CN102627398B - 用于制备光纤预制件的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于制备光纤预制件的方法，包括塌缩步骤，其中，使用在二氧化硅基玻璃管的纵向上连续移动的热源进行加热，从而使所述玻璃管塌缩以形成第一玻璃棒，所述第一玻璃棒待形成为光纤的芯部分或芯部分的一部分，并且所述玻璃管具有掺杂有碱金属元素的内表面，其中所述玻璃管的最高碱金属浓度为500原子ppm至20,000原子ppm，最高氯浓度为0原子ppm至1000原子ppm，并且最高氟浓度为0原子ppm至10,000原子ppm，并且在所述塌缩步骤中，所述玻璃管外表面的最高温度在2000℃至2250℃范围内，并且所述热源的移动速度在30mm/min至100mm/min范围内。

Description

用于制备光纤预制件的方法

技术领域

本发明涉及用于制备光纤预制件的方法。

背景技术

日本未审查专利申请公开(PCT申请的译文)No.2007-504080和2009-541796以及美国专利申请公开No.2005/0144986描述了由二氧化硅基玻璃构成的光纤，所述光纤的每一个都包括掺杂有碱金属的芯区。使用数百至数百万原子ppm浓度的碱金属掺杂光纤预制件的芯部分降低了光纤预制件拉伸期间芯部分的粘度。这使得二氧化硅玻璃的网状结构松弛，从而减少了通过拉伸预制件而制备的光纤的瑞利散射损耗。

作为使二氧化硅玻璃掺杂碱金属的方法，已知的是扩散法。在扩散法中，将作为原料的碱金属或碱金属盐(如，KBr或KI)的蒸气与氧气一起供给入由二氧化硅基玻璃构成的玻璃管，同时利用外部热源将该玻璃管加热到1500℃至2000℃，或在该玻璃管中产生等离子体。由此，通过扩散使玻璃管的内表面掺杂碱金属元素。

在使玻璃管掺杂碱金属之后，缩小所得玻璃管的直径。在直径缩小之后，对玻璃管的内表面进行腐蚀，从而除去在使玻璃管掺杂碱金属元素的过程中掺入的作为污染物的过渡金属，例如Ni和Fe。在腐蚀之后，使玻璃管塌缩，从而形成碱金属掺杂芯棒。在碱金属掺杂芯棒的外侧形成包层部分，从而制得光纤预制件。对光纤预制件进行拉伸，从而制得光纤。

对于含有碱金属的二氧化硅玻璃，玻璃化转变温度低到1000℃至1400℃，并且结晶速率高。因而，在制备光纤预制件时，在加热和冷却掺杂有碱金属的玻璃的步骤中，所述玻璃可能结晶，从而不利地降低令人满意的光纤预制件的产率。在通过气相法形成高纯度二氧化硅玻璃制品的情况下，在用氯气干燥二氧化硅玻璃烟炱制品的步骤中，二氧化硅玻璃制品被氯污染。二氧化硅玻璃中氯和碱金属的反应形成碱金属氯化物。碱金属氯化物不包含于二氧化硅玻璃的网状结构中。因而，碱金属氯化物在光纤预制件制备过程中产生气泡或充当结晶核。

在光纤预制件(尤其是芯部分)中气泡和结晶核的存在导致通过拉伸光纤预制件而制备的光纤的衰减增加。具体而言，在使二氧化硅玻璃管塌缩以形成芯棒的塌缩步骤中，在高浓度的碱金属氧化物暴露于二氧化硅玻璃管内表面的情况下加热该二氧化硅玻璃管，从而使气泡和晶体可能形成。通过拉伸这种光纤预制件而制备的光纤的衰减高，其中所述的光纤预制件包括具有气泡和结晶的芯部分。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种用于制备光纤预制件的方法，其中所述的光纤预制件合适地用于制备衰减低的光纤。

根据本发明的一个方面，提供一种用于制备包括芯部分和包层部分的光纤预制件的方法，所述方法包括：塌缩步骤，其中，使用在二氧化硅基玻璃管的纵向上连续移动的热源进行加热，从而使所述玻璃管塌缩以形成第一玻璃棒，所述第一玻璃棒待形成为光纤的芯部分或芯部分的一部分，并且所述玻璃管具有掺杂有碱金属元素的内表面，其中所述玻璃管的最高碱金属浓度为500原子ppm至20,000原子ppm，最高氯浓度为0原子ppm至1000原子ppm，并且最高氟浓度为0原子ppm至10,000原子ppm，并且，在所述塌缩步骤中，所述玻璃管外表面的最高温度在2000℃至2250℃范围内，并且所述热源的移动速度在30mm/min至100mm/min范围内。

在根据本发明该方面的用于制备光纤预制件的方法中，在所述塌缩步骤中，玻璃管内部的压力比玻璃管外部的压力低至少90kPa。优选的是，根据本发明该方面的用于制备光纤预制件的方法还包括第一外周磨削步骤，其中，对在所述塌缩步骤中形成的第一玻璃棒的外周进行磨削，使得第一玻璃棒具有基本上正圆形的横截面。在根据本发明该方面的用于制备光纤预制件的方法中，第一玻璃棒的相对折射率差的最大值在-0.1％至+0.1％的范围内，并且所述方法还包括包层部分形成步骤，其中，在第一玻璃棒的周围形成光学包层部分或光学包层部分的一部分，其中所述光学包层部分的相对折射率差的最小值优选在-0.2％至-0.5％的范围内。在本说明书中，除非另外指明，术语“相对折射率差”是指，相对于纯二氧化硅玻璃的折射率的值，即，

优选的是，根据本发明该方面的用于制备光纤预制件的方法还包括芯部分扩径步骤，其中，在所述塌缩步骤中形成的第一玻璃棒的周围，布置氯浓度为1000原子ppm至15,000原子ppm的二氧化硅玻璃，以形成第二玻璃棒，所述第二玻璃棒待形成为光纤的芯部分或芯部分的一部分。在这种情况中，优选的是，本方法还包括第二外周磨削步骤，其中，对在所述芯部分扩径步骤中形成的第二玻璃棒的外周进行磨削，使得所述第二玻璃棒具有基本上正圆形的横截面。在根据本发明该方面的用于制备光纤预制件的方法中，第二玻璃棒的相对折射率差的最大值在-0.1％至+0.1％的范围内，并且所述方法还包括包层部分形成步骤，其中，在所述第二玻璃棒的周围形成光学包层部分或光学包层部分的一部分，其中光学包层部分的相对折射率差的最小值优选在-0.2％至-0.5％的范围内。

根据本发明，可以制得这样的光纤预制件，所述光纤预制件合适地用于制备衰减低的光纤。

附图简要说明

图1示出了根据本发明一个实施方案的用于制备光纤预制件的方法的流程图。

图2A至2D是概念图，其示出了图1流程图中的碱金属添加步骤S1。

图3是坐标图，其示出了塌缩步骤中的被加热部分中的最高温度和钾浓度与有无结晶出现之间的关系。

图4是坐标图，其示出了塌缩步骤中的移动速度和钾浓度与有无结晶出现之间的关系。

实施本发明的最佳方式

下面将参考附图对本发明的实施方案进行说明。提供所述实施方案仅为说明目的，并非旨在进行限制。在附图中，相同的元件使用相同的参考数字进行标记，并且不进行多余的重复描述。附图中的尺度比例不一定精确。

图1示出了根据本发明一个实施方案的用于制备光纤预制件的方法的流程图。根据该实施方案的用于制备光纤预制件的方法包括碱金属添加步骤S1、直径缩减步骤S2、腐蚀步骤S3、塌缩步骤S4、延伸步骤S5、第一外周磨削步骤S6、芯部分扩径步骤S7、第二外周磨削步骤S8、包层部分形成步骤S9和护套形成步骤S10。依次进行这些步骤以制备包括芯部分和包层部分并由二氧化硅基玻璃构成的光纤预制件。

图2A至2D示出了图1流程图中的碱金属添加步骤S1。在碱金属添加步骤S1中，碱金属被掺杂到由二氧化硅基玻璃构成的玻璃管10(下文称作“二氧化硅玻璃管10”)的内表面。作为所添加的碱金属，优选使用钾。也可以使用钠、铷和铯。二氧化硅玻璃管10的最高氯浓度为0原子ppm至1000原子ppm，最高氟浓度为0原子ppm至10,000原子ppm。除氯和氟之外的杂质(例如过渡金属和OH基)的浓度充分低，并且优选(例如)是10molppb或更小。例如，氯的浓度是200原子ppm。氟的最高浓度是4000原子ppm。外径是25mm。内径是10mm。

如2A图中所示，与二氧化硅玻璃管10的一端连接的支承管20具有内径缩小的原料供应部分。将KBr源30被置于所述的原料供应部分中。如2B图中所示，二氧化硅玻璃管10连接至支承管20。所制备的制品被安装在车床(lathe)上。

在用电炉40将支承管20的原料供应部分加热至600℃并持续30分钟的同时，使从气体供应单元(未显示)供给的干燥N₂气从支承管20向二氧化硅玻璃管10流动，以干燥置于所述原料供应部分中的KBr源30。然后，如2C图中所示，使SF₆气体从支承管20向二氧化硅玻璃管10流动，以腐蚀掉二氧化硅玻璃管10的预定厚度的内表面，从而除去附着于二氧化硅玻璃管10内表面的杂质。

如2D图中所示，在用电炉40将支承管20的原料供应部分加热至780℃的同时，使从气体供应单元(未显示)供给的O₂气从支承管20向二氧化硅玻璃管10流动，从而使从置于原料供应部分中的KBr源30生成的KBr蒸气连同O₂气一起流入二氧化硅玻璃管10中。用热源(如氢氧燃烧器50)从二氧化硅玻璃管10的外部对其进行加热，使得其最高外表面温度在2000℃至2250℃范围内。结果，流经二氧化硅玻璃管10的钾通过扩散法被掺杂到该玻璃管中。在碱金属添加步骤S1后，二氧化硅玻璃管10的最高钾浓度为500原子ppm至20,000原子ppm。

在直径缩减步骤S2中，在通过加热原料供应部分供应KBr蒸气后，继续用氢氧燃烧器50进行加热，以缩小玻璃管的直径直至玻璃管的内径达到约3mm。

在腐蚀步骤S3中，在SF₆和O₂分别以100sccm(就标准条件而言是100cc/分钟)和100sccm的流速流入内径缩小的玻璃管的同时，用氢氧燃烧器将玻璃管加热至1900℃至2250℃的最高温度，其中所述氢氧燃烧器以50mm/min至100mm/min的速度连续移动。优选的是，将SF₆用作腐蚀气体。可以使用的腐蚀气体的其他实例包括CF₄、NF₃和C₂F₆。因而，玻璃管的内表面被腐蚀掉约400μm至约800μm的厚度，从而除去了含有在扩散钾的步骤中所掺入的杂质(如过渡金属和OH基)的层，所述层具有高的杂质浓度(例如，10molppb或更高)。

在腐蚀步骤S3中，对于玻璃管的内表面，优选将钾元素扩散的区域腐蚀掉5％至25％的厚度。原料或载气中所含的过渡金属(例如，Fe、Ni和Co)在钾扩散的同时也扩散至玻璃中。在上述所述范围内的腐蚀降低了因杂质所致的衰减，波长1.55μm时的衰减被降低至0.001dB/km或更小，同时保留了钾。

在腐蚀步骤S3中，设定玻璃管内部的压力比玻璃管外部的压力优选高0.1kPa至1kPa。在这种情况下，可以在高温下腐蚀玻璃管，而不发生塌缩。

在塌缩步骤S4中，在设定玻璃管内部的压力比玻璃管外部的压力低至少90kPa的同时，用热源(如来自氢氧燃烧器的火焰)将玻璃管的表面加热到2000℃至2250℃，其中所述的热源以30mm/min至100mm/min的移动速度在玻璃管的纵向上连续移动，从而使玻璃管塌缩以形成由二氧化硅基玻璃构成的透明玻璃棒(第一玻璃棒)。在塌缩步骤S4中，玻璃管的内部和外部之间巨大的压差使得有效提高移动的速度成为可能，这是优选的。

塌缩步骤在上述条件下进行，因而抑制了塌缩步骤期间结晶的出现。500原子ppm或更高的最高碱金属浓度导致芯的粘度降低，因而减少了散射损耗。20,000原子ppm或更高的最高碱金属浓度导致高结晶速率，因而难以抑制在塌缩步骤期间结晶的出现。

玻璃棒中的高氯浓度导致KCl在二氧化硅玻璃中的形成。KCl充当引起二氧化硅玻璃结晶化继续进行的核。因而，最高氯浓度优选是1000原子ppm或更小。高氟浓度导致因氟所致的散射损耗，并导致芯的折射率降低，从而未能形成波导结构。因而，最高氟浓度优选在0原子ppm至10,000原子ppm范围内。

就热源而言，可以使用氢氧燃烧器。优选使用干式热源，如电炉和热等离子体。加热温度优选是2000℃或更高，以抑制晶体的形成。然而，难以将玻璃化温度提高至2250℃或更高。热源的移动速度优选是30mm/min或更大，该速度足够高，以致不发生结晶。另外，移动速度优选是100mm/min或更小，旨在使玻璃管在不形成气泡的情况下塌缩。

在延伸步骤S5中，在用热源如氢氧燃烧器加热玻璃棒的同时，使塌缩步骤S4中形成的玻璃棒延伸，直到外径达到11mm。在第一外周磨削步骤S6中，对玻璃棒的外周进行磨削，使得其外径为6mm。该步骤除去了通过用氢氧燃烧器加热而扩散有OH基的二氧化硅玻璃层。这还使得玻璃棒具有基本上正圆形的横截面。术语“基本上正圆形的横截面”表示，该横截面的不圆度为0.4％或更小(不圆度表示，当玻璃棒的外周近似为椭圆时，长轴和短轴之间长度的差值除以长轴的长度所获得的值)。

已知玻璃管在存在于其内外之间的巨大压差下塌缩，在这种情况中，所制备的玻璃棒具有椭圆形横截面。在这种情况下，碱金属掺杂的区域也具有椭圆形横截面。在对玻璃棒的外部进行磨削从而使玻璃棒具有基本上正圆形的横截面后，当制备包括玻璃棒(其充当芯部分或部分充当芯部分)的光纤预制件并通过已知方法对其拉伸时，所制备的光纤的偏振模色散没有劣化。这种情况的原因如下：碱金属在1500℃具有高扩散系数(1×10^-6cm²/s)。因而，碱金属在拉伸期间因加热在下述部分中扩散，其中所述部分的体积是碱金属掺杂区域的体积的数倍至数十倍。因此，碱金属分布以下区域中，该区域的直径是光纤的模场直径的数倍。应当指出，在进行第一外周磨削步骤之前，可以不提供使二氧化硅玻璃棒延伸的步骤。

在芯部分扩径步骤S7中，将氯浓度为1000原子ppm至15,000原子ppm的二氧化硅玻璃布置在玻璃棒周围，所述玻璃棒已经在第一外周磨削步骤S6中被研磨了外周，从而形成了具有扩展部分的玻璃棒(第二玻璃棒)。所述二氧化硅玻璃形成为光纤的芯部分或芯部分的一部分。

在芯部分扩径步骤S7中，芯部分直径的增加提供了大尺寸的光纤预制件，因而降低了光纤预制件和光纤的制造成本。在扩径之前源自塌缩步骤中形成的玻璃棒的中央部分在纤维状态下具有小的直径，从而穿过该中央部分传播的光的比例低。这降低了过渡金属和OH基对衰减的影响，因而减小了衰减，所述过渡金属和OH基可能是在添加碱金属氧化物时而掺入的。扩径后的玻璃棒外周与扩径前的玻璃棒外周的比值优选在2至10范围内。

在第二外周磨削步骤S8中，对具有在芯部分扩径步骤S7中形成的扩展部分的玻璃棒的外周进行磨削，从而使玻璃棒具有基本上正圆形的横截面。应当指出可以不进行芯部分扩径步骤S7和第二外周磨削步骤S8。

在包层部分形成步骤S9中，在所制备的玻璃棒的周围形成光学包层部分。玻璃棒的最大折射率高于光学包层部分的最小折射率。具体而言，优选的是，待形成为光纤的芯或芯的一部分的玻璃棒含有碱金属、氯和氟，其他杂质的浓度是10ppb或更小。在这种情况下，玻璃棒的相对折射率差的最大值优选在-0.1％至+0.1％的范围内。光学包层部分优选由氟掺杂的二氧化硅玻璃构成。在氟浓度高达45,000原子ppm或更大并且其中相对折射率差是-0.5％或更小的情况下，衰减增加。因此，光学包层部分的相对折射率差的最小值优选在-0.2％至-0.5％的范围内。

光学包层部分的形成提供了这样一种光纤预制件，通过该预制件可以制备损耗低的光纤。芯部分中的最大值和光学包层中的最小值之间的相对折射率差优选在0.2％至0.6％范围内。待形成为物理包层部分的二氧化硅玻璃可以布置在光学包层部分的外部。

在护套形成步骤S10中，通过已知方法例如VAD法、OVD法或管中棒(rod-in-tube)法形成待形成为物理包层部分的护套部分，从而提供光纤预制件。拉伸所述光纤预制件来制备光纤。

如上述制备的光纤具有低衰减。即，可以通过根据本发明实施方案的用于制备光纤预制件的方法来制备光纤预制件，所述光纤预制件适于制备具有低衰减的光纤。

在拉伸步骤中，碱金属扩散至光学包层部分中，因而与护套部分相比，降低了芯部分和光学包层部分的粘度。因此，压缩应变残留在所制备的光纤的芯部分和光学包层部分中。如果拉伸应变残留在光纤的芯部分中，则SiO₂玻璃的网状结构中的密度波动增加，因而不利地增加衰减。在本发明的光纤中，压缩应变残留在芯部分中，从而消除了衰减的增加。因而可以提供具有低衰减的光纤。

可以设定光纤芯部分的假想温度为1500℃或更低。假想温度由拉曼光谱法测定，并且表示与玻璃具有相同结构的过冷态的温度。较低的假想温度导致玻璃的密度波动变缓，从而降低了瑞利散射损耗。因而可以提供具有低衰减的光纤。

另外，可以将光纤的衰减设定成在1550nm波长下为0.175dB/km或更小。具有低衰减的光纤适于长距离传输。所述衰减在1550nm波长下优选为0.170dB/km或更小，并且更优选为0.165dB/km或更小。

图3是坐标图，其示出了当在30mm/min的移动速度下进行塌缩步骤时，在加热部分中的最高温度和钾浓度与有无结晶出现之间的关系。图4是坐标图，其示出了当在2250℃下进行塌缩步骤时，钾浓度和移动速度与有无结晶出现之间的关系。这些图表明，在塌缩步骤中，在玻璃管外表面的最高温度在2000℃至2250℃范围内并且热源的移动速度在30mm/min至100mm/min范围内的情况下，结晶的出现得到抑制。

作为对比例，在塌缩步骤中，使来自氢氧燃烧器、并且温度是1900℃的火焰在1kPa的减压下以5mm/min的速度进行移动。在这种情况下，玻璃管的内表面变白。白色物质的X射线衍射测量揭示所述玻璃结晶。在结晶的芯中，在结晶的部分中形成许多裂纹，并且其中所截获的玻璃组分以气泡的形式残留。因而，所制备的玻璃棒不能形成为光纤。

Claims (6)

1.一种用于制备包括芯部分和包层部分的光纤预制件的方法，所述光纤预制件由二氧化硅基玻璃构成，所述方法包括：

塌缩步骤，其中，使用沿二氧化硅基玻璃管的纵向连续移动的热源进行加热，从而使所述玻璃管塌缩以形成第一玻璃棒，所述第一玻璃棒将形成为光纤的芯部分或芯部分的一部分，并且所述玻璃管具有掺杂有碱金属元素的内表面，

其中所述玻璃管的最高碱金属浓度为500原子ppm至20,000原子ppm范围内的值，最高氯浓度为0原子ppm至1000原子ppm范围内的值，并且最高氟浓度为0原子ppm至10,000原子ppm范围内的值，并且

在所述塌缩步骤中，所述玻璃管外表面的最高温度在2000℃至2250℃范围内，并且所述热源的移动速度在30mm/min至100mm/min范围内，并且所述玻璃管内部的压力比所述玻璃管外部的压力低至少90kPa。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括：

第一外周磨削步骤，其中，对在所述塌缩步骤中形成的所述第一玻璃棒的外周进行磨削，使得所述第一玻璃棒具有基本上正圆形的横截面。

3.根据权利要求1或2所述的方法，

其中所述第一玻璃棒的相对折射率差的最大值在-0.1％至+0.1％的范围内，并且所述方法还包括：

包层部分形成步骤，其中，在所述第一玻璃棒的周围形成光学包层部分或光学包层部分的一部分，

其中所述光学包层部分的相对折射率差的最小值在-0.2％至-0.5％的范围内。

4.根据权利要求1或2所述的方法，还包括：

芯部分扩径步骤，其中，在所述塌缩步骤中形成的所述第一玻璃棒的周围布置氯浓度为1000原子ppm至15,000原子ppm的二氧化硅玻璃，以形成第二玻璃棒，所述第二玻璃棒将形成为光纤的芯部分或芯部分的一部分。

5.根据权利要求4所述的方法，还包括：

第二外周磨削步骤，其中，对在所述芯部分扩径步骤中形成的所述第二玻璃棒的外周进行磨削，使得所述第二玻璃棒具有基本上正圆形的横截面。

6.根据权利要求4或5所述的方法，

其中所述第二玻璃棒的相对折射率差的最大值在-0.1％至+0.1％的范围内，并且所述方法还包括：

包层部分形成步骤，其中，在所述第二玻璃棒的周围形成光学包层部分或光学包层部分的一部分，

其中所述光学包层部分的相对折射率差的最小值在-0.2％至-0.5％的范围内。