CN108700704A - 光纤 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种含有碱金属元素等的光纤，该碱金属元素等的扩散系数小于K的扩散系数，并且该光纤可以具有更低的瑞利散射损耗。光纤1包含石英玻璃，并且设置有芯部10和围绕芯部10且具有低折射率的包层14。芯部10具有包括中心轴的第一芯部11和围绕第一芯部11的第二芯部12。在第一芯部11中，碱金属元素或碱土金属元素的平均浓度为10摩尔ppm以下，并且氯的平均浓度为2000摩尔ppm以上。在第二芯部12中，碱金属元素或碱土金属元素的平均浓度为10摩尔ppm以上，并且氯的平均浓度为10摩尔ppm至600摩尔ppm。

Description

光纤
技术领域
本发明涉及一种光纤。
背景技术
专利文献US2012/0263427A和US7,088,900B公开了一种具有低瑞利散射损耗和低传输损耗的光纤，其是石英玻璃系光纤，其包括含有碱金属元素或碱土金属元素的芯。这种光纤是通过对光纤预制棒进行拉丝而制造的，该光纤预制棒包括含有碱金属元素或碱土金属元素的芯部。通过向光纤预制棒的芯部中添加碱金属元素或碱土金属元素，可以在光纤预制棒拉丝时降低芯部的粘度，从而使待制造的石英玻璃的网络结构均匀。这降低了由结构不规则引起的瑞利散射损失。下文中，除非另有说明，否则碱金属元素和碱土金属元素统称为“碱金属元素等”。
扩散法是一种将碱金属元素添加到石英玻璃中的已知方法。在扩散法中，在将原料(例如碱金属元素或碱金属盐)的蒸气引入到石英玻璃系玻璃管中的同时，用外部热源加热玻璃管或在玻璃管内部产生等离子体，以使碱金属元素扩散到玻璃管的内表面中。
在已经将碱金属元素添加到玻璃管的内表面附近的部分之后，加热玻璃管以缩小玻璃管的直径。缩径后，为了除去不需要的过渡金属元素(例如Ni和Fe)，将玻璃管的内表面蚀刻到预定厚度，其中过渡金属元素是在添加碱金属元素的同时作为杂质而被添加到玻璃管的内表面的。即使在将玻璃管的表面蚀刻到预定厚度以去除过渡金属元素之后，具有比过渡金属元素更高的扩散速率的碱金属元素也可以保留在玻璃管的内表面中。蚀刻后，加热玻璃管以形成包括中心部的实心的芯棒，该中心部包含碱金属元素。含有碱金属元素的芯棒和沉积在芯棒的外周上的玻璃可用作光纤预制棒的芯部。
通过在包括芯棒的芯部的外周上合成折射率低于芯部的包层部来制造光纤预制棒，其中该芯部包括含有碱金属元素的芯棒。光纤预制棒在高温炉中熔化并通过公知的方法进行拉丝以形成光纤。
发明内容
技术问题
本发明的目的是提供一种含有碱金属元素等的光纤，并且该光纤具有低的瑞利散射损耗。
问题的解决方案
根据本发明的光纤由石英玻璃构成且包括芯部和布置成围绕所述芯部的包层，并且所述包层的折射率低于所述芯部的折射率。所述芯部包括具有中心轴的第一芯部和布置成围绕所述第一芯部的第二芯部。所述第一芯部包含碱金属元素或碱土金属元素，使得所述第一芯部中的碱金属元素或碱土金属元素的平均浓度为10摩尔ppm以下。所述第一芯部包含氯，使得所述第一芯部中的氯的平均浓度为2000摩尔ppm以上。所述第二芯部包含碱金属元素或碱土金属元素，使得所述第二芯部中的碱金属元素或碱土金属元素的平均浓度为10摩尔ppm以上。所述第二芯部包含氯，使得所述第二芯部中的氯的平均浓度为10摩尔ppm至600摩尔ppm。
在下文中，单位“摩尔ppm”用于表示包含在一百万摩尔的SiO2中的掺杂剂原子的摩尔数。在使用多种碱金属元素和碱土金属元素的情况下，计算每种元素的上述平均浓度。认为第一芯部和第二芯部之间的边界是这样的位置，在该位置处，氯浓度相对于半径的梯度的绝对值具有局部最大值。
在根据本发明的光纤中，芯部中的碱金属元素或碱土金属元素的平均浓度优选为300摩尔ppm以下。另外，芯部中的氯的平均浓度优选为15000摩尔ppm以下。此外，碱金属元素或碱土金属元素优选为选自铷、铯和钙中的一者或两者以上。根据本发明的光纤优选在1550nm的波长下的传输损耗为0.180dB/km以下。
根据本发明另一方面的光纤由石英玻璃构成并且包括芯部和布置成围绕芯部的包层，并且所述包层的折射率低于所述芯部的折射率。所述芯部包括具有中心轴的第一芯部、布置成与所述第一芯部外接的中间芯部以及布置成与所述中间芯部外接的第二芯部。所述第一芯部包含碱金属元素或碱土金属元素，使得所述第一芯部中的碱金属元素或碱土金属元素的平均浓度为10摩尔ppm以下。所述第一芯部包含氯，使得所述第一芯部中的氯的平均浓度为2000摩尔ppm以上。所述中间芯部含有碱金属元素或碱土金属元素，使得所述中间芯部中的碱金属元素或碱土金属元素的平均浓度为10摩尔ppm以下。所述中间芯部包含氯，使得所述中间芯部中的氯的平均浓度为10摩尔ppm至600摩尔ppm。所述第二芯部包含碱金属元素或碱土金属元素，使得所述第二芯部中的碱金属元素或碱土金属元素的平均浓度为10摩尔ppm以上。所述第二芯部包含氯，使得所述第二芯部中的氯的平均浓度为10摩尔ppm至600摩尔ppm。
认为第一芯部和中间芯部之间的边界是这样的位置，在该位置处，氯浓度相对于半径的梯度的绝对值具有局部最大值。认为中间芯部和第二芯部之间的边界是这样的位置，在该位置处，碱金属元素或碱土金属元素相对于半径的梯度的绝对值具有局部最大值，该位置比碱金属元素或碱土金属元素的浓度具有整体最大值处的位置更靠近芯部的中心。
在根据本发明另一方面的光纤中，芯部中的碱金属元素或碱土金属元素的平均浓度优选为300摩尔ppm以下。此外，芯部中的氯的平均浓度优选为15000摩尔ppm以下。
发明的有益效果
根据本发明的光纤含有碱金属元素等，并且所述光纤具有低瑞利散射损耗。
附图说明
图1是根据本发明的实施方案的光纤的透视图。
图2是根据本发明的实施方案的光纤的截面图。
图3示出了光纤预制棒和光纤中的Cs浓度在径向方向上的分布的曲线图。
图4为描述根据本发明的制造光纤的方法的流程图。
图5是根据本发明的另一实施方案的光纤的截面图。
图6为描述用于制造光纤2的方法的流程图。
具体实施方式
下面参考附图对本发明的实施方案进行详细描述。在附图的描述中，由相同的附图标记表示相同的部件，并且省略重复的描述。意图是本发明的范围不受以下实施例的限制，而是由所附权利要求确定，并且包括权利要求的等同含义和范围的所有变化。
虽然已知钾(K)是典型的碱金属元素，但是光纤的芯部中的K的平均浓度难以提高，这是因为K具有大的扩散系数。本发明的发明人制造了这样一种光纤，该光纤含有扩散系数小于K的碱金属元素等，由此发现了以下事实。在所使用的芯棒包括含有扩散系数小于K的碱金属元素等的中心部的情况下，即使在拉丝步骤中将芯棒加热到2000℃至2300℃之后，碱金属元素等也不会在整个芯部上扩散，因此，芯部的外周部和包层的粘度没有降低，并且芯部内部的最大残余应力和最小残余应力之差增加到150MPa以上。这导致不能充分地降低瑞利散射损耗。波长为1550nm下的传输损耗为0.160dB/km以上。
解决上述问题和优化元素扩散状态的一种可能的方法是优化条件，所述条件例如为进行拉丝步骤的温度和预制棒在炉中的保留时间。然而，根据光纤预制棒的尺寸和拉丝速度确定诸如进行拉丝步骤的温度和预制棒在炉中的保留时间之类的条件。因此，通过改变上述条件来控制元素的扩散状态不利地限制了光纤预制棒的尺寸和拉丝速度，这导致生产成本和生产率受到限制。
图1是根据本发明的实施方案的光纤1的透视图。图2是光纤1的截面图。光纤1包括由石英玻璃构成的芯部10，以及布置成围绕芯部10并由石英玻璃构成的包层14。芯部10包括具有中心轴的第一芯部11和布置成围绕第一芯部11的第二芯部12。包层14具有比整个芯部10低的折射率。特别地，包层14的折射率低于第二芯部12的折射率。包层14由纯石英玻璃或含有氯或氟的石英玻璃构成。
第一芯部11含有碱金属元素等，使得第一芯部11中的碱金属元素等的平均浓度为10摩尔ppm以下。第一芯部11含有氯，使得第一芯部11中的氯的平均浓度为2000摩尔ppm以上。第二芯部12含有碱金属元素等，使得第二芯部12中的碱金属元素等的平均浓度为10摩尔ppm以上。第二芯部12含有氯，使得第二芯部12中的氯的平均浓度为10摩尔ppm至600摩尔ppm。包含于第二芯部12中的碱金属元素等在2000℃至2300℃下在石英玻璃中的扩散系数为1×10-12cm2/s以上且小于K的扩散系数。芯部10中的碱金属元素等的平均浓度为300摩尔ppm以下。芯部10中的氯的平均浓度为15000摩尔ppm以下。通过用氟掺杂芯部，可以适当地调节第一芯部和第二芯部的折射率。
通过将第一芯部11中的氯的平均浓度设定为2000摩尔ppm以上，可抑制由于构成光纤的玻璃的缺陷而引起的损耗的增加。如果含有碱金属元素等的区域中的氯的浓度高，则可能在该区域中形成晶体，并且可能无法生产合适的光纤。因此，通过将第二芯部12中的氯的平均浓度设定为600摩尔ppm以下，能够制造具有低损耗并且抵抗失效(例如纤维的断裂)的光纤。在碱金属元素等的浓度低于特定值的情况下，碱金属元素等的浓度越高，损耗越低。然而，如果碱金属元素等的浓度超过300摩尔ppm，则可能形成晶体，这增加了损耗。因此，芯部10中的碱金属元素等的平均浓度优选为300摩尔ppm以下。
图3的表格总结了Na、K、Rb、Cs和Ca的扩散系数。
表1
扩散系数小于K的碱金属元素等的实例包括Rb、Cs和Ca。图4示出了光纤预制棒和光纤中的Cs浓度在径向方向上的分布的曲线图。
为了能够将碱金属元素等以高浓度添加到芯部中，光纤1包含扩散系数比K小的碱金属元素等。与使用K的情况相比，这使得芯部的粘度降低。由于构成光纤1的石英玻璃具有均匀的网络结构，因此可以减少由结构的不规则性引起的光纤1的瑞利散射损耗。
在现有技术中，平均氯浓度为1,000摩尔ppm的第二芯部被布置成围绕含有碱金属元素的第一芯部，从而用氯修复在拉丝期间可能发生的玻璃缺陷，因此，实现了在1550nm的波长下的传输损耗为0.154dB/km以下。在芯部中心掺杂有扩散系数小于K的碱金属元素的制造方法中，即使在拉丝步骤中将温度升高到2000℃至2300℃之后，碱金属元素等也不会扩散到整个芯部，因此，芯部的外周部和包层部的粘度没有降低，并且芯部内部的最大残余应力和最小残余应力之差增加到150MPa以上。这导致不能充分地降低瑞利散射损耗。在1550nm的波长下的传输损耗为0.160dB/km以上。
图5描述了用于制造光纤1的步骤的流程图。以下描述包括具体条件的实例。
在准备步骤(步骤S1)中，准备了待向其中扩散碱金属元素等(掺杂剂)的石英玻璃系玻璃管。石英玻璃系玻璃管含有100摩尔ppm的氯、6,000摩尔ppm的氟和10摩尔ppm以下的其他掺杂剂和杂质。石英玻璃系玻璃管的外径为35mm，并且内径为约20mm。
在添加步骤(步骤S2)中，将用作掺杂剂的Cs添加到石英玻璃系玻璃管的内表面。所使用的原料是10g溴化铯(CsBr)。用外部热源将原料加热到800℃，以产生原料蒸气。在将原料蒸气和以下载气引入石英玻璃系玻璃管中的同时，用外部氢氧燃烧器加热该石英玻璃系玻璃管，使得石英玻璃系玻璃管的外表面的温度达到2150℃，其中该载气是流速为1SLM(标准状态下为1升/分钟)的氧气。通过使燃烧器以40毫米/分钟的速度横向移动总共15轮来进行该加热过程，以便将元素Cs扩散到石英玻璃系玻璃管的内表面中。
在缩径步骤(步骤S3)中，含有Cs的石英玻璃系玻璃管的直径缩小。在该过程中，在使氧气以0.5SLM的流速在石英玻璃系玻璃管内流动的同时，用氢氧燃烧器加热石英玻璃系玻璃管，使得石英玻璃系玻璃管的外表面的温度达到2250℃。通过使氢氧燃烧器横向移动总共6轮来进行该加热过程。进行缩径步骤，直到石英玻璃管的内径缩小到6mm。
在蚀刻步骤(步骤S4)中，蚀刻石英玻璃系玻璃管的内表面。在该过程中，在将含有SF6(0.2SLM)和氯气(0.5SLM)的混合气体引入石英玻璃管的内部的同时，用外部热源加热石英玻璃管以进行气相蚀刻。这使得可以磨削管的内表面，从而除去杂质，其中石英玻璃管的内表面含有高浓度的与所需的掺杂剂一起添加至管中的不必要的杂质。
在棒形成步骤(步骤S11)中，磨削由含有氯的石英玻璃(其中石英玻璃中的氯的平均浓度为4000摩尔ppm)构成的透明玻璃棒的外周，使得玻璃棒的直径缩小到5.0mm。由此制备了棒。
在棒熔缩(rod-in-collapse)步骤1(步骤S5)中，将步骤S11中制备的棒插入步骤S4中制备的玻璃管中。在大气压下将含氧气(0.1SLM)和He(1SLM)的混合气体引入石英玻璃管30的内部，并且将石英玻璃管内的绝对压力降低至97kPa以下，将表面温度增加至2150℃以将棒和管一体化为实心的芯棒。由此，通过上述实心化过程制备了芯部(外径：25mm)。可以通过任何公知的方法(例如OVD法或塌缩法)将不含碱金属元素等的芯层任选地设置在棒的外周上。
在延伸磨削步骤(步骤S6)中，使芯部延伸，使得芯部的直径缩小到24mm。将经过延伸的芯部的外周磨削，使得芯部的直径缩小到17mm。
在棒熔缩步骤2(步骤S7)中，在芯部的外周上形成包层部。在该过程中，使用棒熔缩法，即，将芯部插入含氟的石英玻璃系玻璃管的内部，并且用外部热源加热芯部和玻璃管，以便将芯部和玻璃管一体化为单一部件。芯部和包层部之间的折射率的相对差异最大为约0.34％。通过棒熔缩法进行的合成使得芯部中的水分含量和包层中位于芯部附近的部分的水分含量降低到足够低的水平。
在OVD步骤(步骤S8)中，将通过使芯部和包层部一体化而制造的棒延伸，以便将棒的直径缩小到预定直径。随后，通过OVD法在棒的外周上合成含氟的护套部。由此，制备了光纤预制棒。护套部的折射率优选等于包层部的折射率，并且可以与包层部的折射率不同。
在拉丝步骤(步骤S9)中，对通过制造上述光纤预制棒的方法制备的光纤预制棒进行拉丝，从而形成光纤。拉丝速度为1,800米/分钟至2,300米/分钟。拉丝张力为0.5N。测量拉丝后的光纤中的掺杂剂浓度，结果证实，芯部中的平均Cs浓度为210摩尔ppm。根据本实施方案的光纤在1550nm的波长下的传输损耗可以减小到0.148dB/km，而现有技术中制造的光纤的传输损耗最好的结果为0.158dB/km。
图6是根据另一实施方案的光纤2的截面图。光纤2包括由石英玻璃构成的芯部20和布置成围绕芯部20并由石英玻璃构成的包层24。芯部20至少包括具有中心轴的第一芯部21、布置成与第一芯部21外接的中间芯部22以及布置成与中间芯部22外接的第二芯部23。包层24具有比第二芯部23更低的折射率。包层24由纯石英玻璃或含有氯或氟的石英玻璃构成。
第一芯部21含有碱金属元素或碱土金属元素，使得该第一芯部21中的碱金属元素或碱土金属元素的平均浓度为10摩尔ppm以下。第一芯部21含有氯，使得第一芯部21中的氯的平均浓度为2000摩尔ppm以上。中间芯部22含有碱金属元素或碱土金属元素，使得中间芯部22中的碱金属元素或碱土金属元素的平均浓度为10摩尔ppm以下。中间芯部22含有氯，使得中间芯部22中的氯的平均浓度为10摩尔ppm至600摩尔ppm。第二芯部23含有碱金属元素或碱土金属元素，使得该第二芯部23中的碱金属元素或碱土金属元素的平均浓度为10摩尔ppm以上。第二芯部23含有氯，使得该第二芯部23中的氯的平均浓度为10摩尔ppm至600摩尔ppm。第二芯部23中所包含的碱金属元素等(例如Rb、Cs或Ca)在2000℃至2300℃下在石英玻璃中的扩散系数为1×10-12cm2/s以上且小于K的扩散系数。芯部20中的碱金属元素等的平均浓度为300摩尔ppm以下。芯部20中的氯的平均浓度为15000摩尔ppm以下。通过用氟掺杂芯部，可以适当地调节第一芯部、中间芯部和第二芯部的折射率。
由于光纤2包括介于第一芯部21和第二芯部23之间的中间芯部22，该中间芯部22用作具有低浓度的氯和碱金属元素等的缓冲区，所以与光纤1相比，光纤2稳定地具有更低的损耗。
图7描述了用于制造光纤2的步骤的流程图。以下描述包括具体条件的实例。图7所示的流程图与图5所示的流程图的不同之处在于，图7所示的流程图还包括棒熔缩步骤3(步骤S12)和外周磨削步骤(步骤S13)。
在棒熔缩步骤3(步骤S12)中，将步骤S11中制备的棒插入透明玻璃管中，该透明玻璃管由含氯的石英玻璃构成，并且该石英玻璃中的平均氯浓度为300摩尔ppm，并且该玻璃管具有25mm的外径和6mm的内径。将棒和玻璃管一体化为另一种棒。
在外周磨削步骤(步骤S13)中，使所述另一种棒延伸，使得该棒的直径缩小到16mm。磨削经延伸的棒的外周，使得棒的直径缩小到6mm。
在棒熔缩步骤1(步骤S5)中，将步骤S13中制备的棒插入步骤S4中制备的玻璃管中。将棒和玻璃管一体化为实心的芯棒。

Claims (8)

1.一种由石英玻璃构成的光纤，该光纤包括：
芯部，该芯部包括具有中心轴的第一芯部和布置成围绕所述第一芯部的第二芯部，所述第一芯部包含碱金属元素或碱土金属元素，使得所述第一芯部中的碱金属元素或碱土金属元素的平均浓度为10摩尔ppm以下，所述第一芯部包含氯，使得所述第一芯部中的氯的平均浓度为2000摩尔ppm以上，所述第二芯部包含碱金属元素或碱土金属元素，使得所述第二芯部中的碱金属元素或碱土金属元素的平均浓度为10摩尔ppm以上，所述第二芯部包含氯，使得所述第二芯部中的氯的平均浓度为10摩尔ppm至600摩尔ppm；和
布置成围绕所述芯部的包层，所述包层的折射率低于所述芯部的折射率。
2.根据权利要求1所述的光纤，
其中所述芯部中的碱金属元素或碱土金属元素的平均浓度为300摩尔ppm以下。
3.根据权利要求1或2所述的光纤，
其中所述芯部中的氯的平均浓度为15000摩尔ppm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或碱土金属元素是选自铷、铯和钙中的一者或两者以上。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的光纤，
所述光纤在1550nm的波长下的传输损耗为0.180dB/km以下。
6.一种由石英玻璃构成的光纤，所述光纤包括：
芯部，该芯部包括具有中心轴的第一芯部、布置成与所述第一芯部外接的中间芯部以及布置成与所述中间芯部外接的第二芯部，所述第一芯部包含碱金属元素或碱土金属元素，使得所述第一芯部中的碱金属元素或碱土金属元素的平均浓度为10摩尔ppm以下，所述第一芯部包含氯，使得所述第一芯部中的氯的平均浓度为2000摩尔ppm以上，所述中间芯部含有碱金属元素或碱土金属元素，使得所述中间芯部中的碱金属元素或碱土金属元素的平均浓度为10摩尔ppm以下，所述中间芯部包含氯，使得所述中间芯部中的氯的平均浓度为10摩尔ppm至600摩尔ppm，所述第二芯部包含碱金属元素或碱土金属元素，使得所述第二芯部中的碱金属元素或碱土金属元素的平均浓度为10摩尔ppm以上，所述第二芯部包含氯，使得所述第二芯部中的氯的平均浓度为10摩尔ppm至600摩尔ppm；和
布置成围绕所述芯部的包层，所述包层的折射率低于所述芯部的折射率。
7.根据权利要求6所述的光纤，
其中所述芯部中的碱金属元素或碱土金属元素的平均浓度为300摩尔ppm以下。
8.根据权利要求6或7所述的光纤，
其中所述芯部中的氯的平均浓度为15000摩尔ppm以下。
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