CN107111054B - 光纤 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种碱金属元素被高效地添加至芯部以抑制传输损耗增大的光纤。调节碱金属元素的平均浓度或浓度分布，使得在直径为20μm的横截面中，针对由二氧化硅三元环结构产生的拉曼散射光的强度ID2与由Si‑O伸缩振动产生的拉曼散射光的强度Iω3的比率ID2/Iω3的径向分布，对波长为1550nm的被引导光的场强度分布进行加权而得到的加权值为0.48以下。

Description

光纤
技术领域
本发明涉及一种光纤。
背景技术
作为瑞利散射较小且传输损耗较小的光纤，芯部掺杂有碱金属元素的石英系玻璃的光纤是已知的。如果光纤预制件的芯部部分(芯部预制件)包含碱金属元素，则当拉制光纤预制件时，芯部部分的粘性可能下降。在该情况下，因为石英系玻璃的网状结构是松弛的，所以光纤中的假想温度下降。因此，将碱金属元素掺杂至芯部，从而在理论上能够减小光纤中的传输损耗。
作为将碱金属元素掺杂至石英系玻璃的方法，已知的是扩散方法(例如，参考PTL1和PTL 2)。在扩散方法中，为了进行扩散和掺杂，使碱金属元素扩散到玻璃管部的内表面中，在利用外部热源加热玻璃管部或在玻璃管部中产生等离子的同时，将要作为原材料的碱金属元素或碱金属盐的原材料蒸气引入到玻璃管部中。
在如上所述将碱金属元素掺杂至玻璃管部的内表面附近之后，玻璃管部的直径因加热而缩小。在直径缩小之后，为了去除在掺杂碱金属元素的同时掺杂的例如Ni和Fe等过渡金属元素，将玻璃管部的内表面蚀刻掉一定厚度。碱金属元素的扩散比过渡金属元素的扩散快。因此，即使玻璃表面被蚀刻掉一定厚度(去除了过渡金属元素)，碱金属元素也会残留在玻璃管部中。在蚀刻之后，玻璃管部通过加热而固化，从而制成碱金属元素掺杂芯棒。折射率比包括碱金属元素掺杂芯棒的芯部部分的折射率小的包层部分合成在碱金属元素掺杂芯棒的外侧，从而制成光纤预制件。此外，拉制光纤预制件，从而制成光纤。
引用列表
专利文献
专利文献1：PCT国际申请公开No.JP-T-2005-537210的日文翻译
专利文献2：美国专利申请公开No.US2006/0130530A1
非专利文献
非专利文献1：Raman studies of vitreous SiO2 versus fictive temperature(玻璃SiO2与假想温度的拉曼研究)，Physical Review B.,28,3266(1983)。
发明内容
技术问题
本发明的发明人已研究了基于现有技术的光纤，并因此发现以下问题。即，通过使用扩散法，使得碱金属元素扩散并掺杂到玻璃管部的内表面中。因此，由于碱金属元素扩散到玻璃中，所以芯部中的假想温度分布(径向的假想温度分布)趋于在光轴(与光纤的横截面中心匹配)上最小。在该情况下，如果考虑在芯部中被引导的光的功率分布，则功率较大的芯部外周部分的假想温度升高。因此，没有充分减小光纤的传输损耗。同时，如果一次掺杂高浓度的碱金属元素以减小光纤的传输损耗，则会发生碱金属元素的结晶化和传输损耗的增大。
已完成本发明以解决上述问题，并且本发明的目的在于提供一种如下光纤：在该光纤中，碱金属元素被高效地掺杂至光纤芯部，以有效地抑制因碱金属元素被掺杂至芯部而导致的传输损耗增大。
解决问题的技术方案
根据本实施例的光纤由作为主要成分的石英系玻璃组成，并且光纤包括：芯部，其构造为沿着光轴延伸，并包含碱金属元素；以及包层，其构造为包围所述芯部，并具有比所述芯部的折射率低的折射率。具体地说，碱金属被高效地掺杂至芯部，使得在拉曼散射光谱中由二氧化硅三元环结构产生的拉曼散射光D2的强度ID2与由Si-O伸缩振动产生的拉曼散射光ω3的强度Iω3的比率ID2/Iω3的径向分布满足预定要求。因此，可有效地抑制因碱金属元素掺杂至芯部而导致的传输损耗增大。
本发明的有益效果
根据本实施例，得到了如下光纤：在该光纤中，碱金属元素被高效地掺杂至光纤的芯部，以有效地抑制因掺杂碱金属而导致的传输损耗增大。
附图说明
图1是示出了石英系玻璃的拉曼散射光谱的实例的视图。
图2是示出了用于制作根据本实施例的光纤的拉制步骤的实例的视图。
图3中的(a)至(c)是分别示出了根据本实施例的光纤的横截面结构的实例、折射率分布的实例和钾浓度分布的实例的视图。
图4是示出了关于样品1至11中的每一个样品的光纤的(ID2/Iω3)weight与传输损耗的关系的曲线图。
图5是示出了关于光纤的样品1至11中的每一个样品的(ID2/Iω3)Pmax与传输损耗的关系的曲线图。
图6是示出了关于光纤的样品1至11中的每一个样品的(ID2/Iω3)difference与传输损耗的关系的曲线图。
图7是示出了图4至图6中所示的样品1至11的光纤的规格的表格。
图8是示出了光纤制作方法的流程图。
图9是示出了由第二塌缩步骤S10制成的第二中间棒(玻璃棒)的钾浓度分布的实例的曲线图。
具体实施方式
[本发明的实施例的描述]
首先，单独列举并描述本发明的实施例的内容。
(1)根据本实施例的光纤是由作为主要成分的石英系玻璃组成的光纤，并且该光纤包括：芯部，其构造为沿着光轴延伸，并包含碱金属元素；以及包层，其构造为包围所述芯部，并具有比所述芯部的折射率低的折射率。
(2)根据本实施例的一个方面，其中，在拉曼散射光谱中由Si-O伸缩振动产生的拉曼散射光ω3的强度为Iω3，而由二氧化硅三元环结构产生的拉曼散射光D2的强度为ID2，优选地调节所述芯部中的所述碱金属元素的平均浓度或所述芯部中的所述碱金属元素的浓度分布的形状，使得在所述光纤的与所述光轴正交的横截面中的包含作为中心的所述光轴且直径为20μm的区域中，得到的比率ID2/Iω3的沿着所述光纤的径向的分布的加权值为0.48以下，所述加权值通过用根据沿着所述光纤的径向的折射率分布计算出的沿着波长为1550nm的被引导光的径向的场强度的分布对所述比率ID2/Iω3的所述分布进行加权而得到。另外，可以调节芯部中的碱金属元素的平均浓度和芯部中的碱金属元素的浓度分布的形状这两者。
具体而言，借助于以下表达式(1)给出加权值(ID2/Iω3)weight，表达式(1)定义了在以光轴为中心且直径为20μm的区域中的加权。也就是说，在光纤的横截面中自光轴AX起的距离为r的情况下，表达式(1)的分子中的ID2/Iω3表示比率ID2/Iω3的沿着光纤径向的分布(在自光轴AX起的距离r的位置处的比率ID2(r)/Iω3(r))，而E(r)表示根据沿着径向的折射率分布计算出的波长为1500nm的被引导光的场强度的径向分布(自光轴AX起的距离r的位置处的场强度)。因此，由以下表达式(1)给出的加权值(ID2/Iω3)weight变为利用以下表达式(2)的值归一化的值。
Figure BDA0001349367480000041
Figure BDA0001349367480000042
(3)在拉曼散射光谱中由Si-O伸缩振动产生的拉曼散射光ω3的强度为Iω3，而由二氧化硅三元环结构产生的拉曼散射光D2的强度为ID2，可以调节所述芯部中的所述碱金属元素的平均浓度或所述芯部中的所述碱金属元素的浓度分布的形状，使得在所述光纤的与所述光轴正交的横截面中，在根据所述光纤的折射率分布计算出的波长为1550nm的被引导光的场强度最大的位置处得到的比率ID2/Iω3的值(ID2/Iω3)Pmax为0.50以下。另外，可以调节芯部中的碱金属元素的平均浓度和芯部中的碱金属元素的浓度分布的形状这两者。
(4)根据本实施例的一个方面，其中，在拉曼散射光谱中由Si-O伸缩振动产生的拉曼散射光ω3的强度为Iω3，而由二氧化硅三元环结构产生的拉曼散射光D2的强度为ID2，可以调节所述芯部中的所述碱金属元素的平均浓度或所述芯部中的所述碱金属元素的浓度分布的形状，使得在所述光纤的与所述光轴正交的横截面中，在根据所述光纤的折射率分布计算出的波长为1550nm的被引导光的场强度最大的位置处得到的比率ID2/Iω3的值与所述光轴上的比率ID2/Iω3的值之间的差(ID2/Iω3)difference为0.15以下。另外，可以调节芯部中的碱金属元素的平均浓度和芯部中的碱金属元素的浓度分布的形状这两者。
(5)根据本实施例的一个方面，碱金属元素优选地包括钾。
(6)根据本实施例的一个方面，在所述光纤的与所述光轴正交的所述横截面中，在包围所述光轴的环形区域与所述光轴以预定距离间隔开的状态下所述碱金属元素的浓度分布优选地具有第一浓度峰值位于所述环形区域中的形状。在该情况下，在所述光纤的与所述光轴正交的所述横截面中，所述碱金属元素的浓度分布可以具有如下形状：最大浓度比所述第一浓度峰值的最大浓度低的第二浓度峰值位于被所述环形区域包围的区域中。
(7)根据本实施例的一个方面，
在所述光纤的与所述光轴正交的所述横截面中，所述碱金属元素的浓度分布可以具有如下的形状：存在沿着所述光纤的径向彼此间隔开的多个浓度峰值。在该情况下，所述多个浓度峰值中所包括的两个相邻浓度峰值中的靠近所述光轴的一个浓度峰值的最大浓度优选地比所述两个相邻浓度峰值中的另一个浓度峰值的最大浓度低。
[本发明的实施例的描述]部分中所列举的各方面可以应用于其余方面中的每一个方面或其余方面的所有组合。
[本发明的实施例的细节]
在下文中，将参考附图对根据本实施例的光纤的具体结构进行详细描述。然而，本发明意图不限于示例性实施例，并且本发明包括落入所附权利要求书及其等同内容的范围内的所有改变。在附图的描述中，相同的元件用相同的附图标记表示，并省略重复描述。
首先，将描述石英系玻璃的拉曼散射光谱与假想温度的关系。通常来说，如果将光照射至物质，则因光与物质的相互作用(分子振动)而产生波长与照射光的波长不同的拉曼散射光。可以使用通过在光谱上分散拉曼散射光而得到的拉曼散射光谱来在分子水平上分析物质结构。如果将波长为532nm的激光照射至石英系玻璃，则得到了图1所示的拉曼散射光谱。
在图1中，认识到的是，由Si-O伸缩振动产生的拉曼散射光ω3在750cm-1至875cm-1的波数范围内。另外，认识到的是，属于二氧化硅三元环结构的拉曼散射光D2在565cm-1至640cm-1的波数范围内。认识到的是，属于二氧化硅四元环结构的拉曼散射光D1在475cm-1至525cm-1的波数范围内。
在以下描述中，由Si-O伸缩振动产生的拉曼散射光ω3的强度Iω3以如下区域的平均强度表示：该区域位于在拉曼散射光谱中的750cm-1至875cm-1的波数范围上绘制的基线与拉曼散射光谱之间。属于二氧化硅三元环结构的拉曼散射光D2的强度ID2以如下区域的平均强度表示：该区域位于拉曼散射光谱中的565cm-1至640cm-1的波数范围上绘制的基线与拉曼散射光谱之间。
已知的是，当比率ID2/Iω3较小时，石英系玻璃的均匀性得到提升，并且假想温度低(参考非专利文献1)。理论上来说，在使用石英系玻璃作为主要成分的光纤中，当比率ID2/Iω3较小时，瑞利散射损耗下降，并且传输损耗下降。
例如利用下述微观拉曼分光法测量光纤的比率ID2/Iω3。在使从半导体激光设备中输出且波长为532nm的激光穿过宽度为100μm的狭缝之后，激光被具有50倍放大率的物镜会聚。因此，光斑直径为约2μm的激光被照射至光纤端面。用30秒的积分时间(integratedtime)进行两次曝光。激光强度是1W(在光纤端面中为约100mW)的振荡输出。在激光被垂直地照射至光纤端面的状态下，背散射光被检测器接收，并且测量拉曼散射光谱。另外，在照射激光的同时沿光纤径向进行扫描，从而测量光纤径向的拉曼散射光分布。
为了在测量拉曼散射光谱时修正检测器的各个通道之间的灵敏度之差，进行下述计算。
[修正后的光谱]＝[测量光谱]×[各通道修正系数]
[各通道修正系数]＝[校准用卤素灯的测量光谱]÷[校准用卤素灯的理论光谱]
在对由Si-O伸缩振动产生的拉曼散射光ω3的强度Iω3的计算以及对属于二氧化硅三元环结构的拉曼散射光D2的强度ID2的计算之后，根据修正之后的拉曼散射光谱的波数相关性的数据来计算ID2和Iω3的强度比率ID2/Iω3。
接下来，将参考图2和图3中的(a)至(c)对根据本实施例的光纤的具体结构进行描述。图2是示出了用于制作根据本实施例的光纤的拉制步骤的实例的视图。图3中的(a)是示出了根据本实施例的光纤的横截面结构的实例的视图，图3中的(b)示出了沿着图3中的(a)所示的光纤径向的折射率分布的实例，而图3中的(c)示出了沿着图3中的(a)所示的光纤径向的碱金属浓度分布(K浓度分布)的实例。
在下文中，为了简化描述，将描述把钾(K)作为碱金属元素掺杂至光纤的芯部的情况的实例。因此，在以下描述中，碱金属掺杂区域被描述为“K掺杂区”，而碱金属未掺杂区域被描述为“无K掺杂区”。此外，碱金属浓度被描述为“K浓度”，而碱金属浓度分布被描述为“K浓度分布”。
首先，如图2所示，为了得到根据本实施例的光纤，制作横截面结构与光纤的横截面结构类似的光纤预制件10。光纤预制件10包括：芯部部分11(芯部预制件)，其沿着光轴AX延伸；以及包层部分12，其设置在芯部部分11的外周面上。如图2所示，光纤预制件10的一侧端部被加热器20加热并变软。沿由图2的箭头S1所示的方向拉制变软部分，从而得到光纤100。芯部部分11是与通过拉制光纤预制件10而得到的光纤100的芯部110(参考图3中的(a))对应的玻璃区域，并可以通过使用具有不同折射率的多个玻璃区域来构造。包层部分12是与通过拉制光纤预制件10而得到的光纤100的包层120(参考图3中的(a))对应的玻璃区域，并可以通过使用具有不同折射率的多个玻璃区域来构造。
如图2所示那样拉制出的光纤100具有图3中的(a)所示的横截面结构。也就是说，在图3中的(a)所示的实例中，光纤100包括：芯部110，其沿着光轴延伸，并具有半径a；以及包层120，其设置在芯部110的外周面上。芯部110包括：内芯部，其具有不同的折射率；以及外芯部112，其设置在内芯部的外周面上。包层120包括：内包层121，其设置在外芯部112的外周面上；以及外包层122，其设置在内包层121的外周面上。内芯部包括：K掺杂区111a，在K掺杂区111a中掺杂有作为碱金属元素的钾(K)；以及无K掺杂区111b，其设置在K掺杂区111a的外周面上。在图3中的(a)所示的实例中，无K掺杂区111b和外芯部112二者中的K浓度被设定为10原子ppm以下，并且无K掺杂区111b和外芯部112构成大致上不含K的芯部区域。
图3中的(b)是示出了沿着光纤100的径向的折射率分布150的视图。在图3中的(b)的折射率分布150中，区域151是与内芯部中的K掺杂区111a对应的区域，并具有折射率n1，区域152是与内芯部中的无K掺杂区111b对应的区域，并具有折射率n1，而区域153是对应于外芯部112的区域，并具有折射率n2(＞n1)。区域154是对应于内包层121的区域，并具有折射率n3(＜n1)，而区域155是对应于外包层122的区域，并具有折射率n3。然而，区域154的折射率和区域155的折射率不需要彼此匹配。
另外，根据以下结构参数来进行对场强度的分布和场强度的计算(为下述(ID2/Iω3)weight和(ID2/Iω3)Pmax的计算基础)。即，内芯部与纯石英玻璃(具有折射率n0)的相对折射率差为-0.15％，外芯部112与纯石英玻璃的相对折射率差为0％，内包层121与纯石英玻璃的相对折射率差为-0.32％，内芯部的外径为4.2μm，外芯部112的外径为12.6μm，而芯部半径a为6.3μm。
此外，图3中的(c)是示出了沿着光纤100的径向的K浓度分布160的视图。在图3中的(c)的K浓度分布160中，区域161是与内芯部中的K掺杂区111a对应的区域(对应于图3中的(b)的区域151)，区域162是与内芯部中的无K掺杂区111b对应的区域(对应于图3中的(b)的区域152)，而区域163是对应于外芯部112的区域(对应于图3中的(b)的区域153)。至少在根据实施例的光纤100中，调节芯部110中的K平均浓度以及沿着径向的K浓度分布的形状中的至少一者。
图4至图7示出了关于通过拉制多种光纤预制件而得到的光纤的样品1至11基于利用拉曼分光法测量出的D2和ω3的值的计算结果。在多种光纤预制件中的每一种光纤预制件中，将芯部部分中所含的K平均浓度设定为10、15和20原子ppm之一，并且改变芯部部分中的包含K的区域。在图4至图7中的每一者中，符号“○”示出了芯部110中的平均K浓度被设定为10原子ppm的样品1至4中的每一个样品的计算结果，符号“◇”示出了芯部110中的平均K浓度被设定为15原子ppm的样品5至8中的每一个样品的计算结果，而符号“□”示出了芯部110中的平均K浓度被设定为20原子ppm的样品9至11中的每一个样品的计算结果。样品1、5和9中的每一个样品具有如下K浓度分布：存在仅位于包含光轴AX的芯部中心处的浓度峰值。样品2、6和10中的每一个样品具有如下K浓度分布：存在仅位于光轴AX与外芯部112之间的与光轴AX间隔开的位置处的一个浓度峰值。样品3、4、7、8和11中的每一个样品具有如下K浓度分布：存在位于包含光轴AX的芯部中心处的第一浓度峰值以及与第一浓度峰值相距预定距离的第二浓度峰值。在样品3、4、7、8和11中的样品3和4(在K浓度分布中存在两个浓度峰值)中，平均K浓度彼此匹配，但K掺杂情况彼此不同。同样，在样品7和8中，平均K浓度彼此匹配，但K掺杂情况彼此不同。
图4是示出了(ID2/Iω3)weight与传输损耗的关系的曲线图。(ID2/Iω3)weight是这样的加权值：在以光轴AX作为中心且直径为20μm的区域中通过针对比率ID2/Iω3的沿着径向的分布ID2(r)/Iω3(r)，对基于光纤100的折射率分布150(图3中的(b))计算出的波长为1550nm的被引导光的场强度的分布E(r)进行加权而得到的加权值(参考表达式(1))。传输损耗是波长为1550nm时的值。在图4中，芯部中的平均K浓度被设定为10原子ppm的样品1至4的(ID2/Iω3)weight分别为0.53、0.50、0.47和0.47(参考图7)。芯部中的平均K浓度被设定为15原子ppm的样品5至8的(ID2/Iω3)weight分别为0.45、0.44、0.42和0.40(参考图7)。芯部中的平均K浓度被设定为20原子ppm的样品9至11的(ID2/Iω3)weight分别为0.38、0.35和0.34(参考图7)。
从图4中看出，已知当芯部的平均K浓度高时，在波长为1550nm时的传输损耗低。已知当(ID2/Iω3)weight小时，在波长为1550nm时的传输损耗低。能认识到的是，在(ID2/Iω3)weight与波长为1550nm时的传输损耗之间存在大致线性关系。
具体而言，从图4得知以下内容。为了得到≤0.154dB/km的传输损耗，需要满足(ID2/Iω3)weight≤0.48。为了得到≤0.152dB/km的传输损耗，需要满足(ID2/Iω3)weight≤0.44。为了得到≤0.150dB/km的传输损耗，需要满足(ID2/Iω3)weight≤0.40。此外，为了得到≤0.148dB/km的传输损耗，需要满足(ID2/Iω3)weight≤0.36。
因此，为了实现传输损耗≤0.154dB/km，(ID2/Iω3)weight优选地为0.48以下。如果考虑制作偏差，则(ID2/Iω3)weight更优选地为0.44以下。
图5是示出了(ID2/Iω3)Pmax与传输损耗的关系的曲线图。(ID2/Iω3)Pmax是在如下位置处的比率ID2/Iω3的值：在该位置处，基于光纤100的折射率分布150(图3中的(b))计算出的波长为1550nm的被引导光的场强度是最大的。传输损耗是波长为1550nm时的值。例如，当芯部的有效横截面积为130μm2并且模场直径为12.2μm时，1550nm的波长的场强度最大的位置变为4μm的半径的位置。在图5中，芯部中的平均K浓度被设定为10原子ppm的样品1至4的(ID2/Iω3)Pmax分别为0.56、0.54、0.51和0.49(参考图7)。芯部中的平均K浓度被设定为15原子ppm的样品5至8的(ID2/Iω3)Pmax分别为0.48、0.47、0.45和0.43(参考图7)。芯部中的平均K浓度被设定为20原子ppm的样品9至11的(ID2/Iω3)Pmax分别为0.42、0.39和0.36(参考图7)。
从图5看出，已知当(ID2/Iω3)Pmax小时，在波长为1550nm时的传输损耗低。能认识到的是，在(ID2/Iω3)Pmax与波长为1550nm时的传输损耗之间存在大致线性关系。
具体而言，从图5得知以下内容。为了得到≤0.154dB/km的传输损耗，需要满足(ID2/Iω3)Pmax≤0.48。为了得到≤0.152dB/km的传输损耗，需要满足(ID2/Iω3)Pmax≤0.45。为了得到≤0.150dB/km的传输损耗，需要满足(ID2/Iω3)Pmax≤0.40。此外，为了得到≤0.148dB/km的传输损耗，需要满足(ID2/Iω3)Pmax≤0.40。
因此，为了实现传输损耗≤0.154dB/km，(ID2/Iω3)Pmax优选地为0.48以下。如果考虑制作偏差，则(ID2/Iω3)Pmax更优选地为0.45以下。
图6是示出了(ID2/Iω3)difference与传输损耗的关系的曲线图。(ID2/Iω3)difference是在如下位置处的比率ID2/Iω3的值与光轴AX(光纤的横截面中心)上的比率ID2/Iω3的值之间的差：在该位置处，基于光纤100的折射率分布150(图3中的(b))计算出的波长为1550nm的被引导光的场强度是最大的。传输损耗是波长为1550nm时的值。在图6中，芯部中的平均K浓度被设定为10原子ppm的样品1至4的(ID2/Iω3)difference分别为0.12、0.10、0.08和0.06(参考图7)。芯部中的平均K浓度被设定为15原子ppm的样品5至8的(ID2/Iω3)difference分别为0.14、0.12、0.08和0.06(参考图7)。芯部中的平均K浓度被设定为20原子ppm的样品9至11的(ID2/Iω3)difference分别为0.13、0.10和0.07(参考图7)。
从图6看出，已知的是，在各个K浓度处，当(ID2/Iω3)difference小时，在波长为1550nm时的传输损耗低。如下所述那样假设传输损耗减小。当芯部部分的ID2/Iω3的径向变化量小时，玻璃结构变化减小(即，扭曲减小)，并且玻璃的散射损耗因此而减小。
具体而言，当K浓度为15ppm时，从图6中得知以下内容。为了得到≤0.154dB/km的传输损耗，需要满足(ID2/Iω3)difference≤0.14。为了得到≤0.152dB/km的传输损耗，需要满足(ID2/Iω3)difference≤0.08。此外，为了得到≤0.150dB/km的传输损耗，需要满足(ID2/Iω3)difference≤0.03。
因此，为了实现传输损耗≤0.154dB/km，(ID2/Iω3)difference优选地为0.14以下(当K浓度＝15原子ppm时)，更优选地为0.03以下(当K浓度为10原子ppm时)。
图7是示出了图4至图6中所示的样品1至11的光纤的规格的表格。也就是说，图7示出了关于样品1至11中的每根光纤的芯部110的平均K浓度、在波长为1550nm时的传输损耗、(ID2/Iω3)weight、(ID2/Iω3)Pmax和(ID2/Iω3)difference。
在下文中，作为实例将使用图8来描述制作样品11的光纤的方法。图8是示出了光纤制作方法的流程图。图8的光纤制作方法可以通过依次执行以下步骤来制作样品11的光纤：预备步骤S1、第一掺杂步骤S2、第一直径缩小步骤S3、第一蚀刻步骤S4、第一塌缩步骤S5、直径减小步骤S6、第二掺杂步骤S7、第二直径缩小步骤S8、第二蚀刻步骤S9、第二塌缩步骤S10、第一研磨步骤S11、第三塌缩步骤S12、芯部延伸步骤S13、第二研磨步骤S14、第四塌缩步骤S15、延伸步骤S16、第二包层部分添加步骤S17和拉制步骤S18。
在预备步骤S1中，制备第一玻璃管部。第一玻璃管部由石英系玻璃组成。在第一玻璃管部中，氯(cl)浓度为150原子ppm，氟(F)浓度为6,000原子ppm，并且其他掺杂物和杂质浓度为10mol ppm以下。此外，第一玻璃管部的外径为35mm，并且第一玻璃管部的内径为20mm。
在第一掺杂步骤S2中，将碱金属元素掺杂至第一玻璃管部的内表面。具体而言，使用溴化钾(KBr)作为碱金属原材料，利用加热源在850℃的温度加热溴化钾，并且产生KBr蒸气。将KBr蒸气与作为载气的1slm(标准状态下的1公升/分钟)的氧气一起引入到第一玻璃管部中。同时，利用氧氢燃烧器从外部加热第一玻璃管部，使得第一玻璃管部的表面温度变为2150℃。这时，使氧氢燃烧器以40m/min的速度沿着第一玻璃管部的纵向来回移动(总计15圈)，以使钾元素(K)扩散到第一玻璃管部的内表面中。
在第一直径缩小步骤S3中，通过加热缩小第一玻璃管部的直径。具体而言，在使氧气(0.5slm)流动到掺杂有K的第一玻璃管部中时，利用氧氢燃烧器加热第一玻璃管部，使得第一玻璃管部的外表面的温度变为2250℃。通过使氧氢燃烧器多次回来移动而加热第一玻璃管部，并且缩小第一玻璃管部的直径直到第一玻璃管部的内径变为5mm为止。
在第一蚀刻步骤S4中，对第一玻璃管部的内表面进行蚀刻以去除在第一掺杂步骤S2中掺杂碱金属元素的同时掺杂的例如Ni和Fe等过渡金属元素或OH基。具体而言，在将SF6(0.2slm)和氧气(0.5slm)的混合气引入到掺杂有K的第一玻璃管部中时，利用氧氢燃烧器加热第一玻璃管部，从而对第一玻璃管部的内表面进行气相刻蚀。
在第一塌缩步骤S5中，通过固化第一玻璃管部来制作第一中间棒(玻璃棒)。具体而言，利用氧氢燃烧器加热第一玻璃管部，以使表面温度变为2150℃，从而固化第一玻璃管部。同时，将第一蚀刻步骤S4之后的第一玻璃管部减压成97kPa以下的绝对压力，并且将氧气(2slm)引入到第一玻璃管部中。因此，制成掺杂有钾(K)且直径为25mm的第一中间棒。
在直径减小步骤S6中，去除经由第一塌缩步骤S5制成的第一中间棒的外周部分，从而制成具有缩小直径的第一芯棒(第一玻璃棒)。具体而言，通过沿着纵向挖除经由第一塌缩步骤S5制成的第一中间棒而取出第一中间棒的中心部分(直径为5mm)并使用该中心部分作为第一芯棒。沿着经由第一塌缩步骤S5制成的第一中间棒的纵向研磨第一中间棒的外周部分，并且使用第一中间棒的剩余中心部分作为第一芯棒。这里，制成的第一芯棒的表面层部分的钾浓度(K浓度)为200原子ppm。
在第二掺杂步骤S7中，将K掺杂至第二玻璃管部的内表面。与第一玻璃管部类似的是，第二玻璃管部由石英系玻璃组成。以与第一掺杂步骤S2相同的方式进行将K掺杂至第二玻璃管部。
在第二直径缩小步骤S8中，加热第二掺杂步骤S7之后的第二玻璃管部，使得第二玻璃管部的直径缩小。具体而言，利用氧氢燃烧器加热第二玻璃管部，使得第二玻璃管部的外表面变为2250℃。同时，将氧气(0.5slm)引入到掺杂有K的第二玻璃管部中。在使氧氢燃烧器来回移动六次时，加热第二玻璃管部，使得第二玻璃管部的直径缩小。直径缩小之后第二玻璃管部的内径比经由直径缩小步骤S6制成的第一玻璃棒的外径大了约0.1mm至1mm。
在第二蚀刻步骤S9中，对第二直径缩小步骤S8之后的第二玻璃管部的内表面进行蚀刻以去除在第二掺杂步骤S7中掺杂碱金属元素的同时掺杂的例如Ni和Fe等过渡金属元素或OH基。具体而言，利用氧氢燃烧器加热第二玻璃管部，从而对第二玻璃管部的内表面进行气相刻蚀。同时，将SF6(0.2slm)和氧气(0.5slm)的混合气引入到掺杂有K的第二玻璃管部中。
在第二塌缩步骤S10中，利用棒内塌缩(rod-in collapse)法来制作第二中间棒(玻璃棒)。也就是说，在将经由直径减小步骤S6制成的第一芯棒插入到第二蚀刻步骤S9之后的第二玻璃管部中的状态下，通过加热使第一芯棒和第二玻璃管部成一体。具体而言，利用氧氢燃烧器使第二玻璃管部的表面温度变为2150℃，从而执行棒内塌缩。同时，与第一塌缩步骤S5类似的是，将第二玻璃管部减压成97kPa以下的绝对压力，并且将氧气(2slm)引入到第二玻璃管部中。
在第一研磨步骤S11中，对经由第二塌缩步骤S10制成的第二中间棒的外周部分进行研磨，从而制成第二芯棒。这里，制成的第二芯棒具有16mm的直径，并且没有将K掺杂至整个第二芯棒。也就是说，没有将K掺杂至第二芯棒的外周区域。第二芯棒具有：第一芯部部分(在拉制之后变为K掺杂区111a的部分)，其具有150原子ppm的氯浓度(Cl浓度)、6,000原子ppm的氟浓度并包含K；以及第二芯部部分(在拉制之后变为无K掺杂区111b的部分)，其是包围第一芯部部分的部分，并具有150原子ppm的氯浓度、6,000原子ppm的氟浓度(F浓度)，并具有10原子ppm以下的K浓度。第二芯部部分基本上不包含K。
在第三塌缩步骤S12中，将第三芯部部分(在拉制之后变为外芯部112的部分)添加至第二芯棒的外周。也就是说，在该步骤中，制备氯浓度为12,000原子ppm、基本上不包含除了氯之外的掺杂物且由石英系玻璃组成的第三玻璃管部，并且通过利用棒内塌缩法将第三芯部部分添加至第二芯棒的外周来制作第三中间棒。在棒内塌缩法中，在第二芯棒被插入到第三玻璃管部中的状态下，通过加热使第三玻璃管部和第二芯棒成一体。
在芯部延伸步骤S13中，为了将第三中间棒的外径设定为27mm，在加热经由第三塌缩步骤S12制成的第三中间棒的同时将第三中间棒延伸。
在第二研磨步骤S14中，为了制作直径为20mm的第三芯棒(芯部预制件)，对经由芯部延伸步骤S13而延伸的第三芯棒的外周部分进行研磨。芯部预制件(第三芯棒)是如下部分：该部分最终变为图2所示的光纤预制件10的芯部部分11，并在拉制之后变为光纤100的芯部110。
芯部预制件具有：第一芯部部分，其具有150原子ppm的氯浓度，6,000原子ppm的氟浓度并包含K；第二芯部部分，其是包围第一芯部部分的部分，并具有150原子ppm的氯浓度，6,000原子ppm的氟浓度，并具有10原子ppm以下的K浓度；以及第三芯部部分，其是包围第二芯部部分的部分，并具有12,000原子ppm的氯浓度，并具有10原子ppm以下的K浓度。第二芯部部分和第三芯部部分基本上不包含钾元素。芯部预制件中的第一芯部部分的直径与芯棒的直径(20mm)的比率为5倍。
在第四塌缩步骤S15中，将第一包层部分添加至第三芯部部分的外周。在该步骤中，制备掺杂有氟且由石英系玻璃组成的第四玻璃管部，并且利用棒内塌缩法将第一包层部分添加至第三芯部部分的外周。在棒内塌缩法中，在芯部预制件被插入到第四玻璃管部中的状态下，通过加热使第四玻璃管部和芯部预制件成一体。芯部部分和第一包层部分的相对折射率差Δ最大为约0.34％。
在延伸步骤S16中，使芯部预制件和第四玻璃管部在第四塌缩步骤S15中成一体的第四中间棒(玻璃棒)延伸。具体而言，调节第四中间棒的直径，使得要在拉制步骤S18中制作的光纤100的芯部110的直径变为期望值(例如，125μm的直径)。
在第二包层部分添加步骤S17中，将第二包层部分添加至第一包层部分的外周，从而制作光纤预制件10(图2)。也就是说，在该步骤中，利用例如OVD法、VAD法和棒内塌缩法等方法将掺杂有氟且由石英系玻璃组成的第二包层部分合成在延伸步骤S16之后的第四中间棒的外周。在用于制作样品11的光纤的光纤预制件10中，芯部部分11的平均K浓度为20原子ppm。
在拉制步骤S18中，拉制如上所述制成的光纤预制件10，从而制成光纤100(样品11)。光纤100在波长为1550nm时的传输损耗为0.148dB/km。
图9是示出了经由第二塌缩步骤S10制成的第二中间棒的K浓度分布的实例的曲线图。如图9所示，在棒横截面中，K浓度不仅具有位于制成的光纤的横截面中心处(即，在光轴AX上)的浓度峰值，而且还具有位于径向的某个位置处的浓度峰值。
利用上述方法制作样品11的光纤。此外，利用具有第一掺杂步骤S2和第二掺杂步骤S7的制作方法来制作样品3、4、7和8的光纤。然而，在样品中，改变在第一掺杂步骤S2和第二掺杂步骤S7中的每一个步骤中电炉的温度和穿过次数，以具有图7所示的特性。使用中心棒不包含K的玻璃棒(第一芯棒)，并自第二掺杂步骤S7起利用与样品11的制作方法相同的步骤来制作样品2的光纤。因此，样品2的光纤具有如下K浓度分布：在该K浓度分布中，K呈环形掺杂在芯部110的一部分(其为在预定距离处包围芯部中心区域的环形区域，芯部中心区域包含K掺杂区111a中的光轴AX)中。利用与样品2相同的制作方法来制作样品6和10的光纤。
利用与样品11的光纤的制作方法(图8)的步骤相同的步骤(除了不执行第二掺杂步骤S7之外)制作样品1、5和9。因此，样品1、5和9中的每一个样品为K仅被掺杂至包含光轴AX的芯部中心区域的光纤。
附图标记列表
10：光纤预制件，11：芯部部分(芯部预制件)，12：包层部分，100：光纤，110：芯部，111a：K掺杂区(内芯部)，111b：无K掺杂区(内芯部)，112：外芯部，120：包层，121：内包层，122：外包层，150：折射率分布，160：K浓度分布

Claims (10)

1.一种主要由石英系玻璃组成的光纤，其包括：
芯部，其沿着光轴延伸，并包含碱金属元素，所述芯部具有碱金属掺杂区域以及碱金属浓度设定为10原子ppm以下的碱金属未掺杂区域；以及
包层，其包围所述芯部，并具有比所述芯部的折射率低的折射率，
其中，在拉曼散射光谱中由Si-O伸缩振动产生的拉曼散射光ω3的强度为Iω3，而由二氧化硅三元环结构产生的拉曼散射光D2的强度为ID2，调节所述芯部中的所述碱金属元素的平均浓度或所述芯部中的所述碱金属元素的浓度分布的形状，使得在所述光纤的与所述光轴正交的横截面中的包含作为中心的所述光轴且直径为20μm的区域中，得到的比率ID2/Iω3的沿着所述光纤的径向的分布的加权值为0.48以下，所述加权值通过用根据沿着所述光纤的径向的折射率分布计算出的沿着波长为1550nm的被引导光的径向的场强度的分布对所述比率ID2/Iω3的所述分布进行加权而得到。
2.一种主要由石英系玻璃组成的光纤，其包括：
芯部，其沿着光轴延伸，并包含碱金属元素，所述芯部具有碱金属掺杂区域以及碱金属浓度设定为10原子ppm以下的碱金属未掺杂区域；以及
包层，其包围所述芯部，并具有比所述芯部的折射率低的折射率，
其中，在拉曼散射光谱中由Si-O伸缩振动产生的拉曼散射光ω3的强度为Iω3，而由二氧化硅三元环结构产生的拉曼散射光D2的强度为ID2，调节所述芯部中的所述碱金属元素的平均浓度或所述芯部中的所述碱金属元素的浓度分布的形状，使得在所述光纤的与所述光轴正交的横截面中，在根据沿着所述光纤的径向的折射率分布计算出的波长为1550nm的被引导光的场强度最大的位置处得到的比率ID2/Iω3为0.50以下。
3.一种主要由石英系玻璃组成的光纤，其包括：
芯部，其沿着光轴延伸，并包含碱金属元素，所述芯部具有碱金属掺杂区域以及碱金属浓度设定为10原子ppm以下的碱金属未掺杂区域；以及
包层，其包围所述芯部，并具有比所述芯部的折射率低的折射率，
其中，在拉曼散射光谱中由Si-O伸缩振动产生的拉曼散射光ω3的强度为Iω3，而由二氧化硅三元环结构产生的拉曼散射光D2的强度为ID2，调节所述芯部中的所述碱金属元素的平均浓度或所述芯部中的所述碱金属元素的浓度分布的形状，使得在所述光纤的与所述光轴正交的横截面中，在根据沿着所述光纤的径向的折射率分布计算出的波长为1550nm的被引导光的场强度最大的位置处得到的比率ID2/Iω3的值与所述光轴上的比率ID2/Iω3的值之差为0.15以下。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的光纤，其中，
所述碱金属元素包括钾。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的光纤，其中，
在所述光纤的与所述光轴正交的所述横截面中，在包围所述光轴的环形区域与所述光轴以预定距离间隔开的状态下所述碱金属元素的浓度分布具有第一浓度峰值位于所述环形区域中的形状。
6.根据权利要求4所述的光纤，其中，
在所述光纤的与所述光轴正交的所述横截面中，在包围所述光轴的环形区域与所述光轴以预定距离间隔开的状态下所述碱金属元素的浓度分布具有第一浓度峰值位于所述环形区域中的形状。
7.根据权利要求5所述的光纤，其中，
在所述光纤的与所述光轴正交的所述横截面中，所述碱金属元素的浓度分布具有如下形状：最大浓度比所述第一浓度峰值的最大浓度低的第二浓度峰值位于被所述环形区域包围的区域中。
8.根据权利要求6所述的光纤，其中，
在所述光纤的与所述光轴正交的所述横截面中，所述碱金属元素的浓度分布具有如下形状：最大浓度比所述第一浓度峰值的最大浓度低的第二浓度峰值位于被所述环形区域包围的区域中。
9.根据权利要求1至3中任一项所述的光纤，其中，
在所述光纤的与所述光轴正交的所述横截面中，所述碱金属元素的浓度分布具有如下的形状：存在沿着所述光纤的径向彼此间隔开的多个浓度峰值，并且
所述多个浓度峰值中所包括的两个相邻浓度峰值中的靠近所述光轴的一个浓度峰值的最大浓度比所述两个相邻浓度峰值中的另一个浓度峰值的最大浓度低。
10.根据权利要求4所述的光纤，其中，
在所述光纤的与所述光轴正交的所述横截面中，所述碱金属元素的浓度分布具有如下的形状：存在沿着所述光纤的径向彼此间隔开的多个浓度峰值，并且
所述多个浓度峰值中所包括的两个相邻浓度峰值中的靠近所述光轴的一个浓度峰值的最大浓度比所述两个相邻浓度峰值中的另一个浓度峰值的最大浓度低。
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