CN101506703A

CN101506703A - 含碱金属氧化物的光纤

Info

Publication number: CN101506703A
Application number: CNA200780031211XA
Authority: CN
Inventors: S·R·别克汉姆; S·K·米斯拉
Original assignee: Corning Inc
Current assignee: Corning Inc
Priority date: 2006-08-24
Filing date: 2007-08-15
Publication date: 2009-08-12

Abstract

本发明揭示了一种光纤，其包括二氧化硅基芯体和二氧化硅基覆层，所述芯体包含选自以下的碱金属氧化物：K₂O，Na₂O，LiO₂，Rb₂O，Cs₂O以及它们的混合物，所述碱金属氧化物在所述芯体中的平均浓度约为50－1000重量ppm，所述覆层包围所述芯体，并且与芯体直接相邻，所述光纤的光缆截止小于1400纳米，在1550纳米处的色散约为13－19ps/nm/km，零色散波长约小于1324nm。通过适当选择在芯体和覆层中的碱金属氧化物的浓度，可获得低损耗光纤。

Description

含碱金属氧化物的光纤

相关申请的交叉参考

本申请根据35 U.S.C.§119(e)要求对2006年8月24日提交的美国临时申请序列号第60/839,743和2006年10月5日提交的美国临时申请序列号第60/849,732享有权益和优先权，这些临时申请的的内容是本申请的依托并且全文通过参考结合于本文中。

技术领域

本发明一般性涉及掺杂有碱金属氧化物的光纤以及制造该光纤的方法和设备。

背景技术

衰减是光纤的主要极限属性。例如，光纤损耗在设定光纤放大器之间的极限距离时起到重要的作用。这一点在此类放大器占系统的显著成本并且是影响系统可靠性的主要因素的远距离和超远距离的网络，例如海底应用中特别重要。因此，商业上对将衰减尽可能降至最低水平极有兴趣。

发明内容

本发明的一个宽泛的方面涉及一种包括二氧化硅基芯体和二氧化硅基覆层的光纤，所述芯体包含选自K₂O，Na₂O，LiO₂，Rb₂O，Cs₂O及其混合物的碱金属氧化物，这些碱金属氧化物在所述芯体中的平均浓度约为50-1000重量ppm，所述二氧化硅基覆层包围着所述芯体，与所述芯体直接相邻。所述光纤的光缆截止波长小于1400纳米，更优选小于1300纳米，最优选小于1260纳米。所述光纤在1550纳米处的色散约为13-19ps/nm/km，更优选为14-18ps/nm/km。所述光纤的零色散波长约小于1420纳米，优选约小于1324纳米，优选其在1310纳米处的色散斜率约小于.092ps/nm/km，更优选在1310纳米处的色散斜率约小于或等于.090ps/nm/km。所述光纤在1550纳米处的模场直径优选约大于9.5微米，等效面积约大于70微米²，更优选在1550纳米处的模场直径约大于10.0微米，等效面积约大于75微米²。

芯体中存在的碱金属氧化物在所述芯体中的平均浓度优选为约50-500重量ppm，更优选为约100-300重量ppm。所述光纤的芯体优选基本不含氧化锗(germania)，优选不含氧化锗掺杂剂。所述芯体可以包含氟，在一些实施方式中，所述芯体中氟的平均浓度优选大于所述芯体中碱金属氧化物的平均浓度。所述光纤的芯体以及光纤的覆层还可以包含氯，在一些优选的实施方式中，所述芯体中氯的平均浓度优选大于所述芯体中碱金属氧化物的平均浓度。本文中所用的平均浓度表示在整个芯体上的平均浓度。因此，例如，如果芯体的内50％具有300重量ppm的K₂O，并且芯体的外50％具有400重量ppm的K₂O，则芯体中K₂O的平均浓度为350ppm。K₂O是根据本发明最优选的用于掺杂的碱金属氧化物。

所述光纤的芯体包含的氯在所述芯体中的平均浓度优选大于约750重量ppm。覆层是基于二氧化硅的覆层，该覆层包围所述芯体，并优选与所述芯体直接相邻。覆层优选含有大于10000ppm的氟。较好地，所述芯体基本不含锗，更优选所述芯体不含锗。

在一个优选的实施方式中，所述光纤的芯体包含沿芯体的中心线设置的第一区域，该区域中的氯含量小于100ppm；以及包围所述第一区域的第二芯体区域，该区域中的氯含量大于100ppm。还优选第一区域的最大氟含量大于所述第二区域中的最小氟含量。

所述芯体中的平均氯浓度优选大于500ppm，更优选大于750ppm，甚至更优选大于1000ppm，最优选大于约1500ppm。所述芯体中的平均氟浓度优选大于500ppm，更优选大于750ppm，甚至更优选大于1000ppm，最优选大于约1500ppm。

采用本文公开的碱金属氧化物掺杂技术制造的光纤呈现，在1310纳米处的衰减小于约0.30dB/km，在1550纳米处的衰减小于约0.175dB/km；优选在1550纳米处的衰减小于约0.170dB/km，更优选在1550纳米处的衰减小于约0.16dB/km。

较好地，光纤的芯体和覆层都含有碱金属氧化物掺杂剂。所述光纤包含至少一个芯体段；但是这并不重要，所述光纤还可以包含多个芯体段。

所述光纤的芯体优选包含小于20ppb的OH。

在以下的详细描述中提出了本发明的附加特征和优点，其中的部分特征和优点对本领域的技术人员而言根据所作描述即容易理解，或者通过实施包括以下详细描述、权利要求书以及附图在内的本文所述的本发明而被认识。

应理解，前面的一般性描述和以下的详细描述都只是本发明的示例，用来提供理解要求保护的本发明的性质和特性的总体评述或框架。包括的附图提供了对本发明的进一步的理解，附图被结合在本说明书中并构成说明书的一部分。附图图示说明了本发明的各种实施方式，并与说明书一起用来说明本发明的原理和操作。在适当之处，类似的特征注以同样的编号。

附图说明

图1是根据本发明的一种阶跃折射率光纤的折射率分布图。

图2是根据本发明的一种阶跃折射率光纤的折射率分布图。

图3图示说明根据本发明制造掺杂碱金属氧化物的光纤的方法。

图4示出沉积玻璃烟炱(glass soot)的方法。

图5示出用碱金属氧化物对玻璃管掺杂的方法。

图6示出拉制玻璃棒的工艺。

具体实施方式

本发明涉及低损耗光纤以及该光纤的制造方法。更具体地，本发明涉及掺杂有碱金属氧化物掺杂剂的光纤及其制造方法和相关的预制件。本文中使用的以下术语具有以下含义：

-模场直径是对单模光纤的端面上光功率的度量，可表示为下式：

2ω₀＝(λ/π)[2∫I(Φ)sinΦcosΦdΦ)/∫I(Φ)sin³ΦcosΦdΦ]^1/2 (1)

式中，2ω₀是模场直径(因此ω₀是模场半径)，λ是光的平均波长，Φ是相对于辐射方向图的中心的角度，这些积分优选从0°至90°进行。例如，可按照ANSI/TIA/EIA-455-191-A-2001的测试程序来测量模场直径。

-等效面积如下：

A_eff＝2π(∫E²r dr)²/(∫E⁴r dr) (2)

式中，积分限为0至∞，E是与所传播的光相关的电场。

由于光缆环境中较高水平的弯曲和机械压力，光缆截止波长，或“光缆截止”甚至低于测得的光纤截止波长。实际的光缆条件可以用EIA-445光纤光学测试步骤所述的光缆截止测试近似，所述测试步骤是EJA-TIA光纤光学标准的一部份，即，电子工业联盟-电信工业联盟光纤光学标准(Electronics Industry Alliance-Telecommunications Industry AssociationFiber Optics Standards)，通常称为FOTP。光缆截止测量参见EIA-455-170，通过透射功率测量单模光纤的光缆截止波长(Cable Cutoff Wavelength ofSingle-mode Fiber by Transmitted Power)，或者＂FOTP-170＂。在本文中，光缆截止表示使用EIA-445光纤光学测试步骤测得的数值。

通过销杆阵列(pin array)弯曲测试比较了波导光纤对弯曲的相对耐受性。为了进行该测试，测量了基本没有弯曲引发的损耗的波导光纤的衰减损失。然后将所述波导光纤绕销杆阵列编织，然后再次测量衰减损失。弯曲引发的损耗是两种测得的损失之差。所述销杆阵列是一组十个圆柱形的销杆，它们排成一排，在平坦的表面上保持固定的垂直位置。所述销杆间距(中心与中心之间的距离)为5毫米。所述销杆的直径为0.67毫米。使所述波导光纤通过相邻销杆的相对侧。在测试过程中，所述波导光纤设置在一定的拉伸作用之下，所述拉伸作用刚好足以使得波导顺应销杆的一部份周长。

本文参考的另一种弯曲测试是侧向负荷金属丝网弯曲测试(LLWM)。在此测试中，将指定长度的波导光纤放置在两块平板之间。将70号金属丝网连接到其中一块板上。(市售的70号丝网表示由直径0.178毫米的金属丝制成的筛网。所述筛网的开孔是边长为0.185毫米的正方形。)将已知长度的波导光纤夹在所述板之间，用30牛的力将所述板压在一起的同时，测量参比衰减。然后对板施加70牛的力，然后测量衰减的增大，单位为dB/m。所述衰减的增大是波导的横向负荷衰减。

-相对折射率Δ由等式Δ_i＝(n_i ²-n_c ²)/2n_i ²定义，式中，n_i是该折射率分布段i的最大折射率，n_c是外部覆层的折射率。相对折射率一般表示为百分率，并且在本文中以术语％Δ表示。除非另外说明，％Δ表示折射率分布图的特定段相对于外部覆层折射率的最大相对折射率。

术语折射率分布或简称为率分布是在光纤的选定部分，通常是芯体上％Δ与半径之间的关系。

术语α分布指遵照以下等式的芯体折射率分布，

n(r)＝n₀(1-[r/a]^α) (3)

式中，r是芯体半径，a是该分布中的末点，在该分布的首点选择r为零，n₀是关注的芯体区域的最大折射率，α是定义芯体分布形状的指数(exponent)。其他常见的芯体折射率分布的形状包括：阶跃率，梯形折射率和圆化的阶跃折射率(rounded step index)，其中，圆化的原因是在折射率快速变化的区域中掺杂剂的扩散。

-芯体指光纤中折射率普遍高于覆层的部分，因此传输的光功率主要通过芯体传播。芯体可包含一个或多个段。单独芯体段的折射率可大于纯的二氧化硅、等于纯的二氧化硅或小于纯的二氧化硅的折射率。

除非另外说明，“ppm”指每百万的重量份，或“重量ppm”，按照重量％的测量值乘以10,000的因子可转化为ppm。

如图1和图2所示，在优选的实施方式中，本文所揭示的光纤优选包括芯体和包围所述芯体的覆层。较佳的是，所述覆层包围芯体，并且与芯体直接相邻。较好地，所述芯体基本上不含氧化锗(germania)，更优选不含氧化锗。在一些优选的实施方式中，芯体包括单一的芯体段，即中心芯体段14，覆层16包围该中心芯体段并与之直接相邻，如图1以及图1的说明性分布的变体——如上面讨论的具有阶跃、圆化、α或三角形形状的分布所代表的那样，其中，中心芯体段相对于覆层具有正的折射率Δ₁(r)。在其他优选的实施方式中，芯体包括多个芯体段，如中心芯体段和包围中心芯体段并与之直接相邻的第一环形芯体段，以及包围第一环形芯体段并与之直接相邻的覆层，其中，所述中心芯体段相对于覆层具有非负的，优选正的相对折射率Δ₁％(r)，第一环形芯体段的纯二氧化硅相对于覆层具有非负的，优选正的相对折射率Δ₂％(r)。

在图1和图2所示的实施方式中，所述芯体段14优选延伸至与光纤中心相距约2-8微米，更优选3-6微米，最优选3.5-4.5微米的距离，包覆部分16从芯体的外半径延伸至光纤的最外半径。如图1和2所示，优选的实施方式至少采用一个第一芯体区域14A和一个包覆区域16，所述芯体区域14A具有折射率Δ₁，所述包覆区域16具有低于Δ₁的折射率Δ₂。在整个芯体段14上的平均折射率优选约为0.25-0.45，更优选约为0.3-0.4。区域14A的Δ₁优选值约为0.25-0.45，更优选约为0.30-0.35。区域14A可以在与光纤的中线横切的方向上具有连续的斜率，或者芯体区域14可以任选地包括区域14B，如果采用区域14B，则优选其具有大于Δ₁的Δ₀。如果沿光纤的中线采用芯体区14B，则芯体区14B的折射率Δ₀的峰值优选约为0.25-0.60，更优选约为0.36-0.46，如果使用芯体区14B，则优选其峰值折射率高于芯体区14A的折射率。因此，在优选的实施方式中，芯体段14沿光纤中线的折射率高于芯体区14最外部分附近的折射率。作为附加或者替代的情况，还可采用覆层16的近覆层区16B，其折射率不同于外覆层区16A的折射率。如图2所示，近覆层区16B的折射率Δ₃可以大于、等于或小于外覆层16A的折射率。在一些优选的实施方式中，近覆层区16B的折射率Δ₃小于外覆层16A的折射率。如果使用近覆层区16B，该区的折射率Δ₃优选约为-0.1至0.1，更优选约为-0.03至0.03。

芯体区包含选自下组的碱金属氧化物：K₂O、Na₂O、LiO₂、Rb₂O、Cs₂O以及它们的混合物(在此情况下为K₂O)，这些碱金属氧化物在所述芯体中的平均浓度约为50-1000重量ppm。芯体还包含氯和氟。较好地，所述芯体中的氟的平均浓度大于所述芯体中碱金属氧化物的平均量，所述芯体中氯的平均浓度大于所述芯体中碱金属氧化物的平均量。所述光纤还可包括氟掺杂的二氧化硅基覆层，所述覆层包围所述芯体，在一些优选的实施方式中与芯体直接相邻。

在一些优选的实施方式中，芯体区包括沿芯体中线设置的第一中心芯体区(延伸至约1微米)，该中心芯体区中的平均氯浓度小于该芯体的外区（即，从约1微米延伸至约4微米)中的平均氯浓度。具体地，中心芯体区中呈现的平均氯浓度可以小于100ppm，更优选小于50ppm，而包围第一区的第二芯体区或即外芯体区中的平均氯浓度可以大于500ppm，更优选大于750ppm，甚至更优选大于1000ppm，最优选大于1500ppm。芯体区中氯的峰值浓度优选大于500ppm，更优选大于1000ppm，最优选大于1500ppm。

中心芯体区中呈现的平均氟浓度优选大于500ppm，更优选大于750ppm，最优选大于1000ppm，而包围第一区的第二芯体区或即外芯体区中的平均氟浓度同样优选大于500ppm，更优选大于750ppm，最优选大于1000ppm。

在整个芯体区上的平均氟浓度优选大于500ppm，更优选大于750ppm，最优选大于1000ppm，并优选小于5000ppm，更优选小于4000ppm。在所示实施方式中，在所述第二芯体区中氯的峰值浓度大于在所述第二区中的氟的峰值浓度，尽管这之间的关系并不严格。较好地，在芯体区中氯和氟两者的平均浓度都大于约500ppm，更优选大于约750ppm，最优选大于约1000ppm。

在一些优选的实施方式中，本文揭示的光纤包括单一芯体段，即中心芯体段，以及包围该中心芯体段并与之直接相邻的覆层，其中，所述覆层具有相对于纯二氧化硅为负的折射率，且所述芯体包含氟和选自下组的碱金属氧化物：K₂O、Na₂O、LiO₂、Rb₂O、Cs₂O以及它们的混合物，所述碱金属氧化物的峰值浓度为20-700ppm，优选为50-500ppm，甚至更优选为100-400ppm。

所述光纤的芯体区14A包含峰值相对折射率(相对于覆层)ΔMAx，该峰值相对折射率为0.2-0.5％，优选为0.3-0.4％。光纤包含大于90重量％的SiO₂，优选大于或等于95重量％的SiO₂。

根据本发明的这些光纤的例子列于表1，表中列出了根据本发明各个实施例的内芯体段14B的折射率Δ₀，芯体段14的平均折射率(Δ平均)，外芯体段14B的平均折射率Δ₁，芯体段14的外半径(半径1)，以及近覆层段16B的折射率Δ₂和半径(半径2)。在所有的实施例中，在芯体中不使用锗，覆层包含氟掺杂的二氧化硅。因此，各个段的折射率相对于氟掺杂的外覆层区得到。表1还显示了各个实施例中的1310纳米的色散，1310纳米色散斜率，零色散波长，1550纳米色散，1550纳米色散斜率，光缆截止波长，1310纳米和1550纳米的模场直径，1550纳米的等效面积，1550纳米的销杆阵列弯曲损耗，1550纳米的横向负荷弯曲损耗(LLWM)。表1中的实施例1对应于图1中所示的实施例。拉制了1350千米的图1所示的光纤并进行了测试。所述光纤在1550纳米的平均衰减为0.169dB/km，最小衰减值为0.162dB/km，1310纳米的平均衰减为0.285dB/km，1310纳米的最小衰减值为0.275dB/km。实施例3和7对应于图2中的曲线18和20。

表1

实施例	14BΔ₀(最大值)	14Δ(平均值)	14AΔ₁(平均值)	16BΔ₂(平均值)	半径1	半径2
实施例	14BΔ₀(最大值)	14Δ(平均值)	14AΔ₁(平均值)	16BΔ₂(平均值)	半径1	半径2	1	0.39	0.33	0.32	0	3.9	-
2	0.455	0.36	0.345	0.019	4.35	13.39	1	0.39	0.33	0.32	0	3.9	-
2	0.455	0.36	0.345	0.019	4.35	13.39	3	0440	0.36	0.355	0.014	4.15	13.86
4	0.429	0.35	0.345	0.019	4.19	12.76	3	0440	0.36	0.355	0.014	4.15	13.86
4	0.429	0.35	0.345	0.019	4.19	12.76	5	0.394	0.34	0.332	0.022	4.33	14.56
6	0.419	0.35	0.342	-0.021	4.19	16.51	5	0.394	0.34	0.332	0.022	4.33	14.56
6	0.419	0.35	0.342	-0.021	4.19	16.51	7	0.408	0.34	0.326	-0.018	4.38	16.76
8	0.425	0.34	0.334	0.000	N/A	N/A	7	0.408	0.34	0.326	-0.018	4.38	16.76
8	0.425	0.34	0.334	0.000	N/A	N/A	9	0.436	0.36	0.360	0.047	3.91	10.81
10	0.395	0.35	0.345	0.000	3.60	16.50	9	0.436	0.36	0.360	0.047	3.91	10.81
10	0.395	0.35	0.345	0.000	3.60	16.50	11	0417	0.373	0.367	0.025	3.60	16.50
12	0.452	0.375	0.365	0.050	3.83	12.10	11	0417	0.373	0.367	0.025	3.60	16.50
12	0.452	0.375	0.365	0.050	3.83	12.10	常规单模	N/A	0.34	0.340	0.000	4.5	N/A

实施例	色散1310(ps/nm/km)	斜率1310(ps/nm2/km)	零色散(nm)	色散1550(ps/nm/km)	斜率1550(ps/nm2/km)	光缆截止(nm)
实施例	色散1310(ps/nm/km)	斜率1310(ps/nm2/km)	零色散(nm)	色散1550(ps/nm/km)	斜率1550(ps/nm2/km)	光缆截止(nm)	1	-0.39	0083	1314	16.02	0.058	1190
2	0.30	0.087	1307	17.10	0.058	1245	1	-0.39	0083	1314	16.02	0.058	1190
2	0.30	0.087	1307	17.10	0.058	1245	3	-0.26	0.086	1313	16.34	0.058	1195
4	-0.25	0.086	1313	16.44	0.058	1198	3	-0.26	0.086	1313	16.34	0.058	1195
4	-0.25	0.086	1313	16.44	0.058	1198	5	0.07	0.086	1309	16.86	0.058	1211
6	0.27	0.086	1307	1682	0.057	1158	5	0.07	0.086	1309	16.86	0.058	1211
6	0.27	0.086	1307	1682	0.057	1158	7	0.71	0.086	1302	17.42	0.058	1173
8	0.46	0.086	1305	17.19	0.058	1195	7	0.71	0.086	1302	17.42	0.058	1173
8	0.46	0.086	1305	17.19	0.058	1195	9	-1.47	0.086	1327	15.47	0.060	1208
10	-0.73	0.084	1319	14.94	0.055	1198	9	-1.47	0.086	1327	15.47	0.060	1208
10	-0.73	0.084	1319	14.94	0.055	1198	11	-0.74	0.083	1319	15.73	0.058	1196
12	-1.90	0086	1333	14.92	0.060	1209	11	-0.74	0.083	1319	15.73	0.058	1196
12	-1.90	0086	1333	14.92	0.060	1209	常规单模	0.00	0.086	1300	16.65	0.058	1175

实施例	MFD 1310(微米)	MFD 1550(微米)	A_eff 1550(微米²)	销杆阵列(dB)	LLWM(dB)	1550nm衰减	1550纳米的色散/衰减
实施例	MFD 1310(微米)	MFD 1550(微米)	A_eff 1550(微米²)	销杆阵列(dB)	LLWM(dB)	1550nm衰减	1550纳米的色散/衰减	1	9.2	10.69	85.8	16.12	0.88	0.170	942
2	9.28	10.51	84.7	4.85	0.47	0.180	95	1	9.2	10.69	85.8	16.12	0.88	0.170	942
2	9.28	10.51	84.7	4.85	0.47	0.180	95	3	8.99	10.24	80.0	6.18	0.44	0.180	90.8
4	9.16	10.45	83.2	7.30	0.57	0.175	93.9	3	8.99	10.24	80.0	6.18	0.44	0.180	90.8
4	9.16	10.45	83.2	7.30	0.57	0.175	93.9	5	9.44	10.76	88.3	8.42	0.88	0.170	99.2
6	8.86	10.02	77.1	10.75	0.45	0.175	96	5	9.44	10.76	88.3	8.42	0.88	0.170	99.2
6	8.86	10.02	77.1	10.75	0.45	0.175	96		9.15	10.32	82.1	11.58	0.56	0.170	102
8	9.22	10.43	83.5	8.38	0.53	0.175	98.2		9.15	10.32	82.1	11.58	0.56	0.170	102
8	9.22	10.43	83.5	8.38	0.53	0.175	98.2	9	9.14	10.58	84.2	6.78	0.76	0175	88.4

10	8.51	9.87	73.5	15.82	0.61	0.175	85.4
10	8.51	9.87	73.5	15.82	0.61	0.175	85.4	11	9.01	10.48	82.2	23.99	1.04	0.170	92.5
12	9.05	10.52	83.0	6.16	0.92	0.175	85.2	11	9.01	10.48	82.2	23.99	1.04	0.170	92.5
12	9.05	10.52	83.0	6.16	0.92	0.175	85.2	常规单模	9.16	10.42	82.8	11.80	0.65	0.192	86.7

较好地，光纤的芯体和覆层两者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的氧化物，或它们的混合物；更优选碱金属氧化物是K₂O、Rb₂O、Cs₂O，或它们的混合物；最优选碱金属氧化物是K₂O。较好地，碱金属氧化物在光纤的芯体中具有峰值浓度。碱金属氧化物的浓度可沿光纤半径径向变化，在某些情况，沿光纤半径的至少一部分，该浓度作为自光纤中心线出发的半径的函数，随半径增大而降低。

在图1和图2所示的实施方式中，折射率分布10具有单一的芯体段，其被覆层段16所包围。较好地，碱金属氧化物浓度随半径而变化。较好地，沿光纤半径的至少一部分，碱金属氧化物的浓度作为自光纤中心线出发的半径的函数，随半径增大而总体趋于降低。该光纤的芯体段14可具有图1所示的阶跃形状，或者芯体段14可具有圆化、α或三角形形状。

本发明的光纤优选在其芯体中基本上不包含锗。作为替代，光纤的覆层中包含足够的降低折射率的掺杂剂，以形成如图1所示的折射率分布。在这种实施方式中，覆层段16的折射率小于纯二氧化硅的折射率，当然也小于芯体14的折射率。在本文中揭示的光纤覆层中降低折射率的优选掺杂剂是氟。

在一个根据本发明的实施方式中，对光纤(例如图1和2所示的那些)的折射率分布进行了调配，得到了单模光纤，优选其具有以下特性：零色散波长λ₀小于1420纳米，更优选小于1324纳米，最优选约为1280-1324纳米，零色散斜率S_o约小于0.09ps/nm²/km，1550纳米处的色散斜率约小于0.07ps/nm²/km，更优选约小于0.065ps/nm²/km，最优选约小于0.06ps/nm²/km，在1550纳米处的总色散约为13-19ps/nm/km，更优选在1550纳米处的总色散约为14-18ps/nm/km。但是，可以采用其他折射率分布同样实现这些性质。较佳的是，所述光纤的光缆截止波长约小于1300纳米，更优选约小于1260纳米。较好地，该光纤在1550纳米处的等效面积大于约70μm²，更优选大于约75μm²。光纤的芯体直径优选大于约3微米，更优选约3-5微米，在1550纳米处的模场直径大于约9.5微米，更优选为约10-11微米。按照本发明包含碱金属氧化物制造的光纤显示，在1310纳米处衰减小于约0.30dB/km，在1550纳米处衰减小于约0.18dB/km；更优选在1550纳米处衰减小于约0.17dB/km，最优选在1550纳米处衰减小于约0.16dB/km。在本发明一个优选的实施方式中，例如实施例9-12所示，本发明的光纤在1550纳米的衰减小于0.18dB/km，更优选小于0.17dB/km，在1550纳米的色散/衰减大于80，更优选大于90。在一些优选的实施方式中，在1550纳米的色散/衰减约为80-110，更优选为80-100。在这些实施方式中，光纤的色散优选小于18ps/nm/km，更优选小于17ps/nm/km，最优选小于16ps/nm/km。

在拉制过程期间宜有效控制碱金属氧化物的扩散。已经发现，按照规定方式改变拉制条件，就可将碱金属氧化物掺杂剂按照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相对于半径呈相对线性关系扩散。由于碱金属氧化物掺杂剂的扩散部分地取决于进行掺杂的玻璃的温度、以及玻璃保持在该温度的时间，因此这些因素同样对拉制工艺过程中控制碱金属氧化物扩散起到重要的作用。光纤预制件(以及由预制件拉制的光纤)在拉制工艺过程中经历的时间和温度是通过改变拉制速度、拉制(炉)温度以及光纤张力来控制的。例如，提高拉制速度可减少光纤预制件的特定部分在拉制炉内的停留时间，因此减小了碱金属氧化物掺杂剂在光纤预制件以及因此在拉制出的光纤中的扩散开去的距离。这能使较少的碱金属氧化物扩散到覆层中，因此，在光纤的芯体中碱金属氧化物的浓度较高。相反，降低拉制速度会增加停留时间，因此可以导致光纤芯体中的碱金属氧化物浓度因为碱金属氧化物进一步扩散到光纤的覆层中而下降。以类似的方式升高炉温可以提高碱金属氧化物的扩散速率，从而降低碱金属氧化物的浓度。因此，可以有效利用拉制速度和炉温来控制扩散，并由此控制制成的光纤内碱金属氧化物的分布。

图3所示是根据本发明实施方式的第一种方法402，该方法是通过将碱金属氧化物扩散到作为光纤前体的合适二氧化硅玻璃制品的方式制备掺杂碱金属的光纤。参考图4和图5，示出并描述该方法402的第一步骤401。参见图4，该图图示说明常规的外部气相沉积工艺，使用烟炱燃烧器156在心轴144上沉积多层二氧化硅烟炱162以形成烟炱预制件160。然后，采用标准氯干燥技术，对形成的烟炱预制件进行干燥(步骤403)。然后，通过使烟炱在一定温度下与含氟化合物(如SiF₄)的气氛接触一定的时间对烟炱掺杂氟(步骤405)，所述温度和时间能足以除去干燥步骤残留的大部分或全部的氯。优选在低于1100℃的温度进行与含氟气氛的接触(氟吹扫)来避免以高氟浓度对玻璃掺杂。希望进行低氟浓度掺杂，即例如0.1-0.4重量％氟。然后对制成的掺杂氟(还可能有氯)的烟炱管进行固化(步骤407)。

然后，将固化后的玻璃管掺杂碱金属(步骤404)。例如，参见图5，优选首先将制成的玻璃管106放置在车床101(如玻璃加工车床或常规改进的化学气相沉积(MCVD)玻璃成形车床)的夹具间。通过火焰加工在管106的壁上锻造两个环颈形变形112，从而在靠近该管106的一端形成较好是环形的用于接受碱金属源化合物110的储器108，或者以其他方式将储器焊到管上。也可以使用其他类型的储器。较好地，环颈形变形112彼此相隔约2厘米。较好地，为防止碱金属结晶，要求管106、以及沉积在管106内部的任何外加的玻璃基本上不含氯。基本上不含氯表示呈现足够低的氯含量，从而可以避免因碱金属氯化物结晶导致的光学损耗(optical loss)。为此目的，要求氯含量宜小于约500重量ppm；更优选小于约100重量ppm；最优选小于约50重量ppm。此外，二氧化硅玻璃管106以及沉积在该玻璃管内的任何外加的玻璃应基本上不含“水”。“水”是指羟基OH。水是1383纳米处或附近出现吸收峰的原因所在，该吸收峰会延伸到光纤的工作波长区域内。该吸收峰对光纤衰减会产生有害的影响。因此，希望通过尽可能降低玻璃的OH含量来降低该吸收峰(也称作水峰)。较好地，玻璃管106的OH含量小于约100重量ppb；更优选小于约20重量ppb。为保证在扩散碱金属氧化物掺杂剂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过程中可以采用常规的氯干燥技术。

再次参见图5，将碱金属源化合物110引入玻璃管106中位于储器108处并通过热源114加热，以随着玻璃管106旋转而形成蒸气。使氧气或载气经旋转密封件118流入管106的进口116，对管106在碱金属源化合物源化合物110下游的部分120加热，以促进碱金属氧化物扩散进入管106的内表面122。较好地，管106内不插入任何预成形部件，如另一个玻璃棒等。应将管106在碱金属氧化物源化合物110下游的部分120加热至一定温度，该温度足以促进碱金属氧化物源化合物快速扩散进入表面122中并防止该玻璃的失透作用。较好地，玻璃管106在碱金属氧化物源化合物110下游的部分120可被热源124加热至超过1500℃；更优选约为1500-2000℃。较好地，热源124沿玻璃管106的所述部分120的长度方向平移。碱金属氧化物源化合物112优选包含选自下组的元素：K、Na、Li、Cs和Rb。较好地，碱金属氧化物源化合物110是溴化物、碘化物或氟化物。最优选碱金属氧化物源化合物110是KBr、KI或KNO₃。碱金属氧化物(如K₂O，Na₂O，LiO₂，Rb₂O，Cs₂O以及它们的混合物)优选扩散到自玻璃管106的内部扩散表面122起约100-500微米的整个深度上，然后玻璃管106收缩，从而形成碱金属氧化物掺杂的玻璃管。具体地，优选管中扩散的碱金属氧化物掺杂剂浓度(按重量％计)沿径向变化。较好地，对玻璃制品(如玻璃管106)如此掺杂使得在内半部分107上的浓度最高，在外半部分109中的浓度较低，如图6的放大图所示。在内半部分和外半部分之间的划分点定义为该玻璃管106径向厚度的一半并位于该位置(由虚线111表示)。例如，扩散宜使碱金属掺杂剂在外半部分109中的峰值浓度小于在内半部分107中的峰值浓度(按重量％计)的50％。

在此扩散过程之后，可接着进行通过本领域已知的常规方法(或通过本文所述的干燥方法)进一步加热管106以促进管106部分收缩的步骤，以同时减小碱金属氧化物经其散失的内表面面积以及增加已扩散有碱金属氧化物的玻璃层厚度。一旦完成扩散掺杂步骤或者管106的任意部分收缩，管的扩散表面122即可任选用适用于去除二氧化硅玻璃的蚀刻剂来蚀刻至一定深度，该深度足以去除可能扩散通过管的扩散表面122的不希望的杂质。可以使用例如HF水溶液作为蚀刻剂。更优选，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去除的材料量取决于扩散和任意部分管收缩过程的处理条件，但是蚀刻条件优选应足以从表面122去除玻璃至碱金属氧化物总扩散深度的至少约5％的深度。一旦结束蚀刻，用热源进一步加热二氧化硅玻璃管106，以使该玻璃管106在碱金属氧化物源化合物110下游的部分发生收缩并形成碱金属氧化物掺杂的实心玻璃棒132。按照本领域已知的常规方法实现管106的收缩，例如通过用适当热源(如，喷灯)加热。然后，从含碱金属源化合物储器108的玻璃部分切下掺杂碱金属的实心玻璃棒132。较好地，该掺杂碱金属氧化物的实心玻璃棒132用适当的蚀刻剂进行蚀刻，以除去在玻璃管106收缩过程中通过喷灯形成的部分或全部水合玻璃。如果使用干热源来实现收缩，例如，电感加热器或电阻加热器，等离子体喷灯，或使用含非氢燃料如CO的干热源，则蚀刻可能不是必需的。相信使用干热源进行掺杂和/或收缩步骤能最大程度地使管外部的再润湿最小，即OH(水)从外部扩散进入管中的量最小，因此进一步降低光纤衰减。干热源是不会引起任何可观的OH(水)进入管的热源。

应理解，收缩时掺杂碱金属的玻璃棒132的碱金属氧化物的浓度(与玻璃管106类似)优选沿径向变化，并且使对应于内半部分107的部分具有碱金属掺杂剂的最高峰值浓度(按重量％计)，而对应于外半部分109的部分具有较低峰值浓度。最优选，碱金属掺杂剂的峰值浓度是在该棒的中心处，而在半径一半处的浓度小于峰值浓度的50％，更优选小于25％。

掺杂的玻璃棒132可以在再拉制炉(redraw furnace)136内加热并拉制成更小直径的玻璃棒144。这种再拉制工艺示于图6中。在上面所述的收缩步骤形成的掺杂碱金属的玻璃棒132上附着玻璃把柄130，将该掺杂碱金属的玻璃棒132放置在位于常规再拉制炉136上方的一个移动下馈(downfeed)支承物134中。可以在掺杂碱金属的玻璃棒132的底部附着牺牲玻璃棒138，该牺牲玻璃棒通过马达驱动的牵引机140拉伸，从而以适当的速度牵拉掺杂碱金属的玻璃棒132。发现15-23厘米/分钟的速度较适当，该速度主要根据由传感器142测量到的直径来控制。该拉制过程制成的小直径玻璃棒144的外直径尺寸(d1)优选在3-10毫米范围；更优选直径尺寸小于6毫米。如果收缩步骤426形成的玻璃棒132的直径尺寸落在要求的范围之内，则可以使用收缩步骤126形成的玻璃棒132作为玻璃棒144。拉制光纤时，小直径的玻璃棒144的K₂O峰值浓度应为光纤芯体中所需K₂O峰值浓度的5-10倍，以抵消在拉制光纤过程中碱金属掺杂剂的显著迁移的影响。例如，如果要求光纤芯体中的K₂O峰值浓度为0.4重量％，则优选小直径玻璃棒144中的K₂O峰值浓度应约为2-4重量％。具体地，这种很小直径的掺杂碱金属的玻璃棒具有优势的原因是，这样便使这种玻璃棒中存在的过渡金属杂质集中存在于该玻璃棒非常靠近光纤中心线之处，因而最大程度地减小杂质的负面影响。应理解，对于向掺杂的覆层中加入大量物质的情况而言，光纤中的峰值浓度可能会比小直径玻璃棒中的峰值浓度小100倍。如方法402的步骤429所示，一旦按照该方法形成小直径玻璃棒144，便将其进一步包覆(overclad)。

例如，如图4所示，可使用掺杂碱金属的小直径玻璃棒144作为起始棒，采用本领域中已知的OVD方法在该起始棒上沉积外加的多孔玻璃烟炱162作为包覆，形成组合件160。图4示出常规外部气相沉积方法。如图4所示，在如前面所述制造的掺杂碱金属的小直径玻璃棒144上附着玻璃把柄154，并使其成为制成的预制件整体的一部分。把柄154在以后的处理步骤中提供对沉积过程制成的二氧化硅玻璃预制件的支承方式。将具有附着的把柄154的玻璃棒144安装在车床中，使该玻璃棒旋转并相对于燃烧器156平移，该燃烧器可以是例如美国专利第4,165,223号中揭示的类型。将燃料气体和氧气或空气从源(未示出)供给燃烧器156。该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-蒸气混合物在火焰中氧化，形成含二氧化硅的烟炱物流158，将该流导向玻璃棒144。将该气体-蒸气混合物传送到燃烧器156的适当装置为本领域皆知；例如可参考美国专利第3,826,560号、第4,148,621号和第4,173,305号所示的装置。复合烟炱预制件160可通过以下方式形成，使玻璃棒144相对于燃烧器156来回平移多次，构筑起多层含二氧化硅的烟炱层，因而形成烟炱涂层162。该平移运动还可以通过沿旋转玻璃棒144来回移动燃烧器156来实现，或者通过燃烧器156和玻璃棒144的组合平移运动来实现。烟炱涂层162形成复合预制件160的芯体玻璃的至少一部分，所述预制件优选由基本纯的二氧化硅构成。较好地，烟炱涂层的密度大于0.35g/cc，更优选约为0.35-0.5g/cc。然后，炉内加热至约1000℃的温度的同时，使复合预制件160与含氯气体接触进行干燥。然后对该预制件160进行氟掺杂。在氟掺杂步骤中，优选通过使该预制件与含氟气体在适当温度(如约1000℃)接触来对预制件160掺杂氟，这样的温度适合使烟炱掺杂氟。这样，形成光纤的外芯体区。但是，氟掺杂步骤进行的时间长度仅允许例如能掺杂相对少量的氟(0.1-0.4重量％)。然后通过加热预制件160至能使该预制件固化的适当温度，使该预制件固化。然后，可以将形成的清澈玻璃芯体预制件再拉制，形成二次芯体棒，即，含有由此拉制的光纤芯体的至少一部分的玻璃棒。然后，该二次玻璃棒通过以下方式添加外加的玻璃来进一步处理：或者套以玻璃管(或玻璃管或烟炱管)，通过化学气相沉积来沉积玻璃烟炱，例如通过既套以套管又化学沉积，或者通过本领域已知的其他方法，形成可用于拉制成光纤的完整光纤预制件。所述外加的玻璃包括芯体玻璃、覆层玻璃，或者芯体和覆层玻璃两者。此外，外加的玻璃可通过几个外加沉积步骤来实现要求的厚度，其中，在每个步骤后，对烟炱进行干燥，掺杂氟、固化和再拉制成更小直径的棒。最外的覆层，优选与芯体相邻的覆层，是二氧化硅，优选通过溢流掺杂(flood doping)以充分倒掺杂氟(参见美国专利4,629,485)，形成光纤的覆层区。掺杂宜足以实现芯体和覆层之间例如大于0.2％的相对折射率Δ％，更优选为0.30-0.40％。具体地，对于每个通过沉积在二次棒上添加护渠(moat)二氧化硅(相应于光纤覆层的外加玻璃)的外加步骤，该护渠二氧化硅掺杂氟。护渠烟炱首先通过与含氯气体接触进行干燥，然后与含氟气体(如SiF₄或CF₄)在1225℃接触60-120分钟，之后，优选在含氟气体存在下，以7-10毫米/分钟速度向下驱动通过加热区(1450-1500℃)进行固化。对该预制件再拉制，形成三次棒，再重复这些步骤，即，沉积、干燥、氟掺杂和固化步骤，直到获得适当直径的最终预制件。较好地，在覆层之中的各连续外加玻璃层中氟的重量％大约相同，更优选在最外覆层中略低(低约0.1-0.5重量％)，以使应力影响最小。制成步骤467的完整光纤预制件后，将该完成的光纤拉制预制件拉制成掺杂碱金属氧化物的光纤。

制造光纤的其他制造方法披露于美国专利公报第2005/0063663号，其说明书内容是本申请的依托并全文参考结合于本文中。

在本文揭示的所有实施方式中，光纤优选包含包围覆层的最外直径并与之直接接触的初级涂层，以及包围初级涂层并与之直接接触的二次涂层。

对本领域的技术人员而言，显而易见的是，可以对本发明进行各种修改和变动而不会偏离本发明的范围和精神。因此，本发明意在覆盖对本发明的修改和变动，只要这些修改和变动在权利要求书和其等同项的范围之内。

Claims

1.一种光纤，其包括：

二氧化硅基芯体，所述芯体包含选自下组的碱金属氧化物：K₂O、Na₂O、LiO₂、Rb₂O、Cs₂O、以及它们的混合物，这些碱金属氧化物在所述芯体中的平均浓度约为50-1000重量ppm，以及

二氧化硅基覆层，所述覆层包围所述芯体并与该芯体直接邻接，所述光纤的光缆截止小于1400纳米，在1550纳米处的色散约为13-19ps/nm/km，零色散波长约小于1420纳米。

2.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述光纤的光缆截止波长约小于1300纳米。

3.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述光纤在1550纳米处的等效面积约大于70微米²。

4.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述光纤在1550纳米处的色散斜率约小于0.065ps/nm²/km。

5.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述芯体还包含平均含量约大于500重量ppm的氟。

6.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述芯体还包含在所述芯体中的平均浓度约大于500重量ppm的氯。

7.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，相对于外覆层，所述芯体的折射率分布的峰值相对折射率Δ_MAX大于0.3％。

8.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述芯体还包含氯和氟，所述芯体中氟的平均浓度大于该芯体中碱金属氧化物的平均浓度，所述芯体中氯的平均浓度大于该芯体中碱金属氧化物的平均浓度。

9.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述芯体还基本上不含锗。

10.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述芯体中所述氯的平均浓度大于约500重量ppm，所述芯体中所述氟的平均浓度大于约500重量ppm。

11.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述光纤的芯体包括：沿芯体的中心线设置的第一区，该区具有小于100ppm的最小氯含量；以及包围所述第一区的第二芯体区，该第二区的氯峰值浓度大于500ppm。

12.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述光纤在1550纳米处的衰减小于0.18dB/km。

13.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述光纤在1550纳米处的衰减小于0.17dB/km。

14.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述第一区的外半径大于3微米且小于5微米。

15.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述覆层中掺杂有氟，氟的平均浓度大于10000ppm。

16.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述覆层中掺杂有氯，氯的量大于500ppm。

17.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述碱金属氧化物是K₂O。

18.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述光纤的零色散波长约大于1300纳米。

19.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述光纤在1550纳米处的衰减小于0.18dB/km，在1550纳米处的色散/衰减约为80至106。

20.如权利要求19所述的光纤，其特征在于，所述光纤在1550纳米处的色散小于16ps/nm/km。