CN101253126A - 制造玻璃材料的方法和制造光纤的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种含铋玻璃体制造方法，含铋玻璃体可以用于制造具有低背景损耗的光纤，并且本发明还提供一种包括该玻璃体制造方法在内的光纤制造方法。玻璃体制造方法包括：在玻璃管的内壁上沉积玻璃微粒层的步骤；烧结所述玻璃微粒层以形成玻璃层的步骤；缩减其内壁上具有所述玻璃层的所述玻璃管的直径的步骤；以及使直径已经在所述直径缩减步骤中被缩减的所述玻璃管塌缩以形成所述玻璃体的步骤。在所述沉积步骤中，在将有机铋化合物供应至所述玻璃管内的同时形成玻璃微粒层。在所述烧结步骤中，在将有机铋化合物供应至所述玻璃管内的同时烧结所述玻璃层。光纤制造方法包括拉伸玻璃体的步骤，所述玻璃体是通过本发明的所述玻璃体制造方法制造出的。

Description

制造玻璃材料的方法和制造光纤的方法
技术领域
本发明涉及一种含铋玻璃体的制造方法，该含铋玻璃体适用于光纤预制件，本发明还涉及一种包括玻璃体制造方法在内的光纤制造方法。
背景技术
掺铋石英玻璃具有例如峰值波长为1250nm并且半值宽度为大约300nm的较宽荧光光谱，这已为人们所熟知。人们期望将这样的玻璃应用在用于1300nm波带的放大光纤中。
作为掺铋玻璃的制造方法，已知的有利用溶胶-凝胶工艺的方法(例如Y.Fujimoto and M.Nakatsuka：Jpn.J.Appl.Phys.Vol.40(2001)pp.L279-L281和未经审查的日本专利申请公开No.11-29334)以及熔融淬火工艺(即通过混合粉末材料、在坩锅中熔化该材料并快速冷却该材料以得到玻璃的方法(例如未经审查的日本专利申请公开No.2002-252397))。然而，当通过溶胶-凝胶工艺或熔融淬火工艺制造玻璃时，在对玻璃掺铋的过程中杂质将混入玻璃中。因此，难于制造出适用于光纤预制件的玻璃体。如果由这样的玻璃体制成光纤，则由于该光纤的高背景损耗使该光纤无法用作放大光纤。
已知改进的化学汽相沉积(MCVD)法是用于制造具有低背景损耗的光纤的方法。当应用MCVD法时，如下所述制造掺金属元素光纤。首先，在玻璃管的内壁上形成SiO2微粒粉末层(玻璃微粒层)，利用含有金属元素的溶液浸渍SiO2微粒粉末层，并烧结(固结)SiO2微粒粉末层以形成玻璃层。然后，对包括玻璃层的玻璃管缩减直径并进行塌缩以形成光纤预制件，拉伸该光纤预制件从而形成掺金属元素光纤。
非专利文献1：Y.Fujimoto and M.Nakatsuka：Jpn.J.Appl.Phys.Vol.40(2001)pp.L279-L281
专利文献1：未经审查的日本专利申请公开No.11-29334
专利文献2：未经审查的日本专利申请公开No.2002-252397
发明内容
要解决的技术问题
本发明的目的在于提供一种含铋玻璃体的制造方法，所述含铋玻璃体适用于制造具有低背景损耗的光纤，并且提供一种包括玻璃体制造方法在内的光纤制造方法。
技术方案
为了解决上述问题，提供了一种用于制造玻璃体的方法，该方法包括下述步骤：(1)沉积步骤，在玻璃管的内壁上沉积玻璃微粒层；(2)烧结步骤，烧结所述玻璃微粒层以形成玻璃层；(3)直径缩减步骤，缩减在其内壁上具有所述玻璃层的所述玻璃管的直径；以及(4)塌缩步骤，使直径已经在所述直径缩减步骤中被缩减的所述玻璃管塌缩以形成所述玻璃体。在这种方法中，在所述沉积步骤中，在将有机铋化合物供应至所述玻璃管内的同时形成所述玻璃微粒层，并且在所述烧结步骤中，在将有机铋化合物供应至所述玻璃管内的同时烧结所述玻璃层。
在所述沉积步骤中，可在900℃到1300℃之间的温度范围内加热所述玻璃管，而在所述烧结步骤中，可在1250℃到1500℃之间的温度范围内加热所述玻璃管(在本说明书中，除非另作说明，否则“玻璃管的温度”是指在玻璃管的外表面测量的温度)。在所述直径缩减步骤中，可在将有机铋化合物供应至所述玻璃管内的同时进行直径缩减。作为所述有机铋化合物，可使用三叔戊氧基铋(Bi(OtAm)3，其也可表示为Bi(O-t-C5H11)3)。可以提供光纤预制件或所述光纤预制件的中间体作为所述玻璃体，所述光纤预制件和所述中间体均使用石英玻璃作为基质材料。
根据另一方面，提供了一种用于制造光纤的方法，该方法包括拉伸步骤，即拉伸根据本发明的玻璃体制造方法制造出的玻璃体。
有益效果
根据本发明的玻璃体制造方法，可以制造出含铋并可用于制造具有低背景损耗的光纤的玻璃体。同样，根据本发明的光纤制造方法，由于可降低背景损耗并可搀杂所需量的铋，所以可以得到可用作在1300nm波带中工作的放大光纤的光纤。
附图说明
图1是示出根据本发明实施例的用于制造玻璃体的方法的流程图。
图2是示出图1所示流程图的各个步骤的示意性视图。
图3是示出从玻璃体形成光纤的拉伸步骤的示意性视图。
图4是光纤的折射率分布图。
图5是示出在沉积步骤中玻璃体中的含铋量与玻璃管的温度之间关系的曲线图。
图6是示出在烧结步骤中玻璃体中的含铋量与玻璃管的温度之间关系的曲线图。
图7是示出在实例2中所制造的光纤的背景损耗的波长相关性的曲线图。
附图标记的说明
10：玻璃管，        10a：内壁，
10b：外表面，       20：氢氧燃烧器，
31：玻璃微粒层，    32：玻璃层，
33：玻璃体，        34：光纤
具体实施方式
下面将参照附图对本发明的实施例进行说明。附图旨在说明实施例而不限制本发明的范围。在各图中，相同的附图标记将用于表示相同的部件以避免重复的说明。各图中所示的部件并非必须按照比例绘制。在以下说明中，将制造出包括石英玻璃作为基质材料的光纤预制件作为玻璃体。
图1是示出根据本发明实施例的用于制造玻璃体的方法的流程图。在该方法中，应用MCVD法来制造玻璃体，并且该方法包括沉积步骤S1、烧结步骤S2、直径缩减步骤S3以及塌缩步骤S4。在该方法中，沉积步骤S1与烧结步骤S2中的每一个步骤分别重复两次，然后按此顺序进行直径缩减步骤S3与塌缩步骤S4从而形成玻璃体。下面将说明每个步骤。
图2(a)至2(d)是示出图1所示流程图的各个步骤的简图，其中各图分别示出了在各个步骤中沿玻璃管中心轴线截取的玻璃管的横截面视图。
在图2(a)所示的沉积步骤S1中，在将包括四氯化硅(SiCl4)、氯化铝(AlCl3)、三叔戊氧基铋(Bi(OtAm)3)、氧气(O2)、氦气(He)等的混合气体供应至玻璃管10内作为原料气体的同时，利用作为加热源的氢氧燃烧器20加热玻璃管10。在这些条件下，石英玻璃微粒沉积在玻璃管10的内壁10a上并且形成包括铋(100wppm～1w％)和铝(1w％～15w％)的玻璃微粒层31。玻璃管10是包层区域(或包层区域的一部分)并由掺氟石英玻璃或不含氟的纯石英玻璃构成。玻璃微粒层31是芯层区域。氢氧燃烧器20的沿着玻璃管10的纵向的移动速度(横动速度)例如为60mm/min。氢氧燃烧器20加热玻璃管10从而使玻璃管10的外表面10b的温度保持在大约1100℃。
在图2(b)所示的烧结步骤S2中，在将包括Bi(OtAm)3、氧气和氦气的混合气体供应至玻璃管10内的同时，利用氢氧燃烧器20加热玻璃管10。在这些条件下，将玻璃微粒层31烧结成玻璃层32。氢氧燃烧器20的沿着玻璃管10的纵向的移动速度例如为大约60mm/min。氢氧燃烧器20加热玻璃管10从而使玻璃管10的温度例如从600℃逐步地上升至大约1400℃的最大值。
在再一次进行沉积步骤S1和烧结步骤S2中的每一个步骤之后，进行直径缩减步骤S3。在图2(c)所示的直径缩减步骤S3中，在将氧气供应至玻璃管10内的同时，通过利用氢氧燃烧器20进行加热使具有玻璃层32的玻璃管10的直径缩减。氢氧燃烧器20的沿着玻璃管10的纵向的移动速度例如为大约20mm/min。在直径缩减步骤S3中，优选的是，在将包括Bi(OtAm)3、氧气和氦气的混合气体供应至玻璃管10内的同时对玻璃管10进行加热。在这些条件下，玻璃管10中铋的蒸汽压力可以保持在高的水平，从而可以抑制玻璃层32中的铋发生蒸发。
在图2(d)所示的塌缩步骤S4中，在将氧气供应至直径已被缩减的玻璃管10内的同时，利用氢氧燃烧器20加热玻璃管10，从而使玻璃管10塌缩成为玻璃体33。氢氧燃烧器20的沿着玻璃管10的纵向的移动速度例如为5mm/min。玻璃体33用作光纤预制件。
图3是示出从玻璃体形成光纤的拉伸步骤的示意性视图。通过拉伸设置在拉丝炉40中的作为光纤预制件的玻璃体33得到光纤34。
图4是光纤34的折射率分布图。由于在沉积步骤S1中形成的玻璃微粒层31构成光纤34的芯层区域34a，所以芯层区域34a含有氧化铋(Bi2O3)和氧化铝(Al2O3)。芯层区域34a的折射率高于包层区域34b的折射率从而在芯层区域34a内传播光线。此外，由于含铋的石英玻璃具有扩展至长波长一侧的峰值波长为1250nm的较宽荧光光谱，所以光纤34可以在波分复用传输中适当地用作针对1300nm波带的放大光纤。
根据现有的用于制造掺金属元素光纤的方法，如果金属元素是具有高挥发性的铋，则当对含铋的玻璃微粒层进行烧结时铋将蒸发。结果，难以制造出具有所需量的铋的光纤预制件或光纤。
相反，根据本实施例的用于制造玻璃体的方法，由于在沉积步骤S1中在将气态有机铋化合物Bi(OtAm)3供应至玻璃管10内的同时形成玻璃微粒层31，所以所形成的玻璃微粒层31包含铋。因此，当在烧结步骤S2中以高于沉积步骤S1的温度加热玻璃管10时，包含在玻璃微粒层31中的铋不易蒸发。此外，在烧结步骤S2中，通过将Bi(OtAm)3气体供应至玻璃管10从而使玻璃管10中铋的蒸汽压力保持在高的水平。因此，可以抑制玻璃微粒层31(或玻璃层32)中铋的蒸发，从而形成含有所需量的铋的玻璃体33和光纤34。此外，在本实施例的用于制造玻璃体的方法中，由于根据MCVD法形成玻璃体，所以可抑制引起光纤背景损耗的杂质的混入。结果，该玻璃体可以适用于制造低背景损耗的光纤。
通过使用本实施例的用于制造玻璃体的方法，可以制造出含铋的玻璃体33。可参照图5和图6对此进行更具体的说明。图5是示出在沉积步骤S1中玻璃体33中的含铋量与玻璃管10的温度之间关系实例的曲线图。更具体而言，图5用符号“◆”表示铋在相应温度下的含量，其中铋包含在以下述方式制造出的各个玻璃体33中：玻璃管10的温度在800℃到1500℃之间的范围内以100℃或50℃变化。横坐标是玻璃管10的温度，纵坐标是铋的添加量。在玻璃体33的制造过程中的烧结步骤S2中，玻璃管10的最高温度为大约1400℃。
在直径缩减步骤S3中没有供应铋的情况下，当以大约900℃至1400℃特别是1100℃的温度加热玻璃管10时可以含有铋。一般来说，当温度较低(例如图5中的900℃或更低)时不易形成玻璃微粒层31，而当温度较高时不易添加铋。因此，在沉积步骤S1中的上述温度范围内，玻璃管10的温度可优选为大约950℃至1300℃，更优选的是大约1100℃。
此外，在图5所示的曲线图上用符号“□”标示以下述方式制造出的玻璃体33中的含铋量：在直径缩减步骤S3中将铋供应至玻璃管10中。由于在直径缩减步骤S3中供应铋，所以玻璃体33中的含铋量进一步增加。
图6是示出在烧结步骤S2中玻璃体33中的含铋量与玻璃管10的温度之间关系实例的曲线图。更具体而言，图6用符号“◆”表示铋在相应温度下的含量，其中铋包含在以下述方式制造出的各个玻璃体33中：玻璃管10的温度在800℃到1600℃之间的范围内以100℃或50℃变化。横坐标是玻璃管10的温度，纵坐标是铋的添加量。如上所述，在烧结步骤S2中玻璃管10的温度逐步升高。应当注意到，在烧结步骤S2中玻璃管10的温度是指温度逐步升高的温度分布图中的最高温度。在用于制造玻璃体33的沉积步骤S1中，玻璃管10的温度为大约1100℃。
在直径缩减步骤S3中没有供应铋的情况下，当温度大约为1200℃至大约1500℃特别是大约1400℃时可以可靠地含有铋。如果温度低于1250℃，则会不充分地进行烧结。如果温度较高，则铋蒸发的可能性较高。在烧结步骤S2中，玻璃管10的温度优选为大约1 250℃至大约1400℃，更优选的是大约1400℃。在上述方法中，在沉积步骤中将玻璃管的温度设定在从900℃或更高至1300℃或更低，并且在烧结步骤中将玻璃管的温度设定在从1250℃或更高至1500℃或更低，从而更可靠地形成含铋的玻璃层。
此外，测量玻璃体33中的含铋量并用符号“□”在图6所示的曲线图上标示出该测量值，在直径缩减步骤S3中在将铋供应至玻璃管10内的同时制造出玻璃体33。由于在直径缩减步骤S3中供应铋，所以玻璃体33中的含铋量进一步增加。
根据图5和图6，可以理解，使用本实施例的用于制造玻璃体的方法可以可靠地制造出含铋的玻璃体33。通过在直径缩减步骤S3中对玻璃管加热会使玻璃层中所含的铋蒸发。然而，由于在进行直径缩减的同时供应铋，所以可抑制铋从玻璃层中蒸发并且可以制造出具有较大量铋的玻璃体33。
已经对本发明的优选实施例进行了说明，但本发明并不受上述实施例的限制。在本实施例中，虽然在玻璃管10的内壁10a上形成作为芯层区域的玻璃微粒层31，但也可在内壁10a上形成作为包层区域的玻璃微粒层之后形成作为芯层区域的玻璃微粒层。在这种情况下，玻璃管10用作包层区域或套层的一部分。玻璃体33用作光纤预制件，然而玻璃体33也可用作中间体光纤预制件。
在上述实施例中，氧化铝(Al2O3)用作添加到玻璃微粒层31(芯层区域34a)中的折射率调节剂的实例。折射率调节剂的实例可包括氧化锗、氧化磷、氯以及氟。此外，在上述实施例中，尽管沉积步骤S1和烧结步骤S2重复两次，但每个步骤也可进行一次或者也可进行三次或更多次。
实例
参照实例1、实例2以及比较例更具体地说明本发明的玻璃体制造方法和光纤制造方法。应当注意到，本发明并不局限于实例1和实例2。
如下所述对实例1进行说明。在沉积步骤S1中，在将包括AlCl3、Bi(OtAm)3、氧气以及氦气的混合气体供应至玻璃管10内的同时，利用氢氧燃烧器20加热玻璃管10以形成玻璃微粒层31。玻璃管10的外径为25mm，玻璃管10的内径为16mm。在沉积步骤S1中Bi(OtAm)3的供给率为0.018标准立方厘米(sccm)，氦载体气体的供给率为45sccm。利用氢氧燃烧器20使玻璃管10的温度保持在大约1100℃。氢氧燃烧器20的移动速度为大约60mm/min。
在烧结步骤S2中，在将包括Bi(OtAm)3、氦气和氧气的混合气体供应至玻璃管10内的同时，通过利用氢氧燃烧器20将玻璃管10加热至600℃至1400℃的温度来将玻璃微粒层31烧结成玻璃层32，其中，温度是逐步升高的。Bi(OtAm)3气体的供给率为0.018sccm，氦载体气体的供给率为45sccm。氢氧燃烧器20的移动速度为大约60mm/min。
再一次进行沉积步骤S1和烧结步骤S2，然后在直径缩减步骤S3中缩减玻璃管10的直径。在此步骤中，将氧气供应至玻璃管10中。在直径缩减步骤S3中，氢氧燃烧器20的移动速度为大约20mm/min，并且玻璃管10的温度为从1600℃至1800℃。
在塌缩步骤S4中，在将氧气供应至直径已被缩减的玻璃管10内的同时，利用氢氧燃烧器20将玻璃管10加热至1700℃来塌缩玻璃管10。氢氧燃烧器20的移动速度为5mm/min。通过塌缩得到的玻璃体(光纤预制件)33中包含的铝的浓度为大约3.8wt％，铋的浓度大约为100wt·ppm。这意味着在玻璃体33中可靠地含有铋。
如下所述对实例2进行说明。在实例2中，除了在直径缩减步骤S3中在将Bi(OtAm)3气体供应至玻璃管10中的同时缩减玻璃管10的直径以外，以与实例1相同的方式制造玻璃体33。在直径缩减步骤S3中，Bi(OtAm)3气体的供给率为0.018sccm，并且氦载体气体的供给率为45sccm。得到的玻璃体33中包含的铝的浓度为大约4.2wt％，并且铋的浓度大约为370wt·ppm。
此外，在实例2中，通过利用拉丝炉40拉伸作为光纤预制件的玻璃体33来形成光纤34。在此步骤中，拉伸速度为50m/min并且拉丝炉中的温度为1750℃。利用回切法(cutback method)测量光纤34的背景损耗。
图7是示出光纤34的背景损耗的波长相关性的曲线图。如图7所示，背景损耗在1300nm的波长附近为大约48.4dB/km，并且在1550nm的波长附近为大约34.6dB/km。也就是说，利用图1所示的制造玻璃体的方法可以制造出具有低背景损耗并可令人满意地用作放大光纤的光纤。
如下所述对比较例进行说明。也就是说，除了在烧结步骤S2中不供应Bi(OtAm)3气体并且在烧结步骤S2中玻璃管10的温度为大约1550℃以外，以与实例1相同的方式制造玻璃体。尽管以此方式制造出的玻璃体的芯层区域中包含的铝的浓度为大约4.5wt％，但铋几乎不包含在该区域中。
实例1与比较例之间的比较表明：通过在烧结步骤S2中在供应Bi(OtAm)3气体的同时对玻璃微粒层31进行脱水和烧结，可以更可靠地含有铋。实例1与实例2之间的比较表明：通过在将Bi(OtAm)3气体供应至玻璃管10中的同时对玻璃管10进行直径缩减，可以含有更大量的铋。
本申请要求2005年9月1日提交的日本专利申请No.2005-253893的优先权，该申请的全部内容以引用的方式并入本文。
工业实用性
根据本发明的制造玻璃体的方法和制造光纤的方法，可以得到可用作应用于1300nm波带的放大光纤的光纤。

Claims (6)

1.一种制造玻璃体的方法，包括下述步骤：
沉积步骤，在玻璃管的内壁上沉积玻璃微粒层；
烧结步骤，烧结所述玻璃微粒层以形成玻璃层；
直径缩减步骤，缩减在其内壁上具有所述玻璃层的所述玻璃管的直径；以及
塌缩步骤，使直径已经在所述直径缩减步骤中被缩减的所述玻璃管塌缩以形成所述玻璃体，
其中，在所述沉积步骤中，在将有机铋化合物供应至所述玻璃管内的同时形成所述玻璃微粒层，并且在所述烧结步骤中，在将有机铋化合物供应至所述玻璃管内的同时烧结所述玻璃层。
2.根据权利要求1所述的制造玻璃体的方法，其中，
在所述沉积步骤中，在900℃到1300℃之间的温度范围内加热所述玻璃管，而在所述烧结步骤中，在1250℃到1500℃之间的温度范围内加热所述玻璃管。
3.根据权利要求1所述的制造玻璃体的方法，其中，
在所述直径缩减步骤中，在将所述有机铋化合物供应至所述玻璃管内的同时进行所述直径的缩减。
4.根据权利要求1所述的制造玻璃体的方法，其中，
所述有机铋化合物是三叔戊氧基铋(Bi(OtAm)3)。
5.根据权利要求1所述的制造玻璃体的方法，其中，
所述玻璃体是光纤预制件或所述光纤预制件的中间体，所述光纤预制件和所述中间体均使用石英玻璃作为基质材料。
6.一种制造光纤的方法，包括下述步骤：
沉积步骤，在玻璃管的内壁上沉积玻璃微粒层；
烧结步骤，烧结所述玻璃微粒层以形成玻璃层；
直径缩减步骤，缩减在其内壁上具有所述玻璃层的所述玻璃管的直径；
塌缩步骤，使直径已经在所述直径缩减步骤中被缩减的所述玻璃管塌缩以形成所述玻璃体；以及
拉伸步骤，拉伸所述玻璃体，
其中，在所述沉积步骤中，在将有机铋化合物供应至所述玻璃管内的同时形成所述玻璃微粒层，并且在所述烧结步骤中，在将有机铋化合物供应至所述玻璃管内的同时烧结所述玻璃层。
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