CN102603179B - 光纤预制件、光纤和光纤预制件的制备方法 - Google Patents

光纤预制件、光纤和光纤预制件的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种光纤预制件，其包括芯部分，其中，所述芯部分包括掺杂碱金属的碱金属掺杂芯玻璃部分，在所述芯部分中氧分子的最大浓度为大于或等于30mol？ppb，并且在所述芯部分中碱金属的平均浓度为大于或等于5原子ppm。本发明还涉及一种制备光纤预制件的方法，该方法包括用碱金属对由二氧化硅基玻璃构成的管进行掺杂的碱金属掺杂步骤、用氧分子对该玻璃管进行掺杂的氧分子掺杂步骤以及通过加热所述玻璃管而使其塌缩的塌缩步骤，由此制备光纤预制件。本发明的光纤预制件能够以高产率制备具有掺杂一种或多种碱金属的芯区域并且具有低衰减的光纤。

Description

光纤预制件、光纤和光纤预制件的制备方法
技术领域
本发明涉及光纤预制件、光纤和光纤预制件的制备方法。
背景技术
已知由二氧化硅基玻璃构成并且具有掺杂碱金属的芯区域的光纤(参见日本未审查专利申请公开(PCT申请的翻译文本)No.2007-504080和美国专利申请公开No.2006/0130530)。与芯部分未掺杂碱金属的情况相比，在光纤预制件的芯部分掺杂有碱金属的情况下，可以在对光纤预制件拉伸期间降低芯部分的粘性。因此，可以使得二氧化硅玻璃的网络结构的松弛增强。据信，由此可以降低通过拉伸所得的光纤的衰减。
用碱金属对二氧化硅玻璃进行掺杂的已知方法为扩散法。在扩散法中，将诸如碱金属或碱金属盐等原料的蒸气引入由二氧化硅基玻璃构成的玻璃管中，同时利用外部热源加热该玻璃管或在该玻璃管中产生非平衡态等离子体，由此，通过扩散使玻璃管的内表面掺杂碱金属元素。
在利用扩散法使玻璃管掺杂碱金属之后，加热该玻璃管以减小其直径。在直径减小之后，为了除去在碱金属元素掺杂的同时也掺杂到该玻璃管的杂质(如Ni、Fe和其它过渡金属)，在壁的厚度方向上对玻璃管的内表面进行一定量的蚀刻。碱金属的扩散速率高于过渡金属的扩散速率。因此，即使当通过在厚度方向上对玻璃表面进行一定量的蚀刻而除去过渡金属时，大部分掺杂的碱金属也能够留在玻璃中。在蚀刻之后，通过加热使玻璃管塌缩，从而制备碱金属掺杂芯棒。在该碱金属掺杂芯棒上合成包层部分，从而制备光纤预制件。接下来，对光纤预制件进行拉伸从而制备光纤。
发明内容
本发明的目的是提供一种光纤预制件，利用该光纤预制件能够以高产率制备具有掺杂一种或多种碱金属的芯区域并且具有低衰减的光纤。本发明的另一个目的是提供一种制备这样的光纤预制件的方法。本发明的又一个目的是提供一种具有掺杂一种或多种碱金属的芯区域、并且具有低衰减的光纤。
为了实现上述目的，根据本发明的第一实施方案提供了一种由二氧化硅基玻璃构成的光纤预制件，该光纤预制件包括通过拉伸而形成为光纤的芯区域的芯部分，其中所述芯部分包括掺杂有一种或多种碱金属的碱金属掺杂芯玻璃部分，所述芯部分中氧分子的最大浓度为大于或等于30molppb，并且所述芯部分中碱金属的平均浓度为大于或等于5原子ppm。碱金属的平均浓度是指掺杂在芯部分中的所有碱金属原子的总数的比例。
在光纤预制件中，碱金属掺杂芯玻璃部分除SiO2玻璃网络以外，优选还包含氧分子和卤素，并且碱金属掺杂芯玻璃部分中其它掺杂剂的平均浓度均优选低于该碱金属掺杂芯玻璃部分中的碱金属和卤素各自的平均浓度。更优选的是，碱金属掺杂芯玻璃部分中的其它掺杂剂的最大浓度均低于该碱金属掺杂芯玻璃部分中的碱金属、氧分子和卤素各自的最大浓度。
优选的是，光纤预制件还包括通过拉伸而形成为光纤的包层区域的包层部分，所述包层部分位于所述芯部分的外周，其中所述包层部分为掺杂有氟的二氧化硅基玻璃。碱金属掺杂芯玻璃部分可以掺杂有钠、钾、铷、铯、或者它们的混合物，并且优选掺杂有钾作为一种或多种碱金属。所述芯部分优选包括第一芯玻璃部分，其掺杂有平均浓度为大于或等于5原子ppm的一种或多种碱金属；和第二芯玻璃部分，其包含小于或等于1原子ppm的一种或多种碱金属，所述第二芯玻璃部分位于所述第一芯玻璃部分的外周。碱金属掺杂芯玻璃部分中的氧分子的最大浓度优选为小于或等于160molppb。芯部分中的碱金属的平均浓度优选为小于或等于120原子ppm。
根据本发明的第二实施方案，提供了一种通过拉伸本发明的一个实施方案的光纤预制件而制备的光纤，其中，在1,550nm波长下的衰减小于或等于0.180dB/km，优选为小于或等于0.170dB/km，更优选为小于或等于0.165dB/k。
根据本发明的第三实施方案，提供了一种制备光纤预制件的方法，该光纤预制件由二氧化硅基玻璃构成，并且包括通过拉伸而形成为光纤的芯区域的芯部分，所述方法包括：碱金属掺杂步骤，其中，将一种或多种碱金属的原料气体供应至由二氧化硅基玻璃构成的玻璃管的内部，同时加热该玻璃管，从而用所述一种或多种碱金属对该玻璃管进行掺杂；氧分子掺杂步骤，其中，将氧气供应至所述玻璃管的内部，同时加热该玻璃管，从而用氧分子对该玻璃管进行掺杂；以及塌缩步骤，其中，在所述碱金属掺杂步骤和氧分子掺杂步骤之后加热所述玻璃管，从而使该玻璃管塌缩，由此制备本发明的一个实施方案的光纤预制件。在本发明第三实施方案的制备光纤预制件的方法的塌缩步骤中，优选将玻璃管中的氧气分压控制为大于或等于80kPa。
根据本发明，能够以高产率制备具有掺杂碱金属的芯区域、并且具有低衰减的光纤。
附图简要说明
图1为本发明一个实施方案的制备光纤预制件的方法的流程图。
图2为示出本发明一个实施方案的制备光纤预制件的方法中碱金属掺杂步骤的概念图。
图3为示出在光纤预制件的芯部分(该芯部分掺杂了碱金属)中所溶解的氧分子的最大浓度与由该光纤预制件制备的光纤在1,550nm波长下的衰减之间的关系的图。
图4为示出光纤预制件的芯部分中的平均钾浓度与由该光纤预制件制备的光纤在1,550nm波长下的衰减之间的关系的图。
图5为示出光纤预制件的碱金属掺杂芯玻璃棒中的钾浓度分布的图，所述光纤预制件的平均钾浓度在图4中示出。
图6为示出光纤预制件的折射率分布的图。
图7包括其它示出光纤预制件的折射率分布的图的例子。
具体实施方式
现参照附图对本发明的实施方案进行说明。这些附图仅为示例性的，而并非是对本发明的范围的限制。在附图中，为了避免重复描述，相同的符号表示相同的部分。在附图中，尺寸的比例不一定精确。
在研究由二氧化硅基玻璃构成并且具有掺杂碱金属的芯区域的光纤的过程中，本发明的发明人发现，即使是在由二氧化硅基玻璃构成并且具有掺杂碱金属的芯区域的光纤中，在某些情况中光纤的衰减仍然高，并且具有低衰减的光纤的产率低。此外，已知的是，通常当光纤预制件中所溶解的氧分子的浓度高时，所得光纤的衰减变高(参见美国专利申请公开No.2006/0130530和日本未审查专利申请公开No.2007-137706)。然而，本发明的发明人发现，在这种由二氧化硅基玻璃构成并且具有掺杂碱金属的芯区域的光纤中，当芯区域中的氧分子的浓度高于某特定值时，衰减降低。在本文中，术语“所溶解的氧分子”是指在二氧化硅玻璃的网络结构中以O2形式存在的氧分子。虽然发生这些现象的原因尚不明确，但据信，这是因为所溶解的氧分子与碱金属彼此相互反应，并且被吸收入SiO2玻璃网络中，从而防止了玻璃缺陷的发生。本发明由本发明的发明人基于该发现而完成。
图1为本发明一个实施方案的制备光纤预制件的方法的流程图。根据该实施方案的制备光纤预制件的方法，本发明的光纤预制件可以通过依次进行下文所描述的步骤S1至S7的工序而制备。
在步骤S1中，制备由二氧化硅基玻璃构成的玻璃管。该玻璃管优选为纯二氧化硅玻璃。然而，该玻璃管可以包含在其制备过程中不可避免地以几十至几千原子ppm的量掺杂的卤素，并且其它成分(例如OH基团和过渡金属)的含量优选为小于或等于10ppb。该玻璃管形成为光纤的芯区域(或者芯区域的一部分)。
步骤S2为用碱金属对该玻璃管进行掺杂的碱金属掺杂步骤。图2为示出本发明一个实施方案的制备光纤预制件的方法中碱金属掺杂步骤S2的概念图。在步骤S2中，将利用热源(例如电炉或燃烧器)加热的碱金属的原料3的气体与从供给源(图中未示出)供应的载气(例如O2气、Ar气、He气、或者它们的混合物)一起供应至玻璃管1的内部。同时，利用外部热源(例如，热等离子体焰或者氢氧焰)4加热玻璃管1。由此，用碱金属通过从玻璃管1的内表面的扩散对玻璃管1进行掺杂。
步骤S3和S6均为用氧分子对玻璃管的内表面进行掺杂的氧分子掺杂步骤，其中该玻璃管已经掺杂了碱金属。在步骤S3和S6中，将从供给源(图中未示出)供应的氧气供应至玻璃管的内部，并且加热该玻璃管，从而用氧分子由该玻璃管的内表面对该玻璃管进行掺杂。
步骤S4为通过加热使玻璃管的直径减小的直径减小步骤。注意，步骤S3和S4可以同时进行。在步骤S5中，对玻璃管的内表面进行蚀刻，从而除去在掺杂碱金属元素的同时也掺杂到该玻璃管的诸如Ni、Fe和其它过渡金属等杂质。步骤S7为通过加热使玻璃管塌缩的塌缩步骤。通过上述步骤可以制备碱金属掺杂芯玻璃棒。在塌缩步骤中，可以将玻璃管中的氧气分压控制为大于或等于80kPa，优选控制为大于或等于90kPa且小于或等于100kPa。在这种情况下，可以有效地用氧分子对碱金属掺杂芯玻璃棒的中心部分进行掺杂。
还可以在碱金属掺杂芯玻璃棒的外周提供作为芯区域一部分的部分。具体而言，芯部分可以包括掺杂有平均浓度为大于或等于5原子ppm的碱金属的第一芯玻璃部分(碱金属掺杂芯玻璃棒)，以及包含小于或等于1原子ppm的碱金属的第二芯玻璃部分，该第二芯玻璃部分位于第一芯玻璃部分的外周。需要花费长时间来进行用碱金属从二氧化硅基玻璃内表面通过扩散对该二氧化硅基玻璃进行掺杂的碱金属掺杂步骤，因此，该步骤的成本高。在另一方面，可以通过在碱金属掺杂芯玻璃棒的外周提供几乎不包含碱金属的普通芯玻璃以增加芯部分的直径和尺寸，从而降低光纤预制件和光纤的制造成本。
在碱金属掺杂芯玻璃棒的外周提供作为光纤包层区域的包层部分，从而制备光纤预制件。此外，利用已知的方法对光纤预制件进行拉伸，从而制备光纤。
关于步骤S3和步骤S6的氧分子掺杂步骤，步骤S3和步骤S6可以都进行，或者可以只进行步骤S3和步骤S6中的一个步骤。在1,500℃的温度下氧气的扩散系数为约1×10-7[cm2/s]，该扩散系数约为碱金属扩散系数的1/10，并且基本上等于诸如Fe之类的过渡金属的扩散系数。因此，如在步骤S6中那样，可以在进行蚀刻以除去在碱金属掺杂步骤中混入的过渡金属之后进行氧分子掺杂步骤。
碱金属掺杂芯玻璃棒除SiO2玻璃网络以外，优选包含碱金属、氧分子和卤素。诸如锗、磷和过渡金属等其它掺杂剂在芯玻璃部分中的平均浓度优选均低于碱金属和卤素在芯玻璃部分中各自的平均浓度。更优选的是，其它掺杂剂在芯玻璃部分中的最大浓度均低于碱金属、氧分子和卤素在芯玻璃部分中各自的最大浓度。包层部分优选为掺杂F的二氧化硅玻璃。从降低光纤衰减的角度考虑，这种具有基本上纯的二氧化硅芯和掺杂F的包层的光纤更加优选。
对掺杂入由二氧化硅基玻璃构成的管的碱金属元素没有特别限定，但优选为钾。其原因是，由于钾具有与SiO2玻璃网络中的氧原子半径基本上相当的离子半径，因此由于掺杂钾而引起的SiO2玻璃网络的变形相对小，并且可以相对容易地用钾对二氧化硅玻璃进行掺杂。
图3为示出在光纤预制件的芯部分(该芯部分掺杂了碱金属)中所溶解的氧分子的最大浓度与由该光纤预制件制备的光纤在1,550nm波长下的衰减之间的关系的图。通过在用波长为765nm的光照射时波长为1,272nm的荧光强度测量所溶解的氧分子的浓度(例如，参见K.Kajihara等，J.CeramicSoc.Japan，112[10]，pp.559-562(2004))。在各个光纤预制件中，碱金属掺杂芯玻璃棒基本上由纯二氧化硅玻璃构成，其中，钾的峰浓度约为500原子ppm，钾的平均浓度约为15原子ppm，并且除卤素(例如Cl和F)以外的其它掺杂剂的浓度为小于或等于10ppb。各个光纤预制件的包层部分均由掺杂F的二氧化硅玻璃构成。所制备并且评价的光纤均为1,550nm波长的单模光纤。
在每个标出点附近的括号中的两个数值表示所溶解的氧分子的浓度[ppb]和在1,550nm波长下的衰减[dB/km]。从图中明显可知，当碱金属掺杂芯玻璃棒中所溶解的氧分子的最大浓度为大于或等于30molppb(或者7×10-14分子/cm3)时，在1,550nm波长下的光纤的衰减为小于或等于0.17dB/km。该结果显示碱金属掺杂芯玻璃棒中所溶解的氧分子的最大浓度优选为大于或等于30molppb。
图4为示出光纤预制件的芯部分中的平均钾浓度与由该光纤预制件制备的光纤在1,550nm波长下的衰减之间的关系的图。在该试验中，利用具有不同钾金属(作为碱金属)浓度并且氧分子的最大浓度为约100molppb的碱金属掺杂芯玻璃棒来制备光纤。所述碱金属掺杂芯玻璃棒均基本上由纯的二氧化硅玻璃构成，该二氧化硅玻璃的除卤素(例如Cl和F)以外的掺杂剂的浓度为小于或等于10ppb。每个光纤预制件的包层部分由掺杂有F的二氧化硅玻璃构成。所制备并且评价的光纤均为1,550nm波长的单模光纤。
图5为示出光纤预制件的碱金属掺杂芯玻璃棒中的碱金属浓度分布的图，所述光纤预制件的平均钾浓度在图4中示出。关于在这些碱金属掺杂芯玻璃棒中的碱金属浓度，中心部分中的峰值基本一致，为约700原子ppm，并且碱金属的浓度随着与浓度达到最大时的位置(该位置位于中轴附近)之间的距离的增加而降低。因此，通过改变用于制备光纤预制件的碱金属掺杂芯玻璃棒的直径来调节芯玻璃中的碱金属的平均浓度。如图6所示，计算芯部分中的平均钾浓度，其中图6为示出光纤预制件的折射率分布的图。在图6中，将在半径R之内的区域定义为芯部分，其中，将在径向方向上距离光纤预制件的中轴达到距离r的位置处的折射率用N(r)表示，折射率N(r)达到最大值N最大值时的径向方向上的位置用L表示，(N最大值-N(R))/N最 大值为0.15％并且在径向方向上位于位置L之外的位置用R表示。
在图4中，在每个标出点附近的括号中的两个数值表示平均钾浓度[原子ppm]和在1,550nm波长下的衰减[dB/km]。当光纤预制件的芯部分中的平均碱金属浓度为大于或等于5原子ppm时，光纤在1,550nm波长下的衰减为小于或等于0.180dB/km。此外，当平均碱金属浓度为大于或等于10原子ppm时，光纤在1,550nm波长下的衰减为小于或等于0.170dB/km。这些结果表明，在光纤预制件的芯部分中的平均碱金属浓度优选为大于或等于5原子ppm，更优选为大于或等于10原子ppm。据信，在碱金属元素为小于或等于5原子ppm的低浓度下，光纤衰减高的原因是由于所溶解的氧分子的已知的效应所致。
由图3和图4明显可知，当光纤预制件的芯部分中的氧分子的最大浓度为大于或等于30molppb，并且芯部分中的碱金属的平均浓度为大于或等于5原子ppm时，可以使由该光纤预制件制备的光纤在1,550nm波长下的衰减为小于或等于0.180dB/km。此外，可以使光纤在1,550nm波长下的衰减为小于或等于0.170dB/km，更优选为小于或等于0.165dB/km。所述光纤的这些衰减明显低于具有由掺杂GeO2的二氧化硅基玻璃构成的芯部分的标准单模光纤的衰减，后者的衰减约为0.19dB/km。因此，利用这些光纤作为光传输线可以提高长距离传输光学通信系统的性能。
其它主要传输性能的优选范围在下表中进行描述。
表
注意，在1,380nm波长下的衰减更优选为小于或等于0.4dB/km，最优选为小于或等于0.3dB/km。光缆截止波长更优选为小于或等于1,450nm，1,450nm是用于拉曼放大的泵浦波长。可选的是，在标准单模光纤中，光缆截止波长可以为小于或等于1,260nm。
光纤芯部分的直径为约5μm至15μm。芯部分与包层部分的相对折射率差为约0.1％至0.7％。光纤玻璃部分的外周直径可以为约110μm至150μm。被树脂包覆的光纤的外周直径可以为约200μm至300μm。光纤预制件、光纤的芯部分和光纤的包层部分都可以具有折射率结构。该折射率结构可以为(例如)图7所示出的任何分布，但不限于此。
当碱金属掺杂芯玻璃部分中的氧分子的最大浓度或者碱金属的平均浓度过大时，原料的成本增加，并且掺杂所需要的处理时间变长，从而导致制造成本增加。因此，从减少制造成本的角度考虑，优选的是，不过度掺杂氧分子或者碱金属，其量不超过光纤衰减能够被充分降低时的量，在碱金属掺杂芯玻璃部分中，氧分子的最大浓度优选为小于或等于160molppb，并且碱金属掺杂芯玻璃部分中碱金属的平均浓度优选为小于或等于120原子ppm。
实施例1
在实施例1中，通过依次进行图1中的步骤S1至步骤S7的工序，从而制备光纤预制件，并且由该光纤预制件进一步制备光纤。对所述光纤的传输性能进行评价。
在步骤S1中制备的玻璃管由包含50原子ppm的Cl和5,000原子ppm的F作为掺杂剂的二氧化硅基玻璃构成，并且在该玻璃管中其它杂质的浓度为小于或等于10原子ppb。因此，该玻璃管基本上由纯的二氧化硅玻璃构成。该玻璃管的外径为35mm，其内径为约20mm。
在步骤S2中，使用溴化钾(KBr)作为碱金属的原料，并且利用热源将该原料加热至800℃的温度以产生KBr蒸气。之后将KBr蒸气与以1SLM(在标准状态下为1升/分钟)的流速作为载气引入的氧气一起引入玻璃管，同时利用作为外部热源的热等离子体焰加热该玻璃管，从而使该玻璃管外表面的温度变成2,050℃。使热等离子体焰以30mm/分钟的速率往复运动总共30次来进行加热。由此，用钾金属元素通过扩散对玻璃管的内表面进行掺杂。
在步骤S3中，在掺杂有钾金属元素的玻璃管内供应氧气(2SLM)，同时利用作为外部热源的热等离子体焰加热该玻璃管，从而使该玻璃管外表面的温度变成2,100℃。使热等离子体焰以40mm/分钟的速率往复运动总共5次来进行加热。由此，用氧分子通过扩散对掺杂有钾金属元素的玻璃管的内表面进行掺杂。此外，与步骤S3同时进行步骤S4以将掺杂有钾金属元素的玻璃管的内径减小至3mm。
在步骤S5中，将SF6(0.05SLM)和氧气(1SLM)引入掺杂有钾金属元素和氧分子的玻璃管，同时利用外部热源加热该玻璃管，从而进行气相蚀刻。由此，使该玻璃管的内径变为3.4mm。
在步骤S6中，在玻璃管内供应氧气(2SLM)，同时利用作为外部热源的热等离子体焰加热该玻璃管，从而使该玻璃管外表面的温度变成2,100℃。使热等离子体焰以40mm/分钟的速率往复运动总共5次来进行加热。由此，用氧分子通过扩散对玻璃管的内表面进行掺杂。
在步骤S7中，将氧气(1SLM)引入玻璃管，同时使玻璃管中的绝对压力降低至1kPa。利用外部热源使玻璃管的表面温度增加至1,400℃，从而使该玻璃管塌缩。由此，获得了直径为28mm的碱金属掺杂芯玻璃棒。在芯玻璃棒中，氧分子的最大浓度为115molppb，并且其中最大钾浓度为1,200原子ppm。
为了除去通过塌缩而获得的碱金属掺杂芯玻璃棒的外周部分中的水和羟基基团以及过渡金属，对芯玻璃棒的外周部分进行研磨，直至芯玻璃棒的直径变为12mm。在碱金属掺杂芯玻璃棒的外侧提供作为外部芯玻璃并且掺杂有5,000原子ppm的Cl的二氧化硅基玻璃，从而形成直径为60mm的芯玻璃。具体而言，获得了光纤预制件的芯玻璃部分，该芯玻璃部分包括碱金属掺杂芯玻璃和外部芯玻璃，并且其作为光纤的芯区域。该芯玻璃部分中的碱金属的浓度平均为72原子ppm。外部芯玻璃的合并通过插棒塌缩(rod-in-collapse)法进行，其中，制备由掺杂有5,000原子ppm的Cl的二氧化硅基玻璃构成的玻璃管，将碱金属掺杂芯玻璃棒插入该玻璃管，利用外部热源加热玻璃管和芯玻璃棒，并且使它们彼此一体化。
在芯玻璃部分上合成掺杂有F并且作为光学包层和物理包层的二氧化硅基玻璃(包层玻璃部分)，从而获得光纤预制件。芯玻璃部分与包层玻璃部分之间的相对折射率差为约0.40％。对光纤预制件进行拉伸以制备包含直径为125μm的玻璃部分的光纤。在该步骤中，在拉伸时形成光纤的卷取速度为2,000m/分钟，并且施加至光纤的玻璃部分的张力为50gf(0.49N)。由此制备的光纤的性能在表中示出。获得了具有低衰减的光纤。
实施例2
在实施例2中，通过依次进行图1中的步骤S1至步骤S5和步骤S7的工序，从而制备光纤预制件，并且由该光纤预制件进一步制备光纤。对所述光纤的传输性能进行评价。
在步骤S1中制备的玻璃管由包含100原子ppm的Cl和5,000原子ppm的F作为掺杂剂的二氧化硅基玻璃构成，并且在该玻璃管中其它杂质的浓度为小于或等于10原子ppb。因此，该玻璃管基本上由纯的二氧化硅玻璃构成。该玻璃管的外径为25mm，其内径为约10mm。
在步骤S2中，使用溴化钾(KBr)作为碱金属的原料，并且利用热源将该原料加热至780℃的温度以产生KBr蒸气。之后将KBr蒸气与以1SLM(在标准状态下为1升/分钟)的流速作为载气引入的氧气一起引入玻璃管，同时利用作为外部热源的氢氧焰加热该玻璃管，从而使该玻璃管外表面的温度变成2,050℃。使氢氧焰以30mm/分钟的速率往复运动总共15次来进行加热。由此，用钾金属元素通过扩散对玻璃管的内表面进行掺杂。
在步骤S3中，在掺杂有钾金属元素的玻璃管内以2SLM的流速供应氧气，同时利用作为外部热源的氢氧焰加热该玻璃管，从而使该玻璃管外表面的温度变成2,100℃。使氢氧焰以40mm/分钟的速率往复运动总共8次来进行加热。由此，用氧分子通过扩散对掺杂有钾金属元素的玻璃管的内表面进行掺杂。此外，与步骤S3同时进行步骤S4以将掺杂有钾金属元素的玻璃管的内径减小至3mm。
在步骤S5中，将SF6(0.05SLM)和氧气(1SLM)引入掺杂有钾金属元素和氧分子的玻璃管，同时利用外部热源加热该玻璃管，从而进行气相蚀刻。由此，使该玻璃管的内径变为3.3mm。在实施例2中，不进行步骤6的工序。
在步骤S7中，将氧气(1SLM)引入玻璃管，同时使玻璃管中的绝对压力降低至1kPa。利用外部热源使玻璃管的表面温度增加至1,400℃，从而使该玻璃管塌缩。由此，获得了直径为22mm的碱金属掺杂芯玻璃棒。在芯玻璃棒中，氧分子的最大浓度为45molppb，并且其中最大钾浓度为800原子ppm。
为了除去通过塌缩而获得的碱金属掺杂芯玻璃棒的外周部分中的水和羟基基团以及过渡金属，对芯玻璃棒的外周部分进行研磨，直至芯玻璃棒的直径变为8mm。在碱金属掺杂芯玻璃棒的外侧提供作为外部芯玻璃并且掺杂有13,000原子ppm的Cl的二氧化硅基玻璃，从而形成直径为30mm的芯玻璃。具体而言，获得了光纤预制件的芯玻璃部分，该芯玻璃部分包括碱金属掺杂芯玻璃和外部芯玻璃，并且其作为光纤的芯区域。芯玻璃部分中的碱金属的浓度平均为42原子ppm。该外部芯玻璃的合并通过插棒塌缩法进行，其中，制备由掺杂有13,000原子ppm的Cl的二氧化硅基玻璃构成的玻璃管，将碱金属掺杂芯玻璃棒插入该玻璃管，利用外部热源加热玻璃管和芯玻璃棒，并且使它们彼此一体化。
在芯玻璃部分上合成掺杂有F并且作为光学包层和物理包层的二氧化硅基玻璃(包层玻璃部分)，从而获得光纤预制件。在实施例2中，包层玻璃部分包括与芯玻璃部分外接的内包层玻璃部分，以及与内包层玻璃部分外接的外包层玻璃部分。芯玻璃部分与内包层玻璃部分之间的相对折射率差为约0.34％。芯玻璃部分与外包层玻璃部分之间的相对折射率差为约0.26％。对光纤预制件进行拉伸以制备包含直径为125μm的玻璃部分的光纤。在该步骤中，在拉伸时形成光纤的卷取速度为2,000m/分钟，并且施加至光纤的玻璃部分的张力为50gf(0.49N)。由此制备的光纤的性能在表中示出。获得了具有低衰减的光纤。
实施例3
在实施例3中，通过依次进行图1中的步骤S1至步骤S5和步骤S7的工序，从而制备光纤预制件，并且由该光纤预制件进一步制备光纤。对所述光纤的传输性能进行评价。在实施例3中，在步骤S7的塌缩步骤中，使玻璃管中的氧气分压增加至大于或等于80kPa。
在步骤S1中制备的玻璃管由包含250原子ppm的Cl和4,000原子ppm的F作为掺杂剂的二氧化硅基玻璃构成，并且在该玻璃管中其它杂质的浓度为小于或等于10原子ppb。因此，该玻璃管基本上由纯的二氧化硅玻璃构成。该玻璃管的外径为30mm，其内径为约15mm。
在步骤S2中，使用溴化钾(KBr)作为碱金属的原料，并且利用热源将该原料加热至840℃的温度以产生KBr蒸气。之后将KBr蒸气与以1SLM(在标准状态下为1升/分钟)的流速作为载气引入的氧气一起引入玻璃管，同时利用作为外部热源的氢氧焰加热该玻璃管，从而使该玻璃管外表面的温度变成2,100℃。使氢氧焰以30mm/分钟的速率往复运动总共20次来进行加热。由此，用钾金属元素通过扩散对玻璃管的内表面进行掺杂。
在步骤S3中，在掺杂有钾金属元素的玻璃管内以2SLM的流速供应氧气，同时利用作为外部热源的氢氧焰加热该玻璃管，从而使该玻璃管外表面的温度变成2,100℃。使氢氧焰以40mm/分钟的速率往复运动总共8次来进行加热。由此，用氧分子通过扩散对掺杂有钾金属元素的玻璃管的内表面进行掺杂。此外，与步骤S3同时进行步骤S4以将掺杂有钾金属元素的玻璃管的内径减小至3mm。
在步骤S5中，将SF6(0.05SLM)和氧气(1SLM)引入掺杂有钾金属元素和氧分子的玻璃管，同时利用外部热源加热该玻璃管，从而进行气相蚀刻。由此，使该玻璃管的内径变为3.4mm。在实施例3中，不进行步骤S6的工序。
在步骤S7中，将氧气(1SLM)引入玻璃管，同时使玻璃管中的绝对压力控制为95kPa。因此，该玻璃管中的氧气分压为95kPa。利用外部热源使玻璃管的表面温度增加至1,700℃，从而使该玻璃管塌缩。由此，获得了直径为26mm的碱金属掺杂芯玻璃棒。在该芯玻璃棒中，氧分子的最大浓度为110molppb，并且其中最大钾浓度为3,000原子ppm。
利用已知的方法对通过塌缩而获得的碱金属掺杂芯玻璃棒进行拉伸，从而使其直径变为20mm。接下来，为了除去碱金属掺杂芯玻璃棒的外周部分中的水和羟基基团以及过渡金属，对该芯玻璃棒的外周部分进行研磨，直至芯玻璃棒的直径变为12mm。在碱金属掺杂芯玻璃棒的外侧提供作为外部芯玻璃并且掺杂有10,000原子ppm的Cl的二氧化硅基玻璃，从而形成直径为60mm的芯玻璃。具体而言，获得了光纤预制件的芯玻璃部分，该芯玻璃部分包括碱金属掺杂芯玻璃和外部芯玻璃，并且其作为光纤的芯区域。芯玻璃部分中的碱金属的浓度平均为120原子ppm。该外部芯玻璃的合并通过插棒塌缩法进行，其中，制备由掺杂有10,000原子ppm的Cl的二氧化硅基玻璃构成的玻璃管，将碱金属掺杂芯玻璃棒插入该玻璃管，利用外部热源加热玻璃管和芯玻璃棒，并且使它们彼此一体化。
在芯玻璃部分上合成掺杂有F并且作为光学包层和物理包层的二氧化硅基玻璃(包层玻璃部分)，从而获得光纤预制件。在实施例3中，包层玻璃部分包括与芯玻璃部分外接的内包层玻璃部分，以及与内包层玻璃部分外接的外包层玻璃部分。芯玻璃部分与内包层玻璃部分之间的相对折射率差为约0.35％。芯玻璃部分与外包层玻璃部分之间的相对折射率差为约0.33％。对光纤预制件进行拉伸以制备包含直径为125μm的玻璃部分的光纤。在该步骤中，在拉伸时形成光纤的卷取速度为2,300m/分钟，并且施加至光纤的玻璃部分的张力为40gf(0.39N)。由此制备的光纤的性能在表中示出。获得了具有低衰减的光纤。

Claims (11)

1.一种由二氧化硅基玻璃构成的光纤预制件，该光纤预制件包括：
通过拉伸而形成为光纤的芯区域的芯部分，
其中所述芯部分包括掺杂有一种或多种碱金属的碱金属掺杂芯玻璃部分，
所述碱金属掺杂芯玻璃部分中氧分子的最大浓度为大于或等于30molppb，并且
所述芯部分中碱金属的平均浓度为大于或等于5原子ppm。
2.根据权利要求1所述的光纤预制件，
其中所述碱金属掺杂芯玻璃部分为掺杂有钾作为所述的一种或多种碱金属的二氧化硅基玻璃。
3.根据权利要求1所述的光纤预制件，
其中所述碱金属掺杂芯玻璃部分中氧分子的最大浓度为小于或等于160molppb。
4.根据权利要求1所述的光纤预制件，
其中所述芯部分中所述碱金属的平均浓度为小于或等于120原子ppm。
5.根据权利要求1至4中任意一项所述的光纤预制件，
其中所述碱金属掺杂芯玻璃部分除了SiO2玻璃网络以外，还包含氧分子和卤素，并且
所述碱金属掺杂芯玻璃部分中其它掺杂剂的平均浓度均低于所述碱金属掺杂芯玻璃部分中碱金属和卤素各自的平均浓度。
6.根据权利要求5所述的光纤预制件，
其中所述碱金属掺杂芯玻璃部分除了SiO2玻璃网络以外，还包含氧分子和卤素，并且
所述碱金属掺杂芯玻璃部分中其它掺杂剂的最大浓度均低于所述碱金属掺杂芯玻璃部分中碱金属、氧分子和卤素各自的最大浓度。
7.根据权利要求1至4中任意一项所述的光纤预制件，还包括：
通过拉伸而形成为所述光纤的包层区域的包层部分，所述包层部分位于所述芯部分的外周，
其中所述包层部分为掺杂有氟的二氧化硅基玻璃。
8.根据权利要求1至4中任意一项所述的光纤预制件，
其中所述芯部分包括第一芯玻璃部分，其掺杂有平均浓度为大于或等于5原子ppm的所述一种或多种碱金属；以及第二芯玻璃部分，其包含小于或等于1原子ppm的所述一种或多种碱金属，所述第二芯玻璃部分位于所述第一芯玻璃部分的外周。
9.一种光纤，其是通过对权利要求1至4中任意一项所述的光纤预制件进行拉伸而制备的，其中，在1,550nm波长下的衰减小于或等于0.180dB/km。
10.一种制备光纤预制件的方法，该光纤预制件由二氧化硅基玻璃构成并且包括通过拉伸而形成为光纤的芯区域的芯部分，所述方法包括：
碱金属掺杂步骤，其中，将一种或多种碱金属的原料气体供应至由二氧化硅基玻璃构成的玻璃管的内部，同时加热该玻璃管，从而用所述一种或多种碱金属对该玻璃管进行掺杂；
氧分子掺杂步骤，其中，将氧气供应至所述玻璃管的内部，同时加热该玻璃管，从而用氧分子对该玻璃管进行掺杂；以及
塌缩步骤，其中，在所述碱金属掺杂步骤和氧分子掺杂步骤之后加热所述玻璃管，从而使该玻璃管塌缩，
由此制得根据权利要求1至4中任意一项所述的光纤预制件。
11.根据权利要求10所述的方法，
其中，在所述塌缩步骤中，将所述玻璃管中的氧气分压控制为大于或等于80kPa。
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