CN100545113C - 含碱金属氧化物的光纤及制造该光纤的方法和设备 - Google Patents
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Abstract
公开一种具有芯的光纤，该芯的碱金属氧化物掺杂剂峰值浓度大于约0.002重量%，但小于约0.1重量%。碱金属氧化物浓度随光纤半径变化。通过适当选择芯和包层中的碱金属氧化物掺杂剂氧化硅的浓度，能获得低损失的光纤。还公开几种制造光纤的方法，包括形成掺杂碱金属氧化物的棒并加入附加的玻璃，形成拉丝预制件的步骤。较好地，拉丝预制件具有最终外部尺寸(d2)，棒的外部尺寸(d1)小于或等于最终外部尺寸的0.06倍。在优选的实施方式中，将掺杂碱金属氧化物的棒插入预制件的中心线孔，形成组合件。
Description
相关申请的交叉参考
本申请要求在35U.S.C.§119(e)下享有2003年8月29日提交的美国临时申请No.60/498901和2003年12月10日提交的美国临时申请No.60/528,639的优先权，所述申请通过引用结合在此。
发明领域
本发明涉及掺杂了碱金属氧化物的光纤及制造这种光纤的方法和设备。
背景技术
光纤受到的主要限制是衰减。例如光纤损失在设定光纤放大器之间的限定距离方面起到重要作用。这一点对于长距离和超长距离网络特别重要，例如，海面下应用，这种放大器占用了相当大的系统成本，并且是影响系统可靠性的一个主要因素。因此，对将衰减降低到可能的最低水平是商业上密切关注的。
发明概述
本发明一个大方面涉及有芯和包层的光纤，该芯包含选自以下的碱金属氧化物：K2O、Na2O、Li2O、Rb2O、Cs2O，以及它们的混合物，碱金属氧化物的峰值浓度大于约0.001重量％但小于约1重量％；该包层包含其峰值浓度小于纤芯的峰值浓度但大于约0.0005重量％的碱金属氧化物；光纤中碱金属氧化物的浓度随光纤半径变化。碱金属氧化物掺杂剂浓度宜随从光纤中心线的半径增加而减小。采用本文揭示的碱金属氧化物掺杂方法，制成的光纤具有在1310nm的衰减小于约0.30dB/km，在1550nm小于约0.18dB/km；较好在1550nm小于约0.17dB/km，更好在1550nm小于约0.16dB/km。
较好地，光纤的芯和包层都含有碱金属氧化物掺杂剂。光纤的包层玻璃可包含氟(F)。光纤有至少一个芯环段(core segment)；某些优选实施方式中，光纤包含多个芯环段。碱金属氧化物在等于光纤模场半径的半径上的浓度宜至少为约0.001重量％。
本发明提出一种具有含碱金属氧化物的芯的光纤，所述碱金属氧化物选自K2O、Na2O、Li2O、Rb2O、Cs2O，以及它们的混合物，所述芯含有小于20ppb的OH。
根据本发明实施方式的另一方面，提出一种具有芯和包层的光纤，该芯包含选自Rb2O、Cs2O以及它们的混合物的碱金属氧化物，碱金属氧化物的峰值浓度大于约0.001重量％但小于约1重量％；该包层包含其峰值浓度小于芯的峰值浓度但大于约0.0005重量％的碱金属氧化物；光纤中碱金属氧化物的浓度随光纤半径变化。
根据本发明实施方式的另一方面，提出一种具有芯和包层的光纤，该芯包含其峰值浓度大于约0.001重量％但小于约1重量％的Rb2O；该包层包含其峰值浓度小于芯的峰值浓度但大于约0.0005重量％的Rb2O；光纤中碱金属氧化物的浓度随光纤半径变化。
根据本发明另一个大的方面，提供一种包含芯的光纤，该芯包含GeO2和选自K2O、Na2O、Li2O、Rb2O、Cs2O以及它们的混合物的碱金属氧化物；对光纤的折射率进行选择，提供在约1550nm大于约1ps/mn/km的总色散(dispersion)，在1550nm小于约0.10ps/nm2/km的色散斜率(dispersion slope)。较好地，光纤在1550nm的总色散大于约6ps/nm/km。较好地，光纤在1550nm的衰减小于约0.18dB/km；更好地在1550nm小于约0.17dB/km。较好地，以至少10m/s拉丝(draw)速度拉制光纤。
根据本发明的另一个方面，本文揭示的光纤包含：二氧化硅基芯和包围芯并与其直接相邻的二氧化硅基包层，该芯包含选自氧化锗(germania)、氟以及它们的混合物的第一掺杂剂，以及选自K2O、Na2O、Li2O、Rb2O、Cs2O以及它们的混合物的碱金属氧化物，其峰值浓度为20-1000ppm；其中，在1550nm的衰减小于0.185dB/km，较好小于0.18dB/km，更好小于0.17dB/km。在某些优选实施方式中，在1550nm的衰减小于或等于0.167dB/km。在优选的实施方式中，芯中的碱金属氧化物浓度随光纤半径而下降。较好地，芯中碱金属氧化物的峰值浓度大于约0.002重量％但小于约0.07重量％。在优选的实施方式中，在等于光纤模场半径的半径上的碱金属氧化物浓度至少约为0.0001重量％。在某些实施方式中，所述芯包含GeO2，其它实施方式中，芯不含GeO2。在某些实施方式中，所述芯包含一个芯环段。在其它实施方式中，芯包含多个芯环段。在某些优选实施方式中，包层包含F，特别在芯不含氧化锗的在某些实施方式中。在优选实施方式中，芯中碱金属氧化物的峰值量大于约0.002重量％但小于约0.05重量％。在不同的实施方式中，光纤外密封涂层；在特定实施方式中，第一掺杂剂是氧化锗，即光纤是掺杂氧化锗的，光纤还包含外密封涂层。在某些优选实施方式中，光纤是单模纤维，例如在1550nm单模式(single-moded)；其它优选实施方式中，光纤是多模纤维，较好是具有渐变折射率分布(profile)的纤维。某些优选实施方式是非零色散位移的光纤，其色散在1550nm为1-6ps/nm-km，其它实施方式的色散在1550nm为6-15ps/nm-km。
根据本发明的又一个方面，在此揭示的光纤包含：芯和包覆该芯的包层，所述芯包含GeO2和选自K2O、Na2O、Li2O、Rb2O、Cs2O以及它们的混合物的碱金属氧化物，其中，选择光纤的折射率分布，以提供在1550nm大于约1ps/nm/km的总色散，以及在零色散波长小于约0.10ps/nm2/km的色散斜率。在优选实施方式中，在1550nm的总色散大于约6ps/nm2/km。较好地，在1550nm的衰减小于约0.18dB/km，更好小于约0.17dB/km。
本发明另一个大方面，在此揭示的光纤包含：芯和包围芯并与其直接相邻的包层，所述芯包含选自Rb2O、Cs2O以及它们的混合物的碱金属氧化物，其峰值浓度大于约0.001重量％但小于约1重量％。
本发明又一个大方面，在此揭示的光纤包含：芯和包围芯并与其直接相邻的包层，所述芯包含Rb2O，其峰值浓度大于约0.001重量％但小于约1重量％。
本发明另一个大方面，在此揭示的光纤包含：二氧化硅基芯和包围芯并与其直接相邻的二氧化硅基包层，所述芯包含选自氧化锗、氟以及它们的混合物的第一掺杂剂，以及选自K2O、Na2O、Li2O、Rb2O、Cs2O和它们的混合物的碱金属氧化物，其峰值浓度为20-1000ppm；所述芯的折射率分布中有一相对折射率峰，ΔMAX，比包层大0.2％。较好地，光纤在1550nm的衰减小于0.185dB/km，更好小于0.18dB/km，最好小于或等于0.17dB/km。在某些优选实施方式中，在1550nm的衰减小于或等于0.167dB/km。在某些优选实施方式中，纤维是多模纤维，芯包含至少70重量％SiO2。在其它优选实施方式中，芯包含至少80重量％SiO2。在另一些实施方式中，芯包含至少90重量％SiO2。较好地，光纤是单模纤维，芯包含至少90重量％SiO2。较好地，芯还包含峰值浓度小于3000ppm的氯。较好地，碱金属氧化物的峰值浓度小于700ppm。较好地，碱金属氧化物的平均浓度小于350ppm。在某些优选实施方式中，碱金属氧化物的峰值浓度小于500ppm，即碱金属氧化物的峰值浓度为20-500ppm。在优选实施方式中，碱金属氧化物是K2O。在第一组优选实施方式中，第一掺杂剂是氧化锗，碱金属氧化物的峰值浓度为30-300ppm，较好为30-150ppm。芯较好还包含峰值浓度小于3000ppm的氯。较好地，芯的最大氯浓度小于0.2重量％。在某些优选实施方式中，包层包含选自K2O、Na2O、Li2O、Rb2O、Cs2O以及它们的混合物的碱金属氧化物，其峰值浓度小于100ppm。在第二组优选实施方式中，第一掺杂剂是氟，碱金属氧化物的峰值浓度为200-500ppm，在某些优选实施方式中为100-300ppm。较好地，芯的氟浓度大于0.02重量％，更优选芯在中心线的氟浓度大于0.02重量％。较好地，芯的氟浓度大于0.15重量％。优选芯的最大氟浓度为0.5-1.5重量％。在第二组特别优选的实施方式中，芯基本上不含氧化锗，较好的不含氧化锗。较好地，包层的最小氟浓度至少为1.0重量％。在优选实施方式中，碱金属氧化物是K2O。在某些实施方式中，芯还包含其峰值浓度小于500ppm的氯。较好地，包层包含选自K2O、Na2O、Li2O、Rb2O、Cs2O以及它们的混合物的碱金属氧化物，其峰值浓度小于100ppm。
并且揭示一种光纤预制件，该预制件具有主要由固体玻璃组成的中心部分，该中心部分被包含玻璃炱的外层部分包覆，中心部分含有选自K2O、Na2O、Li2O、Rb2O、Cs2O以及它们的混合物的碱金属氧化物。较好地，碱金属氧化物选自K2O和Rb2O。较好地，中心部分还含有GeO2。外层部分宜包含GeO2。中心部分宜含有小于20ppb的OH。
本发明的又一个大方面，揭示一种制造光纤的方法，该方法包括：形成包含选自K2O、Na2O、Li2O、Rb2O、Cs2O以及它们的混合物的碱金属氧化物的第一玻璃棒，将该第一玻璃棒插入光纤预制件的中心孔中，形成复合预制组合件。在一个优选实施方式中，玻璃棒包含GeO2。较好地，光纤预制件包含GeO2。在光纤预制件制造过程的各点，所述光纤预制件宜包含玻璃炱。
本发明又一个大方面涉及制造光纤的方法，该方法包括：提供包含选自K2O、Na2O、Li2O、Rb2O、Cs2O以及它们的混合物的碱金属氧化物的光纤预制件，将该光纤预制件拉制成光纤，对拉丝速度和拉伸张力(draw tension)进行选择来控制光纤中碱金属氧化物的浓度，该浓度随半径变化。
本发明另一个大的方面提供制造光纤的方法，该方法包括以下步骤：提供包含选自K2O、Na2O、Li2O、Rb2O、Cs2O以及它们的混合物的碱金属氧化物的光纤预制件，在能有效获得光纤预制件中随半径变化的预定碱金属氧化物浓度的温度下热处理光纤预制件一定的时间。较好地，该方法包括热处理光纤预制件至少约6小时。优选地，在至少1000℃对光纤预制件进行热处理。较好地，光纤预制件的包层玻璃包含F。
根据本发明另一个大的方面，提供制造光纤的方法，该方法包括以下步骤：提供有外尺寸(d1)并用选自K2O、Na2O、Li2O、Rb2O、Cs2O以及它们的混合物的碱金属氧化物掺杂的玻璃制品；在该玻璃制品中添加另一种玻璃，形成具有最后外尺寸(d2)的最后的固结拉丝预制件，其中外尺寸(d1)小于或等于最后外尺寸(d2)的0.06倍，从而将碱金属氧化物集中在最后的固结拉丝预制件的中心附近。
根据本发明又一个大的方面，提供制造光纤的方法，该方法包括以下步骤：将含二氧化硅炱沉积在一个旋转心轴上，形成含二氧化硅炱的管，首先用含氯气体干燥该含二氧化硅炱的管，然后用含氟气体干燥该含二氧化硅炱的管，固结该二氧化硅炱的管，形成玻璃管，用选自K2O、Na2O、Li2O、Rb2O、Cs2O以及它们的混合物的碱金属氧化物对该玻璃管或由该玻璃管形成的中间制品进行掺杂；烧缩(collapsing)该玻璃管或中间制品，形成掺杂碱金属的棒，以及在掺杂碱金属的棒上添加另一种含二氧化硅玻璃。
根据本发明又一个大的方面，提供制造光纤的方法，该方法包括以下步骤：将含二氧化硅炱沉积在一个旋转心轴上，形成含二氧化硅炱的管，首先用含氯气体干燥该含二氧化硅炱的管，然后用含氟气体干燥该含二氧化硅炱的管，固结该二氧化硅炱的管，形成玻璃管，用选自K2O、Na2O、Li2O、Rb2O、Cs2O以及它们的混合物的碱金属氧化物对该玻璃管或由该玻璃管形成的中间制品进行掺杂；烧缩该玻璃管或中间制品，形成掺杂碱金属的棒，将掺杂碱金属的棒插入含二氧化硅炱的管，形成由含掺杂碱金属棒形成的芯棒和含二氧化硅炱的管，在该芯棒上添加掺杂氟的二氧化硅，固结掺杂氟的二氧化硅，形成最后的拉丝预制件。
此外，根据本发明另一个大的方面，提供制造光纤的方法，该方法包括以下步骤：将掺杂锗的二氧化硅炱沉积在一个旋转心轴上形成掺杂锗的二氧化硅炱的管，用含氯气体干燥该掺杂锗的二氧化硅炱的管，再用含氟气体干燥该含二氧化硅炱的管，固结掺杂锗的二氧化硅炱的管形成玻璃管，用选自K2O、Na2O、Li2O、Rb2O、Cs2O以及它们的混合物的碱金属氧化物对该玻璃管或由该玻璃管形成的中间制品进行掺杂；由该玻璃管或中间制品形成掺杂碱金属的棒，将棒插入含二氧化硅炱的管，该含二氧化硅炱的管包含掺杂锗的二氧化硅炱的内环部分和基本没有掺杂二氧化硅的炱的外环部分。
根据本发明另一个大的方面，提供制造光纤的方法，该方法包括以下步骤：将含二氧化硅炱沉积在一个旋转心轴上形成含二氧化硅炱的管，用含氯气体干燥该含二氧化硅炱的管，然后用含氟气体干燥该含二氧化硅炱的管，固结该二氧化硅炱的管，形成玻璃管，用选自K2O、Na2O、Li2O、Rb2O、Cs2O以及它们的混合物的碱金属氧化物对该玻璃管或由该玻璃管形成的中间制品进行掺杂，形成掺杂碱金属的制品，其中碱金属氧化物以约20-1000ppm量掺杂。
根据本发明另一个大的方面，提供一种扩散掺杂设备，该设备包括一个机架，放置成相对该机架旋转的玻璃管，连接到玻璃管的掺杂剂源，以及靠近玻璃管安装的感应加热器。
下面详细说明了本发明的其它特征和优点，由这些说明，这些特征和优点对本领域技术人员而言，部分是显而易见的，或者通过按本文所述，包括下面的详细说明、权利要求书以及附图实施本发明来认识到这些特征和优点。
应理解，前面的概述和下面的详细描述提供本发明的实施方式，旨在提供理解所要求的本发明的性质和特性的综述或框架。附图提供对本发明的进一步的理解，附图可结合并构成本说明书的一部分。附图说明了本发明的各实施方式，并与说明书一起用来说明本发明的原理和操作。其中合适、相同的特征以相同的数字编号。
附图简述
图1所示是具有随半径变化的碱金属氧化物浓度的阶跃折射率(step index)的光纤折射率分布的部分。
图2所示是有多个芯套的光纤折射率分布，该分布与纤维中随半径变化的碱金属氧化物浓度进行比较。
图3所示是另一个有多个芯套的光纤折射率分布，该分布与纤维中随半径变化的碱金属氧化物浓度进行比较。
图4所示是有折射率小于纯二氧化硅折射率的包层区的阶跃折射率的光纤折射率分布部分，该分布部分与纤维中随半径变化的碱金属氧化物浓度进行比较。
图5所示是掺杂了F和K2O的二氧化硅玻璃棒的散射损失的图，表明F和K2O浓度随横切该棒的距离变化。
图6是图5中浓度的图，包括表示函数[K]*[F]3的曲线。
图7所示是两种含不同碱金属氧化物掺杂剂Cs2O和Rb2O，并含F的玻璃芯棒，以及一种只含K2O的玻璃芯棒的散射图。
图8所示是对图7中的Cs2O、Rb2O和F的浓度的图。
图9所示是说明两种不同扩散方法产生的随光纤预制件的截面半径变化的K2O浓度的图。
图10所示是在以预定张力和拉丝速度进行拉伸后的三根光纤的一部分的横断面上的K2O浓度图。
图11所示是按照本发明制造掺杂了碱金属氧化物的光纤的方法。
图12图示了用碱金属氧化物对玻璃管进行掺杂的方法。
图13图示了对玻璃棒进行拉伸的过程。
图14图示了通过将掺杂碱金属氧化物的玻璃棒插入多孔炱光纤预制件的中心孔而对光纤预制件进行掺杂碱金属氧化物的方法。
图15所示是在玻璃芯棒直径上的K2O和GeO2浓度分布。
图16所示是沉积玻璃炱的方法。
图17是对本发明掺杂K2O的玻璃棒，K2O浓度随半径变化的图。
图18是在本发明二氧化硅玻璃棒横断面上扩散的Na2O浓度随半径变化的图。
图19是说明按照本发明制造的光纤预制件的横断面上K2O、F和Cl的浓度的图。
图20所示是对具有掺杂K2O的芯和掺杂F的包层的单模光纤的K2O和F的浓度。
图21所示是对具有掺杂GeO2的纤芯的单模光纤的K2O、F和GeO2的浓度。
图22所示是在光纤预制件的芯棒中的Rb2O和F浓度。
图23所示是在光纤预制件的芯棒中的Cs2O和F的浓度。
图24说明按照本文揭示的本发明方法制造的光纤的浓度分布以及相对折射率随半径的变化。
图25所示是按照本发明一个方面的制造光纤的一种优选方法的流程图。
图26所示是按照本发明一个方面的制造光纤的另一种优选方法的流程图。
图27和28所示是按照本发明掺杂了碱金属的纤维的相对折射率的分布。
图29是按照本发明一个方面的机床的等角视图(isometric view)，图示一个感应加热源。
图30是图29的感应加热源的截面图。
图31是按照本发明一个方面的掺杂氧化锗光纤的折射率分布图。
图32是各掺杂剂的重量％与纤维半径的关系图。
图33是各纤维实施方式中K2O重量％与纤维半径的关系图。
图34按照本发明一个方面的另一种光纤的折射率分布图。
图35是按照本发明另一种光纤的各掺杂剂的重量％与纤维半径的关系图。
发明详述
本发明涉及一种低损失光纤及其制造方法。更具体而言，本发明涉及掺杂有碱金属氧化物的光纤以及制造该光纤和相关预制件的方法。本文中使用的以下术语具有以下定义：
-模场直径是对横贯单模光纤端面的光功率的度量，可表示为：
2ω0＝(λ/π)[2∫I(Φ)sinΦcosΦdΦ]/∫I(Φ)sinΦcosΦdΦ]1/2 (1)
式中，2ω0是模场直径(因此ω0是模场半径)，λ是平均光波长，Φ是对于辐射图中心的角度，宜进行从0°到90°的积分。模场直径可按照例如检验法ANSI/TIA/EIA-455-191-A-2001进行测定。
-有效面积是
A有效＝2π(∫E2r dr)2/(∫E4r dr) (2)
式中，积分上下限是0到∞，E与传播的光相关的电场。
-相对折射率，Δ，按等式Δi＝(ni 2-nc 2)/2ni 2定义，式中ni是折射率分布段i的最大折射率，nc是通常取作包层最小折射率的参照区的折射率。相对折射率通常以％表示，本文中以术语％Δ表示，除非另外指出，％Δ表示相对于包层最小折射率的芯的最大的折射率。
-术语折射率分布或简称折射率分布是在选定的光纤部分，通常是芯上的％Δ和半径间的关系。
-术语α分布指按照下面公式的芯的折射率分布，
n(r)＝n0(1-[r/a]α) (3)
式中，r是芯的半径，a是该分布中的终点，在该分布的第一点，r选为0，n0是所关心(interest)的芯区的最大折射率，α是定义该芯分布图形状的一个指数。其它普通的芯折射率分布形状包括阶跃折射率，梯形折射率和圆化阶跃折射率，其中的圆化是因为掺杂剂在折射率迅速变化的区域的扩散。
-芯指光纤中相对于包层一般具有增大的折射率的部分，发射的光功率主要通过该芯传播。芯可以由一个或多个轴套组成。各芯环段的折射率可以大于、等于或小于纯二氧化硅的折射率。
-包层或包层轴套(segment)指包覆芯区域的光纤部分，定义为相对折射率的绝对量小于0.03％，并且在直到光纤的二氧化硅基部分的最大半径即直到包层的最大半径仍保持小于0.03％的情况。在半径R芯处，芯结束而包层开始，在半径包层处，包层结束，在此的R包层＞R芯。
-“ppm”，除非另外特别指出，指重量份/百万重量份，“重量ppm”，是通过乘以10,000的因数将以重量％表示的测量值转化为ppm。
较好地，光纤的芯和包层都含有碱金属氧化物掺杂剂。碱金属氧化物优选是K、Na、Li、Cs或Rb，或它们的混合物的氧化物；更好地，碱金属氧化物是K2O、Rb2O、Cs2O或它们的混合物；最好碱金属氧化物是K2O或Rb2O。具有基本与传播光的模场的峰值功率相一致的单模光纤中碱金属氧化物的峰值浓度是有益，并因此被优选。较好地，光纤芯中的碱金属氧化物浓度有一峰值。碱金属氧化物浓度在光纤半径上迅速变化。较好地，碱金属氧化物的浓度沿光纤半径的至少一个部分一般随光纤中心线开始的半径增大而减小。较好地，碱金属氧化物浓度作为半径的变量具有接近高斯(Gaussian)形状。
较好地，光纤芯中的碱金属氧化物的峰值浓度大于约0.001重量％但小于约1重量％；更好大于约0.001重量％但小于0.4重量％；最好大于约0.001重量％但小于约0.15重量％；更优选约为0.005重量％-0.15重量％。光纤包层中的碱金属氧化物峰值量宜小于芯中碱金属氧化物的峰值量。较好地，包层中碱金属氧化物的峰值量大于约0.0005重量％；更好大于约0.001重量％。某些实施方式中，单模光纤包含的碱金属氧化物在等于模场半径的半径处的浓度至少约为0.0001重量％；更好约为0.0001重量％-0.0005重量％。对多模光纤，在光纤的芯-包层界面处的碱金属氧化物量宜至少约为0.001重量％；更好约为0.001重量％-0.005重量％。芯或包层，或芯和包层两者可包含一种碱金属氧化物掺杂剂和一种或多种玻璃改性掺杂剂，例如GeO2或F。在优选实施方式中，多模光纤包含一个有渐变折射率分布的芯。
图1所示是有一个单独芯环段的单模光纤的举例折射率分布分布10，以及举例的碱金属氧化物浓度分布12(碱金属氧化物浓度是半径的函数)，可通过实践本发明达到该浓度分布。该光纤包括一个中心的芯环段14和包层轴套16。较好地，碱金属氧化物浓度随半径变化。较好地，碱金属氧化物的浓度沿光纤半径的至少一个部分一般随光纤中心线开始的半径增大而减小。较好地，作为半径函数的碱金属氧化物浓度具有接近高斯的形状。光纤的芯环段14可具有图1所示的阶跃形状，或可具有圆化的，α或三角形形状。
图2所示是对具有多个芯环段(一种分割的芯结构)的化学举例折射率分布分布18，还绘制了该多轴套芯光纤的碱金属氧化物浓度作为半径变量的分布20，可通过实践本发明获得该光纤。较好地，碱金属氧化物的浓度沿光纤半径的至少一个部分一般随光纤中心线开始的半径增大而减小。较好地，作为半径函数的碱金属氧化物浓度具有接近高斯的形状。该折射率分布分布18宜包含一个中心的芯环段22，第一环的芯环段24，和第二环的芯环段26。图2还示出包层轴套28。然而，应理解本发明不限于图2所示的折射率分布分布。芯环段的折射率可等于、大于纯二氧化硅的折射率，或该轴套的折射率可小于纯二氧化硅的折射率。如图所示，图2中所示的第一环轴套24的折射率被降低到小于纯二氧化硅的折射率(纯二氧化硅以0％Δ表示)。第一环芯环段24的折射率可以任选大于纯二氧化硅的折射率，如虚线30表示的，或第一环轴套24的折射率等于纯二氧化硅的折射率。图2所示的第二环轴套26显示相对折射率大于纯二氧化硅的折射率。第二环轴套26的折射率可以任选小于纯二氧化硅的折射率，如虚线32表示的。或者，可以省略第二环轴套26。虽然在图2中绘制的光纤芯有三个轴套，但本发明的光纤芯可以有任意个轴套。一个芯环段可具有阶跃折射率分布分布、α折射率分布分布、三角形折射率分布分布、圆化折射率分布分布或它们的组合。还应注意，在本文揭示的浓度范围的碱金属氧化物对折射率的影响最小，能使碱金属氧化物在横跨整个芯折射率分布分布上扩散，不会对已有的折射率分布分布有略微影响。这为制造过程提供了极大的机动性，因为需要时碱金属氧化物可以施用到整个光纤，不必过分关注由于折射率的变化而对光纤性能造成的变化。
图3所示是对另一种有分割的芯的单模光纤的折射率分布34。图3所示的折射率分布分布包括一个具有α或圆化折射率分布分布的中心芯环段36，并包括第一环芯环段38和包层轴套40。第一环的芯环段38的折射率可等于纯二氧化硅的折射率，或第一环芯环段38的折射率任选大于纯二氧化硅的折射率，如虚线42所示。折射率分布分布34任选包含第二环芯环段44。在图3所示的第二环芯环段44具有圆化分布分布。然而，应理解，也可以是其它形状，例如，正方形、三角形或α形。图3还示出作为半径函数的碱金属氧化物的浓度分布45，可通过实践本发明来达到。较好地，碱金属氧化物的浓度沿光纤半径的至少一个部分一般随光纤中心线开始的半径增大而减小碱金属氧化物浓度。较好地，作为半径函数的碱金属氧化物浓度具有接近高斯的形状。
图4所示是对通过用合适的降低折射率的掺杂剂对包层玻璃进行掺杂，降低包层玻璃的折射率来形成阶跃折射率的光纤的折射率分布分布46。合适的降低折射率掺杂剂例如是F。图4的光纤包含一个芯环段48和包层轴套50。芯环段48的峰值折射率可大于、小于或等于纯二氧化硅的折射率。包层轴套50的折射率小于纯二氧化硅的折射率，当然也小于芯的折射率。如图4所示，是举例的碱金属氧化物浓度分布52，可通过实践本发明获得。较好地，碱金属氧化物的浓度沿光纤半径的至少一个部分一般随光纤中心线开始的半径增大而减小碱金属氧化物浓度。较好地，作为半径函数的碱金属氧化物浓度具有接近高斯的形状。
虽然在图1-4中给出对举例光纤中的一些碱金属氧化物的一般高斯分布，但碱金属氧化物浓度也可以是其它径向变化。例如，碱金属氧化物掺杂剂可以随半径线性变化，或以逐步方式变化。
本发明人已经发现，碱金属氧化物和F掺杂且碱金属氧化物和F的浓度交迭的二氧化硅玻璃中的散射损失遵循[A]*[F]3的关系式，其中[A]代表碱金属氧化物浓度(重量％)，[F]代表氟F的浓度(重量％)。即，可以采用关系式[A]*[F]3来预测散射增加或下降的区域。图5分别示出在二氧化硅玻璃棒直径的一部分上的K2O和F浓度(54，56)。图5还示出在该玻璃棒直径的一部分上测定的光散射58。清楚可见表示大的散射损失的散射峰60，62。图6还示出在图5绘出的K2O和F的浓度54，56。在图6中显示的是关系式[K]*[F]3，其中[K]代表氧化钾(K2O)浓度。[K]*[F]3由曲线64表示。比较图5和图6可知，图5的散射峰60，62与图6中关系式[A]*[F]3表示的峰66，68一致。在碱金属氧化物和F重叠的区域产生的散射增加对光纤中重叠与传播光一致的区域，例如在光纤的模场半径内尤为棘手。
本发明人还发现，F与Cs2O或Rb2O组合的交迭使用并未产生和K2O与F组合所产生的同样散射增加。图7示出在三种光纤芯棒半径上的散射。对芯棒，我们指玻璃棒，它包含至少一部分用于光纤的玻璃芯，而光纤可从含该玻璃棒的预制件拉制。芯棒还可以包含用于光纤的包层的一部分。第一芯棒用F和Rb2O进行掺杂。对含Rb2O的芯棒的散射可由曲线70表示。第二芯棒用F和Cs2O进行掺杂。对含Cs2O的芯棒的散射可由曲线72表示。第三芯棒只用K2O掺杂。含K2O的芯棒的散射可由曲线74表示。如图所示，包含Cs2O或Rb2O的芯棒的散射水平等价于只含K2O的芯棒显示的散射。图8表示包含第一和第二芯棒的Rb2O(75)、Cs2O(76)和F(分别是77，78)的浓度。图7散射轴上所示的值按照纯二氧化硅的散射归一化。
根据本发明的一个实施方式，单模光纤的零色散波长λ0较好在约1280nm-1340nm之间，零色散斜率S0，小于约0.07ps/nm2/km，和在1550nm大于约15ps/nm/km的总色散，更好在约15ps/nm/km-20ps/nm/km之间。较好地，光纤具有小于约1300nm的截止波长。较好地，光纤在1550nm的有效面积大于约80μm2。光纤的芯直径较好大于约3μm，更好约为3-5μm，在1550nm的模场直径大于约9μm，更好约为10-11μm。按照本发明通过包含碱金属氧化物，光纤可制成在1310nm的衰减小于约0.30dB/km，1550nm的衰减小于约0.18dB/km；更好在1550nm小于约0.17dB/km，最好在1550nm小于约0.16dB/km。
另一个实施方式中，单模光纤的零色散波长λ0较好在约1330nm-1600nm范围，更好约为1330nm-1450nm。芯或包层，或芯和包层两者另外可用其它玻璃改性掺杂剂，例如GeO2或F进行掺杂。本实施方式的光纤在零色散波长有一色散斜率S0，该斜率较好小于约0.07ps/nm2/km，更好约为0.035ps/nm2/km-0.07ps/nm2/km，并在1550nm的总色散大于约6ps/nm/km，较好约为6ps/nm/km-15ps/nm/km。较好地，光纤的截止波长小于约1400nm；更好小于约1300nm。较好地，光纤在1550nm的有效面积约为45-75μm2。采用本文揭示的碱金属氧化物掺杂方法，按照此实施方式制造的光纤在1310nm的衰减小于约0.30dB/km，在1550nm小于约0.18dB/km；更好地，在1550nm小于约0.17dB/km，最好在1550nm小于约0.16dB/km。
本发明的另一个实施方式中，单模光纤的零色散波长较好约为1350nm-1450nm，零色散斜率小于约0.10ps/nm2/km，更好约为0.035ps/nm2/km-0.10ps/nm/km；在1550nm的总色散约为1ps/nm/km-6ps/nm/km。该光纤的截止波长较好小于约1400nm，更好小于约1300nm。较好地，光纤在1550nm的有效面积约为45-75μm2。采用本文揭示的碱金属氧化物掺杂方法，按照此实施方式制造的光纤的衰减在1310nm小于约0.30dB/km，在1550nm小于约0.18dB/km；在1550nm较好小于约0.17dB/km；更好小于约0.16dB/km。
在又一个实施方式中，光纤的芯包含碱金属氧化物，其包层包含碱金属氧化物和F。较好地，碱金属氧化物选自K2O、Na2O、Li2O、Rb2O、Cs2O以及它们的混合物；更好地，碱金属氧化物选自K2O、Rb2O、Cs2O以及它们的混合物；最好碱金属氧化物是K2O或Rb2O。光纤芯中碱金属氧化物的峰值量宜大于约0.001重量％但小于约0.4重量％；更好大于0.001重量％但小于约0.15重量％；最好约为0.005重量％-0.15重量％。
如本领域技术人员所熟知的，在制造预制件并随后形成光纤的过程中控制碱金属氧化物在预制件中的相对量的能力对光纤中最后碱金属氧化物的分布和其传播特性很重要。可以在将预制件拉丝成光纤之前，按照预定的时间和温度操作表对预制件进行热处理来达到上述控制。某些情况，要求将碱金属氧化物保留在光纤的芯中并限制碱金属氧化物扩散到包层。这可以下面方法达到，即通过形成用F-掺杂的包层玻璃包覆的基本上不含氯的光纤芯预制件，并在将该预制件拉丝成光纤之前对其进行热处理。例如，已经发现，在1000-1600℃的温度范围内进行热处理时，K2O在固结的F-掺杂的二氧化硅玻璃的扩散比在纯二氧化硅中的扩散快约10-100倍。因此，对具有含F包层的光纤芯进行热处理能有利地使K2O快速扩散通过包层玻璃，但是相对于光纤预制件的芯中碱金属氧化物浓度而言其浓度很低。因此，可达到在由这种预制件拉制的光纤的芯中的低散射，同时避免高散射，这种高散射可能伴随数量上类似的F和K2O的浓度以及F和K2O协同定位在光纤同一区域。较好地，预制件在至少约1000℃的温度至少热处理6小时；更好地，预制件在至少约1400℃的温度下热处理；最好预制件在至少约1600℃的温度下热处理。更好地，对预制件热处理至少30小时。较好地，光纤预制件包层包含F。热处理之后，可采用常规的拉丝方法，将光纤预制件拉成光纤。
还有利地控制了拉丝过程中的碱金属氧化物的扩散。已经发现，通过按照预定方式改变拉丝条件，碱金属氧化物掺杂剂可以按要求的浓度分布，分散在整个预制件中。较好地，碱金属氧化物掺杂剂以和半径的相对线性关系扩散。对上述拉丝前热处理方法和拉丝方法进行比较，示于图9。图9显示拉丝前在1500℃对光纤预制件进行6小时热处理后的K2O径向浓度，由曲线80表示，以及在2000℃拉丝后的光纤预制件中K2O浓度，曲线82表示。还示出估计的初始K2O浓度分布，由曲线84表示，以及初始F浓度，由曲线86表示。芯-包层界面由虚线88表示。如图清楚地显示，虽然拉丝前热处理的K2O浓度分布80显示在在芯-包层界面88有较大的损耗，但拉丝过程产生的K2O浓度分布显示更接近线性分布。较好地，碱金属氧化物浓度随半径而下降。因为碱金属氧化物掺杂剂的扩散部分取决于掺杂玻璃的温度，以及在玻璃保持该温度的时间，这些因素对控制拉丝过程中碱金属氧化物的扩散发挥重要作用。光纤预制件(和由该预制件拉制的光纤)在拉丝过程中所处于的温度和时间可通过改变拉丝速度、拉丝(炉)温度以及光纤张力来加以控制。例如，提高拉丝速度可减少光纤预制件的特定部分在拉丝炉内的停留时间，因此可缩短碱金属氧化物掺杂剂在光纤预制件即拉制的光纤横断面上扩散的距离。这可以使较少碱金属氧化物扩散到包层，因此，在光纤芯中有高浓度的碱金属氧化物。相反，降低拉丝速度增加了停留时间，因此，由于碱金属氧化物进一步扩散到光纤的包层而导致光纤芯中碱金属氧化物浓度下降。以同样方式升高拉丝炉温度可提高碱金属氧化物的扩散速度，降低碱金属氧化物浓度。结果，可以使用拉丝速度和炉温来有效控制扩散，和制成的光纤中碱金属氧化物的分布。图10显示改善光纤直径上碱金属氧化物浓度所采用的拉丝条件。图10示出在由同一光纤预制件拉丝后拉制的三根光纤直径的一部分上作为位置函数的K2O浓度(90，92和94)。用标注数字90表示的光纤是以15m/s和200g张力进行拉丝。用标注数字92表示的光纤是以15m/s和90g张力进行拉丝，用标注数字94表示的光纤是以9m/s和90g张力进行拉丝。对图10中所示K2O浓度90、92、94进行的比较显示拉丝速度从15m/s下降到9m/s，分别由曲线92和94表示，导致K2O峰值浓度下降。更明显地，拉伸张力从90g增加到200g，如比较曲线92和94与曲线90所示，表明光纤芯中碱金属氧化物的峰值量增加约30％，如曲线90表示。据信，K2O从光纤中心区径向向外扩散到光纤的包层。虽然从图10并不能直接证实包层中K2O浓度增加，但我们相信对测量灵敏度以及随后在光纤的全直径上的测定扫描的提高将显示这样的浓度增加。
图11所示是按照本发明实施方式的第一种方法102，通过碱金属氧化物扩散到合适二氧化硅玻璃制品即光纤的前体来制造掺杂碱金属的光纤。在图11和12中显示方法102的第一步骤104，并参照这些图进行说明。较好地，首先将适用于制造光纤的二氧化硅玻璃管106安装在机床101(如加工玻璃的机床或常规经改进的化学气相沉积(MCVD)形成的玻璃的机床)的卡盘中。采用下面方法在靠近管106一端形成用来接受碱金属源化合物110的优选的环形存储器(reservoir)108，即通过火焰操作在管106的管壁上锻造两个环颈形形变112，或者将该存储器焊接到该管上。也可以采用其它类型的存储器。较好地，两个环颈形形变112彼此分开2cm。管106还可以包含单独的掺杂剂或组合的掺杂剂。这种掺杂剂可包含，例如F、Al2O3、CaO、GeO2、P或其它改进折射率的掺杂剂。具体是，管可包含用GeO2掺杂的SiO2，例如形成阶跃折射率的单模光纤的芯的一部分。在碱金属氧化物扩散到该管之前，通过化学气相沉积在玻璃管106的内表面添加附加的二氧化硅玻璃。这样附加的玻璃还包含上述的掺杂剂。但是，为防止碱金属结晶，要求管106以及沉积在该管106内壁的任何其它玻璃基本上不含氯。对基本不含氯，我们指氯含量足够低，可以避免由于碱金属氯化物结晶导致的光损失。为此目的，要求氯含量较好小于约500重量ppm；更好小于约100重量ppm；最好小于约50重量ppm。此外，二氧化硅玻璃管106以及沉积在该玻璃管上的任何其它玻璃应基本不含“水”。对“水”，我们指羟基OH。水在1383nm或约1383nm有一吸收峰，该吸收峰可延伸到光纤的工作波长区。这个峰对光纤衰减产生有害作用。因此，要求通过尽可能降低玻璃的OH含量来减小该吸收峰，也称作水峰。较好地，玻璃管106含有小于约100重量ppb的OH；更好小于约20重量ppb。为确保在扩散碱金属氧化物掺杂剂之前初始玻璃制品基本上不含水，在制造二氧化硅玻璃管过程中采用常用的氯干燥法。但是，应将使用氯的降至最小，以降低玻璃的氯浓度。在多孔炱玻璃制品情况，在氯干燥后宜采用将制品暴露于含氟气氛(氟吹扫)如CF4或SiF4，或它们的组合中进行干燥，或用上述氟气氛干燥代替氯干燥。在低于约1100℃的温度下暴露于含氟气氛(氟吹扫)，以避免在玻璃中掺杂高含量的氟。要求掺杂低含量的氟，即例如0.1-0.4重量％氟。较好地，成为光纤的芯的玻璃的水含量小于约100重量ppb，更好小于约20重量ppb。
再参见图12，一旦制成二氧化硅玻璃管106，包括任何附加玻璃的沉积后，将碱金属源化合物110导入在存储器108的管106内，并用加热源114加热，当旋转管106时形成蒸气。氧气或载气通过旋转密封118流入管106的进口116，对管106在碱金属氧化物源110的下游的部分120进行加热，以促进碱金属氧化物扩散到管106的内表面122。较好地，管106中没有插入任何预制件部件如另一个玻璃棒等。管106在碱金属氧化物源110下游的部分120应加热到足以促进碱金属迅速扩散到表面122，并防止使玻璃不透明的温度。较好地，用加热源124对管106在碱金属氧化物源110下游的部分120进行加热至高于1500℃；更好约为1500-2000℃。较好地，加热源124横跨管106的部分120的长度。碱金属氧化物源112宜包含选自K、Na、Li、Cs和Rb的元素。较好地，碱金属氧化物源110是溴化物、碘化物或氟化物。最好，碱金属氧化物源110是KBr、KI或KNO3。碱金属氧化物(如，K2O、Na2O、Li2O、Rb2O、Cs2O，以及它们的混合物)较好从管106的内扩散表面122扩散到约100-500μm的深度，对管106进行烧缩之前形成掺杂碱金属氧化物的玻璃管。特别是，优选管中扩散的碱金属氧化物掺杂剂浓度(重量％)在径向变化。较好地，对玻璃制品(如管106)进行掺杂，如图12的放大图所示，使在内部的一半部分107的浓度最高，在外部的一半部分109的浓度较低。定义在内一半和外一半之间的划分点，并定位在由管106的半径厚度的一半处(由虚线111表示)。例如，扩散宜使碱金属掺杂剂在外一半部分109中的峰值浓度小于内一半部分107的峰值浓度(重量％)的50％。
扩散过程后，采用本领域已知的常规方法(或本文所述的干燥方法)对管106进一步加热，促进管106的部分烧缩，以减小碱金属氧化物通过后会损失的内表面积以及增大扩散了碱金属氧化物的层的厚度。一旦完成扩散掺杂步骤或管106的任何部分烧缩后，可以任选用适合除去二氧化硅玻璃的蚀刻剂对管的扩散表面122进行蚀刻，蚀刻至足以除去可能已经扩散通过管106的扩散表面122的不希望的杂质深度。例如HF水溶液可以用作蚀刻剂，更好地，可以使用氟化物气体，例如CF4、SF6、NF3、C2F6，或它们的混合物。从内表面122除去的物质量取决于扩散和任何部分烧缩过程的处理条件，优选的蚀刻条件能够足以从表面122至碱金属氧化物的总扩散深度的至少约5％的深度除去玻璃。如方法102的步骤126所示，一旦结束蚀刻，用加热源124对二氧化硅玻璃管106进一步加热，以烧缩在碱金属氧化物源110下游的管106，并形成掺杂碱金属氧化物的固体玻璃棒132。按照本领域已知的常规方法，如用合适加热源(如喷灯)进行加热，来烧缩管106。然后，从含碱金属源化合物存储器108的玻璃部分切割出掺杂碱金属的固体玻璃棒132。较好地，掺杂碱金属氧化物的固体玻璃棒用合适的蚀刻剂进行蚀刻，除去在烧缩管106过程中通过喷灯形成的部分或所有水合玻璃。如果使用加热源进行烧缩，例如，感应加热器或电阻加热器，等离子体喷灯，或使用不含氢燃料如CO的干燥加热源，则不需要进行蚀刻。据信，在掺杂和/或烧缩步骤采用干燥加热源能使管外部的再湿润最小，即，OH(水)从外部扩散进入管最小，因此能进一步降低光纤衰减。干燥加热源是不会将任何可感知量的OH(水)引入管的加热源。
例如，图29所示是用于碱金属掺杂的扩散掺杂机床设备501，其中，用于在扩散和烧缩过程中加热管506的加热源524是靠近管(较好是包围管)安装的感应加热器。玻璃管506相对于机架502安装(较好在卡盘517中)，并且在机架中旋转。载气(如O2)较好从源(未示出)供给并通过进口116和可旋转密封118流入管506。载气在容器508中的碱金属源化合物(如，KBr，KI或KNO3)上流过，该容器通过互连管或通过焊接连接到管506。用加热源514，例如电阻加热器或感应加热器或喷灯同时加热容器和碱金属源化合物(较好至800-1000℃)，这样例如可以使碱金属蒸气被夹带在载气中，从而形成碱金属掺杂剂气体。用感应加热器524加热玻璃管506，该玻璃同时暴露于掺杂剂气体，使碱金属掺杂剂扩散到玻璃管506。在扩散步骤，加热器524通过合适的马达和驱动机构(未示出)沿棒506的纵向来回移动。一旦完成碱金属扩散步骤，通过加热源524进一步施加足够的热量(如上所述)，来烧缩该玻璃管506，形成掺杂碱金属的玻璃棒。
感应加热源524(如图30所示)包括包围了玻璃管506(所示削去顶端)的环形石墨感应器(susceptor)515和包围该感应器的线圈513。线圈513与储能电路518电连接。感应加热器524安装在储能电路518，该电路在滑块上移动，使得加热源524横跨在管506的表面。当将感应功率供给该储能电路，加热器524中的线圈513得到电压，并在感应器515中引起涡流电流，从而加热该感应器(并因此加热管506)。感应器由端部件520支撑并与管隔开。玻璃管509较好在感应器515周围，用作电绝缘体以及对该组合件的物理支撑，使得感应器可浸在惰性气流(如由箭头“I”表示)。特别是，感应器515包围了管506并形成管与感应器之间的第一间隔511。同样，玻璃套509包围了感应器515，并形成该套与感应器之间的第二间隔516。惰性气体如氩气从源(未示出)流出通过通道519，该通道与间隔511和516连接，提供包围感应器并防止其氧化的惰性气体。间隔516较好填充有多孔石墨毡。
应认识到，烧缩的掺杂碱金属的棒132较好包含(类似于管106)径向变化的碱金属氧化物浓度，并使该棒相应于内一半部分107的部分具有最高峰值浓度(重量％)的碱金属掺杂剂，相应于外一半部分109的部分具有较低峰值浓度。最好碱金属掺杂剂的峰值浓度在棒的中心(如图17和18所示)，并且半径的一半处的浓度小于峰值浓度的50％；更好小于25％。最好，在棒的半径最外层171(图17，18)不存在任何明显的碱金属氧化物掺杂剂。较好地，这种避免了碱金属掺杂剂的最外层171的厚度大于或等于1.0mm，较好的厚度大于棒外半径的25％。发现，在棒上存在不含碱金属掺杂剂的层降低了在后面加工中如果存在氯时在棒界面上结晶的倾向。
根据方法102的任选步骤128，在进一步加工步骤中，掺杂碱金属的棒132在再拉丝炉136中被加热并拉制成直径小于原来的掺杂碱金属的玻璃棒的较小的玻璃棒144。该拉丝过程示于图13。在上述烧缩步骤形成的掺杂碱金属的玻璃棒132上固定一个玻璃把手130，将掺杂碱金属的玻璃棒132安装在位于常规再拉丝炉136上面的移动向下加料的支架134中。固定在掺杂碱金属的玻璃棒132底部的保护用的玻璃棒138可用马达驱动的牵引器140进行牵拉，以合适的速度对掺杂碱金属的玻璃棒132进行拉丝。已经发现15-23cm/min为适当的速度，可根据传感器142测定的直径来大幅度控制该速度。该拉丝过程形成的小直径玻璃棒144的外直径(d1)较好为3-10mm；更好的小于6mm。如果烧缩步骤126形成的棒132的直径在要求的范围之内，烧缩步骤126中形成的棒132可以用作玻璃棒144。小直径玻璃棒144的K2O峰值浓度应是光纤进行拉丝时的光纤芯中所需的K2O峰值浓度的约5-10倍，以弥补在光纤拉丝过程中碱金属掺杂剂的明显迁移。例如，如果要求光纤芯中K2O峰值浓度为0.4重量％，则小直径玻璃棒144的K2O峰值浓度应优选约2-4重量％。特别是，掺杂碱金属的很小直径的棒有优势，因为这样可以将棒中存在的过渡金属杂质集中在靠近光纤中心线，而中心线处负面影响最小。应认识到，由于在掺杂的包层中添加大量物质，光纤中的峰值浓度会比小直径玻璃棒的峰值浓度小100倍。如方法102的步骤146所示，按照这种方法一旦形成小直径玻璃棒144，通过例如将玻璃棒144插入光纤预制件150的中心孔形成组合件，可对玻璃棒144进行进一步的包覆。较好地，如图14所示，光纤预制件150是多孔的并包含玻璃炱。图14中，将小直径的掺杂碱金属玻璃棒144插入多孔玻璃炱芯体预制件150的中心线孔，如箭头152所示，形成复合预制组合件155。可采用常规方法制造多孔玻璃芯预制件150。例如，多孔炱芯预制件150可采用外部气相沉积方法制造，即将炱沉积到目标棒上。从多孔玻璃预制件中除去该目标棒，留下纵向通过预制件150的中心线延伸的中心孔148。多孔芯预制件150可包含一种或多种改进折射率的掺杂剂，如氧化锗(GeO2)。多孔光纤预制件150可只含一个芯玻璃炱，或多孔光纤预制件可包含芯体玻璃炱149和包层玻璃炱143，其中，芯体和包层玻璃炱之间的划分线，即相对于包层测定组成中明显变化以虚线141示出。换句话说，从预制件外部向内移动，组分的第一个明显变化表示物理芯的开始。
图15是一个采用参照图12描述的方法102制造的光纤预制件的例子。具体的，掺杂氧化锗的二氧化硅炱的管可采用常规OVD方法制造，即，将掺杂氧化锗的含二氧化硅炱沉积在一个旋转心轴，形成掺杂氧化锗的二氧化硅炱的管。除去心轴，然后将掺杂氧化锗的二氧化硅炱的管暴露于含氯气氛中，来干燥该炱管。干燥后的炱的管较好进行氟吹扫(通过暴露于含F的气氛中)，来除去大部分(较好是几乎所有)的氯，(如下面参照图25的详细说明)。然后固结该炱管形成掺杂氧化锗的玻璃化含二氧化硅的玻璃管，较好的含有大于4重量％GeO2。任选地，对玻璃管进行再拉伸，成为更小直径的中间制品管。然后在步骤104，用碱金属氧化物(如K2O)对包含二氧化硅和氧化锗(GeO2)的玻璃管(含中间制品管)进行掺杂，并在步骤126进行烧缩，形成掺杂有碱金属和氧化锗的较大直径的固体二氧化硅玻璃芯棒。这种较大直径的固体玻璃芯棒可以在任选步骤128中再拉丝成小直径的玻璃芯棒144，其直径为上述的优选直径(d1)。然后，包含掺杂氧化锗和碱金属的二氧化硅的小直径玻璃芯棒144进行进一步的包覆，即如图11的步骤146所示，通过将该棒插入多孔玻璃炱光纤预制件150的中心孔，形成复合光纤预制件。多孔炱光纤预制件150较好还包含在代表芯的外层部分的炱预制件150的内环部分149上的掺杂氧化锗(GeO2)的二氧化硅炱和在代表包层部分的炱预制件150的外环部分143上未掺杂氧化锗的二氧化硅炱(较好基本上未掺杂的二氧化硅炱)。这种复合光纤预制件145在步骤164进行合适的氯干燥并固结在小直径玻璃棒上，形成固结的光纤预制件(将参照图25进行详细说明)。在固结之前采用任选的氟吹扫，除去炱预制件150中的残余氯。较好地通过使预制件150处于约1000-1150℃温度的含氟气体(如SiF4或CF4气体)中约90-150分钟，进行氟吹扫。除了基本上除去(吹扫出)炱预制件中存在的氯外，氟吹扫还能在内层部分略微掺杂少量的氟，为0.1-0.4重量％。对固结我们指加热多孔玻璃炱至使玻璃炱凝聚，从而形成固体透明的玻璃的温度。掺杂碱金属的芯预制件棒宜进一步再拉丝，形成第二玻璃芯棒制品144，如步骤166所示。应认识到，掺杂后的玻璃棒制品144包括具有对应于光纤芯的直径d芯的第一部分145，该部分包含高浓度的碱金属掺杂剂，以及具有对应于包层的内层部分的直径的d1的包围部分147(参见图14的放大图)。较好地，d芯小于或等于d1的0.5倍，使包层的某些部分包含在棒制品内。第二棒144再被含二氧化硅的玻璃包覆，并固结形成最终的拉丝预制件。最好，采用OVD或棒在炱中的方法(即将棒插入含二氧化硅的玻璃炱管内)进行包覆，并且进行固结，但是还可以包括将棒插入玻璃套中，形成具有最终外部尺寸直径(d2)的最终的固结拉丝预制件。较好地，玻璃制品棒144的外部尺寸(d1)小于或等于最终固结拉丝预制件的最终外部尺寸(d2)的0.06倍(更好地，小于或等于最终外部尺寸(d2)的0.03倍)，从而将碱金属掺杂剂(碱金属氧化物)集中在预制件的中心附近。
采用电子微探针对制成的固结光纤芯预制件进行测定。图15中的曲线153，155表示在固结的预制件直径上的GeO2和K2O浓度的例子。虚线157和159标出小直径玻璃棒和固结炱之间的边界。最终的拉丝预制件进行固结后，然后在步骤170，采用常规的拉丝装置和方法或本文所述的装置和方法，从该固结组合件拉制成掺杂碱金属和氧化锗的光纤(例如，参见图1)。
根据参照图16所述的另一种方法，小直径掺杂碱金属的玻璃棒144可用作初始棒，如本领域人员已知的，采用OVD法，在该棒上沉积附加的多孔玻璃炱162作为包覆层，形成组合件160。图16示出典型的外部气相沉积法。如图16所示，在按照上述方法制成的小直径掺杂碱金属的玻璃棒144上安装一个玻璃把手154，该把手成为制成的预制件的一个整体部分。把手154提供后面加工步骤中对沉积法形成的二氧化硅玻璃预制件的支撑方法。将具有固定把手154的玻璃棒144安装在一机床上，玻璃棒在机床中相对于燃烧器156旋转并平移，该燃烧器可以是例如美国专利4,165,223中揭示的那些。燃料气体和氧气或空气从气源(未示出)供给燃烧器156。这种混合物燃烧，产生从燃烧器156发射的火焰。二氧化硅前体气体-蒸气的混合物在火焰内氧化，形成含二氧化硅炱流158，被导向玻璃棒144。本领域已知向燃烧器156输送气体-蒸气混合物的合适装置；对这种装置的参考说明可参见美国专利3,826,560、4,148,621和4,173,305。燃烧器156一般在这样条件下操作，即提供合理的高沉积速度和效率，同时使燃烧器面上形成的炱最少。这样条件下，从燃烧器孔流出的气体和反应物的流速和这些孔的大小和位置以及它们的轴向取向应使聚集的炱流从燃烧器156向着玻璃棒144流动。复合炱预制件160采用下面方式形成，即通过将玻璃棒144多次横过燃烧器156，使形成多层含二氧化硅炱，以形成炱涂层162。通过沿旋转玻璃棒144前后移动燃烧器156或通过燃烧器156和玻璃棒144的组合平移运动，也可以达到这种平移运动。炱涂层162形成复合预制件160的芯体玻璃的至少一个部分，该预制件宜包含基本上纯的二氧化硅。较好地，炱涂层的密度大于0.35g/cc，更好约为0.35g/cc-0.5g/cc。然后，复合预制件160暴露于含氯气体中进行干燥，在方法102的步骤164中，在炉内加热，固结该复合预制件160，形成透明固体玻璃的固结光纤芯预制件。
可以按照美国专利4,165,223，或参照图25所述的方法对复合预制件进行干燥和固结步骤，形成光纤芯预制件。在固结步骤中，复合预制件宜进行氟吹扫，除去在最初干燥步骤提供的不需要的氯。这一吹扫步骤包括暴露含氟气体中，但该气体中只加入了少量氟(例如0.1-0.4重量％)。然后在上述类似于方法102的步骤162的过程中对该透明玻璃芯预制件再进行拉丝，形成第二芯棒，即包含由其拉制成的光纤芯的至少一部分的玻璃棒。第二芯棒还包含包层玻璃的至少一部分。如方法102的步骤168所示，第二芯棒还可以通过添加附加的玻璃进一步加工，或通过化学气相沉积例如通过同时套封或化学沉积来沉积玻璃炱，或通过本领域已知的其它方法，达到用玻璃管(玻璃管或炱的管)套封，形成容易拉制成光纤的完成的光纤预制件。附加的玻璃包括芯玻璃，包层玻璃或这两者。此外，附加的玻璃可通过几个另外的沉积步骤来达到要求的厚度，其中，每一个步骤之后，将炱干燥，掺杂氟，固结并再拉制成更小直径的棒。在芯主要由掺杂了碱金属的二氧化硅组成(可以包含少量氟)情况，附加的玻璃由基本上没有进行掺杂的二氧化硅的内径向部分(可包含少量氟)和通过沉入掺杂(flood doping)(参见US 4,629,485)充分掺杂氟的外径向部分(对应于光纤的包层)组成。较好进行充分掺杂，在芯和包层之间的相对折射率Δ％达到例如大于0.2％，更好地为0.30-0.40％。特别地，对每一个另外的步骤，壕状(moat)二氧化硅(对应于光纤包层的附加的玻璃)通过沉积加入到第二棒上，这样的壕状二氧化硅掺杂有氟。壕状炱首先用含氯气体进行干燥，然后在1225℃暴露于含氟气体(如，SiF4或CF4)中60-120分钟，然后，较好在含氟气体存在下，以7-10mm/min的速度，向下通过热区(1450-1500℃)进行固结。这种预制件可以再拉丝形成第三棒，并可再次重复这些步骤，即，沉积，干燥，掺杂氟和固结，直到获得合适直径的最终预制件。较好地，在包层中附加玻璃(additional glass)的相继各层中的氟的重量％大约相同，或更好地，略小于(约小0.1-0.5重量％)最外包层中的重量％，将应力作用减至最小。制成步骤168的完成的光纤预制件后，将完成的光纤拉丝预制件拉制成掺杂碱金属氧化物的光纤，如方法102的步骤170所示。在本文所述的每一次再拉丝步骤之后，将棒暴露于氘气氛中进行D2处理。在GB 2,149,392和US 4,515,612以及US 4,504,297中描述了氘处理。
根据参照图25的流程图描述的另一种方法的实施方式302，形成掺杂氧化锗和碱金属的阶跃折射率单模光纤。该方法302较好在步骤301包括首先形成掺杂氧化锗的含二氧化硅玻璃炱管。炱的管较好采用OVD方法形成，通过将掺杂一定量氧化锗掺杂剂的含二氧化硅炱沉积在一个旋转心轴上，在光纤上达到要求的折射率(如，对阶跃折射率光纤为0.3-0.4％)。然后除去该心轴形成管形的炱管。然后，炱的管在干燥步骤303中通过下面方式进行干燥，首先将预制件在氦气氛中，1000℃预热60分钟。接下来，在炉中，将掺杂氧化锗的二氧化硅炱的管暴露于含氯(如，Cl2)气氛中1000-1150℃下约60-120分钟。最好，该气氛包含氦和含氯气体的组合，其中含氯气体的体积流量小于氦气的体积流量；较好地，含氯气体的体积流量小于氦气的体积流量的10％；更好小于2％(例如，20SLPM的氦和0.2SLPM的含氯气体)。在氯干燥步骤303之后，干燥的炱的管较好还进行氟吹扫步骤304，该步骤中，将干燥的管在约1000-1150℃的炉子中，处于含氟气氛(较好包含CF4或SiF4)约90-150分钟，进一步干燥该预制件。最好，含氟气氛包含含氟气体和惰性气体如氦。含氟气体的体积流量小于氦的体积流量；较好含氟气体流量小于氦体积流量的10％；更好小于5％(例如，20SLPM氦和0.4SLPM含氟气体)。在低于固结温度下进行步骤304的这种氟吹扫处理，该处理中只有少量氟(约0.1-0.4重量％)被引入并掺杂到掺杂氧化锗的二氧化硅管。进行氟吹扫是要是炱预制件中残留的氯量最小。
然后，干燥并进行了氟吹扫的管在步骤307，通过处于有热区温度为1450-1500℃和含例如氦的惰性气氛的炉(以约7mm/min速度，使炱预制件向下移动)内，进行固结。该步骤产生的掺杂氧化锗的二氧化硅玻璃管然后按照前面参见图12所述的方法，在步骤304进行碱金属掺杂。进行这样掺杂之前，还可以任选将该玻璃管置于再拉伸炉中，拉制形成为更小直径的掺杂碱金属管的中间制品。
掺杂碱金属后，通过加热源供给足够的热量，在机床上烧缩玻璃管或中间制品，形成包含掺杂有碱金属氧化物和氧化锗的二氧化硅的玻璃制品棒。任选地，在再拉丝装置中，在步骤326和329之间的一个步骤中，如上所述将该棒再拉丝成更小直径的棒。接下来，将附加的含二氧化硅玻璃添加到掺杂碱金属的棒上。例如，在步骤326，可以将小直径掺杂碱金属和氧化锗的棒插入炱预制件150(图14)中，该预制件较好具有掺杂氧化锗的二氧化硅炱的内环部分149(对应于芯的最外层部分)，和较好由基本纯的(未掺杂的)二氧化硅炱构成的外层部分143(对应于包层)。对这种棒在炱中的管组合件进行氯干燥和任选的氟吹扫，并按照上面对掺杂氧化锗的炱管所述的相同方式，固结形成最终固结拉丝预制件组合件。最后，由该固结的拉丝预制件拉制掺杂碱金属和氧化锗的单模光纤；其代表性的折射率分布示于图27。在掺杂碱金属的光纤310中，芯312主要由氧化锗、氟和碱金属掺杂剂组成，而包层316主要由未掺杂的二氧化硅或略微掺杂氟的二氧化硅组成。对制成的光纤310的例子的最大相对折射率Δ(Δ最大)约为0.43％，芯312的外半径约为5.3μm。
在第一组优选光纤实施方式中，本文揭示的光纤包含芯和包围芯并与其直接相邻的包层，其中，该芯相对于包层具有完全非负的，较好是正的相对折射率分布。较好地，该芯包含氧化锗。
在第一组优选实施方式中的某些优选实施方式，芯由一个单独芯环段组成，即中心芯环段，包围并直接邻近该中心芯环段上的包层，如图1和27所示，以及这些说明性的分布的变化，如具有阶跃、圆化、α或三角形的分布，如上面讨论的，其中，中心芯环段具有相对于纯二氧化硅为正的折射率Δ1(r)。如图27可看见，光纤的相对折射率可包含一个延伸到包层的扩散尾部，相对折射率的绝对值小于0.03％。在第一组优选实施方式中的其它优选实施方式，芯包含多个芯环段，如中心芯环段和直接包围在中心芯环段上的第一环的芯环段，以及直接包覆第一环芯环段的包层，其中，中心芯环段具有相对于包层为非负的，较好是正的相对折射率Δ1％(r)，其中第一环的芯环段的纯二氧化硅相对于包层具有非负的，较好是正的相对折射率Δ2％(r)。
在第一组优选的实施方式中，芯包含选自K2O、Na2O、Li2O、Rb2O、Cs2O以及它们的混合物的碱金属氧化物，碱金属氧化物的峰值浓度为20-300ppm，较好20-200ppm。包层中最大碱金属氧化物浓度较好小于50ppm，更好小于10ppm，最好小于5ppm。芯和包层各自包含大于90重量％SiO2，较好大于或等于95重量％SiO2。按照本文揭示的一种或多种方法制造光纤可能会使少量氟残留在芯中，例如在引入碱金属氧化物之前用氟吹扫预制件，或预制件的部分的结果。芯较好包含小于0.2重量％氟，更好小于0.1重量％氟，在某些优选实施方式中，不含氟。芯较好包含小于3000ppm的氯，更好小于2000ppm氯，而在某些优选实施方式中，由于按照本文揭示的一种或多种方法进行制造的结果，包含500-2000ppm的氯。
在第一组的在某些优选实施方式中，芯包含氧化锗和一种选自K2O、Na2O、Li2O、Rb2O、Cs2O和它们的混合物的碱金属氧化物，碱金属氧化物的峰值浓度为20-300ppm，较好为20-200ppm，最好为30-150ppm；在不同的优选实施方式中，芯还包含＞0.2％的峰值相对折射率，Δ最大，在其它优选实施方式中，芯还包含为0.2-0.5％的峰值相对折射率，Δ最大，在另一些优选实施方式中，芯还包含为0.3-0.45％的峰值相对折射率，Δ最大。
在第一组的其它优选实施方式中，本文揭示的光纤包含一个单独的芯环段，即中心芯环段，和直接包覆在该中心芯环段上的包层，其中，芯具有相对纯二氧化硅为正的折射率Δ1(r)，芯包含氧化锗和选自K2O、Na2O、Li2O、Rb2O、Cs2O以及它们的混合物的碱金属氧化物，碱金属氧化物的峰值浓度为20-300ppm，较好为20-200ppm，最好为30-150ppm；所述芯还包含为0.2-0.5％的峰值相对折射率，Δ最大，较好为0.25-0.45％，包层中最大碱金属氧化物浓度较好小于50ppm，更好小于10ppm，最好小于5ppm。该光纤包含大于90重量％SiO2，较好大于或等于95重量％SiO2。芯包含较好小于0.2重量％氟，更好小于0.1重量％氟，在某些优选实施方式中，芯不含氟。芯包含较好小于3000ppm的氯，更好小于2000ppm氯，在某些优选实施方式中，包含500-2000ppm的氯。
在第一组的另外一些实施方式中，本文揭示的光纤包含一个单独的芯环段，即中心芯环段，和包围芯并与其直接相邻的包层，其中，芯包含氧化锗和K2O，K2O的峰值浓度为20-300ppm，较好为20-200ppm，更好为30-150ppm；芯还包含为0.2-0.5％的峰值相对折射率，Δ最大，较好为0.25-0.45％，包层中最大K2O浓度较好小于10ppm，更好小于5ppm。该光纤包含大于90重量％SiO2，较好大于或等于95重量％SiO2。芯包含较好小于0.2重量％的氟，更好小于0.1重量％氟，在某些优选实施方式中，芯不含氟。芯较好小于3000ppm的氯，更好小于2000ppm的氯，在某些优选实施方式中，芯包含500-2000ppm的氯。
根据本发明的另一种优选方法实施例，制造一种具有掺杂碱金属的二氧化硅芯和掺杂氟的包层的光纤。如图26所示，方法402包括在步骤401形成主要由二氧化硅炱组成的管。这种管与图25的步骤301所述的管的唯一差别是该管较好是基本纯的(未掺杂的)二氧化硅炱，但也可能包含少量由氟吹扫除去氯时带来的氟。氯干燥、氟吹扫、固结、碱金属掺杂和烧缩步骤403、405、407、404和426与图25所述的方法相同，除了烧缩后形成的棒是只掺杂碱金属和氟吹扫产生的微量氟(约0.1-0.4重量％)的二氧化硅。可任选对该棒进行蚀刻和/或再拉丝为更小直径的掺杂碱金属的棒。
在步骤429，然后将棒插入含二氧化硅炱的管(较好还进行氟吹扫)，形成棒在炱中的组合件，其中的炱管较好对应构成光纤的二氧化硅芯的剩余部分。特别是，炱的管基本包括和对棒所进行的相同处理以及基本相同量的氟；所述棒和管各自包括氟吹扫产生的小重量％的氟。对这种棒在炱中的组合件进行干燥，较好再进行氟吹扫，并按照对步骤331所述的相同方式在步骤431进行固结，形成固结的组合件。这种固结的组合件然后较好在步骤466再拉丝成更小直径的芯棒(有时称作杆)，直径约为15mm。然后将包覆的二氧化硅炱加到芯杆上，例如通过OVD，在步骤468，将该炱沉积芯杆上。然后对这种炱进行干燥，沉入掺杂氟(如US4,629,485中提到的)，并在步骤467进行固结，将附加的掺杂氟的玻璃添加该固结的组合件上。掺杂氟可以在固结炉中进行，通过使炱在1225℃处于含氟气体(SiF4或CF4)中约60-120分钟，之后通过将炉温升高至约1450-1500℃时掺杂的炱固结，并使该炱处于向下移动的烧结器中约7-10分钟。在固结之前停止氟气(只使用氦)或在预制件进行固结时氟与氦组合继续流动。在方框472重复步骤466、468和467，添加另外的包覆层，达到要求的芯/包层比。然后，具有掺杂碱金属氧化物的二氧化硅芯和掺杂氟的包层的代表例的光纤可处于常规拉丝设备和方法进行拉丝。按照这种方法402制成的光纤示于图28。这种光纤446包括一个包含掺杂碱金属的二氧化硅芯448和掺杂氟的二氧化硅包层450。芯448包含小重量％的来自氟吹扫的氟。
在第二组优选光纤的实施方式中，本文揭示的光纤包含一个芯和包围芯并与其直接相邻的包层，其中，芯相对于包层具有完全非负的，较好为正的相对折射率分布。较好地，芯基本上不含氧化锗，更好地，芯不含氧化锗。
在第二组优选实施方式的某些优选实施方式中，芯由一个单独的芯环段，即中心芯环段，和包围芯并与其直接相邻的包层组成，如图1和图1的说明性分布的变化所示，例如具有阶跃、圆化、α或三角形的分布，如上面所述，其中，中心芯环段具有相对包层为正的折射率Δ1(r)。在第二组优选实施方式的其他优选实施方式中，芯包含多个芯环段，如中心芯环段和直接包围在该中心芯环段上的第一环芯环段，和直接包覆在第一环芯体轴套上的包层，其中，中心芯环段具有相对包层为非负，较好为正的相对折射率Δ1％(r)，第一环的芯环段是纯二氧化硅，具有相对包层为非负的，较好为正的相对折射率Δ2％(r)。
在第二组优选实施方式中，芯包含选自K2O、Na2O、Li2O、Rb2O、Cs2O和它们的混合物的碱金属氧化物，碱金属氧化物的峰值浓度为20-1000ppm，较好为20-700ppm，更好为20-500ppm。包层中最大碱金属氧化物浓度较好小于200ppm，更好小于50ppm。该光纤包含的氟的浓度至少为0.02重量％，较好大于0.15重量％，较好的最大氟浓度为0.5-0.15重量％。芯包含0.1-0.4重量％的氟，更好为0.15-0.4重量％氟，而在某些优选实施方式中，为0.2-0.3重量％。芯较好包含小于500ppm的氯，更好小于300ppm氯，而在某些优选实施方式中，包含小于200ppm的氯。包层包含大于0.5重量％的氟，较好大于1重量％氟，而在某些优选实施方式中，为1-2重量％氟。
在第二组的某些优选实施方式中，芯包含氟和选自K2O、Na2O、Li2O、Rb2O、Cs2O以及它们的混合物的碱金属氧化物，碱金属氧化物的峰值浓度为20-1000ppm，较好为20-700ppm，更好为20-500ppm，最好为100-500ppm；芯还包含(相对于包层)＞0.2％的峰值相对折射率，Δ％(r)，在其它优选实施方式中，芯还包括0.2-0.5％的峰值相对折射率，Δ最大，在另一些优选实施方式中，芯还包括0.3-0.4％的峰值相对折射率，Δ最大。包层包含至少0.02重量％的氟，较好大于0.15重量％氟，且最大氟浓度为0.5-1.5重量％。
在第二组的其它优选实施方式中，本文揭示的光纤包含一个单独的芯环段即中心芯环段，和包围芯并与其直接相邻的包层，其中，包层具有相对于纯二氧化硅为负的折射率，芯包含氟和选自K2O、Na2O、Li2O、Rb2O、Cs2O以及它们的混合物的碱金属氧化物，碱金属氧化物的峰值浓度为20-1000ppm，较好为20-500ppm，更好为100-400ppm；芯还包含(相对于包层)峰值相对折射率，Δ最大，为0.2-0.5％，较好为0.3-0.4％，包层中最大碱金属氧化物浓度较好小于200ppm，更好小于50ppm。该光纤包含大于90重量％SiO2，较好大于或等于95重量％SiO2。芯较好包含小于500ppm的氯，更好小于300ppm氯，而在某些优选实施方式中，包含小于200ppm的氯。
在第二组的另一些优选实施方式，本文揭示的光纤包括一个单独的芯环段即中心芯环段，和包围芯并与其直接相邻的包层，其中，包层具有相对纯二氧化硅为负的折射率Δ包层，芯包含氟和选自K2O、Na2O、Li2O、Rb2O、Cs2O和它们的混合物的碱金属氧化物，碱金属氧化物的峰值浓度为100-400ppm，较好为200-300ppm；其中芯还包含(相对于包层)峰值相对折射率，Δ最大，为0.2-0.5％，较好为0.3-0.5％，更好0.3-0.4％，包层中最大碱金属氧化物浓度较好小于200ppm，更好小于50ppm。该光纤包含大于90重量％SiO2，较好大于或等于95重量％SiO2。芯较好包含小于500ppm的氯，更好小于300ppm氯，最好小于200ppm，而在某些优选实施方式中，包含小于50ppm的氯。
在第二组的又一些优选实施方式，本文揭示的光纤包含一个单独的芯环段即中心芯环段和包围芯并与其直接相邻的包层，该芯环段具有相对包层为正的折射率分布和相对纯二氧化硅为负的折射率分布，其中，包层具有相对纯二氧化硅为负的折射率分布，所述芯包含氟和氧化钾，氧化钾的峰值浓度为100-400ppm，较好为200-300ppm；芯还包含(相对于包层)峰值相对折射率，Δ最大，为0.2-0.4％，较好为0.3-0.4％，包层中最大氧化钾浓度较好小于200ppm，更好小于50ppm。该光纤包含大于90重量％SiO2，较好大于或等于95重量％SiO2。芯较好包含小于500ppm的氯，更好小于300ppm氯，最好小于200ppm，而在某些优选实施方式中，包含小于50ppm的氯。
在第三组优选实施方式中，一种光纤包含芯和包围芯并与其直接相邻的包层，所述芯包含选自K2O、Na2O、Li2O、Rb2O、Cs2O以及它们的混合物的碱金属氧化物，其中，将芯沉积在轴向中心线附近；该光纤包含基本上限定在芯的最中心区域的杂质。光纤1550nm的衰减小于0.20dB/km，较好小于0.19dB/km，更好小于0.185dB/km，最好小于0.180dB/km。较好地，芯包含小于约100重量ppb的OH。较好地，所述杂质在最中心区内的峰值浓度比光纤中该最中心区外部分的任何杂质的浓度至少大20％；在某些实施方式中，光纤中该最中心区外部分的杂质浓度为零。所述杂质可以是选自过渡金属、结晶的碱金属化合物、吸附物(occlusion)、它们的组合或混合物的杂质。
第三组的某些实施方式中，光纤包含芯和包围芯并与其直接相邻的包层，所述芯包含选自K2O、Na2O、Li2O、Rb2O、Cs2O以及它们的混合物的碱金属氧化物，其中，将芯沉积在轴向中心线附近，所述芯包括含有峰值浓度的过渡金属的最中心区，在该最中心区外的光纤所具有的最大过渡金属浓度小于在该最中心区内的峰值过渡金属浓度的20％。在不同的实施方式中，最中心区外的最大过渡金属浓度为零。较好地，最中心区在该中心线和半径小于5μm的区域之间。较好地，在半径大于5μm的所有区域的过渡金属的浓度小于约0.01摩尔％。在某些实施方式中，在最中心区的过渡金属的峰值浓度大于约0.1摩尔％。
第三组的其它实施方式中，光纤包含芯和包围芯并与其直接相邻的包层，所述芯包含选自K2O、Na2O、Li2O、Rb2O、Cs2O以及它们的混合物的碱金属氧化物，其中，将芯沉积在轴向中心线附近，该光纤在该中心线和半径小于5μm间的区域具有大于约0.1摩尔％的过渡金属峰值浓度，在半径大于5μm的所有部分，过渡金属的浓度小于约0.01摩尔％。
在此揭示的所有实施方式中，光纤较好包含包围包层最外直径部分并与之直接接触的第一涂层，以及包围第一涂层并与之直接接触的第二涂层。
在此揭示的光纤的某些优选实施方式中，所述光纤在其外部还包含一层最外层的密封涂层。该外密封涂层较好包围第二涂层并与之直接接触。在一个优选实施方式中，在此揭示的光纤包含掺杂氧化锗和K2O-的芯，包围芯并与其直接相邻的包层，包围该包层并与其直接接触的第一涂层，包围该第一涂层并与其直接接触的第二涂层，以及包围该第二涂层并与其直接接触的密封涂层。美国专利No.5,152,817描述了制备密封涂覆的光纤的方法和设备。
实施例
按上面参照图11所述的方法，形成掺杂K2O的玻璃芯棒。如图17所示，玻璃芯棒的K2O浓度164是半径的函数，接近高斯曲线。曲线166显示玻璃棒相对纯二氧化硅的相对折射率。用于K2O扩散的初始管是纯的(未掺杂的)二氧化硅。芯棒在棒中心线168附近有最大K2O浓度，约为1重量％。对应于棒的外层部分的部分171较好应基本避免有掺杂的碱金属。特别是，掺杂应使该棒的外一半部分的碱金属浓度最低，而内一半部分的碱金属浓度最高。更具体地，优选在外一半的碱金属掺杂剂的峰值浓度小于在内一半的峰值浓度的50％；更好小于25％。
实施例2
按上面参照图11所述的方法形成掺杂Na2O的玻璃棒。如图18所示，玻璃棒的Na2O浓度170是半径的函数，接近高斯曲线。曲线172显示玻璃棒相对纯二氧化硅的相对折射率。该棒在玻璃棒中心线174附近有最大Na2O浓度170，大于2重量％。
实施例3
采用本文揭示的方法，并如图12所示，用K2O对二氧化硅管进行掺杂。碱金属源化合物110是KI。用燃烧器114加热KI至1100-1200℃。燃烧器124以约220mm/min速度向前和400mm/min速度向后沿管106来回移动，直到蒸发碱金属源化合物110。从管106切下存储器108，烧缩管106形成第一玻璃棒。该第一玻璃棒在49％HF中蚀刻13小时。然后将第一玻璃棒置于机床中，并以常规的外气相沉积法将二氧化硅玻璃炱沉积在第一玻璃棒上，形成第一复合玻璃制品。通过常规的固结掺杂，对该第一复合玻璃制品进行固结，干燥和掺杂F，然后拉制成第二玻璃棒。用横穿该棒直径的微探针测定第二玻璃棒。图19示出在该第二玻璃棒直径上的K2O浓度的曲线176，Cl浓度的曲线178和F浓度的曲线180。将第二玻璃棒置于机床上并将二氧化硅炱沉积在第二玻璃棒上形成第二复合玻璃制品。采用常规方法对第二玻璃制品进行固结，干燥和F掺杂，然后拉制成第三玻璃棒。将第三玻璃棒置于机床上，并以常规的外气相沉积法将二氧化硅玻璃炱沉积在第三玻璃棒上，形成第四复合玻璃制品。对第四玻璃制品进行固结，用Cl气进行干燥，并在固结期间掺杂F，形成预备用来拉制成光纤的光纤预制件(拉丝预制件)。在70克光纤张力下，以7m/s速度，将该光纤拉丝预制件拉制成光纤。该光纤的截止波长(在2m长光纤上测定)为1150nm，在1550nm的衰减为0.17dB/km。对光纤进行微探针分析，作为半径的函数的光纤中掺杂剂浓度的曲线示于图20，其中，曲线182代表以重量％表示的K2O浓度，曲线184代表以重量％表示的F浓度。
实施例4
另一种光纤是通过用GeO2对玻璃棒进行掺杂而制备的。该玻璃管然后通过本文所述的扩散方法掺杂K2O，烧缩并拉制成掺杂K2O-GeO2的玻璃棒。采用常规的外部气相沉积法，在玻璃棒上沉积玻璃炱来包覆该玻璃棒，然后按照常规进行固结，形成光纤拉丝预制件。在固结过程中该包覆炱掺杂了F。将拉丝预制件拉制成具有阶跃折射率的芯的单模光纤，该芯具有约0.75％的峰值相对折射率Δ％。该光纤在1550nm的衰减为0.228dB/km。对该光纤进行微探针分析，作为半径的变量的光纤中掺杂剂浓度的曲线示于图21，其中，曲线186代表以重量％表示的K2O浓度，曲线188代表以重量％表示的F浓度，曲线190代表以重量％表示的GeO2浓度。
实施例5
按照本发明对含GeO2的SiO2玻璃管进行掺杂K2O。将该玻璃棒在H2/O2燃烧器火焰上来回移动进行加热，来烧缩该玻璃棒，形成固体，直径约为15-17mm的大直径玻璃棒。以约1.5-2cm/min速度来回移动燃烧器火焰。火焰温度约为2150-2200℃。大直径玻璃棒的外部在49％HF溶液中蚀刻约8小时。以除去棒表面的杂质。大直径玻璃棒中的K2O峰值量约为1.5-2重量％。大直径玻璃棒具有相对于纯二氧化硅约为0.35-0.4％的相对折射率。然后，采用常规拉丝方法对大直径玻璃棒进行拉制，获得直径约为6mm的小直径玻璃棒。将小直径玻璃板切成几段。采用外部气相沉积法制造多孔玻璃炱的芯预制件，其中，将玻璃炱沉积在目标物或饵棒上。该多孔玻璃炱芯预制件包含芯玻璃炱和至少一部分的包层玻璃炱。一旦形成多孔炱预制件，除去目标棒，留下一个沿预制件中心线的孔。将含K2O和GeO2的小直径玻璃棒插入该多孔玻璃炱预制件的中心线孔，形成第一复合预制件。第一复合预制件然后在常规固结炉中进行固结，形成固结的芯预制件。该固结的芯预制件在常规的再拉丝炉内进行拉丝，形成第二玻璃芯棒。将第二玻璃芯棒切割成多个部分。将第一芯棒部分置于一个玻璃成形机床中，在第一芯棒上沉积附加的包覆玻璃炱，形成第二复合预制件。第二复合预制件在常规固结炉中进行固结，形成固结的拉丝预制件。然后采用常规方法将该拉丝预制件拉制成具有掺杂K2O和GeO2的芯的光纤。按照类似的方式，对剩余的第二玻璃芯棒部分进行加工以得到拉丝预制件，并将该拉丝预制件拉制成光纤。使用按照EIA/TIAFOTP-78光谱衰减测定台和光时域反射测量法(OTDR)EIA/TIA FOTP-60，测定该光纤的光损失(衰减)。测定结果列于下表1。在表1中，MFD表示在1310nm波长测定的光纤的模场直径，光纤的截止波长是按照EIA/TIA FOTP-80，在2m长光纤上测定的截止波长。
表1
| 光纤 | 拉丝速度(m/s) | 在1550nm的衰减dB/km(OTDR) | 在1550nm的衰减dB/km(光谱) | 1310nm的MFDnm | 光纤截止波长(nm) | 零色散波长(nm) | 零色散斜率(ps/nm<sup>2</sup>/km) |
| 1 | 20 | 0.1830 | 0.185 | 9.55 | 1508.8 | 1308.1 | 0.088 |
| 2 | 20 | 0.1783 | 0.176 | 9.60 | 1427.4 | 1309.1 | 0.088 |
| 3 | 20 | 0.1821 | 0.175 | 9.25 | 1518.3 | 1316.1 | 0.086 |
| 4 | 10 | 0.1853 | 0.184 | 9.27 | 1518.7 | 1317.4 | 0.086 |
| 5 | 10 | 0.1799 | 0.183 | 9.31 | 1302.7 | 1320.9 | 0.085 |
| 6 | 10 | 0.1827 | 0.182 | 9.24 | 1189.5 | 1322.6 | 0.084 |
| 7 | 20 | 0.1827 | 0.180 | 9.37 | 1200.2 | 1323.5 | 0.084 |
| 8 | 20 | 0.1809 | 0.177 | 9.24 | 1311.1 | 1318.5 | 0.085 |
实施例6
按照本文揭示的方法对第一二氧化硅玻璃管掺杂Rb2O，对该管进行加热并烧缩形成固体玻璃芯棒。也按照本文揭示的方法对第二二氧化硅玻璃管掺杂Cs2O。对第二玻璃棒进行加热并烧缩形成掺杂有Cs2O的第二固体玻璃芯棒。将电子微探针横贯玻璃棒靠近其中心线的直径部分，测定掺杂Rb2O的玻璃芯棒和掺杂Cs2O的玻璃芯棒。各玻璃棒的所测直径上的Rb2O和Cs2O的浓度分别示于图22和图23，。图22中，曲线192示出在玻璃芯棒的一部分直径上的Rb2O浓度，曲线194示出F的浓度。在图23中，曲线196示出在玻璃芯棒的一部分直径上的Cs2O浓度，曲线198示出F浓度。
实施例7
使用上述实施例5的芯棒制造光纤。该光纤的折射率分布以及K2O浓度示于图24。图24中，曲线200表示芯的折射率分布，曲线202表示为半径函数的K2O浓度。采用光时域反射测量法(OTDR)进行测定时，该光纤在1550nm的衰减为0.1827dB/km，在1310nm的模场直径为9.52μm。光纤还具有约1519nm的截止波长，1308.2nm的零色散波长和零色散波长下0.088ps/nm2/km的色散斜率。光纤在150克光纤张力下以10m/s拉丝速度进行拉丝。
实施例8
图31示出属于本文公开的第一组优选光纤实施方式的光纤的相对折射率分布，该光纤按照图25所示的方法制造。Δ最大＝0.41％，半高峰宽，HHPW为4.4μm，R芯＝7.1μm，包层延伸到半径为62.5μm处。扩散拖尾从7.1μm至约22μm延伸到包层。
图32示出对图31光纤测定的K2O、GeO2、F和Cl浓度分布。表2总结了图32。
表2
| 芯 | 包层 | ||
| 最大K<sub>2</sub>O | ppm | 48 | 15 |
| 最大Ge<sub>2</sub>O | 重量％ | 7.6 | 0.12 |
| 最大F | 重量％ | 0.12 | 0.03 |
| 最小Cl | 重量％ | 0.016 | 0.08 |
| 最大Cl | 重量％ | 0.12 | 0.22 |
表3列出图31和32的光纤的测定性质：
表3
| 长度 | 米 | 7797 |
| 在1310nm的衰减 | dB/km | 0.326 |
| 在1380nm的衰减 | dB/km | 0.959 |
| 在1410nm的衰减 | dB/km | 0.454 |
| 在1550nm的衰减 | dB/km | 0.183 |
| 在1625nm的衰减 | dB/km | 0.193 |
| 在1310nm的模场直径 | μm | 9.52 |
| 光纤截止 | μm | 1519 |
| 零色散波长 | μm | 1308 |
| 在1310nm的色散斜率 | ps/nm<sup>2</sup>-km | 0.088 |
实施例9，10，11
图33示出实施例8(图31代表的)的光纤的K2O浓度分布，以及实施例9-11的光纤中K2O的浓度分布，实施例9-11大致类似于实施例8，除了K2O掺杂剂分布。表4列出对实施例8-11的K2O的峰值浓度和K2O分布的半峰高宽度以及相应测得的在1550nm的衰减。实施例11具有最低的K2O峰，最低K2O分布和最高衰减。发现，衰减的下降是存在的K2O峰值浓度下降至小于约20ppm的结果。
表4
| 实施例8 | 实施例9 | 实施例10 | 实施例11 | ||
| 最大K<sub>2</sub>O | ppm | 48 | 22 | 19 | 14 |
| HHPW K<sub>2</sub>O | μm | 5.4 | 5.9 | 5.4 | 5.8 |
| 在1550nm的衰减 | dB/km | 0.183 | 0.179 | 0.180 | 0.198 |
实施例12
图34示出按照图26所示方法制造的属于本文公开的第二组优选实施方式的光纤的相对折射率分布。Δ最大＝0.33％，半峰高宽度HHPW为4.4μm，R芯＝4.7μm，包层延伸到半径为62.5μm处。芯中K2O平均浓度为250ppm。
表5列出图34的光纤的测定性质：
表5
| 实施例12 | ||
| 光谱衰减 | ||
| 1310nm | 0.289dB/km | |
| 1550nm | 0.167dB/km | |
| 1625nm | 0.189dB/km | |
| 色散 | λ<sub>0</sub> | 1296nm |
| 1310nm | 1.19ps/(nm·km) | |
| 1550nm | 17.23ps/(nm·km) | |
| 1625nm | 21.11ps/(nm·km) | |
| λ<sub>0</sub>处斜率 | 0.0861ps/nm<sup>2</sup>·km | |
| 1550nm处斜率 | 0.0543ps/nm<sup>2</sup>·km | |
| 模场直径 | 1310nm | 8.90μm |
| 1550nm | 10.22μm | |
| 光纤截止 | 1298nm |
实施例13-17
按照图26所示方法制造的属于本文公开的第二组优选实施方式的另一些代表性的光纤具有类似于图34的折射率分布。实施例18，制造有高浓度K2O的芯的光纤，并进行了测定。
表6列出实施例13-18的测定值：
表6
| 实施例 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 |
| 平均K<sub>2</sub>O(ppm) | 109 | 176 | 220 | 220 | 222 | 462 |
| 芯中最小F(重量％) | 0.026 | 0.14 | 0.16 | 0.17 | 0.12 | |
| 包层中最小F(重量％) | 1.08 | 1.17 | 1.04 | 1.12 | ||
| 包层中最大F(重量％) | 1.43 | 1.49 | 1.41 | 1.49 | ||
| 芯中最大Cl(重量％) | 0.013 | 0.025 | 0.025 | 0.022 | 0.029 | |
| 1310nm处的衰减(通过OTDR)(dB/km) | 0.307 | 0.295 | 0.295 | |||
| 1550nm处的衰减(通过OTDR)(dB/km) | 0.178 | 0.169 | 0.171 | |||
| 1310nm处的衰减(通过光谱)(dB/km) | 0.307 | 0.281 | 0.296 | 0.295 | 0.296 | 0.659 |
| 1550nm处的衰减(通过光谱)(dB/km) | 0.178 | 0.165 | 0.17 | 0.169 | 0.17 | 0.528 |
比较例18在1550nm具有较高的测量衰减。
图35示出实施例15的K2O、F和Cl的浓度分布。芯中K2O峰值浓度为400ppm，K2O浓度分布的最大半全宽(FWHM)是4.8μm。
对本领域技术人员而言在不偏离本发明精神和范围下对本发明进行的各种修改和变动都是显而易见。因此，本发明旨在包括在所附权利要求书和其等价内容的范围之内对本发明的修改和变动。
Claims (4)
1.一种光纤，该光纤包括：
二氧化硅基芯，所述芯包含选自氧化锗、氟以及它们的混合物的第一掺杂剂，以及含有选自K2O、Na2O、Li2O、Rb2O、Cs2O以及它们的混合物的碱金属氧化物的第二掺杂剂，其峰值浓度为20-1000ppm；
包围芯并与其直接相邻的二氧化硅基包层；
其特征在于，所述光纤在1550nm的衰减小于0.185dB/km。
2.一种光纤，该光纤包含：
二氧化硅基芯，该芯包含选自氧化锗、氟以及它们的混合物的第一掺杂剂，和含有选自K2O、Na2O、Li2O、Rb2O、Cs2O以及它们的混合物的碱金属氧化物的第二掺杂剂，其峰值浓度为20-1000ppm；和
包围芯并与其直接相邻的二氧化硅基包层；
其特征在于，芯所具的折射率分布中有相对折射率峰Δ最大，比包层大0.2％。
3.一种制造光纤的方法，该方法包括：
形成包含选自K2O、Na2O、Li2O、Rb2O、Cs2O以及它们的混合物的碱金属氧化物的第一玻璃棒，其中所述碱金属氧化物的峰值浓度为20-1000ppm；
将第一玻璃棒插入光纤预制件的中心线孔中，以形成复合预制件。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述第一玻璃棒的形成包括以下步骤：
将含二氧化硅炱沉积在旋转心轴上，以形成含二氧化硅炱的管，
用含氯气体干燥该含二氧化硅炱管，
用含氟气体进一步干燥该含二氧化硅炱管，
固结该二氧化硅炱管，以形成玻璃管，
用选自K2O、Na2O、Li2O、Rb2O、Cs2O以及它们的混合物的碱金属氧化物对该玻璃管或由该玻璃管形成的中间制品进行掺杂；
烧缩该玻璃管或中间制品，以形成掺杂碱金属的第一玻璃棒，
其中，光纤预制件包含含二氧化硅炱的管，
其中，芯棒由掺杂碱金属的棒和含二氧化硅炱管形成，并且
所述方法还包括：
将掺杂氟的二氧化硅添加于芯棒，和
固结该掺杂氟的二氧化硅，以形成最终的拉丝预制件。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CX01 | Expiry of patent term | ||
| CX01 | Expiry of patent term |
Granted publication date: 20090930 |