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(shí)起到重要的作用。這一點(diǎn)在此類放大器占系統(tǒng)的顯著成本并且是影響系統(tǒng)可靠性的主要因素的遠(yuǎn)距離和超遠(yuǎn)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)明內(nèi)容本發(fā)明的一個(gè)寬泛的方面涉及一種包括二氧化硅基芯體和二氧化硅基覆層的光纖，所述芯體包含選自K20，Na20，Li02,Rb20,Cs20及其混合物的堿金屬氧化物，這些堿金屬氧化物在所述芯體中的平均濃度約為50-1000重量ppm,所述二氧化硅基覆層包圍著所述芯體，與所述芯體直接相鄰。所述光纖的光纜截止波長小于1400納米，更優(yōu)選小于1300納米，最優(yōu)選小于1260納米。所述光纖在1550納米處的色散約為13-19ps/nm/km，更優(yōu)選為14-18ps/nm/km。所述光纖的零色散波長約小于1420納米，優(yōu)選約小于1324納米，優(yōu)選其在1310納米處的色散斜率約小于.092ps/nm/km，更優(yōu)選在1310納米處的色散斜率約小于或等于.090ps/nm/km。所述光纖在1550納米處的模場直徑優(yōu)選約大于9.5微米，等效面積約大于70微米2,更優(yōu)選在1550納米處的模場直徑約大于10.0微米，等效面積約大于75微米2。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。所述光纖的芯體優(yōu)選基本不含氧化鍺(germania)，優(yōu)選不含氧化鍺摻雜劑。所述芯體可以包含氟，在一些實(shí)施方式中，所述芯體中氟的平均濃度優(yōu)選大于所述芯體中堿金屬氧化物的平均濃度。所述光纖的芯體以及光纖的覆層還可以包含氯，在一些優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述芯體中氯的平均濃度優(yōu)選大于所述芯體中堿金屬氧化物的平均濃度。本文中所用的平均濃度表示在整個(gè)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重量卯m的K20，則芯體中K20的平均濃度為350ppm。K20是根據(jù)本發(fā)明最優(yōu)選的用于摻雜的堿金屬氧化物。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10000ppm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(gè)優(yōu)選的實(shí)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100ppm;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卯m。還優(yōu)選第一區(qū)域的最大氟含量大于所述第二區(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750ppm，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0.30dB/km，在1550納米處的衰減小于約0.175dB/km;優(yōu)選在1550納米處的衰減小于約0.170dB/km，更優(yōu)選在1550納米處的衰減小于約0.16dB/km。較好地，光纖的芯體和覆層都含有堿金屬氧化物摻雜劑。所述光纖包含至少一個(gè)芯體段；但是這并不重要，所述光纖還可以包含多個(gè)芯體段。所述光纖的芯體優(yōu)選包含小于20ppb的OH。在以下的詳細(xì)描述中提出了本發(fā)明的附加特征和優(yōu)點(diǎn)，其中的部分特征和優(yōu)點(diǎn)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(shí)施包括以下詳細(xì)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(rèn)識。應(yīng)理解，前面的一般性描述和以下的詳細(xì)描述都只是本發(fā)明的示例，用來提供理解要求保護(hù)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(jìn)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(shí)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。圖1是根據(jù)本發(fā)明的一種階躍折射率光纖的折射率分布圖。圖2是根據(jù)本發(fā)明的一種階躍折射率光纖的折射率分布圖。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(glasssoot)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。具體實(shí)施例方式本發(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2w0=(A/;r)[2j7((D)sin①cos①c/a))/J7(①)sin3①cos(DW2(1)式中，2coQ是模場直徑(因此coo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(jìn)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。-等效面積如下Aeff=2兀"E2rdif/(但4rdr)(2)式中，積分限為O至oo，E是與所傳播的光相關(guān)的電場。由于光纜環(huán)境中較高水平的彎曲和機(jī)械壓力，光纜截止波長，或"光纜截止"甚至低于測得的光纖截止波長。實(shí)際的光纜條件可以用EIA-445光纖光學(xué)測試步驟所述的光纜截止測試近似，所述測試步驟是EJA-TIA光纖光學(xué)標(biāo)準(zhǔn)的一部份，即，電子工業(yè)聯(lián)盟-電信工業(yè)聯(lián)盟光纖光學(xué)標(biāo)準(zhǔn)(ElectronicsIndustryAlliance誦TelecommunicationsIndustryAssociationFiberOpticsStandards),通常稱為FOTP。光纜截止測量參見EIA-455-170，通過透射功率測量單模光纖的光纜截止波長(CableCutoffWavelengthofSingle-modeFiberbyTransmittedPower)，或者"FOTP-170"。在本文中，光纜截止表示使用EIA-445光纖光學(xué)測試步驟測得的數(shù)值。通過銷桿陣列(pinarray)彎曲測試比較了波導(dǎo)光纖對彎曲的相對耐受性。為了進(jìn)行該測試，測量了基本沒有彎曲引發(fā)的損耗的波導(dǎo)光纖的衰減損失。然后將所述波導(dǎo)光纖繞銷桿陣列編織，然后再次測量衰減損失。彎曲引發(fā)的損耗是兩種測得的損失之差。所述銷桿陣列是一組十個(gè)圓柱形的銷桿，它們排成一排，在平坦的表面上保持固定的垂直位置。所述銷桿間距(中心與中心之間的距離)為5毫米。所述銷桿的直徑為0.67毫米。使所述波導(dǎo)光纖通過相鄰銷桿的相對側(cè)。在測試過程中，所述波導(dǎo)光纖設(shè)置在一定的拉伸作用之下，所述拉伸作用剛好足以使得波導(dǎo)順應(yīng)銷桿的一部份周長。本文參考的另一種彎曲測試是側(cè)向負(fù)荷金屬絲網(wǎng)彎曲測試(LLWM)。在此測試中，將指定長度的波導(dǎo)光纖放置在兩塊平板之間。將70號金屬絲網(wǎng)連接到其中一塊板上。(市售的70號絲網(wǎng)表示由直徑0.178毫米的金屬絲制成的篩網(wǎng)。所述篩網(wǎng)的開孔是邊長為0.185毫米的正方形。)將已知長度的波導(dǎo)光纖夾在所述板之間，用30牛的力將所述板壓在一起的同時(shí)，測量參比衰減。然后對板施加70牛的力，然后測量衰減的增大，單位為dB/m。所述衰減的增大是波導(dǎo)的橫向負(fù)荷衰減。_相對折射率A由等式A,=(2-n/)/2ni2定義，式中，是該折射率分布段i的最大折射率，n。是外部覆層的折射率。相對折射率一般表示為百分率，并且在本文中以術(shù)語。/。A表示。除非另外說明，。/。A表示折射率分布圖的特定段相對于外部覆層折射率的最大相對折射率。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。/。A與半徑之間的關(guān)系。術(shù)語ct分布指遵照以下等式的芯體折射率分布，n(r)=n"l-[r/a〗a)(3)式中，r是芯體半徑，a是該分布中的末點(diǎn)，在該分布的首點(diǎn)選擇r為零，no是關(guān)注的芯體區(qū)域的最大折射率，a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，梯形折射率和圓化的階躍折射率(roundedstepindex),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(kuò)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(gè)或多個(gè)段。單獨(dú)芯體段的折射率可大于純的二氧化硅、等于純的二氧化硅或小于純的二氧化硅的折射率。除非另外說明，"ppm"指每百萬的重量份，或"重量卯m"，按照重量％的測量值乘以10,000的因子可轉(zhuǎn)化為ppm。如圖1和圖2所示，在優(yōu)選的實(shí)施方式中，本文所揭示的光纖優(yōu)選包括芯體和包圍所述芯體的覆層。較佳的是，所述覆層包圍芯體，并且與芯體直接相鄰。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(shí)施方式中，芯體包括單一的芯體段，即中心芯體段14，覆層16包圍該中心芯體段并與之直接相鄰，如圖1以及圖1的說明性分布的變體——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(shí)施方式中，芯體包括多個(gè)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(fù)的，優(yōu)選正的相對折射率A,%(r)，第一環(huán)形芯體段的純二氧化硅相對于覆層具有非負(fù)的，優(yōu)選正的相對折射率AW(r)。在圖1和圖2所示的實(shí)施方式中，所述芯體段14優(yōu)選延伸至與光纖中心相距約2-8微米，更優(yōu)選3-6微米，最優(yōu)選3.5-4.5微米的距離，包覆部分16從芯體的外半徑延伸至光纖的最外半徑。如圖1和2所示，優(yōu)選的實(shí)施方式至少采用一個(gè)第一芯體區(qū)域14A和一個(gè)包覆區(qū)域16，所述芯體區(qū)域14A具有折射率A,，所述包覆區(qū)域16具有低于A,的折射率A2。在整個(gè)芯體段14上的平均折射率優(yōu)選約為0.25-0.45,更優(yōu)選約為0.3-0.4。區(qū)域14A的A,優(yōu)選值約為0.25-0.45,更優(yōu)選約為0.30-0.35。區(qū)域14A可以在與光纖的中線橫切的方向上具有連續(xù)的斜率，或者芯體區(qū)域14可以任選地包括區(qū)8域14B，如果采用區(qū)域14B，則優(yōu)選其具有大于A,的A()。如果沿光纖的中線采用芯體區(qū)14B,則芯體區(qū)14B的折射率A。的峰值優(yōu)選約為0.25-0,60,更優(yōu)選約為0.36-0.46,如果使用芯體區(qū)14B，則優(yōu)選其峰值折射率高于芯體區(qū)14A的折射率。因此，在優(yōu)選的實(shí)施方式中，芯體段14沿光纖中線的折射率高于芯體區(qū)14最外部分附近的折射率。作為附加或者替代的情況，還可采用覆層16的近覆層區(qū)16B,其折射率不同于外覆層區(qū)16A的折射率。如圖2所示，近覆層區(qū)16B的折射率A3可以大于、等于或小于外覆層16A的折射率。在一些優(yōu)選的實(shí)施方式中，近覆層區(qū)16B的折射率A3小于外覆層16A的折射率。如果使用近覆層區(qū)16B,該區(qū)的折射率A3優(yōu)選約為-0.1至O.l,更優(yōu)選約為-0.03至0.03。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(在此情況下為K20)，這些堿金屬氧化物在所述芯體中的平均濃度約為50-1000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。所述光纖還可包括氟摻雜的二氧化硅基覆層，所述覆層包圍所述芯體，在一些優(yōu)選的實(shí)施方式中與芯體直接相鄰。在一些優(yōu)選的實(shí)施方式中，芯體區(qū)包括沿芯體中線設(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100ppm，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)中的平均氯濃度可以大于500卯m，更優(yōu)選大于750ppm，甚至更優(yōu)選大于1000ppm，最優(yōu)選大于1500ppm。芯體區(qū)中氯的峰值濃度優(yōu)選大于500卯m，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，而包圍第一區(qū)的第二芯體區(qū)或即外芯體區(qū)中的平均氟濃度同樣優(yōu)選大于500ppm，更優(yōu)選大于750卯m，最優(yōu)選大于1000ppm。在整個(gè)芯體區(qū)上的平均氟濃度優(yōu)選大于500卯m，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(shí)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9氟的峰值濃度，盡管這之間的關(guān)系并不嚴(yán)格。較好地，在芯體區(qū)中氯和氟兩者的平均濃度都大于約500ppm，更優(yōu)選大于約750ppm，最優(yōu)選大于約1000ppm。在一些優(yōu)選的實(shí)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直接相鄰的覆層，其中，所述覆層具有相對于純二氧化硅為負(fù)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20-700ppm，優(yōu)選為50-500ppm，甚至更優(yōu)選為100-400ppm。所述光纖的芯體區(qū)14A包含峰值相對折射率(相對于覆層)AMAx，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％的Si02。根據(jù)本發(fā)明的這些光纖的例子列于表1,表中列出了根據(jù)本發(fā)明各個(gè)實(shí)施例的內(nèi)芯體段14B的折射率A(),芯體段14的平均折射率(A平均)，外芯體段14B的平均折射率芯體段14的外半徑(半徑1)，以及近覆層段16B的折射率么2和半徑(半徑2)。在所有的實(shí)施例中，在芯體中不使用鍺，覆層包含氟摻雜的二氧化硅。因此，各個(gè)段的折射率相對于氟摻雜的外覆層區(qū)得到。表1還顯示了各個(gè)實(shí)施例中的1310納米的色散，1310納米色散斜率，零色散波長，1550納米色散，1550納米色散斜率，光纜截止波長,1310納米和1550納米的模場直徑，1550納米的等效面積，1550納米的銷桿陣列彎曲損耗，1550納米的橫向負(fù)荷彎曲損耗(LLWM)。表1中的實(shí)施例1對應(yīng)于圖1中所示的實(shí)施例。拉制了1350千米的圖l所示的光纖并進(jìn)行了測試。所述光纖在1550納米的平均衰減為0.169dB/km,最小衰減值為0.162dB/km，1310納米的平均衰減為0.285dB/km，1310納米的最小衰減值為0.275dB/km。實(shí)施例3和7對應(yīng)于圖2中的曲線18和20。表1<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>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沿光纖半徑徑向變化，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。在圖1和圖2所示的實(shí)施方式中，折射率分布10具有單一的芯體段，其被覆層段16所包圍。較好地，堿金屬氧化物濃度隨半徑而變化。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M可具有圓化、a或三角形形狀。本發(fā)明的光纖優(yōu)選在其芯休中基本上不包含鍺。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(shí)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。在本文中揭示的光纖覆層中降低折射率的優(yōu)選摻雜劑是氟。在一個(gè)根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式中，對光纖(例如圖1和2所示的那些)的折射率分布進(jìn)行了調(diào)配，得到了單模光纖，優(yōu)選其具有以下特性零色散波長^小于1420納米，更優(yōu)選小于1324納米，最優(yōu)選約為1280-1324納米，零色散斜率S。約小于0.09ps/nm2/km，1550納米處的色散斜率約小于0.07ps/nm2/km,更優(yōu)選約小于0.065ps/nm2/km,最優(yōu)選約小于0.06ps/nm2/km，在1550納米處的總色散約為13-19ps/nm/km,更優(yōu)選在1550納米處的總色散約為14-18ps/nm/km。但是，可以采用其他折射率分布同樣實(shí)現(xiàn)這些性質(zhì)。較佳的是，所述光纖的光纜截止波長約小于1300納米，更優(yōu)選約小于1260納米。較好地，該光纖在1550納米處的等效面積大于約704m2，更優(yōu)選大于約75nm2。光纖的芯體直徑優(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9.5微米，更優(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0.30dB/km，在1550納米處衰減小于約0.18dB/km;更優(yōu)選在1550納米處衰減小于約0.17dB/km，最優(yōu)選在1550納米處衰減小于約0.16dB/km。在本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，例如實(shí)施例9-12所示，本發(fā)明的光纖在1550納米的衰減小于0.18dB/km，更優(yōu)選小于0.17dB/km，在1550納米的色散/衰減大于80,更優(yōu)選大于90。在一些優(yōu)選的實(shí)施方式中，在1550納米的色散/衰減約為80-110,更優(yōu)選為80-100。在這些實(shí)施方式中，光纖的色散優(yōu)選小于18ps/nm/km,更優(yōu)選小于17ps/nm/km,最優(yōu)選小于16ps/nm/km。在拉制過程期間宜有效控制堿金屬氧化物的擴(kuò)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(gè)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)系擴(kuò)散。由于堿金屬氧化物摻雜劑的擴(kuò)散部分地取決于進(jìn)行摻雜的玻璃的溫度、以及玻璃保持在該溫度的時(shí)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(kuò)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(shí)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(shí)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(kuò)散開去的距離。這能使較少的堿金屬氧化物擴(kuò)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(huì)增加停留時(shí)間，因此可以導(dǎo)致光纖芯體中的堿金屬氧化物濃度因?yàn)閴A金屬氧化物進(jìn)一步擴(kuò)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(kuò)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(kuò)散，并由此控制制成的光纖內(nèi)堿金屬氧化物的分布。圖3所示是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的第一種方法402，該方法是通過將堿金屬氧化物擴(kuò)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4和圖5，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(jìn)行干燥(步驟403)。然后，通過13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(shí)間對煙炱摻雜氟(步驟405)，所述溫度和時(shí)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110(TC的溫度進(jìn)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(jìn)行低氟濃度摻雜，即例如0.1-0.4重量％氟。然后對制成的摻雜氟(還可能有氯)的煙炱管進(jìn)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(jìn)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(gè)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)形的用于接受堿金屬源化合物110的儲(chǔ)器108，或者以其他方式將儲(chǔ)器焊到管上。也可以使用其他類型的儲(chǔ)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^ptical1oss)。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"。"水"是指羥基0H。水是1383納米處或附近出現(xiàn)吸收峰的原因所在，該吸收峰會(huì)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(huì)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(kuò)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(chǔ)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)密封件118流入管106的進(jìn)口116，對管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(jìn)堿金屬氧化物擴(kuò)散進(jìn)入管106的內(nèi)表面122。較好地，管106內(nèi)不插入任何預(yù)成形部件，如另一個(gè)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(jìn)堿金屬氧化物源化合物快速擴(kuò)散進(jìn)入表面122中并防止該玻璃的失透作用。較好地，玻璃管106在堿金屬氧化物源化合物110下游14的部分120可被熱源124加熱至超過150(TC;更優(yōu)選約為1500-2000°C。較好地，熱源124沿玻璃管106的所述部分120的長度方向平移。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IIO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K20,Na20，Li02，Rb20,CS20以及它們的混合物)優(yōu)選擴(kuò)散到自玻璃管106的內(nèi)部擴(kuò)散表面122起約100-500微米的整個(gè)深度上，然后玻璃管106收縮，從而形成堿金屬氧化物摻雜的玻璃管。具體地，優(yōu)選管中擴(kuò)散的堿金屬氧化物摻雜劑濃度(按重量。/。計(jì))沿徑向變化。較好地，對玻璃制品(如玻璃管106)如此摻雜使得在內(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6的放大圖所示。在內(nèi)半部分和外半部分之間的劃分點(diǎn)定義為該玻璃管106徑向厚度的一半并位于該位置(由虛線111表示)。例如，擴(kuò)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(jì))的50%。在此擴(kuò)散過程之后，可接著進(jìn)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(jìn)一步加熱管106以促進(jìn)管106部分收縮的步驟，以同時(shí)減小堿金屬氧化物經(jīng)其散失的內(nèi)表面面積以及增加已擴(kuò)散有堿金屬氧化物的玻璃層厚度。一旦完成擴(kuò)散摻雜步驟或者管106的任意部分收縮，管的擴(kuò)散表面122即可任選用適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(kuò)散通過管的擴(kuò)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，C2Fe或它們的混合物。從內(nèi)表面122去除的材料量取決于擴(kuò)散和任意部分管收縮過程的處理?xiàng)l件，但是蝕刻條件優(yōu)選應(yīng)足以從表面122去除玻璃至堿金屬氧化物總擴(kuò)散深度的至少約5%的深度。一旦結(jié)束蝕刻，用熱源進(jìn)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(shí)心玻璃棒132。按照本領(lǐng)域已知的常規(guī)方法實(shí)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(chǔ)器108的玻璃部分切下?lián)诫s堿金屬的實(shí)心玻璃棒132。較好地，該摻雜堿金屬氧化物的實(shí)心玻璃棒132用適當(dāng)?shù)奈g刻劑迸行蝕刻，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。如果使用干熱源來實(shí)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(jìn)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OH(水)從外部擴(kuò)散進(jìn)入管中的量最小，因此進(jìn)一步降低光纖衰減。干熱源是不會(huì)引起任何可觀的OH(水)進(jìn)入管的熱源。應(yīng)理解，收縮時(shí)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)選沿徑向變化，并且使對應(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(jì))，而對應(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(redrawfurnace)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放置在位于常規(guī)再拉制爐136上方的一個(gè)移動(dòng)下饋(downfeed)支承物134中?？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(dá)驅(qū)動(dòng)的牽引機(jī)140拉伸，從而以適當(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)選直徑尺寸小于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(shí)，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％，則優(yōu)選小直徑玻璃棒144中的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?？拷饫w中心線之處，因而最大程度地減小雜質(zhì)的負(fù)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(huì)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(jìn)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)制件整體的一部分。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，使該玻璃棒旋轉(zhuǎn)并相對于燃燒器156平移，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(yùn)動(dòng)還可以通過沿旋轉(zhuǎn)玻璃棒144來回移動(dòng)燃燒器156來實(shí)現(xiàn)，或者通過燃燒器156和玻璃棒144的組合平移運(yùn)動(dòng)來實(shí)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0.35-0.5g/cc。然后，爐內(nèi)加熱至約IOO(TC的溫度的同時(shí)，使復(fù)合預(yù)制件160與含氯氣體接觸進(jìn)行干燥。然后對該預(yù)制件160進(jìn)行氟摻雜。在氟摻雜步驟中，優(yōu)選通過使該預(yù)制件與含氟氣體在適當(dāng)溫度(如約IOO(TC)接觸來對預(yù)制件160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(jìn)行的時(shí)間長度僅允許例如能摻雜相對少量的氟(0.1-0.4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，使該預(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(jìn)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(gè)外加沉積步驟來實(shí)現(xiàn)要求的厚度，其中，在每個(gè)步驟后，對煙炱進(jìn)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)選與芯體相鄰的覆層，是二氧化硅，優(yōu)選通過溢流摻雜(flooddoping)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(shí)現(xiàn)芯體和覆層之間例如大于0.2%的相對折射率A。/。，更優(yōu)選為0.30-0.40%。具體地，對于每個(gè)通過沉積在二次棒上添加護(hù)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(hù)渠二氧化硅摻雜氟。護(hù)渠煙炱首先通過與含氯氣體接觸進(jìn)行干燥，然后與含氟氣體(如SiF4或CF4)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(dòng)通過加熱區(qū)(1450-15(XTC)進(jìn)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，即，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％)，以使應(yīng)力影響最小。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。制造光纖的其他制造方法披露于美國專利公報(bào)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(shí)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(jìn)行各種修改和變動(dòng)而不會(huì)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(dòng)，只要這些修改和變動(dòng)在權(quán)利要求書和其等同項(xiàng)的范圍之內(nèi)。權(quán)利要求1.一種光纖，其包括二氧化硅基芯體，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，這些堿金屬氧化物在所述芯體中的平均濃度約為50-1000重量ppm，以及二氧化硅基覆層，所述覆層包圍所述芯體并與該芯體直接鄰接，所述光纖的光纜截止小于1400納米，在1550納米處的色散約為13-19ps/nm/km，零色散波長約小于1420納米。2.如權(quán)利要求l所述的光纖，其特征在于，所述光纖的光纜截止波長約小于1300納米。3.如權(quán)利要求1所述的光纖，其特征在于，所述光纖在1550納米處的等效面積約大于70微米2。4.如權(quán)利要求1所述的光纖，其特征在于，所述光纖在1550納米處的色散斜率約小于0.065ps/nm2/km。5.如權(quán)利要求l所述的光纖，其特征在于，所述芯體還包含平均含量約大于500重量ppm的氟。6.如權(quán)利要求l所述的光纖，其特征在于，所述芯體還包含在所述芯體中的平均濃度約大于500重量ppm的氯。7.如權(quán)利要求l所述的光纖，其特征在于，相對于外覆層，所述芯體的折射率分布的峰值相對折射率Amax大于0.3%。8.如權(quán)利要求1所述的光纖，其特征在于，所述芯體還包含氯和氟，所述芯體中氟的平均濃度大于該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大于該芯體中堿金屬氧化物的平均濃度。9.如權(quán)利要求l所述的光纖，其特征在于，所述芯體還基本上不含鍺。10.如權(quán)利要求l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。11.如權(quán)利要求1所述的光纖，其特征在于，所述光纖的芯體包括沿芯體的中心線設(shè)置的第一區(qū)，該區(qū)具有小于100ppm的最小氯含量；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卯m。12.如權(quán)利要求l所述的光纖，其特征在于，所述光纖在1550納米處的衰減小于0.18dB/km。13.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0.17dB/km。14.如權(quán)利要求1所述的光纖，其特征在于，所述第一區(qū)的外半徑大于3微米且小于5微米。15.如權(quán)利要求1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10000ppm。16.如權(quán)利要求1所述的光纖，其特征在于，所述覆層中摻雜有氯，氯的量大于500ppm。17.如權(quán)利要求i所述的光纖，其特征在于，所述堿金屬氧化物是K20。18.如權(quán)利要求l所述的光纖，其特征在于，所述光纖的零色散波長約大于1300納米。19.如權(quán)利要求l所述的光纖，其特征在于，所述光纖在1550納米處的衰減小于0.18dB/km,在1550納米處的色散/衰減約為80至106。20.如權(quán)利要求19所述的光纖，其特征在于，所述光纖在1550納米處的色散小于16ps/nm/km。全文摘要本發(fā)明揭示了一種光纖，其包括二氧化硅基芯體和二氧化硅基覆層，所述芯體包含選自以下的堿金屬氧化物K₂O，Na₂O，LiO₂，Rb₂O，Cs₂O以及它們的混合物，所述堿金屬氧化物在所述芯體中的平均濃度約為50-1000重量ppm，所述覆層包圍所述芯體，并且與芯體直接相鄰，所述光纖的光纜截止小于1400納米，在1550納米處的色散約為13-19ps/nm/km，零色散波長約小于1324nm。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G02B6/02GK101506703SQ200780031211公開日2009年8月12日申請日期2007年8月15日優(yōu)先權(quán)日2006年8月24日發(fā)明者S·K·米斯拉,S·R·別克漢姆申請人:康寧股份有限公司