CN102826750A - 光纤制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种具有低传输损耗的光纤的制造方法，该光纤包括含有碱金属元素的芯部。用拉制装置对包括芯部和包层部的光纤预制棒进行拉制以形成光纤，该芯部具有大于等于5原子ppm的碱金属元素平均浓度。在拉制期间，使玻璃温度维持在大于等于1500°C的时间为110分钟或更短。拉制速度适宜为大于等于1200米/分钟，更适宜为1500米/分钟至2300米/分钟。光纤预制棒具有的直径适宜为70毫米至170毫米，更适宜为90毫米至150毫米。

Description

光纤制造方法
技术领域
本发明涉及一种光纤制造方法
背景技术
周知的光纤包括含有碱金属元素的芯部（参见日本专利申请公开（PCT申请的翻译）No.2005-537210、No.2007-504080、No.2008-536190、No.2009-541796、No.2010-501894、以及No.2010-526749，美国专利申请公开No.2006/0130530，美国专利No.5146534，以及国际公开No.98/002389）。通常认为：通过将碱金属元素添加进芯部，降低了拉制光纤预制棒以生产光纤时芯部的粘性，并且让玻璃网络结构能够松弛，从而减少光纤的传输损耗。
另外，周知另一低损耗光纤，其包括由未添加碱金属元素的纯石英玻璃构成的芯部。周知在制造这种光纤的过程中，为了促进玻璃网络结构的松弛，在拉丝炉下方布置退火炉，以延长加热时间。
发明内容
本发明的目的是提供一种光纤制造方法，这种光纤包括含有碱金属元素的芯部，该光纤具有低传输损耗。
根据本发明的一方面，一种光纤制造方法，包括：拉制包括芯部和包层部的硅基光纤预制棒，芯部具有大于等于5原子ppm的碱金属元素平均浓度，其中，在拉制期间使玻璃温度保持大于等于1500°C的时间为小于等于110分钟。
在根据本发明实施例的光纤制造方法中，光纤预制棒芯部中碱金属元素的平均浓度优选小于等于500原子ppm。适宜地，光纤预制棒的芯部含有碱金属元素和卤族元素，以及，芯部中除这些元素以外的添加元素的平均浓度等于或低于芯部中卤族元素的平均浓度。光纤预制棒的芯部中卤族元素的平均浓度优选在1,000原子ppm至20,000原子ppm的范围内。碱金属元素优选是钾。
在根据本发明实施例的光纤制造方法中，光纤预制棒拉制期间的拉制速度适宜为1200米/分钟或更高，更适宜在1200米/分钟至2500米/分钟的范围内。光纤预制棒具有的直径适宜为70毫米至170毫米。光纤预制棒拉制期间的拉制张力（施加于玻璃部的力）适宜在30克（0.29牛顿）至150克（1.47牛顿）的范围内。
在根据本发明实施例的光纤制造方法中，适宜地，在光纤预制棒的拉制期间，使直径小于等于200微米的拉制玻璃纤维在1500°C或更高温度下加热0.3秒或更短时间，以及，光纤预制棒的单个位置在拉丝炉中滞留时间小于等于4小时。更具体地，滞留时间定义为：从光纤预制棒的一个位置通过拉丝炉上端的时刻、到该位置通过拉丝炉下端的时刻之间的持续时间。优选地，直径小于等于200微米的拉制玻璃纤维在1500°C或更高温度下加热0.01秒或更短时间。在光纤预制棒的拉制过程中，光纤预制棒的任意位置在拉丝炉中的滞留时间优选小于等于4小时。
一种根据本发明实施例的光纤制造方法是：一种光纤制造方法，该光纤包括芯部和围绕芯部的包层部，其中，光纤预制棒的芯部具有大于等于5原子ppm的碱金属平均浓度、以及1000原子ppm或更高的卤族元素平均浓度，芯部中除碱金属或卤族元素以外的添加元素的平均浓度等于或低于芯部中卤族元素的平均浓度，光纤预制棒具有70毫米至170毫米的直径，拉制光纤时光纤的拉制速度为600米/分钟或更高，以及，施加于玻璃部的力在30克（0.29牛顿）至150克（1.47牛顿）的范围内。光纤的拉制速度优选在1200米/分钟至3000米/分钟的范围内。
此外，提供了一种由根据本发明实施例的光纤制造方法所制造的光纤，其中，该光纤在1550纳米波长下传输损耗小于等于0.18分贝/千米（dB/km）。
根据本发明的实施例，能够制造具有低传输损耗的光纤，该光纤包括含有碱金属元素的芯部。
附图说明
图1A是图示光纤预制棒的折射率分布和碱金属元素浓度分布的曲线，而图1B是图示光纤的折射率分布、碱金属元素浓度分布、以及光功率分布的曲线；
图2的曲线图示，在拉丝炉中将玻璃温度维持于1500℃或更高温度的持续时间与1.55微米波长下光纤的传输损耗之间的关系；
图3是拉制装置的方案视图；
图4是图示在拉制装置中将玻璃温度维持于1500℃或更高温度的时间T1的方案视图；
图5是图示在拉制装置的拉丝炉中滞留时间T2的方案视图；
图6是图示拉制速度与1.55微米波长下光纤的传输损耗之间关系的曲线；
图7是图示拉制速度与1.55微米波长下光纤的传输损耗之间关系的曲线；
图8是图示光纤预制棒直径与1.55微米波长下光纤的传输损耗之间关系的曲线；
图9是图示拉丝炉中的滞留时间与1.55微米波长下光纤的传输损耗之间关系的曲线；
图10是图示光纤的折射率分布的曲线；
图11是图示光纤的折射率分布的曲线；
图12是图示光纤的折射率分布的其他示例的方案视图；
图13的曲线以拉制期间施加于玻璃的力为参数图示光纤的玻璃部中残余应力；
图14是图示光纤的残余应力的方案视图；以及
图15是图示另一拉制装置的方案视图。
具体实施方式
下面，参照附图说明本发明的实施方式。出于说明的目的提供附图，而并非要限制本发明的范围。在附图中，相同的组成部分使用相同的附图标记，并且省去重复的说明。图中的尺寸比例并不总是与各图中所描述实际对象的尺寸比例相同。
根据本发明人的发现，在制造芯部含有碱金属元素的光纤的情况下，当如制造纯石英构成的光纤那样通过在拉丝炉下方布置退火炉来延长加热时间时，得到的光纤在有些情况下具有增大的传输损耗。因此，在根据本发明的光纤制造方法中，当拉制芯部含有碱金属元素的光纤预制棒时，缩短了拉丝炉中加热光纤预制棒的时间。
图1A是图示光纤预制棒的折射率分布和碱金属元素的浓度分布的曲线。图1B是图示光纤的折射率分布、碱金属元素浓度分布、光功率分布的曲线。有关缩短拉制期间加热时间时使光纤传输损耗降低的机制尚不清楚，目前有如下想法：拉制期间加热时间的延长使得添加进芯部的碱金属元素扩散，因而，碱金属元素更大范围扩散，向外延伸达到的位置为通信波长范围（1550纳米带）的模场直径（MFD）的三倍或更远。如图1B所示，因此，降低了光纤芯部中碱金属元素的有效浓度。从而，玻璃网络结构不会发生松弛，因此，无法降低光纤的传输损耗。
在根据本发明实施例的光纤制造方法中，为了适当地实现损耗的减少，添加至光纤预制棒芯部的碱金属元素（例如钾）的平均浓度为5个原子ppm（atm·ppm）或更高，并且适宜为50原子ppm（atm·ppm）或更低。钾浓度越高，由于射线照射导致的损耗越高。因此，芯部中钾平均浓度的上限为500原子ppm（atm·ppm）。在拉丝炉中将玻璃的温度维持于1500℃或更高温度的时间为110分钟或更短。拉制速度适宜为1200米/分钟或更高，更适宜为1500米/分钟至2300米/分钟。光纤预制棒的直径适宜为70毫米至170毫米，更适宜为90毫米至150毫米。
图2的曲线示出，以光纤预制棒芯部中的钾平均浓度为参数，在拉丝炉中将玻璃温度维持于1500℃或更高温度的时间T1与1.55微米波长下光纤的传输损耗之间的关系。各测量点的传输损耗示于表I中。
表I
在这种情况下，光纤预制棒具有140毫米的直径。光纤预制棒拉制期间的拉制张力为30克（0.29牛顿）至150克（1.47牛顿）。具有200微米或更小直径的玻璃纤维在1500°C或更高温度下加热0.01秒至0.3秒。
所拉制光纤的芯部由含有钾、氯以及氟的硅基玻璃构成。包层部由含有氟以及氯的硅基玻璃构成。芯部具有0.1原子ppm至100原子ppm的钾平均浓度。所拉制光纤的芯部具有大约10,000原子ppm的氯平均浓度。除了钾、氯以及氟以外，芯部基本上不含有掺杂剂，诸如过渡金属以及GeO2。芯部中除了钾、氯、以及氟以外的掺杂剂的浓度为1ppm或更低。
当光纤预制棒拉制期间的拉制张力高于或低于30克（0.29牛顿）至150克（1.47牛顿）的范围时，光纤的传输损耗增大。图13示出，以拉制期间施加于玻璃的力为参数，由芯部具有5原子ppm钾平均浓度的光纤预制棒所拉制的光纤玻璃部中残余应力。负应力值表示压缩残余应力。正应力值表示拉伸残余应力。如图14所示，当光纤被视为圆柱体时应力残留于纵向。
如图13所示，张力的增大导致光纤芯部中压缩应力的增大。例如，图13显示：芯部中心部处的压缩应力值，在30克（0.29牛顿）的力施加至玻璃部时为-4兆帕（MPa），而在200克（1.96牛顿）的力施加至玻璃部时为-148兆帕。同时，当施加至玻璃部的力减小至10克（0.098牛顿）时，拉伸应力残留在引导光学信号的芯部中。因此，使包括芯部的周围玻璃部拉紧而增大玻璃缺陷的量，从而，不利地增大了传输损耗。此外，出于制造方面的考虑，施加至玻璃的张力的减小容易导致光纤在拉丝炉下方摇摆，从而，光纤容易断裂。据此，从生产率的观点，在低张力下对玻璃进行拉制是不合适的。
施加至玻璃的张力增大使芯部周围残余应力的变化量增大。例如，在施加至玻璃的力为150克（1.47牛顿）时，在从芯部中心延伸至15微米半径的区域（三倍于MFD直径的区域）中每微米的应力变化量的最大值是16兆帕/微米。然而，在175克（1.72牛顿）以及200克（1.96牛顿）时，每微米应力变化量的最大值分别是25兆帕/微米以及23兆帕/微米。也就是，应力中的变化于径向明显增大。这导致非均匀的玻璃结构，从而，不利地增大传输损耗。据此，拉制期间施加至玻璃的力最佳在30克（0.29牛顿）至150克（1.47牛顿）的范围内。
图2示出光纤预制棒维持于1500℃或更高温度，将此时间缩短导致1.55微米波长下光纤的传输损耗减小。在光纤预制棒的芯部具有500原子ppm或更低钾平均浓度的情况下，通过拉制光纤预制棒形成光纤的假定构型平衡温度在1400℃至1550℃的范围内。在拉丝炉中使玻璃维持处于峰值温度（1500℃或更高）与1500℃之间温度下的期间，钾的扩散得以进行。当钾过度扩散时，即使在通信波长带（1550纳米带）中光功率分布的外侧区域中，钾也广泛分布。结果，使有效钾浓度降低，因而，玻璃网络结构没有进行松弛，无法减少光纤的传输损耗。因此，可以认为：当玻璃温度维持于1500℃或更高温度（在此温度钾扩散更容易进行）的时间缩短时，光纤的传输损耗减小。如图2和表I所示，为了达到低于0.170分贝/千米的传输损耗（其为包括无碱金属元素芯部的纯石英光纤的传输损耗），玻璃温度维持于1500℃或更高温度的持续时间需要为110分钟或更短，更适宜为70分钟或更短。
图3是拉制装置1的方案视图。拉制装置1包括拉丝炉11和布置于拉丝炉11周围的加热器13。在拉制装置1中，通过加热使从顶部插进的光纤预制棒20的下端熔融，并进行拉制以制造光纤30。拉丝炉11充氦气氛。长度L（从上缘12到下端的长度）是例如1.8米。
图4是图示在拉制装置1中将玻璃温度维持于1500℃或更高温度的时间T1的方案视图。关于拉制装置1中的玻璃温度分布，在加热器13的布置位置处获得最高温度。温度随与此位置距离的增大而降低。玻璃温度维持于1500℃或更高温度的时间T1定义为：从使光纤预制棒20于位置A处的温度升高达到1500℃的时刻、到通过拉制从位置A下行至位置B处使温度从最高温度降低到1500℃的时刻之间的持续时间。
图5是图示在拉制装置1的拉丝炉中滞留时间T2的方案视图。拉制装置1的拉丝炉中滞留时间T2定义为：从光纤预制棒20的位置通过上缘12的时刻、到通过拉制使该位置通过拉丝炉11下端的时刻之间的持续时间。
图6的曲线示出，以光纤预制棒芯部中钾平均浓度为参数，拉制速度与1.55微米波长下光纤的传输损耗之间的关系。各测量点的传输损耗示于表II中。
表II
同样，在这种情况下，光纤预制棒具有140毫米直径。
如图6中所示，为了达到低于0.170分贝/千米（dB/km）（其为包括无碱金属元素芯部的纯石英光纤的传输损耗）的传输损耗，在光纤预制棒的芯部具有5原子ppm钾平均浓度的情况下，拉制速度需要为至少1200米/分钟、或更高，更适宜为1500米/分钟。
用图3所示的拉制装置1对光纤预制棒进行拉制。拉丝炉11具有1.8米长度。图7的曲线示出，以光纤预制棒的直径为参数，拉制速度与1.55微米波长下光纤的传输损耗之间的关系。各测量点的传输损耗示于表III中。
表III
Figure BDA00001766031700081
图8的曲线图示，在1700米/分钟拉制速度和50克（0.49牛顿）拉制张力下执行拉制时，光纤预制棒直径与1.55微米波长下光纤的传输损耗之间的关系。光纤的芯部具有5原子ppm钾平均浓度。
如图7和图8所示，在光纤预制棒具有较小直径的情况下，拉制速度的增大使光纤的传输损耗增大。在光纤预制棒具有大于等于200毫米的较大直径的情况下，光纤预制棒在炉中的滞留时间长，从而，让钾扩散得以进行，而使光纤的传输损耗增大。然而，在所有情况下，传输损耗为0.18分贝/千米或更低。
拉制速度的提高能抑制钾的扩散。然而，从生产率和拉丝炉功率的角度考虑，拉制速度的上限为3000米/分钟。因此，光纤预制棒具有的直径适宜为70毫米至170毫米，更适宜为90毫米至150毫米。拉制速度适宜在1200米/分钟至2500米/分钟的范围，更适宜在1500米/分钟至2300米/分钟的范围。
图9的曲线示出，以钾浓度为参数，拉丝炉中滞留时间T2与1.55微米波长下光纤的传输损耗之间的关系，其中拉丝炉由图4规定。各测量点的传输损耗示于表IV中。
表IV
Figure BDA00001766031700091
在这种情况下，光纤预制棒具有140毫米直径。拉丝炉中的滞留时间适宜为4小时或更短，更适宜为3小时或更短。
实施例1
用图15中所示的拉制装置拉制各自芯部具有5原子ppm钾平均浓度的光纤预制棒。拉丝炉11具有1.0米长度。在这种情况下，具有不同尺寸（直径）的光纤预制棒的传输损耗示于表V中。
表V
Figure BDA00001766031700092
拉丝炉具有较短长度，因而，所得到的光纤易于暴露于空气。因此，可以推断：使光纤维持于1500℃或更高温度的持续时间缩短。因此，即使以较低线速度拉制光纤预制棒时，也能使炉中的滞留时间缩短，从而，降低了传输损耗。
实施例1中各光纤具有图10中所示的折射率分布（纵轴代表相对于纯SiO2折射率的相对折射率差）。光纤具有表VI中所述的特性。
表VI
Figure BDA00001766031700101
如上所述，所得到的光纤具有较低的传输损耗和其他良好特性。
实施例2
实施例2中的光纤通过以1700米/分钟的线速度和50克（0.49牛顿）的拉制张力拉制光纤预制棒而制成，光纤预制棒具有125毫米直径、含钾芯部、以及不同于实施例1的折射率分布。光纤具有如图11中所示的折射率分布（纵轴代表相对于纯SiO2折射率的相对折射率差）。光纤具有如表VI中所示的特性。芯部具有5原子ppm的钾平均浓度。1300纳米波长下传输损耗为0.280分贝/千米。1380纳米波长下传输损耗为0.320分贝/千米。1550纳米波长下传输损耗为0.155分贝/千米。如上所述，所得到的光纤具有较低的传输损耗和其他良好特性。
芯部可以具有6微米至20微米直径。芯部与包层部之间的相对折射率差可以在0.2%至0.5%的范围内。当包层部含有氟时，包层部的平均折射率低于芯部的折射率，芯部由硅基玻璃制成，其含有碱金属元素以及作为卤素的氯元素和氟元素，卤素浓度是芯部所有添加元素中最高的，使传输损耗降低。此外，在光纤预制棒中，芯部和包层部各自可以具有折射率结构。例如，可以使用如图12所示的折射率分布，但本发明并不局限于此。

Claims (14)

1.一种光纤制造方法，包括：
拉制包括芯部和包层部的硅基光纤预制棒，所述芯部具有大于等于5原子ppm的碱金属元素平均浓度，
其中，在拉制期间使玻璃的温度维持在大于等于1500°C的时间为小于等于110分钟。
2.根据权利要求1所述的光纤制造方法，
其中，所述光纤预制棒的芯部中所述碱金属元素的平均浓度小于等于500原子ppm。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的光纤制造方法，
其中，所述光纤预制棒的芯部含有卤族元素，以及
其中，所述芯部中除所述碱金属元素或所述卤族元素以外的添加元素的平均浓度等于或低于所述芯部中卤族元素的平均浓度。
4.根据权利要求3所述的光纤制造方法，
其中，所述光纤预制棒的所述芯部中所述卤族元素的平均浓度在1,000原子ppm至20,000原子ppm的范围内。
5.根据权利要求1至权利要求4中任一项权利要求所述的光纤制造方法，
其中，所述碱金属元素是钾。
6.根据权利要求1至权利要求5中任一项权利要求所述的光纤制造方法，
其中，在所述光纤预制棒的拉制期间，拉制速度大于等于1200米/分钟。
7.根据权利要求6所述的光纤制造方法，
其中，在所述光纤预制棒的拉制期间，拉制速度小于等于2500米/分钟。
8.根据权利要求1至权利要求7中任一项权利要求所述的光纤制造方法，
其中，所述光纤预制棒具有的直径为70毫米至170毫米。
9.根据权利要求1至权利要求8中任一项权利要求所述的光纤制造方法，
其中，在所述光纤预制棒的拉制期间，施加于玻璃部的力在0.29牛顿至1.47牛顿的范围内。
10.根据权利要求1至权利要求9中任一项权利要求所述的光纤制造方法，
其中，在所述光纤预制棒的拉制过程中，将直径小于等于200微米的拉制玻璃纤维在1500°C或更高温度下加热0.3秒或更短时间，以及
其中，所述光纤预制棒的单个位置在拉丝炉中滞留时间小于等于4小时。
11.根据权利要求1至权利要求10中任一项权利要求所述的光纤制造方法，
其中，所述光纤预制棒的任何位置在拉丝炉中滞留时间小于等于4小时。
12.一种光纤制造方法，所述光纤包括芯部以及围绕所述芯部的包层部，
其中，所述光纤预制棒的芯部具有大于等于5原子ppm的碱金属平均浓度、以及大于等于1000原子ppm的卤族元素平均浓度，
所述芯部中除所述碱金属或所述卤族元素以外的添加元素的平均浓度等于或低于所述芯部中卤族元素的平均浓度，
所述光纤预制棒具有70毫米至170毫米的直径，
当拉制所述光纤时，所述光纤的拉制速度大于等于600米/分钟，以及
施加于玻璃部的力是在0.29牛顿至1.47牛顿的范围内。
13.根据权利要求12所述的光纤制造方法，
其中，所述光纤的拉制速度在1200米/分钟至3000米/分钟的范围内。
14.一种通过权利要求1所述的光纤制造方法制造的光纤，
其中，所述光纤在1550纳米波长下传输损耗小于等于0.18分贝/千米。
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