分率"， 或"重量ppm"，按照重量％的測量值乘以10,000的因子可轉(zhuǎn)化為ppm。
本文揭示的光纖包括芯體和包圍芯體并與之直接相鄰的覆層。較好地，所述 芯體基本上不含氧化鍺(germania)，更優(yōu)選不含氧化鍺。
在一些優(yōu)選的實施方式中，芯體包括單一的芯體段即中心芯體段，覆層包圍 該中心芯體段并與之直接相鄰，如圖1以及圖1的說明性分布的變異一一如上面討 論的具有階躍、圓化、a或三角形形狀的分布所代表的那樣，其中，中心芯體段相
對于覆層具有正的折射率A, (r)。在其他優(yōu)選的實施方式中，芯體包括多個芯體段， 如中心芯體段和包圍中心芯體段并與之直接相鄰的第一環(huán)形芯體段，以及包圍第一 環(huán)形芯體段并與之直接相鄰的覆層，其中，所述中心芯體段相對于覆層具有非負的， 優(yōu)選正的相對折射率AA(r)，第一環(huán)形芯體段的純二氧化硅相對于覆層具有非負 的，優(yōu)選正的相對折射率A2。/。(r)。
圖2圖示說明根據(jù)本發(fā)明的光纖的一個示例的實施方式。圖2所示的光纖包 括基于二氧化硅的芯體區(qū)，該區(qū)域從0微米延伸至約4微米，還有包圍所述芯體區(qū) 的摻雜氟的二氧化硅覆層。芯體區(qū)包含選自下組的堿金屬氧化物K20、 Na20、 Li02、 Rb20、 Cs20以及它們的混合物，這些堿金屬氧化物在所述芯體中的平均濃度約為 50-500重量ppm。芯體還包含氯和氟。較好地，所述芯體中的氟的平均濃度大于所 述芯體中堿金屬氧化物的平均量，所述芯體中氯的平均濃度大于所述芯體中堿金屬 氧化物的平均量。該光纖還包括基于二氧化硅的覆層，該覆層包圍所述芯體，在圖 2所示的實施方式中還與芯體直接相鄰。
在所示的實施方式中，芯體區(qū)包括沿芯體中心線設(shè)置的第一中心芯體區(qū)(延伸 至約1微米)，該中心芯體區(qū)中的平均氯濃度小于該芯體的外區(qū)(即，從約1微米延 伸至約4微米)中的平均氯濃度。具體地，中心芯體區(qū)中呈現(xiàn)的平均氯濃度可以小 于100ppra，更優(yōu)選小于50ppm，而包圍第一區(qū)的第二芯體區(qū)或即外芯體區(qū)中平均氯濃度可以大于500 ppm,更優(yōu)選大于750 ppm，甚至更優(yōu)選大于1000 ppm，最優(yōu) 選大于1500ppm。芯體區(qū)中氯的峰值濃度優(yōu)選大于500ppm，更優(yōu)選大于1000ppm， 最優(yōu)選大于1500ppm。
中心芯體區(qū)中呈現(xiàn)的平均氟濃度優(yōu)選大于500ppm，更優(yōu)選大于750ppm，最優(yōu) 選大于1000ppm，而在包圍第一區(qū)的第二芯體區(qū)或即外芯體區(qū)中平均氟濃度同樣優(yōu) 選大于500ppm，更優(yōu)選大于750ppm，最優(yōu)選大于1000ppra。
在整個芯體區(qū)上的平均氟濃度優(yōu)選大于500ppm，更優(yōu)選大于750ppm，最優(yōu)選 大于1000ppm，并優(yōu)選小于5000ppm，更優(yōu)選小于4000ppm。在所示實施方式中， 在所述第二芯體區(qū)中氯的峰值濃度大于在所述第二區(qū)中的氟的峰值濃度，盡管這之 間的關(guān)系并不嚴格。較好地，在芯體區(qū)中氯和氟兩者的平均濃度都大于約500ppra， 更優(yōu)選大于約750ppm，最優(yōu)選大于約1000ppm。
在一些優(yōu)選的實施方式中，本文揭示的光纖包括單一芯體段，即中心芯體段， 以及包圍該中心芯體段并與之相鄰的覆層，其中，所述覆層具有相對純二氧化硅為 負的折射率，且所述芯體包含氟和選自下組的堿金屬氧化物K20、 Na20、 Li02、 Rb20、 Cs20以及它們的混合物，所述堿金屬氧化物的峰值濃度為20-700 ppm，優(yōu)選為 50-500 ppm，甚至更優(yōu)選為100-400 ppm;所述芯體還包含峰值相對折射率(相對 于覆層)A,該峰值相對折射率為0. 2-0. 5%，優(yōu)選為0.3-0.4%。光纖包含大于90 重量％的Si02，優(yōu)選大于或等于95重量y。Si02。
較好地，光纖的芯體和覆層兩者都含有堿金屬氧化物摻雜劑。堿金屬氧化物 優(yōu)選是K、 Na、 Li、 Cs或Rb的氧化物，或它們的混合物；更優(yōu)選堿金屬氧化物是 K20、 Rb20、 Cs20，或它們的混合物；最優(yōu)選堿金屬氧化物是K20。較好地，堿金屬 氧化物在光纖的芯體中具有峰值濃度。堿金屬氧化物的濃度可在光纖的半徑上徑向 變化，在某些情況，沿光纖半徑的至少一部分，該濃度作為自光纖中心線出發(fā)的半 徑的函數(shù)，隨半徑增大而降低。
圖1示出通過實施本發(fā)明可獲得的示例的具有單一芯體段的單模光纖的折射 率分布10，以及示例的堿金屬氧化物濃度分布12(堿金屬氧化物濃度作為半徑的函 數(shù))。該光纖包括芯體段14以及包圍該芯體段14的覆層段16。較好地，堿金屬氧 化物濃度作為半徑的函數(shù)發(fā)生變化。較好地，沿光纖半徑的至少一部分，堿金屬氧 化物的濃度作為自光纖中心線出發(fā)的半徑的函數(shù)，隨半徑增大而總體趨于降低。該 光纖的芯體段14可具有圖1所示的階躍形狀，或者芯體段14可具有圓化、a或三 角形形狀。
8本發(fā)明的光纖優(yōu)選在其芯體中基本上不包含鍺。作為替代，光纖的覆層中包 含足夠的降低折射率的摻雜劑，以形成如圖1所示的折射率分布。在這種實施方式 中，覆層段16的折射率小于純二氧化硅的折射率，當(dāng)然也小于芯體14的折射率。 可供用在本文中揭示的光纖覆層中的降低折射率的優(yōu)選摻雜劑是氟。
在本發(fā)明的一個實施方式中，可適應(yīng)性修改諸如圖1所示的分布那樣的光纖
的折射率分布以產(chǎn)生如下的單模光纖，該光纖零色散波長人。在1280-1340納米之 間；在1550納米處的色散斜率(dispersion slope)小于約0. 07 ps/nm2/km，更優(yōu) 選小于0. 06 ps/W/km;在1550納米處的總色散大于約15 ps/nra/km，更優(yōu)選為 約15-20 ps/mn/km。但是，可以采用其他折射率分布來同樣實現(xiàn)這些性質(zhì)。較好 地，該光纖的截止波長小于約1500納米，更優(yōu)選小于1400納米，最優(yōu)選小于1300 納米。較好地，該光纖在1550納米處的有效面積大于約70 pm2，更優(yōu)選大于約80 pm2。光纖的芯體半徑優(yōu)選大于約3微米，更優(yōu)選約3-5微米，在1550納米處的模 場直徑大于約9微米，更優(yōu)選為約9.5-ll微米，最優(yōu)選為約10-11微米。按照本 發(fā)明包含堿金屬氧化物制造的光纖顯示，在1310納米處衰減小于約0. 30 dB/km，， 在1550納米處衰減小于約0. 18 dB/km;更優(yōu)選在1550納米處衰減小于約0. 17 dB/km，最優(yōu)選在1550納米處衰減小于約0. 16 dB/km。
在拉制過程期間能有效控制堿金屬氧化物的擴散。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，按照規(guī)定方式 改變拉制條件，就可將堿金屬氧化物摻雜劑按照要求的濃度分布分散在整個預(yù)制件 中。較好地，堿金屬氧化物摻雜劑以相對于半徑呈相對線性關(guān)系來擴散。由于堿金 屬氧化物摻雜劑的擴散部分取決于進行摻雜的玻璃的溫度、以及玻璃保持在該溫度 的時間，因此這些因素同樣對拉制工藝過程中控制堿金屬氧化物擴散起到重要的作 用。光纖預(yù)制件(以及由預(yù)制件拉制的光纖)在拉制工藝過程中經(jīng)歷的時間和溫度是 通過改變拉制速度、拉制(爐)溫度以及光纖張力來控制的。例如，提高拉制速度可 減少光纖預(yù)制件的特定部分在拉制爐內(nèi)的停留時間，因此減小了堿金屬氧化物摻雜 劑在光纖預(yù)制件以及因此在拉制出的光纖中的擴散開去的距離。這能使較少的堿金 屬氧化物擴散到覆層中，因此，在光纖的芯體中堿金屬氧化物的濃度較高。相反， 降低拉制速度會增加停留時間，因此可以導(dǎo)致光纖芯體中的堿金屬氧化物濃度因為 堿金屬氧化物進一步擴散到光纖的覆層中而下降。以類似的方式升高爐溫可以提高 堿金屬氧化物的擴散速率，從而降低堿金屬氧化物的濃度。因此，可以有效利用拉 制速度和爐溫來控制擴散，以及由此控制制成的光纖內(nèi)堿金屬氧化物的分布。如圖3所示，是根據(jù)本發(fā)明實施方式的第一方法402，該方法是通過將堿金屬氧化物擴散到作為光纖前體的合適二氧化硅玻璃制品的方式制備摻雜堿金屬的光纖。參考圖3和圖4，示出并描述該方法402的第一步驟401。參見圖4，該示說明常規(guī)的外部氣相沉積工藝，使用煙炱燃燒器156在心軸144上沉積多層二氧化硅煙炱162以形成煙炱預(yù)制件160。然后，采用標(biāo)準(zhǔn)氯干燥技術(shù)，對形成的煙炱預(yù)制件進行干燥(步驟403)。然后，通過使煙炱在一定溫度下與含氟化合物(如SiF4)的氣氛接觸一定的時間對煙炱摻雜氟(步驟405)，所述溫度和時間能足以除去干燥步驟殘留的大部分或全部的氯。優(yōu)選在低于IIO(TC的溫度進行與含氟氣氛的接觸(氟吹掃)來避免以高氟濃度對玻璃摻雜。希望進行低氟濃度摻雜，即例如O. 1-0.4重量%氟。然后對制成的摻雜氟(還可能有氯)的煙炱管進行固化(步驟407)。
然后，將固化后的玻璃管摻雜堿金屬(步驟404)。例如，參見圖5，優(yōu)選首先將制成的玻璃管106放置在車床IOI(如玻璃加工車床或常規(guī)改進的化學(xué)氣相沉積(MCVD)玻璃成形車床)的夾具間。通過火焰加工在管106的壁上鍛造兩個環(huán)頸形變形112，從而在靠近該管106的一端形成較好是環(huán)形的儲器108，或者以其他方式將儲器焊到管上，該儲器用于接受堿金屬源的化合物110。也可以使用其他類型的儲器。較好地，環(huán)頸形變形112彼此相隔約2厘米。較好地，為防止堿金屬結(jié)晶，要求管106、以及沉積在管106內(nèi)部的任何外加的玻璃基本上不含氯?；旧喜缓缺硎境尸F(xiàn)足夠低的氯含量，從而可以避免因堿金屬氯化物結(jié)晶導(dǎo)致的光學(xué)損耗(optical loss)。為此目的，要求氯含量宜小于約500重量ppm;更優(yōu)選小于約100重量ppm;最優(yōu)選小于約50重量ppm。此外，二氧化硅玻璃管106以及沉積在該玻璃管內(nèi)的任何外加的玻璃應(yīng)基本上不含"水"。我們指"水"是羥基0H。水是1383納米處或附近的吸收峰的原因所在，該吸收峰會延伸到光纖的工作波長區(qū)域內(nèi)。該吸收峰對光纖衰減會產(chǎn)生有害的影響。因此，希望通過盡可能降低玻璃的OH含量來降低該吸收峰(也稱作水峰)。較好地，玻璃管106的OH含量小于約100重量ppb;更優(yōu)選小于約20重量ppb。為保證在擴散堿金屬氧化物摻雜劑之前的起始玻璃制品基本上不含水，在制造二氧化硅玻璃管過程中可以采用常規(guī)的氯干燥技術(shù)。
再次參見圖5，將堿金屬源化合物110引入玻璃管106中位于儲器108處，并通過熱源114加熱以隨著玻璃管106旋轉(zhuǎn)而形成蒸氣。使氧氣或載氣經(jīng)旋轉(zhuǎn)密封118流入管106的進口 116，對在管106在堿金屬源化合物源化合物110下游的部分120加熱，以促進堿金屬氧化物擴散進入管106的內(nèi)表面122。較好地，在管106內(nèi)不插入任何預(yù)成形部件，如另一個玻璃棒等。應(yīng)將管106在堿金屬氧化物源化合物110下游的部分120加熱至一定溫度，該溫度足以促進堿金屬氧化物源化合物快
速擴散進入表面122中并防止該玻璃的失透。較好地，玻璃管106在堿金屬氧化物源化合物110下游的部分可被熱源124加熱至超過150(TC;更優(yōu)選為1500-2000°C。較好地，熱源124沿玻璃管106的部分120的長度方向移動。堿金屬氧化物源化合物112優(yōu)選包含選自下組的元素K、 Na、 Li、 Cs和Rb。較好地，堿金屬氧化物源化合物110是溴化物、碘化物或氟化物。最優(yōu)選堿金屬氧化物源化合物110是KBr、 KI或KN03。堿金屬氧化物(如1(20， Na20, Li02, Rb20， Cs20以及它們的混合物)坍塌在玻璃管收縮(collapse)之前優(yōu)選擴散到自該玻璃管106的內(nèi)部擴散表面122起有100-500微米的整個深度上。具體地，優(yōu)選管中擴散的堿金屬氧化物摻雜劑濃度(按重量y。計)徑向變化。較好地，對玻璃制品(如玻璃管106)如此摻雜以使在內(nèi)半部分107上的濃度最高，在外半部分109中的濃度較低，如圖5的放大圖所示。在內(nèi)半部分和外半部分之間的劃分點定義為該玻璃管106徑向厚度的一半定義并位于該處(由虛線111表示)。例如，擴散宜使堿金屬摻雜劑在外半部分109中的峰值濃度小于在內(nèi)半部分107中的峰值濃度(按重量%計)的50%。
在此擴散過程之后，可接著進行通過本領(lǐng)域已知的常規(guī)方法(或通過本文所述的干燥方法)進一步加熱管106以促進管106部分收縮的步驟，以同時減小堿金屬氧化物經(jīng)其散失的內(nèi)部表面面積以及使已擴散有堿金屬氧化物的玻璃層厚度增加。
一旦完成擴散摻雜步驟或者管106的任意部分收縮，管122的擴散表面即可任選用適合用于去除二氧化硅玻璃的蝕刻劑來蝕刻至一定深度，該深度足以去除可能擴散通過管的擴散表面122的不希望的雜質(zhì)?？梢允褂美鏗F水溶液作為蝕刻劑。更優(yōu)選，使用氟化物氣體，例如CF4， SF6， NF3， GF6或它們的混合物。從內(nèi)表面122去除的材料量取決于擴散和任意部分管收縮過程的處理條件，但是蝕刻條件優(yōu)選能足以從表面122去除玻璃至堿金屬氧化物總擴散深度的至少約5%的深度。 一旦結(jié)束蝕刻，就用熱源進一步加熱二氧化硅玻璃管106，以使該玻璃管106在堿金屬氧化物源化合物110下游的部分發(fā)生收縮并形成堿金屬氧化物摻雜的實心玻璃棒132。按照本領(lǐng)域已知的常規(guī)方法實現(xiàn)管106的收縮，例如通過用適當(dāng)熱源(如，噴燈)加熱。然后，從含堿金屬源化合物儲器108的玻璃部分切下?lián)诫s堿金屬的實心玻璃棒132。較好地，該摻雜堿金屬氧化物的實心玻璃棒132用適當(dāng)?shù)奈g刻劑進行蝕刻，以除去在玻璃管106收縮過程中通過噴燈形成的部分或全部水合玻璃。如果使用干熱源用于實現(xiàn)收縮，例如，電感加熱器或電阻加熱器，等離子體噴燈，或使用含非氫燃料如CO的干熱源，則蝕刻可能不是必需的。相信使用干熱源進行摻雜和/或收縮步驟能最大程度地使管外部的再潤濕最小，即0H (水)從外部擴散進入
管中量最小，因此進一步降低光纖衰減。干熱源是不會引起任何可觀的0H(水)進
入管的熱源。
應(yīng)理解，當(dāng)收縮時摻雜堿金屬的玻璃棒132的堿金屬氧化物的濃度(與玻璃管106類似)優(yōu)選在徑向變化，并且使相應(yīng)于內(nèi)半部分107的部分具有堿金屬摻雜劑的最高峰值濃度(按重量%計)，而相應(yīng)于外半部分109的部分具有較低峰值濃度。最優(yōu)選，堿金屬摻雜劑的峰值濃度是在該棒的中心處，而在半徑一半處的濃度小于峰值濃度的50%，更優(yōu)選小于25%。
摻雜的玻璃棒132可以在再拉制爐(redraw furnace) 136內(nèi)加熱并拉制成更小直徑的玻璃棒144。這種再拉制工藝示于圖6中。在上面所述的收縮步驟形成的摻雜堿金屬的玻璃棒132上附著玻璃把柄130，將該摻雜堿金屬的玻璃棒132放置在一個移動下饋(downfeed)支承物134中，該支承物在常規(guī)再拉制爐136的上方?？梢栽趽诫s堿金屬的玻璃棒132的底部附著犧牲玻璃棒138，該犧牲玻璃棒通過馬達驅(qū)動的牽引機140拉伸，因此以適當(dāng)?shù)乃俣葼坷瓝诫s堿金屬的玻璃棒132。發(fā)現(xiàn)15-23厘米/分鐘的速度較適當(dāng)，該速度主要根據(jù)由傳感器142測量到的直徑來控制。該拉制過程制成的小直徑玻璃棒144的外直徑尺寸(dl)優(yōu)選在3-10毫米范圍；更優(yōu)選在直徑尺寸上小于6毫米。如果收縮步驟426形成的玻璃棒132的直徑尺寸落在要求的范圍之內(nèi)，則可以使用收縮步驟126形成的玻璃棒132作為玻璃棒144。拉制光纖時，小直徑的玻璃棒144的K20峰值濃度應(yīng)為光纖芯體中所需K20峰值濃度的5-10倍，以抵消在拉制光纖過程中堿金屬摻雜劑的顯著遷移的影響。例如，如果要求光纖芯體中的K20峰值濃度為0. 4重量％，則小直徑玻璃棒144優(yōu)選其K20峰值濃度應(yīng)約為2-4重量％。具體地，這種很小直徑的摻雜堿金屬的玻璃棒具有優(yōu)勢的原因是這樣便使這種玻璃棒中存在的過渡金屬雜質(zhì)集中存在于該玻璃棒非常靠近光纖中心線之處，因而最大程度地減小雜質(zhì)的負面影響。應(yīng)理解，對于向摻雜的覆層中加入大量物質(zhì)的情況而言，光纖中的峰值濃度可能會比小直徑玻璃棒中的峰值濃度小100倍。如方法402的步驟429所示， 一旦按照該方法形成小直徑玻璃棒144，便將其進一步包覆(overclad)。
例如，如圖4所示，可使用摻雜堿金屬的小直徑玻璃棒144作為起始棒，采用本領(lǐng)域中已知的OVD方法在該起始棒上沉積外加的多孔玻璃煙炱162作為包覆，形成組合件160。圖4示出常規(guī)外部氣相沉積方法。如圖4所示，在如前面所述的制造的摻雜堿金屬的小直徑玻璃棒144上附著玻璃把柄154，并使其成為制成的預(yù)
12制件的整體一部分。把柄154在以后的處理步驟中提供對沉積過程制成的二氧化硅
玻璃預(yù)制件的支承方式。將具有附著的把柄154的玻璃棒144安裝在車床中，旋轉(zhuǎn) 該玻璃棒并相對于燃燒器156移動，該燃燒器可以是例如美國專利第4， 165， 223 號中揭示的類型。將燃料氣體和氧氣或空氣從源(未示出)供給燃燒器156。該混合 物燃燒產(chǎn)生從燃燒器156發(fā)射的火焰。二氧化硅前體氣體-蒸氣混合物在火焰中氧 化，形成含二氧化硅的煙炱物流158，將該流導(dǎo)向玻璃棒144。將該氣體-蒸氣混合 物傳送到燃燒器156的適當(dāng)裝置為本領(lǐng)域皆知；例如可參考美國專利第3， 826， 560 號、第4， 148， 621號和第4, 173， 305號所示的裝置。復(fù)合煙炱預(yù)制件160可通過以 下方式形成，使玻璃棒144相對于燃燒器156來回平移多次，構(gòu)筑起多層含二氧化 硅的煙炱層，因而形成煙炱涂層162。該平移運動還可以通過沿旋轉(zhuǎn)玻璃棒144來 回移動燃燒器156來實現(xiàn)，或者通過燃燒器156和玻璃棒144的組合平移運動來實 現(xiàn)。煙炱涂層162形成復(fù)合預(yù)制件160的芯體玻璃的至少一部分，所述預(yù)制件優(yōu)選 由基本純的二氧化硅構(gòu)成。較好地，煙炱涂層的密度大于0.35g/cc，更優(yōu)選約為 0.35-0.5 g/cc。然后，使復(fù)合預(yù)制件160與含氯氣體接觸進行干燥，同時在爐內(nèi) 加熱至約IOO(TC溫度。然后對該預(yù)制件160進行氟摻雜。在氟摻雜步驟中，預(yù)制 件160優(yōu)選通過該預(yù)制件與含氟氣體在適當(dāng)溫度(如約IOO(TC)接觸來摻雜氟，這 樣的溫度適合使煙炱摻雜氟。這樣，形成光纖的外芯體區(qū)。但是，氟摻雜步驟進行 的時間長度僅允許例如能摻雜相對少量的氟(O. 1-0. 4重量%)。然后通過加熱預(yù)制 件160至能使該預(yù)制件固化的適當(dāng)溫度，將該預(yù)制件固化。然后，可以將形成的清 澈玻璃芯體預(yù)制件再拉制，形成二次芯體棒，即，含有由此拉制的光纖芯體的至少 一部分的玻璃棒。然后，該二次玻璃棒通過以下方式添加外加的玻璃來進一步處理 或者套以玻璃管(或玻璃管或煙炱管)，通過化學(xué)氣相沉積來沉積玻璃煙炱，例如通 過既套以套管又化學(xué)沉積，或者通過本領(lǐng)域已知的其他方法，形成可用于拉制成光
纖的完整光纖預(yù)制件。所述外加的玻璃包括芯體玻璃、覆層玻璃，或者芯體和覆層 玻璃兩者。此外，外加的玻璃可通過幾個外加沉積步驟來實現(xiàn)要求的厚度，其中， 在每個步驟后，對煙炱進行干燥，摻雜氟、固化和再拉制成更小直徑的棒。最外的 覆層優(yōu)選是與芯體相鄰的覆層，該覆層是二氧化硅，并且優(yōu)選通過溢流摻雜(flood doping)以充分倒摻雜氟(參見美國專利4， 629， 485)，形成光纖的覆層區(qū)。摻雜宜 足以實現(xiàn)芯體和覆層之間例如大于0. 2%的相對折射率△%，更優(yōu)選為0. 30-0. 40%。 具體地，對于每個通過沉積在二次棒上添加護渠(moat) 二氧化硅(相應(yīng)于光纖覆 層的外加玻璃)的外加步驟，該護渠二氧化硅摻雜以氟。護渠煙炱首先通過與含氯氣體接觸進行干燥，然后與含氟氣體(如SiK或CF》在1225'C接觸60-120分鐘， 之后，優(yōu)選在含氟氣體存在下，以7-10毫米/分鐘速度向下驅(qū)動通過熱區(qū) (1450-150(TC)進行固化。對該預(yù)制件再拉制，形成三次棒，再重復(fù)這些步驟，艮卩， 沉積、干燥、氟摻雜和固化步驟，直到獲得適當(dāng)直徑的最終預(yù)制件。較好地，在覆 層之中的各連續(xù)外加玻璃層中氟的重量%大約相同，更優(yōu)選在最外覆層中略低(低約 0. 1-0. 5重量%)，以最大程度地減小應(yīng)力影響。制成步驟467的完整光纖預(yù)制件后， 將該完成的光纖拉制預(yù)制件拉制成摻雜堿金屬氧化物的光纖。本文所述的每一再拉 制步驟后，所述棒優(yōu)選通過與氘氣氛接觸進行D2處理。氘處理見述于英國專利 2, 149， 392以及美國專利4， 515， 612和4, 504， 297。
制造光纖的其他制造方法披露于美國專利公報第2005/0063663號，其說明書 內(nèi)容是本申請的依托并全文參考結(jié)合于本文中。
在本文揭示的所有實施方式中，光纖優(yōu)選包含包圍覆層的最外直徑并與之直 接接觸的初級涂層，以及包圍初級涂層并與之直接接觸的二次涂層。
對本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，顯而易見的是，可以對本發(fā)明進行各種修改和 變動而不會偏離本發(fā)明的范圍和精神。因此，本發(fā)明意在覆蓋對本發(fā)明的修改 和變動，只要這些修改和變動在權(quán)利要求書和其等同項的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種光纖，包括基于二氧化硅的芯體，所述芯體包含選自下組的堿金屬氧化物K2O、Na2O、LiO2、Rb2O、Cs2O以及它們的混合物，所述芯體中堿金屬氧化物的平均濃度約為50-500重量ppm，所述芯體還包含氯和氟，其中，所述芯體中氟的平均濃度大于所述芯體中所述堿金屬氧化物的平均濃度，所述芯體中氯的平均濃度大于所述芯體中所述堿金屬氧化物的平均濃度；和基于二氧化硅的覆層，該覆層包圍所述芯體并與芯體直接相鄰。
2. 如權(quán)利要求1所述的光纖，其特征在于，所述芯體還基本上不含鍺。
3. 如權(quán)利要求2所述的光纖，其特征在于，所述芯體中所述氯的平均濃度 大于約500重量ppra。
4. 如權(quán)利要求2所述的光纖，其特征在于，所述芯體中所述氟的平均濃度 大于約500重量ppra。
5. 如權(quán)利要求2所述的光纖，其特征在于，所述芯體中所述氯的平均濃度 大于約500重量ppm，所述芯體中所述氟的平均濃度大于約500重量ppm。
6. 如權(quán)利要求2所述的光纖，其特征在于，所述光纖的芯體包含沿芯體的 中心線設(shè)置的第一區(qū)，該區(qū)的最小氯含量小于100 ppm，以及包圍所述第一區(qū) 的第二芯體區(qū)，該第二區(qū)的氯峰值濃度大于500 ppm。
7. 如權(quán)利要求5所述的光纖，其特征在于，所述光纖的芯體包含沿芯體的 中心線設(shè)置的第一區(qū)，該區(qū)的最小氯含量小于100 ppm，以及包圍所述第一區(qū) 的第二芯體區(qū)，該第二區(qū)的氯峰值濃度大于500 ppm。
8. 如權(quán)利要求6所述的光纖，其特征在于，所述第二芯體區(qū)中的氯峰值濃度大于所述第二區(qū)中的氟的峰值濃度。
9. 如權(quán)利要求6所述的光纖，其特征在于，所述光纖在其芯體中包含氯， 其峰值濃度大于約1000叩ra。
10. 如權(quán)利要求6所述的光纖，其特征在于，所述光纖在其芯體中包含氯， 其峰值濃度大于約1500卯m。
11. 如權(quán)利要求2所述的光纖，其特征在于，所述光纖在其芯體中包含氯， 其峰值濃度大于約1500卯m。
12. 如權(quán)利要求ll所述的光纖，其特征在于，所述芯體還包含氟，其峰值f農(nóng)度小于約5000 ppra。
13. 如權(quán)利要求2所述的光纖，其特征在于，所述光纖在1550納米處的衰 減小于0. 18 dB/km。
14. 如權(quán)利要求1所述的光纖，其特征在于，所述光纖在1550納米處的衰 減小于0. 17 dB/km。
15. 如權(quán)利要求6所述的光纖；其特征在于，所述第一區(qū)的外半徑小于2微米。
16. 如權(quán)利要求2所述的光纖，其特征在于，所述覆層中摻雜有氟，氟的 平均濃度大于10000 ppm。
17. 如權(quán)利要求16所述的光纖，其特征在于，所述覆層中摻雜有氯，氯的 量大于500 ppm。
如權(quán)利要求2所述的光纖，其特征在于，所述堿金屬氧化物是1(20。
全文摘要
公開一種光纖，該光纖具有基于二氧化硅的芯體，所述芯體包含選自下組的堿金屬氧化物K₂O、Na₂O、LiO₂、Rb₂O、Cs₂O以及它們的混合物，所述芯體中堿金屬氧化物的平均濃度約為50-500重量ppm，所述芯體還包含氯和氟，其中，所述芯體中氟的平均濃度大于所述芯體中所述堿金屬氧化物的平均濃度，所述芯體中氯的平均濃度大于所述芯體所述堿金屬氧化物的平均濃度；和基于二氧化硅的覆層，該覆層包圍所述芯體并與芯體直接相鄰。通過適當(dāng)選擇在芯體和覆層中的堿金屬氧化物的濃度，可獲得低損耗光纖。
文檔編號G02B6/00GK101495893SQ200780028597
公開日2009年7月29日 申請日期2007年6月15日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月21日
發(fā)明者H·B·馬修斯三世, R·R·赫拉帕孔 申請人:康寧股份有限公司